Capitolul II

CUPRINS2Substaii de traciune electric (SSTE)

2Substaii de traciune electric de curent continuu

3Substaii de traciune electric de curent alternativ

3Staii de joas frecven cu convertoare de faz i frecven

4Staii de joas frecven monofazate

5Posturi de secionare, de subsecionare i de legare n paralel

5Posturi de secionare

5Posturi de subsecionare

5PLP posturi de legare n paralel

6Fideri de alimentare (FA) i de ncrcare (FI

7Linia de contact

8ina de contact i instalaia ei de susinere

9Sistemul monofazat de frecventa speciala

9Sistemul monofazat de frecventa industriala:

10Ecuaia i stabilitatea micrii utile a VEM

12Ciclurile de deplasare util i diagramele de mers ale VEM

14Pornirea motoarelor de traciune de tip serie

16Faza de mers a VEM cu motoare de tip serie

17Functionarea in regim de franare electrica

17Franarea recuperativa

19Franarea dinamica (reostatica)

22Franarea electrica la VEM cu VTC

22Franarea reostatica

23Franarea recuperativa

24Franarea mixta recuperativ-reostatica

26Structura generala a sistemului de actionare cu motoare asincrone a locomotivelor si ramelor electrice

27Controlul scalar

28Controlul vectorial

Substaii de traciune electric (SSTE)

Substaiile de traciune electric semnificnd instalaiile fixe pentru racordarea la sistemul electroenergetic de nalt tensiune i adaptarea parametrilor energiei electrice (tensiune, curent etc.) la necesitile traciunii electrice.Dup sistemul de curent electric necesar n LC, se difereniaz urmtoarele tipuri de SSTE:

De curent continuu (tensiune 0,751,53 KV) De curent alternativ (frecven de 50 Hz sau mai mici de 50 Hz, precum 50/3 Hz i 25 Hz; tensiune 1525 KV)Substaii de traciune electric de curent continuuSubstaiile de traciune electric de curent continuu sunt utilizate n traciuni electrice rutier, subteran i feroviar. Sunt de tip interior i sunt formate din:

Instalaii de nalt tensiune Transformator redresor (14)

Instalaii de curent continuu (bara + i bara -)

Acestea sunt echipate cu separatoare tripolare i ntreruptoare automate , alimentarea se face pe un sistem dublu de bare colectoare (BC).Au in componenta lor:

celula de cupl i msur. care msoar temperatura, curentul i energia, (f1 transformator de curent, f2 transformator de tensiune). celule de transformator. Acestea sunt echipate cu separatoare de bare (a3), ntreruptor (a4) i f3 transformator de curent, f4 transformator de tensiune.

grup trafo redresor. grup trafo invertor neautonom de putere

celulele de conexiuni bara

celulele de plecare spre linia de contact (LC).Unele staii de c.c. sunt prevzute cu un grup suplimentar trofo invertor, cu rolul de a prelua n reeaua trifazat energia electric recuperat n cazul funcionrii motoarelor de traciune n regim de generator (ex. la frnarea recuperativ).Protecii pentru SSTE de c.c.:

Sigurane ultrarapide pentru diode. Protecie la supratensiune

Protecie mpotriva punerilor la pmnt i a atingerilor directe

SSTE de c.c. au urmtoarele avantaje: Se preteaz la automatizare

Au un randament performant

Se conecteaz direct la S.E.N.SSTE de c.c. au urmtoarele dezavantaje:

Sunt mai complicate si costisitoare dect cele de c.a.

Prezint cderi de tensiune mai mari n LC Au o distan mic ntre staii (15 40 Km CFR i 2 10 Km Urban)Substaii de traciune electric de curent alternativ celulele de linie (trifazate) de T cu separatoare i cutie de p.l.p.

celulele trafo de T, racordate la aceai pereche de faze. trafo monofazate de putere. celulele trafo de tensiune linie de contact.

celula de cupl.

celula de plecare.

Staii de joas frecven cu convertoare de faz i frecven

Transform energia trifazat 50 Hz n joas frecven 50/3 Hz, 50/2 Hz i sistem monofazat.

unde:

T1 reprezint transformatorul cobortor de tensiune.GS reprezint generatorul sincron de medie tensiune ce produce curent alternativ de joas frecven monofazat.

T2 reprezint transformatorul ridictor de tensiune i este tampon ntre LC i mainile sincrone.

n cazul mainilor sincrone de 15 Kv raportul de transformare este 1.

