1. ВЫБОР ОСНОВНЫХ РЕШЕНИЙ
ПО СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТНЫМ ПОЕЗДОМ
Токосъем на электропоезде осуществляется с помощью токоприемников. На проектируемом подвижном составе устанавливается два токоприемникаодин передний, другой задний. В процессе движения нормально работает задний по ходу движения токоприемник.Токоприемник ХА1 предназначен для снятия напряжения 25кВ с контактной сети. Далее напряжение идет на главный выключатель, который служит для защиты схемы от коротких замыканий и перегрузок.
Трансформатор служит для преобразования напряжения и передачи его на элементы схемы.
Выпрямительно-инверторный преобразователь состоит из блока ВИП. Предназначен в режиме тяги для выпрямления однофазного переменного тока частотой 50 Гц в постоянный и плавного регулирования напряжения, в режиме рекуперативного торможения для преобразования постоянного тока в однофазный переменный ток частотой 50 Гц и плавного регулирования ЭДС инвертора.
Сетевой фильтр, Т-образный фильтр. Состоит из таких основных компонентов, как дроссель сетевого фильтра и конденсатор Т-образного фильтра. Он выполняет три функции:
1)образует высокоомный путь для высокочастотного тока помех, который будет идти в сети за счет пульсации напряжения промежуточного контура;
2)препятствует тому, чтобы скачок сетевого напряжения (например, коммутационное перенапряжение, разрушение от удара молнии, зигзагообразный скачок напряжения) поступал нефильтрованным в промежуточный контур напряжения;
3)образует с деталью индуктивность и с конденсатором промежуточного контура заградительный фильтр, который увеличивает равномерное полное сопротивление сети тягового преобразователя при 25 и 50 Гц.
Тяговый преобразователь регулирует поток энергии между источником питания и тяговым электродвигателем для установки необходимого крутящего момента и скорости вращения двигателя. Для достижения этого необходимо отрегулировать уровень тока и напряжения на клеммах двигателя с помощью силового электронного преобразователя. Автономный
7
инвертор напряжения преобразовывает постоянное напряжение, подаваемое на его вход, в пропорциональное по величине переменное напряжение. Характерной особенностью автономного инвертора напряжения является то, что он получает питание от источника напряжения, на входе АИН включается конденсатор большой емкости. Вторая особенность АИН заключается в использовании в качестве ключей полностью управляемых вентилей, зашунтированных диодами обратного тока. АИН формирует в нагрузке напряжение прямоугольной формы, а форма тока определяется характером нагрузки. Инвертор содержит шесть транзисторов VT1 – VT6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются новым типом активного прибора, который появился сравнительно недавно.
После чего переменный ток поступает на один асинхронный тяговый двигатель. Асинхронный тяговый двигатель электропоезда представляет собой четырехполюсную трехфазную машину с короткозамкнутым ротором.
На рисунке 1.1. представлена упрощенная принципиальная схема электровоза.
8
9
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СКОРОСТНОГО ПОЕЗДА
Для проектирования системы управления и расчета электромеханических характеристик скоростного поезда требуется знать параметры тяговых двигателей.
Учитывая, что заданное исходными данными значение мощности тягового двигателя в номинальном режиме представляет собой активную мощность, для расчета параметров асинхронного тягового двигателя необходимо определить его полную мощность по формуле:
Sд.н |
|
Рд.н |
|
|
, |
(2.1) |
cos д.н |
|
|
||||
|
|
д.н |
|
|||
510д.н = 0,85 ∙ 0,97 = 619 кВт
где cosφ – коэффициент мощности асинхронного тягового двигателя;
ηд – коэффициент полезного действия асинхронного тягового двигателя.
