Материал: Розрахунок силової частини імпульсної системи керування тяговими двигунами вагонів метрополітену

Розрахунок силової частини імпульсної системи керування тяговими двигунами вагонів метрополітену

Зміст

Вступ

. Аналіз існуючих систем регулювання тяговим електроприводом вагона метрополітену і обґрунтування до його модернізації

.1 Контакторно-реостатна система регулювання тяговим електроприводом вагона метрополітену

.1.1 Загальна характеристика вагонів

.1.2 Силові ланцюги в режимах тяги і гальмування

.2 Розробка блок схеми модернізованого тягового електроприводу вагону метрополітену

.3 Розробка блок-схеми системи керування імпульсним перетворювачем

. Розрахунок силової частини імпульсної системи керування тяговими двигунами вагонів метрополітену

.1 Розрахунок імпульсного перетворювача у пусковому режимі

.2 Розрахунок імпульсного перетворювача у режимі тяги з безперервним

струмом тягових двигунів

.3 Вибір силових елементів імпульсного перетворювача

.3.1 Вибір керованого ключового елемента імпульсного перетворювача

.3.2 Розрахунок вхідного фільтра

. Розрахунок системи керування імпульсним перетворювачем

.1 Розрахунок обмежувача напруг

.2 Розробка і розрахунок задаючого генератора

.2.1 Опис схеми задаючого генератора

.2.2 Розрахунок чекаючого мультивібратора

.2.3 Розрахунок інтегратора

.3 Розрахунок компаратора

.4 Розрахунок формувача імпульсів

. Визначення економічного ефекту від модернізації вагонів метрополітену серії 81 - 717 системою імпульсного управління тяговими двигунами

.1 Загальна характеристика заходу

.2 Методика розрахунку економічного ефекту

.3 Розрахунок показників використання

.4 Розрахунок капітальних витрат

.5 Розрахунок економічного ефекту

. Охорона праці

.1 Коротка характеристика проектуємого об’єкту

.2 Небезпечні і шкідливі виробничі фактори

.3 Аналіз потенційних небезпек на електропоїзді

.4 Заходи по створенню безпечних умов праці

.5 Правила пожежної безпеки

.6 Розрахунок захисного заземлювача

Висновок

Список використаних джерел

Вступ

Як правило, нові концептуальні технічні рішення в області залізничного рухомого складу з'являються в ході його поступового вдосконалення. Однак трапляються й революційні перетворення, прикладом яких служить впровадження імпульсного тягового приводу.

Тяговий привід з імпульсними перетворювачами в цей час застосовується в тяговому і моторвагонному рухомому складі залізниць Європи. Шлях, пройдений до появи сучасної елементної бази, що дозволив повною мірою використати переваги імпульсного приводу, був довгим і пов'язаний з рішенням багатьох проблем, що найчастіше супроводжувались жвавими дискусіями. Всі елементи, властивому імпульсному тяговому приводу, присутні в сучасних електропоїздах залізниць ряду країн Європи.

Істотний прогрес був досягнутий в 80-і роки з появою транзисторів, що замикають, (GTO) з високим ККД, застосування яких дозволило значно скоротити число напівпровідникових приладів у перетворювачах. Завдяки цьому вдалося спростити складну комутаційну схему. Ці фактори сприяли швидкому розвитку імпульсного тягового приводу. У той же час впровадження 16-розрядних, а потім і 32-розрядних мікропроцесорів забезпечило системам керування й контролю тяги бажану продуктивність і швидкодію, дозволивши в такий спосіб оптимально використати сили зчеплення.

Одночасно з освоєнням тиристорів почалася розробка біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT-транзисторів), які володіють рядом переваг у порівнянні з GTO-тиристорами. Завдяки більш високій частоті комутації можна зменшити розміри й масу перетворювача, знижуються необхідність у фільтрації гармонійних складових струму, рівні перешкод, створюваних при роботі напільного встаткування, і випромінюваного шуму. Виділення тепла зменшується завдяки менш глибокому перепаду напруги й більш низькому рівню комутаційних втрат. Схемні блоки можуть мати більше просту конструкцію, не вимагають наявності ланцюга гасіння, що підвищує їхню ефективність, і їх, як будь-який інтегрований біполярний пристрій, простіше прохолоджувати. Технологія IGBT була швидко прийнята для застосування в допоміжних перетворювачах малої потужності, наприклад вагонів метрополітену, у тому числі й через те, що компактність перетворювачів сприятлива для їхнього розміщення під кузовом або в піддаховому просторі.

