Системы управления электроподвижным составом

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

 

 

 

 

 

Кафедра «Электроподвижной  состав»

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Системы управления электроподвижным составом»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:.

Шифр:

Проверил:.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Проектирование систем  управления электрическим подвижным  составом переменного тока.

 

1. Цель и задачи проектирования.

 

Восьмиосные двухсекционные электровозы переменного тока ВЛ-80 всех разновидностей, оборудованные коллекторными тяговыми электродвигателями, являются основными грузовыми локомотивами железнодорожных линий, электрифицированных на переменном токе напряжением 25 кВ 50 Гц. Эти электровозы первоначально строились с установками, преобразующими переменный ток высокого напряжения в постоянный пульсирующий ток более низкого напряжения с помощью тягового трансформатора и игнитронных выпрямителей (1962-1964 гг.), а затем начиная с 1964 г. - с кремниевыми выпрямителями (электровозы ВЛ80к). С 1970 г. электровозы серийно выпускались с аппаратами для осуществления электрического реостатного торможения. Первые из них, получившие обозначение ВЛ80т изготавливались до июля 1980 г. Индекс Т указывает на возможность реостатного торможения.

 

2. Подготовка исходных данных для расчета характеристик тягового двигателя и в целом электровоза.

Исходные данные

 

Тип электровоза	грузовой
Осевая формула	ПД-8
Мощность двигателя	900 кВт
Напряжение на зажимах  двигателя	875 В
Ступени ослабления возбуждения ТЭД	0,71; 0,57; 0,41;
Нагрузка на ось	25
Скорость движения в  номинальном режиме	52
КПД зубчатой передачи	0,925
Регулирование напряжения на ТЭД	плавное
Тип электрического торможения	рекуперативное

 

1. Выбор исходных параметров и расчет номинальных величин заданного тягового двигателя.

 

При проектировании электрической  части электровоза необходимо знать  следующие параметры тягового двигателя: номинальные мощность Р_дн, ток I_Н и напряжение U_ДН; силу тяги F_КДН, скорость V_н и КПД h_дн в номинальном режиме; сопротивление обмоток двигателя a r_Д и его составляющих (обмотки якоря r_Я, обмотки возбуждения r_В, обмотки дополнительных полюсов r_ДП и компенсационной обмотки r_КО). Кроме этих параметров, необходимо иметь характеристики тягового двигателя при номинальном напряжении: скоростную V= f (I), электротяговую F_КД = f(I), КПД h_дн=f(I) и нагрузочную СФ=f(I_В). Часть из перечисленных параметров двигателя (P_ДН , U_ДН, V_Н, h_дн) задают, а остальные рассчитываются.

 

Расчет номинальных  величин тягового двигателя ведут по следующим формулам:

 

Р_дн · 10³

I_Н = ––––––––– ,                                              (1.1)

U_дн · h_дн

 

 

где I_Н – номинальный ток двигателя, А; Р_ДН – номинальная мощность двигателя на его валу, кВт; U_ДН – номинальное напряжение двигателя, В; h_дн – КПД двигателя в номинальном режиме.

900 · 10³

.           I_Н = ––––––––––––– =1112 А

875 · 0,925

 

3,6 ∙P_дн · h_зпн

F_КДН = ———––––—,                                            (1.2)

V_н

 

 

где F_КДН – сила тяги двигателя в номинальном режиме, кН; h_зпн – КПД зубчатой передачи двигателя в номинальном режиме h_зпн=0,975; V_Н – номинальная скорость движения поезда, км/ч.

                                               3,6 ∙900 · 0,925

F_КДН = ———––––––– =57,63 кН

52

 

Падение напряжения на сопротивлении  обмоток двигателя Sr_Д грузовых электровозов в номинальном режиме составляет около 3% от номинального напряжения двигателя. Следовательно,

 

0,03∙U_дн

 Sr_Д = –––––––– .                                              (1.3)

I_н

 

                                                     0,03∙ 875

Sr_Д = –––––––– =0,024 Ом

       1112

В общем случае с учетом шунтирования обмотки возбуждения  резистором (ослабления магнитного поля)

 

Sr_Д = r_я + r_в ·b + r_дн + r_ко ,                                    (1.4)

 

где b – коэффициент ослабления магнитного поля или иначе коэффициент регулирования возбуждения.

