Расчет преобразователя для вспомогательных цепей электровоза

Федеральное агентство  железнодорожного транспорта

Федеральное бюджетное  государственное общеобразовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Уральский государственный  университет путей сообщения

 

Кафедра: «Электрическая тяга»

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет преобразователя для вспомогательных цепей электровоза

Пояснительная записка  к курсовому проекту

 по дисциплине «Электронная техника и преобразователи»

 

 

 

Проверил: к.т.н., доцент Худояров Д.Л.	Выполнил:                         студент гр. Т-310                               Южаков А. С.

Екатеринбург

2013

Содержание

 

 

Введение……………………………………………………………..…………..3

1 Основные преимущества  схемы питания тяговых двигателей……………......5

2 Схема питания вспомогательных цепей и описание её работы…………….....5

3 Расчет вторичных цепей……………………………………………………...….9

3.1 Расчет вторичных ЭДС...…………………………………………...…...9

3.2 Выбор вентилей вторичных цепей……………………………………14

3.3 Расчет величины  индуктивностей сглаживающих реакторов………20

4 Расчет инвертора………………………………………………………………..23

4.1 Определение коэффициентов  трансформации по каждой вторичной  обмотке…………………………………………………………………..….23

4.2 Токи вторичных обмоток,  приведенные к первичной обмотке трансформатора……………………………………………...……………..24

4.3 Ток первичной обмотки трансформатора…………………………….25

4.4 Выбор вентилей инвертора…………………………………………….25

5 Расчет параметров  входного фильтра…………………………………………27

5.1 Величина емкости входного фильтра…………………………………27

5.2 Выбор конденсаторов для входного фильтра………………………...28

5.3 Величина индуктивности входного фильтра…………………….…...28

Заключение………………………………………………………..…...30                                       

Список  литературы………………………………………………………...31

 

 

 

Введение

 

Современный электрический  подвижной состав (ЭПС) содержит разнообразные преобразователи, построенные на базе современных полупроводниковых приборов.

Совершенствуются схемы  силовых, а также вспомогательных  цепей ЭПС в трех направлениях: создание более экономичных, более  надежных и более удобных в  эксплуатации преобразователей.

В настоящее время  могут быть предложены следующие  схемы питания вспомогательных  цепей:

- непосредственно от контактной сети (современный подвижной состав постоянного тока); 

- от вращающегося расщепителя фаз на электровозах переменного тока с асинхронными вспомогательными машинами;

- от непосредственного преобразователя частоты (на электровозах переменного тока с асинхронными вспомогательными машинами);

- от трехфазного автономного инвертора (асинхронные машины на электровозах постоянного тока);

- от преобразователя «автономный однофазный инвертор – трансформатор – управляемые выпрямители» (на электровозах постоянного тока с коллекторными вспомогательными машинами).

Возможны другие схемы  питания вспомогательных машин, не перечисленные выше.

При выполнении курсового  проекта:

- перечислил основные преимущества выбранной схемы питания   тяговых двигателей;

- привел схему вспомогательных цепей и дал описание её работы;

- по данным, предложенным преподавателем, выбрал тип двигателя постоянного тока на напряжение 220 В для компрессора и вентилятора;

- определил номинальное значение токов всех вторичных цепей;

- определил номинальное значение ЭДС вторичных обмоток соответственно при номинальном токе с учётом падения напряжения, связанного с коммутацией;

- выбрал тиристоры и диоды вторичных цепей трансформатора по току, напряжению, частоте;

- рассчитал величину индуктивности сглаживающего реактора в цепи якоря двигателя компрессора и вентилятора;

- нашел приведённые к первичной обмотке трансформатора значения токов вторичных обмоток и ток первичной обмотки;

- выбрал тиристоры и обратные диоды автономного инвертора;

- рассчитал параметры входного фильтра, общего для силовой и вспомогательной цепей электровоза;

- привел функциональную схему управления преобразователем и коротко описал её работу;

- выполнил индивидуальное задание.

