Metode de Diagnoza a Convertoarelor Statice Care Alimenteaza Serviciile Auxiliare de pe Locomotiva Electrica

Metode de diagnoză a convertoarelor statice care alimentează serviciile auxiliare de pe locomotiva electrică

Cuprins

Capitolul 1

Locomotiva electrică. Generalități. Structură.

1.1. Stadiul actual

1.2. Locomotiva electrica

1.3. Părțile principale ale locomotivei electrice

Capitolul 2

Servicii auxiliare. Noțiuni introductive. Tipuri.

2.1. Scheme electrice

2.2.Circuite principale de forță

2.3. Serviciile auxiliare ale locomotivei

Capitolul 3

Diagnoza defectelor ce pot apărea la serviciile auxiliare

3.1. Introducere

3.2. Metode de diagnoza a defectelor

3.3. Defecte motoare

3.4. Defecte la nivelul lagărelor

3.5. Defecte la nivelul sistemului electric

3.6. Modul de manifestare al defectelor

3.7. Metode de detecție a defectelor

Simularea schemei serviciilor auxiliare de pe locomotiva electrică

4.1. Prezentarea funcționării schemei în regim normal de funcționare

4.2. Prezentarea funcționării schemei în condiții de defect

4.2.1. Pierderea alimentării invertorului

4.2.2. Pierderea unei faze a ieșirii invertorului

4.2.3. Scurtcircuit pe 2 dintre faze la ieșirea invertorului

Bibliografie

Capitolul 1

Locomotiva electrică. Generalități. Structură.

Stadiul actual

La începutul secolului 20 apar în România primele locomotive electrice. Primele locomotive electrice de cale normală din parcul CFR au apărut în 1965.

În luna aprilie 1964 se semna între CFR și firma suedeză ASEA contractul prin care se dorea livrarea a 10 locomotive complete și a instalației electrice pentru înca 28 de locomotive ce urmau a fi construite în România, în baza achiziționării licenței.

Tipul de locomotivă comandat prin caietul de sarcini prezenta diferețe esențiale în comparație cu prototipurile Rb1, fiind pe 6 osii (Co'Co') și având o putere de 5400 kW și frânare electrică reostatică. Prima dintre cele zece locomotive a fost gata la sfârșitul anului 1965, următoarele opt fiind livrate în anul 1966, iar ultima a fost dotată cu un echipament electric experimental, cu redresoare semicomandate cu punți mixte (diode și tiristori), permițând astfel frânarea recuperativă.

În 1972 este realizată locomotiva electrica „EA-2-122”. În 1977 aceasta este modificată pentru atingerea vitezei maxime de 200 km/h. În 1977 este construită o a doua locomotivă de acest fel- „EA-302”. Ambele locomotive fiind încadrate la „clasa 42”. Cu „EA-302” s-a atins recordul de viteza, pe caile ferate romane, de 204 km/h, la Poligonul Experimental Feroviar Faurei, inaugurat în 1978.

În 1989 existau 5 clase de locomotive electrice și anume:

clasa 41 (060-EA-1);

clasa 42 (060-EA,pentru teste de viteza);

clasa 43 (040-EC, import Iugoslavia);

clasa 44 (040-EC-1, import Iugoslavia).

După 1998 sunt realizate și alte tipuri de locomotive electrice. Astfel, începand cu anul 1999, sunt modernizate locomotivele electrice ale clasei 41 a CFR-Calatori. Modernizările aduse vechii locomotive electrice presupun: introducerea convertizoarelor electronice de tracțiune pentru indus (CET-I) și pentru excitație (CET-E), și a celor pentru servicii auxiliare, un compresor de aer elicoidal (în locul celui cu surub), o instalație de masură și control a vitezei (cu DSV încorporat), o instalație de comandă cu calculator de bord (tip ICOL) (sunt primele locomotive romanesti care folosesc controlul de tracțiune digital), prevazută cu un display pe care se afișează starea tuturor parametrilor locomotivei, instalație de uns buza bandajului cu duze de ulei tip „Scheleron”, angrenaj de tracțiune cimentat, sistem de frânare modernizat, bord de conducere ergonomic, o mai bună izolație termică și fonică a postului de conducere, dar și o instalație de aer condiționat și frigider în postul de conducere, vopsire exterioară roșu (in loc de alb). Practic, din vechea locomotivă au mai ramas doar boghiurile, sașiul, cutia, transformatorul și motoarele de tracțiune.
Toate aceste modernizări au dus la creșterea puterii locomotivei de la 5.100 kW la 6.600- 7.000 kW și la o reducere a consumului de curent electric cu 10-15 %, dar și la o întretinere mai ușoară.

În anii 2001-2002 sunt modernizate și 3 locomotive ale vechii clase 43/44, care intră tot în parcul CFR-Calatori, fiind cunoscute la „clasa 46”.
În cadrul expozitiei „Zilele feroviarului”, din octombrie 2009, sunt prezentate trei noi locomotive electrice (clasa 47), care urmează să intre în dotarea CFR-Marfa.

Acestea sunt:

locomotiva electrică modernizată de „Promat-Craiova”, asemanătoare locomotivelor modernizate deținute de către CFR-Calatori (reglaj cu tiristoare în circuitele de forță de joasă tensiune, eliminarea ansamblului graduator-selector și a problemelor deosebite pe care acesta le ridica în timpul tracțiunii, utilizarea convertizoarelor statice de tensiune și frecvență, folosirea unui electrocompresor de ultimă generație elicoidal ultracompact tip „Gardner-Denver”, folosirea unui sistem digital antipatinaj, cu creșterea forței de tracțiune, etc);

noua locomotivă electrică (viteza maxima: 160 km/h și putere: 6.600 kW) denumită „Phoenix” și produsă de „Softronic-Craiova”;

locomotiva electrică „Siemens” (import Germania), ultramodernă (are frâne cu disc și senzor pentru măsurarea temperaturii la osii), cu o putere de 6.600 kW și o viteză maximă de 140 km/h. Este cea mai modernă locomotiva electrică care circulă la ora actuala în România, fiind folosită de operatorul „Trans Cargo Vagon”.

Așadar, după 1998, au apărut în România următoarele locomotive electrice:

clasa 45 – este varianta modernizată a clasei 41. Viteza maxima este de 160 km/h, iar forță de tracțiune 275 kN.

clasa 46 („delfinul”) – este varianta modernizată a clasei 43. Viteza maximă este de 160 km/h, iar forță de tracțiune 275 kN.

clasa 47 – varianta modernizată pentru CFR-Marfa a clasei 40. Viteza maximă este 120 km/h, puterea 6.000 kW (față de 5100 kW la vechea locomotivă), iar forța de tracțiune 485 kN.

„Phoenix”, realizată la „Softronic” Craiova, având 6600 kW și viteză maximă de 160 km/h.

„TransMontana”, realizată de „Softronic” Craiova – locomotivă nouă, având cea mai mare putere dintre toate locomotivele românești de până acum, 6.600 kW și 8.200 kW (de scurtă durată), forță de tracțiune la demaraj 420 kN (și 320 kN în regim continuu) și viteza maximă 160 km/h. Această locomotivă deschide o nouă clasa – clasa 48.

