Силовые схемы электровозов переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями на примере электровоза ВЛ80 р

Министерство путей сообщения Российской Федерации

Департамент кадров и учебных заведений.

Самарский Государственный Университет Путей Сообщения

Кафедра: «Локомотивы»

Реферат на тему:

«Силовые схемы электровозов переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями на примере электровоза ВЛ80 ^р».

Выполнила:

Студентка 2-го курса ЭУ

981 группы,

Евсеева А.А.

Проверил:

Доцент Щербицкая Т.В.

Самара 2009

Содержание:

Введение

1. Построение силовых цепей

2. Тяговый режим

3. Рекуперативный режим

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Принципиальная электрическая схема электровоза представляет собой графическое изображение электрических цепей, соединяющих электрические машины, аппараты и другие элементы оборудования. Они дают представление о прохождении тока в цепи.

Общим принципом действия силовой схемы электровоза ВЛ80^р является регулирование напряжения тиристорами путем их открытия в нужный момент.

Работа написана на 23 листа, с использованием 5 источников информации, содержит 11 рисунков.

1. Построение силовых цепей

На электровозах ВЛ80^р применено плавное, бесконтактное регулирование напряжения тяговых двигателей с помощью тиристорных преобразователей, а также рекуперативное торможение. С этой целью для каждой пары тяговых двигателей установлен отдельный выпрямительно-инверторный преобразователь (рис. 1).

Тяговые двигатели электровоза работают на выпрямленном пульсирующем токе. Преобразование однофазного тока контактной сети в выпрямленный осуществляется с помощью тягового трансформатора 3 и двух выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП0 61 и 62, установленных в каждой секции.

Каждый ВИП собран на управляемых вентилях (тиристорах) и имеет восемь плеч, образующих мостовую схему. Все плечи имеют по семь параллельных ветвей с тремя последовательно соединенными вентилями (за исключением 5-го и 6-го плеч каждой ветви, в которых по два последовательно соединенных вентиля). Для равномерного распределения тока по параллельно соединенным ветвям применены индуктивные двигатели тока ИД (рис. 2)

Выводами А, В, C, и D преобразователь 61 подключен к тяговой обмотке a1-x1 (см. рис. 1), а преобразователь 62 – к обмотке a2-x2 трансформатора. К выводам «+» и «-» ВИП подключаются цепи выпрямленного тока тяговых двигателей соответственно I,II и III, IV.

Рис. 1 Схема силовых цепей электровоза ВЛ80 ^Р.

Напряжение холостого хода тяговых обмоток a1-x1 и a2-x2 составляет 1230 В. Обмотки a1-x1 и a2-x2 разделены каждая на три секции. Секции а1-1 и а2-3 имеют напряжение холостого хода 307 В, секции 1-2 и 3-4 – 308 В и секции 2-х1 и 4-х2 - напряжение 615 В.

Плавное регулирование напряжения тяговых двигателей достигается управлением тиристорами соответствующих плеч преобразователей 61 и 62.

Включение и отключение тяговых двигателей I – IV производится соответствующими автоматическими выключателями 51 – 54. Реверсивные переключатели 63, 64 обеспечивают изменение направления тока в обмотках возбуждения тяговых двигателей, чем достигается изменение направления движения электровоза.

Рис. 2 упрощенная силовая схема преобразователя

Измерение действительного значения тока якоря двигателей в рекуперативном режиме осуществляется датчиками тока ДкТ1 – ДкТ4.

Для снижения пульсаций выпрямленного тока в цепи тяговых двигателей установлены сглаживающие реакторы 55, 56. с целью уменьшения пульсации тока и, следовательно, потока возбуждения, обмотки возбуждения тяговых двигателей шунтированы резисторами R1 – R4 (выводы Р0 – Р3) постоянного сопротивления.

После полного открытия всех тиристоров ВИП дальнейшее увеличение скорости электровоза достигается ослаблением возбуждения тяговых двигателей, для чего их обмотки возбуждения шунтируют резисторами R1 - R4 (выводы Р1, Р2, Р3) и индуктивными шунтами ИШ1 – ИШ4. предусмотрены три ступени ослабления возбуждения: первая ОП1 – 70%, вторая ОП2 – 52% и третья ОП3 – 43%. Это значит, что соответственно 70, 52 и 43% тока якоря проходит по обмотке возбуждения.