Проаналізувавши експлуатаційні витрати по моторвагонному господарству метрополітену за останні роки, можна стверджувати, що найбільше ефективним із погляду скорочення експлуатаційних витрат у нинішній ситуації повинно стати істотне зниження витрат по статті "Електроенергія".

Вагони серій 81-114 і 81-117, що випускаються з 1987р, мають ще достатній запас конструктивної міцності кузова і частини устаткування, при цьому багато систем і комфортність поїздки не задовольняють сучасним вимогам.

Тому в даному дипломному проекті для зменшення експлуатаційних втрат і збільшення дохідності від перевезень пропонується модернізація вагонів метрополітену серії 81-717 і 81-714 системою імпульсного управління тяговими двигунами.

1. Аналіз існуючих систем регулювання тяговим електроприводом вагона метрополітену і обґрунтування до його модернізації

.1 Контакторно-реостатна система регулювання тяговим електроприводом вагона метрополітену

.1.1 Загальна характеристика вагонів

Вагони метрополітену серії 81-717 і 81-714, основні характеристики яких наведені в таблиці 1.1, приводяться в рух чотирма тяговими двигунами типу ДК117А з послідовним збудженням. Потяг формується з одних моторних вагонів, керованих за системою багатьох одиниць за допомогою 72 дротів управління.

Вагони виготовляються в двох виконаннях: модель 81-717 головний з кабіною управління і модель 81-714 проміжний з постом управління від переносного пульта для маневрових робіт. Вагони обладнані пристроями резервного управління, АРС і можуть доповняться системою автоведення.

Таблиця 1.1 - Загальна характеристика вагонів

Тяговый двигун - ДК-117А

Тяговий двигун (ТД)   самовентильований, послідовного збудження;

Тип обмотки       петлева, із зрівняльними з'єднаннями;

Потужність (кВт)         110;

Годинний струм (А)    330;

Число оборотів (об/мин)       1480;

Підшипники:

з боку колектора         роликовий №30-32310;

з боку вентилятора      кульковий №70-413;

Число полюсів:

головних (шт.)    4;

додаткових (шт.)          4;

Число витків котушки (на один полюс):

головний полюс 26;

додатковий полюс       15;

Повітряний зазор якоря:

під головним полюсом (мм):

центр         2,5;

край  7,5;

під додатковим полюсом (мм):      3,5;

Число щіткотримачів (шт.)   4;

Число щіток в щіткотримачі (шт.) 2;

Марка щітки       ЕГ-2А;

Для управління тяговими двигунами, електричними груповими апаратами, індивідуальними електропневматичними і електромагнітними реле і іншими приладами, пристрої сполучені між собою дротами, створюючими електричні схеми (ланцюги) трьох видів: силова, управління і допоміжна.

Силова схема служить для з'єднання тягових двигунів з електричними апаратами, індивідуальними контакторами, котушками реле і іншими приладами забезпечуючими:

з'єднання силового ланцюга вагону з контактною рейкою;

зміну швидкості і напрями обертання якорів тягових двигунів;

перемикання тягових двигунів з моторного на гальмівний режим і назад;

контроль і захист тягових двигунів і апаратів силового ланцюга від струмів короткого замикання і перевантаження;

заземлення силового ланцюга.

Ланцюг управління служить для перемикання електричних групових апаратів, індивідуальних електропневматичних і електромагнітних контакторів силового ланцюга кожного вагону.

Ланцюг управління включає ряд електромагнітних реле і вентильних котушок, контакти і контактори індивідуальних і групових апаратів, які забезпечують порядок перемикання окремих апаратів і приладів, контроль за їх роботою і станом силового ланцюга. Живлення ланцюга проводиться від акумуляторної батареї 50 - 80 В і блоку живлення власних потреб БЖВП.