 

Сопротивление отдельных  обмоток двигателя рекомендуется  принимать по табл. 1.1.

 

Таблица 1.1 - Сопротивление  обмоток тягового двигателя с  компенсационной обмоткой.

 

Обмотка	Сопротивление обмоток
якоря	0,4 SrД =0,0096
возбуждения(главные  полюса)	0,25 SrД / b0=0,00625
дополнительных полюсов	0,1 SrД=0,0024
компенсационная	0,25 SrД = 0,006

 

В таблице приведены следующие  обозначения: b₀ – коэффициент ослабления магнитного поля при постоянной шунтировке обмотки возбуждения резистором, b₀=0,96 – для электровозов переменного тока (тяговые двигатели пульсирующего тока с наличием постоянной шунтировки обмотки возбуждения); Sr_Д – суммарное сопротивление обмоток тягового двигателя.

Sr_Д = 0,0096+ 0,00625 ·b + 0,0024 + 0,006

 

b	SrД
0,71	0.022
0,57	0.022
0,41	0.020

 

2. Расчет характеристик тягового двигателя при номинальном напряжении и полном поле

 

Расчет характеристик  двигателя V=f(I) и F_КД = f(I) ведем на основе использования некоторых обобщенных параметров задаваемых двигателей. В этом случае применяем так называемые универсальные характеристики двигателя [1], смысл которых заключается в следующем. Параметры I, V, F_КД характеристик двигателя с коэффициентом насыщения его магнитной цепи 1,7–1,9 выражены в относительных долях от значений этих величин при номинальном режиме и приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 - Универсальные  характеристики двигателя

 

I / IН	V / VН	FКД / FКДН
0,30	1,76	0,14
0,40	1,51	0,24
0,60	1,22	0,48
0,80	1,08	0,75
1,00	1,00	1,00
1,20	0,94	1,27
1,40	0,89	1,53
1,60	0,86	1,79
1,80	0,83	2,00

 

Текущие значения I, V, F_КД характеристик V=f(I) и F_КД=f(I) получают путем умножения относительных величин I/I_Н, V/V_Н, F_КД/F_КДН на соответствующие номинальные значения I_Н, V_Н и F_КДН. Расчеты сводим в табл. 1.3, по данным которой и строим зависимости V=f(I) и F_КД=f(I) (рис. 1.1).

 

Таблица 1.3 - Скоростная V=f(I) и электротяговая FКД = f(I) характеристики двигателя.

 

I = (I / IН) · IН	V = (V / VН) · VН	F = (FКД / FКДН) · FКН
333,6	91,52	8,068
444,8	78,52	13.831
667,2	63,44	27,662
889,6	56,16	43,223
1112	52	57,63
1334,4	48,88	73,19
1556,8	46,28	88,174
1779,2	44,72	103,158
2001,6	43,16	115,26

 

 

1.2.3. Расчет  характеристик двигателя при  номинальном напряжении и ослаблении  магнитного поля

 

Исходными данными для  этого расчета являются характеристики V = f(I) и F_КД = f(I) полного поля при номинальном напряжении, а также заданные величины коэффициентов регулирования возбуждения b₁, b₂, b₃.

 

Расчет характеристик  ослабленного поля основан на приближенном аналитическом способе пересчета характеристик полного поля, который заключается в том, что при неизменной скорости движения поезда (это обстоятельство возникает практически в первый момент времени при постановке ослабления поля вследствие большой механической постоянной времени электровоза с поездом) ток двигателя при ослабленном поле I_ОП и ток двигателя при полном поле I_ПП связаны отношением

 

I_ОП = I_ПП / b .                                                 (1.5)

 

Тогда для I_ОП величина силы тяги двигателя при ослабленном поле

 

F_{КД ОП}= F_{КД ПП} / b .                                      (1.6)

 

 Результаты расчета  характеристик двигателя при  ослабленном поле сводим в  табл. 1.4.

 

Таблица 1.4 - Характеристики V=f(I) и F_КД=f(I) двигателя при ослабленном поле

I = IПП	IОП 1	IОП 2	IОП 3	V	Fкд=Fкдпп	FКД ОП 1	FКД ОП 2	FКД ОП 3
333,6	469,86	585,26	813,66	91,52	8,068	13,36	14,15	19,68
444,8	626,48	780,35	1084,88	78,52	13.831	19,48	24,27	33,73
667,2	939,72	1170,53	1627,32	63,44	27,662	38,96	48,53	67,47
889,6	1252,96	1560,7	2169,76	56,16	43,223	60,88	75,83	105,42
1112	1566,2	1950,88	2712,2	52	57,63	81,17	101,11	140,56
1334,4	1879,44	2341,05	3254,63	48,88	73,19	103,08	128,40	178,51
1556,8	2192,68	2731,22	3797,07	46,28	88,174	124,19	154,69	215,06
1779,2	2505,92	3121,4	4339,51	44,72	103,158	145,29	180,98	251,61
2001,6	2819,15	3511,58	4881,95	43,16	115,26	162,34	202,21	281,12

 

                 

 

По данным табл. 1.4 следует  построить характеристики V=f(I) и F_КД = f(I) при ослабленных полях ОП-1, ОП-2, ОП-3 – рис. 1.1.

 

 

1.2.4. Расчет  ограничения максимального тока  двигателя по сцеплению колес  с рельсами

 

Расчет ограничения  максимального тока двигателя по сцеплению ведут на основе расчета кривой ограничения максимальной силы тяги двигателя по сцеплению F_{КД МАКС} по формуле

 

F_{КД МАКС} = y _К · 2П,                                       (2.7)

 

где 2П – нагрузка на ось колесной пары, кН; y _К – расчетный коэффициент сцепления для грузовых электровозов переменного тока, для электровозов ВЛ80Р и ВЛ85 с плавным регулированием напряжения двигателя [2]

 

4,3

y _К = 0,3 + –––––––– – 0,0006 V.

50 + 6 V

Для рассчитанных значений F_{КД МАКС} по характеристике F_КД = f(I) находят соответствующие значения токов двигателя I_МАКС.

Результаты расчетов записывают в табл. 1.5. Величины I_МАКС для соответствующих значений V образуют зависимость I_МАКС=f(V) – кривую ограничения максимального тока по сцеплению колес с рельсами. Полученную кривую I_МАКС=f(V) наносят на характеристики двигателя V=f(I) и F_КД=f(I).

 

Таблица 1.5 - Расчет ограничения  максимального тока двигателя по сцеплению

 

V, км/ч	0	10	20	30	40	50	60	70
y К	0.386	0.333	0.313	0.301	0.291	0.282	0.274	0.267
FКД МАКС , кН	96,5	83.25	78,25	75,25	72,75	70,5	68,5	66,75
IМАКС,  А	1680	1475	1400	1550	1315	1275	1250	1215

 

 

1.2.5. Расчет  нагрузочной характеристики тягового  двигателя С_VФ = f (I_В)

 

Нагрузочную характеристику (кривую намагничивания) тягового двигателя в расчетах более удобно представлять в виде зависимости С_VФ от тока возбуждения I_В.

 

ЭДС определяют из выражения 

 

Е = С_V∙Ф · V,                                                (1.8)

 

отсюда

 

С_VФ = Е / V,                                              (1.9)

 

где Е – ЭДС двигателя, В; V –  скорость движения поезда, км/ч.

 

Произведение конструктивной постоянной С_V на магнитный поток Ф называется удельной ЭДС.

 

Значение С_VФ_Н в номинальном режиме получают из уравнения

 

U_ДН = С_VФ_Н · V_Н+I_Н S r_Д ,                                  (1.10)

 

отсюда

U_ДН – I_Н S r_Д

C_VФ_Н = ——––————,                                        (1.11)

V_Н

     875 – 1112∙0,024

                                        C_VФ_Н = ——––———— = 16,31 в∙с/м                                            

52

 

 

 

Зависимость С_VФ = f (I_В) определяется конструктивными особенностями тяговых двигателей электровозов. Для определения С_VФ используется аналитическая зависимость [3], достаточно точно описывающая вид кривой намагничивания тяговых двигателей последовательного возбуждения грузовых электровозов

 

 С_VФ=1,2 С_VФ_Н (1-е^{-1,8Iв/Iвн}),                                        (1.12)

 

где I_ВН – ток возбуждения двигателя в номинальном режиме.

 

При нормальном возбуждении (полное поле) ток двигателя I и ток  возбуждения I_В связаны соотношением

 

I_В = b₀ · I.                                                      (1.13)

 

Из формулы (2.12) получают

 

 

 

 С_VФ/С_VФ_Н =1,2 (1-е^{-1,8Iв/Iвн}),                                      (1.14)

 

Точки зависимости, рассчитанные по формуле (1.14), приведены в табл. 1.6.

 

 

 

 

Таблица 1.6 - Универсальная  нагрузочная характеристика

 

IВ/IВН	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25	1,5	1,75
СVФ/СVФН	0,435	0,712	0,889	1,0	1,07	1,12	1,15

 

Значение С_VФ и I_В нагрузочной характеристики С_VФ=f(I_В) получают путем умножения относительных величин С_VФ/С_VФ_Н и I_В/I_ВН на соответствующие номинальные значения С_VФ_Н и I_ВН. Расчеты записываем в табл. 1.7.

 

Таблица 1.7 - Нагрузочные характеристики тягового двигателя С_VФ= f (I_В) в номинальном режиме при I = I_Н

 

	267	534	801	1068	1335	1602	1869
	7,095	11,613	14,5	16,31	17,452	18,267	18,756

 

По данным табл.1.7. строим нагрузочную  характеристику С_VФ=f(I_В) (рис.1.2).

 

 

Рисунок 1.2 – Нагрузочная характеристика двигателя в номинальном режиме.

 

6. Расчет силы тяги тягового двигателя F_КД1 при трогании на первой позиции электровоза.

 

Для построения пусковой диаграммы  по ступеням регулирования (позициям) на скоростных характеристиках электровоза  V=f(I) в дальнейших расчётах необходимо знать допустимое значение силы тяги двигателя при трогании на первой позиции F_КД1. Этой силе тяги должно соответствовать ускорение одиночного электровоза на площадке не более 0,4 м/с². Ограничение важно соблюдать при выполнении манёвров, когда электровоз нужно передвинуть на небольшое расстояние. Опустив преобразования, получим выражение для силы тяги двигателя электровоза на первой позиции:

 

 

,                       (1.15)

 

где  2П – нагрузка на ось колесной пары;

(1+g) – коэффициент инерции вращающихся частей, (1+g)=1,25;

dV/dt – ускорение одиночного электровоза на площадке, dV/dt≤0,4 м/с²;

w¢₀ – удельное основное сопротивление движению электровоза при скорости 10 км/ч, w¢₀=2.

 

кН.

По рисунку 1 определяем ток двигателя при трогании на первой позиции I_тр1= А.

Желательно чтобы I_тр1 был не более 0,3×I_н=0,3×1112= 333,6 А

 

 

1.3 Обоснование  системы регулирования напряжения  тяговых двигателей электровоза.

Современные электровозы  переменного тока в нашей стране имеют в основном ступенчатое  и плавное регулирование напряжения коллекторных тяговых двигателей на стороне низкого напряжения тягового трансформатора. В обоих видах регулирования применяются статические (полупроводниковые) преобразователи на неуправляемых (ступенчатое регулирование) и управляемых (плавное регулирование) силовых вентилях. Исходя из исходных данных нужно дать характеристику с плавным регулированием.

Трансформаторы и преобразовательные установки с использованием управляемых  полупроводниковых вентилей - тиристоров специально спроектированы для этих электровозов. С помощью преобразовательной установки на тяговом режиме без переключения силовых цепей осуществляется выпрямление тока и плавное регулирование напряжения на зажимах тяговых электродвигателей, что улучшает тяговые свойства электровоза, а на тормозном режиме постоянный ток, вырабатываемый тяговыми электродвигателями, преобразуется в установке в переменный частотой 50 Гц. Этот ток питает тяговые обмотки трансформатора, первичная обмотка которого становится вторичной и возвращает электрическую энергию в контактную сеть для других потребителей.

 

1.4 Схема силовых цепей  электровоза с плавным регулированием  напряжения

Схема силовых цепей электровоза  с плавным регулированием напряжения аналогична схеме электровоза ВЛ80^Р [9,10]. Назначение и принцип действия показанных на схеме устройств электрического оборудования, работу электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения, а также принцип действия защиты силовых цепей нужно изучить, например, по руководству по эксплуатации электровоза ВЛ80^Р [10]. Ниже даны основные сведения о силовой схеме электровоза при работе в режиме тяги и рекуперативного торможения.

