Проектирование систем управления электрическим подвижным составом переменного тока

В 3-й зоне импульсы управления с фазой b подаются на тиристоры плеч 3,8 и 4,7 соответственно по полупериодам. Для регулирования напряжения инвертора Ud на тиристоры 5,6 подаются импульсы управления с фазой aф, изменяющиеся от aф £ p – b до aф мин.

Во 2-й зоне импульсы управления с фазой b подаются на тиристоры плеч 1,6 и 2,5, а импульсы управления с фазой aф подаются на тиристоры плеч 3,4. С помощью изменения фазы импульсов aф напряжение инвертора Ud регулируется в ту или иную сторону и позволяет таким образом регулировать ток рекуперации:

IP = (Е – Ud) / SR,

 

где Е – ЭДС тягового двигателя в режиме генератора; Ud – выпрямленное напряжение инвертора; SR – сумма сопротивлений контура тока рекуперации.

На 1-й зоне импульсы управления с фазой b снимаются с тиристоров плеч 1, 2, а на тиристоры плеч 5, 6 подаются импульсы, регулируемые по фазе aф. На тиристоры плеч 3, 4 продолжают поступать импульсы, регулируемые по фазе aф. На 1-й зоне в диапазоне малых скоростей начинает действовать, так называемый, режим противовключения, когда ЭДС генератора становится малой по величине вследствие снижения скорости движения, и увеличение тормозного тока IР возможно только благодаря изменению напряжения инвертора Ud на противоположную полярность, когда оно будет складываться с ЭДС генератора и тем самым увеличивать тормозной ток IР

 

IP = (E + Ud) / SR.

 

Изменение полярности Ud происходит в тот момент, когда импульсы управления с фазой aф начинают подаваться на тиристоры плеч 5, 6, 3, 4 в диапазоне от aф = p/2 до aфмин. С этого момента (aф = p/2) рекуперация прекращается и наступает режим противовключения, когда тяговые двигатели развивают тяговый момент, соответствующий направлению движения “назад”, и электровоз начинает потреблять энергию из сети.

 

 

1.5 Выбор и расчет параметров основного электрооборудования и основных аппаратов

 

Кроме выбора основного электрооборудования и основных аппаратов, выполним расчет параметров тягового трансформатора электровоза переменного тока и резисторов ослабления поля.

 

1.5.1 Расчет основных параметров тягового трансформатора

 

Типовая мощность ST тягового трансформатора при полной нагрузке определяется как

ST = SТЯГ + SВСП ,                                             (1.17)

 

где   SТЯГ – типовая мощность тяговых обмоток трансформатора; SВСП – типовая мощность вспомогательной обмотки трансформатора для собственных нужд электровоза.

 

При расчете SТЯГ пренебрегаем током холостого хода трансформатора, а также потерями в трансформаторе и преобразователях:

 

,                                   (1.18)

 

где   PДЛ – мощность тягового двигателя в длительном режиме, PДЛ = PДН КВЕНТ (КВЕНТ = 0,85 ¸ 0,95 – коэффициент вентиляции тягового двигателя); КФ – коэффициент формы кривой тока нагрузки трансформатора, КФ = 1,03 ¸ 1,08;   КТМ – коэффициент типовой мощности трансформатора, для мостовой схемы выпрямления КТМ = 1,11; hДДЛ – КПД тягового двигателя в длительном режиме,   hДДЛ = hДН; nД – количество тяговых двигателей, включенных в одной секции электровоза nД = 4,

кВт.

 

Мощность вспомогательной обмотки, кВА, для собственных нужд электровоза принимается равной

SВCП = (0,075 ¸ 0,085) SТЯГ ,                                (1.19)

 

SВCП = 0,08 × 5117,9 = 409,43 кВА,

 

ST =5117,9 + 409,43= 5527,33 кВт.

 

 

 

 

Номинальное реактивное сопротивление обмоток тягового трансформатора на наивысшей ступени регулирования, и приведенное к вторичной обмотке рассчитывают по напряжению короткого замыкания трансформатора

,                                     (1.20)

 

где UКЗ (%) – напряжение короткого замыкания трансформатора (иначе реактивные потери напряжения в трансформаторе), определяемое из опыта короткого замыкания и выраженное в процентах от номинального переменного напряжения. При приведении к вторичной обмотке UКЗ (%) = 10%; nДВ – число тяговых двигателей, включенных на один преобразователь секции электровоза

 nДВ = 2; 1,25 – коэффициент, учитывающий соотношение между номинальным напряжением на двигателе и переменным напряжением холостого хода на наивысшей ступени регулирования.

