Power System-III - 123seminarsonly

Document Sample
Power System-III - 123seminarsonly Powered By Docstoc
					          Power System-III
          Assistant Professor,
           EEE Department,
             K L University,
      Vaddeshwaram, Vijayawada,
        Andhra Pradesh-522502
     Web: http://www.kluniversity.in
        Mobile No:9989743653
vWhat is Traction?
ØThe  act  of  drawing  or  pulling,  as  by  an  elastic  or 
 spring force.  
ØTraction refers to the maximum frictional force that 
 can be produced between surfaces without slipping.
ØTRACTION is  resulting  from  a  specific 
 FRICTION coefficient (i.e. friction between rubber 
 and ground) combined with  area of ground covered 
 by the tire – FOOTPRINT combined with vehicle 
 WEIGHT pressing a tire onto the ground.
ØTRACTION is  a  resistance  between  tire  and 
            Why do we need traction?
vWell, that question comes up every once in a while. 
  Its a good question?
Ø If  our  feet  do  not  find  a  surface  with  good  grip 
  (traction)  our  legs  and  feet  could  not  move  us 
Ø Same  story  for  a  car  -  if  the  ground  would  not 
  provide  enough  resistance  (traction)  the  force 
  generated in the engine would not be able to move 
  the car forward. 
Ø The scenario is quite simple. The more traction can 
  be  made  available  the more  torque can  be 
  generated        to move        more       weight. 
      Requirements of an IDEAL Traction System
The following are some of the important requirements 
  of the driving equipment used for traction purposes:
Ø The coefficient of adhesion(sticking) should be high 
  so  that  high  tractive  effort  at  start  is  possible  and 
  rapid acceleration of the train can be obtained.
Ø It  should  be  possible  to  overload  the  equipment  for 
  short periods.
Ø The  wear(consume  by  use)  caused  on  the  shoes, 
  wheel tires and the track should be minimum. 
Ø  It should be possible to use regenerative braking so 
  that  on  descents  it  should  be  possible  to  generate 
  energy and feed back to the supply system.
Ø  It should be pollution free.
                   Traction System
v  1. Non-Electric  Traction  System: Does  not  use 
 electricity at any stage. Ex: Steam Engine Drive, 
 Internal Combustion Drive.
v 2. Electric Traction System: If electric supply is 
 used  for  driving  a  locomotive,  the  system  is 
 known as electric traction. 
ØInvolves use of  electricity at some stage or other. 
 Ex: Battery Electric Drive, Diesel Electric Drive, 
ØElectric  traction  is the most efficient  of all other 
 systems and is going to be the future system to be 
 adopted by almost all countries of the world.
          Types of Electric Traction
v  Vehicles  which  receive  electric  power  from  a 
   distribution network fed at suitable points from either 
   a central power station or substations suitably spaced.
 It is further subdivided into
Ø 1)  Systems  operating  with  d.c.  such  as  trolley  buses, 
   tramways and railways.
Ø 2) Systems operating with a.c. such as railways.
v The group consists of self contained locomotives i.e. 
   they generate their own power.
It is further subdivided into
Ø 1) Diesel electric trains and ships
Ø 2) Petrol electric trucks and lorries
Ø 3) Battery driven road vehicles
                      DIESEL ELECTRIC TRACTION

