ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

Факультет «Електрифікація залізниць» кафедра «Електротехніка та електромеханіка»

Спеціальність «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод»

ЗАТВЕРДЖУЮ зав. кафедри

__________________________

"______" ____________2013 р.

ЗАВДАННЯ

до дипломного проекту студента

Кольцова Олексія Володимировича

1. Тема проекту (роботи):

«Проектування випробувальної станції тягових двигунів».

НДРС: «Дослід роботи тягових двигунів пульсуючого струму»

затверджена наказом по університету №_________ від "______" ____________________20___ р.

2. Термін подання студентом закінченого проекту – 03.06.2013р.

3. Вихідні дані до проекту (роботи).

Максимальна потужність 900кВт при напрузі 1500В на колекторі.

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань до розробки).

1. Вступ. 2. Аналіз схеми та вибір основних параметрів машин стенда. 3. Аналіз схеми стенда у варіанті з електромеханічними перетворювачами. 4. Дослідження перехідних процессів в силових колах системи 5. Модернізація стенда з використанням статичних перетворювачів. 6. НДРС. 7. Техніко-економічний розрахунок. 8. Охорона праці. БЖД. 9. Висновки.

5. Перелік креслень (з переліком обов’язкових креслень).

1. Принципова монтажна схема (1 аркуш). 2. Параметри та габаритні розміри напівпровідникових елементів ВДП та ЛП і їх охолоджувачів (1 аркуш). 3. Схема со статичними перетворювачами (1 аркуш) 4. Графіки перехідних процесів (1 аркуш). 5. Схема захисту станції (1 аркуш). 6. Функціональна схема взаємного навантаження. (1 аркуш) 7. Монтажна схема стенда взаємного навантаження. (1 аркуш). 8. Принципова схема стенду для випробування двигунів пульсуючого струму. (1 аркуш).

6. Консультанти (з назвами розділів)

Розділ	Консультант	Підпис, дата
		Завдання видав	Завдання прийняв
Економічна частина Охорона праці / БЖД

7. Дата видачі завдання – 04.02.2013р.

Керівник дипломного проекту (роботи)

(підпис)

Завдання прийняв до виконання

(підпис)

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№ п/п	Назва розділу дипломного проекту	Термін виконання розділу проекту (роботи)	Примітка
1	Пункт 1 – 5%	04.02.2013 – 10.02.2013р.
2	Пункт 2 – 10%	11.02.2013 – 17.02.2013р.
3	Пункт 3 – 15%	18.02.2013 – 03.03.2013р.
4	Пункт 4 – 20%	04.03.2013 – 24.03.2013р.
5	Пункт 5 – 10%	25.03.2013 – 07.04.2013р.
6	Пункт 6 – 20%	08.04.2013 – 28.04.2013р.
7	Пункт 7 – 10%	29.04.2013 – 19.05.2013р.
8	Висновки – 5%	20.05.2013 – 26.05.2013р.
9	Кінцеве оформлення – 5%	27.05.2013 – 03.06.2013р	Друк записки та графічних матеріалів

РЕФЕРАТ

Дипломний проект на тему «Проектування випробувальної станції тягових двигунів» містить: 86 аркуша записки основного тексту, 5 аркушів додатків, 10 таблиць, 31 рисунок.

Мета роботи – за рахунок використання спеціальних схемних рішень забезпечити випробування на одному і тому ж стенді декількох типів електричних машин, які можуть відрізнятись по номінальній напрузі, струму та потужності.

Графічна частина виконана на 8 аркушах формату А1.

В 1-му розділі проведено аналіз схемних рішень стенда взаємного навантаження та розрахунок параметрів обраної схеми.

В 2-му розділі показано розрахунок та вибір елементів стенда взаємного навантаження для його силової частини у варіанті зі статичними перетворювачами.

В 3-му розділі проведено аналіз монтажної та принципіальної схеми взаємного навантаження.

В 4-му розділі проведено аналіз перехідних процесів силових кіл системи.

В 5-му розділі наведено результати НДРС.

В 6-му розділі наведені правила з охорони праці під час роботи на стенді взаємного навантаження.

В 7-му розділі наводиться економічна оцінка розробки стенда взаємного навантаження.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: СТЕНД ВЗАЄМНОГО НАВАНТАЖЕННЯ, ВОЛЬТОДОДАТКОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ, ЛІНІЙНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ, СТАТИЧНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ, ЕЛЕКТРИЧНА МАШИНА, ТИРИСТОР, ДІОД, ПУЛЬСУЮЧИЙ СТРУМ.

ЗМІСТ

ВСТУП 6

1 АНАЛІЗ СХЕМИ ТА ВИБІР ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ МАШИН СТЕНДА У ВАРІАНТІ З ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ 9

1.1 Аналіз схеми взаємного навантаження для випробування тягових двигунів 10

1.2 Розрахунок параметрів стенду взаємного навантаження для випробувань тягових двигунів 13

1.2.1 Вихідні дані для проектування 13

1.2.2 Розрахунок параметрів ВДМ та ЛГ 14

2 ВИБІР ОРІЄНТОВНОЇ ЕЛЕМЕНТНОЇ БАЗИ ДЛЯ СХЕМ ВИПРОБУВАЛЬНИХ СТЕНДІВ У ВАРІАНТІ ЗІ СТАТИЧНИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ ТА ЇХ ОХОЛОДЖУВАЧІВ 16

2.1 Вибір напівпровідникових елементів ВДП та ЛП і їх охолоджувачів 17

2.2. Вибір охолоджувачів 23

3 ФУНКЦІОНАЛЬНА ТА МОНТАЖНА СХЕМИ СТЕНДУ ВЗАЄМНОГО НАВАНТАЖЕННЯ 28

3.1 Функціональна схема стенду взаємного навантаження 28

3.2 Монтажна схема стенду взаємного навантаження 30

4 ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕССІВ В СИЛОВИХ КОЛАХ СИСТЕМИ 31

4.1 Основні положенні при дослідженні перехідних процесів 31

4.2 Результати моделювання перехідних процесів 32

4.3 Висновок 35

5 НДРС. ТЯГОВІ ДВИГУНИ ПУЛЬСУЮЧОГО СТРУМУ 35

5.1. Особливості живлення і загальна характеристика системи 35

5.2. Пульсація магнітного потоку 39

5.3. Магнітні потоки в зоні комутації 42

5.4 Особливості комутації і ЕРС у комутованому контурі 46

5.5. Поліпшення комутації удосконаленням конструкції 50

5.7. Особливості потенціальних умов на колекторі 59

5.8. Пульсаційні втрати у двигунах пульсуючого струму 60

5.9. Особливості обертаючого моменту двигунів пульсуючого струму 61

63

6 ОХОРОНА ПРАЦІ 64

6.1. Організація робочого місця 64

6.2. Освітлення робочого місця. 65

6.3. Техніка безпеки при проведенні випробувань. 68

6.4. Пожежна безпека. 71

6.6 Висновок до розділу охорона праці 73

7 ЕКОНОМІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ВПРОВАДЖЕННЯ ТИРИСТОРНОГО ВИПРЯМНОГО ПРИСТРОЮ 74

7.1. Загальна характеристика 74

7.2. Капітальні вкладення 75

7.3. Експлуатаційні витрати 77

7.3.1 Розрахунок експлуатаційних витрат до та після модернізації. 77

7.3.2 Розрахунок витрат на заробітну плату працівників, які обслуговують випробувальний стенд до і після модернізації 77

7.3.4 Розрахунок вартості втрат електроенергії до модернізації 79

7.3.5 Розрахунок амортизаційних відрахувань після модернізації 79

7.3.6 Розрахунок вартості втрат електроенергії після модернізації 79

_{7.3.7 Розрахунок експлуатаційних витрат до модернізації} 79

7.3.8 Розрахунок експлуатаційних витрат після модернізації 80

7.4 Срок окупності модернізованої системи живлення стенду 80

7.5. Висновок до економічного аналізу 81

ВИСНОВКИ 81

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК 82

СПИСОК ГРАФІЧНИХ РОБІТ 85

ДОДАТОК A 86

ВСТУП

Важкі умови експлуатації, граничне виконання, вимоги високої надійності для виконання умов безпеки руху та своєчасної доставки пасажирів і вантажів, необхідна стабільність та ідентичність характеристик вимагають доскональною системи контролю якості та випробувань на всіх етапах конструювання тягових електричних машин. На підставі ГОСТ 2582-81 тягові електричні машини проходять такі види випробувань:

1) Кваліфікаційні. Їх проводять при створенні нових типів електричних машин, а також при освоєнні виробництва новим виробником. Ці випробування дозволяють визначити абсолютно всі параметри та характеристики нової машини, з'ясувати стійкість її роботи сталих і перехідних процесах.

2) Приймально-здавальні. Ці випробування проходить кожна електрична машина. У процесі їх проведення з'ясовують, чи придатна дана машина після виготовлення або проходження ремонту для експлуатації, чи відповідають її параметри та характеристики паспортним даним. Основна і найголовніше завдання приймально-здавальних випробувань полягає в перевірці працездатності зібраного двигуна. При цьому вимірюється опір обмоток в холодному не робоче стані; перевіряють нагрів обмоток, а також частоту обертання якоря в різних напрямках при номінальних значеннях напруги, випробування проводиться також при підвищеній частоті обертання, перевіряється биття колектора, комутацію і рівень вібрації машини.

