Transmisie electrica in curent alternativ - curent alternativ pentru o locomotiva diesel electrica

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI FACULTATEA DE TRASNSPORTURI

SPECIALIZAREA VEHICULE PENTRU TRANSPORT FEROVIAR

FFuunncciioonnaarreeaa nn ccoommuunn aa

ttrraannssmmiissiieeii eelleeccttrriiccee cc..aa..--cc..aa..

ccuu mmoottoorruull ddiieesseell ppeennttrruu oo

llooccoommoottiivvaa ddiisseell eelleeccttrriiccaa

Profesor coordonator

Conf. Dr. Ing. Gabriel POPA

Student:

ROIOAR Mircea

Grupa: 8407

2012-2013

2

Cuprins

1. Obiectivele lucrrii.................................................................................................................2

1.1. Introducere...............................................................................................................2

1.2 Avantajele utilizrii multiplei traciuni.....................................................................2

2. Conceptul de locomotiv........................................................................................................3

2.1. Dispunerea echipamentelor..................................................................................3

2.2. Date tehnice i informaii generale......................................................................5

3. Transmisia de putere...............................................................................................................6

3.1. Noiuni generale.......................................................................................................6

3.2. Alegerea motorului diesel........................................................................................7

3.3. Generatorul sincron..................................................................................................8

3.4. Motorul electric de traciune..................................................................................25

4. Analiza cirucitului de for in Simulink................................................................................31

3

1. Obiectivele lucrrii

1.1. Introducere

Aceast lucrarea are ca scop proiectarea transmisiei din curent altenativ n curent

alternativ a unei locomotive cu motor termic.

Cerinele actuale impuse locomotivelor cu motoare termice sunt micorarea

consumului de combustibil i a emisilor, dar n acelai timp conservarea sau chiar mrirea

puterii vehiculului de traciune. O soluie abordat de aceast lucrare, este nsi modificarea

sursei de producere a energiei electrice, implicit a motorului diesel. Spre deosebire de

vehiculele convenionale, la care un singur motor diesel producea energia necesar

vehiculului, n acest caz, acest sarcin a fost mparit la patru uniti de motoare termice

care genereaz o putere a locomotivei de 2886 kW.

Cu o putere a locomotivei de 2886 kW, un efort de traciune la oabad de 300 kN i o

vitez maxim de 160 km/h, acest tip de locomotiv s-a dovedit a fi eficace att pentru

transportul de pasageri ct i de marf, asigurnd o capacitate mare de remorcare datorit

utilizrii optime a forei de traciune.

1.2 Avantajele utilizrii multiplei traciuni

nlocuirea sistemului clasic cu mai cele patru module de motoare diesel a adus cu sine

o serie de avantaje. n primul rnd, motorul utilizat, C18 Acert, este un motor comercial ce se

produce n mas, astfel c nlocuirea acestuia nu este o problem, fiind disponibil

pretutindeni.

Un alt avantaj este faptul c, odata defectat un motor, vehiculul poate circula n

condiii normale, vehiculul de traciune dezvoltnd aceeai for maxim de traciune la

obad.

n alt ordine de idei, funionarea n comun al celor patru motoare, doar la turaia

nominala, de 2300 rpm, aduce cu sine o micorare a consumului de combustibil cu pana la

30% fa de o locomotiv convenional.

La circulaia vehiculului, calculatorul locomotivei, n funie de sarcin determin

numrul de motoare necesare pentru tractarea trenului. Astfel c doar pe anumite intervale vor

fi utilizate doar o parte din motoarele termice, calculatorul menine un echilibru al orelor de

funionare al fiecarui motor. Astfel va fi imbunatit i confortul vibratoriu din interiorul

vehiculului.

Pentru reducerea noxelor, fiecare motor, pe lng recircularea gazelor arse, dispune de

un filtru antiparticule.

4

Fig. 1.1. Normele pentru noxe

Dupa cum se paote observa in figura de mai sus, exista o diferen semnificativ a

noxelor, de la locomotiva diesel clasic (0.15 g/kWh), la locomotiva cu multiple uniti diesel

(0.05 g/kWh).

