Содержание
Введение
7
1 Исследование статистики отказов АВМ электровозов типа ВЛ85
10
2 Анализ факторов эксплуатационной надѐжности АВМ электровозов
серии ВЛ85 и обзор технических средств, ведущих к еѐ повышению
17
2.1 Условия работы АВМ электровоза типа ВЛ85
17
2.2 Основные технические требования к электрическим машинам
вспомогательного привода
24
2.3 Влияние эксплуатационных условий на надѐжность электрических
машин вспомогательного привода
25
2.4 Обзор технических решений по внедрению новых источников
питания АВМ на ЭПС
28
2.5 Выбор системы преобразования и еѐ техническая характеристика
34
3 Расчѐт основных технических параметров системы вспомогательных
машин электровоза ВЛ85
38
3.1 Характеристика системы вспомогательного привода электровоза
ВЛ85
38
3.2 Исследование и анализ технических параметров АВМ серий
АНЭ225L4 и 4ТТ63/10
45
3.3 Характеристика режимов работы двигателей вспомогательного
привода
50
3.4 Моделирование частотно-регулируемого асинхронного привода
вентилятора и разработка технического средства
Изм
Лист
№ документа
Разраб.
Проверил
Гарев Н.Н.
Худоногов А.М.
Н. контроль
Малова М.В.
Утвердил
Макаров В.В.
Подпись
Дата
52
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Разработка стабилизированного источника питания с частотным
управлением асинхронными вспомогательными машинами электровоза
серии ВЛ85
Литера
Лист
4
ИрГУПС
ЭПС06-1
Листов
123
3.5 Схемная реализация проектируемого источника питания АВМ
электровоза
58
4 Проектирование преобразователя
60
4.1 Проектирование полууправляемого выпрямителя
61
4.2 Проектирование инвертора
69
4.3 Проектирование системы управления выпрямителем
79
4.4 Проектирование системы управления инвертором
82
5 Модернизация схемы электровоза ВЛ85
89
5.1 Модернизация цепей ОСН электровоза ВЛ85
89
5.2 Модернизация цепей управления вспомогательными машинами
90
5.3
Работа
модернизированной
системы
цепей
управления
вспомогательными машинами
92
6 Безопасность и экологичность разработанного источника питания
94
6.1 Основные опасные и вредные факторы, воздействующие на
работников локомотивных бригад
94
6.2 Нормирование шума
96
6.3 Воздействие вибраций на организм человека
98
6.4 Влияние электромагнитных полей на организм человека
100
6.5 Нормирование электромагнитных полей
101
6.6 Безопасность работников при обслуживании электроустановок
104
6.7 Применѐнные методы обеспечения безопасности при разработке
источника питания
108
7 Экономическая эффективность внедрения преобразователя
110
7.1 Определение сметной стоимости оборудования системы источника
питания
110
7.2 Определение сметной стоимости монтажных работ
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
112
Лист
5
7.3 Определение дополнительных расходов
113
7.4 Расчѐт экономического эффекта при внедрении проекта в
ремонтном процессе
114
7.5 Оценка экономического эффекта при модернизации
7.6
Расчѐт
годового
экономического
эффекта
от
потребляемой электроэнергии
115
экономии
116
7.7 Определение срока окупаемости оборудования
117
Библиографический список
119
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
6
Введение
Железнодорожная сеть ОАО «РЖД» на современном этапе – один из самых
развитых видов транспорта нашей страны. Она обеспечивает потребность народного хозяйства и промышленности в перевозках пассажиров, грузов и багажа не
только в пределах территории Российской Федерации, но и транзитом за рубеж,
успешно конкурируя с морским и автомобильным видами транспорта.
ВСЖД, как филиал ОАО «РЖД», обеспечивает стратегическую связь между
другими дорогами. В то же время, она является одним из самых напряжѐнных
участков не только по грузонапряжѐнности, но и по сложности плана и профиля
вождения поездов. Близость большого числа охраняемых памятников природы, з аповедников, а также эксплуатация подвижного состава в непосредственной близости от оз. Байкал накладывает дополнительные экологические ограничения на р аботу транспортных служб.
Необходимость работы в широком температурном диапазоне, от -60о зимой
до +70о летом осложняет условия работы персонала и подвижного состава при
необходимости поддержания конкурентоспособности с другими видами транспо рта.
На ответственных полигонах ВСЖД основную часть работы по перевозке
грузов выполняют локомотивы серии ВЛ85, зарекомендовавшие себя как надѐжные и мощные машины. Но даже при конструкционно заложенном резерве эксплуатационной надѐжности наблюдается увеличение числа отказов оборудования в
связи с длительным сроком их эксплуатации, а также с моральным устареванием
некоторых видов технических решений, применѐнных для исправной работы их
основного оборудования, таких как система питания вспомогательных машин.
На фоне постоянно меняющейся экономической ситуации в нашей стране всѐ
большее значение имеет ресурсосбережение. Известно, что энергопотребление
собственных нужд локомотивов серии ВЛ85 очень велико (до 20% энергии на тягу), особенно при неполной загрузке тяговых мощностей.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
7
В свете новейших достижений научно-технического прогресса очевидна
необходимость внедрения недорогого решения, которое решает проблемы макс имального снижения количества отказов вспомогательных машин и минимизации
энергопотребления системы их питания, что принесѐт несомненную экономич ескую выгоду.
В других отраслях промышленности успешно эксплуатируются технические
решения, рекомендуемые ведущими зарубежными и отечественными специалистами. В частности, частотно-управляемый асинхронный привод и микропроцессорный контроль, рассмотренные в данном проекте, применяются за рубежом на пр отяжении более пятнадцати лет.
Ранее создание отечественных аналогов подобных систем было осложнено,
поскольку на отечественном рынке отсутствовали необходимые типы силовых полупроводниковых приборов, в связи с чем конструкторы ЭПС отдавали предпочтение традиционным методам. Асинхронные расщепители фаз, непосредственный
преобразователь частоты и фазы, конденсаторный метод позволяли обойти некоторые проблемы использования асинхронных двигателей вспомогательного привода
в отдельности, такие как улучшение надѐжности работы, энергосбережение, уд ешевление конструкции и монтажа. В наше время, с появлением недорогих и
надѐжных отечественных СПП, появилась возможность комплексно решить эти
проблемы.
В основных разделах проекта:
- рассмотрен анализ причин отказов машин вспомогательного привода электровозов серии ВЛ85, условий их работы;
- представлен обзор перспективных технических решений;
- проведены вычисления, привязанные к режимам работы вспомогательного
оборудования;
- разработаны силовые схемы преобразователей и системы управления ими;
- разработана методика модернизации схем электровоза.
Также в проекте большое внимание уделено безопасности движения и работы эксплуатационного и ремонтного персоналов, а также экологичности разраб о-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
8
танного технического средства. В заключение, приведено экономическое обоснование, показавшее минимальный срок окупаемости.
В процессе разработки использованы новейшие отечественные и зарубежные
теоретические исследования, нормативы и методики расчѐта не только общетехнического назначения, но и применѐнные непосредственно к ремонтной и эксплуатационной работе железнодорожного транспорта. Также применены современные
вычислительные ресурсы с использованием прикладных программных пакетов,
позволившие в небольшой срок разработать относительно недорогой и надѐжный
аналог ведущих зарубежных систем обеспечения надѐжной работы асинхронных
машин.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
9
1 Исследование статистики отказов АВМ электровозов типа ВЛ85
Рассмотрение статистических данных о надѐжности оборудования электр овозов переменного тока ВСЖД за последние годы эксплуатации показывают, что
на долю отказов вспомогательных машин приходится около 15…18 % повреждений.
Данные о распределении отказов электровозов переменного тока ВСЖД по
видам оборудования приведены на рисунке 1.1
Тяговые двигатели
2010
3
2009
4 2008
2010
5
2
2009
2008
5
7
2010
12
2009
12 2008
5
2008
8
2009
6
2010
14
2009
2008 22
2010
22
Асинхронные
вспомогательные
машины
Электрическая
аппаратура
21
Колёсные пары
2008
14 2009
15
2010
13
Автотормозное
оборудование
Приборы
безопасности
2008
42
2009
36
2010
31
Прочее
оборудование
Рисунок 1.1 - Распределение отказов электровозов по видам оборудования
Асинхронные машины вспомогательного привода являются важным узлом в
системе обеспечения исправного функционирования электровоза как технического
объекта. При их отказе нарушается не только работа важнейших узлов (тяговые
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
10
двигатели, выпрямительные установки, балластные резисторы и т.д.), но и безопасность движения, а также вся совокупность операций перевозочного про цесса.
Анализ причин отказов асинхронных вспомогательных машин по ВСЖД
проведѐн на основе статистических данных, полученных в технологическом отделе
депо ТЧР-12 им.Кржижановского ст.Нижнеудинск.
Рассмотрены данные по отказам следующих вспомогательных машин:
- электродвигатель АНЭ225L4УХЛ2 (АНЭ225), предназначенный для привода компрессоров и вентиляторов, а также для использования в качестве расщепителя фаз электровозов ВЛ-85;
- электродвигатель ТТ63/10, предназначенный для привода масляного насоса
электровозов переменного тока.
В таблицах 1.1-1.2 приведѐн сравнительный анализ повреждений вспомогательных
машин
электровозов
ВЛ85,
ремонтируемых
в
депо
ТЧР-12
им.Кржижановского ст.Нижнеудинск за 2009-2010гг.
Таблица 1.1 – Сравнительный анализ повреждений АВМ за 2009г.
Вид отказа
Пробой статора
Выплавление ротора
Неисправность
подшипника
Обрыв фазы
Излом крыльчатки
Излом вала
Прочие
Всего
Всего отказов
Наработка на отказ, тыс. км
150300450600300
450
600
750
40
27
8
4
123
До
150
43
52
12
21
15
3
1
0
122
32
38
32
11
4
5
18
10
5
5
335
4
5
5
1
102
8
3
0
2
112
5
2
2
2
85
0
0
0
0
22
0
0
0
0
9
1
0
0
0
7
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Более
750
1
Лист
11
В графе «Прочее» таблицы 1.2 учтены единичные отказы, такие, как
проворот муфты мотор-компрессора, проворот сердечника пакета статора, излом
подшипникового щита.
Таблица 1.2 – Сравнительный анализ повреждений АВМ за 2010г.
Вид отказа
Выплавление
ротора
Неисправность
подшипника
Межвитковое
замыкание
Пробой статора
Неисправность
крыльчатки
Излом подшипникового
щита
Проворот сердечника пакета
статора
Прочие
Всего
Наработка на отказ, тыс. км
150- 300- 450- 600- Более
300
450
600
750
750
Всего
отказов
До
150
58
6
21
14
15
2
0
109
32
21
40
12
4
0
16
6
9
0
0
1
0
67
13
16
23
7
6
2
13
6
4
3
0
0
0
5
5
0
0
0
0
0
9
3
0
6
0
0
0
6
283
3
74
3
74
0
86
0
34
0
13
0
2
В графе «Прочее» таблицы 1.2 учтены единичные отказы, такие, как излом
вала, шум при работе из-за излома шпонки крепления пакета ротора к валу, обрыв
питающей фазы, заклинивание лабиринта и проворот муфты мотор-компрессора.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
12
Излом
крыльчатки
10
3%
Обрыв фазы
18
5%
Излом вала
7
2%
Прочие
7
2%
Неисправность
подшипника
120
36%
Выплавление
ротора
52
15%
Пробой статора и
МВЗ
123
37%
Рисунок 1.1 - Анализ причин отказа АВМ электровозов ВЛ85 за 2009 г.
120
Излом вала
Прочие
100
Количество отказов
Излом крыльчатки
80
Обрыв фазы
60
Неисправность
подшипника
Выплавление ротора
40
Пробой статора
20
0
До 150
150-300
300-450
450-600
600-750
Более 750
Наработка на отказ, тыс.км.
Рисунок 1.2 - Зависимость количества отказов от наработки в 2009 г.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
13
Неисправность
крыльчатки
13
5%
Межвитковое
замыкание
16
6%
Излом
подшипникового
щита
5
2%
Пробой статора
67
24%
Проворот
сердечника пакета
статора
9
3%
Выплавление ротора
58
20%
Неисправность
подшипника
109
38%
Прочие
6
2%
Рисунок 1.3 - Анализ причин отказа АВМ электровозов ВЛ85 в 2010 г.
Число отказов
90
Выплавление ротора
80
Неисправность подшипника
70
Межвитковое замыкание
60
Пробой статора
50
Неисправность крыльчатки
Излом подшипникового щита
40
Проворот сердечника пакета
статора
Прочие
30
20
10
0
До 150
150-300
300-450
450-600
600-750
Более 750
Наработка на отказ, тыс.км
Рисунок 1.4 - Зависимость количества отказов от пробегов в 2010 г.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
14
При анализе данных по отказам за 2009-2010 годы наблюдаем относительно
высокую долю отказов по следующим категориям:
- неисправность подшипника;
- пробой изоляции статора;
- выплавление ротора;
- межвитковое замыкание обмотки статора.
Эти типы отказов (группа отказов «А») следует считать характерными для
машин типа АНЭ225 на серии электровозов типа ВЛ85, поскольку совокупная доля
отказов этих видов составила за 2009г – 88%, за 2010 – 88,5%. Соотношение данных по отказам этого типа представлены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 – Соотношение данных по главным категориям отказов
Вид отказа
Неисправность
подшипника
Пробой изоляции статора
Выплавление
ротора
Межвитковое
замыкание
обмотки статора
2009г
Абсолютное Относительное
значение
значение
2010г
Абсолютное Относительное
значение
значение
120
36%
109
38%
93
28%
67
24%
52
15%
58
20,5%
30
9%
16
6%
Другие виды отказов, такие, как излом крыльчатки, проворот пакета статора,
срез шпонки крепления пакета ротора к валу, излом подшипникового щита, излом
вала, заклинивание лабиринта, обрыв питающей фазы и прочие (группа отказов
«Б»), носят случайный характер и являются следствиями качества проводимого
ремонта. В 2009 году совокупная доля перечисленных видов отказов составила
12% или 42 машины. В 2010 году совокупная доля перечисленных видов отказов
составила 11,5% или 33 машины. Характерной особенностью этой группы отказов
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
15
является малая наработка на отказ, в абсолютном большинстве не превышающая
150-300 тыс.км.
Исходя из полученных данных, принимаем, что для снижения числа отказов,
выявляемых как в эксплуатации, так и в ремонте, необходимо внедрение не только
современных методов оперативной диагностики и качественного ремонта в условиях депо, что снизит число отказов группы «Б», но и внедрение технических р ешений, применяемых непосредственно на подвижном составе, направленных на
снижение числа отказов группы «А», что принесѐт намного больший эффект.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
16
2 Анализ факторов эксплуатационной надѐжности АВМ электровозов серии
ВЛ85 и обзор технических средств, ведущих к еѐ повышению
2.1 Условия работы АВМ электровоза типа ВЛ85
Магистральный грузовой электровоз ВЛ85 является первым из серии 12осных локомотивов переменного тока [25]. Он является основным локомотивом на
наиболее грузонапряжѐнных трассах. Электровоз способен работать по системе
многих единиц. Его номинальная мощность равна 9900 кВт в продолжительном
режиме, сила тяги - 700 кН (70 тс). Электровоз ВЛ85 предназначен для эксплуатации на самых грузонапряжѐнных магистралях страны, в различных климатических
зонах. В этой связи электрооборудование системы вспомогательных машин рассчитано на работу в диапазоне температур окружающего воздуха от -60 до +60 °С.
Электровоз оборудован системой рекуперативного электрического торможения.
Асинхронные двигатели приводов вспомогательных машин электровоза типа
ВЛ85 объединены в группы параллельно включѐнных машин, напряжение питания
которых получают, подключая две фазы двигателя к зажимам однофазной обмотки
собственных нужд тягового трансформатора электровоза, а третью фазу к преобр азователю числа фаз (ПЧФ). В качестве ПЧФ используют комбинированную схему,
состоящую из электромашинного преобразователя (расщепителя фаз) и конденсаторов [23].
Расщепитель фаз выполнен на базе электродвигателя АНЭ-225L4УХЛ2 без
механической нагрузки на валу. Электродвигатель этой же серии использован для
привода главного компрессора и вентиляторов. На электровозах ВЛ85 была подтверждена эффективность последовательной системы вентиляции, сократившей
число применяемых мотор-вентиляторов и затраты энергии на охлаждение электрооборудования [25, 19].
Силовые цепи электровоза BЛ85, принципиальная схема которых представлена на рисунке 2.1, выполнены с учѐтом монтажа электрооборудования блоками.
Каждой двухосной тележке соответствует свой выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) и сглаживающий реактор. Благодаря этому, шестиосная сек-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
17
ция электровоза содержит всего пять мотор-вентиляторов: по одному на каждый
ВИП и пару двигателей (MB1 – МВ3), один для охлаждения силового трансформатора (МВ4) и один для обдува блоков балластных резисторов (МВ5). Вентиляторы
MB1–МВ3 и MB5 установлены типа ЦВП64-14 № 8,2. Для обдува масляных радиаторов тягового трансформатора используются два вентилятора Ц8-19 № 6,5 на
обоих концах вала электродвигателя.
Мотор-компрессор и мотор-насос на этом электровозе применены те же. что
и на серийных электровозах BЛ80P и ВЛ80С. Компрессор установлен типа КТ6-Эл,
мотор-насос - ТТ-63/10 [29].
Питание системы вспомогательных машин осуществляется от обмотки собственных нужд х9-а10 тягового трансформатора ОНДЦЭ-10000/25-82УХЛ2 с номинальным напряжением 405 В. В случае вынужденного режима питания дороги
(напряжение 12 кВ) питание машин может осуществляться от обмотки х9-а9 тягового трансформатора с номинальным напряжением 630 В через переключатель Q5.
В цепи питания машин включено токовое реле КА15, обеспечивающее защиту тягового трансформатора от режимов короткого замыкания. Уставка этого реле
составляет 3.5 кА. его блок-контакты включены в цепь удерживающей катушки
главного выключателя.
Цепь C86-R86 является защитной для вспомогательных машин от коммутационных и атмосферных перенапряжений со стороны тягового трансформатора.
Переключатель Q6 имеет три положения: верхнее - для питания машин от тягового трансформатора, нижнее - для питания их от сети 380 В локомотивного депо и среднее (нейтральное), для отключения питания машин.
Для питания РФ, приводных электродвигателей вентиляторов и главного
компрессора использовано однотипное электрооборудование: двухполюсные ко нтакторы КМ1, КМ11-КМ16 типа МК-82; токовые и тепловые реле КК1-КК16 типа
ТРТ141; симметрирующие конденсаторы С101-С114 типа КС-0.5-19.
Питание насоса осуществляется также через двухполюсный контактор МК63
(КМ17) и токовые тепловые реле ТРТ131 (КК17).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
18
Между сборными шинами второй и третьей фаз системы подключѐн конденсатор С86 с защитным резистором R86, обеспечивающим разряд конденсатора после снятия напряжения.
Принципиальная схема цепей управления вспомогательными машинами
представлена на рисунке 2.2.
