Расчет систем управления электрическим подвижным составом переменного тока

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ПАРАМЕТРЫ ОСНОВНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
1.1. Система управления тяговыми двигателями грузового электровоза переменного тока
1.2. Характеристики тягового двигателя при номинальном напряжении
1.3. Сглаживающий реактор
1.4. Тяговый трансформатор
1.5. Выпрямительно-инверторный преобразователь
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ЭЛЕКТРОВОЗА
2.1. Расчет характеристик выпрямительно-инверторного преобразователя
2.1.1. Расчет регулировочных характеристик ВИП
2.1.2. Расчет внешних характеристик преобразовательной установки и скоростных характеристик электровоза для двигательного режима работы ТЭД
2.2. Расчет ступеней ослабления возбуждения
2.3. Расчет скоростных характеристик электровоза для режима ослабленного возбуждения
2.4. Расчет внешних характеристик инвертора
3. ЗАЩИТА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
4. ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

При расчете ступеней ослабления возбуждения значение принимаем равным значению для номинального режима работы ТЭД. При этом магнитные и механические потери составляют половину от общих потерь в двигателе. Потери в передаче принимают равными 2%.
(2.18)
.
Тогда
А,
(В/м/с),
Н.
2. Снижение силы тяги при переходе на очередную ступень регулирования возбуждения:
(2.19)
где k - число ступеней регулирования возбуждения (для грузовых электровозов рекомендуется k = 3).
Тогда
Н.
3. Сила тяги, магнитный поток и ток возбуждения при скорости выхода на скоростную характеристику первой ступени ослабления возбуждения:
, (2.20)
, (2.21)
. (2.22)
Тогда
Н,
(В/м/с),
А.
4. Коэффициент регулирования возбуждения на первой ступени ослабления возбуждения:
. (2.23)
5. Сила тяги, магнитный поток и ток возбуждения при скорости выхода на скоростную характеристику ступени ослабления возбуждения k:
, (2.24)
, (2.25)
. (2.26)
6. Коэффициент регулирования возбуждения k-й ступени ослабления возбуждения
. (2.27)
Проведем расчет для второй ступени ослабления возбуждения
Н,
(В/м/с),
А.
.
Проведем расчет для третьей ступени ослабления возбуждения
Н,
(В/м/с),
А.
.
Расчет коэффициентов регулирования возбуждения заканчиваем, когда очередной коэффициент βk станет равным βmin.
2.3. Расчет скоростных характеристик электровоза для режима ослабленного возбуждения
Скоростные характеристики при ослабленном возбуждении рассчитываем с учетом изменения напряжения на тяговых двигателях по внешней характеристике преобразовательной установки :
, (2.14)
где - скорость движения на βk ступени ослабления возбуждения при токе ;
- магнитный поток при токе возбуждения .
Расчет скоростных характеристик для режима ослабленного возбуждения выполняют для четвертой зоны регулирования и сводим в табл. 2.4.
Таблица 2.4.
Скоростные характеристики для режима ослабленного возбуждения
(зона регулирования ВИП)
Рассчитываемые величины βk Расчетный ток, А 216,4 216,4 216,4 216,4 216,4 216,4 216,4 , А 0,74 160 400 641 801 962 1041 0,74 0,57 123 308 493 617 741 802 0,57 0,44 95 238 381 476 572 619 0,44 , В/м/с 0,74 15,4 31,9 41,2 45,2 48,1 49,2 0,74 0,57 12,1 26,6 36,2 40,5 43,9 45,2 0,57 0,44 9,4 21,7 30,9 35,4 39,1 40,6 0,44 , км/ч 0,74 192,7 89,6 66,8 59,4 54,4 52,4 0,74 0,57 245,6 107,6 76,3 66,4 59,7 57,2 0,57 0,44 314,6 131,9 89,5 76,0 67,1 63,8 0,44
По результатам расчета строим графики внешних характеристик (рис. 2.4) и скоростных характеристик (рис. 2.5).
Рисунок 2.4. Внешние характеристики ВИП в режиме выпрямления
Рисунок 2.5. Скоростные характеристики электровоза Сопротивления ослабления возбуждения для двигателей пульсирующего тока обычно включают по схеме [4, 5], представленной на рис. 2.6, а.
Рисунок 2.6. Схема включения сопротивлений ослабления возбуждения для двигателей пульсирующего тока
Здесь r0 - сопротивление цепи постоянного ослабления возбуждения;
rиш - активное сопротивление индуктивного шунта;
rшк - сопротивление, реализующее коэффициент ослабления возбуждения βk.
На рис. 2.6, б приведена эквивалентная схема цепи возбуждения, для которой можно записать
(2.29)
Где
(2.30)
В частном случае для нормального возбуждения при βk= β0
(2.31)
Отсюда
(2.32)
Ом
Из выражений (2.29)-(2.32) следует
(2.33)
Активное сопротивление индуктивного шунта ориентировочно определяют по наименьшему допустимому коэффициенту ослабления возбуждения βmin из соотношения
(2.34)
Коэффициент 0,85...0,9 введен для того, чтобы на последней позиции OВ сопротивление rшк включенное последовательно с индуктивным шунтом, было не менее 0,1rиш. Это необходимо для уменьшения влияния температурных изменений rиш и rгп на реализуемый минимальный коэффициент регулирования возбуждения βmin.
Ом.
Нагревание резисторов r0 и rшк определяется их эффективными токами в расчетном режиме, когда ток в якоре двигателя равен Iн.
Эффективный ток Iш0 в резисторе r0 находим приближенно, допуская, что через него целиком проходит переменная составляющая тока якоря с амплитудой kпIIн и действующим значением. Учитывая, кроме того, постоянную составляющую, равную , получим:
. (2.35)
А.
Эффективный ток в резисторе rшк и в индуктивном шунте
. (2.36)
Проведем расчет для трех ступеней ослабления возбуждения
А.
А.
А.
2.4. Расчет внешних характеристик инвертора
Внешняя характеристика инвертора - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Uдн выпрямительно-инверторного преобразователя от тока тягового двигателя Iт в режиме рекуперативного торможения.
На рис. 2.7 показана упрощенная схема электровоза с зонно-фазовым регулированием напряжения на двигателях для режима рекуперативного торможения [1, 4].
Рисунок 2.6. Схема включения сопротивлений ослабления возбуждения для двигателей пульсирующего тока Выпрямительно-инверторный преобразователь инвертирует постоянный ток Iт тяговых электродвигателей в ток переменный с частотой сети fс. Возбуждение тяговых электродвигателей при торможении - независимое. Обмотки возбуждения всех тяговых двигателей обоих секций электровоза соединены последовательно и питаются от отдельной обмотки тягового трансформатора с напряжением Uв через управляемый выпрямитель ВУВ,
В зоне высоких скоростей торможения тормозное усилие регулируется плавным изменением тока Iв обмоток возбуждения за счет изменения угла отпирания тиристоров ВУВ. В зоне средних и малых скоростей торможения – плавным изменением выходного напряжение инвертора за счет изменения угла отпирания тиристоров ВИП при постоянном токе возбуждения.
Внешняя характеристика ВИП при работе его в режиме инвертирования с максимальными углами регулирования тиристоров определяется выражением
(2.37)
Rпрn - приведенное к тяговой обмотке трансформатора ко всем параллельным ветвям тяговых электродвигателей эквивалентное сопротивление ВИП.
При работе тиристоров ВИП с максимальными углами регулирования сопротивление Rпрn определяется следующими выражениями: для первой зоны регулирования
для первой зоны регулирования
, (2.38)
для второй - четвертой зон регулирования
(2.39)
Используя выражения (2.37)–(2.39) рассчитываем и строим внешние характеристики инвертора для 1-4 зон регулирования для режима работы тиристоров ВИП с максимальными углами регулирования. При расчете внешних характеристик угол запаса инвертирования принимаем равным δ = 20о. Внешние характеристики четвертой зоны рассчитываем при р = 100°.
Внешняя характеристика ВИП - наклонная прямая. Выходное напряжение инвертора уменьшается при увеличении тормозного тока. Наибольший наклон имеет характеристика четвертой зоны регулирования, на которой индуктивное сопротивление обмоток трансформатора наибольшее.
Расчет внешних характеристик сводим в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Внешние характеристики преобразовательной установки и скоростные характеристики электровоза (двигательный режим работы ТЭД)
Зона Расчетный ток, А 216,4 541,0 865,6 1082,0 1300 1406,6 1 0,00128 211,0 210,1 209,3 208,7 208,2 207,9 2 0,00541 411,7 408,2 404,6 402,3 399,9 398,8 3 0,01326 610,8 602,2 593,6 587,8 582,0 579,2 4 0,02783 807,0 788,9 770,9 758,8 746,7 740,7
По результатам расчета строим графики внешних характеристик (рис. 2.6).
При управлении тиристорами ВИП по закону δ = const в процессе торможения при изменении тормозного тока не будут обеспечены условия электрической устойчивости. Для обеспечения электрической устойчивости в цепи двигателей вводят дополнительные резисторы с сопротивлением rдоп, которые также улучшают распределение тормозных токов по параллельно работающим генераторам. Минимальная величина сопротивления этих резисторов должна быть такой, чтобы внешняя характеристика инвертора перестала быть падающей:
Рисунок 2.6. Внешние характеристики ВИП в режиме инвертирования
, (2.40)
Ом
3. ЗАЩИТА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Данные о системах защиты силовой цепи приводим в сводной табл. 3.1.
