Тяговый электропривод подвижного состава метро вместимостью 750 пассажиров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ МЕХАТРОНИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

Кафедра электротехнических комплексов

Расчетно-графическая работа:

«Тяговый электропривод подвижного состава метро вместимостью 750 пассажиров»

по дисциплине: «Тяговый электропривод переменного тока»

Выполнил:

студент гр. Бирюков В.В.

Новосибирск, 2014

1. Решение планировочной задачи

электрический метро двигатель привод

Определение масса - габаритных показателей вагона. Зная полную вместимость вагона, найдём количество стоящих А_ст. и сидящих А_сид. пассажиров. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к вагонам метрополитена. Вместимость 750 пассажиров. В одном вагоне около 188 человек, значит:

человека.

человека.

Принимаем в = 3: 1 в соответствии с ГОСТ 1022-75 для вагонов метрополитена. Будем проектировать головной вагон.

Принимаем: А_ст. = 141 человек.

А_сид. = 47 человек.

Найдём вес пассажирской нагрузки:

G_пас.= q · g (А_сид + А_ст. ), Н;

где q = 70 кг. - расчётная масса одного пассажира;

g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения.

G_пас.= 70 · 9,8 · (47 + 141) = 129 · 10³ Н = 129кН.

Площадь салона, занимающая пассажирами

S_пас. = S_сид. · А_сид. + А_ст. · S_ст., м².

где S_сид =0,315 м²/пасс. - площадь занимаемая одним сидящим пассажиром;

S_ст. = 0,2 м²/пасс. - площадь, занимаемая одним стоящим пассажиром при номинальном наполнении ();

S_пас = 0,315 · 47 + 0,2 · 141 = 43 м²

Площадь, занимаемая кабиной водителя:

S_кв = 3 м²

Габаритная площадь ПС

S_габ = S_пас. + S_кв. + S_стен.; м²

где S_стен - площадь, занимаемая стенками кузова, м²

принимаем S_пасс. + S_кв. =0,95 S_габ

Тогда

Ширина подвижного состава метро.

В_пс = 2,7м

Длина экипажа

Рассчитанная длина экипажа удовлетворяет условиям вписывания экипажа в кривые участки пути, согласно которым L_пс ? 19,21м. - для вагонов метрополитена.

База вагона



где К_Б ? 1,55

Полагая разделение статической нагрузки на ходовые части вагона одинаковыми, найдём передний и задний свесы ( с₁ и с₂ ) экипажа.

Вес тары вагона

G_Т = К_S · S_габ, кН

где К_S= 5 кПа - удельный вес экипажа

G_Т = 5 · 48,6 = 243 кН

Коэффициент использования веса.

Масса вагона:

М = G_Т / 9,81=243000/ 9,81 = 24770,6 кг;

Примем ускорение для метро а = 1,3 м/с, тогда сила равна:

F = M · a = 24770,6 · 1,3 = 32202 Н;

Мощность двигателей:

P = F · v = 32202 · 5,55 = 178721,1 ? 179 кВт.

Мощность одного двигателя: P =90 кВт.

Выбираем двигатель ДК 117А, так как двигатель серийного производства и обеспечивает немного большей мощностью, чем рассчитанная.

Таблица 1. Характеристики двигателя ДК-117А.

Показатели	ДК- 117А
Напряжение, В	375
Номинальная мощность, кВт	110
Пусковой ток, А	335
Пусковое ускорение, м/с2	1,8
Время хода, с	131
Среднеходовая скорость, км/ч	46,6
Максимальная скорость, км/ч	62
Тормозное замедление, м/с2	1,2
Удельный расход энергии, Вт·ч/т·км	46

2. Принципиальная электрическая схема силовой цепи метро

2.1 Выбор схемы питания двигателя

На рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема цепей тягового привода подвижного состава метро (прототип схемы трамвая ПРОГРЕСС ЛТ отечественного производства, выполненных на базе IGBT-транзисторов). В схеме применено попарно последовательное соединение якорных обмоток тяговых электродвигателей с индивидуальным питанием. Обмотки возбуждения соединены последовательно в одну группу и питаются от регулятора, выполненного по мостовой схеме, что обеспечивает бесконтактный реверс протекающего по ним тока.

Рис. 1 - Электрическая схема цепей тягового привода подвижного состава метро

Схема цепей содержит: четыре пары последовательно соединённых транзисторных ключей VT1-VT2, VT3-VT4, VT5-VT6 и VT7-VT8, VT11-VT12, VT13-VT14 к общим точкам которых через датчики тока РА1…РА5 присоединены четыре группы тяговых двигателей М1-М3 и М2-М4, М5-М7 и М8-М8, а также 8 последовательно соединённых обмоткок возбуждения двигателей L1…L8; цепи реостатного торможения на резисторах R3 и R4 с транзисторами VT9 и VT10, а также балластные резисторы R1 и R2; входной Г-образный LC-фильтр на базе дросселя L5 и конденсатора С1; коммутационная аппаратура на базе автоматических выключателей QF1, QF3 и контактора К1.

2.2 Принцип работы схемы в режиме пуска

При включении автоматических выключателей QF1 и QF2 образуется цепь токоприёмник ХА1 - выключатель QF1 - резистор R1 - конденсатор С1 - рельс для предварительного заряда конденсатора фильтра до напряжения 400…450В, после чего включается контактор К1 и входной Г-образный LC-фильтр подключается к источнику питания (контактной сети) для дозаряда его конденсатора С1 до напряжения контактной сети по цепи токоприёмник ХА1 - выключатель QF1 - дроссель L5 - контактор К1 - конденсатор С1 - рельс. После заряда конденсатора фильтра цепь предварительного заряда отключается, а транзисторы VT5 и VT8 переводят в проводящее состояние, создавая цепь конденсатор С1 - транзистор VT5 - датчик тока возбуждения РА3 - обмотки возбуждения двигателей L1…L4 для протекания тока по обмоткам возбуждения. По достижении током обмотки возбуждения тока уставки транзисторы запираются, а ток возбуждения начинает циркулировать по цепи обмотки возбуждения двигателей L1…L4 - диод транзистора VT7 - конденсатор С1 - диод транзистора VT6 спадая по экспоненциальному закону до тех пор пока транзисторы VT5 и VT8 вновь не перейдут в проводящее состояние.

После возбуждения двигателей в проводящее состояние переводят транзисторы VT1 и VT3, подключая пары двигателей к источнику питания. Ток двигателей в проводящем состоянии транзисторов протекает по цепи конденсатор С1 - транзистор VT1 (VT3) - датчик тока якорей РА1 (РА2) - якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4) - конденсатор С1. Причём транзисторы VT1 и VT3 включаются со сдвигом на 1800 эл. По достижении током якорей величины тока уставки транзисторы VT1 и VT3 переходят в непроводящее состояние, а токи якорей замыкаются по контуру якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4) - шунтирующий диод транзистора VT2- датчик тока якорей РА1 (РА2) - якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4) до тех пор пока транзисторы VT1 и VT3 вновь не перейдут в проводящее состояние.

После выхода на автоматическую характеристику полного поля начинается ослабление поля путём уменьшения длительности проводящего состояния транзисторов VT5 и VT8, что приводит к уменьшению величины тока возбуждения.

Пусковая диаграмма приведена на рис. 2, с той лишь разницей, что уставок тока якоря не семь, как на диаграмме, а бесконечное множество.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для изменения направления движения вагона метро в проводящее состояние переводят транзисторы VT6 и VT7, а не VT5 и VT8.

