Tractiune Electrica Curs

  • View
    780

  • Download
    14

Embed Size (px)

Text of 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 GENERALAA SISTEMELOR DE TRACT IUNEELECTRICAOrice vehicul electric motor cu alimentare de la o linie de contact (VEMneautonom) necesita oseriedeinstalat ii proprii carempreuna cuel formeaza unsistem de tract iune electrica(STE).n fig.1.1 este prezentatacompunerea generalaa unui STE cu VEM neautonome.n schema generaladin fig.1.1 se evident iazadouacategorii 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 naltatensiune (.t.).(Sement ioneazacaacesteinstalat iielectroenergeticenusuntspecificetract iuniielectrice.)-substat iiledetract iuneelectrica (SSTE)carecont inansamblul deinstalat ii siechipamente fixe pentru racordarea la sistemul electroenergetic de .t. si de adaptareaparametrilorenergiei electrice(nivel tensiune, curent, frecvent a etc.) dinliniadecontact (LC) la necesitat ile tract iunii electrice;Fig.1.1 Compunerea generalaa 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 electricaaerianasau la sol (de c.c. sau dec.a.) construita si amplasata n lungul caii de circulat ie si de la care VEMsealimenteaza prin intermediul unei prize alunecatoare de curent (numitasi 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 asi 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 deechipamente fixedeconectaresi decomutat ie careasigura 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 lamade aer-a liniei de contact);- posturile de sect ionare (PS) ce se amplaseazaaproximativ la jumatatea distant eidintre doua SSTEconsecutive. Ele cont in aparate de comutat ie si realizeaza fiesect ionarea LCfie conectarea longitudinala si/sau transversala a LC. (Postul desect ionare din fig.1.1 realizeazao sect ionare cu zonaneutrasau "moarta").- posturile de subsect ionare (PSS) semnificainstalat 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.- posturiledelegarenparalel (PLP) cont inechipamenteledecomutat iecarepermit, n cazul cailor de circulat ie duble (cu doua linii de contact) legareasuplimentaran paralel a ramurilor LC dintre o SSTE si un PS atunci cnd n schemageneralalipsesc PSS.- fiderii dentoarcere(F) reprezinta cablurilesauLEAderacorddintresinametalicaa CR (respectiv dintre ramura negativaa LC bifilare de c.c.) si circuitul defort aal SSTE.Seprecizeaza ca oricesistemdetract iuneelectrica cuVEMneautonomeesteconsiderat un consumator de energie electricade gradul 1 adicanu admite ntreruperinalimentareaLCdect ncazuri defort a majora. Dinacest motiv, substat iiledetract iuneelectrica trebuiescrealizatecudublugraddesigurant a (cudoua racordurielectrice la sistemul electroenergetic de .t., cu doua agregate de conversie aparametrilorenergieielectrice, unulnfunct iunesialtul rezerva receintegrala, doifideri de alimentare etc.).B. Instalat iile mobile de tract iune electricasunt 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 mecanicanecesaradeplasarii lor si a vagoanelor pe care le tracteaza.n concluzie, orice circuit de tract iune este format dintr-o sursa de energie electrica(SSTE) amplasatantr-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 sedeformeazacontinuu (prin deplasarea VEM).21.5 SISTEME DE TRACT IUNE ELECTRICAUzual, prin sistem de tract iune electrica se nt elege ansamblul de echipamente fixecorespunzatoarefelului tensiunii (si al curentului)dinliniadecontact. De-alungultimpului s-au propus si s-au dezvoltat urmatoarele sisteme de tract iune electrica:- sistemul trifazat de frecvent aferoviara;- sistemul curentului continuu;- sistemul monofazat de frecvent aspecialasi- sistemul monofazat de frecvent aindustriala.Dintre acestea, numai primul nu si-a dovedit viabilitatea. Celelalte trei sisteme detract iune electricasunt utilizate si n zilele noastre.1.5.1 Sistemul trifazat de frecventaferoviaraAfost primulsistemdetract iuneelectrica feroviara aplicatnElvet iasinordulItaliei,njurulanului1900,darafostrepedeabandonatdincauzacomplicat iilorpecareleprezinta liniadecontact bifilara (2faze, atreiafaza fiindlegata lasina)lancrucisari si n stat ii.Schema de principiu simplificataeste reprezentatan fig.1.2.Fig.1.2 Schema simplificata a sistemului trifazatde frecventaferoviara.Substat iiledetract iuneSSTEerau dotate cu simpletransformatoaretrifazatecobortoare (60/3 kV) care alimentau o linie de contact bifilara iar VEM (locomotiva)necesita douacaptatoare de curent n funct iune (cte unul pentru fiecare faza, a treiafaza fiindlegata lasineleCR) pentruaalimentamotoareleasincrone, trifazate, detract iune.Locomotivele electrice erau echipate cu doua motoare asincrone trifazate cu rotorulbobinat. Reglarea vitezei (la frecvent afixa) era obt inutape cale reostaticacombinatacu legarea n cascada a celor doua motoare asincrone ct si prin comutarea numaruluide perechi de poli.Frecvent aspeciala de16 Hz(sau25Hz), pelnga necesitateainstalat iilorsiechipamentelor deproduceresi detransport aenergiei electriceasigura avantajullimitarii reactant ei liniei de contact si implicit a caderilor de tensiune pe LC. (Deoarececuplul maximal motoarelor asincronedepindedepatratul tensiunii dealimentare,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 nperioada1920-1939, attntract iuneaferoviara ct si ntract iuneaelectrica urbana(tramvai, troleibuz, metrou).Schema simplificata, de principiu, este reprezentatan fig.1.3.Fig.1.3 Schema de principiu a tractiunii electrice n c.c.AlimentareaSSTEsefacedinsistemul energeticnat ional, nc.a. trifazat la.t.