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

де  - частота першої гармоніки, Гц;

 - резонансна частота, Гц.

  (2.34)

Із отриманого виразу знайдемо індуктивність Lф:

  (2.35)

 Гн.

Частота пульсації напруги і струму фільтра

 (2.36)

 Гц.

Індуктивність реактора фільтра вибирають таким чином, щоб власна частота f0 фільтра була у 2-3 рази менша частоти fф, що дозволяє уникнути явища резонансу.

, (2.38)

 Гц.

 Гц.

У результаті перевірки можна сказати, що для умов запобігання явищ резонансу у фільтрі, індуктивність реактора фільтра вибрана вірно.

. Розрахунок системи керування імпульсним перетворювачем

.1 Розрахунок обмежувача напруги

Обмежувач напруги (рисунок 3.1) являє собою каскад, що інвертує, на операційному підсилювачі із ключовим елементом у вигляді транзистора в ланцюзі зворотного зв'язка й призначений для обмеження вихідного сигналу завдання на рівні 5В.

Рисунок 3.1 - Обмежувач напруги

Для побудови обмежувача напруги вибираємо операційний підсилювач К544УД1.

Технічні характеристики операційного підсилювача К544УД1:

. Напруга живлення ±15

. Вхідне (диференціальне) напруга Uвх.дф, В 10

. Синфазна вхідна напруга Uсф.вх, В              ±10

. Опір навантаження Rн, Ом          2

. Ємність навантаження Сн, пФ              500

. Споживаний струм Iсп, мА          3,5

. Напруга зсуву |Uсм|, мВ              50

. Середній вхідний струм Iвх, мА           1

. Коефіцієнт підсилення напруги kп• 103                  10-20

. Кос,дБ               64

. f1, мГц              1

.U вых, В/мкс               2

. Rвх• 109, Ом              10

Вибираємо R1=20 кОм.

Виходячи з міркувань, що Uзад=U1 маємо,що коефіцієнт підсилення дорівнює:

=R2=20 кОм.

Вибираємо резистори R1, R2 МЛТ-0,25 - 20 кОм ± 5%.

Щоб зменшити вплив зміщення вхідної напруги викликаного протіканням вхідних струмів операційного підсилювача через вхідні ланцюги, вибираємо резистор R3 з наступного співвідношення:

 кОм.

Для ключового елементу ланцюга зворотного зв'язку вибираємо транзистор типу КТ361А що має наступні технічні характеристики:

. Потужність на колекторі, мВт                        150

. Струм колектора, Iк, мА                       100

. Напруга колектор-емітер, В                           20

. Загальний тепловий опір Rt ос/мВт                        0,67

. Зворотний струм колектора при Iзв.к=10 У, мкА                     1

.Статичний коефіцієнт підсилення струму бази (Uк=10 У, Iэ=1мА) 20÷90

.Зворотній струм емітера при Uб.п <30мА

Струм, що протікає через колектор транзистора знаходимо з формули:

  (3.1)

де Ik - струм колектора, Аз - напруга завдання, В- вхідний опір, Ом

тоді:

мА.

Струм бази транзистора знаходимо з виразу:

імпульсний перетворювач електропривод вагон

  (3.2)

де Iб - струм бази транзистора, Ак - струм колектора транзистора, А

β- статичний коефіцієнт підсилення струму бази

Статичний коефіцієнт β =20 (з довідника)

б А.

Виходячи з того, що струми, які протікають через базу транзистора VT мають малі значення, приймаємо величину резистора R4=4,3 кОм, R5=3 кОм.

Вибираємо резистор типу МЛТ-0,25.

.2 Розробка і розрахунок задаючого генератора

.2.1 Опис схеми задаючого генератора

Технічні характеристики задаючого генератора

Напруга живлення, В………………………………..± 15±10%

Амплітуда вихідного сигналу, В.………… ……………………10

Частота вихідного сигналу, Гц………………………………400± 10

Тривалість зворотного ходу, мкс………………………………..50

Задаючий генератор (ЗГ) застосовується для формування пилкоподібного опорного сигналу. Блок схема задаючого генератора наведена на рисунку 3.2.

Функціонально задаючий генератор складається з інтегратора І, на вході якого діє постійна напруга, компаратора К і чекаючого мультивібратора М.

Вихідний сигнал мультивібратора через коло зворотного зв’язку, яке містить в своєму складі ключ КЛ, служить для створення початкових нульових умов на виході інтегратора.

Епюри напруг, що діють в схемі задаючого генератора наведені на рисунку 3.3.

Рисунок 3.2 - Блок схема задаючого генератора

Інтегратор виконано на операційному підсилювачі DA1. Компаратор побудований на операційному підсилювачі DA2. А мультивібратор - на операційному підсилювачі DA3. В схемі генератора сигнал напруги U1 знімається з резистора R1, вихідний сигнал інтегратора змінюється за законом

 (3.3)

У момент часу вихідна напруга інтегратора Uі зрівнюється з опорним сигналом Uо, компаратор переключає знак своєї вихідної напруги на протилежний. Вихідний сигнал компаратора діє на транзистор VT2 запускає чекаючий мультивібратор. Сформований мультивібратором імпульс включає транзистор VT1 в колі зворотного зв’язку інтегратора.

Рисунок 3.3 - Епюри напруг, що діють в схемі задаючого генератора

.2.2 Розрахунок чекаючого мультивібратора

Для створення чекаючого режиму мультивібратора вибираємо наступні величини резисторів:=R9 =10 кОм;= 5,1 кОм;= 7,5 кОм.

В якості наведених резисторів вибираємо резистори типу МЛТ - 0,25.

.2.3 Розрахунок інтегратора

Згідно формули (3.3) і технічним вимогам визначаємо величину конденсатора С1:

 (3.5)

 мкФ.

В якості конденсатора С2 вибираємо конденсатор КМ-0,1мкФ- ± 20% -50 В.

.3 Розрахунок компаратора

Для розрахунку компаратора (рисунок 3.5) задамося величинами опорів  і . Маємо  кОм (МЛТ-1,0)

Рисунок 3.5 - Схема компаратора

Визначимо граничну напругу спрацьовування .

 (3.6)

де  =0,6 В.

= 2 кОм (МЛТ-0,5)

 В.

Тип діода VD1 прийнятий аналогічно типу VD2.

Напруга перемикання компаратора

 (3.7)

 В.

При подальшому збільшенні напруги, після того, як вона стане більше, ніж напруга перемикання(U1>U2), компаратор перемкнеться (рисунок 3.6), у цьому випадку VD1 не буде шунтувать вхід, що не інвертує, компаратора й сигнал буде повністю надходити на вхід, що інвертує.

Приймаємо тип операційного підсилювача - ДО140УД1

Технічні характеристики операційного підсилювача ДО140УД1:

Вхідний струм Iвх, мА  400

Різниця вхідних струмів ΔI, мА  ±200

Вхідний опір Rвх, мОм 0,4

Напруга зсуву нуля Uсм, В ±9

Частота одиничного посилення f1, МГц 0,8

Коефіцієнт підсилення по напрузі  3.104

Вихідний опір Rвих, Ом 200

Максимальний вихідний струм, мА 20

Максимальна вихідна напруга В 10,5

. Максимальна диференціальна вхідна напруга, В ±12

. Напруга живлення Uжив, В  ±15

Рисунок 3.6 - Формування сигналу компаратора

3.4 Розрахунок формувача імпульсів

Формування імпульсів будемо будувати на базі ланцюжка, що укорочує, що служить для формування з імпульсів великої тривалості імпульсу малої тривалості.

Формувач імпульсів збираємо на цифровій інтегральній схемі ДО561ЛА7, що складається із трьох елементів І-НЕ. Формувач імпульсів представляємо на рисунку 3.7.

Використовуваний у структурній схемі системи керування інвертор будуємо також на елементі І-НІ.

Технічна характеристика ДО561ЛА7

Рисунок 3.7 - Схема формувача імпульсів

Для визначення значень R1 і C1 скористаємося залежністю тривалості імпульсів формувача імпульсів і значень:

; (3.8)

Задаємося значенням R1=4.7 тому МЛТ - 0,5.

З вираження знаходимо значення С1:

  (3.9)

Приймаємо С1=13.6 мкФ типу КЛС.

Необхідно керувати двома тиристорами по різних каналах, тому ми будемо використовувати два аналогічних формувачі імпульсів. Їхня відмінність відрізняється в тім, що в один з каналів нам необхідно встановити інвертор, для того щоб по передньому фронті сигналу подаючого з компаратора DA керувати одним транзистором, а по задньому фронті керувати іншим транзистором.

Ще одна відмінність полягає в тому, що ми маємо різний час імпульсів, tі1=25 мкс, tі2=30 мкс, у зв'язку із цим нам необхідно брати різний час ланцюжка.

Приймаємо значення R'1=4,7 кОм, типу МЛТ - 0,5

  (3.10)

 Ф

Приймаємо =10 мкФ типу КСЛ

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

.1 Загальна характеристика заходу

Застосування реостатного пуску та гальмування в вагонах метрополітену серії 81 - 717, як було відзначено в розділі 1, приводить до значних витрат електричної енергії. Також було відмічено, що електричне реостатне гальмо на вагонах даної серії дозволяє загальмувати вагон до швидкості 15 км/г, а далі використовується пневматичне гальмо, тому що реостатне гальмо при таких швидкостях малоефективне.

Окремою увагою слід відзначити пневматичну систему гальмування де гальмування виникає за рахунок тертя між гальмівною колодкою та бандажем колісної пари. Внаслідок чого гальмівна колодка зношується і збільшується концентрація пилу в повітрі, що особливо небезпечно в умовах метрополітену.

Як найповніші тягово-експлуатаційні переваги імпульсного управління виявляються при комплексному його застосуванні як в тяговому режимі так і в гальмівному. При постійній напрузі 750 В до тягових двигунів вагонів підводиться напруга 375 В. Основні переваги такої системи імпульсного управління в порівнянні з контакторно-реостатною наступні:

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

плавне реостатне гальмування в широкому діапазоні швидкостей майже до зупинки потягу (до швидкості 5 км/г) без могутніх збудників або обмоток незалежного збудження тягових двигунів;

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

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

можливість підвищення середньої напруги, що підводиться до тягових двигунів.

Імпульсна система управління має особливо велике значення для вагонів метрополітену, де необхідно розвивати великі прискорення, швидкості на коротких дільницях, унаслідок чого втрати на пуск і гальмування складають більше половини загальної витрати електричної енергії.

Ступінь економічної ефективності імпульсного управління визначається співвідношенням між збільшенням його вартості і зменшенням витрат енергії, завдяки усуненню втрат в пускових реостатах в режимах тяги і гальмування Це пояснюється різким скороченням пускових втрат, більш ефективною рекуперацією, більш швидким розгоном потягу до високих швидкостей завдяки кращим тяговим характеристикам.

В результаті модернізації вагонів метрополітену серії 81-717 економічний ефект очікується від:

скорочення витрат на електроенергію;

скорочення витрат на поточні витрати при ремонті;

підвищення надійності модернізованих електропоїздів, в наслідок чого збільшаться міжремонтні періоди і як наслідок зменшаться витрати на ремонт;

підвищення якості обслуговування пасажирських перевезень.

.2 Методика розрахунку економічного ефекту

Сумарний по рокам розрахункового періоду економічний ефект (Эт) визначається як перевищення сумарної вартісної оцінки результатів заходу НТП за розрахунковий період (Рт) над вартісною оцінкою сукупних витрат на здійснення заходу НТП за розрахунковий період (Зт)

Эт = Рт - Зт.                                                                 (4.1)

При розрахунку економічного ефекту проводиться обов’язкове приведення різночасових витрат і результатів до єдиного для всіх варіантів реалізації заходу НТП моменту часу - розрахунковому року tр. Приведення різночасових витрат і результатів всіх років періоду реалізації до розрахункового року здійснюється шляхом множення їхньої величини за кожний рік на коефіцієнт приведення at, що визначається за формулою

,                                     (4.2)

де Ен - норматив приведення різночасових витрат і результатів, Ен=0,1;- розрахунковий рік;- рік, витрати і результати якого приводяться до розрахункового року.

Вартісна оцінка результатів за розрахунковий період визначається за формулою

,                                        (4.3)