Файл: южноуральский государственный университет (национальный исследовательский университет).pdf

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
23
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
Продолжение таблицы 3.1
Наименование параметра.
Зачение.
Ток выходной максимальный каналов №7,8
(кратковремено в течени 20 мин), А
800
КПД преобразователя при PH = 130 кВт,
80%
Интерфейс связи с микропроцессорной системой управления и диагностики
RS-485
Количество каналов связи RS-485 2
Климатическое исполнение по ГОСТ15150
У категория размещения 2
Степень зашиты от попадания пыли и воды п ГОСТ 14254
IP 21
Средняя наработка на отказ, не менее, млн. км. пробега
1,2
Срок службы ( с учетом ЗИП), не менее, лет
20
По сигналам управления поступающим из микропроцессорной системы управления и диагностики (МПСУиД), по кодовым линиям связи подключенных к преобразователю частоты происходит регулировка переменного трех фазного напряжения, по частоте и амплитуде асинхронных вспомогательных машин (электроприводов вентиляторов модулей охложденя тяговых электродвигатели )
В состав преобразователя собственных нужд в одной секции электровоза
2ЭС6 «Синара» входят ;

Шкаф зашиты;

Статический преобразователь (СТПР-1000);

Статический преобразователь (СТПР-600);

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
24
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ

Шкаф преобразователя частоты (ПЧ и ЗУ).
Структурная схема преобразователя собственных нужд приведена на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 – Структурная схема ПСН
3.2 Шкаф защиты
Шкаф защит предназначен для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений и бросков тока, а также для ограничения влияния работы инверторов на электромагнитные процессы в контактной сети и процессов в контактной сети на работу инверторов.
Шкаф защит обеспечивает отключение аппаратуры преобразователя от контактной сети с выдачей дискретного сигнала в МПСУиД при повышении

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
25
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ напряжения контактной сети выше 4000В, при этом работоспособность аппаратуры сохраняется. Время от момента обнаружения повышенного напряжения до выдачи команды на отключение не превышает 100 мс.
Шкаф защит состоит из дросселя защиты, датчика напряжения контактной сети и схемы активного подавления выбросов входного напряжения.
Кратковременные выбросы напряжения контактной сети фильтруются с помощью дросселя защиты.
При длительных выбросах напряжения датчик контактной сети формирует выходной сигнал, вызывающий срабатывание схемы активного подавления выбросов. При этом одновременно формируется сигнал на отключение быстродействующего контактора, что вызывает снятие напряжения со входа преобразователя. Величина напряжения, при котором срабатывает схема активной защиты, зависит от параметров выброса первичной сети и установлена на уровне (6-9) кВ.
3.3 Статический преобразователь СТПР 1000
Статический преобразователь СТПР1000 обеспечивает преобразование входного напряжения контактной сети в напряжение 64 В частотой 500 Гц с управляемых значением тока, поступающим в обмотки возбуждения тяговых двигателей. Выходной ток в продолжительно режиме по указанным выходам должен быть не менее 540 А. Максимальное значение выходного тока должен,быть не менее 800 А в течение 20 минут;
Работа СТПР1000 происходит следующим образом:
Входное напряжение 3000В через дроссель поступает в инвертор, построенный на IGBT - транзисторах. Управление инвертором происходит посредством оптических сигналов из центрального контроллера управления
(ЦКУ) и на выходе формируется напряжение прямоугольной формы амплитудой 3000 В частотой 2000 Ги;

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
26
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
Напряжение с инвертора поступает на трансформатор Т1, который обеспечивает гальваническую развязку понижение напряжения и передачу его по трем каналам на панель выпрямителей.
Два управляемых выпрямителя аналогично преобразуют прямоугольное напряжение в напряжение с управляемым значением тока для электропитания обмоток возбуждения ОВ1 и ОВ2 и один неуправляемый выпрямитель преобразует напряжение для резервного электропитания с выходным напряжением 600 В.
3.4 Статический преобразователь СТПР 600
Статический преобразователь СТПР 600 обеспечивает преобразования постоянного входного напряжения 3000В в напряжение постоянного тока 600в для питания преобразователей частоты и системы микроклимата кабины машиниста
Информация о входных и выходных токах и напряжениях СТПР 600 поступает в центральный контроллер управления МПСУиД. По этой информации в МПСУиД обеспечивается регулирование выходного напряжения изменением подключения транзисторов в радиаторе транзисторов.
3.5 Шкаф ПЧ и ЗУ
Шкаф преобразования частоты предназначен для питания электропитание вентиляторов обдува тяговых двигателей и турбокомпрессора, устройств отопления и кондиционирования воздуха кабины машиниста, цепей управления и освещения, а также заряда аккумуляторной батареи.
Для этого в шкафу размещены три преобразователя частоты ПЧ 30 кВт, обеспечивающие преобразование постоянного напряжения 600В в регулируемое по частоте и амплитуде напряжение 380В 50 Гц

