transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Układy i obowody elektryczne w pojazdach > Obwody i urządzenia elektryczne w pojazdach spalinowych

W pojazdach trakcji spalinowej rozwiązania w zakresie układów elektrycznych są zależne od rodzaju i przeznaczenia pojazdu oraz rodzaju zastosowanej przekładni napędowej. Więcej informacji na temat napędów w trakcji spalinowej znajdziesz tutaj. Najbardziej rozbudowane elektrycznie są pojazdy z przekładnią elektryczną ze względu na fakt realizacji napędu z wykorzystaniem silnków trakcyjnych. Z tego powodu pojazdy takie muszą być wyposażone w obwód główny.

W niniejszym opisie przedstawiam podstawową charakterystykę i architekturę obwodów elektrycznych pojazdów spalinowych. Większa część urządzeń jest tożsama z tymi stosowanymi w pojazdach elektrycznych. Podstawowa różnica polega na źródle, z którego pochodzi energia elektryczna. W pojazdach elektrycznych, czyli pojazdach nieautonomicznych energia elektryczna do ich zasilania dostarczana jest przez sieć trakcyjną. Pojazdy spalinowe pod wglądem zasilania należą do grupy pojazdów autonomicznych, czyli takich, które posiadają źródło zasilania na swoim pokładzie. Tym źródłem zasilania jest paliwo (np. olej napędowy), które zasila silnik spalinowy. Skutkiem spalania w silniku mieszanki paliwowo-powietrznej jest uzyskanie ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków w cylindrach silnika, co w efekcie powoduje wytworzenie momentu obrotowego, który wykorzystywany jest do realizacji napędu, ale również wytwarzania energii elektrycznej.


Silnik spalinowy

Do wytwarzania energii elektrycznej w pojazdach spalinowych służą generatory prądu w formie prądnic napędzanych przez silniki spalinowe. Prądnice to maszyny elektryczne, przetwarzające energię mechaniczną (kinetyczną) - ruch obrotowy na energię elektryczną, na skutek działania indukcji elektromagnetycznej, wytwarzającej siłe elektromotoryczną.


W starszego typu pojazdach stosowano powszechnie prądnice prądu stałego. W maszynach tych na wirniku zabudowany jest komutator, na który przekazywany jest prąd poprzez dociskane do niego szczotki węglowe zamocowane w szczotkotrzymaczach stojana. Zastosowanie komutatora i przymocowanego do stojana zespołu szczotkotrzymaczy to główna wada prądnic prądu stałego. Szczotki zużywają się od tarcia po komutatorze przez co konieczne są przeglądy i ich wymiana. Dochodzi również do uszkodzeń komutatora na skutek niewłaściwej współpracy ze szczotkami (wypalenia, nadpalenia itp.) na skutek przepływu prądu z części nieruchomej (szczotek) na obracający się wirnik. 

     
Komutator na wale prądnicy i zespół szczotkotrzymaczy



Stojan prądnicy prądu stałego


W obecnie produkowanych pojazdach powszechnie stosuje się synchroniczne prądnice prądu przemiennego (trójfazowe), w których wytwarzanie energii odbywa się na zasadzie indukcji elektromagnetycznej bez zasilania wirnika. W wyniku tego ze względu na brak zespołu komutatora, prądnice takie są praktycznie bezobsługowe, a jedynymi komponentami wymagającymi uwagi przy prawidłowej pracy prądnicy to łożyska wirnika. Prądnice prądu przemiennego w stosunku do starszych rozwiązań prądu stałego, cechuje lepsza sprawność, niezawodność i mniejsze gabaryty.
Maszyny elektryczne podczas pracy nagrzewają się stąd konieczne jest ich chłodzenie. W zależności od mocy prądnice mogą być chłodzone powietrzem lub cieczą. W pierwszym rozwiązaniu na wale wirnika zabudowane są wentylatory, które zasysają powietrzę przez kraty wentylacyjne w stojanie i przedmuchują nim uzwojenia prądnicy. Przy dużych mocach oraz szczególnie przy zastosowaniu prądnic z magnesami trwałymi, konieczne jest zastosowanie chłodzenia cieczą (np. mieszanka glikolu z wodą). Stąd prądnica taka musi być podłączona do cieczowego układu chłodzenia z pompą obiegową, wprawiającą w obieg czynnik chłodzący. Czynnik przepływa przez tzw. płaszcz wodny stojana odbierając ciepło z maszyny i wytracając je w zewnętrznej chłodnicy. Prądnice z chłodzeniem cieczowym również wyposażone mogą być w wentylatory na wirnikach w celu zwiększenia efektywności chłodzenia i oddawania ciepła do cieczy.