Первая ступень ослабления возбуждения достигается подключением электропневматическими контакторами 65, 66, 71, 72 параллельно обмоткам возбуждения последовательно соединенных резисторов R1 – R4 с выводами Р1 – Р3 и индуктивных шунтов ИШ1 – ИШ4. на второй ступени ослабления контакторы 67, 68, 73, 74 замыкают накоротко часть резисторов R1 - R4 с выводами Р1 – Р2, что приводит к уменьшению тока в обмотках возбуждения. На третьей ступени контакторы 69, 70, 75, 76, замыкаясь, выводят резисторы Р1 – Р3 полностью и обмотки возбуждения шунтируются только индуктивными шунтами. Ослабление возбуждения обеспечивается активным сопротивлением индуктивных шунтов.

Индуктивные шунты ИШ1 – ИШ4 включены для снижения бросков тока и облегчения условий коммутации тяговых двигателей при неустановившихся процессах в контактной сети (колебание напряжения в контактной сети или его восстановление после кратковременного снятия).

В случае необходимости любой из тяговых двигателей может быть отключен соответствующим разъединителем ОД1 – ОД4. при этом отключаются, кроме того, соответствующие автоматические выключатели 51 – 54. Любой из выпрямительно-инверторных преобразователей 61, 62 может быть отключен переключателем 81, 82. При этом также отключаются соответствующие автоматические выключатели 51, 52 или 53, 54.

Питание тяговых двигателей, от источника низкого напряжения (сеть депо) осуществляется через розетку 106 и разъединители 19, 20.

Все переключения в силовой цепи при переходе из режима тяги в режим рекуперации и наоборот производится тормозными переключателями 49 и 50. в режиме торможения якорь каждого тягового двигателя отключен от обмотки возбуждения и подключен последовательно со стабилизирующим резистором R5 к выпрямительному преобразователю; обмотки возбуждения всех двигателей 1-й и 2-й секций соединены последовательно.

Обмотка тягового трансформатора х4 – а6 и выпрямительные установки возбуждения 1-й и 2-1 секций образуют схему двухполупериодного выпрямления с нулевой точкой для питания выпрямленным напряжением обмоток возбуждения тяговых двигателей. Напряжение холостого хода между выводами а6 – а7 и а7 – х4 составляет 180 В. Включение и отключение обмоток возбуждения осуществляется электропневматическими контакторами 46, 47.

Тяговые двигатели в режиме рекуперации работают как генераторы постоянного тока с независимым возбуждением. Рекуперативное торможение осуществляется путем инвертирования постоянного тока тяговых двигателей, работающих генераторами, в переменный ток промышленной частоты.

Стабилизирующий резистор Р5 необходим для обеспечения электрической устойчивости при параллельной работе инвертора и генерирующих тяговых машин.

2. Тяговый режим.

Схема силовых цепей предусматривает четыре зоны фазового регулирования выпрямленного напряжения.

Фазовое регулирование в пределах каждой зоны осуществляется изменением угла открытия тиристоров плеч 1 – 8 (рис. 3) с помощью блока управления. В 1-й зоне регулирования тяговые двигатели питаются от выпрямительных мостов, образуемых плечами 3, 6 и 4, 5, которые подключают их к вывода с секций 1, 2 и 3, 4 обмоток трансформатора. Первыми открываются тиристоры плеч 3 и 5 соответственно в начале каждого полупериода напряжения при подаче на их управляющие электроды импульса с углом открытия ?₀ и остаются открытыми весь полупериод. Тиристоры плеч 4 и 6 в соответствующие полупериоды открываются при поступлении на их управляющие электроды импульсов с углом открытия ? _рег, равным вначале 170^о, а затем плавно уменьшаемым до 10 – 15^о.

Рис. 3. упрощенная силовая схема электровоза ВЛ80 ^р.

Когда тиристоры плеч 4 и 6 закрыты, в силовой цепи ток не протекает. По мере уменьшения угла ? _рег в силовой цепи появится ток, и выпрямленное напряжение будет постепенно возрастать (рис. 4, а). в конце первой зоны, когда эти тиристоры полностью открыты каждый полупериод, выпрямленное напряжение (скорость электровоза) достигнет наибольшего для этой зоны значения, определяемого напряжением секции 1 – 2 (3 – 4) тягового трансформатора, составляющим примерно 300 В.

Рис. 4. Форма выпрямленного напряжения при регулировании 1-й (а) и 4-ой (б) зонах

При переходе с 1-ой во 2-ю зону регулирования вступают в действие

Тиристоры плеч 1 и 2 и тяговые двигатели получают питание от выпрямительных мостов, которые образуются плечами 1, 6 и 2, 5, подключая их к выводам а1 – 2 и а2 – 4 обмоток трансформатора.

