Параметры основного электрооборудования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Кафедра «Электрическая тяга»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К курсовой работе

на тему: «Расчет систем управления электровозов переменного тока"

выполнил студент ___ Д.А. Масягин

подпись, дата

факультет Заочный группа ЭТ-401-У

руководитель _____ доц. А.И.Чудаков

подпись, дата

Санкт-Петербург

СОДЕРЖАНИЕ

1. Исходные данные. Содержание и оформление проекта.
2. Параметры основного электрооборудования.

2.1 Система управления тяговыми двигателями грузовых электровозов переменного тока

2 .2. Характеристики тягового двигателя при номинальном напряжении.

2.3. Тяговый трансформатор.

2.4. Сглаживающий реактор.

2.5 Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

2.6 Номинальный ток первичной обмотки трансформатора

2.7. Выпрямитель.

2.8. Переходной реактор

1. Число позиций регулирования напряжения
2. Характеристики ЭПС.

4.1. О расчете скоростных характеристик ЭПС переменного тока

и внешних характеристик выпрямителя.

4.2. О расчете ступеней ослабления возбуждения.

4.3. О расчете характеристик ЭПС при ослабленном возбуждении (ОВ).

4.4. Программа для расчета характеристик ЭПС.

Литература.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.

Цель курсового проектирования по дисциплине «Системы управления электрического подвижного состава» - привить студентам практические навыки по выбору параметров основного электрооборудования электровозов переменного тока и разработке систем управления.

Курсовое проектирование выполняется по следующим исходным величинам (в соответствии с вариантом задания):

- род тока в контактной сети - переменный, номинальное напряжение на токоприемнике ЭПС кВ, частота тока сети Гц;

- тип подвижного состава – грузовой электровоз, число тяговых двигателей , нагрузка на ось ;

- номинальная (часовая) мощность , номинальное напряжение тягового двигателя ;

- скорость движения электровоза в номинальном режиме ;

- постоянный коэффициент ослабления возбуждения =0,96;

- наименьший коэффициент ослабления возбуждения ;

- электрическое торможение - реостатное.

Исходные данные приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Номинальная мощность тягового двигателя , кВт	Нагрузка на ось , кН	Номинальная скорость , км / ч	Номинальное напряжение , В
				0,39

Параметры основного электрооборудования

2.1. Система управления грузовых электровозов переменного тока (ВЛ 80Т)

Для регулирования напряжения на тяговых электродвигателях применена система ступенчатого амплитудного регулирования напряжения тягового трансформатора на стороне низшего напряжения. Схема вторичной обмотки трансформатора – встречно-согласная. Переключение секций в регулируемой части вторичной обмотки трансформатора в процессе регулирования напряжения на тяговых электродвигателях производится по схеме с переходным реактором. Однофазный ток вторичной обмотки тягового трансформатора для питания тяговых двигателей пульсирующего тока выпрямляется мостовым выпрямителем. На каждой секции электровоза предусмотрено две группы вторичных обмоток и два выпрямителя. Это исключает появление постоянной составляющей тока во вторичной обмотке тягового трансформатора на позициях с разными амплитудами напряжения по полупериодам. К каждому выпрямителю подключена группа из 2-х параллельно соединенных двигателей.

В режиме реостатного торможения обмотки возбуждения двигателей питаются от 2-х секций регулируемой части вторичной обмотки трансформатора через управляемый выпрямитель, выполненный по схеме с нулевым выводом.

Упрощенная схема силовой цепи одной секции электровоза показана на рис. 2.1. Электрические аппараты силовой цепи на схеме не имеют обозначений. При разработке принципиальной электрической схемы силовой цепи электровоза в процессе выполнения курсового проекта электрическим аппаратам присваивают обозначения, которые используют при составлении перечня основного электрооборудования электровоза и таблицы замыкания контакторов главного переключателя.

2.2. Характеристики тягового двигателя при номинальном напряжении

Номинальным называется режим работы, на который тяговый электродвигатель рассчитан заводом-изготовителем. Этот режим характеризуется номинальными значениями мощности , скорости , напряжения на двигателе , тока и коэффициента регулирования возбуждения . Для тяговых двигателей электровозов переменного тока номинальным является режим полного возбуждения = =0,96.

