mohammad7012
عضو جدید
عنوان پروژه:بررسي انواع تجهيزات قطار برقي فهرست مطالب
مقدمه
استفاده از قطارها و اتوبوسهاي برقي به سبب مزاياي مختلفي از جمله صرفهجويي در منابع انرژي، آلوده نكردن محيط زيست و كاهش بار ترافيك مسير درون شهري و بين شهري در كشورهاي مختلف دنيا رشد چشمگيري داشته است.
قطارهاي برقيجهت تغذيه بار كشش خود از شبكه قدرت محلي استفاده ميكنند، چرا كه نصب يك شبكه برق مجزا براي اين منظور از لحاظ اقتصادي قابل توجيه نيست از آنجا كه اين قطارهاي AC يا DC بزرگ و به شدت متغيير با زمان هستند كه معمولا بصورت تك فاز تغذيه مي شوند، عملكرد آنها ولتاژ را دچار عدم تعادل بزرگي مي نمايد كه آن نيز به نوبه خود عملكرد سيستم قدرت را به شدت تحت تاثير قرار مي دهد، بنابراين لازم است كه اين عدم تعادل به نحوي جبران شود. براي بر طرف كردن مشكل عدم تعادل ولتاژ نياز به روشهاي جبران سازي است كه اين روشها شامل استفاده از ترانسفور مرها با اتصالات خاص، كاربرد جبران ساز ايستاي توان راكتيو(SVC) و جبران سازي ايستاي سنكرون (STAT COM) مي باشند كه اين جبران سازها هم نياز به كنترل براي اينكه ولتاژ را متعادل كنند دارند.
موضوع اصلي اين پروژه بررسي تك تك اعضاي برقي تشكيل دهنده قطارهاي برقي و شرح كار آنها مي باشند.
با توجه به شكل 1؛ مشاهده مي كنيم بلوك دياگرام يك لوكوموتيوAC را در شكل ميبينيم سيم مشكي كه داري برق AC تك فاز است و به وسيله دستگاهي بنام پنتوگراف اين برق AC تك فاز منتقل ميشود به بلوك الكتريكي واگن.
(شكل 1)
انواع پنتوگرافها و مكانيزم اصلي آنها:
3 نوع پنتوگراف وجود دارد.
1- پنتوگراف فالب الماسي: اين پنتوگراف داراي يك نوار است براي اين كه مرتبط كند سيم تغذيه بالاي سر را به پنتوگراف و اين نوار قابل تعويض است در اثر فرسودگي(به خاطر حركت سايشي) اين نوار همچنين قادر است تحمل كند جرقه اي را كه در هنگام جدا شدن نوار با سيم بالايي در طول حركت بوجود مي آيد. (شكل2)
(شكل2 )
اين نوار ثابت است توسط يك قسمتيكه ناميده ميشود كفشك كلكتوركه در داخل يك قاب قرار دارد.
2- پنتوگراف باز و مجزا: (شكل 3و4) مشكل اساسي پنتوگرافها است نحوه اتصال پيوسته آنها در سرعتهاي خيلي زياد قطار- به همين منظور اتصال پنتوگرافها كنترل مي شود به وسيله فشار هوا در سرعتهاي بالا- همه پنتوگرافها هستند متصل به يك پيستون كه قرار دارد در يك سيلندر و فشار هوا در سيلندر ايجاد مي كند شرايط اتصال مطلوب را.
(شكل 3)
با توجه به شكل 4، مشاهده مي كنيد قسمتهاي مختلف يك پنتوگراف باز و مجزا را كه نوارهاي اتصال پنتوگراف حمايت مي شوند توسط شاخكها و محل قرار گرفتن اين شاخكها در انتهاي هر دو سر نوارهاي اتصال مي باشند. اين شاخكها در مواقع اضطراري همانند ترمز عمل كرد. و همچنين اين شاخكها داراي مجراي هواي فشرده اند تا در مواقعي كه كاهش فشار هواي فشرده داريم آن را جبران كند.
(شكل 4)
3- پنتوگراف بالدار يا شاخه اي: اين پنتوگراف داراي اين مزيت است كه نسبت به دو پنتوگراف قبلي داراي سروصداي كمتري است. منظور از سروصدا همان ساييده شدن سيم با نوار پنتوگراف است.
پنتوگرافها بايد داراي مشخصات زير باشند:
1- هنگامي كه قطار حركت مي كند بايد آن بطور پيوسته با سيم بالايي در حال تماس باشد.
2- آن نبايد به ميزان خيلي زيادي با سيم بالايي ساييده شود با فرسايش آن خيلي زياد شود.
3- مقاومتآيروديناميكي(مربوط به بحثگاز وهوا)كميداشتهباشد- كهاينبحث مربوط به مكانيكاست.
حال كه مفهوم پنتوگراف را فهميديم و انواع آن را ديديم به ادامه شكل 1 توجه كنيد.
