پایان نامه بررسی انواع تجهیزات قطار برقی

پایان نامه مقطع کارشناسی 

رشته برق- قدرت

سال 1385

مقدمه

استفاده از قطارها و اتوبوسهای برقی به سبب مزایای مختلفی از جمله صرفه‌جویی در منابع انرژی، آلوده نکردن محیط زیست و کاهش بار ترافیک مسیر درون شهری و بین شهری در کشورهای مختلف دنیا رشد چشم‌گیری داشته است.

قطارهای برقی‌جهت تغذیه بار کشش خود از شبکه قدرت محلی استفاده می‌کنند، چرا که نصب یک شبکه برق مجزا برای این منظور از لحاظ اقتصادی قابل توجیه نیست از آنجا که این قطارهای AC یا DC بزرگ و به شدت متغییر با زمان هستند که معمولا بصورت تک فاز تغذیه می شوند، عملکرد آنها ولتاژ را دچار عدم تعادل بزرگی می نماید که آن نیز به نوبه خود عملکرد سیستم قدرت را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد، بنابراین لازم است که این عدم تعادل به نحوی جبران شود. برای بر طرف کردن مشکل عدم تعادل ولتاژ نیاز به روشهای جبران سازی است که این روشها شامل استفاده از ترانسفور مرها با اتصالات خاص، کاربرد جبران ساز ایستای توان راکتیو(SVC) و جبران سازی ایستای سنکرون (STAT COM) می باشند که این جبران سازها هم نیاز به کنترل برای اینکه ولتاژ را متعادل کنند دارند.

موضوع اصلی این پروژه بررسی تک تک اعضای برقی تشکیل دهنده قطارهای برقی و شرح کار آنها می باشند.

با توجه به شکل 1؛ مشاهده می کنیم بلوک دیاگرام یک لوکوموتیوAC را در شکل می‌بینیم سیم مشکی که داری برق AC تک فاز است و به وسیله دستگاهی بنام پنتوگراف این برق AC تک فاز منتقل می‌شود به بلوک الکتریکی واگن. 

انواع پنتوگرافها و مکانیزم اصلی آنها:

3 نوع پنتوگراف وجود دارد.

1- پنتوگراف فالب الماسی: این پنتوگراف دارای یک نوار است برای این که مرتبط کند سیم تغذیه بالای سر را به پنتوگراف و این نوار قابل تعویض است در اثر فرسودگی(به خاطر حرکت سایشی) این نوار همچنین قادر است تحمل کند جرقه ای را که در هنگام جدا شدن نوار با سیم بالایی در طول حرکت بوجود می آید. (شکل2)

(شکل2 )

این نوار ثابت است توسط یک قسمتی‌که نامیده می‌شود کفشک کلکتورکه در داخل یک قاب قرار دارد.

2- پنتوگراف باز و مجزا: (شکل 3و4) مشکل اساسی پنتوگرافها است نحوه اتصال پیوسته آنها در سرعتهای خیلی زیاد قطار- به همین منظور اتصال پنتوگرافها کنترل می شود به وسیله فشار هوا در سرعتهای بالا- همه پنتوگرافها هستند متصل به یک پیستون که قرار دارد در یک سیلندر و فشار هوا در سیلندر ایجاد می کند شرایط اتصال مطلوب را.

(شکل 3)

با توجه به شکل 4، مشاهده می کنید قسمتهای مختلف یک پنتوگراف باز و مجزا را که نوارهای اتصال پنتوگراف حمایت می شوند توسط شاخکها و محل قرار گرفتن این شاخکها در انتهای هر دو سر نوارهای اتصال می باشند. این شاخکها در مواقع اضطراری همانند ترمز عمل کرد. و همچنین این شاخکها دارای مجرای هوای فشرده اند تا در مواقعی که کاهش فشار هوای فشرده داریم آن را جبران کند.

(شکل 4)

3- پنتوگراف بالدار یا شاخه ای: این پنتوگراف دارای این مزیت است که نسبت به دو پنتوگراف قبلی دارای سروصدای کمتری است. منظور از سروصدا همان ساییده شدن سیم با نوار پنتوگراف است.

پنتوگرافها باید دارای مشخصات زیر باشند:

1- هنگامی که قطار حرکت می کند باید آن بطور پیوسته با سیم بالایی در حال تماس باشد.

2- آن نباید به میزان خیلی زیادی با سیم بالایی ساییده شود با فرسایش آن خیلی زیاد شود.

3- مقاومت‌آیرودینامیکی(مربوط به بحث‌گاز و‌هوا)‌کمی‌داشته‌باشد- که‌این‌بحث مربوط به مکانیک‌است.

    حال که مفهوم پنتوگراف را فهمیدیم و انواع آن را دیدیم به ادامه شکل 1 توجه کنید.

