Завдання на курсову роботу

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

До виконання курсового проекту на тему: «Розрахунок тягових та регулювальних характеристик асинхронного електропривода»

по курсу «Системи тягового автоматизованого електропривода»

для студентів

спеціальності № 7.092202 “ЕЛЕКТРИЧНИЙ транспорт”

Харків 2007

Методичні вказівки розглянуті та рекомендовані до друку на засіданні кафедри СЕТ 22 січня 2007 р., протокол № 5.

Рекомендуються для студентів спеціальності «Електричний транспорт» денної та заочної форм навчання.

Укладачі:

проф. Гусевський Ю.І.

доц. Сушко Д.Л.

асп. Ключка А.С.

Рецензент

І.К. Колесник

1 ЗАГАЛЬНІ ВКАЗІВКИ

Мета курсової роботи – 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.

Завдання на курсову роботу

За вихідними даними потрібно виконати наступне:

- вибір та обґрунтування силової схеми тягового електропривода для заданого типу локомотива;

- вибір та обгрунтування схеми автономного інвертора напруги;

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

- виконати креслення (на форматі А1) принципової силової схеми локомотива.

Зміст пояснювальної записки

Пояснювальна записка повинна включати:

- титульний лист;

- зміст;

- завдання;

- основна частина;

- висновки;

- перелік використаної літератури.

Обсяг пояснювальної записки повинен складати 20-25 листів.

Основна частина пояснювальної записки включає такі розділи:

- вихідні дані;

- вибір та обґрунтування силової схеми тягового електропривода для заданого типу локомотива;

- вибір та обгрунтування схеми автономного інвертора напруги;

- розрахунок та побудування тягових та регулювальних характеристик для трьох зон регулювання;

Вимоги до оформлення курсової роботи

Пояснювальну записку слід оформлювати в відповідності з [1, 2] на аркушах формату А4 (розмір 210 х 297). Аркуші повинні мати поля: ліве - 30 мм, праве - 10 мм, верхнє - 20 та нижнє - 20 мм. Текст дозволяється виконувати як у рукописному, так і друкованому вигляді чорнилами (пастою) чорного або фіолетового кольору. Усі аркуші нумеруються арабськими цифрами, номер слід ставити в правому верхньому куті аркуша. Формули потрібно розташовувати окремими рядками. Безпосередньо під формулами приводяться пояснення до використаних символів та коефіцієнтів. Схеми та рисунки по тексту виконуються олівцем, або чорнилом (пастою) на міліметровому або креслярському аркуші.

Формули, таблиці, рисунки нумеруються арабськими цифрами за номером розділу, у якому вони розміщені та порядковим номером формули, таблиці, рисунка даного розділу. Наприклад, формула (4.5) - п'ята формула четвертого розділу. Номер формули вказується в круглих дужках. Усі рисунки повинні мати номер та назву, номер рисунка розміщується під рисунком на початку рядка з назвою, який розміщують по центру. Над таблицею розміщується номер таблиці та її назва.

У тексті записки повинні бути посилання на літературу, які даються в квадратних дужках, наприклад [3].

2 ВИКОНАННЯ РОЗДІЛІВ КУРСОВЇ РОБОТИ

2.1 Вихідні дані

Вихідні дані на курсовий проект приведено в додатках А, Б, В вони повідомляються викладачем кожному студенту індивідуально у відповідності зномером завдання.

2.2 Вибір та обґрунтування силової схеми тягового електропривода

Силова схема тягового електроприводу повина забезпечувати роботу АТД в режимах тяги та електричного рекуперативного, реостатного або рекуперативно-реостатного гальмування во всьому діапазоні змінення швидкості руху. При цьому перехід від одного режиму роботи до іншого не повинен супроводжуватися скачкоподібними змінами сил, які діють на потяг.

Для можливості реалізації тяговим двигуном любої характеристики в областях, обмежених граничними тягової і гальмівної характеристиками, перетворювач повинен забезпечувати незалежне регулювання частоти струму статора АТД в діапазоні від 0,5-1,0 Гц до 100-150 Гц і амплітуди першої гармоніки напруги на обмотках двигуна від мінімальної, з урахуванням компенсації падіння напруги на обмотках статора, до максимальної рівній або які перевищує номінальну напругу на статорі.

