بررسی و تحلیل درایوهای تراکشن جریان مستقیم و القایی

بررسی و تحلیل درایوهای تراکشن 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 کنترل کننده های نوع مقاومتی، که شتاب لازم را برای ماشین فراهم
می کردند، کنترل می شدند. این سیستم ها همچنین شامل ترمز دینامیکی برای کم کردن شتاب و شامل سیستم های ترمز سایشی جهت پشتیبانی یا تکمیل سیستم های ترمز دینامیکی می باشند.

ولی امروزه الکترونیک قدرت عامل عمده در بهبود سیستم های محرکه پیشرفته شده است. وجود عناصر نیمه هادی و تولید اینورترها باعث کاهش هزینه های راهبری شده اند. گام اول جایگزینی کنتاکتورها با مقاومت ها و بوسیله یکسو کننده های کنترل شده و چاپرهای DC جهت کنترل توان موتورهای DC بوده است. در گام دوم کاربرد موتورهای قفس سنجابی با پیشرفت اینورترهای با ولتاژ و فرکانس متغیر (VVVF) ممکن شده است. حتی در این زمینه، راه آهن به عنوان پیشگام در سیستم های الکترونیک قدرت شناخته شده است.

سیستم محرکه AC درجه بالایی از ترمز احیا کننده را با مقدار بسیار کم تجهیزات ایجاد می کند. مقدار توان احیا شده به فاکتورهای زیادی از جمله مکان ایستگاه و شدت ترافیک بستگی دارد. مطالعات رایانه ای نشان داده اند که احیای توان در سیستم های محرکه AC ، 40 تا 50 درصد در مقایسه با ماشین های معادل که با کنترل کننده های مقاومتی و ترمز دینامیکی کار می کنند بیشتر می باشد.

در نتیجه در حال حاضر اهداف طراحان، سازندگان و استفاده کنندگان سیستم های تراکشن الکتریکی بر اساس قابلیت اطمینان حداکثر، دسترسی آسان، حداقل سرویس و نگهداری و ... همگی با لوکوموتیوهای مدرن با تراکشن القایی تحقق یافته است. در واقع رسیدن به این هدف ناشی از موارد زیر می باشد

الف) امکان استفاده از موتورهای تراکشن القایی ساده و محکم.

ب) الکترونیک قدرت و کنورترهای مدرن .

پ) کنترل و نظارت میکروپروسسوری قوی و خیلی سریع.

این پایان نامه به بررسی و تحلیل درایوهای تراکشن جریان مستقیم و القایی می پردازد.

امید است گردآوری این مجموعه سرآغاز مطالعات و تحقیقات بیشتر در این زمینه گردد.

فصل اول

کشش الکتریکی

برای بررسی خصوصیات روشهای مختلف محرک لوکوموتیو، ابتدا باید مشخصات حرکتی (Synematic Characteristics) لوکوموتیوها در حالت کلی بررسی شود و سپس روشهای مناسب برای ایجاد آن مشخصات حرکتی انتخاب گردد.

در این فصل، ابتدا معادلات حرکتی و دینامیکی ( Synematic & Dynamic Equations ) حاکم بر قطار بدست آمده و در نهایت ویژگیهای موتورهای الکتریکی لکوموتیو در حالت ایده آل نتیجه خواهد داد.

1-1) تعیین مشخصات حرکتی قطار

همانطور که می دانید، برای تعیین نحوة حرکت قطارها در هر مسیر از راه آهن، از یک جدول زمانبندی (Time Table) استفاده می شود که دارای سه بعد: 1- شمارة قطار، 2- مسافت قطار، 3- زمان
می باشد. از طرفی‌تعیین جدول زمانبندی یک مسیر نیازمند‌ دانستن دو دسته اطلاعات برای هر قطار است.

دسته اول شامل اطلاعات مربوط به لحظات خارج بودن قطار از مسیر هستند مانند: زمان توقف در هر ایستگاه (Dwell Time) ، زمان تعویض مسیر ( Time Shunting) و ... که با توجه به طراحی اولیه معلوم فرض می شوند.