De la bara de medie tensiune a staiei de alimentare a LC, returul curentului de traciune se face la secundarul transformatorului T2, prin fiderul de ntoarcere (Fi).Staii de joas frecven monofazate

SEE sistem electroenergetic propriu pentru traciuni electrice de joas frecven care alimenteaz de la 110 KV SSTE. Sunt mai simple i sunt echipate cu trafo cobortoare de tensiune.Prezint urmtoarele avantaje:

Linia de contact este mai uoar

Distana dintre staii este de 50 - 70 Km

Se execut alimentarea locomotivelor de la linia de contact simplu Pe locomotiv exist trafo cu mai multe trepte de tensiune pentru reglarea vitezei

Prezint urmtoarele dezavantaje:

Staiile sunt complicate

Linia de contact cu frecvene diferite de 50 Hz produc perturbaii n reelele de joas tensiune obinuite

Posturi de secionare, de subsecionare i de legare n paralel

Secionarea longitudinal ntre 2 SSTE adiaccente se realizeaz la nivelul PS i PSS.

Posturi de secionare (PS) reprezint instalaii fixe, de tip exterior, amplasate pe LC aproximativ

scoaterea de sub tensiune

la distanei dintre 2 SSTE adiaccente care permit

conectarea LC

nchise

Din punct de vedere funcional sunt contacte

deschise

PS (cu contacte) normal nchis ,zona fider a LC este alimentat de dou capete, trafo din 2 SSTE adiaccente funcioneaz n paralel.

PS (cu contacte) normal deschise se utilizeaz n cazul cnd trafo nu pot funciona n paralel.n acest caz trebuie realizate zone neutre n LC n zona PS.

Posturi de subsecionare (PSS)

Instalaii fixe, exterioare, amplasate pe LC aproximativ la 1/2 distan ntre SSTE i PS care ndeplinesc att o funcie de exploatare (asigur secionarea longitudinal) suplim. a LC pe poriuni mici i legarea n paralel la LC duble, ct i o funcie de protecie (permite localizarea automat a poriunii defecte, n caz desc. pe LC).

a1, a2 - ntreruptoare pentru secionare

long. a LC (1, 2)

a3 - ntreruptoare pentru legare n pa-

ralel

f1 - trafo de ms. pe LC e - descrctor pentru protecia la su-

pratensiune

PLP posturi de legare n paralel

Se amplaseaz pe linii duble cnd lipsesc PSS i realizeaz o legare suplim. n paralel

PLP - echipate cu 1 ntreruptor, acionat automat la desprirea tensiunii n LC.

PLP nu ndeplinete funcii de protecie

PS de secionare de zon neutr

Fideri de alimentare (FA) i de ncrcare (FI).

Fideri de alimentare (FA), reprezentnd liniile electrice aeriene de lungime redus, care servesc la alimentarea cu energie electric a liniei de contact de la SSTE. n zona fider din dreptul unei SSTE se prevede secionarea simpl (S) a liniei de contact.

Fiderul de intoarcere (F) reprezenta cablurile sau LEA de racord ntre ina metalic a CR (respectiv, ramura negativ a LC bifilare de c.c.) i circuitul de for al SSTE.

Returul curentului de traciune

FA LEA din OL AL, racordul FA la LO se face simplu, prin separator de fider acionat cu servomotor

F pentru returul crt. de traciune la :

borna (-) a SSTE de ce (bara -)

bornele sec. ale trafo de caF - LEA (LEC) legtura la CR se face difereniat, funcie de prezena circuitelor de cale (circuite electrice de comand i semnalizare care utilizeaz drept conductoare poriuni din inele met. ale CR)

la CR fr circuit de cale, conex F se face direct

la CR cu circ. de cale monofilare, conex F se face direct

la CR cu circ. de cale bifilare, conex F se face indirect, prin bobina de joant .Deoarece CR nu este izolat fa de pmnt, o parte din crt. de traciune este derivat prin in n sol

(crt. vagabonzi) (de dispersie).

n c.a acetia determin tem. induse perturbatoare n circ. el. de joas tensiune din apropierea CR.

n c.c. cmpul produs de crt. vagabonzi det. coroziunea electrolitic a unor zone ale instal. met. ngropate (conducte, cabluri telefonice, etc).

Protecia anticoroziv

- metode pasive concentrarea crt. n in

- metode active redistribuirea judicioas a cmpului de cureni vagabonzi.

- metoda drenajului electric- Linia de contact constituie o reea electric de c.c. sau c.a., care asigur transportul energiei electrice n lungul cii de circulaie i de la care VEM i culege energia electric prin intermediul unei prize de curent alunectoare. - prin LC se alim. VEM prin contact alunector (culegtor, captator) - (alim.) transportul eng. el. n lungul cii de circulaie

Pri componente

suspensia (ina) de contact instalaiile de susinere a suspensieiLC pune 2 tipuri de probleme

mecanice: evitarea desprinderii captatorului i pres. constant de contact.

electromagnetice: influene electrostatice - inductive - galvanice.Suspensii de contact - simple (tip tronson)

- catenare

Suspensia simpl - conductor (fir de contact)

1 stlpi

2 suport

3 puncte de fixare

4 fir de contact

5 cabluri elastice

Firele se aeaz n zigzag i nu n axa CR. Condiii mecanice

Impun catenarei o anumit rezisten mec. (greutatea firului, deschiderea (L), vnt, chiciur, dilatarea firului).

