پایان نامه و پروژه پایانی مهندسی الكترونیك با عنوان بررسی و تحلیل درایوهای تراكشن جریان مستقیم و القایی
پیشگفتار
در گذشته بیشتر ماشین های حمل و نقل از ولتاژ DC ثابت ریل سوم بوسیله درایوهای DC تغذیه می شدند. موتورها بوسیله كنترل كننده های نوع مقاومتی، كه شتاب لازم را برای ماشین فراهم می كردند، كنترل می شدند. این سیستم ها همچنین شامل ترمز دینامیكی برای كم كردن شتاب و شامل سیستم های ترمز سایشی جهت پشتیبانی یا تكمیل سیستم های ترمز دینامیكی می باشند.
ولی امروزه الكترونیك قدرت عامل عمده در بهبود سیستم های محركه پیشرفته شده است. وجود عناصر نیمه هادی و تولید اینورترها باعث كاهش هزینه های راهبری شده اند. گام اول جایگزینی كنتاكتورها با مقاومت ها و بوسیله یكسو كننده های كنترل شده و چاپرهای DC جهت كنترل توان موتورهای DC بوده است. در گام دوم كاربرد موتورهای قفس سنجابی با پیشرفت اینورترهای با ولتاژ و فركانس متغیر (VVVF) ممكن شده است. حتی در این زمینه، راه آهن به عنوان پیشگام در سیستم های الكترونیك قدرت شناخته شده است.
سیستم محركه AC درجه بالایی از ترمز احیا كننده را با مقدار بسیار كم تجهیزات ایجاد می كند. مقدار توان احیا شده به فاكتورهای زیادی از جمله مكان ایستگاه و شدت ترافیك بستگی دارد. مطالعات رایانه ای نشان داده اند كه احیای توان در سیستم های محركه AC ، 40 تا 50 درصد در مقایسه با ماشین های معادل كه با كنترل كننده های مقاومتی و ترمز دینامیكی كار می كنند بیشتر می باشد.
در نتیجه در حال حاضر اهداف طراحان، سازندگان و استفاده كنندگان سیستم های تراكشن الكتریكی بر اساس قابلیت اطمینان حداكثر، دسترسی آسان، حداقل سرویس و نگهداری و ... همگی با لوكوموتیوهای مدرن با تراكشن القایی تحقق یافته است. در واقع رسیدن به این هدف ناشی از موارد زیر می باشد
الف) امكان استفاده از موتورهای تراكشن القایی ساده و محكم.
ب) الكترونیك قدرت و كنورترهای مدرن .
پ) كنترل و نظارت میكروپروسسوری قوی و خیلی سریع.
این پایان نامه به بررسی و تحلیل درایوهای تراكشن جریان مستقیم و القایی می پردازد.
پیشگفتار1
فصل اول3
كشش الكتریكی3
1-1) تعیین مشخصات حركتی قطار4
1-1-1) نیروی محرك قطار5
شكل (1-1) منحنی نیروی كششی F بر حسب سرعت V لكوموتیو6
1-1-2) نیروی مقاوم قطار ( Train Resistance )6
شكل (2-1) اثر مقاومت شیب بر روی سرعت قطار7
1-1-3) نیروی ترمز گیری قطار10
شکل( 3-1) منحنی نیروی ترمز گیری قطار شامل ترمزگیری الکتریکی و مکانیکی در سرعتهای مختلف12
1-1-4) محاسبه منحی سرعت بر حسب زمان12
شکل (4-1) منحنی های سرعت بر حسب زمان و نیروی محرک بر حسب سرعت قطار14
ناحیه 3 از لحظه t2 تا t3 :14
1-2) تعیین مشخصات موتورهای کششی15
1-2-1) مشخصه گشتاور – سرعت موتورهای الکتریکی16
شکل (6-1) منحنی گشتاور باز دارنده الکتریکی بر حسب سرعت17
1-2-2) عملکرد موازی18
1-2-3) نوسانهای ولتاژ18
1-2-4)محدودیت وزن وحجم18
فصل دوم:20
موتورهای تراكشن جریان مستقیم20
تاریخچه سیستم های حمل و نقل الكتریكی DC20
2-2) موتور جریان مستقیم با تحریك موازی22
شكل (1-2) مشخصه گشتاور الكتریكی و جریان آرمیچر بر حسب سرعت موتور تحریك موازی23
2-3) موتورهای جریان مستقیم با تحریك مجزا24
2-3-1) معادلات ماشین جریان مستقیم با تحریك مجزا25
شكل (2-2) مدل ماشین تحریك مجزا با فرض خطی بودن مشخصه مغناطیسی25
در زیر به نحوه ی كنترل موتور در دو ناحیه مذكور می پردازیم:26
الف) ناحیه اول موتوری26
2-3-3) كنترل ماشین جریان مستقیم با تحریك مجزا درحالت ژنراتوری28
الف) ناحیه اول ژنراتوری28
شكل (5-2) منحنی مشخصه های ژنراتور در حالت توان ثابت در ناحیه اول30
شكل (6-2) منحنی مشحصه های ژنراتور در حالت گشتاور ثابت در ناحیه اول31
ب) ناحیه دوم ژنراتوری32
