3.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЯГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
3.1.Расчет мощности тягового преобразователя
Всоответствии с разработанной ранее структурной схемой питания АТП на проектируемом скоростном поезде, необходимо рассчитать основные параметры входящих в состав тягового преобразователя (ТП) элементов: входного преобразователя (ВП) (при наличии в структуре системы управления), фильтра (Ф) и автономный инвертор напряжения (АИН)).
Номинальная мощность на выходе АИН определяют с учетом числа тяговых двигателей, получающих питание от инвертора, по формуле:
Р |
2 АИН |
|
|
|
Р2 АИН =
N |
|
Р |
н |
д |
|
||
|
|
|
, |
д.н |
|
||
|
|
||
1 ∙ 510
0,97
(3.1)
= 526 кВт
где Nд – число тяговых двигателей, подключенных к одному АИН.
Входная мощность автономного инвертора напряжения в номинальном режиме рассчитывается по выражению:
Р |
|
Р |
2 АИН |
, |
|
|
|||||
|
|
|
|||
1 АИН |
|
|
|
||
|
|
АИН |
|
||
|
|
|
|
|
|
526 Р1 АИН = 0,98 = 537 кВт
где ηАИН = 0,98 – КПД автономного инвертора напряжения.
(3.2)
Номинальная мощность тягового преобразователя вычисляют по уравнению:
РВВ.н. |
|
NФ N |
АИН Р1 АИН NФ Рф |
|
|
||
|
ВВ |
, |
(3.3) |
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
РВВ.н. = |
3 ∙ 2 ∙ 537 + 3 ∙ 10 |
= 3315кВт |
|
||||
|
|
0,98 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
17 |
|
|
|
– число АИН, входящих в состав тягового преобразователя, определяемое по упрощенной принципиальной схеме силовых цепей электровоза (моторного вагона электропоезда);
NФ – число фильтров в составе тягового преобразователя, определяемое по упрощенной принципиальной схеме силовых цепей электровоза (моторного вагона электропоезда);
Рф – мощность потерь на фильтре, которую для расчетов можно принять равной 10 кВт – для сосредоточенной тяги и 5 кВт – для распределенной;
SПСН = 266кВА – мощность преобразователя собственных нужд (ПСН);
ηВВ = 0,98 – КПД входного преобразователя.
Мощность тягового трансформатора н номинальном режиме:
т.н. = РВВ.н. ВВ т.м. + с.н. |
(3.4) |
т.н. = 3315 ∙ 3 ∙ 1,35 + 266 = 13693 кВт
где т.м. – коэффициент типовой мощности тягового трансформатора. Для мостовой схемы выпрямления с регулированием напряжения на вторичной стороне трансформатора необходимо принять т.м.=1,35;
Sс.н.= 266 кВт – мощность преобразователя собственных нужд (ПСН).
Для расчета значение Sс.н следует принять равным значению мощности ПСН электровоза-образца (электропоезда-образца) [4 – 7];
В случае отсутствия входных преобразователей в структуре тягового привода номинальная мощность тягового преобразователя электровоза (моторного вагона электропоезда) ТПн определяется по формуле (4.3). В этом случае необходимо из правой части выражения (4.3) исключить знаменатель, условно приняв его равным единице.
18
19
3.2. Расчет параметров автономного инвертора напряжения
Автономный инвертор напряжения, преобразующий постоянное напряжение в переменное, получил широкое распространение в тяговом и промышленном частотно-регулируемом электроприводе с асинхронными двигателями. Автономный инвертор напряжения формирует на выходе переменного напряжение заданной прямоугольно-ступенчатой формы, а форма кривой тока определяется свойствами нагрузки.
Принципиальная схема автономного инвертора напряжения показана на рисунке 3.1.
20
21
Инвертор содержит шесть тиристоровVS1 – VS6, каждый из которых зашунтирован обратным диодом. Вместо тиристоров могут использоваться транзисторы или обычные (однооперационные) тиристоры с системой искусственной коммутации.
Втрехфазном АИН возможны три варианта алгоритмов работы, различающихся величиной угла проводимости транзисторов, который может составлять 180°, 120° и 150°соответственно. При выполнении курсовой работы следует выбрать алгоритм 180° работы АИН.
Вкурсовой работе необходимо изобразить составить таблицу, поясняющую работу инвертора с указанием интервалов открытого и закрытого состояний транзисторных плеч, а также фаз обмотки статора АТД, по которому протекает электрический ток на каждом из интервалов. За основу такой таблицы можно принять табл.3.1.
Таблица 3.1. – Алгоритм работы автономного инвертора напряжения.