Circuit breaker: (مدار شكن)
در اكثر قطارهاي برقي اين قسمت وجود دارد كه براي جدا كردن خط تغذيه از قطار در مواقعي كه :
1- خط به وجود آمده باشد
2- براي تعميرات
كه بر دو نوع است:
1- مدار شكن هواي فشرده
2- مدار شكن خلا يا VCB
در هر دوي اين مدار شكنها، هوا و خلا مورد استفاده قرار مي گيرند. براي خاموش كردن جرقه حاصل از باز شدن مدار شكن در دو موقعيت بالا.
با توجه به شكل 1 در ادامه سيم پس از مدار شكن به قسمتي بنام ترانسفورماتور اصلي مي رسيم.
ترانسفورماتور:
ترانسفورماتورها شامل سيم پيچ اوليه و ثانويه كه هر دو به دور هسته بسته شده اند و عمل كم و زياد كردن ولتاژ را انجام مي دهند و به همين منظور به آنها ترانسفورماتورهاي كاهنده يا افزاينده گويند. در قطارهاي برقي اين ترانسفورماتور كاهنده است. يعني ولتاژ گرفته شده از سيم بالاي سر به منظور استفاده از موتورهاي AC سه فاز كم مي كند جالب است بدانيم يكي از تفاوتهايي كه بلوك دياگرام AC با بلوك دياگرام DC دارد همين ترانسفورماتور كاهنده است.
حال كه به اين مطلب اشاره شد بهتر است هر دو نوع قطار با راه اندازي AC وdc را شناخته و با هم مقايسه كنيم با توجه به شكل 5و6 مشاهده مي شود كه:
تفاوت AC با DC اين است كه در AC ما داراي ترانسفورماتور يا يك قسمت بنام مبدل اصلي كه شامل اين ورتر و يك سو ساز است ولي در DC شامل فيلتر راكتور و يك اينورتر كه شامل يك خازن هم مي شود هستيم. در DC علاوه بر اينها يك سري خازن و مقاومت براي حفاظت هم وجود دارد. در DC: حاصل است
كه DC است.
(شكل 5)
(شكل 6)
ترانسفورمر بوست:
نوع ديگري از ترانسفورماتور كه در روي سيم بالاي سر با توجه به شكل 7 قرار گرفته است(از توضيح ادوات ديگر روي شكل به دليل مكانيكي بودن بحث صرفه نظر شده است).
اين ترانسفورماتور باعث افزايش ولتاژ و كاهش تلفات مي شود.
(شكل 7)
قبل از ادامه بحث به 2 سوال پاسخ مي دهيم.
1- چرا بيشتر از ولتاژ AC به جاي ولتاژ DC استفاده مي شود؟
جواب: با توجه به شكل ولتاژ AC كه در زمانهاي مختلف متغيير و DC كه در زمانهاي مختلف ثابت است، يك علت اين است كه ولتاژ AC از تمام سطح مقطع سيم هادي در همه زمانها استفاده نكرده و اين منجر ميشود به سبكتر و ارزانتر شدن سيستم مورد استفاده از ولتاژ AC . چون سيم هادي سبكتر و ارزانتر مي شود. ولي در DC چون در همه زمانها از تمام مقطع سيم هادي استفاده مي شود، سيم هادي سنگين تر و گرانتر شده و در نتيجه سيستم سنگين تر و گرانتر مي شود.
دليل دوم: كه بدون توضيح گفته مي شود اين است كه در ولتاژ DC نياز بع ريل سوم است
دليل سوم: براي ولتاژ DC نياز به پستهاي تغذيه اي هميشگي است البته ولتاژ AC هم اين پستها را ميخواهد ولي براي يك راه آهن متوسط نسبت ولتاژ DC به AC براي داشتن پست 8 به 1 است. با وجود مشكلات ولتاژ DC براي مسيرهاي زياد و در خطوط اصلي از ولتاژ AC و براي مسيرهاي كوتاه و خطوط مترو از ولتاژ DC استفاده مي كنند. مزيت خطوط DC داشتن تلفات كمتر است.
ولتاژ DC مورد استفاده شده حدود 3000 هزار ولت است و ولتاژ AC مورد استفاده شده در حدود 50000 هزار تا 15000 هزار ولت مي باشد.
2- چرا در حالتيكه موتور با ولتاژ AC قوي تر كار مي كند چرا ما نياز به تبديل AC به DC داريم ؟
جواب: به دليل مسائل اقتصادي نياز داريم برق را از شبكه قدرت محلي گرفته و به دليل حركت قطار و مشكل گرفتن برق از سه فاز، ما فقط به وسيله پنتوگرافها از يك فاز برق گرفته و اين برق AC تك فاز، براي اين كه به مصرف موتور برسد بايد به AC سه فاز تبديل شود و از عمل هيچ قدرتي وجود ندارد كه در يك مرحله AC تك فاز را به AC سه فاز تبديل كند و براي اين كار بايد AC تك فاز به DC و از DC به AC سه فاز برويم.