Circuit breaker: (مدار شکن)

در اکثر قطارهای برقی این قسمت وجود دارد که برای جدا کردن خط تغذیه از قطار در مواقعی که :

1-

2-

که بر دو نوع است:

1-

2-

در هر دوی این مدار شکنها، هوا و خلا مورد استفاده قرار می گیرند. برای خاموش کردن جرقه حاصل از باز شدن مدار شکن در دو موقعیت بالا.

با توجه به شکل 1 در ادامه سیم پس از مدار شکن به قسمتی بنام ترانسفورماتور اصلی می رسیم.

ترانسفورماتور:

ترانسفورماتورها شامل سیم پیچ اولیه و ثانویه که هر دو به دور هسته بسته شده اند و عمل کم و زیاد کردن ولتاژ را انجام می دهند و به همین منظور به آنها ترانسفورماتورهای کاهنده یا افزاینده گویند. در قطارهای برقی این ترانسفورماتور کاهنده است. یعنی ولتاژ گرفته شده از سیم بالای سر به منظور استفاده از موتورهای AC سه فاز کم می کند جالب است بدانیم یکی از تفاوتهایی که بلوک دیاگرام AC با بلوک دیاگرام DC دارد همین ترانسفورماتور کاهنده است.

حال که به این مطلب اشاره شد بهتر است هر دو نوع قطار با راه اندازی AC وdc را شناخته و با هم مقایسه کنیم با توجه به شکل 5و6 مشاهده می شود که:

تفاوت AC با DC این است که در AC ما دارای ترانسفورماتور یا یک قسمت بنام مبدل اصلی که شامل این ورتر و یک سو ساز است ولی در DC شامل فیلتر راکتور و یک اینورتر که شامل یک خازن هم می شود هستیم. در DC علاوه بر اینها یک سری خازن و مقاومت برای حفاظت هم وجود دارد. در DC:                  حاصل  است

  که DC است.

(شکل 5)

(شکل 6)

ترانسفورمر بوست:

نوع دیگری از ترانسفورماتور که در روی سیم بالای سر با توجه به شکل 7 قرار گرفته است(از توضیح ادوات دیگر روی شکل به دلیل مکانیکی بودن بحث صرفه نظر شده است).

این ترانسفورماتور باعث افزایش ولتاژ و کاهش تلفات می شود.

(شکل 7)

قبل از ادامه بحث به 2 سوال پاسخ می دهیم.

1-چرا بیشتر از ولتاژ AC به جای ولتاژ DC استفاده می شود؟

جواب: با توجه به شکل وتتاژ AC که در زمانهای مختلف متغییر و DC که در زمانهای مختلف ثابت است، یک علت این است که ولتاژ AC از تمام سطح مقطع سیم هادی در همه زمانها استفاده نکرده و این منجر می‌شود به سبک‌تر و ارزان‌تر شدن سیستم مورد استفاده از ولتاژ AC . چون سیم هادی سبکتر و ارزانتر می شود. ولی در DC چون در همه زمانها از تمام مقطع سیم هادی استفاده می شود، سیم هادی سنگین تر و گرانتر شده و در نتیجه سیستم سنگین تر و گرانتر می شود.

دلیل دوم: که بدون توضیح گفته می شود این است که در ولتاژ DC نیاز بع ریل سوم است

دلیل سوم: برای ولتاژ DC نیاز به پستهای تغذیه ای همیشگی است البته ولتاژ AC هم این پستها را می‌خواهد ولی برای یک راه آهن متوسط نسبت ولتاژ DC به AC برای داشتن پست 8 به 1 است. با وجود مشکلات ولتاژ DC برای مسیرهای زیاد و در خطوط اصلی از ولتاژ AC و برای مسیرهای کوتاه و خطوط مترو از ولتاژ DC استفاده می کنند. مزیت خطوط DC داشتن تلفات کمتر 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 می باشد.

چرا در حالتیکه موتور با ولتاژ AC قوی تر کار می کند چرا ما نیاز به تبدیل AC به DC داریم ؟

جواب: به دلیل مسائل اقتصادی نیاز داریم برق را از شبکه قدرت محلی گرفته و به دلیل حرکت قطار و مشکل گرفتن برق از سه فاز، ما فقط به وسیله پنتوگرافها از یک فاز برق گرفته و این برق AC تک فاز، برای این که به مصرف موتور برسد باید به AC سه فاز تبدیل شود و از عمل هیچ قدرتی وجود ندارد که در یک مرحله AC تک فاز را به AC سه فاز تبدیل کند و برای این کار باید AC تک فاز به DC و از DC به AC سه فاز برویم.

می دانیم که موتورهای DC کنترل خیلی راحتی دارند و به همین خاطر برای قطارهای قدرت بالای تغذیه ACاز موتورهای DC استفاده می کنند.

لکوموتیوهای AC با موتورهای کشش DC

شکل 8 نشان می دهد شما تیک کلی از یک لکوموتیو 25KV کیلو ولت AC که تشکیل شده از پنتوگراف، ترانسفورماتور، مدار شکن، تپ چنجر، رکتیفایر و موتور DC با توجه به توضیحات قبل، ترانسفور مر کاهنده است و مقدار کاهش ولتاژ تا حدی می باشد که استفاده از این ولتاژ و امکان مدیریت برای موتورهای کششی DC فراهم شود. تپ چنجر، روش کاری شبیه به روش کار کنترل مقاومتی مورد استفاده در تحریک DC دارد.

تپ چنجر : سطح جریان به کار برده شده برای موتورها را کنترل می کند که این کار را به وسیله قطع و وصل شدن انجام می دهد.

رکتیفایر: که ولتاژ خروجی از تپ چنجر را به dc تبدیل می کند، 2 نمونه از رکتیفایرها پل دیودی و تریستور می باشد.

(شکل 8)

پل دیودی: نمونه ای از پل دیودی در شکل 9 دیده می شود در سیکل مثبت، دیودهای1 و4 روشن و2 و3 خاموش و عسل یکسو سازی را انجام می دهند و در سیکل منفی دیودهای2 و3 روشن و1 و4 خاموش و مکانیزم اثر پل دیودی را با توجه به دو شکل پایین بهتر می توان فهمید.

(شکل 9)

                   Vm

                   Vm

                    +                -

              D1, 4           D2, 3

                 on                  on

تریستور: عملکردی شبیه به دیود دارد و می توان گفت یک دیود توسعه یافته است و اجازه می دهد جریان فقط در یک جهت از آن جاری شود و عمل یکسوسازی را با تغییر زاویه آتش اش انجام می دهد.

شکل 10 نشان می دهد مدار تحریک برای موتورهای AC سه فاز (2 موتورAC) این مدار تشابهات زیادی با شکل 8 دارد. چون موتورهای AC نیاز به راه اندازی ندارند از تپ چنجر استفاده نشده است. همه ادوات با شکل 8 مشابه اند بجز اینورتر که برق DC را به AC تبدیل می کند. برق DC از رکتیفایر گرفته شده و توسط اینورتر به AC تبدیل می شود.

(شکل 10)

نحوه عملکرد اینورتر:

همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است، موقعی که سوئیچ S1 و S4 روشن اند وS2  و S3 خاموش مثبت E ولت به کار برده می شود در پیچکهای موتور، در حالت دیگر موقعی که S1 و S4 خاموش وS2  و S3 روشن منفی E ولت در پیچکهای موتور جاری می شود.

در حالتی که ولتاژ جاری نمی شود همه کلیدها خاموش اند - هر سوئیچ می تواند خاموش و روشن شود در هر زمان- برای مثال سوئیچینگ on/off نشان داده شده در شکل 11(a)، یک ولتاژ سینوسی تولید می کند که نامیده می شودAC . ولتاژ متوسط با خط چین نشان داده شده است. همچنین در شکل 11(b)، مشاهده می کنیم کاهش ولتاژ متوسط به وسیله کنترل سوئیچی و در شکل 11(c)، مشاهده می کنیم افزایش فرکانس ولتاژ را با کنترل سوئیچی.

(شکل 11)

مطلبی که توضیح آن کمتر از بقیه شد عمل یکسوسازی بود، به همین خاطر تعریف می کنیم دو سیستم تغذیه ای AC و OC را.

تغذیه AC :

در این سیستم مطلب جدیدی برای توضیح دادن نیست و همان استفاده از ولتاژ AC به طور معمول و متداول است.

تغذیه DC :

در این سیستم با توجه به شکل 12 مشاهده می کنیم یک پل یکسوساز سیلیکونی سه فاز را که برای تبدیل جریان متناوب به DC مورد استفاده قرار می گیرد. قبلا این یکسوسازهای سه فاز دارای سیستم 6 پالس بودند که آن کاهش می داد هارمونیک ها را، ولی همچنین شکل موج ولتاژ را هم تغییر می داد که باعث کاهش توان می شد. به منظور کاهش هارمونیکها و بر طرف کردن عیب بالا استفاده شد از رکتیفایر 12 پالس که در اصل از دو مدار رکتیفایر 6 پالسه با اختلاف فاز ولتاژ ْ30 درجه تشکیل شده که به صورت سری یا موازی در کنار هم قرار می گیرند. با توجه به شکل 12 مشاهده می کنیم قسمتی بنام پست مجزا که این قسمت برای از بین بردن افت ولتاژ در هنگامی که ایستگاهها از هم خیلی دورند، تعبیه شده.

فاصله بین ایستگاه ها در خطوط ارتباطی مترو تقربیاً km  5 و در دیگر خطوط تقریباًkm 10 می باشد.

(شکل 12)

منابع و مآخذ:

   1- خلاصه مباحث ماشین های الکتریکی، متین مشکین، انشارات پردازش، سال 1383.

  2- سایت راه آهن ایران.

  3- سایت دانشکده راه آهن دانشگاه علم و صنعت.

  4- سایت راه آهن چین.

5- سایت راه آهن ژاپن