بررسي و تحليل درايوهاي تراكشن جريان مستقيم و القايي

شرح فایل

در گذشته بيشتر ماشين هاي حمل و نقل از ولتاژ DC ثابت ريل سوم بوسيله درايوهاي DC تغذيه مي شدند. موتورها بوسيله كنترل كننده هاي نوع مقاومتي، كه شتاب لازم را براي ماشين فراهم مي كردند، كنترل مي شدند. اين سيستم ها همچنين شامل ترمز ديناميكي براي كم كردن شتاب و شامل سيستم هاي ترمز سايشي جهت پشتيباني يا تكميل سيستم هاي ترمز ديناميكي مي باشند.

ولي امروزه الكترونيك قدرت عامل عمده در بهبود سيستم هاي محركه پيشرفته شده است. وجود عناصر نيمه هادي و توليد اينورترها باعث كاهش هزينه هاي راهبري شده اند. گام اول جايگزيني كنتاكتورها با مقاومت ها و بوسيله يكسو كننده هاي كنترل شده و چاپرهاي DC جهت كنترل توان موتورهاي DC بوده است. در گام دوم كاربرد موتورهاي قفس سنجابي با پيشرفت اينورترهاي با ولتاژ و فركانس متغير (VVVF) ممكن شده است. حتي در اين زمينه، راه آهن به عنوان پيشگام در سيستم هاي الكترونيك قدرت شناخته شده است.

سيستم محركه AC درجه بالايي از ترمز احيا كننده را با مقدار بسيار كم تجهيزات ايجاد مي كند. مقدار توان احيا شده به فاكتورهاي زيادي از جمله مكان ايستگاه و شدت ترافيك بستگي دارد. مطالعات رايانه اي نشان داده اند كه احياي توان در سيستم هاي محركه AC ، 40 تا 50 درصد در مقايسه با ماشين هاي معادل كه با كنترل كننده هاي مقاومتي و ترمز ديناميكي كار مي كنند بيشتر مي باشد.

در نتيجه در حال حاضر اهداف طراحان، سازندگان و استفاده كنندگان سيستم هاي تراكشن الكتريكي بر اساس قابليت اطمينان حداكثر، دسترسي آسان، حداقل سرويس و نگهداري و ... همگي با لوكوموتيوهاي مدرن با تراكشن القايي تحقق يافته است. در واقع رسيدن به اين هدف ناشي از موارد زير مي باشد

الف) امكان استفاده از موتورهاي تراكشن القايي ساده و محكم.

ب) الكترونيك قدرت و كنورترهاي مدرن .

پ) كنترل و نظارت ميكروپروسسوري قوي و خيلي سريع.

اين پايان نامه به بررسي و تحليل درايوهاي تراكشن جريان مستقيم و القايي مي پردازد.

اميد است گردآوري اين مجموعه سرآغاز مطالعات و تحقيقات بيشتر در اين زمينه گردد.

فهرست مطالب

پیشگفتار 1
فصل اول كشش الكتریكی 3
1-1) تعیین مشخصات حركتی قطار 4
1-1-1) نیروی محرك قطار 5
شكل (1-1) منحنی نیروی كششی F بر حسب سرعت V لكوموتیو 6
1-1-2) نیروی مقاوم قطار ( Train Resistance ) 6
شكل (2-1) اثر مقاومت شیب بر روی سرعت قطار 7
1-1-3) نیروی ترمز گیری قطار 10
شکل( 3-1) منحنی نیروی ترمز گیری قطار شامل ترمزگیری الکتریکی و مکانیکی در سرعتهای مختلف 12
1-1-4) محاسبه منحی سرعت بر حسب زمان 12
شکل (4-1) منحنی های سرعت بر حسب زمان و نیروی محرک بر حسب سرعت قطار 14
ناحیه 3 از لحظه t2 تا t3 : 14
1-2) تعیین مشخصات موتورهای کششی 15
1-2-1) مشخصه گشتاور – سرعت موتورهای الکتریکی 16
شکل (6-1) منحنی گشتاور باز دارنده الکتریکی بر حسب سرعت 17
1-2-2) عملکرد موازی 18
1-2-3) نوسانهای ولتاژ 18
1-2-4)محدودیت وزن وحجم 18
فصل دوم: موتورهای تراكشن جریان مستقیم 20
تاریخچه سیستم های حمل و نقل الكتریكی DC 20
2-2) موتور جریان مستقیم با تحریك موازی 22
شكل (1-2) مشخصه گشتاور الكتریكی و جریان آرمیچر بر حسب سرعت موتور تحریك موازی 23
2-3) موتورهای جریان مستقیم با تحریك مجزا 24
2-3-1) معادلات ماشین جریان مستقیم با تحریك مجزا 25
شكل (2-2) مدل ماشین تحریك مجزا با فرض خطی بودن مشخصه مغناطیسی 25
در زیر به نحوه ی كنترل موتور در دو ناحیه مذكور می پردازیم: 26
الف) ناحیه اول موتوری 26
2-3-3) كنترل ماشین جریان مستقیم با تحریك مجزا درحالت ژنراتوری 28
الف) ناحیه اول ژنراتوری 28
شكل (5-2) منحنی مشخصه های ژنراتور در حالت توان ثابت در ناحیه اول 30
شكل (6-2) منحنی مشحصه های ژنراتور در حالت گشتاور ثابت در ناحیه اول 31
ب) ناحیه دوم ژنراتوری 32
ج) ناحیه سوم ژنراتوری 32
شكل (7-2) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه دوم ژنراتوری 33
شكل (8-2) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه سوم ژنراتوری 33
2-4) موتور جریان مستقیم با تحریك سری 33
2-4-2) كنترل ماشین جریان مستقیم با تحریك سری در حالت موتوری 36
در زیر بنحوة كنترل موتور در دو ناحیه موتوری می پردازیم. 36
الف) ناحیه اول موتوری 36
ب) ناحیه دوم موتوری 36
شكل (10-2) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه اول موتوری 37
شكل (11-2) مقاومت قابل تنظیم برای كنترل ماشین در ناحیه دوم موتوری 37
شكل (12-2) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه دوم موتوری 38
2-4-3) كنترل ماشین جریان مستقیم با تحریك سری در حالت ژنراتوری 38
نحوه كنترل ژنراتور در سه ناحیه مذكور می پردازیم: 39
ناحیه اول ژنراتوری 39
شكل (14-2) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه اول ژنراتوری در حالت گشتاور ثابت 40
ناحیه دوم ژنراتوری 40
ناحیه سوم ژنراتوری 41
فصل سوم: مدارهای كنترل سیستم های تراكشن جریان مستقیم 43
شکل (3-3) یک نمونه مدار کنترل موتور سری با استفاده از چاپر به عنوان منبع تغذیه ورودی 48
شکل (4-3) یک نمونه مدار کنترل ماشین سری با قابلیت بازیابی انرژی 49
فصل چهارم: ملاحظات كاربردی 56
4-1) تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی AC 56
4-2) مقایسه کاربرد موتورهای القایی قفسه سنجابی با انواع دیگرسیستم های کشنده 58
4-2-1) مقایسه با موتور DC 58
1) سرعتهای زیاد : 58
2) مقاومت و قابلیت بالا و هزینه نگهداری و تعمیرات کم : 58
3) گشتاور یکنواخت بالا با قابلیت اضافه بار ذاتی : 58
4) نسبت توان به وزن بالا: 59
5) قابلیت ترمز احیا کنندة ذاتی : 59
6) مشخصه گشتاور – سرعت تند (Hteep ) : 59
7) عملکرد پایدار با اتصال موازی : 59
4-2-2) مقایسه با موتور سنكرون : 60
جدول (1-4) مقایسه موتور القایی با موتور سنکرون 60
4-3-1) ایجاد گشتاور در موتور القایی سه فاز 62
شکل(1-4)مدار معادل تکفاز موتور القایی 64
شکل(4-4) منحنی گشتاور- سرعت در فرکانس و ولتاژ ثابت 69
4-3-5) عملکرد فرکانس متغیر 72
شکل (7-4) منحنی های گشتاور لغزش در نسبت ثابت ( هرتز/ ولت) 73
شکل (8-4) ناحیه های مختلف منحنی گشتاور – سرعت با منبع تغذیه فرکانس متغیر – ولتاژ متغیر 74
شکل (9-4) ارتباط بین فرکانس – ولتاژ در ماشین القایی 74
4-3-7)عملکرد HP ثابت (Constant-Horse Power) 75
فصل پنجم طراحی و مقادیر نامی موتور و اینورتر در سیستم های تراكشن القایی 78
مشخصه های مورد نظر سیستم تراكشنن الكتریكی مناسب بدین صورت خلاصه می شود: 84
الف) چگالی گشتاور بالا [N.m/kg] ، چگالی توان بالا [Kw/Kg]، كمترین ابعاد. 84
ب) ناحیه توان ثابت وسیع، كمترین توان ظاهری اینورتر [KVA]. 84
پ) راندمان بالا. 84
5-2-2) معیار طراحی موتور 88
ب) نسبت طول رتور به قطر رتور 89
جدول (1-5) تأثیر نسبت طول به قطر رتور بر مشخصه های موتور ( P.U.) 89
جدول (2-5) تأثیر تعداد شیارهای استاتور بر مشخصه های موتور (P.U. ) 90
ت) ضخامت فاصله هوایی 91
جدول (3-5) تأثیر ضخامت فاصله هوایی بر مشخصه های موتور (P.U. ) 91
ث) همانطور كه گفته شد، یك وسیله نقلیه الكتریكی اغلب در ناحیه تضعیف میدان كار می كند 91
جدول (5-5) مقایسه بین پارامترهای دو موتور: طرح معمولی و طرح مخصوص 94
5-3) فاكتورهای احیا كنندگی (Regeneration Factors) 95
5-4) بررسی نمونه عملی 98
فصل ششم :درایوهای تراكشن اینورتری پیشرفته و كنترل آنها 103
6-1) سیر تكامل درایو AC در سیستم های تراكشن 103
6-2) درایوهای تراكشن موتور القایی 105
شكل (1-6) درایوهای تراكشن با موتورهای سه فاز 106
6-2-2) درایوهای تراكشن اینورتر منبع جریان تغذیة DC 108
شكل (4-6) وضعیت های حلقه DC یك درایو اینورتر منبع جریان 111
شكل (5-6) اینورتر منبع ولتاژ مدار قدرت و شكل موج ها 113
شكل (6-6) مدار قدرت یك فاز اینورتر NPC سه سطحی را نشان می دهد 115
شكل (6-6) اینورتر منبع ولتاژ سه سطحی NPC- مدار قدرت و جدول سوئیچینگ 116
6-2-4) درایوهای تراكشن VSI تغذیه AC مبدل پالس 116
6-2-6-1) PWM موج مربعی(Square – Wave PWM) 120
شكل( 9-6) شكل موج های ورودی و خروجی مقایسه كننده یك اینورتر PWM موج مربعی 120
6-2-6-2) PWM سینوسی (Sinusoidal PWM) 122
شكل (11-6) روش مدولاسیون برای قطار Eurostar 124
شكل(12- 6) سیستم كنترل كننده جریان PWM در حالت كلی 126

راهنمای استفاده

استفاده از نرم افزار ورد و زیپ