2.3 Принцип работы схемы в режиме торможения

Силовые цепи тягового привода подвижного состава метрополитена, принципиальная электрическая схема которых приведена на рис. 1, позволяют осуществлять как режим рекуперативного, так и режим следящего рекуперативно-реостатного торможения. Для перевода тягового электродвигателя в режим торможения необходимо:

- подготовить контур для протекания тока якорей двигателей, для чего включить автоматический выключатель QF1.

Режим торможения начинается с заряда конденсатора фильтра (если он успел разрядиться за время выбега), после чего включается автоматический выключатель QF1, подготавливая цепи тягового привода к работе. Для создания поля машин включаются те же транзисторы регулятора тока возбуждения, которые работали в режиме пуска.

При отпирании транзистора VТ2 образуется цепь якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4) - датчик тока якорей РА1 (РА2)- транзистор VT2 (VT4) - якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4), по которой начинают циркулировать тормозные токи фаз. При этом включение транзисторов VT2 и VT4 производится со сдвигом по фазе на 1800 эл. По достижении токами фаз величин тока уставки транзисторы выключаются, а тормозные токи начинают циркулировать в контурах якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4) - датчик тока якорей РА1 (РА2)- обратный диод транзистора VT1 (VT3) - диод VD1 - резистор R2 - дроссель L5 входного фильтра - токоприёмник ХА1 - рельс - якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4) до тех пор пока вновь не включатся транзисторы VT2 (VT4).

При отсутствии потребителей электрической энергии, в период паузы в каждой фазе происходит автоматическое замещение рекуперативного торможения реостатным. Для этого в цепи привода включены тормозные резисторы R2 и R3, которые подключаются в каждый период регулирования посредством отпирания транзисторов VТ9 и VТ10 соответственно. При подключении тормозных резисторов ток якорей электродвигателей замыкается по контуру якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4) - датчик тока форму якорей РА1 (РА2)- обратный диод транзистора VT1 (VT3) - диод VD1 - резистор R2 - резистор R3 (R4) - транзистор VT9 (VT10) - якоря тяговых двигателей М1-М3 (М2-М4).

Тормозная диаграмма приведена на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.4 Элементная база

IGBT-модули в конструктивном исполнении «Е3-1» представляют собой сборки IGBT-транзисторов и БВД-диодов предназначенные для коммутации мощных нагрузок в составе преобразователей с максимальным пиковым напряжением 600 В и постоянным током до 600 А. IGBT-модули представлены следующими исполнениями:

В данной схеме управления выбран IGBT-модуль в исполнении М12-4200-6-Е3 с максимальным постоянным напряжением 600 В.

М12 - одиночный транзистор зашунтированный обратным быстровосстанавливающимся диодом.

Основные электрические параметры и предельно-допустимые параметры модулей при температуре 25 0 С представлены в таблице 2.

Таблица 2. Основные и предельно-допустимые параметры модулей 6-го класса

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Значение
Пробивное напряжение коллектор-эмиттер (не менее),В	U(DR) CES	В	600
Постоянное напряжение силовой цепи (не более),В	UDC	В	350
Постоянный ток силовой цепи (не более), А	IDC	А	200
Тепловое сопротивление переход-корпус транзистора (не более), єС/Вт	R T(j-c) VT	єС/Вт	0,15
Тепловое сопротивление переход-корпус диода(не более), єС/Вт	R T(j-c) VD	єС/Вт	0,25
Рассеиваемая мощность (не более), Вт	P D	Вт	830

Основные характеристики обратного диода и их параметры приведены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры обратных диодов

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Значение
Прямое падение напряжения (типовое), В	V F	В	2,1
Постоянный ток диода (не более), А	I F	А	200
Импульсный ток диода при t имп =1 мс (не более), А	I FM	А	600
Ток обратного восстановления (типовой), А	I RR	А	250
Время восстановления (типовое), нс		нс	300

