Расчёт систем управления электрическим подвижным составом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Петербургский государственный университет путей сообщения

Кафедра "Электрическая тяга "

Контрольная работа

Расчёт систем управления электрическим подвижным составом

Выполнил: Люлин-Кайдак А.С.

Студент группы: 10-ЭТц-217

Санкт-Петербург - 2014



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Исходные данные

1. Характеристика двигателя и силовая схема электровоза

2. Расчёт основных параметров преобразовательной установки

3. Расчёт скоростных характеристик

4. Расчёт системы реостатного торможения

5. Параметры основных тяговых электрических аппаратов и оборудования

Заключение

Список используемых источников



ВВЕДЕНИЕ

Основной целью данной контрольной работы является приобретение практических навыков по выбору основных параметров электрооборудования, расчету характеристик и разработке схем электрических цепей ЭПС.

Данная контрольная работа разрабатывается на уровне эскизного проекта, т.е. это совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющее назначение и основные параметры.



ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Номинальное напряжение контактной сети, - U_с25 кВ;

Частота напряжения контактной сети, - f50 Гц;

Количество ведущих осей, - N_д8;

Давление на ось колесной пары, Р_ст - 240 кН;

Номинальная мощность тягового двигателя, - Р_н'900 кВт;

Скорость движения в номинальном режиме, - V_н58 км/ч;

Номинальное напряжение на ТЭД, U_{дн -} 1100 В;



1. Характеристика двигателя и силовая схема электровоза

Номинальным называется режим работы, на который тяговый электродвигатель рассчитан заводом-изготовителем. Этот режим характеризуется номинальными значениями мощности Р_Н, скорости V_Н, напряжения на двигателе U_ДН, тока I_Н и коэффициента регулирования возбуждения _Н. Для тяговых двигателей электровозов номинальным является режим полного возбуждения _Н=₀.

1. Расчёт и построение исходных характеристик двигателя

1.1 Номинальный (часовой) ток тягового двигателя

,

где Р_Н - номинальная мощность тягового двигателя, Вт;

U_ДН - номинальное напряжение на ТЭД, В;

_ДН - коэффициент полезного действия (КПД) тягового двигателя на его на его валу в номинальном режиме

_ДН - определяем по данным, приведенным в [1], в зависимости от номинальной мощности ТЭД _ДН=0,94

А

Сила тяги двигателя в номинальном режиме

,

где _ЗН - КПД движущего механизма с зубчатой передачей в номинальном режиме;

V_Н - скорость движения в номинальном режиме, м/с

Принимаем _ЗН=0,98

кН

1.2 Таблица расчётных точек скоростных и электротяговых характеристик

Таблица 1

Ток двигателя, I/Iн, А	Скорость движения V/Vн,км/ч	Сила тяги Fкд/Fкдн, кН
	Нормальное возбуждение, Я=0,96	Ослабленное возбуждение, Я	Нормальное возбуждение, Я=0,96	Ослабленное возбуждение, Я
		0,70	0,52	0,43		0,70	0,52	0,43
150	119,48	-	-	-	3,285	-	-	-
376	81,2	93,38	114,84	-	20,255	16,971	13,686	10,949
602	63,8	71,92	81,2	95,7	41,058	36,131	31,752	27,920
752	58	63,8	72,5	81,2	54,745	49,818	44,891	40,511
977	53,36	58	63,8	69,6	77,190	71,168	65,146	60,220
1203	49,3	53,94	58,58	62,64	99,088	91,971	85,949	79,380
1429	46,4	51	55,1	59,16	120,986	113,322	106,205	98,541

2. Расчёт ограничений рабочей области характеристик двигателя

2.1 Расчётная таблица зависимости максимально допустимого тока по условиям сцепления от скорости движения I_мах(V)

Таблица 2

V,км/ч	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Ш,	0,36	0,31	0,29	0,28	0,27	0,26	0,25	0,247	0,24	0,23	0,226
Fк мах, кН	86,4	74,4	69,6	67,2	64,8	62,4	60	59,28	57,6	55,2	54,24
Iмах, А	1070	940	900	870	850	820	790	780	770	760	750

где Ш - коэффициент сцепления,

Р'_сц - заданная нагрузка на ось, кН

По рассчитанным значениям F_Кмах из характеристик F_кд(I) для нормального поля определяются соответствующие значения тока I_мах

2.2 Максимальная величина тока при трогании I_{тр мах}=1070 А

2.3 Ограничивающая величина тока при трогании на первой позиции I_тр0

где г =0,25 - коэффициент инерции вращающихся частей;

щ'_о =2,00 - расчётное удельное основное сопротивление движению электровоза;

=0,4 м/с² - расчётное ускорение одиночного электровоза на первой позиции

Из графика характеристик (рис.1) I_тр0=260 А, V_мах=58,5 км/ч

силовой электрический реостатный электровоз



3. Схема силовых цепей электровоза

Рис. 2

3.1 Таблица замыкания контакторов ГП и контакторов ослабления возбуждения Ш

Рис. 3

2. Расчёт основных параметров преобразовательной установки

4. Схема включения вентилей в одном плече моста и определение общего количества вентилей на электровозе

4.1 Расчёт числа последовательно включённых вентилей в каждом плече моста

где U_{п обр} - повторяющееся напряжение вентиля, которое зависит от класса вентиля.

4.2 Расчёт числа параллельно включённых цепей вентилей в каждом плече моста

где I_нв - номинальный ток вентиля, равный 200 А для вентиля типа ДЛ-161-200 и 320 А для вентиля типа ДЛ-171-320;

k₁ =0,85 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока между параллельными ветвями в плече моста;

k₂ =0,9 - коэффициент, учитывающий подогрев воздуха при прохождении его через выпрямительную установку, в результате чего последние вентили охлаждаются подогретым воздухом;

а_д - число параллельно включённых двигателей, питающихся от одного выпрямительного моста;

I_р = I_{тр мах} = 1070 А.

,

4.3 Таблица для выбора типа и класса вентилей

Таблица 4

Тип вентиля	Класс вентиля	ав	тв	Общее количество вентилей на электровозе	Стоимость комплекта вентилей на электровозе
		По формуле	После округления	По формуле	После округления
ДЛ-161-200	7	6,99	7	4,19	4	640	5642 р.
	8			3,85	4	512	5101,4 р.
	9			3,56	4	512	5420,7 р.
	10			3,21	3	384	4646,4 р.
ДЛ-171-320	7	4,3	4	4,19	4	400	5240 р.
	8			3,85	4	320	4320 р.
	9			3,56	4	320	4768 р.
	10			3,21	3	240	3912 р.

4.4 Схема включения вентилей

Рис. 4

4.5 Расчёт токов в параллельных ветвях плеча моста

где I_р - принимается равным максимальному току трогания I_{тр мах}=1070 А

Подбор вентилей необходим для достижения равномерного распределения тока между параллельными ветвями, поэтому в каждое плечо моста устанавливаются вентили с близкими значениями прямого падения напряжения. Падение напряжения на вентиле определяется его вольтамперной характеристикой, которая для расчётов апроксимируется прямой, не проходящей через начало координат.

5. Расчёт номинального напряжения холостого хода вторичной обмотки трансформатора

5.1 Индуктивное сопротивление трансформатора

,

где U_х=10% - реактивные потери напряжения в трансформаторе

по найденному значению U'_20н рассчитываем х_тн и r_тн

5.2 Активное сопротивление трансформатора

r_ср =0,007 Ом - активное сопротивление обмотки сглаживающего реактора

5.3 Номинальное эквивалентное сопротивление преобразовательной установки, приведённое к одному двигателю

5.4 Номинальное напряжение холостого хода вторичной обмотки трансформатора



6. Расчёт числа витков обмоток трансформатора и выпрямленных напряжений холостого хода по ступеням регулирования

6.1 Число витков секции щ_ср

где Е_о=20 В/виток - принятая средняя величина числа вольт на виток

6.2 Разность между числом витков нерегулируемой и регулируемой обмотки щ_21р, от которой зависит напряжение на 1-ой позиции

6.3 Полное расчётное число витков вторичной обмотки щ_2р

6.4 Расчётное значение ЭДС на 1 виток обмотки Е_ор

6.5 Число витков первичной обмотки трансформатора щ₁



где U_с=25000 В - напряжение контактной сети

6.6 Выпрямленное напряжение холостого хода на первой ступени регулирования U_во1

6.7 Расчётный прирост (бросок) выпрямленного напряжения холостого хода ?U_во

6.8 Расчётная таблица

Таблица 5

Ступени регулирования (позиции)	Uво, В	R'э, Ом	Iтр, А	В	В
1	54	0,215	192	12,72	-195,4
2	94,5	0,197	359	23,78	-134,02
3	135	0,184	540	35,64	-78,44
4	175,5	0,173	734	48,52	-25,18
5	216	0,162	947	62,59	28,08
6	256,5	0,153	1171	77,34	79,02
7	297	0,145			128,8
8	337,5	0,139			176,26
9	378	0,133			223,72
10	418,5	0,128			270,02
11	459	0,124			315,16
12	499,5	0,122			357,98
13	540	0,118			403,12
14	580,5	0,117			444,78
15	621	0,117			485,28
16	661,5	0,117			525,78
17	702	0,118			565,12
18	742,5	0,119			604,46
19	783	0,12			643,8
20	823,5	0,123			680,82
21	864	0,126			717,84
22	904,5	0,13			753,7
23	945	0,135			788,4
24	985,5	0,14			823,1
25	1026	0,144			858,96
26	1066,5	0,15			892,5
27	1107	0,155			927,2
28	1147,5	0,16			961,9
29	1188	0,165			996,6
30	1228,5	0,17			1031,3
31	1269	0,178			1062,52
32	1309,5	0,183			1097,22
33	1350	0,188			1131,92

