Главная Коллекция "Otherreferats" Производство и технологии Разработка шкафа питания цепей управления электроподвижного состава

Разработка шкафа питания цепей управления электроподвижного состава

Требования, предъявляемые к современным шкафам питания электроподвижного состава. Концепция выбора элементной базы для управления. Выбор драйвера для IGBT транзистора. Идентификация опасностей и вредностей на электровозе. Расчет экономического эффекта.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	дипломная работа
Язык	русский
Дата добавления	09.03.2012
Размер файла	3,9 M

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Представляет интерес "интеллектуальный" опторазвязанный драйвер HCPL-316J, предназначенный для управления модулями IGBT 150 А, 1200 В. Устройство оснащено системой защиты от недонасыщения ключа, блокировкой выключения при выходе напряжения питания за допустимые пределы, режимом "мягкого" выключения IGBT (Soft Turn-Off) и каналом опторазвязанной обратной связи для выставления флага останова. На рисунке 3.9 приведена функциональная схема драйвера.

Драйвер имеет двухступенчатую структуру: первая ступень является сигнальной и через нее осуществляется обмен данными, вторая - силовой и предназначена для управления затвором и считывания сигнала защиты (недонасыщения и снижения напряжения питания) силового ключа.

Триггер останова осуществляет запрет прохождения импульсов управления во вторую ступень драйвера.

Наличие двух входов - прямого и инверсного, а также дополнительного вывода для питания непосредственно излучателя первой ступени позволяет управлять как логическими ТТЛ-уровнями, так и сигналом излучателя, минуя триггер останова. Сигнал с выхода фотоприемника поступает на вход парафазной схемы управления выходным двухтактным каскадом, имеющим биполярно-полевую конфигурацию, причем верхнее плечо - строенный составной транзистор (схема Дарлингтона), а нижнее - сдвоенные в параллель MOSFET. При такой схеме построения выходного каскада достигается высокий коэффициент передачи по току при отпирании и режим Soft Turn-Off при запирании. За счет неодновременного срабатывания MOSFET их суммарное сопротивление в открытом состоянии неодинаково, что дает возможность изменения постоянной времени разряда входной емкости IGBT.

Рисунок 3.9 - Функциональная схема драйвера HCPL-316J.

Монитор напряжения питания осуществляет перевод цепи затвора в состояние низкого уровня выходного напряжения при снижении напряжения питания менее 12,4 В без выдачи сигнала отключения в первую ступень. Монитор напряжения насыщения силового ключа дает команду на "мягкое" выключение за счет неодновременного отпирания MOSFET выходного каскада и передает через оптопару сигнал останова в первую ступень и во внешние устройства (каскад с открытым коллектором). Приведение в рабочее состояние драйвера производится подачей сигнала начальной установки по входу.Другим примером устройств с гальванической развязкой и двусторонним обменом данными являются функционально законченные платы драйверов для управления модулями 2400 А, 1200 (3300) В семейства SKHI ("Semikron") [23]. Устройства выпускаются в следующих исполнениях:

- драйвер одиночного IGBT-ключа;

- устройство управления стойкой;

- устройство управления трехфазным мостом.

В таблице 3.2 сравниваются функциональные возможности таких устройств. Структура построения, приведенная на рисунке 3.10, является типовой для одного силового ключа и рассматривается на примере устройства SKHI10.

Устройство позволяет управлять одним или несколькими параллельно соединенными модулями на частотах до 20 кГц.

По аналогии с драйверами семейства HP семейство SKHI имеют двухступенчатую структуру построения. Первая ступень является согласующей, вторая - высоковольтной.

Информационный двусторонний обмен данными осуществляется через импульсный двунаправленный трансформатор при максимальном значении между ступенями 75 кВ/мкс.

Входной селектор обеспечивает работу с логическими уровнями ТТЛ либо КМОП. Триггер Шмитта корректирует форму входного сигнала при наличии искажений в линии связи. Триггер останова первой ступени (триггер ошибки) блокирует прохождение импульсов управления во вторую ступень при появлении короткого замыкания в выходной цепи или снижении напряжения питания первой ступени ниже 13 В, при этом выставляется флаг останова (транзистор с открытым коллектором).

Рисунок 3.10 - Структура драйверов семейства SKHI (один канал).

Таблица 3.2 - Электрические характеристики драйверов с опторазвязкой

Характеристика	Тип драйвера
	SKHI	HP
Тип драйвера	10, 10/17	17W, 17F	21, 21Н4	22, 22Н4	23/12 23/17	J26W, 26F	27W, 27F	60, 60Н4	HCPL-316J
Функциональное назначение	Одиночный	Гибридный для стойки	Для управления стойкой (полумост)	Трехфазный	Одиночный
Номинальное напряжение питания, В	15±5%	+15/-8
Максимальный потребляемым ток (среднее значение),мА	500	800	160	500	700	1200	600	22
Входное сопротивление, кОм (входной ток, мА)	10 (0,34)	ТТЛ
Выходное напряжение по затвору на включение, В	15	15
Выходное напряжения по затвору на выключение, В	-8	0	-15	~8	0	-7
Максимальный импульсный выходной ток, А	8	30	3,3	8	30	4	2
Среднее значение выходного тока, мА	100	150	40	20	50	100	150	40	-
Напряжение коллектор-эмиттер силового модуля, В	1200/1700	1200	1700	1200/1700	1200	1200
Испытательное напряжение изоляции между входом и выходом, В	4000	2500	4000	2500	4000	2500	3750
Минимальное значение сопротивления в затворной цепи на включение, Ом	2,7	3,3	2,7	56	10
Минимальное значение сопротивления в затворной цепи на выключение, Ом	2,7	3,3	2,7	47	10
Максимальная рабочая частота, кГц	20
Задержка передачи входного сигнала на включение, мкс	1,4	1	1,4	1,4	0,5
Задержка передачи входного сигнала на выключение, мкс	1,4	1	1,4	1,4	0,5
Оптический уровень срабатывания защиты при выходе из насыщения силового модуля, В	5,2/6,3	5,6 - 7	5,3
Минимальный уровень входного сигнала на включение, В	3,6	2
Максимальный уровень входного сигнала на выключение, В	0,5	0,8
Уровень срабатывания защиты при понижении напряжения питания драйвера, В	+12,5 - 12,9	+13,5/-2,4
Минимальная длительность импульсов, мкс	2	0,8
Скорость нарастания напряжения, кВ/мкс	75	50	25	75	50	30

Изолированный встроенный источник постоянного напряжения (DC/DC конвертор с частотой преобразования 1 МГц) питает драйвер целиком от одного источника напряжением 15 В, а выходной каскад для двухполярного питания затвора - напряжением + 15/ - 8 В.

