Tractiune Electrica Final

Ion Piroi

Elisabeta Spunei

TRACŢIUNE ELECTRICĂ

Editura EFTIMIE MURGU Reşiţa, 2013

Referent ştiinţific: Prof.univ.dr.ing. Ruja Ioan

Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României PIROI, ION Tracţiune electrică / Ion Piroi, Elisabeta Spunei. - Reşiţa : Editura Eftimie Murgu, 2013 Bibliogr. Index ISBN 978-606-631-025-3 I. Spunei, Elisabeta 621.33 Corectura: Lect.dr. Chiş-Toia Dorina Tehnoredactare: Asist.univ.dr.ing. Spunei Elisabeta

Editura Eftimie Murgu, 2013 Adresa: Piaţa Traian Vuia nr. 1-4, 320085, Reşiţa Tel.0255-210227, Fax: 0255-210230 Tipar: Tipografia Universităţii „Eftimie Murgu” Reşiţa Piaţa Traian Vuia nr.1- 4, 320085, Reşiţa Tel.0730 583036 Coperta: Tipografia „Intergraf” Reşiţa ISBN 978-606-631

Tracţiune electrică

C up rin s Capitolul 1. NOŢIUNI DESPRE TRACŢIUNEA ELECTRICĂ .................9 1.1 Scurt istoric...............................................................................................9 1.2. Elemente de bază ale tracţiunii electrice. Definiţii. Clasificări.............12 1.3. Avantajele şi dezavantajele transportului utilizând tracţiunea electrică18 Capitolul 2. PRINCIPII DE BAZĂ ALE TRACŢIUNII ELECTRICE.......22 2.1. Ecuaţia fundamentală a mişcării liniare şi de rotaţie a vehiculelor electromotoare..............................................................................................22 2.2. Forţele de rezistenţă care se opun la înaintarea VEM...........................25 2.3. Fenomenul de aderenţă şi caracteristicile de tracţiune ale vehiculelor electromotoare...........................................................................34 2.4. Frânarea vehiculelor electromotoare.....................................................44 Capitolul 3. LOCOMOTIVE DE TRACŢIUNE ELECTRICĂ FEROVIARĂ cu aderenţă la cale ...............................................................58 3.1. Generalităţi............................................................................................58 3.2. Locomotive diesel-electrice...................................................................58 3.3. Locomotive electrice.............................................................................68 Capitolul 4. TRENURI DE MARE VITEZĂ FĂRĂ ADERENŢĂ LA CALEA DE RULARE..................................................................................92 4.1. Scurt istoric............................................................................................92 4.2. Noţiuni generale.....................................................................................93 4.3. Motorul asincron liniar..........................................................................96 4.4. Motorul sincron liniar............................................................................99 4.5. Trenuri moderne pe pernă magnetică..................................................101 4.6. Perspective ale dezvoltării transportului feroviar pe pernă magnetică 106 4.7. Trenuri cu sustentaţie şi ghidare pe pernă de aer.................................107 Capitolul 5. TRANSPORTUL URBAN CU TRAMVAIE ELECTRICE..113 5.1. Scurt istoric..........................................................................................113 5.2. Avantajele şi dezavantajele utilizării tramvaiului electric...................115 5.3. Schema de alimentare a liniei de contact.............................................116 5.4. Tramvaie electrice clasice....................................................................117 5.4. Tramvaie moderne..............................................................................124 Capitolul 6. TRANSPORTUL URBAN CU TROLEIBUZE............129 6.1. Scurt istoric..........................................................................................129 6.2. Avantajele şi dezavantajele utilizării transportului cu troleibuze........132 6.3. Schema de alimentare a firelor de contact...........................................134 6.4. Troleibuze clasice...............................................................................136 6.5. Troleibuze moderne.............................................................................145 Capitolul 7. TRANSPORTUL URBAN CU METROURI...............150 7.1. Scurt istoric..........................................................................................150 7.2. Avantajele şi dezavantajele transportului cu metroul..........................152 4

Cuprins 5 7.3. Metrouri clasice...................................................................................154 7.4. Metrouri moderne................................................................................156 Capitolul 8.AUTOMOBILE ELECTRICE ...............................................161 8.1. Scurt istoric..........................................................................................161 8.2. Avantajele şi dezavantajele transportului cu automobile electrice......164 8.3. Automobile electrice autonome de persoane.......................................165 8.4. Automobile electrice hibride...............................................................172 8.5. Autovehicule electrice autonome industriale ......................................178 8.6. Autovehicule electrice neautonome.....................................................180

Prefaţă 7

Motto: „Tehnica reprezintă fantezia realităţii” – Lucian Blaga

Prefaţă Prezenta lucrare – intitulată „Tracţiune Electrică“ – este structurată după curricula cursului predat studenţilor de la Facultatea de Inginerie Electrică şi Informatică, a Universităţii „Eftimie Murgu“ din Reşiţa, de la specializarea Electromecanică. Conţinutul lucrării este unul minimal, corespunzător problemelor care trebuie cunoscute în mod obligatoriu. Lucrarea conţine opt capitole, în fiecare din acestea urmărindu-se prezentarea cât mai clară a sistemelor de tracţiune electrică, a principiilor de bază şi a tipurilor de mijloace de transport care folosesc tracţiunea electrică. A fost acordată o deosebită atenţie notaţiilor folosite în ecuaţii şi în figuri, încercându-se păstrarea aceloraşi notaţii de-a lungul întregii lucrări, pentru a uşura lecturarea. Au fost realizate desene cât mai clare, care să ajute, atât înţelegerea raţionamentelor întocmirii acestora, cât şi la înţelegerea funcţionării anumitor scheme electrice prezentate prin aceste desene. În capitolul unu au fost prezentate câteva noţiuni despre tracţiunea electrică, adică un scurt istoric, elementele de bază ale tracţiunii electrice, precum şi avantajele, respectiv dezavantajele transportului utilizând tracţiunea electrică. În capitolul doi au fost prezentate principiile de bază ale tracţiunii electrice clasice, adică ecuaţia fundamentală a mişcării, forţele care intervin în ecuaţia mişcării, fenomenul de aderenţă, diagramele de mers şi frânarea vehiculelor electromotoare. În al treilea capitol au fost prezentate locomotivele de tracţiune diesel-electrică şi electrică utilizate la trenurile cu aderenţă la calea de rulare. S-a avut în vedere clasificarea locomotivelor electrice acceptată în vestul Europei, după tipul motoarelor de tracţiune şi după schema de forţă utilizată pentru alimentarea acestora. În capitolul patru au fost prezentate trenurile de mare viteză fără aderenţă la cale, insistându-se asupra tipului de motor liniar folosit şi asupra sistemului de sustentaţie, ghidare şi propulsie utilizate. Au fost prezentate câteva realizări moderne pe plan mondial şi perspective ale dezvoltării acestui tip de transport. În acelaşi capitol au fost prezentate trenuri cu sustentaţie şi ghidare pe pernă de aer. În capitolul cinci a fost prezentat transportul urban cu tramvaie electrice, adică un scurt istoric, avantajele şi dezavantajele utilizării

Tracţiune electrică

tramvaiului electric, schema de alimentare a liniei de contact, câteva tramvaie clasice şi caracteristicile tramvaielor moderne din România şi din câteva ţări ale lumii. În capitolul şase a fost prezentat transportul urban cu troleibuze, urmărind o structură asemănătoare cu prezentarea din capitolul cinci. În capitolul şapte a fost prezentat succint transportul urban cu metrouri, urmărind, de asemenea, structura capitolului cinci, adaptată acestui sistem de transport. În capitolul opt au fost prezentate succint automobilele electrice accentuând evoluţia acestora în timp. În final sunt prezentate câteva tipuri de automobile electrice autonome şi neautonome, cât şi vehicule de capacitate mare utilizate în construcţia barajelor şi exploatărilor miniere. Bibliografia este bazată pe manualele universitare cunoscute, cărţile de specialitate şi documentaţia recentă prezentată pe internet. Meritul autorilor este acela de a fi studiat un material bibliografic destul de vast şi de a fi prezentat în interpretare proprie, selecţii din acesta, subliniind dezvoltarea transportului utilizând tracţiunea electrică pe baza dezvoltării tehnologiilor referitoare la maşinile electrice, echipamentele electrice de forţă şi automatizări. Tratarea tuturor problemelor s-a făcut în stil clasic, stabilind corelaţii – când a fost cazul – cu elemente aparţinând altor discipline. Autorii aşteaptă observaţii şi mulţumesc celor care le fac, asupra lucrării, având în vedere că aceasta este la prima ediţie. Reşiţa, aprilie 2013 Autorii

8

Capitolul 1. Noţiuni despre tracţiunea electrică 9

Capitolul 1. NOŢIUNI DESPRE TRACŢIUNEA ELECTRICĂ 1.1 Scurt istoric Apariţia tracţiunii electrice a fost condiţionată de apariţia şi dezvoltarea surselor de energie electrică şi a motoarelor electrice de curent continuu sau de curent alternativ. Putem considera că anul naşterii tracţiunii electrice este 1834, an în care academicianul Boris Semenovici Jacoby (fost Moritz Herman von Jacobi-până la obţinerea cetăţeniei ruse) a construit primul motor electric de curent continuu1. Cu acest motor a echipat o barcă, experimentată în 1838, pe râul Neva, alimentarea motorului făcându-se de la elemente galvanice2,3. Tot academicianul B.S. Jacoby a precizat avantajele pe care le aduce tracţiunea electrică pe calea ferată. Prima aplicaţie a tracţiunii electrice în America se poate considera vehiculul cu tracţiune electrică, construit de către Thomas Davenport 4 tot în 1834. Motorul de curent continuu inventat de Thomas Davenport a fost brevetat abia trei ani mai târziu. În anul 1837, scoţianul Robert Davidson a construit prima locomotivă electrică, de 5 tone, cu două osii, ambele motoare acţionate de motoare electrice, testată în septembrie 1842 pe linia Edinburgh-Glasgow, când a rulat cu 4 mile/oră (circa 6,5 km/h), fără a avea la bord pasageri sau marfă 5. Modelul este expus la o expoziţie de maşini electrice din Edinburgh. Cercetările ulterioare în domeniul tracţiunii electrice, folosind ca sursă de energie elementele galvanice, nu au fost încununate de succes, din cauza capacităţii limitate de înmagazinare a energiei electrice în aceste elemente. Cercetătorii acelor vremuri nu s-au dat însă bătuţi şi, ca urmare a dezvoltării maşinilor electrice de curent alternativ, a progreselor privind producerea şi transportul energiei electrice, problema tracţiunii electrice a fost reluată. În anul 1876, ofiţerul rus Feodor Apollonovici Piroţki a realizat o locomotivă electrică, ce a circulat pe o linie de 3,5 km în localitatea Sesbroreţk. Alimentarea acesteia se făcea prin şinele de rulare şi linia de 1

http://www.springerlink.com/ Văzdăuţeanu, V., Tracţiune electrică, Litografia Institutului Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 1984 3 Hortopan, G., Utilizarea energiei electrice – Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1963 4 http://en.wikipedia.org/wiki 5 http://en.wikipedia.org/wiki 2

Tracţiune electrică

contact6. În 1879, în cadrul expoziţiei industriale de la Berlin, a fost prezentată o mică linie electrificată realizată de inginerul german Werner von Siemens. Din acel moment începe aplicarea în practică, mai ales la transportul de călători, a locomotivei electrice. Locomotiva realizată de Siemens avea numai 3 CP (2,2 kW) şi atingea o viteză maximă de 7 km/h, reuşind să transporte 18 călători (în cele trei vagonete), pe o linie expoziţională, având un traseu circular de 300 m lungime. Locomotiva era alimentată în curent continuu, la 150 V, prin intermediul uneia din şinele de rulare şi al unei a treia şine, amplasată central, izolată atât faţă de pământ, cât şi faţă de şinele de rulare. Data de 31 mai 1979, când a fost inaugurată expoziţia, poate fi considerată ca zi de naştere a tracţiunii electrice7. În anul 1881 s-a pus în funcţiune primul tramvai electric pe o lungime de 2 km, între Lichtenfelde şi Südende (cartiere ale Berlinului). În anul 1889 a început folosirea curentă a tramvaiului electric în oraşul Kiev. În ţara noastră este pusă în funcţiune prima linie de tramvai electric, la Bucureşti, între Obor şi Cotroceni, la 9 decembrie 1894, iar la Timişoara 8, la 27 iunie 1899. Putem afirma că dezvoltarea şi perfecţionarea maşinilor electrice este strâns legată şi determinată de necesităţile tracţiunii electrice. În procesul de dezvoltare a tracţiunii electrice s-a pus problema alegerii sistemului de curent care trebuie folosit. De la primele aplicaţii ale tracţiunii electrice în transportul urban, s-a constatat că motorul de curent continuu cu excitaţie serie are o caracteristică mecanică apropiată de cea a motorului cu abur, care funcţionase excelent, mulţi ani, pe căile feroviare existente. Pornind de la proprietăţile convenabile ale motorului cu colector, alimentat în curent continuu, s-a experimentat mai târziu ideea alimentării acestuia în curent alternativ monofazat. O a treia variantă de alimentare a locomotivelor echipate cu motoare electrice a fost aceea de a utiliza energia electrică trifazată la 3000 V. Astfel, în Italia, pe linia Valtellinese s-a folosit motorul trifazat de inducţie. Din cele trei sisteme menţionate, cel de tracţiune electrică în curent continuu a rămas limitat la transporturile comune urbane şi suburbane, până la apariţia redresoarelor cu mercur, când s-au putut folosi tensiuni mai ridicate (până la 3000 V c.c.). Acest lucru a permis mărirea puterii pentru tracţiune, contribuind şi la reducerea pierderilor de energie în linie, concomitent cu reducerea căderii de tensiune în conductorii de alimentare. În ţările aflate sub influenţa tehnicii germane, în paralel cu sistemul în 6 7 8

http://www.forumtrenuri.com http://www.railnet.ro http://em.ucv.ro/cercetare

10

Capitolul 1. Noţiuni despre tracţiunea electrică 11 curent continuu, s-a dezvoltat şi sistemul în curent alternativ monofazat, la care se foloseşte linia de contact la o tensiune ridicată şi la frecvenţă redusă (16 2/3 Hz). Dezvoltarea elementelor semiconductoare şi aplicarea convertoarelor în construcţia vehiculelor au permis folosirea motorului de curent continuu, dar şi a motorului trifazat de inducţie, cu rotorul în scurtcircuit, indiferent de sistemul de curent din linia de contact (curent continuu sau curent alternativ monofazat). Prima aplicaţie a sistemului în curent alternativ monofazat s-a efectuat în Tirol, pe linia Innsbruck - Fulpmes (1904). La început s-a utilizat tensiunea de 2,5 kV şi 42 Hz, ulterior s-a trecut la 3 kV şi 50 Hz. O a doua linie electrificată în curent alternativ monofazat, în Austria, este Mariazeller-Bahn, situată în zona înaltă alpină şi având ecartament îngust, iar în 1912 se efectuează electrificarea liniei Pressburger - Bahn, care lega oraşele Viena şi Bratislava. După Primul Război Mondial are o loc o extindere a electrificării căilor ferate. Spre exemplificare, la sfârşitul anului 1928, lungimea totală a reţelei electrificate în Elveţia ajunge la 621 km. În transportul feroviar interurban, noul sistem de alimentare, în curent alternativ monofazat de frecvenţă industrială (introdus şi dezvoltat în Franţa imediat după al Doilea Război Mondial), utilizează tensiunea de 25 kV. Acest sistem s-a extins îndeosebi în ţările unde s-au efectuat lucrări noi de electrificare feroviară. În România, la 9 decembrie 1965 au fost introduse primele locomotive electrice. Pentru testare, s-a ales tronsonul de linie ferată Predeal – Braşov, care este un tronson dificil. S-a adoptat sistemul de alimentare în curent alternativ monofazat de 25 kV şi 50 Hz, iar locomotivele aveau o putere de 5.100 kW şi dezvoltau o viteză maximă de 120 km/h. Licenţa pentru construirea acestor locomotive a fost furnizată de Allmänna Svenska Elektriska AB, Västerás (ASEA), din Suedia. În 1966 începe în România construcţia locomotivelor electrice 060EA pe baza acestei licenţe suedeze, urmată şi de realizarea variantei 060EA1. Partea electrică şi montajul general erau realizate de Electroputere Craiova, iar partea mecanică era asigurată de ICM Reşiţa. Aceste două tipuri de locomotive electrice româneşti se situează printre cele mai moderne locomotive europene din acea vreme. Perfecţionarea locomotivei 060-EA1 a condus la varianta experimentală EA2-122 cu care s-a atins recordul de viteză al Căilor Ferate Române de 204 km/h pe tronsonul Floreşti - Buda din Prahova. Referitor la evoluţia vitezei atinse de vehiculele cu tracţiune electrică, se cuvine să amintim câteva realizări notabile. În anul 1959, în Japonia a început construcţia liniei ferate de mare viteză Tōkaidō Shinkansen. Această linie a fost inaugurată în anul 1964,

Tracţiune electrică

trenurile rulând cu viteze de 210 km/h, pe o reţea de 2.459 km. Această reţea s-a extins pentru a lega toate oraşele mari de pe insulele Honshū şi Kyūshū, utilizându-se viteze de 300 km/h, într-o zonă predispusă la cutremure şi uragane. La 30 noiembrie 1979, pe tronsonul Tohoku Shinkansen, se atinge viteza maximă de 319 km/h. Recordul de viteză pentru acest tip de trenuri este de 443 km/h, obţinut în 1996. Trenul francez de mare viteză TGV (train de grande vitesse) apare în preocupările specialiştilor în perioada anilor 1960. La 26 februarie 1981, trenul electric automotor francez TGV atinge pe linia Paris - Lyon viteza record de 380 km/h. Era vorba de o ramă automotoare electrică experimentală TGV-016. Aceasta era formată din cinci vagoane, avea o lungime de 144 m şi o masă de 307 tone. Tracţiunea se realiza prin intermediul a 12 electromotoare, fiecare având o putere de 537,5 kW. Ulterior, reţeaua TGV a fost extinsă, realizând legături rapide între marile oraşe franceze. La 3 aprilie 2007 atinge recordul mondial de viteză pentru tracţiunea feroviară clasică (pe roţi) şi anume 574,8 km/h. În Germania, trenul de mare viteză Intercity ICE3 realizează, pe linia ferată Nürnberg–Ingolstadt9, viteza maximă 300 km/h la 31 martie 2007. Explorarea unui nou domeniu de viteze în transportul feroviar conduce la reevaluarea acestuia. Pentru prima dată, transportul feroviar de călători (pentru distanţe de peste 500 km) devine competitiv cu transportul cu avionul. 1.2. Elemente de bază ale tracţiunii electrice. Definiţii. Clasificări Existenţa materiei, a cărei componentă suntem şi noi, cu tot ce ne înconjoară, presupune mişcare, adică mişcarea este un mod fundamental de existenţă a materiei. Mişcarea este chiar un atribut esenţial al materiei şi constă în ansamblul schimbărilor, proceselor ce constituie Universul. Deci, mişcarea este o categorie filosofică ce include toate schimbările şi procesele care au loc în Univers. În funcţie de modul de organizare a materiei şi a interdependenţei părţilor componente, se deosebesc tipurile de mişcări, dintre care mai cunoscute sunt: mişcare mecanică, mişcare chimică, mişcare biologică, mişcare socială etc. Mişcarea, de orice formă ar fi, presupune existenţa unor forţe care depind de structura subsistemului material. În domeniul mişcării mecanice, ansamblul interacţiunii dintre forţe şi sisteme sau subsisteme este înglobat în noţiunea numită tracţiune. Tracţiunea înseamnă acţiunea de deplasare a unui vehicul, a unui 9

http://en.wikipedia.org/wiki/File:ICE3_Euerwangtunnel.jpg

12

Capitolul 1. Noţiuni despre tracţiunea electrică

sistem tehnic etc., prin aplicarea unei13 forţe exterioare (de natură animală sau mecanică), având drept consecinţă punerea în mişcare a vehiculului, a sistemului tehnic10 etc. Tracţiunea presupune exercitarea de către un organ de propulsie a unei forţe asupra unui vehicul în scopul deplasării acestuia pe o cale de rulare11. Tracţiunea electrică presupune că forţa exterioară rezultă în urma unui consum de energie electrică. La tracţiunea electrică, organul de propulsie este realizat cu motoare electrice rotative sau liniare, iar forţa de tracţiune aplicată vehiculului rezultă ca urmare a cuplurilor electromagnetice sau forţelor liniare, care apar în acestea ca urmare a interacţiunii dintre un sistem de curenţi electrici şi un câmp magnetic sau electromagnetic12. Vehiculele pot să fie: - motoare, când forţa de tracţiune se dezvoltă cu ajutorul unor motoare aflate pe acestea; - pasive, când forţa de tracţiune se obţine cu ajutorul unor mijloace exterioare vehiculelor. După locul de utilizare şi particularităţile în alimentarea motoarelor electrice distingem: - vehicule urbane, care pot fi: - aeriene (monoraiuri - Schwebebahn Wuppertal); - terane (tramvaie, troleibuze, automobile electrice, carturi etc.); - subterane (metrouri, trenuri de oraş – cu cale alternativ terană şi subterană); - vehicule interurbane (locomotive electrice, diesel-electrice, rame electrice); - vehicule utilizate în exploatări miniere. În vederea deplasării unor vehicule utilizând tracţiunea electrică sunt necesare sisteme ce includ instalaţii de alimentare. Sistemele de tracţiune electrică se clasifică după mai multe criterii. Astfel, după tipul vehiculului electric motor, inclus în sistem, există: - sisteme de tracţiune electrică cu vehicule electrice motoare (VEM) autonome. Acestea presupun existenţa pe vehicul atât a motorului de tracţiune, cât şi a sursei de energie; - sisteme de tracţiune electrică cu vehicule electrice motoare (VEM) neautonome. Acestea presupun existenţa pe vehicul doar a motorului de tracţiune, iar energia necesară mişcării este preluată de la un sistem exterior, printr-un contact mobil. 10

http://dexonline.ro/ - Dicţionarul explicativ al limbii române users.utcluj.ro/ - TPSEM curs 8 12 Piroi, I., Maşini electrice, Editura Eftimie Murgu, Reşiţa, 2009 11

Tracţiune electrică

După calea de rulare există: - vehicule care se deplasează pe cale ghidată (şine); - vehicule care se deplasează pe cale neghidată. La rândul lor, vehiculele care se deplasează pe cale ghidată pot fi: - cu aderenţă la cale; - fără aderenţă la cale (pe pernă magnetică, pe pernă de aer). După tipul propulsiei, în tracţiunea electrică se folosesc: - motoarele de c.c. cu excitaţie serie, alimentate de la linia de contact, LC, de c.c., prin reostat de pornire/frânare (RPF) sau prin variator static de tensiune continuă (VTC). Acest tip de propulsie se foloseşte la vehiculele de transport urban (tramvaie, troleibuze, metrouri), la locomotive electrice clasice pentru căi ferate electrificate în c.c., la locomotive electrice de mină; - motoarele asincrone trifazate de tracţiune de tip rotativ sau liniar, alimentate de la LC prin convertor static de frecvenţă; - motoare asincrone monofazate, alimentate direct de la linia de contact de joasă frecvenţă (16 2/3 Hz) sau de frecvenţă industrială (50 Hz); - motoare monofazate serie cu colector, alimentate de la LC de c.a. monofazat la joasă frecvenţă, prin transformator de tracţiune reglabil; - motoare liniare de tip sincron sau asincron, alimentate de la LC de c.a. mono sau trifazat, prin transformator şi convertoare statice de frecvenţă. Sistemele de tracţiune electrică neautonome au în componenţa sa: - instalaţii fixe; - instalaţii mobile care constituie vehiculul propriu-zis. Instalaţiile fixe sunt constituite din elementele care asigură alimentarea instalaţiei mobile cu energie electrică. Instalaţiile fixe sunt amplasate pe spaţiul din apropierea căii de rulare şi includ: - substaţiile de tracţiune electrică (SSTE), care semnifică instalaţii fixe având rolul racordării la sistemul energetic de înaltă tensiune şi adaptării parametrilor energiei electrice (tensiune, curent, frecvenţă) la necesităţile tracţiunii electrice (Fig. 1.1); - fiderii de alimentare (FA), care sunt linii electrice aeriene sau în cablu, de lungime redusă, pentru alimentare cu energie electrică a liniei de contact (LC) de la SSTE; - fiderii de întoarcere (FI), care sunt linii electrice aeriene sau în cablu, de lungime redusă, pentru închiderea circuitului electric de la calea de rulare (CR) a VEM la SSTE; - linia de contact (şina de contact) (LC), care este o linie electrică aeriană sau la sol, construită în lungul căii de rulare şi de la care VEM este alimentat cu energie electrică prin intermediul unui contact alunecător;

14

Capitolul 1. Noţiuni despre tracţiunea electrică 15

Fig. 1.1 Schema de principiu a unei instalaţii de tracţiune electrică feroviară

- calea de rulare (CR) sau de zbor (CZ) poate fi din şine metalice, care, din punct de vedere electric, servesc pentru închiderea circuitului electric (SSTE-VEM-SSTE); - posturile de secţionare (PS) se amplasează aproximativ la jumătatea intervalului dintre substaţii de tracţiune, cu scopul de a secţiona sau de a conecta longitudinal linia de contact, pentru necesităţi de exploatare, întreţinere şi protecţie. Între posturile de secţionare şi SSTE există şi posturi de sub-secţionare (PSS), amplasate între SSTE şi PS, care permit scoaterea de sub tensiune a unei porţiuni mici din linia de contact, cu ocazia lucrărilor de întreţinere şi de reparaţie la aceasta. În scopul conectării transversale a unor linii duble, se utilizează posturile de legare în paralel (PLP). Instalaţiile fixe permit alimentarea VEM de la o sursă de alimentare. Acestea presupun existenţa de-a lungul căii de rulare a unei linii de contact. Alimentarea VEM poate fi făcută: - în curent continuu (c.c.) – preferată în tracţiunea electrică urbană, unde tensiunile folosite sunt mai mici de 1kV (de exemplu 750 V la alimentarea metroului13), şi în tracţiunea feroviară, unde se folosesc tensiuni de 1,5 kV sau 3 kV. Alimentarea în curent continuu are dezavantajele că distanţele între substaţii sunt reduse pentru a se evita pierderile de putere între sursă şi motoarele electrice, determină apariţia perturbaţiilor electromagnetice, precum şi corodarea electrică datorată curentului de retur; - în curent alternativ (c.a.), preferată în tracţiunea electrică feroviară. În dezvoltarea tracţiunii electrice, pe baza experienţei şi a îndeplinirii condiţiilor economice, s-au detaşat cele două sisteme de alimentare, după cum este arătat şi în Fig. 1.2., unde este reprezentat domeniul de aplicaţie 13

http://ro.wikipedia.org/wiki/Metroul_din_Bucure%C8%99ti

Tracţiune electrică

în funcţie de tensiunea din linia de contact14. Astfel, alimentarea în curent continuu (c.c) este limitată la 3 kV, iar alimentarea în curent alternativ (c.a.) este utilizată de la 3÷25 kV, la frecvenţă de 50 Hz sau 16 2/3 Hz.

Instalaţiile mobile sunt reprezentate de vehicule propriu-zise pe care sunt amplasate elementele de tracţiune electrică: motoare, generatoare etc., care constituie instalaţia electrică a vehiculului electric motor. Principalele elemente ale unui VEM neautonom sunt (Fig. 1.3): - caroseria vehiculului, având forme şi dimensiuni dependente de destinaţia şi locul de funcţionare; - şasiul, cu rol de a asigura, în timp, geometria vehiculului şi de a susţine elementele acestuia; - pantograful, care este un dispozitiv montat pe acoperişul unor vehicule electrice, cu scopul de a face contactul între instalaţia electrică a vehiculului şi reţeaua electrică fixă de alimentare (linia de contact); - suspensia elastică, ce asigură confortul călătorilor sau contribuie la stabilitatea ansamblului vehicul-marfă transportată; - motorul electric de tracţiune, amplasat pe şasiu, care are rolul de a transforma energia electrică în energie mecanică. Energia electrică poate fi primită direct de la linia de contact sau prin intermediul unor aparate electrice, care au rolul de a modifica parametrii acesteia; - cuplajul cardanic permite transmiterea energiei mecanice către 14

Văzdăuţeanu, V., Tracţiune electrică, Litografia Institutului Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 1984

16

Capitolul 1. Noţiuni despre tracţiunea electrică 17 elasticitate a acestei transmisii şi puntea motoare, asigurând o anumită schimbări ale axelor părţilor cuplate;

Fig. 1.3 Structura de principiu a unui VEM neautonom

- transmisia, cu rolul modificării parametrilor energiei mecanice (cuplu, turaţie, putere); - puntea motoare, care constituie atât axa roţii motoare, cât şi elementul care asigură schimbarea axei de rotaţie; - roata motoare este acea roată a vehiculului care, prin fenomenul de aderenţă, asigură deplasarea vehiculului pe calea de rulare; - puntea directoare şi roata directoare au rol similar cu cel al punţii şi roţii motoare, cu deosebirea că nu participă la transmiterea forţei motoare, în schimb participă la susţinerea carcasei şi şasiului cu toate elementele montate pe acestea. Instalaţia electrică a vehiculului electric motor preia energie de la linia de contact, pe care o transformă cu pierderi minime, printr-un lanţ mai scurt sau mai lung, şi o distribuie, la parametrii necesari, motoarelor electrice. Acestea transformă energia electrică primită în energie mecanică, necesară deplasării VEM şi a vagoanelor pe care le tractează.

Tracţiune electrică

1.3. Avantajele şi dezavantajele transportului utilizând tracţiunea electrică Transportul care utilizează tracţiunea electrică are o serie de avantaje, dar şi dezavantaje, faţă de alte sisteme. Prezentarea avantajelor acestora se poate face: a. raportându-se la alte modalităţi de transport feroviar; b. raportându-se la transportul cu cale neghidată (în general pe pneuri – transport rutier); c. raportându-se la transportul urban. a.1. Avantajele transportului care utilizează tracţiunea electrică comparativ cu alte modalităţi de transport feroviar: - utilizarea mai raţională a resurselor energetice. Energia electrică produsă în centrale electrice de mare putere este obţinută cu randament mare, din resursele locale, care în acest fel sunt valorificate superior; - utilizarea energiei electrice contribuie la economii de transport. În locul cantităţilor de combustibil lichid sau solid necesare furnizării energiei pentru deplasarea vehiculului, se pot transporta mărfuri sau pasageri; - utilizarea energiei electrice conduce la mărirea capacităţilor de transport; - creşterea posibilităţii de a fi instalate la bordul unui VEM puteri unitare mari de până la (8÷10) MW, pe o singură locomotivă; - utilizarea locomotivelor electrice oferă o mai mare siguranţă în oprirea trenurilor. Astfel, pe lângă frânarea mecanică, se pot utiliza două sisteme de frânare electrică, şi anume frânarea reostatică şi frânarea recuperativă. Frânarea reostatică poate oferi o sursă de căldură suplimentară, pentru trenurile de călători, prin amplasarea judicioasă a reostatelor de frânare. Frânarea recuperativă permite recuperarea unei cantităţi considerabile de energie, care este debitată în linia de contact (LC). Ambele metode de frânare electrică contribuie la reducerea uzurii bandajelor şi saboţilor de frânare, concomitent cu reducerea distanţei de frânare; - creşterea vitezei în traficul feroviar de călători şi marfă; - eliminarea timpilor şi instalaţiilor necesare întoarcerii locomotivelor, prin faptul că acestea au cabine de comandă la ambele capete; - reducerea sau chiar eliminarea poluării atmosferei, cu efecte benefice atât asupra personalului din tren, cât şi asupra regiunilor traversate de calea ferată; a.2. Dezavantajele transportului care utilizează tracţiunea electrică comparativ cu alte modalităţi de transport feroviar: - tracţiunea electrică necesită un volum important de investiţii pentru construirea liniei de contact, a substaţiilor de tracţiune, a sectoarelor de întreţinere etc; 18

Capitolul 1. Noţiuni despre tracţiunea electrică 19 - introducerea disimetriei în sistemul electroenergetic de transport, prin faptul că locomotivele electrice sunt mari consumatoare monofazate de energie electrică; - apariţia poluării determinate de câmpurile electromagnetice, cu efecte nocive asupra personalului de exploatare a locomotivelor electrice şi a personalului de întreţinere din zona căilor ferate electrificate; - existenţa pericolelor de electrocutare a personalului care nu respectă regulamentele specifice lucrului în zona căii ferate electrificate; Avantajele şi dezavantajele prezentate au în vedere şi traficul de călători sau mărfuri. Astfel, în Fig. 1.4 este prezentată dependenţa cheltuielilor de exploatare pe un kilometru de linie, (Ce), în funcţie de volumul traficului de călători15.

Fig. 1.4 Variaţia cheltuielilor de exploatare în funcţie de volumul de trafic pentru trei tipuri de tracţiune feroviară

b.1. Avantajele transportului care utilizează tracţiunea electrică comparativ cu transportul rutier: - limita volumului de transport este incomparabil mai mare; - deteriorarea căilor de rulare este mai redusă; - traficul fiind dirijat, nu este influenţat de blocaje; - locurile de parcare sunt triajele existente, planificate riguros; - influenţa condiţiilor meteorologice este mai redusă; - inexistenţa accidentelor determinate de derapaje, alunecări, frânări necontrolate, din vina participanţilor la trafic, etc.; - posibilitatea pornirii şi opririi confortabile; - permisivitatea mai mare privind transportul de mărfuri periculoase; - posibilitatea utilizării transportului containerizat; - întârzieri ale transportului mai reduse; 15

Onea, R., Construcţia, exploatarea şi întreţinerea instalaţiilor fixe de tracţiune electrică, Editura ASAB, Bucureşti, 2004

Tracţiune electrică

- eficienţă economică crescută, mai ales pentru transporturile pe distanţe mari; - existenţa informaţiilor precise ale costurilor transporturilor, indiferent de tipul operatorului de transport; - existenţa unei garanţii şi securităţi crescute a persoanelor şi mărfurilor transportate; - utilizarea mai eficientă a timpului de transport de către călători; - existenţa unui confort sporit al călătorilor transportaţi; b.2. Dezavantajele transportului care utilizează tracţiunea electrică comparativ cu transportul rutier: - limitarea transporturilor agabaritice; - eficienţă economică scăzută pentru distanţe scurte; - imposibilitatea realizării unor livrări din poartă în poartă, cum poate oferi transportul rutier; - limitarea transportării mărfurilor perisabile (fructe, legume, animale, păsări); Subliniem că transportul rutier oferă o mai mare flexibilitate decât oferă transportul feroviar. Nefiind programe fixe, transportul rutier se poate efectua în orice moment, oferind confort clientului. Vehiculul rutier poate fi deviat pe alte rute, în caz de blocaj sau accident. c. Avantajele şi dezavantajele transportului care utilizează tracţiunea electrică comparativ cu alte modalităţi de transport urban Avantajele şi dezavantajele prezentate mai sus se regăsesc şi în transportul urban, ponderea acestora fiind însă diferită. Astfel, în localităţile urbane, pentru transportul în comun, se pot folosi următoarele mijloace de transport: - electrice (tramvai, troleibuz, metrou); - neelectrice (autobuz, microbuz). Troleibuzul prezintă zgomot mult mai redus decât un tramvai, dar prezenţa pneurilor îl face vulnerabil pe vreme nefavorabilă şi pe carosabil accidentat. Un deranjament pe traseul troleibuzului nu împiedecă circulaţia celorlalte vehicule de acest tip, conectate la aceeaşi linie de contact, necesitând însă manevre inconfortabile pentru depăşirea vehiculului defect. Troleibuzele articulate de mare capacitate permit transportarea a 5000÷6000 călători pe oră, în fiecare direcţie de mers, adică de circa două ori mai mulţi călători decât permit liniile de autobuze. Tramvaiul este o sursă de zgomot considerabilă, o defecţiune a unui vehicul împiedică alte vehicule să mai circule, dar este un mijloc de transport foarte sigur pe vreme nefavorabilă. Modernizarea ramelor de tramvai şi a liniei poate reduce nivelul de zgomot al tramvaiului, sub nivelul de zgomot produs de celelalte mijloace de transport în comun. Capacitatea de transport a unui tramvai este mai mare decât în cazul utilizării troleibuzului sau autobuzului. Când numărul de persoane transportate este 20

Capitolul 1. Noţiuni despre tracţiunea electrică 21 transportul utilizând tramvaiul este mare şi investiţia este deja recuperată, cel mai ieftin. Autobuzul, microbuzul permit o mare libertate în deplasare, un orar flexibil, opriri şi porniri uşoare. Faptul că acestea utilizează motoare cu ardere internă constituie o sursă considerabilă de poluare, mai ales în oraşele cu circulaţie intensă. Prezenţa pneurilor face autobuzele şi microbuzele vulnerabile la vreme nefavorabilă şi pe carosabil accidentat. Metroul constituie, pentru marile oraşe, cel mai sigur şi rapid mijloc de transport, dar necesită investiţii majore. Metrourile au capacitatea de a transporta de la 20.000 la 60.000 călători pe oră, în fiecare direcţie de mers, cu o viteză comercială de cel puţin 25 km/h. Automatizarea pornirilor şi opririlor metroului face din acesta şi un mijloc confortabil de transport. „În prezent, tendinţa actuală este de dezvoltare a sistemelor de tracţiune electrică atât la suprafaţă, cât şi în subteran. Ca exemple se reamintesc: tunelul de sub Canalul Mânecii cu două galerii principale de 50 km (câte una pentru fiecare sens de mers), care leagă Franţa de Anglia, şi tunelul Seikan, submarin de 53,8 km care în Japonia leagă insulele Honshu şi Hokkaido. Ambele legături sunt realizate cu vehicule cu tracţiune electrică16. Construcţia tunelului Seikan a avut loc între anii 1964 şi 1983. Au lucrat 13,8 milioane de persoane. S-au folosit 168.000 tone de oţel, 1.276 km de cabluri electrice, 1.740.000 m3 de beton. În Fig. 1.5 este prezentat profilul tunelului Seikan, fiind indicată şi adâncimea la care se află, faţă de fundul, respectiv suprafaţa mării17.

Fig. 1.5 Profilul tunelului Seikan

Tunelul Seikan are două căi de rulare: una pentru trenurile rapide Shinkansen şi alta cu ecartament îngust (1.067 mm) şi a devenit operaţional în martie 1988.

16

Nicola, D.A., Cismaru D.C., Tracţiune Electrică Fenomene, modele soluţii, vol I, Editura SITECH, Craiova, 2006 17 http://ro.wikipedia.org/wiki/Tunelul_Seikan

Tracţiune electrică

Capitolul 2. PRINCIPII DE BAZĂ ALE TRACŢIUNII ELECTRICE 2.1. Ecuaţia fundamentală a mişcării liniare şi de rotaţie a vehiculelor electromotoare Considerăm că un vehicul electric motor (VEM) este ansamblul de mai multe vehicule legate între ele, formând un convoi, din care cel puţin unul este motor. Facem această convenţie pentru a putea aplica legile mecanicii referitoare la deplasarea întregului convoi. Deplasarea unui vehicul electric motor presupune existenţa unei căi de rulare şi a unei forţe de tracţiune. Datorită acestora au loc mai multe tipuri de mişcări mecanice: - o mişcare utilă de translaţie a întregului vehicul, în lungul căii de rulare; - diferite mişcări de rotaţie, cu viteze unghiulare diferite, efectuate de rotoarele motoarelor electrice de tracţiune, de osiile şi roţile VEM-ului, de angrenajele transmisiilor etc; - diferite mişcări oscilatorii amortizate şi eventual şocuri rezultate din interacţiunile interne, din comportamentul sistemelor de suspensie şi din cauza interacţiunii VEM cu neregularităţile căii de rulare18. Dintre aceste mişcări, singura care asigură deplasarea VEM-ului pe calea de rulare este mişcarea utilă de translaţie. Mişcarea VEM-ului pe calea de rulare nu este o mişcare uniform liniară, ci mai mult este o mişcare dinamică (accelerată sau frânată), din cauza deselor porniri şi frânări, accelerări şi decelerări, determinată de mai multe forţe:  - forţa de tracţiune, Ft , dezvoltată de motoarele de tracţiune, MT;  - forţele de rezistenţă, ∑ Fr , determinate de mai multe cauze, dar care se opun mişcării;  - forţa de frânare mecanică, F fm , strict necesară în tracţiunea electrică, separat sau împreună cu frânarea electrică, dezvoltată de MT în regim de frânare. Rezultanta acestor forţe este forţa dinamică sau forţa de accelerare,  Fa , dată de relaţia: 18

Nicola, D.A., Cismaru D.C., Tracţiune Electrică Fenomene, modele soluţii, vol I, Editura SITECH, Craiova, 2006

22

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice     F fm ) [N] Fa = F23 t −( ∑ Fr +

(2.1)  Această forţă asigură deplasarea vehicululuicu viteza v şi, conform legii a II-a lui Newton, asigură acceleraţia liniară a , dată de relaţia:    d(v ) Fa = mr ⋅ a = mr ⋅ [N] (2.2) dt În această relaţie, mr este masa raportată sau echivalentă a VEM, care rezultă din însumarea maselor elementelor în mişcare de translaţie, mtr şi maselor echivalente ale elementelor în mişcare de rotaţie, mrot: mr = mtr + mrot [kg] (2.3) Masa echivalentă, mr, a VEM este, de regulă, o mărime mare, ceea ce  F determină o inerţie mare, şi în consecinţă şi o forţă dinamică, a , de valoare mare. Drept urmare, desfăşurarea proceselor dinamice se face lent.  Forţa dinamică, Fa , în procesul de pornire, este mult mai mare decât  forţele de rezistenţă, ∑ Fr , care se opun mişcării şi, în primă aproximaţie, acestea din urmă pot fi neglijate. Puterea motoarelor de tracţiune trebuie  astfel determinată, încât forţa dezvoltată de ele, Ft , să compenseze forţa dinamică.  Cum în procesul de pornire, forţa de frânare mecanică, F fm , este nulă, din relaţiile (2.1) şi (2.2) rezultă:    Ft = Fa = mr ⋅ a [N] (2.4) Tot datorită masei echivalente de valoare mare, diagrama de mers (Fig. 2.1.) (diagrama parcursurilor) conţine, pe lângă cele trei faze clasice (pornire - p, mers staţionar – ms şi frânare – f până la oprire), încă o fază – mersul lansat – ml, datorat tocmai inerţiei mari a VEM-ului. În faza mersului lansat, motoarele de tracţiune sunt deconectate19. La pornire, intervalul (0÷t1), VEM-ul pleacă din starea de repaus, cu acceleraţie constantă, deci cu viteză proporţională cu timpul, care creşte până la viteza staţionară vs. În acest interval, forţa de tracţiune este:    Ft = Fa >∑ Fr 19

Fransua, A., Măgureanu, R., Maşini şi acţionări electrice – elemente de execuţie, Editura tehnică, Bucureşti 1986

Tracţiune electrică

(2.5) La mersul staţionar, intervalul (t1÷t2), viteza este constantă, v = vs, cuplul dezvoltat de motoare este redus, asigurând o forţă de tracţiune redusă necesară acoperirii forţelor de rezistenţă, dată de relaţia:   Ft =∑ Fr (2.6)   iar F fm = 0. Acceleraţia fiind zero, rezultă că şi forţa dinamică, Fa este nulă. La mersul lansat, intervalul (t2÷t3),  motoarele VEM-ului sunt deconectate de la linia de contact LC, ( Ft = 0 ), frâna mecanică nu  intervine, ( F fm = 0 ), mişcarea are loc în virtutea inerţiei şi din relaţia (2.1) rezultă:   Fa = -∑ Fr (2.7)  Forţa de acceleraţie negativă determină o acceleraţie negativă, a < 0, (numită deceleraţie) şi are drept consecinţă o uşoară reducere a vitezei. Menţinerea îndelungată a acestui regim poate conduce la oprirea VEM-ului, însă, într-un timp îndelungat şi pe o distanţă, de asemenea, foarte mare. Timpul şi distanţa de oprire prin acest regim depind şi de configuraţia căii de rulare CR. Pe o rampă, aceste mărimi scad, în vreme ce pe o pantă aceste mărimi cresc încă, putând determina o viteză constantă de deplasare, şi procesul de oprire prin acest regim este imposibil. La frânare, intervalul (t3÷t4), trebuie să intervină un cuplu de frânare (o forţă de frânare), de natură electrică, mecanică sau combinată, care împreună cu forţele de rezistenţă determină o forţă dinamică negativă, dată de relaţia:     Fa = −Ft −∑ Fr −F fm [N] (2.8) Această forţă dinamică, conform relaţiei (2.2), determină o deceleraţie mare, ceea ce conduce la scăderea vitezei VEM-ului până la valoarea zero, când trebuie deconectate motoarele de tracţiune (dacă s-a folosit frânarea electrică sau combinată). Semnul minus pentru forţele din dreapta relaţiei (2.8) are în vedere faptul că sensul acelor forţe este opus sensului de deplasare. Masa echivalentă mr poate fi calculată, dar calculele sunt complexe, având în vedere multitudinea elementelor în mişcare de rotaţie. Pentru a simplifica aceste calcule, masa echivalentă rezultă dacă se utilizează masa reală a vehiculului, mtr, (şi elementele în mişcarea de rotaţie se deplasează liniar, făcând parte din vehicul) şi un coeficient de raportare, γ, subunitar, corespunzător maselor rotitoare, determinat în funcţie de experienţa în proiectarea sistemelor de tracţiune electrică. Masele elementelor în mişcare de rotaţie, mrot, se exprimă în funcţie de 24

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 25 masa elementelor în mişcare de translaţie, cu relaţia: mrot = γ ⋅ mtr [kg] (2.9) Relaţia (2.3) devine: mr = mtr + γ ⋅ mtr = (1 + γ ) ⋅ mtr [kg] (2.10) Noul coeficient (1+γ) se numeşte coeficient global de masă sau de inerţie şi se indică pentru fiecare tip de vehicul20 : - pentru troleibuze, (1+γ) = 1,13÷1,15; - pentru vagoane remorcă, (1+γ) = 1,04÷1,08; - pentru vagoane motoare, (1+γ) = 1,1÷1,18; - pentru locomotive cu şase motoare, (1+γ) = 1,2÷1,4. Utilizând masa mtr, (care este o masă de calcul) rezultată din relaţia (2.10), ecuaţia fundamentală a mişcării liniare devine:     d (v ) F Ft −( ∑ Fr + fm ) = (1+γ)·mtr· [N] (2.11) dt Această ecuaţie este utilizată în diferite calcule de tracţiune.

