Розрахунок миттєвих значень струму трифазної системи АІН-АД в силовій схемі локомотива ДС3 по методу двох складових

Розрахунок миттєвих значень струму трифазної системи АІН-АД в силовій схемі локомотива ДС3 по методу двох складових

Зміст

Завдання на курсову роботу

. Вступ

. Призначення і технічна характеристика електровозу

. Вибір та обґрунтування структури силового ланцюга тягового електропривода локомотива

. Вибір форми напруги для живлення автономного інвертора напруги

. Розрахунок фазних струмів двофазної системи „автономний інвертор напруги - асинхронний електродвигун”

. Висновки

Перелік використаної літератури

Завдання

на курсову роботу з дисципліни

ТЯГОВІ СТАТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

Студента

групи 9- 5 - ЕТ ____________________________

ТЕМА КУРСОВОЇ РОБОТИ: “Розрахунок миттєвих значень струму трифазної системи АІН-АД в силовій схемі локомотива ДС3 по методу двох складових”

ВИХІДНІ ПАРАМЕТРИ:

Трифазний тяговий електродвигун                                     АД-914

. Ud = 3000 В.

2.  = 0,0338 Ом ;  =0,0221 Ом.

. x1Н = 0,2276 Ом; x'2н= 0,2138 Ом ; xОН = 5,761 Ом.

. f1Н = 55,7 Гц; f1 = 60 Гц; f2 = -0,5 Гц.       

. q = 0,5; .

ПЕРЕЛІК ПИТАНЬ, ЯКІ ПІДЛЯГАЮТЬ РОЗРОБЦІ

Вибір та обґрунтування структури силового ланцюга тягового електропривода локомотива.                                    

Вибір форми напруги для живлення автономного інвертора напруги.

Розрахунок фазних струмів двофазної системи „автономний інвертор напруги - асинхронний електродвигун”

1. Вступ

У сучасному житті склалися обставини, за яких використання асинхронних двигунів в якості тягових є напрямок, якому слід приділити значну увагу. Досвід країн зарубіжжя, власні розробки та експерименти вже призвели до виникнення рухомого складу з таким приводом; проте існують і деякі проблеми із використанням асинхронних двигунів. Це, зокрема, сумісна робота двигунів з напівпровідниковими перетворювачами частоти. Проте досвід експлуатації вітчизняних асинхронних приводів попри всі недоліки вказує на перспективність цього напрямку розробок.

Тягові перетворювачі на основі сучасних компонентів силової електроніки в сполученні із трифазними асинхронними тяговими двигунами забезпечують нові можливості, як у підвищенні сили тяги, так і в зниженні впливу, що заважає, електричної тяги на живленні мережі. Значний якісний стрибок в області тягового приводу був реалізований на етапі широкого впровадження силових тиристорів, що замикають (GTO), а потім і, більш компактних і надійних, біполярних транзисторів із ізольованим затвором (IGBT).

Тягові системи електричного тягового рухомого складу великої потужності досягли в цей час високого технічного рівня. Незважаючи на те, що трифазний тяговий привід почав використатися порівняно давно, найбільший розвиток він одержав з появою тиристорів, що замикають, а потім і транзисторів IGBT. Перетворювачі стали більш легкими та компактними, зменшилися їхні втрати потужності, підвищилася тактова частота, знизилися ціни.

2. Призначення і технічна характеристика електровоза

Відповідно до трибічної Генеральної угоди про створення нового перспективного електрорухомого складу для українських залізниць, підписаної адміністрацією

Рис. 1. Загальний вид електровоза ДС3

Державних залізниць України, науково-виробничим об'єднанням електровозобудування (НВО "ДЭВЗ") і АТ Сименс (Німеччина), в даний час почато виготовлення чотиривісного грузо-пасажирського електровоза змінного струму типу ДСЗ з асинхронними тяговими електродвигунами. Виробництво електровозів здійснюється НВО "ДЭВЗ", а АТ Сименс поставляє тягові і допоміжні перетворювачі і комплект системи управління. Шестиполюсні асинхронні тягові двигуни потужністю 1200 кВт кожен, розроблені і виготовлені Харківським НВО "Електротяжмаш". Конструктивне виконання тягового двигуна безкорпусне, з порожнистим валом під опорно-рамне підвішування.

