View
70
Download
7
Category
Preview:
DESCRIPTION
Proiectarea transmisiei electrice in curent alternativ pentru o locomotiva diesel electrica
Citation preview
UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI FACULTATEA DE TRASNSPORTURI
SPECIALIZAREA VEHICULE PENTRU TRANSPORT FEROVIAR
FFuunncciioonnaarreeaa nn ccoommuunn aa
ttrraannssmmiissiieeii eelleeccttrriiccee cc..aa..--cc..aa..
ccuu mmoottoorruull ddiieesseell ppeennttrruu oo
llooccoommoottiivvaa ddiisseell eelleeccttrriiccaa
Profesor coordonator
Conf. Dr. Ing. Gabriel POPA
Student:
ROIOAR Mircea
Grupa: 8407
2012-2013
2
Cuprins
1. Obiectivele lucrrii.................................................................................................................2
1.1. Introducere...............................................................................................................2
1.2 Avantajele utilizrii multiplei traciuni.....................................................................2
2. Conceptul de locomotiv........................................................................................................3
2.1. Dispunerea echipamentelor..................................................................................3
2.2. Date tehnice i informaii generale......................................................................5
3. Transmisia de putere...............................................................................................................6
3.1. Noiuni generale.......................................................................................................6
3.2. Alegerea motorului diesel........................................................................................7
3.3. Generatorul sincron..................................................................................................8
3.4. Motorul electric de traciune..................................................................................25
4. Analiza cirucitului de for in Simulink................................................................................31
3
1. Obiectivele lucrrii
1.1. Introducere
Aceast lucrarea are ca scop proiectarea transmisiei din curent altenativ n curent
alternativ a unei locomotive cu motor termic.
Cerinele actuale impuse locomotivelor cu motoare termice sunt micorarea
consumului de combustibil i a emisilor, dar n acelai timp conservarea sau chiar mrirea
puterii vehiculului de traciune. O soluie abordat de aceast lucrare, este nsi modificarea
sursei de producere a energiei electrice, implicit a motorului diesel. Spre deosebire de
vehiculele convenionale, la care un singur motor diesel producea energia necesar
vehiculului, n acest caz, acest sarcin a fost mparit la patru uniti de motoare termice
care genereaz o putere a locomotivei de 2886 kW.
Cu o putere a locomotivei de 2886 kW, un efort de traciune la oabad de 300 kN i o
vitez maxim de 160 km/h, acest tip de locomotiv s-a dovedit a fi eficace att pentru
transportul de pasageri ct i de marf, asigurnd o capacitate mare de remorcare datorit
utilizrii optime a forei de traciune.
1.2 Avantajele utilizrii multiplei traciuni
nlocuirea sistemului clasic cu mai cele patru module de motoare diesel a adus cu sine
o serie de avantaje. n primul rnd, motorul utilizat, C18 Acert, este un motor comercial ce se
produce n mas, astfel c nlocuirea acestuia nu este o problem, fiind disponibil
pretutindeni.
Un alt avantaj este faptul c, odata defectat un motor, vehiculul poate circula n
condiii normale, vehiculul de traciune dezvoltnd aceeai for maxim de traciune la
obad.
n alt ordine de idei, funionarea n comun al celor patru motoare, doar la turaia
nominala, de 2300 rpm, aduce cu sine o micorare a consumului de combustibil cu pana la
30% fa de o locomotiv convenional.
La circulaia vehiculului, calculatorul locomotivei, n funie de sarcin determin
numrul de motoare necesare pentru tractarea trenului. Astfel c doar pe anumite intervale vor
fi utilizate doar o parte din motoarele termice, calculatorul menine un echilibru al orelor de
funionare al fiecarui motor. Astfel va fi imbunatit i confortul vibratoriu din interiorul
vehiculului.
Pentru reducerea noxelor, fiecare motor, pe lng recircularea gazelor arse, dispune de
un filtru antiparticule.
4
Fig. 1.1. Normele pentru noxe
Dupa cum se paote observa in figura de mai sus, exista o diferen semnificativ a
noxelor, de la locomotiva diesel clasic (0.15 g/kWh), la locomotiva cu multiple uniti diesel
(0.05 g/kWh).
2. Conceptul de locomotiv
2.1. Dispunerea echipamentelor
Locomotiva este prevzut la ambele capete cu cabin de conducere, posterior
acestora, pe intreaga lungime dintre cabine, se situeaz sala mainilor prevzut cu un culoare
central. n iteriorul acesteia sunt monatae n lateral cele patru motoare Caterpillar C18
ACERT, fiecare conectate la un generator sincron. Pentru ca accesul n sala mainilor sa fie
facil, instalaiile de ventilaie ale motoarelor diesel sunt nglobate n acoperi permind
demontarea la nevoie a acestuia.
5
Fig 2.1. Dispunerea echipamentului din sala mainilor
1. Suflanta motoarelor de traciune;
2. Suport auxiliar;
3. Convertizor static de frecven;
4. Sistem de racire;
5. Motor diesel/ generator sincron;
6. Motor diesel/ generator sincron;
7. Sistem de rcire al motoarelor diesel;
8. Panou de sigurane;
9. Unitate de ventilaie a motoarelor electrice;
10. Cadru de joas tensiune;
11. Computer de cabin;
12. Unitate de ventilaie a motoarelor electrice;
13. Unitate de ventilaie a motoarelor electrice;
14. Sistem de rcire al motoarelor diesel;
15. Motor diesel/ generator sincron;
16. Motor diesel/ generator sincron;
17. Sistem de rcire al motoarelor diesel;
18. Panou de sigurane;
19. Compresor i rezervoare de aer comprimat;
20. Motor;
21. Amortizor de zgomot / filtru de particule;
22. Rezisten de frnare;
6
23. Filtru de aer;
24. Rezervor de combustibil;
25. Acumulatori.
2.2. Date tehnice i informaii generale
Dimensiuni i greuti:
Mod de acionare a osiilor: BoBo Ecartament: 1435 mm; Diametrul roilor:
Noua 1.250 mm;
Uzat 1.170 mm;
Lungimea peste tampoane: 18.900 mm;
Limea corpului locomotivei 2.977 mm;
nlime de peste evi de eapament 4256 mm;
Distana dintre osii de 2.600 mm;
Sarcina pe osie (max.) max. 21.5 t;
Capacitate rezervor de 4.000 litri;
Performane:
Viteza maxim de cirulaie: 160 km/h;
Puterea locomotivei: 2900 kW
Viteza de cirulaie rampa caracteristic (18 N/kN): 45 km/h;
Masa tractat la viteza maxim: 660 t;
Masa tractat pe rampa caracteristic: 580 t;
Echipamete:
4 motoare C18 ACERT;
4 generatoare sincron;
Convertizorul Static de frecven;
4 motoare electrice asincrone;
7
3. Transmisia de putere
3.1. Noiuni generale
Fig 3.1. Schema general a transmisiei de putere
Principala surs de alimentare a locomotivei const din cele patru motoare diesel cu o putere
nominal de aproximativ 847 kW la arborele cotit. Selectat, conceptul de multi-motor garanteaz un
nivel nalt de fiabilitate.
Motoarele diesel, fiecare antreneaz un generator sincron cu o putere nominal de
789 kW. Alimentarea motoarelor de traciune se realizeaz prin itermediul unui convertor de frecven
principal.
8
3.2. Alegerea motorului diesel
Pentru stabilirea puterii locomotivei i alegerea motorului s-au inut seama de mai
multe factori:
- gabaritul i masa motorului;
- posibilitatea de circulaie la viteza maxim;
- randamentul transmisiei electrice;
- instalaiile auxiliare;
- randamentul angrenajului mecanic.
innd cont de cele de mai sus, din calcule au rezultat urmtoarele:
Motorul diesel utilizat n acest caz este un motor comercial: C18 Acert, produs de
firma Caterpillar cu urmatoarele caracteristici:
Puterea: 847 kW
Cilindreea total: 18.1 L;
Alezajul: 145 mm;
Cursa pistonului: 183 mm;
Turaia
o Minim: 700 rpm;
o Nominal: 2300 rpm
Masa: 1860 kg;
Dimensiuni: 1591 mm x 1118 mm x 1199 mm.
Puterea motorului diesel se alege:
Puterea locomotivei:
Tonajul remorcat
Coeficientul ce tine seama de instalatiile auxiliare:
Randamentul anrenajului mecanic:
Randamentul generatorului principal:
Randamentul motorului electric de tractiune:
PM 847kW
PL 2886kW
mvr 660tonne
0.95
am 0.99
gp 0.98
met 0.93
9
3.3. Generatorul
Generatorul sincron este o main electric de curent alternativ trifazat cu poli necai
care funcioneaz n reim de generator. Turia generatorului stabilizat fiind proporional cu
frecvena.