 

1 Основные преимущества схемы питания тяговых двигателей

 

В данном курсовом проекте  по дисциплине «Электронная техника  и преобразователи» ставится задача рассчитать параметры основных элементов силовой цепи преобразователя «Автономный однофазный инвертор – трансформатор управляемые выпрямители» для электровоза постоянного тока с коллекторными вспомогательными машинами.

Такая схема питания  вспомогательных  машин имеет  следующие преимущества по сравнению с традиционной, применяемой на современных электровозах постоянного тока:

- меньшая установленная  мощность вспомогательных машин  (мотор – вентилятора, мотор – компрессора и др.) из-за отсутствия колебаний напряжения на них и, в частности, падения напряжения до минимальной величины, что и является причиной завышения мощности примерно на 15…20% у вспомогательных машин, устанавливаемых на современном ЭПС;

- возможность установки  стандартных машин общепромышленного  применения;

- выбор машин на сравнительно низкое напряжение (240, 440 В) повышает надёжность их работы, уменьшает их габариты, понижает стоимость;

- улучшенные условия  эксплуатации машин связанные  со стабильностью напряжения на них, так как ни колебания, ни броски напряжения на них практически невозможны из-за наличия входного и выходного фильтров преобразователя и управляемого выпрямителя, стабилизирующего входное напряжение;

- возможность автоматического  пуска вспомогательных  машин  при стабилизации пускового тока, а также возможность регулирования скорости вращения мотор – вентилятора в функции температуры нагрева тяговых двигателей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Схема питания вспомогательных цепей и описание её работы

 

Схема вспомогательных цепей приведена  на рисунке 1.

Преобразователь  состоит из входного фильтра на элементах L₁ и C₁; автономного однофазного инвертора напряжения  на запираемых тиристорах VS1 - VS4; трансформатора Т и вторичных цепей.

От входного Г - образного фильтра питаются силовые цепи тяговых двигателей, напряжение на которых изменяется с помощью тиристорного импульсного преобразователя (ТИП), и преобразователь вспомогательных цепей. Входной фильтр, как известно, выполняет три функции: подавление помех в питающей (контактной) сети, генерируемых ТИП и преобразователем вспомогательных цепей; создание условий для работы обеих преобразователей; трансформатора постоянного тока вместе с ТИП.

Автономный однофазный инвертор напряжения собран на запираемых тиристорах, которые позволяют упростить схему силовых цепей, исключая из неё коммутационные конденсаторы и индуктивности. Обратные диоды VD1 - VD4 составляют схему обратного мостового выпрямителя, выполняющего три функции: «привязывают» первичную обмотку трансформатора к источнику напряжения (конденсатору большой ёмкости С₁, представляющему источник напряжения с малым внутренним сопротивлением) в случае повышения напряжения на ней по любой причине, когда пара диодов в зависимости от полярности напряжения включается; служат для «сброса» реактивной мощности от индуктивностей вторичных цепей трансформатора в конденсатор С₁; выпрямляют переменный ток, генерируемый вспомогательными асинхронными или синхронными машинами, если такие имеются, в режиме рекуперативного торможения.

Трансформатор выполняет три функции: понижение уровня напряжения, необходимого для потребителей, включённых  во вторичных  цепях; гальваническая развязка вторичных цепей от высоковольтной первичной цепи и вторичных цепей между собой; расщепителя фаз  для однофазного нулевого выпрямителя, питающего обмотки возбуждения тяговых двигателей (возбудителя тяговых двигателей). Поскольку трансформатор работает на повышенной частоте, он имеет конструктивные особенности. Прежде всего, его габариты существенно меньше, чем трансформатора такой мощности, но работающего на частоте 50 Гц. Так, если его рабочая  частота составляет 400 Гц, то габариты будут меньше примерно в восемь раз. Толщина листов электротехнической высококачественной стали или другого материала должна быть не боле 0.35 мм, чтобы иметь приемлемые потери в стали. Конструкция обмоток должна учитывать эффект вытеснения тока к периферии проводника, что увеличивает её эффективное сопротивление, то есть потери в меди (или алюминии). У трансформатора имеются также особенности, обусловленные работой при прямоугольном напряжении, получаемом с выхода инвертора, но они в курсовом проекте не учитываются, так как расчёт трансформатора в нём не производится.

