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

Перехресне з'єднання обмоток забезпечує електричну стійкість роботи схеми в режимі гальмування. В процесі реостатного гальмування тягові двигуни працюють в генераторному режимі і виробляють електричну енергію за рахунок кінетичної енергії, запасеної в рухомому складі при його розгоні. Електрична енергія перетвориться в теплову енергію, яка виділяється в гальмівному резисторі Rт.

В зоні високих і середніх швидкостей руху підтримка заданого струму в ланцюгах якорів тягових двигунів при їх гальмуванні здійснюється тиристорним регулятором.

Рисунок 1.3 - Перехресна мостова схема гальмування тягових двигунів

1.2 Розробка блок схеми модернізованого тягового електроприводу вагону метрополітену

Основні переваги системи імпульсного управління в порівнянні з контакторно-реостатним наступні:

безреостатний плавний пуск електропоїзда, при якому усуваються втрати енергії в пускових реостатах і забезпечується можливість збільшення середнього пускового прискорення;

плавне рекуперативне гальмування в широкому діапазоні швидкостей майже до зупинки потягу без потужних збудників або обмоток незалежного збудження тягових двигунів;

плавне, без втрат, регулювання швидкості електропоїзда у всьому діапазоні її зміни;

усунення дії на тягові двигуни коливань напруги і перенапружень в контактній мережі;

можливість підвищення середньої напруги, що підводиться до тягових двигунів;

простота автоматизації управління електропоїздом і можливості отримання будь-яких тягових і гальмівних характеристик.

Регулювання тяговим електроприводом вагону метрополітену в тяговому і гальмівному режимах здійснюється за допомогою імпульсного перетворювача методом широтно-імпульсного регулювання, що дозволяє отримати широкий діапазон зміни струму тягових двигунів. Блок-схема імпульсного електроприводу вагону метрополітену зображена на рисунку 1.4.

Напруга контактної мережі UC приймається струмоприймачами (СП), потім через ввімкнений високовольтний вимикач (В) через фільтри (Ф) надходить до імпульсного перетворювача (ІП).

Блок імпульсного перетворювача функціонально складається з формувачів імпульсів відкриваючого і закриваючого струмів, транзисторів, які запираються, і захисних RDC - ланцюгів. Формувачі імпульсів управляючого струму виконані з двома джерелами живлення з конденсаторними накопичувачами енергії.

До блока імпульсного перетворювача сигнал керування поступає від контролера машиніста, який сигналом управління Uк, відповідно позиціям контролера управляє величиною заповнення імпульсу ШІП (0>¡>1).

Конструктивно система управління складається з блока формування сигналів автоматичного керування тяговими перетворювачами. До складу кожного блоку входять задаючи генератори (ЗГ), та компаратори (К) що здійснюють широтну модуляцію імпульсів управління. Вихідні сигнали ЗГ зрушені відносно один одного на кут рівний 1800. Вихідна напруга ЗГ є синхронізуючим сигналом для формувачів сигналу управління (ФСУ) імпульсними перетворювачами. Під дією сигналу управління uу, що поступає з контролера машиніста (КМ) електропоїзда, ЗГ формує закон модуляції імпульсів управління. Частота проходження імпульсів управління залишається постійною і рівна f= 400 Гц, регулюється тільки величина заповнення імпульсів 0>¡>1. Надалі сигнали подаються на логічний пристрій який своїми логічними елементами формує команди:

“вперед”;

“назад”;

“тяга”;

“гальмування”.

Логічний пристій керує порядком включення та виключення силових ключів, які керують роботою чотирьох тягових двигунів з’єднаних послідовно.

Контроль за величиною струмів, що протікають у тягових двигунах, здійснюється датчиками струму ДС. Для вирівнювання струмів у тягових двигунах застосований регулювальник струму РС, який на основі інформації, що поступає від датчиків струму, виробляє керуючий вплив на ФСУ.

У режимі рекуперативного гальмування система управління працює аналогічно режиму тяги. При цьому сигнал uу подається на систему управління починаючи з «1» гальмової позиції контролера машиніста. У процесі рекуперативного гальмування регулюється струм якоря тягових двигунів.

В режимі тяги схема складає електричний ланцюг, в який входять чотири з’єднані послідовно тягових двигуна ДК-117А та транзисторно-імпульсний перетворювач. Електропоїзд має послідовне та послідовно-паралельне з’єднання тягових двигунів, але завжди залишається два тягових двигуна, які з’єднані послідовно.

