Revista >> Martie 2022 [Nr. 242] >> Cercetare & Invatamant superior

Stand de testare a motoarelor Diesel de locomotivă cu recuperarea energiei în rețeaua electrică – o realizare a ICPE-CA

Ing. Daniel Lipcinski, sef Laborator Fotogrammetrie si Vibroacustica, ICPE-CA

18 Martie 2022

INCDIE ICPE-CA se bucură de prestigiu la nivel național și internațional, colaborând cu parteneri din economie prin intermediul serviciilor și produselor oferite, pe baza bunelor practici ale cercetării, dezvoltării tehnologice și inovării. Institutul oferă soluții tehnologice adaptate necesităților potențialilor beneficiari naționali datorită capabilităților specialiștilor săi. În ultimii ani, ICPE-CA s-a axat din ce în ce mai mult pe tematici de dezvoltare tehnologică în inginerie electrică, mecanică și energetică, toate acestea finalizându-se cu tehnologii sau echipamente valorificate în mediul industrial.

Beneficiind de o vastă experienţă, în cadrul Departamentului de Sisteme și Tehnologii Electromecanice (DSTE) au fost abordate, de-a lungul anilor, diverse direcţii de cercetare în concordanţă cu specificul institutului și cu nevoile pieţei. Astfel, în cadrul contractului cadru POC 126/2016 - „Transfer de cunoștințe catre mediul privat în domeniul energie având la bază experiența științifică a ICPE-CA -TRANSENERG”, prin materializarea contractului subsidiar „Stand pentru testare motoare Diesel de locomotivă, cu recuperarea energiei în rețeaua electrică”, au fost derulate activităţi de cercetare industrială și dezvoltare experimentală în colaborare efectivă între organizaţia de cercetare ICPE-CA și întreprinderea SC Remarul 16 Februarie SA.

Colaborare cu mediul economic
În condițiile actuale, în care prețul energiei electrice s-a majorat semnificativ și pune sub semnul întrebării funcționarea în condiții normale a anumitor instituții, ICPE-CA vine cu o soluție viabilă de recuperare a energiei în urma procedurilor de testare și mentenanță a motoarelor termice de locomotivă, prin conversia și injectarea acesteia în rețeaua de alimentare cu energie electrică locală, de unde se poate consuma în regim instantaneu în aplicațiile beneficiarului sau în sistemul energetic național - SEN.
Această recentă realizare a ICPE-CA în domeniul standurilor de testare a avut ca obiectiv transferul tehnologic și punerea în funcțiune a unui stand de testare pentru motoarele termice, destinat testării și rodajului motoarelor Diesel de locomotivă utilizate în domeniul feroviar, cu recuperarea energiei în rețeaua de medie tensiune a platformei de reparații material rulant a SC Remarul 16Februarie SA. Soluția tehnică poate fi implementată în orice instituție producătoare de material rulant din țară care are consumuri energetice semnificative.
Standul este conceput pentru teste de verificare și monitorizare a parametrilor tehnici (electrici, hidraulici, pneumatici) pentru a evidenția funcționarea motorului Diesel de locomotivă (fig.1) în sarcină, elementele de noutate fiind monitorizarea și automatizarea întregului proces de testare a motoarelor Diesel, precum și recuperarea energiei în rețeaua electrică a unităţii industriale.
Standurile convenționale, cel mai des întâlnite la testarea motoarelor de locomotivă, s-au realizat prin cuplarea motorului Diesel la un generator de curent continuu care debita energie disipată pe rezistori de putere ce o evacuau prin răcire cu apă, soluție care determina reglaje dificile și variații mici ale sarcinii aplicate la arborele motorului. Pornind de la aceste variante clasice, s-a trecut la soluții esențial diferite, de noutate la nivel național, cu grad ridicat de tehnologizare, prin utilizarea convertoarelor statice de putere (invertoare). Această metodă face posibilă recuperarea energiei electrice debitată de generator și, totodată, injectarea acestei energii în rețeaua de alimentare locală sau națională. De asemenea, monitorizarea parametrilor motorului termic și a rețelei de medie tensiune cu o rețea de senzori și traductoare de nouă generație, conectate prin intermediul unei plăci de achiziţie la un sistem de calcul cu software specializat care furnizează un buletin de măsurători, constituie o metodă de testare modernă, de ultimă generație.