2.5 Разработка схема управления преобразователем

Принцип построения структурной схемы системы управления преобразователем постоянного тока на IGBT-транзисторах с широтно-импульсным способом регулирования для тягового привода многодвигательного подвижного состава, выполненного по схеме рис.4, схема силовых цепей которого аналогична схеме цепей трамвайного вагона «ПРОГРЕСС ЛТ», приведённой на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема включает в себя: входной Г-образный LC-фильтр, выполненный на базе дросселя L5 и конденсатора C1, преобразователя (Модуля 1) постоянного тока на IGBT-транзисторах для питания якорей тяговых двигателей М1...М4, преобразователя (Модуля 2) постоянного тока на IGBT-транзисторах для питания последовательных обмоток возбуждения тяговых двигателей L1...L4, цепи тормозных резисторов R3 и R4, подключаемых посредством IGBT-транзисторов VT13 и VT14 к цепям тяговых двигателей с целью формирования контуров для протекания тормозных токов, цепь балластного резистора R2 и токоограничивающего резистора R1, коммутационных аппаратов (автоматических выключателей QF1,QF2 и контактора К1).

Система управления преобразователем должна обеспечивать работу преобразователя в режимах безреостатного пуска, рекуперативного и рекуперативно-реостатного торможения. Вариант структурной схемы системы управления силовыми преобразователями приведён на рис. 5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система управления включает в себя: источник питания ИП1, предназначенный для преобразования напряжения контактной сети во входное напряжение питания системы управления; источник питания ИП2, преобразующий входное напряжение питания в напряжение питания для различных цепей системы управления; задающий генератор ЗГ, предназначенный для формирования периода регулирования; переключатели режимов работы К тягового привода (Пуск - Торможение) и направления движения Р (Вперёд - Назад); распределителей импульсов РИ1 и РИ2, обеспечивающих сдвиг в 900эл. между импульсами управления, подаваемыми в каналы управления фаз модулей в режимах пуска и торможения; формирователей импульсов ФИ каналов, обеспечивающих формирование управляющих импульсов необходимой длительности, которые затем усиливаются в усилителях мощности (УМ) и через распределители РИ подаются на соответствующие транзисторы; отключатели каналов управления К1…К4; задатчик уставки тока ЗУТ (контроллер водителя); блок защиты БЗ, предназначенный для снятия управляющих импульсов при превышении контролируемыми параметрами (токами, напряжениями и т.д.) величин уставок или эталонных значений; элементы сравнения токов (ЭСТ) якорей машин и обмоток возбуждения; датчики токов (IP5…IP9), напряжений (на схеме не показаны) и т.д.

2.6 Принцип работы системы управления в режиме пуска

Рассмотрим принцип работы системы управления в режиме пуска при движении вперёд. При установке переключателя режимов работы в положение «Пуск» выходной канал блока задающего генератора (ЗГ) подключается к распределителю РИ1. Для пояснения принципа работы воспользуемся пусковой диаграммой и диаграммами проводящего состояния транзисторов фаз преобразователя. Приведённые диаграммы состояния транзисторов соответствуют точке а пусковой диаграммы В которой ток двигателя равен пусковому. Как следует из рис.6, при известном периоде регулирования Тр момент начала проводящего состояния транзисторов в каждой последующей фазе отстаёт на 900эл. от предыдущей. Для определённости полагаем, что пусковая диаграмма соответствует фазе 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задающий генератор представляет собой генератор прямоугольных импульсов, по передним фронтам которых формируются импульсы управления, переводящие силовые транзисторы модулей в проводящее состояние. Для управления транзистором VT1 первой фазы используются 1,5 и т.д. импульсы, поступающие в режиме пуска в канал управления фазы от распределителя РИ1. Поступивший от распределителя сигнал на вход формирователя импульсов управления ФИ1 канала первой фазы способствует формированию на его выходе сигнала необходимой длительности, который затем усиливается по мощности в УМ1 и через распределитель импульсов первого канала РИ1 и контакты К1 подаётся на транзистор VT1 первой фазы модуля 1. Транзистор открывается и присоединяет якорь тягового двигателя М1 к источнику питания. Длительность проводящего состояния транзистора VT1 первой фазы модуля 1 регулируется сигналом, подаваемым в ФИ1 с выхода элемента сравнения токов ЭСТ1, в котором производится сравнение сигналов, поступающих с задатчика уставки тока ЗУТ (контроллера водителя) и датчика тока двигателя М1.

Аналогично работает канал управления транзисторами остальных фаз, с той лишь разницей, что управление транзистором второй фазы сдвинуто во времени на ј часть периода регулирования по отношению к первой, управление транзистором третьей фазы сдвинуто во времени на ј часть периода регулирования по отношению ко второй и т.д.

Одновременно с регулированием токов якорей тяговых двигателей по каналу управления током возбуждения происходит регулирование тока возбуждения, протекающего во всех обмотках возбуждения двигателей путём изменения длительности проводящего состояния транзисторов VT9, VT12. Принцип работы канала управления транзисторами цепи возбуждения аналогичен принципу работы канала управления транзисторами якорной цепи и поэтому не рассматривается.

При изменении направления движения подвижным составом в канале управления транзисторами модуля 2 производится переключение реверсора Р из положения «Вперёд» в положение «Назад», что приводит к переходу от управления транзисторами VT9, VT12 к управлению транзисторами VT10, VT11.

В режиме рекуперативного торможения производится переключение переключателя режимов работы К с пуска на торможение. При этом сигнал с задающего генератора подаётся в каналы управления транзисторами фаз модуля 1 через распределитель РИ2, что приводит к открыванию транзистора VT2 первой фазы, VT4 второй фазы и т.д. в остальном принцип работы системы управления аналогичен её работе в режиме пуска.

При превышении в процессе рекуперативного торможения напряжением на конденсаторе С входного фильтра допустимой величины рекуперативное торможение в каждый период регулирования замещается реостатным, для чего вначале подключается цепь резистора R3, а если этого недостаточно, то и цепь резистора R4. Управление транзисторами VT13, VT14 цепей тормозных резисторов осуществляется аналогично тому, что было рассмотрено ранее.

Для защиты полупроводниковых ключей от перегрузок, а подвижного состава от нештатных режимов работы в системе управления предусматриваются устройства защиты, что нашло отражение в структурной схеме в виде блока защиты, в который поступают сигналы от различных датчиков и где производится их сравнение с допустимыми значениями. При превышении контролируемыми параметрами эталонных значений производится снятие в определённой последовательности сигналов управления с транзисторов.

3. Тяговый привод

Для анализа переходных процессов в механической части привода подвижного состава разработаем его кинематическую схему, составим на основе кинематики и определим параметры механической части электропривода.

В проекте был выбран индивидуальный тяговый привод, так как такая конструкция повышает надежность привода подвижного состава в плане сохранения тягового и тормозного усилий подвижного состава в целом. При выходе из строя, например, тягового двигателя, приведет к потере усилия лишь на одной оси, а не на всей тележке, как в случае использования группового привода. Однако противобуксовочные свойства индивидуального привода ниже, чем группового.

Кинематическая схема тягового привода рельсового подвижного состава, представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Кинематическая схема тягового привода рельсового подвижного состава

Схема включает в себя: тяговый электродвигатель 1, соединенный посредством карданного вала 2 с входной шестерней одноступенчатого редуктора 3, выходное зубчатое колесо которого жестко насажено на ось колёсной пары 4.

Для составления математической модели необходимо определить расчетную схему механической части тягового привода, которая составляется на основе кинематической схемы. В соответствии с исходными данными кинематическая схема показана на рисунке 3.1. Соответствующая ей расчетная схема представлена на рисунку 3.2. Она включает в себя последовательно соединённые элементы тяговой передачи: тяговый двигатель, карданный вал, редуктор и ось колёсной пары. Связи между ними обладают определенной жесткостью, которые на рисунке 3.2 обозначены

Поскольку редуктор в данном случае одноступенчатый, его расчётная схема имеет вид представленный на рисунке 3.3.

Рисунок 3.2 - Расчетная схема механической части привода



Рисунок 3.3 - Расчетная схема редуктора

В целях упрощения схемы целесообразно преобразовать четырёх массовую модель механической части привода в трехмассовую. Для этого объединим тяговый двигатель и карданный вал, имеющие одинаковую угловую скорость вращения щ₁. Тогда расчетная схема приобретет вид, показанный на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Трехмассовая модель трамвая при прямолинейном движении

Математическая модель, описывающая полученную расчетную схему механической части привода, имеет вид



где - крутящий момент, развиваемый на валу тягового двигателя.

- момент сопротивления, обусловленный потерями в тяговом двигателе.

- коэффициент жесткости связи между валом двигателя и входным валом редуктора. В данном проекте связь осуществляется посредством последовательно включенных элементов: хвостовиком вала тягового двигателя, карданным валом и хвостовиком входного вала редуктора. Каждый из них обладает своим коэффициентом жесткости, а последовательное включение их позволяет рассчитать эквивалентное значение жесткости связи по известной формуле

где с₂ и с₂-з -- соответственно коэффициенты жесткости хвостовика вала тягового двигателя, карданного вала и хвостовика входного вала редуктора;

и - соответственно углы закручивания хвостовика вала тягового двигателя и хвостовика входного вала редуктора;

- приведенный момент инерции якоря (ротора) тягового двигателя;

- момент сопротивления редуктора. Численное значение его может быть определено через КПД редуктора;

- коэффициент жесткости связи между редуктором и колёсной парой транспортного средства.

- приведенный момент инерции редуктора, включающий в себя приведенные к угловой скорости моменты инерции входящих в него элементов: зубчатых колес и шестерен, промежуточных валов, полуосей и т. д. (зависит от кинематической схемы редуктора);

- момент сопротивления на колесе. Численное значение его может быть определено через сопротивление движению троллейбуса;

-- приведенный момент инерции колеса, включающий в себя и массу подвижного состава.

Определение передаточной функции механической части для выходной переменной трехмассовой модели подвижного состава трамвая.

Рисунок 3.5 - Структурная схема трехмассового варианта привода

Преобразуем схему путем переноса связей и замены стандартных блоков на упрощенные с новыми передаточными функциями.

Перенос узла обратной связи и исключение сумматора позволяют преобразовать схему к виду, показанному на рисунке 3.6(а).



Рисунок 3.6 - Преобразованная структурная схема трехмассового варианта привода электробуса

Дальнейшее преобразование относится к блоку, состоящему из сумматора угловых скоростей 2 и 3 и блока с передаточной функцией ,охваченного отрицательной связью. После его замены, переноса обратной связи по угловой скорости 2 и объединения с блоком передаточной функцией схема приобретает вид, приведенный на рисунке 3.6(б)

В итоге получаем схему, как на рисунке 3.6 (г)

В окончательном варианте структурная схема имеет вид, представленный на рисунке 3.7

Рисунок 3.7 - Структурная схема привода

Передаточная функция определяется выражением

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бирюков В.В., Порсев Е. Г. Тяговый электрический привод. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - 314 с.

2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М.: Энергоиздат, 1981. - 576с

3. Ефремов И.С. Косарев Г.В. Теория и расчет электрооборудования подвижного состава ГЭТ.- М.: В.Ш., 1976. - 472с.

4. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчет троллейбусов (электрооборудование). Ч1, Ч11. - М.: В.Ш., 1984. - (с.296, с.248).

5. Ефремов И.С. Теория и расчет механического оборудования подвижного состава городского электрического транспорта. / И.С. Ефремов, Б.П.Гущо-Малков. - М.: Стройиздат, 1970. - 480с.

Размещено на Allbest.ru