Розрахунок електропередачі з випрямно-інверторними перетворювачами частоти й тяговими асинхронними електродвигунами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Метою курсової роботи є вивчення електропередачі з випрямно-інверторними перетворювачами частоти й тяговими асинхронними електродвигунами з урахуванням реальної структури автоматичного регулятора, опанування методу розрахунку тягових та регулювальних характеристик асинхронного електроприводу.

За вихідними даними потрібно виконати наступне:

1) вибір та обґрунтування силової схеми тягового електроприводу для заданого типу локомотива;

2) виконати розрахунок та побудувати тягові та регулювальні характеристики для трьох зон регулювання;

3) виконати креслення принципової силової схеми локомотива.

1. Вихідні дані

Серія локомотива 2ЕЛ5

Діаметр колеса локомотива D_к, м 1,25

Тип тягового асинхронного двигуна НБ - 607

Кількість тягових двигунів n_дв 8

Кількість фаз двигуна m₁ 3

Кількість пар полюсів двигуна р 3

Активна потужність, підведена до двигуна P, кВт 920

Номінальний коефіцієнт потужності двигуна cosц_н 0,85

Фазна напруга U_1н, В 750

Пусковий струм двигуна I₁, A 730

Магнітний потік при пуску Ф, Вб 0,076

Активний опір статора r₁, Ом 0,016

Активний опір ротора, приведений до опору статора rґ₂, Ом 0,016

Реактивний опір статора x_1н, Ом 0,11

Рективний опір ротора, приведений до опору статора хґ_2н, Ом 0,188

Базова частота f_1н, Гц 51,5

Постійна конструкційна машини С₁ 201

2. Вибір та обґрунтування силової схеми тягового електроприводу для заданого типу локомотива

Найпростіша й найпоширеніша схема трифазного інвертора напруги виходить простим об'єднанням по загальному джерелу вхідної напруги трьох напівмостових однофазних інверторів напруги, при цьому при з'єднанні фаз трифазного навантаження в зірку без нуля або трикутником не потрібне наявність середньої крапки в джерела вхідної напруги, як показано на рисунку 2.1 .

Рисунок 2.1 - Трифазний мостовий інвертор

У режимі 180-градусного керування сигнали керування на верхній і нижній транзистори кожного плеча моста надходять протягом напівперіоду вихідної напруги з відповідними фазовими зрушеннями для одержання трифазної системи, як показано на перших шести тимчасових діаграмах (рисунок 2.2 ).

На наступних трьох діаграмах зображені криві фазних напруг трифазного навантаження й на останній діаграмі - крива однієї лінійної напруги. Шестиступеневий характер діаграм фазнихих напруг інвертораа свідчитить про шіст різних стани силової схеми інвертора, інтервали існування який позначені цифрами 1- 6 (рисунок 2.2). Шість схем заміщення інвертора, що відповідають цим шести станам силовой схеми, показані на рисунку 2.3. У шостому стані включені транзистори Т₂, Т₄ і Т₅. Фази А и С навантаження підключені до позитивної шини вхідного джерела живлення Е, а фаза В навантаження підключена до негативної шині джерела Е

Рисунок 2.6 - Діаграми роботи інвертора

При однакових опорах фаз навантаження на дві паралельно з'єднані фази А и С буде прикладена в позитивному на-правлінні третина напруги джерела, а на послідовно з'єднану з ними фазу В - дві третини напруги джерела живлення, негативної полярності (мінус на кінці фази навантаження), що відбито відповідною величиною щаблів фазних напруг інвертора на першому інтервалі диаграмми. Аналогічно визначаються по схемах заміщення величи-ны щаблів у фазних напругах інвертора й на всіх інших інтервалах. Характерно, що кожен стан відрізняється від попереднім перемиканням тільки однієї фази навантаження в протилежну полярність напря-жения.По побудованих фазних напругах легко визначити й межфазное (лінійне) напруга, як це показано для лінійної напруги U _АВ..

Рисунок 2.3 - Схеми заміщення інвертора

3. Закони регулювання асинхронного тягового електроприводу

Визначна роль в практичній реалізації асинхронного тягового електроприводу належить системі автоматичного регулювання (САР).