(LEA de 110 kV).Substat iile de tract iune electrica(SSTE) realizeazadouafunct iuni si anume:-asigura reducereaniveluluitensiuniitrifazatelavaloriacceptabile(cuajutorultransformatorului trifazat T) si- realizeazaconversia 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 iuneelectricaau 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 reglementeazavalorile nominale ale tensiunii continuen LC la nivelele 750-1500-3000V precum si variat ia admisantre - 33% si + 20% nraport cu valorile nominale.Tensiunea de 750V este rezervatapentru transportul urban (tramvai, troleibuz simetrou)iartensiunilede1500Vsi3000Vsuntalocatetract iuniiferoviare. Cutoateacestea, n lume exista multe sisteme de tract iune urbana cu tensiunea nominala n LCde600Vc.c.. nplus, sunt ncursstudii privindintroducereanivelelordetensiunicontinue mai ridicate, ca de exemplu 6-12-18 kV.Situat ia actualaa ret elelor feroviare electrificate n c.c. se prezintaca 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 electrican c.c. sunt:1. Posibilitatea racordarii directe a SSTE la ret eaua trifazata de frecvent aindustrialafaraa provoca dezechilibre electrice n aceasta si2. Perturbat iile prin induct ie electromagneticapot 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 200-300mm2pnala 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 pnala 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 provocatade dispersia curentului continuu de ntoarcere prinpamnt (datorita curent ilor"vagabonzi, dedispersie", carencelemai defavorabilecazuri, poate atinge 50% din curentul de tract iune).Pentru diminuarea coroziunii electrolitice, n practicase 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 specialaLamomentulnasteriitract iuniimonofazate(1904)marileret elededistribut ieaenergiei electricenuexistaunca. Fiecareadministrat iedecaleferata erapropiulproducator 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 afixaa avut curajulsa propuna Societat ii Inginerilor si Arhitect ilor dinZrichsistemul monofazat cutensiunea de 15 kV. S i aceasta ntr-o epocan 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 douamotive:5- aparit ia de perturbat ii n ret elele de telegrafie si de telefonie;- comutat ia dezastruoasaa motorului serie monofazat (cu colector).Problema a putut fi rezolvatanumai prin coborrea frecvent ei. n aceste condit ii,Comisia Federalade studii pentru electrificarea cailor ferate a optat (n 1910) pentrutract iunea n curent monofazat la tensiunea de 15 kV (preconizatade Huber n 1902)dar laofrecvent a de16 Hz, adica otreime(50/3) dinceapracticata normal nindustrie, abia nascuta.La rndul lor, americanii au adoptat camn aceeasi perioada n tract iuneamonofazatao frecvent arelativ joasasi anume 25 Hz.Sistemul curentului monofazat de joasa frecvent a 16 Hz si tensiune 15 kV se aflasiastazinexploatarenGermania(15.900km),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 existadouavariante. Ele vor fi prezentate pe scurt.1. Prima variantaare 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 simplificataeste ilustratan fig.1.4.n centralele electrice CE (de tip hidro sau termoelectric), generatoarele sincronemonofazateproduc 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 electricaSSTE.CastructuraSSTEcomportanumaitransformatoaremonofazatecobortoare(deex. 110kV/15kV, 16 Hz, unul n funct iune si altul de rezerva), fiind cea mai simplaFig.1.4 Sistemul curentului monofazat de frecventaspecialacu producerea energiei electrice n centrale proprii.solut ie de SSTE.2.nvarianta adouaseapeleazala stat iideconversieferoviaraSCF,stat iicareasiguraatt conversia numarului de faze (de la cele trei faze ale sistemului energeticnat ional la o singurafazanecesaratract 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 asunt 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 alimenteazaLEA2, monofazatala .t.(de ex.110 kV) si frecvent aspeciala16 Hz.Fig.1.5 Sistemul curentului monofazat de frecventaspecialacu statii de conversie feroviara(SCF)Att liniaelectrica detransport LEA2ct si substat iiledetract iuneSSTEsuntrealizate identic ca n prima varianta.Exista administrat ii decaleferata careauadoptat substat ii detract iunedotateindividual cu grupuri de conversie (de fazasi 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 eauaindustrialatrifazataca n fig.1.5.Principalele dezavantaje ale sistemului monofazat de frecvent aspecialasunt:- 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 ajoasaamintim:- datoritanivelului 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 (pnala 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-problemaalimentariiserviciilorauxiliare(prinprezent atransformatorului)estemai simplu rezolvata.1.5.4 Sistemul monofazat de frecventa industrialaS i-afacut timidaparit ia, lanceput nUngaria(1932) subimpulsul celebruluiinginerKelemenKand. Auurmat intensecercetari nGermania(1935-1936)si nFrant a (1948-1951). Rezultatul a fost remarcabil: "tract iunea monofazatala frecvent aindustrialaera posibila!".Practic, pentru ca investit iile n instalat iile fixe sa fie ct mai reduse iar cheltuieliledeexploataresa fiect mai mici, sistemul deelectrificareal caii feratetrebuiasandeplineascaurmatoarele condit ii:- alimentarea substat iilor de tract iune electrica SSTE sa se faca direct din sistemulenergetic nat ional;- din punct de vedere constructiv SSTE safie ct mai simple si-tensiuneanliniadecontact sa aiba unnivel ct mai ridicat caresa 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 nominalan LC de 25 kV. Schema de principiu a sistemuluidetract iuneelectrica nc.a. monofazat defrecvent a industriala estereprezentata nfig.1.6.Fig.1.6 Sistemul curentului monofazat de frecventaindustriala.Substat ia de tract iune SSTE este echipatanumai cu transformatoare monofazate,cobortoare (deex. 110/25kV)alimentate ladoua(dincele trei)faze alesistemuluienergetic nat ional SEN. Secundarul monofazat, este conectat la LC si calea de rularesi alimenteazalinia de contact cu ULC=25 kV la frecvent a industriala50(60)Hz.n aceasta varianta, SSTE este extrem de simpla din punct de vedere constuctiv sinecesitanumai douatransformatoare monofazate (unul n funct ie si altul de rezerva).Pentruoncarcarectmaiuniforma aSEN, substat iilemonofazatedetract iuneSSTE se conecteazaciclic 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 (determinatadetraficsi deprofilul caii ferate)poateajungela60...80km. TensiuneanLCnutrebuie sa scadasub 19 kV iar valoarea maximanu trebuie sa depaseasca cu mai multde 10% tensiunea nominala, adicaULC25+2,5=27,5kV.Sistemul curentului alternativ monofazat de frecvent a industriala 50(60)Hz la 25kVacunoscutodezvoltarefaraprecedentdupa anul1950nRusia(26800km),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):-clasaC1(cuprindVEM-uri directecuMTdec.c. seriesi reostat depornire-frnare RPF)- clasa C2 (cont in VEM cu variatoare statice de tensiune continuaVTC 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-clasaC4(formata dinaceleVEMcuinvertoaredetensiuneITsi MTdec.a.trifazate de tip asincron MA).n fig.1.10 se prezintaevolutiv 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 APentruliniiledecontact dec.a. monofazat defrecvent a speciala 16 Hzsauindustriala50 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)HzcutransformatorreglabilTRsimotoaredecurentalternativmonofazat(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- clasaA4carecuprinde locomotiveledec.a. monofazat cutransformator T,redresor comandat RT, invertor de curent IC si motoare de tract iune de tip sincronMS(funct ionnd n regimautopilotat) 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 prezentatan fig.1.11.Toate locomotivele de c.a. auncomponent 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-oalegerecorespunzatoareaparametrilor energiei electrice(nlant ul detract iune) este posibila construirea de vehicule electrice "policurent" de tipurile: A3-C2;A5-C4 etc.S i lalocomotiveledinclasa Areglajulfort eide tract iunesepoatefacentreptesaucontinuu. Ultimeleconstruct ii delocomotive, ramesi trenuri electricenusuntaltceva 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 acelevehiculeelectricmotoare(VEM) dotatecusurseproprii deenergieelectrica precum generatoare electrice (de c.c sau de c.a.) sau baterii de acumulatoare.n aceastaaccept 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(automobileelectrice, electrocarele, electroutilitarele etc.) cavehicule pe cale de rulare neghidata(carosabil).Dinpunct devedereenergetic, oriceVEMautonompoatefi reprezentat prinschema bloc din fig.1.12.Fig.1.12 Schema energeticaa VEM autonom.n schimb, schema structurala a VEM autonom depinde de tipul concret al acestuia:(locomotivadiesel-electricasau electromobil) ca n continuare.Vehicule diesel-electriceAu aparut cu circa 75 de ani n urmaca locomotive diesel-electrice (LDE).Principial aceste vehicule cont in un motor diesel de putere PMD ntre 700 si 4000kWde la arborele caruia puterea de tract iune PT(0,88...0,9)PMDeste transmisa"ataculuideosie"pecaleelectrica prinasanumita"transmisieelectrica"aputerii.(Diferent adintreputereamotorului diesel PMDsi putereadetract iunePTreprezinta11exact puterea necesaraserviciilor auxiliare.)Prin urmare, schema structurala generala a oricarui vehicul diesel-electric poate fireprezentataca n fig.1.13.Fig.1.13 Schema bloc structuralaa vehiculelor diesel-electrice.Transmisia electricaa puterii mecanice de tract iune a motorului diesel va cont ine(n general) un generator electric, convertoare energetice si motoarele de tract iune.Pelocomotivelediesel-electrice, transmisiileelectricealeputerii sepot realizapractic n trei variante (fig.1.14) si anume:1) Transmisiadetipc.c. - c.c. lacareatt generatorul Gct si motoareledetract iune MT sunt masini electrice de curent continuu;2)Transmisiadetipc.a. -c.c. lacaregeneratorulestedec.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 camotoaredetract iunesefolosescmotoareasincrone(MA)trifazatenconstruct iecurotornscurtcircuit. nacest cazconvertorul energeticvafi unconvertorstaticdetensiunesi frecvent a variabila format dintr-unredresor trifazat RDsi uninvertortrifazat 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 arataca n fig.1.14.ElectromobileleAucasursa deenergieelectrica bateriideacumulatoarembarcatepeeleiarcamotoare de tract iune folosesc fie motoare de c.c. cuexcitat ie serie (sauseparataimagine serie) fie motoare de c.a. (de tip asincron sau sincron cu magnet i permanent i).Reglajul fort ei detract iunesi al vitezei serealizeaza princomandaconvertoruluienergetic(detipVTCsauinvertordetensiuneIT)interpusntresursadeenergiesimotoarele 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.faraprecedent (vezi amendamentul California) datoritaabsent ei poluarii mediului.13Capitolul 4PARTEA MECANICAA VEHICULELOR ELECTRICE4.1.2. Cazul vehiculelor cu aderentala calea ferataDin punct de vedere constructiv, cele mai reprezentative vehicule electric motoare(VEM) cuaderent a la calea ferata sunt locomotivele electrice. Celelalte vehiculemotoare de acest tip(ramele electrice, metrourile si tramvaiele) aungeneral oconstruct ie si o structuramecanicaasemanatoare, dar mult simplificata.Solut ia constructivacea mai veche si cea mai simplade vehicul electric motor cuaderent ala calea ferataeste 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 capdeosie2prinintermediulsuspensiei elastice primare3. Cutia(saucaroseria) 5estefixata desasiusi arela unul sau la ambelecapete posturi de conducere 6.Distant a "lr" dintre axele osiilor extreme ale aceluiasi aparat de rulare este o cotaimportantasi se numeste "baza rigida" sau "ampatament".Solut ia constructivacu sasiu unic rigid a fost utilizatan trecut pentru vehiculelede cale feratade putere mica. Actualmente ea este complet abandonata.nprezent,solut iaconstructiva (aproapegeneralizata)devehiculedecaleferataesteaceeacurot ileaparatuluiderularegrupatepeboghiuri. Schematic, oastfeldesolut 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 ferata3 se nt elege un cadru metalic rigid, independent (culibertatederotirenplanorizontalfat a decutie), realizatprinsudaredinprofiledeot 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 realizeazaprintr-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 ferataCutia7estesprijinita pecadrul sausasiul 6al vehicului si arelaunul saulaambele 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-ampatamentulcutieicafiinddistant a"lC"dintreaxelepivot ilordesprijinaicutiei pe boghiuri.Fig.4.5 Locomotiva