     
Prądnice synchroniczne w przedziale technicznym lokomotyw
 


Prądnica pomocnicza napędzana przekładnią pasową z wału prądnicy głównej 


Przykładowa tabliczka znamionowa prądnicy


Stosowane w pojazdach szynowych prądnice mogą być samowzbudne lub obcowzbudne. Prądnice obcowzbudne do wzbudzenia potrzebują zewnętrznego źródła zasilania prądem stałym (np. regulator wzbudzania). W prądnicach samowzbudnych uzwojenie wzbudzenia zasilane jest prądem wytwarzanym w samej maszynie elektrycznej. Poniżej znajduje się fotografia prostownika wirujacego zabudowanego na wale prądnicy głównej (w ramach koła pasowego), przez który z twornika wzbudnicy zasilane jest uzwojenie wzbudzania prądnicy.  

 
Układ prostownika wirującego na prądnicy wyposażonej w wewnętrzną wzbudnicę 

Przeneisienie momentu obrotowego z silnika spalinowego na prądnice odbywa się przez:
- układ kołnierzowego połączenia silnika z prądnicą z zastosowaniem sprzęgła elastycznego (nierozłączalnego),
- zastosowanie pomiędzy silnikiem, a prądnicą przekładni pasowej,
- zastosowanie pomiędzy silnikiem i prądnicą wału Cardana.

     
Połączenie kołnierzowe silnika z prądnicą i widok sinika od strony koła zamachowego z kołnierzem przyłączeniowym 

 
Prądnica (alternator) napędzana paskiem klinowym


Wał pomiędzy silnikiem spalinowym, a pradnicą 


W pojazdach spalinowych z przekładniami innymi niż elektryczna, stosuje się obwody elektryczne niskiego napięcia do zasilania sieci pokładowej oraz opcjonalnie układ zasilania wagonów składu pociągu. W tych pojazdach bardzo często układy napędów pomocniczych są realizowane przez przeneisienie momentu obrotowego z silnika spalinowego. Przykładowo jednostka napędowa ma zabudowaną sprężarkę klimatyzacji, która w pojazdach elektrycznych jest napędzana silnikiem elektrycznym. Ogrzewanie pojazdu realizowane jest cieczą z układu chłodzenia silnika spalinowego lub też przez dodatkowe agregaty paliwowe (tzw. Webasto). Brak silników trakcyjnych powoduje, że nie ma potrzeby stosowania wentylatorów do ich chłodzenia. Z tych powodów w takich pojazdach napięcie pokładowe jest wykorzystywane do zasilania układów kontrolno-sterujących i wyposażenia dodatkowego. Jeżeli pojazd jest wyposażony w np. w gniazdka elektryczne to stosuje się na nim dodatkową przetwornicę DC/AC. Napięcie 3x400V w takich pojazdach jeżeli występuje, to głównie w obwodzie zasilania zewnętrznego (tzw. zasilania peronowego) - czytaj dalej.


Widok jednostki napędowej SZT z przekladnią hydrauliczną (opis na powiększeniu)


Agregat WEBASTO do podgrzewania cieczy chłodzącej w układze chłdzenia silnika spalinowego i ogrzewania pojazdu


Poniżej zajdują się schematy obwodów elektrycznych pojazdów spalinowych z przekładnią mechaniczną / hydrauliczną i obwodem pomocniczym niskiego napięcia.
 

Przykładowy, uproszczony schemat obwodów elektrycznych w lokomotywie spalinowej z przekładnią mechaniczną
SP – silnik spalinowy
A – prądnica synchroniczna z prostownikiem
ZB – zasilacz (buforowy) ładowania baterii akumulatorów
PZZ - przetwornica zasilania zewnętrznego
BAT – bateria akumulatorów


Przykładowy, uproszczony schemat obwodów elektrycznych w wagonie silnikowym z przekładnią mechaniczną
SP – silnik spalinowy
A – prądnica synchroniczna z prostownikiem
ZB – zasilacz (buforowy) ładowania baterii akumulatorów
P - przetwornica zasilania 230 V (gniazdka elektryczne)
BAT – bateria akumulatorów

W powyższym przykładzie zasilanie zewnętrzne pojazdu (tzw. peronowe) jest doprowadzane do przetwornicy. Tam następuje jego transformacja na module prostownikowym, na napięcie 24 V DC sieci pokładowej. Z kolei na module falownikowym następuje przekształcenie napięcia 24 V DC na napięcie 230 V AC do zasilania gniazdek elektrycznych.


