Системы управления электроподвижным составом

 

0,5 I_МАКС а_Д

n_ПАР = –––––––––– ,                                          (1.50)

I_{ВЕНТ Н} К_Н

где   I_МАКС – 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;

а_Д – число тяговых двигателей, питаемых от одного преобразователя;

I_{ВЕНТ Н} – номинальный прямой ток вентиля согласно его типу;

К_Н – коэффициент, учитывающий возможную разницу в нагрузках параллельно включенным вентилям, К_Н = 0,9.

В преобразователе используем тиристор Т353-800, с характеристиками       I_{ВЕНТ Н} =490 А, U_{ВЕНТ Н}=2800 -3000 В.

 

,

Рассчитанное значение n_ПАР округляют до большего числа.

 

Принимаем  n_ПАР= 4.

 

 

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):

U_МАКС К_РАЗ

n_ПОСЛ = –––––––––– + 1 ,                                   (1.51)

U_ВЕНТ.Н К_З

где  U_МАКС – 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 25 до 29 кВ, U_МАКС= = 2,03 U_ДН = 2,03· 875 =1777 В;

К_РАЗ – коэффициент, учитывающий повышение напряжения в контактной сети от атмосферных перенапряжений и определяемый уставкой разрядника, К_РАЗ = 1,5 ¸ 1,6;

U_{ВЕНТ Н} – номинальное напряжение вентиля, т.е. напряжение класса вентиля согласно его типу;

К_З – коэффициент запаса, учитывающий неравномерность распределения обратного или прямого напряжения при нескольких последовательно соединенных вентилях, К_З = 0,9.

 

.

 

Принимаем    n_ПОСЛ =2.

 

 

 

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 U_Д = f(I)

 

U_Д = U_ДО – DU_ПР ,                                             (1.52)

 

где U_ДО – среднее значение выпрямленного напряжения холостого хода, прикладываемое к тяговому двигателю; D U_ПР – потери напряжения в преобразовательной установке.

 

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

 

В режиме инвертора внешнюю  характеристику преобразователя, В, рассчитывают по формуле

 

U_Д = U_ДО соs d – D U_ПР ,                                       (1.53)

 

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 U_ДО и падений напряжений в преобразовательной установке D U_ПР 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 отечественных 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 U_ДН при номинальном токе двигателя I_Н.

 

При холостом ходе среднее значение выпрямленного напряжения связано с действующим значением переменного напряжения, подаваемого на выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП), следующим соотношением:

 

1     a                                          p                                       .

U_ДО =  ––– [ ò U_{m(i – 1)} sin w t · d(w t) + ò U_mi · sin w t · d(w t) ] =   .

p      0                                        a                                        .

 

 

      1                           

= –––  [U_{m(i – 1)} ·(1 – соs a ) + U_mi · (1 + соs a )  ] =

     p                                  

 

 

0,9 U _{(i – 1)} ·(1 – соs a) + 0,9U_i · (1 + соs a)

= ––––––––––––––––––––––––––––––––––––                    (1.69)

2

где U_{m(i – 1)} – амплитудное действующее переменное напряжение предыдущей позиции регулирования (например, первой); U_mi – амплитудное действующее переменное напряжение последующей позиции регулирования (соответственно второй).

 

На конце четвертой  зоны (i = 4) при a= 0 U₄ = U_20H, тогда

 

U_ДН = 0,9 U_20H – D U_{ПР Н} ,                                             (1.70)

 

где D U_{ПР Н} – потери напряжения в преобразователе на конце 4-й зоны.

 

Суммарные потери напряжения в преобразователе равны

 

D U_{ПР Н} = I_H · R_ЭН n_ДВ ,                                       (1.71)

 

где R_ЭН – эквивалентное сопротивление на конце 4-й зоны; n_ДП – число двигателей, питающихся от одного ВИП; R_ЭН · n_ДВ = R_ЭПН – эквивалентное сопротивление преобразователя в номинальном режиме.

 

Зависимость R_ЭП от параметров преобразователя рассмотрена в [1, 4]:

 

R_ЭП = n_ДВ (0,7 Х_Т + 0,7 r_T + 1,04 r_СР) ,                         (1.72)

Для электровоза с  плавным регулированием напряжения сопротивление сглаживающего реактора r_СР = 0,0025 Ом.