Технічні дані:

Номінальна напруга контактної мережі, кВ - 25
 Допустимі межі коливання напруги в контактній мережі, кВ - 19 - 29

Формула ходової частини - (2о-2о)

Колія, мм         - 1520

Конструкційна швидкість:

з грузовим потягом км/ч - 120

з пассажирським потягом км/ч - 160

Вес зчіпної електровоза з 2/3 запасу піску, тс - 90±3

Навантаження від осі на рейки, тс - 22,5

Мінімальний радіус прохідних кривих при швидкості 10 км/ч, м - 125

Потужність тривалого режиму на валах тягових електродвигунів, кВт - 4800

Сила тяги годинного режиму, кН - 310

Сила тяги тривалого режиму, кН - 270

Швидкість годинного режиму, км/ч - 51,6

Швидкість тривалого режиму, км/ч - 53,6

К. к. д. тривалого режиму - не менше 0,85

Коефіцієнт потужності тривалого режиму - 0,95

Максимальная тормозная сила при V=60 км/ч, кН - 200

Длина по осям автосцепок, мм - 17000

Електровоз ДСЗ є першим з нової серії електрорухомого складу України. Надалі передбачено освоєння електровозів постійного струму і двосистемних з АТД.

. Вибір та обґрунтування структури силового ланцюга тягового електропривода локомотива

Для регулювання частоти обертів ротора (у широкому діапазоні швидкостей) асинхронних двигунів необхідно їх живити багатофазною (m1≥2) зміною напругою регульованої частоти.

Використання трифазних електродвигунів в першу чергу пов’язано з поліпшенням умов сумісної роботи асинхронного двигуна. Відповідно змінюється структура та топологія вхідного перетворювача, а в цілому, схемотехніка тягового електроприводу суттєво спрощується.

Отже, вибираємо силову схему з імпульсним перетворювачем знижуючого типу, трифазними мостовим інвертором, який живить два паралельно ввімкнені асинхронні тягові двигуни. Цим досягаємо напруги 3 кВ на кожному з візків та 1,5 кВ на кожен з однофазних мостових інверторів, отже і на ізольованих обмотках статора.

На рис. 2 наведена схема тягового електропривода з випрямлячем струму і автономним інвертором напруги на основі IGBT-модулів. Вона використовує потужні високовольтні транзистори IGBT напругою 3,3 кВ і струмом 1,2 кА, випуск яких почався останні роки.

Схема призначена для керування двигунами магістрального електровоза при первинному живленні від контактної мережі змінного струму 25 кВ, 50 Гц. Вона містить тяговий трансформатор, випрямляч струму, фільтри у проміжній ланці змінного струму, реостатне гальмо, інвертор напруги та асинхронний двигун як навантаження.

Характерним є те, що з боку навантаження (вторинна сторона) і з боку контактної мережі (первинна сторона) встановлені однакові перетворювачі, які відрізняються тільки числом фаз: контактна мережа однофазна, а навантаженням є трифазний двигун. Обидва перетворювачі оборотні: напрямок потужності у них змінюється при переході від тяги до гальмування та навпаки.

Перетворювач на вторинній стороні у режимі тяги робить як інвертор напруги, оскільки у нього добре згладжена вхідна напруга. При переході до гальмування він стає випрямлячем струму, оскільки входом тепер є двигун як джерело енергії, а у нього добре згладжений струм в обмотках. Перетворювач на первинній стороні діє протилежним чином: в режимі тяги він робить як випрямляч струму, а в режимі гальмування як інвертор напруги. Перетворювачі зручно називати по їх функції в режимі тяги, оскільки цей режим є в схемі тягового електропривода основним.

Як випрямляч струму так і інвертор напруги діють з синусоїдальною ШІМ, що дозволяє одержати в навантаженні і в контактній мережі струм, що наближається до синусоїдального. Щоб поліпшити фільтрацію вищих гармонік, на боці змінного струму кожного з перетворювачів введені додаткові дроселі.

Особливості пов'язані з використанням IGBT-модулів в якості силових керованих приладів замість одноопераційних тиристорів з вузлами примусової комутації. Типова потужність одного блока дорівнює близько 1000кВт. Струм в проміжній ланці розподіляється між трьома транзисторами інвертора та тільки двома - випрямляча. Крім того, у випрямлячі діє також друга гармоніка частоти мережі, яка підвищує амплітуду струму у ключі. Тому випрямляч струму має більш потужні IGВТ-модулі, що, як правило, досягається паралельним з’єднанням транзисторів IGBT.

Потужні IGBT-модулі поки що не допускають високої частоти переключень. На практиці вона приймається в межах 500 - 1000 Гц. Велике значення має також обмеження комутаційних перенапруг при вимиканні. Щоб їх обмежити, треба дотриматися наступних правил. Провідники з великою швидкістю зміни струму необхідно виконувати з малою індуктивністю. Для цього контури між комутатором і фільтровим конденсатором в проміжні ланці повинні мати невелику площу, що досягається розщепленням фільтрової ємності. Гальмуючий реостат, який має достатньо велику індуктивність, необхідно шунтувати зворотним діодом, щоб струм у ньому після вимикання послідовного транзистора не переривався. Доцільно також обмежити швидкість переходу транзисторів IGBT у вимкнений стан за допомогою резисторів у колах затворів. Ця міра декілька збільшує комутаційні втрати при вимиканні, але знижує швидкість спаду струму і перенапруги на послідовних індуктивностях.

Слід відмітити, що у інверторному електроприводі загальне розповсюдження отримав традиційний трьохфазний асинхронний електродвигун з короткозамкненим ротором , і зусилля розроблювачів були направлені, в основному, на відпрацювання схемотехніки і режимів перетворювачів частоти при їхній сумісній роботі з трьохфазною машиною, на вдосконалення конструкції трьохфазного електродвигуна з ціллю зниження впливу високих гармонік струму, викликаних несинусоїдальністю живлячих напруг.

Проте одним із найбільш перспективних напрямків удосконалення сучасних систем асинхронного електропривода є застосування двохфазних тягових блоків “автономний інвертор напруги - асинхронний двигун”.

Найбільш раціональна система живлення трьохфазного асинхронного двигуна будується на онові трьохфазних мостових інверторів на IGBT транзисторах. Вони забезпечують два рівня напруги Uа=2кВ та Uа/2=1кВ.

локомотив ланцюг напруга живлення

4. Вибір форми напруги для живлення автономного інвертора напруги

Під оптимальною розуміється така форма кривої фазної напруги, яка має високий зміст першої гармоніки у загальному дійсному значенні, забезпечує умови електромагнітній сумісності АІН-АД у всіх робочих режимах, не приводить к ускладненню схемотехніки АІН. Цим умовам задовольняє такі криві фазної напруги, які формують годограф вектора магнітного поля у повітряному зазорі АД у вигляді правильного вписаного многокутника з числом сторін N. Очевидно, чим більше N, тим ближче годограф магнітного поля у повітряному зазорі АД до кругового, який відповідає живленню АД синусоїдальною напругою.

Рисунок 3. Двоступенева форма вихідної фазної напруги двофазного автономного інвертора напруги

З рисунка 3 видно форму фазної напруги, а гармонійний склад напруги описується наступним рівнянням:

Годограф магнітного поля наближається до форми правильного восьмикутника, вписаного в коло, а вміст першої гармоніки у діючому значенні дорівнює 0,955.

Рисунок 4. Двоступенева форма вихідної фазної напруги двофазного автономного інвертора напруги

. Розрахунок фазних струмів двофазної системи „автономний інвертор напруги - асинхронний електродвигун”

Розрахунок ведемо методом двох складових, котрий базується на методах гармонійних складових і еквівалентного статичного навантаження.

Струм фази  двофазної системи АІД - АД можна подати у вигляді двох складових: струму першої гармоніки , що залежить від частоти обертання ротора АД, і суми струмів усіх вищих гармонік , що практично не залежить від :

=+                                  (4.1)

Схема заміщення обертаючого двигуна приведена на рисунку 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема заміщення обертаючого двигуна

де  - активний опір статора;

 - активний опір ротора приведений до опору статора;Н - індуктивний опір статора;'2 - індуктивний опір ротора приведений до індуктивного опору статора;ОН - індуктивний опір намагнічуючого контуру.

Параметри ковзання знаходимо за виразами:

,                       (4.2)

Та

,                                                        (4.3)

де  - частота струму статора;

 - частота ковзання;

 - базова частота.

α =  = 1,077

β =  = -0,009

Розраховуємо загальний активний опір  за формулою:

, (4.4)= 0,0338 +  = -2,074 Ом

Розраховуємо загальний реактивний опір хэ за формулою:

                      (4.5) =  Ом

Еквівалентний опір Zэ розраховуємо за формулою:

,                                                         (4.6) =  Ом

Амплітудне значення напруги :

                                                         (4.7) =  В

Амплітудне значення напруги першої гармоніки фазної напруги:

                                (4.8)

 В

Амплітудне значення струму першої гармоніки :

, (4.9)

 А

Кут зміщення φ1:

, (4.10)

φ =  рад = град

Струм першої гармоніки на періоді 2π знаходимо за формулою:

 (4.11)

Розрахунки приведемо в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1- Розрахунок струму фази

Складову суми струмів вищих гармонік можна подати у вигляді:

=+, (4.12)

де  - реакція схеми заміщення загальмованого АД на прикладену

східчасту напругу;

- струм першої гармоніки в режимі загальмованого АД.

Якщо двигун загальмований, то частота струму дорівнює частоті мережі, тобто , а з цього .

Схема заміщення загальмованого двигуна приведена на рис. 4.2.

Рисунок 4.2 - Схема заміщення загальмованого двигуна

Загальний активний опір загальмованого двигуна знаходимо за формулою:

, (4.13)

 Ом

Реактивний загальний опір для загальмованого двигуна  знаходимо за формулою:

, (4.14)

 Ом

Еквівалентний опір для загальмованого двигуна знаходимо за формулою:

,                                  (4.15)

 Ом

Амплітудне значення струму першої гармоніки розраховуємо за формулою:

,                                                    (4.16)

 А

Кут зміщення розраховуємо за формулою:

,                                     (4.17)

φ рад = 83,366 град

Струм першої гармоніки в режимі загальмованого двигуна розраховуємо за формулою:

,                                           (4.18)

Розрахунки приведемо в таблиці 4.1.

На інтервалі кожного напівперіоду крива фазної напруги АІН описується виразом:

 (4.19)

Запишемо рівняння електричної рівновагі по інтервалах фазної напруги для фази АД, подавши її еквівалентним статичним навантаженням:

                     (4.20)

З умови безперервності фазного струму на границях інтервалів у сталому режимі маємо:

, (4.21)

Вираз (4.20) являють собою початкові умови, що дозволяють визначити єдиний розв’язок системи (4.21.):

 (4.22)

Уведемо такі позначення :

, , . (4.23)

                                                        (4.24)

Підставляючи прийняті позначення і розв’язуючи цю систему з урахуванням граничних умов, дістанемо:

 (4.25)

Підставляючи отримані значення для початкових умов у систему (4.22) одержимо вирази, що описують фазні струми АД на інтервалах для узагальненої кривої фазної напруги АІН:

 (4.26)

При введені кутової  й амплітудної  і  комутуючих функцій загальний розв’язок для фазних струмів на інтервалі зміни поточного електричного кута в межах від 0 до π можна подати у вигляді одного рівняння:

 (4.27)

Значення кутової та амплітудної комутуючих функцій за інтервалом безперервності живлячої напруги наводимо в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2 - Значення кутової й амплітудних комутуючих функцій

де розраховуємо за формулою:

 (4.28)

 (4.29)

              (4.30)

Індуктивність загальмованого двигуна знаходимо за формулою:

 (4.31)

Гн

Часова складова загальмованого двигуна знаходимо за формулою:

 (4.32)

Результати розрахунку реакції схеми заміщення загальмованого АД на прикладену східчасту напругу  наводимо в таблиці 4.1.

Синусоїдальна складова фазного струму АД визначається першою гармонікою прикладеної напруги:

, (4.33)

Результати розрахунку  наведені в таблиці 4.3.

Таблиця 4.3 - Розрахунок синусоїдної складової фазного струму , U(θ) та

Будуємо залежності фазного струму та його першої гармоніки , живлячої напруги  та її першої гармоніки .

Також будуємо різницю між прикладеною напругою  та її першою гармонікою, тобто напругою на двигуні .

Будуємо різницю між струмом загальмованого двигуна та першою гармонікою .

Рисунок 4.3 - ― Прикладена напруга  та її перша гармоніка ---

Рисунок 4.4 - Напруга вищих гармонік

Рисунок 4.5 - Різниця струмів

Рисунок 4.6 - ― Фазний струм  та його перша гармоніка ―

6. Висновки

Асинхронний тяговий привід э перспективним тяговим приводом; на це вказують наступні його переваги:

відсутність колекторного вузла, а отже, спрощені умови комутації та поточного обслуговування.

підвищення надійності та довговічності.

більш вища потужність при однакових габаритах.

можливість використання у швидкісному транспорті, що особливо актуально для моторвагонного рухомого складу.

велику точність регулювання швидкості руху, оптимальні параметри якості регулювання швидкості у складі механізмів, що працюють з постійним моментом навантаження.

зниження зносу механічних ланок і збільшенню терміну служби устаткування унаслідок поліпшення динаміки роботи електроприводу.

Проведені розрахунки доводять, що використання асинхронних двигунів у якості тягових можливе, і попри те, що потребує значних капітальних затрат, експлуатаційні і ремонтні затрати та загальна кількість проблем з двигуном зменшаться. Ще більш перспективним є застосування двофазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором, виходячи у першу чергу з поліпшення умов сумісної роботи асинхронного двигуна. Двофазний асинхронний двигун може тривало працювати при будь-якій формі живлячої та дає можливість оптимізувати криву вихідної напруги автономного інвертора напруги по максимальному вмісту основної гармоніки в загальному діючому значенні.

Перелік використаної літератури

1. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учебн. для ВУЗов ж.-д. трансп.- М.: Транспорт, 1999.- 464 с.

. Статичні перетворювачі тягового рухомого складу: Навч. посібник /За ред. Гончарова Ю.П..- Харків, НТУ «ХПИ», 2004.- 184 с.

. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями. /Н.А. Ротанов, А.С. Курбасов, Ю.Г. Быков, В.В. Литовченко.- М.: Транспорт, 1991.- 336 с.

. Розрахунок фазних струмів двофазної системи «Автономний інвертор напруги - Асинхронний двигун» // Гусевський Ю.І., Пасько О.В., Шаповал В.П, Збірник наукових праць, УкрДАЗТ, №44, 2000. - 59

. Розробка, макетування та дослідження раціональних структур асинхронного тягового електроприводу для електрорухомого складу // Гусевський Ю.И., Шпіка Н.И. та інш., Звіт про науково-дослідну роботу, ХарДАЗТ, кафедра СЕТ, 1997. - 35

1.