electricacu douaboghiuri si patru osiiFig.4.6 Tramvai articulat cu trei boghiuri1 = boghiu motor; 2 = boghiu purtator; 3 = frnaelectromagneticacu patina;4 = reostate de frnare; 5 = pantograf de tip asimetric.15Cu titlu de exemplu, n fig.4.5 si n fig.4.6 se prezintadouatipuri de vehicule decale feratan construct ie pe boghiuri (cu douasi 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 sudatadin 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(calatape osia montatamotoare);8 = pinionul de atac (fixat n capul arborelui rotoric al motorului electricde tract iune);9 = motorul electric de tract iune (amplasat transversal).Aproximativaceleasi elementeseregasescsi nconstruct iaboghiului detramvai,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 asiguraatttransmiterea 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 realizeazala obada rot ilor (motoare si/sau nemotoare).ntre cutiile de unsoare (montate pe capul osiilor) si cadrul boghiului seintercaleazaelementele elastice ale suspensiei primare.16Fig.4.8 Boghiu de metrou1 = motor de tract iune; 2 = reductor; 3 = suspensia primara; 4 = suspensia secundarade tip pneumatic; 5= discuri de frnare; 6 = arborii tubulari ai transmisiei elastice; 7 = amortizoare hidraulice;8 = cilindrii de comandaai frnei; 9 = frnaelectromagneticacu patina;10 = perii de curat at bandajul rot ii.Din punct de vedere cinematic, cutiile de unsoare reprezinta singurele subansambluricarefaclegaturadintrepart ile(osiilemontate)aflatenmiscarederotat iesi restulvehicului care efectueazamiscarea utila, de translat ie.Osia montata, fig.4.9 este principalul element care asigurasust inerea, rularea sighidarea vehiculelor pe cele doua sine ale caii. Ea este compusa dintr-o pereche de rot imetalice (confect ionatedinot ellaminat,turnatsau forjat)calateprinpresarelarecepe o osie metalica, osie prelucrataprin strunjire si realizatadin 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 douadiscuri de frnare (numai lavehiculele echipate cu frna-disc).Masa gravitat ionala suportata si transmisa la sinele de cale ferata de o singura osie(denumita simasapeosie)depindedetipulvehicululuisinutrebuiesa depaseascalimita determinatade 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 mecanicaa osiilor motoare poate fi de trei feluri, fig.4.10 si anume:1) antrenarea individualaa osiilor;2) antrenarea n grup a osiilor si3) antrenarea multiplaa osiilor.1) individual 2) n grup 3) multiplaFig.4.10 Antrenarea mecanicaa osiilor motoare.M.T. = motor de tract iune; O = osie montatamotoare;C = roata(coroana) dint ata; P = pinion de atac.ncazul1,fiecareosiemotoareesteantrenatadecteunmotordetract iune.ncazul 2, doua (sau trei) osii motoare sunt antrenate de un singur motor de tract iune. ncazul 3, o osie motoare este antrenatade douamotoare (de obicei, de douarotoare adouamotoare cu statoarele separate, dar ansamblate ntr-o carcasaunica).18Rotiile vehiculelor pe cale feratasunt metalice si sunt calate cte douape 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 Roatacu 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 roatase deosebesc trei zone, si anume:B = butucul rot ii;C = partea centralaa corpului rot ii;Ob = obada rot ii.Parteacentrala arot ii poatefi plina, usor ondulata saucuspit 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"obuza"careasigura ghidareavehiculului ninteriorul celordoua sinealecaii. Laexterior, bandajele (si rot ile monobloc) au o suprafat a de rulare care se rostogoleste pecaleaderulare. Prinaceasta concept ieaosieimontateafostposibilca, nsistemulconvent 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 admisade 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 boghiurileseconstituiecapart i complet separate. Dinacest motiv, ntrecutiesi boghiuri seintercaleazadispozitive speciale care permit att transmiterea fort elor longitudinale sitransversale ct si rotirea -n planul orizontal- a boghiurilor fat ade cutie.194.1.2.1. Formula osiilornpracticainternat ionala seobisnuiestecaunanumittipconstructivdevehiculelctric motor (VEM)cu aderent alacalea feratasafie descris convent ionalprintr-unsimbol care saprecizeze 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 constructivaa vehiculului (pe boghiuri sau cu sasiu unic rigid).Dintretoatecodificarilepropuse,ncontinuarevomprezentanumaisistemuldenotare 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.Osiilemotoarealeoricaruiaparatderularevorfinotateculiterelatine(cumajuscule). Rangul acestor litere (adica numarul care indica pozit ia literei) n alfabetullatin va indica numarul de osii motoare succesive.(Ex: A = o singuraosie motoare; B = douaosii motoare succesive; C = trei osiimotoare succesive etc.).1.b. Osiile libere ale unui aparat de rulare se marcheazacu cifre arabe.(Ex: 1 = o osie libera; 2 = douaosii libere succesive etc.).Absent a osiilor libere nu este marcatan 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 majusculedinalfabetul latin. (Ex: B0=doua osiimotoare succesive cu act ionare individuala, C0=trei osii motoare succesive, fiecare osiefiind antrenataindividual).Act ionarea n grup a osiilor motoare este precizata prin lipsa (sau absent a) indicelui"zero". (Ex: B=douaosii motoare act ionate de acelasi motor de tract iune).3. Grupareaosiilor(attaosiilormotoarect siaosiilorlibere)peboghiuriseindica prin semnul () "prim" atasat simbolurilor osiilor respective. (Ex: B, C pentruboghiuricuosiimotoareact ionatengrup;B0,C0pentruboghiuricuosiimotoareact ionate individual; 2 pentru boghiuri cu osii libere etc..Absent a (lipsa) semnului "prim" n simbolizarea osiilor aparatului de rulare indicasolut ia constructivacu 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. ncazul unitat ilor multipe, aramelor si atrenurilor electrice, simbolizareaconstructiva seobt ineutilizndsemnul "+"ntreformuleleconstructivealefiecaruivehicul (activ si pasiv) component.n continuare se prezintacteva exemple de simbolizare a vehiculelor electrice:1C1 = vehicul electric motor (locomotiva) cu sasiu unic rigid, cu douaosii 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 douaosii motoare antrenate n grup;C0C0=vehicul electricmotor(locomotiva)cudoua boghiuri identice, fiecareavnd trei osii motoare antrenate individual;C0C0+C0C0 = unitate motoare multipla formata prin cuplarea a doua locomotiveidentice de tipul C0C0 (fiecare cu douaboghiuri, de tip C0);B2B = vehicul electric motor (tramvai) cu trei boghiuri, la capete cu boghiuri20motoare detip B(fiecare cucte douaosiimotoare antrenaten grup)iar lamijloccu un boghiu purtator cu douaosii libere;B0B0+11x(2)+B0B0 =trenelectricncompunerefixa(TGV-A)peboghiuri,avndlafiecarecapatcteounitatemotoaredetipB0B0,iarntreele11boghiuripurtatoare de tip 2 (cu cte douaosii libere).Observatii:1. T inndseamadegeneralizareatipului constructivpeboghiuri, cuantrenareaindividualaa osiilor, n notarea simbolicase tinde spre simplificare (adicase renunt alaindicelesuperior "prim"si respectivlaindiceleinferior "zero"). nfelul acesta,locomotiveleelectricedetipul C0C0aparnotatecuCC(ceeacepoateconducelaconfuzii grave !!!).2. Exista administrat ii de cale ferata care folosesc notat ii simbolice diferite de celerecomandatedeU.I.C. Astfel, laS.N.C.F.R., locomotivaelectrica detipC0C0estenotata cuLE060EA. Cutoateacestea, constructorii, ncataloageledefirma, suntobligat i sadescrie unitat ile motoare cu notat iile U.I.C..4.1.2.2. Vehicule de cale ferata destinate exclusiv transportului de calatorint ariledezvoltate,cucentreindustrial-comercialesupraaglomerate,auaparuttendint e "de migrare" a populat iei catre mprejurimi, formndasa - zisele "orasesatelit". nplus, obuna partedinmnadelucruaacestor centreeconomiceesteasiguratade 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 cuintensificareaactivitat iilorsocial-economicedincentrelesupraaglomerate. nplus,traficul suburban de persoane (navetisti si ocazionali) prezinta o serie de caracteristicispecifice precum:- are o distribut ie neuniforma, cu descrestere progresivade 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 scurtadurata;- fluxul de trafic este n sens invers n weekend (fat ade cel din zilele de lucru)etc..Oparte dinaceste caracteristici sunt comune cucele ale traficului urbandepersoane. Satisfacerea transportului suburban de persoane cu trenuri cursaremorcatede 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 esteasiguratament inerea calitativaa parametrilor tehnici precum: accelerat ia, decelerat ia,viteza, timpii de mers etc.);- au un consum de energie electricaoptim deoarece nu transportasarcinainutila.(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;-auofiabilitatesporita; ladefectareaunui motordetract iunesauchiaraunuivagon motor, vehiculul si poate continua mersul pe calea ferata (cu reducereacorespunzatoare a puterii).Constructii tipiceSpre deosebire de locomotivele electrice si de cele diesel-electrice (destinateremorcariitrenurilorsicarecont innumaiechipamenteenergetice), vehiculedecaleferata destinate exclusiv transportului de calatori ndeplinesc, n principal, douafunct iuni, expuse mai jos:1.Transportacalatori n spat iul special amenajat chiar n interiorul cutiei propriu-zise a vehiculului motor si2. si asigura fort anecesara pentrupropulsiapropriesi eventual aunui 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 rezultasi capacitatea redusade remorcare a lor.Astfel de vehicule sunt folosite n traficul urban si suburban, de suprafat asau 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 ilustratade fig.4.12).Fig.4.12 Vehicule destinate exclusiv transportului de calatori:1) vagon motor; 2) sect ie de tract iune electrica;3) ramaelectrica; 4) tren electricVagonul motor (electric), v.fig.4.12 poz.1 este acel VEM a carui cutie cont ine pelngaechipamentul electric de tract iune si spat ii pentru calatori.Limitarea spat iului aferent instalat iilor si echipamentelor de tract iune a condus lareducereanumaruluidemotoaredetract iunesilaamplasareasubpodeaaceleimaimari part i din instalat iile si agregatele energetice. (Osiile motoare sunt "nnegrite" n22reprezentarea schematicadin 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 esteformata dintr-unvagonmotorVMsiunvagonremorca VR(fig.4.12,poz.2).Ea estenereversibiladin punctdevedereal sensuluidemers (arePCnumaila un capat). Pentru inversarea sensului de mers are nevoie de buclade ntoarcere.Rama electricareprezinta ansamblul de tract iune, n compunere fixa, format princuplarea mai multor vagoane motoare VM si eventual vagoane remorci, cu posturi deconducerelaambelecapete. Ramaelectrica estereversibila dinpunct devederealcirculat ieipe calea ferata.Aceasta presupuneasigurarea cablajului electricntre celedouaVM pentru posibilitatea conducerii de la oricare din posturile PC.Trenulelectricestedefinitcaogruparededoua saumaimulterameelectrice,dupanecesitat 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 precizeazadupaaceleasi 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 iisuntconstruitepeboghiuri(cumotoarecompletsuspendate). Laastfeldevehicule,transmisiile elastice (la antrenarea individualaa 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.Reprezentateschematic, toateacestevariantedetransmisii elastice(utilizatelaantrenarea individualaa 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 elasticacu ax cardanic longitudinalLaaceasta varianta, motorul detract iuneestecomplet suspendat iarangrenajulconic(departeaopusa motorului) estenesuspendat, deci solitar cuosiamotoare.23Arborele cardanic (W) permite att deplasarile osiei ct si o anumitaelasticitate fat ade socurile de cuplu.Solut ia cuaxcardanic longitudinal constituie unexemplutipic de transmisieelasticapentru vehiculele de transport public urban: tramvai, metrou si troleibuz (cazn care motorul de tract iune este suspendat de sasiu).b) Transmisia elasticacu 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. CaexemplusepoatecitatransmisiaBBCcucauciuc(cumotor completsuspendat si angrenaj semisuspendat) reprezentatafig.4.26.Fig.4.26.Transmisia