مي دانيم كه موتورهاي DC كنترل خيلي راحتي دارند و به همين خاطر براي قطارهاي قدرت بالاي تغذيه ACاز موتورهاي DC استفاده مي كنند.
لكوموتيوهاي AC با موتورهاي كشش DC
شكل 8 نشان مي دهد شما تيك كلي از يك لكوموتيو 25KV كيلو ولت AC كه تشكيل شده از پنتوگراف، ترانسفورماتور، مدار شكن، تپ چنجر، ركتيفاير و موتور DC با توجه به توضيحات قبل، ترانسفور مر كاهنده است و مقدار كاهش ولتاژ تا حدي مي باشد كه استفاده از اين ولتاژ و امكان مديريت براي موتورهاي كششي DC فراهم شود. تپ چنجر، روش كاري شبيه به روش كار كنترل مقاومتي مورد استفاده در تحريك DC دارد.
تپ چنجر : سطح جريان به كار برده شده براي موتورها را كنترل مي كند كه اين كار را به وسيله قطع و وصل شدن انجام مي دهد.
ركتيفاير: كه ولتاژ خروجي از تپ چنجر را به dc تبديل مي كند، 2 نمونه از ركتيفايرها پل ديودي و تريستور مي باشد.
(شكل 8)
پل ديودي: نمونه اي از پل ديودي در شكل 9 ديده مي شود در سيكل مثبت، ديودهاي1 و4 روشن و2 و3 خاموش و عسل يكسو سازي را انجام مي دهند و در سيكل منفي ديودهاي2 و3 روشن و1 و4 خاموش و مكانيزم اثر پل ديودي را با توجه به دو شكل پايين بهتر مي توان فهميد.
(شكل 9)
تريستور: عملكردي شبيه به ديود دارد و مي توان گفت يك ديود توسعه يافته است و اجازه مي دهد جريان فقط در يك جهت از آن جاري شود و عمل يكسوسازي را با تغيير زاويه آتش اش انجام مي دهد.
شكل 10 نشان مي دهد مدار تحريك براي موتورهاي AC سه فاز (2 موتورAC) اين مدار تشابهات زيادي با شكل 8 دارد. چون موتورهاي AC نياز به راه اندازي ندارند از تپ چنجر استفاده نشده است. همه ادوات با شكل 8 مشابه اند بجز اينورتر كه برق DC را به AC تبديل مي كند. برق DC از ركتيفاير گرفته شده و توسط اينورتر به AC تبديل مي شود.
(شكل 10)
نحوه عملكرد اينورتر:
همانطور كه در شكل 11 نشان داده شده است، موقعي كه سوئيچ S[SUB]1[/SUB] و S[SUB]4[/SUB] روشن اند وS[SUB]2[/SUB] و S[SUB]3[/SUB] خاموش مثبت E ولت به كار برده مي شود در پيچكهاي موتور، در حالت ديگر موقعي كه S[SUB]1[/SUB] و S[SUB]4[/SUB] خاموش وS[SUB]2[/SUB] و S[SUB]3[/SUB] روشن منفي E ولت در پيچكهاي موتور جاري مي شود.
در حالتي كه ولتاژ جاري نمي شود همه كليدها خاموش اند - هر سوئيچ مي تواند خاموش و روشن شود در هر زمان- براي مثال سوئيچينگ on/off نشان داده شده در شكل 11(a)، يك ولتاژ سينوسي توليد مي كند كه ناميده مي شودAC . ولتاژ متوسط با خط چين نشان داده شده است. همچنين در شكل 11(b)، مشاهده مي كنيم كاهش ولتاژ متوسط به وسيله كنترل سوئيچي و در شكل 11(c)، مشاهده مي كنيم افزايش فركانس ولتاژ را با كنترل سوئيچي.
(شكل 11)
مطلبي كه توضيح آن كمتر از بقيه شد عمل يكسوسازي بود، به همين خاطر تعريف مي كنيم دو سيستم تغذيه اي AC و OC را.
تغذيه AC :
در اين سيستم مطلب جديدي براي توضيح دادن نيست و همان استفاده از ولتاژ AC به طور معمول و متداول است.
تغذيه DC :
در اين سيستم با توجه به شكل 12 مشاهده مي كنيم يك پل يكسوساز سيليكوني سه فاز را كه براي تبديل جريان متناوب به DC مورد استفاده قرار مي گيرد. قبلا اين يكسوسازهاي سه فاز داراي سيستم 6 پالس بودند كه آن كاهش مي داد هارمونيك ها را، ولي همچنين شكل موج ولتاژ را هم تغيير مي داد كه باعث كاهش توان مي شد. به منظور كاهش هارمونيكها و بر طرف كردن عيب بالا استفاده شد از ركتيفاير 12 پالس كه در اصل از دو مدار ركتيفاير 6 پالسه با اختلاف فاز ولتاژ ْ30 درجه تشكيل شده كه به صورت سري يا موازي در كنار هم قرار مي گيرند. با توجه به شكل 12 مشاهده مي كنيم قسمتي بنام پست مجزا كه اين قسمت براي از بين بردن افت ولتاژ در هنگامي كه ايستگاهها از هم خيلي دورند، تعبيه شده.
فاصله بين ايستگاه ها در خطوط ارتباطي مترو تقربياً km 5 و در ديگر خطوط تقريباًkm 10 مي باشد.
(شكل 12)
موتور DC:
در قطارهاي برقي از دو نوع موتور استفاده مي شود.
1- موتور DC
2- موتور AC
از موتور DC به خاطر داشتن كنترل دور راحت و مطمئن براي قطارهاي قدرت بالا با تغذيه AC هم استفاده مي شود. ماشينهاي DC از دو قسمت تشكيل شده اند:
1- قسمت ثابت كه استاتور نام دارد.2- قسمت متحرك كه روتور (آرميچر) ناميده مي شود.
سيم پيچ تحريك (ميدان) بر روي استاتور قرار دارد (شكل 13)
(شكل 13)
ماشينDC از دو قسمت تشكيل شده است. قسمت ثابت كه استاتور نام دارد و قسمت متحرك كه روتور (آرميچر) ناميده مي شود. سيم پيچي تحريك (سيم پيچي ميدان) بر روي استاتور قرار دارد. بر روي آرميچر تيغههاي كموتاتور قرار دارد كه انتهايكلافهايآرميچر بر روي اين تيغه ها لحيمميشود. اين تيغههاي كموتاتور توسط دو يا چند جاروبك اتصال كوتاه مي شوند. وقتي آرميچر در ميدان مغناطيسي ناشي از قطبهاي استاتور مي چرخد در سيم پيچي آرميچر ولتاژ متناوبي القا مي شود كه اين ولتاژ متناوب به كمك تيغه هاي كموتاتور و جاروبكها يكسو شده و يك ولتاژ DC توليد خواهد شد.
شكل (14) يك ماشين DC را نشان ميدهد كه در آن C[SUB]a[/SUB] و C[SUB]b[/SUB] تيغه هاي كموتاتور و B[SUB]1[/SUB] و B[SUB]2[/SUB] جاروبكها هستند. سرعت گردش يك ماشين D.C را يا با نشان ميدهند كه واحد آن است و يا با n[SUB]m[/SUB] نمايش مي دهند كه واحد r.p.m (دور بر دقيقه) مي باشد.
(شكل 14)
رابطه بين اين دو واحد بصورت مقابل است:
(1)
ولتاژ القا شده در آرميچر برابر است با:
(2)
كه در آن:
N: تعداد دور كل سيم پيچي آرميچر P= تعداد قطبها
a= تعداد مسيرهاي موازي : شار ميدان تحريك
: سرعت مكانيكي گردش آرميچر
با تعريف خواهيم داشت:
(3)
اگر Z تعداد كل هاديهاي سيم پيچي آرميچر باشد، آنگاه :
(4)
از طرفي چون شار با جريان تحريك مرتبط است مي توان E[SUB]a[/SUB] را بصورت تابعي از جريان تحرك نوشت:
(5)
اين تابع معمولاً بصورت يك منحني داده مي شود كه به آن منحني مغناطيسي شوندگي يا منحني اشباع مي گويند.(شكل 15)
(شكل15)
با توجه به شكل(15) مشاهده مي شود كه رابطه بين If و Ea خطي نيست و اين به دليل اشباع قسمتهاي آهني ماشين است. در بعضي از موارد به جاي منحني مغناطيس شوندگي، رابطه رياضي بين داده If و Ea مي شود. منحني مغناطيس شوندگي يا رابطه رياضي در يك سرعت خاص مي شود و در سرعتهاي ديگر بايستي با استفاده از رابطه (3) جهت يافتن منحني مغناطيس شوندگي و يا رابطه رياضي در سرعت جديد استفاده نمود (با فرض ثابت بودن شار ).
گشتاور در ماشينهاي DC عبارتست از:
(6)
I[SUB]a[/SUB] جريان آرميچر است. گشتاور در ژنراتورهاي D.C گشتاور مخالف و در موتورهاي D.C گشتاور محرك است.
سيم پيچي آرميچر
اگر زاويه مكانيكي و زاويه الكتريكي باشد، آنگاه براي يك ماشين p قطب خواهيم داشت:
(7)
فاصله ميان دو قطب مجاور، گام قطبي يا دهانه قطب ناميده مي شود كه مقدار آن برابر است با:
عنوان | صفحه |
مقدمه | 1 |
انواع پنتوگراف ها و مكانيزم اصلي آنها | 2 |
مدار شكن | 3 |
ترانسفورماتور | 4 |
لكوموتيوهاي AC با موتورهاي كشش DC | 6 |
نحوه عملكرد اينورتر | 9 |
تغذيه DC | 10 |
موتور DC | 10 |
سيم پيچي آرميچر | 13 |
كموتاسيون | 15 |
راه اندازي موتورهاي DC | 16 |
مدار قدرت DC | 19 |
چرا مدار انتقالي لازم است؟ | 21 |
سيستم هاي خبردهنده براي ايجاد راه آهن بي خطر | 22 |
منابع و ماخذ | 26 |
مقدمه
استفاده از قطارها و اتوبوسهاي برقي به سبب مزاياي مختلفي از جمله صرفهجويي در منابع انرژي، آلوده نكردن محيط زيست و كاهش بار ترافيك مسير درون شهري و بين شهري در كشورهاي مختلف دنيا رشد چشمگيري داشته است.
قطارهاي برقيجهت تغذيه بار كشش خود از شبكه قدرت محلي استفاده ميكنند، چرا كه نصب يك شبكه برق مجزا براي اين منظور از لحاظ اقتصادي قابل توجيه نيست از آنجا كه اين قطارهاي AC يا DC بزرگ و به شدت متغيير با زمان هستند كه معمولا بصورت تك فاز تغذيه مي شوند، عملكرد آنها ولتاژ را دچار عدم تعادل بزرگي مي نمايد كه آن نيز به نوبه خود عملكرد سيستم قدرت را به شدت تحت تاثير قرار مي دهد، بنابراين لازم است كه اين عدم تعادل به نحوي جبران شود. براي بر طرف كردن مشكل عدم تعادل ولتاژ نياز به روشهاي جبران سازي است كه اين روشها شامل استفاده از ترانسفور مرها با اتصالات خاص، كاربرد جبران ساز ايستاي توان راكتيو(SVC) و جبران سازي ايستاي سنكرون (STAT COM) مي باشند كه اين جبران سازها هم نياز به كنترل براي اينكه ولتاژ را متعادل كنند دارند.
موضوع اصلي اين پروژه بررسي تك تك اعضاي برقي تشكيل دهنده قطارهاي برقي و شرح كار آنها مي باشند.
با توجه به شكل 1؛ مشاهده مي كنيم بلوك دياگرام يك لوكوموتيوAC را در شكل ميبينيم سيم مشكي كه داري برق AC تك فاز است و به وسيله دستگاهي بنام پنتوگراف اين برق AC تك فاز منتقل ميشود به بلوك الكتريكي واگن.
(شكل 1)
انواع پنتوگرافها و مكانيزم اصلي آنها:
3 نوع پنتوگراف وجود دارد.
1- پنتوگراف فالب الماسي: اين پنتوگراف داراي يك نوار است براي اين كه مرتبط كند سيم تغذيه بالاي سر را به پنتوگراف و اين نوار قابل تعويض است در اثر فرسودگي(به خاطر حركت سايشي) اين نوار همچنين قادر است تحمل كند جرقه اي را كه در هنگام جدا شدن نوار با سيم بالايي در طول حركت بوجود مي آيد. (شكل2)
(شكل2 )
اين نوار ثابت است توسط يك قسمتيكه ناميده ميشود كفشك كلكتوركه در داخل يك قاب قرار دارد.
2- پنتوگراف باز و مجزا: (شكل 3و4) مشكل اساسي پنتوگرافها است نحوه اتصال پيوسته آنها در سرعتهاي خيلي زياد قطار- به همين منظور اتصال پنتوگرافها كنترل مي شود به وسيله فشار هوا در سرعتهاي بالا- همه پنتوگرافها هستند متصل به يك پيستون كه قرار دارد در يك سيلندر و فشار هوا در سيلندر ايجاد مي كند شرايط اتصال مطلوب را.
(شكل 3)
با توجه به شكل 4، مشاهده مي كنيد قسمتهاي مختلف يك پنتوگراف باز و مجزا را كه نوارهاي اتصال پنتوگراف حمايت مي شوند توسط شاخكها و محل قرار گرفتن اين شاخكها در انتهاي هر دو سر نوارهاي اتصال مي باشند. اين شاخكها در مواقع اضطراري همانند ترمز عمل كرد. و همچنين اين شاخكها داراي مجراي هواي فشرده اند تا در مواقعي كه كاهش فشار هواي فشرده داريم آن را جبران كند.
(شكل 4)
3- پنتوگراف بالدار يا شاخه اي: اين پنتوگراف داراي اين مزيت است كه نسبت به دو پنتوگراف قبلي داراي سروصداي كمتري است. منظور از سروصدا همان ساييده شدن سيم با نوار پنتوگراف است.
پنتوگرافها بايد داراي مشخصات زير باشند:
1- هنگامي كه قطار حركت مي كند بايد آن بطور پيوسته با سيم بالايي در حال تماس باشد.
2- آن نبايد به ميزان خيلي زيادي با سيم بالايي ساييده شود با فرسايش آن خيلي زياد شود.
3- مقاومتآيروديناميكي(مربوط به بحثگاز وهوا)كميداشتهباشد- كهاينبحث مربوط به مكانيكاست.
حال كه مفهوم پنتوگراف را فهميديم و انواع آن را ديديم به ادامه شكل 1 توجه كنيد.
Circuit breaker: (مدار شكن)
در اكثر قطارهاي برقي اين قسمت وجود دارد كه براي جدا كردن خط تغذيه از قطار در مواقعي كه :
1- خط به وجود آمده باشد
2- براي تعميرات
كه بر دو نوع است:
1- مدار شكن هواي فشرده
2- مدار شكن خلا يا VCB
در هر دوي اين مدار شكنها، هوا و خلا مورد استفاده قرار مي گيرند. براي خاموش كردن جرقه حاصل از باز شدن مدار شكن در دو موقعيت بالا.
با توجه به شكل 1 در ادامه سيم پس از مدار شكن به قسمتي بنام ترانسفورماتور اصلي مي رسيم.
ترانسفورماتور:
ترانسفورماتورها شامل سيم پيچ اوليه و ثانويه كه هر دو به دور هسته بسته شده اند و عمل كم و زياد كردن ولتاژ را انجام مي دهند و به همين منظور به آنها ترانسفورماتورهاي كاهنده يا افزاينده گويند. در قطارهاي برقي اين ترانسفورماتور كاهنده است. يعني ولتاژ گرفته شده از سيم بالاي سر به منظور استفاده از موتورهاي AC سه فاز كم مي كند جالب است بدانيم يكي از تفاوتهايي كه بلوك دياگرام AC با بلوك دياگرام DC دارد همين ترانسفورماتور كاهنده است.
حال كه به اين مطلب اشاره شد بهتر است هر دو نوع قطار با راه اندازي AC وdc را شناخته و با هم مقايسه كنيم با توجه به شكل 5و6 مشاهده مي شود كه:
تفاوت AC با DC اين است كه در AC ما داراي ترانسفورماتور يا يك قسمت بنام مبدل اصلي كه شامل اين ورتر و يك سو ساز است ولي در DC شامل فيلتر راكتور و يك اينورتر كه شامل يك خازن هم مي شود هستيم. در DC علاوه بر اينها يك سري خازن و مقاومت براي حفاظت هم وجود دارد. در DC: حاصل است
كه DC است.
(شكل 5)
(شكل 6)
ترانسفورمر بوست:
نوع ديگري از ترانسفورماتور كه در روي سيم بالاي سر با توجه به شكل 7 قرار گرفته است(از توضيح ادوات ديگر روي شكل به دليل مكانيكي بودن بحث صرفه نظر شده است).
اين ترانسفورماتور باعث افزايش ولتاژ و كاهش تلفات مي شود.
(شكل 7)
قبل از ادامه بحث به 2 سوال پاسخ مي دهيم.
1- چرا بيشتر از ولتاژ AC به جاي ولتاژ DC استفاده مي شود؟
جواب: با توجه به شكل ولتاژ AC كه در زمانهاي مختلف متغيير و DC كه در زمانهاي مختلف ثابت است، يك علت اين است كه ولتاژ AC از تمام سطح مقطع سيم هادي در همه زمانها استفاده نكرده و اين منجر ميشود به سبكتر و ارزانتر شدن سيستم مورد استفاده از ولتاژ AC . چون سيم هادي سبكتر و ارزانتر مي شود. ولي در DC چون در همه زمانها از تمام مقطع سيم هادي استفاده مي شود، سيم هادي سنگين تر و گرانتر شده و در نتيجه سيستم سنگين تر و گرانتر مي شود.
دليل دوم: كه بدون توضيح گفته مي شود اين است كه در ولتاژ DC نياز بع ريل سوم است
دليل سوم: براي ولتاژ DC نياز به پستهاي تغذيه اي هميشگي است البته ولتاژ AC هم اين پستها را ميخواهد ولي براي يك راه آهن متوسط نسبت ولتاژ DC به AC براي داشتن پست 8 به 1 است. با وجود مشكلات ولتاژ DC براي مسيرهاي زياد و در خطوط اصلي از ولتاژ AC و براي مسيرهاي كوتاه و خطوط مترو از ولتاژ DC استفاده مي كنند. مزيت خطوط DC داشتن تلفات كمتر است.
ولتاژ DC مورد استفاده شده حدود 3000 هزار ولت است و ولتاژ AC مورد استفاده شده در حدود 50000 هزار تا 15000 هزار ولت مي باشد.
2- چرا در حالتيكه موتور با ولتاژ AC قوي تر كار مي كند چرا ما نياز به تبديل AC به DC داريم ؟
جواب: به دليل مسائل اقتصادي نياز داريم برق را از شبكه قدرت محلي گرفته و به دليل حركت قطار و مشكل گرفتن برق از سه فاز، ما فقط به وسيله پنتوگرافها از يك فاز برق گرفته و اين برق AC تك فاز، براي اين كه به مصرف موتور برسد بايد به AC سه فاز تبديل شود و از عمل هيچ قدرتي وجود ندارد كه در يك مرحله AC تك فاز را به AC سه فاز تبديل كند و براي اين كار بايد AC تك فاز به DC و از DC به AC سه فاز برويم.
مي دانيم كه موتورهاي DC كنترل خيلي راحتي دارند و به همين خاطر براي قطارهاي قدرت بالاي تغذيه ACاز موتورهاي DC استفاده مي كنند.
لكوموتيوهاي AC با موتورهاي كشش DC
شكل 8 نشان مي دهد شما تيك كلي از يك لكوموتيو 25KV كيلو ولت AC كه تشكيل شده از پنتوگراف، ترانسفورماتور، مدار شكن، تپ چنجر، ركتيفاير و موتور DC با توجه به توضيحات قبل، ترانسفور مر كاهنده است و مقدار كاهش ولتاژ تا حدي مي باشد كه استفاده از اين ولتاژ و امكان مديريت براي موتورهاي كششي DC فراهم شود. تپ چنجر، روش كاري شبيه به روش كار كنترل مقاومتي مورد استفاده در تحريك DC دارد.
تپ چنجر : سطح جريان به كار برده شده براي موتورها را كنترل مي كند كه اين كار را به وسيله قطع و وصل شدن انجام مي دهد.
ركتيفاير: كه ولتاژ خروجي از تپ چنجر را به dc تبديل مي كند، 2 نمونه از ركتيفايرها پل ديودي و تريستور مي باشد.
(شكل 8)
پل ديودي: نمونه اي از پل ديودي در شكل 9 ديده مي شود در سيكل مثبت، ديودهاي1 و4 روشن و2 و3 خاموش و عسل يكسو سازي را انجام مي دهند و در سيكل منفي ديودهاي2 و3 روشن و1 و4 خاموش و مكانيزم اثر پل ديودي را با توجه به دو شكل پايين بهتر مي توان فهميد.
(شكل 9)
Vm Vm + - D[SUB]1[/SUB], 4 D[SUB]2[/SUB], 3 on on |
شكل 10 نشان مي دهد مدار تحريك براي موتورهاي AC سه فاز (2 موتورAC) اين مدار تشابهات زيادي با شكل 8 دارد. چون موتورهاي AC نياز به راه اندازي ندارند از تپ چنجر استفاده نشده است. همه ادوات با شكل 8 مشابه اند بجز اينورتر كه برق DC را به AC تبديل مي كند. برق DC از ركتيفاير گرفته شده و توسط اينورتر به AC تبديل مي شود.
(شكل 10)
نحوه عملكرد اينورتر:
همانطور كه در شكل 11 نشان داده شده است، موقعي كه سوئيچ S[SUB]1[/SUB] و S[SUB]4[/SUB] روشن اند وS[SUB]2[/SUB] و S[SUB]3[/SUB] خاموش مثبت E ولت به كار برده مي شود در پيچكهاي موتور، در حالت ديگر موقعي كه S[SUB]1[/SUB] و S[SUB]4[/SUB] خاموش وS[SUB]2[/SUB] و S[SUB]3[/SUB] روشن منفي E ولت در پيچكهاي موتور جاري مي شود.
در حالتي كه ولتاژ جاري نمي شود همه كليدها خاموش اند - هر سوئيچ مي تواند خاموش و روشن شود در هر زمان- براي مثال سوئيچينگ on/off نشان داده شده در شكل 11(a)، يك ولتاژ سينوسي توليد مي كند كه ناميده مي شودAC . ولتاژ متوسط با خط چين نشان داده شده است. همچنين در شكل 11(b)، مشاهده مي كنيم كاهش ولتاژ متوسط به وسيله كنترل سوئيچي و در شكل 11(c)، مشاهده مي كنيم افزايش فركانس ولتاژ را با كنترل سوئيچي.
(شكل 11)
مطلبي كه توضيح آن كمتر از بقيه شد عمل يكسوسازي بود، به همين خاطر تعريف مي كنيم دو سيستم تغذيه اي AC و OC را.
تغذيه AC :
در اين سيستم مطلب جديدي براي توضيح دادن نيست و همان استفاده از ولتاژ AC به طور معمول و متداول است.
تغذيه DC :
در اين سيستم با توجه به شكل 12 مشاهده مي كنيم يك پل يكسوساز سيليكوني سه فاز را كه براي تبديل جريان متناوب به DC مورد استفاده قرار مي گيرد. قبلا اين يكسوسازهاي سه فاز داراي سيستم 6 پالس بودند كه آن كاهش مي داد هارمونيك ها را، ولي همچنين شكل موج ولتاژ را هم تغيير مي داد كه باعث كاهش توان مي شد. به منظور كاهش هارمونيكها و بر طرف كردن عيب بالا استفاده شد از ركتيفاير 12 پالس كه در اصل از دو مدار ركتيفاير 6 پالسه با اختلاف فاز ولتاژ ْ30 درجه تشكيل شده كه به صورت سري يا موازي در كنار هم قرار مي گيرند. با توجه به شكل 12 مشاهده مي كنيم قسمتي بنام پست مجزا كه اين قسمت براي از بين بردن افت ولتاژ در هنگامي كه ايستگاهها از هم خيلي دورند، تعبيه شده.
فاصله بين ايستگاه ها در خطوط ارتباطي مترو تقربياً km 5 و در ديگر خطوط تقريباًkm 10 مي باشد.
(شكل 12)
موتور DC:
در قطارهاي برقي از دو نوع موتور استفاده مي شود.
1- موتور DC
2- موتور AC
از موتور DC به خاطر داشتن كنترل دور راحت و مطمئن براي قطارهاي قدرت بالا با تغذيه AC هم استفاده مي شود. ماشينهاي DC از دو قسمت تشكيل شده اند:
1- قسمت ثابت كه استاتور نام دارد.2- قسمت متحرك كه روتور (آرميچر) ناميده مي شود.
سيم پيچ تحريك (ميدان) بر روي استاتور قرار دارد (شكل 13)
(شكل 13)
ماشينDC از دو قسمت تشكيل شده است. قسمت ثابت كه استاتور نام دارد و قسمت متحرك كه روتور (آرميچر) ناميده مي شود. سيم پيچي تحريك (سيم پيچي ميدان) بر روي استاتور قرار دارد. بر روي آرميچر تيغههاي كموتاتور قرار دارد كه انتهايكلافهايآرميچر بر روي اين تيغه ها لحيمميشود. اين تيغههاي كموتاتور توسط دو يا چند جاروبك اتصال كوتاه مي شوند. وقتي آرميچر در ميدان مغناطيسي ناشي از قطبهاي استاتور مي چرخد در سيم پيچي آرميچر ولتاژ متناوبي القا مي شود كه اين ولتاژ متناوب به كمك تيغه هاي كموتاتور و جاروبكها يكسو شده و يك ولتاژ DC توليد خواهد شد.
شكل (14) يك ماشين DC را نشان ميدهد كه در آن C[SUB]a[/SUB] و C[SUB]b[/SUB] تيغه هاي كموتاتور و B[SUB]1[/SUB] و B[SUB]2[/SUB] جاروبكها هستند. سرعت گردش يك ماشين D.C را يا با نشان ميدهند كه واحد آن است و يا با n[SUB]m[/SUB] نمايش مي دهند كه واحد r.p.m (دور بر دقيقه) مي باشد.
(شكل 14)
رابطه بين اين دو واحد بصورت مقابل است:
(1)
ولتاژ القا شده در آرميچر برابر است با:
(2)
كه در آن:
N: تعداد دور كل سيم پيچي آرميچر P= تعداد قطبها
a= تعداد مسيرهاي موازي : شار ميدان تحريك
: سرعت مكانيكي گردش آرميچر
با تعريف خواهيم داشت:
(3)
اگر Z تعداد كل هاديهاي سيم پيچي آرميچر باشد، آنگاه :
(4)
از طرفي چون شار با جريان تحريك مرتبط است مي توان E[SUB]a[/SUB] را بصورت تابعي از جريان تحرك نوشت:
(5)
اين تابع معمولاً بصورت يك منحني داده مي شود كه به آن منحني مغناطيسي شوندگي يا منحني اشباع مي گويند.(شكل 15)
(شكل15)
با توجه به شكل(15) مشاهده مي شود كه رابطه بين If و Ea خطي نيست و اين به دليل اشباع قسمتهاي آهني ماشين است. در بعضي از موارد به جاي منحني مغناطيس شوندگي، رابطه رياضي بين داده If و Ea مي شود. منحني مغناطيس شوندگي يا رابطه رياضي در يك سرعت خاص مي شود و در سرعتهاي ديگر بايستي با استفاده از رابطه (3) جهت يافتن منحني مغناطيس شوندگي و يا رابطه رياضي در سرعت جديد استفاده نمود (با فرض ثابت بودن شار ).
گشتاور در ماشينهاي DC عبارتست از:
(6)
I[SUB]a[/SUB] جريان آرميچر است. گشتاور در ژنراتورهاي D.C گشتاور مخالف و در موتورهاي D.C گشتاور محرك است.
سيم پيچي آرميچر
اگر زاويه مكانيكي و زاويه الكتريكي باشد، آنگاه براي يك ماشين p قطب خواهيم داشت:
(7)
فاصله ميان دو قطب مجاور، گام قطبي يا دهانه قطب ناميده مي شود كه مقدار آن برابر است با:
360 درجه مكانيكي | =180 درجه الكتريكي= يك گام قطبي |
p |