2. Conceptul de locomotiv

2.1. Dispunerea echipamentelor

Locomotiva este prevzut la ambele capete cu cabin de conducere, posterior

acestora, pe intreaga lungime dintre cabine, se situeaz sala mainilor prevzut cu un culoare

central. n iteriorul acesteia sunt monatae n lateral cele patru motoare Caterpillar C18

ACERT, fiecare conectate la un generator sincron. Pentru ca accesul n sala mainilor sa fie

facil, instalaiile de ventilaie ale motoarelor diesel sunt nglobate n acoperi permind

demontarea la nevoie a acestuia.

5

Fig 2.1. Dispunerea echipamentului din sala mainilor

1. Suflanta motoarelor de traciune;

2. Suport auxiliar;

3. Convertizor static de frecven;

4. Sistem de racire;

5. Motor diesel/ generator sincron;


7. Sistem de rcire al motoarelor diesel;

8. Panou de sigurane;

9. Unitate de ventilaie a motoarelor electrice;

10. Cadru de joas tensiune;

11. Computer de cabin;







18. Panou de sigurane;

19. Compresor i rezervoare de aer comprimat;

20. Motor;

21. Amortizor de zgomot / filtru de particule;

22. Rezisten de frnare;

6

23. Filtru de aer;

24. Rezervor de combustibil;

25. Acumulatori.

2.2. Date tehnice i informaii generale

Dimensiuni i greuti:

Mod de acionare a osiilor: BoBo Ecartament: 1435 mm; Diametrul roilor:

Noua 1.250 mm;

Uzat 1.170 mm;

Lungimea peste tampoane: 18.900 mm;

Limea corpului locomotivei 2.977 mm;

nlime de peste evi de eapament 4256 mm;

Distana dintre osii de 2.600 mm;

Sarcina pe osie (max.) max. 21.5 t;

Capacitate rezervor de 4.000 litri;

Performane:

Viteza maxim de cirulaie: 160 km/h;

Puterea locomotivei: 2900 kW

Viteza de cirulaie rampa caracteristic (18 N/kN): 45 km/h;

Masa tractat la viteza maxim: 660 t;

Masa tractat pe rampa caracteristic: 580 t;

Echipamete:

4 motoare C18 ACERT;

4 generatoare sincron;

Convertizorul Static de frecven;

4 motoare electrice asincrone;

7

3. Transmisia de putere

3.1. Noiuni generale

Fig 3.1. Schema general a transmisiei de putere

Principala surs de alimentare a locomotivei const din cele patru motoare diesel cu o putere

nominal de aproximativ 847 kW la arborele cotit. Selectat, conceptul de multi-motor garanteaz un

nivel nalt de fiabilitate.

Motoarele diesel, fiecare antreneaz un generator sincron cu o putere nominal de

789 kW. Alimentarea motoarelor de traciune se realizeaz prin itermediul unui convertor de frecven

principal.

8

3.2. Alegerea motorului diesel

Pentru stabilirea puterii locomotivei i alegerea motorului s-au inut seama de mai

multe factori:

- gabaritul i masa motorului;

- posibilitatea de circulaie la viteza maxim;

- randamentul transmisiei electrice;

- instalaiile auxiliare;

- randamentul angrenajului mecanic.

innd cont de cele de mai sus, din calcule au rezultat urmtoarele:

Motorul diesel utilizat n acest caz este un motor comercial: C18 Acert, produs de

firma Caterpillar cu urmatoarele caracteristici:

Puterea: 847 kW

Cilindreea total: 18.1 L;

Alezajul: 145 mm;

Cursa pistonului: 183 mm;

Turaia

o Minim: 700 rpm;

o Nominal: 2300 rpm

Masa: 1860 kg;

Dimensiuni: 1591 mm x 1118 mm x 1199 mm.

Puterea motorului diesel se alege:

Puterea locomotivei:

Tonajul remorcat

Coeficientul ce tine seama de instalatiile auxiliare:

Randamentul anrenajului mecanic:

Randamentul generatorului principal:

Randamentul motorului electric de tractiune:

PM 847kW

PL 2886kW

mvr 660tonne

0.95

am 0.99

gp 0.98

met 0.93

9

3.3. Generatorul

Generatorul sincron este o main electric de curent alternativ trifazat cu poli necai

care funcioneaz n reim de generator. Turia generatorului stabilizat fiind proporional cu

frecvena.

Generatorul este legat direct la arborele motor, acesta funioneaza doar la turaia

nominal a motorului diesel.

3.3.1. Parametrii funcionali ai generatorului:

Fig 3.3 Caracteristica generatorului

10

Puterea la bornele generatorului:

Puterea pe faza a generatorului:

Tensiunea maxima de alimentare a motoarelor electrice:

Puterea pe faza a generatorului:

Tensiunea maxima pe faza:

Tensiunea redresata maxima:

Curentul minim pe faza:

Raportul dintre curentul nominal pe faza si curentul minim pe faza:

Curentul nominal pe faza:

Tensiunea nominla pe faza:

Pgs Pm gp

Pgs 788.557 kW

Pg.nf

Pgs

3

Pg.nf 262.852 kW

Um.max 1403V

Pgnf

Pgs

3

Pgnf 262.852 kW

Uf.max 0.8554 Um.max

Uf.max 1.2 103

V

Ur.max 2.338 Uf.max

Ur.max 2.806 103

V

If.min

Pgnf

Uf.max

If.min 219.021A

n 1.5

If.n n If.min

If.n 328.531A

Uf.n

Pgnf

If.n

Uf.n 800.084 V

11

3.2.2. Caracteristicile de funcionare ale generatorului

3.2.2.1. Caracteristica de mers n gol

Coeficientul de reglare:

Tensiunea maxima pe faza:

Curentul maxim pe faza:

Pentru trasarea caracteristicii de mers in gol se porneste de la trasarea caracteristicilor universale de mers in gol:

g 2

Uf.min

Uf.max

g

Uf.min 600.063 V

If.max g If.min

If.max 438.041A

io.n

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Eo.n

0

0.58

1

1.21

1.33

1.4

1.46

1.51

1.55

12

Fig. 3.4. Caracteristica universal

0 1 2 3 40

0.5

1

1.5

2

ie/in

Efo

/Efn

Eo.n

io.n

ino

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

Eou

0

0.25

0.49

0.69

0.87

1.015

1.13

1.225

1.29

1.345

1.38

1.415

1.435

1.46

1.47

1.485

1.5

1.510

13

Fig 3.5. Caracteristica de mers n gol

Tensiunea electromotoare pe faza la mersul in gol la turatia nominala a generatorului:

Se adopta valoarea curentului de excitatie la turatia nominala:

Caracterisica se va trasa pana la valoarea maxima a curentului de excitatie

0 1 2 30

0.5

1

1.5

2

ie/in

Efo

/Ufn

Eou

ino

ien 40A

Ef.on

Uf.max

g g

21

Ef.on 1.342 103

V

ien.max 2 ien si

Ff.on.max 1.33 Ef.on

14

Vectorul de variatie al curentului de excitatie: Vectorul de variatie al tensiunii electromotoare:

Valorile curentului de exictatie: Valorile tensiunii electromotoare:

vi

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.166

1.332

1.498

1.664

1.83

2

vE

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.055

1.11

1.165

1.22

1.275

1.33

ien.v ien vi Ef.on.v Ef.on vE

ien.v

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0

8

16

24

32

40

46.64

53.28

59.92

66.56

73.2

80

A Ef.on.v

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0

268.356

536.713

805.069

31.07310

31.34210

31.41610

31.48910

31.56310

31.63710

31.71110

31.78510

V

15

Fig 3.6. Caracteristica de mers n gol

3.2.2.2. Caracteristica extern

Se traseaza caracteristica externa pentru valoarea turatiei nominale si valoarea variabila a curentului de excitatie

Pentru valoarea curentului de excitatie de 8 A

Tensiunea electromotoare corespunzatoare:

Curentul de scurtcircuit:

Valorile curentului de la curentul mininm pe faza la curentul de scurtcircuit:

0 20 40 60 800

500

1 103

1.5 103

2 103

[A]

[V]

Ef.on.v

ien.v

Ef.on8 Ef.on.v1

Is8 Is1

Iv8

0A

15A

30A

45A

60A

75A

90A

Is1

16

Tensiunea pe faza:





Tensiunea pe faza:





Uf8 Ef.on82

Xs2

Iv82

Ef.on16 Ef.on.v2

Is16 Is2

Iv16

0A

30A

60A

90A

120A

150A

180A

Is2

Uf16 Ef.on162

Xs2

Iv162

Ef.on24 Ef.on.v3

Is24 Is3

Iv24

0A

45A

90A

135A

180A

225A

260A

Is3

17

Tensiunea pe faza:





Tensiunea pe faza:





Uf24 Ef.on242

Xs2

Iv242

Ef.on32 Ef.on.v4

Is32 Is4

Iv32

0A

60A

120A

180A

240A

300A

360A

Is4

Uf32 Ef.on322

Xs2

Iv322

Ef.on36 Ef.on.v4

36

32

Is36 Is4

36

32

Iv36

0A

70A

140A

210A

280A

350A

420A

Is4

36

32

18

Tensiunea pe faza:





Tensiunea pe faza:

Pentru valoarea curentului de excitatie de 46.63 A




Uf36 Ef.on362

Xs2

Iv362

Ef.on40 Ef.on.v5

Is40 Is5

Iv40

0A

75A

150A

225A

300A

375A

450A

Is5

Uf40 Ef.on402

Xs2

Iv402

Ef.on46.63 Ef.on.v6

Is46.63 Is6

Iv46.63

0A

80A

160A

240A

320A

400A

480A

Is6

19

Tensiunea pe faza:





Tensiunea pe faza:





Uf46.63 Ef.on46.632

Xs2

Iv46.632

Ef.on53.28 Ef.on.v7

Is53.28 Is7

Iv53.28

0A

85A

170A

255A

340A

425A

510A

Is7

Uf53.28 Ef.on53.282

Xs2

Iv53.282

Ef.on59.92 Ef.on.v8

Is92.92 Is8

Iv59.92

0A

90A

180A

270A

360A

450A

540A

Is8

20

Tensiunea pe faza:





Tensiunea pe faza:





Uf59.92 Ef.on59.922

Xs2

Iv59.922

Ef.on66.56 Ef.on.v9

Is66.56 Is9

Iv66.56

0A

95A

190A

285A

380A

475A

570A

Is9

Uf66.56 Ef.on66.562

Xs2

Iv66.562

Ef.on73.2 Ef.on.v10

Is73.2 Is10

Iv73.2

0A

100A

200A

300A

400A

500A

600A

Is10

21

Tensiunea pe faza:





Tensiunea pe faza:

Uf73.2 Ef.on73.22

Xs2

Iv73.22

Ef.on80 Ef.on.v11

Is80 Is11

Iv80

0A

105A

210A

315A

420A

525A

630A

Is11

Uf80 Ef.on802

Xs2

Iv802

22

Fig 3.7. Caracteristica extern

3.2.2.3. Caracteristica de putere

Pentru tensiunea maxima pe generator:

0 200 400 6000

500

1 103

1.5 103

[A]

[V]

Uf8

Uf16

Uf24

Uf32

Uf36

Uf40

Re Uf46.63

Uf53.28

Uf59.92

Uf66.56

Re Uf73.2

Re Uf80

Iv8 Iv16 Iv24 Iv32 Iv36 Iv40 Iv46.63 Iv53.28 Iv59.92 Iv66.56 Iv73.2 Iv80

0deg 10deg 180deg

Pmax 3 Uf.max Ef.on

Xssin Pmin

3 Uf.min Ef.on

Xssin

23

0 50 100 1500

5 105

1 106

1.5 106

[grd]

[W]

Pmin

Pmax

Pe.g

5325

180

Pmax 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0

306.188

603.073

881.634

31.13310

31.35110

31.52710

31.65710

31.73610

31.76310

31.73610

31.65710

31.52710

31.35110

31.13310

881.634

603.073

306.188

-132.15910

kW

Fig 3.8 Caracteristica de putere

Pmin

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0

153.094

301.536

440.817

566.703

675.37

763.517

828.465

868.24

881.634

868.24

828.465

763.517

675.37

566.703

440.817

301.536

153.094

-131.0810

kW

24

3.2.2.4. Caracteristica de reglaj

Uf1

1800V

1500V

Uf.max

1100V

950V

Uf.n

740V

650V

Uf.min

550V

510V

If1

170A

180A

If.min

240A

280A

If.n

350A

400A

If.max

550A

650A

0 200 400 600 8000

500

1 103

1.5 103

2 103

[A]

[V]

Uf8

Uf16

Uf24

Uf32

Uf36

Uf40

Re Uf46.63

Uf53.28

Uf59.92

Uf66.56

Re Uf73.2

Re Uf80

Uf

Uf1

Iv8 Iv16 Iv24 Iv32 Iv36 Iv40 Iv46.63 Iv53.28 Iv59.92 Iv66.56 Iv73.2 Iv80 If If1

25

Fig 3.9. Caracteristica de reglaj

0 200 400 600 80030

40

50

60

70

80

[A]

[A]

i36

i40

i46.63

i53.28

i59.92

i66.65

i73.2

i80

q1

q2

I36 I40 I46.63 I53.28 I59.92 I66.56 I73.2 I80 w1 w2

26

3.3. Motorul electric de traciune

Regimul de pornire.

Aceste regim se ntlnete la trecerea vehiculului din starea de repaus n starea de

micare, corespunztoare unui regim de funcionare staionar. Pentru un vehicul, acest regim

este determinat de relaia dintre fora de traciune care acionaez asupra osiilor motoare,

rezistenele la naintare a trenului i momentul de inerie al ntregului ansamlblu. Fpra de

traciune este determinat de valoare cuplului motor, numrul de mtoare, raportul de

transmitere al angrenajului cu roi dinate i diametrul roii motoare.

Regimul de pornire corespunde puntului a din figura 3.10. n care: curba 1 reprezint

fora de traciune la oabada roilor motoare, iar curba 2 rezistena total a trenului la naintare.

Fora de traciune lapornire trebuie sa fie mai mare decat rezistena pentru ca pornirea sa fie

posibil.

Diferena Fp-Rt reprezint fora de accelerare de valoare de care depinde de timpul de

pornire al trenului.

Fig. 3.10. Caracteristica de pornire

n momentul V = 0 i alunecare s = 1, rezult c tensiunea la pornire va fi:

= ( )/

Aceast formul de calcul a tensiunii de pornire induce nesigurana pornirii

trenului.deoarece Fp =Rt. Pentru a se asigura o forta de tractiune care sa permita smulgerea

din loc a trenului se paote stabili o forta specifica de inertie corespunzatoare unei acceleratii

de 0,2 0,6 m/s^2.

27

Vehiculul motor trebuie conceput astfel incat sa poate fi folosit la remorcarea

trenurilor de la greutatea proprie la greutatea maxima, din acest motiv rezulta modificarea

tensiunii cu mentinrea la valoare constanta a frecventei.

Fig 3.11. Caracterisiticile Fa(V) si Rt(V)

3.3.1 Calculul frecvenei nominale la pornire

Viteza nominala:

Coeficientul de suprasolicitare a motorului:

Vn 66.5km

hr

n

Vmax

Vn

n 2.406

An n n2

1

An 0.218

28

Impedanta la pornire:

Se vor calcula constantele:

L 2.087 103

H

an R12

An2

an 4.615 104

2

bn 2 R12

An2

bn 9.23 104

2

cn R12

2 R212

An2

4 Vn

2 iT

2 L

2 p

2

Duzat2

cn 0.454 2

dn 2 R212

An

dn 4.502 103

2

en R212

en 2

sn 1 0.9 1

fn sn an sn4

bn sn3

cn sn2

dn sn en

1 0.5 0 0.5 1

0.2

0.2

0.4

0.6

[Hz]

fn sn

sn

29

3.3.2. Calculul frecventei maxime

Coeficientul de suprasolicitare al motorului:

Se noteaza:

Impedanta la pornire:

Se calculeaza constantele:

fnom

Vn iT p

Duzat 1 sn

fnom 52.468 Hz

iT.

Duzat fnom 1 sn

p Vn

iT 5.227

Vmax

Vmax

1

A 2

1

A 1

LX

2 fnom

L 2.084 103

H

a R12

A2

a 9.742 103

2

b 2 R12

A

b 0.019 2

c R12

R212

A2

4 Vmax

2 iT

2 L

2 p

2

Duzat2

30

1 0.5 0 0.5 1

1

1

2

3

[Hz]

f sk

sk

c 2.561 2

d 2 R212

A

d 0.021 2

e R212

e 0.01 2

sk 1 0.9 1

f sk a sk4

b sk3

c sk2

d sk e

fmax

R212

R12

sk2

2 L sk

fmax 129.98 Hz

L1

R212

R12

sk2

2 fmax sk

31

4. Analiza circuitului principal de for

32

vvr in Simulink

34

Bibliografie

1. Tractiunea feroviara cu motoare asincrone trifazate, G. Popa, MatrixRom, 2011

2. Locomotive i automotoare cu motoare termice, Al. Popa, Editura Didactic i Pedagogic

http://www.bjbc.ro:8081/opac/publisher/2242;jsessionid=8588F857EB689753B926E6B026711CDC

Documents

Transmisie electrica in curent alternativ - curent alternativ pentru o locomotiva diesel electrica