Во 2 – ой зоне регулирования тиристоры плеч 3, 4. 5 и 6 открыты весь соответствующий период питающего напряжения, а открытие тиристоров плеч 1 и 2 регулируется путем подачи на их управляющие электроды импульсов с углом ? _рег, который плавно изменяется в диапазоне 170 – 10^о.

Вначале во 2 – ой зоне ток в силовой цепи протекает, как и в конце 1 – ой зоны, поскольку тиристоры плеч 1 и 2 еще не открыты. В один из полупериодов ток протекает от вывода 1 (3) к выводу 2 (4) секции 1 - 2 (3 – 4) тягового трансформатора через плечо 5, цепи тяговых двигателей , плечо 4, вывод 1 (3) трансформатора. Во второй полупериод ток проходит от вывода 2 (4) секции 1 – 2 (3 – 4) трансформатора, через плечо 3, цепи тяговых двигателей, плечо 6, вывод 2 (6) обмотки трансформатора. При уменьшении угла ? _рег тиристоры плеч 1 и 2 открываются и берут на себя нагрузку, а тиристоры плеч 3 и 4 запираются. С этого момента ток протекает через тиристоры плеч 6, от вывода 2 (4) к выводу а1 (а2) обмотки трансформатора, тиристоры плеча 1 и далее через цепи тяговых двигателей, а в следующий полупериод – через тиристоры плеча 2, от вывода а1 (а2) к выводу 2 (4) трансформатора и далее через цепи тяговых двигателей. По пере уменьшения ? _рег тиристоров плеч 1 и 2 выпрямленное напряжение плавно увеличивается и в конце 2 – ой зоны при полностью открытых тиристорах плеч 1, 6 и 2, 5 определяется суммарным напряжением двух секций а1 (а2) – 2 (4) обмотки трансформатора, что составляет примерно 600 В.

По окончании регулирования во 2 –ой зоне при дальнейшем движении главного штурвала контроллера машиниста и переходе в 3 – ю зону (рис. 5) происходит автоматический мгновенный перевод нагрузки с двух малых секций а1 (а2) – 2 (4) тягового трансформатора на одна большую секцию х1 (х2) – 2 (4), которая имеет такое же напряжение (около 600 В). Это производится путем переключения импульсов управления с тиристоров плеч 1, 2, 5, 6 на тиристоры плеч 5, 6, 7, 8.

В начале регулирования в 3 –ей зоне тиристоры плеч 5, 6, 7, 8 полностью открыты в каждый соответствующий полупериод питающего напряжения. Ток протекает через секцию х1 (х2) – 2 (4) и тиристоры 8, 5 или 6, 7. затем вступают в действие тиристоры плеч 3 и 4, которые открываются при подаче на их управляющие электрод импульсов, регулируемые по фазе с углом ? _рег; при этом прекращается работа тиристоров плеч 5 и 6. ток протекает по двум секция х1 (х2) – 2 (4) и 2 (4) – 1 (3) через тиристоры плеч 3, 8 или 4, 7. Тиристоры плечт3 и 4 полностью открыты в каждый соответствующий полупериод.

Рис. 5. Схемы, поясняющие работу ВИП в 1-й – 4-й зонах регулирования я тяговом режиме

По мере уменьшения угла ? _рег тиристоров плеч 7 и 8 выпрямленное напряжение возрастает, и в конце 3-й зоны, когда тиристоры плеч 7 и 8 полностью открыты, оно определяется суммарным напряжением двух секций х1 (х2) – 1 (3), равным примерно 900 В.

При переходе в 4 – ю зону вступают в действие тиристоры плеч 1 и 2 (см. рис. 5), которые открываются при подаче на их управляющие электроды импульсов напряжения, регулируемых по фазе с углом открытия ? _рег.

