Курсовая работа (т): Модернизация электропоездов переменного тока с целью снижения затрат электроэнергии

Модернизация электропоездов переменного тока с целью снижения затрат электроэнергии

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

. выбор силовой схемы и способа регулирования выпрямительной установки

3. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

.1 Электромагнитные процессы на первой зоне регулирования

.2 Электромагнитные процессы на второй зоне регулирования

.3 Определение параметров элементов выпрямительной установки

. ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОЗОННОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СГЛАЖИВАЮЩЕГО РЕАКТОРА И КОМПЕНСИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ

.1 Определение параметров фильтро-компенсирующего устройства

.2 Расчет внешней характеристики преобразователя с ФКУ и двухзонным регулированием напряжения

.3 Определение параметров сглаживающего реактора

. КОНСТРУКТИВНАЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА СГЛАЖИВАЮЩЕГО РЕАКТОРА

.1 Технические данные

.2 Эскиз электромагнитной цепи

.2.1 Выбор обмотки

.2.2 Выбор магнитопровода

.2.3 Определение омического сопротивления обмотки реактора

.3 Определение активного сечения стали

.4 Тепловой расчет

.5 Технология изготовления магнитопровода

. РАСЧЕТ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ДВИЖЕНИИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПО ПЕРЕГОНУ

.1 Определение влияния внешней характеристики преобразовательной установки на характеристики тяговых двигателей

.2 Расчет и построение диаграммы удельных ускоряющих сил

.3 Построение диаграммы удельных замедляющих сил при выбеге и механическом торможении

.4 Построение кривых тока и времени

. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАМЕНЫ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ЭР9П НА ЭР9К

.1 Расчет капитальных затрат

.2 Расчет эксплуатационных расходов

.3 Эффективность внедрения нового электропоезда

. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

.1 Анализ условий труда работников. Негативные факторы производственной среды

.1.1 Вредные вещества

.1.2 Вибрации и акустические колебания

.1.3 Электромагнитные поля и излучения

.1.4 Электрический ток

.1.5 Микроклимат

.1.6 Освещенность

.1.7 Промышленная вентиляция и кондиционирование

.2 Электрический ток и электромагнитные поля

.2.1 Электромагнитные поля (ЭМП)

.3 Электробезопасность при обслуживании электропоездов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ

ВВЕДЕНИЕ

Для перевозки пассажиров на линиях пригородных сообщений предназначены электропоезда постоянного и переменного тока.

         Внедрение электрической тяги на железных дорогах СССР началось в 1926 году. С 1929 года отечественная промышленность поставляла электросекции постоянного тока C^В и С^Д.

В дальнейшем, в связи с электрификацией железных дорог на переменном токе и необходимостью повышения скоростей пригородного движения, началась разработка новых типов электропоездов.

В 1959 - 1961 годах были построены опытные электропоезда переменного тока ЭР7 с ртутными выпрямителями. Опыт эксплуатации этих поездов показал сложность их конструкции и низкую надежность работы на электроподвижном составе дорог, этих выпрямительных установок.

В 1962 году Рижский вагоностроительный завод (РВЗ) и Рижский электромашиностроительный завод (РЭЗ) освоили производство электропоездов переменного тока ЭР9 с кремниевыми выпрямителями. В настоящее время освоен выпуск новых серий электропоездов ЭР9М и ЭР9Е.

Главная особенность электропоездов переменного тока, по сравнению с поездами постоянного тока заключается в применении на каждом моторном вагоне полупроводниковой выпрямительной установки, преобразующей однофазный переменный ток промышленной частоты в постоянный (пульсирующий). Это позволяет на электропоездах переменного тока ЭР9М и ЭР9Е применять обычные коллекторные тяговые двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, имеющие оптимальные для мотор-вагонной тяги характеристики. Напряжение 25 кВ подается на первичную обмотку тяговых понижающих трансформаторов, расположенных на каждом моторном вагоне.

Трансформаторы уменьшают напряжение контактной сети до величины, наиболее выгодной для работы тяговых электродвигателей. Это позволяет регулировать напряжение, подводимое к двигателям.

