Układy przeniesienia napędu w pojazdach spalinowych > Pojazdy spalinowe z przekładnią elektryczną

W tym rodzaju pojazdów spalinowych napęd zestawów kołowych realizują zespoły napędowe z elektrycznymi silnikami trakcyjnymi (jak w trakcji elektrycznej), które zasila energia elektryczna wytwarzana przez prądnicę trakcyjną (generator trakcyjny) napędzaną silnikiem spalinowym.

Zobacz opis elektrycznych zespołów napędowych - tutaj.

Zastosowany w pojeździe silnik spalinowy i prądnica, posadowione są najczęściej na wspólnej ramie wsporczej i tworzą tak zwany agregat prądotwórczy. Prądnica połączona jest poprzez kołnierz stojana z wałem korbowym silnika od strony koła zamachowego, z zastosowaniem sprzęgła tłumiącego drgania skrętne.
W skład agregatu prądotwórczego wchodzą też elementy dodatkowe pracy silnika takie jak układ dolotowy powietrza, układ wydechowy, zespół chłodnic płynu chłodzącego i powietrza turbodoładowanego itp.

Poniżej  opisane są układy stosowane w lokomotywach liniowych i manerowych, a w dalszej części te dotyczące pojazdów pasażerskich.

 
Przykładowy agregat prądotwórczy w lokomotywie liniowej (fot. 1 - widok od strony silnika, fot. 2 - widok od strony prądnicy)

 
Przykładowy agregat prądotwórczy w lokomotywie liniowej - silnik (1) i prądnica (2)

    
Przykładowe agregaty prądotwórcze - silnik spalinowy agregatu (1) widok silnika i chłodnicy (2) i kompletny zespół silnika z prądnicą (3) w lokomotywie manewrowej

   
Przykładowe, silniki z prądnicami posadowione na ramach agregatów (opis 1 na powiększeniu)


Przykładowa rama agregatu podczas transportu wózkiem technologicznym


Przykładowe mocowanei silnika spalinowego do ramy

 
Przykładowe połączenie kołnierzowe silnika spalinowego z prądnicą

    
Przykładowe połączenie kołnierzowe silnika z prądnicą - widoczne sprzęgło elastyczne podczas montażu: kołnierz na kole zamachowym silnika i pierścień gumowy na wale prądnicy (2, 3 i 4)

Połączenie pomiędzy silnikiem, a prądnicą jest nierozłączne w eksploatacji. Jeżeli pracuje silnik, to obraca się również wirnik prądnicy. To czy prądnica generuje energię elektryczną zależne jest od jej wzbudzenia przez układ sterujący. Oprócz popisanego powyżej połączenia kołnierzowego, to w połączeniu silnika z prądnicą mogą być też stosowane rozwiązania z elastycznymi wałami napędowymi (przegubowymi) - np. wały przegubowe Kardana. Są one jednak rzadkością ze względu na potrzebną większą ilość miejsca na za zabudowę.

 
Starego typu agregaty prądotwórcze - w lokomotywie (1) i po demontażu z lokomotywy (2)

Agregaty prądotwórcze montowane są na ostoi lokomotywy poprzez elementy wibroizolacyjne, które tłumią drgania generowane przez pracujące: silnik i prądnicę. Poniżej przykładowe rozwiązania dotyczące wibroizolatorów.

   
Przykładowe wibroizolatory na ostoi lokomotywy (opis na 1 i 3 powiększeniu)

   
 
Przykładowe posadowienia agregatów poprzez wibroizolatory (opis na powiększeniach)

 
Agregat prądotórczy na zawiesiu suwnicy podczas osadzania na ostoję lokomotywy (1) i po osadzeniu (2)

Innym rozwiązaniem jest montaż silnika i prądnicy bez ramy pośredniczącej. W takim układzie silnik i prądnica mają specjalne wsporniki, poprzez które urządzenia te wspierają się na belkach podsilnikowych zamontowanych na ramie nadwozia (ostoi). Oczywiście pomiędzy belkami podsilnikowymi, a wsporniakmi silnika i prądnicy, stosowane są wibroizolatory.