Розглядаємо САР зі зворотнім зв'язком по швидкості, яка базується на завданні величини абсолютного ковзання по закону:

(3.1)

де f₁ - частота живлення тягового двигуна;

f₂ - частота обертання ротора;

f_в - частота абсолютного ковзання.

Системи такого типа мають високі динамічні показники і потребують застосування додавальних пристроїв для того, щоб вираз (3.1) виконувався з високим показником точності.

Для того щоб отримати потрібні тягові характеристики електропоїзда, необхідно задавати оптимальну величину абсолютного ковзання тягових двигунів. Для цього в САР прийняте трьох зонне регулювання:

- при ,(перша зона регулювання),

- при ,(друга зона регулювання), (3.2)

- при ,(третя зона регулювання).

де І₁ - діюче значення першої гармонічної фазного струму;

Ф - магнітний потік;

K₁ - перша константа регулювання;

K₂ - друга константа регулювання;

Р₁ - активна потужність, підведена до ТАД;

U_d1 - напруга на виході випрямляча.

Потрібно відмітити, що реалізація вказаних законів регулювання відбувається контуром регулювання частоти, який опрацьовує лише частоту, при цьому частота статора задається в відповідності до виразу (3.1).

При розрахунку тягових та регулювальних характеристик тягового асинхронного електроприводу, в замкненій системі автоматичного регулювання, для сталих режимів, прийняті наступні допущення:

– розрахунок режимів ТАД ведеться по першим гармонічним фазного струму і напруги;

– асинхронна машина симетрична, повітряний зазор постійний, індукція в повітряному зазорі впродовж по розточці статора розподілена по синусоїдальному закону;

– насичення магнітного кола враховуємо тільки в продовжній вісі машини, індуктивності розсіяння статора та ротора прийняти постійними і незалежними від ступеня насичення;

3.1 Розрахунок номінального значення електрорухомої сили ротора

E_1н=С₁ Ф_н f_1н; (3.3)

де С₁ - постійна конструкційна машини;

Ф_н - номінальний магнітний потік;

f_1н - номінальна частота струму статора (базова частота).

Розрахунок номінального значення індуктивного опору.

; (3.4)

де І₀ - струм намагнічування.

Розрахунок передаточного коефіцієнта.

; (3.5)

Розрахунок величини фазного струму статора.

; (3.6)

Результати розрахунків заносимо в таблицю 3.1 та будуємо графіки наступних залежностей: Ф_Н =f ( E_1H ); Ф_Н =f ( k₁ ); І₁ =f ( X_0H ); Ф_Н =f ( І₀ ); а також графік залежності Ф_Н =f ( I₁ ); та її апроксимацію(додаток А).

Таблиця 1 - Розрахунок струму статора

крок	Фн,Вб	Е1,В	I0,А	Х0Н, Ом	К1*10-5	I1,А
1	0.029	301	72.832	4.136	1.41	206
2	0.055	565	145.664	3.88	1.33	412
3	0.064	657	182.08	3.61	1.23	515
4	0.071	737	218.496	3.373	1.15	618
5	0.081	833	291.328	2.86	0.98	824
6	0.087	902	364.16	2.476	0.85	1030
7	0.092	954	436.992	2.184	0.75	1236
8	0.096	993	509.824	1.947	0.67	1442
9	0.098	1013	582.656	1.739	0.59	1648

4. Розрахунок та побудова тягових та регулювальних характеристик для трьох зон регулювання

4.1 Розрахунок першої зони регулювання

Для першої зони регулювання справедливі наступні закони:

І₁ = const , , Ф = const , = const (4.1)

Номінальне значення електрорухомої сили ротора розраховуємо за наступною формулою:

E_1н=С₁ Ф_н f_1н; (4.2)

де С₁ - постійна конструкційна машини;

Ф_н - номінальний магнітний потік;

f_1н - номінальна частота струму статора (базова частота).

Початкові умови розрахунку в І зоні:

V = 0 км/ч , = ; (4.3)

де V - швидкість руху електропоїзда;

- параметр абсолютного ковзання (відносна частота струму ротора);

a - відносна частота струму статора.