Защита от короткого замыкания обеспечивается монитором напряжения насыщения (контроль напряжения коллектор-эмиттер IGBT). Алгоритм работы защиты выбран так, что сигнал неисправности формирует интервал времени замедленного выключения (устройство Soft Turn-Off и навесные внешние элементы) для уменьшения скорости спада тока коллектора IGBT и снижения выбросов напряжения на коллекторе. Сигнал перегрузки поступает одновременно через устройство гальванической развязки на вход трип ера останова и выключает входную цепь. Исходя из типа силового модуля выбираются навесные элементы для цепи заряда () и разряда () емкости затвора. На плате установлены контактные площадки для уставок (пайкой) резисторов затвора. Для подавления колебаний в цепи коллектора и компенсации времени переключения IGBT введен узел регулируемой (единицы десятки микросекунд) задержки срабатывания схемы защиты, в [23] приводятся кривые выбора элементов.

Другие драйверы "Semikron" имеют отличия, связанные с интеграцией промежуточных каскадов для работы с полу- и трехфазными мостами. Характеристики драйверов с гальванической развязкой приведены в таблице 3.2.

С учетом современных требований, описанных в классификации, разработано семейство «интеллектуальных» драйверов для IGBT-модулей (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 - Функциональная схема драйвера с трансформаторной развязкой.

Драйвер имеет входы управления:

In - для подачи сигнала управления силовым модулем;

Reset - переключение в исходное состояние после снятия сигнала перегрузки;

Error - выход (инверсный с открытым коллектором) для выдачи сигнала неисправности или перегрузки.

Драйвер имеет двухступенчатую структуру: первая ступень является интерфейсной и предназначена для согласования схемы с внешними цифровыми устройствами, вторая - для управления силовым транзистором и выключения при выходе IGВТ из состояния насыщения (недонасыщение).

Входной триггер Шмитта предназначен для "коррекции" формы импульса в линии связи контроллера и драйвера.

Триггер останова совместно с селектором импульсов разрешает или запрещает прохождение импульсов во вторую ступень.

Монитор напряжения питания предназначен для выдачи импульса выключения в триггер останова при снижении напряжения питания ниже допустимого значения.

Для питания второй ступени предназначен статический DC/DC преобразователь со стабилизаторами постоянного напряжения.

Гальваническая развязка осуществляется импульсными трансформаторами. Верхний (по схеме) трансформатор предназначен для парафазной передачи фронта и спада импульса управления во вторую ступень. Пара коротких импульсов поступает на входы триггера состояния второй ступени, где формируется импульс требуемой длительности.

Выходной каскад драйвера осуществляет выдачу двуполярных (амплитудой +18 В; - 8 В) импульсов для переключения силового транзистора.

Монитор напряжения насыщения ключа предназначен для выдачи импульса останова в схему И при выходе транзистора из насыщения. Для исключения неопределенности при переключении ключа в открытое состояние опрос состояния монитора напряжения насыщения проводится с задержкой (регулируемой) 1 - 5 мкс.

Схема И формирует импульс перевода триггера состояния и положение, соответствующее выключенному транзистору и одновременно через развязывающий трансформатор выдает короткий импульс в первую ступень.

Триггер останова вырабатывает сигнал (транзистор с открытым коллектором) во внешние цепи системы управлении.

В настоящее время ведется разработка ИМС драйвера для управления силовым IGВТ модулем, сочетающей в себе узлы обмена, защиты и управления затвором.

Таким образом, на основании проведённого анализа драйверов, можно остановить выбор на драйверах двух типов: «интеллектуального» (рисунок 3.11) и семейства SKHI (рисунок 3.10). Т.к первый тип драйвера на сегодняшний день является теоретической разработкой, то наиболее целесообразным является применение драйвера SKHI. Благодаря гибкости построения микропроцессорной системы управления тяговыми преобразователями в целом и силовыми IGBT-модулями, в частности, возможна замена драйвера SKHI на более совершенную конструкцию, без особых доработок в МПСУ нижнего уровня.

4. КОМПОНОВКА конструктива ШП

Конструктов шкафа питания формируется в зависимости от современных требований унификации, предъявляемых к конструкции преобразователей.

Шкаф питания имеет модульную конструкцию и состоит из 3-х уровней аппарратуры:

- нижний уровень

- средний уровень;

- верхний уровень.

На нижнем уровне расположены элементы, представляющие довольно больший массогабаритные конструктивны. К Таким элементам относятся:

- разделительный импульсный трансформатор, имеющий одну первичную и две вторичные обмотки.

- дроссели;

- силовой блок конденсаторов;

- резисторы.

На среднем уровне расположены силовые полупроводниковые приборы с элементами охлаждения:

два блока выпрямителей с радиаторным охлаждением. Каждый блок включает в себя четыре полупроводниковых прибора, которые крепятся на радиаторное охлаждение.

- два преобразователя, в конструктив которых входят IGBT-модули.

Первый преобразователь- инвертор тока, выполняющий подзаряд аккумуляторной батареи- выполнен в виде 2-х силовых полупроводниковых модулей, которые имеют радиаторное охлаждение.

Второй преобразователь- стабилизатор напряжения, имеющий аналогичную конструкцию посравнению с первым преобразователем

Оба преобразователя помимо радиаторного охлаждения имеют воздушное, которое осущесвляется за счёт использования вентилятора.

На верхнем уровне расположены компоненты радиоэлектронной аппаратуры, а также блоки управления инвертором тока и стабилизатора напряжения.

Блоки управления представляют собой закрытую конструкцию, расположенную в защитном кожухе.

Показания аппаратуры выводятся на светосигнальные табло. Вся ситемы управления, выполнена в виде печатных плат.