v The  diesel  electric  locomotive  uses  a  diesel  engine  to  drive  an  electric 
  generator, which then supplies the current to traction motors, which are 
  geared directly to the locomotive's wheels.
Ø In  India,  the  diesel  locomotives  were  introduced  in  1945  for  shunting 
  purposes  on  broad  gauge  section  and  in  1956  for  main  line  services  on 
  medium  gauge  section.  The  diesel  electric  locomotives  employed  in 
  practice are of the following types:
Ø 1.  Main  line  diesel  electric  locomotive  having  engines  of  output  not 
  exceeding 1500 kW and speeds of 160 kmph.
Ø 2.  Shunting  diesel  electric  locomotive  having  an  engine  of  225  to  375 
  kW output and  speed between 25 to 50 kmph.
Ø 3. Diesel electric multiple units stock of which each motor has an engine 
  of 135 to 150 kW output and train is capable of having speeds between 
  80 to 110 kmph.
Ø 4. Diesel electric rail car having an engine of 75 to 450 kW output which 
  may operate as a single car or car with one or more trailer coaches.
ü In  diesel  electric  system  used  for  traction,  electric  motors  are  used  for 
  driving the locomotive which are fed by a d.c. generator driven by diesel 
  engine  mounted  on  the  same  locomotive  as  shown  by  the  schematic 
  diagram in fig.1
            ADVANTAGES                                  DISADVANTAGES
Ø The  initial  investment  required  is  low      Ø Its overload capacity is limited.
  as  compared  to  direct  electric  traction 
  since  there  is  no  need  of  overhead         Ø The  life  of  the  diesel  engine  is 
  structure  distribution  system  and 
  equipments.                                        comparatively shorter.
Ø Due  to  its  higher  acceleration  and          Ø In addition to motor generator set, 
  retardation,  the  schedule  speed  over  a        special  cooling  system  is 
  given route will be higher.
Ø It  can  be  put  into  service  at  any           required  for  cooling  the  diesel 
  moment  since  hardly  any  time  is               engine also.
  required to start up the engine and put 
  it on duty.                                      Ø   Its  running  and  maintenance 
Ø The power loss in speed control is very            costs are high.
  low  because  it  can  be  carried  out  by 
  field control of generator.                      Ø For  the  same  power  output, 
Ø   Its  overall  efficiency  is  higher  than       diesel  electric  locomotive  is 
  that of steam locomotive about 25%.                costlier  than  steam  or  electric 
Ø There  is  no  interference  with  the 
  adjoining communication lines.                     locomotive.
Ø Since  a  diesel  electric  locomotive  is  a    Ø Regenerative  braking  cannot  be 
  self  contained  unit  and  does  not 
  requires  any  overhead  structure  hence          used with such types of drives.
  it can be used on any route.
                         ELECTRIC LOCOMOTIVE

Ø It  is  the  most  widely  used  traction  system  in  which  the  vehicle  draws 
  electrical energy from a distribution system fed at  suitable points from a 
  central power station or substation.
Ø In India both AC and DC type of electrified train systems operate today.
Ø 1500 V DC based train system is mostly operating in Mumbai area. It is 
  being converted to 25 kV AC system. Rest of the India where routes are 
  electrified mostly operates under 25 kV AC overhead wire. 
Ø The electric locomotives are of two types
ü A.C. locomotive
ü D.C. locomotive
Ø In  case  of d.c.  locomotive d.c.  motors  are  used  for  traction.  The  fig.1 
  shows a schematic block diagram of d.c. locomotive.
Ø It basically consists of a step down transformer, a full wave rectifier with 
  filters and d.c.motors. The fig.2 shows an a.c. type electric locomotive. 
Ø The following are the advantages and disadvantages of electric system:
Ø Since  electric  motors  are  used  as  the  drives  ,  the  system  is  clean  and 
  pollution  free.  Starting  torque  is  high,  so  high  acceleration  is  possible. 
  Speed  control  is  very  simple.  Braking  is  simple  and  efficient.  Electric 
  braking is used in this case which is superior to mechanical braking used 
  by  steam  and  diesel  locomotives.  It  is  possible  to  apply  regenerative 
  braking which has the following advantages
ü Above  80%  of  energy  spent  during ascent(upward  movement) is 
  pumped back during descent. 
ü Less maintenance of brake shoes, wheels, tyres and rails on account of 
  less wear and tear.
Ø An  electric  locomotive  requires  much  less  time  for  maintenance  and 
  repairs  than  a  steam  locomotive;  and  hence  can  be  kept  in  service  for 
  95% or more of the working day if desired.
Ø   Its  maintenance  and  repair  cost  is  about  50  %  of  that  of  steam 
Ø The  electric  locomotive  can  be  put  into  service  immediately  whereas 
  steam  locomotive  requires  about  two  hours  getting  up  steam  and  be 
  ready for service.
Ø The centre of gravity of electric locomotive is lower than that of steam 
  locomotive due to which it is able to negotiate curves at comparatively 
  higher speeds.
Ø The  most  important  factor  against  electric  traction  is 
  high  capital  outlay  on  overhead  supply  system. 
  Therefore, unless heavy traffic is to be handled electric 
  traction becomes uneconomical.
Ø Power  failure  for  few  minutes  can  cause  disruption  of 
  traffic for hours.
Ø The electric traction system is tied to electric routes only. 
  Hence it cannot be used on any of the routes.
Ø In  case  of  A.C.  traction  the  communication  lines 
  running  along  the  track  experience  considerable 
  interference  from  power  lines.  The  communication 
  lines  therefore  must  either  be  removed  away  from  the 
  track  or  replaced  by  special  expensive  cables  (this 
  increases the capital cost outlay by 15%)
    What are the voltages used for electric traction in India?
Ø Voltages used are 1.5kV DC and 25kV AC for mainline trains.
Ø Calcutta had an overhead 3kV DC system until the '60s.
Ø The 1.5kV DC overhead system (negative earth, positive catenary) is used 
  around Bombay (This includes Mumbai CST - Kalyan, Kalyan - Pune, 
  Kalyan - Igatpuri, Mumbai CST - Belapur - Panvel, and Churchgate - 
Ø Conversion to 25kV AC has already been done on the Titwala-Kasara 
  section; next to be converted are Khapoli-Vangani, Vangani-Thane, and 
Ø The Madras suburban routes (Madras-Tambaram in the '60s, extended 
  later to Villupuram) used to be 1.5kV DC until about 1967, when it was 
  converted to 25kV AC (all overhead catenary supply). 
Ø The 25kV AC system with overhead supply from a catenary is used 
  throughout the rest of the country. 
Ø The Calcutta Metro uses 750V DC traction with a third-rail mechanism 
  for delivering the electricity to the EMUs.
Ø The Calcutta trams use 550V DC with an overhead catenary system with 
  underground return conductors. The catenary is at a negative potential.
Ø The Delhi Metro uses 25kV AC overhead traction with a catenary system 
  on the ground-level and elevated routes.
                 System of Track Electrification
Presently, following four types of track electrification systems are available:
v  Direct Current System: DC at 600-750 V is universally employed for tramways in urban 
   areas and for many suburban railways while 1500-3000 V dc is used for main line railways. 
   Low voltage dc system is undoubtedly superior to single phase ac system for heavy 
   suburban services.
v (1) Single Phase AC System: In this system ac series motors are used for getting the 
   necessary motive power. The voltage employed for distribution network is 15 to 25 Kv at 
   162/3 or 25 Hz, which is stepped down on the locomotive to a low voltage (300 to 400 V) 
   suitable for supplying to single phase ac series motors.
v (2) Three Phase AC System: In this system 3-phase induction motors operating at 3300 to 
   3600 V systems consist of two overhead wires and track rail for the third phase and receives 
   power either directly from the generating station or through the transformer substations. 
v (3) The Composite Systems: Such systems incorporate good points of two systems while 
   ignoring their bad points. Two such composite systems presently in use are:
Ø A. Single Phase To Three Phase System or Kando System: In this system single phase 
   hv ac system is employed for distribution purposes and 3-phase induction motors for getting 
   the necessary driving power in order to have the advantage of low cost of single phase 
   overhead distribution system together with the desirable characteristics of 3-phase induction 
   motors (at low frequency 3 phase induction motor develops high starting torque without 
   excessive current). Speed control is also conveniently achieved by varying the supply 
   frequency. This system is likely to be developed in future.
Ø B. Single Phase To Direct Current System : This  system 
  combines the advantages of hv ac distribution system and dc series 
  motors  for  traction. The  voltage  used  for  overhead  distribution 
  system  is  25  kv  at  normal  supply  frequency  of  50  Hz.  The 
  locomotive  carries  transformer  and  converting  machinery  to  step-
  down  the  voltage  and  convert  into  dc. This  system  of  track 
  electrification using 25 kv, 50 Hz, single phase ac supply has been 
  adopted for all future track electrification  in India. The advantages 
  of  such  a  system  are  light  overhead  catenaries  owing  to  lower 
  currents,  less  number  of  substations  (usually  spaced  at  50-80  km 
  distances),  flexibility  in  the  location  of  substations,  simplicity  of 
  substation design, lower cost of fixed installations, higher adhesion 
  coefficient  and  higher  starting  efficiency. The  draw-backs  of  this 
  system  are  unbalancing  effect  on  the  supply  and  interference  to 
  telecommunication  circuits.  Fortunately  both  of  these  undesirable 
  effects can be minimized.
                          Typical Railway Services
S.No    Parameter of        Urban or City Service          Sub-Urban           Main Line
        Comparison                                           Service            Service