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
27
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
Преобразователь частоты обеспечивает;

Плавный разгон при пуске

Длительную работу асинхронных двигателей с регулированием выходного напряжения по амплитуде и частоте в диапазоне

Преобразование постоянного напряжения 600 в переменное трехфазное напряжение 380 В+: 5 %, и частотой (5-70) Гц+ 5 %;
Организации управления преобразователя частоты и контроля их состояния осуществляется по кодовой магистрали из МПСУиД. МПСУиД управляет подключением трех ПЧ, транслирует величину частоты выходного напряжения каждого ПЧ пульт машиниста электровоза .

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
28
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
4 ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРА
МОДУЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЙ
4.1 Условии выбора двигателя
В модуле охлаждения тяговых электродвигателей стоит двигатель рДМ160LB4. Который в ходе проведённой модернизации тяговых электродвигателей электровоза не может обеспечить достаточны поток охлаждающего воздуха. Вследствие чего происходит повышенный нагрев тяговых двигателей и вспомогательных электромашин расположенных в кузове электровоза.
На электровозе 2ЭС6 «Синара» установлен частотный преобразователь входящий в состав преобразователя частоты он обеспечивает плавный пуск привода вентилятора модуля охлаждения тяговых двигателей.
Наличие частотного преобразователя на электровозе позволяет выбрать и асинхронный электродвигатель. Который обеспечивает хорошую надежность и отказа устойчивость в работе. Также при меньших габаритах сможет обеспечит большую мощность и при меньших затратах
Для обеспечения достаточного охлаждающего потока новый электродвигатель привода вентиляторов должен обеспечивать в два раза большие показатели производительности охлаждающего воздуха и иметь больший напор воздуха, чем у предшественника при схожих габаритных размерах.
Двигатель рДМ160LB4 обеспечивал производительность охлаждающего воздуха не мене 6000м
3
/ч, при этом напор подающего воздуха равен 1500Па.
Параметры модуля охлаждения сведены в таблице 1.2

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
29
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
При выборе электропривода мы буде выбирать электропривод исходя из условий что он должен обеспечивать производительность не менее 12000 м
3
/ч.
При напоре воздуха не менее 3000Па. Такие показатели должны обеспечить хорошее охлаждение тяговых электродвигателей и электроаппаратов установленных в кузове электровоза.
4.2 Выбор электродвигателя
Для выбора электродвигателя нам необходимо узнать мощность необходимую на валу электродвигателя, для вращения крылатки (колеса) привода вентиляторов. Она определяется работой, затрачиваемой на разгон и транспортировку воздуха и вычисляются по формуле:
????
ЭД
=
????∙????
????
1000∙????
????
,
(4.1) где Q –производительность, м
3
/с;
Н
В
– напор вентилятора, Па;
η
В
– КПД из каталога для ориентировочного расчета осевого вентилятора (0,3
– 0,6) принимаем η
В
=0,4.
Подставляем числовые значения в формулу
????
ЭД
=
12000 ∙ 3000 1000 ∙ 0,6
= 21,6кВт.
По полученной мощности выбираем привод вентилятора охлаждения модуля. Также должна совпадать данные скорость вращения вентилятора и производительность использованного при расчетах и выбранного по каталогу электродвигателя.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
30
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
По каталогу электродвигателей выбираем асинхронный двигатель рДМ180М2 короткозамкнутым ротором выпускаемый с 2018 года. Выбор электродвигателя обусловлен схожими габаритными размерами что позволит не внося сильных в конструкцию модулей охлаждений тяговых электродвигателей
Так же он обеспечивает необходимую производительность системы охлаждения и напор воздуха который он подает воздуха
Технические характеристики двигателя сведены в таблицу 4.1
Таблица 4.1 – Технические характеристики асинхронного электродвигателя с коротко замкнутым ротором рДМ180М2
Наименование параметра
Значение
Номинальная мощность электродвигателя , кВт
22
Напряжение питания электродвигателя, В
3х380
Частота напряжения питания, Гц
50
Синхронная частота вращения двигателя, об/мин
3000
Номинальное скольжение %
1,4
Номинальный ток статора, А
50
Коэффициент мощьности
0,74
КПД элекрдвигателя,%
90
Кратность пускового тока,
8
Кратность пускового момента
2,1
Кратность максимального момента
1,7