 

 Ом.

 

Известно, что между XТН и rТН имеется соотношение

 

rТН = 1 / 8,3 ХТН = 0,12×ХТН,                                 (1.21)

 

rТН =  0,12 × 0,0622 = 0,007464 Ом.

 

Номинальное действующее напряжение холостого хода вторичной обмотки тягового трансформатора определяется по формуле

 

U2OH = 1,25 × UДН ,                                           (1.22)

 

U2OH = 1,25 × 900 = 1125 В.

 

Число витков вторичной обмотки тягового трансформатора для регулирования напряжения одного преобразователя определяют по формуле

 

w2 = U2OH / e0 ,                                           (1.23)

 

где e0 – ЭДС одного витка обмоток тягового трансформатора, для грузовых электровозов е0 = 18 ¸ 22 В/виток, для расчетов принимают среднее значение е0 = 20 В/виток.

w2 = 1125 / 20 = 57 витков.

 

 

 

Уточняется расчетное значение ЭДС одного витка

 

e0Р = 1125 / 57 = 20В.

 

Для электровоза с плавным регулированием напряжения общее число витков вторичной обмотки w2 на высшей ступени регулирования (конец 4-й зоны) складывается из суммы числа витков 3 или 4 секций, равных между собой

 

w СЗ = 1/4× w2 ,                                              (1.24)

 

где w СЗ – число витков секции обмотки для одной зоны регулирования,

 

w СЗ = 1/4× 57 ≈ 15 витков.

 

Число витков во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформатора для электровозов с обоими принципами регулирования напряжения (ступенчатое и плавное) определяют по формуле

 

wСН = U2СН / еОР ,                                             (1.25)

 

 где U2СН – действующее значение напряжения холостого хода на вторичной обмотке собственных нужд, U2СН = 380 В.

 

w СН = 380 / 20= 19 витков.

 

Номинальный ток первичной обмотки тягового трансформатора, потребляемый из контактной сети, определяют по формуле

 

,                                                 (1.26)

 

где SТ – типовая мощность тягового трансформатора; UKC – номинальное напряжение контактной сети, UKC = 25000В; hT – КПД тягового трансформатора, hT = 0,97 ¸ 0,98.

 А.

 

1.5.2 Расчет основных параметров резисторов ослабления поля

 

Сопротивление резистора ослабления поля определяют по формуле

 

,                                         (1.27)

 

где rВ – активное сопротивление обмотки возбуждения (главных полюсов) тягового двигателя (rВ = 0,25×SrД/b0 – электровозы переменного тока); b – коэффициент регулирования возбуждения тягового двигателя; RИШ – активное сопротивление индуктивного шунта, RИШ = 0,01Ом.

 

Таким образом, наибольшее значение RОП получается для ОП-1, а на последующих ступенях ослабления поля RОП будут уменьшаться

 

rВ = 0,25 × 0,298 / 0,96 = 0,0776 Ом,

,

.

 

На третьей ступени регулирования возбуждения ОП-3 параллельно обмотке возбуждения включается только один индуктивный шунт, т.е.

RОП3 = RИШ = 0,01 Ом.

 

 

1.6 Расчет числа вентилей преобразовательной установки электровоза переменного тока

 

Количество вентилей в преобразователе электровоза определяется током тяговых двигателей, обратным или прямым напряжением, приходящимся на плечи преобразователя, и условиями охлаждения вентилей. Преобразователь должен выдерживать ток тяговых двигателей IМАКС при трогании поезда с места (при V=0) при максимальной силе тяги на пределе сцепления.

 

Следовательно, число параллельно включенных вентилей в плече преобразователя определяют по формуле

 

,                                         (1.28)

где   IМАКС – максимальный ток тягового двигателя, рассчитанный из условия ограничения его силы по сцеплению (при V=0); 0,5 – коэффициент, учитывающий работу плеча преобразователя в течение только одного из двух полупериодов напряжения переменного тока; аД – число тяговых двигателей, питаемых от одного преобразователя; IВЕНТ Н – номинальный прямой ток вентиля согласно его типу; КН – коэффициент, учитывающий возможную разницу в нагрузках параллельно включенных вентилей, КН = 0,9.

 

В преобразователе используем тиристор Т353-800, с характеристиками       IВЕНТ Н = 800 А, UВЕНТ Н = 2800 – 3000В

 

.