Przykładowy, uproszczony schemat obwodów elektrycznych w SZT z przekładnią mechaniczną / hydrauliczną
SP – silnik spalinowy
P – prądnica synchroniczna z prostownikiem
ZB – zasilacz (buforowy) ładowania baterii akumulatorów
P - przetwornica zasilania 230 V (gniazdka elektryczne)
BAT – bateria akumulatorów

 

W pojazdach z przekładnią elektryczną napęd realizują silniki trakcyjne. Z tego powodu, jak było wspomniane, w tego rodzaju pojazdach konieczne jest stosowanie głównego obwodu elektrycznego oraz prądnic o znacznie większej mocy. Produkowana energia wykorzystywana już nie jest tylko do zasilania obwodów pokładowych, ale przede wszystkim do zasilania napędu trakcyjnego.
Poniżej znajdują się uproszczone schematy przykładowych obwodów elektrycznych stosowanych w pojazdach spalinowych z przekładnią elektryczną. Warto zwrócić uwagę, że tak naprawdę duża część obwodów jest tożsama z tymi, z pojazdów elektrycznych. Zasadniczo w uproszczeniu, w pojeździe elektrycznym mamy odbierak prądu w miejscu agregatu prądotwórczego. Różnią się jednak wartości napięć w obwodach głównych (trakcyjnych). Napięcia generowane przez prądnice są znacznie niższe od tych z sieci trakcyjnej. W pojazdach spalinowych wysokie napięcie rzędu 3000 V prądu stałego spotkamy tylko w zakresie układu zasilania składu pociągu.

 
Przykładowy, uproszczony schemat pojazdu spalinowego z przekładnią elektryczną - prądnica synchroniczna, silniki trakcyjne prądu stałego
SP - silnik spalinowy
pG - prądnica główna synchroniczna
PR - prostownik trakcyjny
ST - silnik trakcyjny szeregowy prądu stałego
PP - przetwornica
ZB - zasilacz (buforowy) ładowania baterii akumulatorów
BAT - baterie akumulatorów



Przykładowy, uproszczony schemat pojazdu spalinowego z przekładnią elektryczną - dwie prądnice synchroniczne, silniki trakcyjne prądu stałego
SP - silnik spalinowy
pG - prądnica główna synchroniczna (trakcyjna)
pP - prądnica pomocnicza synchroniczna
PR - prostownik trakcyjny
ST - silnik trakcyjny szeregowy prądu stałego
PP - przetwornica
ZB - zasilacz (buforowy) ładowania baterii akumulatorów
BAT - baterie akumulatorów
PZW - przetwornica zasilania wagonów




Przykładowy, uproszczony schemat pojazdu spalinowego z przekładnią elektryczną - trzy prądnice prądu stałego, silniki trakcyjne prądu stałego
SP - silnik spalinowy
pG - prądnica główna prądu stałego (trakcyjna)
pP - prądnica pomocnicza prądu stałego
pZ - prądnica prau stałego układu zasilania wagonów (grzewcza)
CH - przekształtnik DC/DC (chopper)
ST - silnik trakcyjny szeregowy prądu stałego
RB - regulator ładowania baterii akumulatorów
BAT - baterie akumulatorów
RZW - regulator zasilania wagonów

 

Przykładowy, uproszczony schemat pojazdu spalinowego z przekładnią elektryczną - prądnica synchroniczna, silniki trakcyjne asynchroniczne
SP - silnik spalinowy
pG - prądnica synchroniczna
PRG - prostownik główny
FT - falownik trakcyjny
RH - rezystor hamowania
ST - silnik trakcyjny asynchroniczny
PP - przetwornica
ZB - zasilacz (buforowy) ładowania baterii akumulatorów
BAT - baterie akumulatorów
PZW - przetwornica zasilania wagonów

Powyższy schemat przedstawia popularne rozwiązanie stosowane w nowoczesnych lokomotywach spalinowych.