Номинальный ток в обмотке статора тягового двигателя рассчитываем по формуле:
I |
|
|
|
S |
д.н |
, |
(2.2) |
||
1.н |
|
||||||||
|
|
|
m |
U |
1 ф.н |
|
|||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||
1.н. = |
|
619000 |
|
|
= 130 А |
|
|||
|
3 ∙ 1588 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||
где m = 3 – количество фаз обмотки статора АТД;
U1 ф.н – фазное напряжение на обмотке статора АТД в номинальном режиме, В.
|
= |
1. |
л. |
н. |
(2.3) |
|
|
|
|||
1.ф.н. |
|
√3 |
|
||
|
|
|
|||
1.ф.н. = 2750 = 1588В. √3
Номинальное сопротивление цепи обмотки статора определяем по формуле:
10
|
z |
|
|
|
U |
1 ф.н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
н |
I |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
1.н |
. |
(2.4) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
1588 |
|
= 12,2 Ом. |
|
|||||
|
|
||||||||
н |
130 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
На рисунке 2.1 представлена Т-образная схема замещения асинхронного тягового двигателя. На схеме сделаны следующие обозначения: r1– активное сопротивление обмотки статора; r2’–приведённое активное сопротивление обмотки ротора; хσ1–индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статор; х’ 2 – приведённое индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора; rm,хm– активное и индуктивное сопротивления магнитной цепи двигателя; I1– ток в обмотке статора; I2 – приведённый ток в обмотке ротора; Iμ – ток намагничивания. Рассчитаем ее параметры, используя методику, согласно которой для числовых примеров можно принять следующие усредненные параметры
Рассчитаем ее параметры, используя методику, согласно которой для числовых примеров можно принять следующие усредненные параметры:
r |
r |
' |
r |
* |
z |
|
|
|
|
|
|
||
1 |
2 |
1 |
|
н |
||
(2.5)
|
≈ ′ |
= 0,01 12,2 = 0,122 Ом. |
1 |
2 |
|
где r1* – активное |
сопротивления обмоток статора в относительных |
|
единицах. Для расчётов следует принять r1*=0,01-0,03
11
12
Индуктивные cопротивления рассеяния обмоток статора рассчитываем по формуле:
х 1 |
х 2 |
х |
1 zн |
(2.6) |
|
' |
* |
|
|
1 ≈ ′2 = 0,08 12,2 = 0,98 Ом.
где х‘σ1–индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора в относительных единицах. Для расчётов следует принять х 1*=0,08-0,1.
Активное сопротивление магнитной цепи тягового двигателя вычисляем по формуле:
rm
r |
* |
|
|
m |
|
z |
н |
|
;
(2.7)
= 0,08 ∙ 12,2 = 0,98 Ом.
где r*m – активное сопротивление цепи намагничивания в относительных единицах. Для расчётов следует принять rm1*=0,08-0,15.
Индуктивное сопротивление цепи намагничивания АТД рассчитываем по формуле:
х |
х |
* |
z |
н ; |
|
|
|
||
m |
m |
|
||
х = 2 12,2 = 24,4 Ом.
(2.8)
где х*m – индуктивное сопротивление цепи намагничивания в относительных единицах. Для расчётов следует принять хm1*=2-3.
Индуктивное сопротивление обмоток статора и ротора (приведенное к статору) тягового двигателя рассчитывают по выражению :
|
|
х х' |
|
z2 |
r2 |
|
(2.9) |
||
|
|
1 2 |
|
н |
1 ; |
|
|||
|
= х′ |
|
|
|
|
|
|||
х |
= √12,22 |
− 0,1222 = 12,2 Ом. |
|
||||||
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
13
Максимальную механическую частоту вращения ротора АТД определяем по формуле:
n |
|
|
V |
к |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
max |
|
0,188D |
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
б |
,
(2.10)
210 ∙ 4= 0,188 ∙ 1,2 = 3723 об/мин
где Vк – конструктивная скорость движения скоростного поезда, км/ч;
– передаточное число тяговой передачи;
Dб – диаметр бандажа колесной пары, м.