Якоря тяговых двигателей компрессора  и вентилятора питаются от управляемых мостовых однофазных выпрямителей, поэтому возможен контролируемый по пусковому току запуск этих двигателей; стабилизация их скорости при колебаниях напряжения в контактной сети, а также регулирование скорости вентилятора в функции нагрева тяговых двигателей. Защита цепей якорей двигателей компрессора и вентилятора от токов короткого замыкания и перегрузки осуществляется  автоматическими выключателями QF₃ и QF₅. Линейные контакторы QF₂ и QF₄ выключаются во время пауз в работе компрессора и вентилятора во избежание «ползучей скорости», если угол регулирования α управляемых выпрямителей вместо 90º будет чуть больше или меньше. Сглаживающие реакторы LR₁ и LR₂ обеспечивают сглаживание пульсаций напряжения и тока двигателей.

Независимое возбуждение  двигателей вентилятора и компрессора осуществляется при питании от управляемого однофазного мостового выпрямителя с целью стабилизации тока возбуждения в обмотках. Защита этих цепей от токов короткого замыкания и перегрузок осуществляется предохранителями FU₁ и FU₂, так как вероятность аварийных режимов невысока.

Питание обмоток возбуждения  тяговых двигателей в режиме рекуперативного  торможения, а возможно, и в тяговом режиме осуществляется от однофазного нулевого реверсивного управляемого выпрямителя, собранного на тиристорах VS17 - VS20. В положении реверсора «вперёд» работают тиристоры VS18 и VS20, и при такой полярности напряжения на обмотках возбуждения загорается светодиод VD5 (например, зелёного цвета), а при обратной полярности в положении реверсора «назад» работают тиристоры VS17 и VS19 и светится светодиод VD6 (например, жёлтого цвета). Резистор R1 ограничивает токи светодиодов.

Питание всех систем собственных  нужд осуществляется от специальной  вторичной обмотки. Стабилизация этого напряжения осуществляется от преобразователя переменного тока, построенного на симисторе VS21 изменением угла регулирования α. Выходной фильтр, построенный на ёмкости C₂ и индуктивности L₂, подавляет на выходе все высшие гармоники, кроме основной, частотой 400 Гц.

От этого преобразователя питаются следующие группы потребителей: элементы систем автоматики, требующие синусоидального напряжения (асинхронные и синхронные серводвигатели, поворотные трансформаторы, сельсины и т.д.); потребители собственных нужд машиниста (электрические плитки, чайники, кондиционеры, холодильники и т. д.); источники питания постоянного тока напряжением 110, 50, 24, 12 В и т. д.; источники питания различных систем управления (инвертор, выпрямитель, ТИП и т. д.) всевозможных уровней напряжения + 15 В, 15 В, +12 В и т. д.

Рисунок 1 – Схема вспомогательных цепей одной секции электровоза

 

3 Расчет вторичных цепей

 

3.1 Расчет вторичных ЭДС

3.1.1Среднее значение выпрямленного напряжения U_dα для всех выпрямителей.

 

Среднее значение выпрямленного напряжения холостого хода можно определить, суммируя заштрихованные площадки согласно рисунку 2, при угле коммутации γ=0

                                 

                           (3.1)

где - амплитуда ЭДС вторичной обмотки, равная по величине действующему значению этой ЭДС (при прямоугольном, приложенном к первичной обмотке трансформатора, напряжении), В;

               α - угол регулирования, рад.

 

Рисунок 2 – Диаграммы  напряжений и выпрямленного тока

 

Как известно, при коммутации вентилей ток вторичной обмотки трансформатора должен изменить своё направление на противоположное под действием ЭДС вторичной обмотки .

По 2 закону Кирхгофа,

                                                             (3.2)

где - индуктивность вторичной и первичной обмоток трансформатора,

              связанные потоками рассеяния соответствующих обмоток;

     - индуктивное сопротивление вторичной и приведенной к

             вторичной первичной обмоток трансформатора, Ом;

       - текущее значение угла.

Найденное из (3.2) путем  интегрирования значение тока