دسته دوم شامل اطلاعات مربوط به لحظات حرکت قطار در مسیر هستند که از حل معادلات حرکتی قطار بدست می آیند. برای حل این معادلات، باید در هر لحظه نیروهای وارد بر قطار را که شامل نیروی کششی (Tractive Effort) قطار، نیروی مقاوم (Drag Resistance) یا نیروی کند کننده قطار و نیروی ترمزگیری (Braking Effort) یا متوقف کنندة قطار هستند، تعیین شوند. در ادامه به محاسبه این نیروها می پردازیم.

1-1-1) نیروی محرک قطار

به طور کلی نیروی محرک قطار، تابع نوع موتورهای کششی (Traction Motors) موجود در لکوموتیو و سیستم کنترل آنها بوده و مشخصه این نیرو توسط کارخانه سازنده برای هر نوع لکوموتیو بصورت منحنی نیروی کششی بر حسب سرعت قطار تعیین می گردد.

شکل (1-1) منحنی نیروی کششی F بر حسب سرعت V یک لکوموتیو را نشان می دهد. همانطور که می بینید این منحنی شامل دو ناحیه است. در ناحیه اول نیروی محرک زیاد و بطور تقریباً ثابتی از لحاظ راه اندازی تا سرعت پایه (Base Speed) به لکوموتیو اعمال می شود، بنحویکه سرعت قطار با شتابی زیاد و بصورت تقریباً ثابتی افزایش یابد. در ناحیه دوم که قطار دارای سرعتی بیش از سرعت پایه است، نیروی محرک قطار با افزایش سرعت، کاهش می یابد، بنحویکه حاصلضرب آنها که همان توان مکانیکی قطار است تقریباً ثابت بماند.

....

:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

فهرست مطالب:

پیشگفتار ۱

فصل اول ۳
کشش الکتریکی ۳
۱-۱) تعیین مشخصات حرکتی قطار ۴
۱-۱-۱) نیروی محرک قطار ۵
شکل (۱-۱) منحنی نیروی کششی F بر حسب سرعت V لکوموتیو ۶
۱-۱-۲) نیروی مقاوم قطار ( Train Resistance ) 6
شکل (۲-۱) اثر مقاومت شیب بر روی سرعت قطار ۷
۱-۱-۳) نیروی ترمز گیری قطار ۱۰
شکل( ۳-۱) منحنی نیروی ترمز گیری قطار شامل ترمزگیری الکتریکی و مکانیکی در سرعتهای مختلف ۱۲
۱-۱-۴) محاسبه منحی سرعت بر حسب زمان ۱۲
شکل (۴-۱) منحنی های سرعت بر حسب زمان و نیروی محرک بر حسب سرعت قطار ۱۴
ناحیه ۳ از لحظه t2 تا t3 : 14
۱-۲) تعیین مشخصات موتورهای کششی ۱۵
۱-۲-۱) مشخصه گشتاور &ndash سرعت موتورهای الکتریکی ۱۶
شکل (۶-۱) منحنی گشتاور باز دارنده الکتریکی بر حسب سرعت ۱۷
۱-۲-۲) عملکرد موازی ۱۸
۱-۲-۳) نوسانهای ولتاژ ۱۸
۱-۲-۴)محدودیت وزن وحجم ۱۸
فصل دوم: ۲۰
موتورهای تراکشن جریان مستقیم ۲۰
تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی DC 20
۲-۲) موتور جریان مستقیم با تحریک موازی ۲۲
شکل (۱-۲) مشخصه گشتاور الکتریکی و جریان آرمیچر بر حسب سرعت موتور تحریک موازی ۲۳
۲-۳) موتورهای جریان مستقیم با تحریک مجزا ۲۴
۲-۳-۱) معادلات ماشین جریان مستقیم با تحریک مجزا ۲۵
شکل (۲-۲) مدل ماشین تحریک مجزا با فرض خطی بودن مشخصه مغناطیسی ۲۵
در زیر به نحوه ی کنترل موتور در دو ناحیه مذکور می پردازیم: ۲۶
الف) ناحیه اول موتوری ۲۶
۲-۳-۳) کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک مجزا درحالت ژنراتوری ۲۸
الف) ناحیه اول ژنراتوری ۲۸
شکل (۵-۲) منحنی مشخصه های ژنراتور در حالت توان ثابت در ناحیه اول ۳۰
شکل (۶-۲) منحنی مشحصه های ژنراتور در حالت گشتاور ثابت در ناحیه اول ۳۱
ب) ناحیه دوم ژنراتوری ۳۲
ج) ناحیه سوم ژنراتوری ۳۲
شکل (۷-۲) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه دوم ژنراتوری ۳۳
شکل (۸-۲) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه سوم ژنراتوری ۳۳
۲-۴) موتور جریان مستقیم با تحریک سری ۳۳
۲-۴-۲) کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک سری در حالت موتوری ۳۶
در زیر بنحوه کنترل موتور در دو ناحیه موتوری می پردازیم. ۳۶
الف) ناحیه اول موتوری ۳۶
ب) ناحیه دوم موتوری ۳۶
شکل (۱۰-۲) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه اول موتوری ۳۷
شکل (۱۱-۲) مقاومت قابل تنظیم برای کنترل ماشین در ناحیه دوم موتوری ۳۷
شکل (۱۲-۲) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه دوم موتوری ۳۸
۲-۴-۳) کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک سری در حالت ژنراتوری ۳۸
نحوه کنترل ژنراتور در سه ناحیه مذکور می پردازیم: ۳۹
ناحیه اول ژنراتوری ۳۹
شکل (۱۴-۲) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه اول ژنراتوری در حالت گشتاور ثابت ۴۰
ناحیه دوم ژنراتوری ۴۰
ناحیه سوم ژنراتوری ۴۱
فصل سوم: ۴۳
مدارهای کنترل سیستم های تراکشنن جریان مستقیم ۴۳
شکل (۳-۳) یک نمونه مدار کنترل موتور سری با استفاده از چاپر به عنوان منبع تغذیه ورودی ۴۸
شکل (۴-۳) یک نمونه مدار کنترل ماشین سری با قابلیت بازیابی انرژی ۴۹
فصل چهارم: ۵۶
ملاحظات کاربردی در سیستم های ۵۶
۴-۱) تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی AC 56
