of 142 /142
FACULTATEA DE INGINERIE ÎN ELECTROMECANIC, MEDIU I INFORMATIC INDUSTRIAL TRACIUNE ELECTRIC CURS- FRECVEN REDUS Prof.dr.ing. DORU ADRIAN NICOLA

83365264 Tractiune Electrica Curs

Embed Size (px)

Text of 83365264 Tractiune Electrica Curs

FACULTATEA DE INGINERIE N ELECTROMECANIC,MEDIU I INFORMATIC INDUSTRIALTRACIUNE ELECTRICCURS- FRECVEN REDUSProf.dr.ing. DORU ADRIAN NICOLA Capitolul 1CHESTIUNI INTRODUCTIVE GENERALE DETRACT IUNE ELECTRICA1.4 COMPUNEREA GENERALA A SISTEMELOR DE TRACT IUNEELECTRICAOrice vehicul electric motor cu alimentare de la o linie de contact (VEMneautonom) necesita o serie de instalat ii proprii care mpreuna cu el formeaza unsistem de tract iune electrica (STE).n fig.1.1 este prezentata compunerea generala a unui STE cu VEM neautonome.n schema generala din fig.1.1 se evident iaza doua categorii de instalat ii si anume:A. instalat iile fixe siB. instalat iile mobile ale STE.A. Instalat iile fixe ale unui STE cu VEM neautonome, n linii mari cont in:- instalat iile de producere, transport si distribut ie a energiei electrice reprezentateprin: centrale electrice (CE), stat ii de transformare ridicatoare de tensiune (STR) si liniielectrice aeriene (LEA) de transport a energiei electrice la nalta tensiune (.t.).(Se ment ioneaza ca aceste instalat ii electroenergetice nu sunt specifice tract iuniielectrice.)- substat iile de tract iune electrica (SSTE) care cont in ansamblul de instalat ii siechipamente fixe pentru racordarea la sistemul electroenergetic de .t. si de adaptarea parametrilor energiei electrice (nivel tensiune, curent, frecvent a etc.) din linia decontact (LC) la necesitat ile tract iunii electrice;Fig.1.1 Compunerea generala a unui STE cu VEM neautonome.CE-centrala electrica; STR-stat ii de transformare ridicatoare; LEA-linii electrice aeriene; SSTE-substat iide tract iune electrica; FA-fideri de alimentare; F-fideri de ntoarcere; LC-linie de contact; PS-post desect ionare; PSS-post de subsect ionare; PLP-post de legare n paralel; S(CR/Z)-sina sau calea derulare/zbor; VEM-vehicul electric motor.1- linia de contact (LC) care este o ret ea electrica aeriana sau la sol (de c.c. sau dec.a.) construita si amplasata n lungul caii de circulat ie si de la care VEM sealimenteaza prin intermediul unei prize alunecatoare de curent (numita si captator sauculegator de curent);- calea de rulare (sau de zbor) CR/Z ce constituie calea de circulat ie a VEM. Eapoate fi metalica (cu sine), din beton sau mixta. La VEM cu aderent a si rot i metalicepe sine, n afara rolului de cale de rulare, sinele ndeplinesc si rolul conductorului dentoarcere al curentului la substat ia de tract iune.n plus, n vecinatatea caii de circulat ie, n anumite puncte mai sunt dispuse o serientreaga de echipamente fixe de conectare si de comutat ie care asigura protect ia,exploatarea si ntret inerea corespunzatoare a liniei de contact. Principalele elemente deacest tip sunt:- fiderii de alimentare (FA) ce reprezinta linii electrice aeriene de lungime redusacare servesc la alimentarea cu energie electrica a liniei de contact de la SSTE. (n zonafider se prevede uzual o sect ionare simpla-cu lama de aer-a liniei de contact);- posturile de sect ionare (PS) ce se amplaseaza aproximativ la jumatatea distant eidintre doua SSTE consecutive. Ele cont in aparate de comutat ie si realizeaza fiesect ionarea LC fie conectarea longitudinala si/sau transversala a LC. (Postul desect ionare din fig.1.1 realizeaza o sect ionare cu zona neutra sau "moarta").- posturile de subsect ionare (PSS) semnifica instalat ii fixe de comutat ie care potrealiza att sect ionarea ct si conectarea longitudinala si/sau transversala a tronsoanelorLC dintre o SSTE si un PS.- posturile de legare n paralel (PLP) cont in echipamentele de comutat ie carepermit, n cazul cailor de circulat ie duble (cu doua linii de contact) legareasuplimentara n paralel a ramurilor LC dintre o SSTE si un PS atunci cnd n schemagenerala lipsesc PSS.- fiderii de ntoarcere (F) reprezinta cablurile sau LEA de racord dintre sinametalica a CR (respectiv dintre ramura negativa a LC bifilare de c.c.) si circuitul defort a al SSTE.Se precizeaza ca orice sistem de tract iune electrica cu VEM neautonome esteconsiderat un consumator de energie electrica de gradul 1 adica nu admite ntreruperin alimentarea LC dect n cazuri de fort a majora. Din acest motiv, substat iile detract iune electrica trebuiesc realizate cu dublu grad de sigurant a (cu doua racordurielectrice la sistemul electroenergetic de .t., cu doua agregate de conversie aparametrilor energiei electrice, unul n funct iune si altul rezerva rece integrala, doifideri de alimentare etc.).B. Instalat iile mobile de tract iune electrica sunt acelea mbarcate pe VEM.Ele primesc energia electrica de la LC, o proceseaza cu pierderi minime si o distribuiecu parametri corespunzatori motoarelor electrice care o transforma n energie mecanicanecesara deplasarii lor si a vagoanelor pe care le tracteaza.n concluzie, orice circuit de tract iune este format dintr-o sursa de energie electrica(SSTE) amplasata ntr-un punct fix, o linie de contact, un vehicul motor alimentat dela LC si un conductor de retur (uzual sinele CR). n plus, acest circuit este lung si sedeformeaza continuu (prin deplasarea VEM).21.5 SISTEME DE TRACT IUNE ELECTRICAUzual, prin sistem de tract iune electrica se nt elege ansamblul de echipamente fixecorespunzatoare felului tensiunii (si al curentului) din linia de contact. De-a lungultimpului s-au propus si s-au dezvoltat urmatoarele sisteme de tract iune electrica:- sistemul trifazat de frecvent a feroviara;- sistemul curentului continuu;- sistemul monofazat de frecvent a speciala si- sistemul monofazat de frecvent a industriala.Dintre acestea, numai primul nu si-a dovedit viabilitatea. Celelalte trei sisteme detract iune electrica sunt utilizate si n zilele noastre.1.5.1 Sistemul trifazat de frecventa feroviaraA fost primul sistem de tract iune electrica feroviara aplicat n Elvet ia si nordulItaliei, n jurul anului 1900, dar a fost repede abandonat din cauza complicat iilor pecare le prezinta linia de contact bifilara (2 faze, a treia faza fiind legata la sina) lancrucisari si n stat ii.Schema de principiu simplificata este reprezentata n fig.1.2.Fig.1.2 Schema simplificata a sistemului trifazatde frecventa feroviara.Substat iile de tract iune SSTE erau dotate cu simple transformatoare trifazatecobortoare (60/3 kV) care alimentau o linie de contact bifilara iar VEM (locomotiva)necesita doua captatoare de curent n funct iune (cte unul pentru fiecare faza, a treiafaza fiind legata la sinele CR) pentru a alimenta motoarele asincrone, trifazate, detract iune.Locomotivele electrice erau echipate cu doua motoare asincrone trifazate cu rotorulbobinat. Reglarea vitezei (la frecvent a fixa) era obt inuta pe cale reostatica combinatacu legarea n cascada a celor doua motoare asincrone ct si prin comutarea numaruluide perechi de poli.Frecvent a speciala de 16 Hz (sau 25 Hz), pe lnga necesitatea instalat iilor siechipamentelor de producere si de transport a energiei electrice asigura avantajullimitarii reactant ei liniei de contact si implicit a caderilor de tensiune pe LC. (Deoarececuplul maxim al motoarelor asincrone depinde de patratul tensiunii de alimentare,caderea de tensiune pe LC trebuia redusa la minim ceea ce a condus la amplasarea de3SSTE la distant e mici ntre ele).Toate aceste neajunsuri au contribuit la abandonarea completa a sistemului trifazat.1.5.2 Sistemul curentului continuuA debutat n jurul anului 1900 si s-a afirmat definitiv printr-o mare expansiune nperioada 1920-1939, att n tract iunea feroviara ct si n tract iunea electrica urbana(tramvai, troleibuz, metrou).Schema simplificata, de principiu, este reprezentata n fig.1.3.Fig.1.3 Schema de principiu a tractiunii electrice n c.c.Alimentarea SSTE se face din sistemul energetic nat ional, n c.a. trifazat la .t.(LEA de 110 kV).Substat iile de tract iune electrica (SSTE) realizeaza doua funct iuni si anume:- asigura reducerea nivelului tensiunii trifazate la valori acceptabile (cu ajutorultransformatorului trifazat T) si- realizeaza conversia energiei (din c.a. n c.c.) cu dispozitivul R.Din punct de vedere evolutiv, pentru conversia c.a-c.c. n substat iile de tract iuneelectrica au fost utilizate:- convertizoare rotative (cu grup motor c.a.-generator de c.c.);- redresoare polianodice cu vapori de mercur;- redresoare cu ignitroane;- redresoare cu semiconductoare (din anii 60 cu diode cu siliciu iar ulterior, cutiristoare).Recomandarea CEI nr.38 reglementeaza valorile nominale ale tensiunii continuen LC la nivelele 750-1500-3000V precum si variat ia admisa ntre - 33% si + 20% nraport cu valorile nominale.Tensiunea de 750V este rezervata pentru transportul urban (tramvai, troleibuz simetrou) iar tensiunile de 1500V si 3000V sunt alocate tract iunii feroviare. Cu toateacestea, n lume exista multe sisteme de tract iune urbana cu tensiunea nominala n LCde 600V c.c.. n plus, sunt n curs studii privind introducerea nivelelor de tensiunicontinue mai ridicate, ca de exemplu 6-12-18 kV.Situat ia actuala a ret elelor feroviare electrificate n c.c. se prezinta ca mai jos:a) la 750 V c.c. n Marea Britanie (1960 km) cu alimentare de la a treia sina;4b) la 1500 V c.c. n Japonia, Frant a (5850 km), Olanda etc.c) la 3000 V c.c. n Rusia (27.600 km), Italia (10.500 km), Polonia, Spania (6400km), Africa de sud, Brazilia, Belgia, Cehia, Slovacia etc.Principalele avantaje ale sistemului de tract iune electrica n c.c. sunt:1. Posibilitatea racordarii directe a SSTE la ret eaua trifazata de frecvent aindustriala fara a provoca dezechilibre electrice n aceasta si2. Perturbat iile prin induct ie electromagnetica pot fi limitate pe baza atenuarii siabsorbt iei armonicilor de curent (prin reducerea cont inutului armonic al curentului dinLC utiliznd filtre absorbante la iesirea din SSTE cu redresoare).Dintre principalele dezavantaje ale sistemului curentului continuu amintim:1. SSTE sunt mai complicate si deci mai costisitoare;2. Nivelul limitat al tensiunii n LC conduce la curent i mari (pentru o putere dataa VEM) de ordinul kA, n cazul tract iunii feroviare. Aceasta implica:- o sect iune totala a conductoarelor liniei de contact destul de mare (de la 200-300mm2pna la 600-800 