BBC cu cauciuc.Fig.4.27.Transmisia SumitumoDeasemeneasitransmisiaelasticaSumitomo(utilizatapetrenuldemarevitezaal JNR "Shinkansen"), fig.4.27 este de acelasi tip. Aici axul cardanic "elastic" cuprinde24douarot i dint ate identice (una de partea motoruluisi cealaltade partea reductorului)legatentreeleprinintermediul unor resoartesi aunui tubcucaneluri 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) cacinecesitaun motor de tract iune cu arborele rotoric gol (sau tubular).Din aceasta categorie, transmisia ASEA, v.fig.4.28 este cea mai cunoscuta. (Peste5000devehicule, inclusivlocomotiveleromnesti LE060EAsi LE040EAsuntechipate cu transmisii elastice de tip ASEA.)Fig.4.28 Transmisia elasticaASEALa 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 realizatapractic printr-un cuplaj elastic cu 8 lagare de cauciuc.)Deci transmitereaelastica acuplului (delamotorlaosie)sefaceprincuplajuldint at glisant, arboreledetorsiunesi princuplajul elasticdincauciuc. Diferent adediametre(dintregolul arborelui rotoricsi exteriorul arborelui detorsiune) sealegeastfel nct sa depaseasca amplitudinea oscilat iei suspensiei primare a boghiului (adicala valori de circa 4050 mm).d) Transmisia elasticacu cardan gol (n jurul osiei)Reprezentativaeste transmisia "Jacquemin cu inel dansant" al carui principiu esteilustrat n fig.4.29.Arborele cardanic (detip tubular)mbracaosia sitransmite miscareade laroatadint ata mareaangrenajului reductor laosiamotoareprinintermediul adoua 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 douaperechi de rotule (dispuse la 90ofat ade primele) leagaun 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 formeazaun 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 "transmisiaarticulatacuineldecauciuc"(BBC,Henschel,Siemens)saun"transmisiaABBcuinel flexibil" (transmisie ce echipeazatrenul X2000) etc..Toate transmisiile descrise si enumerate n acest paragraf sunt acelea care au masanesuspendata ceamaimica. Cumnumaiaproximativjumatatedinarborelecardanic(gol) se sprijinape 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 UTILAA 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 ala calea de rulare.Formal, dinpunctul devedereal conceptelor mecanicii clasice, oriceastfel devehicul electric motor (VEM) poate fi asimilat cu un sistem mecanic de corpuri solide,rigidesi elastice, ntrecareexista omult imedelegaturi. Drept urmare(ntimpulmersului)att subact iuneamotoarelorsaledetract iunect si subinfluent acaii derulare, n orice VEM au loc urmatoarele tipuri de miscari mecanice:- o miscare utilade translatie a ntregului vehicul n lungul caii de circulat ie;- diferite miscari de rotatie (cu viteze unghiulare diferite) efectuate de: rotoarelemotoarelorelectricedetract iune, deosiilesi derot ileVEM-ului (si aleconvoiuluiremorcat), de angrenajele transmisiilor etc. si-diferitemiscarioscilatorii amortizatesi eventual "socuri"rezultateatt 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.nacestsens,sereamintestecadeplasareaoricaruisistemmecanicesteposibilanumai sub act iunea unor fort e mecanice exterioare sistemului.Dealtfel, daca amconsideraVEM-ul caunsistemmecanicizolat deexterior,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.Deexemplu, lalimita, prin"ridicarea"rot ilor motoaredepecaleaderulare, subact iunea cuplurilor motoare ele doar s-ar roti, fara ca vehiculul sa nainteze. (Fenomeneabsolut similareseproducsi ncazul vehiculelor stradale(curot i pneumatice) nprezent a poleiului pe carosabil!)Prinurmare, fort eledetract iune(caredetermina miscareautila aVEM)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 MOTOAREToatevehiculeleelectricmotoare(VEM) curot i (metalicesaupneumatice) sedeplaseaza pe baza fort elor de tract iune dezvoltate de rot ile motoare nprezent aaderent ei. Pentru a demonstra aceastaafirmat ie, "vom separa" dintr-un VEM o roatamotoareaflata ninteract iunemecanica att cucadrul boghiului (B) si cumotorulelectric 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 ncontinuare, prin"roata motoare" vomnt elege o"roatafictiva", echivalentacelor douarot 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 apart 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 detract iune(MT), completsuspendat, interact ioneaza att cu roatamotoare antrenata (transmit ndu-i cuplulmotorMR)ct si cucadrul boghiului, princuplul MB. (Greutatea motorului a fost deja inclusa n fract iunea GOR a sarcinii verticalece-i revine rot ii motoare considerate.);5. Seadmiteca fort adefrecarelaalunecaredintreroata si caleaderularenpunctul decontact Aestesuficient demarenct roatamotoareRsa efectuezeomiscare 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 sistemmecanicdecorpuri rigidesupuselalegaturi. Eainteract ioneaza cuboghiul (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).Oristudiulunuiastfeldesistemsefacenbazalegilormecaniciiclasicenumaidupa "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 legaturaMB (asupra boghiului) si MR (asupra rot ii).Din punct de vedere fizic, fort ele direct aplicate mpreunacu 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 analizeazamiscarea.Acestea sunt:281. Calea de rulare CR fiind fixaFig.5.2 Explicativala "desfacerea"corpurilor rotii motoarer e z u l t a c a .Solicitarile si produsedefiecareroata motoareavehicululuiasupra CR servesc numai ladimensionarea elementelor deprindere (sau de fixare) a caii derulare. Din punct de vedere fizic elevorfiechilibratedereact iunilesi care apar ninfrastructuracaii.2. ncondit iiledate, roata"R"efectueaza o miscare de roto-translat ie,faraalunecare(omiscarede rostogolire), cu urmatoarelerestrict ii:si(5.3)unde este componenta verticala(peaxaOy) aaccelerat iei rot ii iarvCM este viteza centrului de masaalrot ii.3. Se neglijeaza eventualeleaccelerat ii peverticala alecadruluiboghiuluiBprovocatedesuspensiaelastica primara, adica seconsideraca:iar (5.4)Cu aceste precizari, ecuat iilediferent iale scalare (pe componente)caredescriumiscareaaccelerata