Розрахунок регулювальних та тягових характеристик асинхронного електроприводу

Розрахунок регулювальних та тягових характеристик асинхронного електроприводу

Вихідні данні

Тип локомотива ДС3

Тип ТАД АД914У1

Конструкційний коефіцієнт - С1 191,8

Число фаз - m 3

Кількість полюсів -2р 6

Потужність - Р,кВт 1200

Струм -Ін, А 450

Пусковий струм -Іп 580

Базова частота - f1н, Гц 55,9

Частота ковзання - f2н, Гц 0,479

Коефіцієнт потужності - cosφ1 0,85

Активний опір статора - r1Н, Ом 0,0338

Активний опір ротора, приведений до опору статора - r'2н, Ом 0,0221

Реактивний опір розсіювання статора - х1н, Ом 0,2276

Реактивний опір розсіювання ротора, приведений до опору

статора - х'2н, Ом 0,2138

Частота обертання - n, об/хв 1138

ККД - η, в.о 0,955

Напруга на виході інвертора -Ud.В 3000

Вступ

Перші розробки у області асинхронного трифазного тягового приводу з використанням звичайних, а потім і тиристорів, що замикаються, з'явилися на початку 1970-х років. Перевагам трифазного приводу, що дозволяє відмовитися від колекторних двигунів на користь надійних і простих асинхронних, протистояли підвищені витрати на тягові перетворювачі. Висока вартість останніх пояснюється складністю не тільки силової частини, але також пристроїв управління і регулювання. Крім того, велике значення мали маса, займаний об'єм і надійність цих елементів порівняно з традиційною технікою того періоду.

Рис. 1 - Перетворювачі напруги і струму: ES - вхідний регулятор; С - місткість проміжної ланки постійної напруги; PWR - імпульсний інвертор; L - дросель проміжної ланки постійного струму; PFR - інвертор чергування фаз

На першому етапі обговорювалося і перевірялося багато різних концепцій і технологій трифазного приводу, поки не позначилися дві основні, визначувані типом тягового перетворювача (рис. 1):

з проміжною ланкою постійної напруги і імпульсним інвертором напруги (система з перетворювачем напруги);

з проміжною ланкою постійного струму і інвертором струму (система з перетворювачем струму).

У першій системі необхідне перетворення напруги і частоти проводиться імпульсним інвертором, для чого використовуються дорогі ланцюги управління. Крім того, в силовому ланцюзі, приведеному на рис. 1 зліва, для кожної фази використовується достатньо складна схема, показана в лівій частині рис. 2. Проте широкого поширення набула саме схема з перетворювачем напруги, оскільки її вхідний регулятор надає дії, що мінімально заважають, на мережу і забезпечує можливість рекуперативного гальмування.

Рис. 2 - Порівняння схем фазного модуля на звичайних тиристорах і що замикаються (GTO): С - конденсатор проміжної ланки постійної напруги; С1 С2 - конденсатори проміжної ланки в двоточковій схемі фазного модуля; R - фазний висновок

У схемі з проміжною ланкою постійного струму перетворення напруги відбувається у вхідній ланці, а інвертор чергування фаз лише перетворить частоту. Ця схема з простішим інвертором найбільш підходить для використання в приміських потягах на лініях, електрифікованих за системою постійного струму. В даному випадку відпадає необхідність у вхідній ланці, тоді як при використанні тут перетворювачів напруги було б потрібно вхідний регулятор із-за значних коливань напруги в контактній мережі.

Повна відмова від традиційного тягового приводу з колекторними двигунами і використання тільки трифазного, побудованого на базі розглянутих систем із звичайними тиристорами, були неможливі. Першим представником техніки нового покоління став магістральний електровоз серії 120 колишніх Державних залізниць ФРН (DB). Окрім цього, в приміських повідомленнях використовувалися потяги з перетворювачами струму. На дизельному рухомому складі з електричною передачею застосовувалися обидві розглянуті системи, проте в невеликих масштабах.

1. Вибір та обґрунтування силової схеми тягового електропривода

Силова схема тягового електроприводу повинна забезпечувати роботу АТД в режимах тяги та електричного рекуперативного, реостатного або рекуперативно-реостатного гальмування у всьому діапазоні змінення швидкості руху. При цьому перехід від одного режиму роботи до іншого не повинен супроводжуватися скачкоподібними змінами сил, які діють на потяг.

Для можливості реалізації тяговим двигуном любої характеристики в областях, обмежених граничними тягової і гальмівної характеристиками, перетворювач повинен забезпечувати незалежне регулювання частоти струму статора АТД в діапазоні від 0,5-1,0 Гц до 100-150 Гц і амплітуди першої гармоніки напруги на обмотках двигуна від мінімальної, з урахуванням компенсації падіння напруги на обмотках статора, до максимальної рівній або які перевищує номінальну напругу на статорі.

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.

В залежності від технічних параметрів напівпровідникових приладів які застосовуються в якості вхідного і вихідного перетворювачів можна використовувати АІН з широтно-імпульсною модуляцією В даному випадку вихідна напруга регулюється внутрішніми засобами інвертора шляхом багатократного включення і виключення ключів інвертора за один період вихідної напруги.

2. Вибір та обґрунтування схеми автономного інвертора напруги

Автономні інвертори напруги (АІН), перетворювачі постійної напруги в змінну, отримали широке розповсюдження в тяговому і промисловому частотно-регульованому електроприводі з асинхронними двигунами. АІН формують на виході змінну напругу заданої прямокутно-східчастої форми, а форма кривої струму визначається властивостями навантаження.

Досягнення високих динамічних показників привода вимагають, щоб швидкодія перетворювачів була на порядок більше, ніж швидкість протікання електромагнітних процесів в АТД, а для реалізації граничних по умовам зчеплення коліс з рейками сил тяги (гальмування) перетворювач повинен витримувати короткочасні перенавантаження по струму.

Перетворення параметрів електричної енергії напівпровідниковими перетворювачами відбувається в результаті швидких, практично миттєвих переключень в електричному ланцюзі. Це приводе до того, що форми струмів і напруг на виході перетворювача можуть значно відрізнятися від синусоїдальних.

Враховуючи складність АІН для АТД і обмежений об'єм для їх розміщення на ЕРС, до основних елементів повинні пред'являтися підвищені вимоги, особливо в частині массо-габаритних показників і втрат потужності. Кращі результати можуть бути отримані при використанні тиристорів і діодів з такими параметрами по струму і напрузі, які дозволяють застосовувати в плечі АІН один напівпровідниковий прилад.

Тяговий електропривод з трифазним асинхронним електродвигуном, у тому числі і частотно-управляючі, не отримали поки практичного застосування. Найбільш раціональна система живлення трьохфазного асинхронного двигуна будується на онові трьохфазних мостових інверторів на керуючих тиристорах.

3. Розрахунок струму статора для трьох зон регулювання

Розрахунок номінального значення електрорухомої сили ротора,

н=С1 Фн f1н, (3.1)

де С1 - постійна конструкційна машини;

Фн - номінальний магнітний потік;н - номінальна частота струму статора (базова частота).

н= В.

Розрахунок номінального значення індуктивного опору:

, (3.2)

де І0 - струм намагнічування.

 А.

Розрахунок передаточного коефіцієнта,

, (3.3)

 Ом.

Розрахунок величини фазного струму статора,

, (3.4)

.

Результати розрахунків заносимо в Таблицю 1 та будуємо графіки наступних залежностей: ФН =f ( E1H ); ФН =f ( k1 ); ФН =f ( X0H ); ФН =f ( І0 ); а також графік залежності ФН =f ( I1 ); та її апроксимацію.

Таблиця 1 - Розрахунок струму статора.

Рисунок 3 - Залежність магнітного потоку від передаточного коефіцієнту

Рисунок 4 - Залежність магнітного потоку від значення електрорухомої сили ротора

Рисунок 5 - Залежність магнітного потоку від струму намагнічування

Рисунок 6 - Залежність струму від індуктивного опору

Розрахунок першої зони - зони пуску, заданому закону регулювання

І1 = 600 А, , Ф = const, b = const. (4.1)

= 0 км/ч, b = a, (4.2)

деV - швидкість руху електропоїзда;

b - параметр абсолютного ковзання (відносна частота струму ротора);

α- відносна частота струму статора.

,. (4.3)

Кінцеві умови розрахунку в І зоні.

= Pmax; U1 = U1ном; V = V1, (4.4)

деP - активна потужність на вході двигуна;- максимальна активна потужність на вході двигуна;- швидкість електровоза в кінці І зони;ном - номінальна напруга на вході випрямляча.

Розрахунок коєфіцієнтів розсіювання.

; (4.5)

; (4.6)

 (4.7)

деX1 - індуктивний опір статора;

Х2 - приведений індуктивний опір ротора;

Величину Х0Н отримуємо для заданого значення І1 із побудованих в 3.5 графіків.

Розрахунок параметра абсолютного ковзання.

; (4.8)

де - приведений активний опір ротора;

Величину k1 отримуємо для заданого значення І1 із побудованих в 3.5 графіків, .

Розрахунок пускової потужності.

; (4.9)

де m1 - кількість фаз машини;- активний опір статора;(b) - проміжна величина:

 (4.10)

 кВт.

Визначення кроку розрахунку тягових характеристик в першій зоні.

; (4.11)

де DP - приріст потужності;- кількість точок розрахунку, n ³ 10,

 (кВт).

Розрахунок відносної частоти статора.

 (4.12)

де Рі - поточне значення активної потужності, підведеної до ТАД;

, (4.13)

 кВт,

.

Розрахунок частоти струму статора.

= f1H a; (4.14)

 Гц.

Розрахунок частоти струму ротора.

= f1Hb; (4.15)

 Гц.

Розрахунок електромагнітнго моменту двигуна.

, (4.16)

де w1Н - синхронна швидкість при номінальній частоті;

; (4.17)

де р - кількість пар полюсів двигуна, p=3;

рад/с,

Н·м.

Розрахунок тягового зусилля електровоза.

, (4.18)

де m - передаточне число тягового редуктора, m=4,105;дв - кількість тягових двигунів, nдв=4;

hред - ККД тягового редуктора, hред=0,975;- діаметр колеса, Dk= мм.

 кH.

Розрахунок кутової швидкості ротора.

, (4.19)

рад/с.

Розрахунок швидкості руху електропоїзда.

, (4.20)

км/ч.

Розрахунок приведене значення електрорухомої сили ротора.

, (4.21)

 В.

Розрахунок напруги статора.

; (4.22)

де А(a,b) - проміжна величина.

, (4.23)

, (4.25)

, (4.26)

, (4.27)

,

,

,

,

 Ом2,

 В.

Розрахунок коефіцієнт потужності двигуна.

, (4.28)

.

Розрахунок струму кола постійної напруги.

, (4.29)

де kИ - коефіцієнт схеми інвертора, який враховує тільки втрати в колі головних резисторів, kИ =0,45.

 А.

Розрахунок напруги кола постійної напруги.

, (4.30)

де hИ - ККД інвертора, який враховує тільки втрати в колі головних резисторів,

hИ =0,98.

 А.

Розрахунки першої зони ведуться за данною методикою, збільшуючи потужність на величину ΔР, доки потужність не досягне максимального значення, тобто Рmax=1200 кВт.

5. Розрахунок другої зони - зони постійної потужності

= Pmax = 1200 кВт, Ф = k1 I1; (5.1)

Початкові умови розрахунку в другій зоні.

= V1 =59,492 км/год (5.2)

Ф1к = ФІІн =0,0745 Вб

де Ф1к - величина магнітного потоку в кінці першої зони регулювання;

ФІІн - величина магнітного потоку на початку другої зони регулювання.

Кінцеві умови розрахунку в другій зоні.

= Udмax (5.3)= В

деUdmax=3000 В - максимальне значення діючої напруги статора.