При включении кнопки «Фазорасщепитель» на кнопочной панели S20 подаѐтся напряжение на провод Э40 151, однако катушка КМ1 питания не получит, пока не включится реле КV45 или KV46. Включение промежуточного реле КV45
происходит лишь при включении любого из вентиляторов «Вентилятор 1» «Вентилятор 4» через блок-контакты контакторов КМ11-КМ14. Включение промежуточного реле KV46 происходит в процессе сбора цепи на включение главного
мотор-компрессора. При включении кнопки «Компрессор» через размыкающие
контакты регулятора давления воздуха АК-11Б, по проводам Э46-Н268-Н269 получает питание промежуточное реле KV46. Это реле, замыкая своим контактом провода Н242 и Н243, осуществляет включение контактора расщепителя фаз КМ1.
Лишь после включения этого контактора через его блок-контакт получает питание
катушка контактора мотор-компрессора КМ16.
Возможно включение мотор-компрессора при отключѐнном расщепителе
фаз, например, в случае его отказа. Для этого необходимо включить хотя бы один
из мотор-вентиляторов МВ1-МВ4. Наиболее целесообразно для этого использовать
МВ4, который имеет минимальную потребляемую мощность.
В этом случае включение мотор-компрессора осуществляется под контролем
промежуточного реле КV45.
Данная схема управления вспомогательными машинами предполагает опережающее включение расщепителя фаз в отношении мотор-компрессора. Включение мотор-вентиляторов допускается без расщепителя фаз. Увеличение времени
пуска MB и несимметрии трѐхфазной системы при работе без расщепителя фаз
считается незначительным.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
19
х9
а11
C6
Q5
R80
Х1
КА15
Х2
Х3
KK11
Вентилятор 1
а9
а10
KМ11
С111
С3
С2
С1
U27
R83
KV7
M11
KK12
Вентилятор 2
KМ12
С112
KМ1
KK1
С101
Расщепитель
фаз
M10
M12
Вентилятор 3
KK13
С113 KМ13
KМ16
С116
KK16
Маслонасос
M13
Вентилятор 4
M16
KK14
С114
KМ14
KМ17 С117
KK17
Компрессор
M14
Вентилятор 5
M17
KK15
С86
R86
С87
R87
С88
R88
С115 KМ15
M15
KМ20
Рисунок 2.1 - Упрощѐнная принципиальная схема питания вспомогательных
машин электровозов типа ВЛ85
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
20
Запрет на одиночный пуск мотор-компрессора наложен в связи с тем, что на
надѐжность пуска МК накладываются дополнительные требования, связанные, в
частности, с состоянием разгрузочного клапана У5. В случае его отказа или повторного пуска МК через промежуток времени, меньший времени действия разгрузочного клапана, пусковой момент электродвигателя может оказаться недостато чным. Включение разгрузочного клапана У5 осуществляется через блок-контакты
контактора компрессора КМ16. От провода Н301 через тумблер S16 и размыкающие блок-контакты КМ 16 получает питание клапан У9 продувки влагопоглощающих адсорберов. Последние установлены на выходе сжатого воздуха из компрессора.
Для работы электровоза BЛ85 по системе многих единиц предусмотрено аварийное дистанционное отключение вспомогательных машин переключателем SA5.
Регулятор давления SP6 осуществляет включение МК при снижении давления воздуха в главных резервуарах до 0,75 МПа и отключает его при достижении
давления 0,9 МПа так же, как и на всех серийных электровозах.
При отказе какой-либо из машин она может быть отключена соответствующим тумблером S10 (РФ), S11-S14 (МВ1-МВ4) или S16 (МК).
Включение мотор-насоса (КМ17) осуществляется автоматически после
включения реле KV45. Отключить его можно тумблером S17. При низкой температуре масла в трансформаторах мотор-насосы отключают. Для этого на головной
секции включают тумблер S18, и промежуточные реле KV47 осуществляют отключение насосов на всех секциях, в том числе и при работе электровоза по системе многих единиц.
Включение МВ5 производится автоматически при постановке рукоятки контроллера машиниста в положение «Р» (рекуперация). При этом замыкаются ко нтакты 25-26 контроллера машиниста SM. и на катушку контактора КМ15 подаѐтся
ток управления.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
21
Рисунок 2.2 - Принципиальная схема цепей управления системой вспомогательных машин электровоза ВЛ85
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
22
В цепях фаз электродвигателей включены токовые тепловые реле ТРТ. В
случае перегрузки фазы электродвигателя по току, например, при обрыве одной из
фаз, ТРТ срабатывает и отключает этот электродвигатель. Повторное его включение возможно лишь принудительное от кнопки S22 «Возврат реле» на пульте машиниста.
В случае пробоя изоляции какого-либо электродвигателя на корпус включается «Реле контроля земли» KV7, через блок-контакты которого замыкаются цепи
соответствующих сигнальных ламп.
Основными режимами эксплуатации системы вспомогательных машин являются:
парная работа РФ и МК - электровоз на стоянке;
совместная работа РФ, МН и МВ1- МВ4 - электровоз в режиме тяги при
отключѐнном МК;
совместная работа РФ, МН и МВ1-МВ5 - электровоз в режиме рекуперативного торможения при отключѐнном МК;
совместная работа РФ, МН, МВ1-МВ4 и МК - электровоз в режиме тяги с
включѐнным МК;
совместная работа всех машин – РФ, МН, МВ1-МВ5, МК - электровоз в
режиме рекуперативного торможения с включѐнным МК.
Прочими из установившихся режимов являются режимы работы вспомогательных машин при аварийной схеме питания, например, при отказе расщепителя
фаз. В этом случае предусмотрено включение на постоянную работу одного из
MB1-MB4, выполняющего функцию расщепителя фаз для остальных машин. Для
этих целей целесообразно использовать MB4, который имеет по сравнению с другими мотор-вентиляторами наименьшую потребляемую из сети мощность и
наименьшую маховую массу вращающейся части.
В случае отказа расщепителя фаз схема электровоза предусматривает переход на конденсаторную схему питания машин. При этом характер зависимостей
электрических параметров системы от питающего напряжения в основном сохр аняется. Несколько снижается потребляемая мощность, обусловленная потерями в
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
23
расщепителе фаз, также смещается точка полной симметрии трѐхфазной системы в
диапазон 400-430 В. Соответственно увеличивается коэффициент несимметрии при
минимальном питающем напряжении с 3-4 до 3,5-4,5 %.
2.2 Основные технические требования к электрическим машинам вспомогательного привода
Характеристики и параметры системы вспомогательных машин должны
обеспечивать при соответствующих параметрах вспомогательных механизмов следующие требования [16]:
- номинальную производительность вспомогательных механизмов при длительном наименьшем напряжении вспомогательной обмотки трансформатора;
- работу вспомогательных машин без перегрева их обмоток выше допустимого для применяемого класса изоляции при длительно возможных значениях напряжения;
- поочерѐдный пуск вспомогательных двигателей при синусоидальном
напряжении 17 кВ на токоприѐмнике, отсутствии тяговой нагрузки электровоза и
прогретых компрессорах;
- пуск холодных мотор-компрессоров при их температуре -50° или определяемой устройствами предварительного подогрева картерах, при номинальном
напряжении на токоприѐмнике, отсутствии тяговой нагрузки и не включѐнных
других вспомогательных двигателях;
- работу вспомогательных двигателей по аварийной схеме в пределах изменения напряжения на токоприѐмнике от 21 до 29 кВ при критическом синусо идальном напряжении на токоприѐмнике 19 кВ;
- питание вспомогательных машин от сети депо;
- защиту каждой вспомогательной машины от перегрузки, всех вспомогательных цепей от токов короткого замыкания и сигнализацию о замыкании на землю.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
24
2.3 Влияние эксплуатационных условий на надѐжность электрических машин
вспомогательного привода
Система вспомогательных машин является важным узлом в общем комплексе оборудования подвижного состава. Надѐжность привода вспомогательных механизмов имеет большое значение. Еѐ обеспечение необходимо для нормальной р аботы основных узлов электровоза.
На электровозах серии ВЛ85 применяется система с трѐхфазными асинхронными вспомогательными двигателями, в которой преобразование однофазного тока
в трѐхфазный осуществляют симметричными асинхронными расщепителями фаз, а
также посредством статических конденсаторов.
Известно, что тяговые сети ВСЖД характеризуются большими колебаниями
напряжения. На напряжение вспомогательной обмотки трансформатора также оказывают дополнительное воздействие процессы, происходящие в силовых и вспомогательных цепях электровоза. В результате этого пределы колебания напряжения питания вспомогательных машин значительно шире, чем на токоприемнике.
Следует учитывать, что при снижении напряжения питания ещѐ более интенсивно
уменьшается напряжение прямой последовательности, которое и определяет собой
максимальный вращающий момент двигателя. Также необходимо отметить, что
механическая устойчивость двигателей при несимметричном питании может существенно понижаться.
Вторым важным фактором, влияющим на работоспособность машин, является их нагревание. Ток, потребляемый трѐхфазной асинхронной машиной, при номинальном напряжении имеет минимальное значение, а при его увеличении или
уменьшении – увеличивается, что, согласно закона Джоуля-Ленца, вызывает повышенный нагрев.
Так же на нагрев вспомогательных машин существенное влияние оказывает
несимметрия напряжения. В расщепительной системе вспомогательных машин
простыми средствами симметрия может быть достигнута только для одного режима работы двигателей при определѐнном значении нагрузки и напряжения. Несим-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
25
метрия токов в несколько раз больше, чем несимметрия напряжения, т. е. при сравнительно небольшой несимметрии напряжения токи фаз двигателя значительно отличаются друг от друга. Двигатели с повышенной кратностью пускового тока б олее чувствительны к несимметрии напряжения. Специфика работы двигателей
вспомогательных машин состоит в том, что опасным по нагреванию является режим повышенного напряжения. В связи с этим параметры машины и рабочую емкость выбирают таким образом, чтобы при повышенном напряжении режим питания был возможно ближе к симметричному, т. е. токи фаз были возможно ближе
друг к другу по величине. Тогда при заданном моменте на валу и при пониженном
напряжении ток конденсаторной фазы становится существенно меньше тока др угих фаз.
Помимо перечисленных, условиям эксплуатации вспомогательных машин ЭПС
свойственно наличие следующих факторов:
- наличие вибраций и толчков, присущих работе электроподвижного состава;
- температура наружного воздуха от -50 до + 40 °С и в кузове от - 50 до + 60
°С;
- расчѐтная температура по нагреванию обмоток машин наружного воздуха + 25
°С, в кузове + 45 °С;
- относительная влажность до 95 %;
- выпадение росы;
- изменение напряжения вспомогательной обмотки трансформатора в пределах от
минимального до максимального.
Несмотря на учѐт перечисленных в п.2.1 условий работы при разработке ко нструкции машин вспомогательного привода, для каждого из приведѐнных факторов характерны свои виды отказов, причѐм некоторые из видов отказов вызваны
комплексным воздействием нескольких факторов.
Так, от повышенной вибрации и толчков при работе электроподвижного с остава возможно механическое разрушение узлов остова, подшипниковых щитов и
уменьшение механической прочности других важных узлов машины.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
26
На состояние подшипниковых узлов в эксплуатации оказывают влияние некоторые иные факторы [6], такие, как:
- нагрев и последующее нарушение режима смазки;
- вибрация и толчки;
- попадание пыли и продуктов износа, что ведѐт к деформации тел качения,
разрушению сепараторов с последующим заклиниванием, что, в свою очередь,
приводит к ещѐ большему нагреву, срезу шпонки на валу ротора, излому вала.
Начавшееся разрушение подшипника легко обнаружить при проведении технического обслуживания либо текущего ремонта по заметному шуму. Уже в этот
период эксплуатация машины не допускается, поскольку даже при относительно
сохраняющейся работоспособности, сопротивление вращению, а также связанное с
ним скольжение ротора увеличивается до опасных величин, приводя к нагреву
«беличьей клетки» ротора [14].
Применяемая на электровозах серии ВЛ85 система питания вспомогательных
машин также задаѐт несколько неблагоприятных для нормальной работы факторов.
Высокая несимметрия напряжений и токов во время пуска – в начальный
момент времени, пока фазорасщепитель ещѐ не набрал нужной частоты оборотов,
приводит к сильной перегрузке одной из фаз с высокой кратностью пускового тока.
Это неизбежно приводит к нагреву короткозамкнутой обмотки ротора, вплоть до
выплавления, с последующим выходом из строя.
Повышенный нагрев обмотки статора вследствие высокой кратности пусковых токов на одной из фаз во время пуска негативно сказывается на сроке службы
и ресурсе машины, поскольку, при сочетании с такими факторами, как повышение
влажности вплоть до выпадения росы, вследствие сезонных колебаний влажности
и температуры, ускоряется старение изоляции. Сочетание таких неблагоприятных
факторов, как старение и увлажнение изоляции, а также колебания напряжения
вследствие отсутствия стабилизации и зависимости от количества работающих
машин и процессов в силовой цепи, воздействующих на ОСН через тяговый
трансформатор, появляется высокий риск пробоя изоляции обмотки статора на
корпус и межвиткового замыкания (см.гл.1).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
27
Высокая несимметрия двух фаз при относительно небольшом сдвиге третьей
с помощью конденсаторов, приводит не только к повышению температуры «беличьей клетки» ротора, но и к повышенной вибрации вала не только в аксиальном, но
и в поперечном направлении, что приводит к изгибу вала, а также к ещѐ больше
усугубляющемуся разрушению подшипников.
Не снижающаяся, не смотря на принимаемые меры, частота отказов машин
по причине отгара соединений выводов клеммной коробки с фазами машины, также выявляет один из недостатков использования применяющейся сегодня системы
источника питания АВМ.
В качестве технического решения проблемы отказов предлагается усовершенствовать источник питания АВМ с целью улучшения эксплуатационных условий работы машин.
2.4 Обзор технических решений по внедрению новых источников питания
АВМ на ЭПС
Система питания АВМ с применением электромашинного асинхронного
расщепителя фаз применяется на большинстве отечественных электровозах, построенных до 1994 г. эксплуатируемых на сети ВСЖД [9].
На современных электровозах типов ЭС5К «Ермак» и ЭП1 используется статическая система с формированием третьей фазы конденсаторным методом. Этот
принцип построения схемы питания призван снизить стоимость всей системы
вспомогательных машин, но отрицательно сказывается на надѐжности АВМ [16].
Рассмотренные выше отечественные системы питания АВМ отличаются
большим количеством элементов, работающих либо вхолостую, либо в не предназначенных для них режимах. Также необходимым условием использования всех
этих систем является применение двигателей с повышенным резервом мощности,
что существенно повышает энергопотребление системы вспомогательных машин
электровоза.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
28
В современном машиностроении, с развитием силовой полупроводниковой
техники, широко налажено использование различных систем управления асинхронным приводом [27]. По мере совершенствования полупроводниковых технологий, были исследованы возможности использования систем непосредственного
преобразования частоты и числа фаз. Такая система прошла всесторонние исследования, в том числе опытную эксплуатацию, и принята в эксплуатацию на новых серийных отечественных электровозах [29].
Базовой концепцией при создании систем питания собственных нужд является
минимизация энергопотребления на собственные нужды. Особенно это важно для
новых мощных универсальных локомотивов, которые могут работать в эксплуатации с неполной нагрузкой тяговой мощности. На электровозах серий ЭП1 и 2ЭС5К
с этой целью используется понижение частоты питания с использованием статического непосредственного преобразователя числа фаз ПЧФ-136 [31, 32]. Основным
недостатком является относительная сложность привода, в сравнении с применяющимися системами, а также склонность к опрокидыванию преобразователя при
низких значениях cos φ. Система обеспечивает благоприятные режимы работы
приводных электродвигателей, как при нормальной, так и при пониженной частоте
вращения и не требует увеличения ѐмкости симметрирующих конденсаторов. Однако, что также не является достоинством этой системы, она не обеспечивает стабилизацию напряжения питания АВМ.
Преобразовательные устройства питания асинхронного привода из -за сложности систем электронного регулирования частоты питающего напряжения стоили
до начала 80-х годов дорого и не обладали качествами, необходимыми для шир окого внедрения в индустрию. Сегодня нельзя найти отрасль, где бы ни применялись частотно-регулируемые электроприводы с приводными асинхронными двигателями [13].
В настоящее время на мировом рынке предлагается огромное количество
преобразовательных устройств для асинхронных электроприводов с различными
принципами, методами и средствами управления. Наиболее широкое распростр анение получили тиристорные и транзисторные преобразователи частоты для регу-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
29
лирования скорости асинхронного электропривода. Основным силовым преобраз ователем энергии такого электропривода являются полупроводниковые преобраз ователи частоты на полностью управляемых коммутируемых элементах типа силовых транзисторов (IGBT) и запираемых тиристоров (IGCT или GTO). Применение
преобразователей частоты позволяет значительно увеличить ресурс электротехнического и механического оборудования в различных отраслях производственной
деятельности и снизить потребление электроэнергии за счѐт оптимизации работы
производственно-технологического оборудования: вентиляторов, насосов, компрессоров, экструдеров, транспортных механизмов [11].
Применение автономного инвертора напряжения (АИН) позволяет осуществить плавное регулирование частоты вращения вентиляторов и соответственно
получить наибольшую экономию электроэнергии. В то же время такой преобраз ователь имеет ряд недостатков: высокую мощность (она должна соответствовать
номинальной мощности системы привода); двукратное преобразование энергии —
выпрямление тока и последующее инвертирование, как следствие — относительно
большие дополнительные потери, а также относительная сложность схем силовых
цепей и цепей управления.
Серийный выпуск асинхронных преобразователей частоты (АПЧ) освоен и
отечественным производителем. Преобразователи АПЧ представляют собой электромеханическую систему, включающую стандартные асинхронные двигатели с
короткозамкнутым ротором без датчика скорости на валу и преобразователи частоты типа «неуправляемый выпрямитель - транзисторный инвертор напряжения» с
микропроцессорной системой управления. На выходе преобразователя формируется напряжение регулируемой амплитуды и частоты, подаваемое на обмотки фаз
статора двигателя, соединѐнные, как правило, в звезду. Изменение амплитуды и
частоты выходного напряжения выполняется системой управления по определѐнному закону, обеспечивающему регулирование и поддержание на заданном уровне
частоты вращения двигателя.
Большинство производственных машин и механизмов общепромышленного
применения (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и т.п.) требуют отно-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
30
сительно небольшого диапазона и невысокой точности регулирования скорости (до
1:20), а также относительно низкого быстродействия. В этом случае используют
электроприводы с системой скалярного управления асинхронных двигателей, т.е. с
взаимосвязанным регулированием частоты и значения питающего напряжения (о тношение
U
) [5].
f
Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхро нных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать
эту возможность удалось лишь с появлением силовых типов полупроводниковых
приборов. В настоящее время во всем мире широко применяется управляемый
электропривод с асинхронным трѐхфазным электродвигателем, который сегодня
рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и совершенствования управления технологическим процессом, а также существенного увеличения
надѐжности и продления срока службы. Современные преобразователи частоты
(ПЧ) выполняют функции управления скоростью вращения трѐхфазных асинхронных электродвигателей, обеспечения их плавного пуска, останова и защиты. Существует два основных типа преобразователей частоты:
- с непосредственной связью - в этом случае выходное напряжение синусоидальной формы формируется из участков синусоид преобразуемого входного
напряжения. При этом максимальное значение выходной частоты принципиально
не может быть равным частоте питающей сети. Частота на выходе преобразователя
этого типа обычно лежит в диапазоне 162/3, 25, 331/3 Гц и изменяется ступенчато;
- с промежуточным контуром постоянного тока – входное напряжение проходит через выпрямитель, который преобразует его в постоянное, после чего полученное постоянное напряжение инвертируется с нужной частотой по определѐнному закону.
Наибольшее распространение получили преобразователи второго типа, так
как они обеспечивают большую, по сравнению с ПЧ с непосредственной связью,
гибкость при регулировании. Преобразователи первого типа применяются лишь в
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
31
целях удешевления конструкции преобразователя при минимизации расхода электроэнергии.
Сравнительные характеристики основных систем преобразования, применяемых в отечественном и зарубежном локомотивостроении, приведены в таблице
2.1 [10].
Некоторые виды нагрузки имеют переменную механическую характеристику, для которой момент нагрузки изменяется с увеличением скорости вращения.
Типичным примером устройств с такой нагрузкой являются центробежные насосы
и вентиляторы, чья механическая характеристика описывается уравнением квадр атичной параболы, а значит, потребляемая мощность пропорциональна кубу скор ости вращения, а следовательно и частоты. Из этого следует, что даже небольшое
снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в мощности, вследствие чего экономия электроэнергии является главным преимуществом
использования управляемого электропривода для насосов и вентиляторов. В зависимости от характера нагрузки преобразователи частоты обеспечивают различные
режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между
скоростью вращения электродвигателем и выходным напряжением.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
32
Таблица 2.1 - Сравнительные характеристики основных систем преобразования
Характеристика
Электромашинные Непосредственные
(Фазорасщепитель)
(ПЧФ)
Инверторные
Стабилизация
напряжения
Не обеспечивается
Не обеспечивается
Обеспечивается
Несимметрия
напряжения фаз
Наблюдается при
пуске и повышенной нагрузке
Высокая во всех
режимах
Нет
Зависимость от числа и режима работы
Высокая
Высокая
АВМ
Влияние силовой
цепи через тяговый
Высокое
Высокое
трансформатор
Регулирование проУменьшение произизводительности
водительности в
Не обеспечивается
2
вспомогательных
режиме 16 /3Гц
машин
Пусковые резистоПускорегулирующая
Пусковые и симры и симметрируи симметрирующая
метрирующие конющие конденсатоаппаратура
денсаторы
ры
Относительная дороговизна конСредняя
Средняя
струкции
Нет
Нет
Уменьшение и
увеличение в
широких пределах
Нет
Средняя
Энергетические характеристики
Низкие
Средние
Высокие
Экономия энергии
-
Средняя
Высокая
В широких пределах различаются и способы технической реализации инверторов с промежуточным звеном постоянного тока. Среди инвертирующих
устройств частотного управления асинхронным приводом выделяют две большие
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
33
группы: автономные инверторы тока (АИТ) и автономные инверторы напряжения
(АИН).
В наши дни качество производимых материалов и надѐжность силовых полупроводниковых приборов существенно повысились. Сегодня возможно создание
универсальных инверторов с относительно небольшими потерями, малыми габар итами и высокими энергетическими характеристиками при относительно небольшой
стоимости.
Применение автономного трѐхфазного инвертора с промежуточным звеном
постоянного тока обеспечит оптимальный режим работы асинхронных машин
вспомогательного привода.
2.5 Выбор системы преобразования и еѐ техническая характеристика
Выбор автономного инвертора в качестве источника питания вспомогательных машин обусловлен необходимостью обеспечения симметрии и стабилизации
получаемой системы трѐхфазного тока. Сравнение систем автономных инверторов
напряжения и автономных инверторов тока, исходя из отечественного и зарубежного опыта построения подобных систем [17], представлены в таблице 2.2.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
34
Таблица 2.2 - Сравнение систем автономных инверторов
Показатель
АИТ
АИН
2,5-3,5
1,0
Мощность инвертора по отношению к мощности АД с
учѐтом перегрузки
Электрическая устойчи-
Необходимость САР по
вость АД при питании от
току и абсолютному
инвертора
скольжению
Коммутирующие приборы
Однооперационные тиристоры
Устойчивая работа
без САР
GTO, IGCT, IGBT
Способ регулирования
Входной преобразова-
АИМ с ШИР, ШИМ
напряжения
тель ВУ или ИРН
или 4qS
Последовательная ин-
Параллельная ѐм-
дуктивность
кость
Прямоугольная
Отрезки экспонент
Тип фильтра
Форма фазных токов
Отрезки экспонент,
Форма фазных напряжений
броски напряжения при
коммутации СПП
Прямоугольноступенчатая
Исходя из приведѐнных данных, выбираем автономный инвертор напряжения (АИН), обеспечивающий наилучшие показатели по сравнению с автономными
инверторами тока (АИТ) [15]:
- невозможность установки системы автономного регулирования по току и
скольжению, поскольку, в целях экономии, принимаем схему с питанием группы
двигателей, не синхронизированных между собой, от одного преобразователя;
- экономия места в кузове электровоза (невозможность установки больших
индуктивностей);
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
35
- удобство алгоритма ШИМ;
- больший возможный диапазон стабилизации напряжения;
- лучшие массогабаритные показатели в сравнении с автономными инверторами тока.
Особенностью данного типа преобразователей является двухступенчатая
схема преобразования тока – из переменного однофазного в постоянный, который,
в свою очередь, инвертируется в систему симметричного трѐхфазного напряжения.
Первая ступень преобразователя представляет собой полууправляемый выпрямитель с фазным управлением. Выпрямитель собран по мостовой схеме, два
плеча в которой имеют возможность управления (на однооперационных тиристорах), другие два плеча – неуправляемые (лавинные диоды).
Вторая ступень преобразователя представляет собой автономный трѐхфазный инвертор напряжения на IGBT-транзисторах (биполярные с изолированным
затвором, БТИЗ). Данный тип СПП преобразователя позволяет реализовать след ующие достоинства:
- простота конструкции преобразователя;
- относительно небольшие габаритные размеры;
- лучшие массогабаритные показатели, в сравнении с аналогичной по функционалу комбинации из однооперационных тиристоров;
- отсутствие устройств принудительной коммутации СПП;
- высокая эксплуатационная надѐжность.
Конструктивное исполнение силовых IGBT-транзисторов в виде полумоста с
интегрированными быстровосстанавливающимися (FWD) диодами, позволяет
упростить конструкцию, повысить надѐжность монтажа, а также снизить сто имость СПП и преобразователя в целом.
Между первой и второй ступенями, в промежуточное звено постоянного тока
включены:
– индуктивный реактор (последовательно) с целью уменьшения пульсаций
выпрямленного напряжения;
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
36
- емкостной фильтр, конденсатор (параллельно) для облегчения коммутации
СПП преобразователя, уменьшения перенапряжений, возникающих при коммутации, а также для дополнительного сглаживания пульсаций в промежуточном звене
постоянного тока путѐм шунтировки высоких гармоник;
- резистивно-емкостной снаббер (параллельно) для защиты СПП от коммутационных перенапряжений.
На первую ступень преобразователя подаѐтся снимаемое с ОСН тягового
трансформатора однофазное переменное напряжение промышленной частоты
50Гц. Методом фазного управления на выходе поддерживается постоянный ур овень выпрямленного напряжения, в связи с чем подразумевается уменьшение угла
регулирования при снижении уровня напряжения в контактной сети, и наоборот,
соответствующее увеличение угла регулирования при повышении уровня напр яжения в контактной сети. Таким образом, обеспечивается стабилизация уровня
напряжения, подаваемого на АВМ вспомогательного привода.
Также, указанная схема регулирования напряжения промежуточного звена
позволяет реализовать стабилизацию напряжения на асинхронных машинах вспомогательного привода электровоза.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
37
3 Расчѐт основных технических параметров системы вспомогательных машин электровоза ВЛ85
3.1 Характеристика системы вспомогательного привода электровоза ВЛ85
Система вентиляции электровоза, схематично представленная на рисунке
3.1, предназначена для охлаждения оборудования электровоза и обеспечения тр ебуемого избыточного давления в кузове с целью защиты от проникновения в него
пыли и снега, а также для снижения температуры воздуха в кузове в летнее время.
Согласно паспортным данным [25], система вентиляции обеспечивает расходы воздуха для охлаждения электрооборудования, указанные в таблице 3.1
Таблица 3.1 – Номинальные параметры системы вентиляции электровоза
ВЛ85
Охлаждаемый узел
Тяговый двигатель
Теплообменник тягового трансформатора
Сглаживающий реактор
Индуктивный шунт
Выпрямительная
установка возбуждения
Блок балластных
резисторов (в горячем состоянии)
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Расход на
один узел,
м3/мин (не
менее)
95
Число узлов на секцию
Расход на электровоз, м3/мин
(не менее)
6
570
130
1
130
45
3
135
4
6
24
10
1
10
280
1
280
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
38
1 — дефлектор; 2 — воздуховод к тяговому двигателю; 3 — вентилятор ЦВВ
89-15 № 8,2; 4 — вентилятор Ц8-19 № 6,5; 5 — трансформатор; 6 — выпрямительная установка возбуждения; 7 — выпрямительно-инверторный преобразователь;
8— жалюзи выброса воздуха из блока балластных резисторов; 9 — блок балластных резисторов; 10— вентилятор Ц8-19 №7,6; 11 — жалюзи забора воздуха; 12 —
воздуховод выброса воздуха в компрессорное помещение; 13 — воздуховод к индуктивному шунту; 14— воздуховод к сглаживающему реактору; 15— регулировочная заслонка; 16 — реактор сглаживающий; 17 — воздухораспределительная
камера; 18 — малая форкамера; 19 — большая форкамера.
Рисунок 3.1 - Система вентиляции электровоза ВЛ85
Охлаждение силового оборудования производится следующим образом: во здух через лабиринтные жалюзи и форкамеры, изолированные от других помещений кузова, засасывается центробежными вентиляторами-воздухоочистителями
ЦВВ 89-15 № 8,2 и подаѐтся на охлаждение выпрямительно-инверторного преобразователя. Затем одна часть воздуха поступает на охлаждение сглаживающих реакторов, другая — на охлаждение индуктивных шунтов и тяговых двигателей. Распределение воздуха между сглаживающим реактором и тяговыми двигателями
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
39
осуществляют с помощью регулировочных заслонок выброса воздуха в кузов, расположенных на коробе после ВИП, заслонок после сглаживающих реакторов,
находящихся под кузовом, и заслонок на входе в ТД.
Охлаждение тягового трансформатора и ВУВ. Воздух через лабиринтные
жалюзи и форкамеру забирается центробежным вентилятором Ц8-19 № 6,5 и подаѐтся на охлаждение теплообменников тягового трансформатора и ВУВ.
После охлаждения теплообменников трансформатора воздух в летнем режиме эксплуатации выбрасывается под кузов. В зимний период эксплуатации предусмотрено снижение расхода воздуха до 50 м 3/мин, для чего заслонку на выходе
воздуха из трансформатора переводят в положение «Зима». После охлаждения выпрямительной установки возбуждения воздух поступает в кузов.
Охлаждение блока балластных резисторов. Его осуществляют центробежным
вентилятором Ц8-19 № 7,6. Воздух поступает через лабиринтные жалюзи в форкамеру и подаѐтся в блок балластных резисторов. После охлаждения последнего во здух выбрасывается через колпак и крышевые жалюзи в атмосферу. В выбросных
колпаках блоков устанавливают листы, которые улучшают защиту блоков от снега
на стоянке и в тяговом режиме работы электровоза.
3.1.1 Характеристики и технические данные вентиляторов
На электровозе ВЛ85 применены блоки центробежных вентиляторов ЦВВ
89-15 № 8,2; Ц8-19 № 6,5 и Ц8-19 № 7,6. Их назначение и технические данные
представлены в таблице 5.2.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
40
Таблица 3.2 - Назначение и технические данные вентиляторов
Тип вентилятора
Назначение
Подача, м3/мин
Полное давление,
развиваемое вентилятором, даПа
Мощность на валу
электродвигателя,
кВт
Коэффициент полезного действия,
%
Рабочая частота
вращения, об/мин
ЦВВ 89-15 № 8, 2
Ц8-19 № 6,5
Ц8-19 № 7,6
Охлаждение сило- Охлаждение сивых преобразователового трансДля охлажделей, тяговых двига- форматора и выния балластных
телей, сглаживаюпрямительных
резисторов
щих реакторов и ин- установок воздуктивных шунтов
буждения
320
210
130
424
345
245
32,5
19,5
8,8
67,5
62
60
1461
1477
1490
Конструкция вентиляторов представлена на рисунках 3.2 и 3.3.
Рисунок 3.2 - Блок центробежного вентилятора воздухоочистителя типа ЦВВ
89-15 № 8,2
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
41
Рисунок 3.3 - Блоки центробежных вентиляторов типов Ц8-19 № 6,5 (а) и
Ц8-19 № 7,6 (б)
Каждый блок центробежного вентилятора состоит из спиральной стеклопластовой улитки 8, в которую помещают коническое сварное колесо 13, с помощью
ступицы 12 насаженное на вал электродвигателя 1, крышки 15, подвижного патрубка 7, каркаса 16.
Положение колеса на валу электродвигателя фиксирует болт 10, ввѐрнутый в
вал электродвигателя, а стопорная шайба 11 загнутыми краями на грань болта и
лыску ступицы колеса исключает самоотвинчивание этого болта. Необходимый з азор б между колесом и подвижным патрубком обеспечивается перемещением патрубка 7.
Размер «а» контролируется через отверстия 9 в крышке 15.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
42
Колесо должно быть установлено соосно с улиткой и подвижным патрубком.
Оно считается соосным, если: стержень, вставляемый перпендикулярно крышке
поочерѐдно во все отверстия 9, расположенные на крышке на внешней окружности
(большего диаметра) для вентилятора Ц8-19, не упирается в колесо; радиальный
зазор в между образующей колеса и отверстием в перегородке 3 для вентиляторов
ЦВВ 89-15 № 8,2 по всему периметру примерно одинаковый.
Колесо 13 имеет несущий 14 и покрывной 6 диски, лопатки 4 (для вентиляторов ЦВВ 89-15 № 8,2, расположенных наклонно под углом 75° по отношению к несущему диску), ступицу. Собранное колесо подвергают статической балансировке.
После установки колеса на вал электродвигателя производят динамическую балансировку вентилятора в сборе.
Вентиляторы ЦВВ отличаются от вентиляторов Ц8-19 тем, что напорная камера улитки у них разделена перегородкой 3 на две части: большую 5 — для формирования потока очищенного воздуха и меньшую 2 (пылевую) — для приѐма и
выброса пыли.
Очистка воздуха в вентиляторах-воздухоочистителях достигается за счѐт
действия сил, которые возникают при вращении колеса, на частицы, находящиеся в
потоке воздуха во взвешенном состоянии. Частицы концентрируются на набегающей стороне лопаток колеса, наклон которых способствует движению загрязнений
в сторону коренного диска и выходу их в пылевую камеру, откуда через специальный воздуховод они выбрасываются в атмосферу.
Через пылевую камеру выходит примерно 4% воздуха, проходящего через
вентилятор.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
43
3.1.2 Характеристики и технические данные блока мотор-компрессора
Рисунок 3.4 - Блок мотор-компрессора
Блок мотор-компрессора (рисунок 3.4) состоит из компрессора 1 типа КТ6Эл, редуктора 3 и электродвигателя 7 типа АНЭ-225, смонтированных на общем
каркасе 9. Передачу крутящего момента от электродвигателя к компрессору осуществляют через редуктор посредством втулочно-пальцевых муфт 4. 12. полумуфты которых соединены между собой с помощью резиновых втулок 5 и пальцев 10.
За счѐт деформации резиновых втулок 5 муфты допускают относительное
смещение валов (поперечное, угловое) и обеспечивают смягчение толчков при передаче вращения. Они имеют защитные ограждения 2, 6.
Каркас 9 представляет собой сварную раму из швеллера № 16 с фрезерованными установочными плоскостями под опорные поверхности электродвигателя,
редуктора и компрессора. Для фиксации указанного оборудования применяют
штифты 8, 11, 13.
Блок мотор-компрессора крепят болтами 15 к скобам 14. После установки
блока скобы 14 приваривают к полу кузова. Для транспортировки блока предназначены два отверстия в каркасе и рым-болт компрессора.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
44
3.2 Исследование и анализ технических параметров АВМ серий АНЭ225L4 и
4ТТ63/10
Трѐхфазные асинхронные двигатели применяются в качестве привода вспомогательных устройств и механизмов (вентиляторов, компрессоров, маслонасосов,
генераторов управления и др.) устанавливаемых на электровозах переменного тока.
Они могут также использоваться в качестве расщепителя фаз - преобразователя
однофазного тока в трѐхфазный. Выбор машин этого типа для привода вспомогательных систем электровозов объясняется их предельной простотой устройства, а
также оптимальными массогабаритными показателями, в сравнении с электрич ескими машинами других серий.
Трѐхфазный асинхронный двигатель типа АНЭ225L4УХЛ2 предназначен для
комплектации привода компрессоров и вентиляторов электровозов типа ВЛ85, а
также для использования в качестве расщепителя фаз.
Устанавливаемый на электровозе электродвигатель АНЭ225L4УХЛ2, представленный на рисунке 3.5, имеет следующее исполнение: степень защиты IР21, на
лапах, горизонтальной установки; по способу охлаждения — 1СА01, с одним концом вала — 1М1001.
Питание электродвигателя в схеме электровоза осуществляется от однофазной
сети с использованием включѐнной ѐмкости и такого же двигателя, работающего в
качестве расщепителя фаз, при колебании питающего напряжения сети в пределах
280—470 В и асимметрии напряжения по фазам соответственно не более 10 и 5%.
Электродвигатель АНЭ225L4УХЛ2 состоит из статора, ротора, двух подшипниковых узлов, коробки выводов. Статор имеет станину 17, сердечник 9 и обмотку
11. Станина — сварная, стальная, состоит из двух фланцев 12 с приваренными рѐбрами 8 и обшивкой 7. В открытые пазы сердечника уложена двухслойная обмотка
из прямоугольного изолированного провода, пропитанная лаком КО-916К.
Ротор состоит из вала 22, сердечника 10 и обмотки. Вал изготовлен из кач ественной стали. Обмотка короткозамкнутая, литая, из алюминиевого сплава. Ротор
балансируется динамически. Подшипниковый щит, посаженные на вал шариковый
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
45
70-315Ш и роликовый 2315 КМШ подшипники 15, 2, внутренние 4 и наружные 3,
14 подшипниковые крышки образуют подшипниковые узлы. Подшипниковые щиты 5, 13 сварные, стальные.
Смазка подшипников — консистентная марки ЖРО. Пополнение смазки производят через маслопроводы 6. Выводные концы двигателя и контактные болты
панели коробки выводов имеют следующую буквенно-цифровую маркировку: С1
— начало первой фазы; С2 — начало второй фазы; СЗ — начало третьей фазы.
1 — кольцо уплотнительное; 2 — подшипник роликовый; 3, 4, 14 — крышки
подшипника; 5, 13 — щит подшипниковый; 6 — маслопровод; 7 — обшивка станины; 8 — ребро станины; 9 — сердечник статора; 10 — сердечник ротора; 11 —
обмотка статора; 12 — фланец; 15 — подшипник шариковый; 16 — кольцо пружинное упорное; 17 — станина; 18— жалюзи; 19 — коробка выводов; 20 — болт
заземления; 21 — кольцо стопорное; 22— вал
Рисунок 3.5 - Электродвигатель АНЭ225L4УХЛ2
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
46
В приводе вентилятора ЦВВ 85–15 №8,2 режим работы двигателя АНЭ225L4
продолжительный S1 по ГОСТ 2582. При питании двигателя от фазорасщепителя
длительная мощность на валу в этом режиме составляет 42 кВт.
В приводе компрессора при питании от фазорасщепителя двигатель может р аботать в следующих режимах:
- повторно-кратковременный S4 с продолжительностью включения ПВ = 40 %
и числом включений до 20 в час. Мощность двигателя в этом режиме - до 37 кВт;
- перемежающийся S6 с продолжительностью нагрузки ПН = 50 % и числом
циклов до 20 в час. Мощность двигателя - до 42 кВт.
В таблице 3.1 приведены основные технические данные двигателя при питании от симметричной трѐхфазной системы напряжением 380 В для различных р ежимов работы.
Таблица 3.3 - Технические данные двигателя АНЭ225L4
Наименование параметра
Номинальная мощность
Номинальный ток
Частота вращения
Коэффициент полезного
действия
Коэффициент мощности
Номинальный момент
Отношение пускового момента к номинальному
Отношение максимального
момента к номинальному
Отношение пускового тока к
номинальному
Средний уровень звукового
давления
Режим работы
Класс изоляции
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Ед.
измерения
кВт
А
об/мин
55
119
1430
42
95
1450
%
89
89,5
Нм
0,81
0,75
Значение
367
-
4,6
-
4,8
-
7,5
дБ(А)
82
-
Продолжительный
Н
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
47
Электронасос герметичный трансформаторный TT-63/10 (ГОСТ 17221—80)
предназначен для перекачивания трансформаторного масла в системе охлаждения
силового трансформатора электроподвижного состава.
Электронасос, представленный на рисунке 3.6, представляет собой единый агрегат, состоящий из специального трѐхфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и насосной части. Герметичное исполнение электронасоса полностью
исключает утечку масла в окружающую среду.
Рисунок 3.6 - Электронасос герметичный трансформаторный TT-63/10
Статор 7 электродвигателя запрессован в чугунный корпус 6 и стопорится
винтом 12. Ротор электродвигателя вращается в шариковых подшипниках 14 типа
76.306Е.
Насосная часть представляет собой одноступенчатый центробежный насос,
состоящий из рабочего колеса 4, которое при помощи шпонки, гайки 17, шайбы 16
закреплено на консольном конце вала ротора, направляющего аппарата 2 и всас ывающего патрубка 1.
Подшипниковый щит 5 и направляющий аппарат закреплены с помощью
всасывающего патрубка и дополнительно фиксируются от проворота штифтом. На
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
48
корпусе установлено запорное устройство 3, к которому присоединяют манометр.
Запорное устройство предотвращает утечку масла при снятии манометра.
В коробке выводов 9 на панели зажимов 10 расположены шесть шпилек выводных и одна заземления 11. На напорном патрубке 15 расположена наружная заземляющая шпилька. На корпусе электронасоса имеется проушина, предназначенная для транспортировки электронасоса.
Смазывание подшипников и отводов тепла от электродвигателя осуществляют перекачиваемым маслом. Под действием избыточного давления часть масла через отверстия в подшипниковом щите 13 и через подшипник 14 поступает в зазор
между ротором и статором. Затем через отверстия в крышке, подшипник, отверстие на валу ротора 8 оно возвращается в полость всасывания. Основная часть перекачиваемого масла при прохождении по каналам корпуса 6 омывает статор.
В таблице 3.4 приведены основные технические данные двигателя при питании от симметричной трѐхфазной системы.
Таблица 3.4 - Технические данные электронасоса ТТ 63/10
Параметр
Подача
Напор
Температура масла
Частота вращения (синхронная)
Давление
Мощность
КПД
Масса незаполненного электронасоса
Напряжение питающей сети
Номинальный ток
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Единица
м3/ч
МПа
о
С
об/мин
МПа
кВт
%
Значение
63
10-4
-15..+85
1500
0,6..5
не более 2,8
55
кг
не более 105
В
А
220
12,9
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
380
7,5
Лист
49
3.3 Характеристика режимов работы двигателей вспомогательного привода
Исходя из рассмотренных в п.п.3.1.1-3.1.2 систем вспомогательного привода с использованием асинхронных двигателей типа АНЭ225, предполагается ввести различные режимы работы с независимым управлением для каждой из подс истем вспомогательного привода. Необходимо предусмотреть устойчивую работу,
при условии возможности реализации следующих режимов:
уменьшение производительности мотор-вентиляторов тяговых двигателей, преобразователей и тягового трансформатора в режиме тяги и рекуперации с
целью экономии количества потребляемой электроэнергии;
увеличение производительности блока балластных резисторов в режиме
рекуперации электровоза с целью уменьшения числа отказов блока балластных резисторов;
постоянная производительность мотор-компрессора и мотор-насоса
трансформатора.
Все эти режимы, при условии одновременной реализации, возможны при
условии использования отдельных преобразователей для каждой из перечисленных
групп асинхронных машин вспомогательного привода.
В зарубежном электровозостроении отличным образом себя зарекомендовала система с двукратным преобразованием энергии с общим выпрямителем и раздельными автономными инверторами для каждой из перечисленных групп машин
привода (см.п.2.4.).
В целях регулирования производительности АВМ с сохранением устойч ивой работы, а также по причине невозможности установки датчиков вращения,
принимается скалярное управление с учѐтом частных случаев закона Костенко,
приведѐнных в таблице 3.5 [17, 14].
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
50
Таблица 3.5 - Частные случаи закона Костенко
для различных
√
видов нагружения асинхронного двигателя
Вид нагрузки
Аэродинамическая
Гидродинамическая
Активная
( )
Частный
случай закона Костенко
( )
( )
Примечание: – частота вращения магнитного поля статора;
– напряжение обмотки статора;
– постоянная двигателя по напряжению;
–
моментная постоянная двигателя;
– мощностная постоянная двигателя.
В связи с указанными причинами, принимаются режимы работы вспомогательных машин, приведѐнные в таблице 3.6
Таблица 3.6 - Режимы работы АВМ электровоза ВЛ85
Назначение группы АВМ
Тип
АВМ
Активная мощность
номин. режима, кВт
Вид нагрузки
Моторкомпрессор
АНЭ225
37
Активная
АНЭ225
32,5
Аэродинамическая
АНЭ225
19,5
Аэродинамическая
АНЭ225
8,8
Аэродинамическая
ТТ63/10
2,8
Гидродинамическая
Моторвентиляторы
ТЭД, ВИП, СР
Моторвентилятор тягового трансформатора
Моторвентилятор ББР
Мотор-насос
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Частный случай закона
Костенко
Лист
51
3.4 Моделирование частотно-регулируемого асинхронного привода вентилятора и разработка технического средства
Момент, реализуемый на валу асинхронного двигателя, рассчитываем по
формуле (3.1).
(3.1)
Критический и пусковой моменты рассчитываем по соответственно формулам (3.2), (3.3).
(3.2)
(3.3)
Здесь величины
и
соответственно кратности пускового и критиче-
ского момента, их отношение даѐт величину
.
Величина критического момента может быть определена из формулы (3.4).
√
(3.4)
√
( ) при постоянной частоте питающе-
Механическая характеристика
го напряжения может быть построена согласно формуле Клосса (3.5).
(
)
(3.5)
где
– постоянная величина для двигателя, определяемая по формуле (3.6).
(
)
(3.6)
Механическая характеристика двигателя АНЭ225L4, построенная по формуле Клосса (3.5), представлена на рисунке 3.7.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
52
Рисунок 3.7 - Механическая характеристика двигателя АНЭ225L4, построенная по формуле Клосса (3.5)
Согласно закону Костенко, для асинхронного двигателя при синусоидальном
симметричном питающем напряжении верно соотношение (3.7).
(3.7)
√
Для двигателя при частотном регулировании справедлива формула (3.8).
(3.8)
Для двигателя АНЭ225L4, при пусковом моменте, эта постоянная равна
Следовательно, критический момент
при частотном регулировании мо-
жет быть определѐн по формуле (3.9).
(3.9)
Подставляя полученное соотношение в формулу Клосса (3.5), получаем универсальное выражение для построения механической характеристики при часто тном регулировании (3.10).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
53
(
)
(
(3.10)
)
Для получения объективных показателей с целью сравнения, построение
механической характеристики следует проводить в прямоугольной сети координат,
где по оси абсцисс откладывается крутящий момент на валу, по оси ординат – частота вращения вала. Для облегчения построений произведѐм подстановку в преобразованную формулу Клосса (3.10).
(3.11)
(
( )
)
(
(3.12)
)
Поскольку частотное управление асинхронным приводом вентиляторов
предусматривает изменение питающего напряжения по пропорциональному закону
(3.13).
(3.13)
Механические характеристики для нескольких значений частоты и напряжений, представленных в таблице 3.7, показаны на рисунке 3.8.
Таблица 3.7 – Режимы работы двигателей
1
2
3
Частота f, Гц
50
331/3
162/3
Напряжение U, В
380
168,89
42,22
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
54
3
1.510
3
n
110
n
n
500
0
0
3
3
110
500
1.510
3
210
Mx( f1 u1n) Mx( f2 u2n) Mx( f3 u3n)
Рисунок 3.8 - Сравнительная механическая характеристика двигателя
АНЭ225L4 при частотном управлении по частному случаю закона Костенко для
аэродинамической нагрузки
Используя данные таблицы 3.2, а также пропорциональное соотношение,
справедливое для вентиляторного типа нагружения (3.14), определяем пропорциональные коэффициенты для вентиляторов типов ЦВВ 89-15 № 8, 2; Ц8-19 № 6,5 и
Ц8-19 № 7,6, занося результаты расчѐтов в таблицу 3.8.
( )
Изм. Лист № документа Подпись Дата
(
)
( )
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
(3.14)
Лист
55
Таблица 3.8 – Определение пропорциональных коэффициентов
ЦВВ 89-15 № 8,2
Ц8-19 № 6,5
Ц8-19 № 7,6
212,53
126,112
56,43
1455,24
1477,437
1490,071
5,571
3,281
1,462
Момент на валу в
номинальном режиме, Нм
Частота вращения в
номинальном режиме, об/мин
Коэффициент
про-
порциональности C
Закон
изменения
момента
√
( )
√
√
√
Произведя наложение графиков механических характеристик двигателя
АНЭ225L4 при частотном управлении на графики полученных в таблице 3.8 закономерностей, в точках их пересечения получим режимы устойчивой работы, представленные на рисунке 3.9. Аналитически те же точки установившихся режимов
получим при решении системы уравнений (3.15).
(
(
)
(
)
)
(3.15)
( )
√
{
Частные решения для некоторых частот регулирования мотор-вентиляторов,
оборудованных двигателем АНЭ225L4, представлены в таблице 3.9.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
56
Таблица 3.9 - Установившиеся режимы работы при частотном регулировании вентиляторов
ЦВВ 89-15 № 8,2
,
Гц
M, Нм
S
50
212.955
0.026
33,33
171.776
16,66
113.908
P,
Ц8-19 № 6,5
M, Нм
S
32.56
126.112
0.015
0.0493
17,09
102.281
0.1639
4.983
70.109
кВт
Ц8-19 № 7,6
P,
P,
M, Нм
S
19,5
56.43
0.0066
8.8
0.0282
10,06
45.944
0.0123
4.749
0.0867
3.35
32.095
0.0359
1.619
кВт
кВт
3
n
1.510
n
n
3
110
n
n
n
500
0
0
100
200
300
400
500
Mx( f1 u1n) Mx( f2 u2n) Mx( f3 u3n) Mb1 ( n) Mb2 ( n) Mb3 ( n)
Рисунок 3.9 - Установившиеся режимы работы при частотном регулировании вентиляторов
Результаты расчѐта, представленные в таблице 3.9, наглядно показывают,
что при частотном регулировании по частному случаю закона Костенко для вентиляторной нагрузки скольжение увеличивается, но не достигает критического значения, что обеспечивает устойчивую работу асинхронных двигателей типа
АНЭ225L4 на пониженной частоте. Также, налицо снижение активной мощности,
затрачиваемой двигателем на приведение вентилятора во вращение, что обеспеч ивает снижение удельного потребления энергии на 1 мин работы системы вспомогательных машин (от 6,5 раз для ЦВВ 89-15 № 8,2 до 5,5 раз для Ц8-19 № 7,6).
Регулирование предполагается производить в автоматическом режиме, в з ависимости от температуры поступающего от тягового двигателя нагретого воздуха,
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
57
с использованием резистивного температурного датчика, установленного на выходном воздушном патрубке тягового двигателя.
3.5 Схемная реализация проектируемого источника питания АВМ электровоза
С учѐтом перечисленных в п.3.3 режимов раздельного регулирования частоты и напряжения на отдельных группах АВМ, принимается схемная реализация с
общим выпрямителем, объединѐнной шиной постоянного тока и раздельными инверторами для каждой из групп АВМ (Рисунок 3.10).
Х1
TV1
GR
L
VD1
VD2
WR1
WR2
SA1
VD3
M11
M12
M13
M14
M15
WR3
SA2
VD4
WR4
M16
SA3
M17
Рисунок 3.10 - Упрощѐнная принципиальная схема источника питания с объединѐнным выпрямителем и раздельными инверторами
Выпрямитель GR принимается полууправляемого типа, с целью снижения
расходов на оборудование, поскольку реализация режима рекуперации не требуется. Также выбранная система выпрямителя имеет возможность поддерживать по-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
58
стоянный уровень напряжения в звене постоянного тока за счѐт изменения угла
коммутации управляемого плеча.
Инверторы WR1-WR4 принимаются автономными инверторами напряжения с широтно-импульсной синусоидальной модуляцией и возможностью изменения частоты подводимого к АВМ напряжения.
Сглаживающий реактор L применѐн с целью снижения пульсаций выпрямленного напряжения в объединѐнном звене постоянного тока.
Диоды VD1-VD4 предусмотрены для исключения влияния инверторов друг
на друга.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
59
4 Проектирование преобразователя
В преобразователе применена наиболее распространѐнная для управления
асинхронным короткозамкнутым двигателем схема ПЧ с автономным инвертором
напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения на выходе и полууправляемым выпрямителем на входе силовой части схемы c микропроцессорным управлением. Для питания мощных двигателей наиболее рациональным является применение в инверторе полупроводниковых вентилей нового
поколения – биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) [24, 27].
Работает электропривод следующим образом. При подаче силового напряжения 380В на вход выпрямителя происходит процесс заряда коммутационной ѐмкости C0. Одновременно с этим в информационную часть схемы подаѐтся питание. В
процессе выдержки времени на установление напряжений стабилизированных источников питания аппаратная защита блокирует открывание ключей инвертора и
происходит
запуск
программы
управления
процессором
по
аппаратно-
формируемой команде "Reset". Выполняется предустановка ряда ячеек ОЗУ процессора (установка начальных условий), определяется способ управления согласно
частному закону Костенко, устанавливается режим работы. Если с датчиков тока
фаз двигателя, аппаратной защиты или напряжения сети поступает информация о
нормальных параметрах, то привод готов к работе.
Для управления двигателем процессор формирует дискретные команды
включения и отключения транзисторов классическим методом центрированной с инусоидальной ШИМ. Индуктивность нагрузки преобразует импульсы в систему
трѐхфазных синусоидальных напряжений, изменяемых по частоте и амплитуде.
Несущая частота ШИМ составляет от 5 кГц до 15 кГц [28].
Методика расчѐта приводится для ПЧ с АИН, выполненного на гибридных
модулях (полумостах), состоящих из ключей IGBT и обратных диодов FWD, смонтированных в одном корпусе на общей теплоотводящей пластине.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
60
4.1 Проектирование полууправляемого выпрямителя
х9
а11
а10
x1
A1
x2
G1
x3
A2
x4
G2
а9
x5
0
x6
~405B
x7
D1
x8
D2
VD1
VS1
VD2
VS2
L1
Ud
Рисунок 4.1 – Упрощѐнная принципиальная схема силовой части выпрямителя
Таблица 4.1 - Исходные данные для проектирования выпрямителя
Параметр
Значение
Номинальное напряжение вторичной обмотки собственных нужд
630
трансформатора на зажимах а9-х9
,В
Номинальный ток вторичной обмотки собственных нужд трансфор650
матора на зажимах а9-х9
,А
Относительное значение напряжения короткого замыкания вторич4
ной обмотки трансформатора на зажимах а9-х9 , %
Номинальное напряжение контактной сети
,В
25000
29000
Максимальное напряжение контактной сети
,В
19000
Минимальное напряжение контактной сети
,В
Полууправляемый выпрямитель выбран с целью стабилизации напряжения за
счѐт изменения угла коммутации тиристорных плеч при изменении нагрузки либо
напряжения контактной сети [2].
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
61
4.1.1 Определение параметров обмотки собственных нужд трансформатора
ОНДЦЭ-10000/25-82УХЛ2
Амплитудное значение э.д.с. вторичной обмотки трансформатора
угле регулирования
, В при
определяется по формуле (4.1).
(4.1)
√
где
– номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора на з а-
жимах а9-х9, В;
– относительное значение напряжения короткого замыкания вторичной
обмотки трансформатора на зажимах а9-х9;
Действующее значение э.д.с. вторичной обмотки трансформатора
, В опре-
деляется по формуле (4.2).
(4.2)
√
, рад определяется по формуле
Угол коммутации диодов выпрямителя
(4.3).
(
√
)
(4.3)
где
Коэффициент трансформации
определяется по формуле (4.4).
(4.4)
При имеющихся данных указанные величины принимают следующие значения:
(
)
√
√
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
62
√
Э.д.с. обмотки собственных нужд при максимальном и минимальном напряжении контактной сети
4.1.2 Построение характеристик выпрямителя
( ) и регулировочных
Построение внешних
(
) характери-
стик выпрямителя производится по следующей формуле (4.5).
√
где
(
√
)
(4.5)
– угол регулирования (открытия тиристорных плеч выпрямителя), рад.
Согласно произведѐнным вычислениям, получаем семейство внешних харак-
теристик
( ) преобразователя при максимальном, номинальном и мини-
мальном напряжении контактной сети и угле регулирования, равном углу коммутации диодных плечей преобразователя
, представленное на рисунке 4.1.