,; (4.4)

Кінцеві умови розрахунку в І зоні:

P = P_max ; U₁ = U_1ном ; V = V₁ ; (4.5)

де P - активна потужність на вході двигуна;

P_max - максимальна активна потужність на вході двигуна;

V₁ - швидкість електропотяга в кінці І зони;

U_1ном - номінальна напруга на вході випрямляча;

Коєфіцієнти розсіювання визначаються за наступними формулами:

; (4.6)

; (4.7)

, (4.8)

де X_1н - індуктивний опір статора;

Х`_2н - приведений індуктивний опір ротора;

Х_0н - реактивний опір намагнічуючого контуру.

Параметр абсолютного ковзання визначається за формулою

 (4.9)

де - приведений активний опір ротора

Розрахунок пускової потужності ведемо за формулою:

, (4.10)

де m₁ - кількість фаз машини;

r₁ - активний опір статора;

C - проміжна величина.

Проміжна величина С,

(4.11)

Вт

Визначення кроку розрахунку тягових характеристик в першій зоні:

, (4.12)

де P - приріст потужності;

n - кількість точок розрахунку, n 10.

кВт

Відносну частоту статора визначаємо за формулою

, (4.13)

де Р_і - поточне значення активної потужності, підведеної до ТАД:

, (4.14)

де і - коефіцієнт потужності, і=0,1,2,. ...,n.

Частоту струму статора визначаємо за формулою

f₁ = f_1H (4.15)

Частота струму ротора визначається за формулою

f₂ = f_1H; (4.16)

Електромагнітний момент двигуна визначаємо за наступною формулою:

, (4.17)

де _1Н - синхронна швидкість при номінальній частоті:

, (4.18)

де р - кількість пар полюсів двигуна.

Тягове зусилля електропоїзда:

, (4.19)

де - передаточне число тягового редуктора;

n_дв - кількість тягових двигунів;

_ред - ККД тягового редуктора;

D_k - діаметр колеса.

Кутова швидкість ротора:

(4.20)

Швидкість руху електропоїзда:

(4.21)

Приведене значення електрорухомої сили ротора:

(4.22)

Напруга статора:

, (4.23)

де А(,) - проміжна величина.

електропривод локомотив тяговий асинхронний

(4.24)

(4.25)

(4.26)

(4.27)

(4.28)

Коефіцієнт потужності двигуна:

(4.29)

Струм в колі постійної напруги:

, (4.30)

Де k_И - коефіціент схеми інвертора. Приймаємо.

Напруга в колі постійної напруги:

; (4.31)

Де _И - ККД інвертора, який враховує тільки втрати в колі головних резисторів.

Таблиця 4.1 - Розрахунок першої зони регулювання. І₁ = const ,

Параметри	Результати розрахунку
Р1, кВт	46	133	221	308	395	483	570	658	745	833	920
б	0,013	0,071	0,129	0,187	0,245	0,303	0,361	0,419	0,477	0,535	0,593
f1, Гц	0,69	3,67	6,66	9,64	12,63	15,61	18,60	21,59	24,57	27,56	30,54
f2, Гц	0,686	0,686	0,686	0,686	0,686	0,686	0,686	0,686	0,686	0,686	0,686
щ, рад/с	0	6	13	19	25	31	38	44	50	56	63
V, км/ч	0	3	7	10	13	17	20	24	27	30	34
Ме, кНм	13982	13982	13982	13982	13982	13982	13982	13982	13982	13982	13982
Fп, кН	667	667	667	667	667	667	667	667	667	667	667
I1, А	730	730	730	730	730	730	730	730	730	730	730
А(б,в), Ом2	0,0002	0,002022	0,005799	0,011532	0,019219	0,028862	0,040461	0,054014	0,069523	0,086988	0,106407
U1, В	22	69	117	165	213	261	309	357	405	453	501
Ud, В	48	153	260	366	473	580	686	793	900	1006	1113
Id, A	936	859	840	832	827	824	822	821	820	819	818
cos(ц1)	0,979	0,898	0,878	0,870	0,865	0,862	0,860	0,858	0,857	0,856	0,855

4.2 Розрахунок другої зони регулювання

P = P_max = const , Ф = k₁ I₁ ; (4.32)

Початкові умови розрахунку в другій зоні:

U₁ =U_1ном ; V = V₁ ; Ф_1к = Ф_ІІн; (4.33)

де Ф_1к - величина магнітного потоку в кінці першої зони регулювання;

Ф_ІІн - величина магнітного потоку на початку другої зони регулювання.

Кінцеві умови розрахунку в другій зоні.

U_d = U_dmax ; (4.34)

де U_dmax - максимальне значення діючої напруги статора.

Визначення кроку розрахунку тягових характеристик в другій зоні.

; (4.35)

де Ф_ІІк - величина магнітного потоку в кінці другої зони регулювання, приймаемо Ф_ІІк = Ф_min - із кривої намагнічування ТАД;

n - кількість точок розрахунку, n 10;

Визначення поточного значення магнітного потоку.

; (4.36)

де j - номер кроку розрахунку, j = 0,1,2. ...,n.

Розрахунок поточного значення фазного струму двигуна.

; (4.37)

Розрахунок відносної частоти статора.

, (4.38)

де - значення абсолютного ковзання;

С - значення проміжної величини, розрахуваної по формулі (4.11).

Розраховуємо частоту струму статора по формулі (4.15).

Електромагнітний момент двигуна розраховуємо як

; (4.39)

Тягове зусилля електропоїзда розраховуємо по формулі (4.19).

Розраховуємо кутову швидкість ротора по формулі (4.20).

Швидкість руху електропоїзда розраховуємо по формулі (4.21).

Приведене значення електрорухомої сили ротора визначаємо по формулі

Напругу статора визначаємо по формулі (4.23).

Коефіцієнт потужності двигуна.

 (4.40)

Струм в колі постійної напруги визначаємо по формулі (4.30)

Напруга в колі постійної напруги:

(4.41)

Результати розрахунків заносимо до таблиці 4.2.

Контроль величини напруги.

Розрахунок другої зони регулювання ведеться до величини:

U_dmax - U_d U_dmax + ,; (4.42)

де = 1В - похибка розрахунку напруги.

Окрім умови (4.42) повинні виконуватись наступні умови:

V V_max , _гр ; (4.43)

де V_max - максимально допустима швидкість;

_гр - максимальне значення відносної частоти статора.

; (4.44)

Проаналізувавши отримані дані робимо висновок, що вони задовольняють умовам (4.42), (4.43) та (4.44).

Таблиця 4.2 - Розрахунок другої зони регулювання. P₁ = const , Ф = k₁ I₁

Параметри	Результати розрахунку
Р1, кВт	920	920	920	920	920	920	920	920	920	920	920
б	0,595	0,636	0,664	0,688	0,719	0,753	0,783	0,830	0,872	0,909	0,941
f1, Гц	30,66	32,74	34,21	35,44	37,04	38,80	40,34	42,74	44,90	46,81	48,44
в	0,013	0,013	0,013	0,013	0,012	0,012	0,012	0,012	0,012	0,012	0,012
f2, Гц	0,683	0,659	0,650	0,648	0,639	0,630	0,625	0,610	0,600	0,595	0,595
щ, рад/с	63	67	70	73	76	80	83	88	93	97	100
V, км/ч	34	36	38	39	41	43	45	47	50	52	54
Ме, кНм	13929	13078	12536	12114	11603	11092	10679	10096	9620	9235	8930
Fп, кН	665	624	598	578	554	529	510	482	459	441	426
I1, А	730	694	674	661	642	623	609	584	565	551	542
А(б,в), Ом2	0,00011	0,00012	0,00013	0,00014	0,00015	0,00017	0,00018	0,00020	0,00022	0,00024	0,00026
U1, В	503	528	542	553	568	585	598	622	642	657	668
Ud, В	1118	1172	1204	1228	1262	1299	1328	1381	1425	1460	1485
Id, A	815	777	756	742	722	701	686	659	639	624	613
cos(ц1)	0,852	0,855	0,857	0,857	0,858	0,859	0,860	0,862	0,864	0,864	0,864
Е1, В	468	493	507	518	533	550	563	587	607	622	633

4.3 Розрахунок третьої зони регулювання

; при (4.45)

Початкові умови розрахунку в третій зоні:

; (4.46)

Для зони постійної потужності параметр абсолютного ковзання дорівнює:

, (4.47)

де - закон регулювання в І та ІІ зонах регулювання.