Przykładowy, uproszczony schemat SZT z przekładnią elektryczną - prądnice synchroniczne, silniki trakcyjne asynchroniczne
SP - silnik spalinowy
P - prądnica główna synchroniczna
PR - prostownik główny
FT - falownik trakcyjny
RH - rezystor hamowania
ST - silniki trakcyjne asynchroniczne
PP - przetwornica
ZB - zasilacz (buforowy) ładowania baterii akumulatorów i sieci 24 V
PZW - przetwornica zasilania wagonów
BAT - baterie akumulatorów

 

 

Poniżej zamieszczony jest przykładowy, bardziej szczegółowy schemat obwodów elektrycznych na przykładzie czteroosiowej lokomotywy spalinowej z przekładnią elektryczną, z zastosowaniem: synchronicznych prądnic głównej i pomocniczej, silników trakcyjnych prądu stałego i chłodnicy silnika spalinowego z mechanicznym napędem wentylatora. Przykładem tego typu pojazdu mogą być modernizowane lokomotywy serii SM42 (wariant z jednym silnikiem spalinowym).


Przykładowy schemat obwodów elektrycznych czteroosiowej lokomotywy spalinowej z przekładnią elektryczną
SP - silnik spalinowy
pG - prądnica głowna synchroniczna (trakcyjna)
pP - prądnica pomocnicza synchroniczna
ST - silnik trakcyjny prądu stałego
1 - prostownik główny
2 - prostownik wejściowy przetwornicy
3 - prostownik układu zasilania zewnętrznego 3 x 400V
4 - zasilacz ładowania baterii akumulatorów
5 - falownik napędów pomocniczych
M3~ - silnik asynchroniczny napędów pomocniczych
              - SPR - sprężarka
              - WST - wentylator silników trakcyjnych
M-RS - rozrusznik silnika spalinowego
M-WP - wentylator prostownika trakcyjnego
M-WPp - wentylator przetwornicy
SL - stycznik liniowy silników trakcyjnych
K1 - stycznik rozrusznika
O-BAT - odłącznik baterii akumulatorów


Poniżej zamieszczony jest przykładowy schemat obwodów elektrycznych na przykładzie sześcioosiowej lokomotywy spalinowej z przekładnią elektryczną, z zastosowaniem: prądnicy synchronicznej, silników trakcyjnych asynchronicznych z napędem falownikowym IGBT, chłodnicy silnika spalinowego z elektrycznym napędem wentylatora i układem zasilania składu pociągu. To przykład nowoczesnego rozwiązania stosowanego obecnie powszechnie w nowobudowanych pojazdach.


Przykładowy schemat obwodów elektrycznych sześcioosiowej lokomotywy spalinowej z przekładnią elektryczną
SP - silnik spalinowy
P - prądnica głowna synchroniczna
ST - silnik trakcyjny asynchroniczny
1 - prostownik główny
2 - falowniki trakcyjne
3 - prostownik wejściowy przetwornicy
4 - zasilacz ładowania baterii akumulatorów
5 - falownik napędów pomocniczych
6 - prostownik układu zasilania zewnętrznego 3 x 400V
M3~ - silnik asynchroniczny napędów pomocniczych
              - SPR - sprężarka
              - WST - wentylator silników trakcyjnych
              - WF - wentylator falowników
              - WP - wentylator przetwornicy
              - WCHS - wentylator chłodnicy silnika spalinowego
M-RS - rozrusznik silnika spalinowego
K1 - stycznik rozrusznika
O-BAT - odłącznik baterii akumulatorów
PZW - przetwornica układu zasilania wagonów



 
Prykładowy kontener falowników napędów pomocniczych (silnik sprężarki i silniki wentylatorów chłodzenia silników trakcyjnych) w lokomotywie spalinowej


 
Elektryczny (silnik asynchroniczny) i mechaniczny (wały i przekałdnia) napęd wentylatora chłodnicy silnika



Sprężarka klimatyzacji napędzana silnikiem elektrycznym



Wentylator silnków trakcyjnych napędzany silnikiem elektrycznym


W niektórych lokomotywach zasilanie obwodu zasilania składu pociągu realizowane jest przez osobny agregat prądotwórczy. Takie rozwiązanie stosowano głównie w ramach modernizacji, gdy wymieniano w pojeździe trakcyjnym np. układ wodengo ogrzewania wagonów na układ zasilania elektryczengo (ogrzewanie elektryczne). Zastosowanie dodatkowego agregatu było konieczne, gdyż istniejący agregat prądotwórczy (silnik spalinowy i prądnica) pojazdu nie miał na tyle nadwyżki mocy, by dodatkowo zasilić jeszcze wagony, bez utraty osiągów podstawowych.


Dodatkowy agregat prądotwórczy w lokomotywie do zasilania obwodu zasilania wagonów