echiparea si modernizarea vagoanelor de calatori in ... - IPA SA

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
ECHIPAREA SI MODERNIZAREA VAGOANELOR DE
CALATORI IN CONFORMITATE CU NORMELE
EUROPENE
Contract CEEX nr. X1C04/2005
Coordonator: Prof. Dr. Ing. Corneliu Mihail ALEXANDRESCU, UPB-CEPETET
Conf. Dr. Ing. Ioan STRAINESCU, ICPE-SAERP
Ing. Vasile RADULESCU, ICPE-SAERP
Sef. lucrari Dr. Ing. Dorin Laurentiu BURETEA, UPB-CEPETET
Ing. Florin BOZAS, ICPE-SAERP
Ing. Beniamin ENACHE, ICPE-SAERP
Prin contractul de cercetare X1C04/2005 s-a propus modernizarea unor echipamente electrice
de pe vagoanele de calatori aflate in exploatare sau care vor fi construite in Romania. Contractul are
drept obiect sursele de electroalimentare si echipamentele de comanda si diagnoza pentru instalatiile de
aer conditionat.
SURSELE STATICE
In prezent sunt in tara in exploatare un numar mare de vagoa`ne de calatori care nu au dotarile
necesare sa asigure un confort rezonabil al calatorilor si care au costuri de intretinere ridicate.
Majoritatea sunt dotate cu grupuri rotative ce asigura la iesire o tensiune de 28 Vcc necesara pentru
incarcarea bateriilor de acumulatoare si a consumatorilor auxiliari. Tendinta actuala este de a dota noile
vagoane sau cele modernizate in functie de clasa de utilizare cu sisteme de climatizare precum si
utilitati ce cresc gradul de confort al calatorilor (prize pentru laptopuri, aparate de ras, televizoare,
cuptoare cu microunde, etc). S-a pus problema din ce in ce mai acuta ca pentru rentabilizarea
vagoanelor romanesti, acestea sa poata circula pe traficul international. Sursele statice ce sunt destinate
sa doteze vagoanele de calatori pentru trafic european sunt surse ce admit la intrare toate cele 4 tensiuni
conform UIC 550 0R. Sursele statice cu 2 tensiuni de intrare (1.500 Vca-50 Hz si 1.000 Vca- 16 2/3
Hz) sunt destinate traficului in Romania, Ungaria si Austria. Sursele statice cu o singura tensiune de
intrare vor echipa vagoane pentru traficul intern. Indiferent de numarul si valoarea tensiunilor de
intrare, sursele statice de pe vagon trebuie sa asigure:
Alimentarea sistemului de climatizare cu o tensiune de 3 x 400 Vca – 50 Hz sau alta tensiune
necesara;
Alimentarea consumatorilor interni ai vagonului cu tensiunea monofazata de 230 Vca- 50 Hz
(prize pentru laptopuri, calculatoare, televizoare, aparate de ras, cuptoare cu microunde, etc).
Sursele sunt realizate in tehnologia IGBT cu invertoare de inalta frecventa ce le confera un randament
ridicat corelat cu un gabarit redus. Sistemul de comanda, control si diagnoza este realizat cu
microprocesoare si este ierarhizat pe nivele. Schema partii de putere a unei surse statice este prezentata
in figura 1.
Sursele susmentionate au la baza o schema cu invertor cu tranzistoare IGBT de frecventa alimentat
direct pe inalta tensiune de intrare, utilizand sisteme de izolatie adecvate. Frecventa de lucru
intermediara este cuprinsa intre 300…400 Hz, in acest fel transformatorul pe care debiteaza invertorul
are un gabarit si cost mai mici in comparatie cu invertoarele cu frecventa intermediara de 50 Hz.
Invertorul de I.T- 19, debiteaza pe primarul unui transformator monofazat 23, realizat din doua
infasurari primare care sunt conectate in serie cand tensiunea de intrare nominala este de
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
5

2
2
2
1
2
1
1
1
2
2
1
1
2
1
2
1
3
4
5
6
3
4
5
6
2
1
2
1
1
2
2
2
1
1
2
2
1
1
1
PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
76
36
78
E
2X8
1X1
1500Vc.a - 50Hz
1000Vc.a - 16 2/3Hz
3000Vc.c
1500Vc.c
1X2
1 2
1
1 2
2
1 2
11
1 2
10
1 2
12
13
14
15
16
17
18
19
20
3 4
1 2
22b
22a
22b
1 2
23
24
25
26
27
29
1 2
28
30
31
32
33
35
34
5
6
1x11
1x12
7
21 36 46 55 66
76
1 2
3
1x13
1x14
9
8
1x21
1 2
4
1x22
1x23
1x24
82
22
76 21
39 40 41
49 50
1 2
1 2
77
76
42
43
76
51
46
45
44
55
54
53
79
80
56
1 2
1 2 1 2
37
1 2
1 2 1 2
47
38
48
2X3
2X4
2X5
2X6
2X7
2X8
2X12
CONS.I 3X400
Vc.a-2...50Hz
CONS.I 3X400
Vc.a-50Hz
FIG.1
1 2
85
83
84
86
59 60
1 2
61
52
62
63
76
64
65
66
81
68
67
69
70
1 2
57
72
71
73
1 2
74
58
75
(-)
2X13
2X9
2X10
2X11
CONS. 220
Vc.a-50Hz
CONS.