Крепеж осуществляется болтами типа М4, М6.

Шкаф имеет защиту IP01.

В дипломном проекте выполнена разработка шкафа питания (ШП) цепей управления электроподвижного состава.

Произведён анализ схем питания цепей управления электроподвижного состава, на основании которого предложена новая конфигурация структуры ШП, отвечающая современным техническим требованиям, предъявляемая к подобным устройствам.

Для принятой структуры ШП предложена электрическая схема, для которой при помощи компьютерной модели в среде Simulink установлены электрические параметры. На основании результатов компьютерного моделирования обоснованно выбрана элементная база ШП, произведён расчёт электронных элементов системы управления ШП.

В специальной части выполнен расчёт разделительного трансформатора и выпрямителя компоновка элементов, входящих в конструкцию шкафа питания, отвечающая эргономическим требованиям, минимизации габаритных показателей и удовлетворяющая условиям охлаждения элементов шкафа питания. Спроектируемый ШП обладает высоким качеством напряжения питания.

В разделе безопасность жизнедеятельности рассмотрены вопросы безопасности при эксплуатации электровоза с разработанным шкафом питания, выполнен анализ опасностей и вредностей ШП. Предложены мероприятия по охране труда обслуживающего персонала и проведена оценка устойчивости схемы преобразователя ШП при работе в чрезвычайных ситуациях.

В разделе технико-экономическое обоснование определён экономический эффект вновь спроектированного электровоза, который составил 15,51 млн. руб

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Социальное значение вопросов безопасности жизнедеятельности (БЖД)

Задача безопасности жизнедеятельности - обеспечение комфортных условий нормативно-допустимых уровней воздействия негативных факторов на человека и природную среду и деятельности людей на всех стадиях их жизни. Поддержание оптимальных условий деятельности и отдыха создает предпосылки для проявления наивысшей работоспособности и продуктивности.

Современная экономическая ситуация в стране очень сильно влияет на работу предприятий. В настоящее время число рабочих мест сокращено в связи с тем, что происходит спад производства. Нехватка средств на реконструкцию и обновление оборудования, а так же сокращение штата работников служб техники безопасности (ТБ) привело к тому, что количество несчастных случаев на производстве резко возросло. Это ведет к тому, что люди погибают или становятся инвалидами. При этом страна несет большие материальные убытки. В это время необходимо заново возобновить работу по улучшению проверок ТБ и основ БЖД для каждого работника современного предприятия.

Безопасная и безаварийная эксплуатация систем электроснабжения и многочисленных потребителей электрической энергии ставит перед работниками электрохозяйств, сложные и разносторонние задачи по обеспечению безопасных условий труда. Здоровые и безопасные условия труда электротехнического персонала и работников, эксплуатирующих электрифицированные производственные установки, могут быть обеспечены выполнением научно-обоснованных правил и норм, как при проектировании, так и при эксплуатации.

Безопасности жизнедеятельности должно отводиться одно из главных мест в организации производства.

5.2 Идентификация опасностей и вредностей на электровозе

Железнодорожный транспорт, в том числе и электрический, характеризуется большим разнообразием условий труда, поэтому и характер опасностей и вредностей, связанных с эксплуатацией электропоезда, неодинаков.

По природе они делятся на физические, химические, психофизиологические и пожароопасные.

Физические опасности и вредности электропоезда делятся на подгруппы:

движущиеся механизмы электрических аппаратов; Повышенная запыленность воздуха в кабине электропоезда; При работе мотор-генераторов, вентиляторов, при продувке двигателей в кабине попадает много пыли, концентрация которой достигает 150 мг/м³. В ее состав входят: пыль кремнеземсодержащая, пыль слюды, полированная пыль, пыль стекловолокна;

повышенная (пониженная) температура воздуха, ионизация, влажность (подвижность) воздуха, барометрическое давление;

опасный уровень напряжения электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;

повышенная освещенность, яркость света, пульсация светового потока, прямая и отраженная блескость;

повышенный уровень шума, вибрации, электромагнитных излучений.

Химические опасности и вредности:

наличие веществ, содержащихся в элементах электрооборудования (изоляция, лаки и т.д.), таких как хлор, фтор, сложные эфиры, фенолы, диметилкетон, амины и другие;

наличие токсичных веществ, находящихся внутри аккумуляторных батарей.

Психофизиологические опасности и вредности:

физические перегрузки (статические и динамические); Динамические нагрузки перегрузки возникают, когда машинист передвигает ручку маневрового контроллера или крана экстренного торможения. А статические нагрузки возникают у машиниста при удержании контроллера в заданном положении.

перенапряжение и монотонность труда заключаются в постоянном слежении машинистом за приборами, а также за помощником машиниста.

эмоциональные перегрузки наступают у машиниста вследствие возможности схода электропоезда с рельс, каких-либо тревожных сообщений по радиосвязи, возможности выхода из строя оборудования электровоза.

Уровни звуковых давлений 75-120 дБ (четвертая область действия шума), характерные для производственных и транспортных шумов, производят неблагоприятное физиологическое действие:

- поражается орган слуха;

- страдает нервная и сердечно-сосудистая системы;

- чаще и быстрее развивается профессио6нальная глухота.

По воздействию на человека различают вибрации низкочастотные в положении частот со среднегеометрическими частотами до 32 Гц включительно и высокочастотные в полосах частот 63 Гц и выше. Это разделение связано с тем, что резонансы человеческого тела лежат в низкочастотной области, поэтому общая вибрация (тряска) может непосредственно влиять на тот или иной орган ( от 4 Гц-желудок, от 25 Гц-мозг и т.д.).

При эксплуатации электровоза существуют опасности и вредности угрожающие здоровью и жизни обслуживающего персонала электровоза.

К вредностям относится нерациональное и недостаточное освещение, которое может являться причиной усталости и как следствие аварий и несчастных случаев и т.д.

Вредностью является колебательная энергия в виде звукового поля или механических колебаний и ударов, называемых шумом и вибрацией.