2.2.1. Номинальный (часовой) ток тягового двигателя

, (2.1)

где – КПД тягового двигателя на его валу в номинальном режиме (таблица 2.1).

I_н=750/(1200·0,93)=670 А

2.2.2. Ток возбуждения тягового двигателя в номинальном режиме

(2.2)

I_вн=0,96·670=643,2 А

2.2.3. Сила тяги двигателя в номинальном режиме

, (2.3)

где – в Вт; – в м/с; – КПД движущего механизма с зубчатой передачей в номинальном режиме ( ).

F_н=750·0,98/17,2=42732,5 Н

2.2.4. Сопротивление обмоток тягового двигателя в номинальном режиме

, (2.4)

r_дн=0,04·1200/643,2=0,074 Ом

где – относительное падение напряжения на обмотках тягового двигателя в номинальном режиме, определяемое по эмпирической формуле

= 0,04 (2.5)

где – номинальная мощность тягового двигателя в кВт.

Зависимость приведена на рис. 2.2.

ρдн

Рис. 2.2

Для тяговых двигателей мощностью свыше 500 кВт следует принимать равным 0,04. Сопротивление отдельных обмоток двигателя определяют по таблице 2.2.

Таблица 2.2

Наименование обмоток	Некомпенсированный двигатель	Компенсированный двигатель
Якорь Дополнительные полюса Главные полюса Компенсационная	0,45 0,2 0,35 -	0,4 0,1 0,25 0,25

Сопротивление обмоток тягового двигателя при полном возбуждении

. (2.6)

2.2.5. Магнитный поток двигателя в номинальном режиме при нормальном возбуждении

. (2.7)

2.2.6. Расчет характеристик тягового двигателя для номинального напряжения и полного возбуждения

В предварительных расчетах удобно пользоваться относительными характеристиками тяговых двигателей, у которых ток , скорость и силa тяги выражены в долях от значений этих величин при номинальном (часовом) режиме.

В таблице 2.3 приведены относительные характеристики тяговых двигателей пульсирующего тока с коэффициентом насыщения магнитной цепи 1,85. Эти значения являются средними для современных тяговых двигателей.

Значения получают путем умножения относительных величин , , на соответственные номинальные значения .

Таблица 2.3

Ток двигателя, А	Скорость движения, км/ч	Сила тяги, кН
	I	Нормальное возбуждение	Нормальное возбуждение
	V		Fкд
0,2 0,5 0,8 1,3 1,6 1,9		2,06 1,4 1,1 0,92 0,85 0,8	127,72 86,8 68,2 57,04 52,7 49,6	0,06 0,37 0,75 1,41 1,81 2,21	2563,9 42732,5 60252,8 77345,8 94438,8

По этим данным строят графики и (рис. 2.3).

В дальнейшем скорость при номинальном напряжении обозначена .

Рис. 2.3

2.2.7. Максимальный пусковой ток двигателя

ограничивается сцеплением колес с рельсами или допустимой перегрузкой по току

,

(2.8)

;

I _max= 871 A

где – коэффициент эксплуатационной перегрузки (для электровозов );

– наибольшая величина тока, допустимого по условиям сцепления, отыскивается по кривой (рис. 2.3) для силы тяги, равной

. (2.9)

Здесь - расчетный коэффициент сцепления;

, (2.10)

=0.28+4/(50+6·0)=0.08

где – коэффициенты, полученные в результате обработки опытных данных, значения которых приведены в таблице 2.4.

Выбирается меньшее значение , полученное по условиям (2.8).

2.2.8. Средний пусковой ток

, (2.11)

= 871/(1+014)=764 A

где – коэффициент неравномерности пуска по току на первых позициях регулирования напряжения.

Для электровозов при пуске с одинаковыми колебаниями тока на всех позициях . При пуске с одинаковыми ступенями регулирования напряжения на всех позициях , т. е. при переменном значении для встречно-согласного включения обмоток трансформатора на первой разгонной позиции.

2.2.9. Минимальный пусковой ток

. (2.12)

I_min=(1-014)·670=657 A

Таблица 2.4

Тип ЭПС	Режим работы	Наличие сочленения между тележками	Регулирование тока двигателя	Минимальное число последовательно соединенных тяговых двигателей	Коэффициенты формулы (2.10)
Электровоз ВЛ10 ВЛ82М ВЛ80Т ВЛ80Р	Тяга	Да Нет -"- -"-	Ступенчатое -"- -"- Плавное		0,25 0,28 0,28 0,3	4,3			0,0007 0,0006 0,0006
Электровоз ВЛ80Т	Реостатное торможение	Нет	Плавное		0,09				0,00005
Электровоз ВЛ80Р	Рекуперативное торможение	Нет	Расчетный коэффициент сцепления принимается на 20% меньше, чем в режиме тяги

2.3. Тяговый трансформатор

Вследствие значительной массы тяговый трансформатор нагревается медленнее, чем тяговые электродвигатели. Поэтому кратковременные перегрузки тяговых двигателей не оказывают заметного влияния на установившуюся температуру обмоток трансформатора. Номинальную мощность тяговой обмотки электровозного трансформатора принимают равной суммарной номинальной мощности тяговых двигателей.

Работа трансформатора в цепях выпрямителей и инверторов характеризуется значительным отличием формы токов и напряжений от синусоиды. Активные материалы (медь и сталь) таких трансформаторов используются хуже, чем при синусоидальной форме токов и напряжений. Для учета этой специфики используют показатель, называемый типовой мощностью. Типовой мощностью однофазного трансформатора называют полусумму произведений напряжений холостого хода всех обмоток трансформатора на среднеквадратичные токи соответствующих обмоток при номинальной нагрузке.

При расчете типовой мощности обычно пренебрегают током холостого хода трансформатора, а также потерями в трансформаторе и выпрямителях.

Основные параметры трансформатора рассчитывают в следующем порядке.

2.3.1. Мощность тяговой обмотки трансформатора

, (2.13)

где – номинальная мощность тягового двигателя;

– число тяговых двигателей на одной секции электровоза;

– коэффициент типовой мощности трансформатора, т. е. отношение типовой мощности к номинальной выпрямленной мощности (таблица 2.5);

– отношение суммарной номинальной мощности тяговых двигателей к номинальной мощности тяговой обмотки трансформатора (для электровозов );

– КПД двигателя в номинальном режиме;

- напряжение короткого замыкания трансформатора в долях от номинального:

для регулирования на стороне НН ;

для регулирования на стороне ВН .

S_тяг= (750·4·1,11·1(1+0,7·0,1))/0,93=3831 кВт

Таблица 2.5

Система регулирования напряжения	Значения схемы выпрямления
мостовой	с нулевым выводом
Со стороны низшего напряжения (НН) Со стороны высшего напряжения (ВН)	1,11 1,66	1,34 1,89

2.3.2. Мощность обмотки вспомогательных нужд

принимают равной 7,5 – 8,5 % от мощности тяговой обмотки.

S_всп = 0,08·3831=306,5 кВт·А

2.3.3. Мощность обмотки отопления

определяется из расчета 30 – 40 кВт на каждый пассажирский вагон. Число вагонов в пассажирском поезде принимается равным 20. Для грузовых электровозов обмотка отопления не требуется.

2.3.4. Типовая мощность трансформатора при номинальной нагрузке всех обмоток

(2.14)

Sтр = 3831+306,5+ 0 = 4137,5 кВт·А

2.3.5. Масса трансформатора, кг

,

где в кВ·А.

т_тр =10316 кг

2.3.6. Реактивное сопротивление обмоток трансформатора

в номинальном режиме (на последней позиции регулирования), приведенное к вторичной обмотке.

, (2.15)

где – число последовательно соединенных двигателей;

– число ветвей параллельно включенных двигателей;

– коэффициент выпрямления – отношение среднего выпрямленного напряжения к действующему значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора. При однофазном выпрямлении .

х_тн =0,1·1·1200·(1+0,7·0,1)/(4·670·0,9)=0,5, Ом

2.3.7. Активное сопротивление обмоток трансформатора

в номинальном режиме, приведенное к вторичной обмотке, рассчитывают по активному падению напряжения, составляющему обычно 1,5 – 2 % от номинального напряжения.