„Siemens ES64F4” – există două astfel de locomotive, folosite de operatorul „Rail Cargo Vagon”, fiind importate din Germania. Caracteristicile acestei locomotive sunt următoarele: formula osiilor „Bo-Bo”, puterea 6.400 kW, viteza maximă 140 km/h, forță de tracțiune 300/270 kN, iar ca dotări dispune de: computer de bord, controlul digital al tracțiunii și frânării, frâne cu disc, senzor de temperatura la osie și bord ergonomic, cu „manșă” și ecrane LCD. Lungimea peste tampoane este de 19.580 mm, greutatea 87 tone, raza minimă de înscriere în curbe de 80 m. [8]

1.2. Locomotiva electrica

Locomotiva electrică din România are origini suedeze, datând încă din 1966, data la care prima a ieșit pe poarta uzinelor ASEA (Almana Svenska Electrica Actiebolaget). În România, tracțiunea electrică a fost introdusă în 1963, când au început testele tehnice, iar în 1966 a circulat prima astfel de locomotivă în țara noastră. Uzinele Electroputere Craiova au cumpărat licența în 1970 și au început să producă locomotiva, până în 1991, când fabrica s-a profilat pe acțiuni de mentenanță și modernizare. La acea oră, a fost considerată singura locomotivă capabilă să tracteze trenuri grele la altitudine cu viteza de 80 km/h.

În tracțiunea electrică neautonomă vehiculele și instalațiile electrice fixe formează un tot unitar. Elementele componente ale acestui ansamblu sunt următoarele :

Fig. 1.1 – Ansamblul de tracțiune [3]

Centrala electrică (1) care constituie sursa de energie electrică (T-turbină, G-generator, Tr-transformator), liniile de transport de înaltă tensiune a energiei electrice (2), substațiile de tracțiune (3) care adaptează felul curentului electric primit prin liniile de transport la necesitățile locomotivei electrice, cablurile de alimentare ale liniei de contact (4), linia de contact (5), locomotiva electrica (6), care se afla in contact permanent cu linia de contact prin intermediul piesei P denumita pantograf, șină (7) și cablurile de întoarcere (8).

În cazul tracțiunii electrice rutiere (troleibuz), calea de întoarcere a curentului este formată, în loc de șină, de un al doilea fir aerian de contact.

Centrala electrică și liniile de transport dintre centrală și substațiile de tracțiune se cuprind în ansamblul instalațiilor fixe de tracțiune electrice numai dacă acestea aparțin administrațiilor de căi ferate.

În prezent, substațiile de tracțiune ale căilor ferate electrificate sau ale transportului urban electric se racordează la sistemele energetice naționale și ca urmare centralele electrice și liniile de transport de înalta tensiune nu se mai cuprind în ansamblul instalațiilor de tracțiune electrică. [3]

1.3. Părțile principale ale locomotivei electrice

Orice locomotivă prezintă două părți principale:

Partea mecanică;

Partea electrică.

Elementele principale ale părții mecanice sunt: cutia C și aparatul de rulare R. În componența aparatului de rulare intră: Osiile cu roțile montate, cutiile de rulmenți ale fusurilor osiilor, cadrul, în care se montează acestea, suspensia și o parte a echipamentului de frânare. Aparatele de rulare pot fi legate la cutie, cu și fară libertate libertate de rotire față de aceasta în plan orizontal. În primul caz acestea se numesc boghiuri B, iar în al doilea caz aparate de rulare rigide RR.

Fig.1.2 – Ansamblul locomotivă [3]

Atât aparatele de rulare rigide cât și boghiurile pot avea uneori aparate de legare secundare (RS) nemotorizate, care cuprind una sau două osii denumite osii sau roți alergătoare, sau cărucioare alergătoare.

Osiile alergătoare pot fi montate la ambele capete ale aparatului de rulare sau numai la un capăt. Numărul osiilor alergătoare poate să nu fie același la cele două capete ale aparatului de rulare. Osiile sau cărucioarele alergătoare pot să se roteasca în planul orizontal față de cadrul rigid sau față de boghiu.

Există o tendința netă de renunțare la osiile alergătoare, atât la locomotivele de viteză medie (100-160km/h), cât și la cele de mare viteză (200-250km/h).

Elementele principale ale părții electrice sunt:

captatorul de curent P, de obicei de tip pantograf la locomotivele magistrale, motoarele electrice de tracțiune MT

complexul de agregate de adaptare A a curentului liniei de contact la sistemul de curent și tensiunea motoarelor de tracțiune.

motoarele compresoarelor și ventilatoarelor

aparate de comandă (controller, contactoare) etc.

Agregatele serviciilor auxiliare pot fi realizate în mai multe variante:

cu condensatoare

cu grup ARNO (obtinându-se a 3-a fază dintr-o înfășurare)

cu invertoare trifazate.[3]

Fig. 1.3 – Ansamblul instalație electrică: A-agregat de adaptare, MT-motor de tractiune, P-pantograf [3]

Capitolul 2

Servicii auxiliare. Noțiuni introductive. Tipuri.

2.1. Scheme electrice

După cum se cunoaște, mașinile și aparatele electrice se leagă intre ele și la sursa de energie electrică, formând in ansamblu circuite electrice.

În domeniul locomotivelor electrice, circuitele se clasifică după rolul funcțional pe care acestea îl îndeplinesc:

Circuite principale de forță;

Circuite auxiliare de forță;

Circuite de comanda, protecție si semnalizare. [4]

2.2.Circuite principale de forță

Circuitele principale de forță sunt cele parcurse de curenții motoarelor de tracțiune sau de curenții aflați în dependență directă cu acești curenți. Astfel, de exemplu, circuitul înfășurării autotransformatoare și al înfășurării de înaltă tensiune a transformatorului fac parte din categoria circuitelor principale de forță deoarece, între infășurarea de înaltă tensiune și înfășurarea secundară care alimentează motoarele de tracțiune, energia electrică se transmite prin cuplaj electromagnetic

Circuitele auxiliare de forță, denumite deseori și circuite de forță ale serviciilor auxiliare, cuprinzând acele mașini și aparate electrice – care deși nu concură direct la realizarea forței de tracțiune și la reglajul vitezei, sunt totuși necesare pentru funcționarea locomotivelor – cum sunt: agregatele motor-compresor, care asigură aerul pentru frână pneumatică (mecanică) a trenului și acționarea contractoarelor electropneumatice și a pantografului; grupurile motor-ventilator, pentru ventilarea (răcirea) forțată a motoarelor de tracțiune, a transformatorului, a redresoarelor, a rezistențelor de demaraj, de frânare electrice și de trecere; grupul de alimentare a circuitelor de comandă, protecție și semnalizare și altele.

Circuitele de comandă, protecție și semnalizare servesc la efectuarea comenzilor de modificare a circuitelor principale și auxiliare de forță, la deconectarea automată a circuitelor de forță în caz de suprasolicitare sau avarii și la semnalizarea regimurilor de funcționare ale echipamentului locomotivei.

Dezavantajul principal al acestei soluții, din punct de vedere al siguranței exploatării, constă în imobilizarea totală a locomotivei pe linie în cazul defectării unei diode sau a înfășurării secundare a transformatorului. Pentru evitarea partială sau totală a acestui neajuns, se folosește una din scheme prezentare în figura de mai jos.

Schemele din figură asigură continuarea drumului ( cu putere redusă) numai în cazul defectării unei diode (sau a doua din ele care funcționează în alternanțe diferite), dar nu și în cazul defectării înfășurării secundare a transformatorului.