1      Acceleration       1.5-4Kmphps                    1.5-4Kmphps        6-8Kmphps
2      Retardation        3-4Kmphps                      3-4Kmphps          1.5Kmphps
3      Max. Speed         120Kmph                        120Kmph            160Kmph
4      Distance           1Km                            1-8Km              >10Km
       between stations

                                                                            Long      free 
5      Special  remarks  Free  running  period  is  Free  running  running  and 
       if any            absent  and  coasting  period  period  is  absent  coasting period s. 
                         is small.                      and  coasting       Acceleration and 
                                                        period is long.     braking  periods 
                                                                            are     small 
Ø  A train is to be run most optimally as for as possible.
Ø  for this it is necessary to know the speed time curves so that it 
  is possible to find out what energy must be supplied to the train 
  to perform a particular job.
Ø   The  slope  at  any  point  of  the  curve  gives  the  acceleration  or 
  retardation of the train at that instant of time.
Ø   The  area  between  the  curve  and  the  time  axis  up  to  a  certain 
  time  gives  the  distance  covered  by  the  train  till  that  instant  of 
Ø  Positive slope-Acceleration; Negative slope-Retardation.
Ø   (i)  Acceleration  while  notching  up  or  constant  Acceleration: 
  During  this  period  of  run  (0  to  t1),  Rst  is  gradually  cut  off  so 
  that  the  motor  current  is  limited  to  a  certain  value  and  the 
  voltage across the motor is gradually increased.
Ø   (ii)  Speed  curve  running:  From  t1  to  t2,  the  current  starts 
  decreasing with the increase in speed.
Ø  (iii) Free running(t2-t3):This period occurs when 
 the power output from the driving axels balances 
 the rate at which energy is expended against the 
 resistance to motion.
Ø (iv) Coasting period(t3-t4): At the end of free 
 running period , supply to the motors is cut off and 
 train is allowed to run under its own momentum.
Ø (v) Braking period(t4-t5):At the end of coasting 
 period, brakes are applied to bring the train to stop.
    Crest Speed, Average Speed And Schedule
Ø Crest speed is the maximum speed (Vm) attained by a 
  train during the run.
Ø Average speed is the mean speed from start to stop i.e. 
  the distance covered between two stops divided by the 
  actual time of run is called the average speed.
Ø Schedule  speed  is  the  ratio  of  distance  covered 
  between two stops and total time of run including the 
  time of stop.
Ø The schedule speed of a given train when running on 
  a  given  service  (i.e.  with  a  given  distance  between 
  stations)  is  affected  by  (i)  acceleration  and  braking 
  retardation  (ii)  maximum  or  crest  speed  and  (iii) 
  duration of stop.
Direct Current Motor Control
v DC Motors:
ØFor a DC motor, Torque 
        T=0.1592Φ[Z Ia /A]P N-m =KΦIa
Ø For shunt motor: Φ is constant for a constant 
   supply voltage, so, the torque is directly 
   proportional to the current drawn by the motor.
ØFor series motor: Φ α Ia, therefore T α I2.
Ø  Eb=V-Ia r= ΦZNP/60A

Ø  N=(60A/ΦZP)(V-Ia r)
  the Berlin Exhibition of 1879. The short line
  was about 600 yards long, and current was
  drawn from a third rail between the track
  which acted as the return to the dynamo. The
  locomotive hauled a maximum of some thirty
  passengers at a speed of about four miles an
  hour. This historic illustration shows one of
  the earliest trainloads of passengers, seated
  upon three carriages.

Shared By: