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. بنابراین چنانچه نوع لکوموتیو معلوم باشد، نیروی محرک در طول مسیر، تابعی از سرعت قطار خواهد بود. بنابراین داریم:
(1-1) F = fF(V)
1-1-2) نیروی مقاوم قطار ( Train Resistance )
بطور کلی، نیروی مقاوم قطار در طول مسیر حرکت آن ثابت نیست. این نیرو از مولفه هایی که تابع نوع، وضعیت و مشخصات حرکتی قطار هستند، تشکیل می شود. در ادامه به معرفی این مؤلفه ها می پردازیم.
الف) مقاومت مخصوص چرخشی:
(Specific Rolling Resistance)
مقاومت مخصوص چرخشی Rr ، تابع سرعت قطار V بوده و شکل عمومی آن عبارتست از:
(2-1) Rr = C0+C1.v + C2.v2
در این رابطه ضریب C0 ناشی از مقاومت غلتشی بوده و شامل اصطکاک یاتاقانها و مقاومت مسیر نیز می باشد. ضریب C1 ناشی از تکانهای مزاحم واحد جلو برندة قطار است و ضریب C2 نیز ناشی از مقاومت هوا می باشد.
یکی از روابط تجربی متداول برای مدل کردن مقاومت مخصوص چرخشی، رابطه شاتوف (Sauthoffs formula) می باشد که بصورت زیر بیان می شود:
(3-1)
Rr مقاومت مخصوص چرخشی بر حسب [ N/t]
a ضریبی وابسته به نوع یاتاقانها
v سرعت قطار بر حسب [Km/h]
Fe ضریبی وابسته به سطح جلویی واگنها
W جرم قطار بر حسب [t]
nw تعداد واگنها
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
ب) مقاومت مخصوص شیب (Specific Grade Resistance):
مقاومت شیب، مولفه ای، از نیروی جرم قطار است که در جهت عکس قطار و یا در جهت حرکت آن اعمال می شود. بنابراین هنگامیکه شیب مثبت باشد، موجب کندی سرعت قطار شده و در حالیکه شیب منفی است موجب افزایش سرعت آن می شود. بعبارت دیگر، این مقاومت تابع وضعیت قطار بر روی مسیر است.
شکل (2-1) اثر مقاومت شیب بر روی سرعت قطار
مطابق شکل (2-1) می توان نوشت:
(4-1)
Rg مقاومت مخصوص شیب بر حسب [N/Kg]
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
زاویه بین سطح قطار و سطح افق
رابطه (4) معمولاً بصورت زیر بیان می شود:
(5-1)
مقدار s برای نقاط مختلف مسیر بصورت جدول داده می شود.
این مقاومت ناشی از لغزش بین چرخ قطار و ریل در قسمتهای خمیدة مسیر است و در نتیجه، تابع وضعیت قطار بر روی مسیر می باشد. یکی از روابط تجربی متداول برای محاسبه مقاومت مخصوص قوس، رابطه عمومی (Universal Formula) می باشد که بدین صورت بیان می شود:
(6-1)
Ra مقاومت مخصوص قوس بر حسب [N/t]
S فاصلة بین سطوح چرخ های گردانندة محور قطار بر حسب [m]
d مقدار متوسط طول کلیه پایه های نگهدارنده چرخها بر حسب [m]
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
R شعاع قوس بر حسب [m]
ت) مقاومت مخصوص شتاب:
(Specific Acceleration Resistance)
بر اساس قانون دوم نیوتن، این مقاومت ناشی از اینرسی قطار بوده و به شتاب قطار بستگی دارد. در عمل، جرم مؤثر قطار متحرک را کمی بیشتر از جرم واقعی آن در نظر می گیرند و بنابراین می توان نوشت:
(7-1) Rac = 1060.a
Rac مقاومت مخصوص شتاب بر حسب [N/t]
a شتاب قطار بر حسب [m/s2]
ث) مقاومت مخصوص راه اندازی:
(Specific Starting Resistance)
گذر از حالت سکون به حرکت قطار، همراه با مقاومت می باشد. این مقاومت که تنها در لحظه راه اندازی وجود دارد، به نوع یاتاقانهای قطار بستگی دارد. بنابراین می توان نوشت:
(8-1) برای یاتاقانهای چرخنده 15 < Rst < 70
(9-1) برای یاتاقانهای مسطح 120 < Rst < 260
در اینجه Rst بر حسب [N/t] می باشد.
تا اینجا روش محاسبه مولفه های نیروی مقاوم بیان شد. بنابراین، نیروی مقاوم یک قطار در حال حرکت بدین صورت محاسبه می شود:
(10-1) R = W (Rr + Rg + Ra + Rac)
R نیروی مقاوم قطار بر حسب [N]
W وزن قطار بر حسب [t]
Rr و Rg و Ra و Rac مولفه های نیروی مقاوم بر حسب [N/t]
بنابراین چنانچه نوع قطار معلوم باشد. نیروی مقاوم را می توان تابعی از مسافت x، سرعت v و شتاب a قطار در طول مسیر دانست.
پیشگفتار
فصل اول
کشش الکتریکی
تعیین مشخصات حرکتی قطار
نیروی محرک قطار
نیروی مقاوم قطار ( Train Resistance )
مقاومت مخصوص چرخشی
مقاومت مخصوص شیب (Specific Grade Resistance)
مقاومت مخصوص شتاب
مقاومت مخصوص راه اندازی
نیروی ترمز گیری قطار
محاسبه منحی سرعت بر حسب زمان
ناحیه از لحظه to تا t
ناحیه از لحظه t تا t
ناحیه از لحظه t تا t
ناحیه از لحظه t تا t
ناحیه از لحظه t تا t
تعیین مشخصات موتورهای کششی
مشخصه گشتاور – سرعت موتورهای الکتریکی
عملکرد موازی
نوسانهای ولتاژ
محدودیت وزن وحجم
فصل دوم
موتورهای تراکشن جریان مستقیم
تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی DC
موتور جریان مستقیم با تحریک موازی
موتورهای جریان مستقیم با تحریک مجزا
معادلات ماشین جریان مستقیم با تحریک مجزا
کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک مجزا در حالت موتوری
ناحیه اول موتوری
ناحیه دوم موتوری
شکل (1) منحنی مشخصه های موتور در ناحیه دوم
کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک مجزا درحالت ژنراتوری
ناحیه اول ژنراتوری
شکل (2) منحنی مشحصه های ژنراتور در حالت گشتاور ثابت در ناحیه اول
ناحیه دوم ژنراتوری
ج) ناحیه سوم ژنراتوری
شکل (3) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه دوم ژنراتوری
شکل (4) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه سوم ژنراتوری
موتور جریان مستقیم با تحریک سری
معادلات ماشین جریان مستقیم با تحریک سری
کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک سری در حالت موتوری
ناحیه اول موتوری
ناحیه دوم موتوری
شکل (5) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه اول موتوری
شکل (6) مقاومت قابل تنظیم برای کنترل ماشین در ناحیه دوم موتوری
شکل (7) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه دوم موتوری
کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک سری در حالت ژنراتوری
ناحیه اول ژنراتوری
ناحیه دوم ژنراتوری
ناحیه سوم ژنراتوری
شکل (8) منحنی مشخصه ماشین سری در ناحیه دوم ژنراتوری
شکل (9) منحنی مشخصه ماشین سری در ناحیه دوم ژنراتوری
فصل سوم
مدارهای کنترل سیستم های تراکشنن جریان مستقیم
موتور جریان مستقیم تحریک سری با کنترل مقاومتی
مدار کامل روش قدیمی کنترل موتور تحریک سری
موتور جریان مستقیم تحریک سری با کنترل چاپر یک ربعی
موتور جریان مستقیم تحریک سری با کنترل چاپر دو ربعی
موتور جریان مستقیم تحریک سری با کنترل چاپر ترکیبی
موتور جریان مستقیم موازی با کنترل چاپر چهار ناحیه ای
نتیجه گیری
فصل چهارم
ملاحظات کاربردی در سیستم های تراکشن القایی
تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی AC
مقایسه کاربرد موتورهای القایی قفسه سنجابی با انواع دیگرسیستم های کشنده
( Traction )
مقایسه با موتور DC
سرعتهای زیاد
مقاومت و قابلیت بالا و هزینه نگهداری و تعمیرات کم
گشتاور یکنواخت بالا با قابلیت اضافه بار ذاتی
نسبت توان به وزن بالا
قابلیت ترمز احیا کنندة ذاتی
مشخصه گشتاور – سرعت تند (Hteep )
مقایسه با موتور سنکرون
مقایسه با موتور سوئیچ رلوکتانس و سنکرون رلوکتانس
مدار معادل تکفاز و معادلات حاکم بر موتور القایی در حالت دائمی سینوسی
ایجاد گشتاور در موتور القایی سه فاز
مدار معادل تکفاز
شکل(10)مدار معادل تکفاز موتور القایی
شکل (11) دیاگرام فازوری مدار معادل شکل ( ب)
V/f ثابت
شکل(12)مدار معادل تقریبی
شکل(13) منحنی گشتاور سرعت در فرکانس و ولتاژ ثابت
عملکرد ولتاژ متغیر
عملکرد فرکانس متغیر
شکل (14) منحنی گشتاور – سرعت در فرکانس های مختلف
شکل (15) منحنی های گشتاور لغزش در نسبت ثابت ( هرتز/ ولت)
شکل (16) ناحیه های مختلف منحنی گشتاور – سرعت با منبع تغذیه فرکانس متغیر – ولتاژ متغیر
شکل(17)اتباط بین فرکانس ولتاژدرماشین القایی
عملکرد جریان کنترل کننده استاتور
شکل(18) منحنی گشتاور لغزش با جریان های متفاوت استاتور
عملکرد HP ثابت (ConstantHorse Power)
فصل پنجم
طراحی و مقادیر نامی موتور و اینورتر در سیستم های تراکشن القایی
کلیات طراحی موتور و اینورتر در سیستم های تراکشن
شکل (19) مدار قدرت اینورتر PWM
طراحی موتور القایی برای کاربردهای تراکشن
مشخصه های الکترومغناطیسی (Electromagnetic Characteristic)
معیار طراحی موتور
تعداد قطب
نسبت طول رتور به قطر رتور
جدول (1) تأثیر نسبت طول به قطر رتور بر مشخصه های موتور ( P.U.)
تعداد شیار استاتور و رتور
جدول (2) تأثیر تعداد شیارهای استاتور بر مشخصه های موتور (P.U. )
ضخامت فاصله هوایی
جدول (3) تأثیر ضخامت فاصله هوایی بر مشخصه های موتور (P.U. )
چگالی جریان استاتور و رتور
سوئیچینگ تغذیه
جدول (4) مقایسه بین پارامترهای دو موتور طرح معمولی و طرح مخصوص
فاکتورهای احیا کنندگی (Regeneration Factors)
شکل (20) مقایسه احیاء کنندگی دو اینورتر
بررسی نمونه عملی
نیازهای عملکردی
نیازهای ترمزی
شکل (21) دیاگرام شماتیکی سیستم ترمزی
شکل (22) منحنی پیش بینی شده برای نیروهای ترمزی
طراحی الکتریکی
شکل (23) شیارهای استاتور و رتور TAIM
نوسان های گشتاور
فصل ششم
درایوهای تراکشن اینورتری پیشرفته و کنترل آنها
سیر تکامل درایو AC در سیستم های تراکشن
درایوهای تراکشن موتور القایی
چاپر (DC Chopper )DC
درایوهای تراکشن اینورتر منبع جریان تغذیة DC
شکل(24) سیستم اینورتر منبع جریان با تغذیه DC
ترمز احیاء کننده در درایوهای اینورتر منبع جریان
درایوهای تراکشن اینورتر منبع ولتاژ تغذیه DC
اینورتر منبع ولتاژ(VSI)
شکل (25) اینورتر منبع ولتاژ مدار قدرت و شکل موج ها
درایوهای تراکشن اینورتر دوسطحی
درایوهای تراکشن اینورتر سه سطحی
شکل (26) اینورتر منبع ولتاژ سه سطحی NPC مدار قدرت و جدول سوئیچینگ
درایوهای تراکشن VSI تغذیه AC مبدل پالس
سیستم نیرو محرکة توان بالای لوکوموتیو BR
بررسی انواع روش های PWM
PWM موج مربعی(Square – Wave PWM)
عملکرد ثابت PWM موج مربعی
PWM سینوسی (Sinusoidal PWM)
عملکرد ثابت PWM سینوسی
PWMبا کنترل جریان
شکل(27 ) سیستم کنترل کننده جریان PWM در حالت کلی
شکل (1) اینورتر PWM با کنترل جریان
پیوست
مقایسه سیستم های محرک انواع لوکوموتیو و انتخاب سیستم مناسب برای حمل و نقل ریلی
مقدمه
لکوموتیو بخاری
لکوموتیو الکتریکی
لکوموتیوهای دیزل – الکتریک
نتیجه گیری
منابع و مآخذ
دانلودتحقیق بررسی و تحلیل درایوهای تراکشن جریان مستقیم و القایی