Fig. 2.1 – Scheme de conectare a redresoarelor pe motoarele de tracțiune [4]

La figura 2.1. d), funcționarea locomotivei (cu putere redusa) este asigurată și în cazul defectării uneia din cele două înfășurări ale secundarului transformatorului.

Schemele din figurile 2.1 a, b și c sunt echivalente din punctul de vedere al gradului de siguranță al funcționării locomotivei în cazul defectării unei diode, dar ele se deosebesc totuși între ele prin modul în care este asigurată puterea redusă și încercarea termică a echipamentului electric.

În cazul schemei din figura a, ieșirea din funcțiune a unei diode conduce la reducerea la jumătate a curentului maxim admis și deci la reducerea la jumatate a forței de tracțiune. Motoarele de tracțiune fiind legate toate în paralel, la aceleași borne de alimentare, vor primi pe colector tensiunea nominală, dar fiecare motor va fi încărcat pe jumătate din curentul și cuplul lor față de sarcina care le-ar reveni în cazul când ar funcționa toate diodele. Ieșirea din funcțiune a unei diode atrage după sine necesitatea deconectării (separării) celor două motoare de tracțiune care se alimentau de la dioda respectivă. Tensiunea aplicată motoarelor ramase în funcțiune va fi egală tot cu cea nominală, forța de tracțiune a locomotivei se reduce la jumătate, dar ea este asigurată numai de două motoare (sau trei în cazul locomotivelor C0C0), deci ele vor funcționa în regim normal.

În primele două scheme reducerea puterii se face prin reducerea forței de tracțiune. Deosebirea dintre cele doua scheme constă în faptul că în primul caz funcționează toate motoarele locomotivei, iar în cel de-al doilea caz numai jumătate dintre ele.

În schema c) diodele sunt legate două câte două, în serie. În cazul în care se defectează o diodă, de exemplu dioda 3, acesta este șuntată (linia întreruptă), procedându-se la fel și cu dioda 4. Tensiunea aplicată motoarelor de tracțiune se reduce la jumătate. Prin aceasta, reducerea puterii locomotivei se face prin micșorarea vitezeii și nu a forței de tracțiune (spre deosebire de schemele din figurile a) și b)). Motoarele de tracțiune rămân toate conectate la diodele rămase în funcțiune și deci încărcarea lor termică va fi practic aceeași ca la funcționarea normală a locomotivei (deoarece pierderile electrice depind în principal de curent și nu de tensiune).

Schema din figura d) asigură funcționarea chiar și la defectarea uneia din înfășurările secundare ale transformatorului. De remarcat, ca defectarea unei diode sau a unei din înfășurările secundare obligă la menținerea în funcțiune numai a unei jumătăți din numărul motoarelor de tracțiune. Reducerea puterii locomotivei se face deci prin micșorarea forței de tracțiune.

Se pot realiza și alte scheme de alimentare a motoarelor de tracțiune de la două redresoare ( sau chiar trei în cazul locomotivelor C0C0), dar toate conduc la reducerea la jumătate a puterii locomotivelor în cazul apariției unui defect în blocul de redresoare ( cu excepția cazului utilizării a trei grupuri redresoare pe locomotivele C0C0 când puterea se reduce numai cu 33%).

Pentru păstrarea puterii locomotivei, în cazul defectării unei diode, la o valoare cât mai apropiata de cea nominală, ar fi necesară folosirea schemei din figura de mai jos (fiecare motor cu grupul redsor propriu).

În acest caz, defectarea unei diode ar reduce numai cu 25% puterea unei locomotive B0B0 și cu numai 16,6% a unei locomotive C0C0.

Fig. 2.2 – Schema de conexiune a redresoarelor pe motoarele de tracțiune [4]

În schemele prezentate s-a neglijat, în mod voit, modul în care se asigură variația tensiunii de ieșire a transformatorului, deoarece aceste scheme pot fi folosite atât în cazul reglajului pe partea de înalta tensiune ( pentru acesta în afara înfășurării primare se mai prevede și o înfășurare de reglaj), cât și în cazul reglării pe partea de joasa tensiune.

Este important însa de ramarcat că în unele cazuri se utilizeaza scheme în care reglajul tensiunii se poate face numai pe partea de joasa tensiune. Un exemplu în această privința este prezentat în figura 2.3.

Fig. 2.3 – Reglarea tensiunii pe partea de joasă tensiune [4]

Înfășurarea secundară a transormatorului este împărțită în trei, astfel a Uab=Uet>Uc0=Ud0. Grupul de motoare de tracțiune M1……M3 este alimentat de la diodele 1 și 3, iar motoarele M4 si M6 de la diodele 2 si 4. Poziția cuțitelor separatoare 17 și 18 este prezentată în schemă, pentru cazul funcționării normale a locomotivei.

Scopul secționării înfășurării secundare a transformatorului constă în reducerea numărului de contractoare de priză pentru reglejul tensiunii, care în figura de mai sus sunt prezentate în mod convențional prin cursoarele P1 si P2.

În prima etapă a reglajului sunt închise contractoarele C1 si C2, ceea ce conduce la punerea în opoziție a înfășurărilor d-O cu a-b și O-c cu e-f (figura b). Deoarece Uab-Ud0+U și Uef-UOc+U, tesniunea aplicată catozilor diodelor este egală cu U pe prima treaptă de reglaj. Prin deplasarea cursoarelor P1 si P3 este punctul „0”, tensiunea de ieșire crește deoarece tensiunea de opoziție se micșorează în valoare. În felul acesta, prin deplasarea cursoarelor de la punctul „0” spre capetele înfășurării centrale, tensiunile se însumează, mărindu-se treptat. Tensiunea nominală se obține când cursorul P1 ajunge in punctul C, iar cursorul P2 în punctul D.

În cazul defectării unei diode, schema expusă mai sus permite funcționarea locomotivei la jumătate din putere. Cuțitele separatoarelor 17 și 18 sunt astfel dispuse în schema încât, la manevrarea unuia dintre ele din poziția „normal” în poziția „avarie”, redresorul defect să poată fi scos din circuit, iar cele două grupuri de mototare de tracțiune să fie legate în serie. În felul acesta, tensiunea aplicată pe fiecare motor se reduce la jumătate, ceea ce are ca urmare reducerea vitezei locomotivei față de regimul normal, dar păstrandu-se forța de tracțiune. [4]

2.3. Serviciile auxiliare ale locomotivei

Prin serviciile auxiliare se înteleg agregatele și instalațiile care nu participă direct la realizarea forței de tracțiune și a reglajului vitezei, dar sunt necesare funcționării ansamblului locomotivei.

Serviciile auxiliare au trei părți distincte:

sursa de alimentare și instalația de adaptare;

agregatele serviciilor auxiliare;

instalațiile de alimentare ale circuitelor de comdandă, protecție, semnalizare și speciale.

Schema stucturală de principiu a serviciilor auxiliare ale locomotivelor monofazate este prezentată în figura 2.4.

Fig. 2.4 – Schema structurală de principiu a serviciilor auxiliare ale locomotivelor monofazate [4]

Sursa principală de alimentare a serviciilor auxiliare o constituie linia de contact, prin intermediul transformatorului principal. Tensiunea înalta monofazată este adaptată la condițiile impuse de agregatele și instalațiile serviciilor auxiliare. Adaptarea consă în reducerea tensiunii și redresare, dacă mașinile electrice ale agregatelor serviciilor auxiliare sunt de curent continuu, sau în reducerea tensiunii și convertirea de fază ( de la monofazat la trifazat), dacă mașinile sunt de curent alternativ.

De la instalația principală de adaptare sunt alimentate direct: mașinile electrice ale serviciilor auxiliare, instalația secundară de adaptare și redresorul serviciilor auxiliare. Instalația secundară de adaptare este necesară deoarece, de obicei, tensiunea economică pentru mașinile electrice este mai mare decât a celorlați consumatori.

Redresorul are dublu rol, și anume:

-de a alimenta circuitele de comandă, protecție și semnalizare a locomotivei, care întotdeauna se realizează în curent continuu de tensiune relativ joasă (48…170 V);

-de a încărca bateria de acumulatoare, care reprezintă sursa secundară de alimentare a unei părți a serviciilor auxiliare ale locomotivei.

Prezența bateriei de acumulatoare pe locomotivă este obligatorie, ea asigurând îndeplinirea unui minimum de funcțiuni absolut necesare, atunci cand tensiunea primară lipsește ( de exemplu, alimentarea foccurilor de poziție ale locomotivelor ).

De la instalația principală de adaptare se alimentează și instalația de încălzire a trenului.

Schema de principiu a serviciilor auxiliare ale locomotivelor de curent continuu este prezentată în figura 2.5.

Fig. 2.5 – Schema de principiu a serviciilor auxiliare ale locomotivelor de curent continuu [4]

Ca și în cazul precedent, sursa principala de alimentare este linia de contact, iar motoarele agregatelor serviciilor auxiliare sunt alimentate direct la linia de contact.

Instalația de adaptare pentru restul consumatorilor constă dintr-un grup rotativ de mașini electrice. Alimentarea instalațiilor de încălzire a trenului se face la tensiunea liniei de contact ( 1500 sau 3000 V c.c. ).

Motoarele electrice ale agregatelor serviciilor auxiliare sunt următoarele:

Motoarele grupurilor compresoare

De obicei, locomotivele electrice sunt echipate cu două compresoare, rar cu unul singur. Compresoarele furnizează aerul comprimat necesar frânării întregului tren

(Vagoane și locomotivă). O mică cantitate a aerului comprimat este folosită pentru acționarea contractoarelor electropneumatice și a pantografelor. Puterea necesară antrenarii unui compresor ( puterea motorului electric ) este în jur de 20-22 kW, la 1000-1200 rot/min.

Motoarele grupurilor ventilatoare, pentru răcirea motoarelor de tracțiune.

După cum este cunoscut, pentru mărirea puterii de tracțiune, acestea sunt puternic ventilate ( răcire forțată ) de la o sursă exterioară de curent de aer. Instalația de ventilatie poate fi centră ( pentru fiecare boghiu o instalație ) sau individuală (pentru fiecare motor de tracțiune separat). În cazul boghiurilor monomotor, instalația de ventilație devine centrală numai dacă este una singură pe toată locomotiva.

Pentru locomotivele pe sașe osii, de 4000-6000kV, puterea totală necesară pentru răcirea motoarelor de tracțiune este în jur de 16-20kW.

Mototarele grupurilor ventilatoarelor de răcire ale redresoarelor (mutatoarelor)

Instalația de ventilatie poate fi, de asemenea, centrală sau individuală. Puterea totală necesară este mai mică, în jur de 1-2kW pentru 1000kW. De remarcat că, odată cu trecerea la schemele monobloc ( motor de tracțiune-redresor ), ventilația se face individual și de obicei, este comună pentru redresor și motorul de tracțiune.

Motoarele instalației de răcire forțată a transformatorului

Transformatoarele principale ale locomotivelor electrice se construiesc cu răcire forțată în scopul reducerii gabaritelor și a greutății. Uleiul de răcire circulă prin transformator și radiator, sub acțiunea unei pompe de ulei antrenată de un motor electric de 2-3kW. Radiatorul este răcit de un ventilator antrenat de un alt motor electric, de 10-15 kW.

Motoarele grupurilor ventilatoare de răcire a rezistențelor de frânare

În scopul reducerii gabaritelor și a greutății bateriilor de rezisțente active, acestea sunt ventilate puternic. Puterea necesară pentru răcirea unei instalații de rezistență capabilă să se încarce cu 1000 kW este de circa 4-6 kW.

Mototarele enumerate sunt cele care se întâlnesc în mod obișnuit pe locomotivele electrice. În funcție de concepția generală a schemei serviciilor auxiliare, în unele cazuri mai pot să existe pe locomotive și alte motoare, cum ar fi, de exemplu, motorul pentru antrenarea unui mic compresor care furnizează aerul comprimat necesar ridicării pantografelor în cazul în care instalația a fost golită în urma unei staționări mai îndelungate ( acest motor este alimentat de la bateria de acumulatoare ).

Sistemul de curent al motoarelor serviciilor auxiliare și alimentarea acestora

Problema sistemelor de curent al motoarelor serviciilor auxiliare se pune în mod diferit pentru locomotivele de curent continuu și de curent alternativ.

Fig. 2.6 – Modul de obținere a sistemului trifazat cu convertor static de faze și cu convertor rotativ [4]

În cazul locomotivelor de curent continuu, datorită dificultăților tehnice privind realizarea unei surse puternice ( 100-150 kW ) de curent continuu de tensiune mică ( grup motor-generator de curent continuu sau grup ondulator-transformator ), motoarele serviciilor auxiliare se alimentează direct din linia de curent continuu de 10-20 kW la tensiunea de 1500 V și mai ales 300 V, sigure în exploatare, întampină de asemenea dificultăți tehnice importante, se acceptă limitarea tensiunii aplicate pe colector prin includerea în circuit a unei rezistențe active, deși prin aceasta intervin pierderi de energie.

În cazul locomotivelor electrice monofazate, este posibilă utilizarea motoarelor de curent continuu, a motoarelor monofazate cu colector și a motoarelor asincrone trifazate fară colector, dar, după cum se știe, acestea nu au cuplu de pornire.

Pentru alimentarea motoarelor de curent continuu, între acestea și sursa principală trebuie să se intercaleze un transformator și un redresor, sau un grup convertizor rotativ. Pentru alimentarea motoarelor trifazate asincrone fară colector, între acestea și sursa principală trebuie să se intercaleze fie un convertizor static de faze, fie un convertizor rotativ.

Priza ( sau prizele ) de alimentare a serviciilor auxiliare se ia din înfășurarea de încălzire a transformatorului principal, a cărei tensiune nominală este de 1500 V, sau de la o înfășurare specială prevazută pentru aceasta.

Modul în care se obține, pe cale statică, convertirea de faze este ilustrat în fig. 2.6.

De la înfășurarea AM se scot trei prize: A, B si D. Vectorii de tensiune, și au aceeași fază. Pentru obținerea unui sistem trifazat de tensiune, este necesar ca în una din faze sa se intercaleze un condensator, al cărui vector cadere de tensiune să asigure un defazaj față de vectorul cu un unghi oarecare. În aceset caz, între punctele electrice A, B și E se formează un sistem trifazat asimetric. Pentru ca sistemul să devină simetric, punctul E trebuie sa fie situat pe verticala ridicată în mijlocul vectorului la distanța de (, adică între sclarii vectorilor , și trebuie să existe o anumită relatie, și anume:

sau notând cu U tensiunea de linie a sistemului trifazat:

Se dispune în acest fel de o singură relație pentru determinarea a două necunoscute: UBD și UDE. Pentru aflarea poziției punctului D pe vectorul ( adică pentru determinarea punctului în care trebuie scoasă din priză înfășurarea AM )se ține seama că vectorul tensiune ( tensiunea pe condensatorul C ) și vectorul curent IC prin condensator sunt perpendiculari. Curentul IC este în același timp și curentul fazei OE, care este defazat față de tensiunea de faza Oe cu unghiul . Din cele de mai sus rezultă urmatoarea metoda de determinare a poziției punctului D:

-se construiește diagrama vectorială a sistemului trifazat simetric care se dorește să se obțină;

-prin punctul E se duce o perpendiculară pe direcția vectorului IC; punctul de intersecție al acestei perpendiculare cu dreapta AM constituie punctul D căutat.

Cunoscând valoarea lui UDC și a curentului IC se poate găsi capacitatea condensatorului cu ajutorul relației:

unde f este frecvența în Hz.

Este de remarcat faptul că sistemul rămâne simetric numai pentru sarcina și tensiunea pentru care a fost determinată valoarea capacității condensatorului. Orice variație a tensiunii din linia de contact conduce la un sistem asimetric, lucru de care trebuie să se țină seama la alegerea puterii motoarelor asincrone ( acestea trebuie alese cu o putere acoperitoare față de cea cerută de mecanismele pe care le acționează ). Convertirea de faze cu grupuri rotative se poate face fie prin cuplarea mecanică a două mașini electrice obișnuite, fie prin mașini electrice speciale. Din această ultimă categorie face parte grupul ARNO, a cărui schemă de principiu este prezentată în figura 2.7.

Fig. 2.7 – Schema de obținere a sistemului trifazat cu ajutorul grupului ARNO [4]

Masina electrică este o variantă funcțională a motorului asincron cu rotor în scurtcircuit. Statorul are două înfășurări: una denumită înfășurare motor A1-M1-A2, alimentată de la un transformator ( în general de la două prize de potențiale diferite ), și una denumită înfășurare generator M2-A3, legată cu un capact la înfășurarea motor.

Înfășurarea M2A3 are două roluri: de a asigura pornirea și de a crea sistemul trifazat. Într-adevăr, înfășurarea A1M1A2 fiind alimentată de la sursa monofazată ( motor asincron monofazat ) creează un câmp pulsatoriu. Pentru antrenarea rotorului este necesar însă un câmp învârtitor, care se realizează cu ajutorul înfășurării M2A3 și rezistența de defazaj R. După ce rotorul a luat o turație apropiată de cea sincronă, releul de turație RT dă comanda pentru deschiderea contactorului C. Câmpul rotorului induce acum în înfășurarea M2A3 o tensiune suficientă pentru a realiza la bornele A1A2A3, împreuna cu sursa de alimentare, un sistem trifazat. Poziția punctului M2 depinde de numărul spirelor celor două înfășurări. Dacă fazele A1M1, A2M1 și M2A3 au tensiuni egale, atunci punctul M2 se confundă cu punctul M1.

Locomotiva monofazată cu redresoare, serviciile auxiliare cu motoare asincrone trifazate și alimentate de la un convertizor static de faze.

Schema de pricipiu desfășurată a circuitelor serviciilor auxiliare este prezentată în figura 2.8 (partea întâi, care cuprinde instalația de adaptare și a motoarelor) și în figura 2.9 ( partea a doua – restul instalației ).

Fig. 2.8 – Schema serviciilor auxiliare – sistem trifazat obținut prin condensatoare [4]

Fig. 2.9 – Schema secundară a serviciilor auxiliare [4]

Ea este folosită pentru locomotiva a carei schemă de principiu desfășurată a circuitelor principale de forță este prezentată în figura 2.10.

Fig. 2.10 – Schema de principiu desfășurată a locomotivei C0-C0 fabricată în România în exploatarea CFR [4]

Serviciile auxiliare sunt alimentate de la înfășurarea de încălzire TC, cuplată electromagnetic cu înfășurarea autotransformatoare IR. Tensiunea nominală a înfășurării de încălzire este de 1500 V ( la 25 kV la pantograf ), tensiune la care se alimentează instalațiile de încălzire a trenului. Înfășurarea este protejată contra supratensiunilor atmosferice de descarcătorul DT, iar de supraintensități ( sau scurtcircuite ) de un releu de curent maximal, alimentat de transformatorul de intensitate 8. Instalația de încălzire a trenului este alimentată prin conductorul 200 și conductorul CA1.

Pentru a obține sistemul trifazat de alimentare a motoarelor asincrone, din înfășurarea de încălzire se scot trei prize:

la tensiunea „zero” ( conductorul 201 );

la tensiunea de 386 V ( conductorul 202 );

la tensiunea de 662 V ( conductorul 203 ).

Motoarele trifazate sunt alimentate de conductorii: 211 ( tensiune „zero” ), 212 ( tensiune 386 V ) și 213 ( alimentat de la priză de tensiune 662 V prin condensatoarele defazate C2…C7 ). Deoarece tensiunea în linia de contact poate varia în limite foarte largi, 27.5…17.5 kV, iar motoarele asincrone sunt foarte sensibile la schimbarea tensiunii ( cuplul motor fiind proporțional cu pătratul tensiunii ), din înfășurarea de încălzire se mai scote două prize de tensiuni mai ridicate (460 respectiv 790 V), pentru alimentarea serviciilor auxiliare când tensiunea în linia de contact scade sub 22 kV. [4]

Capitolul 3

Diagnoza defectelor ce pot apărea la serviciile auxiliare

3.1. Introducere

În prezent, în analiza sistemelor electrice complexe au fost introduse noțiuni noi legate de inteligența artificială. În domeniul industrial aplicativ, metodologii și tehnici noi au dus la apariția sistemelor expert. Datorită scăderii costurilor informațiilor tehnologice și calculatoarelor, sistemele expert au devenit răspândite în ultimii ani, având o largă arie de aplicabilitate cum ar fi în ingineria sistemelor, arhitectură, în sistemul financiar, bancar, comerț, educație, etc.

Cercetările în Inteligența Artificială se desfășoară în două direcții [7]:

– în domeniul sistemelor expert în vederea rezolvării problemelor de diagnoză, a comenzilor roboților, a folosirii inteligente a bazelor de date și elaborarea mediilor de programare inteligentă;

– în domeniul recunoașterii formelor, înțelegerea și sinteza vorbirii, prelucrarea imaginii și concepția roboților, reprezentarea cunostințelor și învățarea limbajului natural.

Diagnoza sistemelor electrice este o problemă de actualitate în preocupările specialiștilor din domeniu. Necesitatea a fost determinată de mulțimea punctelor de măsurare și de numărul mare de defecțiuni posibile de analizat.

Algoritmii utilizați pentru determinarea stării de funcționare normală/anormală folosesc concepte noi și dezvoltă sisteme automate, cum ar fi sisteme expert.

3.2. Metode de diagnoza a defectelor

Metodele de diagnosticare și detectare a defectelor se împart în trei categorii:

metode bazate pe semnale;

metode bazate pe cunoștințe;

metode bazate pe modele analitice.

Metodele bazate pe semnale constau în selectarea, din mulțimea semnalelor măsurate din proces, a semnalelor care conțin informații și date despre funcționarea anormală a echipamentului. Din analiza semnalelor selectate se definesc simptomele posibile ale defectelor, se localizează și se stabilește momentul apariției și cauzele posibile ale fiecărui defect.

În cadrul metodelor bazate pe semnale, tehnologia bazată pe metodele de recunoaștere a formelor este utilizată pentru clasificarea obiectelor al căror aspect variază în raport cu obiectele tip. Interpretarea semnalelor asociate defectelor depinde de modelul explicit sau implicit al tehnicii de recunoaștere a formei. De exemplu, o înregistrare a vibrațiilor semnătură la un moment dat reprezintă o formă particulară dintre alte forme asociate cu modurile de funcționare normale și anormale ale mașinii. Pe baza caracteristicilor acestei semnături (amplitudine, frecvență) se poate face o clasificare a funcționării mașinii plecând de la recunoașterea formei din mulțimea formelor existente.

Odată cu progresele din domeniul informaticii au fost dezvoltați algoritmi pentru metodele de recunoaștere a formei pentru ca operatorii umani să poată realiza automat clasificări de semnătură.

O altă tehnologie utilizată în diagnoza bazată pe semnale o reprezintă utilizarea de rețele neuronale. În acest caz, algoritmii de programare ce simulează rețelele neuronale au capacitatea de „memorare”. În faza de învățare (antrenare) se generează diferite tipuri de defecte pe care rețeaua învață să le recunoască. Mai dificil de analizat sunt cazurile când semnătura analizată este incompletă sau însoțită de semnale perturbatoare. Din acest motiv, se preconizează ca rețelele neuronale artificiale să fie utilizate pentru o preprocesare de semnal, urmând ca informațiile să fie completate ulterior și analizate cu sisteme expert.

Metodele bazate pe cunoștințe se utilizează pentru diagnoza sistemelor complexe, în care cunoștințele despre proces sunt, uneori, incomplete. Comportarea sistemului este descrisă calitativ folosind cunoștințele despre sistem sub formă de reguli și fapte, obținute prin observații umane empirice. Pentru sistemele complexe, cu ajutorul modelelor calitative, se poate defini relația cauză-defect-simptom, utilizând arborii de defect. Pe baza arborilor de defect se pot identifica funcționările anormale, defectele și cauzele producerii defectelor ce apar într-un sistem.

Metodele bazate pe modele analitice constau în compararea comportării sistemului analizat cu cea obținută pe baza modelului matematic, corespunzător unei funcționări normale. Această metodă este mai eficientă decât metoda bazată pe semnale, dacă se poate obține modelul analitic al sistemului.

Modelele analitice pentru modelarea defectelor sistemelor complexe pot utiliza patru tehnici de modelare: cantitative, calitative, structurale și de dependență.

Modelele cantitative impun cunoașterea completă a componentelor sistemului și a relațiilor funcționale ale variabilelor asociate fiecărei componente.

Modelele calitative simulează comportamentul sistemelor fizice din punct de vedere calitativ sub forma unor modele cantitative simplificate cu anumite constrângeri.

Tehnicile de modelare cantitative și calitative modelează foarte amănunțit funcționarea sistemului, fiind utilizate pentru izolarea defectelor funcționale. Defectele generale sunt tratate ca și cazuri speciale ale defectelor funcționale. Ambele tehnici necesită eforturi extinse de calcul fiind relativ lente pentru sistemele complexe.

Modelele structurale realizează propagarea defectelor sub forma unui graf direcționat care corespunde cu schema sistemului. Există o corespondență între nodurile dintr-un model structural și modulele sistemului real. Modelele structurale analizează doar defectele generale, fără a ține cont și de defectele funcționale și de aceea, uneori, poate duce la concluzii de diagnosticare greșite.

Modelele de dependență utilizează relațiile de tip cauză-efect sub forma unui graf direcționat. Modelările de acest tip prelucrează informația minimă necesară pentru analiza de diagnosticare și este singura care se utilizează cu succes la modelarea sistemelor foarte complexe.

În scopul operației de diagnoză, trebuie realizat modelul sistemului pentru a analiza modul de propagare a unui defect în diferite puncte de monitorizare. Astfel, este suficient să se modeleze un sistem în funcție de defectele sale considerate cele mai frecvente. Diagnoza unui proces fizic începe cu observarea procesului în starea sa normala de funcționare și continuă cu analiza procesului pentru a sublinia (evidenția, semnaliza) defectele.

Supravegherea proceselor se bazează pe considerarea unor limite acceptabile sau neacceptabile în funcționare, cum ar fi cele de alarmare la depășirea unor valori prestabilite pentru mărimile măsurate.

Convertoarele statice sunt echipamente esențiale pentru adaptarea parametrilor energiei electrice, plasate între sursa de alimentare și sarcină. In timpul exploatării convertoarelor statice de putere este necesară operarea de către persoane experimentate în operarea cu convertoare statice, deoarece defectele minore ale echipamentului pot cauza defecte importante la care poate fi necesară înlocuirea convertorului static. [2],[5]

3.3. Defecte ce pot apărea la motoarele electrice:

Defectele de la nivelul sistemului mecanic pot să apară:

la nivelul lagărelor;

la nivelul cuplajelor;

la nivelul arborelui.

Defectele ce pot sa apară la nivelul sistemului magnetic sunt următoarele:

excentricități ale miezului rotoric;

anizotropii;

neomogenități;

fisuri ale miezului.

Defectele ce se pot produce la nivelul sistemului electric sunt:

scurtcircuite la nivelul înfășurărilor bobinate;

inversări de căi de curent;

întreruperi de bobinaj;

fisuri ale barelor sau ale inelelor de scurtcircuitare;

probleme la nivelul periilor colectoare sau al sistemului perii-colector sau perii inele colectoare.

3.4. Defecte la nivelul lagărelor

Defectele din lagăre reprezintă aproximativ 40÷50% din totalul defectelor care apar în masinile electrice.

Cauzele ce conduc la apariția defectelor la nivelul lagărelor sunt următoarele:

lubrifierea neadecvată sau insuficientă;

suprasolicitare axială și radială datorită deformării arborelui;

montare, centrare sau fundamentare necorespunzătoare;

acțiunea corosivă a apei, acizilor, etc.;

contaminarea datorată particulelor minuscule abrazive;

probleme legate de circuitul electric al mașinii electrice.

3.5. Defecte la nivelul sistemului electric

Defectele ce pot sa apară la nivelul sistemului electric de împart în următoarele categorii:

defecte la nivelul înfășurărilor bobinate;

defecte la nivelul înfășurărilor tip colivie;

defecte la nivelul sistemului perii-colector sau perii-inele colectoare.

Defectele de la nivelul înfășurărilor bobinate

Acest tip de defecte reprezintă aproximativ 30÷40% din totalul defectelor care apar în mașinile electrice.

Defectele tipice constau în:

întreruperea înfășurării unei faze;

inversarea capetelor înfășurării unei faze;

scurtcircuit între spirele conductoare elementare sau între bobinele aceleiași faze;

scurtcircuit între înfășurările a două faze diferite;

punerea la masă a înfășurării unei faze;

inversarea unei căi de curent.

Defectele de la nivelul înfășurărilor tip colivie

Aceste tipuri de defecte reprezintă aproximativ 5÷10% din totalul defectelor în mașinile electrice.

Tipurile de defecte ce apar la nivelul înfășurărilor de tip colivie sunt:

fisuri sau întreruperi ale barelor;

distrugerea îmbinarii barelor cu inelele frontale de scurtcircuitare.

3.6. Modul de manifestare al defectelor

Defectele apărute se pot manifesta astfel:

supraîncalzirea mașinii de inducție;

imposibilitatea pornirii mașinii;

rotorul se rotește cu o turație mai mică decât cea nominală;

vibrații;

zgomote;

dezechilibrul părților rotative.

3.7. Metode de detecție a defectelor

Pentru determinarea defectelor apărute se pot utiliza următoarele metode:

analiza spectrală a curenților statorici/rotorici;

analiza fluxului axial;

analiza spectrală a vibrațiilor;

analiza zgomotelor mașinii;

analiza termograf.

3.8. Defecte la nivelul lagărelor

Defectele din lagăre reprezintă aproximativ 40÷50% din totalul defectelor care apar în mașinile electrice.

Cauzele apariției defectelor la nivelul lagărelor sunt următoarele:

lubrifierea neadecvată sau insuficientă;

suprasolicitarea axială și radială datorită deformării arborelui;

montare, centrare sau fundamentare necorespunzătoare;

acțiunea corosivă a apei, acizilor, etc.;

contaminarea datorată particulelor minuscule abrazive. [5],[6]

Capitolul 4

Simularea schemei serviciilor auxiliare de pe locomotiva electrică

Funcționarea serviciilor auxiliare de pe locomotiva electrică a fost simulată cu ajutorul programului Matlab Simulink.

Schema realizată in Simulink este următoarea:

Fig. 4.1 – Schema convertorului static ce alimentează motoarele de ventilație

Pentru a realiza această schemă în Matlab Simulink am folosit schema funcțională a serviciilor auxiliare de pe locomotivele electrice din România.

În prima parte a acestei scheme este prezentată partea de curent continuu de pe intrarea invertorului. Aceasta are tensiunea de 640Vcc. Blocul cu sursa de curent continuu este configurat ca în figura 4.2.

Între sursa de curent continuu și invertor am folosit un transformator de curent pentru a măsura curentul extras din sursa de alimentare de invertor.

Invertorul (Universal Bridge) format din 6 IGBT-uri pe 3 brațe. Blocul definit in Matlab Simulink pentru invertor este arătat în figura 4.3.

Fig. 4.2. – Configurarea blocului sursei de curent continuu

Fig. 4.3 – Configurația blocului invertorului

Invertorul este comandat de generatorul de impulsuri PWM (PWM Generator 2) ce are parametrii prezentați în figura 4.4.

Fig. 4.4. – Configurația blocului generatorului PWM

Invertorul oferă la ieșire 3x400V ce alimentează cele 6 motoare pentru ventilația motoarelor de ventilație, ale căror parametrii sunt prezentați în figura 4.5. Această tensiune este trecută printr-un multimetru trifazat care afișează curenții și tensiunile instantanee pe fiecare fază, dar care, printr-un bloc de calcul a valorilor efective sunt afișate și Ief și Uef pe fiecare fază.

De asemenea, pe lângă acest convertor static ce alimentează motoarele de ventilație, pe locomotivă mai există încă unul identic pentru ventilația motoarelor de tracțiune, unul pentru motorul electric al compresorului și unul pentru ventilația transformatorului.

Fig. 4.5. – Parametrii motorului

4.1. Prezentarea funcționării schemei în regim normal de funcționare

Fig. 4.5a. – Viteza, cuplul electromagnetic și curenții funcție de timp pentru un motor

În figura 4.5a. sunt prezentate formele de undă de pe 1 motor de ventilație.

Se observă ca viteza rotorului, afișată în partea de sus a imaginii crește și se stabilizează la 300rpm. Atât timp cât viteza crește, viteza scade. Când viteza se stabilizează, cuplul își schimba sensul apărând o frânare de scurtă durată după care acesta se stabilizează în jurul valorii 0. Curentul este mai mare la pornirea motorului, pe durata creșterii vitezei se păstrează constant, apoi, după stabilizarea vitezei, se stabilizează la 5A.

Fig. 4.6. – Valorile instantanee ale tensiunilor, respectiv curenților pe fiecare fază

la ieșirea invertorului

În figura 4.6. se observă că tensiunea sinusoidală este obținută prin schimbarea lățimii pulsurilor create de generatorul de pulsuri. Valoarea tensiunii este valoarea tensiunii sursei de alimentare. În figura 4.7. avem aceleași tensiuni și curenți, dar in valori efective.

Fig. 4.7. – Valorile efective ale tensiunilor, respectiv curenților pe fiecare fază

la ieșirea invertorului

Fig. 4.8. – Curentul absorbit de invertor din sursa de curent continuu

Fig. 4.9. – Formele de undă aplicate IGBT-urilor pentru a comanda invertorul

4.2. Prezentarea funcționării schemei în condiții de defect

4.2.1. Pierderea alimentării invertorului

Pentru a simula aceasta situație, între sursa de curent continuu și invertor am montat, atât pe ‘+’ cât și pe ’-’, câte un întrerupător ce întrerupe alimentarea întregului circuit după stabilizarea vitezei.

Modelul folosit în Matlab Simulink pentru a simula această situație este prezentat în figura 4.10. Singura diferența care apare față de varianta originala este partea de alimentare a invertorului. Diferența dintre cele 2 modele este prezentată în figura 4.11.

Fig. 4.10. – Modelul în Matlab Simulink pentru simularea pierderii alimentării invertorului

Fig. 4.11. – Diferența dintre varianta originala (dreapta) si varianta în care se simulează defectul (stânga)

După 0.6 secunde, întreruptoarele se deschid, întrerupând alimentarea cu energie electrică a întreg circuitului. În figura 4.12. avem rezultatele simulate pentru 1 motor.

Fig. 4.12. – Formele de undă pentru situația în care invertorul rămâne fără tensiune de alimentare

Turația (sus), cuplul electromagnetic (mijloc) și curentul pe fiecare fază (jos)

Ca și în cazul anterior, în varianta funcțională, turația crește până la 300rpm după care se stabilizează. Însă, în acest caz, la scurt timp după intrarea motorului în turația nominală, întreruptoarele deconectează circuitul de la sursa de alimentare și pe aceasta diagramă se observă o frânare puternică a motorului, după care cuplul se stabilizează la 0. În momentul întreruperii alimentării se observă că și curentul crește, fapt ce face posibilă frânarea. Turația motorului este cvasi-staționară în această diagramă, dar descrescătoare. Inerția rotorului ajută la păstrarea turației obținute în perioada de funcționare normală a circuitului.

Fig. 4.13. – Formele de undă ale valorilor instantanee ale tensiunilor (sus) și curenților (jos)

În figura 4.13. se observă că în momentul în care invertorul rămâne fără alimentare, curentul crește foarte mult (de aprox. 10ori) pentru a încerca să mențină puterea constantă. În momentul pierderii alimentării, tensiunea la ieșirea invertorului devine brusc 0. Curentul crește la început foarte mult, dar apoi devine nul. Forma de undă a curentului pe toata durata simulării este aratată în figura 4.12. (jos).

Fig. 4.14. – Formele de undă a valorilor efective pentru tensiunile (sus) și curenții (jos)

de ieșire din invertor

Fig. 4.15. – Forma de unda a curentului absorbit din sursa de curent continuu

la momentul deconectării

4.2.2. Pierderea unei faze a ieșirii invertorului

Pentru a simula această situație am montat pe o ieșire a invertorului un întrerupător care se deschide după 0.6 secunde, după ajungerea motoarelor la turația nominală.

Modelul realizat în Simulink pentru a simula această situație este prezentat în figura 4.16.

Diferența față de varianta originala a schemei este doar întrerupătorul dintre invertor si motoare. Diferența este prezentată in figura 4.17.

Fig. 4.16. – Modelul în Matlab Simulink pentru simularea pierderii unei faze a invertorului

Fig. 4.17. Diferența între varianta originală (dreapta) și varianta pentru simularea defectului

În figura 4.18. se observă ca turația ajunge la turația nominală, cuplul electromagnetic scade, apoi se stabilizează la -1Nm, iar curentul la aproximativ 6A.

După întreruperea unei faze, viteza rămâne constantă, dar cuplul variază foarte mult din cauza curenților care, înainte de producerea defectului erau defazați cu 120º unul față de celălalt, după întreruperea unei faze cei doi curenți rămași sunt în antifază, existând un moment în care ambii trec prin 0. Această situație se observă mai bine în figura 4.19.

Fig. 4.18. – Forma de undă a turației (sus), cuplului electromagnetic (mijloc) și curenților pe fiecare fază (jos)

Fig. 4.19. – Forma de undă a turației (sus), cuplului electromagnetic (mijloc) și curenților pe fiecare fază (jos) (detaliu)

În figurile 4.20., 4.21., 4.22., și 4.23. tensiunea la ieșirea invertorului rămâne constantă, dar curentul se modifică la fel ca pe motor. Se observă că de la valoarea efectivă de 23A pe toate cele 3 faze, una din ele ajunge la 0 în aproximativ 2 perioade. Celelalte 2 faze rămân la 23A, dar fiind în antifază, valorile efective sunt egale. Această situație este arătată în figura 4.23.

Fig. 4.20 – Formele de undă ale tensiunilor respectiv curenților pe cele 3 faze

Fig. 4.21 – Formele de undă ale tensiunilor respectiv curenților pe cele 3 faze (defect)

Fig. 4.22 – Formele de undă ale tensiunilor respectiv curenților pe cele 3 faze

Fig. 4.23 – Formele de undă ale tensiunilor respectiv curenților pe cele 3 faze (defect)

Fig. 4.24 – Forma de undă a curentului absorbit din sursa de curent continuu

Fig. 4.25 – Forma de undă a curentului absorbit din sursa de curent continuu (defect)

4.2.3. Scurtcircuit pe 2 dintre faze la ieșirea invertorului

Pentru a simula această situație am montat între 2 faze de la ieșirea invertorului un întrerupător care se închide după 0.6 secunde, după ajungerea motoarelor la turația nominală.

Modelul realizat în Simulink pentru a simula această situație este prezentat în figura 4.26.

Fig. 4.26. – Model realizat în Matlab Simulink pentru simularea scurtcircuitului între 2 faze de la ieșirea invertorului

Această situație este pur teoretică. În realitate orice invertor deconectează instantaneu. În aproape toate cazurile fiecare motor este alimentat printr-un USOL (un aparat electric ce asigura protecția atât la scurtcircuit cât și la suprasarcină, având si protecție termică prin bimetal și protecție electromagnetică.

Astfel, dacă se produce un scurtcircuit, protecția electromagnetică declanșează și astfel se pot alimenta în continuare celelalte motoare. Dacă totuși aceste protecții lipsesc, invertorul întrerupe alimentarea circuitului.

În figura 4.27. avem prezentate formele de undă pentru motorul aflat în regim de avarie. Se observă că la producerea scurtcircuitului curentul crește de la 6A la 20A valoare de vârf. La curent, după producerea scurtcircuitului, se produce și un defazaj ce se poate observă în figura 4.28.

Fig. 4.27. – Formele de undă pentru turație (sus), cuplu electromagnetic (mijloc) si curent (jos)

Fig. 4.28. – Formele de undă pentru turație (sus), cuplu electromagnetic (mijloc) si curent (jos) zona defectului

În figura 4.29. si 4.30 se observă de ce această simulare este pur teoretică. Tensiunea își schimbă și ea forma de undă, dar important în figura 4.29. este faptul că valoarea maximă a curentului atinge aproape 300kA. Acest lucru este împiedicat să se întâmple fie de protecția internă a invertorului, fie de întreruptorul automat de joasă tensiune tip USOL înseriat cu motorul prin deconectarea instantanee a circuitului atât timp cât curentul se află pe panta ascendentă, neajungând la valoarea maximă.

Fig. 4.29. – Formele de unda a tensiunii respectiv curentului pe cele 3 faze ale invertorului

Fig. 4.30. – Formele de unda a tensiunii respectiv curentului pe cele 3 faze ale invertorului

în zona de defect

Lucrurile spuse mai devreme despre valorile instantanee sunt adevărate și pentru figurile 4.31. si 4.32., unde sunt arătate valorile efective ale tensiunilor si curenților.

Tensiunea de pe o faza scade la 140V, celelalte 2 la 350V, iar valorile efective ale curenților de scurtcircuit ating 135kA.

Fig. 4.31. – Formele de undă ale valorilor efective ale tensiunilor (sus) și curenților (jos)

Zona de defect

Fig. 4.32. – Formele de undă ale valorilor efective ale tensiunilor (sus) și curenților (jos)

Zona de defect

Curentul absorbit din sursa de curent continuu tinde și el la infinit. Acesta are o valoare de vârf de 290kA și este prezentat în figura 4.33. Curentul absorbit din sursa de curent continuu după producerea defectului se poate vedea în figura 4.34.

Fig. 4.33. – Forma de undă a curentului absorbit din sursa de curent continuu

Fig. 4.34. – Forma de undă a curentului absorbit din sursa de curent continuu

după producerea scurtcircuitului

Observație: Pentru o mai buna vizualizate a graficelor prezentate în cadrul Capitolului 4 se va consulta dosarul de ANEXE.

Bibliografie

*** , https://ro.wikipedia.org/wiki/Locomotiv%C4%83_electric%C4%83

Ivanov Virginia, Brojboiu Maria, Ivanov S. – Experimental System for Monitoring and Diagnosis of a Static Power Converter, Advances in Electrical and Computer Engineering – ISSN 1582-7445, Vol.13, No.2, 2013, 113-120.

Gheorghe Turbuț – Locomotive electrice, Vol.I, Funcționarea părții electrice, Ministerul Transporturilor și Telecomunicațiilor – Centrul de Documentare și Publicații Tehnice, 1971.

Gheorghe Turbuț – Locomotive electrice, Vol.II, Circuite de forță, comandă și echipament electic, Ministerul Transporturilor și Telecomunicațiilor – Centrul de Documentare și Publicații Tehnice, 1972.

Virginia Ivanov, Sisteme integrate de monitorizare și control pentru echipamente electrice, Ed. Universitaria Craiova, 2008

*** , http://memm.utcluj.ro/materiale_didactice/mentenanta/pps/curs_MSI_6.pdf

*** , http://www.cs.ubbcluj.ro/~lauras/test/docs/school/IA/lectures2013/lectures/11_ML_GP.pdf

***, http://www.railnet.ro/viewtopic.php?p=18393