۴-۲) مقایسه کاربرد موتورهای القایی قفسه سنجابی با انواع دیگرسیستم های کشنده ۵۸
۴-۲-۱) مقایسه با موتور DC 58
۱) سرعتهای زیاد : ۵۸
۲) مقاومت و قابلیت بالا و هزینه نگهداری و تعمیرات کم : ۵۸
۳) گشتاور یکنواخت بالا با قابلیت اضافه بار ذاتی : ۵۸
۴) نسبت توان به وزن بالا: ۵۹
۵) قابلیت ترمز احیا کننده ذاتی : ۵۹
۶) مشخصه گشتاور &ndash سرعت تند (Hteep ) : 59
۷) عملکرد پایدار با اتصل موازی : ۵۹
۴-۲-۲) مقایسه با موتور سنکرون : ۶۰
جدول (۱-۴) مقایسه موتور القایی با موتور سنکرون ۶۰
۴-۳-۱) ایجاد گشتاور در موتور القایی سه فاز ۶۲
شکل(۱-۴)مدار معادل تکفاز موتور القایی ۶۴
شکل(۴-۴) منحنی گشتاور- سرعت در فرکانس و ولتاژ ثابت ۶۹
۴-۳-۵) عملکرد فرکانس متغیر ۷۲
شکل (۷-۴) منحنی های گشتاور لغزش در نسبت ثابت ( هرتز/ ولت) ۷۳
شکل (۸-۴) ناحیه های مختلف منحنی گشتاور &ndash سرعت با منبع تغذیه فرکانس متغیر &ndash ولتاژ متغیر ۷۴
شکل (۹-۴) ارتباط بین فرکانس &ndash ولتاژ در ماشین القایی ۷۴
۴-۳-۷)عملکرد HP ثابت (Constant-Horse Power) 75
فصل پنجم ۷۸
طراحی و مقادیر نامی موتور و اینورتر در سیستم های تراکشن القایی ۷۸
مشخصه های مورد نظر سیستم تراکشنن الکتریکی مناسب بدین صورت خلاصه می شود: ۸۴
الف) چگالی گشتاور بالا [N.m/kg] ، چگالی توان بالا [Kw/Kg]، کمترین ابعاد. ۸۴
ب) ناحیه توان ثابت وسیع، کمترین توان ظاهری اینورتر [KVA]. 84
پ) راندمان بالا. ۸۴
۵-۲-۲) معیار طراحی موتور ۸۸
ب) نسبت طول رتور به قطر رتور ۸۹
جدول (۱-۵) تأثیر نسبت طول به قطر رتور بر مشخصه های موتور ( P.U.) 89
جدول (۲-۵) تأثیر تعداد شیارهای استاتور بر مشخصه های موتور (P.U. ) 90
ت) ضخامت فاصله هوایی ۹۱
جدول (۳-۵) تأثیر ضخامت فاصله هوایی بر مشخصه های موتور (P.U. ) 91
ث) همانطور که گفته شد، یک وسیله نقلیه الکتریکی اغلب در ناحیه تضعیف میدان کار می کند ۹۱
جدول (۵-۵) مقایسه بین پارامترهای دو موتور: طرح معمولی و طرح مخصوص ۹۴
۵-۳) فاکتورهای احیا کنندگی (Regeneration Factors) 95
۵-۴) بررسی نمونه عملی ۹۸
فصل ششم ۱۰۳
درایوهای تراکشن اینورتری پیشرفته و کنترل آنها ۱۰۳
۶-۱) سیر تکامل درایو AC در سیستم های تراکشن ۱۰۳
۶-۲) درایوهای تراکشن موتور القایی ۱۰۵
شکل (۱-۶) درایوهای تراکشن با موتورهای سه فاز ۱۰۶
۶-۲-۲) درایوهای تراکشن اینورتر منبع جریان تغذیه DC 108
شکل (۴-۶) وضعیت های حلقه DC یک درایو اینورتر منبع جریان ۱۱۱
شکل (۵-۶) اینورتر منبع ولتاژ مدار قدرت و شکل موج ها ۱۱۳
شکل (۶-۶) مدار قدرت یک فاز اینورتر NPC سه سطحی را نشان می دهد ۱۱۵
شکل (۶-۶) اینورتر منبع ولتاژ سه سطحی NPC- مدار قدرت و جدول سوئیچینگ ۱۱۶
۶-۲-۴) درایوهای تراکشن VSI تغذیه AC مبدل پالس ۱۱۶
۶-۲-۶-۱) PWM موج مربعی(Square &ndash Wave PWM) 120
شکل( ۹-۶) شکل موج های ورودی و خروجی مقایسه کننده یک اینورتر PWM موج مربعی ۱۲۰
۶-۲-۶-۲) PWM سینوسی (Sinusoidal PWM) 122
شکل (۱۱-۶) روش مدولاسیون برای قطار Eurostar 124
شکل(۱۲- ۶) سیستم کنترل کننده جریان PWM در حالت کلی ۱۲۶
شکل (13-6) اینورتر PWM با کنترل جریان
پیوست ۱ ۱۲۹
مقایسه سیستم های محرک انواع لوکوموتیو و انتخاب سیستم مناسب برای حمل و نقل ریلی ۱۲۹
پیوست ۲ ۱۳۳
داده های مربوط به موتورهای کششی ۱۳۴
منابع