Soluția tehnică are un caracter multidisciplinar (energetică, electrotehnică, electronică și automatizări) ce a presupus o abordare complexă, cu studii pe toate direcțiile menționate mai sus, incluzând: stabilirea schemei de principiu defalcată pe principalele blocuri funcționale, analiza tuturor soluțiilor de implementare și apoi proiectarea, realizarea si testarea unui nou stand cu caracteristici superioare (cu recuperare de energie și injectarea acesteia în rețea, digitalizare, interfață om-mașină).
Activitatea de montare propriu-zisă a standului în hala de la Remarul 16 Februarie SA a constat în cuplarea motorului Diesel cu generatorul de curent continuu, montarea blocurilor de convertizoare electronice de putere – redresor excitație și invertor trifazat, legarea în circuit a transformatorului trifazat ridicător de tensiune, montarea blocului de măsură, montarea celulei de conectare la rețeaua de 10kV a beneficiarului, echiparea panoului de comandă, control, protecție și semnalizare a standului.
Pentru punerea în funcțiune a standului a fost elaborat și testat un program software dedicat aplicației pentru monitorizarea parametrilor electrici și achiziția de date de la toate echipamentele standului, monitorizarea condițiilor de mediu, comanda diverselor dispozitive electromecanice, conformitatea procedurilor de testare și ridicarea de diagrame de funcționare: M = f(n), P = f(n) și P = f(U, I) ( moment funcție de turație, putere funcție de turație, putere funcție de tensiune și curent).
Încercările motoarelor Diesel pe stand sunt de lungă durată (se pot derula 24 ore în cazul rodajului unui motor Diesel trecut printr-o reparație majoră), iar evaluarea consumului de combustibil și a economiei de energie sunt procese care presupun măsurători pe durate mari de timp, în diferite condiții de încărcare, dependente de consumatorii cuplați la rețea (funcționează la sarcină variabilă). După încheierea testelor urmează interpretarea rezultatelor, finalizarea modalității de încercare, definitivarea procedurilor de exploatare și de întreținere a standului. A fost luată în considerație o optimizare a reglajelor motorului Diesel pentru a menține turația constantă, dar este preferată soluția de monitorizare a funcționării în regim de reglaj în buclă deschisă, deoarece astfel pot fi observate modificările funcționale ale motorului în timpul procedurii de rodare.

Pupitrul de comandă șimonitorizarea parametrilormotorului
Pupitrul de comandă (fig. 2) este elementul central de coordonare a întregului proces de măsură și control. Acesta are în dotare următoarele module funcţionale: sistemul de calcul (tip desktop), placa de achiziţie a semnalelor, module de multiplexare a semnalelor provenite de la traductoare, surse de tensiune, elemente de protecţie la suprasarcină, convertoare de frecvenţă și elemente de comandă și control, imprimantă pentru editare buletin de măsurători. Interfaţa de pornire a grupului motor – generator este montată pe partea frontală a pupitrului de comandă alături de ecranul de monitorizare a parametrilor.
Procedura de lucru implementată în aplicatia software de control care rulează pe calculatorul din fig. 2 urmăreste organigrama funcţională a activităţilor necesare desfășurării în bune condiţii a diferitelor operaţiuni efectuate pe standul de încercări. Programul software de înregistrare a datelor a fost scris în LabVIEW datorită bazei sale de date tehnice dedicate funcțiilor, disponibilităţii și compatibilităţii cu placa de achiziție de date NI USB-6003. Interfaţa grafică permite vizualizarea mărimilor măsurate de senzori care asigură monitorizarea standului, cum ar fi: presiuni, temperaturi, turaţie, valori curente ale puterii, cuplului, curenţi, tensiuni etc. Interfața are date de intrare privind operatorul, motorul testat și permite înregistrarea la cerere. Datele înregistrate pot fi afișate ca Putere vs. RPM sau Cuplu vs. RPM, rezultatul final fiind vizualizarea caracteristicii mecanice P = f(n) pentru diferite sarcini aplicate motorului Diesel.