Діапазон регулювання напруги тягових двигунів з’єднаних послідовно проміж собою від 0 до 750 В (напруга контактної мережі з допомогою транзисторно-імпульсного регулюючого перетворювача). Широтно-імпульсним перетворювачем виконується регулювання з постійною частотою 400 Гц, але з різним коефіцієнтом заповнення імпульсу g, від 0 до 1.

На рисункові 1.5 показана електрична схема електропоїзду в режимі тяги. Розглянемо для приклада роботу силової схеми у режимі “тяга-вперед”.

Перетворювач кожного моторного вагона має Г-подібний вхідний фільтр. При пуску електропоїзда струм Ід піде по слідуючому колі: , напруга контактної мережі; Г-подібний вхідний фільтр, транзистор VT1 який відкривається з частотою  Гц, але з різним коефіцієнтом заповнення імпульсу 0>¡>1 (відповідно позиціям контролера машиніста), через Zн (тягові двигуни Д1 -Д4), постійно відкритий транзистор VT4,  напруги контактної мережі, земля. На рисунку 1.6 зображені графіки напруг та струмів тягового двигуна при роботі у режимі тяги.

Рисунок 1.6 - Графіки напруг та струмів тягового двигуна при роботі у режимі тяги

Імпульсні регулятори у процесі електричного гальмування забезпечують плавне регулювання режимами на обмотках якорів тягових двигунів і струму збудження, що дозволяє гальмову характеристику , яка збігається з граничною або близькою до неї, залежно від вибраного закону управління імпульсними регуляторами.

Граничні гальмові сили у зоні високих швидкостей руху обмежуються максимально допустимими значенню Е.Р.С. і напруги, а у зоні середніх та низьких швидкостей - допустимими значеннями коефіцієнта зчеплення коліс електропоїзда з рейками.

Використовування імпульсного регулятора напруги дозволяє здійснити рекуперативне гальмування практично до повної зупинки поїзда, при тому не треба змінювати схему з’єднання тягових двигунів.

Розглянемо силову електричну схему у режимі “вперед-гальмування” по рисунку 1.7.

У даному випадку відкривається силовий транзистор VT2 з частотою  Гц, але з різним коефіцієнтом заповнення імпульсу 0>¡>1 (відповідно позиціям контролера машиніста у режимі - “гальмування”), замкнутому положенню транзистора відповідає частина періоду , а розімкненому .

При відкриванні транзистора VT2 утворюється контур струму тягового двигуна, який робить у генераторному режимі; він складається з двигуна, реактора Lф та транзистора VT2. Дякуючи малому опору контура генераторний струм збільшується від (ін) до (ік), в наслідок чого зростає запас електромагнітної енергії контура, зосереджений у основному реакторі. У цьому інтервалі і = 0. Потім після запирання транзистора VT2 струм двигуна починає зменшуватися і Е.Р.С. самоіндукції, обумовлена самоіндукцією реактора Lф та обмоток двигуна, складається з Е.Р.С. двигуна. Сума цих Е.Р.С. перевищує напругу мережі, і струм двигуна поступає у тягову мережу, не вважаючи на те, що його Е.Р.С. менше напруги мережі.

Рисунок 1.8 - Графіки напруг та струмів тягового двигуна при роботі у генераторному режимі

.3 Розробка блок-схеми системи керування імпульсним перетворювачем

Блок схема системи керування (СК) імпульсним перетворювачем відображена на рисунку 1.9.

Система керування складається з роздільних каналів формування керуючих сигналів транзисторів, кожного візка вагону.

Регулювання тяговими двигунами у режимі тяги та гальмування відбувається методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Кожний канал системи керування складається з генератора, який задає сигнали - ЗГ1 (ЗГ2), формуючого двосторонній пилкоподібний опорний сигнал . З виходу ЗГ опорний сигнал подається на перший вхід компаратора - К1 (К2). На другий вхід компаратора від контролера машиніста (КМ) надається сигнал завдання  через суматор С1 (С2) та обмежувач напруги ОН1 (ОН2).

Обмежувач напруги призначений для злагодження величин сигналу  та опорного сигналу . Обмежувачем напруги ОН1 (ОН2) на виході компаратора формується послідовність прямокутних імпульсів регулюючої довжини. Довжина вихідного імпульсу компаратора, яка визначає час включеного стану транзистора у силовому колі перетворювача, залежить від величин системи керування.

Вихідні імпульси компаратора подаються на вхід логічного перемикача ЛП1 (ЛП2), на управляючі входи якого надаються команди: “вперед”, “назад”, “тяга”, “гальмування” - ці команди визначають роботу транзистора у силовій частині перетворювача.