24Vc.c
6
Figura 1. Schema partii de putere a sursei statice
3.000 Vcc si respectiv in paralel pentru celelalte 3 tensiuni de intrare, prin intermediul contactelor 22a
si 22b comandate de blocul de sesizare tensiune de intrare 22.
Blocul de sesizare tensiune de intrare realizat de ICPE SAERP este realizat cu microprocesor, si
asigura, prin insumarea a 256 de esantioane a tensiunii de intrare pe cate o durata de aproximativ 0,3 s,
determinarea tensiunii efective si frecventei fara greseala, inclusiv in cazurile in care tensiunea
alternativa este sinusoidala, trapezoidala sau dreptunghiulara.
Totodata echipamentul afiseaza la sistemul propriu de afisare tensiunea de intrare si respectiv
transmite informatiile necesare despre tipul tensiunii de intrare, (tensiunea culeasa de la conducta
principala a trenului), la tabloul de comanda al vagonului.
Tensiunea de iesire din transformator este redresata si filtrata de inductanta 25 (de valoare ridicata) si
condensatorii 27 fiind prestabilizata la cca. 600 Vcc, acesta prin comanda corespunzatoare a invertorului, de
catre blocul de comanda si control 21 realizat cu microprocesor, prin intermediul driverului 20. Tensiunea de
600 Vcc, este aplicatä unor condensatoare 61,62 si 63 si apoi este aplicata unui invertor monofazat cu
frecventa intermediara ridicata mai mare de 10 kHz- 64, realizat cu tranzistoare IGBT sau HEXFET,
comandat cumicroprocesor. Tensiunea de iesire din invertor depinde de temperatura bateriei de acumulatoare.
Invertorul monofazat debiteaza pe un transformator monofazat coborator de tensiune- 68, tensiunea de pe
infasurarea secundarä fiind aplicatä unei punti redresoare 69. Tensiunea de iesire din redresor, este transmisä
la un filtru LC – 70,71 de dimensiuni mici, deoarece tensiunea redresatä este de frecventa ridicata. Blocul de
reglare 66 asigura curentul de incarcare al bateriei de acumulatoare sa nu depaseasca o valoare data, pentru
acumulatorii cu Pb utilizati fiind de 80 A. In aceasta perioada de limitare a curentului de incarcare al bateriei,
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
de obicei o perioada scurta, mai mica de 10 minute, tensiunea spre baterie si consumatori va fi mai mica decat
cea normala. In functionarea normala in care sursa debiteazä spre bateria de acumulatoare un curent mai mic
decat cel maxim admis, tensiunea aplicata bateriei de acumulatoare si respectiv consumatorilor de servicii
auxiliare alimentati la tensiunea nominalä de 24 Vcc va fi de exemplu in functie de temperatura bateriei de
acumulatoare conform conditiilor din tabelul 1.
Temperatura
[ o C ]
Tabelul 1. Tensiunile pe bateria de 24 V a vagonului
Valoarea tensiunii de floating a Tensiunea maxima
bateriei [V]
[V]
40 25,56 +/- 2% 27,7
20 26,75 +/- 2% 28,2
-25 29,46 +/- 2% 30
-33 29,9 +/- 3% 30,3
Tensiunea de 600 Vcc de la bornele condensatorului 27 prin intermediul unei diode de sens 30 este
aplicata la doua condensatoare inseriate 32 si 33. Tensiunea de la bornele condensatoarelor 32 si 33 este
aplicata unui invertor trifazat de tipul PWM - 34 realizat cu tranzistoare IGBT. Tranzistoarele sunt comandate
de la un driver 35, care asigura si protectia tranzistoarelor la curentii de scurtcircuit. La fiecare pornire a
invertorului, acesta da la iesire o tensiune mica in jur de 20 Vca la o frecventa ca 1 Hz, tensiunea si frecventa
crescand apoi in mod automat astfel ca U/f = constant si se opreste la tensiunea nominala de 3 x 400 Vca- 50
Hz. Viteza de crestere a frecventei este in functie de puterea motorului de compresor.
ECHIPAMENT DE COMANDA CONDITIONARII AERULUI
Pe vagoanele de cale ferata modernizate se amplaseaza instalatii de conditionarea aerului
capabile sa asigure conditii confortabile de calatorie pe distante lungi. In principiu o instalatie de
conditionarea aerului este un sistem cu detenta directa si difuzie a aerului prin ejecto-convectoare.