Номинальную механическую частоту вращения ротора АТД определяем по формуле:
n |
|
|
V |
н |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
0,188D |
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
б |
,
(2.11)
105 ∙ 4н = 0,188 ∙ 1,2 = 1862 об/мин
Vн –скорость движения в номинальном режиме, км/ч;
Номинальную скорость следует определить, исходя из соотношения ее кратности конструкционной скорости движения поезда Vк:
|
|
V |
2,0 |
2,5 |
||
|
|
к |
||||
|
|
V |
||||
|
|
|
|
. |
||
|
|
н |
|
|
||
|
|
|
|
|
||
Отсюда |
|
|
|
|
|
|
= |
к |
= |
210 |
= 105 км/ч |
||
|
|
|||||
н |
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Диаметр бандажа колесной пары Dб в расчетах принять сосредоточенной тяге – 1,2 м, при распределенной тяге – 0,92 м.
(2.12)
при
Номинальную частоту тока статора определяем по формуле:
14
|
f |
|
|
n |
н |
р |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
60 |
. |
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н = |
1862 ∙ 3 |
= 93,1 Гц. |
||||||
|
60 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
где р – число пар полюсов обмотки статора;
(2.13)
Номинальные значения частоты тока статора и ротора АТД определяем по формуле:
1.н. = н + 2.н. |
(2.14) |
1.н. = 93,1 + 0,94 = 94 Гц.
где 1.н. – частота тока статора в номинальном режиме, Гц;
2.н. = 1.н. ∙ – частота тока ротора в номинальном режиме, Гц;
|
|
2.н. = 94 ∙ 0,01 = 0,94 |
|
= |
1.н.− н |
– относительное скольжение (относительная разность частот |
|
|
|||
|
|
||
|
1.н. |
|
вращения поля статора и ротора) асинхронной машины. Для расчета принять в номинальном режиме sн = 1 %.
|
1.н. = |
|
н |
|
(2.15) |
|
|
|
(1− н) |
||||
|
|
|
|
|
||
1.н. = |
93,1 |
|
|
= 94 Гц. |
|
|
|
|
|
|
|||
(1 − 0,01) |
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
= |
94 − 93,1 |
= 0,01 |
|
|||
94 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Полную индуктивность обмоток статора и ротора и их взаимную индуктивность определяем, исходя из соотношений:
L L |
|
Х |
1 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
2 |
f |
|
|
|
||
|
|
|
|
1.н |
12,21 = 2 = 2 ∙ 3,14 ∙ 94
;
= 0,02 мГн.
(2.16)
15
|
= |
Х |
. |
(2.17) |
|
|
2 1.н. |
||||
|
|
|
|
||
= |
24,4 |
|
= 0,04 мГн. |
|
|
|
|
|
|
||
2 ∙ 3,14 ∙ 94 |
|
||||
|
|
|
|||
Вращающий момент, развиваемый на роторе АТД в номинальном режиме, рассчитываем по формуле:
|
|
|
|
|
|
|
|
` |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Мн = |
|
1 |
|
1.ф.н. |
|
2 |
(2.18) |
||||
|
` |
|
|
|
|
н |
|
||||
|
2 [( + |
2 |
)+( |
1 |
+ ` |
) ] |
|
||||
|
|
||||||||||
1 |
1 |
|
|
|
1 2 |
|
|
||||
3 ∙ 3 ∙ 15882 ∙ 0,1220,01
Мн = 2 ∙ 94 ∙ [(0,122 + 1,04 ∙ 0,1220,01 ) + (0,98 + 1,04 ∙ 0,98)2] = 2,78 ∙ 103 Н ∙ м
где с1 = 1 + 1 – постоянная статора асинхронной машины.
0,98 с1 = 1 + 24,4 = 1,04
Силу тяги, реализуемую одним тяговым двигателем скоростного поезда, определяем по выражению:
|
к.д.н. |
= |
2 т.п.Мн |
(2.19) |
|
б |
|||
|
|
|
|
|
к.д.н. = |
2 ∙ 4 ∙ 0,975 ∙ |
2,78 ∙ 103 |
= 18,1 кН |
|
1,2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
Найденные значения величин позволяют рассчитать параметры основного электрического оборудования скоростного поезда и могут быть использованыдля расчета тяговых характеристик ТЭД.
16