Silnik oparty na belkach podsilnikowych ostoi poprzez wibroizolatory

 
Wibroizolator prądnicy (1) i silnika spalinowego (2) - opis na powiększeniu


W sterowaniu pracą agregatem najważniejszym celem jest takie sterowanie obrotami silnika spalinowego i wzbudzeniem prądnicy trakcyjnej, by charakterystyki tych zespołów były możliwie jak najbardziej do siebie zbliżone przy jednoczesnym zapewnieniu optymalnego zużycia paliwa i zapewnieniu wymaganej mocy, umożliwiającej jazdę pojazdu. Regulator obrotów silnika spalinowego dostosowuje więc dawkowanie paliwa do cylindrów zgodnie ze stopniem wzbudzenia i obciążenia prądnicy.
Ogólnie mówiąc chodzi o to, by obroty silnika były optymalne do obciążenia prądowego pracującej prądnicy, tak by prądnica wytwarzała prąd o wartości potrzebnej dla zasilania silników trakcyjnych zgodnie z zadaną przez maszynistę siłą pociągową. Układ sterowania oddziałuje jednocześnie na wtrysk paliwa oraz moment generowany przez prądnicę trakcyjną (główną). W zakresie sterowania pojazdem spalinowym z przekładnią elektryczną, najtrudniejszy do opracowania jest zakres sterowania pracą silnika i prądnicy tak, by prądnica pracowała na jednakowym wzbudzeniu przy zmieniających się wartościach prądu.

Poniższe fotografie przedstawiają elektrohydrauliczny regulator mocy i obrotów silnika spalinowego Woodward oraz wirową wzbudnicę prądnicy głównej, zabudowane na przykład w lokomotywach typu 6D (seria SM42). To starego typu rozwiązanie techniczne sterowania pracą agregatu prądotwórczego. Regulator ten odpowiada za zmianę stopnia wzbudzenia prądnicy tak, aby uzyskała ona charakterystykę, odpowiadającą stałej mocy silnika spalinowego. Przy dowolnie zadanych obrotach silnika spalinowego, regulator utrzymuje je jako stałe i niezależne od jego obciążenia. Odpowiada też za regulację obciążenie silnika spalinowego w celu utrzymania optymalnego zużycia paliwa. Dzięki danym z czujników pomiarowych, zabezpiecza też silnik spalinowy na wypadek przekroczenia parametrów jego pracy. Urządzenie to napędzane jest od wału silnika spalinowego.
 
   
Regulator Woodward'a na silniku

   
Układ przekładni mechanicznej pomiędzy głowicami silnika spalinowego i regulatorem Woodward'a

 
Wzbudnica prądnicy głównej (1) i tabliczka znamionowa (2)

Wzbudnica w omawianym rozwiązaniu to maszyna elektryczna (prądnica), która napędzana jest przekładnią pasową z wału prądnicy głównej. Służy do zasilenia obcego uzwojenia wzbudzającego prądnicy trakcyjnej (głównej).

     
Prądnica trakcyjna (główna), wzbudnica i prądnica pomocnicza oraz przekładnia pasowa napędu (opis na powiększeniach)

Sterowanie rozruchem lokomotywy realizuje maszynista, wykorzystując nastawnik jazdy w formie koła osadzonego na wale krzywkowym z łącznikami. Obracanie kołem nastawnika jazdy powoduje, obrót krzywek i odpowiednie zwieranie łączników. Na podstawie odpowiednich sekwencji łączeniowych, następuje wysterowanie właściwej pracy silnika spalinowego i wzbudzenia prądnicy głównej. Zwieranie łączników krzywkowych powoduje zmianę wartości oporności w obwodach wzbudzających wzbudnicy. Przestawianie nastawnika na kolejne pozycje rozruchu powoduje narastanie prądów w uzwojeniach wzbudzających. Poprzez zmniejszanie oporności następuje wzrost prądu wzbudzającego, a tym samym wzrost napięcia w prądnicy trakcyjnej (głównej). Wartość prądu wzbudzającego jest uzależniona również od zmiany oporności opornika regulatora Woodward'a. Za sterowanie tego opornika odpowiada serwomotor. Dzięki powyższym regulowane jest wzbudzenie prądnicy, które wpływając na napięcie prądnicy trakcyjnej, zapewnia że utrzymana jest stała moc silnika spalinowego bez względu na to z jaką prędkością porusza się lokomotywa.

 
Koło wału nastawnika jazdy (1) i wał krzywkowy z łącznikami


W nowoczesnych pojazdach sterowanie pracą agregatu realizowane jest przez sterowniki mikroprocesorowe zgodnie z reżimem zadanym przez maszynistę. Pracą silnika steruje elektroniczny regulator obrotów natomiast wzbudzenie prądnicy głównej realizuje elektroniczny regulator wzbudzenia. Regulatory te z kolei współpracują bezpośrednio z głównym sterownikiem mikroprocesorowym pojazdu, który odpowiada za sterowanie i diagnostykę całego pojazdu trakcyjnego.