Визначення кроку розрахунку тягових характеристик в другій зоні.

, (5.4)

деФІІк - величина магнітного потоку в кінці другої зони регулювання, приймаемо ФІІк = 0.06 Вб - із кривої намагнічування ТАД;- кількість точок розрахунку, n =10.

Вб

Визначення поточного значення магнітного потоку.

, (5.5)

де j - номер кроку розрахунку, j = 0,1,2....,n.

 Вб.

Розрахунок поточного значення фазного струму двигуна.

, (5.6)

Величину k1 отримуємо для поточного значення Фj із побудованих в 3.3 графіків.

 A

Розрахунок коефіцієнтів розсіяння виконуємо по формулам (4.5),(4.6),(4.7).Величину Х0Н отримуємо із графіків побудованих в 3.3 для поточного значення магнітного потоку Фj.

;

;

Розрахунок абсолютного ковзання визначити по формулі (4.8).

,

.

Розрахунок відносної частоти статора.

; (5.7)

де bj - поточне значення абсолютного ковзання;

Сj(b) - поточне значення проміжної величини розрахувати по формулі (4.10).

,

.

Розрахунок частоти струму статора по формулі (4.14).

= f1H a,

 Гц

Розрахунок частоти струму ротора по формулі (4.15).

= f1Hb,

 Гц.

Розрахунок eлектромагнітного моменту двигуна.

; (5.8)

Нм

;

 кН.

Розрахунок кутової швидкості ротора по формулі (4.19).

;

рад/с.

Швидкість руху електропоїзда розрахуємо по формулі (4.20).

,

км/ч.

Приведене значення електрорухомої сили ротора визначаємо по формулі (4.21).

,

В.

Напругу статора визначити по формулі (4.22).

,

де А(a,b) - проміжна величина.

,

,

,

,

,

,

,

,

,

 (В).

Розрахунок коефіцієнта потужності двигуна.

, (5.9)

.

Розрахунок напруги в колі постійної напруги.

; (5.10)

В.

Розрахунок струму в колі постійної напруги визначити по формулі (4.29)

,

деhИ - ККД інвертора, який враховує тільки втрати в колі головних резисторів, hИ=0,98.

 А.

Контроль величини напруги.

Розрахунок другої зони регулювання ведеться до величини:

- e £ Ud ³ Udmax + e; (5.11)

де e = 1В - похибка розрахунку напруги.

-1 ≤1498,401≥ 3000+1.

Окрім умови (47) повинні виконуватись наступні умови:

< Vmax, (5.20)

де Vmax - максимально допустима швидкість

<160.

Розрахунки другої зони ведуться за данною методикою доки виконуються умови (5.11) та (5.12), поступово зменшуючи магнітний потік на величину ΔФ.

6. Розрахунок третьої зони - зони ослаблення поля

=K2I1; при Р1=1200 кВт (6.1)

Початкові умови розрахунку в третій зоні

;  (6.2)

;

Для зони постійної потужності параметр абсолютного ковзання дорівнює:

, (6.3)

де  - закон регулювання в 1 та 2 зонах регулювання.

Для зони обмеженої гапруги параметр абсолютного ковзання дорівнює:

, (6.4)

де - закон регулювання в 3 зоні регулювання.

Підставляючи вирази (6.3) та (6.4) в формулу (6.2), отримаємо

 (6.5)

Розв’яжемо це рівняння відносно α.

Отримане значення α визначає частоту переходу з другої зони в третю.

 (6.6)

Максимальне значення відносної частоти статора визначається із умови статичної стійкості тягового привода за такою формулою:

 (6.7)

Коефіцієнт потужності двигуна при роботі за законом (6.1) дорівнює:

 (6.8)

Потужність, яка споживається тяговим двигуном,

 (6.9)

З виразу (6.8) з урахуванням (6.1) отримаємо формулу для розрахунку фазної напруги:

 (6.10)

В

Частоту струму статора знаходимо за формулою

= f1H a, (6.11)

 Гц

Розрахунок частоти струму ротора по формулі.