Contact permanent f.c. i pantograf

Calitatea prizei de curent este determinat de doi factori de baz legai ntre ei:

valoarea presiunii de contact (p = ct).

caracteristica traiectoriei pantografului

Pentru ca presiunea de contact s fie constant, pantograful s pstreze aceiai poziie pe nlime, f.c. s pstreze paralelismul cu calea, elasticitate mic i uniform, nr. mic de puncte de suspensie i fixare, stabilitate la vnt

Condiii impuse pantografuluiresoartele de ridicare s asigure o presiune de contact corespunztoare (fr scntei i grad redus de uzur)

frecarea n articulaii s fie minim masa pantografului (minim) pentru a reduce forele de inerie.Aproximativ 1/3 din avarii i deranjamente la LC are drept cauz desprinderea pantografului, urmat de:

arc electric sau scntei

deconectarea ap. de pe ?

mbtrnirea sau ruperea fc ( ? prin nclzire)

uzura suprafeelor de contactina de contact i instalaia ei de susinere

Calea rulare constituie calea de circulaie a VEM i putnd fi: metalic, din beton sau mixt. n cazul VEM cu aderen la CR, aceasta are un rol esenial n procesul de formare a forelor de traciune i de frnare, iar n cazul particular al VEM cu roi metalice pe CR, ina acesteia are i rolul specific de conductor de ntoarcere a curentului electric de traciune spre SSTE.

a) pentru ramele de metrou

b) VEM pe pern de aer sau magnetic

- Conductoarele de faz ale inei de contact se dispun n plan vertical pentru reducerea influentei conditiilor climatice asupra celor 3 conductoare de faza ale sinei de contact.- Cond. de nul legat la pmnt

grafit

- Captatoarele (4) cu perii

aliaje rez. uzur

sunt plasate pe VEM, presiunea de contact = f (I).

Calea de rulare

mersul Veh

CR influeneaz

comportamentul echip. el.

Pe profilul longitudinal al liniei se ridic:

variaia cotelor n funcie de dist. la origine

lung. i razele curbelor

poduri, tunele, staii.

poriuni drepte aliniament

CR compus

curbe

Sistemul monofazat de frecventa speciala

In anul 1904 sa propus utililizarea motorului serie monofazat cu colector ca motor de tractiune, dar la incercarea punerii in practica a acestei idei sau intampinat mai multe dificultati (frec 50Hz):

-aparitia perturbatiilor in retelele telegrafice si de telefonie.

-comutatia dezastuoasa a motorului serie monofazat cu colector.

Problema a putut fi rezolvata prin coborarea fregventei de 162/3 adica o treime de cea din cea practicata.

Din punctul de vedere al alimentarii cu energie electrica la fregventa de 162/3 Hz se deosebesc al liniei de contact de deosebesc 2 variante:

-prima varianta are in vedere producerea si transportul energiei electrice direct in current alternative-monofazat la 162/3 Hz, in centrale proprii aflate in gestiunea administratiilor de cale ferata. In centralele electrice, generatoarele sincrone monofazate produc energia electrica monofazata direct la 162/3Hz si tensiunea de 3-6 kV

-In varianta a doua se apeleaza la statii de conversie feroviara SCF ,statii care asigura atat conversia nr de faze cat si a fregventei

Principalele dezavantaje ale sistemului monofazat de frecventa speciala sunt:

-necesitatea unui system energetic propriu de frecventa joasa

-necesitatea unor statii de conversie feroviare relativ complicate

-aparitia de perturbatii electromagnetice asupra liniilor de telecomunicatii din vecinatatea caii de rulare.

Avantajele sistemului monofazat de frecventa speciala sunt:

-datorita nivelului ridicat al tensiunii sectiunea firului liniei de contact va fi redusa.

-creste distanta medie dintre SSTE

-problema alimentarii serviciilor auxiliare este mai simplu rezolvata.

Sistemul monofazat de frecventa industriala:

Practic pentru ca investitiile sa fie cat mai mici iar cheltuielile de exploatare sa fie cat mai mici trebuiau inndeplinite urmatoarele conditii:

-alimentarea substatiilor de tractiune electrica sa se faca direct din sistemul energetic national

-d.p.d.v constructive SSTE sa fie cat mai simple

-tensiunea in linia de contact sa aiba un nivel cat mai ridicat care sa permita cresterea distantei dintre SSTE consecutive si o linie de contact de constructie usoara

Toate aceste conditii sunt indeplinite de sistemul monofazat de fregventa industrial 50(60)Hz cu tensiunea nominala in linia de contact de 25kV

Ca urmare a tensiunii nominale in LC de 25kV , distanta dintre SSTE poate ajunge la 60-80Km .Tensiunea in LC nu trebuie sa scada sub 19 kv sar valoarea masima nu trebuie sa depaseasca cu mai mult de 10% tensiunea nominala.Ecuaia i stabilitatea micrii utile a VEM

Asupra VEM aflat n micare de translaie pe o cale de circulaie acioneaz urmtoarelefore: Fora de traciune i de frnare (fore controlabile)

Fore de rezisten la naintare (fore necontrolabile)

Ecuaia micrii utile a VEM n lungul cii de circulaie se poate scrie aplicnd VEM legea fundamental a dinamicii:

unde: La VEM cu motoare electrice liniare, ma este masa aparent a VEM, ce coincide cu masa total m a VEM.