Przykładowy pulpitowy nastawnik rozruchu

 
Przykładowy elektroniczny regulator obrotów silnika spalinowego

   
Przykładowy elektroniczny regulator wzbudzenia prądnicy

 
Przykładowy sterownik główny pojazdu

 
Przykładowe ekrany daignostyczne z parametrami pracy pojazdu

   
Pulpitowy ekran diagnostyczny lokomotywy czteroagragatowej

W pojazdach kolejowych z przekładnią elektryczną stosowane były powszechnie silniki trakcyjne prądu stałego. Wraz z rozwojem półprzewodników i sterowania impulsowego napędem w nowoczesnych pojazdach spalinowych stosuje się silniki asynchroniczne zasilane prądem przemiennym.
Podobnie temat wygląda z prądnicami, gdzie w starszych pojazdach zabudowywane były prądnice prądu stałego, a obecnie powszechnie stosuje się prądnice prądu przemiennego.

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. Z punktu widzenia generowanego napięcia rozróżnia się generatory prądu stałego oraz prądu przemiennego. Maszyny elektryczne prądu stałego są znacznie większe i cięższe od ich odpowiedników na prąd przemienny. Wymagają też większej ilości czynności i obsługowych. Wynika to z ich skomplikowanej budowy – występującego w nich komutatora na wirniku i zestawu szczotek węglowych mocowanych w szczotkotrzymaczach. Szczotki węglowe dociskane do komutatora, umożliwiają przekazanie energii elektrycznej na obracający się wirnik. Taki układ wpływa również na większą awaryjność tego typu maszyn elektrycznych. Z powyższych powodów w nowoczesnych pojazdach trakcji spalinowej z przekładnią elektryczną, stosuje się wyłącznie prądnice prądu przemiennego (klasyczne i z magnesami trwałymi) i sterowanie pracą silników z wykorzystaniem przekształtników tranzystorowych (falowników).
Prądnice trakcyjne AC mogą być synchroniczne i asynchroniczne. W zależności od mocy i zastosowanego rodzaju uzwojeń, takie generatory chłodzone moga być 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.

   
Przykładowe prądnice trakcyjne DC: prądnica agregatu (1), stojan prądnicy (2) i komutator na wirniku oraz szczotkotrzymacze (3) 

 
Przykładowe prądnice trakcyjne AC: prądnica agregatu (1) i tabliczka znamionowa (2)

 
Przyłącze obwodu chłodzenia cieczowego na prądnicy

W zależności od zastosowanych powyżej rozwiązań rozróżnia się lokomotywy spalinowe z przekładnią elektryczną w konfiguracjach: prądnica DC / silniki trakcyjne DC, prądnica AC / silniki trakcyjne DC i prądnica AC / silniki trakcyjne AC.

1. prądnica trakcyjna DC (prąd stały) - silniki trakcyjne DC (prąd stały)
W tym rozwiązaniu (DC/DC) prądnica trakcyjna prądu stałego poprzez rozdzielnię wysokiego napięcia zasila silniki trakcyjne prądu stałego.

2. prądnica AC (prąd przemienny) - silniki trakcyjne DC (prąd stały)
W rozwiazaniu przekładni elektrycznej AC/DC, w obwodzie głównym lokomotywy zastosowany jest zespół prostowników, na których wytworzony przez prądnicę trakcyjną prąd przemienny jest prostowany w celu zasilenia nim silników trakcyjnych DC.

   
Przykładowe diodowe prostownik trakcyjne

Za załączanie zasilania silników trakcyjnych, czyli umożliwienie przepływu prądu z prostowników do silników trakcyjnych odpowiadają styczniki liniowe, czyli aparaty łączeniowe, sterowane elektrycznie lub pneumatycznie przez układ rozrządu lokomotywy. Przy prawidłowej pracy obwodu głównego i sterowania, po uruchomieniu rozruchu przez maszynistę następuje wzbudzenie agregatu prądotwórczego i zamknięcie styczników liniowych. Styczniki umożliwiają również odłączenie zasilania danego silnika lub grupy silników, gdy nastąpi awaria któregoś silników.

