Тяговый привод городского электрического транспорта

Московский  Энергетический Институт (Технический  Университет)

Кафедра Электротехнических Комплексов Автономных Объектов

 
 
 
 
 

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

 

  «Тяговый привод городского электрического транспорта»

 

На  примере метровагона 81-720/721 «Яуза»

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Тяговые ЭМС - ЭМС, предназначенные для приведения в движение мобильных объектов (наземный транспорт и суда). Включают в себя тяговые генераторы и тяговые двигатели.

В автомобилях тяговые ЭМС приводят во вращение колеса, а у судов - гребные винты.

  Кроме того, тяговые электродвигатели применяются  в грузоподъемных машинах, где требуется  такая же тяговая характеристика (с постоянной мощностью).

  В контексте  тяговых ЭМС часто употребляется термин трансмиссия.

 

Классификация тяговых ЭМС мобильных  объектов по типу движителя:

 

1) Обычные автомобили. Цепочка передачи энергии: ДВС  (тепловой двигатель) - механическая  передача - колеса. Тяговые ЭМС отсутствуют.

2) Электрический  транспорт. Цепочка передачи энергии: сеть - тяговый двигатель - колеса.

3) Мобильные  объекты с "электрической передачей". Цепочка передачи энергии: ДВС  - тяговый генератор - тяговый  электродвигатель - колеса/гребной  винт.

4) Гибридные  автомобили с "электромеханической трансмиссией" (с двумя типами силового агрегата: ДВС и электродвигатель) [15].

5) Электромобили  (без ДВС, приводятся в движение  только от электродвигателя с  питанием от АБ).

6) Электромобили  с питанием от топливных элементов.

  7) Электромобили  с питанием от фотоэлементов (солнцемобили)

 

Классификация электрического транспорта:

 

- троллейбусы

- трамваи

- электровозы

- поезда метро

 

Классификация поездов метрополитена (ныне работающих в Москве):

 

Тяговый привод с ДПТ последовательного  возбуждения:

 

Еж-3, Ем-508Т -  Таганско-Краснопресненская линия,

81-714/717(с  модификациями) – большинство линий Московского Метрополитена,

81-720/721 «Яуза» - Каховская линия

 

Тяговый привод с АД с короткозамкнутым ротором:

 

81-720.1/721.1 «Яуза» - Люблинская линия

81-740/741 (с модификациями) – Арбатско-Покровская, Филёвская, Кольцевая линии и Бутовская линия Лёгкого Метро

81-760/761 - испытания

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Вступление______________________________________________3

Вагон метрополитена «Яуза»,  тяговый привод для  метровагонов (основные положения), теория силового потока, базовые характеристики элементов тягового привода разомкнутой и замкнутой систем, теория характерных процессов, механические характеристики тягового электродвигателя, функциональная и структурная схемы электропривода метровагона

2. Тяговый привод метровагонов 81-720 и 81-721 ________________10

Основные  составляющие, основа задания алгоритма  управления.

3. Тяговый двигатель постоянного тока ДК-120АМ_______________11

Основные  характеристики, принцип  работы, технические данные, обмотки, маркировка.

4. Управление Тяговым Приводом (БУТП)__________________16

Схема управления тяговым  приводом, описание её работы. 

5. Математическое описание тягового привода и устойчивость системы управления тяговым приводом метровагона 81-720/81-721 на основе алгебраических и логарифмических критериев устойчивости.________________________________________________18

Критерии  Гурвица, Найквиста-Михайлова, синтез системы электропривода – удовлетворение требованиям устойчивости.

6. Защита тягового электропривода. ____________________________25
7. Сравнение тягового электропривода метровагона с тяговым приводом остального электрического транспорта._______________________26
8. Будущее тягового привода вагонов метрополитена______________27
9. Список использованной литературы__________________________30
10. Приложения_______________________________________________31

- материалы  от завода «Динамо»

 

 

1. ВСТУПЛЕНИЕ

Рис.1 Метровагон 81-721 на станции  «Каховская»

1. Вагон метро 81-720/721 «Яуза» 

Общие сведения, конструкция, история, отличия от предыдущих моделей.

— это улучшенная модель вагонов метро типа И. От выпускаемых ранее вагонов отличается наличием принудительной вентиляции, а также изменённым дизайном. Вагоны метро типа 81-720/721 обслуживают Каховскую линию Московского метрополитена. 

  Конструкция вагонов «Яузы» принципиально отличается от предыдущих серий: кузов выполнен из нержавеющей стали, использованы современный дизайн, новая подвеска тягового двигателя и колёсная тележка. Тяговый привод с двигателями постоянного тока ДК-120 и тиристорно-импульсной системой управления «Пульс» разработан АЭК «Динамо». Применено опорно-рамное подвешивание тягового двигателя и редуктора, центральное подвешивание — пневматическое, а буксовое — одностороннее рычажное.

  Повышена  максимальная конструктивная скорость — до 100 км/ч. Вместимость новых вагонов по сравнению с 81-717.5 и 81-714.5 увеличена на 30-40 человек за счет того, что уменьшено число посадочных мест и за счёт образования на их месте вместительных торцевых площадок. Впервые в отечественном вагоностроении были сделаны сиденья, повторяющие изгиб спины человека. 

  Благодаря конструктивным решениям значительно упрощён и удешевлён ремонт вагонов, используется система рекуперативного торможения (при торможении тяговые двигатели работают как генераторы вырабатывающие электроэнергию, которая возвращается в контактную сеть). Вагоны имеют более плавный и менее шумный ход, чем вагоны серий Е и 81-717/81-714. Пассажирские салоны оборудованы системой люминесцентного освещения и принудительной системой вентиляции с малошумными вентиляционными агрегатами авиационного типа. Это позволило отказаться от форточек и вентиляционных воздуховодов. Кабина машиниста оборудована системой кондиционирования для летнего времени и отопления для зимнего времени.

  Первоначально состав из вагонов 81-720/721 имел стандартный тяговый привод, однако в конце 1992 года его оснастили опытным асинхронным приводом разработки завода «Динамо» (рис. 2). Испытания этого поезда проводились на экспериментальном кольце Всероссийского НИИ Железнодорожного Транспорта в подмосковной Щербинке. Эксперимент был признан неудачным, к улучшению асинхронного привода вернулись только в 2001 году. Поэтому все вагоны были оборудованы тяговыми двигателями постоянного тока ДК-120 АМ. В августе 2010 г. экспериментальный состав с асинхронным приводом бы порезан на территории ОАО «Метровагнонмаш» в Мытищах.

  

Рис. 2 Опытный вагон 81-720 с асинхронным  приводом

10 июня 1998 года первый поезд нового поколения, выпущенный ОАО «Метровагонмаш» начал курсировать по Люблинской линии. После нескольких месяцев эксплуатации состава было принято решение о начале серийного производства вагонов.

В 2007 году ГУП «Московский Метрополитен» отказался от дальнейшей закупки «Яуз», предпочтя закупать «Русичи» - составы 81-741/740.

 

2. Тяговый привод для метровагонов.

Основные  требования к приводу. Механические характеристики. Функциональная схема тягового электропривода

Электропривод,  предназначенный  для  тяги,  называется тяговым  электроприводом (ТЭП).  Такой  электропривод  находит применение,  например,  в  железнодорожном,  водном,  городском  и промышленном  транспорте. Анализ    систем    тягового электропривода метро (ТЭМ) производится  на  основе общей теории электропривода и методов расчета систем тягового привода железнодорожного  транспорта.  Наиболее  обобщенным  принципом анализа  передающих  систем  является  закон  сохранения  энергии, на базе которого основаны частные теоретические и методические положения, использованные для анализа и  исследования режимов работы систем ТЭМ.

 

1. Теория силового потока

 

Теория  силового  потока (ТСП),  основанная  на  принципах закона  сохранения  энергии,  рассматривает  однонаправленную  её передачу  от  источника  к  потребителю  в  форме  мощностного фактора. Так как развиваемый двигателем момент и потребляемая от  источника  энергия  автоматически  меняются  с  изменением условий  работы  и  величины  сопротивления  движению, представляется  целесообразным  введение  понятия  встречного силового  потока  сопротивления  движению (потока  реакции «опоры»).  В  предлагаемом  аспекте  в  передающей  системе функционируют два силовых потока – движущий и  поток сопротивления движению, силовые   факторы   которых   имеют   аналогичные   названия   и обозначения.

Рис. 3. Силовые потоки ТЭП

 

В  представленной  на  рис. 3  упрощенной  структурной  схеме ТЭП:

 

• Р и Рс – мощностные факторы движущего потока и потока сопротивления движению;

• Мвр и Fт - силовые факторы движущего потока;

  • Мс и Fс - силовые факторы потока сопротивления движению.

 

Рассмотрение  упрощенной  схемы  взаимодействия  отдельных элементов передающей  системы  позволяет  одновременно определить «функциональные»  понятия  их  основных характеристик.

 

Так  как  основными  назначениями  электродвигателя являются  создание  вращающего момента  и  реализация  движения  исполнительного  механизма  за  счет  энергии  вырабатываемой  в преобразовательном  устройстве  ТЭП,  то  воздействие

электродвигателя  на  исполнительный  механизм  может  быть представлено  мощностным  движущим  потоком  и  соответствующими  ему  силовым  и  скоростным  факторами.  Реакция исполнительного механизма  на  величину   скоростного   фактора определяется  механической  характеристикой  исполнительного механизма  в  форме  зависимости МС(ω)  или Fс(V).  Обратное воздействие силового фактора Мс на электродвигатель определяет функциональную  зависимость эд ω (Мэд),  соответствующую механической  характеристике  электродвигателя.  На  рис. 4 представлены  исходные  базовые  характеристики  элементов разомкнутой  системы,  а  на  рис. 5 -  замкнутой  системы  ТЭП.

 

Рис.4 Базовые характеристики элементов ТЭП (разомкнутая система)

Рис. 5 Базовые характеристики элементов ТЭП (замкнутая система)

 

2. Теория характерных процессов

 

Теория характерных процессов (ТХП) находит применение при исследовании  процессов  в  системах  автоматического регулирования  различного  назначения,  в  том  числе  и  в  системах электрического  привода,  как методический  инструмент  их  анализа при  воздействии  на  объект  регулирования  возмущающего и управляющего сигналов.

Для  проведения  анализа  процессов  изменения  скорости тягового  электродвигателя (скорости  движения  автомобиля) классифицируем их следующим образом: