Przetwornice to najważniejsze maszyny pomocnicze stosowane w elektrycznych pojazdach trakcyjnych, a także niekiedy w spalinowych. W elektrycznych pojazdach trakcyjnych przetwornice główne przetwarzają napięcie stałe 3000 V na napięcie 110 V (W lokomotywach EP05, ET40 napięcie obwodów pomocniczych wynosi 48 V) służące do zasilania obwodów sterowniczych, sygnalizacyjnych, oświetleniowych, pomocniczych oraz do ładowania baterii akumulatorów. W pojazdach spalinowych stosowane są tylko wtedy, gdy obwody pomocnicze, sterownicze lub sygnalizacyjne wymagają stosowania różnych napięć, których nie jest w stanie wytworzyć prądnica pomocnicza.
Przetwornice zwykle wykonuje się jako jednomaszynowe dwuuzwojeniowe. Wykonane są one z silnika prądu stałego, zasilanego napięciem sieci oraz napędzanej przez niego prądnicy, która wytwarza niskie napięcie. Uzwojenia wzbudzenia, bieguny silnika i prądnicy umieszczone są w jednym stojanie, z kolei na wale wirnika znajdują się dwa pakiety blach, na których znajdują się uzwojenia silnika i prądnicy. W przetwornicach stosuje się także transformator sprzęgający obie maszyny, aby przy wahaniach obciążenia nie było zakłóceń w pracy maszyn.
W niektórych rozwiązaniach przetwornice składają się z dwóch silników, między którymi znajduje się prądnica. Przetwornica pracuje w takim układzie, że jeden silnik pracuje, a drugi stanowi rezerwę. W innych rozwiązaniach stosuje się jeden silnik i dwie prądnice, z których jedna zasila obwody pomocnicze, sterownicze i sygnalizacyjne, a druga prądnica służy do ładowania baterii akumulatorów. W lokomotywach elektrycznych EP09 przetwornica składa się z dwóch maszyn umieszczonych jedna nad drugą. Wirnik prądnicy napędzany jest paskiem klinowym.
Przetwornice posiadają zwykle przewietrzanie własne w postaci łopat umieszczonych na wale wirnika. Często na wale przetwornicy po stronie silnika znajduje się wentylator wytwarzający strumień powietrza służący do chłodzenia silników trakcyjnych.
PRZETWORNICA GŁÓWNA
W lokomotywach elektrycznych serii EU06, EU07, EP07, EP08, ET22 i ET41 stosuje się przetwornice typu MG 91 H. Przetwornica tego typu składa się z silnika szeregowo-obcowzbudnego, prądnicy bocznikowo-obcowzbudnej oraz transformatora sprzęgającego obie maszyny. Przetwornica ta ma przewietrzanie własne w postaci wentylatora umieszczonego na wale wirnika po stronie silnika. Dodatkowo znajduje się tam także wentylator służący do chłodzenia silników trakcyjnych. Na kadłubie maszyny znajduje się transformator, na który nawinięte są uzwojenia pierwotne wysokiego napięcia oraz wtórne niskiego napięcia. Obie grupy uzwojeń podzielone są na dwie części.
Silnik zasilany jest napięciem sieci przez rezystor połączony szeregowo. W czasie rozruchu rezystor ten jest połączony z dodatkowym rezystorem przez stycznik. Po rozruchu stycznik zwiera dodatkowy rezystor. Rezystor ten włączany jest także w przypadku gdy nastąpi zanik napięcia zasilającego silnik i wówczas silnik pracuje jako prądnica (odwracalność maszyny prądu stałego), która zasila obwody wysokiego napięcia. Stycznik połączony jest z przekaźnikiem prądu zwrotnego, który go załącza w przypadku zaniku napięcia co ogranicza skutki pracy prądnicowej silnika. Obie maszyny - silnik i prądnica są połączone ze sobą w taki sposób, aby nie dochodziło do zakłóceń w pracy. Aby prądnica wytwarzała napięcie 110 V musi być odpowiednio wzbudzona i napędzana z odpowiednią prędkością. Obwody elektryczne silnika i prądnicy są sprzężone ze sobą za pomocą obwodu magnetycznego, dzięki temu podczas zaniku napięcia w sieci bądź zakłóceń w obwodzie prądnicy nie ma obawy o uszkodzenie którejś z maszyn. Prądnica jest dodatkowo połączona z regulatorem napięcia, który utrzymuje napięcie na wymaganym poziomie.
Kadłub przetwornicy wykonany jest jako odlew staliwny. Do niego za pomocą śrub przymocowane są bieguny główne i pomocnicze silnika oraz prądnicy. Bieguny główne silnika i prądnicy oraz bieguny pomocnicze silnika wykonane są z cienkich, izolowanych blach magnetycznych. Bieguny pomocnicze prądnicy wykonane są jako jednolite odkuwki. Po obu końcach kadłuba znajdują się szczotkotrzymacze. Z jednej strony za pomocą izolatorów przymocowane są dwa szczotkotrzymacze silnika (po dwie szczotki w każdym), a z drugiej cztery szczotkotrzymacze prądnicy (po jednej szczotce w każdym). Umocowane są one na wspornikach pierścieniowych, które umożliwiają regulację odległości obsady szczotek od powierzchni komutatora w miarę zużywania się szczotek. Docisk sprężyn szczotek można także regulować za pomocą zaczepów.
Na wale przetwornicy znajdują się dwa pakiety blach, które są izolowane względem siebie. Stanowią one rdzenie silnika i prądnicy. Krańce tych blach są usztywnione za pomocą grubszych tarcz. Rdzenie te są przymocowane do wału za pomocą klinów i nakrętek dociskających. Na skrajach każdego z rdzeniów znajduje się komutator składający się z miedzianych wycinków. Wał przetwornicy ułożyskowany jest w dwóch miejscach, w kadłubie za pomocą łożysk. Tarcz łożyskowe posiadają rurki smarne, wewnątrz których znajduje się smar. Co pewien okres należy uzupełniać poziom smaru.
Silnik
Jako silnik w przetwornicy stosuje się maszynę szeregowo-obcowzbudną z dodatkowymi biegunami i uzwojeniami komutacyjnymi (zwrotnymi). Silnik posiada dwa bieguny główne oraz dwa bieguny pomocnicze - komutacyjne. W żłobkach biegunów głównych umieszczone są warstwowo uzwojenie szeregowe i obce. Uzwojenia te wykonane są z miedzi, a ich zwoje są dobrze izolowane względem siebie. Uzwojenie szeregowe pracuje w obwodzie wysokiego napięcia, obce w obwodzie niskiego napięcia i jest zasilane z prądnicy. Uzwojenie pomocnicze umieszczone jest na biegunie pomocniczym wykonanym z blach. Uzwojenie to jest wykonane tak samo jak uzwojenie szeregowe bieguna głównego. Końce przewodów wyprowadzone są na zewnątrz do skrzynki zaciskowej.
Wirnik umieszczony jest na wale i wykonany z pakietu cienkich blach magnetycznych, które wspólnie tworzą żłobki. W żłobkach umieszczone są cewki wirnika wykonane z zezwojów. Zezwoje składają się z pojedynczych zwojów. Na połączeniach czołowych są one mocowane są pomocą podzwojników mikanitowych. Końcówki cewek są lutowane do działek komutatora. Cewki te są izolowane dokładnie za pomocą tworzyw sztucznych.
Prądnica
W przetwornicy zastosowano prądnicę bocznikowo-obcowzbudną. Maszyna ta składa się z czterech biegunów głównych oraz czterech biegunów pomocniczych. Bieguny główne podobnie jak w silniku wykonane są z pakietu blach izolowanych, które przymocowane są do kadłuba. Bieguny pomocnicze wykonane są jako jednolite odkuwki mocowane do kadłuba. W żłobkach biegunów głównych znajdują się uzwojenia wzbudzenia. Cewki tych biegunów wykonane są podwójnie - jedna cewka posiada zarówno zwoje uzwojenia bocznikowego jak i obcowzbudnego. Cewki wykonane są z miedzi i izolowane miedzy sobą. Uzwojenie obcowzbudne jest zasilane napięciem wysokim, a uzwojenie bocznikowe niskim - wytwarzanym przez prądnicę.
Uzwojenia pomocnicze umieszczone są na biegunach pomocniczych i wykonane w postaci drutu miedzianego o przekroju prostokątnym.
Wirnik wykonany jest z pakietu cienkich, izolowanych blach magnetycznych. W żłobkach wirnika umieszczone są pręty o przekroju prostokątnym stanowiące uzwojenie wirnika. Połączenia czołowe uzwojenia wirnika są zabezpieczone przed działaniem sił odśrodkowych za pomocą klinów. Końce cewek przymocowane są do działek komutatora.
Transformator
Na kadłubie przetwornicy znajduje się transformator, którego uzwojenie pierwotne podobnie jak wtórne jest podzielone na dwie części. Przez stronę pierwotną przepływa prąd o wysokim napięciu, z kolei strona wtórna jest zasilana z prądnicy niskim napięciem. Uzwojenia nawinięte są na karkas izolacyjny, który umieszczony jest na rdzeniu transformatora. Rdzeń ten posiada szczelinę 5,08 mm co zapobiega nasyceniu się rdzenia w czasie przepływu prądu stałego. Przewody uzwojeń izolowane są względem siebie taśmą szklaną i emalią izolacyjną.
DZIAŁANIE
W obwód silnika przetwornicy (obwód wysokiego napięcia) włączone są kolejno: rezystor ochronny, uzwojenia pierwotne transformatora połączone szeregowo, uzwojenie pomocnicze silnika, uzwojenie wzbudzenia szeregowe, uzwojenie wirnika, uzwojenie wzbudzenia obce prądnicy oraz rezystor rozruchowy zwierany stycznikiem po zakończeniu rozruchu.
W obwodzie prądnicy (niskiego napięcia) znajdują się (od uzwojenia twornika zgodnie z kierunkiem indukowania się SEM): pierwsze uzwojenie wtórne transformatora, uzwojenie wzbudzenia obce silnika, drugie uzwojenie wtórne transformatora. Końcówka tego uzwojenia dołączona jest do ujemnego zacisku prądnicy. Zacisk ten stanowi węzeł, z którego jeden przewód łączy go z biegunem pomocniczym prądnicy i dalej z uzwojeniem wirnika, a drugi przewód łączy z uzwojeniem bocznikowym prądnicy i następnie z regulatorem napięcia.
Zasilenie silnika powoduje, że przez jego uzwojenia (szeregowe i wirnika) oraz obce prądnicy zaczyna płynąć prąd wytwarzający strumień magnetyczny. Silnik zaczyna się obracać, a jednocześnie z nim prądnica. Stanowi on napęd prądnicy. W związku z istnieniem magnetyzmu szczątkowego w prądnicy zaczyna się indukować siła elektromotoryczna. Pole magnetyczne pochodzące od uzwojenia bocznikowe wzbudzenia jest domagnesowane przez pole magnetyczne uzwojenia obcego przez które płynie prąd silnika. Prądnica zaczyna wytwarzać napięcie, w wyniku czego przez uzwojenia wzbudzenia prądnicy oraz uzwojenie wzbudzenia obcego silnika płynie prąd. Powiązanie magnetyczne obu maszyn ma na celu utrzymanie stałego napięcia prądnicy oraz prędkości obrotowej obu maszyn przy zmianach napięcia sieci trakcyjnej oraz zmianach obciążenia. W związku ze wzbudzeniem się prądnicy przez uzwojenie obce silnika zaczyna płynąć prąd i wytwarza coraz większe pole magnetyczne. Pole to sumuje się z polem magnetycznym uzwojenia szeregowego i zapobiega dalszemu wzrostowi prędkości obrotowej. Sprawia to, że napięcie prądnicy ulega stabilizacji w pewnych granicach, jednak wahania są zbyt duże żeby napięcie to mogło zasilać odbiorniki niskiego napięcia. Dlatego w obwód prądnicy włączony jest dodatkowo regulator napięcia. Z kolei włączone w obwód silnika obce uzwojenie wzbudzenia prądnicy domagnesowuje ją i przy dużych obciążeniach pozwala na utrzymanie stabilnego napięcia.
Powiązanie magnetyczne jednak ma ujemne strony. W przypadku, gdy napięcie sieci trakcyjnej zaniknie (nawet na chwilę) to w silniku elektrycznym, którego wirnik obraca się siłą bezwładności zaczyna pojawiać się napięcie. Powoduje to zasilenie obwodów wysokiego napięcia, co przy ich stosunkowo małej rezystancji może spowodować przepływ dużego prądu. Silnik przetwornicy nie jest przygotowany na pracę przy dużych prądach i mogą one powodować powstawanie ognia okrężnego na jego komutatorze lub iskrzenie. Wpływa to ujemnie na jego konstrukcję, gdyż może ją zniszczyć. Dodatkowo zmiany powstające w obwodzie silnika objawiają się także w obwodzie prądnicy z uwagi na to, że uzwojenie obcowzbudne prądnicy jest zasilane z silnika. Aby temu zapobiec w oba obwody (niskiego i wysokiego napięcia) włączono transformator ochronny. Z uwagi na zmiany prądu powstające w obwodzie wysokiego napięcia w uzwojeniu wtórnym transformatora wytwarza się siła elektromotoryczna wywołana przepływem prądu nieustalonego w obwodzie silnika. Siła ta przeciwstawia się sile elektromotorycznej, która indukuje się w uzwojeniu obowzbudnym silnika, które jest połączone szeregowo z uzwojeniami wtórnym transformatora. Powoduje to osłabienie wzbudzenia silnika, a więc wpływa to na wartość napięcia indukowanego w silniku podczas pracy prądnicowej. Transformator ochronny ponadto ogranicza wartość prądu po powrocie napięcia zasilania, gdy prędkość obrotowa silnika zmaleje. Uzwojenia w transformatorze są dzielone. Ma to na celu ograniczenie wartości napięcia indukowanego w stanach nieustalonych.
Obecnie, w nowo budowanych pojazdach trakcyjnych zamiast przetwornic wirujących buduje się przetwornice statyczne jako układy energoelektroniczne. Dają one duże możliwości regulacji napięcia oraz możliwości przetwarzania napięcia zasilania na kilka poziomów niskiego napięcia. W przeciwieństwie do przetwornic wirujących, które wytwarzają duży hałas, przetwornice statyczne są bardzo ciche, chociaż struktura elementów półprzewodnikowych, z których są wykonane powoduje często piszczenie.
PRZETWORNICA OŚWIETLENIOWA
W elektrycznych zespołach trakcyjnych jako oświetlenie główne wagonów stosuje się lampy fluorescencyjne (świetlówki) zasilane napięciem 220 V prądu przemiennego o częstotliwości 500 Hz. Aby uzyskać takie parametry należy przetworzyć napięcie stałe 110 V na napięcie przemienne. Do tego celu służy przetwornica oświetleniowa małej mocy. Składa się ona z silnika prądu stałego oraz prądnicy prądu przemiennego.
W elektrycznych zespołach trakcyjnych serii EN57 i EN71 stosowane są przetwornice typu PG034x. W jednym kadłubie znajdują się na wspólnym wale dwa wirniki - silnika i prądnicy, pracujące niezależnie oraz wentylator służący do chłodzenia przetwornicy (przewietrzanie własne). W stojanie znajdują się dwa niesprzężone obwody magnetyczne - silnika i prądnicy. Silnik to czterobiegunowa maszyna szeregowo-bocznikowa z czterema biegunami komutacyjnymi. Silnik zasilany jest z przetwornicy głównej lub baterii akumulatorów. Prądnica to maszyna synchroniczna, jednofazowa mająca dziesięć par biegunów. Posiada ona wzbudzenie obce, które wytwarzane jest w uzwojeniu wirnika zasilanego z przetwornicy głównej lub baterii akumulatorów. Dzięki częstotliwości 500 Hz wyeliminowano występowanie zjawiska stroboskopowego. W przypadku gdy przetwornica główna jest wyłączona to silnik jest zasilany z baterii akumulatorów. Wówczas jego wzbudzenie zostaje osłabione przez włączony w obwód dodatkowego rezystora. Ma to na celu zwiększenie prędkości obrotowej silnika oraz prądnicy. Pozwala to na utrzymanie stablinej wartości napięcia oraz częstotliwości dopuszczalnych dla obwodów oświetlenia. Jeśli przetwornica głowna jest wyłączona to działa ok 1/3 oświetlenia, reszta jest wyłączona.
Przetwornica ta jest także połączona z regulatorem napięcia.
W nowszych rozwiązaniach zamiast przetwornic wirujących stosuje się przekształtniki prądu instalowane osobno dla każdej świetlówki w jej oprawie.
Zastosowanie przetwornic
Przetwornice główne stosuje się w elektrycznych pojazdach trakcyjnych do przetwarzania napięcia stałego 3000 V na napięcie stałe 110 V (rzadziej inne) do zasilania obwodów pomocniczych, sterowniczych, sygnalizacyjnych, oświetleniowych oraz do ładowania baterii akumulatorów. W pojazdach spalinowych są stosowane rzadko i tylko wtedy jeśli ich urządzenia elektryczne pracują na różnych poziomach napięciowych.
Przetwornice oświetleniowe stosuje się do przetwarzania napięcia stałego (zwykle 110 V) na napięcie i częstotliwość o wartości potrzebnej do zasilania oświetlenia wagonowego.
Główne parametry przetwornic
Jeżeli chcesz poznać parametry przetwornic kliknij poniżej:
Przetwornica główna typu MG 91 H.
Przetwornica oświetleniowa typu PGO34x.
![[Rozmiar: 9392 bajtów]](tla i obrazki/przetwornica.gif)