La VEM cu motoare rotative de traciune, ma este masa aparent a VEM, ce nglobeaz i masa redus de translaie ma' corespunztoare subansamblurilor rotitoare ale VEM, ma = m + ma, Mrimea adimensional =1+yx + y2 definete factorul de mas, (coeficientul global de inerie) al VEM. Aceasta ia urmtoarele valori aproximative:1,20...1,40pentrulocomotive electrice i diesel-electrice1,15...1,20pentrutroleibuze

1,10... 1,30 pentru electromobile

1,09...1,15pentrutramvaie

1,08...1,12pentruramele de metrou

1,00 pentru VEM propulsate cu motoare electrice liniare

Regimurile normale de micare util a VEM sunt urmtoarele:

Regimul de traciune, n care Fr = 0 i ecuaia micrii Dac fora inerial Ft-Fr> 0 , atunci ea se numete for de accelerare Dac Ft = Fr, atunci este o micare uniform cu viteza de regim v = vr = ct Regimul de mers lansat, n care Ft=Ff= 0 i ecuaia micrii n acest regim VEM se deplaseaz n virtutea ineriei, motoarele electrice de traciune de pe VEM fiind deconectate de la sursa de energie electric Regimul de frnare, n care F = 0 i ecuaia micrii Dac Ff-Fr > 0, atunci se obine o decelerare a VEM (frnare)Dac Ff -Fr = 0, atunci se obine o micare uniform a VEM (se utilizeaz pentrulimitarea vitezei VEM la valoarea maxim admis pe panta respectiv - frnare limitativ)Stabilitatea micrii utile a VEM, n cazul abaterilor mici fa de regimul de micare de baz definete proprietatea VEM de a restabili prin aciunea sa un nou regim normal de micare uniform, atunci cnd a fost scos din regimul de micare de baz, urmare a variaiei forei rezultante ce i determin micarea util.Stabilitatea este asigurat n regimul de traciune al VEM, dac ecuaia caracteristic asociat ecuaiei difereniale liniarizate are toate rdcinile situate n semiplanul complex stng.

n cazul simplu al ecuaiei caracteristice de gradul nti revine la condiia de pozitivitate a coeficienilor acestei ecuaii, adic:

Pentru regimul de frnare condiia de stabilitate a micrii utile a VEM, n cazul perturbaiilor mici, este urmtoarea:

Ciclurile de deplasare util i diagramele de mers ale VEMPrin integrarea ecuaiilor micrii utile a VEM: sau se obin dependenele temporale v(t), s(t) ale vitezei i spaiului parcurs, a cror reprezentare grafic definete diagramele de mers ale VEM.Pentru construirea diagramelor de mers trebuie cunoscute caracteristicile de vitez ale forelor care acioneaz asupra VEM n diversele regimuri ale micrii sale utile: Fora de traciune Ft(v) sau ft(v)

Fora de frnare Ff(v) sau ff(v)

Fora de rezisten total la naintare Fr(v) sau fr(v).

Primele dou sunt determinate, n esen, de caracteristicile mecanice ale motoarelor electrice de traciune, respectiv ale instalaiilor de frnare, i de caracteristicile sistemelor de reglare a forei de traciune, respectiv de frnare. Diagramele de mers se determin pentru fiecare ciclu de deplasare util al VEM corespunztor parcursului dintre dou staii succesive (interstaie), ncepnd cu pornirea din repaus i terminnd cu frnarea pn la oprire a VEM.Fazele unui ciclu de deplasare util corespunztor unei interstaiisunturmtoarele: Faza de demaraj, de durat ta, n care viteza de deplasare util aVEMcrete de la

zero la valoarea de regim vr. Ecuaia de micare a VEM corespunztoare acesteifaze este de forma:

Faza de mers cu vitez constant, de durat tr, n care VEM se deplaseaz cu viteza de regim stabilizat vr=ct.

Faza de mers lansat, de durat tj, n care are loc o decelerare a VEM, aflat n regim

de mers lansat. n aceast faz este valabil urmtoarea ecuaie de micare:

Faza de frnare, de durat tf, cnd asupra VEM acioneaz forele de frnare i de rezisten la naintare, determinnd n final oprirea VEM. Ecuaia de micare pentruaceast faz este urmtoarea:

Aadar, timpul total de mers pe interstaie este: = ta + tr +1, + tf

Calculul diagramelor de mers se poate realiza prin integrarea grafo-analitic a ecuaiei micrii utile a VEM, corespunztor fazelor ciclului de deplasare pe fiecare interstaie a traseului parcurs de VEM.Astfel, este exemplificat principiul construirii diagramelor de mers v(t) i s(t) pentru faza de demaraj a ciclului de deplasare util a VEM pe o interstaie.