В начале 4 – й зоны, ока тиристоры 1 и 2 еще закрыты, ток проходит через полностью открытые тиристоры плеч 3 и 8 или 4 и 7, как и в конце 3-й зоны. Затем углы открытия тиристоров уменьшаются, что приводит к повышению выпрямленного напряжения (рис. 4). При некотором значении угла ? _рег. тиристоры плеч 1 и 2 откроются, а тиристоры плеч 3 и 4 прекратят работу. С этого момента ток протекает через все тир секции х1(х2) – а1 (а2) обмотки трансформатора и тиристоры плеч 1 и 8 или 2 и 7. по мере уменьшения угла открытия ? _рег тиристоров плеч 1 и 2 выпрямленное напряжение возрастает. В конце 4 – ой зоны, когда тиристоры плеч 1 и 2 полностью открыты в каждый соответствующий полупериод , выпрямленное напряжение достигнет максимального значения, определяемого напряжением всей вторичной обмотки тягового трансформатора, которое составляет около 1200 В. Алгоритм работы тиристоров (рис. 6) определяется подачей на их управляющие электроды импульсов с углом открытия ?_о, то есть с минимальным углом, при котором тиристор еще закрыт, до минимального, при котором тиристор полностью открыт в течении всего полупериода напряжения сети.

Рис. 6. Алгоритм работы тиристоров в тяговом режиме тяги

Пользуясь алгоритмом работы тиристоров и силовой схемой, можно определить токопрохождение в каждой зоне регулирования. При необходимости снижения выпрямленного напряжения главный штурвал контроллера машиниста поворачивается в обратную сторону. При этом регулируемые углы ? _рег постепенно увеличиваются и происходит переход из более высокой зоны в более низкую. Порядок открытия тиристоров плеч соответствуют алгоритму работы тиристоров.

В любой зоне регулирования можно использовать три ступени ослабления возбуждения тяговых двигателей.

Пусковые характеристики электровоза ВЛ80^р с плавным регулированием напряжения (скорости) представляют собой граничные кривые широкого поля зависимости скорости от тока или силы тяги для каждой зоны регулирования (рис. 7).

Рис. 7. пусковые характеристики электровоза ВЛ80^р

1. Рекуперативный режим

В режиме рекуперации тормозное усилие регулируется при высоких скоростях электровоза плавным изменением тока возбуждения, а при средних и малых скоростях – плавным изменением э.д.с. трансформатора. Плавное изменение тока возбуждения от 0 до 1100 А достигается изменением угла открытия тиристоров выпрямительных установок возбуждения 60 ( см. рис. 1). Открытие тиристоров производится с помощью импульсов управления, вырабатываемых системой управления блока 400 и подаваемых через выходные усилители на управляющие электроды тиристоров. При рекуперативном торможении ВИП работает как инвертор. Ток от тяговых двигателей, работающих генераторами, будет протекать в контактную сеть, если напряжение инвертора повысит э.д.с. трансформатора и в каждый полупериод направлено против него. Для этого следует обеспечить открытие тиристоров соответствующих плеч преобразователя подачей на их управляющие электроды импульсов с некоторым углом опережения ? в каждый полупериод напряжения сети.

Значение этого угла изменяется автоматически таким образом. Что угол запаса инвертора ? сохраняется примерно постоянным и равным 20^о. этим обеспечивается высокий коэффициент мощности. В тормозном режиме, как и в тяговом, используется четырехзонное импульсно-фазовое плавное регулирование напряжения инвертора и соответственно тока и тормозного усилия. В 4-ой – 2-ой зонах происходит рекуперативное торможение, а в 1 –ой зоне осуществляется торможение противовключением тяговых двигателей.

В рекуперативном режиме вне зависимости о зоны регулирования и полупериода напряжения сети ток от двигателей, работающих как генераторы, протекает по цепи: якоря двигателей, резистор Р5 (см. рис. 1), открытые тиристоры, вторичная обмотка тягового трансформатора в направлении против э.д.с., открытые тиристоры, сглаживающий реактор, якоря двигателей. При этом энергия рекуперации трансформируется в первичную обмотку и отдается в контактную сеть.

В зависимости от скорости начала торможения регулировать напряжение инвертора можно, начиная с 4 – ой зоны, в соответствии с алгоритмом работы тиристоров (рис. 8).