7. Расчёт внешних характеристик преобразовательной установки

7.1 Расчётная таблица

Таблица 6

Uво/Uвон	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Uво, В	0	135	270	405	540	675	810	945	1080	1215	1350
R'э/R'эн	1,25	0,98	0,8	0,68	0,63	0,62	0,65	0,72	0,81	0,9	1,0
R'э, Ом	0,235	0,184	0,15	0,128	0,118	0,117	0,122	0,135	0,152	0,169	0,188

7.3 Из построенного графика зависимости R'_э(U_во) рис.5 определяем значения R'_э в соответствии со значениями U_во на этих позициях

7.4 Сопротивление обмотки двигателя r_д



7.5 Токи трогания I_трi

7.6 Выпрямиленные напряжения на двигателе U_дi при токах трогания

7.7 Выпрямленные напряжения на двигателе при токе I_д=1,6I_н

7.8 Ток трогания на 1-ой ступени регулирования I_тр1=192 А, и ток I_тр0=290 А.

Система регулирования напряжения нужна для того, чтобы уменьшить ток в первоначальный момент трогания электровоза, тем самым система регулирования напряжения обеспечивает плавный разгон электровоза.

3. Расчёт скоростных характеристик

8. Графический расчёт и построение скоростных характеристик

8.1 Графики функций скорости движения в зависимости от напряжения на двигателе V(U_д) при токах трогания построены на рис.6 во втором квадрате

8.2 Внешние характеристики преобразовательной установки построены на рис.6 в четвёртом квадрате

8.3 Графики функций регулирования V(U_во) для токов I₁,I₂,I₃,I₄,I₅ построены во втором квадрате рис.6

8.4 Скоростные характеристики регулирования при нормальном возбуждении построены в первом квадрате рис.6

8.5 Расчётная таблица скоростных характеристик двигателя при ослабленном возбуждении

Таблица 7

I/Iн, А	0,40	0,50	0,70	0,85	1,00	1,25	1,60	1,90
I, А	290	362,5	507,5	616,25	725	906,25	1160	1377,5
Vоп1/Vн	2,12	1,75	1,37	1,21	1,10	0,98	0,85	0,74
Vоп1, км/ч	131,44	108,5	84,94	75,02	68,2	60,76	52,7	45,88
Vоп2/Vн	-	2,20	1,60	1,39	1,25	1,08	0,93	0,82
Vоп2, км/ч	-	136,4	99,2	86,18	77,5	66,96	57,66	50,84
Vоп3/Vн	-	-	1,93	1,60	1,40	1,18	1,02	0,89
Vоп3, км/ч	-	-	119,66	99,2	86,8	73,16	63,24	55,18

8.6 Скоростные характеристики двигателя при ослабленном возбуждении построены в первом квадрате рис.6

9. Построение пусковой диаграммы

9.1 Ограничения по току и по скорости, нанесённые на сетку скоростных характеристик рис. 6

9.2 Пусковая диаграмма, построена на графике семейства скоростных характеристик в области максимально допустимых токов двигателя рис.6

4. Расчёт системы реостатного торможения

10. Расчёт основных параметров выпрямительной установки возбуждения (ВУВ) и кривой намагничивания тяговой машины

10.1 Упрощённая принципиальная схема питания обмоток тяговых машин



Рис. 7

10.2 Максимальное и минимальное значения тока в обмотках возбуждения I_{в мах}, I_{в мин}

,

где U_вув0 - выпрямленное напряжение, равное среднему за полупериод напряжению секции обмотки трансформатора

В,

В,

В,

10.3 Максимальное обратное напряжение на тиристорах ВУВ

Класс вентиля 10, тогда максимальное обратное напряжение

U_обр =В

10.4 Расчётная таблица кривой намагничивания машины С_vФ(I_в)

Таблица 8

I, А	192	359	540	734	947
Uд = СvФVj + Irд	668	870	1090	1245	1350
Irд	12,67	23,69	35,64	48,44	62,50
Е = Uд - Irд	655,33	846,31	1054,36	1196,56	1287,5
	10,239	13,224	16,474	18,696	20,117

V_j = 64 км/ч

11. Выбор величины сопротивления тормозного резистора и расчёт ограничений рабочей области тормозных характеристик

11.1 Сопротивление тормозного резистора R_т

Ом

11.2 Координаты расчётных точек для построения линий ограничения тормозной силы по максимальному и минимальному току возбуждения I_{в мах}, I_{в мин,} где - сопротивление обмоток якоря и дополнительных полюсов

Ом,

км/ч

кН

V = 20 км/ч,

кН,

где - коэффициент, учитывающий потери силы в машине и редукторе в процессе преобразования энергии

11.3 Расчётная таблица для построения кривой ограничения тормозной силы по мощности тормозного резистора Р_{тр мах}

кВт

;

кН

Таблица 9

V, км/ч	50	60	70	80	90	100	110	124
Вк, кН	54,88	45,73	39,2	34,3	30,49	27,44	24,95	22,13

11.4 Расчётная таблица ограничений тормозной силы по сцеплению В_{к мах}(V)

Таблица 10

V, км/ч	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	124
Ш	0,29	0,25	0,23	0,20	0,19	0,17	0,16	0,14	0,13	0,12	0,11	0,10	0,09
Вк мах, кН	66,7	57,5	52,9	46	43,7	39,1	36,8	32,2	29,9	27,6	25,3	23	20,7

V_мах = 2V_н =км/ч

В_{к мах} =кН



11.6 Расчёт и построение на графике тормозной характеристике, соответствующей постоянному значению угла регулирования

В,

В

,

км/ч

кН

5. Параметры основных тяговых электрических аппаратов и оборудования

12. Перечень основных тяговых аппаратов и оборудования

Таблица 11

Обозначение по схеме	Наименование аппаратов и оборудования	Расчётные номинальные данные	Количество	Примечание
		Напряжение	Ток
П	Токоприёмник	25 кВ	500 А	1
ДП	Дроссель помехоподавления	25 кВ	400 А	1
ГВ	Выключатель воздушный	25 кВ	400 А	1
ТР	Тяговый трансформатор	25 кВ	1750 А	1
ГП	Главный контроллер	3100 В	1300 А	1
ПР	Переходный реактор	1500 В	1270 А	2
ВУ	Выпрямительный мост	1350 В	3200 А	2
СР	Сглаживающий реактор	1500 В	1700 А	2
I-IV	Тяговый электродвигатель	950 В	880 А	4
ВУВ	Блок выпрямительной установки возбуждения	580 В	850 А	2
ТР	Тормозной резистор	2000 В	830 А	4
БРД	Блок дифференциальных реле	2500 В	1500 А	1
Р-ВП, Р-НЗ, ТП-М,ТП-Т	Переключатель кулачковый двух позиционный	3000 В	850 А	1
А	Амперметр М151	75 В	1500 А	2
V	Вольтметр М151	1500 В	5 А	1

13. Параметры и действие основных видов защиты силовых цепей электровоза

Таблица 12

Причина срабатывания защиты	Аппараты защиты	Величина параметра настройки защиты	Конечный результат действия защиты
Короткое замыкание в трансформаторе	ГВ	250 А	Отключение ГВ
Атмосферные перенапряжения	Высоковольтный разрядник	58 кВ	Срабатывание разрядника
Коммутационные перенапряжения на выпрямительной установке	Вилитовый разрядник ВР1 и ВР2	2,2-2,7 кВ	Срабатывание разрядника
Короткое замыкание в ТД или ВУ	ГВ		Отключение ГВ
Пробой на землю изоляции силовой цепи ТД	Реле заземления	230-260 В	Отключение ГВ
Перегрузка тягового двигателя	Реле перегрузки РП 1-РП 4	1300 А	Отключение ГВ через промежуточное реле



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной контрольной работе был произведен расчет основных параметров электрооборудования, построены внешние и скоростные характеристики, разработана схема электрических цепей электровоза переменного тока.

При разработке схемы электрических цепей учтена возможность применения реостатного торможения с независимым возбуждением тяговых двигателей.

Все основные параметры электрооборудования являются средними для современных электровозов.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Расчёт систем управления электрическим подвижным составом. Учебное пособие. Плакс А.В., Мазнев А.С. Л., ЛИИЖТ, 1986, 74с.

2. Электровоз ВЛ80^т. Руководство по эксплуатации / под ред. Б.Р. Бондаренко. - М., Транспорт, 1977 - 568 с.

3. Методические указания к выполнению курсового проекта. Системы управления электрическим подвижным составом. Москва - 1987.

Размещено на Allbest.ru