ج) ناحیه سوم ژنراتوری32
شكل (7-2) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه دوم ژنراتوری33
شكل (8-2) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه سوم ژنراتوری33
2-4) موتور جریان مستقیم با تحریك سری33
2-4-2) كنترل ماشین جریان مستقیم با تحریك سری در حالت موتوری36
در زیر بنحوة كنترل موتور در دو ناحیه موتوری می پردازیم.36
الف) ناحیه اول موتوری36
ب) ناحیه دوم موتوری36
شكل (10-2) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه اول موتوری37
شكل (11-2) مقاومت قابل تنظیم برای كنترل ماشین در ناحیه دوم موتوری37
شكل (12-2) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه دوم موتوری38
2-4-3) كنترل ماشین جریان مستقیم با تحریك سری در حالت ژنراتوری38
نحوه كنترل ژنراتور در سه ناحیه مذكور می پردازیم:39
ناحیه اول ژنراتوری39
شكل (14-2) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه اول ژنراتوری در حالت گشتاور ثابت40
ناحیه دوم ژنراتوری40
ناحیه سوم ژنراتوری41
فصل سوم:43
مدارهای كنترل سیستم های تراكشنن جریان مستقیم43
شکل (3-3) یک نمونه مدار کنترل موتور سری با استفاده از چاپر به عنوان منبع تغذیه ورودی48
شکل (4-3) یک نمونه مدار کنترل ماشین سری با قابلیت بازیابی انرژی49
فصل چهارم:56
ملاحظات كاربردی در سیستم های56
4-1) تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی AC56
4-2) مقایسه کاربرد موتورهای القایی قفسه سنجابی با انواع دیگرسیستم های کشنده58
4-2-1) مقایسه با موتور DC58
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 اتصل موازی :59
4-2-2) مقایسه با موتور سنكرون :60
جدول (1-4) مقایسه موتور القایی با موتور سنکرون60
4-3-1) ایجاد گشتاور در موتور القایی سه فاز62
شکل(1-4)مدار معادل تکفاز موتور القایی64
شکل(4-4) منحنی گشتاور- سرعت در فرکانس و ولتاژ ثابت69
4-3-5) عملکرد فرکانس متغیر72
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 متغیر74
شکل (9-4) ارتباط بین فرکانس – ولتاژ در ماشین القایی74
4-3-7)عملکرد HP ثابت (Constant-Horse Power)75
فصل پنجم78
طراحی و مقادیر نامی موتور و اینورتر در سیستم های تراكشن القایی78
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 موتور88
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 هوایی91
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 كند91
جدول (5-5) مقایسه بین پارامترهای دو موتور: طرح معمولی و طرح مخصوص94
5-3) فاكتورهای احیا كنندگی (Regeneration Factors)95
5-4) بررسی نمونه عملی98
فصل ششم103
درایوهای تراكشن اینورتری پیشرفته و كنترل آنها103
6-1) سیر تكامل درایو AC در سیستم های تراكشن103
6-2) درایوهای تراكشن موتور القایی105
شكل (1-6) درایوهای تراكشن با موتورهای سه فاز106
6-2-2) درایوهای تراكشن اینورتر منبع جریان تغذیة DC108
شكل (4-6) وضعیت های حلقه DC یك درایو اینورتر منبع جریان111
شكل (5-6) اینورتر منبع ولتاژ مدار قدرت و شكل موج ها113
شكل (6-6) مدار قدرت یك فاز اینورتر NPC سه سطحی را نشان می دهد115
شكل (6-6) اینورتر منبع ولتاژ سه سطحی NPC- مدار قدرت و جدول سوئیچینگ116
6-2-4) درایوهای تراكشن VSI تغذیه AC مبدل پالس116
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 مربعی120
6-2-6-2) PWM سینوسی (Sinusoidal PWM)122
شكل (11-6) روش مدولاسیون برای قطار Eurostar124
شكل(12- 6) سیستم كنترل كننده جریان PWM در حالت كلی126
پیوست 1129
مقایسه سیستم های محرك انواع لوكوموتیو و انتخاب سیستم مناسب برای حمل و نقل ریلی129
پیوست 2136
داده های مربوط به موتورهای كششی136
دولت و امنیت اجتماعی در قانون اساسی جمهوری اسلامی ایران 