خرید فایل

بررسی و تحلیل درایوهای تراکشن جریان مستقیم و القایی

در گذشته بیشتر ماشین های حمل و نقل از ولتاژ DC  ثابت ریل سوم بوسیله درایوهای DC  تغذیه می شدند. موتورها بوسیله کنترل کننده های نوع مقاومتی، که شتاب لازم را برای ماشین فراهم می کردند، کنترل می شدند. این سیستم ها همچنین شامل ترمز دینامیکی برای کم کردن شتاب و شامل سیستم های ترمز سایشی جهت پشتیبانی یا تکمیل سیستم های ترمز دینامیکی می باشند. ولی امروزه الکترونیک قدرت عامل عمده در بهبود سیستم های محرکه پیشرفته شده است. وجود عناصر نیمه هادی و تولید اینورترها باعث کاهش هزینه های راهبری شده اند. گام اول جایگزینی کنتاکتورها با مقاومت ها و بوسیله یکسو کننده های کنترل شده و چاپرهای DC  جهت کنترل توان موتورهای DC  بوده است. در گام دوم کاربرد موتورهای قفس سنجابی با پیشرفت اینورترهای با ولتاژ و فرکانس متغیر (VVVF) ممکن شده است. حتی در این زمینه، راه آهن به عنوان پیشگام در سیستم های ...

دانلود مقاله بررسی و تحلیل درایوهای تراکشن جریان مستقیم و القایی

در گذشته بیشتر ماشین های حمل و نقل از ولتاژ DC   ثابت ریل سوم بوسیله درایوهای DC  تغذیه می شدند. موتورها بوسیله کنترل کننده های نوع مقاومتی، که شتاب لازم را برای ماشین فراهم می کردند، کنترل می شدند. این سیستم ها همچنین شامل ترمز دینامیکی برای کم کردن شتاب و شامل سیستم های ترمز سایشی جهت پشتیبانی یا تکمیل سیستم های ترمز دینامیکی می باشند . ولی امروزه الکترونیک قدرت عامل عمده در بهبود سیستم های محرکه پیشرفته شده است. وجود عناصر نیمه هادی و تولید اینورترها باعث کاهش هزینه های راهبری شده اند. گام اول جایگزینی کنتاکتورها با مقاومت ها و بوسیله یکسو کننده های کنترل شده و چاپرهای DC   جهت کنترل توان موتورهای DC  بوده است. در گام دوم کاربرد موتورهای قفس سنجابی با پیشرفت اینورترهای با ولتاژ و فرکانس متغیر (VVVF) ممکن شده است. حتی در این زمینه، راه آهن به عنوان پیشگام در ...

دانلود تحقیق بررسی و تحلیل درایوهای تراکشن جریان مستقیم و القایی

پیشگفتاردر گذشته بیشتر ماشین های حمل و نقل از ولتاژ DC  ثابت ریل سوم بوسیله درایوهای DC  تغذیه می شدند. موتورها بوسیله کنترل کننده های نوع مقاومتی، که شتاب لازم را برای ماشین فراهم می کردند، کنترل می شدند. این سیستم ها همچنین شامل ترمز دینامیکی برای کم کردن شتاب و شامل سیستم های ترمز سایشی جهت پشتیبانی یا تکمیل سیستم های ترمز دینامیکی می باشند.ولی امروزه الکترونیک قدرت عامل عمده در بهبود سیستم های محرکه پیشرفته شده است. وجود عناصر نیمه هادی و تولید اینورترها باعث کاهش هزینه های راهبری شده اند. گام اول جایگزینی کنتاکتورها با مقاومت ها و بوسیله یکسو کننده های کنترل شده و چاپرهای DC  جهت کنترل توان موتورهای DC  بوده است. در گام دوم کاربرد موتورهای قفس سنجابی با پیشرفت اینورترهای با ولتاژ و فرکانس متغیر (VVVF) ممکن شده است. حتی در این زمینه، راه آهن به عنوان پیشگام در سیستم ...