Источниками шума являются трансформаторы, мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы, и т.д. Вредностью также является наличие в рабочей зоне вредных веществ, которые включают в себя:

- ацетон и другие инсибилизирующие вещества, выделяющиеся при нагревании с поверхностей, покрытых лаком или краской. Ацетон вызывает замедление реакции, разрушение клеток головного мозга. Количество ацетона 210 мг/м³;

- фтор, хлор выделяются от пластмассовых изделий (панели на пульте машиниста и т.д.). Эти вещества также негативно влияют на центральную нервную систему человека.

Общее количество выше перечисленных веществ составляет 0,048 кг/ч (по результатам исследований электровозостроения). В кабине машиниста работают два человека, каждый из которых в процессе дыхания выделяет углекислый газ в количестве 0,006 кг/ч. Для обеспечения требуемых условий воздушной среды, кабина машиниста должна быть оборудована установками для вентиляции.

К опасностям при эксплуатации относят возможность возникновения пожара. Возникновение пожара возможно вследствие причин электрического характера.

Опасностью при эксплуатации и ремонте электровоза является опасность поражения электрическим током, последствием которого является электрический удар и электрические травмы.

Опасность поражения электрическим током обуславливается тем, что ток не имеет внешних признаков и как правило человек без специальных приборов не может заблаговременно обнаружить грозящую ему опасность; воздействие тока на человека в большинстве случаев приводит к серьезным нарушениям наиболее важных жизнедеятельных систем ( центральная нервная, сердечно-сосудистая, дыхательная ). Источниками опасности могут быть двигатели, трансформатор, силовая преобразовательная установка и другие токоведущие части электрооборудования.

Проходя через тело человека, ток оказывает термическое, электролитическое, механическое, и биологическое воздействие. Исход поражения человека электрическим током зависит от: силы тока, времени его прохождения через организм, пути тока в теле человека.

Причины поражения электрическим током - несоблюдение основ ТБ^* на рабочем месте, аварии. Величина тока определяется сопротивлением человека, сопротивлением всех участков цепи, схемой включения человека в цепь. Вероятность появления определяется надежностью установки и увеличивается с ростом срока службы. Где происходит - вблизи токоведущих частей, электрооборудования ( ВВК, машинный зал, проходной коридор, крыша).Когда - в момент прикосновения при создании условий аварийной ситуации.

5.3 Анализ опасностей и вредностей при эксплуатации Э.П.С

Анализ пожарной опасности на электровозе

Пожарная опасность вызвана наличием воспламеняющихся материалов, а также возможностью возникновения короткого замыкания оборудования.

Возникновение пожара в электропоезде возможно вследствие причин электрического и неэлектрического характера.

К первым относятся:

короткие замыкания, токи которых достигают больших величин;

неправильное использование электрооборудования.

Ко вторым относятся:

несоблюдение правил пожарной безопасности при хранении сгораемых материалов (ветошь, смазочные масла, документация);

внесение в кабину источников зажигания.

По НПБ 105-03 “Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности” кабина машиниста относится к категории «Д», т.к. в ней содержатся негорючие материалы и вещества в холодном состоянии.

Кабина изготовлена из невоспламеняющихся или трудновоспламеняющихся материалов. Изделия, изготовленные из материалов, поддерживающих горение, обработаны антиперинами.

5.4 Анализ поражения электрическим током

Основной опасностью при эксплуатации и ремонте электровоза является опасность поражения электрическим током, последствиями которого является электрический удар и электрические травмы. Опасность поражения может возникнуть при контакте человека с корпусом оборудования, на который произошел пробой, и касании токоведущих частей электровоза. Оценка опасности производится по величине тока, протекающего через него и сравнением его с допустимыми значениями. Для питания собственных нужд электровоза применяется напряжение 380 В переменного однофазного тока. Вспомогательное оборудование электровоза получает напряжение от обмотки собственных нужд тягового трансформатора. К потребителям однофазного тока с номинальным напряжением 380 В относят:

- нагревательные элементы печей обогрева лобовых стёкол;

- кондиционер в кабине машиниста;

- обогреватели санузла;

- переключающие рубильники шкафа питания и др;

Прямое включение - прикосновение человека непосредственно к токоведущим частям, находящимся под напряжением. При однофазном включении человека в трехфазную сеть с заземленной нейтралью рисунок 6.4.1:

Рисунок 6.4.1 - Прямое включение человека в трехфазную сеть

Полученное значение тока через тело человека I_h = 219 мА больше порогового отпускающего тока (10 мА), поэтому его действие на человека должно быть ограничено до 0.2 с (согласно ССБТ.ГОСТ 12.1.038-82. Предельно допустимые значения напряжения прикосновения и тока).

В рассматриваемом случае кроме опасности поражения электрическим током существуют другие опасности (движущиеся части машин и механизмов), поэтому допустимым принимается пороговый ощутимый ток (0.5 мА). Полученный ток через тело человека значительно превышает это значение. Человек не в состоянии самостоятельно освободиться, ток опасен.

Косвенный контакт человека с электрической сетью возникает, когда человек прикасается к металлическому корпусу оборудования (электрического аппарата или машины), который находится под напряжением, вследствие нарушения изоляции токоведущих частей, вызвавшего замыкание на корпус. Появляется опасность поражения электрическим током.

Схема косвенного включения изображена на рисунке 6.4.2.

Рисунок 6.4.2 - Схема поражения человека при замыкании одной из фаз на корпус

Определим ток через тело человека при рабочем напряжении 380 В, структурно-функциональная схема вспомогательной цепи электровоза приведена на рис. 1 . Схема включения человека в цепь показана на рис. 6.4.3.

Рисунок 6.4.3 - Структурно-функциональная схема вспомогательной цепи электровоза.

Для расчета воспользуемся законами Кирхгофа ( схема рис. 6.4.2):

U=I_h*R_h+I₂*Z₂,

гдеU - рабочее напряжение, 380 В;

R_h- электрическое сопротивление тела человека, 1000 Ом;

I_h- ток через тело человека.

I₂= I₁+ I_h,

Рисунок 6.4.4 - Схема включения человека в цепь.

Отсюда

U=I_h*R_h+ I₁*Z₂+I_h*Z₂,

I_h*R_h= I₁*Z₁,

I₁= I_h*R_h / Z₁,

тогда

U=I_h*R_h+ Z₂*I_h*R_h / Z₁+I_h*Z₂,

Где Z₁, Z₂- сопротивление изоляции, 20 кОм.

U=I_h*(R_h+ Z₂*R_h / Z₁+Z₂),

Это значение тока, при котором человек не может самостоятельно освободится усилиями тех мышц, которые удерживают токоведущую часть. При длительном воздействии наступает удушье.

В случае замыкании провода на корпус, схема включения человека в цепь представлена на рисунке 6.4.5.

Рисунок 6.4.5. - Схема включения человека в цепь, в случае замыкания провода на корпус.

По закону Кирхгофа:

U=I_h*(R_h+ r_пер),

где r_пер- сопротивление перехода, 100 Ом.

I=I_h=U/(R_h+ r_пер)=380/(100+1000)=0,345 A

При таком значении тока наступает смертельный исход.

На основании произведённого анализа опасности поражения электрическим током необходимо принять защитные меры и средства от поражения электрическим током, которые будут рассмотрены в следующем подразделе.

5.5 Анализ шума и вибрации на электровозе

В процессе выполнения машинистом основной работы на него отрицательно воздействует ряд факторов внешней среды (главным образом, шум и вибрация).

Источники шума и вибрации электровоза можно условно разделить на три группы:

-возникающие при движении локомотива (взаимодействие электровоза и пути, электровоза и вагонов, завихрения воздушных потоков);

-от основного оборудования (тяговые двигатели, редукторы и т.д.)

-от вспомогательного оборудования (вентиляторы, компрессор, маслонасос и т.д.).

Шум оказывает вредное действие на центральную нервную систему, сердечно-сосудистую систему, органы слуха, органы зрения. Вистибулярный аппарат. Шум приводит к снижению умственной работоспособности и внимания, увеличению времени реакции, снижается чувствительность зрения и нарушается нормальное цветоощущение световых сигналов.

Отсюда видно, что у машиниста ухудшаются все те психологические качества, к которым предъявляются весьма высокие требования, эти качества совершенно необходимы для четкой и безаварийной работы.

Нормирование вибрации на подвижном составе производят по амплитудным значениям колебательного ускорения а, см/с и по повторяемости этих величин. Для опасных частот, соответствующих резонансам внутренних органов (4.5 и 6.5 Гц) и головы (20-25 Гц), норму выделяют отдельно.

В результате исследования электроподвижного состава установлено, что значение уровня шума Lp в кабине машиниста составляет 80 дБ, что превышает допустимую норму (L=75 дБ).

Максимальная величина вибрационной нагрузки в диапазоне 1?100 Гц составляет:

-вертикальные виброускорения а_в=0,8 м/с²;

-поперечно-горизонтальные а_г=1,0 м/с²,

что превышает нормы требований по ГОСТ 12.1.003-83 и ГОСТ 12.2.056-81.

5.6 Разработка технических и организационных мер по снижению опасностей и вредностей на электровозе

Требования пожарной безопасности

Пожарная безопасность электропоезда должна удовлетворять требованиям ГОСТ 12.1.004-91 в объеме требований по ГОСТ 12.2.056-81. При этом для предотвращения пожароопасности должно быть обеспечено:

максимально возможное применение негорючих и трудно горючих материалов;

установка и расположение нагревательных приборов в кабине машиниста в соответствии с ГОСТ 12.2.056-81;

поддержание температуры нагрева поверхностей оборудования, которые могут войти в контакт с горючей средой, ниже предельно-допустимой, составляющей 80% наименьшей температуры самовоспламенения горючей среды.

Для обеспечения противопожарной защиты вагоны электропоезда должны оборудоваться автоматической системой пожаротушения и укомплектовываться огнетушителями и пожарным инвентарем в соответствии с “Нормами оснащения объектов и подвижного состава железнодорожного транспорта первичными средствами защиты от пожаров”, ЦУО/4607. На каждом локомотив для тушения пожара устанавливают противопожарные средства. Электровозы снабжают четырьмя углекислотными огнетушителями типа ОУ-5, размещенными по одному в кабине машиниста и в помещении вспомогательных машин.

Водой и пенными огнетушителями тушат лишь те части вагонов, не связанные с электрическими приборами. Если огонь угрожает аккумуляторной батарее, то размыкают её рубильник, вынимают плавкие вставки и при возможности разрезают или отсоединяют перемычки между банками. Тушить пожар на крыше локомотива на электрифицированных участках переменного тока можно только при отключенной и заземлённой подвески контактной сети, и только углекислотными огнетушителями и песком. Контроль за исправным состоянием и весом заряда углекислотных огнетушителей осуществляет пожарная охрана или специально выделенный ей работник.

5.7 Меры по снижению опасности поражения электрическим током

Прикосновение к токоведущим частям представляет смертельную опасность, поэтому ремонты, осмотры электрооборудования на электровозе необходимо только при опущенных токоприёмниках и применении мер, исключающих подачу высокого напряжения. При проведении указанных работ обязательным является применении предостерегающих плакатов и надписей.

Категорически запрещается производить какие-либо работы на электровозе лицам, не сдавшим правила техники безопасности¹. Правилами техники безопасности¹ определены требования к персоналу, обслуживающему электроустановки. К обслуживанию электроустановок допускаются работники не моложе 18 лет, прошедшие медицинское освидетельствование. Все они должны хорошо знать оборудование, схемы и особенности обслуживаемых устройств и линий, иметь отчётливое представление о возможных опасностях, знать и применять правила техники безопасности, уметь оказывать первую медицинскую помощь (искусственное дыхание, не прямой массаж сердца).

При проведении на электровозе работ, связанных с возможностью соприкосновения обслуживающего персонала с деталями, которые при поднятом токоприемнике могут находиться под напряжением, следует выполнять основные указания по соблюдению правил техники безопасности¹. Категорически запрещается производить какие-либо работы по обнаружению неисправностей и входить в высоковольтную камеру при движении электровоза, вращении якорей вспомогательных машин, разблокированных кнопочных выключателях.

Категорически запрещается следование электровоза без постановки на место снятых при осмотре щитов в высоковольтной камере, включение вручную и закрепление во включенном состоянии вентелей клапанов токоприемников, а также непосредственный подвод питания к ним.