2.2. Forţele de rezistenţă care se opun la înaintarea VEM 

Forţele de rezistenţă, care se opun înaintării VEM, notate cu ∑ Fr , au următoarele caracteristici: - sunt considerate pozitive, prin convenţie, dacă sensul loreste opus sensului mişcării. Ele trebuie echilibrate prin forţa de tracţiune, Ft ; - sunt prezente pe toată durata mişcării; - au rezultantă care acţionează pe direcţia mişcării utile; - au mărimea necontrolabilă de pe VEM. Forţele de rezistenţă se pot clasifica în două grupe:  - forţe de rezistenţă principale, având rezultanta notată cu Frp ;  - forţe de rezistenţă suplimentare, având rezultanta notată cu Frs . Fiecare din aceste grupe includ mai multe tipuri de forţe. 2.2.1 Forţele d e rezis ten ţă p rin cip ale În această categorie de forţe de rezistenţă sunt incluse toate forţele de rezistenţă care acţionează asupra VEM-ului, în toate regimurile de mers, la deplasarea acestuia pe plan orizontal (în palier) şi în linie dreaptă (aliniament). Ele depind de tipul constructiv al VEM, al căii de rulare, de tehnologiile utilizate în realizarea lagărelor, de condiţiile meteorologice etc. Se disting următoarele tipuri ale forţelor de rezistenţă principale: a. Forţe de rezistenţă datorate frecărilor din lagărele osiilor, Frp1 20

Ciuru, T., Tracţiune Electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

Tracţiune electrică

În timpul rulării roţii pe ocale de rulare, în fiecare lagăr apare câte o  forţă tangenţială de frecare, T f , sub acţiunea greutăţii pe lagăr, G f , modulul acesteia fiind dat de relaţia: T f = µ ⋅G f [N] (2.12) Coeficientul subunitar μ este coeficientul de frecare dintre lagăr şi osie.  Forţa de frecare, T f , determină un cuplu rezistent, Mf, al cărui modul este dat de relaţia: M f = Tf ⋅

d d = µ ⋅G f ⋅ 2 2

[N·m]

unde d este diametrul osiei. Acest cuplu poate fi înlocuit cu un r cuplu determinat de două forţe, Frp1 , egale şi de sens opus, una aplicată în centrul de rotaţie, O, iar cealaltă, aplicată în punctul de contact, A, dintre roată şi calea de rulare (Fig. 2.2). Din egalitatea celor două cupluri, exprimată prin relaţia: D d Frp1 × = µ ×G f × [N·m] (2.14) 2 2 r rezultă expresia forţei de rezistenţă, Frp1 , corespunzătoare frecării dintr-un singur lagăr, raportată la punctul de contact A. Pentru toate lagărele întregului VEM, care are greutatea totală pe calea de rulare (G = mtr · g), modulul forţei de rezistenţă de frecare totală din lagăre, Frp1 , rezultă: d Frp1 = µ × ×mtr ×g [N] (2.15) D În cazul vehiculelor feroviare, raportul diametrelor roţii, d/D, (d – diametrul osiei, D – diametrul bandajului roţii) este cuprins în intervalul 1/8÷1/10. Având în vedere că valoarea medie a coeficientului de frecare μ este de circa 0,01, modulul rezistenţei principale datorată frecărilor din lagăre poate fi considerată ca o valoare constantă, dată de relaţia: Frp1 ≅ 0, 001×mtr ×g [N] (2.16) Coeficientul de frecare μ depinde de mai mulţi factori21: 21

Văzdăuţeanu, V., Tracţiune electrică, Litografia Institutului Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 1984

26

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice

- presiunea dintre cuzinet şi fus;27 - sistemul de ungere şi calitatea lubrifiantului; - tehnologia de construcţie şi gradul de prelucrare a suprafeţelor de contact; - natura materialului de antifricţiune folosit; - turaţia fusului; - temperatura mediului ambiant; - distanţa parcursă fără oprire şi durata staţionărilor. r b. Forţe de rezistenţă datorate rostogolirii roţii pe şină, Frp 2 Rularea roţilor pe şină nu este ca rostogolirea unui cerc pe o dreaptă. În timpul rostogolirii roţii pe calea de rulare, apare o deformaţie elastică atât a roţii, cât şi a şinei, având drept consecinţă o mică ridicare a şinei în faţa roţii. În consecinţă, apare şi o deplasare a r punctului de atac a forţei de reacţie, N , (determinată de greutatea transmisă de la roată la şină), în sensul de înaintare, faţă de verticala din axa de rotaţie, până în punctul B (Fig. 2.3). Cele două componente ale forţei de r r reacţie, G f şi Frp′ , determină, faţă de punctul de contact B, momente de rotaţie, a căror egalitate este definită de relaţia: D G f ×s = Frp′ × [N·m] (2.17) 2 r Din această relaţie rezultă expresia modulului forţei de rezistenţă, Frp′ , corespunzătoare rostogolirii roţii pe şină, raportată la punctul de contact B: 2 ×s ×G f [N] Frp′ = D (2.18) Pentru toate roţile întregului VEM, care are greutatea totală pe calea de rulare (G = mtr · g), modulul forţei de rezistenţă datorată rostogolirii roţilor pe calea de rulare, Frp 2 , rezultă: 2 ×s Frp 2 = ×mtr ×g [N] (2.19) D Mărimea s are valori între 0,1÷0,2 mm. Pentru o roată cu un diametru D=1000 mm, rezultă următoarea expresie pentru modulul forţei de rezistenţă datorată rostogolirii roţilor:

Tracţiune electrică

Frp 2 = ( 2 ÷ 4 ) ×10−4 ×mtr ×g

[N]

(2.20) c. Forţe de rezistenţă datorate alunecărilor dintre roată şi calea de r rulare, Frp 3 Rostogolirea roţilor pe calea de rulare este însoţită şi de alunecări care determină forţe de rezistenţă de frecare. Datorită greutăţii corespunzătoare unei roţi, contactul între roată şi calea de rulare nu se face într-un punct, ci pe o suprafaţă ovală de câţiva mm2. Mărimea suprafeţei de contact, depinde de rigiditatea materialelor din care sunt confecţionate roata, respectiv calea de rulare. La viteze mici sau după un timp mai îndelungat de staţionare, suprafaţa de contact este mai mare, iar la viteze mai mari, suprafaţa de contact este mai mică, deoarece timpul este insuficient pentru ca deformarea să se producă complet. Acest fenomen de deformare a roţii şi a căii de rulare este mai uşor de observat la vehiculele pe pneuri, la care suprafaţa de deformare este cu atât mai mare, cu cât presiunea în pneu este mai mică. În tracţiunea feroviară, alunecarea datorită fenomenului expus este dependentă de mai mulţi factori, din care se amintesc: - conicitatea bandajului; - inegalitatea diametrelor roţilor montate pe aceeaşi osie; - mişcarea oscilatorie. Conicitatea bandajului este necesară pentru a egaliza, pe cât posibil, spaţiile parcurse de cele două roţi ale unei osii, pe porţiunile în curbe ale căii de rulare. Datorită acestei conicităţi se produce, odată cu rostogolirea roţii pe şină, şi o alunecare, deoarece compensarea nu este perfectă sau roţile se sprijină pe suprafeţe de diametre diferite ale bandajului. Inegalitatea diametrelor roţilor montate pe aceeaşi osie se datorează unei strujiri necorespunzătoare, calităţii diferite a materialului din care sunt confecţionate, repartizării neuniforme a greutăţilor în timpul transportului, uzurilor inegale etc. Mişcarea oscilatorie este determinată şi de cauzele mai sus amintite, dar şi de imperfecţiunea căii de rulare, în special de variaţii ale ecartamentului. Cuantificarea forţei de rezistenţă datorată alunecării este dificilă, motiv pentru care se determină pe cale experimentală. d. Forţe de rezistenţă datorate şocurilor care se produc între roată şi r calea de rulare, Frp 4 La trecerea roţilor peste joante (legături între şine prin eclise), din cauza loviturilor primite, viteza de înaintare a roţii tinde să scadă, în timp ce 28

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 29 anterioară producerii şocului22. VEM continuă să se deplaseze cu viteza Diferenţa de acceleraţii care apare provoacă lovituri preluate de elementele elastice dintre perechile de roţi şi cadrul, respectiv cutia vehiculului, conducând la consumarea unei părţi din energia cinetică a acestuia. Şocuri pot să apară şi ca urmare a lovirilor între tampoane, a neregularităţii căii de rulare, a locurilor plane de pe suprafeţele de rulare ale bandajelor etc. Şi aceste rezistenţe sunt greu de cuantificat separat, motiv pentru care sunt cuprinse, în general, în relaţii empirice, verificate pe cale experimentală. r e. Forţe de rezistenţă datorate aerului, Frp 5 Rezistenţa aerului se manifestă pe suprafaţa frontală şi pe suprafeţele laterale ca un efect de frânare, iar în partea din spate a VEM se manifestă prin aspiraţie (Fig. 2.4). Această rezistenţă este prezentă chiar dacă viteza aerului faţă de sol este nulă (absenţa vântului). Forţa de rezistenţă datorată aerului depinde de pătratul vitezei relative a acestuia, faţă de VEM. Când există vânt, viteza aerului nu mai este nulă, efectul ei fiind mai mare. Cel mai defavorabil caz este atunci când vântul este lateral, din faţă, la un unghi de 20º÷22º, faţă de calea de rulare. La vitezele obişnuite ale trenurilor de călători, forţa de rezistenţă datorată aerului constituie termenul cel mai important la mersul în palier. Pentru reducerea acestei forţe de rezistenţă se acordă o atenţie deosebită la forma carenajelor VEM şi, în special, prelucrării suprafeţelor sau a scobiturilor 22

Văzdăuţeanu, V.., Tracţiune electrică, Litografia Institutului Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 1984

Tracţiune electrică

care provoacă vârtejuri şi turbioane. În Fig. 2.5 este evidenţiată forţa de rezistenţă pe unitatea de suprafaţă, în funcţie de viteza VEM, pentru diferite forme ale carenajului VEM. Cuantificarea separată a acestor rezistenţe este dificilă, motiv pentru care sunt cuprinse în relaţii stabilite pe baza încercărilor din laboratoare, în funcţie de viteze şi forma carenajului VEM. Deoarece toate rezistenţele prezentate sunt cuantificate aproximativ prin relaţiile mai sus scrise, în practică au fost propuse relaţii empirice, care sunt de fapt funcţii de gradul 2, de viteza VEM, ai căror coeficienţi se determină pe cale experimentală. Forma generală a unei relaţii de apreciere a modulului forţei de rezistenţă principală, Frp , este:

(

)

Frp = a + b ×v + c ×v 2 ×mtr ×g

[N] (2.21) unde a, b şi c sunt coeficienţi constanţi, stabiliţi prin cercetări experimentale, pentru diferite tipuri de VEM, având forme şi dimensiuni diferite. Cei trei coeficienţi corespund forţelor de rezistenţă principale prezentate, astfel: - a corespunde rezistenţelor determinate de frecările în lagăre, frecărilor de rostogolire a roţilor pe cale şi nu depinde de viteză; - b corespunde rezistenţelor determinate de frecarea de alunecare, ruliu, şerpuiri ale căii de rulare, oscilaţiilor şi depinde de viteză; - c corespunde rezistenţelor determinate de rezistenţa aerului şi depinde de pătratul vitezei23. Se obişnuieşte ca forţele de rezistenţă principale să nu se exprime în unităţi absolute, ci în unităţi relative, raportând valorile rezultate din relaţia (2.21) la 1 kN sau la 1 t, rezultând: F f rp = rp = a + b ×v + c ×v 2 [N/kN] (2.22) mtr ×g sau F f rp = rp = a + b ×v + c ×v 2 [N/t] (2.23) mtr Pentru o locomotivă de 80 t, când viteza se exprimă în km/h, relaţia (2.22) conduce la: f rp = 1 + 0, 007 ×v + 0, 00025 ×v 2 [N/kN] (2.24) Pentru o locomotivă de 120 t, în aceleaşi condiţii, relaţia (2.22) conduce la: f rp = 1,5 + 0, 011×v + 0, 00025 ×v 2 [N/kN] (2.25) 23

Cantemir, L., Oprişor, M., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1971

30

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice

Pentru troleibuze, relaţia (2.22)31 se scrie astfel24: f rp = 12 + 0, 004 ×v 2 [N/kN] (2.26) Pentru tramvaie, relaţia (2.22) se scrie astfel: f rp = ( 5 ÷ 7 ) + ( 0, 0031 ÷ 0, 0061) ×v 2 [N/kN] (2.27) Pentru trenurile de călători de viteză normală, relaţia (2.22) se scrie astfel: f rp = ( 1, 25 ÷ 2 ) + ( 0, 016 ÷ 0, 025 ) ×v 2 [N/kN] (2.28) Pentru trenurile de mare viteză, cu o carenare frontală şi laterală specială, atât pentru locomotive cât şi pentru vagoane, care permit o micşorare cu 70%÷80% a forţelor aerodinamice, relaţia (2.22) devine: 2 v  v  f rp = ( 0,6 ÷ 1,5 ) + ( 0,007 ÷ 0, 022 ) × + ( 0, 0125 ÷ 0, 017 ) × ÷ [N/kN] (2.29) 10  10  2.2.2 Forţele d e rezis ten ţă s u p limen tare În această categorie de forţe de rezistenţă sunt incluse toate forţele de rezistenţă care acţionează asupra VEM-ului, în afara regimurilor normale de mers, şi anume atunci când VEM se deplasează pe plan înclinat, în curbe, în condiţii meteorologice dificile sau când asupra VEM acţionează un vânt cu o viteză considerabilă. Dintre aceste forţe suplimentare, rezistenţa datorată declivităţii (înclinaţiilor) căii de rulare are ponderea cea mai mare. r a. Forţe de rezistenţă datorate declivităţii, Frs1 Declivitatea i [‰] este definită cu relaţia (vezi şi Fig. 2.6): h − hA h i = 1000 B = 1000 × ≅ 1000 ×tgα [‰] (2.30) AB AB La valori mici ale unghiului α, se poate considera că tg α=sin α, deci: i ≅ 1000 ×sin α [‰] (2.31) Forţa de rezistenţă datorată declivităţii se poate scrie: i Frs1 = mtr ×g × = mtr ×g ×sin α [N] (2.32) 1000 Dacă Frs1 se exprimă în [N], iar mtr·g în [kN], rezultă relaţia folosită în calcule practice: Frs1 = mtr ×g ×i [N] (2.33) Dacă VEM se află pe rampă, adică viteza, în Fig. 2.6, are sensul notat cu (1), forţa de rezistenţă dată de relaţiile (2.32) sau (2.33) este considerată pozitivă, iar dacă VEM se află pe pantă, adică viteza are sensul notat cu (2), (Fig. 2.6), forţa de rezistenţă dată de relaţiile (2.32) sau (2.33) este 24

Ciuru, T., Tracţiune Electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

Tracţiune electrică

considerată negativă. În practică, declivitatea i [‰] poate fi înţeleasă astfel: fiecărei distanţe de 1000 m pe orizontală îi corespunde 1 m pe verticală. Raportând valoarea din relaţia (2.33) la 1 [kN], rezultă forţa de rezistenţă relativă la declivitate, dată de relaţia: F f rs1 = rs1 = ±1000 ×tgα = ±i [‰], [N/kN] (2.34) mtr ×g unde semnele + şi – se iau în concordanţă cu cele mai sus precizate. r b. Forţe de rezistenţă datorate mersului în curbe, Frs 2 La mersul în curbe, roţile VEM execută, pe lângă o mişcare de rostogolire, şi o mişcare de rotaţie a vehiculului faţă de centrul curbei. Aceasta face ca între bandaje şi şine, precum şi în crapodină – la vehiculele cu boghiuri (Fig. 2.7), să aibă loc frecări de alunecare care determină mărimea forţei de rezistenţă la mersul în curbe. Dacă R este raza curbei căii de rulare, în metri, forţa de rezistenţă la mersul în curbă se poate determina orientativ, cu relaţia25: r k Frs 2 = mtr ×g × 1 [N] (2.35) R − k2 unde k1 şi k2 se iau din tabelul 2.1. Tabelul 2.1

Nr.

Tip ecartament [mm]

25

k1

k2

Văzdăuţeanu, V., Tracţiune electrică, Litografia Institutului Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 1984

32

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice

crt. 1 2 3 4

33

Ecartament normal (1435 mm) Ecartament de 1000 mm Ecartament de 700÷750 mm Ecartament de 600 mm

550 400 300 200

40 20 10 5

Deoarece forţele de rezistenţă principale, precum şi forţa de rezistenţă suplimentară datorată declivităţilor au fost exprimate şi în unităţi relative, adică [N/kN], relaţiile (2.22)÷(2.29), forţa de rezistenţă suplimentară datorată mersului în curbă va fi exprimată şi în unităţi relative. Raportând valoarea din relaţia (2.35) la 1 [kN], rezultă forţa de rezistenţă relativă determinată de mersul în curbă: F k1 f rs 2 = rs 2 = [N/kN] (2.36) mtr ×g R − k2 2.2.3 Forţa d e rezis ten ţă totală op u s ă mers u lu i În unităţi relative, forţa de rezistenţă totală opusă mersului este dată de relaţia: f r = ( f rp ± i + f rs 2 ) [N/kN] (2.37) Forţa de rezistenţă totală opusă mişcării se poate determina experimental, prin folosirea unui vagon dinamometric prevăzut cu instrumente de înregistrare. La vehiculele cu tracţiune electrică, există o posibilitate mai uşoară de a determina forţa de rezistenţă totală opusă mersului, prin înregistrarea curentului motoarelor de tracţiune, atunci când viteza vehiculelor este constantă. În această situaţie, forţa de tracţiune este egală cu suma forţelor de rezistenţă opuse mişcării, relaţiile (2.6) şi (2.37). Este posibilă, de asemenea, determinarea forţei de rezistenţă totală opusă mersului, din mişcarea vehiculului prin inerţie, cu motoarele deconectate (mersul lansat). Cunoaşterea forţelor rezistente este necesară atât pentru calculul forţei de tracţiune, la vehiculele existente, cât şi pentru proiectarea noilor tipuri de vehicule electrice motoare26. Datorită maselor, vitezelor, acceleraţiilor şi inerţiilor mari ale VEM, motoarele de tracţiune se proiectează pentru etapele grele ale diagramelor de mers, adică pentru sarcinile dinamice principale ale mişcării accelerate – pornirea şi frânarea. De aceea, pentru calculul puterii acestor motoare se foloseşte ecuaţia fundamentală a mişcării utile accelerate. Exemplu de calcul: 26

Văzdăuţeanu, V., Tracţiune electrică, Litografia Institutului Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 1984

Tracţiune electrică

Considerăm un troleibuz cu masa de 10 t care trebuie să dezvolte o acceleraţie de 1,0 m/s2, până la o viteză de 26 km/h pe o rampă cu o declivitate i =70‰ , fără curbe, şi să învingă o forţă de rezistenţă specifică principală frp =120 N/t. Să se calculeze puterea şi turaţia motorului de tracţiune necesar acestui troleibuz, ştiind că: - diametrul roţii D =1,07 m=2·Rr; - raportul de transmitere a angrenajului ir =11,41; - randamentul reductorului este ηr = 0,9. Din relaţia (2.11) deducem forţa de tracţiune în ipoteza că forţa de frânare mecanică Ffm este nulă şi folosind relaţia (2.37), (când frs2=0), rezultă: Ft = ( 1 + γ ) ×mtr ×a + ( f rp + i ) ×mtr = (2.38) = 10 ×103 ×( 1,13 ÷ 1,15 ) ×1, 0 + ( 120 + 70 ) ×10 = 13027 ÷ 13227[ N ] Luăm în considerare valoarea cea mai mare pentru a asigura datele cerute, în situaţia cea mai dezavantajoasă, când ( 1 + γ ) = 1,15 , şi alegem pentru forţa de tracţiune valoarea Ft =13227 N=13,227 kN. Puterea P, necesară motorului pentru a dezvolta o astfel de forţă, corespunzătoare vitezei maxime vmax =26 km/h = 26000/3600 = 7,22 [m/s], se calculează cu relaţia: F ×v 13227 ×7, 22 P = t max = = 106109 [W] (2.39) ηr 0,9 P ≅ 106,1 [kW] adică (2.39.a) Turaţia necesară motorului se calculează folosind relaţiile: 60 ×vmax v nmot = ir ×nroată = ir × = 19,11×ir × max [rot/min] (2.40) 2 ×π ×Rr D Rezultă deci 7, 22 nmot = 19,11×11, 41 × = 1471 [rot/min] (2.40.a) 1, 07 În consecinţă, un motor de 110 kW cu o turaţie de 1500 rot./min. asigură datele cerute pentru troleibuz. 2.3. Fenomenul de aderenţă şi caracteristicile de tracţiune ale vehiculelor electromotoare Deplasarea oricărui sistem mecanic este posibilă numai sub acţiunea unor forţe mecanice exterioare sistemului. Pentru a înţelege modul de apariţie a forţei mecanice necesare deplasării VEM trebuie să subliniem că în componenţa acestuia distingem două categorii de componente: 34

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 35 cap tractor), având greutatea Gav; - componenta activă (locomotivă, - componenta pasivă (vagoane tractate, remorcă), având greutatea Gpv.

2.3.1 Fen omen u l d e ad eren ţă Dacă am considera VEM ca un sistem mecanic izolat de exterior, (suspendat faţă de calea de rulare, când greutatea sa este compensată de forţa de reacţie a suportului), cuplurile motoarelor sale de tracţiune, transmise roţilor motoare, nu ar produce decât interacţiuni interne, care nu pot modifica poziţia centrului de masă a acestuia. Cuplul Mm al motoarelor de tracţiune MT este transmis prin reductoare roţilor motoare RM, însă acest cuplu este interior în raport cu vehiculul şi, sub acţiunea lui, în lipsa contactului cu CR, roţile se rotesc cu viteza unghiulară Ωr=Ωm / ir în jurul axei, fără a transmite vehiculului o mişcare de translaţie. O astfel de situaţie se regăseşte în practică, când un vehicul pe pneuri se află pe o suprafaţă netedă cu polei. Rezultă că forţele de tracţiune apar în zonele de contact între roţile motoare şi calea de rulare. Aceste zone de contact sunt singurele locuri în care VEM interacţionează cu calea de rulare. În situaţia reală, sub acţiunea greutăţii componentei active a vehiculului, Gav, şi a greutăţii roţilor tractoare ale acestuia, Gr, are loc un contact între o roată motoare şi calea de rulare, CR, numit contact de aderenţă. În acest loc de contact, apare o interacţiune cu caracter de frecare, care determină o forţă exterioară tangenţială, numită forţă de aderenţă dintre roată şi calea de rulare. Prin intermediul acestei forţe, mişcarea de rotaţie a roţii se transformă în mişcare de translaţie a vehiculului27. De fapt, aderenţa este un fenomen care se produce între roţile vehiculului şi calea de rulare, producându-se astfel 28 mişcarea vehiculului . Cuplul motor, Mm, poate fi înlocuit cu un cuplu, Mr, determinat de două forţe, egale şi de sens opus, una aplicată în centrul de r rotaţie, O, notată cu Ft , iar cealaltă, aplicată în punctul de contact, A, (la obadă), dintre roată şi calea de 27 28

Ciuru, T., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979 http://dexonline.ro/

Tracţiune electrică

r rulare, notată cu Ft 0 (Fig. 2.8). Forţa la obadă încearcă să împingă calea către uînapoi, cu o viteză u r vr = Ω r ×Rr , opusă vitezei de deplasare a vehiculului, vv . Cum acest lucru uu r este imposibil, vehiculul va fi împins către înainte, cu viteza vv . Valoarea r forţei Ft 0 este: M Ft 0 = r [N] (2.41) Rr Calea de rulare fiind fixă, imposibil de deplasat, se opune acestei r forţe, conform legii a III a lui Newton, cu forţa de reacţie FtA , numită forţă de aderenţă. r r FtA = − Ft 0 [N] (2.42) În consecinţă, roata este împinsă de calea de rulare către înainte, sub acţiunea forţei tangenţiale de aderenţă, care asigură o deplasare continuă a punctului de contact A, ce se comportă ca un centru momentan de rotaţie. În regim staţionar, când Ωr este constant şi dΩr/dt = 0, forţa de r r tracţiune de la obadă, FtA , este egală cu forţa de tracţiune de la osia roţii, Ft . r r Ft = FtA [N] (2.43) Această relaţie rezultă din faptul ucă u r fiecare punct de pe roată are aceeaşi r viteză în plan orizontal, şi anume vv . Din acest motiv, forţa de aderenţă FtA mai este numită şi forţă de tracţiune la obadă. În regim de accelerare sau decelerare, când dΩr/dt ≠ 0 şi, în r r consecinţă, Ft ≠ FtA , pentru a respecta ecuaţia fundamentală de mişcare, trebuie să ţinem seama şi de cuplul dinamic al roţii, exprimat în funcţie de momentul total de inerţie, JΣ , al părţilor în mişcare de rotaţie. Astfel, ecuaţia (2.43), în regim dinamic, se scrie astfel: r r J ×d Ω Ft − FtA = Σ [N] (2.44) Rr ×dt Echilibrul dinamic exprimat prin relaţia (2.44) are loc până la o r anumită limită a forţei de aderenţă FtA max , deci atâta timp cât r r Ft ≤ FtA max [N] (2.45) Cât timp este respectată relaţia (2.45), cuplul motorului transmis roţii motoare este transformat în totalitate în forţă tangenţială de tracţiune, care asigură o mişcare de rostogolire a roţii motoare, pe calea de rulare, şi o egalitate a vitezei tangenţiale a roţii şi a vitezei vehiculului29 (Fig. 2.9). 29

Ciuru, T., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

36

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 37

În prima zonă, OA, forţa de r aderenţă, FtA , şi forţa de r tracţiune, Ft , cresc proporţional, asigurându-se accelerarea vehiculului, conform ecuaţiei de mişcare (2.44). În această zonă viteza roţii, vr, şi viteza vehiculului vv, sunt egale. r r În a doua zonă, FtA ≥ FtA max , numai o parte din mărimea cuplului motor este convertită în forţă tangenţială de tracţiune, iar restul se transformă într-o mişcare de alunecare a roţii, cu o viteză mai mare decât a vehiculului. Cele două viteze nu mai rămân egale, apărând o diferenţă numită viteză de alunecare va = vr − vv [m/s] (2.46) Apariţia mişcării de alunecare se numeşte ruperea de aderenţă între roată şi calea de rulare. Mişcarea de alunecare între roată şi calea de rulare are un coeficient de frecare μ mai mic decât coeficientul de aderenţă φ. Această mişcare, cu frecare cinetică, are mai multe consecinţe negative: - apariţia unei forţe de frecare de alunecare între roată şi calea de rulare; - o creştere considerabilă a uzurii roţilor; - o uzură neuniformă a căii de rulare, determinând neliniaritatea suprafeţei de rulare; - scăderea forţei de tracţiune şi a vitezei vehiculului, dependentă de viteza de alunecare (Fig. 2.10); - consum inutil de energie electrică. Coeficientul de aderenţă, φ, (mărime subunitară şi adimensională) dintre roată şi calea de rulare, are o importanţă deosebită în dimensionarea sistemelor de tracţiune, deoarece el permite calculul forţei maxime de r r aderenţă, FtA max şi al forţei de tracţiune maxime, Ft max , care asigură o mişcare fără alunecare: FtA max = 1000 ×ϕ ×Gav [N] (2.47)

Tracţiune electrică

Ft max = FtA max [N] (2.48) Greutatea de aderenţă Gav (Fig. 2.8) este greutatea componentei active a vehiculului, raportată la numărul de roţi motoare. Coeficientul de aderenţă, φ, poate fi exprimat ca acea parte a greutăţii raportate a vehiculului Gav, care constituie forţa de aderenţă maximă sau forţa de tracţiune maximă. El poate fi exprimat în unităţi relative [N/kN]: F ϕ = tA max [N/kN] (2.49) Gav De exemplu, dacă φ = 0,3 [N/kN], atunci forţa de aderenţă maximă este de 300 [N] la fiecare [kN] al greutăţii Gav. Coeficientul de aderenţă, φ, depinde de mai mulţi factori, dintre care amintim30: - natura fizică a ansamblului roată – cale de rulare (oţel sau cauciuc); - starea roţilor (noi sau uzate); - natura şi starea căii de rulare (umedă, uscată, cu pete de ulei, cu frunze căzute şine, cu nisip etc; - viteza vehiculului, vv; - greutatea vehiculului; - vibraţia vehiculului pe verticală. Spre exemplificare, pentru cale ferată, dependenţa coeficientului de aderenţă de starea căii de rulare şi de viteza vehiculului se exprimă prin relaţia empirică: ϕ0 ϕ= (2.50) 1 + 0, 01×vv unde φ0 = 0,25, pentru calea ferată umedă şi φ0 = 0,33 pentru calea ferată uscată, iar viteza se exprimă în km/h. Pentru vehiculele cu roţi pneumatice, coeficientul de aderenţă, φ, este mai ridicat, dar este puternic influenţat de: - viteza vehiculului; - presiunea în pneuri; - natura şi starea carosabilului; - starea de uzură a roţilor; - temperatura mediului ambiant. Valorile coeficientului de aderenţă la contactul pneu – carosabil sunt: - pentru beton uscat, φ = 0,85; - pentru beton umed, φ = 0,6; - pentru asfalt uscat, φ = 0,55÷0,65; - pentru asfalt umed, φ = 0,4; - pentru carosabil acoperit cu zăpadă, φ = 0,2÷0,3; - pentru carosabil acoperit cu polei sau cu gheaţă, φ = 0,05÷0,15; 30

Ciuru, T., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

38

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 39 coeficientului de aderenţă se aleg în În calculele de tracţiune, valorile funcţie de recomandările experimentale, pentru diferitele tipuri de vehicule. De exemplu: - pentru transportul terestru cu roţi metalice, φ = 0,15÷0,17; - pentru metrou, φ = 0,2÷0,22; - pentru vehicule cu pneuri, φ = 0,25÷0,4; Pentru a evita alunecarea şi ruperea aderenţei este necesar să se aleagă un astfel de motor, ale cărui putere, turaţie şi cuplu să conducă la satisfacerea condiţiei date de relaţia: Ft max ≤ FtA max = ϕ ×Gav [N] (2.51) Un început de alunecare a roţii pe calea de rulare nu degenerează întotdeauna în patinare, roata poate adera din nou la şină dacă a dispărut cauza care a produs alunecarea. Frecvent, cauza dispare dacă cuplul motorului scade sub o anumită valoare care permite readerarea. Deci, în vederea evitării patinării, trebuie acordată o importanţă deosebită formei caracteristicii mecanice a motorului de tracţiune. O caracteristică mecanică rigidă (specifică motorului asincron sau motorului de curent continuu cu excitaţie derivaţie) este favorabilă apariţiei alunecării şi deci şi pierderii aderenţei. O caracteristică mecanică moale (specifică motorului de curent continuu cu excitaţie serie) poate exclude apariţia alunecării şi ruperea aderenţei. De aceea, motorul de curent continuu cu excitaţie serie poate fi considerat ca motor clasic de tracţiune electrică, deşi regimul de frânare electrică a acestuia este mai dificil.

2.3.2 C aracteris tici le d e tracţiu n e ş i d e frân are veh icu lelor electromotoare

ale

Motoarelor de tracţiune electrică (MTE) având caracteristici diferite în funcţie de tipul acestora şi modul de realizare a excitaţiei (la motoare de curent continuu) sunt cele care determină caracteristicile de tracţiune şi de frânare ale vehiculelor electromotoare. Cum în paragraful anterior am precizat că motorul de curent continuu cu excitaţie serie este cel mai adecvat pentru a echipa un VEM, precizăm în continuare caracteristicile principale ale acestuia, şi anume31: - caracteristica de magnetizare, la mersul în gol, adică dependenţa fluxului magnetic Φ, de curentul de excitaţie, Ie, Φ = f(Ie), la altă scară Ue = f(Ie); - caracteristica electromagnetică, adică dependenţa cuplului electromagnetic Mm, de curentul indusului, Ii, Mm=f(Ii); - caracteristici electromecanice la arborele motorului: - dependenţa turaţiei motorului, n, de curentul indusului, Ii, la 31

Ciuru, T., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

Tracţiune electrică

diferite sarcini, n=f(Ii); - dependenţa puterii utile, P, la arborele motorului de curentul indusului, Ii, la diferite sarcini, P=f(Ii); - dependenţa randamentului, η, de curentul indusului, Ii,, η=f(Ii); - caracteristici mecanice – dependenţa turaţiei n de cuplul util M2 la arborele motorului, pentru diferite tensiuni sau rezistenţe adiţionale, n=f(M2);

În Fig. 2.11 sunt prezentate caracteristica electromagnetică Mm=f(Ii) şi caracteristicile electromecanice, la arborele motorului, adică n=f(Ii), P=f(Ii) şi η=f(Ii). În Fig. 2.12 sunt prezentate caracteristicile mecanice n=f(M2), unde cu 1 s-a notat caracteristica mecanică naturală, cu 2 şi 3 s-au notat caracteristicile mecanice artificiale obţinute prin înserierea unui reostat în circuitul indusului, iar cu 4 s-a notat caracteristica mecanică artificială obţinută prin slăbire de câmp (conectarea unui reostat în paralel cu înfăşurarea de excitaţie serie). Caracteristicile acestui motor de tracţiune electrică determină caracteristicile de tracţiune ale vehiculului, care sunt: - caracteristici de tracţiune propriu-zise: - variaţia forţei de tracţiune, Ft, a vehiculului (determinată de motor), în funcţie de viteza liniară, vv a vehiculului (Fig. 2.16); - variaţia puterii mecanice, Po, la obada roţii, în funcţie de viteza vv a vehiculului; - caracteristici de frânare, care reprezintă dependenţa forţei de frânare, Ffm, în funcţie de viteza liniară, vv, a vehiculului; - caracteristici de rezistenţă, care reprezintă dependenţa tuturor forţelor de rezistenţă, ΣFr, care se opun înaintării vehiculului, în funcţie de viteza vv, a vehiculului. Caracteristicile de tracţiune şi frânare ale vehiculului electromotor sunt de fapt ultimele trei caracteristici prezentate. Calcularea acestora 40

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 41 depinde însă de caracteristicile motorului de tracţiune. Pentru un motor de curent continuu, cu excitaţie serie sau excitaţie mixtă (excitaţia serie fiind predominantă), aceste caracteristici sunt neliniare, datorită neliniarităţii caracteristicii de magnetizare, Φ = f(Ie). Această curbă, în valori raportate, Φrap = Φ / Φn, Irap = Ii / Iin , adică Φrap = f(Irap ), arată ca în fig. 2.13. Curba prezentată în fig. 2.13 a rezultat pornindu-se de la curbele reale de magnetizare ale unor motoare de puteri diferite, prin scrierea unei funcţii polinomiale de gradul 5, cu coeficienţi constanţi (dacă precizia cerută este sub 5%), sau de gradul 9 (dacă precizia cerută este sub 2%), care să le aproximeze. Dacă se optează pentru un polinom de gradul 5, relaţia care aproximează caracteristica de magnetizare a motorului de curent continuu cu excitaţie serie, într-un interval de curent relativ Irap =0,3÷2, este32: 5 4 3 2 Φ rap ( I rap ) = 0, 03 ×I rap − 0,37 ×I rap + 1,39 ×I rap − 2,57 ×I rap + 2,56 ×I rap − 0,1 (2.52) Ecuaţiile de bază ale motorului de curent continuu cu excitaţie serie, în regim staţionar, sunt cunoscute33. U = U e + R ×I i [V] (2.53) U e = ke ×n ×Φ ( I i ) [V] (2.54)

M m = km ×Φ ( I i ) ×I i [N·m] (2.55) unde: U este tensiunea de alimentare, Ue este tensiunea electromotoare indusă, R este rezistenţa totală (rezistenţa înfăşurării indusului şi rezistenţele înseriate cu aceasta) din circuitul indusului motorului de curent continuu, exprimată în [Ω], Mm este cuplu electromagnetic al motorului, n este turaţia în [rot/min], Φ(Ii) reprezintă variaţia fluxului de excitaţie în funcţie de curentul de excitaţie (fluxul fiind măsurat în Wb, iar curentul de excitaţie în A), care este acelaşi cu curentul indusului, Ii = Ie, conform caracteristicii de magnetizare. În relaţiile (2.54), (2.55) intervin şi constantele maşinii, care sunt: ke =p·n / 60·a , km = p·N / 60·a·2π, unde p este numărul perechilor de poli, a - numărul căilor de curent (căi paralele ale înfăşurării indusului), N – numărul de conductoare ale înfăşurării indusului. 32 33

Ciuru, T., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979 Piroi, I., Maşini electrice, Editura Eftimie Murgu, Reşiţa, 2009

Tracţiune electrică

2.3.3 C alcu lu l ş i rep rezen tarea d iagramelor d e mers Deoarece caracteristica de magnetizare este neliniară şi a fost exprimată în relaţia (2.52), toate mărimile exprimate cu relaţiile (2.53)÷(2.55) trebuie calculate punct cu punct, pornind de la polinomul de gradul 5 amintit. Spre exemplu, considerăm curba de variaţie a fluxului raportat în funcţie de curentul de excitaţie raportat şi alegem 10 valori pentru Irap, între 0,3÷2. Acestora le corespund 10 valori ale fluxului raportat Φrap(Irap). Pentru aceleaşi valori ale lui Irap se calculează turaţia motorului, cu relaţia: U − I i ×R 30 n ( Ii ) = × [rot/min] (2.56) km ×Φ n ×Φ ( I rap ) π Se obţin 10 valori pentru turaţie şi cunoscând cele 10 valori ale lui Irap, se reprezintă grafic (prin puncte) variaţia turaţiei în funcţie de curentul prin circuitul indusului (cunoaştem că Ii = Irap·Iin). Deoarece viteza la obada roţii, vv, care este aceeaşi cu viteza de deplasare a vehiculului, se exprimă în funcţie de turaţia, n, de la arborele motorului, prin relaţia: π ×D ×3, 6 vv ( I rap ) = ×n = kr ×n [km/h] (2.57) 60 ×ir unde: D =2·Rr [m], valoarea 3,6 este coeficientul de transformare al vitezei din m/s în km/h, ir este raportul de transmitere a angrenajului (coeficient de reducţie). Curba de variaţie a turaţiei este, la scara kr, chiar curba de variaţie a vitezei, (prin puncte) la obada roţii, în funcţie de curentul prin indus, Ii. Pentru a determina şi forţa de tracţiune la obada roţii, FtA, calculăm cuplul la arborele motorului, M2, folosind tot cele 10 valori pentru Irap, cu relaţia: M 2 ( I rap ) = km ×Φ n ×Φ ( I rap ) ×I i ×η ( I rap ) [N·m] (2.58) În prealabil, se reprezintă curba randamentului, η(Irap), folosind datele furnizate de constructorul motorului. Forţa de tracţiune la obadă, FtA, se calculează folosind tot cele 10 valori pentru Irap, cu relaţia: M 2 ( I rap ) ×ir ×ηr [N] (2.59) FtA ( I rap ) = Rr Se reprezintă, folosind cele 10 puncte, curba de variaţie a forţei de tracţiune la obadă în funcţie de curentul prin indus. În Fig. 2.14 42

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 43 sunt reprezentate curbele de variaţie pentru vv(Irap) şi pentru FtA(Irap). Caracteristica forţei de tracţiune în raport cu viteza vehiculului (cât timp nu se rupe aderenţa), FtA(vv)=Ft(vv), se determină tot pe cale grafică, pe baza celor două caracteristici din Fig. 2.14. Pentru aceeaşi valoare a curentului prin indus, Ii, se determină valorile vvi, respectiv FtAi. Valorile forţei se înscriu pe orizontală, iar cele ale vitezei, pe verticală, rezultând caracteristica vv ( Ft ), din Fig. 2.15, şi inversa ei, Fig. 2.16.

Caracteristica vv ( Ft ) este limitată de valorile maxime pentru viteza vehiculului vv max şi pentru forţa de tracţiune Ft max. Forţa de tracţiune este limitată avându-se în vedere relaţia (2.47). Regimul de tracţiune la pornire se poate analiza mai în detaliu împărţindu-l în două etape: - etapa I, când are loc o mişcare uniform accelerată, adică r r a = amax = const. şi vv ∈ ( 0 ÷ va ) . Se recomandă ca va să fie: v va = v max [m/s] (2.60) 2 - etapa a II-a, când are loc o mişcare cu acceleraţie r descrescătoare de la amax la zero, iar viteza vehiculului vv ∈ ( va ÷ vv max ) , (Fig. 2.17). Pentru realizarea deplasării cu acceleraţia maximă, este necesară o forţă dinamică (forţă de accelerare) Fa = Famax şi o forţă de

Tracţiune electrică

tracţiune Ft = Ftmax, conform relaţiilor (2.2) şi (2.4). Puterea de tracţiune raportată la obadă, Po ,va fi: π ×n Po = M 2 × = Ft ×vv = Ft max ×vv [W] (2.61) 30 Din relaţia (2.61) se constată că în etapa I puterea la obadă, Po , este direct proporţională cu viteza vehiculului vv, deci creşte liniar de la valoarea zero la valoarea P0n (Fig. 2.18). Pe caracteristica Ft (vv), punctul de funcţionare se deplasează în această etapă pe orizontala AB, forţa de tracţiune fiind constantă, iar viteza crescând de la zero la va. În practică, prin utilizarea integrală a aderenţei în domeniul vitezelor joase, caracteristica mecanică în acest interval poate fi uşor căzătoare (dreapta A'B). În a doua etapă viteza creşte în continuare, dar acceleraţia şi forţa dinamică Fa scad către zero. În consecinţă, din relaţia (2.1) rezultă că şi forţa de tracţiune va scădea, urmărind curba de variaţie a forţei de tracţiune în funcţie de viteză, Ft (vv). Punctul de funcţionare în această etapă se deplasează pe porţiunea BC. La atingerea valorii maxime a vitezei vehiculului (punctul C), forţa dinamică este nulă, în timp ce forţa de tracţiune respectă relaţia (2.6), adică este egală cu rezultanta forţelor rezistente. Tot în a doua etapă, puterea la obadă, Po, rămâne constantă, având în vedere că viteza vehiculului vv creşte, iar forţa de tracţiune Ft(vv) scade, după o hiperbolă, deci: Po = Pon = Ft ×vv = const. [W] (2.62) Această valoare a puterii la obadă stă la baza calculului puterii motorului electric de tracţiune (A se vedea § 2.23). 2.4. Frânarea vehiculelor electromotoare În tracţiunea vehiculelor de orice fel, important este să ştim să le punem în mişcare. Este însă şi mai important să ştim să le oprim la timp şi în condiţii de siguranţă. Nu se poate vorbi despre mişcarea vehiculelor fără 44

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice

dotarea acestora cu sisteme de frânare45puternice şi fiabile. Dispozitivele de frânare au evoluat de-a lungul timpului, iar construcţia şi funcţionarea acestora este strict reglementată34. Sistemele de frânare ale oricărui vehicul trebuie să asigure: - limitarea creşterii vitezei la coborârea pantelor (frânarea limitativă sau de menţinere a vitezei); - reducerea vitezei de la o valoare iniţială mare, v1, la o valoare finală mai mică, v2, (frânarea propriu-zisă); - oprirea vehiculului aflat în mişcare (frânarea de oprire); - imobilizarea vehiculului oprit (frânarea de staţionare sau de parcare). Pentru a realiza aceste funcţiuni în condiţii de maximă siguranţă, orice vehicul trebuie să fie prevăzut cu cel puţin două sisteme de frânare, cu funcţionare independentă. Un sistem de frânare constă dintr-o parte fixată pe vehicul, prevăzută uneori cu garnitură (ferodou), care se freacă, la apăsare, pe o suprafaţă metalică, suprafaţă sub formă de tambur sau de disc, fixată pe roată. Prin frânare, în jurul axelor roţilor apare câte un cuplu de frânare, care la contactul roată – cale de rulare se manifestă ca o forţă de frânare, tangenţială căii, îndreptată în sens contrar deplasării vehiculului. Dacă cuplul de frânare este foarte mare, roţile se blochează şi se produce deplasarea vehiculului prin alunecare (vehiculul patinează). Spre a evita acest fenomen, la autovehicule există sisteme de limitare a cuplului de frânare (ABS, ESP), astfel încât să fie evitată alunecarea în condiţii medii de stare a suprafeţei căii de rulare şi a pneului. În tracţiunea feroviară (la VEM cu roţi) se utilizează două categorii de metode de frânare: - metode directe, la care forţa de frânare se realizează între vehicul şi calea de rulare (frânare electromagnetică cu patine, cu saboţi pe cale etc.); - metode indirecte, la care forţele sau cuplurile de frânare acţionează asupra roţilor sau osiilor vehiculului, determinând scăderea vitezei de rotaţie a acestora, chiar până la zero, şi ca o consecinţă, obţinerea forţei de frânare a vehiculului pe baza aderenţei între roţi şi calea de rulare. Aceste metode utilizează frânarea cu saboţi, frânarea mecanică cu discuri fixe faţă de osie, frânarea electrică (când osiile sau roţile sunt angrenate de motoare electrice de tracţiune. 2.4.1 Frân area mecan ică cu frecare. Forţa d e frân are mecan ică Sistemele de frânare mecanică presupun realizarea unui contact între vehicul şi calea de rulare, putând fi deci atât sisteme de frânare directe, cât şi 34

Cososchi, B., Drumuri, Trasee, Editura Societăţii Academice „Matriu-Teiu Botez”, Iaşi, 2005

Tracţiune electrică

sisteme de frânare indirecte. Frânarea mecanică aduce avantajul realizării unei forţe de frânare de valoare mare, având în vedere că pot fi frânate atât componentele active, cât şi componentele pasive ale unui VEM. Acţionarea frânei mecanice se poate face cu o instalaţie pneumatică ce are în componenţă compresoare de aer, care ridică presiunea acestuia la 700 ÷ 900 kPa (6,91 ÷ 8,88 bar) şi o reţea de conducte metalice35. Transmiterea comenzii de frânare mecanică de la mecanicul vehiculului la frâna propriu-zisă se poate face mecanic, hidraulic, pneumatic, electric, prin servo-mecanism etc. Calitatea unei instalaţii de frânare depinde esenţial de numărul de circuite care asigură frânarea vehiculului. Astfel, există vehicule cu un singur circuit de frânare şi cu două sau mai multe circuite de frânare. În cazul existenţei unui singur circuit de frânare, o defecţiune apărută într-un punct al lanţului de transmitere a mişcării scoate din funcţiune sistemul de frânare, cu consecinţe imprevizibile şi nedorite. Sistemele de frânare mecanică cu mai multe circuite conduc la o siguranţă mai mare a acţionării acestora şi menţinerea unei stabilităţi mai mari a vehiculului în perioada de frânare. Fiabilitatea sistemelor de frânare cu mai multe circuite este considerabil crescută, contribuind la creşterea securităţii circulaţiei, motiv pentru care în unele ţări este prevăzută obligativitatea existenţei mai multor circuite de frânare sau divizarea circuitelor de frânare mecanică. În tracţiunea feroviară este preferat sistemul de frânare cu transmisie pneumatică la care se impun, însă, câteva condiţii: - unicitatea punctului de comandă şi simultaneitatea acţionării. În acest sens, este necesară o conductă pneumatică, lungă cât convoiul, metalică, în lungul vagonului şi din cauciuc armat, pentru a fi elastică, între vagoane, prin care se transmite comanda de frânare sau de defrânare a acestuia. Deoarece în lungul conductei, variaţia de presiune se transmite cu o viteză finită (250÷270 m/s), în cazul convoaielor cu lungimi de peste 500 m, simultaneitatea acţionării nu este respectată. Pentru a elimina acest inconvenient, se recurge la sistemul electropneumatic, la care acţionarea frânei se face cu aer comprimat, dar transmiterea comenzii se face electric. Datorită avantajelor sistemelor electropneumatice, acest sistem de frânare sa extins la transportul urban, suburban cât şi la trenurile de mare viteză; - acţionarea automată şi fără comandă a frânei mecanice la întreruperea conductei pneumatice. La întreruperea conductei pneumatice, presiunea în acesta trebuie să se reducă la zero, determinând astfel intrarea automată în funcţiune a frânei pneumatice. Pe trenurile destinate transportului de persoane, sunt prevăzute şi puncte de comandă la dispoziţia călătorului (semnal de avarie), care, acţionate în împrejurări critice de 35

Nicola, D.A., Cismaru D.C., Tracţiune electrică, fenomene, modele, soluţii, vol I, Editura SITECH, Craiova, 2006

46

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 47 pericol, deschid conducta pneumatică, conducând la aceeaşi acţionare automată a frânei pneumatice; - acţionarea moderabilă a frânei mecanice, adică acţionarea sistemului de frânare să se efectueze progresiv, fără şocuri, atât la frânare cât şi la defrânare; - capacitatea „inepuizabilă” a instalaţiei de frânare, adică frânarea să fie eficientă şi după numeroase frânări şi defrânări repetate, la scurte intervale de timp, cu o reducere de cel mult (10÷15)% din capacitatea de frânare iniţială. În tracţiunea rutieră, sistemului de frânare cu simplu sau dublu circuit i se mai impun o serie de condiţii, dintre care se amintesc: - capacitatea de a realiza anumite deceleraţii prescrise; - asigurarea stabilităţii vehiculului în timpul frânării; - distribuirea egală a efortului de frânare pe roţi; - evacuarea căldurii care i-a naştere în timpul frânării; - siguranţă în funcţionare în toate condiţiile de lucru; - realizarea frânării fără patinare, utilizându-se sistemul ABS (Antiblockiersystem) sau ESP (Electronic Stability Programm); - asigurarea imobilizării vehiculului în rampă sau în pantă, în cazul unei staţionări de durată; - funcţionarea silenţioasă, construcţie simplă şi ieftină.

