Loading

Nowe elektryczne maszyny trakcyjne z DOLMELu

Wiadomości Elektrotechniczne 5-6/1985

Inż Adam OSTROWSKI,
Inż Emil WILCZYŃSKI
Dolnośląskie Zakłady Wytwórcze Maszyn Elektrycznych DOLMEL Wrocław


 

Dolnośląskie Zakłady Wytwórcze Maszyn Elektrycznych DOLMEL we Wrocławiu są głównym producentem maszyn elektrycznych dla trakcji kolejowej i tramwajowej. Asortyment produkowanych maszyn obejmuje:
- silniki napędowe, przetwornice wirujące i silniki do napędów pomocniczych dla lokomotyw elektrycznych i jednostek pasażerskich zasilanych z sieci prądu stałego o napięciu 3000 V,
- prądnice główne, silniki napędowe oraz maszyny pomocnicze dla lokomotyw spalinowych z przekładnią elektryczną o mocach 260-2200 kW,
- silniki tramwajowe.

Podstawowym silnikiem napędowym dla obecnie produkowanej rodziny lokomotyw elektrycznych jest silnik o mocy 500 kW. Jest on stosowany do indywidualnego napędu osi zestawów kołowych w lokomotywach czteroosiowych (BoBo) o mocy 2000 kW, sześcioosiowych (CoCo) o mocy 3000 kW oraz ośmioosiowych (BoBo+BoBo) o mocy 4000 kW.

Dla nowej, przyszłościowej rodziny lokomotyw elektrycznych, skonstruowano i wykonano w 1983 r. prototypowe maszyny dla dwóch lokomotyw. Podstawowym silnikiem napędowym dla nowej rodziny lokomotyw będzie silnik o mocy 730 kW, przewidziany do indywidualnego napędu osi zestawów kołowych w lokomotywach czteroosiowych (BoBo) o mocy 2920 kW i prędkości maksymalnej 140 km/h oraz sześcioosiowych (BoBoBo) o mocy 4380 kW i prędkości maksymalnej 160 km/h.


SILNIK TRAKCYJNY LKa 740

Silnik trakcyjny LKa-740 jest maszyną prądu stałego o wzbudzeniu szeregowym, sześciobiegunową, skompensowaną z przewietrzaniem obcym. Zawieszenie silnika na ramie wózka jest usprężynowane. Widok silnika przedstawiono na rys. 1 zaś jego charakterystyki na rys. 2. Dane techniczne silnika LKa 740 są następujące:
Rodzaj pracy S1
Moc 730 kW
Napięcie 1500 V (3000 V/2)
Natężenie prądu 520 A
Prędkość obrotowa 720 obr/min
Sprawność 93,4%
Znamionowy stopień wzbudzenia 100%
Minimalny stopień wzbudzenia 37%
Wartości maksymalne:
napięcia 1800 V (3600 V/2)
natężenia prądu w czasie 30 s 900 A
prędkości obrotowej 1530 obr/min
Wydatek powietrza chłodzącego 1,67 m^3/s
Masa silnika 4870 kg
Klasa izolacji F
Wykonanie wg PN-69/E-06001

Przy opracowywaniu silnika wykorzystano dotychczasowe wieloletnie doświadczenie z produkcji i eksploatacji maszyn trakcyjnych. Silnik ten charakteryzuje się nowymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi i technologicznymi, uwzględniającymi bardzo szeroki zakres zagadnień, m.in.:
- zastosowanie wdrażanych obecnie nowych materiałów i procesów technologicznych,
- eliminowanie trudno dostępnych odlewów staliwnych oraz takich materiałów, jak np. cyna,
- zmniejszenie uciążliwości pracy przy produkcji,
- dobre dostosowanie silnika do warunków pracy trakcyjnej,
- zminimalizowanie kosztownego oprzyrządowania,
- zmniejszenie zużycia energii w procesie produkcji.

W silniku LKa 740 zastosowano wiele nowych rozwiązań, które zostaną omówione poniżej.

