Powszechnie energia elektryczna jest wytwarzana w postaci prądu trójfazowego, gdyż daje to duże korzyści ekonomiczne, a także zmniejsza straty w przesyle energii. Maszyny pracujące w przemyśle bardzo często pracują jako trójfazowe z tych samych względów. Maszyny trójfazowe pozwalają na zmniejszenie masy i wymiarów maszyny tej samej mocy co maszyna jednofazowa.
Wymagania stawiane spalinowym pojazdom trakcyjnym w miarę potrzeb przemysłu rosły, więc moce lokomotyw spalinowych musiały ulec zwiększeniu. Konstrukcje zespołów prądotwórczych w lokomotywach spalinowych z przekładnią elektryczną musiały zostać zwiększone w celu zwiększenia mocy. Wiązało się to ze zwiększeniem masy całego zespołu silnik-prądnica, a więc podrażało masę i koszty lokomotywy. Wobec tego konstruktorzy spalinowych pojazdów trakcyjnych aby uniknąć konieczności zastosowania drogich, dużych i ciężkich prądnic prądu stałego postanowili zastosować prądnice trójfazową prądu przemiennego, której wymiary, masa oraz koszty są niższe od maszyny tej samej mocy prądu stałego.
Wobec tego iż w prądnicy tej generowany jest prąd przemienny trójfazowy nastąpiła konieczność zastosowania układu prostownikowego w celu zasilenia elektrycznych silników trakcyjnych prądem stałym, chociaż istnieje możliwość stosowania coraz bardziej popularnych silników asynchronicznych.
Schemat przekładni elektrycznej prądu przemiennego z generatorem trójfazowym, oraz prostownikiem pokazany jest poniżej.
Silnik spalinowy napędza prądnicę trójfazową prądu przemiennego, która wzbudzana jest prądem wytworzonym przez wzbudnicę, w ten sposób w uzwojeniach trójfazowych prądnicy indukuje się napięcie przemienne. Częstotliwość napięcia przemiennego zależy od prędkości napędzania prądnicy, w jedynych lokomotywach spalinowych z przekładnią elektryczną prądu przemiennego jakie eksploatują obecnie PKP (SP32) częstotliwość ta wynosi 100 Hz przy 1500 obr/min. Prąd przemienny jest następnie prostowany w prostownikach krzemowych, skąd następnie płynie do silników prądu stałego.
Silniki trakcyjne prądu stałego stosowane w lokomotywach z przekładnią elektryczną prądu przemiennego niczym się nie różnią od typowych elektrycznych silników trakcyjnych prądu stałego stosowanych w elektrycznych pojazdach trakcyjnych i spalinowych pojazdach trakcyjnych z przekładnią elektryczną prądu stałego.
PRĄDNICA GŁÓWNA PRĄDU PRZEMIENNEGO
W spalinowych pojazdach trakcyjnych z przekładnią elektryczną prądu przemiennego stosuje się prądnice trójfazowe - synchroniczne. Prądnica synchroniczna to taka maszyna, w której prędkość wirowania wirnika jest taka sama jak prędkość wirowania wirującego pola magnetycznego. W maszynach synchronicznych występuje stała zależność między prędkością z jaką wiruje wirnik maszyny, liczbą par biegunów a częstotliwością. Dla prądnicy najważniejsza jest zależność, która przedstawiona jest poniżej:
W jedynych eksploatowanych przez PKP lokomotywach spalinowych z przekładnią elektryczną prądu przemiennego - SP32 częstotliwość wytwarzanego prądu wynosi 100 Hz, przy prędkości 1500 obr/min. Wobec tego prądnica w tej lokomotywie posiada 4 pary biegunów.
Prądnica synchroniczna składa się wirnika, na którym znajduje się najczęściej uzwojenie wzbudzenia, oraz stojana (twornika), na którym znajdują się uzwojenia faz. Najczęściej właśnie w taki sposób wykonane są prądnice prądu przemiennego, gdyż odbieranie dużych prądów z wirnika (w przypadku, gdy na wirniku znajdują się uzwojenia faz) sprawia problemy w eksploatacji. Wirnik na którym znajduje się uzwojenie wzbudzenia zamiast komutatora posiada pierścienie ślizgowe, do których przylegają szczotki. Uzwojenie twornika zasilane jest ze źródła prądu stałego, najczęściej wzbudnicy. Prąd przepływający przez uzwojenie wirnika (uzwojenie wzbudzenia) wytwarza stałe pole magnetyczne, które podczas obrotów maszyny przecina uzwojenia fazowe stojana, w których indukuje się napięcie przemienne. W stojanie uzwojenia są rozmieszczone na przemian dzięki temu uzyskuje się napięcie przemienne, w taki sposób, że fazy są przesunięte względem siebie o kąt 120o elektrycznych. W budowie maszyna synchroniczna jest zdecydowanie prostsza od maszyny prądu stałego i dlatego jest tańsza, a poza tym daje dobre właściwości ruchowe i regulacyjne.
Prądnice synchroniczne budowane są w dwóch zasadniczych odmianach:
- z biegunami utajonymi (z wirnikiem cylindrycznym);
- z biegunami jawnymi (z wirnikiem jawnobiegunowym);
Maszyny te różnią się od siebie budową oraz właściwościami ruchowymi. Zasadniczo prądnice pracujące z wirnikiem jawnobiegunowym stosowane są w elektrowniach wodnych jako hydrogeneratory, gdyż obracają się z małą prędkością wobec tego maja dużą liczbę par biegunów a co za tym idzie - dużą średnicę. Wirnik z kolei w hydrogeneratorach ma długość do około 1 m.