Forţa de frânarea mecanică

r Dacă frânarea se realizează cu doi saboţi, apăsaţi fiecare cu forţa P , asigurată de instalaţia pneumatică sau de altă natură, datorită frecării de r alunecare cu coeficientul de frecare μ, apar două forţe de frecare, Fµ , fiecare având valoarea, în modul: Fµ = µ ×P [N] (2.63) Cuplul M F µ , determinat de aceste două forţe de frecare, orientat în sens invers sensului de rotaţie al roţii, are valoarea: M F µ = 2 ×Fµ ×Rr = 2 ×µ ×P ×Rr [Nm] (2.64) Acest cuplu poate fi înlocuit cu un cuplu M Ffm , determinat de alte r două forţe, Ffm , egale şi de sens contrar, una aplicată în centrul de rotaţie, r cu sensul opus sensului vitezei, v v , a vehiculului, iar cealaltă, aplicată în punctul de contact dintre roată şi calea de rulare (Fig. 2.19). Valoarea acestui cuplu, M Ff m , este: M Ffm = Ffm ×Rr [Nm] (2.65) Din egalitatea celor două cupluri, date de relaţiile (2.64) şi (2.65), rezultă valoarea forţei de frânare mecanică:

Tracţiune electrică

Ffm =

2 ×µ ×P ×Rr = 2 ×µ ×P [N] (2.66) Rr Aceasta este modulul forţei de frânare mecanică ce intervine în ecuaţiile (2.1) şi (2.11). În cazul când saboţii de frânare acţionează pe un disc de diametru d, expresia forţei de frânare mecanică este:

µ ×P ×d µ ×P ×d = [N] 2 ×Rr D (2.67) Din această relaţie se observă că frânarea mecanică pe disc de frânare este mai puţin eficientă, deoarece diametrul discului de frânare este mai mic decât diametrul D al bandajului roţii. În tracţiunea rutieră, coeficientul de frecare, μ, este notat cu ff şi variază în limite largi, în funcţie de tipul şi starea suprafeţei de rulare, de temperatura acesteia şi de presiunea în pneuri36, conform tabelului 2.2. Ffm =

Tabelul 2.2

Starea căii uscată umedă

Valori ale coeficientului μ în funcţie de viteza Vv, în km/h 40 60 80 100 120 0,64 0,60 0,58 0,56 0,55 0,36÷0,46 0,33÷0,44 0,31÷0,42 0,30÷0,38 0,27÷0,34 2.4.2 Frân area electrică

Se cunoaşte că orice maşină electrică de construcţie normală este reversibilă, adică poate lucra atât în regim de motor, cât şi în regim de generator. Motoarele de tracţiune electrică, fie că sunt de curent continuu, de curent alternativ de tip asincron sau sincron, sunt deci reversibile, putând funcţiona şi în regim de generator. Pe reversibilitatea maşinilor electrice se bazează realizarea frânării 36

Cososchi, B., Drumuri, trasee, Editura Societăţii Academice „Matriu-Teiu Botez”, Iaşi, 2005

48

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 49 electrice. Aceasta depinde de tipul maşinii utilizate ca motor şi poate fi37: - frânare reostatică; - frânare cu recuperare de energie; - frânarea prin slăbire de câmp; - frânare prin modificarea tensiunii de alimentare; - frânarea liniară cu curenţi turbionari; - frânarea electromagnetică cu patină. Ultimele două tipuri de frânări sunt, de fapt, cunoscute ca metode de modificare a turaţiei, dar şi frânarea propriu-zisă însemnează tot o modificare de turaţie şi deci de viteză a vehiculului. Maşina electrică utilizată ca motor, indiferent de tipul ei, în regim de generator dezvoltă un cuplu electromagnetic opus mişcării, deci un cuplu de frânare. Acest cuplu se aplică roţilor motoare, deci frânarea electrică nu poate fi aplicată pe toate roţile cum se aplică frânarea mecanică. Frânarea electrică este o frânare adiţională frânării mecanice, aducând o serie de avantaje: - reducerea uzurii bandajelor, saboţilor şi chiar a căii de rulare; - evitarea încălzirii excesive şi a solicitărilor termice periculoase în urma funcţionării prelungite a frânei mecanice; - reducerea poluării prin scăderea cantităţii de praf şi particule rezultate în timpul procesului de frânare mecanică; - recuperarea parţială a energiei cinetice a vehiculului, prin transformarea acesteia în energie electrică, debitată în linia de alimentare; - utilizarea căldurii dezvoltate în rezistoare de frânare, pentru încălzirea interiorului vehiculului; - realizarea unui sistem automat de frânare, care să permită o modificare fină a vitezei VEM şi să asigure confortul necesar călătorilor; - evitarea patinării care rezultă din faptul că atunci când roata motoare ar patina nu ar mai exista mişcare de rotaţie, nici tensiuni induse şi în consecinţă nici cuplu de frânare; - evitarea blocării roţilor frânate. Utilizarea frânării electrice are însă şi dezavantaje, dintre care se amintesc: - apariţia unor solicitări termice şi electrice suplimentare a motoarelor de tracţiune; - imposibilitatea frânării la viteze mici şi la oprirea VEM; - creşterea costului vehiculului datorită componentelor schemelor electrice de frânare şi reglare a turaţiei.

Frânarea reostatică Acest tip de frânare este generalizat în construcţia vehiculelor cu tracţiune electrică, având marele avantaj că este independentă de linia de 37

Ruja, I., Acţionări electrice, Universitatea „Eftimie Murgu” Reşiţa, Reşiţa, 1994

Tracţiune electrică

contact. Frânarea reostatică are un grad de siguranţă mărit şi posibilităţi largi de reglare. Frânarea reostatică poate fi realizată cu diferite scheme de montaj, în funcţie de tipul motorului de tracţiune electrică. În cazul utilizării motoarelor de curent continuu cu excitaţie serie, trecerea acestora în regim de generator se poate face astfel: - se deconectează MTE de la sursa de alimentare, conectându-se concomitent în serie cu indusul înfăşurarea de excitaţie şi reostatul de frânare corespunzător dimensionat. Maşina de curent continuu este în acest caz generator de curent continuu cu excitaţie serie (Fig. 2.20);

- se deconectează MTE de la sursa de alimentare, conectându-se concomitent în serie cu indusul reostatul de frânare corespunzător dimensionat, iar înfăşurarea de excitaţie rămâne alimentată de la o sursă de curent continuu auxiliară. Maşina de curent continuu este în acest caz generator de curent continuu cu excitaţie separată sau derivaţie (Fig. 2.21). Reostatul se realizează, de regulă, cu ploturi, astfel încât reducerea vitezei VEM să se poată face în trepte. Se cunoaşte că atunci când sunt conectate în paralel două sau mai multe generatoare de curent continuu, cu autoexcitaţie serie, se poate ajunge la o funcţionare instabilă. Spre a evita apariţia instabilităţii, se utilizează scheme, care, pentru două generatoare în paralel, arată ca în Fig. 2.19.

50

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 51

Fig. 2.22 Scheme de principiu utilizate cu scopul evitării instabilităţii

Astfel, utilizarea diodelor, ca în Fig. 2.22. a), împiedică apariţia unui curent de circulaţie între cele două generatoare. Utilizarea unei bare de egalizare, ca în Fig. 2.22. b), permite obţinerea aceleiaşi tensiuni electromotoare pe ambele generatoare şi a aceloraşi căderi de tensiune pe cele două excitaţii. Maşinile electrice fiind considerate identice, prin cele două înfăşurări de excitaţie, respectiv prin indusurile celor două maşini, vor circula curenţi egali.

Fig. 2.23 Scheme de frânare reostatică utilizate la VEM cu mai multe motoare

Încrucişarea excitaţiilor, ca în Fig. 2.22. c), conduce de asemenea la o funcţionare stabilă a maşinilor electrice în regim de generator. Metoda încrucişării excitaţiilor se aplică şi la VEM cu mai multe motoare de tracţiune, aşa cum se poate observa din Fig. 2.23.a): la locomotive de tip Bo-Bo, cu patru motoare de curent continuu, sau la locomotive de tip Co-Co, cu şase motoare de curent continuu, ca în Fig. 2.23.b). Frânarea cu recuperare de energie

Tracţiune electrică

Această metodă de frânare este foarte avantajoasă deoarece în loc ca energia de frânare să fie disipată sub formă de căldură, în rezistenţe de frânare, aceasta este evacuată în linia de contact, urmând să fie consumată de alte VEM, sau trimisă în Sistemul Energetic Naţional. Pentru a se putea utiliza această metodă este necesar să fie îndeplinite condiţiile: - circuitul de tracţiune să poată funcţiona reversibil, adică convertoarele electronice să permită circulaţia bidirecţională a curentului, respectiv a energiei electrice; - energia evacuată către linia de contact să fie consumată instantaneu, ceea ce presupune fie existenţa pe acelaşi tronson a unui alt VEM aflat în regim de tracţiune, fie existenţa în apropiere a unui SSTE, care să permită evacuarea energiei recuperate în reţeaua de curent alternativ. Cerinţele necesare aplicării frânării cu recuperare de energie sunt îndeplinite în cazul transportului electric urban şi suburban, cu trafic foarte intens, adică acolo unde numărul de VEM aflate în regim de tracţiune este destul de mare38. Aplicarea acestei metode, în marile oraşe, conduce la o reducere a consumului de energie electrică de până la 20÷30%. La transportul în subteran, aplicarea frânării recuperative conduce la economisirea energiei electrice, care ar fi necesară pentru ventilarea staţiilor şi a tunelurilor. De aceea, ramele moderne de metrou folosesc frânarea cu recuperare ca frânare de serviciu, iar frânarea reostatică şi cea pneumatică sau mecanică, sunt folosite ca frânare de rezervă, respectiv de oprire.

Frânarea prin slăbire de câmp şi frânarea prin modificarea tensiunii de alimentare se aplică în schemele de frânare reostatică pentru realizarea unor deceleraţii convenabile persoanelor transportate, în cazul transportului de călători. Frânarea liniară cu curenţi turbionari Această metodă de frânare se bazează pe teoria maşinii de inducţie liniare. Astfel, pe VEM, între roţile boghiului se instalează inductorul scurt, 38

Nicola, D.A., Cismaru D.C., Tracţiune electrică, fenomene, modele, soluţii, vol I, Editura SITECH, Craiova, 2006

52

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 53 care induce curenţi turbionari în indusul lung, care este, de fapt, şina metalică a căii de rulare. Inductoarele sunt consolidate pe boghiu, aşa încât întrefierul să poată fi reglat la nivelul δ = 7 mm, cu o toleranţă de ± 1 mm. Se ştie că asupra inductoarelor apar şi forţe normale de atracţie electromagnetică rezultate din interacţiunea inductor – indus (CR) 39. Această metodă de frânare a fost implementată de către firma Knorr Bremse AG, pe VEM ICE3, fiind utilizată atât ca frână de serviciu, cât şi ca frână de urgenţă. Elementele constructive ale acestei frâne se pot observa în Fig. 2.24. Caracteristicile frânei liniare cu curenţi turbionari sunt reprezentate în figura 2.25 pentru două valori ale puterii specifice a inductorului, şi anume Ps = 25 kW/m, respectiv Ps = 8 kW/m. În aceeaşi figură este reprezentată şi variaţia forţei de atracţie între inductor şi calea de rulare, în funcţie de viteza liniară a vehiculului.

Fig. 2.25 Variaţia forţei de frânare, respectiv de atracţie cu viteza VEM

Frâna electromagnetică cu curenţi turbionari poate fi utilizată şi având indus de tip disc, metalic, feromagnetic sau non-feromagnetic, aşa cum se poate vedea în Fig. 2.26. Mişcarea discului metalic în câmpul magnetic statoric determină apariţia unor curenţi induşi în acesta. Interacţiunea dintre câmpul inductor şi curenţii induşi creează, conform legii lui Lenz, un cuplu electromagnetic având sensul opus sensului de rotaţie a discului, determinând astfel forţa de frecare. Puterea câmpului magnetic dintre bobina inductoare şi rotorul disc poate fi modificată şi astfel se poate face controlul forţei de frânare. Trenul japonez din seria 100 Shinkansen a folosit acest sistem de frânare. 39

http://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_current_brake

Tracţiune electrică

Sistemul de frânare cu curenţi turbionari prezintă o serie de avantaje: independenţa forţei de frânare de aderenţa roată – cale de rulare; eficienţă mare a frânării; posibilitatea reglării forţei de frânare prin modificarea puterii electrice; - absenţa uzurii. Există şi dezavantaje, dintre care se amintesc: consum suplimentar de energie electrică; indisponibilitatea acestui sistem de frânare la viteză nulă; încălzirea suplimentară a şinelor; apariţia de perturbaţii în echipamentele de semnalizare. Aceste dezavantaje au condus, probabil, la abandonarea frânării cu curenţi de inducţie de către fabricanţii japonezi şi utilizarea frânării recuperative la seria N700 Shinkansen, la 14 din 16 rame. Frânarea electromagnetică cu patină Această metodă presupune existenţa unei patine electromecanice între boghiuri, deasupra căii de rulare, faţă de care, atunci când nu este acţionată, se află deasupra, la circa 8÷10 mm. În Fig. 2.27 este prezentată o frână electromagnetică cu patină, în poziţia de frânare. Pentru acţionarea acesteia se alimentează înfăşurarea inductoare, 1, în curent continuu. Înfăşurarea este protejată de carcasa nemagnetică 2. Piesa polară, 3, concentrează câmpul magnetic către întrefierul ce se realizează între aceasta şi şina căii de rulare, notată cu 4.

54

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 55

Fig. 2.27 Frână electromagnetică cu patină

La alimentarea bobinei, patina este atrasă de şina metalică a căii, pe care o apasă cu forţa electromecanică Fδ, dată de relaţia: Φ2 Fδ = (2.68) 2 ×µ0 ×A unde Φ este fluxul corespunzător ariei A, a tălpii polare. Odată acţionată frâna electromagnetică, la contactul dintre aceasta şi suprafaţa de rulare a şinei, ia naştere forţa de frecare, Fffe, dată de relaţia: Fffe = µ ×Fδ (2.69) Mărimea acestei forţe este independentă de aderenţă, depinzând de coeficientul μ, de frecare dintre patină şi şină, precum şi de forţa electromagnetică Fδ. Coeficientul de frecare depinde puternic de viteza de deplasare a VEM, după cum se constată din figura 2.28. Datorită acestei dependenţe, eficacitatea frânării electromagnetice cu patină este redusă la viteze ridicate şi mărită la viteze reduse, ceea ce determină o creştere rapidă a deceleraţiei af, odată cu scăderea vitezei. Graficul variaţiei vitezei şi a deceleraţiei, în funcţie de timpul până la oprire, este prezentat în figura 2.29. Utilizând acest sistem de frânare în tracţiunea urbană, se pot obţine deceleraţii mai mari de 2m/s2, care pot fi inconfortabile pentru

Tracţiune electrică

călătorii aflaţi în VEM, motiv pentru care în transportul urban, de regulă, acest sistem de frânare este folosit ca frână de urgenţă40. Utilizarea diferitelor sisteme de frânare va mai fi analizată cu ocazia prezentării diferitelor tipuri de vehicule. 2.4.3 D is tan ţe d e frân are Distanţa de frânare este o mărime foarte importantă pentru înţelegerea şi rezolvarea a numeroase probleme feroviare şi rutiere. Pentru a stabili relaţiile de calcul ale distanţelor de frânare, se va considera coeficientul de frecare la frânare constant, dependent de condiţiile de circulaţie. În funcţie de obiectivul frânării (oprire sau reducerea vitezei), pentru determinarea distanţei de frânare se consideră doar două tipuri de frânare: - pentru reducerea vitezei; - pentru oprire. În cazul frânării pentru oprire este important să se cunoască distanţa totală de frânare. Aceasta cuprinde trei spaţii, şi anume: - spaţiul s1, parcurs cu viteza de rulare în timpul de percepţie a unui eveniment ce necesită oprirea; - spaţiul s2, distanţa de frânare propriu-zisă, care se calculează în funcţie de energia cinetică a vehiculului, în momentul luării deciziei de a frâna, de declivitate, de suprafaţa de rulare (rugozitate, umiditate etc.); - spaţiul s3, reprezentând distanţa de siguranţă de 5÷10 m, care trebuie să rămână între vehiculul care trebuie frânat şi obstacol. Distanţa de frânare pentru oprire, Df, este suma celor trei spaţii (Fig. 2.30), adică acea distanţă parcursă de vehicul din momentul perceperii unui eveniment ce impune oprirea şi momentul opririi acestuia (s 1+s2), incluzând şi spaţiul de siguranţă (s3).

Fig. 2.30 Distanţe de frânare

Spaţiul s1 depinde de timpul de percepţie şi reacţie al conducătorului vehiculului, care la rândul său este dependent de factori psihologici, fiziologici, de condiţiile meteorologice şi de factori care ţin de inerţia sistemului de frânare. S-a constatat că timpul de percepţie – reacţie este de 40

Nicola, D.A., Cismaru D.C., Tracţiune electrică, fenomene, modele, soluţii, vol I, Ed. SITECH, Craiova, 2006

56

Capitolul 2. Principii de bază ale tracţiunii electrice 57 de concentrare a conducătorului 0,75÷2,5 s, în funcţie de gradul 41 vehiculului . Distanţa totală de frânare se poate calcula folosind energia cinetică a vehiculului (m·v2/2 – care evident depinde de masa vehiculului şi de viteza de la care începe frânarea acestuia), timpul de percepţie – reacţie, precum şi valoarea spaţiului s3. În calcule mai puţin pretenţioase, distanţa de frânare se poate exprima cu relaţia empirică: v v2 (2.70) Df = + + ( 5 ÷ 10 ) [m] 5 100 Această relaţie este valabilă dacă se consideră timpul de percepţie – reacţie de 0,75 s, coeficientul de frânare μ, sau ff de 0,4 şi viteza exprimată în km/h. După valoarea deceleraţiei se diferenţiază: - frânarea lentă, realizată cu ajutorul motorului, având valori cuprinse între 0,3 şi 1,1 m/s2; - frânarea normală, realizată prin acţionarea frânelor (sau mixtă), având valori între 1,7 şi 2,7 m/s2; - frânarea de necesitate, percepută neplăcut de către călători, deceleraţia ajungând la peste 6 m/s2.

41

Cososchi, B., Drumuri, trasee, Editura Societăţii Academice „Matriu-Teiu Botez”, Iaşi, 2005

Tracţiune electrică

Capitolul 3. LOCOMOTIVE DE TRACŢIUNE ELECTRICĂ FEROVIARĂ CU ADERENŢĂ LA CALE 3.1. Generalităţi În § 1.2 am precizat că vehiculele electrice motoare pot fi autonome sau neautonome. Conform acestei clasificări, şi sistemele de tracţiune feroviară pot fi: - sisteme autonome de tracţiune feroviară cu locomotive dieselelectrice, LDE, alimentate cu energie prin intermediul motorului diesel, MD, care transformă energia chimică a combustibilului în energie termică şi apoi în energie mecanică disponibilă la arborele motorului diesel. Motorul diesel antrenează unul sau mai multe generatoare electrice, care, la rândul lor, alimentează cu energie electrică motorul sau motoarele de tracţiune electrice, MTE. Acestea acţionează, direct sau prin intermediul unor cutii de viteză, asupra osiilor roţilor motoare, punând în mişcare vehiculul electric motor; - sisteme neautonome de tracţiune feroviară cu locomotive electrice, LE, alimentate de la o sursă exterioară, prin linia de contact LC. După tipul de aderenţă al trenului la calea de rulare, sistemele de tracţiune feroviară se pot clasifica în: - sisteme cu aderenţă la calea de rulare, adică cu roţi; - sisteme fără aderenţă la calea de rulare, adică cu levitaţie magnetică. 3.2. Locomotive diesel-electrice Anterior apariţiei locomotivelor diesel-electrice au existat şi locomotivele diesel, LD, care transformau energia chimică a combustibilului în energie mecanică transmisă osiilor motoare, pe o cale mai scurtă. Motorul diesel transmitea energia mecanică, prin intermediul unei cutii de viteză şi a unei transmisii mecanice speciale, roţilor motoare ale vehiculului. O astfel de acţionare are o mulţime de dezavantaje42: - cutia de viteză are gabarite şi mase foarte mari, comparabile cu cele ale motorului diesel; - transmisia mecanică specială la mai multe osii motoare este dificilă, limitând puterea vehiculului; 42

Ciuru, T., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

58

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 59 - reglarea vitezei, automatizarea şi optimizarea regimurilor de funcţionare sau a consumului de combustibil sunt limitate; - randamentul este scăzut; - cheltuielile de exploatare sunt ridicate. Cu toate aceste dezavantaje, locomotivele diesel se mai folosesc în diferite transporturi pe distanţe relativ mici. În transportul interurban şi în general pe distanţe mai mari, locomotivele diesel au fost înlocuite cu locomotivele diesel-electrice, LDE, cu puteri unitare mai mari, care elimină o parte din dezavantajele mai sus prezentate. La o astfel de locomotivă, motorul diesel, MD, antrenează un generator electric principal, Gp, de curent continuu sau de curent alternativ, şi un generator auxiliar, Ga, de regulă, de curent continuu. Generatorul principal, Gp, alimentează motoarele de tracţiune electrică ale fiecărei osii. Acestea sunt de regulă grupate în două boghiuri de câte trei motoare. Aceste motoare de curent continuu, având o putere de 140÷500 kW, transmit mişcarea osiilor pe care le antrenează, prin intermediul câte unui reductor simplu, cu două roţi dinţate. Puterea generatorului principal reprezintă circa 90% din puterea motorului diesel. Generatorul auxiliar asigură alimentarea cu energie electrică a serviciilor proprii şi a înfăşurărilor de excitaţie ale generatorului principal. Locomotivele diesel-electrice au apărut după anii 1930, când ansamblul motor diesel generator, cu instalaţiile anexe, a devenit destul de fiabil pentru a satisface cerinţele transportului feroviar, referitoare la siguranţă şi continuitate, respectând în acelaşi timp şi condiţiile impuse de dimensiunile sălii maşinilor. Apariţia locomotivelor diesel-electrice a fost determinată de necesitatea de a înlocui tracţiunea cu abur, care nu mai făcea faţă dezvoltării transportului feroviar43. Puterea locomotivelor diesel electrice a fost la început modestă, de 1000÷1200 CP pe unitate (736÷884 kW), fiind limitată la început de dezvoltarea motoarelor diesel şi apoi de posibilităţile oferite de generatoarele principale de curent continuu. Deoarece generatorul principal de curent continuu alimenta direct motoarele de tracţiune, tot de curent continuu, s-a implementat sintagma transmisie electrică de curent continuu – curent continuu, prescurtat c.c.- c.c.. 43

http://www.cfr.ro/JF/Romana/0309/diesel.htm

Tracţiune electrică

În România, după anul 1960, au fost construite mai multe tipuri de LDE , cu câte 4, respectiv 6 motoare, grupate câte 2, respectiv 3 motoare pe boghiu, având puterile totale, respectiv unitare (a motoarelor), după cum rezultă din tabelul 3.1. 44

Tabelul 3.1

Tip LDE 040 - DF 060 - DA 060 - DD 060 - DC 060 - DG

Puterea LDE [kW] 920 1550 2900 2175 1100

Număr Număr boghiuri motoare/boghiu [buc.] [buc.] 2 2 2 3 2 3 2 3 2 3

Putere calculată unitară pe motor [kW] 230 260 485 360 180

Locomotivele diesel electrice au evoluat, cunoscându-se trei generaţii principale45: - prima generaţie, cuprinzând LDE fabricate până în anii 1970÷1980, a utilizat generatoare de curent continuu (Gp, Ga) cu excitaţie mixtă, şi ca motoare de tracţiune electrică (MTE), motoare de curent continuu cu excitaţie serie; - a doua generaţie, cuprinzând LDE fabricate în anii 1980÷1995, a utilizat generatoare sincrone trifazate (GS), iar motoarele de tracţiune electrică (MTE) au rămas aceleaşi motoare de curent continuu cu excitaţie serie; - a treia generaţie, cuprinzând LDE fabricate în anii 1995÷2005, a utilizat generatoare sincrone trifazate (GS) sau generatoare asincrone trifazate (GAS), iar motoarele de tracţiune electrică (MTE) au fost înlocuite cu motoare asincrone trifazate având rotorul în scurtcircuit. 3.2.1 Locomotive d ies el- electrice d in p rima gen eraţie La aceste locomotive, atât generatorul principal, Gp, cât şi motoarele de tracţiune electrice, MTE, sunt maşini de curent continuu. Generatorul principal, Gp, are excitaţie mixtă, adică separată, paralelă şi serie. Înfăşurarea de excitaţie de bază este cea separată. Se cunoaşte că la curent de excitaţie variabil şi la turaţie constantă, tensiunea electromotoare indusă, Ue, se modifică proporţional cu curentul de excitaţie (relaţia 2.54). O tensiune electromotoare variabilă aplicată la bornele unui motor de tracţiune, MTE, asigură o turaţie, la arborele acestuia, crescătoare după aceeaşi regulă după care creşte tensiunea electromotoare, dacă fluxul motorului de tracţiune, Φ m , este constant. 44 45

Marcu, M., Schemele electrice şi comenzile locomotivelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1992 Ciuru, T., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

60

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale

nMTE =

61U e

[rot/min] (3.1) km ×Φ m unde km = p·N·2π / 60·a·, p este numărul perechilor de poli, a este numărul căilor de curent, iar N este numărul de conductoare ale indusului. Pentru a asigura o caracteristică de tracţiune hiperbolică, generatorul principal trebuie să aibă o caracteristică externă (U = f(Ii)) căzătoare, ceea ce presupune că fluxul determinat de înfăşurarea de excitaţie serie Φ serie să aibă sens contrar sensului fluxurilor determinate de înfăşurarea separată, Φ sep , şi de înfăşurarea derivaţie, Φ der , adică înfăşurările de excitaţie separată şi derivaţie să fie conectate diferenţial cu înfăşurarea serie (conectare anticompund)46. În figura 3.2, b - curba 1 reprezintă caracteristica externă a generatorului principal al locomotivei, iar curba 2 reprezintă caracteristica limită a aceluiaşi generator47.

În timp ce caracteristica externă (Ue = f(Ii)) este reprezentată în condiţia păstrării constante a turaţiei rotorului, caracteristica limită este tot funcţia (U = f(Ii)- o hiperbolă echilateră) reprezentată, însă, în condiţia păstrării constante a puterii furnizate de motorul diesel. Caracteristica limită fiind hiperbolă echilateră, pentru puterea maximă a motorului diesel, PD, păstrată constantă, se poate exprima prin relaţia: U e ×I i = PD = const. [W] (3.2) Am neglijat randamentul generatorului, iar puterea motorului diesel este considerată puterea la arborele de antrenare al generatorului. 46 47

Piroi, I., Maşini electrice, Editura Eftimie Murgu, Reşiţa, 2009 Marcu, M., Schemele electrice şi comenzile locomotivelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1992

Tracţiune electrică

Pentru un motor de tracţiune cu excitaţie combinată (separată, plus mixtă), turaţia este determinată de relaţia: U e − R ×I i n= [rot./min] (3.3) ke ×( Φ sep + Φ der + Φ serie ) În această relaţie Φsep este fluxul dat de înfăşurarea de excitaţie separată, Φder este fluxul dat de înfăşurarea de excitaţie derivaţie, iar Φserie este fluxul dat de înfăşurarea de excitaţie serie, conectată adiţional pentru a realiza o caracteristică mecanică moale, comparabilă cu caracteristica motorului de curent continuu cu excitaţie serie. La realizarea vitezei maxime de circulaţie a locomotivei, va rezulta o turaţie maximă a motoarelor electrice de tracţiune, MTE, pentru o valoare minimă a sumei celor trei fluxuri, Φmin, (creşterea turaţiei prin slăbire de câmp). Produsul n·ke· Φmin poate fi considerat constant şi în aceste condiţii relaţia (3.3) poate fi scrisă: U e − R ×I i = const. (3.4) Constantele din relaţiile (3.2) şi (3.4) sunt determinabile şi din cele două ecuaţii se pot determina valorile tensiunii maxime Uemax a generatorului principal şi curentului minim Iimin al aceluiaşi generator, în condiţiile precizate mai sus48. Pe caracteristica limită a generatorului principal distingem deci următoarele valori limită (Fig. 3.2. a): - valoarea maximă a tensiunii generatorului, Uemax, care asigură realizarea vitezei maxime de circulaţie a locomotivei, stabilită cu ajutorul caracteristicilor motoarelor de tracţiune, corespunzând valorii minime a fluxului de excitaţie a acestora, Φmin, cu utilizarea completă a puterii motorului diesel; - valoarea minimă a curentului generatorului principal, Iimin, corespunzător valorii maxime a tensiunii Uemax. Valorilor Uemax şi Iimin le corespunde pe caracteristica limită a generatorului principal punctul C. - valoarea maximă a curentului generatorului principal, Iimax, determinată de curentul maxim al tuturor motoarelor de tracţiune alimentate de la acest generator, care depinde de forţa de tracţiune limitată de aderenţa roţilor cu şinele (dreapta AB din Fig. 3.2, a). Dreapta AB nu aparţine caracteristicii limită a generatorului principal, puterea motorului diesel în această zonă nemaifiind constantă. Această zonă corespunde perioadei de demarare a locomotivei, până la trecerea pe caracteristica de putere constantă. Pe caracteristica limită a generatorului principal am notat şi punctul D, căruia îi corespund tensiunea Ued şi curentul Ied pentru regimul de funcţionare de durată al locomotivei. Punctul D poate ocupa orice poziţie 48

Marcu, M., Schemele electrice şi comenzile locomotivelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1992

62

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale

între B şi C şi corespunde utilizării63integrale a puterii motorului diesel. Pentru curenţi Ii < Iimin şi Ii > Iimax, puterea motorului diesel trebuie micşorată, deoarece puterea generatorului principal devine mai mică decât puterea motorului diesel. Pentru ca generatorul principal să aibă o caracteristică externă care să se suprapună peste caracteristica limită (sau să se apropie de aceasta) este necesar un sistem de excitaţie care permite modificarea tensiunii la borne, U e , în funcţie de curentul de sarcină, după o lege hiperbolică, în intervalul ( Ii min ÷ Ii max ) . Dacă motorul diesel trebuie să funcţioneze la turaţie constantă şi putere variabilă, acest lucru se realizează prin modificarea injecţiei acestuia, iar dacă generatorul principal, de curent continuu, trebuie să funcţioneze la turaţie constantă şi tensiune variabilă, acest lucru se realizează prin modificarea fluxului magnetic, adică a curentului de excitaţie, conform relaţiei (2.54). Cele două caracteristici ale generatorului principal, prezentate în figura 3.2. b), se intersectează în punctele G şi F. În aceste puncte, puterea generatorului este egală cu puterea motorului diesel, ele aflându-se pe caracteristica limită a generatorului principal. Pentru sarcini mai mici decât sarcina corespunzătoare curentului I iF , puterea motorului diesel se reduce prin modificarea cantităţii de combustibil, iar tensiunea la bornele generatorului se păstrează constantă prin menţinerea constantă a fluxului magnetic al acestuia. Pentru sarcini cuprinse între sarcinile corespunzătoare curenţilor I iF şi I iG , puterea motorului diesel se menţine constantă prin menţinerea constantă a injecţiei şi turaţiei, iar tensiunea la bornele generatorului se modifică prin modificarea fluxului magnetic al acestuia. Pentru sarcini mai mari decât sarcina corespunzătoare curentului I iG , este necesar să se modifice atât cantitatea de combustibil, cât şi fluxul magnetic al generatorului principal. Pentru demararea locomotivei, generatorul principal trebuie să asigure o valoare mare a curentului corespunzător forţei de tracţiune, care trebuie să egaleze rezistenţele de mers şi acceleraţia corespunzătoare, fără ca aceasta r să depăşească forţa de aderenţă, FtA max , dată de relaţia (2.45). Deoarece odată cu creşterea vitezei de circulaţie, curentul absorbit de motoarele de tracţiune tinde să scadă, prin modificarea poziţiei manetei controlerului de comandă, se urmăreşte menţinerea relativ constantă a acestui curent. 3.2.2 Locomotive d ies el- electrice d in a dou a gen eraţie

Tracţiune electrică

Deoarece puterile tot mai mari ale locomotivelor au condus la comutaţia unor curenţi de 4000÷6000 A, colectorul şi periile colectoare ale generatorului de curent continuu necesitau reparaţii (înlocuiri) frecvente şi limitau, în acelaşi timp, puterea acestuia. Pentru a elimina aceste neajunsuri, la LDE din generaţia a doua generatoarele de curent continuu au fost înlocuite cu generatoare sincrone, GS, trifazate, păstrându-se însă aceleaşi motoare de tracţiune electrică, de curent continuu, Mcc49 (Fig. 3.3).

Fig. 3.3 Schema bloc pentru partea electrică a LDE cu generator sincron

Tensiunea trifazată produsă de generatorul sincron principal, GSP, este redresată, de regulă, printr-un redresor necomandat, în punte trifazată, RN. Înfăşurarea de excitaţie a generatorului sincron principal se alimentează de la un generator sincron trifazat auxiliar (de excitaţie), GSE, printr-un redresor comandat, RC. Acest redresor asigură o reglare continuă a tensiunii de excitaţie, în toată plaja de valori ale vitezei locomotivei, iar pe porţiunea din caracteristica limită corespunzătoare puterii constante a motorului diesel, asigură valoare constantă pentru produsul U·I. Dispozitivul de comandă pe grilă, DCG, primeşte şi prelucrează informaţii despre tensiunea de linie (prin intermediul transformatorului TT) şi curentul de fază (prin intermediul transformatorului TC) ale generatorului sincron principal, precum şi informaţii de la regulatorul mecanic al motorului diesel, prin controlerul de comandă, Cc. Înfăşurarea de excitaţie a generatorului sincron auxiliar este alimentată de la o baterie de acumulatoare, BA. Alimentarea motoarelor de curent continuu, conectate două câte două, în serie, se face prin intermediul contactului c1 al contactorului C1, aflat în dulapul de aparataj. Schema bloc prezentată în Fig. 3.3 poate fi diferită, în funcţie de tipul locomotivei şi de producătorul acesteia. Puterea maximă instalată pe o locomotivă din generaţia a doua nu a 49

Marcu, M., Schemele electrice şi comenzile locomotivelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1992

64

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale

depăşit valoarea de 2500 CP, (184065kW), pe motor diesel, într-o singură unitate. În România, pornindu-se de la schema din Fig. 3.3, a fost realizată locomotiva diesel electrică 060 - DA, sub licenţă, în mii de exemplare, atât pentru Căile Ferate Române cât şi pentru export. La locomotivele din generaţia a doua, motoarele de tracţiune de curent continuu s-au păstrat, dar pentru funcţionarea lor în curent ondulat, rezultat prin redresare, a fost necesară modificarea schemelor de forţă şi comandă, urmărindu-se filtrarea şi absorbţia armonicilor superioare. Puterea instalată pe o astfel de locomotivă s-a putut ridica până la valoarea de 4000 CP, (2944 kW), rezultând astfel o locomotivă diesel electrică pe 6 osii, având o masă de 120 t, pentru transportul de marfă, sau o locomotivă diesel electrică pe 4 osii, pentru transportul de călători. 3.2.3 Locomotive d ies el-electri ce d in a treia gen eraţie La locomotivele din generaţia a doua s-a rezolvat problema legată de generatorul principal, eliminându-se inconvenientele generatorului de curent continuu prin introducerea generatorului sincron trifazat. A rămas nerezolvată însă problema motoarelor de curent continuu, care la puteri unitare tot mai mari sunt deficitare, tot din cauza comutaţiei curenţilor de sarcină, de asemenea tot mai mari. De aceea, la locomotivele din generaţia a treia, motoarele de tracţiune electrică de curent continuu au fost înlocuite cu motoare asincrone trifazate, cu rotorul în scurtcircuit, alimentate de la convertoare statice de frecvenţă (CSF). Aceste convertoare au în componenţă redresoare necomandate şi invertoare autonome de tensiune, modulate PWM (Pulse-Width Modulation – modulare lăţime puls).

Fig. 3.4 Schema bloc a unei locomotive diesel-electrice de generaţia a treia

În figura 3.4 este reprezentată schema bloc a unei locomotive diesel-

Tracţiune electrică

electrice, având 6 osii motoare, grupate în două boghiuri50 . Generatorul principal este de tip sincron şi este antrenat de motorul diesel. Rezervorul de combustibil, care alimentează motorul diesel, este amplasat între boghiuri pentru o mai bună utilizare a spaţiului. Radiatorul şi compresorul de aer necesare funcţionării motorului diesel, precum şi turbosuflanta sunt amplasate în imediata apropiere a acestuia. Energia furnizată de generatorul sincron principal este transmisă prin intermediul redresorului şi invertorului către motoarele de tracţiune, amplasate pe cele 6 osii. Deoarece puterea acestor motoare este considerabilă (circa 500 kW) şi pierderile în acestea sunt mari, ele sunt răcite cu aer, prin intermediul celor două turbosuflante. Locomotivele din generaţia a treia pot fi realizate şi după alte scheme de comandă şi forţă. Astfel, corporaţia elveţiană ABB a fabricat şi pus în funcţiune locomotive diesel electrice utilizând un sistem integrat de tracţiune diesel electrică BORDLINE – CC 750 DE, pentru fiecare din cele 6 osii motoare. Schema bloc a unei locomotive echipate cu un astfel de modul este prezentată în figura 3.5, cuprinzând următoarele componente51:

Fig. 3.5 Schema bloc a sistemului integrat BORDLINE – CC 750 DE

- generatorul sincron trifazat, GSP, având tensiunea variabilă între 0÷500 V şi puterea de 640 kW; - modulul sistemului integrat de tracţiune CC 750 DE; - motoare asincrone de tracţiune, MAS, având rotorul în scurtcircuit, cu puteri de 340/560 kW. Sistemul integrat de tracţiune CC 750 DE conţine: - redresorul trifazat, realizat cu IGBT (Insulated Gate Bipolar 50 51

http://en.wikipedia.org/wiki/File:DieselElectricLocomotiveSchematic.svg http://www05.abb.com/global/scot/scot232.nsf/

66

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 67 izolată), cu puterea de 420 kW; Trazistor – Tranzistor bipolar cu poartă - circuitul intermediar de curent continuu, cuprinzând şi bateria de condensatoare pentru filtrarea tensiunii redresate, la o tensiune de 750 V; - invertorul trifazat cu tensiune variabilă, între 0÷500 V, şi frecvenţă variabilă, între 0÷172 Hz, având puterea de 390 kW, pentru alimentarea motoarelor de tracţiune; - chopperul, pentru frânarea reostatică, prin invertor, conectat la bornele circuitului de curent continuu şi înseriat cu un reostat de frânare, prezentat în figura 3.6. Acesta are puterea de 2x240 kW, iar rezistenţele de frânare sunt realizate pentru o putere de 2x340 kW; - convertorul auxiliar trifazat de tensiune şi frecvenţă constante, pentru alimentarea serviciilor proprii, având 3x400 V, 50 Hz, 70 kVA; - dispozitivul de încărcare al bateriei de acumulatoare, cu parametrii 24/36/72/110 V, 8 kW.

Fig. 3.6 Schema de forţă a invertorului de tracţiune şi a chopperului pentru frânarea reostatică

Invertorul pentru alimentarea motoarelor de tracţiune este realizat cu tranzistoare IGBT şi poate alimenta unul sau două motoare în paralel. Funcţionând la o frecvenţă internă de întrerupere de 2 kHz, acest invertor generează o formă de curent cvasi-sinusoidală, cu o reducere puternică a pierderilor, a zgomotelor şi a vibraţiilor mecanice determinate de motoarele de tracţiune. Convertorul auxiliar produce o tensiune trifazată sinusoidală, fiind alimentat în curent continuu direct de la circuitul intermediar de curent continuu. Toate echipamentele sunt răcite cu apă, ceea ce oferă o construcţie compactă, iar temperatura de răcire este coborâtă prin intermediul unui schimbător de căldură extern. Locomotivele echipate cu sistemul integrat de tracţiune diesel electrică BORDLINE – CC 750 DE circulă pe căile ferate din Austria, Germania, Grecia, Italia, Olanda, Spania, Elveţia şi SUA.

Tracţiune electrică

3.3. Locomotive electrice 3.3.1 D efin iţii, clas ificăr i O locomotivă electrică este un vehicul electric motor, în general neautonom, alimentat cu energie electrică de la o linie electrică aeriană, de la o terţă şină, sau de la o celulă de acumulatoare, unde energia electrică este stocată chimic. Această din urmă categorie este o locomotivă electrică autonomă. Utilizarea locomotivelor electrice în tracţiunea feroviară este datorată înaltei eficienţe a motoarelor electrice, posibilităţilor de creştere a puterii unitare a acestora, a posibilităţilor de reglare a turaţiei şi puterii motoarelor de tracţiune şi a condiţiilor de mediu considerabil mai bune decât în cazul utilizării locomotivelor diesel electrice şi a celor anterioare acestora. Locomotivele electrice au plajă mare de folosire, de la transportul de călători pe distanţe scurte, când opririle sunt frecvente, până la trenurile de mare viteză, pentru transporturile de marfă cu un volum de trafic ridicat, sau în zonele cu o densitate mare a reţelelor feroviare. Fiabilitatea componentelor schemelor electrice ale acestora, posibilităţile largi de realizare a diferitelor regimuri de mers fac din locomotivele electrice, varianta cea mai eficientă şi sigură la momentul actual. Pe lângă faptul că motoarele electrice de tracţiune pot avea randamente chiar mai mari de 90%, locomotivele electrice mai aduc avantajele date de frânarea recuperativă, care permite transformarea energiei cinetice a convoiului, în energie electrică cedată liniei de alimentare, în perioadele de frânare, de oprire, sau la coborârea pantelor. Locomotivele moderne, care au ca motor de tracţiune maşină asincronă, utilizează convertoarele statice de frecvenţă pentru a asigura frânarea recuperativă. Dezavantajul principal al tracţiunii electrice este costul ridicat pentru instalaţiile de electrificare. Pe termen lung, însă, electrificarea devine avantajoasă şi din punct de vedere economic. Există mai multe criterii de clasificare a locomotivelor electrice 52, dar având în vedere diferenţa fundamentală între sistemul de alimentare în curent continuu şi sistemul de alimentare în curent alternativ, vor fi prezentate în continuare locomotivele clasificate după acest criteriu. Având în vedere că locomotivele electrice au evoluat în 4-5 generaţii (clase), în ţările occidentale, locomotivele electrice alimentate în curent continuu au fost notate cu C1÷C4, iar cele alimentate în curent alternativ au fost notate cu A1÷A4, sau A1÷A5, dacă se ia în considerare şi generaţia la care tensiunea de alimentare este alternativă, de frecvenţă joasă53. Deşi prima locomotivă electrică a fost alimentată în curent continuu 52 53

Tulbure, V., Cursul de locomotive electrice, prezentare power point Ciuru, T., Tracţiune electrică, Note de curs

68

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 69 (31 mai 1879), iar cea alimentată în curent alternativ a fost propusă în 1892 de acelaşi inginer Werner von Siemens, discuţiile au durat mai mult de o jumătate de secol asupra avantajelor şi dezavantajelor celor două sisteme de alimentare. Diferite ţări au propus şi utilizat diverse nivele de tensiune şi valori ale frecvenţei, fiecare subliniind avantajele propriului sistem. Prin anii 50 ai secolului trecut, s-a impus sistemul alternativ monofazat cu tensiunea de 25 kV şi frecvenţa de 50 Hz. Această variantă a fost adoptată şi de România în anul 1960. Sistemul de alimentare în curent continuu, utilizat la începutul secolului trecut, avea dezavantajul că nefiind materiale de izolaţie necesare pentru tensiuni înalte, curenţii necesari locomotivelor electrice erau mari şi, ca urmare, existau pierderi mari în sistemele de transport şi în echipamentul electric de pe locomotive, inclusiv în motoarele de tracţiune electrică. Sistemul de alimentare în curent alternativ elimină dezavantajul mai sus amintit, mai ales că posibilitatea de a utiliza transformatoare pe LE a permis utilizarea unei tensiuni mari de transport a energiei electrice (25 kV, 50 Hz), concomitent cu valori reduse pentru curentul electric, ceea ce a condus la pierderi considerabil reduse în instalaţiile de transport al energiei electrice şi în instalaţiile de pe locomotive.