Для зони обмеженої напруги параметр абсолютного ковзання дорівнює:

; (4.48)

де - закон регулювання в І та ІІ зонах регулювання,

Підставляючи вирази (4.47) та (4.48) в формулу (4.46) отримаємо:

; (4.49)

Розв'яжемо це рівняння відносно .

Отримане значення визначає частоту переходу з другої зони в третю.

(4.50)

Коефіцієнт потужності двигуна при роботі по закону (4.45) дорівнює:

(4.52)

Потужність, яка споживається тяговим двигуном:

; (4.53)

З виразу (4.52) з урахуванням (4.45) отримаємо формулу для розрахунку фазної напруги:

; (4.54)

Частоту струму статора знаходимо по формулі (4.15).

Частоту струму ротора знаходимо по формулі (4.16).

Електромагнітний момент двигуна визначаємо по виразу (4.17).

Тягове зусилля електропотяга (4.19).

Кутову швидкість ротора (4.20).

Швидкість руху електропотяга (4.21).

Величину магнітного потоку тягового двигуна для третьої зони розраховуємо за наступною формулою:

; (4.55)

Приведене значення електрорушійної сили ротора визначаємо за формулою (4.22).

Струм в колі постійної напруги (4.30).

Напруга в колі постійної напруги (4.31).

Результати розрахунків заносимо в таблицю 4.3.

По значенням таблиць 4.1, 4.2, 4.3 будуємо графіки наступних залежностей:

cos(ц) = f(V); f₂ = f(V); P₁ = f(V); F = f(V); U₁ = f(V); U_d = f(V); I₁ = f(V); I_d = f(V) (додаток А).

Таблиця 4.3 - Розрахунок третьої зони регулювання. ;

Параметри	Результати розрахунку
Р1, кВт	920	920	920	920	920	920	920	920	920	920	920
б	0,941	1,041	1,142	1,243	1,344	1,445	1,546	1,647	1,747	1,848	1,949
f1, Гц	48,44	53,63	58,82	64,02	69,21	74,41	79,60	84,80	89,99	95,19	100,38
в	0,011	0,013	0,014	0,016	0,017	0,019	0,021	0,022	0,024	0,026	0,027
f2, Гц	0,587	0,663	0,739	0,817	0,895	0,975	1,057	1,141	1,227	1,317	1,409
щ, рад/с	100	111	122	132	143	154	165	175	186	197	207
V, км/ч	54	60	65	71	77	83	88	94	100	106	111
Ме, кНм	8932	8067	7355	6759	6251	5814	5435	5101	4806	4543	4307
Fп, кН	426	385	351	323	298	278	259	243	229	217	206
I1, А	539	537	536	536	536	537	539	541	543	546	549
U1, кВ	665	663	661	661	662	663	665	668	670	674	677
Ud, кВ	1478	1472	1469	1469	1471	1473	1478	1483	1489	1496	1505
Id, A	616	619	620	620	619	618	616	614	612	609	605
cos(ц1)	0,855	0,862	0,865	0,865	0,864	0,860	0,855	0,849	0,842	0,834	0,825

Перелік використаної літератури

1. “Документація. Звіти у сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення ДСТУ 3008-95”. - Київ.: Держстандарт України, 1995. - 36 с.

2 . Теория электрической тяги / В.Е.Розенфельд, И.П.Исаев, Н.Н.Сидоров, М.И.Озеров; Под ред. И.П.Исаева. - М.: Транспорт, 1995. - 294 с.

3 . Сандлер А.С. и Сарбатов Р.С. Частотное управление асинхронными двигателями. - М.-Л.: издательство „Энергия”, 1966. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru