În ultimul număr am prezentat una din aplicațiile produse de ICPE ACTEL în domeniul tracțiunii feroviare și navale, folosind motorul de c.c. în dezvoltarea cuplului active de tracțiune. Printre elementele evidențiate în articol amintesc: o introducere privind aspectele specifice acționărilor electrice în domeniul tracțiunii, sistemele de acționare utilizate în tracțiunea electrică, convertoare utilizate pentru acționarea motoarelor de c.c. în tracțiune, concluzii privind specificitatea soluțiilor practicate de ICPE ACTEL prin prisma dezideratului propus privind eficiența energetică a acestora.
1. Introducere
În numărul trecut am abordat probleme specifice regimului de tracțiune privind producerea cuplului activ de tracțiune cu motoare de c.c. fără a menționa și metodele de frânare strict necesare în aceste procese. Frânarea poate fi liberă și necontrolată în cele mai rare cazuri și frânare voită și controlată în cele mai dese situații. De asemenea, în acest număr voi prezenta și soluțiile de acționare în regim de tracțiune și frânare folosind motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit.
Dată fiind importanța frânării în regimul de tracțiune, specialiștii, dar și regulile privind siguranța circulației, au impus pentru frânare un regim de redundanță de 200%, uneori 300%, astfel încât în afara regimului de frânare, care este în concordanță cu eficiența energetică a procesului de tracțiune, există și o frânare mecanică, de emergență, care va asigura o siguranță sporită a opririi.
În continuare voi aborda numai frânarea electrică a mijloacelor de transport (locomotive, nave) folosind motorul de c.c.
2. Frânarea electrică în tracţiunea electrică
Frânarea electrică a mijloacelor de transport amintite constă în principal în înlăturarea (eliminarea, ruperea) alimentării motorului de c.c. cu energia necesară producerii cuplului activ de tracțiune și consumarea energiei înmagazinată în mașina de c.c. Acest mod de frânare se întâlnește în literatura de specialitate sub denumirea de frânare dinamică, ea având două moduri de exprimare:
• cu disiparea energiei pe o rezistență de frânare;
• cu recuperarea energiei de frânare în rețeaua de alimentare publică, numită și frânare recuperativă.
Dacă prima metodă se folosește în general în tracțiunea diesel electrică (locomotive, nave), cea de-a doua metodă se folosește numai în tracțiunea electrică și reprezintă o metodă importantă pentru asigurarea unei eficiențe energetice sporite procesului de tracțiune.
3. Principiul frânării dinamice în tracţiunea electrică
Schema electrică pentru frânarea dinamică folosind rezistența de frânare Rf este prezentată în figura 1
- FIGURA 1. Schema electrică de principiu pentru frânarea dinamică a motorului de c.c. cu excitație separată.
În regimul de tracțiune, sursa de energie S, care poate fi formată din unul sau mai multe grupuri diesel-generator sau poate fi rețeaua electrică de alimentare publică de medie tensiune sau joasă tensiune, asigură energia necesară dezvoltării cuplului activ de tracțiune controlat prin intermediul convertorului c.a./c.c. u, întreruptoarele Q1 și Q2 fiind închise, iar Q3 deschis.
În regimul de frânare, întreruptoarele Q1 și Q2 se deschid, Q3 se închide, iar motorul M excitat va debita energia înmagazinată pe rezistența Rf. Ecuațiile mașinii la frânare sunt:
Din relațiile 1 și 2 rezultă:
Cum toate elementele din relația 3 sunt mărimi pozitive se pot desprinde următoarele:
• cuplul de frânare va determina scăderea turației
- FIGURA 2. Caracteristica de frânare
n=f(Mf) pentru rezistența de frânare Rf fixă
acest lucru rezultat și din panta caracteristicii Mf = f(n) se face cu atât mai repede cu cât valoarea Rf este mai mică,
Caracteristica de frânare se regăsește în figura 2.
Pentru valori ale rezistenței Rf variabile se obține o caracteristică spectru de pantă variabilă pentru caracteristica de frânare n=f(Mf). Schema electrică pentru frânarea dinamică recuperativă este prezentată în figura 3
- FIGURA 3. Schema electrică de principiu pentru frânare electrică recuperative
Din punct de vedere constructiv, convertorul u este un convertor în 4 cadrane astfel încât sensul conversiei de energie este:
• dinspre sursa S spre motorul M în regim de tracțiune;
• dinspre motorul M înspre sursa S în regim de frânare.
Avantajele acestei metode constau în:
• obținerea unei „rezistențe echivalente de frânare” variabile prin utilizarea rețelei de putere infinite în comparație cu puterea motorului de tracțiune. În acest mod se impune un curent de frânare variabil între 0 și curentul nominal al motorului, astfel încât energia motorului se va consuma pe o rezistență (echivalentă);
• eficiența energetică sporită pentru procesul de tracțiune prin recuperarea energiei de frânare în rețeaua de alimentare.
4. Utilizarea motorului asincron în tracţiunea electrică
Avantajele motorului asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit (simplu din punct de vedere constructiv, robust, ieftin, întreținere redusă etc), în comparație cu cel de curent continuu, l-au impus tot mai mult în ultimul timp în foarte multe aplicații industriale, inclusiv în tracțiune.
Pornind de la relația cuplului electromagnetic dezvoltat de mașina asincronă,
și ținând cont de relațiile:
și neglijând R1 ≅ 0 ecuația 4 devine:
Observăm în relația 9 că:
• pentru menținerea raportului U1/f1 = ct
• pentru neglijarea sumei L(σ1)+L’(σ2) se poate spune că:
Astfel spus, în condițiile de mai sus motorul asincron se comportă ca și motorul de curent continuu. Schema electrică de principiu a acționării motorului asincron pentru tracțiunea electrică este prezentată în figura 4.
- FIGURA 4. Schema electrică de principiu a acționării motorului electric asincron în tracțiunea electrică
Principial, rolul obținerii acestei caracteristici mecanice pentru motorul asincron, similară cu cea prezentată pentru motorul de c.c., aparține convertorului c.a./c.a. u, din figura 4.
Acesta primește la intrare o tensiune fixă u1, de frecvență fixă f1 și oferă la ieșire o tensiune variabilă de frecvență variabilă, astfel încât raportul U1 /⁄f1 = ct. Evoluția sistemelor de calcul, a microcontrolerului cu memorii ridicate și viteze de calcul similare au condus și la alte principii de optimizare a reglării de tip U / f = ct, cu sisteme de reglare de tip vectorial, de control al fluxului în întrefierul mașinii etc.
În situațiile utilizate în tracțiunea electrică se folosesc două tipuri de convertoare c.a./c.a., diferențiate de modelul convertorului de c.c./c.a., subsecvent, și anume:
• soluția cu invertoare de curent;
• soluția cu invertoare de tensiune. Invertorul de curent este adecvat în general aplicațiilor de puteri mari și foarte mari având avantajul unor răspunsuri dinamice foarte bune, pe când invertorul de tensiune de tip PWM are avantajul unei eficiențe energetice ridicate și a unei frânări recuperative a motorului de tracți-une mult mai facilă.
5. Concluzii
În aplicațiile detaliate de ICPE ACTEL în domeniul tracțiunii, tendința ultimilor ani a fost aceea de a folosi tandemul:
• Motor de c.c. -convertor de c.a. / c.c. pentru tracțiune navală;
• Motor de c.a. – convertor de c.a. /c.a. pentru tracțiune feroviară.
Indiferent de domeniu, aspecte privind dezvoltarea de soluții cu eficiență energetică maximă au ținut de:
• Alegerea motoarelor electrice din clasa celor cu randamente ridicate;
• Alegerea convertoarelor de acționare a motoarelor cu multiplu de 6 pulsuri pentru regimuri de calitate sporită a energiei vehiculate;
• Alegerea de regimuri de frânare fie recuperativă, fie dinamică în regim de compensare cu serviciile interne auxiliare ale vehiculelor acționate.
Soluțiile ICPE ACTEL s-au îndreptat atât spre vehiculele (nave, locomotive) de mare putere, cât și pentru cele de agrement și de manevră.
Ion Potârniche este dr. ing., Director General ICPE ACTEL