5.8 Технические меры защиты по снижению опасности поражения электрическим током

Технические меры защиты разделяются на две группы. К первой относятся малые напряжения, разделение сетей, контроль изоляции, компенсацию ёмкостного тока утечки, защитное заземление, двойную изоляцию. Эти меры обеспечивают защиту человека от поражения током путём снижения напряжения прикосновения или уменьшения тока через его тело при однофазном прикосновении; ко второй - зануление и защитное отключение, защищающее человека при попадании его под напряжение путём быстрого отключения электрического тока.

В сетях с глухозаземлённой нейтралью в некоторых случаях при питании нагрузки в условиях повышенной опасности также применяется разделение сетей.

Разделительные трансформаторы применяются в качестве меры защиты в условиях повышенной опасности, например в сетях большой протяжённости и разветвлённости, в передвижных электроустановках, для питания ручного инструмента и т.д. В качестве разделительных трансформаторов недопустимо применение автотрансформаторов.

Контроль, профилактика изоляции, обнаружение её повреждений, защита от замыканий на землю

Контроль изоляции - это измерение её активного сопротивления с целью обнаружения дефектов и предупреждения замыканий на землю и коротких замыканий.

Для профилактики изоляции осуществляют периодический и постоянный ее контроль.

Компенсация ёмкостного тока утечки

В сетях с изолированной нейтралью ток через тело человека при однофазном прикосновении определяется сопротивлением изоляции и ёмкостью сети относительно земли. Контроль и профилактика изоляции позволяют поддерживать значение её сопротивления на высоком уровне. Ёмкость же сети не зависит от каких-либо дефектов, она определяется геометрическими параметрами сети - протяжённостью линий, высотой подвеса воздушной или толщиной изоляции кабельной сети и т.п. Поэтому ёмкость сети не может быть снижена. Уменьшение значения ёмкостной составляющей тока утечки можно добиться применением компенсирующих устройств (компенсирующая катушка и т.п.).

Защитное заземление - это преднамеренное электрическое соединение с землёй или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Целью защитного заземления является снижение до малого значения напряжения относительно земли на проводящих нетоковедущих частях оборудования. Защитное заземление применяется в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ.

Принцип действия защитного заземления основан на перераспределении падений напряжения на участках цепи: фаза - земля и корпус - земля. При наличии заземления уменьшается напряжение, под которое попадает человек.

Двойная изоляция - это электрическая изоляция, которая состоит из рабочей и дополнительной изоляции. Она является надёжным и перспективным средством защиты человека от поражения электрическим током. Электрооборудование, изготовленное с двойной изоляцией, маркируется особым знаком. Особенно эффективно защитное действие двойной изоляции в электроинструменте. Зануление как защитная мера применятся в сетях с глухозаземлённой нейтралью напряжением до 1 кВ. Это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Целью зануления является устранение опасности поражения человека при пробое на корпус оборудования одной фазы сети.

Защитное отключение является эффективной и очень перспективной мерой защиты. Защитным отключением называется быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током. Основными характеристиками устройств защитного отключения (УЗО) являются: значение тока утечки, на которое реагирует устройство, называемое уставкой, и быстродействие.

5.9 Расчёт зануления

Исходные данные:

1. Напряжение сети - 380В;

2. Мощность транформатора - 60кВА

3. Мощность электродвигателя - 5кВА

4. Расстояние от трансформатора до потребителя - 120м.

Определяем ток нагрузки электродвигателя:

2) Выбираем тип защиты - автоматический выключатель.

3) Выбираем автоматический выключатель, определяем ток уставки автомата Iу

Автоматические выключатели выбирают по роду тока, номинальному напряжению, номинальному току расцепителей Iр.

Номинальное напряжение UНА и номинальный ток IНА автомата (его коммутационных элементов) должны быть не меньше номинального напряжения UН и тока электроприемника, для защиты которого предназначаются автомат, т.е.

Полагают, что расчетный ток электроприемника равняется его номинальному току: IЭЛ = IН.

Выбираем автоматический выключатель А-3163С

Электромагнитные расцепители автомата выбираются по току из условий:

, является током уставки автомата,

,

где IНР и IMAX - соответственно длительный рабочий ток расцепителя и максимальный кратковременный ток электроприемника или участка сети, А; IMAX=Ki Iн=5*4,39=21,95А (Ki - кратность пускового тока, для двигателей малой мощности и без нагрузки на валу Ki = 45);

kЗАП - коэффициент запаса, учитывающий неточность определения максимального кратковременного тока (kЗАП = 1.1 - 1.2);

kР - коэффициент, учитывающий неточность уставки тока срабатывания электромагнитного расцепителя (принимается по техническим характеристикам автомата, 25 %).

На шкале автомата выставляют уставку тока несрабатывания, равную длительному рабочему току расцепителя IУ = IНР.

4) Определяем полное сопротивление обмотки трансформатора рассматриваемой цепи Zт.

Значение расчетных полных сопротивлений Zт, Ом, обмоток масляного трехфазного трансформатора принимаем равным .1,237 Ом (по табличным данным).

Выбираем сечение S и материал с фазного проводника: медный проводник (с 0,018 Ом мм2/м) сечением 10 мм2

Определяем активное сопротивление фазных проводников, Ом.

Rф = сL/S=0,018*120/10=0,216 Ом

Выбираем сечение S и материал с нулевого защитного проводника: медный проводник (с 0,018 Ом мм2/м) сечением 6 мм2

Определяем активное сопротивление зануляющего проводника:

Rн = сL/S=0,018*120/6=0,36 Ом

Внутреннее индуктивное сопротивление Хф и Хн медных проводников сравнительно мала ( около 0,0156 Ом/км), поэтому им можно пренебречь.

Величина внешнего индуктивного сопротивления Хп, Ом/м, на единицу длины линии петли фаза-нуль определяется по формуле:

где d - расстояние между проводами (выбирается из конструктивного исполнения проводки, принимаем 0,5м), r - диаметр проводника (1,78 мм).

Zп - величина полного сопротивления петли фаза-нуль;

где 1.1 - коэффициент запаса, учитывающий сопротивление контактов и мелкие участки цепи (трансформатор - щит, двигатель - пускатель и т.д.).