Вирівнювання струмів тягових двигунів різних вагонів виконується з допомогою регулятора струму (РС), на входи якого, від датчиків струму ДС1-ДС2, подаються сигнали пропорційні струмам тягових двигунів. На виході регулятора струму формується коректируючий сигнал, який подається на другі входи суматорів С1-С2.

Вхідними сигналами логічного улаштування (ЛУ) є:

вихідний сигнал широтно імпульсного модулятора, побудованого на DA;

сигнал команди “Вперед” у виді логічної “1”;

сигнал команди “Назад” у виді логічного “0”;

сигнал команди “Тяга” у виді логічної “1”;

сигнал команди “Гальмування” у виді логічного “0”.

Сигнали команд “Вперед”, “Назад”, “Тяга” і “Гальмування” поступають у систему управління від контролера машиніста. Надходження однієї з вказаних команд визначає алгоритмом переключення ключів VS1, VS2, VS3, VS4 силової схеми перетворювача.

У таблиці 1.2 приведені алгоритми роботи силових ключів перетворювача для різних режимів руху електричного рухомого складу. У таблиці прийняті слідуючи позначення:

“1” - постійно включений транзистор;

“1 (ШІМ)” - транзистор, який здійснює переключення під дією сигналу широтно- імпульсного модулятора;

“0” - постійно виключений транзистор.

Таблиця 1.2 - Алгоритми силових ключів

На рисунку 1.10 приведена електрична схема рівнянь в базисі І-Ні. У якості елементної бази прийняті інтегральні логічні елементи серії К 561.

Принципова схема логічного пристрою відображена на рисунку 1.10.

На рисунку прийняті слідуючи позначення:

Х1 - двоїстий логічний сигнал, відповідний команді “Вперед”, “Назад”;

Х2 - двоїстий логічний сигнал, відповідний команді “Тяга”, “Гальмування”;

Х3 - двоїстий логічний сигнал, відповідний вихідному сигналу широтно- імпульсної модуляції сигналу управління.

Вихідні сигнали Y1, Y2, Y3, Y4 відповідають стану транзисторів VT1, VT2, VT3, VT4

Рисунок 1.10 - Принципова схема логічного пристрою

2. Розрахунок силової частини імпульсної системи керування тяговими двигунами вагонів метрополітену

.1 Розрахунок імпульсного перетворювача у пусковому режимі

У пусковому режимі імпульсного перетворювача проти Е.Р.С. дорівнює нулю. Навантаження імпульсного перетворювача являє собою послідовне з'єднання активного опору Rд опору індуктивного Lд якірних ланцюгів і опору індуктивного ланцюга збудження тягового двигуна.

Розрахункова схема імпульсного перетворювача для цього випадку відображена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 - Розрахункова схема імпульсного перетворювача у режимі пуску

Рисунок 2.2 - Алгоритм переключення транзисторного перетворювача і часові діаграми струмів та напруги

Транзисторно-імпульсний перетворювач являє собою ключ, котрий являє собою два стійких стана: замкнуте та розімкнуте. Він переключається з частотою f. У інтервалі кожного періоду

  (2.1)

ключ замкнутий протягом часу tім і розімкнутий у період який зостався Т - tім.

Відповідно тяговий електричний двигун частину періоду який визначається коефіцієнтом замкнення,

 (2.2)

підключений до джерела напруги Uc, а в останню частину періоду відключений від нього.

  (2.3)

Нехтуючи пульсаціями напруги на конденсаторі Сф вхідного фільтра, котрі малі та звично складають менше 0,1Uc, можна рахувати, що до ланцюга тягових електродвигунів прикладені прямокутні імпульси напруги амплітудою U і тривалістю tім. Середнє значення цієї напруги за період.

 (2.4)

З допомогою транзисторно-імпульсного перетворювача шляхом зміни γ від γмін до одиниці середнє значення напруги Uст.дв, яке прикладається з ланцюга тягової машини, можливо регулювати у широких межах від Uср.дв до Uср.дв рівному Uc. На інтервалі 0 ≤ t ≤ t0 коли VТ відкритий, від контактної мережі з напругою Uc споживається енергія. Шлях проходження електричного струму Ін1 показаний суцільною лінією, дивись рисунок 2.1. На інтервалі t0 ≤ t ≤ T транзистор VT закритий. Струм навантаження за рахунок Е.Р.С. самоіндукції зберігає своє попереднє направлення, замикаючись через зворотній діод VD. Шлях цього струму Ін2 для інтервалу показаний штриховою лінією на рисунку 2.1.

Алгоритм переключення транзисторного перетворювача і часових діаграм струмів і напруг показаний на рисунку 2.2.

Регулювання швидкістю обертання якорів тягових двигунів відбувається зміною напруги живлення.