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
31
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
4.3 Расчет характеристик двигателя
Для определения естественной й характеристики двигателя произведем расчеты и поданным расчетов построим характеристики
Находим синхронную угловую частоту вращения двигателя
ω
0
=
π∙n
0 30
,
(4.2) где
????
0
– синхронная частота вращения.
Подставляем числовые значения в формулу.
ω
0
=
3.14∙3000 30
=314
рад с
Находим номинальную частота вращения двигателя n
дв.ном
=(1-δ
Н
)∙n
0
;
(4.3)
ω
дв.ном
=
(1-δ
Н
)∙ω
0
,
(4.4)
где
????
Н
– номинальное скольжение двигателя.
Подставляем числовые значения в формулу. n
дв.ном
=(1-0.014)∙3000 = 2958 об мин
;
ω
дв.ном
=(1-0,0014)∙314 = 309,604 рад с
Находим номинальный момент двигателя
M
дв.ном
=
P
дв.ном
∙10 3
ω
дв.ном
,
(4.5) где P
дв.ном
– номинальная мощность двигателя.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
32
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
Подставляем числовые значения в формулу
M
дв.ном
=
22∙10 3
309,604
= 71.06 H
M
Находим ток холостого хода асинхронного двигателя
I
0
=√
I
11 2
-(p. ∙I
1H
∙(1-δ
H
)/(1-p.∙δ
H
))
2 1-(p.∙(1-δ
h
)/(1-p.∙δ
H
))
2
,
(4.6) где
????
1????
– номинальный ток статора двигателя;
????
11
– ток статора двигателя при частичной загрузке.
Находим номинальный ток статор двигателя
I
1H
=
P
H
3∙U
ф
∙cos
φH
∙η
H
(4.7)
Подставляем числовые значения в формулу
I
1H
=
22000 3∙220∙0.74∙0,855
= 52,68 А, где cos
????
????
– коэффициент мощности;
????
????
= ????
????
= 0.855 – КПД при частичной загрузке.
Находим ток статора двигателя при частичной нагрузке.
I
11
=
p. ∙P
H
3∙U
ф
∙cos
φp.
∙η
p.
(4.8) где cos
φ
p.
=0,98∙cos
φ
H
=0,98∙0,74=0,725 – коэффициент мощности при частичной нагрузке; p
=
????
????
????
= 0.75 – коэффициент загрузки двигателя.
Подставляем числовые значения в формулу

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
33
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
I
11
=
0,75 ∙ 22000 3 ∙ 220 ∙ 0,725 ∙ 0,855
= 40,33 А.
Подставляем числовые значения в формулу (4.6)
????
0
= √
40.33 2
− (0.75 ∙ 52,68 ∙ (1 − 0,014)/(1 − 0,75 ∙ 0,014))
2 1 − (0,75 ∙ (1 − 0,014)/(1 − 0,75 ∙ 0,014))
2
= 19,81 А.
Из формулы Клосса определим соотношение для расчета критического скольжения. В первом приближении принимаем β=1 (коэффициент, характеризующий соотношение активных сопротивлений статора и ротора):
δ
K
= δ
H
∙
k
max
+ √k
max
2
-
(1 - 2 ∙ δ
y
∙ β ∙ (k
max
- 1))
1
- 2 ∙ δ
H
∙ β ∙(k
max
- 1)
,
(4.9) где k
max
– кратность максимального момента (k
max
=1,7).
Подставляем числовые значения в формулу
????
????
= 0,014 ∙
1,7 + √1,7 2
− (1 − 2 ∙ 0,014 ∙ 1 ∙ (1,7 − 1))
1 − 2 ∙ 0,014 ∙ 1 ∙ (1,7 − 1)
= 0,345 о. е.
Далее определяем ряд промежуточных коэффициентов
C
1
=1+
I
0 2 ∙ k
1
∙ I
1H
;
(4.10)
A
1
=
m ∙
4U
ф
2
∙ (1 - δ
H
)
2 ∙ C
1
∙ k
max
∙ P
H
,
(4.11)
где
????
1
– кратность пускового тока; (
????
1
= 8);
????
????????????
– кратность максимального момента (????
????????????
= 1.7).
Подставляем числовые значения в формулу
C
1
= 1+
19,81 2
∙ 8 ∙ 52,68
=
1,02;