Таблица 3.1.
Данные о системах защиты силовой цепи электровоза
Причина срабатывания защиты
Контролируемый параметр Уставка защиты
Аппараты
защиты Результат
действия
защиты 1. Короткое замыкание в трансформаторе Ток замыкания 400 А ГВ Отключение ГВ 2. Сквозной пробой плеча ВИП Контроль отсутствия разности потенциалов на плечах ВИП Реле пробоя Отключение ГВ 3. Замыкание на землю силовой цепи тяговых двигателей Ток замыкания Реле заземления Отключение ГВ 4. Перегрузка тягового двигателя Ток перегрузки 1900 А Реле перегрузки РП 1-РП 4 Отключение ГВ через промежуточное реле 5. Коммутационные перенапряжения на тиристорах ВИП – – Защитные цепочки RC – 6. Атмосферные перенапряжения Напряжение 29 кВ Ограничитель перенапряжений ОПН Срабатывание разрядника 7. Боксование тяговых двигателей Ток двигателя Разность токов ТД на 7% Реле боксования
РБ -469 Включение песочниц 8. Юз тяговых двигателей Напряжение на двигателях 50 В Реле боксования
ЮЗ -476 Включение песочниц
4. ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Перечень основного электрооборудования электровоза (в расчете на одну секцию) сведем в табл. 4.1.
Таблица 4.1.
Перечень основного электрооборудования электровоза
Обозначение
по схеме Наименование
аппаратов и
оборудования Расчётные номинальные данные
Количество
Примечание Напряжение Ток XA1 Токоприёмник 25 кВ 900 А 1 ГВ Выключатель воздушный 25 кВ 400 А 1 ТР Тяговый трансформатор 25 кВ 1700 А 1 ВИП Выпрямительно-инверторный преобразователь 958 В 2813 А 3 L1-L3 Сглаживающий реактор 1570 В 2164 В 3 БВ Быстродействующий выключатель 1200 В 1200 А 6 M1 – M6 Тяговый электродвигатель 785 В 1082 А 6
ВУВ Блок выпрямительной установки возбуждения 159 В 1060 А 1 L4-L9 Индуктивный шунт 2000 В 520 А 6 RT Стабилизирующий резистор 2000 В 1406 А 6 R0 Сопротивление постоянного шунтирования 1000 В 210 А 6 QT Переключатели в режим электрического торможения 3000 В 1200 А 1
QP Реверсоры
ВЫВОДЫ
В данном курсовом проекте был произведен расчет основных параметров электрооборудования электровоза переменного тока с бесконтактным регулированием напряжения на тяговых двигателях в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Выполнен расчет параметров тягового трансформатора, сглаживающего реактора, выпрямительно-инверторного преобразователя, выпрямительной установки возбуждения и тягового двигателя.
Проведен расчет и построение:
- регулировочных и внешних характеристик выпрямительно-инверторного преобразователя для режимов тяги и электрического торможения;
- скоростных характеристик электровоза на каждой зоне регулирования, а также для трех ступеней ослабления возбуждения при номинальном напряжении на тяговых двигателях.
Также была разработана схема электрических цепей электровоза переменного тока и приведен перечень основного электрооборудования электровоза в расчете на одну секцию. Все основные параметры электрооборудования являются средними для современных электровозов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Электровоз ВЛ85: руководство по эксплуатации / Б. А. Тушканов, Н. Г. Пушкарев, Л. А. Позднякова. -М.: Транспорт, 1992.
Расчет систем управления электрическим подвижным составом переменного тока: учеб. пособие / А.В. Плакс, А.С. Мазнев, А.И. Чудаков. Спб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2010. – 42 с.
Ротанов Н. А. Проектирование систем управления электроподвижным составом /Н. А. Ротанов, Д. Д. Захарченко, А. В. Плакс. – М.: Транспорт, 1986.
Плакс А. В. Системы управления электрическим подвижным составом / А. В. Плакс. - М.: Маршрут, 2005.
Якушев А. Я. Расчет регулировочных и внешних характеристик однофазного четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя электроподвижного состава/ А. Я. Якушев, А. С. Корнев// Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-коиструкторского института электровозостроения. - 2006. - Вып. 1.
Чебовский О. Г. Силовые полупроводниковые приборы: справочник/ О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. И. Недошивин. - 2-е изд. - М.; Энер-гоатомиздат. 1985.
-31-
F, кН
V, км/ч
I, А
V(I)
F(I)
Iсц(V)
А
, В
1 зона
2 зона
3 зона
4 зона
2 зона
3 зона
1 зона
4 зона
, В
, А
3 зона
2 зона
4 зона
1 зона
1 зона
, А
V, rv/x
2 зона
3 зона
4 зона
, В
ОВ1 ОВ2 ОВ3
, В
, А
1 зона
2 зона
3 зона
4 зона