Интервал времени, |
|
|
Плечо инвертора |
|
|
Ток в фазах |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
град. эл. |
|
|
|
|
|
|
|
|
ТЭД |
1 |
2 |
|
3 |
4 |
|
5 |
6 |
||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0° - 60˚ |
+ |
|
|
+ |
|
|
|
+ |
(A || B) + C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
60˚ - 120˚ |
+ |
|
|
|
+ |
|
|
+ |
A + (B || C) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
120˚ - 180˚ |
+ |
|
|
|
+ |
|
+ |
|
(A || C) + B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
180˚ - 240˚ |
|
+ |
|
|
+ |
|
+ |
|
C + (B || A) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
240˚ - 300˚ |
|
+ |
|
+ |
|
|
+ |
|
(C || B) + A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
300˚ - 360˚ |
|
+ |
|
+ |
|
|
|
+ |
B + (A || C) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение на входе автономного инвертора напряжения в номинальном режиме рассчитывают по формуле:
U d н |
|
|
U1.ф.н . |
|
2 |
||||
|
|
|
.н. = ∙ 1588 = 3527 В √2
(3.5)
22
Входной ток инвертора в номинальном режиме соотношению:
I |
|
|
3 |
2 |
d н |
|
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
определяют по
N |
д |
I |
cos |
|
|
1.н |
д.н |
. (3.6) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
3√2 |
∙ 1 ∙ 130 ∙ 0,85 = 149 А |
|
|
||||
.н. |
|
|
||
|
|
|||
При наличии в структурной схеме тягового привода входного преобразователя (выпрямительно-инверторного преобразователя) инвертор осуществляет преобразование пульсирующего напряжения в трехфазное переменное, регулируемое по частоте. Регулирование амплитуды напряжения, питающего тяговый двигатель, производится входным преобразователем (ВИПом). Такой способ управления напряжением АТД получил название амплитудного регулирования (АР).
Для выполнения построений удобно сначала определить значения
2 |
|
, |
1 |
|
и период выходного напряжения АИНа Т |
= |
1 |
. |
|
|||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||
3 .н. |
|
3 .н. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.н. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.н. |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
= 2351 |
|
|
|
|
|
|
|
(3.7) |
||
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
.н. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
= 1176 |
|
|
|
(3.8) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 .н. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
= |
1 |
= 0,011 |
|
(3.9) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.н. |
|
94 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рисунок 3.2. Диаграмма напряжения фазы А на выходе АИНа при амплитудном регулировании.
23
Используя полученные данные о напряжении Ud.н, необходимо на отдельном листе построить в масштабе диаграммы фазных напряжений фаз А, В и С на выходе АИНа (пример такой диаграммы для фазы А представлен на рис. 3.2).
Максимальный ток на выходе инвертора определяют по формуле:
I |
|
|
|
N Р |
|
|
|
|
|
д |
д.н. |
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
1.max |
cos |
|
|
|
3 U |
|
|
|
д.н |
д.н |
1 л.н |
|||
|
|
|
|
|
|||
.
(3.10)
|
1 ∙ 510000 |
|||
1. = |
|
|
|
= 130 А |
|
|
|
||
|
|
|||
|
0,85 ∙ 0,97 ∙ √3 ∙ 2750 |
|||
Наибольшее среднее значение тока транзисторов (тиристоров) АИН определяем, исходя из действующего значения первой гармоники фазного тока двигателя с учетом времени открытого состояния плеча:
IVS |
I |
1 |
cos д.н . |
|
1.max |
||||
2 |
||||
|
|
|
= 130 ∙ (1 + 0,85) = 54 A √2
(3.11)
Наибольшее среднее значение тока обратных диодов АИН рассчитывают по выражению:
I VD |
I |
1.max |
1 |
cos д.н |
. |
|
|||||
|
2 |
||||
|
|
|
|
|
= 130 ∙ (1 − 0,85) = 4,38 A √2
(3.12)
Используя справочную литературу [9], выбираем тип IGBT-модулей, входящих в состав автономного инвертора напряжения. Выбираем силовой модуль IGBT-транзисторов фирмы HitachiMBN400D33, предельные параметры которого Uce=3300 B, Ic=400 A, Pc=400 Вт. [Высокоскоростной железнодорожный транспорт. Общий курс / Под ред. И.П. Киселева. В 2-х томах. Т.2 М.: ФГБОУ УМЦ ЖДТ, 2014.]
При выборе типа полупроводниковых приборов следует учесть, что по-
лученные значения токов |
и должны составлять не более 85 % |
|
VD |
|
24 |
допустимого значения предельного среднего тока для конкретного типа прибора. Кроме этого необходимо выдержать запас по напряжению с тем, чтобы максимальное воздействующее на плечо преобразователя напряжение ( .н.) не превышало 75 – 85 % допустимого импульсного повторяющегося напряжения полупроводникового прибора.
Используя полученные данные о напряжении Ud, в масштабе построена диаграмма фазных напряжений фаз А, В и С на выходе АИН, представленная на рисунке 3.3.
25
26