Stojan. Przyjęto zupełnie nową technologię wykonania i montażu uzwojeń stojana, polegającą na:
- wykonaniu izolacji cewek biegunów głównych, pomocniczych i uzwojenia kompensacyjnego z taśm porowatych,
- montażu biegunów kompletnych i uzwojenia kompensacyjnego w specjalnym przyrządzie poza kadłubem,
- nasyceniu wszystkich uzwojeń stojana z połączeniami w systemiej globalnym (micadur compact),
- wstawieniu całości do kadłuba przy użyciu specjalnych zawieszek i zamocowaniu.
Dla spełnienia przyjętych warunków trzeba było zastosować odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne i oprzyrządowanie. Kadłub okrągły o konstrukcji odlewano-spawanej jest obrabiany na maszynach sterowanych numerycznie, które zapewniają powtarzalność wymiarów całej serii obrabianych kadłubów. Powtarzalność wymiarów jest niezbędna, gdyż montaż biegunów w kadłubie odbywa się bez dopasowywania, a dokładność rozstawienia biegunów na średnicy i obwodzie zapewnia odpowiednie oprzyrządowanie.

Cewki biegunów głównych są wykonane z taśmy miedzianej o wymiarach 2,8x50 mm, nawijanej "na kant". Po nawinięciu cewki są wyżarzane w atmosferze beztlenowej, a następnie łukowane na prasie w specjalnym oprzyrządowaniu w celu dopasowania do kształtu kadłuba.

Cewki uzwojenia kompensacyjnego o kształcie zamkniętym, po uformowaniu i zaizolowaniu, są wkładane do otwartych żłobków w nabiegunnikach biegunów głównych

Cewki są łączone kablami w izolacji z gumy silikonowej. Połączenia zachowują elastyczność również po nasyceniu wszystkich uzwojeń. Styki są lutowane lutem twardym. Praktycznie w uzwojeniach stojana nie stosuje się lutu cynowego.

Zastosowanie nowej technologi zdecydowanie zmienia proces wykonania i poprawia jakość silników w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi.

Obróbka okrągłego kadłuba na obrabiarkach sterowanych numerycznie trzykrotnie zmniejsza liczbę operacji technologicznych w porównaniu z obróbką kadłuba o kształcie wielokątnym. Nasycanie globalne cewek eliminuje kosztowne formy stosowane do utwardzania izolacji cewek, poprawia szczelność całej izolacji, zwiększając tym samym jej odporność na wilgoć. Proces zwojenia stojana nie jest uzależniony od kadłuba i może być wykonywany równocześnie z obróbką kadłuba, skracając tym samym cykl produkcji silnika.

Komutator. Podstawowym założeniem przy opracowywaniu konstrukcji komutatora było zapewnienie możliwości łączenia uzwojenia wirnika z chorągiewkami metodą TIG. Wymagało to zastosowania na izolację międzywycinkową mikanitu ciepłoodpornego oraz takiego rozwiązania komutatora, aby dolne pręty uzwojenia znajdowały się conajmniej 5 mm powyżej powierzchni roboczej komutatora. Mikanit ciepłoodporny został opracowany i jest produkowany w DOLMELu.

Z uwagi na powiększenie wysokości chorągiewki zrezygnowano z wykonywania wycinków z jednego profilu miedzi, gdyż powodowałoby to duże straty. Z tego wzglądu wycinki komutatora są wykonywane z dwóch profilów miedzi - z jednego profilu jest wykonywana część robocza, a z drugiego - chorągiewka. Obie części są połączone ze sobą lutem twardym w osłonie argonu.

Uzwojenie wirnika jest zgrzewane z chorągiewkami metodą TIG w osłonie helu. Przedstawione rozwiązania zminimalizowały zużycie miedzi komutatorowej oraz zupełnie wyeliminowały lut cynowy z uzwojenia wirnika.

Urządzenie szczotkowe. Opracowano nową konstrukcję obrotowego urządzenia szczotkowego. Obrót urządzenia jest dokonywany przez przekładnię zębatą. Umożliwia to przeprowadzanie przeglądu i konserwacji szczotek, trzymadeł szczotkowych oraz izolatorów przez jedną, najbardziej dostępną komorę inspekcyjną. Trzymadła szczotkowe ze spiralną sprężyną umożliwiają stosowanie wysokich szczotek i zapewniają prawidłowy nacisk na szczotkę w całym zakresie roboczej wysokości szczotki.

Osłona wylotu powietrza. Na otwory wylotowe powietrza chłodzącego zastosowano stałą, odpowiednio wyprofilowaną osłonę, kierującą jednocześnie powietrze wzdłuż kadłuba silnika. Osłona została wykonana w PAFAWAGu z maty szklanej, kształtowanej na odpowiedniej formie i utwardzonej żywicą epoksydową. Osłona ta powinna skutecznie zabezpieczyć wnętrze silnika przed przedostawaniem się pyłu i mgły wodnej w okresie letnim oraz śniegu w okresie zimowym.