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
34
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
A
1
=
3
∙ 220 2
∙ (1 - 0.014)
2
∙ 1.02 ∙ 1.7 ∙ 22000
=
1.876.
Определяем активное сопротивление ротора, приведённое к обмотки статора.
R
2
=
A
1
(β +
1
δK
) ∙ C
!
(4.12)
Подставляем числовые значения в формулу
R
2
=
1.876
(1+
1 0.345) ∙ 1.02
= 0.471 Ом.
Активное сопротивление статорной обмотки
R
1
=C
1
∙R
2
∙β.
(4.13)
Подставляем числовые значения в формулу
R
1
=1.02
∙ 0.471 ∙ 1=0.48 Ом.
Определим параметр γ, который позволяет найти индуктивное сопротивление короткого замыкания
γ=√
1
δ
К
2
- β
2
(4.14)
Подставляем числовые значения в формулу
γ=√
1 0,345 2
-1 2
= 2,72.
Тогда сопротивление короткого замыкания найдем по формуле
X
KH
=γ∙С
1
∙R
2

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
35
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
Подставляем числовые значения в формулу
X
KH
=2.72
∙ 1.02 ∙ 0.471 = 1.307 Ом.
Для того, чтобы выделить из индуктивного сопротивления короткого замыкания сопротивления рассеивания фаз статора и ротора, воспользуемся соотношениями, которые справедливы для серийных асинхронных двигателей.
Индуктивное сопротивление рассеивания роторной обмотки, приведенное к статорной
X
2
=
0,58
∙
X
KH
C
1
(4.15)
Подставляем числовые значения в формулу
X
2
=
0,58 ∙ 1.307 1.02
= 0.743 Ом.
Индуктивное сопротивление рассеяния статорной обмотки
????
1
= 0,42 ∙ ????
????????
(4.16)
Подставляем числовые значения в формулу
X
1
= 0,42 ∙ 1.307 = 0.548 Ом.
ЭДС ветви намагничивания, наведенная потоком воздушного зазора в обмотке статора в номинальном режиме;
E
m
= √(U
ф
∙ cos
φ
H
-
R
1
∙
I
1H
)
2
+ (U
ф
∙ √1 - cos
φ
H
2
- X
1
∙ I
1H
)
2
(4.17)
Подставляем числовые значения в формулу
E
m
=√(220
∙ 0.725 - 0.48 ∙ 52.68)
2
+ (220 ∙ √1-0.725 2
- 0.548 ∙ 52.68)
2
= 134.67 B.
Тогда индуктивное сопротивление намагничивания определится как;

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
36
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
X
μ
=
E
m
I
0
(4.18)
Подставляем числовые значения в формулу
X
μ
=
134.67 19.81
= 6.79 Ом.
По найденным значениям С
1
, R
2
и Х
KH
определим критическое скольжение
δ
k1
=
C
1
∙ R
2
√R
1 2
+ X
KH
2
(4.19)
Подставляем числовые значения в формулу
δ
k1
=
1.02 ∙ 0.471
√0.471 2
+ 1.307 2
= 0.345.
Индуктивность рассеяния статорной обмотки
L
1
=
X
1 2
∙ π ∙ f
1н
(4.20)
Подставляем числовые значения в формулу
L
1
=
0.548 2 ∙ 3.14 ∙ 50
= 1.74 ∙ 10
-3
Гн.
Индуктивность рассеяния роторной обмотки, приведенной к статорной
L
2
=
X
2 2
∙ π ∙ f
1н
(4.21)
Подставляем числовые значения в формулу
L
2
=
0.743 2
∙ 3.14 ∙ 50
=
2,36 ∙ 10
-3
Гн.
Индуктивность ветви намагничивания
L
μ
=
X
μ
2
∙ π ∙ f
1н
(4.22)

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
37
ЮУрГУ-13.03.02.2019.140.01ПЗ
140604.2015.204.00.00ПЗ
Подставляем числовые значения в формулу.
L
μ
=
6,79 2
∙ 3.14 ∙ 50
= 0.021 Гн.
4.4 Постройка характеристик
Для построения естественной механической характеристики двигателя определим критический момент машины в двигательном режиме.
М
к
=
m
∙ U
ф
2 2 ∙ ω
0
∙
С
1
∙
[ R
1
+ √ R
1 2
+ X
кн
2
]
(4.23)
Подставляем числовые значения в формулу
М
к
=
3
∙ 220 2
2
∙ 314 ∙ 1,02 ∙ [0,48 +√0,48 2
+ 1,307 2
]
=
406,52 Нм.
Задавая диапазоном скольжения от 1 до 0, строим механическую характеристику асинхронного двигателя по формуле Клосса
M
(δ)
=
2
∙ M
к
∙ (1 + a ∙ δ
к
)
δк
δ
+
δ
δк
+ 2 ∙ a ∙ δ
к
;
(4.24) где a=
R
1
R
2
=
0.48 0.471
= 1.02
Подставляем числовые значения в формулу
При скольжении ровным 1