 
Styczniki liniowe obwodu WN silników trakcyjnych (lokomotywa 6 silnikowa)


Wyłączniki silników trakcyjnych w lokomotywie sześciosilnikowej



Przykładowy, ogólny schemat obwodu głównego lokomotywy z przekładnią AC/DC


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

W pojazdach z silnikami trakcyjnymi prądu stałego wybór kierunku jazdy realizowany jest przez aparat zwany nawrotnikiem. Maszynista wybierając przez nastawnik kierunkowy pożądany kierunek, powoduje odpowiednie przesterowanie styków nawrotnika. Dzięki temu silniki trakcyjne zostają połączone tak, że w ich uzwojeniach następuje przepływ prądu w kierunku zgodnym z wybranym kierunkiem jazdy. Napęd nawrotnika może być elektryczny lub pneumatyczny.

 
Przykładowe nawrotniki

3. prądnica AC (prąd przemienny) - silniki trakcyjne AC (prąd zmienny)
W tym układzie z kolei w obwodzie głównym pomiędzy prądnicą trakcyjną (analogiczne jak opisane wcześniej), a silnikami zastosowany jest prostownik i falownik. Dostarczany z prądnicy trakcyjnej trójfazowy prąd przemienny o zmiennej częstotliwości zależnej od prędkości obrotowej prądnicy jest w prostowany przez moduł niesterowalnego prostownika. Powstały w ten sposób prąd stały zostaje zmieniony w falowniku ponownie, w trójfazowy prąd przemienny (tylko o odpowiedniej częstotliwości napięcia i odpowiedniej wartości skutecznej napięcia wyjściowego), którym zasilane są silniki trakcyjne asynchroniczne w podwoziu pojazdu. Falownik działa jako elektroniczny przemiennik częstotliwości, gdyż następuje w nim zmiana częstotliwości napięcia wejściowego (z prądnicy) w stosunku do napięcia wyjściowego (zasilania silników).

 
Lokomotywa spalinowa DE24 z przekładnią AC/AC

 
Przykładowe kontenery falowników w lokomotywie 

Zobacz opis napędów trakcyjnych elektrycznych - tutaj.


Przykładowy, ogólny schemat obwodu głównego lokomotywy z przekładnią AC/AC (6 silników)

Przykładowy, uproszczony schemat pojazdu spalinowego z przekładnią elektryczną - prądnica AC, silniki trakcyjne AC
SP - silnik spalinowy
pG - prądnica trakcyjna (główna) AC
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

W zależności od rozwiązań konstrukcyjnych silniki trakcyjne mogą być, analogicznie jak w trakcji elektrycznej zasilane w grupach lub każdy indywidualną linią zasilania np. z falownika. Odmianą powyższego układu jest układ, w którym zastosowane są niezależne prostowniki z falownikami dla silników lub grup silników. Poniższy schemat przedstawia obwód główny przykładowej lokomotywy czterosilnikowej z przekładnią elektryczną AC/AC.

Przykładowy, ogólny schemat obwodu głównego lokomotywy z przekładnią AC/AC (4 silniki połączone 2 dwie grupy)

Stosowanie przekładni elektrycznej w trakcji spalinowej dotyczy zarówno lokomotyw jak i spalinowych zespołów trakcyjnych.
W tych pierwszych agregat prądotwórczy montowany jest na ostoi lokomotywy. Lokomotywy z przekładnią elektryczną są najczęściej jednoagregatowe. Są jednak również eksploatowane pojazdy dwu, a nawet czteroagregatowe, w których ilość załączonych agregatów prądotwórczych odpowiada zapotrzebowaniu na moc pojazdu.
Poza wykorzystaniem agregatów do celów trakcyjnych w ramach przekładni elektrycznej, mogą one również zasilać odbiorniki pomocnicze WN - na przykład zaopatrywać skład pociągu w energię elektryczną (zasilanie ogrzewania lub klimatyzacji w wagonach).

     
Czteroagregatowa lokomotywa spalinowa AC/AC typu P160DE Multi Engine
prod. Bombardier

    
Dwuagregatowa lokomotywa spalinowa AC/DC typu 6Dl z opcją jazdy na jednym lub dwóch agregatach lub też przełączania jednego agregatu na cele zasilania składu pociągu
prod. NEWAG

 
Dwuagregatowa lokomotywa spalinowa AC/DC typu 6Dk z możliwością jazdy na jednym lub dwóch agregatach
prod. PESA / CZ LOKO

W przypadku spalinowych zespołów trakcyjnych agregat prądotwórczy może być zabudowany w specjalnym członie napędowym (rozwiązanie GTW). W członie tym poza agregatem lub agregatami (silnik, prądnica, układ dolotowy, układ wydechowy) zabudowane są też dodatkowe zespoły i podzespoły związane z pracą pojazdu tym też zasilaniem trakcyjnym (np. falowniki, akumulatory, sprężarka, sterowniki, czy też zbiornik paliwa itd.).