 

Число последовательно включенных вентилей в плече преобразователя электровоза определяют с учетом его длительной работы при пробое одного из вентилей (это учитывается прибавлением одного вентиля +1):

 

,                                        (1.29)

 

где UМАКС – максимально возможное в эксплуатации значение амплитудного напряжения (обратного или прямого) вторичной обмотки трансформатора на высшей ступени регулирования напряжения на холостом ходу с учетом возможного повышения напряжения в контактной сети от 25 до 29 кВ, UМАКС = 2,03UДН; КРАЗ – коэффициент, учитывающий повышение напряжения в контактной сети от атмосферных перенапряжений и определяемый уставкой разрядника, КРАЗ = 1,5 ¸ 1,6; UВЕНТ Н – номинальное напряжение вентиля, т.е. напряжение класса вентиля согласно его типу; КЗ – коэффициент запаса, учитывающий неравномерность распределения обратного или прямого напряжения при нескольких последовательно соединенных вентилях, КЗ = 0,9

 

.

 

Принимается nПОСЛ = 3.

 

1.7 Расчет и построение внешних характеристик преобразовательной установки применительно к одному тяговому двигателю

 

Внешняя характеристика преобразователя показывает зависимость выпрямленного напряжения, прикладываемого к двигателю, от тока двигателя на данной ступени регулирования напряжения UД = f(I)

 

UД = UДО – DUПР ,                                             (1.30)

где UДО – среднее значение выпрямленного напряжения холостого хода, прикладываемое к тяговому двигателю; DUПР – потери напряжения в преобразовательной установке.

 

Внешнюю характеристику в виде прямой линии можно построить по двум ординатным точкам зависимости: точке холостого хода, т.е. UДО при I = 0 и точке номинальной нагрузки, т.е. UДО – DUПР, когда падение напряжения в преобразователе DUПР определяется при I = IН.

 

В режиме инвертора внешнюю характеристику преобразователя рассчитывают по формуле

UД = UДО соs d – DUПР ,                                       (1.31)

 

где d – угол запаса инвертора, d = 30 эл.град.

 

Таким образом, расчет и построение внешних характеристик на ступенях регулирования сводится к расчету выпрямленного напряжения холостого хода UДО и падений напряжений в преобразовательной установке DUПР при номинальном токе двигателя на каждой ступени регулирования.

 

1.7.1 Электровозы переменного тока с плавным регулированием напряжения

 

Известно, что увеличение числа зон (более четырех) не дает существенного улучшения показателей преобразования. Поэтому на электровозах с плавным регулированием напряжения применяется четырехзонный принцип регулирования, который можно получить, применив специальный алгоритм управления, при трех секциях вторичной обмотки тягового трансформатора. Причем по виткам первые две малые секции равны между собой, и третья большая секция состоит из суммы первых двух (т.е. условно можно считать, что напряжение на каждой зоне повышается на величину напряжения одной малой секции).

В п.1.5.1. число витков вторичной обмотки трансформатора рассчитано таким образом, что на конце 4-й зоны напряжение на двигателях будет равно заданному номинальному значению UДН при номинальном токе двигателя IН.

 

Зависимость RЭП от параметров преобразователя рассмотрена следующим образом

RЭП = nДВ (0,7 ХТ + 0,7 rT + 1,04 rСР) ,                         (1.32)

 

а в номинальном режиме на конце 4-й зоны

 

RЭПН = nДВ (0,7 ХТН + 0,7 rTН + 1,04 rСР) .                     (1.33)

 

Значения UДО и DUПР изменяются от зоны к зоне. Так, на 1-й зоне величина UДО зависит от величины wСЗ

UДО1 = 0,9 еОР wСЗ,                                         (1.34)

 

UДО1 = 0,9×20×15 = 270 В.

 

 

 

На последующих зонах напряжение UДО по границам зон определяется в зависимости от числа зон и алгоритма регулирования. Если прирост напряжения по зонам равномерный, то w СЗ1 = w СЗ2 = w СЗ3 = w СЗ4. Следовательно, при каждом переходе с зоны на зону (i + 1) напряжение UДО меняется на одну и ту же величину

DUДО = UДО(i+1) – DUДО = 0,9 еОР wСЗ.                           (1.35)

 

Напряжение на конце любой зоны будет равно

 

UДОi = UДО1 + (i – 1) × DUДО,                                   (1.36)

 

UДО1 = 270 + (1 – 1) × 270 = 270 В,

 

UДО2 = 270 + (2 – 1) × 270 = 540 В,

 

UДО3 = 270 + (3 – 1) × 270 = 810 В,