Echipamentul electronic cu eficienţă energetică pentru testarea motoarelor termice din dotarea materialului rulant (fig. 3) are în componenţă modulele de comandă, control măsură, protecție, semnalizare pentru cele două convertoare rotorice. Acestea au la bază microcontrolere pentru regulatoarele de curent și turație, comandă pe grilă a tiristoarelor și traductoarelor de curent și tensiune. Elementele de măsură și control al parametrilor conversiei reprezintă mărimi analogice și digitale transmise PROFIBUS pentru panoul central de control și măsură. Așa cum s-a prezentat anterior, până în anul 2019, pentru a realiza încercările motoarelor, în general, și a motoarelor termice, în particular, soluțiile de încărcare a acestora se realizau prin antrenarea unei mașini de c.c. care, excitată în regim de generator, dezvolta la ieșirea înfășurării rotorice o putere proporțională cu turația, dar care se consuma pe o rezistenţă de sarcină. În acest fel, lucrul mecanic dezvoltat de motorul termic la ax prin intermediul generatorului de c.c., se transforma în căldură care se pierdea în mediul ambiant sau în bazine cu apă.
Pentru eliminarea acestor pierderi, noua soluție propusă și dezvoltată de ICPE-CA constă în următoarele: la un anumit punct static de funcționare, motorul Diesel se va roti într-un sens (sensul de rotire al motorului Diesel în exploatare) la o turație nx, antrenând mașina de c.c. cu aceeași turaţie nx, în același sens de rotaţie. Cu ajutorul echipamentului electronic cu eficienţă energetică (fig. 3), alimentat de la sursa de tensiune 1800 kVA, 3x476 V, 50 Hz prin intermediul convertoarelor statice de putere rotorice, respectiv de excitație a grupului motor-generator, se comandă sensul de rotație virtual al mașinii de c.c. astfel încât să fie în sens invers sensului de rotaţie impus de motorul Diesel. În acest mod, generatorul de c.c. devine frână cu următoarea diferenţă: dacă se impune virtual o turaţie ny < nx, unde ny este turaţia impusă mașinii alimentată din reţea, iar nx este turaţia în sens contrar impusă de motorul Diesel aceleiași mașini de c.c., rezultă că diferenţa dintre tensiuni are drept consecinţă o putere care se injectează în reţeaua de alimentare și se poate consuma în regim instantaneu în aplicațiile beneficiarului sau în sistemul energetic national - SEN. În această situaţie, în afara faptului că nu mai sunt necesare rezistențele de sarcină răcite cu lichid, în timpul încercărilor de anduranță se injectează în reţea o energie proportională cu parametrii punctului de încercare (n, P).
În fig. 3 este prezentat convertizorul static de putere care este compus din 3 compartimente:
A. Compartimentul selectare-alimentare:
- Prin TIT 1800 kVA; 476 V c.a;
- Prin transformator de 400 kVA; 476 V c.a;
B. Compartiment convertoare statice de putere: invertor rotoric, redresor excitaţie, componente de automatizare;
C. Compartiment selectare TIT (motor termic de testare).

Din punct de vedere constructiv, soluția tehnică are următoarele caracteristici:
1. Sursa de energie electrică este formată dintr-un transformator 1800 kVA 3x10 kV/ 3x476 V, conectată la o celulă de medie tensiune 3x12 kV/630 A cu întreruptor de medie tensiune;
2. Standul este capabil să testeze alternativ două tipuri de motoare Diesel. Sarcina pentru echipamentul electronic este în funcție de motorul termic de încercat, astfel:
- Motor Diesel cu puterea maximă de 374 CP (275 kW ) cu turaţia relanti/max egală cu 800/2000 rot/min și generator de c.c. 800 kW, 750 V rotor, 1152 A rotor, 1800 rot/min, Uex = 170 V c.c., Iex = 35 A c.c., - încărcare în trepte și/sau continuă;
- Motor Diesel cu puterea maximă de 1250 CP (920 kW) cu turația relanti /max egală cu 350/750 rot/min și generator de c.c. 1280 kW, 800 V rotor, 1600 A rotor, 1080 rot/min, Uex = 170 V, Iex = 30 A - încărcare în trepte și/sau continuă;
3. Încărcarea celor două motoare Diesel se realizează în trepte cuprinse între 0 și Pe max și/sau continuu, pentru rodajul motorului;
4. Convertoarele statice de putere, rotoric și de excitaţie, sunt echipate cu tiristoare, complet comandate.
Celula de măsură de medie tensiune (fig. 4) este unitatea care asigură transferul tensiunii de la transformatorul de tensiune de 3x10kV la sistemul energetic din cadrul platformei SC Remarul 16 Februarie SA și, totodată, asigură monitorizarea, protecția și decuplarea alimentării prin întreruptorul de tensiune în cazul apariției unor valori în afara domeniului de lucru. Din punct de vedere constructiv, este structurată în module de intrare-ieșire medie tensiune precum și compartimentul de măsură (monitorizare parametri electrici ai reţelei), protecţie (protecție componente stand și reţea consumatori).