Pe baza diagramelor de mers corespunztoare tuturor interstaiilor traseului parcurs de VEM, se pot stabili indicatorii de vitez ai micrii utile a VEM: Viteza maxim vmax, reprezentnd valoarea maxim a vitezei atinse de VEM pe traseul considerat:unde este viteza de regim stabilizat pe interstaia k Viteza medie pe ntregul traseu vmed, definit prin raportul dintre suma lungimilor Si>k ale celor N interstaii ale traseului i suma timpilor ti;k de parcurgere a acestora:

unde vmed depinde de modul de combinare a fazelor de mersn cadrul fiecrui ciclu de deplasare util a VEM dintr-o interstaie. Viteza comercial vc, definit prin urmtoarea relaie:

unde: tS,k sunt timpii de oprire n staiile intermediare ale traseului

t0,k sunt timpii opririlor ocazionale de pe interstaii

tC este timpul de staionare n punctul terminus al traseului

Pornirea motoarelor de traciune de tip serieFaza de demaraj a VEM corespunde pornirii motoarelor de c.c. serie din sistemul de propulsie i se poate realiza prin: Inserierea de rezistene adiionale variabile n circuitul acestor motoare.

Modificarea tensiunii lor de alimentare, evident sub valoarea nominal.

Pornirea reostatic a motoarelor de traciune de c.c. serie se aplic la VEMC alimentate direct de la LC de c.c. Impunndu-se VEMC o acceleraie de demaraj ct mai mare, rezult c trebuie dezvoltat o for de traciune maxim n perioada de demaraj, ceea ce revine la asigurarea n aceast perioad a curentului maxim admisibil iM.max prin circuitul motoarelor de traciune. Pe msur ce viteza de deplasare util a VEM crete, pentru a menine valoarea curentului trebuie redus progresiv rezistena adiional (a RPF) din circuitul motoarelor de traciune.

Eliminarea RPF din circuit se face n trepte, cu consecina oscilaiei curentului motoarelor de traciune ntre limitele i (uzual, se adopt = 0,85 0,9). Rezult, corespunztor, variaii brute ale forei de traciune la demaraj, care, la rndul lor, produc acceleraii suplimentare ale VEM, cu efecte defavorabile att asupra sistemului de transmisie, ct i asupra confortului de cltorie.In general, se urmrete ca: Numrul de seciide rezisten i de contacte ale RPF sfie redus.

Contactele, pe ctposibil, s nu se deschid sub sarcin.

Solicitarea termic a seciilor de rezisten s fie ct maiuniform.

Numrul treptelorreostatice obinut s fie ct mai mare.

La VEMC de transport urban este uzual soluia RPF din figura 5.5a.Eliminarea progresiv a treptelor RPF, n perioada de demaraj al VEMC, se face, convenional, cu ajutorul unui controler de for cu came, comandat manual sau prin servomotor.Valorile treptelor de rezisten ce trebuie scurtcircuitate progresiv la pornirea reostatic a motoarelor de traciune de c.c. serie, depind de: Parametrii electromagnetici ai motoarelor

De tensiunea de alimentare

De numrul motoarelor

De schema de interconexiune electric a motoarelor

Treptele RPF sunt precedate de un grup de trepte de manevr (uzual, numrul acestora este de 4 - 6), necesare pentru limitarea, n timpul manevrelor, a acceleraiei iniiale, luat n considerare la demarajul VEMC. Eliminarea treptelor reostatice de manevr pentru atingerea primei trepte normale serie este progresiv i automat.Pentru micorarea consumului de energie electric n RPF, se recomand, n perioada de demaraj, trecerea succesiv a motoarelor de traciune prin toate interconexiunile electrice posibile: serie, serie-paralel i paralel. Aceste treceri trebuie efectuate: Fr ntreruperea curentului n circuitul de for al VEMC.

Fr s se depeasc valoarea limit admis Im,max-

Cuvariaii minime ale forei de traciune.

Cumodificarea fr salt a tensiunii de alimentare a motoarelor.Faza de mers a VEM cu motoare de tip serie

Aceasta corespunde funcionrii motoarelor de traciune de c.c. serie cu schimbarea interconexiunii lor electrice i cu slbirea fluxului magnetic de excitaie. Subexcitarea motoarelor de traciune se realizeaaz convenional (la VEM clasice i chiar la VEM cu VTC) prin secionarea sau prin untarea nfurrilor lor inductoare.n faza de mers a VEM convenionale, caracteristicile de traciune reostatice sunt numai de trecere, ntruct nu asigur o funcionare economic.La VEM cu VTC, faza de mers corespunde funcionrii motoarelor de traciune cu modificarea tensiunii lor de alimentare (prin variaia duratei relative de conducie), i cu slbirea, preferabil automat, a fluxului magnetic de excitaie.La ambele tipuri de VEM (clasice, respectiv cu VTC), tensiunea nominal de alimentare (din LC) fiind atins la o vitez a VEM de aproximativ 30% din viteza maxim, funcionarea n continuare a VEMC n regim de traciune corespunde subexcitrii motoarelor de c.c. serie, Fig.5.7.

Metoda slbirii fluxului magnetic inductor al motoarelor de traciune

prin secionarea nfurrii lor de excitaie se realizeaz conform schemei de principiu alturate, Fig.5.8.

La funcionarea n cmp inductor plin, contactorul K1 este nchis i contactorul K2 deschis, iar n cmp inductor redus, K1 este deschis i K2 nchis.Coeficientul de subexcitare rezult astfel,. Eliminarea celor wE2 = wE-wEI, spire ale nfurrii de excitaie nu se execut prin scurtcircuitare, ntruct la o variaie brusc a curentului motorului de traciune (datorat, ndeosebi, fluctuaiilor rapide ale tensiunii n LC), cele wE2 spire scurcircuitate s-ar comporta ca secundarul unui transformator, al crui curent indus ar agrava comutaia motorului.Metoda secionrii nfurrii de excitaie, necesitnd scoaterea de prize intenriediare pe aceast nfurare, complic din punct de vedere constructiv motorul de traciune. Aparatajul electromecanic aferent este, ns, simplu, comportnd numai contactoare.

Functionarea in regim de franare electrica

Energia cinetica este transformata in energie electrica de motorul de tractiune functionand ca generator

Avantaje: Sporeste siguranta circulatiei

Reduce uzura sabotilor si bandajelor rotilor

Roata franata nu se deblocheaza

Este dependenta de conditia de mediu Ecuatia de energie in frana reostaticaDezavantaje: Dificil de realizat la viteze mici

Necesita echipament electric suplimentar

Solicitare termica ridicata a masinii electrice

Metode de franare utilizate in TE

Franare reostatica

Franare recuperativa

Franare mixta

Franarea recuperativa

Motorul de tractiune, in regim de generator debiteaza pe linia de contact, cu conditia ca t.e.m. sa depaseasca tensiunea la linia de contact

Nu se foloseste pentru oprire ci numai pt limitarea vitezei in panta

Se demonstreaza ca masina cu excitatie serie nu poate trece in regim de franare cu recuperare doar prin simpla crestere a vitezei

Generatorul cu excitatie serie nu prezinta stabilitate electrica in regim de franare cu recuperare

1. Se reprezinta e = f(cf)

2. Dreapta de sarcina

3. tens de autoinductie

Efectul economic al recuperarii energiei de franare este limitat.

Se practica franarea recuperativa cu infasurarea excitatie alimentata de la o sursa separata de cc.

Se practica franarea recuperativa la vehiculele urbane cu un numar mare de franari in combinatie cu franarea reostatica

La vehiculelele de mare viteza se utilizeaza doar franarea reostatica, independenta de LC, deci sigura

Franarea in regim de generator cu ex separata

Caracteristica cu franare recuperativa

(in regim stationar)

pentru in realitate caracteristicile sunt usor curbate datorita reactie indului

Pentru a mentine forta de franare se creste progresiv curentul de excitatie iE

Franarea dinamica (reostatica)

a) Generator cu excitatie serie

b) Generator cu excitatie separata

Franarea reostatica este metoda general utilizata la vehicule cu motor de curent continuu.

a) La vehicule conventionale

Se deconecteaza de la LC

Se mentine sensul curentului de excitatie

Se inverseaza sensul curentului rotoric pentru a obtine capeu de franare

Se pastreaza tensiunea de rotatie

Se conecteaza pe rezistenta de franare rf:

Problema specifica franarii vehiculelor cu motor de curent continuu serie o reprezinta asigurarea autoexcitatiei. Masinile de tractiune functionand in regim de generator cu excitatie serie.

Datorita inductivitatii mari a circuitului generatorului cu excitatie serie stabilirea curentului de excit. Se face mai lent

Pe masura ce energia cinetica scade, scad: curentul rotoic, forta de franare, curentul de excitatie.

b) Stabilitatea electrica a franarii reostatice

Se reprezinta in planul (U,if)

Caract e=f(if) de mers in gol a generatorului

Curentul de sarcina a generatorului U=if(rM+rf)

Diferenta dintre cele 2 curbe este tensiunea de autoinductie T.e.m. are forma curbei de magnetizare/v=ct

c) Caracteristica de franare dinamica

Se obtine pornind de la parametrii cunoscuti ai motorului si caracteristica in regim de tractiune.