 
Człony napędowe między członami

 
SZT typu GTW z członem napędowym

Innym, powszechnie stosowanym rozwiązaniem w spalinowych zespołach trakcyjnych jest zastosowanie zintegrowanych zespołów napędowych "powerpack", analogicznych do tych opisywanych w dziale pojazdów spalinowych (zobacz tutaj) z przekładnią hydrauliczną, z różnicą polegającą na zastosowaniu w miejscu przekładni hydraulicznej prądnicy trakcyjnej.
Zespoły te montowane są pod ostoją pojazdu w części wysokopodłogowej.

   
Zintegrowane moduły napędowe "powerpack" pod nadwoziem (opis na powiększeniach)

  
Lokalizacja zespołu "powerpack" (1), zespół "powerpack" podwieszony do nadwozia (2), jeden z czterech wibroizolatorów podwieszenia

Przykładowy, uproszczony schemat obwodu głownego SZT z przekładnią elektryczną - prądnice AC, silniki trakcyjne AC w układzie zasilania grupowego i indywidualego
SP - silnik spalinowy
P - prądnica trakcyjna (główna)
PR - prostownik główny
FT - falownik trakcyjny
RH - rezystor hamowania
ST - silniki trakcyjne asynchroniczne

Poniżej przykład zespołu trakcyjnego z agregatem prądotwórczym zabudowanym w przedziale technicznym pomiędzy kabiną maszynisty, a przedziałem pasażerskim.

 
Agregat prądotwórczy (1), przedział techniczny (2) - opis na powiększeniach

Agregaty prądotwórcze można spotkać również na wyposażeniu lokomotyw elektrycznych, wyposażonych w tzw. moduły dojazdowe, dzięki którym pojazd może poruszać się po odcinkach zelektryfikowanych, ale również przy ograniczonych osiągach (mniejsza moc) po trasach niezelektryfikowanych. Stosowane w takich układach stosuje sie najczęściej silniki spalinowe o mocach od 300 do 600 kW.

   
Moduł dojazdowy w lokomotywie elektrycznej (1) i panel diagnostyczny modułu (2), lokalizacja w przedziale maszynowym lokomotywy (2)
(agregat prądotwórczy - silnik: kolor zielony, prądnica: kolor niebieski)

 
Moduły dojazdowe w lokomotywach elektrycznych


Uproszczony schemat obowdu głównego lokomotywy elektrycznej z modułem dojazdowym
FT  -falownik trakcyjny
PP - prostownik pomocniczy
SP - silnik spalinowy
P - prądnica
(na schemacie nie wskazno oporników hamowania)

W pojazdach z przekładnią elektryczną możliwe jest stosowanie hamowania elektrodynamicznego, czyli hamowania, w którym silniki trakcyjne pracują w trybie prądnicowymi zamieniają energię kinetyczną poruszajacego sie pojazdu na energię elektryczną, powodując tym samym wytracanie prędkości. Hamulec elektrodynamiczny wykorzystywany jest w takich pojazdach jako hamulec eksploatacyjny (służbowy).
Produkowana energia hamowania ED wytracana jest w postaci ciepła na opornikach hamowania.

   
Zespoły oporników hamowania z układem chłodzenia na dachu przedziału elektrycznego lokomotywy SP32

Zobacz opis hamulców elektrodynamicznych - tutaj.

Silniki spalinowe stosowane w pojazdach trakcyjnych z przekładnią elektryczną mają moc najczęściej od 300 do 4000 kW.

Stosowanie w trakcji spalinowej przekładni elektrycznej ma następujące zalety:
- wysoka sprawność i dobre wykorzystanie mocy silnika spalinowego, a przez to mniejsze zużycie paliwa,
- mniejsza moc rozwijana przez silnik przy rozruchu w stosunku do przekładni hydraulicznych,
- przeniesienie napędu na drodze elektrycznej powoduje mniejszą ilość elementów zużywających się,
- uniwersalność pojazdów - do zastosowań pasażerskich i towarowych.