3.3.2 Locomotive electri ce d in clas ele C 1 ş i A 1 Aceste locomotive au fost utilizate până în anii 1970, având în vedere nivelul tehnologic existent în acea perioadă. Acţionările electrice de pe aceste locomotive erau nereglabile sau permiteau obţinerea unor caracteristici necesare prin metode oferite de motoarele electrice de tracţiune din acea vreme sau de aparatele de comandă în curent alternativ54. Astfel, pentru clasa C1, existau trei procedee clasice de reglare în trepte a turaţiei motoarelor de curent continuu cu excitaţie serie: - reglarea reostatică la pornire, prin conectarea MTE în serie cu rezistenţe de pornire şi accelerare, care în timp erau scurtcircuitate. Această metodă este neeconomică, având în vedere că prin rezistenţele înseriate trecea curentul de sarcină, determinând pierderi considerabile de energie; - reglarea turaţiei MTE la viteze medii ale LE prin cuplarea serieparalel a motoarelor, adică 2 grupe de câte trei motoare sau 3 grupe de câte două motoare; - reglarea turaţiei MTE la viteze mari ale LE prin reducerea fluxului de excitaţie a MTE, şuntând părţi din înfăşurarea de excitaţie cu două, trei trepte de rezistenţă. Pentru locomotivele din clasa A1, echipate tot cu motoare de tracţiune de curent continuu, mai exista un mijloc de reglare a tensiunii MTE, prin 54

Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

Tracţiune electrică

intermediul transformatorului monofazat de alimentare, al cărui secundar avea mai multe prize, care erau comutate sub sarcină cu ajutorul unui aparat numit graduator. Acest aparat avea gabarite şi mase mari şi avea cea mai slabă fiabilitate a sistemului de acţionare şi reglare. Reglarea reostatică la pornire poate fi folosită şi la locomotivele din clasa A1, echipate cu două motoare, după o schemă similară cu cea prezentată în Fig. 3.7.

Frânarea locomotivelor electrice din clasa C1 şi A1 era frânare dinamică, adică MTE era deconectat de la reţeaua de curent continuu şi conectat pe o rezistenţă de frânare, în timp ce înfăşurarea de excitaţie era conectată paralel sau separat, maşina de curent continuu lucrând deci în regim de generator. Frânarea dinamică se aplică într-o schemă de frânare automată, ca frânare de securitate în tracţiunea feroviară, dar dublată de frânarea mecanică, mai ales că odată cu scăderea turaţiei scade şi cuplul de frânare55. Prin frânarea dinamică, viteza locomotivei nu poate ajunge la zero, deoarece la turaţie nulă generatorul de curent continuu nu dezvoltă cuplu. În clasa A1 este inclusă şi locomotiva electrică românească 060 EA de 5100 kW, a cărei schemă de forţă este prezentată în figura 3.8. Locomotiva se alimentează de la linia de contact (1), (LC), prin intermediul unuia din pantografele (2), (2'), la tensiunea monofazată de 25 kV şi frecvenţa industrială (50 Hz), prin intermediul separatoarelor monopolare de pe acoperiş, (3) sau (4). Întreruptorul automat principal (5), numit şi disjunctor, este aparatul care realizează întreruperea generală a circuitelor electrice ale locomotivei, asigurând protecţia la suprasarcini şi supratensiuni. El poate fi comandat de la distanţă (de pe pupitrul de comandă) şi deconectează automat de sub 55

Piroi, I., Maşini electrice, Editura Eftimie Murgu, Reşiţa, 2009

70

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale

tensiune, la suprasarcini, scurtcircuite71sau în caz de defect la un alt circuit al locomotivei, având deci şi rolul de protecţie.

Descărcătorul cu rezistenţă variabilă, DRV, (6), prevăzut şi cu eclator, protejează transformatorul împotriva descărcărilor de sarcină determinate de supratensiuni atmosferice (cu valori de sute de kV şi cu durata de ordinul microsecundelor) şi la tensiuni de comutaţie (cu valori mai reduse, dar de durată mai mare). El se montează între circuitul de forţă şi pământ. Acţionarea sa este percepută de întreruptorul automat principal, ca un

Tracţiune electrică

scurtcircuit sau suprasarcină, care deconectează automat circuitele de forţă ale locomotivei. Transformatorul de curent (7) transmite informaţii către aparatele de măsură de pe pupitrul de comandă. Separatorul (8), cu cuţit de punere la pământ, se închide ca măsură de protecţie, în cazul când se lucrează la circuitul de forţă al locomotivei. Transformatorul principal de alimentare (9) este prevăzut cu 20 de prize în primar, de la care, prin conectarea alternativă a celor două culegătoare şi utilizarea unui transformator suplimentar, aparţinând de graduatorul (10), dar cuplat electromagnetic cu transformatorul principal, permite realizarea a 40 de trepte de modificare a tensiunii rezultate în fiecare secundar. Astfel, tensiunea din secundar se poate modifica în trepte, între valoarea minimă de 48 V şi valoarea maximă de 967 V. Graduatorul (10) permite deplasarea culegătoarelor de tensiune în funcţie de regimul şi viteza de deplasare a locomotivei. Secundarul transformatorului principal (11) conţine, de fapt, 6 înfăşurări identice. De la un astfel de secundar, prin redresorul cu diode (13), se alimentează un motor de tracţiune de curent continuu. Protecţia redresorului şi a secundarului transformatorului se efectuează cu ajutorul echipamentului de protecţie şi control, EPC, (12). Deoarece curentul rezultat prin redresare este ondulat, este necesară filtrarea (aplatizarea sa) şi în acest sens se utilizează bobina de filtrare (14). Motorul de tracţiune de curent continuu are indusul notat cu (15) şi înfăşurarea de excitaţie serie este notată cu (16). Circuitul de şuntare a excitaţiei (17) permite realizarea diverselor caracteristici mecanice ale motorului de curent continuu, prin slăbire de câmp.

Transformatorul principal mai are circuite secundare necesare încălzirii trenului şi pentru serviciile auxiliare. Frânarea trenului este posibilă prin trecerea fiecărui motor în regim de generator cu excitaţie separată, care debitează pe rezistenţe de frânare, deci este de tip reostatică (dinamică). 72

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 73 conectate în serie şi sunt alimentate Excitaţiile celor 6 motoare sunt prin intermediul unui redresor, de la una din înfăşurările secundare ale transformatorului principal de tracţiune (Fig. 3.9). Reglarea cuplului de frânare, Mf, se face prin modificarea curentului de excitaţie, cu ajutorul graduatorului. Pentru a construi caracteristicile de frânare, rescriem ecuaţiile (2.54) şi (2.55) pentru circuitul indusului unui generator de curent continuu cu excitaţie separată. U e = ke ×n ×Φ ( I e ) [V] (3.5)

M f = km ×Φ ( I e ) ×I U e = ( r + R f ) ×I

[N·m]

(3.6)

[V] (3.7) În aceste relaţii, ke şi km sunt constante ale generatorului de curent continuu, precizate în § 2.3.2, n este turaţia rotorului, Φ(Ie) este fluxul de excitaţie, determinat de curentul de excitaţie Ie, I este curentul prin indusul generatorului, r este rezistenţa indusului, iar Rf este rezistenţa de frânare din circuitul generatorului de curent continuu cu excitaţie separată. Explicitând fluxul, respectiv curentul, din cele trei relaţii, rezultă următoarele expresii pentru cuplu de frânare Mf : ke ×km ×Φ 2 ( I e ) ×n Mf = [N·m] (3.8) r + Rf Mf =

km ×( r + R f ) ×I 2 ke ×n

[N·m]

(3.9)

Fig. 3.10 Caracteristicile de frânare a) la flux constant; b) la curent al indusului constant

La flux de excitaţie constant, Φ(Ie) = const., din relaţia (3.8) rezultă caracteristicile de frânare Mf = f(n) care sunt drepte, mai mult sau mai puţin înclinate, în funcţie de valoarea curentului de excitaţie, Ie , pornind din

Tracţiune electrică

originea axelor de coordonate (Fig. 3.10.a). La curent al indusului constant, din relaţia (3.9) rezultă caracteristicile de frânare Mf = f(n) care sunt hiperbole echilatere, mai apropiate sau mai depărtate de originea axelor, în funcţie de valoarea curentului indusului, I (Fig. 3.10.b). 3.3.3 Locomotive electri ce d in clas ele C 2 ş i A 2 Odată cu dezvoltarea electronicii de putere şi a apariţiei convertoarelor electronice cu tiristoare, au apărut şi locomotive electrice, mai performante, cuprinse în clasele C2 şi A2. Astfel, în anii 1970÷1980 au apărut astfel de locomotive, la care motoarele de tracţiune electrică au rămas aceleaşi maşini de curent continuu cu excitaţie serie. Apariţia chopperelor (variatoare de curent continuu), în cazul alimentării în curent continuu, sau a redresoarelor monofazate semicomandate sau complet comandate, a permis modificarea fină a tensiunii de alimentare a MTE şi, în consecinţă, modificarea lină a vitezei locomotivei electrice. Utilizarea convertoarelor electronice de putere de curent continuu au condus la îmbunătăţirea tuturor performanţelor LE şi în consecinţă au permis creşterea vitezei trenurilor până la 160÷200 km/h, iar pe căi ferate speciale, până la 250÷270 km/h. În această clasă de locomotive electrice pot fi incluse trenurile franceze de mare viteză TGV-PSE (Train à Grande Vitesse - Paris Sud Est), introduse în exploatare în 1981 pe ruta Paris-Lyon, care circulau cu viteze de până la 270 km/h. Un astfel de tren are în componenţă două locomotive la extremităţi, între care se află 8 vagoane pentru 368 de călători. Lungimea totală a trenului este de 200 m, iar masa lui este de 418 tone56. Pentru a reduce influenţele vibraţiilor şi zgomotul roţilor asupra călătorilor, capetele a două vagoane adiacente sunt aşezate pe un boghiu comun cu două osii, acest lucru contribuind şi la îmbunătăţirea formei aerodinamice. Fiecare locomotivă are 6 motoare de curent continuu cu excitaţie serie, grupate în 3 boghiuri, dintre care 2 sunt pe locomotivă, iar al treilea pe vagonul următor. Motoarele au o putere unitară de 535 kW, tensiunea maximă de 1050 V, turaţia maximă de 3150 rot./min (la 270 km/h) şi o masă de 1560 kg, rezultând puterea totală a unei rame (tren) de 6450 kW. Locomotivele au posibilitatea să fie alimentate în curent alternativ la 25 kV – 50 Hz, dezvoltând o putere de 6450 kW, în curent alternativ la 15 kV – 16,66 Hz, dezvoltând o putere de 2800 kW, sau în curent continuu la 1500 V, dezvoltând o putere de 3100 kW. Puterea specifică a acestei rame 56

http://en.wikipedia.org/wiki/SNCF_TGV_Sud-Est

74

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 75 este de 16,7 W/kg57. Acest mod de realizare a locomotivei permite ca acelaşi tren să poată circula în Franţa de Sud-Est, în Elveţia şi în Italia. Frânarea se realizează pneumatic şi prin recuperare de energie. În cazul alimentării în curent alternativ, cu redresoare complet comandate, aceste locomotive pot folosi, pe lângă frânarea reostatică, şi frânarea recuperativă. La frânarea pentru oprire a acestor locomotive, este utilizată tot frânarea dinamică ce permite oprirea trenului şi în absenţa tensiunii de la linia de contact, motoarele de tracţiune transformându-se în generatoare de curent continuu cu excitaţie separată, care debitează pe rezistenţele de frânare, având excitaţiile alimentate de la baterii de acumulatoare, frânarea fiind combinată cu frânare mecanică. În figura 3.11 este reprezentată schema electrică de forţă a locomotivei TGV-PSE. La alimentarea în curent alternativ monofazat, când disjunctorul IM este închis, transformatorul principal este pus sub tensiune şi, la cele trei secundare ale sale, este prezentă tensiunea alternativă secundară U2. Fiecare secundar este conectat la un redresor semi-comandat care asigură reglarea fină a tensiunii şi, în consecinţă, a vitezei celor două motoare de tracţiune ale fiecărui boghiu. Aceste motoare, conectate în paralel la ieşirea punţii redresoare, au câte o inductivitate de filtrare, Ln, cu scopul reducerii regimului de curent întrerupt din timpul comutaţiei. Reglarea vitezei trenului se face combinând efectul variaţiei tensiunii de alimentare a motorului cu efectul variaţiei curentului prin indus, care este şi curentul de excitaţie, simplificându-se astfel echipamentul de tracţiune. Pentru păstrarea factorului de putere la o valoare cât mai mare, pornirea locomotivei se face utilizând o treime din fiecare înfăşurare secundară, prin închiderea contactoarelor C1 şi alimentarea redresoarelor semi-comandate cu o tensiune de 1/3 din U2. După accelerarea corespunzătoare a trenului, contactoarele C1 se deconectează, închizându-se contactoarele C2, care asigură creşterea în continuare a tensiunii motoarelor, până la valoarea necesară58. În cazul alimentării locomotivei la o tensiune continuă de 1500 V , se deschide disjunctorul IM, se retrage pantograful corespunzător, se ridică pantograful pentru linia de contact de curent continuu şi se închide disjunctorul IC. În acest fel se alimentează filtrul format din Lf, Cf, iar punţile redresoare se conectează la 6 variatoare de curent continuu (choppere), fiecare având în componenţă un tiristor T, o diodă de fugă D şi o inductivitate de filtrare Ln. 57 58

http://www.4rail.net/ref_fast_tgvagv.php#tgv-pse Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

Tracţiune electrică

Fig. 3.11 Schemele de forţă ale locomotivei TGV-PSE cu alimentare în curent alternativ şi în curent continuu

Prin conectarea în paralel a chopperelor şi motoarelor fiecărui boghiu şi decalarea comenzilor către tiristoare cu o jumătate de perioadă, se obţine reducerea pulsaţiei curenţilor prin fiecare motor. Reglarea vitezei locomotivei se face prin modificarea valorii medii a tensiunii de la bornele fiecărui motor, care se realizează prin modificarea duratei relative de conducţie a tiristorului T din componenţa chopperului59. În această clasă este inclus şi trenul care circulă pe ruta Moscova – Leningrad, Kpacнaя Cтpелa, (Săgeata Roşie). Frânarea acestuia se face reostatic şi recuperativ. 3.3.4 Locomotive electri ce d in clas ele C 3 ş i A 3 Locomotivele din clasele C1, A1 şi C2, A2, deşi se deosebesc prin modul de reglare a vitezei, au ceva comun, şi anume utilizarea motoarelor de tracţiune de curent continuu, cu limitările aduse de acestea. 59

Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

76

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale

După anii 1980 s-a trecut la o77nouă soluţie, şi anume la înlocuirea motoarelor de tracţiune de curent continuu cu motoare de tracţiune de curent alternativ, datorită avantajelor pe care le aduc acestea, dar şi datorită dezvoltării electronicii de putere, care a făcut posibilă utilizarea convertoarelor statice de frecvenţă (CSF) cu invertoare autonome de curent (IAC) sau cu invertoare autonome de tensiune (IAT). Acestea împreună permit o reglare fină şi într-o plajă mare a vitezei motoarelor de tracţiune. Convertoarele statice de frecvenţă asigură o modificare proporţională a amplitudinii şi frecvenţei tensiunii de ieşire într-o plajă necesară tracţiunii electrice. Motoarele de tracţiune alimentate în curent alternativ pot să fie de tip asincron sau sincron. La locomotivele electrice din generaţia C3, A3, s-au folosit motoarele sincrone. Motorul sincron necesită însă aparataj complex de pornire şi de protecţie. Cum în tracţiunea electrică feroviară puterea unitară a unui motor ajunge la 1100 kW, costul aparatajului suplimentar devine mic în comparaţie cu costul motorului. În plus, motorul sincron prezintă indicatori energetici superiori şi siguranţă mărită în funcţionare, faţă de motorul asincron. Randamentul motorului sincron are o valoare ridicată, cuprinsă în intervalul 0,96÷0,98, datorită inexistenţei pierderilor în miezul rotorului. Factorul de putere, depinzând de curentul de excitaţie, poate fi reglat după necesităţi, motorul sincron putând debita reţelei de alimentare putere reactivă, îmbunătăţind astfel factorul de putere al întregii instalaţii electrice de pe locomotivă. Deoarece mărimea întrefierului nu influenţează factorul de putere, ca la motorul asincron, valoarea sa poate fi de 2÷4 ori mai mare decât la un motor asincron de aceeaşi putere, ceea ce reduce apariţia situaţiilor de avarie, când rotorul freacă pe stator60. Motorul sincron mai prezintă un avantaj, şi anume, dependenţa liniară a cuplului electromagnetic faţă de tensiunea de alimentare, şi în consecinţă, acesta este mai puţin sensibil la variaţii de tensiune, în comparaţie cu motorul asincron, la care cuplul electromagnetic depinde de puterea a doua a tensiunii de alimentare61. Totodată, la scăderea tensiunii de alimentare, U, cuplul electromagnetic, M, se poate păstra la valoarea maximă prin mărirea tensiunii electromotoare polare, UeE, care depinde de curentul de excitaţie, Ie, adică prin forţarea excitaţiei, cunoscându-se expresia cuplului electromagnetic la motorul cu poli plini: 3 U ×U eE M= × ×sin θ 0 (3.10) p ×ω xd În relaţia (3.10), p este numărul perechilor de poli, ω este pulsaţia 60

www.elewatt.ro/agenda-tehnică/motorul-sincron

61

Piroi, I., Maşini electrice, Editura Eftimie Murgu, Reşiţa, 2009

Tracţiune electrică

tensiunii de alimentare, xd este reactanţa sincronă longitudinală iar θ0 este unghiul intern (de sarcină) al motorului sincron. Unghiul intern este unghiul dintre axa solenaţiei de excitaţie şi axa solenaţiei rezultante a maşinii. Un alt avantaj al motorului sincron este acela că la puteri mai mari de 200 kW costul său devine mai mic, iar la puteri de peste 2000 kW, şi masa sa devine mai mică cu 10÷20%, decât pentru motorul asincron de aceeaşi putere. În tracţiunea electrică, pentru cuplul electromagnetic se mai foloseşte relaţia: M = 3 ×k ×I ×Φ e ×sin θ0 (3.11) unde k este o constantă a maşinii sincrone, I este curentul printr-o fază statorică, Φe este fluxul magnetic de excitaţie. Fluxul de excitaţie induce în înfăşurarea unei faze statorice tensiunea electromotoare alternativă polară UeE, proporţională cu turaţia de rotaţie a câmpului inductor: U eE = ke ×Φ e ×Ω = ke ×Φ e ×2π ×n (3.12) unde Ω este viteza unghiulară, în rot/s, iar n este turaţia rotorului în rad/s. Între frecvenţa tensiunii de alimentare şi viteza unghiulară există relaţia cunoscută: p ×Ω f = p ×n = (3.13) 2π Dacă unghiul de sarcină, θ0, este constant, din relaţiile (3.11), (3.12) şi (3.13) rezultă că tensiunea electromotoare polară UeE este proporţională cu viteza de rotaţie Ω, respectiv turaţia n a rotorului, şi, în consecinţă, cu frecvenţa tensiunii de alimentare, deci: 2π ×f ×Φ e U eE = (3.14) p Dacă neglijăm impedanţa înfăşurării statorice şi reacţia indusului, putem afirma că tensiunea de alimentare a fazei statorice, U, este aproximativ egală cu tensiunea electromotoare polară62, UeE. Pentru a asigura funcţionarea stabilă a motorului sincron la orice frecvenţă f variabilă, este necesară asigurarea unui flux magnetic de excitaţie constant, adică: U eE U ×p ≅ = const. (3.15) 2π ×n 2π ×f Din relaţia (3.15), rezultă că amplitudinea şi frecvenţa tensiunii de alimentare trebuie să fie proporţionale. Funcţionarea stabilă în sincronism a motorului sincron, la orice viteză, impune şi menţinerea constantă a unghiului θ0, de defazaj dintre fluxul statoric rezultant şi fluxul de excitaţie. În acest caz, cuplul sincron rămâne 62

Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

78

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 79 constant. Pentru a asigura aceste condiţii, trebuie măsurate unghiul intern şi viteza unghiulară a rotorului şi în acest sens se utilizează traductorul de poziţie TP a rotorului, care furnizează un semnal de prescriere la intrarea sistemului de comandă al invertorului, (SCI), impunând tiristoarelor (IAC) o frecvenţă şi o fază corespunzătoare. Invertorul autonom de curent şi traductorul de poziţie al rotorului reprezintă un colector electronic, fără contact alunecător şi fără perii, iar motoarele sincrone ce le utilizează se numesc motoare auto-comandate. În figura 3.12 este prezentată schema de principiu a alimentării unui motor sincron trifazat fără perii, prin invertor trifazat, utilizând curenţi cvasi-dreptunghiulari.

Fig. 3.12 Schema bloc a unui motor sincron trifazat fără perii, cu alimentare prin invertor trifazat

Blocul de comandă al invertorului prelucrează informaţia preluată de la traductorul de poziţie şi informaţia preluată prin bucla de comparare a curentului de referinţă cu curentul măsurat şi comandă o pereche de tranzistoare, unul din ramura superioară, celălalt din ramura inferioară, şi, în acest fel, două înfăşurări înseriate ale motorului sincron vor fi parcurse de un curent de formă cvasi-dreptunghiulară. Schimbându-se perechile de tranzistoare, toate înfăşurările motorului sincron vor fi parcurse de astfel de curenţi, care se va comporta ca şi cum ar fi alimentat de la un sistem trifazat de tensiuni, cu variaţie nesinusoidală. Controlul curentului se poate face fie bipoziţional, prin utilizarea unui comparator cu histerezis, fie continuu, prin utilizarea unui regulator PI

Tracţiune electrică

(proporţional-integrator). În cazul controlului bipoziţional, tranzistoarele de putere sunt astfel comandate încât curentul instantaneu din înfăşurarea statorică să se menţină într-o bandă de lăţime fixă (2·ΔI), centrată pe valoarea prescrisă, Iref, a curentului de referinţă. În cazul controlului continuu a curentului, regulatorul PI asigură un semnal modulat PWM, în care unda purtătoare este triunghiulară, de amplitudine şi frecvenţă fixe, frecvenţa de modulare fiind de ordinul kHz. Evident, în tracţiunea electrică feroviară, o schemă de acţionare ca cea din figura 3.12 nu se poate aplica, puterea motoarelor sincrone cu magneţi permanenţi fiind limitată superior. În schimb, se poate utiliza o schemă ca cea din figura 3.13. În această figură, tensiunea alternativă monofazată preluată din secundarul transformatorului principal, este redresată de către redresorul Rd. Valoarea tensiunii redresate se modifică prin intermediul unghiului αR, de comandă a tiristoarelor, care, la rândul lui, este determinat de valoarea tensiunii de prescriere, Up, aplicată dispozitivului de comandă al redresorului DCR. Traductorul de poziţie TP, al rotorului motorului sincron MS, trimite o informaţie către dispozitivul de comandă al invertorului DCI, referitoare la unghiul intern θ0, care, preluând şi valoarea prescrisă pentru viteza unghiulară, Ωp, pe care trebuie să o aibă rotorul motorului sincron, modifică valoarea unghiului αI de comandă pe grilă a tiristoarelor din invertor. Astfel, la ieşirea invertorului, Inv, se obţine o tensiune trifazată de amplitudine şi frecvenţă dorite, care alimentează înfăşurările fazelor motorului sincron MS. Inductivitatea de filtrare, Ln, reduce efectul ondulatoriu al tensiunii redresate. Curentul de excitaţie, Iex, asigură păstrarea valorii maxime a cuplului electromagnetic al motorului de tracţiune. 80

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 81 După schema de principiu prezentată în Fig. 3.13, este realizat trenul de mare viteză TGV ATLANTIC (TGV-A), pus în funcţiune în anii 19891990, pe căile ferate care leagă Parisul cu mai multe oraşe din vestul şi sudvestul Franţei, până la oceanul Atlantic (Fig. 3.14)

Fig. 3.14 Trenul TGV-A cu invertoare autonome de curent şi motoare sincrone

Cu o astfel de acţionare reglabilă cu motor sincron s-a putut obţine o viteză medie a trenurilor de până la 300 km/h. La aceleaşi dimensiuni ale motoarelor, ca şi la tracţiunea în curent continuu, s-a reuşit dublarea puterii motoarelor de la 535 kW (TGV-PSE) la 1100 kW, la tensiunea de 1246 V şi turaţia de 4000 rot./min. Masa noului tren a scăzut de la 1560 kg la 1450 kg. Dublarea puterii motoarelor a permis reducerea numărului acestora, pe fiecare locomotivă, de la 6 la 4, concomitent cu creşterea puterii totale a unui tren, de la 6400 kW la 8800 kW (2x4x1100 = 8800 kW). Numărul de vagoane tractate a crescut de la 8 la 10, iar numărul de pasageri transportabili, de la 386 la 485, în timp ce greutatea trenului a crescut cu doar circa 14% (de la 418 t la 475 t)63. Schema electrică de forţă a unei locomotive TGV-A este prezentată în Fig. 3.15. Transformatorul principal, alimentat prin disjunctorul de putere IM, când comutatorul K se află pe poziţia 1, la tensiunea alternativă de 25 kV, 50 Hz, are 5 înfăşurări secundare. Patru dintre acestea sunt destinate pentru alimentarea înfăşurărilor statorice ale motoarelor de tracţiune MT1÷MT4. A 5-a înfăşurare secundară alimentează circuitele de excitaţie ale celor 4 motoare şi serviciile auxiliare. Fiecare înfăşurare secundară, având tensiunea de 1800 V, alimentează câte o punte redresoare semi-comandată, având în componenţă tiristoarele Tr şi diodele Dr. După filtrarea tensiunii continue rezultate, cu ajutorul inductivităţii de filtrare Ln, sunt alimentate invertoarele de curent, formate din punţi trifazate, cu tiristoarele Ti, şi circuitele de comutaţie forţată a tiristoarelor invertoarelor, formate din câte două tiristoare Ts şi un condensator Cs. Cele 63

Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

Tracţiune electrică

trei faze ale fiecărui motor sincron de tracţiune, conectate în stea, sunt alimentate de la câte un invertor. Condensatorul Cs este conectat între nulul stelei înfăşurărilor şi punctul median al circuitului de comutaţie forţată. Reglarea vitezei motoarelor de tracţiune în zona I, adică v Є [0; vA], (Fig. 2.9; Fig. 2.14 şi Fig. 2.15) se efectuează cu ajutorul invertoarelor autonome de curent, prin modificarea frecvenţei şi amplitudinii tensiunilor statorice. Menţinerea constantă a raportului U/f se realizează cu ajutorul redresoarelor semi-comandate, asigurându-se în acelaşi timp şi sincronismul câmpurilor statorice şi rotorice, folosindu-se informaţiile de la traductoarele de poziţie, TP, ale rotoarelor (nefigurate în schemă). Reglarea vitezei în zona a II-a, v Є [vA ; vmax] se realizează prin slăbire de câmp şi reducere a cuplului, păstrând constante tensiunea de alimentare şi puterea electrică. Curentul de excitaţie, care determină fluxul de excitaţie, se modifică cu ajutorul chopperelor Ch. În consecinţă, în zona a II-a se obţine o caracteristică de tracţiune hiperbolică, asemănătoare caracteristicii motorului de curent continuu serie. Dispozitivele de comutaţie Ts şi Cs sunt necesare numai la pornire şi la viteze mici, când tensiunile electromotoare induse în înfăşurările motoarelor sincrone sunt nule sau prea mici pentru a putea bloca tiristoarele principale, Ti, ale invertoarelor. La viteze medii şi mari, elementele de comutaţie Cs şi Ts nu sunt utilizate şi, în consecinţă, tiristoarele Ts nu primesc impulsuri de comandă. Atunci când funcţionează elementele de comutaţie, tiristoarele Ts au o frecvenţă de lucru triplă faţă de frecvenţa de lucru a tiristoarelor Ti. Când alimentarea locomotivei TGV-A se face în curent continuu, la 1500 V, se deschide disjunctorul IM (Fig. 3.15) şi se pune comutatorul K pe poziţia 2. În acest fel, transformatorul principal este izolat. Schema electrică de forţă a locomotivei TGV-A este prezentată în Fig. 3.16. Alimentarea invertoarelor de curent IAC se efectuează prin chopperele Ch, iar diodele Dr din redresoarele folosite anterior rămân conectate în serie, cu rolul unei diode de fugă. Alimentarea motoarelor de tracţiune şi a excitaţiilor acestora se face după aceeaşi schemă ca şi în Fig. 3.15.

82

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 83

Fig. 3.15 Schema electrică de forţă a locomotivei TGV-A cu alimentare în c.a.

Tracţiune electrică

Fig. 3.16 Schema electrică de forţă a locomotivei TGV-A cu alimentare în c.c. 84

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 85

Fig. 3.17 Schema electrică de frânare reostatică a locomotivei TGV-A

Frânarea dinamică - reostatică a locomotivelor TGV-A se face

Tracţiune electrică

utilizându-se schema din Fig. 3.17. Toate circuitele se deconectează de la linia de contact, invertoarele de curent lucrând acum ca redresoare comandate, se înseriază cu rezistenţele de frânare Rf, cu ajutorul cărora se stabilesc cuplul şi viteza de frânare. Excitaţiile motoarelor sincrone sunt alimentate de la baterii de acumulatoare (BA), ceea ce asigură frânarea chiar şi în cazul în care lipseşte tensiunea de la linia de contact. Motoarele sincrone funcţionează ca generatoare sincrone, debitând pe rezistenţele de frânare, prin intermediul redresoarelor realizate cu tiristoarele Ti, funcţionând la tensiuni şi frecvenţe variabile. Invertoarele autonome de curent, IAC, cu comandă clasică, asigură la ieşire tensiuni şi curenţi cu conţinut ridicat de armonici (17÷20%), care au efecte negative asupra motoarelor sincrone, determinând reducerea factorului de putere şi a randamentului acestora. Suplimentar, la comutaţia tiristoarelor apar supratensiuni datorate energiei reactive acumulate în inductivităţile înfăşurărilor statorice. Toate aceste dezavantaje au fost eliminate în generaţia următoare a acţionărilor locomotivelor electrice, prin utilizarea invertoarelor autonome de tensiune, IAT64. 3.3.5 Locomotive electri ce d in clas ele C 4 ş i A 4 Locomotivele din clasele C4 şi A4 reduc o parte din dezavantajele locomotivelor din clasele C3 şi A3, prin eliminarea invertoarelor autonome de curent şi introducerea în locul acestora a invertoarelor autonome de tensiune. Astfel, tensiunile şi curenţii furnizaţi de aceste invertoare au o formă care se apropie foarte mult de sinusoidă, fiind eliminate, în acelaşi timp, armonicile superioare. Introducerea acestor invertoare a fost posibilă începând cu anul 1990, datorită apariţiei unor tiristoare complet comandate, GTO (Gate Turn-Off Thyristor) de mare putere. Acestea pot comuta curenţi cuprinşi în intervalul 2500÷3000 A, suportând tensiuni inverse de până la 4500 V. În aceeaşi perioadă au apărut şi tranzistoarele hibride IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)65 care comută curenţi de până la 1200 A şi suportând tensiuni inverse de până la 1700 V. Aceste componente moderne au simplificat substanţial schemele de forţă ale invertoarelor autonome de tensiune, eliminând dispozitivele de blocare forţată a tiristoarelor obişnuite. Concomitent cu introducerea invertoarelor autonome de tensiune, au fost introduse ca motoare de tracţiune motoarele asincrone trifazate cu rotor în scurtcircuit, care sunt cele mai simple şi mai fiabile motoare. Aceste modernizări constituie baza claselor C4 şi A4 ale locomotivelor electrice moderne de mare viteză. Cu ajutorul acestor 64 65

Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs http://www.infineon.com/dgdl/

86

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale

elemente s-au putut obţine viteze de87300÷400 km/h, iar în anumite cazuri chiar mai mari. În aceste clase sunt incluse trenurile de mare viteză franceze, TGVEurostar, japoneze Shinkansen, germane şi engleze Intercity Expres, italiene ETR, ruseşti Cokoл şi altele66. Dintre locomotivele amintite, cele mai simple şi mai performante sunt locomotivele trenurilor de mare viteză japonenze Shinkansen67, „linia noului trunchi”, la care recordul de viteză de 443 km/h a fost atins în anul 1996. Utilizarea noilor scheme pentru invertoare şi a motoarelor asincrone trifazate cu rotor în scurtcircuit, ca motoare de tracţiune, au condus la creşterea fiabilităţii, reducerea gabaritelor şi maselor, cheltuielilor de exploatare şi a consumurilor de energie electrică. S-a aplicat o nouă concepţie, şi anume, puterea individuală a motoarelor asincrone de tracţiune a fost redusă până la 300 kW, adoptându-se concomitent principiul modular de asamblare a trenurilor. Acesta presupune alegerea după necesitate a numărului de vagoane motoare VM. Fiecare vagon motor are două boghiuri cu câte două osii, deci utilizează 4 (patru) motoare, oferind suficient spaţiu pentru călători. Două vagoane motoare formează o unitate de tracţiune, având 8 (opt) motoare şi o putere electrică de 8x300 kW = 2400 kW = 2,4 MW. Un tren are cel puţin două unităţi de tracţiune, în funcţie de necesităţile de transport. Între aceste unităţi de tracţiune pot exista şi vagoane fără osii motoare. Pentru un tren care are chiar 2 unităţi de tracţiune, puterea totală este de 2x8x300 kW = 4800 kW = 4,8 MW. În funcţie de necesităţi, un tren Shinkansen poate avea 2÷8 unităţi de tracţiune. Schema electrică de principiu a circuitelor de forţă, pentru o unitate de tracţiune, este reprezentată în Fig. 3.18. Aceasta conţine: - un întreruptor automat (disjunctor) IM; - un transformator principal cu o înfăşurare primară şi patru înfăşurări secundare; - un convertor de curent continuu, conţinând patru redresoare reversibile, conectate două câte două, în paralel; - două filtre capacitive, CF, ale circuitelor intermediare de curent continuu; - două invertoare de tensiune cu comandă PWM ; - două grupe de câte patru motoare de tracţiune, de tip asincron cu rotorul în scurtcircuit, conectate în paralel, la ieşirea fiecărui invertor, pentru fiecare vagon motor. Convertorul conţine patru perechi de redresoare reversibile, conectate în paralel pe partea de curent continuu. Fiecare pereche are în componenţă: 66

Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

67

http://ro.wikipedia.org/wiki/Shinkansen

Tracţiune electrică

- un redresor bialternanţă, necomandat, cu diodele Dc, de la care se alimentează invertoarele pentru regimul de tracţiune; - un redresor antiparalel, integral comandat, care utilizează tiristoarele Tc, pentru regimul de frânare recuperativă.

Fig. 3.18 Schema electrică de forţă a unei unităţi motoare a trenurilor japoneze Shinkansen, cu convertoare reversibile de frecvenţă şi cu motoare asincrone

Când frânarea recuperativă nu este posibilă din cauza inexistenţei tensiunii de la linia de contact sau nu există consumatori pe această linie, schema din figura 3.18 permite trecerea automată la frânarea reostatică. Astfel, energia activă a generatoarelor sincrone se transformă în căldură pe rezistenţele de frânare Rf. Conectarea în paralel a celor patru perechi de redresoare este necesară din următoarele motive: - diodele utilizate au un curent relativ mic (800 A la o tensiune inversă de 4500 V); - asigurarea unei fiabilităţi mărite a sistemului de acţionare, permiţându-se funcţionarea locomotivei cu o pereche de redresoare defectă. Schema de forţă a unităţii motoare a trenurilor Shinkansen conţine: 88

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 89 având puterea totală de 3,03 MW, - transformatorul de alimentare tensiunea nominală primară de 25 kV, tensiunile nominale secundare fiind de 870 V pentru fiecare din cele 4 secundare; - convertorul de curent continuu, având tensiunea de intrare de 870 V c.a şi tensiunea de ieşire 1900V c.c, curentul de intrare 937 A c.a., iar cel de ieşire 1630 c.c.; - invertorul autonom de tensiune, cu comandă PWM, având tensiunea de intrare de 1900 V c.c., tensiunea de ieşire variabilă între 0÷1450 V, iar puterea nominală de 1760 kVA; - motoarele de tracţiune, de tip asincron, având puterea de 300 kW şi tensiunea nominală de 1450 V. Trenurile franceze TGV-Eurostar, care aparţin tot clasei C4-A4, sunt compuse din două locomotive la extremităţi, având fiecare şase motoare asincrone de 1100 kW (din care două motoare care alcătuiesc un boghiu se află la vagonul adiacent, ca şi la TGV-PSE - Fig. 3.11) şi 8÷10 vagoane remorcă, ajungându-se uneori şi la 18 vagoane remorcă 68. Un tren TGVEurostar poate transporta 800 de călători la viteza medie de 360 km/h. Puterea totală a trenului este de 12200 kW. Deoarece acest tren face legătura între Paris şi Londra, trecând pe sub Canalul Mânecii, are o schemă de alimentare a invertoarelor, pentru alimentarea motoarelor, diferită de cea prezentată în Fig. 3.18, care să permită alimentarea de la trei sisteme diferite: - linie de contact la tensiunea alternativă monofazată de 25 kV, 50 Hz, în Franţa şi în tunelul de sub Canalul Mânecii; - linie de contact la tensiunea continuă de 750 V, în Anglia; - linie de contact la tensiunea continuă de 3000 V, în Belgia. Trenul de mare viteză TGV – TMST (Trans Manche Super Train), cunoscut şi sub numele comercial TGV-Eurostar, construit între anii 1993 şi 1996, a necesitat linii noi de mare viteză, care în Franţa, în 2011, erau în lungime de 2037 km. Acest tren a atins recordul de viteză de 574,8 km/h, în anul 200769. Schema bloc a instalaţiei electrice care permite cele trei tipuri de alimentări este prezentată în Fig. 3.19. Dorinţa de a circula cu viteze cât mai mari este o provocare pentru cercetătorii din întreaga lume. Societatea Naţională de Căi Ferate Franceze (SNCF) a început prin anii 1989÷1990 cercetări asupra implementării TGV NG (Nuvelle Generation), trenuri care să realizeze, în mod curent, viteze cuprinse între 350÷400km/h.

68 69

http://florent.brisou.pagesperso-orange.fr/Fiche%20TMST.htm http://fr.wikipedia.org/wiki/TGV

Tracţiune electrică

Fig. 3.19 Schema bloc a locomotivei TGV Eurostar

La aceste trenuri, motoarele de tracţiune sunt controlate individual (nu în perechi) folosindu-se un singur invertor. Răcirea echipamentelor de tracţiune este eficace până la temperaturi ambiante de 45ºC, utilizându-se un lichid de răcire ecologic (FC 72) 70. Acest lichid ecologic este cunoscut şi sub numele de Flourinert Electronic Lichid, fiind, de fapt, Perfluorohexan C6F14 sau Tetradecafluorohexan. Este un izolator şi poate fi aplicat pentru temperaturi între -90ºC şi 56 ºC. Este incolor şi inodor71. Trenurile de mare viteză au devenit o concurenţă reală faţă de transportul cu avioane. Analizând implicaţiile tipurilor de motoare de tracţiune, a tipurilor de linii de contact şi a tipurilor de echipamente electrice de la generaţia C1-A1 până la generaţia C4-A4, putem trage următoarele concluzii: - costul fabricării şi întreţinerii a scăzut odată cu înlocuirea motoarelor de c.c., cu motoare sincrone şi a acestora cu motoare asincrone72; - dificultăţile de comandă au crescut odată cu aceste înlocuiri, după cum rezultă din Fig. 3.20.

70

http://www.railfaneurope.net/tgv/research.html#traction http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en_US/ElectronicsChemicals/ 72 http://web-mp.iutmontp.univ-montp2.fr/ 71

90

Capitolul 3. Locomotive de tracţiune electrică feroviară cu aderenţă la cale 91

Fig. 3.20 Variaţia costurilor şi a dificultăţilor de comandă în funcţie de evoluţia tehnologiei de realizare a LE Dificultăţile de comandă sunt determinate de faptul că prin utilizarea, în final, a motoarelor asincrone, sunt necesare invertoare autonome de tensiune cu tranzistoare GTO sau tiristoare IGBT de mare putere, care necesită la rândul lor o comandă sofisticată la frecvenţă mare.

Tracţiune electrică

Capitolul 4. TRENURI DE MARE VITEZĂ FĂRĂ ADERENŢĂ LA CALEA DE RULARE 4.1. Scurt istoric Deşi motorul asincron liniar este cunoscut73 încă din 1902, abia în 1905 (14 februarie) este înregistrat un patent pentru deplasarea unui tren cu motor liniar, cu autopropulsie, pe numele lui Alfred Zehden, în S.U.A74. Brevete pentru trenurile magnetice cu levitaţie, propulsate de motoare liniare, au mai fost acordate pentru Hermman Kemper în 1937 şi 1941. La sfârşitul anului 1940, profesorul Eric Laithwaite de la Colegiul Imperial din Londra, a elaborat primul model în mărime naturală a motorului de inducţie liniar. Deoarece utilizând motorul liniar nu este nevoie de contact fizic între vehicul şi ghidaj, acesta a devenit, în anii 1960 şi 1970, un dispozitiv avansat pentru mai multe sisteme de transport în curs de dezvoltare. La începutul anilor 1970 Eric Laithwaite a descoperit un nou aranjament al magneţilor, care a permis ca un singur motor liniar să producă atât ridicarea, cât şi tracţiunea. Dezvoltarea trenurilor Maglev în Japonia a cunoscut două direcţii: - JR-Maglev (Grupul Căilor Ferate Japoneze); - HSST dezvoltat de Liniile Aeriene Japoneze. Al doilea tip de tren cu suspensie magnetică a apărut în anul 1974 pe baza unor tehnologii aduse din Germania. În 1985 trenul HSST 03 (Linimo) câştigă popularitate la Expoziţia Mondială Tsukuba, deşi viteza acestuia era de numai 30 km/h. În Japonia, pe o pistă de încercare, un tren Maglev a atins recordul de 517 km/h la 21 decembrie 1979. La Hamburg, în Germania, în anul 1979 a fost pus în funcţiune primul tren, Maglev-Transrapid 05, cu propulsie cu motor liniar, pentru transportul de pasageri. În Berlinul de Vest, la sfârşitul anului 1990 a fost construit M-Bahn (Magnetbahn), adică un tren Maglev, care a rulat pe o distanţă de 1,6 km, devenind operabil în iulie 1991. Acesta a devenit operabil după Birmingham Maglev, dar înainte de Shanghai Maglev Train. În Anglia, primul tren comercial de persoane, cu motor liniar, denumit Maglev (Magnetic Levitation), a fost inaugurat oficial în 1984, lângă Birmingham. Acesta a circulat la o viteză de până la 40 km/h, pe un monorai, între Aeroportul Internaţional şi Gara Internaţională din Birmingham, pe o distanţă de 600 m. Trenul a zburat la o altitudine de 73 74

http://www.ovidiupopovici.ro/CARTE%20TRACT.ELECTRICA-net.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Mag-lev_train#First_patent

92

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare

15 mm faţă de calea de ghidare şi a 93 fost propulsat de un motor liniar de tip asincron. În anul 1995, sistemul a fost închis din cauza problemelor de fiabilitate. În anul 2002, la Shanghai a intrat în folosinţă un tren Maglev care a atins viteza maximă de 501 km/h, circulând pe o distanţă de 30 km, între centrul oraşului şi Aeroportul Internaţional75. În aprilie 2004, la Shanghai a intrat în uz comercial sistemul de mare viteză Transrapid, iar în martie 2005, tot în Japonia, a început să funcţioneze un tren HSST-Linio, cu o viteză relativ redusă. În primele trei luni după inaugurare, pe linia respectivă au fost transportaţi peste 10 milioane de pasageri76. Recordul de viteză la trenurile Maglev a fost atins în anul 2003, pe o linie experimentală, fiind de 581 km/h. În prezent, în China se fac cercetări referitoare la realizarea transportului feroviar în tub vidat, anulându-se astfel forţele de rezistenţă determinate de frecarea cu aerul. Se speră în acest fel atingerea unor viteze de până la 1000 km/h (un avion de transport persoane atinge o viteză de croazieră de 800 km/h)77. 4.2. Noţiuni generale Un Maglev este un sistem de transport care foloseşte levitaţia magnetică, pentru a suspenda, ghida şi propulsa vehicule folosind câmpurile electromagnetice, fără a mai fi nevoie de osii, roţi şi lagăre. Motoarele liniare asigură o mişcare de translaţie a armăturii mobile faţă de armătura fixă. Motoarele liniare folosite în tracţiunea feroviară pot fi doar de curent alternativ, de tip asincron sau sincron. Utilizarea motoarelor liniare în tracţiune electrică aduce următoarele avantaje vehiculelor, faţă de utilizarea motoarelor clasice rotative: - prezintă o construcţie foarte simplă a părţii mecanice; - au gabarite şi mase reduse la puteri specifice mari, datorită creşterii solicitărilor electromagnetice posibile prin utilizarea răcirii mai intense; - au o siguranţă şi fiabilitate mult mai mari datorită modului de construcţie, şi anume, vehiculele îmbrăţişează permanent calea de deplasare, ceea ce nu le permite deraierea sau răsturnarea; - permit accelerări şi decelerări care nu depind de frecare; - asigură un control mai precis al poziţiei; - permit utilizarea unui control precis şi continuu al mişcării vehiculului, folosind o tehnologie de ultimă generaţie; 75

http://www.smartplanet.com/blog/smart-takes/ http://ro.wikipedia.org/wiki/Maglev 77 http://www.smartplanet.com/blog/smart-takes/china-developing-600-mph-airless-maglev76

Tracţiune electrică

- sunt excluse uzura şi rezistenţa mecanică de rostogolire, vehiculul zburând practic în lungul căii de ghidare; - permit reducerea necesarului de energie electrică dacă se folosesc magneţii permanenţi (concomitent cu reducerea costului trenului); - necesită întreţinere mai redusă şi au costuri de exploatare mai mici. Există şi dezavantaje ale utilizării motoarelor liniare în tracţiunea electrică, dintre care se amintesc: - randament scăzut; - necesită costuri ridicate pentru construcţia căii de deplasare; - prezintă complicaţii constructive şi de exploatare din cauza necesităţii de a menţine întrefierul constant (mai mare de 10 mm). O problemă importantă a trenurilor Maglev o reprezintă sustentaţia, adică menţinerea la o valoare constantă a distanţei (întrefierului) dintre armătura primarului şi armătura secundarului. Sustentaţia se poate realiza în două feluri: - cu atracţie electromagnetică (PMA – Pernă Magnetică cu Atracţie); - cu respingere sau repulsie electrodinamică (PMR – Pernă Magnetică cu Repulsie). Principiul PMA constă în interacţiunea (atracţia) dintre un electromagnet cu miez feromagnetic, alimentat de la o sursă reglabilă de curent continuu şi plasat pe vehicul şi o placă feromagnetică, fixată în lungul căii ( Fig. 4.1.a şi Fig. 4.2)78.

