ELEKTRIČNO KOČENJE VUČNIH MOTORA

Predavač: prof.dr Željko Despotović

UVODElektrično kočenje vučnih motora je najefikasniji način zaustavljanja vučnih vozila.Ovo kočenje se najčešće ostvaruje u kombinaciji sa drugim načinima kočenja (najčešće mehaničkim) i uglavnom se koristi za brzine iznad 10km/h.Električno kočenje vučnih motora može biti:

-reostatsko-protivstrujno-rekuperativno

REOSTATSKO KOČENJE

Ovo kočenje se ostvaruje prevođenjem vučnog motora u generatorski režim. U ovom režimu motor koji je sada generator napaja sistem otpornika i sva energija koja se dobija u generatorskom radu se troši u otporima u toplotnu energiju. Ovaj način kočenja nije efikasan obzirom da se u toku njega izgubi u toplotu veliki deo energije.

USLOVI ZA REOSTATSKO KOČENJE

Da bi iz motornog režima vučne mašine prešli u generatorski režim potrebno je ispuniti određene uslove:1. Mora se zadržati isti smer obrtanja (ovo se postiže zamenom krajeva armaturer (indukta) čiji se krajevi označavaju sa A-B.2. Mora se ostvariti zatvoreno strujno kolo sa otpornim opterećenjem3.Mora se zadržati isti smer struje u induktoru da ne bi došlo do demagnetizacije.

MOTORNI REŽIM

A-B armatura (namotaj indukta)E-F induktor Desni smer obrtanja

GENERATORSKI REŽIM

kkg IRRE ⋅+= )(

)( kEg InkE Φ⋅⋅=

B-A armatura (namotaj indukta)E-F induktor Desni smer obrtanja

NAPONSKE JEDNAČINE:

Rk-kočioni otpornik koji "prima"svu energiju u toku kočenja

KARAKTERISTIKA REOSTATSKOG KOČENJA

-Pri ovom kočenju od neobičnog značaja je poznavati karakteristiku magnećenja

električne mašine u generatorskom režimu)(IfEg =

pri konstantnom broju obrtaja n-U preseku ove krive i jednačine otpornog kočenja

kkg IRRE ⋅+= )(se dobija ravnotežna radna tačka u kojoj se završava samopobuđivanje.-Prava IRRE kg ⋅+= )(ne sme biti tangenta jer tada nemasamopobuđivanja. Drugim rečima kočioni otpor mora da ispuni uslov :

)(krkk RR ≤

.

OSNOVNI ZADATAK KOJI TREBA REŠITI KOD OTPORNOG KOČENJA

Zadatak kod otpornog kočenja se sastoji u tome da se odredi zavisnost broja obrtaja od struje pri konstantnoj vrednosti kočionog otpornika:

)(Ifn =

constRk =

pri uslovu :

DOBIJANJE ZAVISNOSTI n=f(I)PRI REOSTATSKOM KOČENJU

n/n1=E/E1

T01: (R+Rk)I1=E1 → n1

T02: (R+Rk)I2=E2 → n2

T03: (R+Rk)I3=E3 → n3..T05: (R+Rk)I5=E5 → n5

nkr – kritični broj ispod koga nije mogućesamopobuđivanje

•Kada počnemo kočenje od nekogmaksimalnog broja obrtaja nmax brzinaopada , takođe opada i strujnoopterećenje.

•Ako želimo da se to kočenje ostvarujesa konstantnom silom Fk moramo držatikonstantnu struju Ik=const.

ŠTA JE SA KARAKTERISTIKOM SILE F=f(I)?

Karakteristika vučne sile tokom kočenja ima isti oblik kao i u motornom režimu:

)()( kEkkg InkIRRE Φ⋅⋅=⋅+=

constI k =constR =

constI k =Φ )( 21 CRCn k +⋅=

Zavisnost promene broja obrtaja od kočionog otpora da bi imali kočenje sa konstantnom silom strujom Ik=const, odnosno sa konstantnom silom Fk =const

PRORAČUN OTPORNIKA ZA KOČENJE

U istom odnosu pri kome pri kočenju opada brzina, moramo menjati kočioni otpor Rk, da bi imali konstantnu struju kočenja odnosno konstantnu silu kočenja vučnog vozila.

Otpornik za kočenje se projektuje za početne brzine kočenja, odnosno maksimalne brzine kočenja.