Расчетное значение тока КЗ, А,

Проверка необходимого условия кратности тока:

Потенциал корпуса, поврежденного оборудования при отсутствии повторного заземления, В,

Uк = IКЗZН=339,30,36=122,1 В

Ток через тело человека при этом будет:

По ГОСТ 12,1,038-82 ССБТ «Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов» допустимое время воздействия tдоп=0,5с. Время срабатывания автоматического выключателя tСР ОТКЛ =0,06с, что обеспечивает безопасность для обслуживающего персонала и рабочих.

5.10 Меры по устранению шума и вибраций

Снижение шума лежит в основе создания безопасных здоровью человека условий труда. Действие шума способствует ослаблению внимания и замедлению психической реакции, что в условиях производства приводит к опасности возникновения несчастных случаев. Снижение вибрации на электроподвижном составе позволяет ограничить их до уровня безопасного для здоровья человека и не препятствующего безопасному управлению электровозом. Нормирование вибраций подвижного состава приведено на рисунке 4.4.3.

Борьба с шумом на рабочем месте машиниста электровоза проводится по следующим направлениям:

- своевременный ремонт и смазка оборудования механической части;

- уменьшение звуковой мощности источника;

- использование направленности источника таким образом, чтобы максимум характеристики направленности был, обращен либо вверх, либо в сторону участка местности, для которого доступный уровень шума наиболее высок или не нормируется;

- увеличение площади замкнутой поверхности, на которую определяется звуковая мощность источника, что, достигается при помощи архитектурно-планировочных решений (источники шума следует размещать как можно дальше от рабочих мест);

- увеличение ослабления звуковой энергии между источником шума и рабочим местом по средствам звукоизолирующих преград (стены, перекрытия, кабины наблюдения и т.д.), звукопоглощающих облицовок и звукопоглощающих конструкций, экранов, глушителей, виброизоляторов. Применение шумоглушащих устройств с отрицательной обратной акустической связью.

Нормирование шума на подвижном составе приведено в таблице 1 Снижение вибрации ведется в следующих направлениях:

- уменьшение вибрации в источнике их образования конструктивными и технологическими мерами;

- уменьшение вибрации на пути их распространения средствами вибрации за счет применения пружинных, резиновых и других гасителей колебаний и виброгасящих прокладок, облицовок виброгасящими материалами, антивибрационных смазок и т. д.;

- применение средств индивидуальной защиты (обувь, коврики и т. д.).

Таблица 1- Нормирование шума на Э.П.С.

Место измерения шума	Средняя частота, Гц	L_р, дБ
	63	125	250	500	1000	2000	4000
	Уровни звукового давления, дБ
Кабина машиниста	95	87	82	78	75	73	71	75
Кабина машиниста (электросекция)	91	83	78	73	70	68	66	70

5.11 Защита населения и территорий в чрезвычайных ситуациях

В настоящее время на гражданскую оборону (ГО) возлагается решение трех основных задач:

защита населения от последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий, современных средств поражения;

обеспечение устойчивой работы объектов народного хозяйства;

проведение спасательных работ и других неотложных работ в зонах аварий, катастроф, стихийных бедствий и в очагах поражения.

Выполнение этих задач относится к числу важнейших социальных мер, направленных на обеспечение жизнедеятельности граждан

Гражданская оборона преследует в высшей степени гуманные цели и является всенародным делом.

Чрезвычайная ситуация - это нарушение нормальных условий жизнедеятельности людей на объекте или определенной территории, вызванное аварией, стихийным бедствием, катастрофой, эпидемией, применением возможным противником средств поражения, приведшее к материальным потерям.

5.12 Воздействие на аппарат проникающей радиации

Проникающая радиация - это один из поражающих факторов ядерного оружия, представляющий собой гамма-излучение и поток нейтронов, испускаемый в окружающую среду из зоны ядерного взрыва. Время действия проникающей радиации (ПР) не превышает 10?15 секунд с момента взрыва. Основные параметры, характеризующие излучение - доза и мощность дозы излучения, поток и мощность потока частиц.

ПР может вызвать обратимые и необратимые изменения в материалах, элементах радио оптической, электротехнической и другой аппаратуры.

Необратимые изменения в материалах вызывают нарушение структуры кристаллической решетки вещества вследствие возникновения дефектов (в неорганических и полупроводниковых материалах), а также в результате протекания различных физико-химических процессов. Такими процессами являются: радиационный нагрев, происходящий вследствие преобразования поглощенной энергии проникающей радиации в тепловую; окислительные химические реакции, приводящие к окислению контактов и поверхности элементов.

Обратимые изменения, как правило, являются следствием ионизации материалов и окружающей среды. Они проявляются в увеличении концентрации носителей тока, что приводит к возрастанию утечки тока, снижению сопротивлений в изоляционных, полупроводниковых, проводящих материалах.

Опыт исследования, накопленный за последние годы, показывает, что наибольшее влияние на изменение электрофизических параметров неорганических материалов оказывает температура и проникающее излучение. Температура обуславливает число проникающих частиц в зоне проводимости, а при длительном воздействии - структурные нарушения (старение материалов); проникающее излучение влияет на кристаллическую структуру материалов: смещаются атомы кристаллической решетки, вызываются превращения атомов при ядерных реакциях, возбуждаются электронные оболочки при ионизации.

5.13 Меры по повышению устойчивости к проникающей радиации

Во время военных действий, с применением ядерного оружия необходимо предусмотреть меры по повышению устойчивости от проникающей радиации. В качестве методов предлагается:

- применение радиационностойких материалов;

- размещение на объектах специальных экранов или использование элементов конструкций объектов для ослабления действия ионизирующих излучений;

- оптимизация геометрии элементов.

Так как сигнал о применении противником современных средств может застигнуть людей в пути во время движения электропоезда, то необходимо по возможности понизить дозу проникающей радиации до безопасного предела, при котором она не превысит предельно допустимую дозу однократного облучения - 50 Р за 4 суток. Это может быть достигнуто путем герметизации вагонов.

