Электрическая тяга

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Новосибирский государственный технический университет

 

 

 

Кафедра «Электротехнические комплексы»

 

 

 

 

 

Курсовая работа

По дисциплине: «Импульсные системы управления»

 

 

 

 

 

 

Выполнила:                           ь

Факультет:                                           ФМА

Группа:                                           ЭММ-41

Проверил:                              Бирюков В. В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск

2008

 

Содержание

 

1 Введение            2

2 Выбор типа преобразователя  и системы регулирования    5

3 Проектирование и расчет силовой части преобразователя   7

3.1 Принципиальная схема электрической цепи    7

3.2 Расчет и выбор элементов преобразователя            12

3.2.1 Расчет параметров и выбор  силовых полупроводниковых приборов, конденсаторов и дросселей              14

3.2.2 Расчет параметров фильтровых  конденсатора и дросселя   19

3.2.3 Расчет параметров фазного дросселя           21

4 Система управления                 22

5 Конструктивная проработка силового блока             26

6 Заключение                  27

7 Список использованных источников              28

 

 

1. Введение

 

Целью данного курсового проектирования является разработка преобразователя для нужд электрической тяги подвижного состава. При выполнении задания необходимо определить тип тягового двигателя, разработать принципиальную электрическую схему преобразователя, произвести расчет параметров элементов и выбрать их по справочникам.

Исходными данными для курсового проектирования является:

Вариант	Вид транспорта	Вместимость
3	троллейбус	75

 

Для управления напряжением на ТЭД используется импульсное регулирование. Сущность его состоит в том, что энергия подводиться к тяговым электродвигателям и накопительным элементам в виде отдельных импульсов. В промежутке времени между импульсами энергия в ТЭД поступает от накопительных элементов, которыми служат индуктивности и емкости (рисунок 1.1). Устройство, которое осуществляет периодические отключения и включения цепи нагрузки на напряжение источника, является ключом К. Последовательно с двигателем М включен дроссель L1 для сглаживания пульсаций тока в этой цепи, а параллельно цени нагрузки – полупроводниковый диод VD, называемый обратным, через который протекает ток двигателя в те промежутки времени, когда ключ разомкнут. Замыкание и размыкание ключа К производятся с периодом повторения Тр. В течение промежутка tи ключ замкнут, в остальную часть периода Тр – tи – разомкнут. При замкнутом ключе к цепи нагрузки приложено напряжение, равное напряжению источника (uн=U1d). Под действием напряжения U1d в контуре “+” источника питания – ключ К –  индуктивность L1 – двигатель М – “-” источника питания увеличивается ток i1d= iм. Поступающая из питающей сети энергия потребляется нагрузкой (двигателем М) и накапливается в индуктивности L1.

Рисунок 1.1 – Схема импульсного регулирования

 

После размыкания ключа приток энергии от источника прекращается (i1d=0). Ток двигателя iм, поддерживаемый энергией, запасенной в индуктивности L1, замыкается через диод VD. Поскольку в контур не поступает энергия извне, ток iм убывает.  Величину прикладываемого к двигателю напряжения можно регулировать.

Возможны следующие варианты импульсного управления:

1. период T=const, изменяется время проводящего состояния ключа t1.  Такое управление называется широтно-импульсным;
2. время проводящего состояния ключа остается неизменным t1=const, изменяется период Т. Такое управление называется частотно-импульсным;
3. изменяются время проводящего состояния t1 и период импульсного регулирования Т. Такое управление называется смешанным.

Но для того чтобы схемы импульсного управления были работоспособными, необходимо выполнить следующие требования:

1. источник питания должен быть безиндуктивным;
2. ключ должен работать с большой частотой, так как при низкой частоте необходима громоздкая индуктивность L;
3. ключ должен обладать способностью коммутировать большие токи. Для соблюдения первого условия необходимо источник питания, т.е. контактную сеть, обладающую индуктивностью, шунтировать емкостью. Для уменьшения пульсации тока в контактной сети и снижения радиопомех на входе импульсного преобразователя включают дополнительную индуктивность. Таким образом, получается входной индуктивно-емкостной фильтр.

В качестве ключа «К» применяется электронный ключ. Наибольшее распространение получили тиристорные ключи.

 

Использование безреостатного пуска позволяет применять ТЭД с высоколежащими характеристиками, которые могут быть выполнены на значительно большие мощности. Кроме того, это позволит повысить скорость сообщения ЭПС. При безреостатном пуске ток, потребляемый из контактной сети, повышается постепенно от весьма малого значения и только при выходе на автоматическую характеристику он достигает величины, имеющей место в контакторной системе в течение всего пуска.

Таким образом, использование безреостатного пуска и рекуперативного торможения позволит повысить скорость сообщения при одновременном значительном снижении расхода электроэнергии.

 

2 Выбор типа преобразователя и системы регулирования

 

При проектировании преобразователей рассматривалось несколько вариантов схемных решений их силовых цепей. Сравнение вариантов схемных решений производилось при условии соответствия выходных параметров преобразователей требованиям технического задания. Применительно к тяговому приводу эти требования сводятся к обеспечению:

- соответствия мощности преобразователя мощности тягового электродвигателя (ТЭД);

- необходимого диапазона изменения подводимого к ТЭД напряжения;

- необходимого диапазона изменения тока ТЭД во всём диапазоне скоростей;

- ограничение величины выходного тока преобразователя на уровне пускового тока ТЭД;

- защиты ТЭД от перенапряжений при скачкообразном изменении входного напряжения;

- помехозащищённости.

При удовлетворении перечисленным выше требованиям преобразователи сравнивались по показателям:

- надёжности;

- массогабаритным;

- стоимостным;

- минимальных эксплуатационных расходов и т.д. 

Надёжность работы силовых цепей преобразователя, как и любого другого изделия, определяется не только количеством входящих в них элементов, но и режимом их работы.

 

Для ЭПС городского транспорта системы широтно-импульсного (смешанного) и частотно-импульсного регулирования равноценны по весу, габаритам и стоимости конденсаторов и дросселей. Широтно-импульсный преобразователь имеет более сложную систему управления, но несмотря на это, выберем систему широтно-импульсного регулирования, так как частота коммутации остается постоянной, что позволяет более эффективно использовать входной LC – фильтр.

При этом способе регулирования в цепь двигателя подаются импульсы напряжения постоянного тока продолжительностью tи с периодом их подачи T, частота подачи импульсов f =1/Т=const остается постоянной, а изменяется продолжительность подачи импульсов tи.

Схема ключа широтно-импульсного преобразователя представлена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 – Электрическая схема ключа широтно-импульсного преобразователя

 

Ключ, осуществляющий коммутацию тока, состоит из основного управляемого тиристора VS1, диода перезаряда VD, емкости С и индуктивности L колебательного контура. Напряжение в цепь двигателя подаётся включением основного тиристора VS1. Емкость С и индуктивность L служат для создания колебательного процесса, благодаря которому происходит перезаряд емкости, необходимый для запирания основного тиристора VS1. Вспомогательный тиристор VS2 обеспечивает выключение главного тиристора VS1 в нужный момент.

 

Следует также отметить, что троллейбус имеет один тяговый электродвигатель, но величина максимального тока двигателя в момент пуска такова, что рациональнее применить схему двухфазного питания.

3. Проектирование и расчет силовой части преобразователя
1. Принципиальная схема электрической цепи

 

Принципиальная электрическая схема силовой цепи тягового привода с широтно-импульсной модуляцией представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Электрическая схема силовой цепи тягового привода с широтно-импульсной модуляцией

 

При использовании двухфазной схемы питания появляется возможность применения общего узла емкостной коммутации, при котором исключается стадия подготовительного перезаряда коммутирующего конденсатора и использование одного конденсатора для запирания главных тиристоров двух фаз.

Рассмотрим принцип работы преобразователя. Диаграммы мгновенных значений токов и напряжений представлены на рисунке 3.2.