Prądnice z wirnikiem cylindrycznym są częściej stosowane jako turbogeneratory o dużych prędkościach obrotowych, rzędu 1500, 3000 obr/min. Maszyny takie charakteryzują się małą liczbą par biegunów, więc i małą średnicą, z kolei posiadają wirnik o długości kilku metrów.
STOJAN - wykonany jako odlew lub konstrukcja spawana, wewnątrz znajduje się rdzeń stanowiący obwód magnetyczny - bieguny. Na zewnątrz znajduję się skrzynka zaciskowa, do której doprowadzone są przewody od uzwojeń fazowych umieszczonych na przemian na rdzeniu. Bieguny - wykonane z rdzenia złożonego z pakietu cienkich blach elektromagnetycznych o małej stratności i izolowanych względem siebie. W rdzeniu znajdują się kanały, aby możliwy był obieg powietrza chłodzącego. W żłobkach rdzenia ułożone jest uzwojenie twornika (uzwojenia faz). Uzwojenie twornika - wykonane z prętów miedzianych i umieszczone w żłobkach rdzenia. Trzy uzwojenia umieszczone są na przemian. Przed skutkami działania dużych sił podczas zwarcia chronią je wsporniki, które uniemożliwiają wyrzucenie uzwojeń ze żłobków.
Na zewnątrz stojana znajduje się skrzynka zaciskowa, do niej doprowadzone są uzwojenia fazowe i odpowiednio połączone ze sobą.
WIRNIK - wykonany jest z materiału litego, najczęściej z odkuwki stalowej, lub odlewu staliwnego. Wewnątrz znajdują się żłobki, w których umieszcza się uzwojenie wzbudzenia, oraz szczeliny wentylacyjne, którymi dostaje się chłodzące powietrze. Wirnik osadzony jest na wale, na wirniku znajdują się bieguny - jawne lub utajone, na biegunach znajdują się uzwojenia wzbudzenia. Wał - zwykle wykonany jest łącznie z wirnikiem, jako odlew ze stali magnetycznej wysokowytrzymałościowej. Ułożyskowany jest w dwóch miejscach do kadłuba prądnicy. Bieguny - mogą być jawne lub utajone. W przypadku biegunów jawnych uzwojenie jest ułożone na biegunach, bieguny utajone mają uzwojenie ułożone wewnątrz biegunów - w żłobkach, które wyłożone są materiałem izolacyjnym. Zadaniem biegunów jest wzmacnianie pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie wirnika. Uzwojenie wzbudzenia - wykonane jest w postaci prętów izolowanych i umieszczone w zależności od rodzaju wirnika - na biegunie lub w żłobkach bieguna. Początek i koniec uzwojenia wzbudzenia doprowadzony jest do pierścieni ślizgowych. Zadaniem tego uzwojenia jest wytwarzanie stałego pola magnetycznego. Pierścienie ślizgowe - wykonane są z miedzi, mosiądzu lub brązu. Do nich przyłączone jest uzwojenie wzbudzenia. Ich zadaniem jest przekazywanie prądu od szczotek do uzwojenia wzbudzenia. Szczotki - wykonane są najczęściej z węgla elektrografitowego, umieszczone w szczotkotrzymaczach. Doprowadzają one prąd do pierścieni ślizgowych.
Ponieważ na uzwojenia wzbudzające działają bardzo duże siły odśrodkowe, pręty uzwojenia są zabezpieczana przed wypadnięciem ze żłobków za pomocą klinów z metali niemagnetycznych, które umieszczone są w żłobkach.
Wszystkie przewody fazowe zarówno ich początki jak i końce wyprowadzone są na zewnątrz i dołączone do skrzynki zaciskowej. Uzwojenia fazowe mogą być połączone w następujący sposób:
- w gwiazdę - końce uzwojeń fazowych w skrzynce zaciskowej są ze sobą połączone (zwarte);
- w trójkąt - początki uzwojeń fazowych i ich końce są wzajemnie ze sobą powiązane w następujący sposób:
- początek fazy L1 z końcem fazy L3;
- początek fazy L2 z końcem fazy L1;
- początek fazy L3 z końcem fazy L2.
Początki faz wyprowadzone są także na zewnątrz na dalszą część układu elektrycznego.
Wartość częstotliwości prądu jak już wspomniałem zależy od prędkości obrotowej z jaką napędzana jest maszyna oraz od liczby par biegunów. Napięcie z kolei zależy od wartości prądu wzbudzenia.
Układ prostowniczy
Prostownik to zespół diod krzemowych połączonych ze sobą w układ zamieniający prąd przemienny w stały (o charakterze tętniącym). W nowoczesnych rozwiązaniach stosowane są częściej zamiast diod tyrystory, dające możliwości regulacyjne. Prądnica prądu przemiennego zasilająca silniki trakcyjne może być także wykorzystana do zasilania obwodów ogrzewania elektrycznego w wagonach co jest dużą zaletą takiego rozwiązania.
Silniki elektryczne stosowane w pojazdach spalinowych z przekładnią elektryczną są podobne do tych stosowanych w elektrycznych pojazdach trakcyjnych i spalinowych pojazdach trakcyjnych z przekładnia elektryczną prądu stałego. Opisane są tutaj.