mm2);- complicarea suspensiei si a instalat iei de sust inere a liniei de contact;- micsorarea distant ei dintre SSTE consecutive pna la 8-10km n cazul ULC=1500V si pna la 20 km n cazul ULC=3000 V, n cazul trenurilor de mare viteza, cu puteriunitare de 8 MW.3. Coroziunea electrolitica a conductelor metalice subterane (conducte de apa, degaze, de produse petroliere, cabluri electrice, poduri metalice etc.) din vecinatatea caiide circulat ie, coroziune provocata de dispersia curentului continuu de ntoarcere prinpamnt (datorita curent ilor "vagabonzi, de dispersie", care n cele mai defavorabilecazuri, poate atinge 50% din curentul de tract iune).Pentru diminuarea coroziunii electrolitice, n practica se iau urmatoarele masuri:- eclisarea sinelor caii ferate la joante si efectuarea de conexiuni transversale ntrediversele sine ale caii (cu conductori de cupru de 70 mm2) pentru reducerea dispersieicurentului de ntoarcere din sine n pamnt si- utilizarea drenajului electric si a protect iei catodice a ret elei metalice subteraneprin care se pot nchide curent ii vagabonzi de tract iune.1.5.3 Sistemul monofazat de frecventa specialaLa momentul nasterii tract iunii monofazate (1904) marile ret ele de distribut ie aenergiei electrice nu existau nca. Fiecare administrat ie de cale ferata era propiulproducator de energie, cu libertatea alegerii sistemului si a tensiunii "care-i placeau".n aceste condit ii, la 27 februarie 1902, Emil Huber-Stockar sesiznd dificultat ileinerente ale tensiunii limitate n cazul sistemului c.c. ct si cele datorate caracteristicilorprea rigide ale motorului asincron trifazat de tract iune la frecvent a fixa a avut curajulsa propuna Societat ii Inginerilor si Arhitect ilor din Zrich sistemul monofazat cutensiunea de 15 kV. S i aceasta ntr-o epoca n care sistemul c.c. depasea usor 1000 Viar sistemul trifazat se plafonase la 3 kV. Desigur, el avea n vedere conversia la bordullocomotivelor pentru a alimenta motoarele de tract iune (de c.c. serie) prin intermediulunui transformator cobortor si a unui grup convertizor rotativ monofazat-continuu.n 1904, Behn-Eschenburg propune eliminarea conversiei monofazat -continuu siutilizarea motorului serie monofazat cu colector ca motor de tract iune. Dar ncercarileexperimentale (la 50Hz) n-au fost ncununate de succes si aceasta din doua motive:5- aparit ia de perturbat ii n ret elele de telegrafie si de telefonie;- comutat ia dezastruoasa a motorului serie monofazat (cu colector).Problema a putut fi rezolvata numai prin coborrea frecvent ei. n aceste condit ii,Comisia Federala de studii pentru electrificarea cailor ferate a optat (n 1910) pentrutract iunea n curent monofazat la tensiunea de 15 kV (preconizata de Huber n 1902)dar la o frecvent a de 16 Hz, adica o treime (50/3) din cea practicata normal nindustrie, abia nascuta.La rndul lor, americanii au adoptat cam n aceeasi perioada n tract iuneamonofazata o frecvent a relativ joasa si anume 25 Hz.Sistemul curentului monofazat de joasa frecvent a 16 Hz si tensiune 15 kV se aflasi astazi n exploatare n Germania (15.900 km), Elvet ia, Austria, Norvegia, Suedia.Din punctul de vedere al alimentarii cu energie electrica de frecvent a speciala (16 Hz)al liniei de contact LC exista doua variante. Ele vor fi prezentate pe scurt.1. Prima varianta are n vedere producerea si transportul energiei electrice directn c.a. monofazat la 16 Hz, n centrale proprii, aflate n gestiunea administrat iilor decale ferata. Schema de principiu simplificata este ilustrata n fig.1.4.n centralele electrice CE (de tip hidro sau termoelectric), generatoarele sincronemonofazate produc energia electrica monofazata direct la 16 Hz si tensiune de 3-6kV.Stat iile de transformare ridicatoare STR, echipate cu tansformatoare monofazate ridicanivelul tensiunii la 60 (110) kV n vederea transportului cu pierderi minime a energieipe LEA (monofazate, la 16 Hz), exclusiv la substat iile de tract iune electrica SSTE.Ca structura SSTE comporta numai transformatoare monofazate cobortoare (deex. 110kV/15kV, 16 Hz, unul n funct iune si altul de rezerva), fiind cea mai simplaFig.1.4 Sistemul curentului monofazat de frecventa specialacu producerea energiei electrice n centrale proprii.solut ie de SSTE.2. n varianta a doua se apeleaza la stat ii de conversie feroviara SCF, stat ii careasigura att conversia numarului de faze (de la cele trei faze ale sistemului energeticnat ional la o singura faza necesara tract iunii) ct si a frecvent ei (de la 50 Hz la 16Hz) ca n fig.1.5.La sistemul energetic nat ional de .t. LEA1 (3,50 Hz,110 kV) se racordeaza "stat iide conversie feroviara" SCF care n esent a sunt compuse din:- T1, transformator trifazat cobortor (de ex.110/3 kV);6- un grup convertizor rotativ MS+GS format dintr-un motor sincron trifazat la50 Hz care antreneaza la turat ie constanta un generator sincron monofazat de frecvent a16 Hz;- T2, transformator monofazat ridicator care alimenteaza LEA2, monofazata la .t.(de ex.110 kV) si frecvent a speciala 16 Hz.Fig.1.5 Sistemul curentului monofazat de frecventa specialacu statii de conversie feroviara (SCF)Att linia electrica de transport LEA2 ct si substat iile de tract iune SSTE suntrealizate identic ca n prima varianta.Exista administrat ii de cale ferata care au adoptat substat ii de tract iune dotateindividual cu grupuri de conversie (de faza si de frecvent a) racordate direct la ret eauatrifazata de .t. a sistemului energetic. Numai n t arile scandinavice s-a preferatconcentrarea conversiei ntr-o singura stat ie SCF, alimentata direct de la ret eauaindustriala trifazata ca n fig.1.5.Principalele dezavantaje ale sistemului monofazat de frecvent a speciala sunt:- necesitatea unui sistem energetic propriu, de frecvent a joasa, pentru tract iune (nvarianta 1 sau n varianta 2);- necesitatea unor stat ii de conversie feroviare SCF relativ complicate, pe suprafet emari, cu cheltuieli de investit ii si de exploatare mari si cu randament scazut;- aparit ia de perturbat ii electromagnetice asupra liniilor de telecomunicat ii dinvecinatatea caii de rulare;- complicat ii n ceea ce priveste realizarea instalat iilor de centralizare a stat iilor decale ferata (deoarece comenzile circuitelor de cale se dau n c.a. si folosesc sinele caiiferate drept conductoare electrice).Dintre avantajele sistemului monofazat de frecvent a joasa amintim:- datorita nivelului ridicat (15 kV) al tensiunii, sect iunea firului liniei de contactva fi redusa (150-200 mm2) ceea ce conduce la o catenara de construct ie usoara si decila un consum mai redus de cupru;- creste distant a medie dintre SSTE (pna la 50 km);- prezent a transformatorului cobortor pe locomotiva (VEM) ct si realizareasecundarului acestuia cu mai multe trepte de tensiune a permis obt inerea unei mai mari7elasticitat i n exploatare (mai multe caracteristici de tract iune) si n fine- problema alimentarii serviciilor auxiliare (prin prezent a transformatorului) estemai simplu rezolvata.1.5.4 Sistemul monofazat de frecventa industrialaS i-a facut timid aparit ia, la nceput n Ungaria (1932) sub impulsul celebruluiinginer Kelemen Kand. Au urmat intense cercetari n Germania (1935-1936) si nFrant a (1948-1951). Rezultatul a fost remarcabil: "tract iunea monofazata la frecvent aindustriala era posibila!".Practic, pentru ca investit iile n instalat iile fixe sa fie ct mai reduse iar cheltuielilede exploatare sa fie ct mai mici, sistemul de electrificare al caii ferate trebuia sandeplineasca urmatoarele condit ii:- alimentarea substat iilor de tract iune electrica SSTE sa se faca direct din sistemulenergetic nat ional;- din punct de vedere constructiv SSTE sa fie ct mai simple si- tensiunea n linia de contact sa aiba un nivel ct mai ridicat care sa permitacresterea distant ei dintre SSTE consecutive si o linie de contact de construct ie usoara.Toate aceste condit ii sunt ndeplinite de sistemul monofazat de frecvent a industriala50(60) Hz cu tensiunea nominala n LC de 25 kV. Schema de principiu a sistemuluide tract iune electrica n c.a. monofazat de frecvent a industriala este reprezentata nfig.1.6.Fig.1.6 Sistemul curentului monofazat de frecventa industriala.Substat ia de tract iune SSTE este echipata numai cu transformatoare monofazate,cobortoare (de ex. 110/25 kV) alimentate la doua (din cele trei) faze ale sistemuluienergetic nat ional SEN. Secundarul monofazat, este conectat la LC si calea de rularesi alimenteaza linia de contact cu ULC=25 kV la frecvent a industriala 50(60)Hz.n aceasta varianta, SSTE este extrem de simpla din punct de vedere constuctiv sinecesita numai doua transformatoare monofazate (unul n funct ie si altul de rezerva).Pentru o ncarcare ct mai uniforma a SEN, substat iile monofazate de tract iuneSSTE se conecteaza ciclic la cele trei faze ale SEN si n consecint a, linia de contactLC se prevede, pe fiecare tronson, cu zone moarte. (Reducerea disimetriilor din SENeste asigurata n prezent prin utilizarea n SSTE a cte doua transformatoaremonofazate conectate n V/V).8Ca urmare a tensiunii nominale n LC de 25 kV, distant a dintre SSTE (determinatade trafic si de profilul caii ferate) poate ajunge la 60...80 km. Tensiunea n LC nutrebuie sa scada sub 19 kV iar valoarea maxima nu trebuie sa depaseasca cu mai multde 10% tensiunea nominala, adica ULC25+2,5=27,5kV.Sistemul curentului alternativ monofazat de frecvent a industriala 50(60)Hz la 25kVa cunoscut o dezvoltare fara precedent dupa anul 1950 n Rusia (26800 km), Frant a(6500 km), Japonia, India, Croat ia, Serbia, Muntenegru, China, Romnia (11000km),Bulgaria, Ungaria, Marea Britanie, Finlanda, Africa de Sud etc. (Aici poate fi inclusasi varianta 2x25kV adoptat la nivelul anilor 1980 n Frant a si Japonia).VEM-uri neautonome din clasa CCa structura, VEM-urile din clasa C (aflate n exploatare) au evoluat, ele putndfi clasificate principial n patru mari subclase (C1, C2, C3, C4):- clasa C1 (cuprind VEM-uri directe cu MT de c.c. serie si reostat de pornire-frnare RPF)- clasa C2 (cont in VEM cu variatoare statice de tensiune continua VTC si MT dec.c. cu excitat ie Ex serie sau cu excitat ie separata-imagine serie);- clasa C3 (cuprind acele VEM cu invertoare de curent IC si MT de c.a. trifazatede tip asincron MA) si- clasa C4 (formata din acele VEM cu invertoare de tensiune IT si MT de c.a.trifazate de tip asincron MA).n fig.1.10 se prezinta evolutiv structura VEM-urilor din clasa C.Reglajul fort ei de tract iune se face n trepte (n cazul variantei C1) sau continuuFig.1.10 Structura VEM din clasa C.