Допоміжний ланцюг служить для включення допоміжного електричного устаткування. В допоміжний ланцюг високої напруги (825 В) включаються: печі опалювання, електромагнітні контактори і ланцюги підзаряду акумуляторних батарей, БЖВП, ланцюг мотор-компресора, нульове реле, освітлення салонів.

В допоміжний ланцюг низької напруги включаються: аварійне освітлення, червоні фари і прожектори, управління: освітленням пасажирського салону, БЖВП, мотор-компресорами, розсувними дверима.

1.1.2 Силові ланцюги в режимах тяги і гальмування

Структура силових електричних ланцюгів вагонів моделей 81-717.5 і 81-714.5 відповідає реостатно-контакторному принципу управління тяговими двигунами з частковим використовуванням тиристорно-імпульсного управління в гальмівному режимі.

Струм в ланцюзі якорів тягових двигунів для підтримки його на заданому рівні регулюють в режимі тяги шляхом східчастого зменшення опору пускового резистора в поєднанні з перемиканням тягових двигунів з послідовного на послідовно-паралельне, а також шляхом східчастої зміни опору резисторів, що шунтують обмотки збудження тягових двигунів; в гальмівному режимі - шляхом плавного регулювання опору резистора, що шунтує обмотки збудження тягових двигунів, і східчастого зменшення опору гальмівного резистора.

Східчасте регулювання опору пуско-гальмівних резисторів здійснюється реостатним контроллером (ЕКГ-39У2), контакторні елементи якого включені паралельно секціям пуско-гальмівних резисторів.

Для скорочення втрат в пускових резисторах в електроприводі вагону використовуються тягові двигуни з низколежачими швидкісними характеристиками і в процесі розгону вагону здійснюється перемикання їх з'єднання з послідовного на послідовно-паралельне.

В результаті втрати електроенергії в пускових резисторах при русі вагону на розрахунковому перегоні 1700 м горизонтального профілю з середньою швидкістю 48 км/ч (час стоянки 25 с, напруга в контактній мережі 750 В) обмежені на рівні 3,5 % електроенергії, що витрачається на тягу.

Перегруповування тягових двигунів з послідовного на послідовно-паралельне з'єднання здійснюється по схемі моста, принцип роботи якої полягає в наступному.

Як приклад розглянемо спрощену силову схему ланцюгів тягових двигунів (рисунок 1.1). У момент пуску тягових двигунів їх обмотки Я1-Я4 і ОВ1-ОВ4 і пускові резистори R1 і R2 з'єднуються послідовно і підключаються до контактної мережі напругою U через контакторні елементи 1, ПС і 2 (інші контакторні елементи розімкнені) [1].

Рисунок 1.1 - Спрощена силова схема ланцюгів тягових двигунів

Сумарний опір резисторів R1 і R2 вибирається виходячи із забезпечення плавності пуску вагону. У міру розгону тягових двигунів по черзі замикаються контакторні елементи 3 − 8, шунтуючи ступені резисторів R1 і R2, кількість яких визначається допустимими значеннями коливань пускового струму і сили тяги при замиканні ступенів резисторів. У момент включення контакторного елемента 8 послідовно з’єднані тягові двигуни через контакторні елементи 7, ПС і 8 (інші контакторні елементи розімкнені) безпосередньо підключаються до контактної мережі, причому подальша підтримка середніх значень струму і сили тяги при збільшенні частоти обертання тягових двигунів стає неможливою.

Для збереження динаміки вагону тягові двигуни перемикають на послідовно-паралельне з'єднання з включенням в паралельний ланцюг відповідного пускового резистора R1 і R2. В процесі перегруповування двигунів спочатку одночасно замикають контакторні елементи П1 і П2 і групи двигунів (перша група: Я1-ЯЗ- ОВ1-ОВЗ, друга група: ОВ2-ОВ4-Я2-Я4) з'єднуються з пусковими резисторами за схемою моста. Резистор R1 підключений до першої групи тягових двигунів через контакторні елементи П2, ПС і 7, а резистор R2 - до другої через контакторні елементи П1, ПС і 8, причому середні точки з'єднання груп тягових двигунів і послідовно включених по відношенню до контактної мережі резисторів R1 і R2 з'єднані. Між цими точками протікає різниця струмів послідовних ланцюгів резисторів і груп двигунів, причому після підключення резисторів струм в тягових двигунах, а отже, і тягові зусилля зберігаються практично на колишньому рівні.