3) Типові. Типові випробування проводяться для встановлення номінальних потужностей та граничних даних електродвигунів, отримання їх типових характеристик і докладної перевірки працездатності. Випробування проводять для машин нових типів, за умов зміни в конструкції, матеріалах, технології виготовлення машин, в тому випадку, якщо ці зміни можуть змінити або вплинути на характеристики, номінальні та граничні дані.

Кількість піддослідних двигунів виробник обговорює з замовником. При

типових випробуваннях попередньо для тих же машин виконують програму приймально-здавальних випробувань. Проводять випробування на нагрівання при тривалій або повторно-короткочасної потужності, теплові випробування в генераторному режимі двигунів, призначених для е.п.с. з електричним гальмуванням. Проводять пускові випробування, випробування на відновлення живлячої напруги, визначають криві загасання головного і комутуючого магнітних потоків, проводять випробування вологостійкості і вибропрочности, а також визначають масу машини.

4) Періодичні. Періодичні випробування машин серійного виготовлення проводять один раз на два роки або на вимогу замовника щорічно для перевірки незмінності характеристик і номінальних даних, вони повторюють програму кваліфікаційних випробувань. Про число машин, що випробовуються виробник домовляється з замовником.

5) Ресурсні випробування проводяться з метою перевірки надійності та оцінки ресурсу працездатності машини. Випробування проводять у випадках, якщо в конструкцію, технологію або матеріали машини були внесені зміни впливають на ресурс. У ході цих випробувань визначається ресурс вузлів і деталей до їх ремонту.

    Найбільше поширення на станціях для випробування тягових електромашин отримала схема взаємної навантаження з використанням так званих Вольтододаткові машини (ВДМ) і лінійного генератора (ЛГ).

Заміна існуючих електромашинних перетворювачів на статичні, доцільність чого на сьогоднішній день майже не викликає сумнівів, проте, вимагає чіткого визначення основних параметрів як самих перетворювачів так і підбираємих джерел електроживлення.

Варто відзначити, що сучасний стан напівпровідникової техніки дозволяє замінити не тільки електромеханічні збудники, а й самі ВДМ і ЛГ. При цьому зникає необхідність у приводних асинхронних двигунах. Особливість колишньої схеми з використанням обертових перетворювачів полягає в тому, що в якості вольтододаткові машини та лінійного генератора, як правило, використовуються однотипні (або близькі за параметрами) з випробуваними електромашини, номінальні потужності яких значно перевищують необхідні для випробування. З одного боку це знижує к.к.д. випробувань, а з іншого боку - дає дуже великий запас по перевантажувальної здатності джерел живлення. Здатність вольтододаткові машини та лінійного генератора переходити в режим двигуна, надає сприятливу демпфірующу дію на роботу всієї схеми при перехідних процесах. Лінійний генератор, що приводиться в обертання асинхронним двигуном, по суті, є стабілізатором напруги живлення. При використанні статичних перетворювачів електромеханічні перехідні процеси будуть протікати трохи інакше, можливі значні перевантаження джерел живлення по струму і зворотному напрузі. Це все має бути враховано при виборі типових параметрів напівпровідникових джерел живлення.

Оскільки потужність сучасних тягових електричних машин вимірюється сотнями кіловат, а час випробувань цих машин годинами, то доцільним є розробка схем та методів випробування, які б дозволили скоротити витрати електричної енергії при їх проведенні. Одним з шляхів покращення техніко-економічних показників являється уніфікація випробувального обладнання. У більшості випадків за рахунок використання спеціальних схемних рішень є можливість випробування на одному і тому ж стенді декількох типів електричних машин, які можуть відрізнятись по номінальній напрузі, струму, потужності. Такий підхід дозволяє зменшити кількість і обслуговування випробувальних стендів на виробництві та ремонтних депо. Саме тому у своєму дипломному проектуванні я займатимусь розробкою стенда взаємного навантаження для випробування тягових двигунів.

1 Аналіз схеми та вибір основних параметрів машин стенда у варіанті з електромеханічними перетворювачами

1.1 Аналіз схеми взаємного навантаження для випробування тягових двигунів

Розрізнюють дві можливі системи випробувань електричних машин:

- систему безпосереднього навантаження.

- систему взаємного навантаження.

Перша система добре відома. У цьому випадку двигун, який випробо­вується, одержує електроенергію потрібної якості від мережі, а його вал че­рез муфіу з’єднаний з генератором, що виробляє електроенергію, яка гаси­ться в навантажувальному резисторі. Зміна режиму роботи двигуна здійснюється регулюванням значення опору навантажувального резистора, а також збудження генератора. Ця дуже проста система характеризується великими витратами електроенергії і в промислових умовах використо­вується тільки для випробування машин порівняно невеликої потужності.

Принцип роботи другої системи полягає в тому, що, як і при безпосе­редньому навантаженні, випробуваний двигун з’єднаний з іншою машиною генератором, електроенергія якого надходить назад у двигун. Таким чином, відбувається взаємне навантаження двигуна генератором, а генератора - двигуном. Схемних рішень цієї системи дуже багато, але в практиці найбільше розповсюдження дістала система взаємного навантаження з вольтододатковою машиною (ВДМ) і лінійним генератором (ЛГ) (рис. 1.1). Доцільно, щоб обидві машини послідовного збудження МІ і M2 були однаковими, що суттєво спрощує одержання і обробку експериментальних даних. Компенсація електричних втрат у системі двигун (М1) - генератор (M2) здійснюється ВДМ, а втрат холостого ходу - магнітних і механічних –

ЛГ, які мають незалежне збудження з живленням від збуджу­вачів відповідно G4 і G3 і приводяться в рух асинхронними двигунами AD2 і AD1. Приводні асинхронні двигуни збуджувачів G4 і G3 на схемі не показані. Збудження машин G4 і G3 регулюється за допомогою резисторів R1 і R2. Напруги ЛГ і ВДМ вимірюються вольтметрами PV1 і PV2. Струми ЛГ, ВДМ, випробуваного двигуна і шунтувального кола вимірюють амперметрами РА1, РА2, РАЗ і РА4 за допомогою шунтів RS. Обмотки збудження машин М1 і M2 - відповідно М1O3 і М2O3.

Рис. 1. Електрична принципова схема стенда взаємного навантаження

Режим ослабленого збудження здійснюється вмиканням контактора К1, коли обмотки збудження шунтуються резистором R_ш.

Контактори 1, 2, 3, 4 змінюють режим роботи машин М1 і М2, а контак­тори 5, 6, 7, 8 використовуються для зміни напрямку струму в обмотках збудження М1OЗ і М2O3, що дозволяє реверсувати М1 і М2. Частота обертів вимірюється тахогенератором (ТГ).

Поряд з малим споживанням енергії система взаємного навантаження дозволяє одночасне випробування двох машин на одному стенді без пере­микань, забезпечує просте регулювання й виключає необхідність у наванта­жувальному пристрої. До недоліків цієї системи слід віднести порівняну складність схеми стенда, нестійку роботу в деяких перехідних режимах, значні витрати часу на підготовку до випробувань. Слід одразу відзначити,

що сучасний стан напівпровідникової перетворювальної техніки дозволяє замінити електромеханічні перетворювачі статичними, причому не тільки машини G3 і G4, але і ЛГ і ВДМ. При цьому зникає необхідність і в привод­них асинхронних двигунах. Параметри статичних перетворювачів, які заміняють електромеханічні, повинні відповідати визначеним нижче пара- меграм останніх.

Оскільки генератор послідовного збудження М2 не може працювати па­ралельно з іншим генератором, його обмотку збудження М2O3 вмикають у коло струму I_д двигуна М1 послідовно з його обмоткою збудження М1OЗ.

Для того щоб одна з машин почала працювати в режимі двигуна, не­обхідно, щоб ЕРС другої машини (генератора) була більшою, ніж ЕРС дви­гуна. Найбільш зручно забезпечити генераторний режим другої машини шляхом підключення до неї послідовно спеціальної машин з незалежним збудженням ВДМ, причому ЕРС другої машини і ВДМ повинні мати одна­ковий напрямок.

Пуск стенда починається з пуску асинхронних привідних двигунів ЛГ і ВДМ, після чого збільшується напруга ЛГ - машини незалежного збуджен­ня. Потім вмикається контактор ВДМ і повільно збуджується ВДМ; її на­пруга в залежності від полярності додається до напруги ЛГ або віднімається від неї, визначаючи, яка з випробуваної пари машини М1 і М2 буде працю­вати в режимі двигуна і яка в режимі генератора. Регулюючи збудження ЛГ і ВДМ, встановлюють потрібний режим випробувань. Якщо при розімкнутому контакторі К2 підвищувати напругу на затискачах ВДМ, то це викличе появу струму в колі випробуваних машин, обмотки збудження яких ввімкнуті так, щоб їх електромагнітні моменти були направлені зустрічно після того, як струм у колі машин М1 і М2 досягне певного значення, вми­кається контактор К2 і струм ЛГ І_лг потече по колу двигуна разом з струмом генератора І _г, оскільки ЕРС машини М1 Е₁<Е₂+ Е_вдм, де Е₂ і Е_вдм - ЕРС ма­шини М2 і ВДМ відповідно. При цьому струм двигуна I_д = I_г + I_лг.

При од­накових магнітних потоках машин М1 і М2 (їх струми збудження рівні І_д) обертаючий момент двигуна М1 буде більшим за момент генератора М2 і система почне обертатись.