Также, произведя вычисления по формуле, получаем семейство регулировочных характеристик
(
) при максимальном, номинальном и минималь-
ном напряжении контактной сети, представленное на рисунке 4.2.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
63
800
700
Ud( 2 Id)
Udmin( 2 Id) 600
Udmax( 2 Id)
500
400
0
200
400
600
Id
Рисунок 4.1 - Семейство внешних характеристик выпрямителя
800
Ud( p 0)
Ud( p Idn)
600
Udmax( p 0)
Udmax( p Idn)400
Udmin( p 0)
Udmin( p Idn)
200
0
0
1
2
3
p
Рисунок 4.2 - Семейство регулировочных характеристик выпрямителя
Согласно представленным на рисунке 4.2 результатам построения, видно, что
минимальный угол регулирования
напряжения на нагрузке
при обеспечении постоянного уровня
, обеспечивается при минимальном напряжении
контактной сети и номинальном токе
, максимальный угол регулирования
обеспечивается при максимальном уровне напряжения и отсутствии нагрузки (
).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
64
Согласно представленным тезисам, минимальный
и максимальный
углы регулирования могут быть найдены из соотношения (4.6).
(
√
Значение угла регулирования
(
Минимальный
)
√
в номинальном режиме работы равно
√
)
√
и максимальный
(
√
(
(4.6)
углы регулирования равны
√
√
√
Угол коммутации тиристорных плеч
)
)
, рад выпрямителя определяется из
соотношения (4.7).
(
Угол сдвига фаз
√
(
))
(4.7)
между мгновенными значениями первой гармоники тока
протекающего во вторичной обмотке трансформатора и питающего напряжения
определяется из соотношения (4.8).
(4.8)
При построении графиков по значениям, полученным в результате соотношений, получаем зависимости, представленные на рисунке 4.3.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
65
2
1.5
1 ( )
( )
1
0.5
0
0
1
2
3
Рисунок 4.3 Зависимость углов коммутации тиристорного плеча выпрямителя
и сдвига фаз
тока вторичной обмотки относительно питающего напряжения
Коэффициент мощности выпрямителя
определяется по формуле (4.9).
(4.9)
где
- коэффициент нелинейных искажений, определяемый по формуле (4.10).
(4.10)
√
Проведѐм расчѐт углов
чений углов регулирования
и , а также значений
,
и
и
для имеющихся зна-
, сведѐм результаты вычислений в
таблицу 4.1.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
66
Таблица 4.2 - Результаты вычисления энергетических характеристик выпрямителя
Величина
0.038 0.029
0.028
0.499
0.72
0.82
0.878 0.752
0.682
0.96
0.935
0.91
0.843 0.703
0.621
Расчѐт индуктивности сглаживающего реактора
производится на основа-
нии выражения (4.11).
(4.11)
Вычисления
производим
для
угла
регулирования
, поскольку данный режим является критическим для данного способа регулирования.
4.1.3 Построение принципиальной схемы выпрямителя
Приняты следующие типы СПП для выпрямителя [33]:
- диоды выпрямительные типа Д161-320:
;
(
)
;
(
)
;
(
)
(
)
;
- тиристоры низкочастотные типа Т171-320:
;
;
;
;
Число последовательно соединѐнных диодов:
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
67
Число параллельно соединѐнных диодов:
Число последовательно соединѐнных тиристоров:
Число параллельно соединѐнных тиристоров:
Rур1
Rур2
Rсн1
Ссн1
VDсн1
Rур3
Rсн3
Rсн2
VDсн3
VDсн2
VS2
Ссн3
Ссн2
VS4
VS6
К
А
VS1
VS3
VS5
У
Рисунок 4.4 Принципиальная схема управляемого плеча выпрямителя
Rур1
VD2
VD1
Rур2
VD4
VD3
Rур3
VD6
VD5
Рисунок 4.5 Принципиальная схема неуправляемого плеча выпрямителя
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
68
4.1.4 Определение КПД выпрямителя
Падение напряжения на СПП выпрямителя:
КПД выпрямителя
определяется по формуле (4.12).
(
(4.12)
)
КПД выпрямителя при углах регулирования
,
и
соответ-
ственно:
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
4.2 Проектирование инвертора
Расчѐт инверторов приводится согласно методике компании Mitsubishi [44,
45, 46]. Рассчитаны четыре инвертора для каждой из групп АВМ (см.п.3.4).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
69
4.2.1 Построение силовой схемы инвертора
+400В
VDS
RS
VD1
VT1
C0
VD3
VT3
VD5
VT5
A
B
CS
C
VT2
VD2
VT4
VD4
VT6
VD6
0
Рисунок 4.6 - Принципиальная схема силовой части инвертора
Таблица 4.3 - Исходные данные для проектирования инверторов
Параметр
Напряжение звена
постоянного тока
Коэффициент пульсации напряжения
Суммарная мощность
двигателей установки, кВт
Тип двигателя
Обозначение двигателя на схеме
Назначение двигателя
Инвертор WR1
Инвертор WR2
Инвертор WR3
Инвертор WR4
400В
1.1
220
55
55
2,8
4 х АНЭ225
М11
М12
М13
М14
Моторвентиляторы
ТЭД, ВИП и
трансформатора
АНЭ225
АНЭ225
ТТ63/10
М15
М17
М16
Моторвентиляторы
ББР
Моторкомпрессор
Мотор-насос
Максимальный ток через ключи инвертора
, А определяется по форму-
ле (4.13).
√
(4.13)
√
где
– номинальная мощность двигателя, кВт;
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
70
– коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики электропривода;
– коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока;
– номинальный КПД двигателя;
– линейное напряжение двигателя, В.
Максимальная величина тока
, А через силовые ключи инвертора WR1
равна
√
√
Согласно результату расчѐта выбран силовой IGBT-полумост с параметрами,
представленными в таблице 4.4 [30, 36].
Аналогичным методом рассчитываются СПП инверторов WR2, WR3 и WR4
[30, 34, 35]. Все результаты расчѐта и параметры выбранных типы СПП также сводятся в таблицу 4.4.
Согласно рекомендации производителя СПП, принимаем ѐмкость демпфирующего конденсатора
Изм. Лист № документа Подпись Дата
для всех инверторов [43].
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
71
Таблица 4.4 - Параметры СПП для инверторов
, оС
150
150
150
150
, о С/Вт
0,006
0,03
0,02
0,03
, о С/Вт
0,0042
0,29
1,5
0,29
, мкс
0,17
0,09
0,09
1,25
1,2
Парам.
модуля
0,08
1,7
, о С/Вт
0,022
0.170
1.0
0.170
, мкс
0,1
0.041
0.018
0.041
, мкс
1,0
0.285
0.107
0.285
, мкс
0,45
0.229
0.068
0.229
В
1.95
1.95
1.95
2,1
А
1600
400
40
400
А
800
200
200
20
В
1200
600
600
600
Тип СПП
М2ТКИ-800-12Н
М2ТКИ-200-06
М6ТКИ-20-06
М2ТКИ-200-06
,А
1022,2
255,525
55
255,525
4
13,01
3
55
2
2,8
1
220
, кВт
№
,В
Параметры
FWD
Параметры IGBT
1,25
Параметры
инвертора
Примечание:
- максимальное напряжение коллектор-эмиттер; - номинальный ток коллектора;
- максимальный ток коллектора;
- падение напряжения «коллектор-эмиттер» во
включѐнном состоянии;
- время задержки включения;
- время задержки отключения;
– время спада;
– тепловое сопротивление переход-корпус;
стимая температура перехода [42].
Изм. Лист № документа Подпись Дата
– максимально допу-
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
72
4.2.2 Расчѐт потерь мощности
Потери мощности
, Вт в IGBT-транзисторе определяются согласно выра-
жению (4.14).
(4.14)
где
– потери мощности в проводящем состоянии, Вт;
– потери мощности при коммутации, Вт.
Потери мощности в проводящем состоянии IGBT
, Вт определяются по
формуле (4.15).
(
где
)
(4.15)
– максимальное мгновенное значение тока на входе инверто-
ра, А;
– максимальная скважность, принимается равной 0,95;
– коэффициент мощности двигателя;
– прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при
и
.
Потери мощности при коммутации IGBT
, Вт определяются по формуле
(4.16).
(
)(
)
√
где
и
(4.16)
– продолжительность переходных процессов по цепи коллектора
IGBT соответственно на открывание и закрывание транзистора, с;
– напряжение на коллекторе IGBT (коммутируемое напряжение, равное
напряжению звена постоянного тока для системы АИН–ШИМ), В;
– частота коммутаций ключей (частота ШИМ), 5291Гц для WR1, WR2 и
WR3 и 10582Гц для инвертора WR4.
Потери мощности
, Вт в FWD-диоде определяются согласно формуле
(4.17).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
73
(4.17)
где
– потери мощности в проводящем состоянии, Вт;
– потери при восстановлении запирающих свойств, Вт.
Потери мощности
, Вт в FWD-диоде в проводящем состоянии опреде-
ляются согласно выражению (4.18).
(
где
)
(4.18)
– максимальное мгновенное значение тока через FWD-диод в про-
водящем состоянии, А.
Потери мощности
, Вт при восстановлении запирающих свойств вычис-
ляются по формуле (4.19).
(4.19)
где
– максимальное мгновенное значение обратного тока через FWD-
диод, А;
– продолжительность импульса обратного тока, с.
Результирующие потери
, Вт IGBT/FWD определяются по формуле
(4.20).
(4.20)
Указанные выше величины принимают следующие значения для инвертора
WR1:
(
(
)
)(
)
√
(
Изм. Лист № документа Подпись Дата
)
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
74
Расчѐт параметров инверторов WR2, WR3 и WR4 производится аналогично.
Результаты сведены в таблицу 4.6.
4.2.3 Расчѐт параметров охладителя
Максимально допустимое тепловое сопротивление «охладитель-окружающая
среда»
в расчѐте на пару IGBT/FWD (один спаренный модуль)
),
(
определяется согласно выражению (4.21) [41, 43].
(
где
(
)
(4.21)
)
– температура охлаждающего воздуха, 50 °С;
– температура теплопроводящей пластины модуля, 90 °С;
– суммарная рассеиваемая мощность одной парой IGBT/FWD, Вт;
(
)
– тепловое сопротивление перехода «корпус-поверхность модуля» в
расчѐте на одну пару IGBT/FWD.
Температура кристалла IGBT
, °С определяется по формуле (4.23).
(
где
(
)
– термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для
IGBT части модуля. При этом должно выполняться неравенство
Температура кристалла FWD
(
)
≤ 120 0C.
, °С определяется по формуле (4.22).
(
где
(4.23)
)
(4.22)
)
– термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для
FWD части модуля. При этом должно выполняться неравенство
≤ 1200C.
Перечисленные характеристики принимают следующие значения для СПП
инвертора WR1:
(
)
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
75
В результате расчѐта получено, что при полной загрузке мощности инвертора
тепловой режим силовых модулей нарушен не будет.
Расчѐт параметров инверторов WR2, WR3 и WR4 производится аналогично.
Результаты сведены в таблицу 4.6.
КПД инвертора
определяется по формуле (4.24).
(4.24)
где
– активная мощность двигателей, работающих от инвертора, Вт;
-суммарная, рассеиваемая на инверторе, мощность, Вт.
Для инвертора WR1 КПД принимает значение
(
)
Расчѐт КПД инверторов WR2, WR3 и WR4 производится аналогично. Результаты сведены в таблицу 4.6.
Таблица 4.6 - Расчѐт потерь рассеяния мощности на СПП
Параметр
Инвертор WR1
Инвертор WR2
Инвертор WR3
Инвертор WR4
Тип СПП
М2ТКИ-800-12Н
М2ТКИ-200-06
М2ТКИ-200-06
М6ТКИ-20-06
5291
1022,1
681,4
295,698
324,6
620,288
239,375
30,645
270,02
5291
255,525
170,35
68,644
23,127
91,771
44,003
4,056
48,09
5291
255,525
170,35
68,644
23,127
91,771
44,003
4,056
48,09
10582
13,009
8,672
3,495
0,884
4,38
2,151
0,367
2,518
0,039
0,256
0,256
5,78
0,976
105,6
103,937
0,985
105,6
103,937
0,985
94,379
93,776
0,986
, Гц
,А
,А
, Вт
, Вт
, Вт
, Вт
, Вт
, Вт
(
),
,
,
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
76
4.2.4 Расчѐт снаббера
Снаббер защищает силовую цепь управляемых плечей выпрямителя и инвертора от пробоя напряжения, в частности, защищает тиристорные и силовые модули
IGBT/FWD и повышает надѐжность их работы [40]. Принципиальная схема снаббера представлена на рисунке 4.5.
RS
Ud
От выпрямителя
VDS
Ud
CS
0
+400 В
К инвертору
+400 В
0
Рисунок 4.5 - Принципиальная схема снаббера инвертора
Рассматриваемая схема обладает рядом преимуществ:
- малое число элементов;
- низкие потери мощности;
- подходит для средней и малой ѐмкости конденсатора.
Мощность, рассеиваемая на снабберном резисторе
, Вт определяется по
формуле (4.25).
(4.25)
где
– ѐмкость снабберного конденсатора, Ф;
– величина перенапряжения звена постоянного тока, В.
Ёмкость снабберного конденсатора выбирается из расчѐта 1 мкФ на 100А
коммутированного тока.
Выбор величины сопротивления
, Ом производится из условия минимума
колебаний тока коллектора при включении IGBT согласно формуле (4.26).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
77
√
где
(4.26)
– индуктивность цепей снаббера, не более 10 нГн.
Снаббер инвертора WR1 имеет следующие параметры:
√
Принимаем конденсатор ѐмкостью 11 мкФ.
Снабберный диод выбирается СВЧ-типа по току в 20-50 раз меньше среднего
тока IGBT-транзистора. Принимается быстровосстанавливающийся диод (FWD)
серии ДЧ212-16 со следующими данными [1]:
IFAV=16 А; URRM =1400 В; UFM =2.3 В; tвкл=175 нс; tоткл=130 нс.
Расчѐт параметров снабберных цепей инверторов WR2, WR3 и WR4 производится аналогично. Результаты расчѐта и выбора элементов сводятся в таблицу
4.7.
Таблица 4.7 - Расчѐт и выбор элементов снабберной цепи инверторов
Параметр
, Гц
,А
,А
Инвертор WR1
Инвертор WR2
Инвертор WR3
Инвертор WR4
5291
5291
5291
10582
1022,1
255,525
255,525
13,009
681,4
170,35
170,35
8,672
2,5
2,5
0,15
10,58
10,58
1,27
4
4
16,33
ДЧ212-10
ДЧ212-10
ДЧ212-10
, мкФ
, Вт
, Ом
Тип диода
ДЧ212-16
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
78
4.2.5 Определение суммарного КПД привода
Суммарный КПД электропривода рассчитывается согласно следующему выражению (4.27).
(
)
Произведѐм расчѐт суммарного КПД для инвертора WR1 при угле регулирования
выпрямителя
при этом КПД преобразователя составляет
Для остальных преобразователей и других углов регулирования КПД вычис-
ляется аналогично. Результаты расчѐтов сводятся в таблицу 4.8.
Таблица 4.8 - КПД преобразователей в различных режимах работы
Угол регулирования выпрямителя
Электропривод М11-М14
0,8482
0,8447
0,8569
Преобразователь GR-WR1
0,9477
0,9438
0,9575
Электропривод М15
0,8560
0,8525
0,8648
Преобразователь GR-WR2
0,9564
0,9525
0,9663
Электропривод М16
0,8569
0,8533
0,8657
Преобразователь GR-WR3
0,9564
0,9525
0,9663
Электропривод М17
0,8482
0,8447
0,8569
Преобразователь GR-WR4
0,9574
0,9535
0,9673
4.3 Проектирование системы управления выпрямителем
Система управления полууправляемого выпрямителя предназначена для
формирования сигналов управления открытия управляемых плеч с целью поддер-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
79
жания постоянного уровня напряжения звена постоянного тока при изменении
напряжения в контактной сети и на обмотке СН тягового трансформатора.
Система управления управляемыми плечами выпрямителя построена на базе
контроллера управления SKPC200 компании Semikron [39]. Структурная схема
представлена на рисунке. Основные технические характеристики представлены в
таблице 4.9.
ГПН
Огранич.
сигнала
5В
20mA MAX.
0В
0-5V
INPUT
0V
Огранич.
сигнала
0В
Напр.
компенса
ции
Датчик
перехода
нуля
G2
A1
«Сброс»
OUTPUT
+5V AUX
OUTPUT
A2
Компаратор
фазового
угла
Огранич.
тока КЗ
-INPUT
Огранич.
сигнала
PHASE
G1
PHASE
+5B
0B
-5B
Источник
питания
+INPUT
L2
L1
Рисунок 4.6 - Структурная схема контроллера управления SKPC200-440
Таблица 4.9 - Основные технические характеристики
Параметр
Показатель
Напряжение питания, В
Частота питающего напряжения, Гц
45-60
Максимальный угол регулирования
180о
Время реакции на КЗ, мс
250
Критический
, В/мкс
100
Напряжение изоляции, В
2500
о
о
Рабочая температура, С
-40 …+125о
Вес, кг
0,32
Геометрические размеры, мм
70х90х32
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
80
Принципиальная схема включения контроллера представлена на рисунке 4.7.
D1
R2
100k
R1
100k
C1
0.47µ
50B
R3
150k
7
8
9
10
11
12
FU1
R5
150k
C2
0.1µ
50B
R4
100k
C3
0.1µ
50B
1
2
3
4
5
6
X1
x1
x2
x3
x4
A1
G1
A2
G2
x5
x6
0
~405B
x7
x8
D1
D2
R5
10k
VD1-VD4
Рисунок 4.7 - Принципиальная схема управления тиристорными плечами полууправляемого преобразователя.
Регулировочный резистор R5 предназначен для установки величины выпрямленного напряжения. Резисторы R2,R3,R4,R5 и конденсаторы C1, C2 обеспечивают нужный коэффициент передачи для стабилизации работы схемы управления углом регулирования открытия управляемого плеча. Диодный мост VD1-VD4,
а также элементы R1, R5 и С3 предназначены для работы датчика уровня напряжения.
Датчик напряжения трансформаторного типа включается в цепь обмотки СН
тягового трансформатора к зажимам х9-а9.
Для построения схемы использованы параметры, рекомендованные производителем и указанные в паспорте контроллера управления SKPC200-440.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
81
4.4 Проектирование системы управления инвертором
Основным элементом систем управления современных преобразователей частоты является специализированный цифровой сигнальный процессор типа
MC3PHAC (Freescale Semiconductor, Motorola) [37]. Построение системы управления на базе MC3PHAC обусловлено необходимостью произведения большого объѐма сложных вычислений в режиме реального времени для реализации современных алгоритмов управления.
Управление драйверами IR2131 (International Rectifier) осуществляется посредством формирования шестиканального ШИМ-сигнала с автоматическим добавлением «мѐртвого времени» [38]. Модуль ШИМ реализован аппаратно. Для получения близкой к синусоидальной формы выходного напряжения, используется
аппаратная коррекция «мѐртвого времени». Также реализуется аппаратная блокировка сигналов ШИМ в случае аварии.
Основные задачи, решаемые программным обеспечением преобразователей
частоты:
Диагностика аппаратуры и самодиагностика. Диагностика заключается в
определении работоспособности различных модулей, входящих в состав преобр азователей частоты (как силовых, так и управляющих) и подключѐнного электр одвигателя. Кроме того, производится контроль целостности программы и данных,
хранимых в энергонезависимой памяти.
Реализация защитных функций. Современные преобразователи частоты
реализуют максимально-токовую защиту, защиту от перегрева двигателя и преобразователя, от перегрузки, чрезмерных отклонений напряжения питания, обрыва
фазы, межфазного короткого замыкания, замыкания фазы на землю и ошибок связи. Для отдельных видов аварий (например, пропадание напряжения в сети, авария
связи) система в состоянии самостоятельно отследить возможность продолжения
работы. Восстановление после других аварий требует вмешательства обслуживающего персонала.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
82
К программируемым управляющим функциям, обеспечивающим возможность адаптации статических и динамических характеристик электропривода под
условия нагрузки, относят:
плавный пуск и остановку двигателя с выбором формы кривой изменения
скорости (обычно используют линейную, S- и U-образную характеристики изменения скорости) и раздельной настройкой времени разгона и торможения с автоматической коррекцией ускорения и замедления в случае превышения допустимого момента;
режим «подхвата» электродвигателя, используемый при включении преобразователей частоты на вращающийся двигатель (например, после кратковременного пропадания напряжения сети);
компенсацию падения напряжения на активном сопротивлении статора
(IR-компенсация), которая может быть заменена настройкой требуемого профиля
кривой «напряжение - частота» для обеспечения работы с минимальным током потребления;
поддержку высокого пускового момента на низких частотах за счѐт дополнительного увеличения напряжения;
автоматическое определение параметров подключѐнного электродвигателя.
Принципиальная схема системы управления инвертором показана на рисунке
4.6.
Принципиальная схема подключения инвертора к системе управления, асинхронному двигателю и стабилизированной шине постоянного тока приводится на
рисунке 4.7.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
83
R2
R18
C4
C3
C2
«Сброс»
Y1
C1
R1
R6
R5
R4
R3
C5
+5В
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
x3
x4
GND
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
x1
x2
x3
+5B
+15B
GND
R18
DC_BUS
ACCEL
SPEED
MUX_IN
START
FWD
VSS
VDD
PWM_U_TOP
PWM_U_BOT
PWM_V_TOP
PWM_V_BOT
PWM_W_TOP
PWM_W_BOT
R19
VD4
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
+5В
R7
R8
+15В
R9
DRV
R16
ITRIP
9
C4
Vss
Vcc
CA-
12
1
11
CA0
FLT
8
10
HI1
HI2
HI3
LI1
LI2
LI3
DD2
+15В
2
3
4
5
6
7
R10
23
22
20
HO2
VS2
VB3
VSO
LO1
LO2
LO3
R17
13
16
15
14
19
18
24
VB2
HO3
VS3
27
26
28
HO1
VS1
VB1
VD3
VD2
VD1
Рисунок 4.7 - Принципиальная схема управления инвертором
VREF
RESET
VDDA
VSSA
OSC1
OSC2
PLLCAP
PWMPOL_BFREQ
VBOOST_MODE
DT_FAULTOUT
RBRAKE
RETRY
PWMFREQ
FAULTIN
CPU
x2
Скор.
Ускор.
DD1
x1
Пуск
MC3PHAC
+5В
IR2131
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Лист
84
C8
C7
C6
R13
R15
R14
R11
R12
Защита
GND
x11
x12
L3
L2
x10
L1
x9
S3
H3
S2
H2
S1
H1
Комп.
x8
x7
x6
x5
x4
x3
x2
x1
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
x10
x1
x2
x3
x4
x5
x6
x7
x8
x9
x12
x11
С0
Комп.
Защита
H1
S1
L1
H2
S2
L2
H3
S3
L3
GND
0
+400В
VDS
CS
RS
R1
VD4
R2
VD5
VT1.2
VT1.1
R3
VD1.2
VD1.1
VD6
R4
VT2.2
VT2.1
VD7
R5
VD2.2
VD2.1
VD8
R6
VD9
VT3.2
VT3.1
VD3.2
VD3.1
x1
x2
x3
A
B
C
ка
Рисунок 4.8 - Принципиальная схема подключения инвертора к системе управления, двигателю и шине постоянного то-
Лист
85
Представленная на рисунке 4.7 принципиальная схема управления инвертором позволяет обеспечить следующий круг задач [27]:
- дистанционный пуск привода;
- дистанционное управление скоростью вращения привода;
- обеспечение гальванической развязки силовых цепей ОСН и цепей управления электровозом;
- компенсация пульсаций выпрямленного напряжения в звене постоянного
тока методом ШИМ с обеспечением вольтодобавки при возможной просадке
напряжения;
- обеспечение токовой защиты приводного электродвигателя;
- автоматический перезапуск привода при срабатывании токовой защиты;
- регулировка параметров согласно требуемого круга задач привода (обеспечение условий частного случая закона Костенко при управлении).
Группы обозначенных на рисунке 4.7 элементов имеют следующее назначение:
- цепь C1-R1 обеспечивает подачу сигнала «Сброс» на процессор DD1 при
нажатии кнопки;
- цепь C2, C3, R2, Y1 обеспечивает заданную базовую частоту работы процессора DD1 (4МГц);
- конденсаторы С4 и С5 обеспечивают устойчивую работу внутреннего генератора ШИМ;
- резисторы R7, R8, R9 устанавливают необходимый уровень сигнала для обработки команды включения и установления уровней регулировки скорости и
ускорения привода соответственно;
- резисторы R11, R12 устанавливают необходимый уровень сигнала для компенсации пульсаций напряжения шины постоянного тока;
- цепи VD1-С1, VD2-С2, VD3-С3 исключают влияние управляющих фаз
«верхних ключей» друг на друга;
- резисторы R13, R14, R15 обеспечивают защиту сигнальных цепей драйвера
DD2 от короткого замыкания при управлении «верхними ключами»;
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
86
- цепь R16, R17, C4 регулирует уставку токовой защиты привода;
- резисторы R3, R4, R5, R6 обеспечивают регулировку параметров: отношения
частного случая закона Костенко, коррекции «мѐртвого времени», время
возврата в рабочее состояние после срабатывание токовой защиты, частоты ШИМ
соответственно;
- резистор R18 для обеспечения оптимального уровня сигнала ошибки при
срабатывании токовой защиты;
- цепь VD4-R19 для индикации состояния привода при срабатывании токовой
защиты.
Исходя из специфики работы инверторов WR1-WR4, некоторые параметры
элементов системы управления различаются [7, 8]. Параметры систем управления
инверторов WR1-WR4 представлены в таблице 4.10.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
87
Таблица 4.10 - Параметры элементов систем управления инверторов
Элемент
Инвертор WR1
Инверторы WR2,
WR3
R1, Ом
10k
R2, Ом
10M
Инвертор WR4
R3, Ом
50k
50k
30k
R4, Ом
6,5k (5мкс)
2k (2.2мкс)
1k (1.2мкс)
R5, Ом
5k (25с.)
R6, Ом
R7, Ом
4,7k
R8, Ом
4,7k
R9, Ом
6,8k
R10, Ом
10k
R11, Ом
15k
R12, Ом
1,5M
R13, R14, R15, Ом
47
R16, Ом
1k
R17, Ом
320
R18, Ом
10k
R19, Ом
560
C1, Ф
0.1μ
C2, С3, Ф
22p
C4, Ф
0.1μ
C5, Ф
0.1μ
C6, C7, C8, Ф
0,33μ
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
88
5 Модернизация схемы электровоза ВЛ85
5.1 Модернизация цепей ОСН электровоза ВЛ85
а11
х9
а9
а10
R80
C6
КА15
GR
--VD1
WR1
L100
--WR2
Вентилятор 1
KK11
Вентилятор 5
--KМ11
M15
VD2
M11
WR3
Вентилятор 2
KK12
VD3
KK13
WR4
KМ13
Компрессор
--VD4
M13
Вентилятор 4
Маслонасос
M16
M12
Вентилятор 3
---
KМ12
KK14
М17
KМ14
M14
Рисунок 5.1 - Принципиальная схема модернизированных цепей СН электровоза ВЛ85
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
89
Модернизация принципиальной схемы цепей СН производится согласно рисунку 5.1.
В процессе модернизации в схеме производятся следующие изменения:
- снимается переключатель Q5, выпрямитель подключается к проводу c7
(вывод а9 тягового трансформатора Т5);
- снимается панель А15;
- снимаются симметрирующие конденсаторы С111, С112, С113, С114, С115,
С116;
- снимаются пусковые блоки R66, R67, R86, С87, С88, С86, контактор КМ20;
- снимается фазорасщепитель М10 и все сопутствующее оборудование (ТРТ
КК1, конденсатор С101, контактор КМ1);
- снимаются контакторы КМ15, КМ16, КМ17;
- снимаются ТРТ КК15, КК16, КК17;
- устанавливается преобразователь (объединѐнный блок) GR-WR1-WR4;
- устанавливается сглаживающий реактор L100;
- устанавливается панель диодов VD1-VD4;
- питающий вывод схемы управления соединяется с проводом С6 (вывод а10
ОСН тягового трансформатора.).
5.2 Модернизация цепей управления вспомогательными машинами
Модернизация принципиальной схемы цепей управления производится с огласно рисунку 5.2.
В процессе модернизации в схеме производятся следующие изменения:
- из цепи реле KV45 убираются блок-контакты KM15;
- из цепи реле контактора КМ1 убираются выключатель S10, блок-контакты
ТРТ КК1 и реле KV46;
- из схемы убираются блок-контакты А15 и реле контактора КМ20;
- из цепи реле контактора KV16 убираются блок-контакты реле KV45 и контактора KM1, также убирается реле KV46;
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
90
- из цепи реле контактора КМ17 убираются блок-контакты реле KV45 и ТРТ
КК17;
- из цепи реле контактора КМ15 убираются блок-контакты ТРТ КК15;
- контакторы КМ1, КМ15, КМ16 и КМ17 заменяются на реле, их блокконтакты подключаются к разъѐмам «Пуск» и «GND» систем управления инверторов WR1, WR2, WR3 и WR4 соответственно.
S20
KM11-KM14
SF28
KV45
21
Вентиляторы
SA5
22
23
24
Компрессор
KV45
KM1
SF32
SF29
Вентилятор 1
25
SA5
S11
KK11
KM11
SA5
S12
KK12
KM12
SA5
S13
KK13
KM13
SA5
S14
KK14
KM14
SA5
S16
KM16
S17
KM17
26
27
28
Вентилятор 2
29
Вентилятор 3
SF30
30
31
Вентилятор 4
32
KV48
KV48
SP6
F37
SM
SF31
KM15
19
20
KV10
KV55
Рисунок 5.2 - Модернизированная принципиальная схема цепей управления
вспомогательными машинами
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
91
5.3 Работа модернизированной системы цепей управления вспомогательными машинами
Тумблер «Вентиляторы» должен быть заблокирован во включѐнном положении и опечатан.
При включении тумблеров панели S20 «Вентилятор 1», «Вентилятор 2»,
«Вентилятор 3» или «Вентилятор 4» происходит срабатывание реле КМ11, КМ12,
КМ13 или КМ14 соответственно, включая питание соответствующей машины от
инвертора WR1. Одновременно, замкнувшиеся блокировки в цепи катушки реле
KV45 включают еѐ, включая блок-контакты в цепи реле КМ1, которое, в свою очередь, включает инвертор WR1.
При отключении мотор-вентиляторов 1-4 происходит разрыв питания реле
KV45, которое автоматически отключает инвертор WR1 посредством реле КМ1.
Тепловые токовые реле КК11-КК14 осуществляют токовую защиту моторвентиляторов М11-М14, размыкая блок-контакты в цепях питания катушек реле
КМ11-КМ14.
При постановке реверсивного вала SM в положение «Рекуперация» происходит срабатывание реле KV10, которое замыкает блок-контакты в цепи катушек реле КМ15 и КV55, вызывая их срабатывание. Реле КМ15 включает инвертор WR2.
Питающие фазы мотор-вентилятора М15 подключены непосредственно к выводам
инвертора WR2. Инвертор WR2 одновременно обеспечивает токовую защиту приводного двигателя мотор-вентилятора М15 блока балластных резисторов.
При постановке реверсивного вала в любое положение, кроме «Рекуперация», вызывает отключение питания катушки реле KV10, вызывая потерю питания
катушек реле КМ15 и KV55, отключая инвертор WR2.
При падении давления в питательной магистрали автоматически срабатывает
регулятор давления SP6 типа АК-11Б, замыкая контакты в цепи катушки реле
KV48, которое замыкает контакты в цепи реле КМ16. Реле КМ16 включает инвертор WR3. Питающие фазы мотор-компрессора М16 подключены непосредственно
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
92
к выводам инвертора WR3. Инвертор WR3 одновременно обеспечивает токовую
защиту приводного двигателя мотор-компрессора М16.
При достижении необходимого уровня давления воздуха в питательной магистрали регулятор давления SP6 своими блок-контактами отключает питание катушки реле KV48, разрывая цепь питания катушки реле КМ16, после чего инвертор WR3 отключается.
Включение выключателя S17 запитывает катушку реле КМ17, включая инвертор WR4. Питающие фазы мотор-насоса М17 подключены непосредственно к
выводам инвертора WR4. Инвертор WR4 одновременно обеспечивает токовую защиту приводного двигателя мотор-компрессора М17.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
93
6 Безопасность и экологичность разработанного источника питания
В основной части дипломного проекта был произведѐн теоретический расчѐт
системы стабилизированного источника питания асинхронных вспомогательных
машин электровозов серии ВЛ85. Поскольку внедрение разработанной системы
предполагается непосредственно на подвижном составе, требуется рассмотрение
следующих аспектов безопасности работы локомотивных бригад и обслуживающего персонала:
- воздействие шума на организм человека и его работоспособность;
- воздействие вибраций на организм человека;
- воздействие на организм человека электромагнитных полей;
- безопасность работников при обслуживании электроустановок.
6.1 Основные опасные и вредные факторы, воздействующие на работников
локомотивных бригад
Интенсивное шумовое воздействие вызывает в слуховом анализаторе изменения, составляющие специфическую реакцию организма. Процесс адаптации слуховой системы выражается во временном смещении (повышение порогов слуховой
чувствительности). При долговременном акустическом воздействии формируется
повышение слуховых порогов, сначала медленно возвращающееся к исходному
уровню (слуховое утомление), а затем сохраняющееся к началу очередного шумового воздействия (постоянное смещение порога слуха).
Среди многочисленных проявлений неблагоприятного воздействия шума на
организм можно выделить снижение разборчивости речи, неприятные ощущения,
развитие утомления и снижение производительности труда, и, наконец, появление
шумовой патологии.
Снижение разборчивости (внятности) речи, профессионально значимое при
многих видах деятельности, обусловлено эффектами звуковой маскировки голоса
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
94
производственным шумом и тесно связано со спектральными характеристиками
шума.
Шумы могут вызывать неприятные ощущения, однако решающую роль в
оценке «неприятности» шума играет субъективное отношение человека к этому
раздражителю.
Приобретает особую значимость то, что шум, являясь информационной помехой для высшей нервной деятельности в целом, оказывает неблагоприятное влияние на протекание нервных процессов и способствует развитию утомления. В с оответствии с теорией биологической эквивалентности эффектов влияния шума и
нервной нагрузки шум увеличивает напряжение физиологических функций в процессе труда и снижает работоспособность организма.
Профессиональное снижение слуха относится к нейросенсорной тугоухости.
Развитие хронической профессиональной тугоухости - процесс длительный и постепенный. Время протекания этого процесса различно и зависит от интенсивности, спектра, динамики изменения воздействия шума во времени, индивидуальной
чувствительности к шуму, а также многих других факторов. У некоторых людей
серьѐзное повреждение слуха может наступить в первые месяцы воздействия, у
других потеря слуха развивается постепенно, в течение всего периода работы на
производстве. Потеря слуха может привести к серьѐзному физическому недостатку
и стойкой потере трудоспособности. Субъективное ощущение понижения слуха
наступает по мере прогрессирования процесса, когда снижение восприятия затрагивает область звуковых частот 500, 1000, 2000 Гц. Оно обычно развивается медленно и постепенно увеличивается со стажем работы в данной профессии. При
этом может нарушаться способность слышать важные звуковые сигналы, дверные
и телефонные звонки, наступает ослабление разборчивости речи.
Дальнейшее развитие профессиональной тугоухости характеризуется расширением повреждения звуковосприятия по всему диапазону звуковых частот.
У лиц, работающих в условиях интенсивного шума, определяются изменения
сердечно-сосудистой системы. У рабочих шумных профессий довольно часто вы-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
95
является дисфункция желудка, нарушение его эвакуаторной функции, изменение
кислотности желудочного сока.
Источниками шума на подвижном составе является основное оборудование:
тяговые и вспомогательные двигатели, редукторы; вспомогательное оборудование:
вентиляторы, выпрямители, компрессоры, вентиляционно-отопительное оборудование; взаимодействие локомотива и окружающей среды. Характерной особенностью транспортных шумов является воздействие не только на работников транспорта и пассажиров, но также и на жителей проживающих вблизи от железнодорожных станций и путей.
Значительное повышение грузооборота и скоростей движения поездов является причиной роста шума подвижного состава. Поэтому уменьшение шума подвижного состава является актуальной задачей. Решение этой задачи должно способствовать снижению неблагоприятного воздействия шума на поездные бригады,
а также жителей, проживающих вблизи железной дороги.
6.2 Нормирование шума
Характеристикой постоянного шума на рабочих местах является уровень
звукового давления L, дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц, определяемые по формуле
(6.1):
(6.1)
где
- среднеквадратичная величина звукового давления, Па;
- исходное значение звукового давления в воздухе, равное 2 10 3 Па.
Допускается в качестве характеристики постоянного широкополосного шума
на рабочих местах принимать уровень звука
, дБА, измеренный на временной
характеристике «медленно» шумомера, определяемый по формуле (6.2):
(6.2)
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
96
где
- среднеквадратичная величина звукового давления с учетом коррекции
шумомера, Па.
Характеристикой непостоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА.
Предельно допустимые уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах с учѐтом напряжѐнности и тяжести трудовой деятельности представлены в таблице 6.1.
Таблица 6.1 - Предельно допустимые уровни звука и эквивалентные уровни
звука на рабочих местах для трудовой деятельности разных категорий тяжести и
напряжѐнности, дБА (СН 2.2.4/2.1.8.562-96)
Категория
напряжѐнности
трудового
процесса
Напряжѐнность
лѐгкой степени
Напряжѐнность
средней степени
Напряжѐнный
труд 1 степени
Напряжѐнный
труд 2 степени
Категория тяжести трудового процесса
Лѐгкая физическая
нагрузка
Средняя
физическая
нагрузка
Тяжѐлый
труд 1
степени
Тяжѐлый
труд 2
степени
Тяжѐлый
труд 3
степени
80
80
75
75
75
70
70
65
65
65
60
60
-
-
-
50
50
-
-
-
Примечания:
1. Для тонального и импульсного шума ПДУ на 5 дБА меньше значений, указанных в таблице;
2. Для шума, создаваемого в помещениях установками кондиционирования воздуха, вентиляции и воздушного отопления - на 5 дБА меньше фактических уровней шума в помещениях (измеренных или рассчитанных), если последние не превышают значений табл. 1 (п оправка для тонального и импульсного шума при этом не учитывается), в противном случае на 5 дБА меньше значений, указанных в таблице;
3. Дополнительно для колеблющегося во времени и прерывистого шума максимальный
уровень звука не должен превышать 110 дБА, а для импульсного шума - 125 дБА
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
97
6.3 Воздействие вибраций на организм человека
Вибрация относится к факторам, обладающим большой биологической активностью. Характер, глубина и направленность физиологических сдвигов различных систем организма определяются уровнями, спектральным составом вибрации,
а также физиологическими свойствами тела человека. В генезе этих реакций важную роль играют анализаторы - вестибулярный, двигательный, зрительный, кожный и др. Вибрация может прямым путѐм мешать выполнению рабочих операций
или косвенно отрицательно влиять на работоспособность человека.
Предельно допустимые значения виброускорений в производственных помещениях и на подвижном составе приведены в таблице 6.2.
Таблица 6.2 - Предельно допустимые значения виброускорений в кабинах
локомотивов (СН 2.2.4/2.1.8.566-96)
Среднегеометрические
частоты октавных полос,
Гц
Предельно допустимые значения по осям X л , Yл , Z л
виброускорения
виброскорости
дБ
дБ
м/с 2
м/c·10 2
1,4
123
2,8
115
1,4
123
1,4
109
2,8
129
1,4
109
5,6
135
1,4
109
11,0
141
1,4
109
22,0
147
1,4
109
45,0
153
1,4
109
89,0
159
1,4
109
8
16
31,5
63
125
250
500
1000
Эквивалентные корректированные значения и
2,0
126
2,0
112
их уровни
Примечание: Работа в условиях воздействия вибрации с уровнями, превышающими
настоящие санитарные нормы более чем на 12 дБ (в 4 раза) по интегральной оценке
или в какой-либо октавной полосе, не допускается.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
98
При воздействии вестибулярных раздражителей, к которым относится вибрация, нарушаются восприятие и оценка времени, снижается скорость переработки
информации. Длительное влияние вибрации приводит к стойким патологическим
нарушениям в организме рабочих. Всесторонний анализ этого патологического
процесса послужил основанием для выделения его в качестве самостоятельной нозологической формы профессионального заболевания - вибрационной болезни.
Вибрационная болезнь продолжает занимать одно из ведущих мест среди
всех профессиональных заболеваний. Установлено, что вибрационная болезнь может длительное время протекать компенсировано, в течение этого периода больные
сохраняют трудоспособность и не обращаются за врачебной помощью.
К основным проявлениям вибрационной болезни относятся нейрососудистые
расстройства. Одновременно развиваются мышечные и костные (вплоть до дегенеративно-дистрофических) изменения, а также расстройства нервной системы
(неврозы и т.д.).
Низкочастотная общая вибрация, особенно резонансного диапазона, вызывая
длительную травматизацию межпозвоночных дисков и костной ткани, смещение
органов брюшной полости, изменения моторики гладкой мускулатуры желудка и
кишечника, может приводить к болевым ощущениям в области поясницы, возникновению и прогрессированию дегенеративных изменений позвоночника, заболеваний хроническим пояснично-крестцовым радикулитом, хроническим гастритом.
При рассмотрении особенностей действия общей вибрации надо иметь в виду, что тело человека представляет собой сочетание различных масс с упругими
элементами, имеющими собственные колебания разной частоты. Под влиянием
вибрации в ряде случаев может произойти явление резонанса, когда амплитуда колебаний отдельных частей или органов тела увеличивается в несколько раз по
сравнению с амплитудой вибрации того или иного внешнего источника. Для человека в положении лѐжа резонансная частота находится в пределах 3-3,5 Гц, для сидящего - на частотах 4-6 Гц, а для стоящего на вибрирующей площадке имеется
два резонансных пика - на частотах 5-7 и 17-25 Гц. Явления резонанса для тканей
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
99
головы наступают в области 20-30 Гц (в этом диапазоне частот амплитуда колебаний головы может превышать амплитуду колебаний плеч в 3 раза).
Ткани человека обладают различной способностью к передаче вибрации.
Наилучшим проводником вибрации являются кости, мягкие ткани. Суставы же являются эффективными гасителями колебаний. С повышением частоты вибрации
амплитуда колебаний частей тела по мере удаления от точки приложения уменьшается. Так, например, в диапазоне частот 50-70 Гц до головы доходит около 10%
энергии передаваемой вибрации человеку, находящегося на виброплатформе. Вибрация частотой более 100 Гц практически не передаѐтся по телу человека и является большей частью местной.
6.4 Влияние электромагнитных полей на организм человека
На нынешнем этапе развития научно-технического прогресса человек вносит
существенные изменения в естественное магнитное поле, придавая геофизическим
факторам новые направления и резко повышая интенсивность своего воздействия.
Основные источники этого воздействия в эксплуатации ЭПС – электромагнитные
поля от сети тягового электроснабжения при электротяге переменного тока, а также
высоковольтное оборудование ЭПС. Все они представляют собой источник излучений ЭМП.
Варианты воздействия ЭМП на биоэкосистемы, включая человека, разноо бразны: непрерывное и прерывистое, общее и местное, комбинированное от нескольких источников и сочетанное с другими неблагоприятными факторами среды
и так далее.
На биологическую реакцию влияют следующие параметры ЭМП:
а)
интенсивность ЭМП (величина);
б)
частота излучения;
в)
продолжительность облучения;
г)
модуляция сигнала;
д)
сочетание частот ЭМП,
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
100
е)
периодичность действия.
Сочетание вышеперечисленных параметров может давать существенно различающиеся последствия для реакции облучаемого биологического объекта.
В подавляющем большинстве случаев облучение происходит полями относительно низких уровней, ниже перечисленные последствия относятся к таким случаям.
Биологический эффект ЭМП в условиях длительного многолетнего воздействия накапливается, в результате возможно развитие отдалѐнных последствий,
включая дегенеративные процессы центральной нервной системы, рак крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональные заболевания.
Электромагнитные поля на транспорте имеют существенные значения, близкие,
а иногда и превышающие международные нормы на магнитные поля. Работники
железнодорожного транспорта и пассажиры, среди которых есть и люди с ослабленным здоровьем, а также дети и лица пожилого возраста, подвергаются опасным электромагнитным воздействиям, от которых необходимо защищаться. Проблема защиты от ЭМП требует к себе повышенного внимания.
6.5 Нормирование электромагнитных полей
Санитарными правилами устанавливаются на рабочих местах:
а) временные допустимые уровни (ВДУ) ослабления геомагнитного поля
(ГМП);
б) предельно допустимые уровни (ПДУ) электростатического поля (ЭСП);
в) ПДУ постоянного магнитного поля (ПМП);
г) ПДУ электромагнитных излучений на рабочих местах в локомотивах и
СCПС.
Оценка и нормирование ослабления геомагнитного поля на рабочем месте
производится на основании определения его интенсивности внутри помещения,
объекта, технического средства и в открытом пространстве на территории, приле-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
101
гающей к месту его расположения, с последующим расчѐтом коэффициента ослабления ГМП.
Интенсивность ГМП измеряют в единицах напряжѐнности магнитного поля
(H) в А/м или магнитной индукции (B) в Тл.
Коэффициент ослабления интенсивности ГМП открытого пространства (В 0) к
его интенсивности внутри помещения (Вв). Временный допустимый коэффициент
ослабления интенсивности геомагнитного поля на рабочих местах персонала в помещениях в течение смены не должен превышать 2 (6.3).
|
|
|
|
(6.3)
Оценка и нормирование ЭСП осуществляется по уровню электрического поля дифференцировано в зависимости от времени его воздействия на работника за
смену. Уровень ЭСП оценивают в единицах напряжѐнности электрического поля
Е, кВ/м. Предельно допустимый уровень напряжѐнности электростатического поля
, кВ/м при воздействии менее 1 часа за смену устанавливается равным 60
кВ/м. При воздействии более 1 часа за смену определяется по формуле (6.4).
√
(6.4)
где t - время воздействия, мин.
В диапазоне напряжѐнностей 20-25 кВ/м допустимое время пребывания персонала в ЭСП без средств защиты определяется согласно выражению (6.5):
(
где
)
(6.5)
- измеренное значение напряжѐнности ЭСП, кВ/м.
Оценка и нормирование ПМП осуществляется по уровню магнитного поля,
дифференцированно в зависимости от времени его воздействия на работника за
смену для условий общего и локального воздействия, значения приведены в таблицах 6.3.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
102
Таблица 6.3 – ПДУ постоянного магнитного поля
Условия воздействия
Время воздействия за рабо-
Общие
Локальные
ПДУ напряжѐн-
ПДУ магнитной
ПДУ напря-
ПДУ магнитной
ности, кА/м
индукции, мТл
жѐнности, кА/м
индукции, мТл
0-10
24
30
40
50
11-60
16
20
24
30
61-480
8
10
12
15
чий день, мин
ПДУ электромагнитных излучений на рабочих местах работников локомотивного хозяйства представлены в таблице 6.4.
Таблица 6.4 – ПДУ электромагнитных излучений на рабочих местах в локомотивах и ССПС
Наименования показателя, единица измерения
Переменные магнитные поля промышленной частоты:
- Напряжѐнность магнитного поля, м, А/м
- Магнитная индукция, В, Тл
Электрические поля промышленной частоты:
- Напряжѐнность электрического поля, Е, кА/м
Постоянные магнитные поля:
- Напряжѐнность постоянного магнитного поля, м, кА/м
Электростатическое поле:
- Напряжѐнность электростатического поля кВ/м
На рабочих местах оператора ПЭВМ:
- Электрическое поле
а) 5Гц–2кГц
б) 2–400кГц
- Магнитное поле
а) 5Гц–2кГц
б) 2–400кГц
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Предельно допустимые значения
Не более 80
Не более 100
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Не более 5
Не более 8
Не более 20
25 В/м
2,5 В/м
250 нТл
25 нТл
Лист
103
6.6 Безопасность работников при обслуживании электроустановок
Система распределения и потребления электроэнергии на железнодорожном
транспорте при соблюдении норм и правил охраны труда почти исключает возможность поражения электрическим током. Однако при нарушении их может с оздаться ситуации, опасная для жизни и здоровья работающих.
Доля электротравматизма в общем количестве несчастных случаев на железнодорожном транспорте незначительна (0,1—5%), однако исход его, как правило,
тяжѐлый. Электротравматизм происходит чаще всего в электроустановках напр яжением до 1000 В при случайном прикосновении к токоведущим частям с повр еждѐнной изоляцией или к корпусам электрооборудования, не имеющим защитного
заземления.
Хотя сопротивление рабочей обуви изменяется в широких пределах, но она,
даже диэлектрическая, не может обеспечить полную защиту человека от поражения током.
Корпуса электрических машин, трансформаторов, переносного инструмента,
светильников и другие металлические нетоковедущие части электрических установок, нормально изолированные от токоведущих частей, при повреждении изоляции
оказываются под напряжением. В этих аварийных условиях прикосновение к ним
равноценно прикосновению к токоведущим частям. Ток, протекающий через тело
человека, при этом может превысить опасное значение и вызвать поражение со
смертельным исходом. Опасность поражения током при переходе напряжения на
нетоковедущие части электроустановки устраняет защитное заземление. При з амыкании на корпус срабатывает защитное реле, обеспечивающее отключение питания электровоза.
Электроустановками называются также устройства, которые производят,
преобразуют, распределяют и потребляют электрическую энергию. Наружными
или открытыми электроустановками называют электроустановки, находящиеся на
открытом воздухе, а внутренними или закрытыми — находящиеся в закрытом помещении. Электроустановки могут быть постоянные и временные. По условиям
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
104
электробезопасности электроустановки разделяют на электроустановки напряжением до 1000 В включительно и выше 1000 В.
Электробезопасностью называется система организационных и технических
мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного
воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного ноля и
статического электричества. Она достигается: конструкцией электроустановок;
техническими способами и средствами защиты; организационными и техническими мероприятиями. Требования (правила н нормы) электробезопасности конструкции и устройства электроустановок изложены в системе стандартов безопасности
труда, а также в стандартах и технических условиях па электротехнические изделия.
Технические способы и средства защиты, обеспечивающие электробезопасность, устанавливаются с учѐтом:
а) номинального напряжения, рода и частоты тока электроустановки;
б) способа электроснабжения (от стационарной сети, от автономного исто чника питания электроэнергией);
в) режима нейтрали (средней точки) источника питания электроэнергией
(изолированная, заземлѐнная нейтраль);
г) вида исполнения (стационарные, передвижные, переносные);
д) условий внешней среды (помещения: особо опасные, повышенной опасности, без повышенной опасности, на открытом воздухе).
Для обеспечения электробезопасности должны применяться отдельно или в
сочетании друг с другом следующие технические способы и средства:
а) изоляция токоведущих частей (рабочая, дополнительная, усиленная дво йная);
б) оградительные устройства;
в) предупредительная сигнализация, блокировка, знаки безопасности;
г) расположение на безопасной высоте;
д) малое напряжение;
е) защитное заземление, зануление и защитное отключение;
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
105
ж) выравнивание потенциалов; электрическое разделение сетей;
з) средства защиты и предохранительные приспособления.
Исправная изоляция токоведущих частей является основным условием, обеспечивающим безопасность эксплуатации электроустановок. Основными причинами нарушения изоляции и ухудшения еѐ качеств на локомотиве являются:
а) нагревание рабочими и пусковыми токами и токами короткого замыкания,
теплом посторонних источников, солнечной радиацией и т. п.;
б) динамические усилия, смещение, истирание, механические повреждения,
возникающие при малом радиусе изгиба кабелей, чрезмерных растягивающих ус илиях при вибрациях и т. п.;
в) воздействие загрязнения, масел, бензина, влаги, химических веществ.
В силовых и осветительных сетях напряжением до 1000В величина сопротивления изоляции между любым проводом и землѐй, а также между двумя пр оводниками, измеренная между двумя смежными предохранителями, должна быть
не менее 0,5 МОм. Существуют нормы на качество изоляции отдельных электроустановок.
Состояние изоляции проверяется перед вводом электроустановки в эксплуатацию, после еѐ ремонта, а также после длительного еѐ пребывания в нерабочем
положении. Кроме того, проводится профилактический контроль изоляции с помощью специальных приборов: омметров и мегомметров. Правила технической
эксплуатации электроустановок потребителей предписывают проводить такой ко нтроль в электроустановках до 1000 В не реже 1 раза в три года. В тех случаях, когда силовые или осветительные проводки имеют пониженное против норм сопр отивление изоляции, необходимо принимать немедленные меры к восстановлению
изоляции до нормы или к полной, или частичной замене проводки.
Двойная изоляция — это электрическая изоляция, состоящая из рабочей и
дополнительной изоляции. Последняя предусмотрена для защиты от поражения
электрическим током в случае повреждения рабочей изоляции. С двойной изоляцией (с пластмассовыми корпусами) изготовляют электрифицированный инструмент, переносные светильники, некоторые бытовые установки и электроизмер и-
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
106
тельные приборы. На корпусе токоприѐмника с двойной изоляцией на видном месте наносится геометрический знак — квадрат в квадрате.
На ЭПС токоведущие части электрооборудования имеют защитные ограждения. Они выполняются из негорючего или трудно горючего материала в виде кожухов, крышек, ящиков, сеток и обладают достаточной механической прочностью
и предоставляют доступ к оборудованию только при обесточивании всего электровоза.
Блокировки исключают опасности прикосновения или приближения к токоведущим частям в то время, когда они находятся под напряжением. Принципы
блокировки заключаются в следующем:
а) при открывании кожухов или ограждения электрооборудования происходит автоматическое отключение данного устройств от источника тока;
б) открывание кожухов или ограждений электрооборудования становится
возможным только после предварительного отключения данного устройства от источника тока.
На ЭПС применены механические блокировки с электропневматическим
приводом и релейным управлением.
Предупредительная сигнализация привлекает внимание обслуживающего
персонала и предупреждает о грозящей или возникающей опасности. Обычно пр именяется световая или звуковая сигнализация — каждая в отдельности или сблокированные вместе. Следует помнить, что сигнализация только предупреждает об
опасности, но не исключает еѐ.
В предупреждении несчастных случаев при эксплуатации электрооборудования важная роль принадлежит маркировке, надписям, указывающим состояние
оборудования, название и назначение присоединений. При отсутствии маркировки
и надписей обслуживающий персонал может во время ремонтов, осмотров и эксплуатации электрооборудования перепутать назначение проводов, рубильников,
выключателей и т. д.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
107
Панели распределительных устройств должны быть окрашены в светлые тона н иметь чѐткие надписи, указывающие назначение отдельных панелей. Такие
надписи должны быть на лицевой и обратной сторонах панелей.
Все ключи, кнопки и рукоятки управления должны иметь надписи, указывающие операцию, для которой они предназначены («включить», «отключить»,
«убавить»). Сигнальные лампы и другие сигнальные аппараты должны иметь
надписи, указывающие характер сигнала. При использовании условных обознач ений на видном месте вывешивается таблица или схема, которая расшифровывает
их. Специальная роль отводится предупредительным плакатам и знакам безопасности. Различают плакаты: предостерегающие, запрещающие, разрешающие н напоминающие.
Для улучшения распознавания частей электроустановки применяется также
отличительная окраска токоведущих шин, голых проводов, расцветка жил в кабеле.
Размещение токоведущих частей на недоступной для прикосновения высоте
производится в случаях, когда их изоляция и ограждение оказываются нево зможными или экономически нецелесообразными.
Применение напряжения 50 В и ниже в цепях управления резко снижает
опасность при всех условиях поражения. Однако электроаппараты и с этим напр яжением представляют реальную опасность для человека, особенно при двухполюсном прикосновении. Эти напряжения применяются для питания ряда приборов.
6.7 Применѐнные методы обеспечения безопасности при разработке источника питания
Поскольку в разработанном источнике питания АВМ электровоза использ уемое напряжение не превышает 400В, к нему применяется набор требований безопасности, справедливый для электроустановок напряжением до 1000В.
Работа персонала в месте установки преобразователей (ВВК) при эксплуатации ЭПС не допускается.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
108
Токовая защита АВМ М11-М14 преобразователя WR1 обеспечивается набором ТРТ типа РТТ 85-33-132 120 УХЛ2 с уставкой реле 636А в течение 8-20 с.
Также токовую защиту фаз, а также защиту оборудования от замыкания на корпус
обеспечивает драйвер системы управления преобразователя WR1.
Токовая защита, а также защита от замыкания на корпус АВМ М15, М16 и
М17 преобразователей WR2, WR3 и WR4 соответственно обеспечивается
непоcредственно драйверами систем управления преобразователями.
Защита цепей управления электровозом, а также цепей управления преобр азователями от попадания в них высокого напряжения вторичной обмотки СН тягового трансформатора обеспечивается при помощи гальванической развязки цепей:
а) цепей управления электровозом от цепей ОСН – использованием реле и
контакторов;
б) цепей управления преобразователями от цепей ОСН – использованием
изолированных драйверов, интегрированных оптронов и раздельных источников
питания.
Реле контроля «земли» типа РКЗ-306 с уставкой 205В обеспечивает срабатывание защиты при обнаружении замыкание на корпус аппаратуры в цепях ОСН тягового трансформатора. Защитное заземление и зануление в трѐхфазных цепях не
допускается.
Разводка шин постоянного и переменного трѐхфазного тока, согласно принципиальной схеме питания АВМ, представленной на рисунке 5.1, производится
медной шиной типа ПС-4000 сечением 25 мм2, с помощью крепѐжных комплектов.
Сопротивление изоляции между «массой» электровоза и токоведущими шинами
должно быть не менее 0,5Мом. Контроль изоляции необходимо производить не
менее, чем 1 раз в 3 года.
Также при эксплуатации и ремонте необходимо соблюдать правила безопасности работников при обслуживании электроустановок (п.6.6).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
109
7 Экономическая эффективность внедрения преобразователя
Внедрение разрабатываемой системы источника питания направлено, главным образом, на минимизацию выходов из строя асинхронного привода вспомогательных машин электровоза по причине несимметрии трѐхфазной системы напр яжения, нестабильности эксплуатационных режимов при завышениях и просадке
напряжения в контактной сети. Возможность использования режимов увеличения и
уменьшения производительности методом частотного регулирования, как в большую, так и в меньшую стороны, в том числе, и в автоматическом режиме, позволяет шире использовать возможности тяговых машин электровоза, а также позволяет
минимизировать расход электроэнергии на собственные нужды электровоза. В
процессе модернизации предусмотрен экономический эффект от использования
снятых фазорасщепителей в качестве приводных двигателей.
7.1 Определение сметной стоимости оборудования системы источника питания
Стоимость оборудования одной секции электровоза серии ВЛ85 установкой
разработанной системы источника питания приведена в таблице 7.1. Стоимость
приобретаемых материальных ресурсов приведена в соответствии с ценами заводов-изготовителей.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
110
Таблица 7.1 – Смета расходов на приобретение оборудования
Тип матери-
Марка матери-
Цена
Количество
альных ре-
альных ресур-
единицы,
на секцию,
сурсов
сов
руб./шт.
шт.
М2ТКИ-800-12Н
5210
3
15630
М2ТКИ-200-06
2993
6
17958
М6ТКИ-20-06
2470
1
2470
2600
5
13000
IR2131
1722
4
6888
MC3PHAC
5670
4
22680
SKPC 200-440
4340
1
4340
900
4
3600
Провод БЛВЛ 1,5 мм2
2,82
150
423
Провод ПС-4000 25 мм2
29,17
150
4375,5
Крепѐжный комплект
700
5
3500
СПП
Корпус, арматура, комплект
охладителей
Контроллеры,
драйверы
Стоимость,
руб.
Комплект схемного обеспечения
системы управления преобразователями
Всего на секцию
94864,5
Сметная стоимость на электровоз
Транспортные расходы
189729
, руб. определяем как 5% сметной стоимости обо-
рудования.
руб
Снабженческо-бытовые расходы
, руб. составляют 23% сметной стоимо-
сти оборудования.
руб
Материальные затраты
, руб. с учѐтом транспортных и снабженческо-
бытовых расходов определяются согласно формуле (7.1).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
111
(7.1)
С учѐтом полученных значений величина
, руб. по формуле (7.1) составля-
ет
руб
7.2 Определение сметной стоимости монтажных работ
Определение сметной стоимости монтажных работ производится на основании видов работ и затраченного времени [21]. Смета расходов на монтажные раб оты приведена в таблице 7.2.
Таблица 7.2 – Смета на монтажные работы
Вид работ
Монтаж преобразователей
Настойка блоков управления
преобразователем
Установка и подключение
преобразователей частоты в
цепь вспомогательных машин
электровоза
Монтаж схемы силовых цепей
и цепей управления преобразователем на электровозе
Проверка работы оборудования
Итого,
Изм. Лист № документа Подпись Дата
5
Трудоѐмкость
чел.час.
400
6
5
77,836
389,18
6
10
77,836
778,36
5
40
71,126
2845,04
6
4
77,836
311,344
Разряд
работ
Часовая тарифн. ставка, руб.
71,126
Тарифная
зарплата,
руб.
28450,4
32774,32
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
112
Основная заработная плата определяется по выражению (7.2).
(7.2)
где
– районный и северный коэффициент, принятый равным 1,6.
Премия
, руб. планируется для слесарей комплексных бригад и специали-
зированных отделений, занятых на ремонте ТО, ТР, ТРС,СР премируются в размере 30% от сдельного заработка
Фонд оплаты труда
, руб. работников по монтажу оборудования опреде-
ляем согласно формуле (7.3).
(7.3)
руб
Отчисления на социальные нужды составляют 34% ФОТ.
руб
Накладные расходы определяются, как
руб
Общие затраты на монтаж оборудования определяем по формуле (7.4).
(7.4)
руб
Общие расходы на монтаж оборудования
, руб определяются по формуле
(7.5).
(7.5)
7.3 Определение дополнительных расходов
Дополнительные эксплуатационные расходы сводятся к проверке работоспособности устройства и замене неисправных элементов. Смета на обслуживание
дополнительного оборудования электровоза ВЛ85 приведена в таблице 7.3.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
113
Таблица 7.3 – Смета на обслуживание дополнительного оборудования
Вид операции
Разряд
Годовая тру-
Часовая та-
Тарифная
доѐмкость,
рифная став-
зарплата,
чел.час
ка, руб.
Zт, руб.
150
77,836
11675,4
Проверка работоспособности устройств преобразования частоты и замена неис-
6
правных элементов
Расчѐт аналогичен приведѐнному в п.7.2 и производится по формулам (7.2)(7.4).
руб
руб
руб
Затраты на текущий ремонт составляют 3% от стоимости оборудования
руб
Затраты на прочие расходы принимаются в размере 5% ФОТ
руб
Общие дополнительные эксплуатационные расходы определяются по фо рмуле (7.6).
(7.5)
руб
7.4 Расчѐт экономического эффекта при внедрении проекта в ремонтном
процессе
Годовая экономия
, руб. эксплуатационных затрат при ремонте электрово-
зов серии ВЛ85 определяется по формуле (7.6).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
114
(
где
)
(7.6)
– ожидаемый процент снижения отказов;
– среднегодовое количество отказов АВМ на один электровоз;
– стоимость ремонта одной АВМ типа АНЭ225L4, руб;
– норма амортизационных отчислений, принятая равной 8%;
– стоимость проведения технического обслуживания, руб.; определяемая
по формуле (7.7).
(7.7)
Согласно гл.1 ожидаемый процент снижения отказов
составляет 0,88;
также в среднем стоимость ремонта АВМ при отказах группы «А» составляет
руб. При
отказ/электровоз получаем следующее значение
(
)
7.5 Оценка экономического эффекта при модернизации
Сущность экономического эффекта в процессе модернизации состоит в том,
что снимаемые с электровозов расщепители фаз (см.п.5.1) также являются асинхронными электродвигателями серии АНЭ225L4 и могут быть реализованы по рыночной стоимости либо использованы в качестве приводных вспомогательных двигателей.
Расчѐтная стоимость одного расщепителя фаз типа АНЭ225L4 составляет
275000 руб., с одного электровоза ВЛ85 снимается два расщепителя фаз общей
стоимостью 550000 руб.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
115
7.6 Расчѐт годового экономического эффекта от экономии потребляемой
электроэнергии
Произведѐм расчѐт расхода электроэнергии вспомогательным приводом
электровоза ВЛ85 при работе АВМ вентиляторов на частотах 50, 33 1/3 и 162/3Гц.
Согласно расчѐтам п.3.4, потребляемая мощность составляет:
-для вентилятора ЦВВ 89-15 №8,2 составляет 32,56; 17,09 и 4,983 кВт для частот 50, 331/3 и 162/3Гц соответственно;
- для вентилятора Ц8-19 №6,5 – 19,5; 10,06 и 3,35 кВт соответственно;
- для вентилятора Ц8-19 №7,6 – 8,8; 4,749 и 1,619 кВт соответственно;
- электродвигатель мотор-компрессора не предназначен к регулировке и потребляет мощность 37 кВт в режиме S4 (повторно-кратковременный с ПВ=40%);
- для маслонасоса ТТ63/10 потребляемая мощность составляет 2,8 кВт.
Общая расчѐтная мощность системы АВМ
, кВт при работе на частоте
50Гц в режиме работы всех АВМ составляет
(
)
Удельное потребление электроэнергии системами собственных нужд
,
кВт ч/мин в режиме 50Гц составляет
При расчѐтном значении удельного энергопотребления
для электровоза ВЛ85, применяемом в тяговых расчѐтах [20], получаем экономию
электроэнергии в 1,929 раз.
Расчѐт для других значений частоты питающего напряжения производится
аналогично, результат сведѐн в таблицу 7.4.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
116
50
32.56
19,5
8.8
33,33
17,09
10,06
4.749
16,66
4.983
3.35
1.619
2,8
37,0
нужды АВМ, раз
Экономия энергии на
требление
Удельное энергопо-
ность АВМ, кВт
Суммарная мощ-
кВт
Мотор-компрессор,
насоса, кВт
Мощность мотор-
№7,6; кВт
Мощность Ц8-19
№6,5 кВт
Гц
Мощность Ц8-19
,
15 №8,2; кВт
Мощность ЦВВ 89-
Таблица 7.4 – Расчѐт удельного энергопотребления системой АВМ
331,56
5,526
1,929
211,758
3,5293
3,020
119,436
1,9906
5,355
При расчѐтном времени работы электровоза ВЛ85 20 ч/сут 300 сут/год, получаем время работы
, часов
При постоянной работе АВМ на частоте 50Гц, экономия энергии
, кВт ч
составит
(
)
При стоимости электроэнергии на тягу поездов 0,6 руб/кВт ч получаем годовой эффект на один электровоз при отсутствии управления АВМ
При использовании частотного управления приводом в автоматическом р ежиме годовой эффект увеличивается за счѐт большего экономия электроэнергии
[22].
7.7 Определение срока окупаемости оборудования
Годовой эффект от внедрения источником питания АВМ в расчѐте на один
электровоз определяется по формуле (7.8).
Пч=
Изм. Лист № документа Подпись Дата
- Ним.
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
(7.8)
Лист
117
Годовая экономия Э г, 103 руб эксплуатационных затрат определяется по формуле (7.9).
(7.9)
Численное значение
равно
Срок окупаемости Т, лет составит
Полученное значение срока окупаемости может значительно снизиться при
использовании автоматического управления АВМ в режимах тяги и рекуперации.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
118
Библиографический список
1.
Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные
устройства РЭА. [Текст]: справ. / Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко,
Ю. П. Ходоренок. - Минск: Беларусь, 1994 г. - 591 с.
2.
Л.А. Астраханцев, Н.М. Астраханцева. Расчѐт энергетических характе-
ристик электроустановок с преобразователями. Учебное пособие. – Иркутск: Издво ИрИИТ, 1999. – 94 с, ил.
3.
Охрана труда в грузовом хозяйстве железнодорожного транспорта.
[Текст]/В. И. Бекосов, Н. Е. Лысенко. М.:Транспорт, 1985 г. - 361 с.
4.
Буралев Ю.В., Павлова Е.И. Безопасность жизнедеятельности на транс-
порте. [Текст] – М.: Транспорт, 1999 г. – 200 с.
5.
Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными электродвигателя-
ми. [Текст] – М.: Наука, 1966 г. – 296 с.
6.
Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш.
техн. учебн. заведений. [Текст] – 3-е изд., перераб. – Л.:Энергия, 1978 г. – 832 с.
7.
Электротехнический справочник: В 4 т. Т2. Электротехнические изделия
и устройства [Текст]/ Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова и др. М.: Изд ательство МЭИ, 2001. 518 с.
8.
Электротехнический справочник: В 3-х т. Т.2. Электротехнические из-
делия и устройства. [Текст]/Под ред. В.Г.Герасимов и др. – 9-е изд., испр. и доп. –
М.: Энергоатомиздат, 2003. – 715 с.: ил.
9.
Дубровский З. М., Попов В. И., Тушканов Б. А. Грузовые электровозы
переменного тока: Справочник. [Текст] – 2-е изд., пераб и доп. – М.: Транспорт,
1998. – 503 с.
10. Б.И. Карлов, Е.А. Есин. Современные преобразователи частоты: методы
управления и аппаратная реализация. [Текст] – Силовая электроника №1,2004.
11. Ковалѐв Ю.З., Кузнецов Е.М. Электрооборудование промышленности:
Учеб. пособие. [Текст] - Омск: Издательство ОмГТУ, 2006. 160 с.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
119
12. Копылов И.П., Мамедов Ф.А., Беспалов В.Я. Математическое моделирование асинхронных машин. [Текст] – М.: Энергия, 1969. 96 с.
13. В. Козаченко. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к контроллерам [Текст]/ CHIIP NEWS. –1999.-1.С.2-9.
14. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины [Текст] – М.Л.: Энергия, 1965, - 704 с.
15. Кузнецов Е.М. Расчѐт и моделирование электропитающих устройств для
промышленных установок. [Текст]: Учебное пособие.– Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000
г.
16. Паршин А.Н. Регулируемый электропривод на базе тиристорного преобразователя с непосредственной связью для систем собственных нужд электровозов
переменного тока. Дисс. канд. техн. наук. [Текст] - М: Изд-во МГУПС (МИИТ). 2006 г. – 179 с.
17. Плакс А.В. Системы управления электрическим подвижным составом.
Учебник для вузов ж.-д. транспорта. [Текст] – М.: Маршрут, 2005 г. – 360 с.
18. Е.К. Рыбников, С.В. Володин. Применение математического пакета программ MathCAD для инженерных расчѐтов. Методические указания. – М.: Изд-во
МИИТ, - 1999 г.
19. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. [Текст]/Б. Н.
Тихменев, Л. М. Трахтман. - М.:Транспорт, - 1980 г. - 470 с.
20. В.В. Макаров, А.С. Шитиков. Подвижной состав и тяга поездов. Задания
на курсовую работу с методическими указаниями. [Текст] – Иркутск: Изд-во ИрИИТ, 1998 г. – 64 с.
21. О.В. Мельниченко. Т.А. Булохова, Т.Н. Мельниченко. Техникоэкономическая оценка эффективности разработанных технических решений в дипломном проектировании. Учебное пособие. [Текст] – Иркутск: Изд-во ИрГУПС –
2008 г. – 47 с.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
120
22. Наговицын В.С. Временный типовой расчѐт экономической эффективности внедрения системы регулирования частоты вращения вентиляторов электр овозов переменного тока ВЛ80. [Текст] – М.:Желдорконсалтинг, 2000 г. – 8 с.
23. Некрасов О.А., Рутштейн А.М. Вспомогательные машины электровозов
переменного тока. [Текст] - М.: Транспорт, 1988. – 223 с.
24. Силовые IGBT-модули. Материалы по применению. [Текст] / Под общ.
ред. проф. Ю.К. Розанова. – М.: Изд-во ДОДЭКА по зак. Siemens A.G. – 1997 г. –
157 с.
25. Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарѐв, Л.А. Позднякова и др. Электровоз ВЛ85.
Руководство по эксплуатации. [Текст] – М.:Транспорт, 1995. – 480 с.
26. Д.Э. Обухов, С.Л. Стенин, Д.Е. Струнин. Модули управления электроприводом. [PDF] – М: Издательский дом МЭИ – 2009 г.
27. В.Н. Остриров. Проектирование электронных преобразователей для
регулируемых электроприводов. [Текст]. - М: Издательский дом МЭИ, 2008 г. – 72
с.
28. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В. Силовая электроника. [Текст] - М.:
Издательский дом МЭИ. - 2007г. – 632 с.
29. A.M. Худоногов. Проектирование асинхронного привода вспомогательных
механизмов
ЭПС: Учебное
пособие для
вузов
ж.-д.
транспорта.
[Текст]/Худоногов A.M., Макаров В.В., Смирнов В.П., Орленко А.И., Худоногов
И.А. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2007. - 272 с.
30. IGBT-модули с низкими статическими потерями. Справочник. [PDF] –
Изд-во НИЦ СПП ОАО «Электровыпрямитель» - [http://www.elvpr.ru] - 2010 г.
31. Электровоз 2ЭС5К. Руководство по эксплуатации. Справочник в 8
томах. Т1: Описание и работа. Электрические схемы. – Новочеркасск: Изд-во
ВЭлНИИ. – 2004 г. – 249 с., ил.
32. Электровоз ЭП1. Руководство по эксплуатации. В четырѐх книгах. Т1-4:
Техническое
описание.
Монтаж
электрический.
Электрические
машины.
Электрические аппараты. – Новочеркасск: Изд-во ООО «ПК «НЭВЗ» - 2006 г. – 510
с, ил.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
121
33. Диоды. Тиристоры. Справочник. [PDF] – Изд-во НИЦ СПП ОАО
«Электровыпрямитель» - 2009 г.
34. Силовой IGBT модуль М6ТКИ-20-06. Справочник. [PDF] – Изд-во НИЦ
СПП ОАО «Электровыпрямитель» - [http://www.elvpr.ru] - 2006 г. – 8 с.
35. Силовой IGBT модуль М2ТКИ-200-06. Справочник. [PDF] – Изд-во
НИЦ СПП ОАО «Электровыпрямитель» - [http://www.elvpr.ru] - 2005 г. – 8 с.
36. Силовой IGBT модуль М2ТКИ-800-12Н. Справочник. [PDF] – Изд-во
НИЦ СПП ОАО «Электровыпрямитель» - [http://www.elvpr.ru] - 2005 г. – 8 с.
37. MC3PHAC Monolithic Intelligent Motor Controller. [PDF] – Freescale
Semiconductor Datasheet. [http://www.freescale.com] – 2005 г. – 36 c.
38. IR2131 (J)(S) & (PBF). Three high side and three low side driver. Data Sheet
No. PD60032 rev. P. [PDF] - International Rectifier - [http://www.irf.com].
39. SKPC200-440 Power Control Module. Phase Angle Control Datasheet. [PDF]
– Semikron. – 1990 г. – 4 с.
40. Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and
IGBTs. [PDF] - International Rectifier. IR AN-944. - [http://www.irf.com].
41. Application Characterization of IGBTs. [PDF] - International Rectifier. - IR
INT990. [http://www.irf.com].
42. IGBT Characteristics. [PDF] - IR AN-983 - International Rectifier.
[http://www.irf.com].
43. Control Integrated Circuit Designers` Manual. [PDF] - International Rectifier.
– 1996 г. [http://www.irf.com].
44. Main applications for power modules. Application Notes. [PDF] - Mitsubishi.
– [http://www.mitsubishielectric.com]
45. Using IGBT modules. Application Notes. [PDF] - Mitsubishi. – 1998 г.
46. General considerations for IGBT and intelligent power modules. Application
Notes. [PDF] - Mitsubishi. - [http://www.mitsubishielectric.com]
47. Оформление технической документации. СТП ИрГУПС 01-2002.
48. Электромагнитная совместимость персонала и электрооборудования распределительных устройств тягового электроснабжения [Текст]/А. Р. Закирова, к.т.н.
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
122
С.О. Белинский, д.т.н. К.Б. Кузнецов. – УрГУПС, 2009 г.
49. ГОСТ 12.1.002-84. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряжѐнности и требования к проведению контроля на рабочих
местах. Переиздание. – 2002 г.
50. ГОСТ 12.2.007.0-75. Электротехнические изделия. Общие требования
безопасности. Издание 2001 г. с изменениями №1, 2, 3, 4 (ИУС 8-78, 8-81, 1-84, 988).
Изм. Лист № документа Подпись Дата
ДП.ЭПС.190303.ПЗ
Лист
123
