Przekładnia elektryczna jest jednym z prostszych sposobów przenoszenia mocy z silnika spalinowego na osie napędne i daje duże korzyści eksploatacyjne. Budowa przekładni elektrycznej i jej zasada działania opiera się zasadniczo na urządzeniach elektrycznych jak prądnica główna, elektryczne silniki trakcyjne, oraz urządzenia regulujące stosunek mocy silnika spalinowego i prądnicy (regulatory mocy).
Schemat przekładni elektrycznej pokazany jest na rysunku.
Silnik spalinowy jest sprzęgnięty bezpośrednio z prądnicą główną i ją napędza. Uzwojenia wzbudzenia prądnicy przy ruchu obrotowym indukują napięcie w tworniku. Prądnica jest połączona przewodami z elektrycznymi silnikami trakcyjnymi i je zasila. Silniki za pomocą przekładni zębatych połączone są z osiami napędnymi. Poza tymi głównymi elementami, w przekładni elektrycznej znajdują się regulatory, których zadaniem jest regulowanie napięcia i prądu aby silniki trakcyjne były odpowiednio zasilane (pominięte na rysunku).
PRĄDNICA GŁÓWNA PRĄDU STAŁEGO
Prądnica główna wytwarza napięcie stałe i jest pierwszą maszyną elektryczną w przekładni elektrycznej, która uczestniczy w przenoszeniu mocy na osie napędne.
W prądnicy głównej dokonuje się zamiana energii mechanicznej dostarczanej przez silnik spalinowy na energię elektryczną. Ponieważ obie te maszyny są ze sobą połączone na stałe, więc prędkości obrotowe ich wałów są takie same. W zasadzie budowa prądnicy nie różni się niczym szczególnym od budowy elektrycznego silnika trakcyjnego, jednak prądnica służy do wytwarzania energii elektrycznej więc zadania niektórych elementów są nieco inne niż w silniku elektrycznym.
Budowa
STOJAN - zbudowany jest z jarzma, do którego za pomocą śrub przymocowane są bieguny główne i komutacyjne. Na biegunach głównych nawinięte są uzwojenia biegunów głównych, a na biegunach komutacyjnych uzwojenie komutacyjne. Maszyny większych mocy, z dużym osłabieniem pola wyposażone są w dodatkowe uzwojenie kompensacyjne, które umieszczone jest w nabiegunnikach biegunów głównych. Jarzmo - wykonane jest jako odlew staliwny stanowiący konstrukcję całej prądnicy - kadłub. Do jarzma przymocowane są za pomocą śrub bieguny główne i komutacyjne. Z dwóch stron kadłub posiada duże otwory umożliwiające włożenie wirnika. Zwykle w części górnej lub od strony komutatora znajdują się otwory wentylacyjne, umożliwiające dostęp powietrza w celu chłodzenia prądnicy. Bieguny główne - przymocowane są do kadłuba prądnicy, ich zadaniem jest zwiększanie strumienia magnetycznego, które jest niezbędne do wytwarzania napięcia. Uzwojenia biegunów głównych - wykonane są z miedzi o dużej przewodności i nawinięte są na bieguny główne. W prądnicach, w których znajduje się kilka uzwojeń (szeregowe, bocznikowe i obcowzbudne) na każdym biegunie nawinięte są trzy uzwojenia, a ich końcówki wyprowadzone są na zewnątrz. Zadania poszczególnych uzwojeń opisane są na końcu. Bieguny komutacyjne - umocowane są w jarzmie za pomocą śrub i wykonane z pakietu blach. Ich zadaniem jest wzmacnianie pola magnetycznego wytworzonego przez prąd przepływający przez uzwojenie komutacyjne celem poprawiania warunków komutacji w maszynie. Liczba biegunów komutacyjnych jest równa liczbie biegunów głównych. Uzwojenie komutacyjne - wykonane jest z taśmy miedzianej i nawinięte na bieguny komutacyjne. Zadaniem tego uzwojenia jest wytwarzanie strumienia magnetycznego poprawiającego warunki komutacji w maszynie. Nabiegunnik - umieszczony jest w dolnej podziałce bieguna głównego, swoim kształtem wyznacza kształt szczeliny powietrznej między wirnikiem a biegunami głownymi. Uzwojenia kompensacyjne - wykonane jest z prętów izolowanych, które umieszczone są w żłobkach nabiegunnika. Zadaniem tego uzwojenia jest kompensowania szkodliwego działania pola magnetycznego wytwarzanego przez wirnik, które zniekształca pole wzbudzenia. Uzwojenie to wytwarza pole o kierunku przeciwnym do kierunku pola wytwarzanego przez wirnik.
W stojanie prądnicy umieszczone są szczotkotrzymacze, których liczba jest taka sama jak liczba biegunów głównych oraz tarcza łożyskowa, w której ułożyskowany jest wirnik. Na zewnętrznej stronie stojana znajduje się skrzynka zaciskowa, do której mocowane są uzwojenia prądnicy i przewody wychodzące na zewnątrz. Stojan od dołu zamocowany jest do pudła pojazdu, najczęściej przez gumowe izolatory, które tłumią drgania powstające podczas pracy.
WIRNIK - wykonany jest z pakietu cienkich blach, naprasowanych na wał wirnika. Blachy te mają wycinki zwane żłobkami, w których umieszczone jest uzwojenie wirnika oraz otwory wentylacyjne, którymi przedostaje się powietrze. Z jednej strony wirnika znajduje się komutator. Poszczególne zezwoje uzwojenia wirnika ułożone są w żłobkach, a końcówki zezwojów przymocowane są galwanicznie do poszczególnych wycinków komutatora. Wirnik ułożyskowany jest w łożysku, które przymocowane jest w stojanie. Wał - wykonany jest jako odlew staliwny, zamocowany z jednej strony w łożysku, z drugiej strony wał wyprowadzony jest na zewnątrz i sprzęgnięty z silnikiem. Na wale po przeciwnej stronie komutatora znajduje się tarcza, stanowiąca wentylację własną prądnicy. Na wał naprasowane są blachy stanowiące rdzeń wirnika. Uzwojenie wirnika - wykonane jest z miedzi o dużej przewodności, izolowane lakierem i ułożone w żłóbkach wirnika. Przed wypadnięciem ze żłóbków podczas pracy (gdzie na uzwojenie działają duże siły odśrodkowe) uzwojenie chronią tuleje opasające je dookoła. Uzwojenie wirnika składa się z kilkunastu zezwojów (cewek), które połączone są z wycinkami komutatora. W uzwojeniu wirnika podczas pracy indukuje się siła elektromotoryczna (napięcie). Komutator - składa się z kilkuset wycinków wykonanych z miedzi, brązu lub mosiądzu, izolowanych od siebie lakierem lub przekładkami mikanitowymi. Umieszczony jest z jednej strony wirnika. Jego zadaniem jest "zbieranie" napięcia powstającego w uzwojeniu wirnika i przekazywanie go szczotkom. Szczotki - wykonane są zwykle z węgla elektrografitowego. Osadzone są w szczotkotrzymaczach, zwykle po dwie w jednym szczotkotrzymaczu. Liczba szczotkotrzymaczy jest taka sama jak liczba biegunów głównych. Szczotki odprowadzają energię wytworzoną w wirniku na dalszą część układu.
W pojazdach trakcyjnych często na wale wirnika prądnicy głównej zamontowana jest prądnica pomocnicza służącą do ładowania akumulatorów, zasilania obwodów pomocniczych, obwodów rozrządu, oświetlenia i sygnalizacji. Prądnica pomocnicza wytwarza napięcie stałe. Prądnice pomocnicze często umieszcza się na wspólnym wale z prądnicą główną, czasem osobno wówczas prądnica pomocnicza napędzana jest z wału silnika spalinowego poprzez przekładnię pasową lub zębatą. Są to zwykle maszyny bocznikowe, które
z racji zapotrzebowania są dużo mniejszej mocy niż prądnica główna.
Prądnice główne wytwarzają zwykle napięcie maksymalne do 1000 V, a prądnice pomocnicze do 170 V w zależności od serii pojazdu.
W zależności od mocy prądnicy stosowane są różne uzwojenia. Każda prądnica wyposażona jest w uzwojenie wzbudzenia oraz uzwojenie rozruchowe służące do rozruchu silnika spalinowego (jeśli prądnica ma też do tego służyć). Uzwojenie wzbudzenia może być bocznikowe lub obcowzbudne - zasilane z obcego źródła (wzbudnicy). Jako uzwojenie rozruchowe stosowane jest uzwojenie szeregowe włączone w obwód wirnika. Podczas rozruchu silnika spalinowego uzwojenie to zasilane jest z baterii akumulatorów i maszyna pracuje jako silnik. Silnik spalinowy jest napędzany i w momencie gdy prędkość obrotowa osiągnie wartość minimalną, przy której silnik spalinowy jest w stanie sam pracować prądnica jest odłączana od baterii akumulatorów. Uzwojenie szeregowe podczas pracy prądnicy wytwarza pole magnetyczne przeciwnie skierowane do pól wzbudzenia, dzięki temu nadmierny prąd płynący w obwodzie głównym jest ograniczony. W obwodach uzwojeń bocznikowego i obcego znajdują się regulatory wzbudzenia. Niekiedy prądnice posiadają wszystkie trzy uzwojenia, a niekiedy tylko szeregowe i jedno z uzwojeń wzbudzających.
Poniżej pokazany jest przykładowy układ połączeń prądnicy mającej trzy uzwojenia.
Bardzo ważną charakterystyką prądnicy jest charakterystyka zewnętrzna, czyli zależność pomiędzy wytwarzanym napięciem a prądem pobieranym przez silniki.
W miarę wzrostu poboru prądu, napięcie wytwarzane przez prądnicę maleje, w związku z tym dla utrzymania stałej wartości napięcia stosuje się regulatory wzbudzenia.