-> forma de parabola, folosind relatia:

unde

Pentru viteze mai mici de v3 franare devine instabila, pt a realiza franarea reaostatica la viteze mai mici se reduce rf, limita inferioara de viteza este data de rf=0, tgmin=r1

Ansamblul caract de franare

d) Fortarea excitatieiCompensarea, cel putin partiala, a scaderii fortei de franare reostatica la viteze reduse se poate realiza prin fortarea curentului de excitatie

Riz, Rk este comuna circuitelor: inductor; indus.

La viteze mici, cand if scade se produce o crestere a curentului i, care are tendinta de a mentine de a mentine forta de frecare

f) Alimentarea incrucisata a infasurarii de excitatieMajoritatea vehiculelor sunt echipate cu mai de 2 reostate. Functionarea in paralel a 2 generatoare care debiteaza pe un reostat cu franare poate deveni instabila din cauza fluxurilor neegale ale celor 2 masini.

Daca de exemplu, Brem1>Brem2 va apare un curent de circulatie ic prin G2 de sens opus curentului debitat if2. Curentul ic va reduce progresiv fluxul 2 si deci t.e.m. E2, acest proces determina autoexcitarea generatorului G, in sens invers sub efectul curentului debitat de G1 prin G2. Cele 2 generatoare au t.e.m. inseriate, functioneaza in scurtcircuit si sunteaza rezistenta de franare.

O metoda de excitare a stabilitatii este incrucisarea in functie de excitatie ale celor 2 masini.

daca E1>E2; if1>if2; 1 > 2

sise echilibreaza t.e.m

g) Franarea reostatica folosind generatoare cu excitatie separata

La lucrarea in regim de franare se schimba sistemul de excitatie al masinii

Cuplul de franare este perpendicular cu if, deci si forta de franare. Pentru un curent de excitatie constant caract. de franare Ff=f(v) este o dreapta. Pe masura ce viteza scade, pentru a mentine Ff se creste progresiv curentul de excitatie.

Franarea electrica la VEM cu VTC

Franarea reostatica

Schema de franare reostatica nu utilizeaza dioda de drum liber DRL, chooperul este legat in paralel cu rezistenta de franare Rf si cu masina de tractiune functionand in regim de generator cu excitatie serie.

Pe perioada conductiei VTC, Tc=aT, motorul franeaza dinamic, in scurtcircuit si curentul creste. In perioada de blocare a variatorului T Tc=(1-a)T curentul se inchide prin rezistenta de franare Rf, valoarea lui scade. VTC permite variatia continua a rezistentei de franare de la valoarea maxima, pentru a=0, la valoarea zero, pentru a=1. VTC preia rulul controlerului de bord de la VEM conventionale asigurand reducerea rezistentei de franare pe masura ce viteza vehiculului scade.

Pentru a nu supradimensiona VTC, se imparte reostarul de franare in doua trepte egale, VTC fiind legat in paralel numai cu una dintre ele. TreaptaR f2 se scurt-circuiteaza odata cu reducerea vitezei VEM. Se utilizeaza de asemenea si montaje cu alimentarea separata a infasurarii de exsitatie, curentul de excitatie i fiind furnizat de un VTC in paralel cu o baterie de acumulatoare. Reostatul de franare are valoare fixa.

Franarea recuperativa

Franarea electrica recuperativa este putin utilizata la VEMC. Asta se datoreaza mai multor motive:

functionarea static instabila a masinii de tractiune ca generator de c.c. serie debiteaza in LC;

imposibilitatea trecerii directe a masinii de tractiune de c.c. serie din regim de motor in cel de generator;

efectul economic limitat al recuperarii energiei de franare a VEM in sistemele actuale de tractiune electrica urbana.

Schema de principiu a franarii recuperative

In perioada de conductie TC=aT, a VTC, masina de tractiune functionand ca generator de c.c. serie, franeaza dinamic in scurtcircuit si totodata curentul creste si fluxul de excitatie se mentine la valoare constanta in condtiile cele mai favorabile. Energia cinetica a VEM este convertita in energie electrica iar aceasta la randul ei este transformata in energie magnetica si acumulata in bobinele din circuitul serie al masinii de tractiune. Curentul de franare recuperativa debitat de masina de tractiune scade exponential in timp.

Energia acumulata in bobinele circuitului serie al masinii de tractiune este transferata in LC ca energie recuperativa la franarea VEMC.

Pentru stabilizarea dinamica a franarii recuperative la viteze ridicate exista doua solutii:

1. Inserierea unui rezistor aditional Ra in circuitul de franare.

2. Slabirea automata a fluxului magnetic de excitatie al masinii de tractiune.

Franarea mixta recuperativ-reostatica se aplica la VEM cu VTC pentru obtinerea unei franari electrice sigure si in situatiile cand LC nu este capabila sa preia energia de recuperare.Schema de principiu a franarii mixte recuperative

Dimensionarea rezistorului de franare se face astfel incat caderea de tensiune corespunzatoare lui, la curentul de franare maxim sa nu depaseasca tensiunea de mers in gol ULC din LC. Tiristorul de franare T1 se cupleaza la circuitul de stingere al VTC astfel incat sa poata fi blocat odata cu tiristorul principal al VTC, la sfarsitul perioadei de conductie a VTC. In functie de valoarea tensiunii uCF pe fiecare perioada de tact a VTC energia de franare a VEMC se divide intr-o parte recuperata in LC si o alta parte disipata in rezistorul de franare Rf.

Pe durata de conductie a VTC curentul if debitat de masina de tractiune franand dinamic in scurtcircuit creste exponential in timp. Recuperarea energiei incepe in momentul t1 cand se blocheaza tiristorul principal al VTC si tiristorul de franare T1. Durata recuperarii corespunde incarcarii condensatorului de filtrare CF pana in momentul t2 cand se aprinde tiristorul T1. In continuare energia de franare a VEM este disipata in rezistorul Rf pana in momentul t3 cand intra din nou in conductie VTC preluand curentul din circuitul lui Rf. Tensiunea medie uCF pe condensatorul de filtrare CF reprezinta o masura a nivelului tensiunii din LC.

Formele de unda de curenti si tensiuni

Structura generala a sistemului de actionare cu motoare asincrone a locomotivelor si ramelor electrice

Utilizarea cat mai eficienta a aderentei,adica posibilitatea de a dezvolta forte de tractiune cat mai mari este o problema de maxima importanta in constructia locomotivelor si a ramelor electrice modern.In acest domeniu s-a ajuns la puteri instalate(pe fiecare osie motoare) de ordinal a 1..1,5 MW/osie pentru mase aderente de circa 21..22,5 t/osie.

Utilizarea in tractiune a motorului asincron cu rotorul in scurtcircuit a fost posibila numai dupa asigurarea alimentarii acestuia cu un sistem trifazat de tensiuni de amplitudine si frecventa controlat variabile.Acest tip de alimentare este realizat cu ajutorul unui sistem de convertoare statice de tensiune si frecventa compus dintr-un convertor de masina si un convertor de retea.

Ca structura generala,orice sistem de actionare cu motoare aincrone utilizat pe locomotivele si ramele electrice de mare viteza este alcatuit din:

Circuite electrice principale(de forta)care include:transformatorul de tractiune(TT),convertorul de retea(CR),filtrul resonant L2C2,convertorul de masina(CM) si motorul asincron de tractiune(MAT)

Partea mecanica,care cuprinde transmisia mechanic (TM) dintre motor si osia sau roata motoare si contactul toata-sina

Blocul de control care realizeaza controlul convertorului de retea,controlul ansamblului invertor de tensiune-motor asincron de tractiune precum si controlul antipatinare

Din punct de vedere functional,convertorul de masina este indispensabil si serveste la furnizarea energiei trifazate de c.a pt alimentarea cu parametrii variabili a motorului asincron de tractiune,pe cand convertorul de retea poate servi la modificarea unuia sau mai multor parametrii ai energiei electrice luate din linia de contact sau la asigurarea unor conditii specific de functionare corespunzatoare convetorului de masina.

Circuitele electrice principale pot fi:

Cu un singur stadiu de conversie energetica la care este present numai convertorul de masina,situatie intalnita in cazul vehiculelor alimentate de la linia de contact de c.c

Cu doua stadia de conversie energetica la care,pe langa convertorul de masina,este present si un convertor de retea

Un convertor de 2 cadrane in cazul vehiculelor alimentate de la linia de contact de c.c sau un convertor de 4 cadrane in cazul vehiculelor alimentate de la linia de contact de c.aControlul scalar

Controlul scalar este metoda cea mai simpla pentru a varia viteza masinii pe o variant larga,control cunoscut si sub numele de U/f=ct.Aceasta metoda se bazeaza pe modelul de regim permanent al masinii si realizeaza controlul numai in amplitudine a marimilor electrice neglijand efectul cuplarii acestora in masina.

Performantele controlului scalar sunt inferioare celui verctorial dar acesta are avantajul unei implementari mult mai simple.

Regimurile de functionare se caracterizeaza prin:

Regimul de cuplu constant-utilizat in domeniul actionarilor electrice

Tensiunea statorica atinge valoarea nominal

Fluxul in masina este constant

Alunecarea este constanta

Regimul de putere constanta-utilizat in domeniul actionarilor electrice care au nevoie de viteze superioare vitezei nominale sau in domeniul tractiunii electrice

Tensiunea ramane constanta,la valoarea nominal

Fluxul se diminueaza

Curentul statoric este mentinut constant prin cresterea alunecarii la valoarea maxima

Cuplul se diminueaza viteza unghiulara creste peste viteza de baza

Controlul vectorial

Pentru compensarea tuturor dezavantajelor comenzii scalare sip t o mai buna utilizarea a masinii asincrone in domeniul tractiunii electrice s-a trecut la comanda vectoriala a acesteia.

Performantele aduse de comanda vectoriala sunt:

Performante statice:

Precizie mare pt viteza de rotatie impus(