. (2.16)

r_тн = (0,15·1·1200)/(4·670·0,9)=0,007, Ом

2.4. Сглаживающий реактор

Индуктивность сглаживающего реактора определяется из условия обеспечения заданной пульсации выпрямленного тока в цепи тяговых двигателей. Коэффициент пульсации выпрямленного тока , равный отношению амплитуды пульсации к среднему значению выпрямленного тока, обычно принимается в пределах от 0,20 – 0,25. При больших значениях ухудшается коммутация тяговых двигателей, а реализация меньших значений требует существенного увеличения габаритов реактора.

2.4.1. Индуктивное сопротивление цепи выпрямленного тока

в номинальном режиме и при частоте :

. (2.17)

х_d=(0,67·1·1200)/(0,2·670·4)= 1,5 Ом

2.4.2. Индуктивное сопротивление реактора

в номинальном режиме принимается равным

. (2.18)

X_р=0,95·1,5·2=2,85 Ом

Здесь – число сглаживающих реакторов на ЭПС = 2.

Принято, что индуктивное сопротивление обмоток тягового двигателя составляет около 5 % от индуктивного сопротивления цепи выпрямленного тока .

2.4.3. Индуктивность сглаживающего реактора в номинальном режиме

. (2.19)

L_p=2,85(4·π·50)=0,0045 Гн

2.4.4. Сопротивление реактора постоянному току

, (2.20),

r_p=2,85/280=0,01 Ом

где – добротность реактора, которую в предварительных расчетах принимают равной 280 при частоте 100 Гц.

2.4.5. Сопротивление реактора постоянному току,

приведенное ко всем параллельным ветвям тяговых двигателей

. (2.21)

r_рп=0,01/2=0,005 Ом

2.4.6. Масса реактора

, (2.22)

т_р=0,12·(2·750)·0,045/2=4,05 кг

где кг/Дж при медной обмотке и кг/Дж - при алюминиевой.

Масса реактора, полученная после его конструктивной разработки, отличается от предварительного значения, определенного по формуле (2.25), не более чем на 20 %.

2.5 Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

определяют по условию, чтобы на последней позиции регулирования при номинальном выпрямленном токе напряжение на тяговых двигателях равнялось номинальному .

При этом

2.5.1. среднее выпрямленное напряжение холостого хода будет равно

, (2.23)

где – падение напряжения в преобразователе на последней позиции регулирования при номинальном токе.

Основной составляющей является падение напряжения, обусловленное процессом коммутации, так как на интервале коммутации выпрямленное напряжение практически равно нулю. Угол коммутации, в свою очередь, определяется приведенным к вторичной обмотке индуктивным сопротивлением трансформатора и током нагрузки . К остальной части относят падение напряжения в активных сопротивлениях обмоток трансформатора, переходных, сглаживающих и токоограничивающих реакторов.

Для обычных значений коэффициента пульсации выпрямленного тока при номинальном режиме работы ТЭД

, (2.24)

Где .

В (2.24) – суммарное пороговое падение напряжения в полупроводниковых приборах выпрямителя.

При расчете принимают = 4 – 5 В.

R_экв=0,7·0,053+0,67·0,0074+1,04·0,005=0,04 Ом

U_прн=4·670·0,04+5=112 В

U_доп=1·1200+112=1312 В

2.5.2. Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

U_2но=1312/0,9=1457 В

Номинальное напряжение вспомогательных машин электровозов принимается равным В. Номинальное напряжение цепей отопления В.

Для определения коэффициента трансформации и соотношения числа витков обмоток необходимо определить напряжения холостого хода этих обмоток при номинальном напряжении в контактной сети. Потеря напряжения в этих обмотках при номинальной нагрузке трансформатора составляет около 5%.

и .

U_вспо = 399 В и U_ото = 3150 В

2.6 Номинальный ток первичной обмотки трансформатора, потребляемый из сети:

, (2.25)

где – номинальное напряжение контактной сети;

– КПД трансформатора; .

I_эн=4137,5/(1200·0,98)=168,8 А

(2.31)