Obecnie oprócz prądnic prądu stałego, w pojazdach trakcyjnych stosowane są układy z prądnicą trójfazową prądu przemiennego i prostownikiem (lokomotywa SP32). Układy te są bardziej nowoczesne i mają wiele zalet.
Kliknij tutaj aby dowiedzieć się więcej o maszynach elektrycznych albo tutaj żeby zapoznać się z silnikami trakcyjnymi.
REGULACJA NAPIĘCIA I PRĄDU
Między silnikiem spalinowym, prądnicą główną a silnikiem elektrycznym istnieje ścisła zależność. Silnikom elektrycznym prądnica musi dostarczać prąd o odpowiednim natężeniu i napięciu. Aby ten warunek był spełniony prądnica musi być odpowiednio wzbudzana i napędzana. Charakterystyka siły pociągowej i charakterystyka zewnętrzna prądnicy muszą być dopasowane do siebie, aby regulacja prędkości i momentu obrotowego przebiegała w sposób bezstopniowy. W przekładni elektrycznej zadanie to spełniają urządzenia sterownicze (regulatory), które poprzez regulację prądu wzbudzenia regulują wartość napięcia i prądu zasilającego silniki trakcyjne.
Podczas rozruchu i normalnej pracy pojazdu zachodzą zjawiska, które mogłyby zniszczyć układ zasilania. Podczas rozruchu i przy małych prędkościach jazdy prądnica i silniki musiałby przyjmować bardzo duże prądy rozruchowe co wiązałoby się z koniecznością zastosowania przewodów o dużych przekrojach. Aby tego uniknąć regulatory ograniczają prąd wzbudzenia prądnicy. Następnie przy wyższych prędkościach jazdy moc pobierana przez prądnicę jest większa od mocy dostarczanej przez silnik spalinowy. W praktyce to jest niemożliwe do osiągnięcia i moc prądnicy będzie nie w pełni wykorzystana. Aby tego uniknąć regulatory ograniczają pobór mocy przez prądnicę. Przy największych prędkościach jazdy prąd wzbudzenia prądnicy będzie bardzo duży i ekonomicznie nieopłacalny, z tego powodu regulatory muszą go ograniczać. Na tym polega praca regulatorów.
W systemach z przekładnią elektryczną rozwinęło się wiele układów sterowania. Wszystkie układy można podzielić na dwie grupy:
- przekładnie elektryczne z regulacją wewnętrzną - to układy, w których prądnica i silnik są sprzężone bezpośrednio bez dodatkowych układów regulacji. Aby sterowanie pracą układu przebiegało bez zakłóceń prądnica powinna tak być skonstruowana, aby nie powodowała zbyt dużych przeciążeń silnika. Regulacja napięcia prądnicy odbywa się samoczynnie w zależności od obciążenia, a silnik spalinowy regulowany jest oddzielnie. Układy z regulacją wewnętrzną są stosowane rzadko i raczej w pojazdach małej mocy ponieważ mają ograniczony zakres regulacji;
- przekładnie elektryczne z regulacją zewnętrzną - wyposażone są dodatkowe regulatory mocy, które połączone są zarówno z silnikiem spalinowym jak i z prądnicą. Regulator ten działa na zasadzie sprzężenia zwrotnego i porównuje ze sobą pracę silnika spalinowego i prądnicy głównej. Regulator ten reguluje prąd wzbudzenia prądnicy, napełnienie i prędkość obrotową silnika spalinowego w taki sposób, aby możliwie jak najlepiej wykorzystać moce silnika i prądnicy, jednocześnie nie powodując przy tym zbyt dużych przeciążeń. Prądnice w tym układzie mają zwykle także obce uzwojenie wzbudzenia, które zasilane jest z wzbudnicy. Regulator mocy w zależności od warunków pracy reguluje prąd wzbudzenia wzbudnicy i w ten sposób ogranicza moc prądnicy, aby nie powodowała ona przeciążeń silnika.
Układy te dają większe możliwości regulacji w przekładni elektrycznej, są bardziej skomplikowane (przez to droższe) i dlatego stosuje się je często w pojazdach trakcyjnych większej mocy.
Postęp w dziedzinie energoelektroniki przyczynia się do stosowania układów elektronicznych jako regulatorów mocy, które mają wiele zalet, m.in. są lżejsze i łatwiejsze w eksploatacji.
CHARAKTERYSTYKA POJAZDÓW Z PRZEKŁADNIĄ ELEKTRYCZNĄ
Przekładnie elektryczne dają możliwość sterowania pracą pojazdu bez szkodliwych szarpań, w sposób dogodny i oszczędny dla silnika spalinowego. Budowa przekładni elektrycznej jest prosta i nie sprawia kłopotu przy przenoszeniu mocy na osie napędne.
Charakterystyka pociągowa pojazdów z przekładnią elektryczną pokazana jest poniżej.
Jak widać regulacja prędkości pojazdu odbywa się praktycznie w sposób płynny. Przekładnia ta pozwala na ruszenie pojazdu z największą siłą pociągową.