(la variantele C2, C3 si C4). Astfel de VEM-uri se ntlnesc n exploatare catroleibuze, tramvaie, metrouri sau locomotive si rame electrice (pe liniile magistrale sisecundare electrificate n curent continuu).9VEM-uri neautonome din clasa APentru liniile de contact de c.a. monofazat de frecvent a speciala 16 Hz sauindustriala 50 Hz (linii rezervate exclusiv tract iunii feroviare) s-au construit VEM-uridin clasa A. Ele se numesc locomotive, rame si trenuri electrice si se mpart n:- clasa A1 care cuprinde locomotivele directe, alimentate din LC la 1015 kV si16 (25)Hz cu transformator reglabil TR si motoare de curent alternativ monofazat(16 Hz) serie, cu colector;- clasa A2 care cuprinde locomotivele si ramele electrice de tip monocontinuu cureglaj transformatoric sau de amplitudine (adica cu transformator reglabil TR, redresorFig.1.11 Structura locomotivelor din clasa A.necomandat cu diode RD si motoare de tract iune MT de curent ondulat);- clasa A3 care cuprinde locomotivele si ramele electrice de tip mono-continuu cureglaj redresoric sau "de faza" (adica cu transformator T, redresor comandat cutiristoare RT si motoare de tract iune MT de curent ondulat10- clasa A4 care cuprinde locomotivele de c.a. monofazat cu transformator T,redresor comandat RT, invertor de curent IC si motoare de tract iune de tip sincron MS(funct ionnd n regim autopilotat) si- clasa A5 care cuprinde locomotivele, ramele si trenurile electrice de c.a.monofazat cu convertor de patru cadrane C4Q, invertoare de tensiune IT si motoare detract iune de tip asincron MA (cu rotorul n scurtcircuit).Principial, structura locomotivelor din clasa A este prezentata n fig.1.11.Toate locomotivele de c.a. au n component a lor transformatoare monofazatecobortoare cu prize de reglaj (la variantele A1 si A2) sau cu raport de transformarefix (la variantele A3, A4 si A5).Printr-o alegere corespunzatoare a parametrilor energiei electrice (n lant ul detract iune) este posibila construirea de vehicule electrice "policurent" de tipurile: A3-C2;A5-C4 etc.S i la locomotivele din clasa A reglajul fort ei de tract iune se poate face n treptesau continuu. Ultimele construct ii de locomotive, rame si trenuri electrice nu suntaltceva dect aplicat ii recente ale facilitat ilor oferite de progresele electronicii de putere(tiristoare de putere, GTO etc) n domeniul tract iunii.1.6.2 Vehicule autonomeSunt acele vehicule electric motoare (VEM) dotate cu surse proprii de energieelectrica precum generatoare electrice (de c.c sau de c.a.) sau baterii de acumulatoare.n aceasta accept iune, principalele tipuri de vehicule autonome sunt :- locomotivele diesel-electrice si locomotivele de mina cu acumulatoare ca vehiculepe cale de rulare ghidata (de tip feroviar) si- electromobilele (automobile electrice, electrocarele, electroutilitarele etc.) cavehicule pe cale de rulare neghidata (carosabil).Din punct de vedere energetic, orice VEM autonom poate fi reprezentat prinschema bloc din fig.1.12.Fig.1.12 Schema energetica a VEM autonom.n schimb, schema structurala a VEM autonom depinde de tipul concret al acestuia:(locomotiva diesel-electrica sau electromobil) ca n continuare.Vehicule diesel-electriceAu aparut cu circa 75 de ani n urma ca locomotive diesel-electrice (LDE).Principial aceste vehicule cont in un motor diesel de putere PMD ntre 700 si 4000kW de la arborele caruia puterea de tract iune PT (0,88...0,9)PMD este transmisa"atacului de osie " pe cale electrica prin asa numita "transmisie electrica" a puterii.(Diferent a dintre puterea motorului diesel PMD si puterea de tract iune PT reprezinta11exact puterea necesara serviciilor auxiliare.)Prin urmare, schema structurala generala a oricarui vehicul diesel-electric poate fireprezentata ca n fig.1.13.Fig.1.13 Schema bloc structurala a vehiculelor diesel-electrice.Transmisia electrica a puterii mecanice de tract iune a motorului diesel va cont ine(n general) un generator electric, convertoare energetice si motoarele de tract iune.Pe locomotivele diesel-electrice, transmisiile electrice ale puterii se pot realizapractic n trei variante (fig.1.14) si anume:1) Transmisia de tip c.c. - c.c. la care att generatorul G ct si motoarele detract iune MT sunt masini electrice de curent continuu;2) Transmisia de tip c.a. - c.c. la care generatorul este de c.a. trifazat (G.S.) iarmotoarele de tract iune (MT) sunt de curent continuu.(Aici convertorul energetic esteun redresor trifazat necomandat, cu diode RD.)3) Transmisia de tip c.a. - c.a. la care generatorul este de c.a. trifazat (G.S.) iar camotoare de tract iune se folosesc motoare asincrone (MA) trifazate n construct ie curotor n scurtcircuit. n acest caz convertorul energetic va fi un convertor static detensiune si frecvent a variabila format dintr-un redresor trifazat RD si un invertortrifazat de tensiune IT.Fig.1.14 Schema de principiu a locomotivelor DE cu transmisii1) c.c-c.c., 2) c.a.-c.c. si 3) c.a.-c.a.12Prin urmare, stuctura echipamentelor energetice componente ale celor trei tipuri delocomotive diesel-electrice arata ca n fig.1.14.ElectromobileleAu ca sursa de energie electrica baterii de acumulatoare mbarcate pe ele iar camotoare de tract iune folosesc fie motoare de c.c. cu excitat ie serie (sau separataimagine serie) fie motoare de c.a. (de tip asincron sau sincron cu magnet i permanent i).Reglajul fort ei de tract iune si al vitezei se realizeaza prin comanda convertoruluienergetic (de tip VTC sau invertor de tensiune IT) interpus ntre sursa de energie simotoarele de tract iune .Schemele simplificate de principiu ale electromobilelor sunt prezentate n fig.1.15.Electromobilele si n special automobilele electrice cunosc n prezent o dezvoltareFig.1.15 Schemele de principiu ale electromobilelor.fara precedent (vezi amendamentul California) datorita absent ei poluarii mediului.13Capitolul 4PARTEA MECANICA A VEHICULELOR ELECTRICE4.1.2. Cazul vehiculelor cu aderenta la calea ferataDin punct de vedere constructiv, cele mai reprezentative vehicule electric motoare(VEM) cu aderent a la calea ferata sunt locomotivele electrice. Celelalte vehiculemotoare de acest tip (ramele electrice, metrourile si tramvaiele) au n general oconstruct ie si o structura mecanica asemanatoare, dar mult simplificata.Solut ia constructiva cea mai veche si cea mai simpla de vehicul electric motor cuaderent a la calea ferata este cea cu sasiu unic rigid, v. fig.4.3.Aceasta este compusa,Fig.4.3 Constructia cu sasiu rigidn principal, din aparatulde rulare 1 (format dinosii, rot i si angrenajeletransmisiei), din sasiul 4 sidin cutia 5.S asiul unic 4 sesprijina pe cutiile de capde osie 2 prin intermediulsuspensiei elastice primare3. Cutia (sau caroseria) 5este fixata de sasiu si arela unul sau la ambelecapete posturi de conducere 6.Distant a "lr" dintre axele osiilor extreme ale aceluiasi aparat de rulare este o cotaimportanta si se numeste "baza rigida" sau "ampatament".Solut ia constructiva cu sasiu unic rigid a fost utilizata n trecut pentru vehiculelede cale ferata de putere mica. Actualmente ea este complet abandonata.n prezent, solut ia constructiva (aproape generalizata) de vehicule de cale ferataeste aceea cu rot ile aparatului de rulare grupate pe boghiuri. Schematic, o astfel desolut ie constructiva este reprezentata n fig.4.4. Ea este compusa n principal din rot ilemetalice 1, din boghiurile 3, din sasiul 6 si din cutia sau caroseria 7.Prin boghiu de cale ferata 3 se nt elege un cadru metalic rigid, independent (culibertate de rotire n plan orizontal fat a de cutie), realizat prin sudare din profile deot el. Boghiul se sprijina pe osiile montate (pe cutiile de cap de osie 2) prin intermediulsuspensiilor elastice primare 4 alcatuite din arcuri lamelare, arcuri elicoidale (simplesau duble) si eventual combinat ii de arcuri cu blocuri de cauciuc (silentblocuri).n construct iile uzuale, un boghiu de vehicul de cale ferata poate avea doua pnala patru osii care pot fi toate, sau numai o parte din ele, osii motoare.Legatura dintre cadrul boghiului 3 si sasiul cutiei 6 se realizeaza printr-un sistemcu pivot central 5 care cont ine si o serie de suspensii elastice secundare (cu arcuri, cublocuri de cauciuc sau suspensii de tip pneumatic).14Fig.4.4 Constructia pe boghiuri a vehiculelor de cale ferataCutia 7 este sprijinita pe cadrul sau sasiul 6 al vehicului si are la unul sau laambele capete posturi (sau pupitre) de conducere 8.La vehiculele n construct ie pe boghiuri se definesc n plus cotele (vezi fig.4.4.):- ampatamentul boghiului (sau ampatamentul aparatului principal de rulare) cafiind distant a "lB" (dintre axele osiilor extreme ale unui boghiu) si- ampatamentul cutiei ca fiind distant a "lC" dintre axele pivot ilor de sprijin aicutiei pe boghiuri.Fig.4.5 Locomotiva electrica cu doua boghiuri si patru osiiFig.4.6 Tramvai articulat cu trei boghiuri1 = boghiu motor; 2 = boghiu purtator; 3 = frna electromagnetica cu patina;4 = reostate de frnare; 5 = pantograf de tip asimetric.15Cu titlu de exemplu, n fig.4.5 si n fig.4.6 se prezinta doua tipuri de vehicule decale ferata n construct ie pe boghiuri (cu doua si respectiv cu trei boghiuri).Elementele componente de baza ale unui boghiu motor de tract iune feroviara suntreprezentate schematic n fig.4.7. Acestea sunt descrise mai jos:Fig.4.7 Structura boghiului motor1 = cadrul boghiului, realizat n construct ie sudata din profile de ot el;2 = osie montata (motoare);3 = cutii de cap de osie, numite deseori si cutii de unsoare sau cutiicu rulment i;4 = dispozitive de ghidare (glisiere);5 = arcurile suspensiei elastice primare (lamelare sau elicoidale);6 = dispozitive de frnare mecanica (sabot i);7 = roata dint ata (calata pe osia montata motoare);8 = pinionul de atac (fixat n capul arborelui rotoric al motorului electricde tract iune);9 = motorul electric de tract iune (amplasat transversal).Aproximativ aceleasi elemente se regasesc si n construct ia boghiului de tramvai,respectiv de metrou. Ca exemplu, n fig.4.8 este reprezentat un boghiu de metrou.Cutiile de cap de osie (poz.3 n fig.4.7) constituie acele subansambluri care asiguraatt transmiterea sarcinilor verticale ale vehiculului (prin osii) la calea de rulare ctsi transmiterea la cadrul boghiului a fort elor longitudinale (de tract iune si respectiv defrnare), fort e care se realizeaza la obada rot ilor (motoare si/sau nemotoare).ntre cutiile de unsoare (montate pe capul osiilor) si cadrul boghiului seintercaleaza elementele elastice ale suspensiei primare.16Fig.4.8 Boghiu de metrou1 = motor de tract iune; 2 = reductor; 3 = suspensia primara; 4 = suspensia secundara de tip pneumatic; 5= discuri de frnare; 6 = arborii tubulari ai transmisiei elastice; 7 = amortizoare hidraulice;8 = cilindrii de comanda ai frnei; 9 = frna electromagnetica cu patina;10 = perii de curat at bandajul rot ii.Din punct de vedere cinematic, cutiile de unsoare reprezinta singurele subansambluricare fac legatura dintre part ile (osiile montate) aflate n miscare de rotat ie si restulvehicului care efectueaza miscarea utila, de translat ie.Osia montata, fig.4.9 este principalul element care asigura sust inerea, rularea sighidarea vehiculelor pe cele doua sine ale caii. Ea este compusa dintr-o pereche de rot imetalice (confect ionate din ot el laminat, turnat sau forjat) calate prin presare la recepe o osie metalica, osie prelucrata prin strunjire si realizata din ot el laminat.17Fig.4.9 Osie montataDaca osia este motoare, pe corpul ei se caleaza roata dint ata de antrenare iar dacaosia este libera, pe corpul ei pot fi calate unul sau doua discuri de frnare (numai lavehiculele echipate cu frna-disc).Masa gravitat ionala suportata si transmisa la sinele de cale ferata de o singura osie(denumita si masa pe osie) depinde de tipul vehiculului si nu trebuie sa depaseascalimita determinata de caracteristicile constructive ale caii ferate (normal 2022 t/osien cazul cailor ferate principale).n funct ie de tipul vehiculelor, masa pe osie poate avea urmatoarele valori uzuale:- 1520 t/osie pentru locomotive electrice;- 1012 t/osie pentru metrouri;- 69 t/osie pentru tramvaie.Antrenarea mecanica a osiilor motoare poate fi de trei feluri, fig.4.10 si anume:1) antrenarea individuala a osiilor;2) antrenarea n grup a osiilor si3) antrenarea multipla a osiilor.1) individual 2) n grup 3) multiplaFig.4.10 Antrenarea mecanica a osiilor motoare.M.T. = motor de tract iune; O = osie montata motoare;C = roata (coroana) dint ata; P = pinion de atac.n cazul 1, fiecare osie motoare este antrenata de cte un motor de tract iune. ncazul 2, doua (sau trei) osii motoare sunt antrenate de un singur motor de tract iune. ncazul 3, o osie motoare este antrenata de doua motoare (de obicei, de doua rotoare adoua motoare cu statoarele separate, dar ansamblate ntr-o carcasa unica).18Rotiile vehiculelor pe cale ferata sunt metalice si sunt calate cte doua pe fiecareosie. Din punct de vedere constructiv, rot ile metalice ale vehiculelor pot fi:- rot i simple (monobloc) si- rot i compuse (rot i cu bandaj).Fig. 4.11 Roata cu bandaj.Rot ile cu bandaje, v. fig.4.11 sunt alcatuite din trei part i, specificate mai jos:1 = centrul rot ii;2 = bandajul;3 = agrafa sau inelul de sigurant a.La orice centru de roata se deosebesc trei zone, si anume:B = butucul rot ii;C = partea centrala a corpului rot ii;Ob = obada rot ii.Partea centrala a rot ii poate fi plina, usor ondulata sau cu spit e. Bandajul sefreteaza la cald pe periferia corpului rot ii (obada) si este executat din ot el superior (maidur) rezistent la uzura. Lateral,att bandajele ct si rot ile monobloc sunt prevazute cu"o buza" care asigura ghidarea vehiculului n interiorul celor doua sine ale caii. Laexterior, bandajele (si rot ile monobloc) au o suprafat a de rulare care se rostogoleste pecalea de rulare. Prin aceasta concept ie a osiei montate a fost posibil ca, n sistemulconvent ional roata-sina, sa fie realizate viteze care depasesc 500 km/h. La trenurile demare viteza, din motive de sigurant a, rot ile utilizate sunt de tip monobloc (fara bandaj).Diametrul rot ilor se alege att n funct ie de tipul vehiculului electric ct si de masape osie admisa de calea ferata. Numeric, valorile uzuale ale diametrelor rot ilor sunt:- 660680 mm n cazul tramvaielor;- 740820 mm n cazul metrourilor;- 8601040 mm n cazul locomotivelor si al automotoarelor;- 1250 mm n cazul locomotivelor electrice de mare putere ( 4500kW).La vehiculele electrice de cale ferata n construct ie pe boghiuri, cutia si boghiurilese constituie ca part i complet separate. Din acest motiv, ntre cutie si boghiuri seintercaleaza dispozitive speciale care permit att transmiterea fort elor longitudinale sitransversale ct si rotirea -n planul orizontal- a boghiurilor fat a de cutie.194.1.2.1. Formula osiilorn practica internat ionala se obisnuieste ca un anumit tip constructiv de vehiculelctric motor (VEM) cu aderent a la calea ferata sa fie descris convent ional printr-unsimbol care sa precizeze sintetic concept ia prin urmatoarele elemente:1. Numarul total si tipul osiilor (osii motoare si/sau osii libere);2. Modul de act ionare al osiilor motoare si3. Solut ia constructiva a vehiculului (pe boghiuri sau cu sasiu unic rigid).Dintre toate codificarile propuse, n continuare vom prezenta numai sistemul denotare recomandat de U.I.C.. (Union Internat ionale des Chemins de Fer, cu sediul laParis). Acesta da raspunsurile la ntrebarile de mai sus sub forma urmatoarelor reguli:1.a. Osiile motoare ale oricarui aparat de rulare vor fi notate cu litere latine (cumajuscule). Rangul acestor litere (adica numarul care indica pozit ia literei) n alfabetullatin va indica numarul de osii motoare succesive.(Ex: A = o singura osie motoare; B = doua osii motoare succesive; C = trei osiimotoare succesive etc.).1.b. Osiile libere ale unui aparat de rulare se marcheaza cu cifre arabe.(Ex: 1 = o osie libera; 2 = doua osii libere succesive etc.).Absent a osiilor libere nu este marcata n nici un fel.2. Osiile motoare pot fi act ionate individual sau n grup.Act ionarea (sau antrenarea) individuala a osiilor motoare este marcata cu indiceleinferior 0 (zero) atasat literelor majuscule din alfabetul latin. (Ex: B0 = doua osiimotoare succesive cu act ionare individuala, C0=trei osii motoare succesive, fiecare osiefiind antrenata individual).Act ionarea n grup a osiilor motoare este precizata prin lipsa (sau absent a) indicelui"zero". (Ex: B=doua osii motoare act ionate de acelasi motor de tract iune).3. Gruparea osiilor (att a osiilor motoare ct si a osiilor libere) pe boghiuri seindica prin semnul () "prim" atasat simbolurilor osiilor respective. (Ex: B, C pentruboghiuri cu osii motoare act ionate n grup; B0, C0 pentru boghiuri cu osii motoareact ionate individual; 2 pentru boghiuri cu osii libere etc..Absent a (lipsa) semnului "prim" n simbolizarea osiilor aparatului de rulare indicasolut ia constructiva cu sasiu unic rigid.4. La construct iile pe boghiuri, simbolizarea globala a vehiculului se obt inealaturnd formulele boghiurilor componente (ex: BB, BoBo, CoCo etc.).5. n cazul unitat ilor multipe, a ramelor si a trenurilor electrice, simbolizareaconstructiva se obt ine utiliznd semnul "+" ntre formulele constructive ale fiecaruivehicul (activ si pasiv) component.n continuare se prezinta cteva exemple de simbolizare a vehiculelor electrice:1C1 = vehicul electric motor (locomotiva) cu sasiu unic rigid, cu doua osii libere(cte una la fiecare capat) si trei osii motoare succesive antrenate n grup;BB = vehicul electric motor n construct ie pe boghiuri, cu doua boghiuri identice,fiecare cu doua osii motoare antrenate n grup;C0C0 = vehicul electric motor (locomotiva) cu doua boghiuri identice, fiecareavnd trei osii motoare antrenate individual;C0C0+C0C0 = unitate motoare multipla formata prin cuplarea a doua locomotiveidentice de tipul C0C0 (fiecare cu doua boghiuri, de tip C0);B2B = vehicul electric motor (tramvai) cu trei boghiuri, la capete cu boghiuri20motoare de tip B (fiecare cu cte doua osii motoare antrenate n grup) iar la mijloccu un boghiu purtator cu doua osii libere;B0B0+11x(2)+B0B0 =tren electric n compunere fixa (TGV - A) pe boghiuri,avnd la fiecare capat cte o unitate motoare de tip B0B0, iar ntre ele 11 boghiuripurtatoare de tip 2 (cu cte doua osii libere).Observatii:1. T innd seama de generalizarea tipului constructiv pe boghiuri, cu antrenareaindividuala a osiilor, n notarea simbolica se tinde spre simplificare (adica se renunt ala indicele superior "prim" si respectiv la indicele inferior "zero"). n felul acesta,locomotivele electrice de tipul C0C0 apar notate cu CC (ceea ce poate conduce laconfuzii grave !!!).2. Exista administrat ii de cale ferata care folosesc notat ii simbolice diferite de celerecomandate de U.I.C. Astfel, la S.N.C.F.R., locomotiva electrica de tip C0C0 estenotata cu LE 060 EA. Cu toate acestea, constructorii, n cataloagele de firma, suntobligat i sa descrie unitat ile motoare cu notat iile U.I.C..4.1.2.2. Vehicule de cale ferata destinate exclusiv transportului de calatorin t arile dezvoltate, cu centre industrial - comerciale supraaglomerate, au aparuttendint e "de migrare" a populat iei catre mprejurimi, formnd asa - zisele "orasesatelit". n plus, o buna parte din mna de lucru a acestor centre economice esteasigurata de populat ia din localitat ile nvecinate, "prin navetisti".Aceste aspecte social - economice au condus la nasterea si dezvoltarea unui noutrafic de calatori, de tip suburban, cu perspectiva cresterii continue o data cuintensificarea activitat iilor social - economice din centrele supraaglomerate. n plus,traficul suburban de persoane (navetisti si ocazionali) prezinta o serie de caracteristicispecifice precum:- are o distribut ie neuniforma, cu descrestere progresiva de la centru spreperiferie;- este neuniform pe durata zilei (dimineat a este mare spre centru iar dupa-amiazaeste mare n sens invers) cu reducerea traficului n afara orelor de vrf;- are variat ii saptamnale si sezoniere;- este cu opriri dese (cu distant a ntre stat ii de 36 km) si de scurta durata;- fluxul de trafic este n sens invers n weekend (fat a de cel din zilele de lucru)etc..O parte din aceste caracteristici sunt comune cu cele ale traficului urban depersoane. Satisfacerea transportului suburban de persoane cu trenuri cursa remorcatede locomotive diesel sau electrice s-a dovedit pretutindeni total neeficient.n astfel de situat ii s-au impus ramele electrice si trenurile electrice automotoare.Principalele avantaje ale acestora sunt:- asigura capacitat i de transport variabile, dupa necesitat iile momentane aletraficului. (Prin cuplarea sau desfacerea de unitat i motoare si de vagoane remorca esteasigurata ment inerea calitativa a parametrilor tehnici precum: accelerat ia, decelerat ia,viteza, timpii de mers etc.);- au un consum de energie electrica optim deoarece nu transporta sarcina inutila.