Generatorul este legat direct la arborele motor, acesta funioneaza doar la turaia
nominal a motorului diesel.
3.3.1. Parametrii funcionali ai generatorului:
Fig 3.3 Caracteristica generatorului
10
Puterea la bornele generatorului:
Puterea pe faza a generatorului:
Tensiunea maxima de alimentare a motoarelor electrice:
Puterea pe faza a generatorului:
Tensiunea maxima pe faza:
Tensiunea redresata maxima:
Curentul minim pe faza:
Raportul dintre curentul nominal pe faza si curentul minim pe faza:
Curentul nominal pe faza:
Tensiunea nominla pe faza:
Pgs Pm gp
Pgs 788.557 kW
Pg.nf
Pgs
3
Pg.nf 262.852 kW
Um.max 1403V
Pgnf
Pgs
3
Pgnf 262.852 kW
Uf.max 0.8554 Um.max
Uf.max 1.2 103
V
Ur.max 2.338 Uf.max
Ur.max 2.806 103
V
If.min
Pgnf
Uf.max
If.min 219.021A
n 1.5
If.n n If.min
If.n 328.531A
Uf.n
Pgnf
If.n
Uf.n 800.084 V
11
3.2.2. Caracteristicile de funcionare ale generatorului
3.2.2.1. Caracteristica de mers n gol
Coeficientul de reglare:
Tensiunea maxima pe faza:
Curentul maxim pe faza:
Pentru trasarea caracteristicii de mers in gol se porneste de la trasarea caracteristicilor universale de mers in gol:
g 2
Uf.min
Uf.max
g
Uf.min 600.063 V
If.max g If.min
If.max 438.041A
io.n
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Eo.n
0
0.58
1
1.21
1.33
1.4
1.46
1.51
1.55
12
Fig. 3.4. Caracteristica universal
0 1 2 3 40
0.5
1
1.5
2
ie/in
Efo
/Efn
Eo.n
io.n
ino
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
3.4
Eou
0
0.25
0.49
0.69
0.87
1.015
1.13
1.225
1.29
1.345
1.38
1.415
1.435
1.46
1.47
1.485
1.5
1.510
13
Fig 3.5. Caracteristica de mers n gol
Tensiunea electromotoare pe faza la mersul in gol la turatia nominala a generatorului:
Se adopta valoarea curentului de excitatie la turatia nominala:
Caracterisica se va trasa pana la valoarea maxima a curentului de excitatie
0 1 2 30
0.5
1
1.5
2
ie/in
Efo
/Ufn
Eou
ino
ien 40A
Ef.on
Uf.max
g g
21
Ef.on 1.342 103
V
ien.max 2 ien si
Ff.on.max 1.33 Ef.on
14
Vectorul de variatie al curentului de excitatie: Vectorul de variatie al tensiunii electromotoare:
Valorile curentului de exictatie: Valorile tensiunii electromotoare:
vi
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.166
1.332
1.498
1.664
1.83
2
vE
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.055
1.11
1.165
1.22
1.275
1.33
ien.v ien vi Ef.on.v Ef.on vE
ien.v
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0
8
16
24
32
40
46.64
53.28
59.92
66.56
73.2
80
A Ef.on.v
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0
268.356
536.713
805.069
31.07310
31.34210
31.41610
31.48910
31.56310
31.63710
31.71110
31.78510
V
15
Fig 3.6. Caracteristica de mers n gol
3.2.2.2. Caracteristica extern
Se traseaza caracteristica externa pentru valoarea turatiei nominale si valoarea variabila a curentului de excitatie
Pentru valoarea curentului de excitatie de 8 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
0 20 40 60 800
500
1 103
1.5 103
2 103
[A]
[V]
Ef.on.v
ien.v
Ef.on8 Ef.on.v1
Is8 Is1
Iv8
0A
15A
30A
45A
60A
75A
90A
Is1
16
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 16 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 24 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Uf8 Ef.on82
Xs2
Iv82
Ef.on16 Ef.on.v2
Is16 Is2
Iv16
0A
30A
60A
90A
120A
150A
180A
Is2
Uf16 Ef.on162
Xs2
Iv162
Ef.on24 Ef.on.v3
Is24 Is3
Iv24
0A
45A
90A
135A
180A
225A
260A
Is3
17