-struju I1 pri nmax sa karakteristike magnećenja dobijamo E1=knΦ=(R+Rk1)I1 i odavde dobijamo Rk1

-struju I2 pri nmax sa karakteristike magnećenja dobijamo E2=knΦ=(R+Rk2)I2 i odavde dobijamo Rk2

Postupak ponavljamo za ostale vrednosti struja

MANE REOSTATSKOG KOČENJA

Mala energetska efikasnost (veliki utrošak energije u beskorisnu toplotu).Prilikom reostatskog kočenja mi ne možemo vozilo da potpuno zaustavimo. Za male brzine imamo i male napone E, tako da pri brzinama 5-10km/h moramo primeniti neki drugi tip kočenja, odnosno drugi tip kočnice (najčešće mehanička) koja će da zaustavi u potpunosti vozilo

VREDNOSTI OTPORNIKA ZA KOČENJE

kin

ikI RR ΔΣ=

=1

kin

ikIIkI RRR ΔΣ+=

=2

Ukupna vrednost otpornika:

Vrednost pojedinih nivoa otpora:

kin

ikIIIkII RRR ΔΣ+=

=3

kin

nikNkN RRR ΔΣ+=

−=−−

112

N-broj stepeni otpornika za kočenje

243 II

I k+

=

Struja kočenja:

Sila kočenja:kF

KOLIKA JE STVARNA SILA KOČENJA?

Stvarna sila kočenja biće uvećana za onoliki iznos koliko deluju stalni otpori vuče:

kF ′

GfFF otkk ⋅Σ+=′

Ako je u pitanju jedan vučni motor stvaraju se problemi!!!!!

Kad mašina radi kao generator onda je njegova EMS veća od naponanapajanja motora U. Drugim rečima E=knΦ i n=nmax.

Ako je napon Un=600V, onda je E=1000V (kod trolejbusa na primer). Zato se pri projektovanju motora vodi računa da li će on raditi i u režimu generatora. Pri ispitivanju takvih mašina se koristi ispitni napon

Ui=2Un+1000Vodnosno

Ui=2E+1000V.

ŠTA AKO IMAMO DVA ili VIŠE MOTORA U PARALELI?

Kada radi više motora, na primer u paraleli, sve struje idu kroz otpornik i itekako ga greju. Pored toga može da nastupi problem ukoliko je E1≠E2 (usled razlika u konstrukciji samih mašina), tako da se dao struje kočenja zatvara i kroz krugove samih mašina.Tako na primer ukoliko je E1>E2, može se desiti da se veći deo struje kočenja zatvara kroz same motore, odnosno da se dođe u situaciju da je kočioni otpornik praktično isključen iz kola.

Stoga se u ovom slučaju primenjuje unakrsno vezivanje vučnih motora tzv. "veza u krst".

UNAKRSNO VEZIVANJE VUČNIH MOTORA PRI REOSTATSKOM

KOČENJU

Unakrsnim vezivanjem se nakon vrlo kratkog vremena postiže izjednačavanje EMS motora, odnosno generatora (pošto su motori ugeneratorskom režimu), a samim tim i njihovih struja (E1=E2 i I1=I2).

PROTIVSTRUJNO KOČENJE

Protivstrujno kočenje se ostvaruje tako što se u toku vožnje promeni smer obrtanja mašine pri čemu je i dalje mašina na mreži. Promena smera obrtanja se izvodi prevezivanjem krajeva.U ovom slučaju mašina radi kao generator i tada je naponska jednačina data kao:

IrRUE kg ⋅+=+ )(

MANA PROTIVSTRUJNOG KOČENJA

Pošto se u ovom slučaju sabiraju Eg i U strujno opterećenje će biti veliko u poređenju sa otpornim kočenjem IA>IB.

IrRUEg ⋅+=+ )(

KARAKTERISTIKA n=f(I) kod PROTIVSTRUJNOG KOČENJA

•Ovaj tip kočenja počinje od nekog maksimalnog broja obrtaja nmax. •Dobra strana je što se mogu postići brzine bliske zaustavljanju (n=0). •Kada brzina padne na nulu tada je potrebno isključiti motor. •Prednost ovog načina je ta što smo dobili ono što se nije moglo postići otpornim kočenjem (zaustavljanje vučnog vozila).•Obično se ovo kočenje kombinuje sa otpornim, tako što se nakon kritične brzine koja se ima kod reostatskog kočenja (5-10km/h) primenjuje protivstrujno kočenje.

KOMBINACIJA OTPORNOG I PROTIVSTRUJNOG KOČENJA

Otpornik se u ovom slučaju isključuje kao kod otporničkog kočenja.Primer: Trolejbus 25kW, Un=600V, I=230A, Ipol=300A.R=U/ Ipol =600/300=2Ω. Ako je EMS E=600VSada je struja :I=(E+U)/R=1200/2=600A. Ovo je velika struja i zato se mora dodati još neki otpor. Zato je ovaj način kočenja veoma nepovoljan i koristi se samo onda kada su potrebne velike sile kočenja.

REKUPERATIVNO KOČENJEKod ovog tipa kočenja električna energija dobijena u generatorskom režimu rada se vraća u kontaktnu mrežu i može biti iskorišćena od drugih vučnih vozila.Pri ovom kočenju mora biti ispunjen uslov da je napon u generatorskom režimu Eg veći od napona kontaktne mreže U, odnosno: Eg>U. Pri ovome se dobija da je struja rekuperacije jednaka:

I=(Eg-U)/RNapon kontaktne mreže U je u principu konstantna vrednost ali se u praktičnom pogonu menja u zavisnosti od uslova u kontaktnoj mreži (najčešće opterećenja mreže).Pri ovome ćemo razmotriti dva karakteristična slučaja u kojima se ima nestabilan rad:

REKUPERATIVNO KOČENJE-slučaj I:napon kontaktne mreže (kontaktnog voda) opada

U ovom slučaju će struja rekuperacije da raste. Obzirom da se radi o motorima sa rednom pobudom doći će i do porasta pobudnog fluksa Φ, a time i do elektromotorne sile Eg.Tako će u ovom slučaju i razlika napona Eg-U da raste. Ovo se manifestuje kroz dalji porast struje i kao naglo kočenje. Porast struje se ostvaruje dok sigurnosni uređaji prekostrujne zaštite ne isključe mašinu.

U ovom slučaju će struja rekuperacije da opada. Obzirom da se radi o motorima sa rednom pobudom doći će i do opadanja pobudnog fluksa Φ, a time i do elektromotorne sile Eg.Tako će u ovom slučaju i razlika napona Eg-U da

opada. Ovo se manifestuje tako što smer struje može da se promeni i da dođe do zaletanja mašine umestonjenog kočenja.

REKUPERATIVNO KOČENJE-slučaj II:napon kontaktne mreže (kontaktnog voda) raste

REKUPERATIVNO KOČENJE-VAŽAN ZAKLJUČAK

Mašina sa rednom pobudom nikada ne koristi u rekuperativnom kočenju!!!!

Šta se onda koristi??

NEZAVISNA POBUDA PRI REKUPERATIVNOM KOČENJUVrlo često se mašina sa rednom pobudom prebacuje u režim sa nezavisnom pobudom.Tada se induktor (pobudni namotaj) napaja iz posebnog jednosmernog izvora i rekuperativno kočenje se ostvaruje kao kod klasične jednosmerne mašine sa nezavisnom pobudom. U ovom slučaju rekuperativno kočenje je mnogo stabilnije pošto je pobudni fluks konstantan i nezavisan od struje rekuperacije

KOLIKA SE ENERGIJA MOŽE DOBITI PRI REKUPERATIVNOM KOČENJU?

1 slučaj (vuča na usponu)Odredićemo snagu vučne lokomotive potrebnu da se voz mase G vuče na usponui ‰, brzinom vUkupna potrebna vučna sila je data relacijom:

Potrebna snaga na obodu točkova, da se ova vuča obavi je data relacijom:

[ ] GifF otv ⋅+= ∑1

[ ] vGifvFP otv ⋅⋅+=⋅= ∑11

Električna snaga potrebna da se vuče voz mase G na usponu i ‰, brzinom v je data relacijom:

[ ] vGifP ote ⋅⋅+⋅= ∑1

11η

111 / ePP=ηStepen iskorišćenja:

2 slučaj (kočenje na nizbrdici)U slučaju kretanja voza na nizbrdici jednačina vučne sile će biti:

[ ] GifF otv ⋅−= ∑2

a snaga, pri istoj brzini v kao i u slučaju vuče na uzbrdici, je jednaka :

[ ] vGifvFP otv ⋅⋅−=⋅= ∑22

[ ] vGfiP ot ⋅⋅−=′ ∑2

OBZIROM DA SE RADI O GENERATORSKOM REŽIMU:

Električna snaga u ovom slučaju je jednaka:

[ ] vGfiP ote ⋅⋅−⋅= ∑2

21η 222 / ePP′=η

ODNOS SNAGA PRI KOČENJU I POGONU

ot

ot

e

efifi

PP

Σ+Σ−

⋅⋅== 211

2 ηηϕ

0=ϕotfi Σ=

tdaNfot /5=Σ

9.08.021 −≈⋅ηη

i(‰) φ

10 0.2715 0.4020 0.4825 0.94

ZAVISNOST ODNOSA SNAGA φ OD USPONA TRASE

i→Σfot φ→0

i→∞ φ→η1η2