(Toate vagoanele, inclusiv vagoanele motoare sunt folosite pentru transportulcalatorilor);21- sunt reversibile n cea ce priveste sensul de mers pe calea ferata;- poate fi realizata scurtarea timpilor de stat ionare n stat ii prin prevedereacomenzii centralizate la nchiderea si la deschiderea usilor;- au o fiabilitate sporita; la defectarea unui motor de tract iune sau chiar a unuivagon motor, vehiculul si poate continua mersul pe calea ferata (cu reducereacorespunzatoare a puterii).Constructii tipiceSpre deosebire de locomotivele electrice si de cele diesel-electrice (destinateremorcarii trenurilor si care cont in numai echipamente energetice), vehicule de caleferata destinate exclusiv transportului de calatori ndeplinesc, n principal, douafunct iuni, expuse mai jos:1.Transporta calatori n spat iul special amenajat chiar n interiorul cutiei propriu-zise a vehiculului motor si2. si asigura fort a necesara pentru propulsia proprie si eventual a unui vagonremorca.n concluzie, vehiculele de cale ferata special construite pentru traficul de calatoriau spat iul disponibil pentru amplasarea echipamentelor energetice de tract iune, drasticlimitat. De aici rezulta si capacitatea redusa de remorcare a lor.Astfel de vehicule sunt folosite n traficul urban si suburban, de suprafat a sau nsubteran si, n mod uzual, poarta numele de: vagon motor (electric); sect ie (sau unitate)de tract iune electrica; de rama electrica si de tren electric automotor. (Structura acestortipuri de vehicule este ilustrata de fig.4.12).Fig.4.12 Vehicule destinate exclusiv transportului de calatori:1) vagon motor; 2) sect ie de tract iune electrica;3) rama electrica; 4) tren electricVagonul motor (electric), v.fig.4.12 poz.1 este acel VEM a carui cutie cont ine pelnga echipamentul electric de tract iune si spat ii pentru calatori.Limitarea spat iului aferent instalat iilor si echipamentelor de tract iune a condus lareducerea numarului de motoare de tract iune si la amplasarea sub podea a celei maimari part i din instalat iile si agregatele energetice. (Osiile motoare sunt "nnegrite" n22reprezentarea schematica din fig.4.12).Vagonul motor VM (electric) are, de regula, un singur post de conducere PC.Sectia (sau unitatea) de tract iune electrica reprezinta cel mai mic ansambluautonom indivizibil n exploatare, utilizat n transportul de calatori. Sect ia de tract iuneelectrica este formata dintr-un vagon motor VM si un vagon remorca VR (fig.4.12,poz.2). Ea este nereversibila din punct de vedere al sensului de mers (are PC numaila un capat). Pentru inversarea sensului de mers are nevoie de bucla de ntoarcere.Rama electrica reprezinta ansamblul de tract iune, n compunere fixa, format princuplarea mai multor vagoane motoare VM si eventual vagoane remorci, cu posturi deconducere la ambele capete. Rama electrica este reversibila din punct de vedere alcirculat iei pe calea ferata. Aceasta presupune asigurarea cablajului electric ntre celedoua VM pentru posibilitatea conducerii de la oricare din posturile PC.Trenul electric este definit ca o grupare de doua sau mai multe rame electrice,dupa necesitat ile momentane ale traficului, cu posturi de conducere la ambele capete.S i trenul electric este reversibil din punct de vedere al circulat iei pe calea ferata.Formula osiilor vehiculelor destinate exclusiv transportului de calatori se precizeazadupa aceleasi reguli (ntocmai ca n 4.1.2.1).4.2.1.4. Solut ii actuale de transmisii elasticeCu rare except ii, aproape toate vehiculele electric motoare din ultimele generat iisunt construite pe boghiuri (cu motoare complet suspendate). La astfel de vehicule,transmisiile elastice (la antrenarea individuala a osiilor) instalate ntre anii 1960-2005pot fi clasificate n patru mari categorii si anume:a) transmisii elastice cu cardan si motor longitudinal;b) transmisii elastice cu cardan liber transversal;c) transmisii elastice cu cardan n interiorul arborelui rotoric gol sid) transmisii elastice cu cardan gol n jurul osiei.Reprezentate schematic, toate aceste variante de transmisii elastice (utilizate laantrenarea individuala a osiei cu motor complet suspendat) sunt ilustrate n fig.4.25.Fig.4.25 Solutiile actuale de transmisii elastice.a)cu cardan longitudinal; b)cu cardan transversal;c)cu cardan interior; d)cu cardan n jurul osiei;k=cuplaj elastic; w=arbore cardanic;n continuare, vor fi descrise (pe scurt) fiecare din solut iile actuale de transmisiielastice (cu precizarea categoriei de VEM care o utilizeaza).a) Transmisia elastica cu ax cardanic longitudinalLa aceasta varianta, motorul de tract iune este complet suspendat iar angrenajulconic (de partea opusa motorului) este nesuspendat, deci solitar cu osia motoare.23Arborele cardanic (W) permite att deplasarile osiei ct si o anumita elasticitate fat ade socurile de cuplu.Solut ia cu ax cardanic longitudinal constituie un exemplu tipic de transmisieelastica pentru vehiculele de transport public urban: tramvai, metrou si troleibuz (cazn care motorul de tract iune este suspendat de sasiu).b) Transmisia elastica cu ax cardanic liber transversalSe aplica numai daca motorul de tract iune, amplasat transversal, nu este prea mare(cnd P400kW). n astfel de cazuri, axul cardanic (W) poate avea loc ntre motor sireductor. Ca exemplu se poate cita transmisia BBC cu cauciuc (cu motor completsuspendat si angrenaj semisuspendat) reprezentata fig.4.26.Fig.4.26.Transmisia BBC cu cauciuc.Fig.4.27.Transmisia SumitumoDe asemenea si transmisia elastica Sumitomo (utilizata pe trenul de mare vitezaal JNR "Shinkansen"), fig.4.27 este de acelasi tip. Aici axul cardanic "elastic" cuprinde24doua rot i dint ate identice (una de partea motorului si cealalta de partea reductorului)legate ntre ele prin intermediul unor resoarte si a unui tub cu caneluri interioare.Alunecarea n caneluri si resorturile elastice permit att dezaxarea ct si amortizareasocurilor.c) Transmisia elastica cu cardan n arborele rotoric golEste "inspirata" din transmisia elastica BBC cu discuri (sau Scheron cu lame) cacinecesita un motor de tract iune cu arborele rotoric gol (sau tubular).Din aceasta categorie, transmisia ASEA, v.fig.4.28 este cea mai cunoscuta. (Peste5000 de vehicule, inclusiv locomotivele romnesti LE 060 EA si LE 040 EA suntechipate cu transmisii elastice de tip ASEA.)Fig.4.28 Transmisia elastica ASEALa transmisia ASEA motorul electric de tract iune este complet suspendat de cadrulboghiului si are arborele rotoric gol. Prin golul arborelui rotoric este trecut arborele detorsiune (4) cu o dantura glisanta de partea motorului si cu elemente elastice de cauciucpe partea reductorului. (Legatura dintre axul cardanic si pinionul angrenajului reductoreste realizata practic printr-un cuplaj elastic cu 8 lagare de cauciuc.)Deci transmiterea elastica a cuplului (de la motor la osie) se face prin cuplajuldint at glisant, arborele de torsiune si prin cuplajul elastic din cauciuc. Diferent a dediametre (dintre golul arborelui rotoric si exteriorul arborelui de torsiune) se alegeastfel nct sa depaseasca amplitudinea oscilat iei suspensiei primare a boghiului (adicala valori de circa 4050 mm).d) Transmisia elastica cu cardan gol (n jurul osiei)Reprezentativa este transmisia "Jacquemin cu inel dansant" al carui principiu esteilustrat n fig.4.29.Arborele cardanic (de tip tubular) mbraca osia si transmite miscarea de la roatadint ata mare a angrenajului reductor la osia motoare prin intermediul a doua inelearticulate elastic. Un inel este plasat de partea reductorului iar celalalt de partea osiei.Doua perechi de rotule leaga capetele arborelui cardanic tubular de cele doua inele iar25Fig.4.29 Transmisia Jacquemin cu inel dansantFig.4.30 Transmisia BBC cubucse de cauciucalte doua perechi de rotule (dispuse la 90ofat a de primele) leaga un inel de osie si pecelalalt, de roata dint ata mare areductorului.Ideea a fost repede preluata (si usormodificata) si de ceilalt i constructori.Astfel, n transmisia "BBC articulata cubucse de cauciuc", v.fig.4.30, ineleledansante au fost nlocuite prin 4 bieletecare formeaza un patrat elastic iar rotuleleau fost nlocuite cu bucse de cauciuc.Acest tip de transmisie poate fi aplicatsi la motoarele dispuse longitudinal, caz ncare, cardanul este amplasat ntreangrenajul conic si osia motoare.Principiul transmisiei elastice cu cardangol n jurul osiei se regaseste n majoritatea solut iilor recente precum: n "transmisiaKaelbe-Gmeinder", n "transmisia cu bielete articulate Alsthom", n "transmisiaarticulata cu inel de cauciuc" (BBC, Henschel, Siemens) sau n "transmisia ABB cuinel flexibil" (transmisie ce echipeaza trenul X2000) etc..Toate transmisiile descrise si enumerate n acest paragraf sunt acelea care au masanesuspendata cea mai mica. Cum numai aproximativ jumatate din arborele cardanic(gol) se sprijina pe osie, solicitarile part ii nesuspendate asupra caii de rulare sunt celemai mici posibile. Aceste transmisii elastice se regasesc astazi n construct iamajoritat ii trenurilor electrice de mare viteza.26Capitolul 5MIS CAREA UTILA A VEHICULELOR S I CONVOAIELOR5.1 GENERALITA T In acest capitol se vor avea n vedere numai vehiculele electrice "cu rot i" (metalicesau pneumatice) si aderent a la calea de rulare.Formal, din punctul de vedere al conceptelor mecanicii clasice, orice astfel devehicul electric motor (VEM) poate fi asimilat cu un sistem mecanic de corpuri solide,rigide si elastice, ntre care exista o mult ime de legaturi. Drept urmare (n timpulmersului) att sub act iunea motoarelor sale de tract iune ct si sub influent a caii derulare, n orice VEM au loc urmatoarele tipuri de miscari mecanice:- o miscare utila de translatie a ntregului vehicul n lungul caii de circulat ie;- diferite miscari de rotatie (cu viteze unghiulare diferite) efectuate de: rotoarelemotoarelor electrice de tract iune, de osiile si de rot ile VEM-ului (si ale convoiuluiremorcat), de angrenajele transmisiilor etc. si- diferite miscari oscilatorii amortizate si eventual "socuri" rezultate att dininteract iunile interne, violente (dintre elementele structurii mecanice ale VEM) ct sidin cauza interact iunilor VEM cu neregularitat ile caii de rulare.Dintre toate aceste miscari vom aborda numai miscarea utila, de translat ie.n acest sens, se reaminteste ca deplasarea oricarui sistem mecanic este posibilanumai sub act iunea unor fort e mecanice exterioare sistemului.De altfel, daca am considera VEM-ul ca un sistem mecanic izolat de exterior,cuplurile motoarelor sale de tract iune (transmise rot ilor motoare) nu ar produce dectinteract iuni interne, care singure nu pot modifica pozit ia centrului de masa al acestuia.De exemplu, la limita, prin "ridicarea" rot ilor motoare de pe calea de rulare, subact iunea cuplurilor motoare ele doar s-ar roti, fara ca vehiculul sa nainteze. (Fenomeneabsolut similare se produc si n cazul vehiculelor stradale (cu rot i pneumatice) nprezent a poleiului pe carosabil!)Prin urmare, fort ele de tract iune (care determina miscarea utila a VEM) trebuie"cautate" la rot ile motoare, n zonele de contact "roata - cale de rulare" , acestea fiindsingurele locuri n care pot aparea interact iuni exterioare capabile sa produca miscareautila (de translat ie) a VEM-ului.5.2 ROATA MOTOAREToate vehiculele electric motoare (VEM) cu rot i (metalice sau pneumatice) sedeplaseaza pe baza fort elor de tract iune dezvoltate de rot ile motoare n prezent aaderent ei. Pentru a demonstra aceasta afirmat ie, "vom separa" dintr-un VEM o roatamotoare aflata n interact iune mecanica att cu cadrul boghiului (B) si cu motorulelectric de tract iune MT (prin interact iuni interioare) ct si cu calea de rulare CR (prininteract iuni exterioare) ca n fig.5.1.Precizare: Aici si n continuare, prin "roata motoare" vom nt elege o "roatafictiva", echivalenta celor doua rot i metalice calate pe osia motoare a vehiculului.27Datele mecanice si geometrice aleFig.5.1 Roata motoareproblemei sunt:1. VEM-ul se afla n miscare detranslat ie cu viteza ;2. Se admite ca din toata sarcinaverticala a part ii suspendate, rot ii motoareconsiderate i revine numai fract iunea ;3. Roata motoare (R) are raza de rularerR=Dr/2, are masa mR si momentul axial deinert ie JR;4. Motorul de tract iune (MT), completsuspendat, interact ioneaza att cu roatamotoare antrenata (transmit ndu-i cuplulmotor MR) ct si cu cadrul boghiului, princuplul MB. (Greutatea motorului a fost deja inclusa n fract iunea GOR a sarcinii verticalece-i revine rot ii motoare considerate.);5. Se admite ca fort a de frecare la alunecare dintre roata si calea de rulare npunctul de contact A este suficient de mare nct roata motoare R sa efectueze omiscare de rostogolire pe CR si6. n plus, se neglijeaza toate cuplurile fort elor de frecare din cutiile de cap de osie(din centrul O, n fig.5.1).Asa cum se poate constata, roata motoare "R" (v.fig.5.1) face parte dintr-un sistemmecanic de corpuri rigide supuse la legaturi. Ea interact ioneaza cu boghiul (B) npunctul O (prin intermediul cutiilor de cap de osie), cu calea de rulare (CR) n punctulA iar prin intermediul transmisiei mecanice si cu motorul electric de tract iune (MT).Ori studiul unui astfel de sistem se face n baza legilor mecanicii clasice numaidupa "desfacerea" legaturilor fizice (dintre corpurile sistemului) si introducerea n loculacestora a fort elor si a cuplurilor de legatura (ca n fig.5.2).Fort ele de legatura (perechi, de tipul si ) se introduc n punctele "deseparat ie" O si A, att pe direct ie orizontala ct si pe direct ie verticala. (Ele act ioneazacu aceeasi intensitate pe corpuri diferite, pe aceeasi direct ie dar n sensuri opuse).n acest context, interact iunea cu motorul electric de tract iune (MT) s-a consideratprin introducerea cuplurilor de legatura MB (asupra boghiului) si MR (asupra rot ii).Din punct de vedere fizic, fort ele direct aplicate mpreuna cu fort ele si cuplurilede legatura vor condit iona starea mecanica (de miscare sau de repaus) a fiecarui "corp"(presupus solid rigid) din fig.5.2.Matematic, fat a de orice referent ial inert ial Ox,y,z, ecuat iile vectoriale ale acestormiscari corespund principiilor mecanicii clasice si sunt date de:(5.1)(5.2)La ecuat iile generale (5.1) si (5.2) trebuiesc adaugate o serie de restrict ii impusede constrngerile fizice si de ipotezele simplificatoare n care se analizeaza miscarea.Acestea sunt:281. Calea de rulare CR fiind fixaFig.5.2 Explicativa la "desfacerea"corpurilor rotii motoarer e z u l t a c a .Solicitarile si produse defiecare roata motoare a vehicululuiasupra CR servesc numai ladimensionarea elementelor deprindere (sau de fixare) a caii derulare. Din punct de vedere fizic elevor fi echilibrate de react iunilesi care apar n infrastructuracaii.2. n condit iile date, roata "R"efectueaza o miscare de roto-translat ie, fara alunecare (o miscarede rostogolire), cu urmatoarelerestrict ii:si(5.3)unde este componenta verticala(pe axa Oy) a accelerat iei rot ii iarvCM este viteza centrului de masa alrot ii.3. Se neglijeaza eventualeleaccelerat ii pe verticala ale cadruluiboghiului B provocate de suspensiaelastica primara, adica se consideraca:iar (5.4)Cu aceste precizari, ecuat iilediferent iale scalare (pe componente)care descriu miscarea accelerata arot ii motoare R sub act iunea tuturorfort elor si a cuplurilor reprezentaten fig.5.2 sunt date de:(5.5)Dintre toate fort ele aplicate rot ii motoare "R", numai fort a tangent iala din punctulA,(v.fig.5.2) (ca fort a exterioara din partea CR) act ioneaza n sensul miscarii .29Marimea ei rezulta din sistemul (5.5) dupa eliminarea vitezei unghiulare R, fiind:(5.6)n plus, pentru asigurarea miscarii de rostogolire (fara alunecare) a rot ii pe caleade rulare, ntre fort a tangent iala FtA si fort a normala NA (din punctul de contact A)trebuie ndeplinita condit ia (de tip restrictiv):(5.7)unde "" este coeficientul de aderenta (subunitar si adimensional) dintre roata si CRiar "NA" este fort a de apasare normala a rot ii pe calea de rulare.Pentru CR orizontala (ca n fig.5.2), fort a de apasare normala NA data de:(5.8)este numeric egala cu greutatea aderenta Gad[N] a rot ii iar pentru CR nclinata (cuunghiul fat a de orizontala) fort a de apasare normala NA va fi:(5.9)Semnul egal n condit ia (5.7) corespunde "limitei de aderent a".Nerespectarea condit iei (5.7), cnd FtA> NA, nseamna (din punct de vedere fizic)pierderea aderent ei si n consecint a "patinarea" sau "alunecarea" rot ii pe calea de rulare(n timpul mersului).La cuplul MR transmis rot ii dat de MR=i t M2, valoarea maxima a fort eitangent iale FtA (din punctul A al rot ii motoare) se obt ine n regimul de mers uniform(cu v=ct. si dv/dt=0) si are marimea:(5.10)S-a regasit expresia (4.42) a fort ei motoare la roata FR. Uzual, aceasta este numita"fort a de tractiune dezvoltata de roata" (Ftr) sau "forta de tractiune la obada rotiimotoare" (Fto).Observatii:1. Pentru asigurarea miscarii de rostogolire (fara alunecare) a rot ii pe calea derulare la v=ct. (deci cu FtA = Fto), condit ia (5.7) va limita superior cuplul util (la arbore)M2 dezvoltat de motorul de tract iune MT la valoarea:(5.11)2. De fapt restrict ia (5.11) este echivalenta cu o limitare a puterii motorului electricde tract iune din considerente de aderent a. Astfel daca n relat ia (5.11) vom operasubstitut iile:(5.12)puterea mecanica utila P2 (la arborele motorului electric de tract iune) la viteza v aVEM-ului va fi limitata superior prin relat ia urmatoare:(5.13)3. La P2=ct. si ct. marimea vitezei "v" din relat ia (5.13) se numeste "viteza dedurata" si se inscript ioneaza pe caracteristica de tract iune a VEM-ului.30Cadrul boghiului (v.fig.5.2) are ca si VEM-ul viteza "v" si este supus act iuniifort elor si (corespunzatoare fiecarei rot i motoare) si act iunii cupluluiMB (corespunzator fiecarui motor de tract iune). La vehiculele de tip feroviar (cuact ionarea individuala a osiilor motoare) cuplurile de react iune MB se pot compensareciproc daca motoarele de tract iune MT se amplaseaza pe lungimea boghiului cutransmisiile unilaterale alternnd (pe stnga si pe dreapta osiilor).La neglijarea miscarilor pe verticala ale boghiului (corespunzator aproximat iei(5.4)) rezulta ca ntre fort ele verticale exista relat ia:(5.14)Deci, singura fort a necompensata ramne F01. Ea reprezinta fort a cu care roatamotoare act ioneaza n punctul O asupra boghiului n sensul miscarii .Marimea fort ei F01 se obt ine din (5.5 a) si (5.6) sub forma:(5.15)La v=ct., fort a F01 este maxima. Pentru MR=i t M2, fort a F01 are expresia:(5.16)Fort a F0 se numeste "forta de tractiune la osie" (corespunzatoare unei singurerot i motoare), are aceeasi marime ca si fort a de tract iune la obada Ft0 dar are punctulde aplicat ie n O (n centrul osiei).n fine, subansamblul "roata motoare R - boghiul B" (v.fig.5.2) eliberat delegatura sa cu calea de rulare (prin introducerea react iunilor si n punctul A)se afla sub act iunea fort elor (scrise pe componente):pe Ox: (5.17)pe Oy: (5.18)Deci singura fort a nenula care act ioneaza n subsistemul "R-B" (care apart ineVEM-ului aflat n miscare cu viteza ) este fort a tangent iala . Ea apare ca fort a dereact iune exterioara (din partea caii de rulare) asupra rot ii motoare a VEM si aremarimea limitata prin condit ia (5.7).Fort a FtA este legata de cuplul motor MR (transmis rot ii) prin relat ia (5.6).n regim de mers uniform (cu v=ct. si dv/dt=0) FtA=Ft0=F0. Numai n regimuridinamice (cu dv/dt0) fort a tangent iala de tract iune FtA se micsoreaza cu valoarea fort eiinert iale necesara accelerarii maselor n miscare.Pe ansamblu, pentru un VEM cu "z" osii motoare, antrenate individual (n modidentic de "z" motoare de tract iune identice), fort a totala de tract iune Ft (la obadatuturor rot ilor motoare) se calculeaza (prin superpozit ie) cu relat ia:(5.19)Formula (5.19) este adevarata numai n cazul ideal cnd cele "z" motoare detract iune sunt la fel ncarcate (cnd funct ioneaza n mod identic).315.3 ADERENT AUzual, la toate vehiculele motoare cu rot i, cuplul M2 al motoarelor electrice detract iune (transmis rot ilor motoare) este convertit - n zonele de contact (ale rot ilor) cucalea de rulare- n fort e tangent iale de tract iune (FtA).Cantitativ, daca cuplul MR transmis unei rot i motoare este prea mare, (ceea censeamna respectarea restrict iei 5.7) numai o parte din acesta se va transforma n fort atangent iala de tract iune iar restul cuplului va servi la accelerarea miscarii de rotat ie arot ii motoare considerate. Are loc patinarea, adica alunecarea rot ilor pe calea de rulare.Drept urmare, fort a tangent iala maxima FtA transmisibila la obada rot ilor motoare (aleoricarui VEM) este limitata de fenomenul de aderent a.5.3.5 Redistribuirea greutatii aderenteProblema redistribuirii greutat ii aderente Gadi ntre rot ile motoare apare numai lavehiculele electric motoare (VEM) destinate remorcarii (caz tipic locomotivelor).n acest caz pe direct ia miscarii utile, asupra locomotivelor act ioneaza fort eletangent iale de tract iune (la obada rot ilor motoare) cu rezultanta si fort a de react iunedin partea convoiului (aplicata la crligul locomotivei). Cum cele doua fort e suntaproximativ egale, au aceeasi direct ie, au sensuri opuse dar au punctele de aplicat iediferite, ele produc un cuplu (numit "cuplu de cabraj"). Sub act iunea cuplului decabraj are loc redistribuirea greutat ii aderente ntre osiile motoare ale locomotivei (cuefectul "de descarcare" a osiilor din fat a si "de suprancarcarea" a osiilor din spate).Drept consecint a, n tract iune rot ile motoare din fat a dispun de fort e de aderent amai mici fiind expuse riscului patinarii.Fig.5.6 Explicativa la aparitia cuplului de cabraj n cazul locomotivei B0B0Pentru identificarea factorilor geometrici de care depinde redistribuirea greutat iiaderente ntre osiile motoare al aceluiasi VEM, vom analiza exemplul concret al uneilocomotive de tipul B0B0 n tract iune, la care , (v.fig.5.6).Datele mecanice (si geometrice) ale problemei evident iate sunt urmatoarele:- locomotiva (n tract iune) are greutatea aderenta Gad si viteza v;- fiecare osie motoare dezvolta (la obada rot ilor) fort e de tract iune egale ( );- cutia are greutatea GC si ampatamentul LC;32- fiecare boghiu are greutatea GB si ampatamentul LB;- fat a de suprafat a de rulare, crligul este situat la nalt imea "H" iar legatura cutie-boghiu la nalt imea "h";- se considera o construct ie simplificata, cu boghiuri libere, la care fort ele detract iune dezvoltate de fiecare boghiu (de marime Ft/2) se transmit prin cele doualegaturi pivotante la sasiul locomotivei.Pentru identificare, osiile motoare vor fi notate cu cifre arabe (1, 2, 3 si 4, cu 1 nfat a) iar boghiurile vor fi nsemnate cu cifre romane (I si II) ca n fig.5.6.Metoda de analiza mecanica a problemei va fi cea a separarii corpurilor studiindu-se separat cabrajul cutiei si separat cabrajul boghiului.5.3.5.1 Cabrajul cutieiCutia locomotivei, izolata de convoi si de cele doua boghiuri motoare ale sale(v.fig.5.7) este n echilibru dinamic sub act iunea fort elor:- de greutate (aplicata n centrul de greutate al cutiei);- de react iune - si - (aplicate vertical n punctele PI si PII);- de tract iune si (aplicate orizontal n punctele PI si PII) si- de react iune la crlig (aplicata orizontal la aparatul de tract iune).n stationare (cnd Ft=0 si v=0), datorita echilibrarii statice a cutiei, react iunileverticale QI si QII vor fi egale ntre ele (si egale cu Q0) adica:(5.39)n tractiune (cnd Ft0 si v0), datorita diferent ei pe nalt ime (H-h) a punctelorFig.5.7 Cabrajul cutieide aplicat ie, fort ele orizontale si produc cuplul de cabraj (al cutiei) de momentMC:(5.40)Acelasi moment MC poate fi produs si de fort ele echivalente fictive (+ , )aplicate vertical n punctele PI si PII (v.fig.5.7). Din condit ia de egalitate a momentelorfort elor echivalente rezulta qc:(5.41)33iar prin suprapunere cu Q0 (5.39) rezulta si marimile react iunilor verticale QI si QII:(5.42)5.3.5.2 Cabrajul boghiuluiDin considerente de simetrie se va analiza numai primul boghiu (I din fat a).Boghiul I, izolat de cutie si de calea de rulare (v.fig.5.8) se afla n echilibrudinamic sub act iunea fort elor:- de greutate aplicata n centrul de greutate al boghiului;- de apasare normala , aplicata vertical n punctul PI (din partea cutiei);- de react iune aplicata orizontal n punctul PI (din partea cutiei);- de tract iune si aplicate orizontal rot ilor n punctele A1 si A2 si- de react iune si aplicate vertical rot ilor n punctele A1 si A2.n stationare (cnd Ft=0 si v=0), datorita echilibrarii statice a boghiului, react iunileverticale pe fiecare osie N10 si N20 vor fi egale si egale cu N0I:Fig.5.8 Cabrajul boghiului(5.43)n tractiune (cnd Ft0 si v0), din cauza diferent ei pe nalt ime h0 ntredirect iile fort elor orizontale si asupra boghiului act ioneaza cuplul decabraj de moment MB:(5.44)Acelasi moment MB poate fi produs si de fort ele echivalente (+ ; ) aplicatevertical n punctele A1 si A2 (v.fig.5.8). Din condit ia de egalitate a momentelor fort elor34echivalente rezulta qB:(5.45)Fort ele verticale si de marime (5.45) "descarca" si respectiv "ncarca"suplimentar osiile motoare 1 si 2 ale boghiului I. (Fenomene identice au loc si nboghiul II).Prin urmare, marimile react iunilor verticale N1 si N2 (la apasarea osiilor pe caleade rulare n punctele A1 si A2) vor fi date de:(5.46)Absolut similar se obt in si react iunile verticale N3 si N4 pentru osiile boghiului II(prin simpla nlocuire QIQII n relat iile finale (5.46)). Rezulta:(5.47)Cu relat iile (5.42) pentru QI si QII se obt in formulele react iunilor verticale:(5.48)unde Gad=GC+2GB este greutatea aderenta a locomotivei.Pe baza acestora, variat ia greutat ii aderente pe osie (datorata cabrajului) poate fiexprimata cu relat ia generala (i=1,2,3,4):(5.49)la care semnele termenilor din paranteza sunt: (+,+) pentru prima osie; (+,-) pentru adoua osie; (-,+) pentru a treia osie si (-,-) pentru a patra osie. n plus, ca interpretare:Gi>0 semnifica osie "descarcata" iarGi0 si are loc o crestere a vitezei (o accelerare). Fort arezultanta Ft - R=Fa se numeste fort a de accelerare.Daca Ft - R0 (regim de tractiune) pe cnd pentru defazaje negative 0 si i2>0, iar pe intervalul III u20 ct i cnd u2T 0, tensiunea medie UdU0poate fi 0 dupcum U Y/2. Deci, puntea complet comandat este reversibil energetic, ea putnd funciona: - ca redresor, cu tensiunea UdU0variabil de la 0 la Ud0 dac se regleazunghiul U de la Y/2 la 0 i- ca invertor, cu tensiunea UdU0 Y/2 cnd fluxul energetic se inverseaz. n astfel de situaii devine posibil frnarea cu recuperare! n acelai context i puterea continu ideal PdU0:o = o = o ocos P cos I U I U = P0 d d 0 d d 0 d 0 d(11.32) este proporional cu factorul de reglare a fazei (cos U) i pstreaz semnul (+ sau -) al tensiunii medii UdU0.Ca i la puntea necomandat, curentul i2T (din fiecare secundar al Fig.11.18 Schema de principiu (corespunztoare unui singur motor) la redresarea cu puntea complet comandat125 transformatorului redresoric) are o variaie alternativ de forma unor blocuri dreptunghiulare cu duratele NT/2=Y i amplitudinile Id. ns, spre deosebire de puntea necomandat, la puntea complet comandat, diagrama curentului i2T este rmas n urm cu unghiul U.Datorit rmnerii n urm (cu unghiul U) a diagramei curentului i2T,rezult c i fundamentala acestuia i2T(1) va fi defazat n urma tensiunii (sinusoidale) la borne u2T tot cu unghiul U adic unghiul de defazaj ^2(1) al fundamentalei curentului va fi: o = ) 1 ( 2(11.33) Cantitativ, n cazul curentului i2T deformat (cu variaie dreptunghiularv.fig.11.19) pot fi evaluate succesiv: - valoarea efectiv I2T a curentului deformat: [ ]d2d2d202T 2 T 2I I I21) t ( d i21= I = t + t t= e t} t(11.34) - valoarea maxim (amplitudinea) I2T(1)max a fundamentalei curentului: d max ) 1 ( T 2I4= I t(11.35) du2T2U-u2Tudu2TUcosd0u2Tu2TuT1uT1u2T2TU 2. .... .Fig.11.19 Diagramele tensiunilor "i curenilor la redresarea ideal cu puntea complet comandat126 - i valoarea efectiv I2T(1) a fundamentalei curentului : dmax ) 1 ( T 2) 1 ( T 2I2 22I= I t= (11.36) Funcionnd n regim deformant, puntea complet comandat (n condiii ideale, cnd id=Id=ct. i u2T=U2T0=ct.) va primi, la nivelul fundamentalei curentului, pe partea de c.a. puterea aparent S2T(1) de mrime constant:. ct P I U I2 2U I U = S0 d d 0 d d 0 T 2 ) 1 ( T 2 T 2 ) 1 ( T 2 = = = t = (11.37) cu cele dou componente: puterea activ P2T(1) i puterea reactiv Q2T(1) date de: 0 d 0 d ) 1 ( 2 ) 1 ( T 2 ) 1 ( T 2P cos P cos S = P o= o = (11.38) o = sin P sin S = Q0 d ) 1 ( 2 ) 1 ( T 2 ) 1 ( T 2(11.39) Dac (la nivelul fundamentalei curentului) energia activ este transformat n energie de c.c. care este convertit n energie mecanic de motoarele de traciune, pentru a putea funciona, puntea complet comandat necesit n plus i energie reactiv (cu att mai mult cu ct unghiul U este mai mare) din reeaua (LC) de alimentare. n acest context, pe baza relaiilor (11.37), (11.38) i (11.39), n fig.11.20 s-a reprezentat diagrama puterilor transmise pe fundamental (diagrama circular) n cazul punii redresoare complet comandate. Pe de alt parte, n regim deformant, puntea redresoare primete puterea aparent total S2T=U2T0I2T=U2T0Iddin care numai puterea activ la nivelul fundamentalei P2T(1) este transferat sarcinii sub form de putere electric de c.c.. Prin urmare, factorul de putere ideal FPial punii complet comandate va fi: o = o t= o =o = cos 9 , 0 cos2 2cosIIScos S=SPFPT 2) 1 ( T 2T 2) 1 ( T 2T 2) 1 ( T 2i(11.40) La puntea complet comandat, factorul de putere FPivariaz proporional cu factorul de reglare ideal a fazei (cosU) ceea ce creeaz serioase probleme la valori reduse ale tensiunii medii redresate aplicate motoarelor de traciune. Fig.11.20 Diagrama puterilor ideale la puntea complet comandat127 11.5.2 Redresarea cu puntea semicomandat& de tip asimetric n fig.11.21 este reprezentat schema de principiu iar n fig.11.22 sunt ilustrate diagramele principalelor mrimi funcionale la redresarea cu puntea semicomandat (mixt) de tip asimetric. `i aici, ca metod pentru reglarea tensiunii redresate, se ntrzie (cu unghiul U) momentele aprinderii tiristorilor T1, respectiv T2 n raport cu momentele trecerii prin zero ale tensiunii u2T.n cazul ideal (la neglijarea comutaiei, semiconductoare ideale i inductanacircuitului de sarcin infinit de mare) se observ c duratele de conducie ale tiristorilor (de mrime a=Y-U) sunt mai mici fa de duratele de conducie (de mrime Y+U) ale diodelor. n consecin, curentul i2T (din secundarul transformatorului redresoric) va fi un curent deformat (alternativ dreptunghiular) avnd forma unor blocuri dreptunghiulare de amplitudini Id idurate de mrimi a=Y-U separate ntre ele de intervale de pauz, de durate egale cu U. n plus, diagrama curentului i2T este rmas n urm (are axele de simetrie decalate cu unghiul U/2 n urma axelor de simetrie ale tensiunii u2T) .Prin descompunerea curentului i2T n armonici se constat c i fundamentala i2T(1) va fi defazat n urma tensiunii (sinusoidale) la borne u2T tot cu unghiul U/2 adic unghiul de defazaj al fundamentalei ^2(1) va fi: 2) 1 ( 2 o= (11.41) Cantitativ, n cazul curentului deformat i2T, cu diagrama de variaie din fig.11.22, pot fi evaluate: - att valoarea efectiv I2T a curentului deformat: [ ]to t= o t + o t t= e t} td2d2d202T 2 T 2I ) ( I ) ( I21) t ( d i21= I (11.42) - ct i valoarea efectiv I2T(1) a fundamentalei acestuia: 2cos I 9 , 02sin I2 2= Id d ) 1 ( T 2 o =| t(11.43) n acelai context, valoarea medie ideal UdU0(la gol) a tensiunii redresate ud(cu diagrama dat de fig.11.22) se calculeaz cu formula: Fig.11.21 Schema de principiu la redresarea cu puntea semicomandat n montaj asimetric 128 2cos U2cos 1U ) cos 1 (U 2= U20 d 0 d0 T 20 d o =o + = o + to(11.44) S observmc, att puterea continu ideal Pd:2cos P2cos I U I U = P20 d2d 0 d d 0 d d o =o = o(11.45) ct i tensiunea medie redresat UdU0, rmn n permanen pozitive. (Puntea mixt nu este reversibil energetic!) Pe de alt parte, la nivelul fundamentalei curentului, puntea semicomandatva primi puterea aparent S2T(1):2cos . P2cos I2 2U I U = S0 d d 0 T 2 ) 1 ( T 2 T 2 ) 1 ( T 2 o =o t = (11.46) cu cele dou componente: puterea activ P2T(1) i puterea reactiv Q2T(1) date de: du2T2Uu2Tudu2TUd 0u2Tu2T. . .2TFig.11.22 Diagramele tensiunilor "i curenilor la redresarea ideal cu puntea mixt(semicomandat) de tip asimetric 129 ) cos 1 ( P212cos P cos S = P0 d20 d ) 1 ( 2 ) 1 ( T 2 ) 1 ( T 2 o + =o = o(11.47) o =o o = sin P212sin2cos P sin S = Q0 d 0 d ) 1 ( 2 ) 1 ( T 2 ) 1 ( T 2(11.48) Reprezentarea geometric a puterilor ideale: aparent (11.46), activ (11.47) i reactiv (11.48) este dat de diagrama circular din fig.11.23 pentru orice valoare a unghiului U. Aici se observ cum puterea reactiv de reglare Q2T(1) crete de la valoarea 0 (pentru U=0 cnd UdU0= Ud0) la valoarea maxim 0,5Pd0 n punctul D1/2 (pentru U=Y/2 cnd UdU0= 0,5Ud0) i apoi descrete pentru U>Y/2. La limit cnd UZY, se anuleaz att puterile S2T(1), P2T(1) i Q2T(1) ct itensiunea redresat UdU0.n regim deformant puntea semicomandat primete puterea aparent totalS2T=U2T0I2T din care numai puterea activ la nivelul fundamentalei P2T(1) este convertit i transferat sarcinii pe partea de curent continuu. Prin urmare, factorul de putere ideal FPial punii semicomandate va fi: 2cos2 2I U2cos I U=SPFP2d 0 T 22d 0 dT 2) 1 ( T 2i oo t tt=to t o = (11.49) Acesta este proporional cu factorul de reglaj de faz al tensiunii redresate iare valori inacceptabil de mici pe toat durata pornirii i funcionrii cu viteze reduse a motoarelor de traciune. 11.5.3 Problema factorului de putere #i metode de ameliorare Dei LRE cu redresoare tiristorizate prezint avantajul reglajului continuu al tensiunii, deci i al forei de traciune, totui, prin rmnerea n urm acurentului (cu att mai mult cu ct factorul de reglare UdU0/ Ud0 este mai mic), va Fig.11.23 Diagrama puterilor ideale la puntea semicomandat130 scdea factorul de putere ideal FPiceea ce echivaleaz cu o cretere a puterii (ienergiei) reactive absorbite din linia de contact de grupul transformator-redresoare de for. n plus, din confruntarea celor dou tipuri de punicomandate se constat c, la aceeai valoare a factorului de reglare UdU0/ Ud0 ,puntea semicomandat are factorul de putere ideal FPi(11.49) net superior (mai bun). ns, ca dezavantaj, puntea semicomandat nu este reversibil energetic, nepermind frnarea cu recuperare a LRE. Concret, pentru ameliorarea factorului de putere se procedeaz astfel: - se reduce intervalul de reglare al tensiunii prin divizarea acestuia n 2 pn la 4 subintervale egale, comanda punilor fcndu-se secvenial i- se nlocuiesc pe ct posibil punile complet comandate cu puniredresoare semicomandate, de tip asimetric, ca n exemplele de mai jos. 1. Pun%i comandate secven%ial cu dou& nivele. O soluie frecvent utilizat pentru ameliorarea factorului de putere const n divizarea fiecrei nfurri secundare a transformatorului principal TP n cte dou subnfurri identice, cu tensiunea efectiv0 T 2U21 la borne i conectate la punile redresoare I i II ca n fig.11.24. La rndul lor, punile redresoare sunt legate n serie i sunt comandate secvenial. Dac nu se impune frnarea cu recuperare, se pot utiliza puni mixte, n montaj asimetric. Cnd sunt complet deschise, fiecare punte semicomandat va furniza aceeaitensiune medie redresat de mrime Ud0:0 d 0 T 2'0 dU21U21 2 2U = t= (11.50) La pornire, cnd este nevoie de o tensiune medie redresat Udmic, puntea II va fi blocat iar puntea I va fi comandat cu unghiuri UIapropiate de Y. n acest Fig.11.24 Schema de principiu n cazul a dou puni mixte comandate secvenial 131 caz, curentul de sarcin idse va nchide prin diodele punii II. Dac se reduce unghiul de comand UI(al tiristorilor punii I) de la Y ctre 0 (puntea II rmnnd n continuare blocat), tensiunea medie redresat Ud0 va crete de la 0 la valoarea Ud0 (11.50). Va crete corespunztor i factorul de putere pn la valoarea maxim (circa 0,8). Pentru creterea n continuare a tensiunii redresate de la Ud0 la Ud0, puntea I rmne complet deschis (UI=0) i se comand tiristorii punii II cu unghiul UII variabil, descresctor de la Y la 0. La UI=0 i UII=0 cele dou puni nseriate sunt complet deschise iar tensiunea medie redresat Ud0= UdI0+UdII0=2Ud0 va fi maxim.n general, prin aceast metod se obine un factor de putere global net superior pe tot intervalul de variaie al tensiunii redresate. 2. Pun%i comandate secven%ial cu patru nivele Metoda descris mai nainte se poate generaliza. Prin adoptarea unui redresor cu trei puni legate la trei nfurri secundare i comandate secvenial se pot reduce att puterea reactiv ct i spectrul armonicilor curentului absorbit din linia de contact. Pentru a ameliora i mai mult factorul de putere se poate adopta un redresor comandat secvenial, cu patru nivele. n varianta cu puni mixte, acesta va conine 8 brae cu tiristori i 8 brae cu diode. ns, acelai rezultat poate fi obinut i cu redresorul comandat secvenial cu patru nivele din fig.11.25 (varianta economic cci montajul conine doar 6 brae cu tiristori i 4 brae cu diode.) Fizic, montajul poate fi considerat ca fiind format din trei punisemicomandate de tip asimetric (dintre care dou au braele cu diode D3I- D4I n Fig.11.25 Schema de principiu a redresorului (montaj economic) comandat secvenial cu patru nivele Lc= inductan de comutaie 132 comun) alimentate de la dou seminfurri secundare. n plus, una din seminfurri are o priz median.Puntea mixt I (alctuit din T1I- T2I -D3I- D4I) mpreun cu tiristorii T3I-T4I (legai la punctul median prin bobina auxiliar de inductan Lc) permite, prin comanda adecvat, obinerea la ieire a unei tensiuni reglabile, fie ntre (0 i Ud0), fie ntre (Ud0 i Ud0). Puntea mixt II cu braele T1II-T2II-D3II-D4II este alimentat de la cealaltseminfurare secundar i poate furniza la ieire o tensiune continu, variabilntre 0 i Ud0.Punile I i II sunt nseriate i sunt comandate secvenial nct, la ieire, tensiunea Udpoate varia continuu de la 0 la Ud0, redresorul avnd un factor de putere superior pe tot intervalul de variaie al tensiunii redresate. Concret, secvenele de comand ale redresorului cu patru nivele sunt urmtoarele: 1. Pentru obinerea unei tensiuni medii ntre 0 i Ud0 se va activa puntea mixt T4I-T3I-D3I-D4I. Tensiunea redresat ideal obinut la ieire va varia ntre 0 (pentru U=Y) i Ud0 (pentru U=0). n acest caz, curentul de sarcin id=Id=ct. se va nchide prin diodele D3II i D4II ale punii (inactive) II. 2. n secvena a doua de reglaj (cu tiristorii T3I i T4I complet deschii) se activeaz tiristorii punii mixte T1I-T2I-D3I-D4I ceea ce va determina (la fiecare aprindere a tiristorilor) comutaia de la T4I la T1I (n grupul de comutaie catodic) i de la T3I la T2I (n grupul de comutaie anodic). Aceasta nseamn c,pe fiecare alternan, pe intervalul de la 0 la U va fi activ puntea T4I-T3I-D3I-D4I iar de la U la Y va fi activ puntea T1I-T2I-D3I-D4I. n aceste mod, prin reducerea unghiului de comand U de la Y la 0, tensiunea medie redresat va crete continuu de la Ud0 la Ud0.3. La finele secvenei 2 (cnd Ud= Ud0 i toi tiristorii punii I sunt complet deschii) se procedeaz la transferul conduciei de la puntea I la puntea II. La sfritul acestui proces, puntea II va fi complet deschis (cu U=0) furniznd Ud= Ud0 iar puntea I va fi blocat n totalitate, circuitul de sarcinnchizndu-se acum prin diodele D3I i D4I.4. Pentru creterea tensiunii de la Ud0 la Ud0, cu puntea II complet deschis, se activeaz puntea T4I-T3I-D3I-D4I dup procedura de la punctul 1. 5. n fine, ultima secven de reglaj (pentru creterea tensiunii de la Ud0 la Ud0 ) se realizeaz cu puntea II complet deschis, acionnd asupra tiristorilor punii I, urmnd n totalitate procedura de la punctul 2. 11.6. REGLAJUL CU VTC AL TENSIUNII DE ALIMENTARE A MOTOARELOR DE TRACIUNE Variatorul de tensiune continu (VTC) este un convertor energetic (static) care realizeaz conversia direct curent continuu/curent continuu fr circuite intermediare de curent alternativ. VTC-ul face apel la comutaia forat ipermite alimentarea motoarelor de traciune de c.c. cu tensiuni (medii) variabile atunci cnd se dispune de o linie de contact LC cu tensiunea (continu) de mrime constant. Prin modul de conectare ntre "surs" (LC) i "sarcin" (MT), 133 variatorul de tensiune continu (VTC) face posibil controlul i reglarea circulaiei puterilor electrice n circuitele de c.c.. 11.6.1 Structuri de VTC 1. VTC de 1Q. Partea de for a oricrui VTC de 1Q este alctuit din douci de curent (unidirecionale, cu conducie complementar) i anume: - o "prim cale" format din contactorul static CS (cu funcionare ciclic cu frecvena "f=1/T") deci cu conducie controlat i- a "doua cale" (cu conducie liber), constituit dintr-o diod cu siliciu D. Cele dou ci de curent (ntre bornele de intrare 1-1' i bornele de ieire 2-2') sunt conectate ca n fig.11.26 (poz.a sau poz.b). Dac U1este tensiunea continu la bornele 1-1' ale VTC-ului, atunci valoarea medie a tensiunii de ieire U2(la bornele 2-2') poate fi (dup caz): U>Usau U