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 32 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 36 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Uf24 Ef.on242
Xs2
Iv242
Ef.on32 Ef.on.v4
Is32 Is4
Iv32
0A
60A
120A
180A
240A
300A
360A
Is4
Uf32 Ef.on322
Xs2
Iv322
Ef.on36 Ef.on.v4
36
32
Is36 Is4
36
32
Iv36
0A
70A
140A
210A
280A
350A
420A
Is4
36
32
18
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 40 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 46.63 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Uf36 Ef.on362
Xs2
Iv362
Ef.on40 Ef.on.v5
Is40 Is5
Iv40
0A
75A
150A
225A
300A
375A
450A
Is5
Uf40 Ef.on402
Xs2
Iv402
Ef.on46.63 Ef.on.v6
Is46.63 Is6
Iv46.63
0A
80A
160A
240A
320A
400A
480A
Is6
19
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 53.28 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 59.92 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Uf46.63 Ef.on46.632
Xs2
Iv46.632
Ef.on53.28 Ef.on.v7
Is53.28 Is7
Iv53.28
0A
85A
170A
255A
340A
425A
510A
Is7
Uf53.28 Ef.on53.282
Xs2
Iv53.282
Ef.on59.92 Ef.on.v8
Is92.92 Is8
Iv59.92
0A
90A
180A
270A
360A
450A
540A
Is8
20
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 66.56 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 73.2 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Uf59.92 Ef.on59.922
Xs2
Iv59.922
Ef.on66.56 Ef.on.v9
Is66.56 Is9
Iv66.56
0A
95A
190A
285A
380A
475A
570A
Is9
Uf66.56 Ef.on66.562
Xs2
Iv66.562
Ef.on73.2 Ef.on.v10
Is73.2 Is10
Iv73.2
0A
100A
200A
300A
400A
500A
600A
Is10
21
Tensiunea pe faza:
Pentru valoarea curentului de excitatie de 80 A
Tensiunea electromotoare corespunzatoare:
Curentul de scurtcircuit:
Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:
Tensiunea pe faza:
Uf73.2 Ef.on73.22
Xs2
Iv73.22
Ef.on80 Ef.on.v11
Is80 Is11
Iv80
0A
105A
210A
315A
420A
525A
630A
Is11
Uf80 Ef.on802
Xs2
Iv802
22
Fig 3.7. Caracteristica extern
3.2.2.3. Caracteristica de putere
Pentru tensiunea maxima pe generator:
0 200 400 6000
500
1 103
1.5 103
[A]
[V]
Uf8
Uf16
Uf24
Uf32
Uf36
Uf40
Re Uf46.63
Uf53.28
Uf59.92
Uf66.56
Re Uf73.2
Re Uf80
Iv8 Iv16 Iv24 Iv32 Iv36 Iv40 Iv46.63 Iv53.28 Iv59.92 Iv66.56 Iv73.2 Iv80
0deg 10deg 180deg
Pmax 3 Uf.max Ef.on
Xssin Pmin
3 Uf.min Ef.on
Xssin
23
0 50 100 1500
5 105
1 106
1.5 106
[grd]
[W]
Pmin
Pmax
Pe.g
5325
180
Pmax 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
0
306.188
603.073
881.634
31.13310
31.35110
31.52710
31.65710
31.73610
31.76310
31.73610
31.65710
31.52710
31.35110
31.13310
881.634
603.073
306.188
-132.15910
kW
Fig 3.8 Caracteristica de putere
Pmin
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
0
153.094
301.536
440.817
566.703
675.37
763.517
828.465
868.24
881.634
868.24
828.465
763.517
675.37
566.703
440.817
301.536
153.094
-131.0810
kW
24
3.2.2.4. Caracteristica de reglaj
Uf1
1800V
1500V
Uf.max
1100V
950V
Uf.n
740V
650V
Uf.min
550V
510V
If1
170A
180A
If.min
240A
280A
If.n
350A
400A
If.max
550A
650A
0 200 400 600 8000
500
1 103
1.5 103
2 103
[A]
[V]
Uf8
Uf16
Uf24
Uf32
Uf36
Uf40
Re Uf46.63
Uf53.28
Uf59.92
Uf66.56
Re Uf73.2
Re Uf80
Uf
Uf1
Iv8 Iv16 Iv24 Iv32 Iv36 Iv40 Iv46.63 Iv53.28 Iv59.92 Iv66.56 Iv73.2 Iv80 If If1
25
Fig 3.9. Caracteristica de reglaj
0 200 400 600 80030
40
50
60
70
80
[A]
[A]
i36
i40
i46.63
i53.28
i59.92
i66.65
i73.2
i80
q1
q2
I36 I40 I46.63 I53.28 I59.92 I66.56 I73.2 I80 w1 w2
26
3.3. Motorul electric de traciune
Regimul de pornire.
Aceste regim se ntlnete la trecerea vehiculului din starea de repaus n starea de
micare, corespunztoare unui regim de funcionare staionar. Pentru un vehicul, acest regim
este determinat de relaia dintre fora de traciune care acionaez asupra osiilor motoare,
rezistenele la naintare a trenului i momentul de inerie al ntregului ansamlblu. Fpra de
traciune este determinat de valoare cuplului motor, numrul de mtoare, raportul de
transmitere al angrenajului cu roi dinate i diametrul roii motoare.
Regimul de pornire corespunde puntului a din figura 3.10. n care: curba 1 reprezint
fora de traciune la oabada roilor motoare, iar curba 2 rezistena total a trenului la naintare.
Fora de traciune lapornire trebuie sa fie mai mare decat rezistena pentru ca pornirea sa fie
posibil.
Diferena Fp-Rt reprezint fora de accelerare de valoare de care depinde de timpul de
pornire al trenului.
Fig. 3.10. Caracteristica de pornire
n momentul V = 0 i alunecare s = 1, rezult c tensiunea la pornire va fi:
= ( )/
Aceast formul de calcul a tensiunii de pornire induce nesigurana pornirii
trenului.deoarece Fp =Rt. Pentru a se asigura o forta de tractiune care sa permita smulgerea
din loc a trenului se paote stabili o forta specifica de inertie corespunzatoare unei acceleratii
de 0,2 0,6 m/s^2.
27
Vehiculul motor trebuie conceput astfel incat sa poate fi folosit la remorcarea
trenurilor de la greutatea proprie la greutatea maxima, din acest motiv rezulta modificarea
tensiunii cu mentinrea la valoare constanta a frecventei.
Fig 3.11. Caracterisiticile Fa(V) si Rt(V)
3.3.1 Calculul frecvenei nominale la pornire
Viteza nominala:
Coeficientul de suprasolicitare a motorului:
Vn 66.5km
hr
n
Vmax
Vn
n 2.406
An n n2
1
An 0.218
28
Impedanta la pornire:
Se vor calcula constantele:
L 2.087 103
H
an R12
An2
an 4.615 104
2
bn 2 R12
An2
bn 9.23 104
2
cn R12
2 R212
An2
4 Vn
2 iT
2 L
2 p
2
Duzat2
cn 0.454 2
dn 2 R212
An
dn 4.502 103
2
en R212
en 2
sn 1 0.9 1
fn sn an sn4
bn sn3
cn sn2
dn sn en
1 0.5 0 0.5 1
0.2
0.2
0.4
0.6
[Hz]
fn sn
sn
29
3.3.2. Calculul frecventei maxime
Coeficientul de suprasolicitare al motorului:
Se noteaza:
Impedanta la pornire:
Se calculeaza constantele:
fnom
Vn iT p
Duzat 1 sn
fnom 52.468 Hz
iT.
Duzat fnom 1 sn
p Vn
iT 5.227
Vmax
Vmax
1
A 2
1
A 1
LX
2 fnom
L 2.084 103
H
a R12
A2
a 9.742 103
2
b 2 R12
A
b 0.019 2
c R12
R212
A2
4 Vmax
2 iT
2 L
2 p
2
Duzat2
30
1 0.5 0 0.5 1
1
1
2
3
[Hz]
f sk
sk
c 2.561 2
d 2 R212
A
d 0.021 2
e R212
e 0.01 2
sk 1 0.9 1
f sk a sk4
b sk3
c sk2
d sk e
fmax
R212
R12
sk2
2 L sk
fmax 129.98 Hz
L1
R212
R12
sk2
2 fmax sk
31
4. Analiza circuitului principal de for
32
vvr in Simulink
33
34
Bibliografie
1. Tractiunea feroviara cu motoare asincrone trifazate, G. Popa, MatrixRom, 2011
2. Locomotive i automotoare cu motoare termice, Al. Popa, Editura Didactic i Pedagogic
http://www.bjbc.ro:8081/opac/publisher/2242;jsessionid=8588F857EB689753B926E6B026711CDC
Recommended