Rys. 1. Widok ogólny silnika LKa-740


Rys. 2. Charakterystyki silnika LKa 740
1- stopień wzbudzenia w=1,
2 - stopień wzbudzenia w=0,37


BOCZNIK INDUKCYJNY AKB4

W celu osłabienia wzbudzenia silnika LKa 740 skonstruowano i wykonano nowy typ bocznika, którego ogólny widok przedstawiono na rys. 3. Cewka bocznika o kształcie okrągłym, wykonana z taśmy miedzianej nawijanej "na kant" jest osadzona na tulei z tkaniny szklanej, która jednocześnie izoluje ją od rdzenia. Na izolację zwojową zastosowano materiał przekładkowy Polonit.

Nowe rozwiązanie bocznika eliminuje stosowanie do izolowania cewek drogich taśm mikowych oraz energochłonnych procesów związanych z nasycaniem i utwardzaniem tej izolacji. Dane techniczne bocznika AKB4 są następujące:
Napięcie 3000 V
Prąd znamionowy ciągły 330 A
Klasa izolacji B
Masa 600 kg


Rys.3. Widok ogólny bocznika indukcyjnego AKB4


MASZYNY POMOCNICZE

Przy opracowywaniu maszyn do napędów pomocniczych w lokomotywie przyjęto nową koncepcję, polegającą na opracowaniu zunifikowanego silnika pomocniczego zasilanego z sieci trakcyjnej 3000 V i tworzeniu z niego odpowiednich zespołów. Po dokonaniu uzgodnień z konstruktorem lokomotywy zaprojektowano silnik LKPa 368 przystosowany do:
- napędu zespołu sprężarki głównej o wydajności znamionowej 215 m^3/h przy sprężu 1,0 MPa,
- napędu zespołu przetwornicy, składającej się z prądnicy pomocniczej LKPa 220 zabudowanej na kadłubie silnika i napędzanej paskami klinowymi oraz dmuchawy osadzonej na drugim, wolnym końcu wału, dostarczającej powietrze chłodzące dla 2 silników trakcyjnych,
- napędu tylko dmuchawy dostarczającej powietrze do chłodzenia silników trakcyjnych.
Rozwiązanie to jest korzystne zarówno dla producenta, jak i użytkownika maszyn, gdyż pozwala na zmniejszenie asortymentu produkowanych maszyn i części zamiennych oraz wydłużenie serii.

Widok ogólny silnika przedstawiono na rys. 4, natomiast przetwornicy (bez dmuchawy) na rys. 5.

Charakterystyki ruchowe silnika i przetwornicy podano na rys. 6 i 7.

Dane techniczne silnika LKPa 368 są następujące:
Rodzaj pracy S1
Moc 28,3 kW
Napięcie 3000 V
Natężenie prądu 12,5 A
Prędkość obrotowa 1450 obr/min
Sprawność 76%
Wartości maksymalne:
napięcia 3600 V
natężenia prądu w czasie 60 s -18,8 A
prędkości obrotowej 1750 obr/min
Masa silnika 970 kg
Klasa izolacji B
Rezystancja opornika ochronno-rozruchowego 30 om
Wykonanie wg PN-69/E-06001

Zastosowana w zespole przetwornicy prądnica pomocnicza LKPa 220 ma następujące dane techniczne:
Rodzaj pracy S1
Moc 6 kW
Napięcie 110 V
Natężenie prądu 55 A
Prędkość obrotowa 1200 do 3000 obr/min
Wartości maksymalne:
mocy 15 kW
natężenia prądu w czasie 300 s - 165 A
Masa prądnicy 245 kg
Klasa izolacji B
Wykonanie wg PN-69/E-06001


Rys. 4. Widok ogólny silnika LKPa 368


Rys. 5. Widok ogólny przetwornicy LKPa 368/220 bez dmuchawy)


Rys. 6. Charakterystyki silnika LKPa 368 z włączonym W szereg rezystorem 30 ohm


Rys . 7. Charakterystyki przetwornicy LKPa 368/220 w funkcji prądu prądnicy Ip


WNIOSKI

  • Nowe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne zostały sprawdzone w trakcie wykonywania i badania maszyn prototypowych. Wiele z nich wymaga jeszcze sprawdzenia w eksploatacji i odpowiedniego dopracowania. Ogólnie można stwierdzić, że przyjęte rozwiązania są słuszne, zapewniają bowiem uzyskanie istotnego postępu w wytwarzaniu maszyn oraz poprawiają ich jakość.
  • Przy opracowywaniu nowych typów maszyn trakcyjnych należy uwzględnić i wprowadzić nowe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne przyjęte w silniku LKa 740.