Силова схема ЕРС може складатися з вхідного та вихідного перетворювачів, які призначені відповідно для того, щоб регулювати вихідну напргу та перетворювати напругу однієї частоти в напругу іншої частоти [3].

В якості вхідного перетворювача ЕРС, експлуатованого на ділянках постійного струму, може бути використаний імпульсний перетворювач, де зміна напруги може бути здійснена методами широтно-імпульсного або частотно-імпульсного регулювання, а в якості вихідного – автономний інвертор напруги.

В залежності від технічних параметрів напівпровідникових приладів які застосовуються в якості вхідного і вихідного перетворювачів можна використовувати АІН з широтно-імпульсною модуляцією.В даному випадку вихідна напруга регулюється внутрішніми засобами інвертора шляхом багатократного включення і виключення ключів інвертора за один період вихідної напруги.

При живленні ЕРС від однофазної мережі змінного струму система перетворення електроенергії в ланцюзі асинхронних тягових двигунів виконується з ланкою постійного струму. В такій системі вхідним перетворювачем може бути некерований, керований випрямляч або чотириквадрантний перетворювач.

При виборі того або іншого варіанту вхідного і вихідного перетворювачів потрібно виходити з конкретного типу ЕРС та умов роботи асинхронного тягового приводу і забезпечення необхідних техніко-економічних показників [4].

2.3 Вибір та обгрунтування схеми автономного інвертора напру

Автономні інвертори напруги (АІН), перетворювачі постійної напругу в змінну, отримали широке розповсюдження в тяговому і промисловому частотно-регульованому електроприводі з асинхронними двигунами. АІН формують на виході змінну напругу заданої прямокутно-східчастої форми, а форма кривої струму визначається властивостями навантаження [3, 6].

Досягнення високих динамічних показників привода вимагають, щоб швидкодія перетворювачів була на порядок більше, ніж швидкість протікання електромагнітних процесів в АТД, а для реалізації граничних по умовам зчеплення коліс з рейками сил тяги (гальмування) перетворювач повинен витримувати краткочасні перенавантаження по струму.

Перетворення параметрів електричної енергії напівпровідниковими перетворювачами відбувається в результаті швидких, практично миттєвих переключень в електричному ланцюзі. Це приводе до того, що форми струмів і напруг на виході перетворювача можуть значно відрізнятися від синусоїдальних.

Враховуючи складність АІН для АТД і обмежений об'єм для їх розміщення на ЕРС, до основних елементів повинні пред'являтися підвищені вимоги, особливо в частині массо-габаритних показників і втрат потужності. Кращі результати можуть бути отримані при використанні тиристорів і діодів з такими параметрами по струму і напрузі, які дозволяють застосовувати в плечі АІН один напівпровідниковий прилад.

Дискретність процесів перетворення визиває значні пульсації електромагнітного моменту АТД, а імпульсний характер споживання потужності від джерела первинного енергопостачання оказує заважаючий вплив на інші споживачі, а також пристроїв СЦБ та зв’язку. Тому перетворювачі повинні забезпечувати таку форму напруги та струму на АТД, які не приводили б до значних зростань втрат в двигуні, виключали динамічні навантаження на механічну передачу приводу.

2.4 Закони регулювання асинхронного тягового електроприводу

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

В даній методиці розглядається САР зі зворотнім зв’язком по швидкості, яка базується на завданні величини абсолютного ковзання по закону:

(1)

де f₁ – частота живлення тягового двигуна;

f₂ – частота обертання ротора;

f_β – частота абсолютного ковзання.

Системи такого типа мають високі динамічні показники і потребують застосування додавальних пристроїв для того, щоб вираз (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), (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 (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;

- статизмом регуляторів можна знехтувати.

2.5 Розрахунок струму статора для трьох зон регулювання.

2.5.1 Розрахунок номінального значення електрорухомої сили ротора.

E_1н=С₁ Ф_н f_1н; (3)

де С₁ – постійна конструкційна машини;

Ф_н – номінальний магнітний потік;

f_1н – номінальна частота струму статора (базова частота).

2.5.2 Розрахунок номінального значення індуктивного опору.

; (4)

де І₀ – струм намагнічування.

2.5.3 Розрахунок передаточного коефіцієнта.

; (5)

2.5.4 Розрахунок величини фазного струму статора.

; (6)

2.5.5 Результати розрахунків заносимо в таблицю 1 та будуємо графіки наступних залежностей: Ф_Н =f (E_1H); Ф_Н =f (k₁ ); Ф_Н =f (X_0H); Ф_Н =f (І₀ );а також графік залежності Ф_Н =f (I₁ ); та її апроксимацію.

Таблиця 1 – Розрахунок струму статора.

Параметри
крок	Фн,Вб	Е1,В	I0,А	Х0Н, Ом	К1*10-3	I1,А
Результати розрахунків
	0,0291	301,2287	0,4	753,0716	0,025721	1,13136
	0,0546	565,1919	0,766	737,8484	0,025201	2,166554
	0,0662	685,2693		685,2693	0,023405	2,8284
	0,0712	737,0268	1,2	614,189	0,020978	3,39408
	0,0805	833,2958	1,6	520,8098	0,017788	4,52544
	0,0871	901,6157		450,8078	0,015397	5,6568
	0,0922	954,4083	2,4	397,6701	0,013582	6,78816
	0,0959	992,7089	2,8	354,5389	0,012109	7,91952
	0,0979	1013,412	3,2	316,6912	0,010817	9,05088

2.6 Розрахунок першої зони – зони пуску, заданому закону регулювання:

І₁ = const, , Ф = const, b = const; (7)

2.6.1 Початкові умови розрахунку в І зоні.

V = 0 км/ч, b = a; (8)

де V –швидкість руху електропоїзда;

b – параметр абсолютного ковзання (відносна частота струму ротора);

a – відносна частота струму статора.

, ; (9)

2.6.2 Кінцеві умови розрахунку в І зоні.

P = P_max ; U₁ = U_1ном; V = V₁ ; (10)

де P – активна потужність на вході двигуна;

P_max - максимальна активна потужність на вході двигуна;

V₁ – швидкість електровоза в кінці І зони;

U_1ном – номінальна напруга на вході випрямляча;

2.6.3 Розрахунок коєфіцієнтів розсіювання.(тут і далі всі позначення прийняті такими, як в теорії частотного регулювання [5, 6]).

; (11)

; (12)

(13)

де X₁ – індуктивний опір статора;

Х₂ – приведений індуктивний опір ротора;

Величину Х_0Н отримуємо для заданого значення І₁ із побудованих в 2.5.5 графіків.

2.6.4 Розрахунок параметра абсолютного ковзання.

; (14)

де - приведений активний опір ротора;

Величину k₁ отримуємо для заданого значення І₁ із побудованих в 2.5.5 графіків, .

2.6.5 Розрахунок пускової потужності.

; (15)

де m₁ – кількість фаз машини;

r₁ – активний опір статора;

C(b) – проміжна величина:

; (16)

2.6.6 Визначення кроку розрахунку тягових характеристик в першій зоні.

; (17)

де DP – приріст потужності;

n – кількість точок розрахунку, n ³ 10.

2.6.7 Розрахунок відносної частоти статора.

; (18)

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

; (19)

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

2.6.8 Частота струму статора.

f₁ = f_1H a; (20)

2.6.9 Частота струму ротора.

f₂ = f_1Hb; (21)

2.6.10 Електромагнітний момент двигуна.

; (22)

де w_1Н – синхронна швидкість при номінальній частоті:

; (23)

де р – кількість пар полюсів двигуна.

2.6.11 Тягове зусилля електропоїзда.

; (24)

де m – передаточне число тягового редуктора;

n_дв – кількість тягових двигунів;

h_ред – ККД тягового редуктора;

D_k – діаметр колеса.

2.6.12 Кутова швидкість ротора.

(25)

2.6.13 Швидкість руху електропоїзда.

; (26)

2.6.14 Приведене значення електрорухомої сили ротора.

; (27)

2.6.15 Напруга статора.

; (28)

де А(a,b) – проміжна величина;

; (29)

; (30)

; (31)

; (32)

; (33)

2.6.16 Коефіцієнт потужності двигуна.

; (34)