Для вывоза людей из опасного места на максимальной скорости необходимо, чтобы устройство продолжало нормально функционировать. Так как в электропоезде устройство контроля рода тока находится под козырьком пантографа, то оно создает дополнительную защиту от проникающей радиации. Кроме того, проникающая радиация является источником радиоактивного заражения местности. Поэтому герметизация вагона и применение средств индивидуальной защиты (противогаз, респиратор и др.) при появлении радиоактивного заражения - необходимы.

Оценим устойчивость работы преобразователя при воздействии ионизирующих излучений .

Параметры проникающей радиации, ожидаемые на объекте, рассчитываются следующими приближенными формулами:

- поток нейтронов, н/м? (н - количество нейтронов):

где R - расстояние от эпицентра взрыва, м;

q - мощность ядерного взрыва, кг;

- отношение плотности воздуха на высоте взрыва к плотности воздуха у поверхности земли;

Ш мощность дозы гамма-излучений, Р/с:

Доза гамма-излучения является суммой мгновенного, осколочного и захватного гамма-излучений:

Мгновенное гамма-излучение происходит за десятые доли микросекунды от момента ядерного взрыва и, проходя через оболочку заряда, существенно ослабляется, поэтому роль мгновенного гамма-излучения в поражающем действии проникающей радиации незначительна.

Захватное гамма-излучение образуется вследствие захвата нейтронов продуктами взрыва и воздухом и является одним из основных источников гамма-излучений при наземных и воздушных ядерных взрывах.

Осколочное гамма-излучение создается осколками деления ядерного горючего.

;

Исходные данные: удаление преобразователя от вероятной точки прицеливания км, мощность боеприпаса 3,5 кт, вероятное максимальное отклонение боеприпаса от точки прицеливания 0,1 км, вид взрыва - воздушный на высоте 2 км. Преобразователь установлен в электровозе. В состав схемы преобразователя входят: трансформатор, полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды).

Решение.

1. Определяется минимальное расстояние до вероятного центра взрыва:

км = 1400 м.

2. Рассчитываются максимальные параметры проникающей радиации потока нейтронов, дозы и мощности дозы гамма-излучений, ожидаемые на объекте при ядерном взрыве.

Поток нейтронов по формуле (87) равен:

н/м?,

где = 0,822;

мощность дозы гамма-излучения по формуле (88) равна

Р/с;

доза мгновенного гамма-излучения по выражению (90) равна:

Р;

доза осколочного гамма-излучения по выражению (91) равна:

Р;

доза захватного гамма-излучения по выражению (92) равна:

Р.

Полная доза гамма-излучения:

Р.

3 Находится коэффициент ослабления радиации вагона: 1,2.

4 Определяются допустимые параметры проникающей радиации для открытой местности (1) и с учетом ослабления радиации стенками вагона электровоза (1,2). Полученные данные заносятся в таблицу 7.1.

Таблица .1 - Результаты оценки устойчивости работы преобразователя к воздействию ПР

Параметры ПР	Расчетные параметры ПР	Допустимые параметры ПР	Отношение /
		1	1,2
, н/м?	0,15•10¹⁵	10¹⁵ ? 10¹⁸	1,2•(10¹⁵ ? 10¹⁸)	0,125•(1 ? 10^-3)
, Р/с	1,79•10⁷	10⁵	1,2•10⁵	149
, Р	1,4038•10²	10⁴ ? 10⁶	1,2•(10⁴ ? 10⁶)	1,17(10^-2 ? 10^-4)

Анализируя данные таблицы 1, определяется, что наиболее опасным для преобразователя является импульсное гамма-излучение, предел устойчивости Р/с. Преобразователь необходимо защитить от гамма-излучения. Защита должна обеспечить 149.

5 Определяются параметры экрана для защиты преобразователя от нейтронов и от гамма-излучения. Для ослабления поражающего воздействия в 149 раз необходимо иметь защитный экран из стали толщиной 27 см или железобетона 69 см.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1.Преобразователь неустойчив к воздействию проникающей радиации в заданных условиях.

2 Для обеспечения устойчивой работы преобразователя необходимо выполнить защитный экран из железобетона толщиной 69 см.

6. Организационно-экономическая часть

6.1 Технические характеристики объекта

Основными преимуществами, влияющими на экономическую эффективность нового электровоза, в соответствии с техническим заданием являются:

- оборудование его комплексным локомотивным устройством безопасности (КЛУБ) и системой автоматического управления (САУТ);

- возможность работы машиниста “в одно лицо”;

- опорно-рамный асинхронный тяговый привод;

- установка МПСУ, которая обеспечивает управление тяговым и вспомогательным приводом, аппаратами цепей управления, аппаратами защиты, безопасностью движения, автоведением, диагностикой основного оборудования и самодиагностикой, проверкой работы схемы электровоза, его узлов и системами управления на стоянке;

-защита от боксования и юза, автоматическое выравнивание нагрузок между тележками;

-блочное исполнение электронных устройств и полная их взаимозаменяемость без регулировок на линии.

В расчете также учтены:

- автоведение и регулируемая система вентиляции - в экономии расхода электроэнергии на тягу и собственные нужды;

-уменьшение расхода тормозных колодок, износа бандажей колесных пар учтены в сокращении объема ремонтов всех видов;

-уменьшение браков за счет повышения надежности, повышение безопасности движения за счет автоведения, системы встроенной диагностики - в экономии всех видов ремонтов и электроэнергии.

Таблица 7.1.1 - Основные технические показатели электровозов

Наименование показателей	ЧС4Т	ЭП3
Род тока	переменный	переменный
Номинальное напряжение, кВ	25	25
Осевая формула	3о - 3о	2о-2о-2о
Номинальная мощность, кВт	4700	7200
Вес электровоза, тс	125	132
Конструкционная скорость, км/ч	160	160
Тип тягового двигателя	коллекторный	асинхронный
Сила тяги продолжительного режима, кН	153	315
Вид электрического торможения	реостатное	рекуперативное
Система подвешивания тяговых двигателей	опорно-рамная	опорно-рамная

Таблица 7.1.2 - Условия эксплуатации электровозов

Наименование показателя	ЧС4Т	ЭП3
Суточный пассажиропоток в обоих направлениях (), чел.	10960	10960
Средняя населенность пассажирского вагона (), чел.	45	45
Число вагонов в составе (), шт.