arot ii motoare R sub act iunea tuturorfort elor si acuplurilor 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 aexterioaradin partea CR) act ioneazan sensul miscarii .29Marimea ei rezultadin sistemul (5.5) dupaeliminarea vitezei unghiulare R, fiind:(5.6)n plus, pentru asigurarea miscarii de rostogolire (faraalunecare) a rot ii pe caleaderulare, ntrefort atangent iala FtAsi fort anormala NA(dinpunctul decontact A)trebuie ndeplinitacondit ia (de tip restrictiv):(5.7)unde "" este coeficientul de aderenta (subunitar si adimensional) dintre roata si CRiar "NA" este fort a de apasare normalaa rot ii pe calea de rulare.Pentru CR orizontala(ca n fig.5.2), fort a de apasare normalaNA datade:(5.8)estenumericegala cugreutateaaderenta Gad[N]arot ii iarpentruCRnclinata (cuunghiul fat ade orizontala) fort a de apasare normalaNA 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 MRtransmis 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. Pentruasigurareamiscarii derostogolire(fara alunecare)arot ii pecaleaderulare 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 electricdetract iunedinconsiderentedeaderent a. Astfel daca nrelat ia(5.11) vomoperasubstitut iile:(5.12)putereamecanica utila P2(laarborelemotorului electricdetract iune)lavitezavaVEM-ului va fi limitatasuperior prin relat ia urmatoare:(5.13)3. La P2=ct. si ct. marimea vitezei "v" din relat ia (5.13) se numeste "vitezadedurata" si se inscript ioneazape caracteristica de tract iune a VEM-ului.30Cadrulboghiului(v.fig.5.2)arecasiVEM-ulviteza"v"siestesupusact iuniifort elor si (corespunzatoare fiecarei rot i motoare) si act iunii cupluluiMB(corespunzator fiecarui motor de tract iune). La vehiculele de tipferoviar (cuact ionareaindividualaaosiilormotoare)cupluriledereact iuneMBsepotcompensareciprocdaca motoareledetract iuneMTseamplaseaza pelungimeaboghiului cutransmisiile unilaterale alternnd (pe stnga si pe dreapta osiilor).Laneglijareamiscarilor peverticala aleboghiului (corespunzator aproximat iei(5.4)) rezultacantre fort ele verticale existarelat ia:(5.14)Deci, singurafort a necompensata ramneF01. Eareprezinta fort acucareroatamotoare act ioneazan 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 aF0senumeste "forta detractiune laosie"(corespunzatoareuneisingurerot i motoare), are aceeasi marime ca si fort a de tract iune la obadaFt0 dar are punctulde aplicat ie n O (n centrul osiei).nfine, subansamblul "roata motoareR-boghiul B"(v.fig.5.2)eliberat delegatura sa cu calea de rulare (prin introducerea react iunilor si n punctul A)se aflasub act iunea fort elor (scrise pe componente):pe Ox: (5.17)pe Oy: (5.18)Deci singurafort a nenula careact ioneaza nsubsistemul "R-B"(careapart ineVEM-ului aflat n miscare cu viteza ) este fort a tangent iala . Ea apare ca fort a dereact iuneexterioara (dinparteacaii derulare) asuprarot ii motoareaVEMsi aremarimea limitataprin condit ia (5.7).Fort a FtA este legatade cuplul motor MR (transmis rot ii) prin relat ia (5.6).nregimdemersuniform(cuv=ct. si dv/dt=0)FtA=Ft0=F0. Numai nregimuridinamice (cu dv/dt0) fort a tangent iala de tract iune FtA se micsoreaza cu valoarea fort eiinert iale necesaraaccelerarii maselor n miscare.Peansamblu,pentruunVEMcu"z"osiimotoare, antrenateindividual(nmodidenticde"z"motoaredetract iuneidentice), fort atotala detract iuneFt(laobadatuturor rot ilor motoare) se calculeaza(prin superpozit ie) cu relat ia:(5.19)Formula(5.19) esteadevarata numai ncazul ideal cndcele"z"motoaredetract iune sunt la fel ncarcate (cnd funct ioneazan mod identic).315.3 ADERENT AUzual, latoatevehiculelemotoarecurot i, cuplul M2al motoarelorelectricedetract 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 MRtransmisunei rot i motoareestepreamare, (ceeacenseamna respectarea restrict iei 5.7) numai o parte din acesta se va transforma n fort atangent ialade 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 limitatade 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).nacest cazpedirect iamiscarii utile, asupralocomotivelor 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 suntaproximativegale, auaceeasidirect ie, ausensuriopusedaraupuncteledeaplicat iediferite, eleproducuncuplu(numit "cupludecabraj"). Subact iuneacuplului decabraj are loc redistribuirea greutat ii aderente ntre osiile motoare ale locomotivei (cuefectul "de descarcare" a osiilor din fat asi "de suprancarcarea" a osiilor din spate).Drept consecint a, n tract iune rot ile motoare din fat adispun de fort e de aderent amai mici fiind expuse riscului patinarii.Fig.5.6 Explicativala aparitia cuplului de cabraj n cazul locomotivei B0B0Pentruidentificareafactorilorgeometricidecaredepinderedistribuireagreutat 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 aderentaGad 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";- seconsidera oconstruct iesimplificata, cuboghiuri libere, lacarefort eledetract iunedezvoltatedefiecareboghiu(demarimeFt/2) setransmit princeledoualegaturi 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 cutieiCutialocomotivei, izolata deconvoi si deceledoua boghiuri motoarealesale(v.fig.5.7) este n echilibru dinamic sub act iunea fort elor:- de greutate (aplicatan 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 (aplicataorizontal la aparatul de tract iune).n stationare(cndFt=0 siv=0),datoritaechilibrariistaticeacutiei,react iunileverticale QI si QII vor fi egale ntre ele (si egale cu Q0) adica:(5.39)n tractiune (cnd Ft0 si v0), datoritadiferent 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)AcelasimomentMCpoatefiprodussidefort eleechivalentefictive(+ , )aplicate vertical n punctele PI si PII (v.fig.5.7). Din condit ia de egalitate a momentelorfort elor echivalente rezultaqc:(5.41)33iar prin suprapunere cu Q0 (5.39) rezultasi 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 decutiesi decaleaderulare(v.fig.5.8) seafla nechilibrudinamic sub act iunea fort elor:- de greutate aplicatan centrul de greutate al boghiului;- de apasare normala , aplicatavertical