Рис.8. Алгоритм работы тиристоров в режиме рекуперации

В 4-ой зоне регулирования (рис.9) тиристоры плеч 1, 8 и 2, 7 открываются при подаче на их управляющие электроды импульсов с углом опережения ?. В соответствующие полупериоды эти тиристоры полностью открыты. Когда э.д.с. трансформатора направлена от вывода а1 к выводу х1, ток рекуперации протекает по цепи: тиристоры плеча 8, обмотка трансформатора х1 – а1 в направлении против э.д.с. трансформатора меняет направление, ток рекуперации протекает в обратном направлении – через тиристоры плеч 2 и 7. в момент полдачи на управляющие электроды тиристоров плеч 3 и 4 импульсов с углом регулирования ?_рег нагрузка переводится с тиристоров плеча 1 на тиристоры плеча 3, а в следующий полупериод – с плеча 2 на плечо 4. таким образом, в дальнейшем в 4 –й зоне работают тиристоры плеч 3 и 8 или 4 и 7, причем тиристоры плеч 7 и 8 полностью открыты, а плеч 3 и 4 работают в режиме регулирования фазы. Переход в 3-ю зону осуществляется подачей импульсов на управляющие электроды тиристоров плеч 3 и 8, 4 и 7 с углом опережениям ?. В 3-й зоне регулирования на управляющие электроды тиристоров плеч 5 и 6 подаются импульсы с углом регулирования ?_рег, тиристоры открываются, и происходит перевод нагрузки с тиристоров плеча 3 на тиристоры плеча 5 или плеча 4 на плечо 6. Происходит дальнейшее увеличение инвертированного напряжения

В дальнейшем синхронно переводится нагрузка с тиристоров плеч 5 и 8, 6 и 7 на тиристоры плеч 1 и 6, 2 и 5, которые открываются с углом опережения ?, то есть происходит переход во 2 – ю зону регулирования (см. рис.9). Такой перевод нагрузки вполне допустим, так как э.д.с. трансформатора не изменяется.

Во 2-ой зоне подачей импульсов с углом ?_рег, на тиристоры плеч 3 и 4 осуществляется перевод нагрузки с плеч 1, 2 на 3,4 и соответственно происходит дальнейшее уменьшение э.д.с. трансформатора. При подаче импульсов с углом опережения ? на тиристоры плеч 3 и 4осуществляется переход в 1-ую зону регулирования. Тиристоры плеч 3 и 6 или 4 и 5 полностью открыты.

В 1-й зоне происходит перевод тиристоров 3 и 6, 4 и 5 из режима инвертирования в режим выпрямления с противовключением тяговых двигателей. На управляющие электроды этих тиристоров подаются импульсы с углом регулирования ?_рег, причем тиристоры плеч отрываются таким образом, что направление тока в обмотке трансформатора совпадает с направление э.д.с. Изменением угла открытия тиристоров плеч 4 и 6, 4 и 5 при независимом возбуждении двигателей достигается электрическое торможение до полной остановки.

В каждой зоне тормозной ток можно изменять, регулируя не только напряжение преобразователя, но также и ток возбуждения с помощью тормозной рукоятки контроллера машиниста. При этом импульсы управления поочередно подаются на управляющие электроды двух плеч выпрямительной установки возбуждения. С увеличением тока возбуждения растет ток якоря двигателей и соответственно тормозная сила электровоза.

Рис.11.Характеристика рекуперативного торможения электровоза ВЛ80^р

Регулирование ВИП и ВУВ можно осуществлять независимо друг от друга с помощью главного штурвала и тормозной рукоятки контроллера машиниста. Это дает возможность получить, как и в пусковом режиме, широкое поле тормозных характеристик электровоза (рис.11) , практически любую зависимость тормозного тока и тормозного усилия от скорости в пределах ограничения по сцеплению, коммутации двигателей и максимальному значению тока возбуждения.

Для плавного входа в режим рекуперативного торможения, повышения его устойчивости и облегчения управления предусмотрено автоматическое регулированием процесса рекуперативного торможения с помощью специальной системы противокомпаундирования.

Эта система в зависимости от тормозного тока и скорости его изменения выполняет постоянное автоматическое регулирования углов открытия тиристоров ВИП и ВУВ таким образом, что предотвращаются броски тормозного тока.

Заключение

Силовые установки используются не только на электровозах, но так же на тепловозах (силовая установка - двигатель внутреннего сгорания), газотурбовозах (силовая установка – газогенератор), паровозах (независимая паросиловая установка, состоящая из котла и поршневой паровой машины). А так же на других видах транспорта: самолетах, автомобилях, некоторых видах морского транспорта, военной технике.

Во многих случаях назначением силовой установки является запуск основного двигателя, а также обеспечение энергией на стоянках.

Список используемой литературы

1. Быстрицкий Х.Я., Дубровский З.М. Устройство и работа электровозов переменного тока. Ж.-д. трансп., 1982 г.

2. Бочаров В.И., Попов В.И.. Магистральные электровозы переменного тока. М., «Транспорт», 1976 г.

3. Папченков С.И.. Электрические аппарат и схемы тягового подвижного состава железных дорог. М.- 2002 г.

4. http:// wh0.ru/index.html

5. http://mstrainsim.narod.ru/vl80.html