PMA este instabilă în regim dinamic, necesitând un sistem de reglare automată cu traductor şi regulator de poziţie, acestea având rolul de a sesiza mărimea întrefierului. Întrefierul este în acest caz de 10÷15 mm. Principiul PMR constă în fenomenul de respingere dintre câmpul magnetic al unei bobine supraconductoare, plasată pe vehicul, şi câmpul magnetic al curenţilor turbionari, care apar într-o placă conductoare, numai în timpul mişcării, când fluxul devine variabil faţă de placă ( Fig. 4.1.b). 78

http://ninpope-physics.comuv.com/maglev/howitworks.php

94

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare

În locul unei singure plăci, pe 95 calea de rulare pot fi folosite un şir de plăci conductoare sau de bobine scurtcircuitate.

Trenul pe pernă magnetică de tipul PMA a atins viteza de 438 km/h cu pasageri la bord. Pentru cazuri de urgenţă, trenul este echipat cu baterii de alimentare, de putere (când lipseşte alimentarea de la reţea), care permit oprirea lină a trenului. Existenţa câmpurilor magnetice puternice poate interfera cu stimulatorul cardiac şi poate deranja posesorii acestuia. PMA necesită şi roţi ale vehiculului, care sunt folosite însă în repaus sau în situaţii critice. PMR permite realizarea unui întrefier mai mare decât PMA şi anume de 7÷12 cm, ceea ce simplifică construcţia căii de rulare (Fig. 4.3).

Fig. 4.3 Explicativă la sistemul de sustentaţie PMR - EDS

Tracţiune electrică

Electromagneţii superconductori, răciţi, sunt amplasaţi pe tren, iar bobinele electromagneţilor de propulsie, levitaţie şi ghidare sunt plasaţi în lungul căii de zbor. Trenurile de acest tip pot atinge viteze de 522 km/h, ceea ce este considerabil mai mult decât la trenurile EMS 79. Trenurile EDS au dezavantajul că până la circa 100 km/h trebuie să ruleze pe roţi. Prezenţa roţilor aduce, însă, şi avantajul că, în cazul unei întreruperi a alimentării cu energie, trenul se poate opri lin şi în siguranţă. Inginerii germani au dezvoltat primul sistem, PMA, numit de ei Electromagnetic Suspension (EMS), adică suspensie electromagnetică. Inginerii japonezi au dezvoltat al doilea sistem, PMR, numit de ei Electrodynamic Suspension (EDS), adică suspensie electrodinamică. Variaţia forţei de sustentaţie, Fs, în funcţie de viteza v a vehiculului, la cele două moduri (PMA sau PMR) este reprezentată în Fig. 4.4. 4.3. Motorul asincron liniar Maşina asincronă liniară rezultă, intuitiv, prin tăierea unei maşini asincrone rotative după o generatoare a sa şi desfăşurarea statorului şi rotorului în plan (Fig. 4.5), partea fixă urmând a fi prelungită în lungul căii de deplasare. Motorul liniar a fost propus încă din anul 1902 de către Alfred Zehden pentru tracţiune feroviară. Aplicarea practică a acestui motor a fost întârziată din cauza nerezolvării unor fenomene care apar în acest caz. În anul 1945 firma Westinghouse a construit un motor liniar de 10.000 CP, cu indus de 400 metri lungime, ce dezvolta o viteză de 300 kilometri pe oră. Acest motor era utilizat pentru lansarea avioanelor de pe hidroavioane. La motorul liniar turaţia şi cuplul îşi pierd semnificaţia, fiind înlocuite de r ur viteza v şi forţa de tracţiune F , iar câmpul magnetic învârtitor devine câmp magnetic alunecător, numit şi câmp magnetic progresiv, cu viteza sincronă vs. r Alunecarea s la o anumită viteză v se defineşte astfel: r r vs − v s= r . vs

79

http://ninpope-physics.comuv.com/maglev/howitworks.php

96

(4.1)

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare 97 Dacă în expresia vitezei periferice a maşinii rotative (vs=π⋅D⋅ns) se f

înlocuieşte π⋅D=2⋅p⋅τ şi n = p , rezultă modulul vitezei: vs = 2 ⋅ τ ⋅ f ,

(4.2) adică viteza sincronă a motorului liniar nu mai depinde de numărul de poli ai inductorului, ci doar de lungimea pasului polar, τ, şi de frecvenţa f a tensiunii de alimentare. Prin alegerea potrivită a acestor mărimi se pot obţine viteze până la 100 m/s sau chiar mai mari (de exemplu, I.N.R.-03 din Japonia atingea 405 km/h). Regimul de motor al maşinii asincrone liniare corespunde vitezelor cuprinse între zero şi viteza sincronă. Există două posibilităţi teoretice de realizare a motoarelor asincrone liniare: a. cu inductor scurt şi indus lung; b. cu inductor lung şi indus scurt. Practic, prezintă interes doar prima variantă, fiind mai economică. Inductorul poate fi mobil (plasat pe un vehicul, de exemplu) sau fix (plasat din loc în loc în lungul căii de rulare). Se pot realiza motoare liniare cu inductor unilateral sau cu inductor bilateral (Fig. 4.6). Motorul liniar cu indus unilateral prezintă dezavantajul existenţei unei forţe normale orientate perpendicular pe planul de deplasare.

Fig. 4.6 Tipuri constructive de motoare liniare, a) cu inductor unilateral şi indus feromagnetic; b) cu inductor bilateral şi indus neferomagnetic, c) cu inductor bilateral şi inductor scară; d), e), f) curbele F=f(s) corespunzătoare variantelor a), b), c)

Faţă de maşina asincronă rotativă apar două efecte suplimentare: efectul transversal (de margine) şi efectul longitudinal (de capăt). Analiza influenţei acestor două efecte are în vedere un indus masiv. Efectul transversal se datorează liniilor de curent indus longitudinale.

Tracţiune electrică

Urmărind liniile de curent în indus se constată că acestea au componente transversale utile (perpendiculare pe direcţia deplasării), care determină forţa ur longitudinală de tracţiune F . Componentele longitudinale ale curenţilor induşi au caracter parazit, determinând creşterea rezistenţei echivalente a indusului, afectând astfel alurarcaracteristicii mecanice – Fig. 4.6.d). Efectul transversal depinde de viteza v , la viteze mari având o influenţă mai mare. Efectul transversal poate fi redus prin alegerea judicioasă a lăţimii indusului, a pasului polar sau prin utilizarea indusului de tip scară (colivie) – Fig. 4.6.f). Efectul longitudinal se datorează lungimii finite a inductorului şi nesimetriei fazelor. Amplitudinea inducţiei câmpului magnetic alunecător este variabilă în lungul inductorului, depinzând de mărimea întrefierului, de viteza inductorului şi de parametrii indusului. În zonele inductorului mai depărtate de capete se poate considera că amplitudinea inducţiei este constantă. Ca urmare a celor prezentate, distribuţia densităţii de curent din indus diferă de cea sinusoidală, favorizând pierderi şi forţe suplimentare. Atât efectul transversal, cât şi cel longitudinal sunt dezavantajoase şi prin diferite soluţii tehnice se caută reducerea lor. În maşina asincronă liniară se dezvoltă forţe după cele trei axe ale sistemului tridimensional: – forţă longitudinală (de tracţiune), utilizată în propulsarea sau frânarea vehiculului; – forţă transversală (nedorită), datorată efectului transversal; prin măsuri adecvate această forţă poate fi anulată; – forţă de atracţie, exercitată de inductorul unilateral asupra indusului feromagnetic, sau forţă de levitaţie, exercitată de levitator asupra indusului feromagnetic sau neferomagnetic. Motorul liniar are avantaje importante, ca de exemplu: - obţinerea directă a mişcării de translaţie; - realizarea deplasării mobilelor fără transmisii mecanice; - robusteţe; - silenţiozitate. Dezavantajele sale sunt constituite de: - randamentul scăzut din cauza efectului longitudinal dinamic în zona marginilor circuitului magnetic al armăturii de pe vehicul, unde datorită faptului că inducţia variază brusc apar curenţi, forţe şi pierderi suplimentare; - factor de putere mai mic decât la motoarele asincrone rotative, datorită întrefierului mare80. Motorul liniar asincron este cunoscut în literatura engleză sub acronimul LIM (Linear Induction Motor).

80

Piroi, I., Maşini electrice, Editura Eftimie Murgu, Reşiţa, 2009

98

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare

4.4. Motorul99sincron liniar Motorul sincron liniar, cunoscut în literatura engleză sub acronimul LSM (Linear Synchronous Motor), dezvoltă o forţă de tracţiune (de propulsie) doar la viteza de sincronism a câmpului progresiv. Un LSM este un motor liniar în care mişcarea mecanică este în sincronism cu mişcarea câmpului magnetic, adică viteza mecanică este aceeaşi cu viteza de deplasare a câmpului magnetic. Forţa de propulsie este generată de interacţiunea între: - câmpul magnetic progresiv produs de o înfăşurare polifazată şi o matrice de poli magnetici N,S,…N,S, sau cu o cale feromagnetică de reluctanţă variabilă (LSMs cu înfăşurare de curent alternativ pe armătură); - câmpul magnetic produs de o înfăşurare de curent continuu alimentată printr-un comutator electronic şi o matrice de poli magnetici N,S, …N,S sau cu o cale feromagnetică de reluctanţă variabilă (motor liniar pas cu pas sau cu reluctanţă variabilă). Partea care produce câmpul magnetic progresiv este numită armătură sau propulsor (forcer). Partea care produce fluxul magnetic de curent continuu sau reluctanţa variabilă se numeşte sistemul câmpului de excitaţie, sau platoul de reluctanţă variabilă. Nu este recomandat ca cele două părţi să se numească primar şi secundar, deoarece aceste noţiuni sunt justificate la motorul de inducţie liniar sau la transformatoare. Funcţionarea unui LSM nu depinde de care parte este mobilă sau este staţionară, din cele două părţi ale căror câmpuri interacţionează. În mod obişnuit, motorul sincron de curent alternativ polifazat este un motor cu excitaţie electromagnetică în curent continuu, a cărui forţă de propulsie are două componente: - componenta principală, datorată interacţiunii câmpului magnetic progresiv cu fluxul magnetic determinat de înfăşurarea de excitaţie alimentată în curent continuu (componenta sincronă); - componenta secundară, datorată câmpului magnetic progresiv şi reluctanţei variabile după axele d şi q (componenta de reluctanţă). Înlocuirea electromagneţilor de curent continuu cu magneţi permanenţi (PMs) este obişnuită, exceptând LSMs pentru vehiculele cu levitaţie magnetică. LSMs cu magneţi permanenţi (PM) pot fi de două feluri: - motor sincron liniar (LSMs) cu PM, la care forma curentului de intrare este sinusoidală şi produce un câmp magnetic progresiv; - motor sincron liniar fără perii, cu electromagneţi de curent continuu şi reacţie (feedback) de poziţie (LBMs), la care forma curentului de intrare este dreptunghiulară sau trapezoidală şi este precis sincronizată cu

Tracţiune electrică

viteza şi poziţia părţii mobile. Constructiv, motorul sincron liniar poate fi plan sau tubular. La motorul sincron liniar fără perii, cu electromagneţi de curent continuu, informaţiile despre poziţia părţii în mişcare sunt furnizate de un senzor de poziţie absolută. Această schemă de control corespunde unui comutator electronic care funcţionează asemănător cu un colector mecanic din componenţa unui motor de curent continuu. De aceea, acest motor cu curent de formă dreptunghiulară sau trapezoidală este numit motor de curent continuu fără perii. În schimb, motorul care funcţionează bazându-se pe diferenţa reluctanţelor după axa d şi q şi câmpul magnetic progresiv, care generează forţa de tracţiune pe baza diferenţei dintre reactanţe, se numeşte motor sincron liniar de curent alternativ cu reluctanţă variabilă81. În cazul motorului sincron liniar funcţionând pe principiul câmpului magnetic progresiv, viteza părţii mobile este: ω v = vs = 2 ×τ ×f = ×τ (4.3) π f fiind frecvenţa tensiunii de alimentare. La acţionările electromecanice din instalaţiile industriale, dacă se utilizează LSMs, se pot atinge şi chiar depăşi viteze de 10 m/s = 36 km/h şi acceleraţii de peste 360 m/s2. Densitatea forţei pe suprafaţă, dată de relaţia: Fs fs = [N/m2] (4.4) 2 ×p ×τ ×Li este mai mare la motoarele liniare sincrone decât la motoarele liniare de inducţie, după cum rezultă şi din Fig. 4.7.

Fig. 4.7 Variaţia densităţii forţei de tracţiune fs,în funcţie de forţa de tracţiune, Fs, tipul motorului liniar şi tipul agentului de răcire 81

http://jfgieras.com/lsm-chapter%25201.pdf

100

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare 101mare viteză, când se operează pe În transportul de persoane de principiul levitaţiei, pentru excitaţie se folosesc electromagneţi. Reglarea vitezei la trenurile Maglev se efectuează prin modificarea frecvenţei şi a amplitudinii tensiunii de alimentare a circuitului electromagnetic. Frânarea electrică a trenurilor Maglev se realizează foarte simplu, inversând succesiunea fazelor la alimentarea principală.

4.5. Trenuri moderne pe pernă magnetică În mai multe ţări ale lumii există preocuparea construirii de trenuri cu suspensie şi ghidare magnetică (pernă magnetică). Prima ţară care le-a propus şi realizat a fost Japonia, urmată la scurt timp de Germania, care a adus mai multe modificări trenurilor de tip Maglev, numindu-le Transrapid 07, 08, 09. Testările au fost făcute pe trenurile Transrapid 01÷06 şi nu au fost lipsite chiar şi de accidente. O cale specială pe care circulă un astfel de tren a fost construită încă prin anii 1997÷1999, între oraşele Berlin şi Hamburg. Pe această cale circulă şi trenul pe pernă magnetică, Transrapid 0882, prezentat în Fig. 4.8.

Fig. 4.8 Imaginea trenului pe pernă magnetică Transrapid 08

Trenurile germane au sustentaţia şi ghidarea cu PMA. Înfăşurarea 82

http://www.google.ro/search?q=Transrapid+08&hl

Tracţiune electrică

trifazată a motorului sincron este pe calea de zbor, jucând în acelaşi timp şi rolul bobinelor conductoare ale sistemului de sustentaţie şi de frânare. Înfăşurarea trifazată care generează câmpul magnetic progresiv este amplasată pe calea de rulare, fiind alimentată pe sectoare (atât timp cât un tren se află deasupra), iar înfăşurările supraconductoare de excitaţie, respectiv magneţii permanenţi sunt pe vehicul, pe ambele părţi care înfăşoară calea. Alimentarea înfăşurării trifazate se face din mai multe puncte amplasate în apropierea căii de ghidare, de la convertoare de frecvenţă, de mare putere (Fig. 4.9).

Fig. 4.9 Secţiune transversală prin calea de rulare şi partea mobilă a trenului Transrapid 08

Un calculator primeşte permanent informaţii şi comandă electromagneţii şi câmpul progresiv, aşa încât nicio parte a trenului să nu atingă ghidajul. Electromagneţii sunt alimentaţi de la baterii de putere, aşa încât trenul poate rămâne pe cale pentru circa o oră, chiar şi în situaţii delicate. În Fig. 4.9 se observă modul de amplasare al bobinelor de propulsie, respectiv de levitaţie şi ghidare, pe partea mobilă a motorului liniar, precum şi realizarea căii de ghidare. Cablurile de alimentare sunt plasate în partea stângă a căii, iar cele de comunicaţii, în partea dreaptă a căii, în tuneluri de cabluri. În Fig. 4.10 este prezentată o secţiune transversală a căii de rulare şi a trenului, funcţionând pe pernă magnetică de atracţie PMA. Suspensia electromagnetică, bazată pe atracţie, este foarte complexă şi uneori este instabilă. Trenul levitează la distanţa de circa 1 cm de cale şi rămâne la această distanţă chiar şi când nu se mişcă (în staţii).

102

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare 103

Fig. 4.10 Secţiune transversală a căii de rulare şi PMA

Distanţa de levitare este monitorizată continuu şi corectată de calculatoare pentru a evita accidentele. Magneţii de ghidare de pe partea laterală a şasiului inferior sunt folosiţi pentru a stabiliza poziţia trenului, împiedicându-l să se lovească de laterale în timpul mişcării. Trenul Transrapid 10, construit de specialiştii germani, în China, între centrul oraşului şi aeroportul Shanghai83, foloseşte acelaşi sistem de levitaţie magnetică, PMA, după cum se constată şi din Fig. 4.11. Trenul a fost construit între 01.03.2001 şi 01.01.2004, funcţionând la o viteză comercială de 431 km/h84. În timpul testelor, în anul 2003, a atins o viteză de 501 km/h. Trenul ajunge la viteza de 350 km/h în 83 84

http://www.google.ro/search?q=transrapid+shanghai&hl http://en.wikipedia.org/wiki/Shanghai_Maglev_Train

Tracţiune electrică

doar 2 minute. Proiectul iniţial a fost modificat, astfel că stâlpii suport ai căii de rulare sunt amplasaţi la 25 m distanţă unul de altul, faţă de 50 m, fiind îngropaţi la o adâncime de 70 m. China a conceput un tren propriu cu pernă magnetică, mai simplu şi mai ieftin, bazat doar pe interacţiunea magneţilor. În martie 2006, Consiliul de Stat al Republicii Populare Chineze a aprobat propunerea de a construi un tren pe pernă magnetică, între Shanghai şi Hangzhou, proiect ce mai târziu a primit numele de CM1 Dolphin Transrapid. Tehnologia folosită la acest proiect porneşte deci de la tehnologia germană Transrapid. La testele efectuate în luna iunie 2006, prototipul acestui tren a atins viteza de 150 km/h. Inginerii proiectanţi şi-au propus ca acest tren să atingă o viteză de croazieră de circa 500 km/h85. Levitaţia magnetică este esenţială la funcţionarea sistemului Transrapid, motiv pentru care întrefierul este măsurat şi reglat continuu.

Fig. 4.13 Unitate de control a levitaţiei cu două circuite

În Fig. 4.13 este prezentată o unitate de măsurare şi reglare a întrefierului cu două circuite de control, care asigură o funcţionare 85

http://de.wikipedia.org/wiki/CM1_Dolphin

104

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare 105 redundantă la un nivel prescris de levitaţie. Unitatea de măsură, control şi reglare conţine: - doi semi-magneţi, având fiecare o unitate separată de control; - doi senzori pe fiecare semi-magnet, care transmit un semnal pentru circuitul de comandă, referitor la mărimea întrefierului; - interconexiune între cele două circuite de control, referitoare la decalajul dintre cele două întrefieruri; - sursă pneumatică care poate fi acţionată în caz de ineficienţă a circuitelor de control; - patine de frânare în caz de defectare a ambelor circuite de comandă a electromagneţilor86. Trenul japonez JR-Maglev MLX01 EDS utilizează sustentaţia magnetică de tip PMR, adică între calea de rulare şi vagoane se dezvoltă o forţă de respingere, care ţine trenul la o distanţă de 10 cm faţă de calea de rulare. Trenul mai este cunoscut şi sub numele de MLU, datorită căii de rulare în formă de U, pe care levitează acesta (Fig. 4.1. b).

Fig. 4.14 Explicativă la sistemul de sustentaţie, levitaţie şi ghidare la trenul MLX01 EDS

Acest tren, compus din trei vagoane motoare, a atins, la 2 decembrie 2003, viteaza de 581 km/h, deţinând recordul mondial de viteză87. Trenul JR-Maglev MLX01 a utilizat sistemul de sustentaţie EDS. Aceasta presupune că bobinele supraconductoare ale electromagneţilor care creează forţa de respingere (sustentaţie) sunt montate pe tren, iar bobinele de propulsie şi de ghidare sunt montate pe calea de rulare (Fig. 4.14). 86 87

http://www.maglev.ir/eng/documents/papers/conferences/maglev2004 http://en.wikipedia.org/wiki/JR%E2%80%93Maglev

Tracţiune electrică

Deoarece forţa de levitaţie apare la viteze ce depăşesc 100 km/H, acest tren necesită roţi de rulare, care se retrag, în acest caz, la atingerea vitezei de 150 km/h. Trenul utilizează, pentru propulsie, un motor sincron liniar LSM. Calea de rulare pe care s-au făcut experimentele, având o lungime de 18,4 km (din care 16 km în tunel), este în curs de extindere la 42,8 km, cu termen estimat de finalizare în 2013/2014. Aceasta va avea şi o utilitate practică, prin includerea sa în sistemul de interconectare a localităţilor Tokyo, Nagoya, și Osaka. 4.6. Perspective ale dezvoltării transportului feroviar pe pernă magnetică În domeniul transportului feroviar pe pernă magnetică continuă cercetările, acestea având ca scop implementarea acestui sistem în tot mai multe ţări, dezvoltarea de noi tehnologii, creşterea vitezei de circulaţie şi creşterea numărului de persoane transportate. Astfel, în Danemarca există propunerea de a realiza o conexiune, utilizând trenurile Maglev, între Copenhaga şi Aarhus88, care ar reduce timpul de transport de la 3÷4 ore la 25 de minute, dacă s-ar construi un nou pod peste marea Kattegat. Parte din populaţia din Danemarca doreşte construirea unei linii, utilizând trenurile Maglev, între Danemarca şi oraşul german Hamburg, care ar reduce timpul de transport la 40 de minute, dacă s-ar construi, împreună cu Germania un pod peste Marea Baltică89. În Germania se doreşte realizarea unei conexiuni Transrapid, de 37 km, între centrul oraşului München şi aeroport. Acest sistem ar reduce timpul de la 40 min, cu sistemul feroviar clasic, la 10 minute. Tot în Germania, s-a dorit construirea unei conexiuni Trasrapid, de 292 km, între Berlin şi Hamburg. Acest proiect a fost abandonat din cauza lipsei de fonduri, în schimb, a fost modernizată calea ferată convenţională existentă, pentru circulaţia cu 230 km/h, utilizând trenuri ICE. În Elveţia, compania AG SwissRapide, în colaborare cu consorţiul SwissRapide, este în curs de dezvoltare şi promovare a unui sistem Maglev, bazat pe tehnologia Transrapid, care ar urma să conecteze oraşele BernaZürich, Lausanne- Geneva, precum şi Zürich-Winterthur. În Anglia, ţară în care a funcţionat prima oară un tren Maglev, elanul dezvoltării acestui tip de transport a scăzut un timp. În prezent, există proiecte pentru a fi conectate între ele, prin intermediul unor linii pentru trenuri Maglev, între oraşele Londra-Glasgow, Glasgow-Edinburgh. Proiectul chinez de prelungire a căii Shanghai-Aeroportul Pudong, cu încă 210 km, până la oraşul Hangzhou, a fost aprobat la 27 februarie 2009. Acest proiect întâmpină teama publicului referitoare la poluarea 88 89

http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_maglev_train_proposals http://www.larouchepub.com/other/2007/3426dane-german_maglev.html

106

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare 107finală trebuie luată de către Comisia electromagnetică şi sonoră, iar decizia Naţională pentru Dezvoltare şi Reformă. Ministerul indian este interesat de propunerea implementării unui tren Maglev în India, între oraşele Pimple Saudagar şi Mumbai. Acesta ar reduce timpul de călătorie de la 16 ore, cu sistemul actual, la doar 3 ore. Un alt proiect, prezentat guvernului indian de către o firmă americană, ar interconecta oraşele Mumbai şi Delhi. Un alt proiect indian propune interconectarea oraşelor Mumbai şi Nagpur, între care există circa 1000 km. Există un alt proiect care trebuia prezentat până în decembrie 2012 pentru construirea unei linii destinate trenurilor Maglev, care să interconecteze oraşele Chenai şi Mysore, via Bangalore. Trenul va rula cu 350 km/h. În Japonia, la 27 mai 2011, Ministerul Transporturilor a aprobat proiectul pentru construirea liniei care interconectează Tokyo la Osaka. Proiectul ar urma să înceapă în 2014, cu finalizarea primului tronson de la Tokyo la Nagoya, în 2027. Al doilea segment, Nagoya – Osaka, ar trebui finalizat în anul 2045. Distanţa de 550 km ar urma să fie parcursă în 67 de minute, trenul putând opera cu 600 km/h. Mai există studii pentru construirea de linii Maglev în Malaezia, Pakistan, Puerto Rico, SUA şi Canada. Cu certitudine, viitorul va aduce noi tehnologii, care, pe lângă consumul mai redus de energie, să determine diminuarea sau anularea temerilor populaţiei, referitoare la poluarea electromagnetică şi fonică. Evident, constructorii de linii Maglev trebuie să ia măsuri de reducere a poluării electromagnetice şi fonice.

4.7. Trenuri cu sustentaţie şi ghidare pe pernă de aer 4.7.1 S cu rt is toric De-a lungul istoriei, oamenii preocupaţi de tehnică au căutat metode pentru a se deplasa deasupra solului sau deasupra apei, fără a avea contact cu acestea. Perna de aer se stabileşte dacă vehiculul dezvoltă un minimum de putere. Cum acest lucru nu era la îndemâna căutătorilor, s-au realizat mici vehicule care foloseau aşa numitul „efect de sol” sau „efect de apă”, efecte care nu erau altceva decât perne de aer de mici dimensiuni90. Perna de aer se realizează, de fapt, prin producerea unei diferenţe de presiune faţă de cea atmosferică, în interiorul unei incinte ataşate vehiculului ce urmează a fi deplasat. Prima menţiune în istorie referitoare la efectul de sol este legată de numele omului de ştiinţă suedez Emanuel Swedenborg, în anul 1716. 90

http://en.wikipedia.org/wiki/Hovercraft

Tracţiune electrică

În 1915 cercetătorul Dagobert Müler, în Austria, a construit primul vehicul funcţionând pe efect de apă. Acesta a fost propulsat de patru motoare, iar un al cincilea sufla aer, la o anumită presiune, sub partea din faţă a vehiculului, care în acest fel se ridica faţă de apă. Partea din spate se afla în apă, unde erau amplasate două elice care asigurau propulsia. Din acest motiv, vehiculul care pe apă a atins viteza de 59 km/h nu se putea deplasa pe pământ sau pe alte suprafeţe. Proiectul a fost sistat în timpul Primului Război Mondial din cauza lipsei de interes. Bazele teoretice ale deplasării vehiculelor pe pernă de aer au fost elaborate de către Konstantin Eduardovich Tsiolkovskii, în anii 1926÷1927. În anul 1931 inginerul finlandez Toivo J. Kaario a început proiectarea unei versiuni dezvoltate a unei nave, folosind o pernă de aer. Eforturile sale au fost urmate în fosta URSS de către Vladimir Levkov, care a şi construit o serie de ambarcaţiuni în 1930. Începutul celui de-al Doilea Război Mondial a pus capăt cercetărilor lui Vladimir Levkov. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, inginerul american Charles Fletcher a inventat un vehicul având pereţi cu pernă de aer. Invenţia fiind considerată secretă, autorul nu a putut solicita un brevet. După război, mai mulţi cercetători au continuat dezvoltarea de nave cu frecare mică faţă de apă, utilizând chiar aripi portante. S-au realizat mai multe tipuri de ambarcaţiuni de acest tip, dar acestea nu au fost nave pe pernă de aer propriu-zise. La începutul anilor 1950, Sir Christopher Cockerell a venit cu un nou concept în proiectarea vehiculelor pe pernă de aer, realizând un prototip care necesita 1/4÷1/2 din puterea necesară unui elicopter, pentru a realiza aceleaşi performanţe. În urma testării modelului de zbor, proiectul a fost pus pe lista secretă. Armata (Marina şi Air Force) nu a fost interesată de modelul lui Cockerell şi în consecinţă acesta a fost declasificat. În 1958, Cockerell a reuşit să construiască un vehicul pe pernă de aer, denumit „Saunders Roe, Nautic 1” – SR.N1, fiind propulsat de un motor de 450 CP. Acesta antrena un ventilator vertical, plasat în mijlocul ambarcaţiunii. Pe lângă fluxul de aer necesar ridicării, o parte din acesta a fost dirijat prin două canale (câte unul pentru fiecare parte a ambarcaţiunii), folosind apariţiei forţei de tracţiune. Prima încercare cu acest vehicul a fost făcută la 25 iulie 1959, când a fost traversat Canalul Mânecii, zburând la circa 23 cm deasupra apei. Cercetările în utilizarea vehiculelor pe pernă de aer au continuat cu creşteri şi descreşteri ale interesului, acestea concurând, la un moment dat, cu vehiculele pe pernă magnetică.

108

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare 109

Au existat încercări de transport pe pernă de aer cu aşa numitele aero-trenuri (Fig. 4.15) în Franţa, SUA, Anglia91. Proiectul prototipului SR.N1 a fost îmbunătăţit, ajungându-se până la varianta SR.N4 ce putea transporta 254 de pasageri şi 30 de autoturisme, cu o viteză de 154 km/h, putând traversa Canalul Mânecii în

circa 30 de minute. Funcţionarea pe pernă de aer a fost aplicată la transportul pe apă şi la transportul feroviar terestru. În transportul terestru au fost probleme legate de deranjamentul provocat de fluxul de aer în staţiile de oprire. 4.7.2 S is teme d e su s ten taţie ş i d e gh id are p e p ern ă d e aer Realizarea unei diferenţe de presiune faţă de cea atmosferică, între interiorul sau exteriorul unei incinte a vehiculului se face cu ajutorul unui grup motocompresor, astfel încât să se producă o pernă de aer sub vehiculul care, astfel, pluteşte pe aceasta. Vehiculul nu ajunge în contact cu solul şi deci nu există frecări între acesta şi sol. Nefiind în contact cu solul, problemele legate de stabilitate, frânare şi conducere sunt tratate total diferit faţă de vehiculele cu aderenţă la sol. Există două categorii de pernă de aer: - pozitive sau cu presiune (Fig. 4.16.a); - negative sau cu depresiune (Fig. 4.16.b). În cazul pernei de aer pozitive, curentul de aer, produs de ventilatorul 3, este împins într-o cameră de suprapresiune, 4, delimitată de clopotul 2. La centru, sub rotorul ventilatorului, se formează o pernă de aer, zonă în care curgerea aerului este foarte slabă. La marginea acestei perne ia naştere un jet inelar care menţine perna de aer, realizând astfel o „etanşare” faţă de presiunea exterioară, mai joasă. În consecinţă, apare o forţă portantă care face ca vehiculul să plutească deasupra suportului 1. 91

http://en.wikipedia.org/wiki/Hovercraft

Tracţiune electrică

Fig. 4.16 Principiul pernei de aer: a) pozitive; b) negative

Jetul inelar ce apare la partea inferioară a clopotului, pe marginea acestuia, permite stabilirea unui echilibru dinamic, fără contact mecanic, între clopot şi suport. În cazul pernei de aer negative, fluxul de aer este aspirat din camera de depresiune, 4, cu ajutorul exhaustorului 3. Clopotul 2, de tip ventuză, delimitează camera de depresiune şi nu aderă la placa suport, 1, deoarece are deschideri laterale de comunicare cu aerul, situate deasupra plăcii. Depresiunea din camera 4 determină împingerea în sus a clopotului 2, de către aerul din interiorul acestuia. Deschiderile laterale de deasupra plăcii se măresc, până când se obţine un echilibru dinamic între clopot şi partea superioară92. În Fig. 4.17 este reprezentată schema funcţională a unui VEM, în secţiune transversală, propulsat cu motor asincron liniar (LIM), cu inductor bilateral, 5, şi indus neferomagnetic, 6, fixat pe partea superioară a chesonului, în axa căii de zbor (a se vedea şi Fig. 4.6.b). Pe suportul indusului sunt montate conductoarele trifazate pentru alimentarea LIM şi a motorului de acţionare a exhaustorului. 92

http://www.ovidiupopovici.ro/CARTE%20TRACT.ELECTRICA-net.pdf

110

Capitolul 4. Trenuri de mare viteză fără aderenţă la calea de rulare 111 Contactul între acestea şi partea mobilă, culisorul 4, se efectuează cu ajutorului unor perii metalo-grafitate. Vehiculul este cu sustentaţie şi ghidare utilizând perna de aer negativă. Placa rigidă, 1, din Fig. 4.6.b), este aici chesonul de oţel, 2, încastrat în grinda de beton suspendată, 3. Chesonul constituie, de fapt, calea de zbor, CZ, a vehiculului. Clopotul de tip ventuză, notat cu 2 în Fig. 4.6.b), a devenit aici culisorul 4, care se deplasează în lungul căii de zbor. Culisorul delimitează în interiorul său camera de depresiune, 8. Acesta, împreună cu exhaustorul 7, se află deasupra carcasei 1 a vehiculului, care este deci în construcţie suspendată, sub calea de zbor. Perna de aer, 9, asigură sustentaţia, iar perna de aer, 10, asigură ghidarea laterală a culisorului. Suspensia dintre culisor şi carcasa vehiculului este asigurată prin intermediul unor dispozitive elastice cu amortizoare. În secolul trecut s-au realizat şi vehicule pe pernă de aer pozitivă, ca de exemplu aeroglisoarele britanice de tip „hovertrain”. Un hovertrain (tren pe pernă cu aer) este un tip de tren de mare viteză care elimină roţile convenţionale din oţel, cu tampoane de ridicare aeroglisoare, iar patul feroviar convenţional este înlocuit cu un drum cu suprafaţă netedă, numit pistă sau cale de ghidare. Proiectul şi-a propus eliminarea rezistenţei de frecare între roată şi şină şi realizarea unor performanţe energetice crescute, simplificând, în acelaşi timp, infrastructura necesară pentru dezvoltarea transportului cu viteză mai mare.

Fig. 4.18 Tren pe pernă de aer pozitivă, acţionat cu motor liniar de inducţie, bilateral

Tracţiune electrică

Trenul pe pernă cu aer a fost considerat, o vreme, o modalitate de transport cu risc scăzut şi o variantă mai ieftină de conectare între ele a oraşelor într-o perioadă când viteza maximă a trenurilor convenţionale era limitată la 225 km/h. Până la sfârşitul anilor 1960, s-au făcut eforturi considerabile pentru dezvoltarea acestui tip de tren în Franţa, Anglia şi SUA. Interesul pentru aceste trenuri a început să scadă după anii 1970, iar criza petrolieră din anii 1980 a adâncit dezinteresul faţă de aceste mijloace de transport93. În Fig. 4.18 este prezentat un tren pe pernă de aer, propulsat cu ajutorul unui motor de inducţie liniar, bilateral, cu indus de aluminiu. Se observă indusul, de înălţime considerabilă, în faţa trenului94.

Fig. 4.19 Tren pe pernă de aer pozitivă, acţionat cu motor liniar de inducţie, bilateral, cu indus neferomagnetic

În Fig. 4.19 este prezentat tot un tren pe pernă de aer, propulsat, de asemenea, cu ajutorul unui motor de inducţie liniar, bilateral, cu indus de aluminiu. Calea de zbor este amplasată la o înălţime considerabilă din moment ce combina de recoltare a grâului are partea superioară la câţiva metri sub aceasta.

93 94

http://en.wikipedia.org/wiki/Hovertrain http://www.google.ro/search?q=hovertrain&hl

112

Capitolul 5. Transportul urban cu tramvaie electrice 113

C a p it o l u l 5 . T R A N SP O RT U L U R B A N C U T R A M VA I E E L E C T R I C E 5.1. Scurt istoric Tramvaiul este un vehicul care rulează pe o cale fixă, montată în lungul străzilor publice orăşeneşti sau separat, alăturate acestora. Tramvaiul poate rula în interiorul oraşelor sau între oraşe, când distanţa nu este prea mare. Numele de tramvai derivă de la cuvântul scoţian tram, care a fost un fel de camion utilizat în minele de cărbune. În fiecare parte a lumii tramvaiul poartă alt nume, dintre care amintim: tramcar, streetcar, street car, trolley, trolleycar, tramvai etc.

a)

b)

Fig. 5.1 Primul tramvai (vagon) tras de cai: a) în sudul Ţării Galilor, b) în Manchester

Înainte de descoperirea energiei electrice, tramvaiul, tras de cai (Fig.5.1) 95, rula pe linii din lemn de stejar, fixate de traverse, care erau amplasate pe pietriş96. Primul tramvai a fost pus în funcţiune în Tara Galilor, în Anglia, în anul 1807, în baza unei hotărâri a Parlamentului Britanic din anul 1804 (Fig. 5.1.a). În Fig. 5.1.b este prezentat primul tramvai, tras de cai, în Manchester, 1877. În 1832, o linie cu tramvaie trase de cai funcţiona regulat în oraşul New York. A urmat, în 1835, oraşul New Orleans, care avea cel mai vechi serviciu continuu de operare. Odată cu utilizarea şinelor şi roţilor metalice (în jurul anului 1852), 95 96

http://en.wikipedia.org/wiki/Tram http://peter-hug.ch/lexikon/Pferdebahnen

Tracţiune electrică

transportul pasagerilor pe rute regulate cu tramvaiul s-a dezvoltat. Capacitatea de transport pe o unitate a crescut datorită rezistenţelor de rulare mai mici între roţi şi calea de rulare. După descoperirea motorului cu abur, tracţiunea animală a început să fie înlocuită cu mici locomotive cu abur, acest mod de tracţiune fiind folosit în mai multe ţări ale lumii (Noua Zeelandă, Australia, Ţara Galilor, Germania, Irlanda, Italia), în jurul anului 1883. O nouă etapă în dezvoltarea transportului cu tramvaiul a constat în deplasarea acestuia cu ajutorul unui cablu, începând din 1873, în San Francisco. Au existat multe sisteme de deplasare a tramvaiului cu ajutorul cablului, existând chiar trasee cu cablu suspendat. Dificultăţile legate de costurile infrastructurii, ale cablurilor, ale locomotivelor staţionare au făcut ca acest sistem să fie eliminat, concomitent cu apariţia utilizării electricităţii în transportul urban. Tramvaiul electric a fost instalat experimental în Saint Petersburg, de către inventatorul Feodor Apollonovici Piroţki, în anul 1880. În 1881, inginerul german Werner von Siemens a construit un tramvai electric în localitatea Lichterfelde, lângă Berlin. Au urmat apoi, ca într-o avalanşă, aplicaţii ale mijlocului de transport urban, după cum urmează: - în Toronto, în 1883, este instalat tramvaiul electric de către John Joseph Wright; - în Anglia, la Brighton, a fost construit un tramvai pe şine, având ecartamentul de 610 mm, în anul 1883, de către Magnus Volk. În 1884, acesta a fost reconstruit pe o linie cu ecartamentul de 840 mm, rămânând în serviciu până în zilele noastre, fiind deci cel mai vechi tramvai electric din lume. În 29 septembrie 1885 s-a construit pe promenada de la Blackpool un tramvai care a funcţionat până în 1962, acesta constituind prima generaţie de tramvai în Anglia; - în Austria, primul tramvai în serviciu permanent, cu alimentare prin fir aerian, a fost construit în Mödling şi Hinterbrühl. Acesta a început să funcţioneze în 1883, fiind desfiinţat în 1932; - primul tramvai construit în SUA a fost pus în funcţiune în Cleveland, Ohio, în 1884, dar a operat doar un an. De aceea, se consideră că primul tramvai în SUA a fost pus în funcţiune în 1888, în Richmond, de către Frank J. Sprague; - în anul 1885, la Sarajevo, a fost construit primul tramvai electric din Europa; - în 1887, la Budapesta, se realizează un sistem propriu de tramvaie, care în orele de vârf circula cu o frecvenţă de un tramvai pe minut; - la Bucureşti şi Belgrad au fost puse în serviciu regulat, începând cu 1884, tramvaie electrice; - la Ljubljana a fost introdus tramvaiul electric în 1901, funcţionând 114

Capitolul 5. Transportul urban cu tramvaie electrice 115 până în 1958; - în Australia, în 17 mari oraşe, au fost montate tramvaie electrice, începând din 1889; - în Hong Kong, în 1904, a fost pus în serviciu tramvaiul electric supraetajat, acesta fiind în funcţiune şi astăzi. Tramvaiul tras de cai a mai fost înlocuit şi cu tramvaie având alte surse de energie, cum ar fi: cărbunele, petrolul, gazul de cărbune, aerul comprimat.

5.2. Avantajele şi dezavantajele utilizării tramvaiului electric Utilizarea tramvaiului electric aduce următoarele avantaje: - reducerea, de circa 7 ori, a frecării faţă de cazul utilizării anvelopelor pe bitum, la aceeaşi sarcină transportată; - anularea poluării determinată de emisiile de gaze la alte mijloace de transport cu motoare termice; - posibilitatea conducerii de la ambele capete; - reducerea zgomotelor (la tramvaiele moderne); - reducerea posibilităţilor de electrocutare prin utilizarea, pentru alimentare, a conductorului suspendat şi a pantografului; - posibilitatea ataşării de vagoane suplimentare pentru orele de vârf, determinând astfel creşterea capacităţii de transport; - posibilitatea circulaţiei cu viteze mai mari decât autobuzele, având în vedere că accelerarea şi frânarea sunt mai bine controlate; - acces mai uşor în staţiile de tramvai, faţă de staţiile de metrou sau de tren, unde pot să fie scări rulante, pasaje etc; - oferă posibilitatea de a rula şi pe căile de circulaţie ale trenurilor sau ale metrourilor, acolo unde există posibilităţi; - posibilitatea urcării şi coborârii într-un timp mai scurt, având în vedere că au mai multe uşi şi platforma este aproape la nivelul peronului; - asigurarea unui confort ridicat pasagerilor, deoarece accelerarea şi frânarea sunt mai bine controlate, călătoria este mai lină decât atunci când se utilizează autobuze care rulează pe drumuri asfaltate, caz în care mai pot fi şi denivelări; - orientarea mai uşoară a călătorilor către staţiile de oprire, deoarece, căile de rulare fiind vizibile, un pasager observându-le are posibilitatea de a se deplasa într-un sens sau altul, până la o staţie de oprire; - oferirea unei siguranţe ridicate călătorilor prin faptul că au o cale de rulare separată; - alimentarea cu energie electrică din surse regenerabile de energie; Faţă de avantajele prezentate, utilizarea tramvaielor electrice are şi o serie de dezavantaje, dintre care sunt enumerate următoarele:

Tracţiune electrică

- ocuparea unui spaţiu mare alocat infrastructurii, la nivelul solului, uneori cu consecinţa deranjării sau excluderii altor utilizatori; - necesitatea alocării unor fonduri iniţiale mai mari decât în cazul utilizării autobuzelor; - reducerea vitezei de deplasare pentru autobuze, autoturisme, atunci când tramvaiul opreşte în mijlocul drumului şi nu sunt refugii pietonale care să permită pasagerilor să urce şi să coboare; - imposibilitatea ocolirii unor obstacole accidentale, ceea ce duce la întârzieri în graficul de circulaţie; - deranjarea traficului auto sau a bicicliştilor în cazul în care şinele căii de rulare sunt ude şi au tendinţa de a deveni alunecoase; - amplificarea zgomotelor determinate de roţile de tramvai rulând în curbe, în timpul frânării, dacă tramvaiele aparţin unei generaţii depăşite. Acest dezavantaj poate fi redus sau chiar eliminat dacă se înseriază elemente de cauciuc între discul roţii şi bandaj; - apariţia de conflicte între conducătorii auto şi vatmani ca urmare a familiarizării celor din urmă cu traseul şi a scăderii atenţiei acestora. Acest dezavantaj poate fi redus prin separarea căilor de rulare sau instalarea unei semnalizări corespunzătoare; - blocarea unei secţiuni în cazul unui accident sau a unei lucrări de întreţinere urgentă. Acest dezavantaj poate fi evitat dacă, prin proiectare, calea de rulare poate permite trecerea unui tramvai pe sensul celălalt şi revenirea pe calea proprie după ocolirea blocajului. 5.3. Schema de alimentare a liniei de contact Tramvaiele sunt alimentate în curent continuu, la diverse niveluri de tensiune, între 600÷825 V, circuitul închizându-se între firul de contact şi calea de rulare. Schema de principiu pentru alimentarea liniei de contact este prezentată în Fig. 5.2. Linia trifazată de 20 kV, 50Hz alimentează substaţiile de tracţiune electrică (SSTE), care încorporează câte un transformator trifazat şi un convertor trifazat de tensiune (redresor trifazat). De la 116

Capitolul 5. Transportul urban cu tramvaie electrice 117 FA, care sunt linii electrice aeriene fiecare substaţie, fiderii de alimentare, sau în cablu, de lungime redusă, alimentează linia de contact LC. Prin fiderii de întoarcere, FI, care sunt tot linii electrice aeriene sau în cablu, de lungime scurtă, se închide circuitul electric de la calea de rulare, CR, către SSTE. În lungul liniei de contact, aproximativ la jumătatea distanţei dintre substaţii, se amplasează posturi de secţionare, PS, cu scopul de a o secţiona longitudinal. Prin intermediul postului de secţionare se poate închide circuitul în funcţie de necesităţile de exploatare, întreţinere şi protecţie.

5.4. Tramvaie electrice clasice Dezvoltarea tramvaielor pentru transportul urban a parcurs o cale lungă, cu urcuşuri şi coborâşuri. Au fost perioade când cetăţenii unor oraşe s-au opus prezenţei căilor ferate pe mijlocul străzilor şi, ca o consecinţă, în multe oraşe tramvaiele au fost înlăturate după ani buni de funcţionare. Aşa s-a întâmplat în Londra, Paris, Hamburg, Stocholm, Chişinău etc. Tramvaiele electrice urbane asigură o capacitate mare de transport pentru pasageri, care este de 1,5÷2,5 ori mai mare decât la troleibuze. Vagoanele pot fi articulate, cuprinzând un tramvai motor şi 1÷2 remorci. Sistemele de tracţiune electrică urbană au parcurs aproximativ aceleaşi etape de dezvoltare ca şi sistemele feroviare de transport între oraşe. La început au fost folosite motoarele de curent continuu cu excitaţie serie, cu reglaj reostatic al vitezei şi cu frânare reostatică, ceea ce conducea la un randament scăzut de transformare a energiei electrice în energie cinetică. În fostul lagăr socialist, marele producător de tramvaie se afla în Cehoslovacia, concernul CKD din Praga. Acolo se fabricau tramvaie Tatra, începând din anul 1951 (22 noiembrie). Tramvaiul T1 era, de fapt, produs sub licenţă, după un model ce fusese fabricat în SUA, în 1934. În Fig. 5.3 este prezentată imaginea primului tramvai T1 aflat acum în Muzeul Transporturilor din Praga.

Tracţiune electrică

Acest model a fost ales în urma comparaţiei tramvaielor produse în SUA cu tramvaiele produse în Germania şi Elveţia, ţări care produceau cele mai moderne tramvaie la acea dată. Ultimul tramvai de tipul T1 a circulat în oraşul Plzen până la 04.04.1987. Tramvaiul T1 prezenta următoarele avantaje: - forma aerodinamică asigurată de carcasa casetată din oţel, situată pe două boghiuri cu câte două osii, asigura o frecare mai redusă cu aerul; - uşile duble, cu deschidere în interior, asigurau o îmbarcare şi debarcare rapidă a călătorilor; - cabina vatmanului, separată de spaţiul pentru pasageri, asigura intervenţia fermă a acestuia în conducerea şi frânarea tramvaiului; - tramvaiul asigura o acceleraţie de maximum 1,5 m/s2; - viteza maximă atinsă de tramvai era de 60 km/h. Tramvaiul T1 avea dezavantajul de a nu fi fost prevăzut cu remorcă. Tramvaiul Tatra T3 a fost fabricat în perioada 1952÷1988 de compania CKD din Praga, care era cel mai mare producător de tramvaie din lume97 (Fig. 5.4). Transmisiile mecanice ale tramvaielor T3 conţin două roţi dinţate, simple, la fel ca şi la locomotive. Un vagon de tramvai este dotat cu 4 motoare de 40 kW, câte unul pentru fiecare osie, ale căror excitaţii se conectează două câte două, în serie şi încrucişat (Fig. 2.20), pentru a asigura o stabilitate mai mare la frânare şi o sincronizare a vitezei. La viteze mici, frânarea reostatică sau recuperativă nu este destul de eficientă, motiv pentru care se utilizează suplimentar o frânare cu patină electromagnetică98 (Fig. 2.24). Tramvaiul putea să atingă viteza de 65 km/h. Tramvaiul T3R (R de la România) a fost modificat pentru a funcţiona la o tensiune de 750 V şi a fost achiziţionat într-un număr de 50 de bucăţi, între anii 1971÷1974, pentru a funcţiona în oraşul Galaţi. Schema electrică a unui tramvai trebuie să asigure realizarea următoarelor operaţii: - conectarea şi deconectarea motoarelor; - trecerea de la o treaptă la alta a rezistenţei de pornire sau de frânare; - modificarea turaţiei prin slăbire de câmp; 97 98

http://www.strassenbahnen-online.de/tatra/t1 Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

118

Capitolul 5. Transportul urban cu tramvaie electrice

-

119 asigurarea funcţionării celor 4 motoare în serie sau în paralel; excluderea unui motor sau a unei grupe de motoare în caz de defecţiune; schimbarea sensului de mers; asigurarea frânării electrice rezistive; asigurarea frânării electromagnetice pe şină; protecţia instalaţiei.

Fig. 5.5 Schema electrică de principiu la un tramvai cu reglaj cu rezistoare

În Fig. 5.5 este prezentată schema electrică de principiu pentru un vagon motor de tramvai T3R 99. Prin pantograful 1, este alimentat tramvaiul de la linia de contact, la tensiunea de 750 V c.c. Protecţia la supratensiunile de orice fel, apărute în linia de contact, este asigurată prin intermediul descărcătorului cu rezistenţă variabilă, DRV, notat cu 2. Releul maximal de curent, 3, asigură protecţia întregii instalaţii electrice a tramvaiului, inclusiv a motoarelor de curent continuu, la supracurent. Cu un număr minim de contactoare (32) se realizează 24 trepte de tracţiune (13 în serie şi 11 în paralel) şi alte 16 trepte de frânare, utilizând rezistoarele 4 şi 6. Cu aceleaşi contactoare se realizează schimbarea conexiunilor între motoare (serie sau paralel), inversarea sensului de mers şi trecerea de la regimul de tracţiune la cel de frânare. 99

Văzdăuţeanu, V., Tracţiune electrică, Litografia Institutului Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 1984

Tracţiune electrică

Slăbirea de câmp, necesară modificării turaţiei, se poate realiza prin conectarea rezistenţelor 5 în paralel cu excitaţiile a câte două motoare. Pentru a asigura frânarea de urgenţă cu frânele electromagnetice, 8, pe şină, se utilizează bateria de acumulatoare 7. Cu 9 sunt notate contactele care se închid la funcţionarea tramvaiului motor cu remorcă. Tramvaiele T3 continuă să funcţioneze în diverse oraşe ale fostului lagăr socialist, unele dintre ele fiind modernizate. Tramvaiul Tatra 6 a fost produs începând cu anul 1983 de către acelaşi concern ceh CKD. Acesta pornea tot de la structura tramvaiului T3, dar folosea chopperul cu tiristoare pentru reglarea vitezei şi pentru frânare.

Fig. 5.6 Tramvaiul Tatra 6 cu două vagoane

Era echipat cu 4 motoare de curent continuu de câte 45 kW, putând dezvolta o viteză de 65 km/h. Acesta era prevăzut cu 40 de scaune, putând transporta încă 120 de pasageri, în picioare (Fig. 5.6). După destrămarea fostei URSS, tramvaiele Tatra nu au mai fost livrate în Rusia şi Ucraina, deoarece păreau prea scumpe şi, în consecinţă, producţia concernului CKD a scăzut brusc. În etapa următoare a avut loc un salt, reglajul reostatic al vitezei fiind înlocuit cu reglaj electronic prin utilizarea chopperelor (variatoare de curent continuu) care au fost construite la început cu tiristoare obişnuite (1980÷1990). Mai târziu, în modernizarea tramvaielor s-au folosit choppere cu tiristoare GTO de mare putere şi tranzistoare IGBT, suportând curenţi de până la 1200 A şi tensiuni inverse de până la 1700 V, continuându-se utilizarea motoarelor de curent continuu. 120

Capitolul 5. Transportul urban cu tramvaie electrice

Tramvaiul Timiş II, construit 121 la atelierele RATT Timişoara, începând cu anul 1976, putea transporta 164 de călători şi atingea viteza maximă de 70 km/h. El era echipat cu 2 motoare de curent continuu, de câte 140 kW 100 (câte unul pentru fiecare boghiu), alimentate de la linia de 750 V c.c., prin două choppere cu tranzistoare IGBT (Fig. 5.7).

Fig. 5.7 Schema bloc de acţionare a tramvaiului Timiş II

Un chopper asigură reglajul unui motor, iar al doilea asigură reglajul pentru celălalt motor101. Contactoarele K11÷K17, respectiv K21÷K27 asigură schimbarea sensului de mers pentru motorul 1, respectiv pentru motorul 2, iar contactoarele K18, respectiv K28 asigură frânarea reostatică sau recuperativă. Schema prezentată în Fig. 5.7 mai este cunoscută şi sub numele 100 101

http://www.transport-in-comun.ro/ploiesti/tramvaie/timis2/date_timis2.htm http://www.indaeltrac.com/pdf/tractiune-electrica/actionari/Chopper%20CH.pdf

Tracţiune electrică

CH-150K. Dulapurile de forţă sunt amplasate sub podea. Ele permit alimentarea la o tensiune de 750 V c.c., +20%, -30%. Puterea fiecărui chopper este de 150 kW, deci superioară puterii motoarelor de curent continuu. Eliminarea căldurii dezvoltate în componentele electronice se face cu ventilaţie forţată. Semnalele de comandă sunt transmise prin fibră optică. Pornirea şi frânarea tramvaiului se face fără şocuri. Schema permite frânarea combinată, adică frânare recuperativă şi frânare rezistivă. Tramvaiele Timiş II au circulat în Brăila, Craiova, Cluj Napoca. Aceste tramvaie utilizau o schemă modernă cu IGBT dar lăsau de dorit în ceea ce priveşte realizarea din punct de vedere tehnic. Utilizatorii reclamau că erau prea zgomotoase, lente, rigide, frânele electromagnetice lipseau, iar suspensia pe elemente de cauciuc nu asigura un minim de confort. După anul 1980, datorită deselor defectări, s-au făcut modificări la aceste tramvaie de către o firmă din Craiova, care s-a înfiinţat în anul 1991. În anul 1999 toate tramvaiele Timiş II au fost casate. Modernizarea tramvaielor este un proces continuu, mai multe firme şi regii autonome de transport urban fiind angrenate în acesta. După anul 1990, regiile de transport din marile oraşe ale României au achiziţionat tramvaie KT-4D, fabricate de firma CKD din Praga, în anii 1970÷1980, pe care le-au modernizat utilizând cele mai noi realizări în domeniu din acea perioadă102. Tramvaiul KT-4D modernizat din punct de vedere electric prin introducerea chopperului. Schema bloc utilizată la tramvaiul KT-4D, pentru alimentarea motoarelor de curent continuu, 2 câte 2 conectate în paralel, arată ca în Fig. 5.8. Utilizarea schemei electrice modernizate pentru tramvaiul KT-4D aduce o serie de avantaje dintre care se amintesc: - economie de energie de aproximativ 40%; - cheltuieli minime de interconectare a chopperului în schema electrică; - eliminarea acceleratorului şi a unei părţi considerabile din rezistenţele de demaraj şi frânare; - utilizarea motoarelor de curent continuu existente şi protejarea suplimentară a acestora prin intermediul chopperului; - îmbunătăţirea ambianţei de transport prin evitarea şocurilor în procesul de accelerare, respectiv frânare; - fiabilitate crescută pentru contactoare, relee etc.

102

http://www.indaeltrac.com/pdf/tractiune-electrica/actionari/Chopper%20KT4D.pdf

122

Capitolul 5. Transportul urban cu tramvaie electrice 123

Fig. 5.8 Schema bloc de acţionare cu chopper cu IGBT a tramvaiului KT-4D modernizat

La tramvaiul KT-4D modernizat, variaţia vitezei v=f(t) şi a spaţiului s=f(t), în raport cu timpul arată ca în Fig. 5.9. În aceeaşi figură sunt reprezentate şi variaţiile curenţilor prin motor, Imot, respectiv de linie, Ilinie. Tramvaiul KT-4D modernizat atinge o viteză de 63 km/h, acceleraţia maximă, 2 1,2 m/s , iar deceleraţia maximă este de 1,4 m/s2. Tramvaiul este echipat cu patru motoare de putere individuală 40 kW, cu tensiunea nominală de 300 V c.c., curentul nominal 150 A, şi turaţia nominală de 1650 rot./min. Echipamentul de acţionare cu chopper este alimentat la tensiunea de 750 V c.c. (+20%, -30%), având o putere de 250 kW. Comanda

Tracţiune electrică

echipamentului se realizează cu microcontroler, alimentat la 24 V c.c. (±20%). Pentru serviciile auxiliare este prevăzut un convertor static de 8 kVA, având aceeaşi tensiune de alimentare ca şi echipamentul de acţionare, iar curentul de ieşire este de maximum 150 A c.c. Convertorul static de tensiune, integrat în schema electrică, asigură încărcarea bateriei cu acumulatori la 24÷30 V c.c. şi energia necesară tuturor consumatorilor de curent continuu. Acelaşi convertor oferă şi un sistem trifazat de tensiune alternativă de 3x380 V, necesar pentru alimentarea ventilatoarelor pentru răcirea motoarele de tracţiune şi a părţilor de forţă ale chopperelor. În etapa actuală, motoarele de curent continuu sunt înlocuite cu motoare asincrone alimentate de la un invertor de tensiune. 5.4. Tramvaie moderne În România, datorită politicii de relativă independenţă faţă de CAER (Consiliul de Ajutor Economic Reciproc) s-a trecut la producerea unui tramvai românesc în întregime. Tramvaiul V3A dublu articulat a fost primul tramvai românesc construit de Uzina de Reparaţii „Atelierele Centrale” (URAC) în anul 1973, pornind de la un vagon LHB (LinkeHofmann-Busch). Au fost construite până în 1990 mai multe astfel de tramvaie pentru oraşele Bucureşti, Braşov, Brăila, Cluj-Napoca, Constanţa (modelul V3A-C pentru tensiunea de 825 V c.c.), Oradea, Ploieşti şi din 1991 pentru Botoşani. După anul 1989 aceste tramvaie au fost modernizate, şi în 1993 primul tramvai modernizat numit V3A-93 a fost construit la aceeaşi firmă URAC. Între anii 2004÷2006 au fost construite 4 tramvaie de acest tip, cu caroseria modificată, pentru a fi accesibilă persoanelor cu handicap 124

Capitolul 5. Transportul urban cu tramvaie electrice 125 echipate cu câte 2 motoare de curent locomotor. Tramvaiele de acest tip sunt continuu, cu excitaţie serie, puterea nominală 120 kW fiecare. Modernizările acestui tramvai au continuat prin extinderea colaborării URAC cu firma Electroputere Craiova şi firma Faur, iar în intervalul 1997÷2000, cu firma Hollec din Olanda, care a livrat choppere. După anul 2008, vagoanele de tip V3A-H au fost dotate cu câte 2 motoare trifazate de curent alternativ, cu puterea nominală de 240 kW şi cu invertor autonom de tensiune cu IGBT (varianta VRA-93 CA) 103. Tensiunea de alimentare a motoarelor este 500 V, iar curentul nominal este de 349 A. Datorită căderilor de tensiune pe linia de contact, în ultima vreme se utilizează supercapacitorii pentru stocarea energiei electrice. Aceştia sunt un compromis între bateriile de acumulatori şi capacitorii convenţionali. Deşi bateriile de acumulatoare pot stoca o cantitate mai mare de energie, numărul de cicluri încărcare-descărcare este mai redus decât al capacitorilor104. Schema bloc pentru folosirea supercapacitorilor pe vehicul este prezentată în Fig. 5.10. Supercapacitorii pot fi montaţi pe tramvai, caz în care pot asigura o autonomie pentru deplasarea în afara reţelei de alimentare între 100 şi 600 m, determinând şi o reducere a consumului de energie în primele 10÷15 s de la pornire, cu 50%. Dacă se înlocuieşte parţial frânarea rezistivă cu recuperarea de energie către supercapacitori, economia de energie ajunge la 5%÷8%. Montarea supercapacitorilor la capătul sistemului de alimentare cu energie, în partea opusă substaţiei de alimentare, conduce la reducerea căderilor de tensiune pe linie, care în lipsa capacitorilor pot să fie de 20%÷30% din tensiunea nominală a liniei. 103 104

http://www.urtp.ro/library/evenimente/13mai10/sesiunea3/5ICPESAERPVRadulescu.pdf http://www.sparvagnariskane.se/wp-content/uploads/2012/05/Tram-Concept-for-Sk%

Tracţiune electrică

În Fig. 5.11 este prezentat fluxul de energie într-un ciclu cuprinzând o perioadă de acţionare şi o perioadă de frânare. Masa tramvaiului creşte cu circa 1 tonă, iar durata de viaţă a supercapacitorilor este de circa 10÷15 ani. Creşterea investiţiilor cu instalarea supercapacitorilor este de circa 3%. Consumul de energie poate fi redus cu 35%÷40%, prin utilizarea înmagazinării energiei în supercapacitori. Tramvaiul Bucur Low Floor (podea coborâtă), construit la RATBURAC, a fost pus în funcţiune în martie 2009, în Bucureşti fiind o variantă a tramvaiului V3A-93. Tramvaiul poate transporta 300 de pasageri şi are un design modern, după cum se vede şi din Fig. 5.12.

Fig. 5.12 Tramvaiul Bucur din Bucureşti

Tramvaiul este dotat cu aparat de schimbare automată a macazului, calculator de bord, patru tipuri de frână, sistem de climatizare, sistem audiovideo de informare a călătorilor şi sistem de numărare şi taxare a călătorilor105. Tramvaiul Tatra 3 modernizat la Riga a fost realizat în anul 1998 în Lituania, folosindu-se un fond de 8 milioane de dolari, primit de la Banca Mondială de Reconstrucţie şi Dezvoltare, pentru modernizarea tramvaielor de tipul T3. Astfel, s-au înlocuit elementele principale ale caroseriei, s-a reproiectat interiorul salonului şi s-a schimbat sistemul de acţionare reglabilă cu motoare de curent continuu, cu un sistem echipat cu 4 motoare de curent alternativ, de tip asincron, cu rotorul în scurtcircuit. Acestea sunt 105

http://www.conferinte.clubferoviar.ro/infrastructure_development/wp-content/uploads/2011/

126

Capitolul 5. Transportul urban cu tramvaie electrice

alimentate de la două invertoare 127 autonome de tensiune, echipate cu tranzistoare IGBT. Obţinerea tensiunii de 24 V necesară pentru iluminat şi comenzi s-a făcut prin intermediul unui convertor electronic 600V/24V. Lămpile incandescente au fost înlocuite cu lămpi fluorescente tubulare, alimentate prin invertoare, la 220 V/ 50 Hz. Partea electronică a echipamentului a fost proiectată şi executată de firme din Elveţia şi Ungaria. În anii 1999÷2001, la Riga au fost modernizate 143 de tramvaie sub numele de Tatra 3A, iar în anii 2003÷2006 au fost livrate echipamentele electrice şi electronice pentru modernizarea a 105 tramvaie T3 din depourile Moscovei. Tramvaiul ULF – Siemens a fost pus în funcţiune, în aprilie 2008, în municipiul Oradea. Tramvaiele, de ultimă generaţie (10 buc.), au fost achiziţionate de la firma Siemens.

Fig. 5.13 Tramvaiul ULF, produs de firma Siemens

Aceste tramvaie au podea ultrajoasă, (ULF – Ultra Low Floor) şi răspund celor mai exigente cerinţe ale călătorilor, printre care: aer condiţionat, sisteme de informaţii şi facilităţi pentru persoanele cu dizabilităţi (Fig. 5.13)106. Distanţa de la suprafaţa străzii la podeaua interioară a tramvaiului este de 18 cm. În anul 2008 aceste tramvaie moderne funcţionau doar în două oraşe ale Europei: Viena şi Oradea. Acest tramvai este echipat, în funcţie de anul de producţie, cu mai multe sau mai puţine motoare. Astfel, între anii 1995÷1997 s-au pus în funcţiune pe liniile din Viena 50 de tramvaie, cu lungime de 24,2 m, având fiecare 6 motoare de câte 60 kW. 106

http://en.wikipedia.org/wiki/Ultra_Low_Floor

Tracţiune electrică

Pe alte 100 de tramvaie, produse între 1995÷1998, cu lungime de 35,3 m, au fost montate câte 8 motoare de 60 kW. După anul 2007, tot în Viena, s-au pus în funcţiune 80 de tramvaie scurte, (24,2 m), echipate cu 6 motoare asincrone cu rotor în scurtcircuit107, de câte 36 kW. După anul 2009 s-au pus în funcţiune 70 de tramvaie lungi (35,3 m), echipate cu câte 8 motoare de 36 kW. La Oradea s-au pus în funcţiune tramvaie scurte, echipate cu câte 6 motoare de 36 kW. Tramvaiul Imperio este construit în colaborare de Astra Arad şi RATB Bucureşti, pe baza licenţei de fabricaţie achiziţionată de Astra Vagoane Călători SA de la firma Siemens108. Acesta este în întregime computerizat şi poate transporta 300 de pasageri, circulând cu o viteză de 60÷70 km/h. Tramvaiul Imperio testat în Arad arată ca în Fig. 5.14109.

Fig. 5.14 Tramvaiul Imperio în Arad

Fiind dotat cu un sistem de frânare recuperativă, acest tramvai poate economisi între 25%÷27% din energia consumată de un acelaşi tip de tramvai, care nu are însă acest sistem. Tramvaiul are uşi glisante pe ambele părţi, ceea ce constituie un mare avantaj, mai ales pe străzile mai înguste.

107

http://www.oradea.ro/fisiere/module_fisiere/2340/Anexa_4-15_Contract_OTL_Siemens.pdf http://www.romania-insider.com/ 109 http://www.google.ro/imgres?imgurl=http://www.romania-insider.com/ 108

128

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze 129

C a p i t o lu l 6 . T R A N S P O RT U L U R B A N TROLEIBUZE

CU

6.1. Scurt istoric Troleibuzul, numit şi firobuz (la Timişoara, Sibiu), este un mijloc de transport urban, în comun, fiind un autobuz echipat cu propulsie electrică. Alimentarea cu energie electrică a motorului de tracţiune se realizează prin intermediul unor captatoare, numite troleuri, care sunt contacte glisante, montate la capătul unor tije metalice, lungi, arcuite, care culisează pe două conductoare de cupru, montate paralel şi suspendate pe stâlpi, prin intermediul unor traverse110. Conductoarele de alimentare au diametrul de circa 8÷10 mm şi sunt plasate deasupra străzilor pe care circulă troleibuzul, la o înălţime de 4÷5 m. Prin aceste conductoare, troleibuzele sunt alimentate la tensiunea de 600÷800V c.c. Se poate considera ca dată de apariţie a troleibuzului data de 29 aprilie 1882, când Ernst Werner von Siemens s-a deplasat cu un vehicul propulsat electric, numit de el „Elektromote” (Fig. 6.1), într-o suburbie a Berlinului, lucrând la această invenţie 10 ani111.

110 111

http://www.google.ro/#hl=ro&output=search&sclient=psy-ab&q=troleibuze&oq http://www.siemens.com/history/en/news/1071_trolleybus.htm

Tracţiune electrică

Fig. 6.1 Primul troleibuz „Elektromote” construit în 1882

Acest vehicul, dotat cu două motoare de 3 CP, era alimentat la tensiunea continuă de 550 V, prin intermediul a două conductoare, care, utilizând un cărucior cu role, permiteau preluarea energiei de la două fire întinse pe stâlpi. Viteza medie de deplasare a fost de 12 km/h. Pentru a alimenta linia electrică, inginerul-şef de la firma Siemens şi Halske, Carl Ludwig Frischen, a construit o centrală termică mică, constând dintr-un motor cu aburi ce antrena un dinam. Traseul pe care a circulat acest troleibuz avea o lungime de 540 m. La 10 iulie 1901 a fost pus în funcţiune primul troleibuz pentru transport de pasageri, în apropierea oraşului Dresda, din Germania. Acesta a folosit un alt sistem de colectare a energiei, care a operat până în anul 1904, pe un traseu de 4,4 km112. În anul 1911, în oraşele britanice Bradford şi Leeds au fost puse în funcţiune troleibuze, iar ulterior şi în Londra. În prezent circulă troleibuze în circa 315 oraşe din 45 de ţări. În România, introducerea troleibuzului ca mijloc de transport urban a pornit mai greu. Primele încercări au avut loc în perioada 04 august18 octombrie 1904 la Sibiu, unde firma AEG experimentează fără succes un troleibuz cu roţi de lemn113. La 1 februarie 1939, în oraşul Cernăuţi, aparţinând atunci României Mari, au fost aduse 4 troleibuze MAN (cele mai moderne la acea vreme). Acestea şi încă 4 troleibuze aduse de autorităţile sovietice de ocupaţie între anii 1940÷1941 au ajuns în final în oraşul ucrainean Dneproperovsk. La 15 noiembrie 1942 au fost puse în circulaţie primele troleibuze (firobuze) de pe actualul teritoriu al României (Timişoara). Acestea erau importate de la firma Fiat-Marelli (7 bucăţi) şi erau echipate cu câte un electromotor de 29,5 kW. Prima linie de firobuz din Timişoara avea o lungime de 25 km pe traseul Gara Timişoara Nord – Cetate – Piaţa Lahovari (p-ţa Nicolae Bălcescu în prezent). La 10 noiembrie 1949 s-a pus în exploatare prima linie de troleibuz din Bucureşti, utilizându-se troleibuze MTB-82-D de provenienţă sovietică, care au circulat până în anii 1960-1970. Un astfel de troleibuz, alimentat la 550 V c.c., avea un motor cu puterea de 74 kW (80/86 kW după alte surse), dezvoltând o viteză de 57,5 km/h114. Capacitatea de transport era de 65 pasageri, din care 40 pe scaune. În anul 1955, la Atelierele Centrale ale ITB a fost realizat un prototip de troleibuz pornindu-se de la un şasiu şi o caroserie de autobuz Renault şi utilizându-se un motor de tramvai modificat, alimentat la 750 V. 112

http://en.wikipedia.org/wiki/Biela_Valley_Trolleybus http://www.railnet.ro/viewtopic.php?f=59&t=2026 114 http://ro.wikipedia.org/wiki/Troleibuze_%C3%AEn_Bucure%C8%99ti 113

130

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze 131de la acest prototip au fost puse în Troleibuzele executate pornind funcţiune în 1956 şi au circulat până în 1963 numai în Bucureşti. După retragerea trupelor sovietice din România şi distanţarea de URSS, se ia decizia pentru producerea în ţară a mijloacelor de transport. Este înfiinţată, în acest sens, Uzina „Tudor Vladimirescu” (denumită din 1970 „Autobuzul” Bucureşti), care în 1959 pune în funcţiune primul troleibuz românesc „TV-2-E”, care avea următoarele caracteristici: - electromotorul, amplasat în partea din spate a vehiculului, avea o putere de 74 kW; - pentru comanda vehiculului erau utilizaţi contactori de pornire şi de frânare; - frâna era de tip pneumatic; - uşile erau cu acţionare pneumatică; - suspensiile erau realizate cu arcuri foi; - capacitatea de transport era de 87 călători, din care 25 pe scaune; - încălzirea salonului se efectua cu două radiatoare electrice; - viteza maximă de transport era de 45 km/h. Acest tip de troleibuz a rămas în funcţiune până în 1974. În anul 1959 circulau troleibuze şi în oraşele Braşov, Constanţa şi Cluj-Napoca. Au mai fost şi alte încercări, din păcate nereuşite, de realizare a unor troleibuze „modernizate”, unele chiar articulate, care au fost însă abandonate. În 1976 s-a realizat troleibuzul Roman 112 E care a circulat în Bucureşti până în anul 1991. La începutul anilor '80 a existat un amplu program de introducere de reţele pentru troleibuze în cele mai importante oraşe, urmărind economia de combustibil. Astfel, au fost introduse troleibuze în: Sibiu – 1983, Iaşi – 1985, Suceava 1986, Galaţi – 1989, Brăila – 1989, Mediaş – 1990, Vaslui – 1994, Piatra Neamţ – 1995, Satu Mare – 1995, Târgovişte – 1995, Târgu Jiu – 1995, Baia Mare – 1996, Slatina, 1996, Ploieşti – 2005. Având în vedere această extindere rapidă a ariei de utilizare a troleibuzelor, a fost necesară construirea unui nou tip de troleibuz DAC-112-E (perioada 1979÷1987 - prima generaţie) şi DAC-117-E (perioada 1987÷1998 – a doua generaţie). Acestea erau echipate cu un motor de 125 kW, respectiv 140 kW, instalaţie de comandă şi forţă statică, frână reostatică şi pneumatică, instalaţie de încălzire a salonului, suspensie pe pernă de aer. Din 1998 s-a utilizat, pentru alimentarea motoarelor, instalaţia statică cu chopper. Ultimul troleibuz românesc utilizat în Bucureşti, înainte de apariţia noilor vehicule modernizate, a fost „Rocar-812-E Autodromo”, produs într-un singur exemplar, pe baza unei caroserii Autodromo şi dotat cu echipament electric Kiepe. Acesta a fost primul troleibuz cu podea joasă, produs în anul 2000, având motor de curent alternativ.

Tracţiune electrică

6.2. Avantajele şi dezavantajele utilizării transportului cu troleibuze Creşterea ariei de utilizare a troleibuzelor se datorează avantajelor aduse de acestea. Prezentarea avantajelor acestora se poate face: a. comparativ cu tramvaiul; b. comparativ cu autobuzul; a. Avantajele transportului cu troleibuze comparativ cu transportul cu tramvaiul: - posibilitatea rulării pe diverse străzi, fără a fi necesare şinele de rulare, eliminându-se astfel costurile necesare achiziţiei, montării şi mentenanţei acestora; - realizarea unei aderenţe mai mari decât în cazul tramvaielor, ceea ce conferă şi o frânare mai eficientă pe un spaţiu mai scurt 115. Troleibuzul, având roţi de cauciuc, poate să opereze pe străzi cu pante mai mari decât tramvaiul, panta putând fi de 8%÷12%; - eliminarea dezavantajului prezentat de tracţiunea electrică cu tramvaie, când un tramvai defect blochează linia pe care se află. Troleibuzul defect se poate deconecta de la firele de contact, celelalte troleibuze aflate în urma sa putându-l depăşi; - fluidizarea traficului prin posibilitatea ocolirii anumitor obstacole (autoturisme parcate neregulamentar sau defecte), având posibilitatea de a se abate de la axa sistemului de contact cu 4,5 m sau chiar mai mult116; - amplasarea staţiilor de troleibuz pe trotuar, faţă de amplasarea staţiilor de tramvai în centrul străzii, când sunt necesare refugii şi treceri de pietoni, pentru ca aceştia să poată ajunge pe trotuar; - posibilitatea alimentării cu energie electrică de la surse amplasate în apropierea liniilor, când caracteristicile mediului permit acest lucru. Ca exemplu, se poate cita utilizarea energiei electrice produse de centrale eoliene sau hidrocentrale; - uşurarea accesului persoanelor cu dizabilităţi prin înclinarea caroseriei spre suprafaţa de urcare; - încadrarea în curbe sub o rază mai mică decât cea a tramvaielor, la care prezenţa boghiurilor limitează inferior curba de rulare; - absenţa curenţilor vagabonzi (subterani) care reduc durata de viaţă a structurilor metalice subterane; - capacitate de transport mare, similară cu cea a tramvaielor sau a autobuzelor articulate; - funcţionare silenţioasă, eventualele zgomote fiind produse de sisteme auxiliare (pompele de servo-direcţie şi sistemele de aer condiţionat); b. Avantajele transportului cu troleibuze comparativ cu 115 116

http://en.wikipedia.org/wiki/Trolleybus http://ru.wikipedia.org/wiki/

132

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze 133 transportul cu autobuzul: - posibilitatea utilizării troleibuzelor pe drumuri în rampă, având în vedere că motoarele electrice oferă cuplu de pornire şi de funcţionare mai mare decât în cazul motoarelor diesel; - posibilitatea recuperării energiei electrice dacă se foloseşte o schemă electrică ce permite frânarea recuperativă; - durată de viaţă mai mare datorită robusteţii motoarelor electrice în comparaţie cu motoarele cu ardere internă; - eliminarea poluării determinată de gazele de ardere şi de particulele în suspensie eşapate de motoarele diesel; - fluidizarea traficului prin posibilitatea ocolirii anumitor obstacole (autoturisme parcate neregulamentar sau defecte); - reducerea zgomotelor în comparaţie cu cele produse de motoarele diesel; Faţă de aceste avantaje, utilizarea troleibuzului prezintă şi dezavantaje dintre care se amintesc: - costul iniţial al implementării unui sistem cu troleibuz este mai mare decât pentru autobuz, deoarece necesită construirea sistemului de linii aeriene şi a unei substaţii de tracţiune; - starea suprafeţei străzii trebuie să fie cât mai bună, pentru a evita desprinderea tijelor de la linia de contact datorată şocurilor posibile; - necesitatea unei mai bune izolări electrice a întregului aparataj pentru a feri organismul uman de electroşocuri. Controalele periodice asupra izolaţiei electrice trebuie să fie mai frecvente; - reducerea vitezei, uneori până la 5 km/h, la intersecţiile cu alte linii de troleibuz, deoarece desprinderea unui papuc de la linia de contact ar putea bloca pentru un timp întreaga intersecţie; - blocarea anumite rute în cazul în care este o defecţiune la o substaţie de tracţiune electrică sau în linia de alimentare; - imposibilitatea depăşirii unui troleibuz în funcţiune de către altul din spatele său, decât dacă se prevăd zone cu două seturi separate de fire de alimentare; - peisaj neacceptat de mulţi locuitori ai oraşelor, care reclamă aspectul inestetic al păienjenişului de fire amplasat deasupra străzilor; - posibile defecte la intersecţia de rute de troleibuz; - desprinderea papucilor colectori de pe firele de alimentare, mai ales în regiunile în care există depuneri mari de zăpadă. Dacă troleibuzul nu este echipat şi cu o unitate auxiliară de energie (baterii de acumulatoare sau supracapacitori), acesta rămâne fără energie, neputând fi mişcat din loc; - existenţa unui oarecare disconfort atunci când şoferii se apropie de intersecţii, unde trebuie să reducă viteza pentru a evita desprinderea papucilor colectori de pe firele de contact sau atunci când şoferii trebuie să reconecteze papucii colectori pe fire, când toţi pasagerii trebuie să aştepte.

Tracţiune electrică

6.3. Schema de alimentare a firelor de contact Substaţia de alimentare cu energie electrică a firelor de contact necesare alimentării troleibuzelor este necesar a fi amplasată nu mai departe de 2÷10 km de capătul său117. Puterea la care se dimensionează o substaţie depinde de numărul de troleibuze aflate pe aria alimentată din aceasta. În schema prezentată în Fig. 6.2 alimentarea substaţiei se face prin două linii de 20 kV, între acestea putând fi cuple transversale, ceea ce conduce la creşterea fiabilităţii, prin aceea că, dacă pe o linie există un deranjament, se conectează alimentarea din cealaltă linie. Pentru efectuarea anumitor lucrări în substaţie, în deplină siguranţă a personalului, există contactori pentru punerea la pământ atât a liniei defecte, cât şi a părţii de către sistemul de distribuţie. Un sistem cu descărcătoare cu rezistenţă variabilă (DRV) protejează linia de alimentare împotriva descărcărilor atmosferice. Din linia de alimentare, prin intermediul unui transformator trifazat, cu două secundare, se asigură alimentarea grupurilor de redresoare semicomandate pentru tracţiune. Comanda tiristoarelor din aceste redresoare se face cu ajutorul controlerului care furnizează cele 6 impulsuri necesare. Conectarea transformatorului de putere la reţeaua de 20 kV se face prin intermediul controlerului sursei de putere, care alimentează bobina contactorului KM şi, astfel, contactele sale închid sau deschid circuitul de putere, după necesităţi. Pe partea de forţă este prevăzut şi un bloc de măsură a tensiunii, între L+ şi L-, şi a curentului absorbit de reţeaua de distribuţie amplasată pe străzile din aria de circulaţie a troleibuzelor. Senzorul de curent SC furnizează o informaţie asupra valorii curentului, dispozitivului de comandă pe grilă DC. Contactorul KP deschide circuitul de forţă, punând linia L+ la pământ când apar perturbaţii, din diferite motive, asupra acesteia. Secundarele transformatorului de putere sunt prevăzute de asemenea cu descărcătoare cu rezistenţă variabilă, pentru protecţia împotriva descărcărilor atmosferice. Un alt transformator de 20kV/0,4kV alimentează serviciile auxiliare la o tensiune de linie de 400 V sau la o tensiune de fază de 230 V. Dispozitivul de comandă pe grilă a celor 6 tiristoare şi controlerul sursei de putere sunt alimentate prin intermediul a două convertoare statice AC/DC (AC/CC) care sunt protejate la suprasarcină prin relee termice.

117

http://xa.yimg.com/kq/groups/23876473/327155647/name/TRAC2.pdf

134

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze 135

Fig. 6.2 Schema electrică de alimentare dintr-o substaţie

Tracţiune electrică

6.4. Troleibuze clasice Dezvoltarea troleibuzelor a urmat, în linii mari, acelaşi traseu ca şi dezvoltarea tramvaielor, acestea având în comun acţionarea electrică. Troleibuzele clasice au folosit motoarele de curent continuu cu excitaţie serie, cu reglaj reostatic al vitezei şi cu frânare reostatică. Această soluţie avea un randament scăzut şi crea dificultăţi referitoare la mentenanţă. Troleibuzul DAC-112-E, (cu variantele DAC 117E, DAC 212E, DAC 217E, DAC 412E) era un troleibuz de mare capacitate construit pe baza unei licenţe MAN, fiind de concepţie şi construcţie moderne la acea vreme. Acesta a apărut, în circulaţie, în perioada 1970÷1980. În Fig. 6.3 este prezentată o imagine a troleibuzului românesc DAC 112 E.

Fig. 6.3 Troleibuzul românesc DAC 112 E

Caracteristicile tehnice ale troleibuzului DAC 112 E erau următoarele118: - motor de curent continuu având puterea de 140 kW, la o tensiune de 750 V, sau 110 kW, la o tensiune de 600 V; - mecanism de direcţie echipat cu dispozitiv servo; - frâna de serviciu cu tambur şi saboţi pe 4 circuite separate, cu transmitere hidraulică şi asistenţă pneumatică; - frâna de parcare cu tambur şi saboţi, cu comandă pneumatică; - frâna electrică cu 7 trepte de frânare; - sistem de încălzire constând într-o aerotermă pentru salon şi parbriz; - capacitate de transport 27+88 pasageri; 118

http://www.google.ro/search?q=troleibuzul+DAC+112+E

136

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze

- viteza maximă 53,6 km/h; 137 - ecartament 2045 mm. Schema de forţă simplificată119 a troleibuzului DAC 212 E este prezentată în Fig. 6.4.

Fig. 6.4 Schema electrică de forţă simplificată a troleibuzului DAC 212 E

Întreruptorul principal, 1, este un disjunctor cu acţionare electromagnetică de tip 315 A, 755 V c.c., pentru tracţiunea electrică urbană. Acesta este destinat a se utiliza pe vehicule electrice cu scopul de a realiza conectarea/deconectarea circuitelor electrice de tracţiune şi de a proteja la scurtcircuit aceste circuite. Acesta este echipat cu limitator de curent care comandă deschiderea contactelor principale dacă curentul a depăşit valoarea reglată. Condensatorul, 2, constituie un filtru de radio-frecvenţă, limitând armonicile superioare ce pot apărea între firele de contact. Blocul de traductoare de tensiune şi curent, 3, oferă informaţii despre valorile în timp real ale tensiunii asigurate de firele de contact şi curentul absorbit de întreaga instalaţie a troleibuzului. Blocul de diode, 4, conţine câte două diode conectate în paralel, pentru fiecare fir, asigurând menţinerea polarităţii tensiunii de alimentare în caz normal şi în cazuri de avarii. 119

http://xa.yimg.com/kq/groups/22170270/1443094657/name/tractiuni+L3.pdf

Tracţiune electrică

Contactorul de linie, 5, este de acelaşi tip cu întreruptorul principal, asigurând protecţia la scurtcircuit a întregii instalaţii electrice a troleibuzului. Protecţia la scurtcircuit a diferitelor circuite este realizată cu ajutorul siguranţelor, 6. Conectarea sau deconectarea treptelor de rezistenţă se realizează cu ajutorul unor comutatoare de tip MTU, 7, cu protecţie la supracurenţi de durată. Grupul de rezistenţe, 8, asigură curentul prin înfăşurarea de excitaţie derivaţie şi prin indus, respectiv înfăşurarea de excitaţie serie a motorului auxiliar 9. Acesta are puterea nominală de 7,5 kW, turaţia nominală de 1600 rot./min. Dacă este alimentat la tensiunea de 600 V c.c., are un curent nominal de 16,2 A, iar la 750 V c.c. curentul nominal este de 12,9 A. Aceste valori ale curenţilor sunt asigurate de grupul de rezistenţe adiţionale, 8. Troleibuzul este echipat şi cu aeroterme, 10, pentru încălzirea bordului şi parbrizului, respectiv pentru încălzirea salonului – aerotermele 11. Reostatele motorului de tracţiune se utilizează pentru pornirea şi frânarea motorului de tracţiune. Acestea sunt formate din 24 de elemente rezistive, grupate în 2 baterii de câte 12 elemente, montate pe acoperişul troleibuzului la distanţa de 8 cm. Sursa de preexcitare, 13, are rolul de a asigura excitarea iniţială a motorului în regim de frânare, pentru trecerea la regimul de generator. Aceasta conţine: - un invertor auto-oscilant cu tranzistoare (convertor c.c.-c.a.); - un transformator pentru separare galvanică şi de adaptare a tensiunii de ieşire a invertorului la necesităţile sarcinii; - un redresor bialternanţă care asigură la ieşire tensiunea continuă de 28,4 V. Sursa se conectează la bateria de 28 V a troleibuzului. Sursa de preexcitare intră în funcţiune în următoarele două condiţii: - troleibuzul este în mers, având viteza mai mare de 5 km/h; - este apăsată pedala de frână. Blocul de diode, 14, conţine 2 grupe de diode, conectate în serie, fiecare grupă conţinând 2 diode în paralel, utilizate pentru cele două regimuri de funcţionare ale troleibuzului (antrenare şi frânare). Inversorul de sens, 15, are rolul de a permite inversarea sensului de rotaţie al motorului de curent continuu, pentru deplasări înainte şi înapoi. Motorul de tracţiune, 16, este un motor de curent continuu cu excitaţie serie, având o clasă de izolaţie bună (F), având în vedere condiţiile vitrege de funcţionare. Alimentarea motorului de tracţiune se face direct de la linia de contact, prin intermediul elementelor mai sus amintite. Caracteristicile motorului de curent continuu sunt următoarele: - tensiunea nominală – 750 V; - puterea nominală – 125 kW; 138

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze

- curentul nominal – 185 A; 139 - turaţia nominală – 1380 rot./min.; - turaţie maximă – 3200 rot./min.; - curent maxim de pornire – 320÷350 A; - grad de excitare minim – 0,4; - grad de excitare nominal – 0,78; - randament nominal – 0,9; - greutatea – 950 kg. Acest motor asigură troleibuzului următoarele performanţe: - viteza maximă la sarcină nominală – 60 km/h; - rampa maximă la sarcina nominală – 12%; - consumul specific de energie – 190 Wh/t·km; - timpul de demarare până la 50 km/h – 26 s. Reglarea turaţiei motorului se face prin slăbire de câmp, ţinându-se cont de restricţia ca subeexcitarea să nu fie mai mică de 0,4. Frânarea electrică a troleibuzului poate fi: - frânare electrică cu recuperarea energiei în reţea, atunci când reţeaua are polaritate normală şi când există alţi consumatori în reţea care să preia energia de frânare (alte troleibuze aflate în regim de tracţiune); - frânare reostatică când nu sunt îndeplinite condiţiile amintite; - frânare recuperativ reostatică în cazul când puterea absorbită de alţi consumatori din reţea este prea mică. Troleibuzul SKODA 14 este produs de firma cehă SKODA, fiind din generaţia anilor 1990 (Fig. 6.5)120.

Fig. 6.5 Troleibuz SKODA 14

120

http://ro.wikipedia.org/wiki/Fi%C8%99ier:Skoda_14Tr02_6.jpg

Tracţiune electrică

Schema simplificată de forţă a troleibuzului SKODA 14 este prezentată în Fig. 6.6. Din această schemă rezultă că au fost eliminate rezistoarele de pornire (consumatoare de energie), fiind înlocuite cu un chopper realizat cu tiristoare obişnuite121.

Fig. 6.6 Schema electrică simplificată de forţă a troleibuzului SKODA 14

Prin tijele (captatoarele) 1 şi 2, instalaţia electrică a troleibuzului este conectată la liniile de contact. Descărcătorul cu rezistenţă variabilă, 3, protejează atât reţeaua la supratensiunile generate de echipamentul electric al troleibuzului, cât şi echipamentul electric al acestuia de eventualele descărcări atmosferice. Contactorul electromecanic de linie, 4, efectuează conectarea instalaţiei electrice a troleibuzului la linia L+. Întreruptorul automat, 5, conectează instalaţia troleibuzului la linia L-, asigurând şi protecţia la scurtcircuit a acesteia. Comutatorul manual, 6, poate schimba polaritatea circuitelor principale şi auxiliare, când este necesară această acţiune. Filtrul de înaltă radio-frecvenţă, 7, elimină sau reduce armonicile superioare care pot apărea în instalaţia electrică a troleibuzului, ca urmare a comutaţiei tiristoarelor, care lucrează la frecvenţa de 400 Hz. Dioda, 8, protejează chopperul, 15, de alimentare cu polaritate inversă şi exclude posibilitatea descărcării blocului de condensatoare şi rezistenţe, 12, în reţea sau pe elementele auxiliare ale instalaţiei (39 şi 75). 121

Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

140

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze 141 Inductivitatea, 9, şi bateria de condensatoare şi rezistenţe, 12, constituie un filtru de joasă frecvenţă, care contribuie la stabilizarea tensiunii de intrare în chopper, la variaţiile posibile ale tensiunii reţelei, din diferite motive (contacte imperfecte între linie şi captatori în condiţii de iarnă). Rezistenţa, 10, şi dioda, 11, protejează echipamentul electric al troleibuzului împotriva supratensiunilor care pot apărea în regimuri tranzitorii şi la descărcarea energiei înmagazinate în inductivitatea, 9. Contactorul de mers, 13, conectat în paralel cu rezistenţa, 14, de valoare mare, în scopul reducerii sau eliminării arcului electric care poate să apară la deschiderea acestuia, pune sub tensiune partea de forţă (chopperul şi motorul de curent continuu, 35). Tiristorul principal, 16, component al chopperului, 15, este tiristorul care, la primirea unui impuls pe grilă, permite trecerea curentului indusului motorului de curent continuu, 35. În timpul conducţiei acestui tiristor, se închide următorul circuit: L+→T16→D21→L27→L31→D22→Mcc→LÎn acest timp, condensatorul de comutaţie, 20, se încarcă la întreaga tensiune a liniei de alimentare, cu polaritatea indicată între paranteze, prin rezistenţa notată cu 24, pregătindu-se astfel blocarea tiristorului principal. Tiristorul de comutaţie, 17, are rolul de a aplica tensiunea condensatorului, 20, pe tiristorul principal, cu (+) pe catod şi (-) pe anod, blocându-l şi scoţându-l astfel din conducţie. Circuitul pe care are loc această operaţie este: C20 (+)→T16→T17→L18→L19→C20(-) După blocarea tiristorului principal T16, curentul de sarcină este preluat de tiristorul de comutaţie 17, pentru un scurt timp, până când condensatorul 20 se încarcă la polaritatea fără paranteze, la întreaga tensiune a liniei, moment în care tiristorul de comutaţie se stinge în mod natural, curentul prin el devenind nul. Urmează regimul de pauză al chopperului, când dioda de fugă 23 intră în conducţie preluând curentul motorului. După expirarea timpului unui ciclu, procesele se repetă. Inductivităţile 18 şi 19, cu şi fără miez magnetic, constituie împreună cu condensatorul 20 un circuit oscilant care funcţionează în perioada de blocare a tiristorului principal. Dioda 21 împiedică apariţia unei tensiuni inverse pe tiristorul principal în perioada de pauză a chopperului. În schema din Fig. 6.6 mai sunt cuprinse: inductivitatea de filtrare a curentului de sarcină, 27, înfăşurarea de excitaţie a motorului de curent continuu, 31, care poate fi şuntată de rezistenţele 29, 30,31, dioda de separare 22, şuntată de rezistenţa de frânare, 26, comutatorul de inversare a curentului indusului, 34, traductorul pentru măsurarea curentului indusului,

Tracţiune electrică

33, contactorul 32 pentru închiderea circuitului de frânare reostatică şi tahogeneratorul 36. Comanda, reglarea şi protecţia circuitului de forţă este realizată prin intermediul blocului 37, la intrarea căruia se aplică semnale despre turaţie (traductorul 36), tensiune (rezistenţa 40) şi care furnizează impulsurile de comandă pentru cele două tiristoare din chopper. Prescrierea curentului motorului de tracţiune este impusă de controlerul de comandă 38, care este, de fapt, un reostat al cărui cursor este legat la pedalele aflate la dispoziţia şoferului. În schema din Fig. 6.6 este prezentat şi echipamentul auxiliar, cuprinzând: motorul ventilatorului, 46, care antrenează şi generatorul de curent continuu, 74, necesar pentru reîncărcarea bateriilor de acumulatoare, 75, motorul 54 care antrenează compresorul ce asigură presiunea necesară pentru frânarea mecanică, pentru stabilizarea amortizoarelor şi deschiderea uşilor, aerotermele de încălzire a salonului, 59 şi 63, aerotermele de încălzire a cabinei şoferului, 70 şi 71, şi a parbrizului, 69. Interconectarea blocului electronic de forţă cu elementele de comutaţie, de joasă tensiune, este realizată cu ajutorul blocului electronic auxiliar 39. Utilizarea variatoarelor de tensiune cu tiristoare obişnuite conduce la o schemă greoaie şi necesită timp de comutaţie considerabil. Apariţia tiristoarelor cu stingere pe grilă, GTO, de la sfârşitul anilor 1990 a permis înlocuirea acestor tiristoare obişnuite şi simplificarea schemei de forţă. Tiristoarele GTO trec în conducţie în urma unui impuls pozitiv pe electrodul de comandă şi se blochează printr-un impuls negativ. Troleibuzele SKODA 21 şi SKODA 22 sunt realizate utilizând astfel de tiristoare şi cu ajutorul acestora consumul total de energie electrică scade cu 5%122. În Fig. 6.7 este prezentată schema simplificată a troleibuzului SKODA 22 în care se regăsesc, în principal, elementele prezentate în Fig. 6.6. Schema permite alimentarea a două motoare de curent continuu, 31 şi 35, de câte 120 kW, dacă alimentarea este la 600 V, şi de câte 140 kW, dacă alimentarea este la 750 V. Motorul 35 permite şi mersul înapoi, utilizând inversorul de sens 36. Cele două elemente de comandă, PM1 şi PM2, echipate cu tiristoare GTO, permit alimentarea cu tensiune continuă variabilă a motoarelor de tracţiune, în funcţie de informaţiile primite de la DCG (dispozitivul de comandă pe grilă), 39. Acesta primeşte informaţii despre nivelul tensiunii de alimentare prin intermediul convertorului 5, nivelul tensiunii de alimentare a elementelor de comandă cu tiristoare GTO, prin intermediul convertorului 22, valoarea curenţilor prin cele două motoare, prin intermediul

122

Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs

142

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze 143turaţiile celor două motoare prin convertoarelor 33 şi 37 şi despre intermediul tahogeneratoarelor 32 şi 38.

Fig. 6.7 Schema electrică simplificată a troleibuzului SKODA 22 cu tiristoare GTO

Sistemul de comandă, protecţie şi reglare este realizat cu microprocesor cu mai multe funcţii. Programarea şi testarea stării echipamentului se face cu ajutorul calculatorului 43. Comanda regimului de mers se realizează cu ajutorul celor două pedale, 40 şi 41, la dispoziţia şoferului, iar afişajul 42 permite vizualizarea datelor de interes. Schema permite frânarea recuperativă utilizându-se tiristorul comun, 8, care este conectat în antiparalel cu dioda de intrare 7. Diodele de separare 24 şi 25 permit realizarea regimului de frânare recuperativă, când cele două motoare lucrează ca generatoare, având turaţia mai mare decât turaţia nominală şi, în consecinţă, tensiunea la borne mai mare decât tensiunea de alimentare de la firele de contact. La turaţii mai mici decât turaţia nominală, când tensiunea generată de cele două maşini electrice, 31 şi 35, este mai mică decât tensiunea liniei de contact, schema permite frânarea reostatică ca şi la troleibuzul SKODA 14. Troleibuzele româneşti ROCAR şi ASTRA s-au produs în România în anul 1990, respectiv 2000. Troleibuzul ROCAR este echipat cu variatoare de curent continuu cu GTO, pornindu-se de la schema tramvaiului Timiş 2, prezentată în Fig. 5.10. La începutul anului 2000, firma românească ce producea aceste troleibuze s-a unit cu firma ungurească IKARUS şi astfel au început să fie

Tracţiune electrică

produse la Budapesta troleibuze echipate cu tiristoare GTO, cunoscute sub numele ASTRA-IKARUS, prezentat în Fig. 6.8.

Fig. 6.8 Troleibuzul ASTRA IKARUS

Schema de forţă a troleibuzului ASTRA-IKARUS, cu tiristoare GTO, este prezentată în Fig. 6.9. Alimentarea chopperului se face prin contactorul de linie CL şi întreruptorul automat IA. Protecţia împotriva supratensiunilor atmosferice sau a supratensiunilor din instalaţie se face cu ajutorul descărcătorului cu rezistenţă variabilă DRV. Condensatorul C1 şi inductivităţile L1 şi L2 constituie un filtru de radio-frecvenţă. Diodele D1 ÷ D4 şi tiristoarele T1, T2 asigură alimentarea instalaţiei de forţă la o polaritate corectă, indiferent de polaritatea tensiunii de alimentare de la fire.

144

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze

Fig. 6.9 Schema electrică de forţă a145 troleibuzului ASTRA-IKARUS cu GTO

Inductivitatea LF şi condensatorul CF constituie un filtru de joasă frecvenţă, iar TTF este traductorul de tensiune de alimentare al chopperului şi motorului de tracţiune. Tiristorul GTO notat cu TG este, de fapt, chopperul prin care este alimentat cu tensiune continuă, variabilă circuitul motorului de tracţiune, iar tiristorul TF este utilizat pentru frânare reostatică. În regim de mers, tiristorul TG reglează curentul indusului motorului Mcc, iar în regim de frânare, reglează curentul prin excitaţia serie, transformată în excitaţie derivaţie, cu ajutorul contactorului de frânare CF1. Schema permite realizarea frânării recuperative, la viteze mari, şi reostatice, la viteze mici. Oprirea şi parcarea se asigură cu ajutorul frânei mecanice de serviciu. Pentru regimurile de mers înainte se închid contactoarele CM1 şi CM2, iar pentru mers înapoi se închid contactoarele CF1 şi CM3. Contactorul CF2 scurtcircuitează rezistenţa de frânare RF3 când viteza troleibuzului este scăzută. Comanda, protecţia şi controlul sunt realizate cu microprocesor şi cu regulator de curent, utilizându-se şi traductorul de curent TC. În această categorie mai sunt cuprinse şi troleibuzele SKODA 23, care, deşi folosesc tiristoarele hibride IGBT, utilizează pentru tracţiune tot motoare de curent continuu. 6.5. Troleibuze moderne Dezavantajele aduse de motoarele de curent continuu (existenţa colectorului, preţ relativ mare, gabarit mare), concomitent cu realizările performante ale acţionărilor electrice de curent alternativ cu convertoare de frecvenţă au condus în ultimii ani la înlocuirea acţionărilor electrice clasice cu acţionări cu motoare asincrone sau sincrone, comandate în frecvenţă. Troleibuzele moderne echipate cu acţionări cu motoare asincrone mai au o serie de îmbunătăţiri: - încărcarea bateriei de acumulatoare se face cu o instalaţie statică, cu convertor electronic de 600/28V; - antrenarea compresorului şi a servo-direcţiei se face cu motoare asincrone trifazate, alimentate de la convertoare de frecvenţă; - podeaua troleibuzului este foarte joasă, pentru a uşura accesul pasagerilor, mai ales a celor cu vârstă înaintată; - interiorul şi exteriorul troleibuzului sunt modificate, conducând la o rezistenţă aerodinamică minimă şi la un aspect plăcut; - existenţa unor surse autonome de alimentare pentru cazuri de dispariţie a tensiunii în reţeaua electrică principală. În realizarea troleibuzelor moderne sunt angrenate mai multe

Tracţiune electrică

companii din lume care produc, individual sau în colaborare, echipamente pentru troleibuzele moderne acţionate cu motoare de curent alternativ, de tip asincron sau sincron, şi echipament de tracţiune (invertor). Şi în România există firme care produc echipamente moderne pentru troleibuze din ultima generaţie. Astfel, firmele ICPE SAERP S.A. Bucureşti, INDA S.R.L. Craiova, S.C. INDAELTRAC S.R.L. Craiova sunt puternic implicate în producerea de echipamente de tracţiune moderne. În Fig. 6.10 este prezentat un troleibuz modern rulând pe o stradă din Lyon – Franţa123.

Fig. 6.10 Troleibuz modern în Lyon

În Fig. 6.11 este prezentată schema forţă pentru un troleibuz cu motor asincron trifazat124. Alimentarea unui astfel de troleibuz se poate face la 750 V c.c. sau 600 V c.c. prin intermediul a două colectoare, 1 şi 2. Descărcătorul cu rezistenţă variabilă, 3, protejează instalaţia electrică împotriva descărcărilor atmosferice şi invers. La terminalele descărcătorului 3 este conectat un filtru de radio-frecvenţă alcătuit din inductivităţile 4,5, capacitatea 6 şi siguranţa termică 7. La conectarea întreruptorului principal, 8, care asigură şi protecţia la scurtcircuit şi suprasarcină, a inductivităţii 12, a contactorului auxiliar de încărcare, 10, şi a rezistenţei de limitare a curentului de încărcare, 11, tensiunea de alimentare este aplicată la redresorul cu diodele 13,14,15,16, care protejează instalaţia din aval la posibilele inversări ale polarităţii liniei 123 124

http://www.tbus.org.uk/news2011.html http://library.witpress.com/pages/PaperInfo.asp?PaperID=21454

146

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze 147 de contact. Condensatorul 24, care preia energia de la reţea, are, în paralel, un rezistor de descărcare rapidă, 23, (la nevoie) şi un filtru traductor de tensiune, 25. După un timp scurt, necesar încărcării condensatorului, se închide contactorul principal 38, făcând ca pe condensatorul 24 să apară întreaga tensiune a liniei de alimentare. Din acest moment este alimentat invertorul trifazat cu 6 tranzistoare IGBT, curentul total fiind controlat prin informaţia preluată de la traductorul de curent 26.

Fig. 6.11 Schema de forţă a troleibuzului cu motor asincron

Curenţii prin fazele motorului asincron trifazat, 35, sunt controlaţi prin informaţiile preluate de la traductorii de curent 33 şi 34, iar prin traductorul 36 se preiau informaţii despre turaţie şi sensul de rotaţie. Schema permite frânarea reostatică prin intermediul tranzistorului de frânare 20, a diodei de sens 19 şi a reostatului de frânare 51. Curentul de frânare este măsurat prin intermediul traductorului 22. Invertorul este comandat să alimenteze motorul de tracţiune, cu tensiune şi frecvenţă variabile, urmărind câmpul statoric al motorului, de blocul de comandă 39. Acesta este realizat cu microprocesoare MasterSlave125, prin placa de bază. Blocul de comandă controlează regimul de mers şi frânarea recuperativă către linia de alimentare, prin intermediul tiristoarelor 17 şi 18, putând determina şi frânare reostatică atunci când forţa de frânare rezultată din frânarea recuperativă este insuficientă. Comanda, supravegherea şi diagnoza întregii instalaţii a troleibuzului 125

http://www.icpe-me.ro/images/docs/RST%

Tracţiune electrică

este dată de blocul principal de comandă 39, care primeşte informaţii de la blocul de comandă al invertorului, prin magistrala de date 40. Blocul de comandă 39 mai primeşte informaţii de la siguranţele termice, pedalele 41 (de mers) şi 42 (de frânare), de la traductorul de tensiune, 43, de la sursa statică pentru serviciile auxiliare 44, de la senzorul de prezenţă a tensiunii pe caroserie, 45, de la senzorul care confirmă închiderea uşilor, 46, şi de la contactul care confirmă frânarea de staţionare, 47. În cabina şoferului există un display inteligent 48 şi când este necesar se mai poate conecta şi un laptop 49 care colectează toate evenimentele de la blocul de comandă 39, în vederea efectuării diagnozei instalaţiei electrice a troleibuzului. În categoria troleibuzelor moderne poate fi inclus troleibuzul articulat Iribus – Agora, care circulă în Municipiul Cluj Napoca, încă din anul 2011. Acest troleibuz a rezultat din colaborarea dintre firmele ICPE SAERP S.A. Bucureşti şi ASTRA BUS SRL Arad. Motoarele de antrenare sunt de tip asincron, fiind alimentate prin invertoare trifazate cu IGBT şi comandate prin computer de bord. Serviciile auxiliare beneficiază şi ele de îmbunătăţiri substanţiale, fiind alimentate tot printr-un convertor static. Troleibuzul este dotat cu camere de supraveghere, sistem de urmărire a traficului, GPS (Global Positioning System) şi sistem de diagnoză avansat. Încălzirea se efectuează cu un circuit de apă caldă126. Un alt troleibuz modern (EA 412) este echipat de INDA Craiova cu motor de tracţiune asincron şi cu invertor static trifazat cu frecvenţă variabilă, cu chopper de frânare folosind tranzistoare IGBT. Convertorul de tensiune asigură controlul cuplului în regimurile de tracţiune şi de frânare electrică127. Troleibuzul este dotat cu un calculator de tracţiune care utilizează două unităţi centrale cu microprocesor pentru realizarea următoarelor funcţiuni: - controlul circuitelor de forţă ale convertorului; - interfaţa cu vehiculul; - prescrierea mărimilor electrice; - comanda şi reglarea regimurilor de tracţiune şi de frânare; - achiziţia semnalelor numerice şi analogice şi generarea comenzilor numerice; - diagnoza şi protecţia întregului echipament electric; - memorarea a 30 de semnale digitale, a 3800 de evenimente, descărcarea datelor prin interfaţa serială în PC.

126 127

http://www.saerp.ro/info.htm http://www.inda.ro/p2_5r.html

148

Capitolul 6. Transportul urban cu troleibuze 149 dublă izolare faţă de caroseria Troleibuzul este executat cu vehiculului, ceea ce asigură protecţie sporită călătorilor şi personalului regiei de transport. În Fig. 6.12 este prezentată variaţia tensiunii, curentului şi turaţiei pentru un parcurs de probă, precum şi energia absorbită de la reţea în timpul demarării de la 4,6 km/h la 39 km/h (suprafaţa A) şi energia recuperată în reţea în timpul frânării electrice cu recuperare, când a avut loc o decelerare de la 39 km/h la 4,6 km/h (suprafaţa B)128.

Fig. 6.12 Variaţia tensiunii, curentului şi turaţiei pe un parcurs de probă

Energia electrică economisită în cazul utilizării frânării recuperative pe un ciclu demarare – decelerare de circa 12 s este de circa 49% din energia electrică absorbită din reţea, în cazul în care nu ar mai fi utilizată frânarea recuperativă, ci frânarea reostatică sau mecanică. În calculul prezentat nu au fost considerate şi alte consumuri de energie (servicii auxiliare), pe perioada analizată. Din cele prezentate rezultă că utilizarea troleibuzelor, modernizate, în transportul urban constituie o soluţie care nu trebuie neglijată nici în cazul oraşelor mai mici.

128

http://www.inda.ro/img_r/energ-abs-rec.jpg

Tracţiune electrică

C a p i t o lu l 7 . T R A N S P O RT U L U R B A N METROURI

CU

7.1. Scurt istoric Metroul este un mijloc de transport în comun, pe cale ferată urbană subterană, uneori aeriană sau la nivelul solului, destinat să asigure deplasarea rapidă a unui număr mare de călători dintr-o zonă în alta. Istoria metroului începe cu metroul londonez, numit Metropolitan Railwai, care a început să funcţioneze la 10 ianuarie 1863, între staţiile Paddington şi Farringdon, pe o lungime de 6,5 km. Tunelele acestei linii au fost construite prin săparea de şanţuri pornind de la suprafaţă şi acoperirea acestora cu grinzi de consolidare129. Cetăţenii Londrei numesc acest mijloc de transport „Underground” sau „the Tube”. Primul metrou, construit în întregime din lemn, a fost tractat de o locomotivă cu abur, care utiliza cărbune de lemn (Fig. 7.1). Atmosfera din tunel era greu de suportat, având în vedere că locomotivele evacuau pe coş fumul rezultat din arderea cărbunelui şi aburul de stins. Ventilatoare puternice, aşezate la anumite distanţe, evacuau, pe cât posibil, această atmosferă aproape irespirabilă, trimiţând-o direct în stradă, unde se împrăştia deasupra oraşului. În anul 1890 a fost inaugurată prima linie de metrou electrică, al cărei succes a determinat electrificarea rapidă a reţelei executate până atunci130. În anul 1869 în Atena s-a pus în funcţiune aşa numita „Linie verde” de metrou, în anul 1875 la Istanbul, în anul 1896 la Budapesta, iar în anul 1898 o linie de metrou la Viena131. La Paris, metroul a fost inaugurat în anul 1900, la deschiderea expoziţiei universale din acel an. În anul 1913 a apărut prima linie de metrou din Emisfera Sudică, la Buenos-Aires. Ideea de a construi metroul în Bucureşti a apărut, însă, în anul 1908, 129

http://ro.wikipedia.org/wiki/London_Underground www.ziare .com 131 http://dli.ro/cand-a-aparut-metroul.html 130

150

Capitolul 7. Transportul urban cu metrouri 151 şi-a prezentat proiectul de licenţă când tânărul student Dimitrie Leonida referitor la construirea unei linii de metrou în Bucureşti. Încercarea de a-l valorifica s-a lovit de lipsa fondurilor. Tot acelaşi motiv a împiedicat o iniţiativă din anii 1929÷1930, iar iniţiativa din perioada 1936÷1940, pe lângă lipsa fondurilor, a fost amânată de apropierea celui de-al Doilea Război Mondial. În anul 1952, o nouă tentativă de a construi metroul în capitala României nu a fost realizată, din cauza intenţiei sovieticilor de a da metroului şi o funcţie militară. În acest sens, tunelurile şi staţiile trebuiau construite la adâncimi între 20÷40 m. Pentru implementarea acestui proiect, nu existau nici mijloace financiare, nici mijloace tehnice şi nici solul nu se preta la o astfel de execuţie. Abia în anul 1972 s-a început proiectarea liniei de metrou din Bucureşti, după modelul londonez, şi anume, imediat sub nivelul străzii. La Bucureşti, prima linie de metrou a fost inaugurată, cu călători, la 16 noiembrie 1979, având o lungime de 8,6 kilometri, şase staţii, între Timpuri Noi şi Semănătoarea132. În Fig. 7.2 este prezentată una dintre primele rame de metrou utilizate la punerea în funcţiune a metroului bucureştean133.

Fig. 7.2 Una dintre primele rame de metrou din Bucureşti

Spre deosebire de alte metrouri din ţările din est, staţiile bucureştene au fost concepute într-un design modern, cu o arhitectură simplă şi funcţională, optându-se pentru câte o culoare dominantă în fiecare staţie. Reţeaua s-a extins treptat, liniile având, în prezent, în jur de 68 de kilometri, 132 133

http://dli.ro/cand-a-aparut-metroul.html http://metroubucuresti.webs.com/materialrulant.htm

Tracţiune electrică

cu un trafic de aproximativ 600 000 de călători, zilnic. Cel mai important proiect, în prezent, este cel de a extinde reţeaua, cu un tronson Gara de Nord – Aeroportul Henri Coandă, care ar însemna 16 kilometri, 19 staţii şi o investiţie de aproape un miliard de euro. Dacă termenele şi finanţările vor fi respectate, linia ar trebui să fie funcţională în anul 2019. La sfârşitul anului 2011 reţeaua de transport cu metroul bucureştean se întindea pe 69,2 km de cale dublă, existând 4 magistrale cu 51 staţii, distanţa medie dintre două staţii fiind de 1,5 km, şi deţinea 77 de trenuri. Reţeaua de alimentare este de 750 V c.c, alimentarea făcându-se prin a treia şină (în trafic) sau prin pantografe, în depou. Viteza maximă a metrourilor este de 80 km/h, rulând pe şine cu ecartament de 1432 mm134. 7.2. Avantajele şi dezavantajele transportului cu metroul Transportul cu metroul în marile oraşe aduce o serie de avantaje faţă de transportul cu tramvaiul, troleibuzul sau autobuzul, dintre care sunt enumerate următoarele: - capacitate mare de transport, comparabilă cu a trenurilor din transportul feroviar interurban; - timp considerabil redus pentru deplasarea dintr-o parte în alta a oraşului, având în vedere distanţa medie de circa 1,5 km între staţii şi viteza de croazieră de 80 km/h135; - independenţa faţă de condiţiile climaterice de la suprafaţă, ceea ce conferă un confort considerabil în deplasarea cu metroul; - variaţia redusă a temperaturii în staţii şi vagoanele metroului de la anotimpul rece la anotimpul cald; - posibilitatea conducerii de la ambele capete dacă metroul necesită comanda de către un mecanic; - poluare redusă dacă nu se ia în considerare pilitura de fier rezultată din procesul frânării mecanice sau din frecările în curbe; - posibilitatea ataşării de vagoane suplimentare pentru orele de vârf; - acces comod în staţiile metroului, de regulă utilizându-se scările rulante; - posibilitatea urcării şi coborârii într-un timp scurt în şi din vagoane, având în vedere că nivelul staţiei este acelaşi cu nivelul podelei şi că numărul de uşi este mare; - posibilitatea orientării uşoare a călătorilor, chiar şi străini, prin faptul că există hărţi cu traseele liniilor de metrou, iar staţiile sunt anunţate prin voce, dar şi vizual, prin intermediul afişajului electronic din fiecare 134 135

ro. wikipedia.org/wiki/metroul_din _Bucureşti http://zeceintop.ro/zece-lucruri-despre-metrou/

152

Capitolul 7. Transportul urban cu metrouri 153 vagon; - siguranţă sporită a persoanelor faţă de pericolul electrocutării involuntare prin măsuri luate la nivelul vehiculului, dar şi prin alimentarea de la a treia şină care este foarte bine protejată; - posibilitatea desfăşurării unor activităţi, printre care cea mai frecventă este cititul; - posibilitatea întreţinerii unor conversaţii, trimiterii unor mesaje, practicării unor jocuri sau discuţii pe telefon, având în vedere că acceleraţiile şi deceleraţiile sunt line, iar curbele efectuate de metrou au raze mari; - punctualitatea sosirii şi plecării metrourilor în şi din staţii, ceea ce conferă pasagerilor garanţia respectării programului ce şi l-au făcut; - reducerea stresului pentru persoanele la care drumul către serviciu este compus dintr-o porţiune în care este şofer la volanul propriului autoturism şi o altă porţiune în care este pasager în metrou, caz în care este lipsit de orice grijă faţă de traficul de la suprafaţă; - posibilitatea efectuării plăţii călătoriei cu ajutorul telefonului 136 mobil ; - reducerea criminalităţii în staţii şi metrouri, a vandalizărilor, prin montarea camerelor de supraveghere, care, în unele metrouri, stochează datele chiar şi 48 de ore137; - reducerea poluării supraterane prin faptul că utilizatorii metroului ar putea folosi mijloace de transport în comun sau individuale, alimentate cu combustibili lichizi, dacă nu ar exista metroul. Faţă de aceste avantaje există şi o serie de dezavantaje ale transportului cu metroul, dintre care se amintesc: - expunerea pasagerilor la curenţi de aer, cu viteze considerabile, la sosirea trenurilor în staţii; - dispoziţie proastă creată unor persoane predispuse, în special, la claustrofobie, teama fiind accentuată de mulţimea de persoane dintr-un spaţiu relativ redus (aglomeraţia); - zgomotul produs de interacţiunea dintre şine şi vagoanele metroului, precum şi cel determinat de mulţimea pasagerilor138; - posibilitatea răspândirii de boli cu transmisibilitate prin aer sau prin atingere139; - peisaj dezagreabil, sesizat de pasageri, pe distanţa dintre staţii, din cauza iluminării pereţilor nefinisaţi ai tunelului de către sistemul de iluminat al vagoanelor; - creşterea ratei mortalităţii pasagerilor în cazul executării unor 136

http://www.mediafax.ro/social/calatoria-cu-metroul-platita-prin-sms ro. wikipedia.org/wiki/U-bahn _Viena 138 http://thetransportationgazette.com/2010/07/advantages-and-disadvantages 139 http://www.ehow.com/info_8084953_disadvantages-subway-systems.html 137

Tracţiune electrică

atentate în staţii sau în metrouri; - evacuarea greoaie, mai ales în orele de vârf, în cazul situaţiilor de urgenţă care pot să apară în staţiile de metrou sau în metrouri. Cu toate dezavantajele prezentate, extinderea utilizării metrourilor în marile metropole este un proces continuu, existând parcă o întrecere între acestea, în a realiza cele mai performante şi rapide metrouri, cele mai mari şi frumoase staţii. Spre exemplificare, există un proiect pentru construirea unui astfel de metrou numit Express Rail Link West Kowloon Terminus, care va fi dat în funcţiune în anul 2015, în sudul Chinei, făcând legătura între Hong Kong şi Guangzhou (al treilea oraş, ca mărime, al Chinei) 140 şi care va circula cu o viteză de 200 km/h. 7.3. Metrouri clasice Ca şi la celelalte mijloace de transport electric urban (tramvai, troleibuz) dezvoltarea tehnologică a impus tipurile de metrouri utilizate în diverse decenii. Utilizarea motoarelor de curent continuu a marcat prima etapă de metrouri, când tensiunea de alimentare de 600 V c.c. sau 750 V c.c. a fost aplicată motoarelor, prin intermediul unor rezistoare, sau mai târziu, a unor choppere cu tiristoare normale. Astfel, în prima etapă, când motoarele de tracţiune erau de curent continuu şi acţionarea era comandată şi reglată prin intermediul rezistoarelor, atât pentru regimul de mers, cât şi pentru regimul de frânare, schema electrică de principiu utilizată era asemenea celei din Fig. 5.5. În a doua etapă, când rezistoarele au fost înlocuite cu choppere cu tiristoare, s-a utilizat o schemă electrică de principiu asemenea celei din Fig. 5.7. Nivelul de tensiune prin care se preia energia electrică din SEN (Sistemul Energetic Naţional) este de 20 kV şi/sau 10 kV. Pentru cazurile de întrerupere totală a alimentării cu energie electrică de la SEN sunt prevăzute surse de energie independente, care alimentează consumatorii vitali141: - iluminatul de evacuare al călătorilor din staţii şi tunele; - transmisiile de informaţii dintre dispeceratul central şi staţii şi între dispeceratul de trafic şi trenuri; - dispozitivele de comandă – control pentru reluarea activităţii normale la revenirea tensiunii. Pentru asigurarea alimentării consumatorilor vitali şi corelării alimentării tuturor instalaţiilor de forţă şi a trenurilor de metrou, funcţionează un Dispecerat Energetic Central care preia aceste funcţii pentru întreaga reţea de metrou. 140 141

http://dli.ro/cand-a-aparut-metroul.html http://www.metrorex.ro/resurse/RaportActivitate/rap_activitate_mtx_2011RO.pdf

154

Capitolul 7. Transportul urban cu metrouri 155subsisteme: Sistemul înglobează următoarele - pentru protecţia automată a trenurilor: din acest subsistem fac parte instalaţiile de BLA (Bloc de Linie Automat), instalaţiile CED (Centralizare Electro-Dinamică), instalaţiile de autostop punctual (INDUŞI) şi instalaţiile de control continuu al vitezei cu repetarea la bord a semnalelor; - pentru conducerea automată a circulaţiei trenurilor, care cuprinde instalaţia de telemecanică de trafic, instalaţia de identificare automată la dispecerat a numărului de tren, efectuarea automată a parcursurilor; - pentru conducerea automată a trenurilor, subsistem care înglobează conducerea optimizată a trenurilor prin calculatoare de proces, oprirea automată la peroane şi comanda continuă a vitezei acestora; - pentru controlul trenului care include un echipament de protecţie automată a trenului destinat: supravegherii vitezei trenului, transmiterea codurilor de viteză din şina de rulare către echipamentul aflat pe tren, detectarea prezenţei materialului rulant pe zona respectivă, verificarea continuităţii şinelor, oprirea la punct fix a metroului la peron prin balize fixe, programate, indicaţii asupra părţii de deschidere a uşilor, informaţii pentru trecerea fără oprire prin staţii şi informaţii de regularizare a vitezei. O Ramă Electrică de Metrou (REM) (ansamblu de 2 vagoane cuplate permanent) utilizată în Bucureşti, produsă de Astra Arad, era echipată cu 4 motoare de curent continuu de câte 215 kW. Rama de metrou este bidirecţională, fiind prevăzută la ambele capete cu cabine de conducere. Captarea curentului electric necesar tracţiunii se face de la şina a treia, care este o bară metalică conductoare de curent, amplasata lateral faţă de calea de rulare, la o înălţime de 200 mm, prin intermediul captatoarelor laterale ale boghiurilor REM. Comanda pornirii se executa prin controler, iar frânarea se executa cu excitaţie separată, autocompensată. Trenul Electric de Metrou (TEM) poate fi format din una, două sau trei REM, ce pot fi conduse printr-o comandă unică din postul de conducere utilizat. Pentru a permite cuplarea şi decuplarea uşoară a unităţilor, acestea sunt prevăzute la capete cu cuple automate de tipul Scharffenberg, care asigură simultan legătura din punct de vedere mecanic, pneumatic şi electric. Cuplarea se face prin simpla ciocnire uşoară a cuplelor, iar decuplarea unităţilor este realizată manual, prin tragerea de cablul din partea stângă a cuplei REM142. Un motor electric, amplasat longitudinal, antrenează la ambele capete câte o osie, prin intermediul unor transmisii cu roţi dinţate conice şi cuplaje elastice. Trenurile de metrou sunt prevăzute cu trei sisteme de frânare: de 142

http://metroubucuresti.webs.com/materialrulant.htm

Tracţiune electrică

serviciu, de urgenţă şi de staţionare. Frânarea de serviciu poate fi de tip electrodinamic, cu comandă automată pe sistemul pneumatic. Frânarea de urgenţă este pneumatică, peste care se suprapune frâna cu resort. Frânarea de urgenţă se foloseşte pentru a permite oprirea în siguranţă a trenului, dacă frâna de serviciu prezintă defecţiuni. Frânarea de urgenţă poate fi comandată şi de pasageri în caz de necesitate, conducând la un semnal electronic care avertizează mecanicul metroului, care ia decizia opririi ramei, dar nu între staţii, decât în cazuri deosebit de grave143. Frânarea de staţionare este de tip cu resort. În categoria metrourilor clasice sunt cuprinse şi trenurile de metrou de tip IVA (Întreprinderea de Vagoane Arad). Acestea sunt de concepţie românească şi au fost produse între 1978÷1992. În anul 2008 a început procesul de modernizare a acestor trenuri de metrou împreună cu firma de mentenanţă a trenurilor de metrou Alstom Transport din Franţa 144. În anul 2011, procesul de fiabilizare a fost continuat şi un număr de 15 trenuri (90 de vagoane) de tip IVA au fost planificate pentru a fi modernizate de aceeaşi firmă. 7.4. Metrouri moderne Sunt considerate metrouri moderne acelea care au schema electrică de acţionare cu motoare de curent alternativ, de tip asincron sau sincron. La metroul bucureştean, începând cu anul 2003 au fost puse în circulaţie trenuri moderne de metrou, de tip BM2 (Bombardier - Movia), care erau realizate după ultimele standarde tehnice la nivel mondial, la acea vreme, adică: - tracţiune în curent alternativ; - frânare recuperativă; - ventilaţie forţată în vagoanele pentru călători; - aer condiţionat în cabinele de conducere; - intercomunicaţie între vagoane; - sistem de comunicare între mecanic şi călători, respectiv operator; - sistem de deschidere locală a uşilor de acces în vagoane; În Fig. 7.3 sunt prezentate două metrouri în staţia Pipera145.

143

http://www.trainweb.org/tubeprune/Rolling%20Stock.htm http://ro.wikipedia.org/wiki/Metroul_din_Bucure%C8%99ti 145 http://www.google.ro/imgres?imgurl=http://timetv.ro/wp-content/uploads/2013/ 144

156

Capitolul 7. Transportul urban cu metrouri 157

Fig. 7.3 Metrouri în staţia Pipera din Bucureşti

În anul 2008 s-a finalizat cumpărarea a 26 de trenuri noi de tip BM 21 care au caracteristici superioare din punct de vedere tehnologic: - fiabilitate sporită; - realizarea unei economii de energie electrică de până la 25%; - costuri reduse de întreţinere; - capacitate de transport de până la 1200 (2184 dacă sunt 8 călători/mp) de călători; - comunicaţie între cele 6 vagoane ale unui tren prin coridoare de intercomunicaţie; - creşterea siguranţei călătorilor; Aceste trenuri sunt antrenate de câte 16 motoare asincrone, având fiecare puterea de 125 kW, alimentate de la convertoare cu IGBT (fiecare convertor alimentează 2 motoare de tracţiune). Frânarea este realizată cu microprocesor, utilizând, pentru siguranţă, frâne cu saboţi. Echipamentul auxiliar conţine două convertoare statice cu încărcător de baterie la 400 V c.a., 50 Hz, şi 110 V c.c. precum şi două compresoare cu piston146. Schema electrică de principiu a unui VEM 147, echipat cu maşini de inducţie şi convertor static de frecvenţă, arată ca în Fig. 7.4. De la linia de contact de 750 V c.c., se alimentează invertorul, 23, prin intermediul captatorului 1 şi a întreruptorului rapid principal, 2, cu rol de cuplaredecuplare a circuitului de forţă şi cu rol de protecţie la suprasarcini şi scurtcircuite. După conectarea întreruptorului principal, 2, se începe încărcarea 146 147

http://www.metrorex.ro/resurse/RaportActivitate/rap_activitate_mtx_2011RO.pdf http://xa.yimg.com/kq/groups/23876473/560565327/name/TRAC5.pdf

Tracţiune electrică

condensatorului de stingere, 16, prin intermediul rezistorului de preîncărcare, 3. După un timp, acesta este scurtcircuitat de contactorul de preîncărcare 4. Bobina 5, împreună cu condensatorul 6 şi circuitul rezonant serie acordat pe frecvenţa de 50 Hz, format din condensatorul 7, rezistorul 8 şi bobina 9, formează un filtru de reţea pentru evitarea interferenţelor electromagnetice.

Fig. 7.4 Schema electrică de principiu a unui metrou cu maşini de inducţie

Chopperul 21 este un convertor de un cadran, cu tiristorul principal 13 şi circuitul de stingere format din tiristorul 18 pentru schimbarea polarităţii, tiristorul de stingere 15 şi elementele pasive 16, 17 şi 14, care formează un circuit oscilant. Pentru realizarea frânării mixte recuperativ-reostatică se utilizează rezistorul 11 şi tiristorul 12, înseriate şi conectate în paralel cu chopperul 21. Acesta şi dioda de fugă (de regim liber) 20 formează un grup de comutaţie care lucrează la frecvenţa de chopare. Tiristorul 27 şi dioda de frânare 10 formează un alt grup de comutaţie care intră în funcţiune în cazul modificării modului de operare. Dioda 19 este necesară pentru stingerea tiristorului 27. Circuitul intermediar de curent continuu al invertorului 23 este filtrat de bobina 22. Invertorul alimentează cele trei maşini de inducţie, 26. În cazul frânării la viteze mari, se înseriază în circuitul maşinilor de tracţiune rezistoarele 24, pentru limitarea curentului de frânare. După reducerea vitezei sub o anumită limită, rezistoarele 24 sunt scurtcircuitate cu ajutorul contactorului 25. Fiecare ramă de metrou este echipată cu două module invertor – 158

Capitolul 7. Transportul urban cu metrouri 159 maşini de tracţiune, controlul făcându-se de către un microprocesor care impune curentul dat de chopper şi frecvenţa de comandă a invertorului. Fiecare ţară, în funcţie de dezvoltarea tehnologică, încearcă să realizeze metrouri care să răspundă cât mai bine solicitărilor publicului călător. În marile oraşe, pentru a asigura o călătorie cât mai rapidă, de la domiciliu la locul de muncă şi înapoi, s-au dezvoltat diverse sisteme de transport. Astfel, sunt situaţii când la marginea oraşelor metrourile circulă la suprafaţă, având staţii comune cu trenurile de oraş (S-Bahn în Germania, RER în Franţa), acoperind astfel o suprafaţă mare în jurul oraşului respectiv. Faţă de variantele de metrou prezentate mai sus, există cercetări şi realizări referitoare la circulaţia metrourilor atât pe şine metalice, având roţi cu bandaje metalice, cât şi roţi pneumatice. Astfel, în Franţa există metrouri care au chiar ambele sisteme simultan, metroul putând circula atât pe calea ferată, cât şi pe două piste de lăţime mai mare, în exteriorul căii ferate, adaptate anvelopelor pneumatice. În Fig. 7.5 este prezentat un boghiu cu sistem de rulare mixt148. Prima tehnologie de acest gen a fost experimentată în anii 1950 pe o linie de metrou din Paris. Pornindu-se de la rezultatele obţinute în urma experimentelor, sistemul s-a extins la mai multe linii de metrou din Franţa şi din lume. Roţile cu anvelope pot îndeplini funcţii de tracţiune şi de frânare, iar în situaţii de urgenţă funcţiile de tracţiune şi de frânare pot fi suplimentate prin utilizarea aderenţei între şina ferată şi roata metalică cu bandaj. În unele cazuri boghiurile au, de asemenea, roţi mai mici, orizontale, care asigură ghidarea laterală a metroului (Fig. 7.5 şi Fig. 7.6). Preluarea energiei pentru propulsarea trenului se face de la o şină metalică, pe care rulează şi roţile de ghidare. Returul curentului de tracţiune este realizat prin şinele convenţionale, din oţel. Utilizarea sistemului mixt de rulare aduce o serie de avantaje, dintre care se amintesc: - deplasări mai line; - accelerare mai rapidă; - distanţe mai scurte de frânare; - capacitate mărită de a urca rampe cu o declivitate de 13%; 148

http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tro_sur_pneumatiques

Tracţiune electrică

- uzură a şinelor de oţel şi a bandajelor mai redusă, ceea ce conduce la cheltuieli de întreţinere mai mici. Sistemul mixt de rulare aduce şi dezavantaje, dintre care se amintesc: - creşterea rezistenţei de înaintare prin existenţa forţelor de frecare atât între roţile cu bandaje de fier şi calea de rulare, cât şi între roţile cu pneuri şi calea de beton; - creşterea consumului de energie; - umflarea pneurilor în trafic nu este posibilă; - degajarea unei cantităţi de căldură mai mare; - reducerea forţei de tracţiune în condiţii meteorologice nefavorabile, când metroul rulează descoperit, la marginea marilor oraşe; creşterea costurilor cu costurile generate de înlocuirea anvelopelor; - Creşterea poluării aerului, prin descompunerea în timp a anvelopelor.

Fig. 7.6 Tren de metrou cu sistem mixt de rulare

Diferenţa esenţială dintre sistemul mixt cauciuc-beton şi oţel-oţel şi sistemul clasic constă în aceea că acest sistem permite realizarea unei forţe de tracţiune mai mari, putând face faţă la sarcini mai mari, dar şi determină o rezistenţă la înaintare mai mare, motiv pentru care există opinii pro şi contra149. 149

http://en.wikipedia.org/wiki/Rubber-tyred_metro

160

Capitolul 8. Automobile electrice 161

Capitolul 8.AUTOMOBILE ELECTRICE 8.1. Scurt istoric Automobilul electric este un vehicul propulsat de un motor electric, cu alimentare de la o sursă electrică, putând fi autonom sau neautonom, în funcţie de modul de alimentare. Dacă sursa de energie electrică este amplasată pe automobil (acumulator, supercapacitor), vorbim despre un automobil autonom. Dacă sursa de energie electrică este o linie de contact, atunci vorbim despre automobil neautonom. Mai există o categorie, automobilul hibrid, care are un motor cu combustie, un generator electric, un acumulator şi un motor electric, putând fi considerat independent de o reţea de alimentare cu energie electrică. Anul apariţiei automobilului electric este incert. Există numeroase surse care indică diverşi ani şi diverşi pasionaţi de construirea unui automobilul electric. În 1834, un fierar din Brandon, Vermont, Thomas Davenport150, a construit o maşină electrică de mici dimensiuni. Tot el a brevetat, cu trei ani mai târziu, primul motor electric de curent continuu151. În jurul anului 1842 au fost inventate atât de Thomas Davenport, cât şi de scoţianul Robert Davison automobile mai practice şi mai de succes, folosind bateriile cu acumulatori ne reîncărcabili152. Bateria de acumulatori reîncărcabilă a fost inventată de către fizicianul francez Gaston Planté în anul 1865 (1859 după alte surse), care a fost îmbunătăţită în anul 1881 de conaţionalul său Camille Alphonse Faure. Acesta a şi inventat acumulatorul cu plumb-acid utilizat la automobile. În dezvoltarea automobilului electric, încă de la început s-a simţit nevoia realizării unui acumulator de capacitate cât mai mare şi de greutate cât mai mică. Primul vehicul electric poate fi considerat cel realizat după proiectul lui William Morrison în anul 1891, în localitatea Des Moines, Iowa, SUA153. Acesta era un vehicul pentru 6 pasageri, care putea însă transporta până la 12 pasageri, era alimentat de 24 celule de baterii, care erau aşezate sub scaune şi care trebuiau încărcate la fiecare circa 80 km. Bateria de acumulatori furniza o tensiune de 48 V, având o capacitate de 112 Ah şi o greutate de 2 tone. Motorul utilizat avea o putere de 4 CP şi cu ajutorul lui vehiculul a realizat un record de viteză de circa 32 km/h. 150

http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Davenport_(inventor) http://ro.wikipedia.org/wiki/Automobil_electric 152 http://www.pbs.org/now/shows/223/electric-car-timeline.html 153 http://www.electricvehiclesnews.com/History/historyearlyIII.htm 151

Tracţiune electrică

Fig. 8.1 Primul vehicul electric de succes

În Fig. 8.1 este prezentat automobilul realizat de William Morrison. Pornind de la această variantă de succes, în anul 1897 s-a inaugurat primul serviciu utilizând taxiuri electrice, în oraşul New York. La începutul secolului al XX-lea era o concurenţă puternică între producătorii de automobile electrice şi producătorii de automobile utilizând motoare cu ardere internă sau cu abur. În această perioadă, producţia de automobile atinsese cifra de 4192, din care 28% erau automobile electrice. Concurenţa între producătorii de automobile se referea la recordul de viteză şi la autonomia acestora. În timp ce viteza automobilelor electrice era în jurul a 25÷30 km/h şi autonomia între 50 ÷ 100 km, celelalte automobile atinseseră deja viteza maximă de 180 km/h şi autonomia de până la 400 km. Deşi prezentau o serie de avantaje faţă de celelalte tipuri de automobile, după anul 1920 automobilele electrice nu au mai fost considerate produse comerciale viabile şi au pierdut, pentru aproape 100 de ani, competiţia cu automobilele cu motoare termice. Având în vedere că peste 50% din poluarea atmosferică este datorată automobilelor cu ardere internă şi că au un randament de 15÷20% în zona urbană, omenirea şi-a întors privirile către automobilul electric, ca mijloc de reducere a poluării. Procesul de reintroducere a automobilului electric a demarat în anul 1966, când Congresul SUA , în baza susţinerii a 33 milioane de americani interesaţi de automobile electrice, a recomandat folosirea acestora. Abia după criza ecologică şi energetică de la sfârşitul anilor 1980 şi începutul anilor 1990 multe companii din diferite ţări au investit în această 162

Capitolul 8. Automobile electrice 163Toate marile companii care produc direcţie, sperând să obţină profituri. automobile cu motoare cu ardere internă au început să elaboreze proiecte de cercetare şi de construire a automobilelor electrice din motive de competiţie şi toate s-au lovit de aceeaşi problemă, şi anume, acumulatoarele cu plumbacid sulfuric, care au gabarite şi mase mari şi densitate de energie mică (161 Wh/kg) ceea ce limitează autonomia de deplasare şi viteza atinsă. În aceste condiţii s-a început o cercetare asiduă urmărind realizarea de acumulatoare cu performanţe ridicate. Mai multe state s-au angajat în lupta pentru realizarea de autovehicule ZEV (Zero Emission Vehicle). Astfel, California îşi propunea, prin lege, în anul 1990, ca vehiculele construite astfel, utilizate de autorităţile statului, să reprezinte 2% în 1998 şi 10% în 2003 din totalul de automobile folosite154. În intervalul 1996÷1999 firma General Motors a construit şi lansat pe piaţă primul automobil electric, EV1, care atingea 100 km/h în mai puţin de 9 s şi avea o autonomie de 100÷200 km., în funcţie de viteza medie, încărcătură şi relief155, folosind acumulatoare Ni-MH. Acest automobil avea o formă aerodinamică ce-i asigura un coeficient minim de rezistenţă. Având un preţ mare şi ţinând cont de presiunea puternică a companiilor petroliere, precum şi de presupusa lipsă de interes a cumpărătorilor, determinată de preţul mare, acesta a fost retras de pe piaţă şi reciclat. În Fig. 8.2 este prezentat automobilul electric EV1, realizat de firma General Motors 156. Acest automobil era închis, avea două locuri, folosea şasiu de aluminiu, ceea ce îl făcea să fie cu 40% mai uşor. Retragerea de pe piaţă a acestui automobil încheie procesul de neacceptare de către lumea politică, şi nu numai, a unui automobil electric. Pe lângă interesul politic, faptul că au fost utilizate vechile acumulatoare plumb-acid sulfuric a constituit un alt motiv al întârzierii apariţiei pe piaţă, pe scară mare, a automobilului electric. Dacă la acea vreme s-ar fi cunoscut bateriile litiu-ion, soarta sa ar fi fost probabil alta.

154

http://www.pbs.org/now/shows/223/electric-car-timeline.html Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs 156 http://driveco.ro/?p=2044 155

Tracţiune electrică

8.2. Avantajele şi dezavantajele transportului cu automobile electrice Faţă de alte tipuri de automobile, cele electrice au o serie de avantaje, dintre care se amintesc: - consum redus de energie; - poluare aproape nulă; - randament mare; - acceleraţie mare la demarare; - întreţinere uşoară; - încurajarea producţiei de energie în apropierea locului de consum; - nivel de vibraţii redus; - lipsa mirosului, a zgomotului asociat cu automobile cu benzină157; - lipsa schimbătorului de viteză şi înlocuirea acestuia cu o pedală; - independenţă faţă de temperaturile scăzute, în procesul de pornire; - fiabilitate crescută având în vedere că sunt eliminate o serie de piese mecanice, care uzându-se ar fi trebuit înlocuite; - impozit mai scăzut pe automobilele electrice, pentru a se încuraja extinderea acestora158; - posibilitatea reciclării 100% a acumulatorilor uzaţi159; - posibilitatea frânării recuperative. Faţă de aceste avantaje există şi dezavantaje majore, care restrâng utilizarea automobilelor electrice. Dintre acestea se amintesc: - costul încă ridicată faţă de automobilele echipate cu motoare cu ardere internă; - timpul de încărcare al acumulatorului relativ mare; - autonomia redusă ; - pierderea capacităţii acumulatorilor cu mai mult de 50% la temperaturi sub 10 °C şi mai mari de 40 °C; - riscul ca acumulatorii să se supraîncălzească şi chiar să explodeze din cauza temperaturilor mari sau a încărcării forţate; - dificultatea reîncărcării acumulatorilor la anumite tipuri de automobile electrice pentru persoanele care nu dispun de garaj; - inexistenţa pretutindeni, încă, a unei reţele de staţii de încărcare a acumulatoarilor şi necesitatea irosirii unui timp considerabil dacă nu există posibilitatea înlocuirii acumulatorilor cu alţii încărcaţi; necesitatea dotării locuinţei cu o staţie de încărcare a acumulatorilor, ceea ce determină costuri suplimentare, concomitent cu creşterea facturii de energie electrică160; 157

http://ro.wikipedia.org/wiki/Automobil_electric http://www.goalforthegreen.com/2011/04/advantages-and-disadvantages-of-electric-cars/ 159 http://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/vehicles/electric-car-battery3.htm 160 http://ezinearticles.com/?Advantages-and-Disadvantages-of-Electric-Cars&id=3227290 158

164

Capitolul 8. Automobile electrice 165autonome de persoane 8.3. Automobile electrice

Apariţia pe scară largă a automobilului electric este condiţionată de realizarea unei posibilităţi de stocare a energiei electrice, astfel încât să i se asigure automobilului o independenţă cât mai mare şi o viteză de deplasare de asemenea mare, atinsă într-un timp cât mai scurt. Având în vedere că în întreaga lume, în anul 2002, circulau circa 590 milioane de automobile, în anul 2007 circulau circa 806 milioane, iar în China şi India continuă creşterea numărului de automobile. Poluarea determinată de automobilele cu motor termic necesită introducerea pe scară tot mai largă a automobilului electric161. Cu toate dificultăţile ridicate de stocarea energiei electrice, firmele producătoare de automobile s-au angrenat în producerea de automobile electrice, mai ales pentru circulaţia în oraşe. Înlocuirea acumulatorilor de tip plumb–acid sulfuric cu acumulatori alcalini (Ni – Fe, Ni – Cd) a constituit o creştere a posibilităţilor de stocare a energiei, dar nu deosebită, acestea ajungând la o densitate de energie de 209 Wh/kg162. Condiţia ca un automobil electric să aibă o autonomie de 300 km ar necesita un acumulator având o densitate de energie de 220 Wh/kg şi o densitate de putere de 150-170 W/kg163. Acumulatoarele alcaline păstrează dezavantajul că necesită un timp relativ mare de încărcare, adică 6÷10 h. Apariţia acumulatorilor Li-Ion constituie o soluţie de moment pentru automobilele electrice, însă densitatea de energie pe unitatea de masă rămâne încă redusă. O soluţie pentru creşterea capacităţii de stocare a energiei electrice pare a fi utilizarea super-condensatoarelor. Condensatorul este în principiu cel mai bun acumulator, mult mai bun decât acumulatorul, devenit clasic, bazat pe litiu-ion, deoarece elimină reacţiile chimice şi, în consecinţă, timpul de reîncărcare este foarte scurt. Până în anul 2008 nu au existat, însă, super-condensatoare satisfăcătoare pe piaţă. În 2008, firma americană EEStor, a descoperit un nou tip de supercondensator, cu o densitate de 340 Wh/kg (condensatorii normali au o densitate în jur de 5 Wh/kg), o masă de 152 kg, un volum de 33 litri, capacitate de 31 Farad, tensiune 3500 V. Reîncărcarea cu 52 kW/h este posibilă în circa 6 minute. Primul automobil care urma să aplice această tehnologie, numit CityZENN, era planificat pentru 2009, având o autonomie de 400 km şi trebuia să atingă o viteză de 125 km/h. Preocuparea oamenilor de ştiinţă în a descoperi noi modalităţi de stocare a energiei electrice a condus la descoperirea super-capacitorului cu 161

http://webbut.unitbv.ro/teze/rezumate/2010/rom/StancaAurelCornel.pdf Ciuru, T., Tracţiune electrică, Note de curs 163 http://ro.wikipedia.org/wiki/Automobil_electric 162

Tracţiune electrică

grafen, care s-ar putea încărca în 1÷5 minute şi ar conduce la o autonomie a autovehiculului electric de peste 1000 km. Super-capacitorul ar putea fi încărcat de milioane de ori şi, în plus, fiind bazat pe carbon, el este complet ecologic164. O altă direcţie de cercetare pentru stocarea energiei electrice pe automobil este aceea a utilizării aşa-numitului super-capacitor hibrid, adică un super-capacitor încărcat de la o pilă de combustie. În aceasta, ca urmare a reacţiei chimice dintre hidrogenul înmagazinat într-un rezervor, cu oxigenul din aer, rezultă o mică cantitate de apă care se elimină în atmosferă şi o cantitate mare de energie electrică. Densitatea energetică a hidrogenului comprimat la 70 MPa este de 34.440 Wh/kg, adică de circa 3 ori mai mare decât capacitatea energetică a benzinei165. În Fig. 8.3 este prezentată schema unui automobil electric, echipat cu o pilă de combustie cu H2 şi super-capacitori care permit şi frânarea recuperativă166.

Fig. 8.3 Schema unui automobil electric cu pilă de combustie şi super-capacitori

Anul 2008 reprezintă începutul erei automobilului de serie, în totalitate cu alimentare electrică. Este anul în care s-au lansat pe piaţă diverse concepte de acumulatori cu un randament relativ ridicat şi un preţ accesibil. În acest an, constructorii de automobile şi-au propus ca până în anul 2010 să poată fi fabricată o maşină electrică performantă, de serie, pe scară largă şi la un preţ apropiat de preţul maşinilor pe benzină167. Automobilul FIORINO, produs încă din luna noiembrie 2007, de compania Fiat168, este un model de automobil cu motor electric, care nu are performanţe deosebite, dar poate transporta 2 persoane şi mărfuri cu volum până la 2,5 m3. Automobilul este echipat cu un motor electric de 30 kW, având o autonomie de până la 100 km şi atingând o viteză maximă de 164

http://stiridinit.ro/2013/02/super-acumulatorul/ http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density 166 http://www.ecti.or.th/~editoreec/Electrical%20Eng_1/v3_4.pdf 167 http://ro.wikipedia.org/wiki/Automobil_electric 168 http://www.italiaspeed.com/2007/cars/other/technology/11/newteon_fiat_fiorino/0411.html 165

166

Capitolul 8. Automobile electrice 167 80 km/h. Ultima variantă de automobil electric, Fiat 500 E, testată în baza unei înţelegeri între firma Chrysler şi firma Fiat 169, care urmează să fie lansată în SUA, arată ca în Fig. 8.4.

Fig. 8.4 Automobilul electric Fiat 500 E

Acest automobil este echipat cu un motor de 100 CP (73,55 kW), are o rază de acţiune cuprinsă între 130÷160 km între două reîncărcări. Automobilele din seria ZX40, ZX 40 S, OR 70, de viteză redusă, produse de firma americană Miles Automotive 170, în China, sunt destinate circulaţiei în oraşe, având în vedere faptul că, oricum, în oraşe viteza este redusă, până la 70÷90 km/h. Modelul ZX 40 S atinge o viteză de circa 96 km, având un motor mai puternic. Modelul este vândut şi în SUA, în statul Washington, unde poate circula cu o viteză de circa 56 km/h. Tot aceeaşi firmă a produs automobilul electric Javlon XS 500, de 4 persoane, care atinge o viteză de până la 130 km/h şi o autonomie pe autostradă de 240 km. Bateria de Li-Ion, produsă tot în China 171, are o capacitate de 80 Ah şi poate fi încărcată de la o priză obişnuită de 220 V. Durata sa de viaţă este garantată la 160.000 km. Automobilul electric ZX500S-AD, produs de aceeaşi firmă, utilizează cele mai recente realizări în domeniul componentelor electronice, fiind dotat cu un controler avansat şi un computer de bord care permite afişarea şi diagnosticarea funcţiilor cheie ale instalaţiei de putere172. Acest automobil este o alternativă bine primită de utilizatori la parcul de automobile cu combustibil de aceeaşi clasă. Automobilul electric Tesla Roadster, (Fig. 8.5), produs de firma 169

http://www.motorauthority.com/news/1067682_2013-fiat-500-elettra-electric-car-spy-shots http://de.wikipedia.org/wiki/Miles_Automotive_Group#Miles_ZX40 171 http://www.auto.ro/stiri/sedan-electric-de-la-miles-ev.html 172 http://content.yudu.com/Library/A1wfxp/GreenCaliforniaSummi/resources/24.htm 170

Tracţiune electrică

Tesla Motors, are un motor de 248 CP (185 kW), este acceptat să circule pe autostradă, deoarece dezvoltă viteza de 201 km/h (limitată electronic) şi are un acumulator Li-Ion cu o capacitate de 53 kWh. Automobilul are o autonomie de circa 400 km şi atinge viteza de 96,5 km în 3,7 s. Până în iulie 2010, automobilul a fost produs în peste 1200 buc, vândute în 28 de ţări173.

Fig. 8.5 Automobilul Tesla Roadster

Automobilul Lightning GT, produs de Lightning Car Company, are 4 motoare de câte 120 kW (165 CP), adică 700 CP în total 174, şi atinge viteza de 100 km/h în 4 s.

Fig. 8.6 Automobilul Lightning GT

În anul 2008 a fost creat cel mai rapid automobil electric din lume. Foloseşte un acumulator de 35 kWh, cu Li-Ti care se reîncarcă în 10 min. la 90%, care îi asigură o autonomie de circa 402 km, adică 250 mile. Automobilul Toyota RAV4 EV este construit de Toyota Motor Corporation şi a fost lansat pe piaţă în anul 2012 (Fig. 8.7). Este echipat cu un motor de 115 kW, alimentat de la o baterie Li-Ion, având capacitatea de 41,8 kWh, la 386 V, cu o putere maximă de 129 kW, asigurând o autonomie 173 174

http://ro.wikipedia.org/wiki/Tesla_Roadster http://ro.wikipedia.org/wiki/Lightning_GT

168

Capitolul 8. Automobile electrice

de 166 km. Acumulatorul, cântărind169 380 kg, este amplasat sub podea, ceea ce conferă o manevrabilitate mai mare autoturismului 175. Încărcarea bateriei se face de la o staţie de 40 A/240V în 5 h, în varianta standard şi în 6 ore în varianta extinsă.

Fig. 8.7 Automobilul Toyota RAV4 EV

Automobilul Nissan Leaf (acronimul de la Leading, Environmentally friendly, Affordable, Family car – Maşină de familie, la preţuri accesibile, prietenoasă cu mediul), este fabricat de Nissan şi a fost introdus în Japonia şi SUA, în decembrie 2010 (Fig. 8.8).

Fig. 8.8 Automobilul Nissan Leaf

Automobilul are acumulatori Li-Ion cu capacitatea de 24 kWh, având o densitate energetică de 140 Wh/kg, care asigură o autonomie de 121 km şi o viteză de 150 km/h. Automobilul atinge 97 km/h în 9,9 s şi este echipat, 175

http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_RAV4_EV

Tracţiune electrică

suplimentar, cu un acumulator cu Pb-H2SO4, pentru serviciile proprii176. În Fig. 8.9 este prezentată o secţiune prin automobilul Nissan Leaf, observându-se modul de dispunere a acumulatorilor şi a convertoarelor de tensiune şi frecvenţă.

Fig. 8.9 Secţiune prin automobilul Nissan Leaf

Motorul de tracţiune este de tip sincron, având o putere de 80 kW. Din cele prezentate rezultă faptul că firmele auto din întreaga lume sunt preocupate de producerea şi lansarea pe piaţă a automobilului electric, contribuind astfel la reducerea poluării mediului. Aşa cum până în jurul anului 2008 exista problema stocării energiei electrice în acumulatori cu o densitate energetică mai mare decât gazul acumulatorilor Pb-H 2SO4, în prezent o problemă în calea dezvoltării automobilului electric este realizarea şi extinderea reţelei de încărcare a acumulatorilor automobilelor electrice. Mai multe state ale lumii s-au implicat în promovarea automobilului electric. Cea mai mare implicare o are însă preşedinţia SUA, care a alocat sume importante pentru finanţarea cercetărilor în domeniul producerii de acumulatori cu densitate energetică cât mai mare, pentru componente de acţionare electrică şi pentru implementarea vehiculelor electrice de tracţiune177. În acest fel, se sprijină trecerea la o nouă generaţie de vehicule electrice avansate. În acest sens, au fost alocate sume considerabile firmelor producătoare de autovehicule electrice, dar şi universităţilor implicate în cercetare, urmărindu-se astfel obţinerea de noi metode de stocare a energiei electrice, cum ar fi super-capacitorul, despre care am amintit în acest paragraf, dar despre care la această dată nu am găsit nici o aplicaţie concretă. Extinderea ariei de folosire a automobilului electric este strâns legată de extinderea staţiilor de încărcare a acumulatorilor. 176 177

http://en.wikipedia.org/wiki/Nissan_Leaf http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_vehicle_battery

170

Capitolul 8. Automobile electrice 171 acumulatorilor şi creşterea preţului Progresele înregistrate în domeniul petrolului justifică estimarea că, în anul 2020, 90% din autovehiculele noi până la 3,5 t vor fi electrice, iar până în 2030 toate autovehiculele noi, inclusiv autocamioanele, vor fi propulsate complet electric. Ţări precum Franţa, Germania, Israel, SUA îşi pregătesc infrastructura pentru automobilele electrice sau hibride. Indiferent de tipul de automobil şi de fabricant, în realizarea automobilului electric se foloseşte o schemă de principiu 178, cum este cea prezentată în Fig. 8.10. Bateriile de acumulatori, de tracţiune, 1, conectate în serie, a căror tensiune este dependentă de numărul acestora, furnizează energia necesară deplasării automobilului electric, alimentând în acelaşi timp şi automatul programabil 6.

Fig. 8.10 Schema electrică de principiu a unui automobil electric

Prin intermediul convertorului 2, tensiunea bateriilor de tracţiune este adusă la nivelul de 12 V, adică la nivelul tensiunii bateriei pentru serviciile auxiliare 3. Cu 4 este notat comutatorul de pornire 4. Controlul funcţionării motorului de tracţiune, 12, este semnalizat de lampa 5. Automatul programabil, 6, în cazul din Fig. 8.10, este construit pentru o putere de 300 kW (400 CP) şi alimentează un motor de curent continuu, cu perii.

178

http://www.evnetics.com/evnetics-products/soliton-1/#

Tracţiune electrică

Automatul (Fig. 8.11) poate fi alimentat cu tensiune între 9÷340 V c.c., furnizând motorului un curent de până la 1000 A, la tensiunea de până la 310 V c.c. Automatul este dotat cu ventilatoare de răcire care îi asigură o temperatură de funcţionare constantă. Pedala de acceleraţie este cuplată mecanic cu axul unui senzor, care utilizează efectul Hall, alimentat la 5 V, care furnizează un semnal de ieşire transmis către automatul programabil. Tahogeneratorul 8 îi furnizează automatului programabil o informaţie despre viteza motorului de curent continuu de tracţiune, 12, şi indirect despre viteza automobilului. Siguranţele fuzibile auto, 9, protejează părţile componente ale instalaţiei electrice. Pedala de frână 10 este prevăzută cu un contact care închide circuitul lămpii de semnalizare, 11, furnizând însă şi o informaţie automatului programabil. 8.4. Automobile electrice hibride Automobilul electric hibrid a apărut ca un răspuns la necesităţile utilizatorului de a avea o autonomie cât mai mare, comparabilă cu cea a automobilului alimentat cu combustibil. Automobilul electric hibrid poate fi realizat în mai multe variante, dintre care se amintesc: - motor cu ardere internă – generator electric – baterie de acumulatoare, care alimentează un motor electric de tracţiune; - pilă de combustie – baterie de acumulatoare sau super-capacitori şi motor electric de tracţiune (Fig. 8.3); - baterie solară – baterie de acumulatoare – motor electric; - turbină eoliană – generator electric – baterie de acumulatoare, care alimentează motorul electric de tracţiune. Mai multe firme din lume, producătoare de autoturisme, sunt antrenate în producerea de autoturisme hibride. Automobilul Toyota Prius a fost produs de către firma japoneză Toyota179 la începutul anului 1997, fiind primul produs comercial de serie mare (Fig. 8.12). Acest automobil era echipat cu un motor electric de 30 kW şi un motor diesel de 58 CP, care consuma 3,8 l. la 100 km. Automobilul este echipat cu o baterie de „înaltă tensiune” de 273,6 V 179

http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_Prius

172

Capitolul 8. Automobile electrice 173 de joasă tensiune de 12 V pentru şi 6,5 Ah, pentru tracţiune şi o baterie serviciile auxiliare. Bateria de tracţiune este realizată din 38 de module, fiind de tipul NiMH, adică Nichel-Hidrură de Nichel.

Fig. 8.12 Automobilul hibrid Toyota Prius din anii 1997-2003

În octombrie 2012, firma Toyota, care producea automobilul hibrid Prius, în variantele Lexus Hybrid Drive şi Hybrid Synergy Drive, a atins o cifră de 2,8 milioane automobile vândute, începând cu primul automobil produs în 1997. Automobilul Crysler Eco Voyager, produs de firma Crysler, este destinat pentru călătorii mai lungi, având un design elegant, luxos şi cu rezistenţă aerodinamică redusă (Fig. 8.13).

Fig. 8.13 Automobilul hibrid Crysler Eco Voyager

Automobilul are un motor electric de 200 kW, alimentat de la o baterie ultramodernă Li-Ion, încărcată de la o pilă de combustie cu hidrogen, după o schemă similară cu cea din Fig. 8.3. Dispunerea părţilor principale ale autoturismului hibrid Crysler Eco Voyager180 sunt ilustrate în Fig. 8.14. În această figură se observă cele două 180

http://www.topspeed.com/cars/chrysler/2008-chrysler-ecovoyager-concept-ar47676/

Tracţiune electrică

rezervoare cu hidrogen lichid, pila de combustie, bateria de acumulatoare şi motorul electric aşezat transversal. Automobilul este 100% ecologic, eliminând în natură doar vapori de apă.

Fig. 8.14 Structura automobilului hibrid Crysler Eco Voyager

Frânarea automobilului este recuperativă, ceea ce conduce la creşterea autonomiei acestuia. Pila de combustie are o putere de 45 kW, asigurând o autonomie de 500 km până la o nouă reîncărcare 181. Automobilul atinge o viteză de 96,54 km/h în 8,8 s. Automobilul Chevrolet Volt, produs de General Motors (Fig. 8.15), este un automobil hibrid care a eficientizat utilizarea acumulatorului Li-Ion prin menţinerea acestuia la o temperatură constantă, ceea ce îl protejează de temperaturile prea scăzute sau prea ridicate, prelungindu-i viaţa182.

Fig. 8.15 Automobilul hibrid Chevrolet Volt

Acesta este echipat cu generator electric de 111 kW pentru încărcarea 181 182

http://www.autoblog.com/2008/01/14/detroit-2008-chrysler-ecovoyager-concept-lands/ http://www.chevrolet.ro/experimenteaza-chevrolet/prototipuri/

174

Capitolul 8. Automobile electrice 175tracţiune şi un motor/generator cu bateriei şi alimentarea motorului de magneţi permanenţi de 55 kW, pentru tracţiune (Fig. 8.16)183.

Fig. 8.16 Schema bloc a automobilului Chevrolet Volt

Bateria este cu Li-Ion, are o capacitate de 16 kWh, asigurând o autonomie „pur electrică” de 56 km şi poate fi încărcată la tensiunea de 230 V în timp de 4 h. La descărcarea acesteia sub o anumită valoare a capacităţii, calculatorul de bord sesizează acest lucru şi comandă pornirea motorului termic, care prin redresorul încărcător alimentează bateria. Bateria se încarcă şi atunci când autoturismul frânează, motorul de tracţiune trecând în regim de generator. Automobilul S 400 HYBRID, produs de firma Mercedes-Benz, este un deschizător de drum în domeniul tehnologiei aplicate la automobilele electrice hibride. Automobilul dispune de un motor de 3,5 l pe benzină, de tipul V6, şi de un motor electric alimentat de un sistem avansat de baterii Li-Ion. Bateria de acest tip este mult mai compactă decât bateria NI-MH (nichel-metal hidrură) şi oferă performanţe semnificativ mai bune184. Frânarea automobilului se face cu recuperare de energie electrică, încărcându-se astfel bateria. Cele două motoare pot lucra împreună, când se doreşte obţinerea unei acceleraţii mari, sau separat. Spre exemplu, la apropierea de un semafor, motorul termic se opreşte şi deplasarea este continuată cu ajutorul motorului electric. Pornirea de la semafor se face tot cu ajutorul motorului electric şi mai târziu se porneşte motorul termic. Modelul B-Class F-Cell este primul produs în serie care utilizează pila de combustie, eliminându-se astfel motorul termic 185. Acesta este 100% ecologic, eliminând în natură doar vapori de apă (Fig. 8.17). Bateria utilizată pentru tracţiune este tot de tipul Li-Ion.

183

http://en.wikipedia.org/wiki/Chevrolet_Volt http://www2.mercedes-benz.co.uk/content/unitedkingdom/mpc/ 185 http://en.wikipedia.org/wiki/Mercedes-Benz_F-Cell 184

Tracţiune electrică

Fig. 8.17 Automobilul hibrid Mercedes Benz F-Cell

Prima generaţie Mercedes-Benz F-Cell a fost pusă pe piaţă în 2002, având o autonomie de 160 km şi atingând o viteză maximă de 132 km/h. Actuala B-Class F-CELL are un motor electric mai puternic (100 kW) şi o autonomie de circa 400 km, când hidrogenul este îmbuteliat la 350 bar. Dacă presiunea în buteliile de hidrogen creşte la 700 bar, atunci automobilul are o autonomie de 678 km. Automobilul Venturi Astrolab, produs de firma franceză Venturi Automobiles186, este un automobil hibrid având ca sursă de energie 3,6 m 2 de celule fotovoltaice, care au randament de 21%. Automobilul a fost lansat la Salonul Mondial de Automobile de la Paris, în anul 2006 (Fig. 8.18).

Fig. 8.18 Automobilul hibrid Venturi Astrolab

Automobilul este echipat cu un motor electric de 16 kW, alimentat de la 7 baterii Ni-MH, care se pot încărca de la panourile solare, iar în absenţa 186

https://www.google.ro/search?q=Venturi+Astrolab&tbm

176

Capitolul 8. Automobile electrice

radiaţiilor solare se pot încărca de la 177 o sursă staţionară de energie187. Acest automobil a atins viteza de top de 120 km/h, având o autonomie de 110 km. Pentru a atinge această performanţă, automobilul este conceput ca o maşină de Formula 1, cu şasiu de fibră de carbon unidirecţională, care este uşoară şi constituie un înveliş supradimensionat pentru protecţia ocupanţilor, având o formă aerodinamică ca a iahturilor de curse. Lungimea totală a vehiculului este de 4 m. Automobilul Venturi Eclectic este un automobil care utilizează combinat energia solară şi energia eoliană (fig. 8.19)188.

Fig. 8.19 Automobilul hibrid Venturi Eclectic

Automobilul are performanţe modeste. Având o greutate de 400 kg, atinge o viteză de până la 50 km/h şi are o autonomie de circa 50 km. Autonomia poate creşte cu 7÷8 km în zi de vară însorită şi cu 15÷16 km la un vânt moderat. Viitorul automobilelor electrice sau al automobilelor hibride este strâns legat de dezvoltarea şi perfecţionarea bateriilor pentru stocarea energiei. Deşi s-au descoperit super-capacitorii, aplicaţii palpabile ale acestora nu sunt dezvăluite. Lumea ştiinţifică nu se va opri însă şi, cât de curând, această nouă posibilitate de acumulare a energiei electrice va fi utilizată. 187 188

http://www.venturi.fr/en/vehicles/astrolab http://www.howstuffworks.com/venturi-eclectic.htm

Tracţiune electrică

8.5. Autovehicule electrice autonome industriale În categoria autovehiculelor electrice autonome industriale sunt incluse acele vehicule autopropulsate care fac deplasări pe distanţe scurte, ridicând şi/sau transportând diverse materiale. Acestea sunt antrenate de motoare electrice, alimentate de la baterii de acumulatori, şi pot fi: electrocare, electrostivuitoare, transpalete, electroplatforme, tractoare electrice, vehicule electrice pentru industria alimentară, maşini electrice de curăţenie industriale etc. Electrocarul este un vehicul autopropulsat, acţionat de un motor electric, alimentat de la o baterie de acumulatoare proprie, folosit pentru transportul de materiale pe distanţe scurte în ateliere, depozite, gări etc189. În realizarea de electrocare s-au parcurs aproximativ aceleaşi etape ca şi în acţionările electrice ale trenurilor, tramvaielor, troleibuzelor etc. La început, pentru tracţiune se utilizau motoare electrice de curent continuu, pornite prin intercalarea unor rezistenţe înseriate în circuitul indusului, prin intermediul contactoarelor. Pentru pornire, accelerare, frânare, reversare de sens schemele electrice utilizau doar contactoare. Evident, eficienţa utilizării energiei electrice era redusă tocmai datorită faptului că la pornire şi la modificarea vitezei se utilizau rezistoare. Un astfel de electrocar este cel prezentat în Fig. 8.20, tip EP 006.2, produs de către firma Balkancar din Bulgaria. Acesta poate transporta o sarcină de 2 t şi o remorcă pe care se pot aşeza încă 2 t. Masa proprie a electrocarului cu bateria montată este de 1370 kg, viteza de deplasare cu sarcină este de 16 km/h, iar fără sarcină, de 20 km/h. Electrocarul este echipat cu un motor de curent continuu de 3,6 kW, alimentat de la o baterie de tracţiune de tip Panzer, sub licenţă Varta, având tensiunea de 2x40V şi capacitatea 165 Ah. Pentru încărcarea acestei baterii se foloseşte redresorul care furnizează 80 V la 30 A, care se decuplează automat la terminarea încărcării190. Acest electrocar, la cerere, poate fi echipat cu un sistem electric numit „Curtis”, care presupune înlocuirea sistemului cu contactoare cu un variator 189 190

http://dexonline.ro/definitie/electrocar http://www.stivuitoarehercu.ro/electrocare-balkancar.html#

178

Capitolul 8. Automobile electrice 179 eficienţa utilizării acumulatorilor de tensiune continuă (chopper). Evident, în acest caz este considerabil mai mare. Odată cu apariţia tiristoarelor şi tranzistoarelor de mare putere s-au conceput scheme care utilizează convertoare statice autonome de tensiune, iar motoarele de curent continuu au fost înlocuite cu motoare de curent alternativ. Electrostivuitorul este un utilaj folosit pentru ridicarea, manevrarea, şi transportul paleţilor, navetelor etc. Acesta este acţionat prin intermediul unui mecanism electrohidraulic de un motor electric, alimentat de la reţea electrică sau de la o baterie de acumulatori191. Electrostivuitorul este autonom atunci când este alimentat de la o baterie de acumulatoare. Există o gamă foarte largă de electrostivuitoare, mai multe firme fiind producătoare de astfel de utilaje. În Fig. 8.21 este prezentat un electrostivuitor192 Nissan QX2-30, care are o capacitate de ridicare de 3 t la o înălţime cuprinsă între 3 şi 7 m. Acesta este echipat cu două motoare electrice de câte 8 kW pentru deplasare şi un motor de 22 kW pentru ridicare. Toate motoarele sunt de curent alternativ, cu consum mic şi fiabilitate ridicată. Tracţiunea, ridicarea şi frânarea recuperativă este controlată electronic. Motostivuitorul este dotat şi cu servodirecţie. Bateria de tracţiune are tensiunea de 80 V şi capacitatea de 775 Ah. Pentru încărcarea bateriei de acumulatoare se utilizează un redresor având tensiunea de 80 V, la un curent de 140 A, produs tot de firma Nissan. Transpaleta electrică este un utilaj folosit pentru manevrarea şi transportul mărfurilor ambalate în paleţi, după ce au fost ridicate la o mică înălţime deasupra locului de depozitare. Transpaleta electrică Crown193 WT3040-2.0, prezentată în Fig. 8.22, produsă de firma Crown, din Germania, poate transporta paleţi de până la 2 t, după ce au fost ridicaţi la 125 mm, fiind dotată cu un motor electric de tracţiune, având puterea de 2,5 kW de curent alternativ. 191

http://dexonline.ro/definitie/electrostivuitor http://www.vectra.ro/electrostivuitoare.html?electrostivuitor=10 193 http://www.utilspc.ro/produse/16-transpalete/51-transpalete-electrice-fara-catarg-crown-germania/ 192

Tracţiune electrică

Pentru dispozitivul de ridicare, transpaleta este prevăzută cu un motor electric având puterea de 2,2 kW, care antrenează o pompă hidraulică. Bateria de acumulatoare cu care este dotată transpaleta are tensiunea de 24 V şi capacitatea de 315 Ah. Viteza maximă de deplasare, fără sarcină, este de 10,5 km/h, iar cu sarcină, de 7,5 km/h. Viteza de ridicare este de 0,04 m/s când există sarcină şi de 0,06 m/s când nu există sarcină. Din preocuparea omului de a-şi face viaţa mai uşoară şi mai plăcută au rezultat o mulţime de alte aplicaţii ale transportului electric de persoane şi mărfuri. În funcţie de domeniul de utilizare, formele, dimensiunile acestor transportatoare electrice sunt tot mai variate. Astfel, există transportatoare electrice pentru jocul de golf, pentru aplicaţii în agricultură, pentru divertisment, pentru curăţenie şi lista poate continua. 8.6. Autovehicule electrice neautonome În scopul reducerii poluării mediului înconjurător şi al transportării unor cantităţi tot mai mari de materiale, cercetătorii unor firme s-au preocupat de-a lungul timpului şi de implementarea tracţiunii electrice la utilajele grele: camioane, basculante, excavatoare etc. Camioanele de mare capacitate, alimentate ca un troleu, au fost folosite sporadic în diverse ţări, în funcţie de necesităţile de moment: construire de baraje, exploatarea cărbunelui la suprafaţă etc. Este cunoscută aplicaţia dintre anii 1936÷1962, din Italia, când pentru construirea barajului Valtellina au fost montate două linii cu o lungime totală de 80 km (Fig. 8.23). Douăzeci de camioane troleu 180

Capitolul 8. Automobile electrice 181materiale de construcţie194. au transportat atunci beton, nisip şi alte În Fig. 8.24 sunt prezentate două camioane cu tracţiune mixtă, adică motor diesel şi motoare electrice alimentate de la linia de contact, prin intermediul pantografelor ca şi la tramvai, rulând pe autostradă195.

Fig. 8.24 Autocamioane cu tracţiune mixtă, rulând pe autostradă

Specialiştii de la firma Siemens au realizat o porţiune de autostradă, dotată cu conductoare electrice suspendate, pe care circulă camioane cu motoare hibride diesel-electrice. Linia de contact este formată din două conductoare, ca la troleibuz, pe fiecare conductor lunecând câte un pantograf. Camioanele pot circula lansat, folosind numai energia electrică, prin ridicarea unui pantograf, iar atunci când este necesară depăşirea altui camion, pantograful se decuplează, iar camionul circulă în continuare utilizând motorul diesel. În regimul de funcţionare conectat la reţea, camioanele beneficiază de posibilitatea frânării recuperative. Astfel, energia cedată în timpul frânării este evacuată în reţea şi folosită de alte camioane care rulează pe acel traseu196. O altă utilizare a basculelor troleu este la Rössing, în Namibia, la o mină de uraniu. Alimentarea la 2600 V c.c. permite ca motorul diesel, cuplat cu un generator sincron trifazat, să funcţioneze la relantiu, făcând ca motorul diesel să consume circa 20% din cantitatea de combustibil consumată dacă ar funcţiona la sarcină nominală. Evident, în acest caz, şi emisiile de CO2 reprezintă doar 20% faţă de cazul în care ar funcţiona doar motorul diesel197. În această situaţie, cele două motoare de tracţiune, de curent alternativ trifazat, sunt alimentate de la linia de contact, prin intermediul convertoarelor. Energia electrică este şi considerabil mai ieftină decât motorina, deci se pot face economii, în exploatare, considerabile. Atunci când basculanta 194

http://www.lowtechmagazine.com/2009/07/trolleytrucks-trolleybuses-cargotrams.html https://www.google.ro/search?q=Camioane+electrice&hl 196 http://www.designboom.com/technology/ehighway-electric-lines-to-power-hybrid-trucks-in-la/ 197 http://www.riotinto.com/documents/ReportsPublications/Review_81.2-with-trucks-like-trolley195

Tracţiune electrică

circulă în afara traseului amenajat cu linii de contact, motorul diesel antrenează generatorul sincron trifazat, şi acesta, prin intermediul unor convertoare electronice, alimentează două motoare plasate pe puntea din spate a vehiculului198. În Fig. 8.25 sunt prezentate două astfel de basculante troleu, de la două exploatări diferite199, 200.

Fig. 8.25 Autobasculante troleu cu tracţiune mixtă

Sistemul de alimentare a motoarelor trifazate este realizat de firma Siemens şi este similar celui folosit în cazul trenurilor din generaţia a treia şi a patra, adică sunt folosite tiristoare IGBT răcite cu lichid, care aduc avantajele tehnologiei de ultimă oră201. Dinamica dezvoltării tracţiunii electrice în ultimii 60 de ani, dar mai ales în ultimii 20 de ani, ne permite să afirmăm că soluţiile prezentate acum ca fiind de ultimă oră, peste un scurt timp vor fi depăşite serios. Spre exemplu, utilizarea super-capacitorilor ar determina un salt uriaş în apariţia pe scară largă a automobilului electric autonom şi ar simplifica considerabil şi schemele de acţionare utilizate în alte tipuri de tracţiune electrică.

198

http://w3.usa.siemens.com/us/SiteCollectionDocuments/WSSResources/Internet/Misc/ http://www.youtube.com/watch?v=5VU_Lpch1Vk 200 http://www.lowtechmagazine.com/2009/07/trolleytrucks-trolleybuses-cargotrams.html 201 http://www.komatsuamerica.com/PDFs/CE_Trucks_Feb09.pdf 199

182

Bibliografie 183

Bib liografie 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.

22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29.

30.

Cantemir, L., Oprişor, M., Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1971. Cososchi, B., Drumuri, trasee, Editura Societăţii Academice „Matriu-Teiu Botez”, Iaşi, 2005. Ciuru, T. Tracţiune electrică, E. D. P., Bucureşti, 1979. Ciuru, T. Tracţiune electrică, Note de curs. Fransua, A., Măgureanu, R. Maşini şi acţionări electrice – elemente de execuţie, Editura tehnică, Bucureşti 1986. Hortopan, G. Utilizarea energiei electrice – Tracţiune electrică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1963. Marcu, M., Schemele electrice şi comenzile locomotivelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1992. Nicola, D.A., Cismaru D.C., Tracţiune electrică, fenomene, modele, soluţii, vol I, Editura SITECH, Craiova, 2006. Onea, R. Construcţia, exploatarea şi întreţinerea instalaţiilor fixe de tracţiune electrică, Editura ASAB, Bucureşti, 2004. Piroi, I. Maşini electrice, Editura Eftimie Murgu, Reşiţa, 2009. Ruja, I., Acţionări electrice, Universitatea „Eftimie Murgu” Reşiţa, 1994. Tulbure, V., Cursul de locomotive electrice, prezentare power point. Văzdăuţeanu, V. Tracţiune electrică, Litografia Institutului Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 1984. *** http://www05.abb.com/global/scot/scot232.nsf/. *** http://www.autoblog.com/2008/01/14/detroit-2008-chrysler-ecovoyagerconcept-lands/. *** http://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/vehicles/electric-carbattery3.htm. *** http://www.auto.ro/stiri/sedan-electric-de-la-miles-ev.html *** http://www.cfr.ro/JF/Romana/0309/diesel.htm. *** http://www.chevrolet.ro/experimenteaza-chevrolet/prototipuri/. *** http://www.conferinte.clubferoviar.ro/infrastructuredevelopment. *** http://content.yudu.com/Library/A1wfxp/GreenCaliforniaSummi. *** http://www.designboom.com/technology/ehighway-electric-lines-topower-hybrid-trucks-in-la/. *** http://dexonline.ro/ - Dicţionarul explicativ al limbii române. *** http://dli.ro/cand-a-aparut-metroul.html. *** http://driveco.ro/?p=2044. *** http://www.ecti.or.th/~editoreec/Electrical%20Eng_1/v3_4.pdf. *** http://www.ehow.com/info_8084953_disadvantages-subwaysystems.html. *** http://www.electricvehiclesnews.com/History/historyearlyIII.htm. *** www.elewatt.ro/agenda-tehnică/motorul-sincron. *** http://em.ucv.ro/cercetare.

Tracţiune electrică

31.

32. 33.

34. 35. 36. 37.

38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48.

49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62.

63. 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71.

*** http://www.evnetics.com/evnetics-products/soliton-1/#. *** http://ezinearticles.com/?Advantages-and-Disadvantages-of-ElectricCars&id=3227290. *** http://florent.brisou.pagesperso-orange.fr/Fiche%20TMST.htm. *** http://www.forumtrenuri.com. *** http://www.goalforthegreen.com/2011/04/advantages-and disadvantages-of-electric-cars/. *** http://www.google.ro/search?q=Transrapid+08&hl. *** http://www.google.ro/imgres?imgurl=http://www.romania-insider.com/. *** http://www.google.ro/#hl=ro&output=search&sclient=psy ab&q=troleibuze&oq. *** http://www.howstuffworks.com/venturi-eclectic.htm. ***. http://www.icpe-me.ro/images/docs/RST%. ***. http://www.inda.ro/p2_5r.html. *** http://www.indaeltrac.com/pdf/tractiune-electrica/actionari. *** http://www.infineon.com/dgdl/. *** http://www.italiaspeed.com/2007/cars/other/technology/11/newteon. *** http://jfgieras.com/lsm-chapter%25201.pdf. *** http://www.komatsuamerica.com/PDFs/CE_Trucks_Feb09.pdf. *** http://www.larouchepub.com/other/2007/426dane-german._ *** http://library.witpress.com/pages/PaperInfo.asp?PaperID=21454. *** http://www.lowtechmagazine.com/2009/07/trolleytrucks-trolleybuses cargotrams.html. *** http://www.maglev.ir/eng/documents/papers/conferences/. *** http://www.mediafax.ro/social/calatoria-cu-metroul-platita-prin-sms. *** http://www2.mercedes-benz.co.uk/content/unitedkingdom/mpc/. *** http://metroubucuresti.webs.com/materialrulant.htm. ***http://www.metrorex.ro/resurse/RaportActivitate/rap_activitate_mtx. *** http://www.motorauthority.com/news/1067682_2013-fiat-500-elettraelectric-car-spy-shots. *** http://web-mp.iutmontp.univ-montp2.fr. *** http://ninpope-physics.comuv.com/maglev/howitworks.php. *** http://www.oradea.ro/fisiere/module_fisiere/2340/Anexa_4. *** http://www.ovidiupopovici.ro/CARTE%20TRACT.ELECTRICA. *** http://www.pbs.org/now/shows/223/electric-car-timeline.html. *** http://peter-hug.ch/lexikon/Pferdebahnen. *** http://www.railfaneurope.net/tgv/research.html#traction. *** http://www.railnet.ro. *** http://www.railnet.ro/viewtopic.php?f=59&t=2026. *** http://www.4rail.net/ref_fast_tgvagv.php#tgv-pse. *** http://www.romania-insider.com/. *** http://www.riotinto.com/documents/ReportsPublications/Review_81.2. *** http://www.saerp.ro/info.htm. *** http://www.siemens.com/history/en/news/1071_trolleybus.htm. *** http://www.smartplanet.com/blog/smart-takes/. *** http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en_US/ElectronicsChemicals. 184

Bibliografie

72.

73. 74. 75. 76. 77. 78. 79. 80. 81. 82. 83. 84. 85. 86. 87. 88. 89. 90. 91. 92. 93. 94. 95. 96. 97. 98. 99. 100. 101. 102. 103. 104. 105. 106. 107. 108. 109. 110. 111. 112. 113. 114.

185 *** http://www.sparvagnariskane.se/wp-content/uploads/2012. *** http://www.springerlink.com/. *** http://www.stivuitoarehercu.ro/electrocare-balkancar.html#. *** http://www.strassenbahnen-online.de/tatra/t1. *** http://stiridinit.ro/2013/02/super-acumulatorul/. *** http://www.tbus.org.uk/news2011.html. *** http://thetransportationgazette.com/2010/07/advantages-and Disadvantages. *** http://www.topspeed.com/cars/chrysler/2008-chrysler-ecovoyagerconcept-ar47676/. *** http://www.trainweb.org/tubeprune/Rolling%20Stock.htm. *** http://www.transport-in-comun.ro/ploiesti/tramvaie/timis2. *** http://www.urtp.ro/library/evenimente/13mai10/sesiunea3. *** http://users.utcluj.ro/~dtl/TF/cursuri_tf.html. *** http://www.vectra.ro/electrostivuitoare.html?electrostivuitor=10. *** http://www.venturi.fr/en/vehicles/astrolab. *** http://xa.yimg.com/kq/groups/23876473/327155647/name/. *** http://www.youtube.com/watch?v=5VU_Lpch1Vk. *** http://zeceintop.ro/zece-lucruri-despre-metrou/. *** www.ziare .com. *** http://w3.usa.siemens.com/us/SiteCollectionDocuments/. *** http://webbut.unitbv.ro/teze/rezumate/2010/rom/. *** http://www.utilspc.ro/produse/16-transpalete/51-transpalete-electricefara-catarg-crown-germania/. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/Automobil_electric. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Biela_Valley_Trolleybus. *** http://de.wikipedia.org/wiki/CM1_Dolphin. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_current_brake. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_vehicle_battery. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/Fi%C8%99ier:Skoda_14Tr02_6.jpg. *** http://en.wikipedia.org/wiki/File:DieselElectricLocomotive. *** http://en.wikipedia.org/wiki/File:ICE3_Euerwangtunnel.jpg. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Hovercraft. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Hovertrain. *** http://en.wikipedia.org/wiki/JR%E2%80%93Maglev. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/Lightning_GT. *** http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_maglev_train_proposals. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/London_Underground. *** http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tro_sur_pneumatiques. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Mag-lev_train#First_patent. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Mercedes-Benz_F-Cell. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/Metroul_din_Bucure%C8%99ti. *** http://de.wikipedia.org/wiki/Miles_Automotive_Group#. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Nissan_Leaf. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Rubber-tyred_metro.

Tracţiune electrică

115. 116. 117. 118. 119. 120. 121. 122. 123. 124. 125. 126. 127.

*** http://en.wikipedia.org/wiki/Shanghai_Maglev_Train. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/Shinkansen. *** http://en.wikipedia.org/wiki/SNCF_TGV_Sud-Est. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/Tesla_Roadster. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Davenport_(inventor). *** http://en.wikipedia.org/wiki/Tram. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_RAV4_EV. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_Prius. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/Troleibuze_%C3%AEn_Bucure%C8. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Trolleybus. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/Tunelul_Seikan. *** http://ro.wikipedia.org/wiki/U-Bahn_Viena. *** http://en.wikipedia.org/wiki/Ultra_Low_Floor.

186