Рисунок3.2 - Диаграммы мгновенных значений токов и напряжений

 

Пусть в исходном состоянии (до момента времени t0) тиристор VS1 находился в проводящем состоянии, коммутирующий конденсатор С был заряжен так, что левая его обкладка имела положительный потенциал, а правая – отрицательный. В момент времени t0 отпираются гасящие тиристоры VS4 и VS5 и к тиристору VS1 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярностью. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор, полярность которого к моменту времени t1 становится противоположной по отношению к моменту времени t0, но такой же величины (равной напряжению источника питания). В момент времени  t2 отпирается тиристор VS2 и ток нагрузки начинает протекать через него. В момент времени t3 отпираются гасящие тиристоры VS3 и VS6 и к тиристору VS2 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярностью. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор, полярность которого к моменту времени t4 становится противоположной по отношению к моменту времени t3, но такой же величины (равной напряжению источника питания). В момент времени t5 отпирается  тиристор VS1 и ток нагрузки начинает протекать через него. В момент времени t6 отпираются гасящие тиристоры VS4 и VS5 и к тиристору VS1 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярностью. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор. Далее процессы в электрических цепях повторяются. Период регулирования в каждой фазе определяется интервалом времени t6-t0, а период потребления тока от источника питания – интервалом времени t3-t0= t6-t3=Тр/2. Таким образом, пульсация тока, потребляемого от источника питания, имеет двойную частоту по отношению к частоте тока, протекающего в фазах.

Для предотвращения срыва преобразователя необходимо использовать цепи ускоренного перезаряда. На рисунке 3.3 приведён вариант схемного решения с цепями ускоренного перезаряда.

Рисунок 3.3 - Электрическая схема силовой цепи тягового привода

 

Отличительной особенностью работы преобразователя является то, что при запирании тиристора VS1 по истечении схемного времени, определяемого интервалом  t1-t0, напряжение на обкладках конденсатора не снизилось до нуля, как это было бы при протекании максимального тока. Поэтому в момент времени  t1 отпирается тиристор VS7 цепи ускоренного перезаряда, что приводит к форсированию процесса. В момент времени t2 протекание тока в цепи ускоренного перезаряда прекращается, тиристор VS7 запирается, а конденсатор С дозаряжается до напряжения источника питания по той же цепи, которая образовалась при отпирании тиристоров VS4 и VS5 в момент времени t0. Аналогично работает цепь ускоренного перезаряда при запирании тиристора VS2, с той лишь разницей, что отпирание тиристора VS8 осуществляется в момент времени t6.

Рисунок 3.4 - Электрическая схема силовой цепи тягового привода

 

Примечательной особенностью работы рассмотренного преобразователя является то, что на начальной стадии пуска подвижного состава, когда в цепи двигателя должен протекать малый ток, главные тиристоры фаз можно не включать, а питание ТЭД осуществлять только поочерёдным отпиранием пар гасящих тиристоров.

Схема преобразователя может быть упрощена за счёт исключения из него цепей главных тиристоров фаз. При этом роль главного тиристора в первой фазе будут выполнять тиристоры VS1 и VS3, а роль главного тиристора второй фазы – тиристоры VS2 и VS4. Схема цепей такого преобразователя приведена на рисунке 3.4.

 

Рассмотренная схема цепей двухфазного широтно-импульсного преобразователя предназначена в большей степени для подключения общей нагрузки, как это показано. В этом случае ток в каждой фазе преобразователя может протекать почти весь период регулирования.

 

Следует также отметить, что в данном случае, тиристоры не полностью управляемые и для их отпирания достаточно подать сигнал на управляющий электрод, а для запирания – специальное устройство: узел коммутации.

В настоящей работе, использовалась наиболее распространенная, емкостная коммутация тиристорного ключа. То есть запирание тиристоров происходило за счет прикладывания к нему напряжения обратной полярности.

 

3.2 Расчет и выбор элементов преобразователя

 

Для того чтобы выбрать элементы преобразователя необходимо изначально определить тип подвижного состава (ПС) и тягового электрического двигателя (ТЭД).

 

Зная, что подвижным составом является троллейбус, вместимостью 75 пассажиров выбираем тип электроподвижного состава и соответствующий тяговый электродвигатель.