n punctul PI (din partea cutiei);- de react iune aplicataorizontal 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)ntractiune (cnd Ft0 si v0), din cauza diferent ei pe nalt ime h0 ntredirect iilefort elororizontale si asupraboghiuluiact ioneazacupluldecabraj de moment MB:(5.44)Acelasi moment MBpoatefi produssi defort eleechivalente (+ ; )aplicatevertical n punctele A1 si A2 (v.fig.5.8). Din condit ia de egalitate a momentelor fort elor34echivalente rezultaqB:(5.45)Fort eleverticale si demarime(5.45)"descarca"si respectiv"ncarca"suplimentar osiilemotoare1si 2aleboghiului I. (Fenomeneidenticeaulocsi 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 aderentaa locomotivei.Pe baza acestora, variat ia greutat ii aderente pe osie (datoratacabrajului) poate fiexprimatacu relat ia generala(i=1,2,3,4):(5.49)la care semnele termenilor din parantezasunt: (+,+) pentru prima osie; (+,-) pentru adoua osie; (-,+) pentru a treia osie si (-,-) pentru a patra osie. n plus, ca interpretare:Gi>0 semnificaosie "descarcata" iarGi0 si are loc o crestere a vitezei (o accelerare). Fort arezultantaFt - R=Fa se numeste fort ade accelerare.Daca Ft - RY/2. La limit cnd UZY, se anuleaz att puterile S2T(1), P2T(1) i Q2T(1) ct itensiunea redresat UdU0.nregimdeformantpunteasemicomandat primeteputereaaparent totalS2T=U2T0I2Tdincarenumaiputereaactiv lanivelulfundamentaleiP2T(1)este convertit i transferat sarciniipeparteadecurentcontinuu.Prinurmare, factorul de putere ideal FPial punii semicomandate va fi: 2cos2 2I U2cos I U=SPFP2d 0 T 22d 0 dT 2) 1 ( T 2ioo t tt=to t o = (11.49) Acesta este proporional cu factorul de reglaj de faz al tensiunii redresate iarevalori 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,decii alforeidetraciune,totui,prinrmnereanurm 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)reactiveabsorbitedinliniadecontactdegrupultransformator-redresoaredefor. nplus,dinconfruntareacelordou tipuridepunicomandateseconstat c, laaceeai valoareafactoruluidereglareUdU0/ Ud0 ,puntea semicomandat are factorul de putere ideal FPi(11.49) net superior (mai bun).ns, cadezavantaj,punteasemicomandat nuestereversibil energetic, nepermindfrnarea cu recuperare a LRE.Concret, pentru ameliorarea factorului de putere se procedeaz astfel:- sereduceintervaluldereglarealtensiuniiprindivizareaacestuian2 pn la 4 subintervale egale, comanda punilor fcndu-se secvenial i- senlocuiescpectposibilpunilecompletcomandatecupuniredresoare 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 divizareafiecreinfurrisecundareatransformatorului 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 legatenseriei suntcomandatesecvenial.Dac nuseimpunefrnareacu 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.11.24Schema 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 (punteaIIrmnndncontinuareblocat),tensiuneamedieredresat Ud0va cretedela0lavaloareaUd0(11.50).Vacretecorespunztori factorulde putere pn la valoarea maxim (circa0,8).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 completdeschiseiartensiuneamedieredresat Ud0= UdI0+UdII0=2Ud0 vafi maxim.ngeneral,prinaceast metod seobineunfactordeputereglobalnet superiorpe 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 cutreipuni legatelatreinfurrisecundarei comandatesecvenialsepot reduceattputereareactiv cti spectrularmonicilorcurentuluiabsorbitdin linia de contact. Pentru a ameliora i mai mult factorul de putere se poate adopta un redresor comandatsecvenial,cupatrunivele.nvariantacupuni mixte,acestava conine8brae cutiristorii 8 brae cudiode.ns, acelai rezultatpoatefi obinuti curedresorulcomandatsecvenialcupatruniveledinfig.11.25 (varianta economic cci montajul conine doar 6 brae cu tiristori i 4 brae cu diode.)Fizic,montajulpoateficonsideratcafiindformatdintreipunisemicomandate de tip asimetric (dintre care dou au braele cu diode D3I- D4I n Fig.11.25Schema de principiu a redresorului (montaj economic) comandat secvenial cu patru nivele Lc= inductan de comutaie 132 comun)alimentatedeladou seminfurrisecundare.nplus,unadin seminfurri are o priz median.Puntea mixt I (alctuit din T1I- T2I -D3I- D4I) mpreun cu tiristorii T3I-T4I (legai lapunctulmedianprinbobinaauxiliar deinductanLc) permite,prin comandaadecvat, obinerealaieireauneitensiunireglabile,fientre(0i Ud0), fie ntre (Ud0 i Ud0).Punteamixt IIcubraeleT1II-T2II-D3II-D4IIestealimentat delacealaltseminfurare secundar i poate furniza la ieire o tensiune continu, variabilntre 0 i Ud0.PunileIi IIsuntnseriatei suntcomandatesecvenialnct,laieire, tensiunea Udpoate varia continuu de la 0 la Ud0, redresorul avnd un factor de puteresuperiorpetotintervaluldevariaiealtensiuniiredresate.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.nsecvena a douadereglaj(cutiristoriiT3Ii T4I completdeschii)se activeaz tiristoriipuniimixteT1I-T2I-D3I-D4Iceeacevadetermina (la fiecare aprindereatiristorilor)comutaiadelaT4IlaT1I(ngrupuldecomutaie 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 unghiuluidecomand U delaY la0,tensiuneamedieredresat vacrete continuu de la Ud0 la Ud0.3.Lafinelesecvenei2(cndUd= Ud0i toi tiristoriipuniiIsunt complet deschii) se procedeaz la transferul conduciei de la puntea I la puntea II.Lasfritulacestuiproces,punteaIIvaficompletdeschis (cuU=0) furniznd Ud= Ud0 iar puntea I va fi blocat n totalitate, circuitul de sarcinnchizndu-se acum prin diodele D3I i D4I.4.PentrucretereatensiuniidelaUd0 laUd0, cupunteaIIcomplet 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 Variatoruldetensiunecontinu (VTC)esteunconvertorenergetic(static) carerealizeaz conversiadirect curentcontinuu/curentcontinuufr circuite intermediaredecurentalternativ.VTC-ulfaceapellacomutaiaforat ipermite alimentarea motoarelor de traciune de c.c. cu tensiuni (medii) variabile atuncicndsedispunedeoliniedecontactLCcutensiunea(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 U1estetensiuneacontinu labornele1-1'aleVTC-ului,atunci valoarea medie a tensiunii de ieire U2(la bornele 2-2') poate fi (dup caz): U>Usau U