= f1Hb, (6.12)

 Гц.

Розрахунок електромагнітного моменту двигуна.

; (6.13)

Нм

Розрахунок тягового зусилля електровоза.

, (6.14)

де m - передаточне число тягового редуктора, m=4,105;дв - кількість тягових двигунів, nдв=4;

hред - ККД тягового редуктора, hред=0,975;- діаметр колеса, Dk= мм.

 кH.

Розрахунок кутової швидкості ротора.

, (6.15)

рад/с.

Розрахунок швидкості руху електропоїзда.

, (6.16)

км/ч.

Величину магнітного потоку тягового двигуна для третьої зони розраховуємо за такою формулою:

 (6.17)

Вб

тяговий електропривод локомотив потужність

Розрахунок приведеного значення електрорухомої сили ротора.

, (6.18)

 В.

Розрахунок струму кола постійної напруги.

, (6.19)

деkИ - коефіцієнт схеми інвертора, який враховує тільки втрати в колі головних резисторів, kИ =0,45.

 А.

Розрахунок напруги кола постійної напруги.

, (6.20)

де hИ - ККД інвертора, який враховує тільки втрати в колі головних резисторів, hИ =0,98.

 А.

По значенням таблиць 2,3,4 побудуємо графіки наступних залежностей: cos(φ) = f(V); f2 = f(V); P1 = f(V); F = f(V); U1 = f(V); Ud = f(V); I1 = f(V); Id = f(V).

Рисунок 7 - Розрахункова залежність cos(φ) = f(V)

Рисунок 8 - Розрахункова залежність f2 = f(V)

Рисунок 9 - Розрахункова залежність P1 = f(V)

Рисунок 10 - Розрахункова залежність F = f(V)

Рисунок 11 - Розрахункова залежність U1 = f(V); Ud = f(V)

Рисунок 12 - Розрахункова залежність I1 = f(V); Id = f(V)

Висновки

Асинхронні двигуни є основними перетворювачами електричної енергії в механічну і складають основу приводу більшості механізмів, використовуваних у всіх областях людської діяльності.

Таке положення асинхронні двигуни завоювали завдяки надзвичайно вдалому поєднанню комплексу експлуатаційних і конструктивних характеристик - здатність автоматично змінювати момент обертання відповідно до зміни моменту опору на валу і високому коефіцієнту корисної дії, з одного боку, і відносній простоті і дешевизні в поєднанні з високою експлуатаційною надійністю і безпекою, при мінімальному обслуговуванні - з іншою.

Експлуатація асинхронних двигунів не надає негативних дій на навколишнє середовище. Простір, займаний цими машинами невелик.

Проте достоїнства асинхронних двигунів можуть бути реалізовані повною мірою лише за умови правильного їх вибору і застосування, заснованих на знанні основних характеристик, базових стандартів і умінні користуватися інформацією викладеної в технічних каталогах.

Перелік використаної літератури

1.    “Документація. Звіти у сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення ДСТУ 3008-95”. - Київ.: Держстандарт України, 1995. - 36 с.

2.       Коновалов Є.В. Студентська навчальна звітність: Графічні конструкторські документи. Загальні вимоги до побудови, викладання та оформлення: Методичний посібник з додержанням вимог нормоконтролю (нормативних документів) у студентській навчальній звітності. Розділ 2. - Х.: УкрДАЗТ, 2006. - 34 с.

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

.        Теория электрической тяги / В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, Н.Н. Сидоров, М.И. Озеров; Под ред. И.П. Исаева. - М.: Транспорт, 1995. - 294 с.

.        Сандлер А.С. и Сарбатов Р.С. Частотное управление асинхронними двигателями. - М.-Л.: издательство „Энергия”, 1966. - 144 с.

.        Электрические передачи переменного тока тепловозов и газотурбовозов / А.Д. Степанов, В.И. Андерс, В.А. Пречисский, Ю.И. Гусевский. - М.: Транспорт, 1982. - 254 с.