Далі розмикають контакторний елемент ПС, включений між вказаними середніми точками резисторів і груп двигунів, після чого утворюються два незалежні паралельні ланцюги, кожна з яких підключена до контактної мережі і складається з двох з’єднаних послідовно тягових двигунів і пускового резистора (Я1-ЯЗ-ОВ1-OB3-7-R2-П1 і П2-Rl-8-ОВ2-ОВ4-Я2-Я4), причому перехід на послідовно-паралельне з'єднання двигунів проходить практично без зниження сили тяги.

У вказаних паралельних ланцюгах струм на заданому рівні підтримується шляхом послідовного включення контакторних елементів 6 − 1. Таким чином, одні і ті ж контакторні елементи використовуються при регулюванні опорів пускових резисторів при послідовному (вал реостатного контролера обертається в одному напрямку) і послідовно-паралельному (вал реостатного контролера обертається в протилежному напрямку) з'єднанні тягових двигунів, що дозволяє значно скоротити число позицій реостатного контролера при збереженні необхідного числа ступенів пускових резисторів.

Використовування реостатного контролера з обертанням валу в протилежних напрямах при різних групуваннях тягових двигунів приводить до необхідності застосування окремого приводу контакторних елементів П1, П2 і ПС. Після замикання контакторних елементів 2 і 1 (П1 і П2 замкнуті, ПС і 3 − 8 розімкнені) перша і друга групи тягових двигунів безпосередньо підключаються до контактної мережі.

При подальшому розгоні тягових двигунів підтримка струму в ланцюзі якорів тягових двигунів на заданому рівні і збереження споживаної потужності забезпечується у наслідок ослаблення збудження двигунів. Спрощена схема підключення тягових двигунів до контактної мережі при регулюванні ослаблення збудження представлена на рисунку 1.2.

Ослаблення збудження (регулювання струмів збудження) здійснюється східчастою зміною опору резистора при послідовному замиканні контакторних елементів 1 − 3. Число ступенів ослаблення збудження визначається допустимими значеннями коливань струму і сили тяги при замиканні вказаних елементів. Для забезпечення безаварійної роботи тягових двигунів в перехідних режимах, зв'язаних, наприклад, з короткочасними відривами струмоприймача вагону, в ланцюг шунтуючого резистора RШ включається індуктивний шунт. Активний опір і індуктивність шунта вибираються так, щоб розподіл струмів в ланцюгах обмоток збудження і резистора RШ в перехідному і сталому режимах трохи відрізнялися. Після замикання контакторного елемента 3 тягові двигуни виходять на швидкісну характеристику максимально ослабленого збудження і у міру подальшого розгону струм в ланцюгах якорів тягових машин і динаміка вагону зменшуються.

Рисунок 1.2 - Спрощена схем підключення тягових двигунів до контактної мережі при регулюванні ослаблення збудження

Таким чином, в режимі тяги можна виділити три характерні періоди роботи електроустаткування вагону: регулювання напруги на обмотках якорів тягових машин (режим пуску), регулювання струмів збудження (режим ослаблення збудження) і режим роботи по швидкісній характеристиці максимально ослабленого збудження.

В режимі реостатного гальмування тягові двигуни з'єднуються по перехресній мостовій схемі, представленій в спрощеному вигляді на рисунку 1.3.

В діагональ моста, утвореного обмотками якорів і збудження, включений гальмівний резистор. По ньому протікає сумарний струм обмоток якорів обох груп тягових машин. Як видно з рисунка 1.3, струм IТ1 якорів тягових двигунів першої групи протікає по обмоткам збудження тягових двигунів другої групи, а по обмоткам збудження тягових двигунів першої групи - струм IТ2 обмоток якорів тягових двигунів другої групи.