Управляемые кремниевые вентили (тиристоры) открыли перспективу дальнейшего совершенствования электроподвижного состава переменного тока: создание электросекций с бесколлекторными тяговыми электродвигателями, реостатным и рекуперативным торможением, с более совершенными системами управления. Прошел эксплуатационные испытания электропоезд с принципиально новой системой реостатного торможения и самовозбуждением тяговых электродвигателей на базе тиристорно-импульсного преобразователя.

Основным направлением в развитии железнодорожного транспорта является увеличение провозной способности и повышение комфорта перевозок пассажиров, а также снижение расхода электроэнергии. Этого можно добиться путем разработки и внедрения системы плавного регулирования напряжения на тяговых электродвигателях. Существующая система регулирования напряжения на электроподвижном составе однофазного постоянного тока позволяет регулировать напряжение ступенями, что в свою очередь негативно сказывается на реализации сил тяги и комфорта перевозок.

Целью данного дипломного проекта является переход к системам с плавным регулированием напряжения, которые обеспечивают наибольший коэффициент мощности; более совершенное и простое управление скоростью подвижного состава; отсутствие жесткой связи между напряжением на электродвигателях и контактной сетью; упрощение автоматизации процессов пуска и движения поезда; улучшение условий рекуперативного торможения; увеличение силы тяги и провозной способности; повышение комфорта перевозок пассажиров; снижение эксплуатационных расходов.

Вследствие применения бесконтактных преобразователей взамен контактных коммутационных аппаратов; повышение эксплуатационной надежности и удобства управления локомотивом и электропоездом.

.        ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Наибольшее распространение на электроподвижном составе получили двигатели постоянного тока последовательного возбуждения, для которых магнитодвижущая сила пропорциональна току нагрузки.

При пуске, движении моторного вагона по перегону и электрическом торможении возникает необходимость изменять скорость и силу тяги или торможения.

Регулировать скорость движения изменением напряжения на зажимах тяговых двигателей можно в широком диапазоне: от нуля до скорости соответствующей характеристике при номинальном напряжении на двигателе. Регулирование напряжения на тяговых электродвигателях подвижного состава постоянного тока осуществляется контакторно-реостатным способом и с помощью перегруппировки тяговых электродвигателей. При этом значительно ограничено число ходовых позиций. Последовательное соединение тяговых электродвигателей значительно повышает склонность к боксованию и недоиспользованию силы тяги.

При пуске подвижного состава постоянного тока значительная часть электроэнергии расходуется в пусковых реостатах. На электропоездах постоянного тока отношение между энергией потерь в пусковых реостатах и работой совершенной электродвигателями, называемое коэффициентом потерь, равно:

•        на электропоездах серии ЭР-2 К_п=1/2;

•        на электропоездах серии ЭР-2Р К_п=1.

До выхода на автоматическую характеристику половина энергии затрачиваемой на разгон превращается в тепло на электропоездах серии ЭР-2Р и четверть энергии на электропоездах серии ЭР-2.

Наилучшие пусковые характеристики электроподвижной состав приобретает при плавном регулировании напряжения на тяговых электродвигателях, обеспечивающем наиболее полное использование максимальной силы тяги и плавный разгон.

Благодаря плавному регулированию напряжения становится более совершенным и простым управление скоростью подвижного состава, отсутствует жесткая связь между напряжением на двигателях и контактной сетью, упрощается автоматизация процессов движения поезда, улучшаются условия использования рекуперативного торможения.

Кроме того система с плавным регулированием напряжения обеспечивает следующие преимущества:

•        существенную экономию энергии для электроподвижного состава, работающего с частыми остановками, благодаря применению рекуперативного торможения до низких скоростей и устранению реостатного пуска;

•        улучшение использования сцепного веса вследствие устранения колебаний сил тяги и торможения, свойственных ступенчатому регулированию;

•        повышение жесткости характеристик в области низкой скорости и более простую защиту от нарушения сцепления;

•        позволяет стабилизировать ток и напряжение на тяговом электродвигателе независимо от напряжения в контактной сети;

•        облегчение автоматизации процессов пуска и электрического торможения, а также осуществление автоведения поездов, в результате чего улучшается использование тяговых и тормозных средств электроподвижного состава;

•        снижение эксплуатационных расходов вследствие применения бесконтактных преобразователей взамен контактных коммутационных аппаратов.

.       
ВЫБОР СИЛОВОЙ СХЕМЫ И СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

На электроподвижном составе однофазно-переменного тока имеется больше возможностей к осуществлению плавного регулирования напряжения, чем на электроподвижном составе постоянного тока.

Если мощность тяговых двигателей не велика, то регулирование напряжения осуществляется на стороне низшего напряжения. В этих схемах предусматривают переход с одной ступени на другую без разрыва силовой цепи или коротким замыканием секций обмотки трансформатора. Переходы сопровождаются мгновенным изменением напряжения, и необходимая плавность пуска достигается выбором достаточно большого числа ступеней регулирования напряжения.

Существуют схемы с активными переходными сопротивлениями, с индуктивными переходными сопротивлениями, и схемы с вентильными переходами.

Недостатки данных схем состоят в том, что в схеме с переходным активным сопротивлением часть энергии превращается в тепло и резистор рассчитан на кратковременную нагрузку.

В схеме с переходным реактором, на основных ступенях регулирования оба конца обмотки реактора присоединяются к одному выводу обмотки трансформатора. В этом случае он работает как делитель тока, распределяя нагрузку между двумя контакторами переключения ступеней. Реактор вызывает потерю выпрямленного напряжения, определяемого половиной активного и индуктивного сопротивлений его полуобмоток.

При включении реактора на смежные выводы вторичной обмотки трансформатора, реактор в этом случае работает как автотрансформатор, делящий напряжение секции пополам, и напряжение на входе выпрямителя возрастает на половину величины напряжения секции обмотки трансформатора.

При одностороннем включении реактора на вывод обмотки трансформатора в его полуобмотке возникает индуктивное падение напряжения, определяемое током нагрузки и индуктивным сопротивлением полуобмотки реактора. Индуктивное падение напряжения в реакторе во время одностороннего включения будет велико и вызовет значительную потерю напряжения. Не удастся избежать насыщения сердечника при одностороннем включении, поэтому переходной процесс включения на секцию сопровождается импульсом тока, превышающим амплитуду намагничивающего тока реактора. Такая нагрузка контактов контактора, замыкающих цепь, создает опасность их сваривания.

Наиболее перспективным направлением является плавное регулирование выпрямленного напряжения управляемыми вентилями преобразователя.

Фазовое регулирование напряжения осуществляется с помощью задержки отпирания вентилей на угол α. Коммутация тока с фазы на фазу трансформатора не совпадает с началом полупериода, а происходит со сдвигом на угол α. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения при некотором угле регулирования [5]:

где  - максимальное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В;

- частота питающей сети.

Изменением угла α осуществляется плавное бесступенчатое регулирование напряжения на тяговых двигателях, однако оно вызывает понижение коэффициента мощности электропоезда. Основная гармоника тока отстает на угол α, то есть , а коэффициент мощности [5]:

Так как

То

Следовательно, коэффициент мощности падает пропорционально выпрямленному напряжению.

Недостатком фазового регулирования напряжения является также повышенная пульсация выпрямленного тока, возникающая в результате того, что кривая выпрямленного напряжения переходит в область отрицательных значений, в которой выпрямленный ток протекает против электродвижущей силы трансформатора.

Чисто фазовое регулирование, несмотря на его простоту, не может найти применения из-за резкого ухудшения коэффициента мощности. Кроме того, при фазовом регулировании, когда коммутация тока происходит вблизи максимума напряжения, в середине полупериода время коммутации соответственно сокращается, а значение  возрастает, что вызывает увеличение электродвижущих сил, индуктируемых тяговой сетью в проводах связи, то есть увеличение мешающего влияния. Эти недостатки смягчаются при использовании плавного фазового регулирования выпрямленного напряжения между относительно грубыми ступенями напряжения трансформатора.

Основным преимуществом зонно-фазового регулирования является непрерывность процесса перехода с зоны на зону, но это достигается применением дополнительных вентилей в преобразователе.

Известно большое число вариантов схем с зонно-фазовым регулированием. Они отличатся числом зон и соотношений напряжений в зонах. Главным отличием является наличие или отсутствие контактных переключений плеч преобразователя. По этому признаку их можно подразделить на схемы с плавным регулированием с вентильным переходом, и схемы с бесконтактным регулированием.