 

R_ЭП =2(0,7∙0,0049 + 0,7∙0,006 + 0,7∙0,0025) = 0,019 Ом

а в номинальном режиме на конце 4-й зоны

 

R_ЭПН = n_ДВ (0,7 Х_Т + 0,7 r_TН + 1,04 r_СР) = 0,02 Ом .                           (1.73)

 

Значения U_ДО и D U_ПР в выражении (1.52) изменяются от зоны к зоне. Так, на 1-й зоне величина U_ДО зависит от величины w _СЗ:

 

U_ДО1 = 0,9 е_ОР w _СЗ.                                          (1.74)

U_ДО1 = 0,9 ∙ 20 ∙ 13,75= 247,5 В

На последующих зонах  напряжение U_ДО 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 U_ДО меняется на одну и ту же величину

 

D U_ДО = U_ДО(i+1) – U_ДОi = 0,9 е_ОР w _СЗ.                        (1.75)

 

D U_ДО = 247,5 В

 

Отсюда напряжение U_ДО на конце любой зоны будет равно

 

U_ДОi = U_ДО1 + (i – 1) D U_ДО.                                (1.76)

Отсюда напряжение U_ДО на конце любой зоны равно

U_ДО1 = 247,5 + (1 – 1)× 247,5 =247,5 В

U_ДО2 = 247,5 + (2 – 1)× 247,5 =495 В,

U_ДО3 = 247,5 + (3 – 1)× 247,5 =742,5 В,

U_ДО4 = 247,5 + (4 – 1)× 247,5 =990 В.

 

Таким образом, напряжение на двигателе на конце i-й зоны

 

U_Дi = U_ДОi – I · R_ЭПi .                                           (1.77)

 

где R_ЭПi – приведенное эквивалентное сопротивление преобразователя на i-й зоне.

Таблица 1.9 - Зависимости Х_Т/Х_ТН = f(U_ДО/U_ДОН) и r_Т/r_ТН = f(U_ДО/U_ДН) в относительных единицах

UДО/UДОН	0	0,2	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0
ХТ/ХТН и rТ/rТН	0	0,1	0,3	0,38	0,48	0,7	1,0

 

 Значения Х_Т , r_Т и U_ДО характеристик Х_Т = f(U_ДО) и r_Т = f(U_ДО) получаем путем умножения относительных величин (Х_Т/Х_ТН), (r_Т/r_ТН), (U_ДО/U_ДОН) на соответствующие номинальные значения Х_ТН, r_ТН, U_ДОН. Расчеты сводим в табл. 1.10.

 

Таблица 2.10 - Расчет характеристик  Х_Т = f(U_ДО) и r_Т = f(U_ДО)

ХТ = (ХТ/ХТН) ХТН	0	0,0049	0,0147	0,0186	0,0235	0,0343	0,049
rТ = (rТ/rТН) rТН	0	0,0006	0,0018	0,0023	0,0029	0,0042	0,006
UДО = (UДО / UДОН) UДОН	0	198	396	495	594	792	990

              

График внешней характеристики U_Дi = f(I) представляет собой прямую линию, построенною по двум расчётным точкам: ординатам холостого хода U_Д0i и нагрузки U_Дi при I = I_Н. Расчет выполним в форме таблицы 2.8

U_Дi = U_ДОi – I · R_ЭПi .

Таблица 2.8 – Внешние  характеристики преобразователя

 

Номер зоны	UДО , В	RЭП ,Ом	I,А	UД ,В
1	247,5	0,024	1112	220,8
2	495	0,038	1112	452,7
3	742,5	0,054	1112	682,5
4	990	0,075	1112	906,6

Внешние характеристики инвертора в режимах выпрямителя  и инвертора

Внешние характеристики инвертора (режим рекуперативного  торможения) рассчитывают аналогично, но формулы расчета преобразуют  к виду, соответствующему выбранному способу инвертирования. На отечественных электровозах ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 получил распространение способ инвертирования на постоянство угла запаса инвертора, т.е. d = const. Исходя из этого, для расчета внешних характеристик надо использовать формулу (2.53). Кроме этого, расчет D UПР в режиме инвертора ведут исходя из зависимости

 

R_ЭП = n_ДП (0,7 Х_Т – 0,7 r_T – 1,04 r_СР) .                         (1.78)

 

Таблица 2.9 – Внешние  характеристики инвертора

 

Номер зоны	UДО , В	RЭП ,Ом	I,А	UД ,В
1	223,7	0,022	1112	199,2
2	454,6	0,035	1112	438,7
3	685,3	0,047	1112	653,1
4	909,7	0,063	1112	852,4