بررسی و تحلیل درایوهای تراكشن جریان مستقیم و القایی

برق، الکترونیک، مخابرات
دانلود پایان نامه مهندسی الكترونیک 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. کلمات کلیدی: درایوهای تراكشن جریان القایی سیستم های تراكشن الكتریكی درایوهای تراكشن جریان مستقیم 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 پیوست 1 129 مقایسه سیستم های محرك انواع لوكوموتیو و انتخاب سیستم مناسب برای حمل و نقل ریلی 129 منابع 140