Conceptia este adaptata conditiilor de exploatare a cailor ferate conform zonei climatice avute in vedere
la exploatare. Conform standardului UIC553 pentru Romania si majoritatea tarilor europene situate in
zona climatica II aceasta inseamna posibilitatea de a mentine o temperatura interioara in intervalul 20-
26ºC daca temperatura exterioara se situeaza in plaja -25...+35ºC.
Echipamentul de comanda este format dintr-un sistem modular tip SATREC MMA-21 continand:
unitatea centrala de prelucrare cu microprocesor cu intrari analogice pentru masurarea
tensiunii bateriei de acumulatoare si masurarea temperaturilor exterioara si de canal
(UCP) prin conversie rezistenta-tensiune;
unitati de intrari digitale (UID);
unitati de relee (URE);
modul de alimentare (SRT)
Acesta controleaza instalatiile montate in compartimente:
6 module de reglare (13), unul la 2 compartimente (tip CIC-11) cu compunerea:
unitate de prelucrare locala a temperaturilor pe 2 compartimente (masura si prescrisa) si
interfata de comunicatie cu calculatorul central;
unitate de alimentare si elemente de comanda a incalzirii locale (relee intermediare 24V/5A);
sonde de temperatura ambianta (de tip termistor NTC Vishay cod 2381 640 54472
R25=4,7kohm+-2%, B25/85=3977K+-0,76%);
comutator cu cinci pozitii pentru prescrisa de temperatura.
Programul rezident in modulele de reglare locala asigura: masurarea temperaturii la nivelul
compartimentului/platformei, comunicarea cu calculatorul central si comanda incalzirii locale in functie
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
7

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
de pozitia comutatorului de panou (5 pozitii diferind cu cate un grad specificate -2, -1, 0, +1, +2°C fata
de temperatura de referinta medie).
Programul rezident in calculatorul central asigura urmatoarele functii: masurarea temperaturii aerului
extern, a aerului tratat, a aerului recirculat si a tensiunii bateriei, comunicarea cu modulele de reglare locale
(platforme) pentru achizitia valorilor de temperatura locala si validarea reglarii la nivel de platforma, alegerea
regimului de functionare in concordanta cu normele UIC legate de temperatura si ventilatie, comanda
elementelor de forta corespunzator cu regimul ales, memorarea de evenimente si stocarea lor intr-o memorie
nevolatila si semnalizarea locala a regimurilor de lucru si avariilor.
Programul rezident in unitatea de afisare de diagnoza asigura: indicarea regimului current de
lucru si a principalelor temperaturi, afisarea avertizarilor si erorilor curente, monitorizarea starii
unitatilor de platforme si a temperaturilor locale, prezentarea principalelor actionari si prezentarea
ultimelor 254 evenimente.
Figura 2. Echipamentul de comanda si diagnoza instalatiilor de climatizarea vagoanelor
Echipamentul de comanda si diagnoza a fost proiectat modular cu o comunicatie pe o magistrala de
date flexibila (RS485) care permite atasarea unui numar mare de unitati si o buna imunitate la zgomotul
industrial. Traficul pachetelor de date se desfasoara dupa un algoritm cu diviziunea timpului intre mai multe
unitati subordonate unui MASTER de sistem care marcheaza originea si numerotarea sloturilor de timp printrun
pachet difuzat ca BEACON (far). Algoritmii de reglare sunt de tip proportional-integral (PI) satisfacand
cerintele unor sisteme relativ lente, astfel incat eroarea stationara sa fie minima, in conditia in care rezolutia de
masurare a temperaturii este de 0,5ºC.
BIBLIOGRAFIE
ECHIPAMENT DE COMANDA, CONTROLUL SI DIAGNOZA CLIMATIZARII AERULUI
LA VAGOANELE DE PASAGERI - ing.Vasile RADULESCU, ing. Florin BOZAS,
ing.Beniamin ENACHE, ing. Adrian DASCALU, Conferinta „echiparea si modernizarea
vagoanelor de cale ferata in conformitate cu normele europene”, Poiana Brasov, 5-7 oct. 2007;
SURSE STATICE PENTRU ALIMENTAREA SERVICIILOR AUXILIARE DE PE
VAGOANELE DE CALATORI - Ing. Vasile RADULESCU, Conf.Dr.Ing. Ioan
STRAINESCU, Ing. Leonard MOROIANU, Ing. Viorica SERBU, Ing. Sergiu GHEORGHE,
Ing. Florin BOZAS, Ing. Florin HUZLAU, Ing. Emil TUDOR, Ing. Adrian DASCALU, Ing.
Doru BRESLASU, Ing. Gheorghe MITROI, Ing. Beniamin ENACHE, Ing. Bogdan
RADULESCU, Ing. Valentin LUPU, Conferinta „echiparea si modernizarea vagoanelor de cale
ferata in conformitate cu normele europene”, Poiana Brasov, 5-7 oct. 2007
8
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007