Режим тяги. В режиме тяги регулирование скорости движения поезда осуществляется за счет изменения напряжения на тяговых двигателях I–IV, а также за счет регулирования их возбуждения.

 

Двигатели I и II получают питание с  выхода первого выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП1) через сглаживающий реактор 55, а двигатели III и IV – с  выхода ВИП2 через сглаживающий реактор 56. На выходы ВИП1 и ВИП2 переменное напряжение поступает соответственно от двух вторичных обмоток (а₁-х₁ и а₂-х₂) тягового трансформатора. Каждая из этих обмоток состоит из трех секций, в которых две (а₁-1, 1-2 в одной и а₂-3, 3-4 в другой обмотках) имеют равное число витков, а значит и равное напряжение, а третья (2-х₁ и 4-х₂) – имеет в два раза большее число витков, чем первые две, т.е. равное сумме витков первых двух секций.

Схемой силовых цепей  предусмотрено плавное 4-х зонное регулирование выпрямленного напряжения как в режиме тяги, так и в режиме рекуперативного торможения. Каждый ВИП состоит из 8 тиристорных плеч. Схему ВИП можно представить как три параллельно соединенные однофазные мостовые схемы 1-4, 3-6, 5-8 с совмещенными смежными плечами (3-4, 5-6).

 

Для 8-плечевой схемы ВИП  действительны все соотношения  обычной однофазной мостовой схемы. На каждой зоне регулирования напряжения работает определенная секция обмотки  и соответствующие ей плечи ВИП. Так, на 1-й зоне работает секция 1-2 с  плечами 3,4,5,6 ВИП1 и секция 3-4 с плечами 3,4,5,6 ВИП2; на 2-й зоне – сумма секций 1-2 и а1-1 с плечами 1,2,3,4,5,6 ВИП1 и сумма секций 3-4 и а2-3 с плечами 1,2,3,4,5,6 ВИП2; на 3-й зоне – сумма секций 2-х1 и 1-2 с плечами 3,4,5,6,7,8 ВИП1 и сумма секций 4-х₂ и 3-4 с плечами 3,4,5,6,7,8 ВИП2; на 4-й зоне – сумма секций 1-х₁ и а₁-1 с плечами 1,2,3,4,7,8 ВИП2. ВИП1 и ВИП2 работают параллельно соответственно каждый на свою группу тяговых двигателей. Пуск электровоза начинается с 1-й зоны. Согласно алгоритму управления ВИП в 1-й зоне регулирование выпрямленного напряжения производится открытием тиристоров плеч 3,5 в момент a ₀ , а плеч 4,6 – в момент, соответствующий регулируемому углу a _Ф. Здесь a ₀ является наименьшим допустимым углом открытия тиристоров в начале каждого полупериода напряжения, равным примерно 100 (иначе a₀ – фаза управляющего импульса). Особенностью 1-й зоны является то, что на тиристоры плеча 5 сигнал управления подается дважды: первый от основного выходного усилителя в момент a ₀, а второй – от дополнительного выходного усилителя в момент a _Ф. Это необходимо с целью обеспечения надежного контура тока в цепи ВИП и тяговых двигателей в начале процесса выпрямления.

Энергия, запасенная в цепи выпрямленного  тока (сглаживающий реактор, тяговые  двигатели) за время коммутации (время перехода тока с одного плеча на другое в начале каждого полупериода), разряжается по нулевому контуру, образованному сглаживающим реактором, тяговыми двигателями и тиристорами плеч 3,4 в одном полупериоде, либо 5,6 в другом полупериоде напряжения. Таким образом, происходит чередование использования тиристоров в качестве нулевых вентилей. На диаграмме напряжения U_1-2 будет нулевая площадка, т.е. со стороны трансформатора на тяговые двигатели в этот момент времени энергия не поступает. Регулирование фазы управляющих импульсов a Ф производится в диапазоне от a_{Ф МАКС} » 1800 до a _{Ф МИН} » a ₀, выпрямленное напряжение в конце 1-й зоны достигает 1/4 U_ДН, во 2-й зоне выпрямленное напряжение увеличивается от 1/4 U_ДН до 1/2 U_ДН за счет изменения фазы открытия тиристоров плеч 1,2 в диапазоне от a _{Ф МАКС} до a _{Ф МИН}. При этом согласно алгоритму управления плечи 3,4,5,6 открываются в момент времени a 0.