диплом. 2021_130302_ПС_ЭЭб-б71_Ермаков И.В.. Разработка световых модулей для вагонов метрополитена 81717714
 Скачать 1.14 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (СамГУПС) ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ И ПУТЕВЫЕ МАШИНЫ Кафедра «Электрический транспорт» 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника «Электрический транспорт» ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ на тему: Разработка световых модулей для вагонов метрополитена 81-717/714 Студент: Ермаков И.В. Руководитель: Шищенко Е.В. Допустить к защите Заведующий кафедрой, к.т.н., доцент Шепелин П.В. ______________ «____»______________20____ г. САМАРА 2021 МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (СамГУПС) ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ И ПУТЕВЫЕ МАШИНЫ Кафедра «Электрический транспорт» УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой ________________ П.В. Шепелин «___»________________20____г. ЗАДАНИЕ по выпускной квалификационной работе обучающегося Ермакова Ильи Владимировича Тема ВКР Разработка световых модулей для вагонов метрополитена утверждена приказом по университету от «23» марта 2021 г. № 329/4 Срок сдачи обучающимся законченной ВКР __03.06.2021______ Исходные данные к ВКР Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей; Схема освещения вагона метрополитена 81-717/714; Правила эксплуатации модулей освещения; Электрическое оборудование для освещения вагона метрополитена 81-717/714. Содержание выпускной квалификационной работы (дипломного проекта). Перечень подлежащих разработке разделов.1.АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ И ПАТЕНТНОЙ ИНФОРМАЦИИ. 2.МОДЕРНИЗАЦИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ОСВЕЩЕНИЯ. 3.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ УСТАНОВКИ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЯЩЕНИЯ 4.ОХРАНА ТРУДА. Перечень иллюстрационного и графического материала 1. Схемы люминесцентного освещения и пускорегулирующей аппаратуры; 2. Схема работы, расположения светодиодных модулей и эх преимущества; 3.Конструкция светодиодного модуля освящения; 4.Экономическая эффективность модернизации. Календарный план выполнения выпускной квалификационной работы (дипломного проекта)
7. Дата выдачи задания _27.03.2021_______ Руководитель ______________ Шищенко Е.В. РЕФЕРАТ Ермаков И.В. – Разработка световых модулей для вагонов метрополитена 81-717/714. Дипломный проект СамГУПС, 2021. Графическая часть – 4 л., ф. А1 Пояснительная записка 65 с., 20 рис., 7 табл., 25 библ. источников. ВАГОН МЕТРО, ОСВЕЩЕНИЕ, ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МОДУЛИ, СВЕТОДИОДНЫЕ МОДУЛИ, БЛОК ПИТАНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД, МОДЕРНИЗАЦИЯ, РАССЕИВАТЕЛЬ, СВЕТОВОЙ ПОТОК ЛАМПЫ, ОСВЕЩЁННОСТЬ, ОХРАНА ТРУДА. Объект разработки – модули основного освящения вагонов метрополитена 81-717/714 Цель дипломного проекта – повышение качества освещения в вагонах метрополитена, безопасности эксплуатации и экологических показателей. В дипломном проекте представлены результаты модернизации системы освещения в вагоне метрополитена 81-717/714, а также модернизация блока питания специальных нужды и расчёт освещённости. На этом основании утверждается, что выбранное оборудование соответствует требованиям освещённости. Результаты дипломного проекта показывают, что модернизация люминесцентных модулей освящения на светодиодные сократит затраты на электроэнергию и обслуживание, а так же приведет к повышению экономичности эксплуатации и дополнительному экологическому эффекту в виде уменьшения загрязнения окружающей среды отработанными продуктами старого оборудования. Проведена оценка экономической эффективности от внедрения проекта, по которой срок окупаемости замены модулей люминесцентного освящения на светодиодные составит 3 года. СОДЕРЖАНИЕ С. ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..6 1. АНАЛИЗ НАУЧНО- ТЕХНИЧЕСКОЙ И ПАТЕНТНОЙ …………………... ИНФОРМАЦИИ…………………………………………………………………..7 1.1. Освещение вагонов метрополитена 81-717/714……………………………7 1.2. Альтернативные варианты освещения вагонов 81-717/714……………..17 1.3. Анализ патентной документации………………………………………......23 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ОСВЯЩЕНИЯ …………...33 2.1. Модернизация системы освещения в вагоне 81-717/714………………...33 2.2. Модернизация рассеивателя……………………………………………......35 2.3. Модернизация блока питания специальных нужд (БПСН)………………38 2.4. Расчёт освещения для вагона метрополитена 81-717/714………………..40 3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ УСТАНОВКИ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ...................................................................45 3.1. Потребление электроэнергии на освещение в подвижном составе метрополитена до модернизации……………..………………………………...45 3.2. Этапы модернизации и затраты на её проведение………………………..46 3.3. Срок окупаемости модернизированной системы освящения……………47 4. ОХРАНА ТРУДА……………………………………………………………..49 4.1. Общие требования к охране труда…………………………………………49 4.2. Требования охраны труда перед началом работы………………………...53 4.3. Требования охраны труда во время работы……………………………….57 4.4. Требования охраны труда при ремонте электрооборудования………......58 4.5. Требования охраны труда в аварийной ситуации………………………...60 4.6. Требования охраны труда по окончании работы…………………………61 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………..62 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………63 ВВЕДЕНИЕ На данный момент в большинстве вагонов метрополитена основными источниками искусственного освещения являются люминесцентные лампы. Люминесцентная лампа является самым распространённым видам освещения, однако с появлением светодиодных лампы люминесцентные начинаю терять свою актуальность. Есть множество причин, по которым это происходит: наличие дополнительных приспособлений, низкий коэффициент мощности и др. Но главным минусом таких ламп является их химический состав. В люминесцентных лампа содержится ртуть в количестве от 2,3 мг до 1 г., поэтому к вопросу их эксплуатации и в особенности утилизации нужно подходить с большой ответственностью и профессионализмом. Особенно когда речь заходит об общественном транспорте с большим скоплением людей. Светодиодная лампа на данный момент является самым экологически чистым источником искусственного света, так как не содержит в себе ртути. Полная экологическая безопасность не только даёт преимущества в эксплуатации таких изделий над люминесцентными, но и позволяет сохранять окружающую среду по сути, не требуя специальных условий по их утилизации. Так же не маловажным фактором является экономичность светодиодных ламп. Светодиодные лампы очень низки в электропотреблении, но при этом имеют равномерное свечение, что соответствует нормам СанПиН. Поэтому в вагонах метрополитена необходимо проводить модернизацию освещения, что подразумевает полный переход на светодиодное освещение. Задачей модернизации является обеспечение с наименьшими затратами требуемой освещенности и необходимого качества освещения вагонов метрополитена с целью создания нормальных условий для пассажиров. 1. АНАЛИЗ НАУЧНО ТЕХНИЧЕСКОЙ И ПОТЕНТНОЙ ИНФОРМАЦИИ 1.1. Освещение вагонов метрополитена 81-717/714 Основное освещение вагонов метрополитена осуществляется с помощью люминесцентных ламп [1]. Пример люминесцентного освещения вагона метрополитена 81-717/714 представлен на рис.1.1.  Рис.1.1. Пример люминесцентного освещения вагона метрополитена 81-717/714 Люминесцентная лампа – газоразрядный источник света, в котором электрический разряд в парах ртути генерирует ультрафиолетовое излучение, которое переизлучается в видимый свет с помощью люминофора (например, смеси галофосфата кальция с другими элементами). Лампа заполнена смесью инертного газа и паров ртути. Проходящий через газообразное рабочее тело лампы электрический ток возбуждает ультрафиолетовое излучение, преобразуемое в видимый свет посредством люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты люминофором, который переизлучает поглощаемое ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Сема люминесцентной лампы приведена на рис.1.2.  Рис.1.2. Схема люминесцентной лампы Колба изделий содержит пары ртути или амальгаму – соединения ртути с другими металлами. В ней же находятся инертные газы, в состав которых могут входить гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Изнутри на сосуд нанесено специальное напыление из кристаллического порошка - смеси галофосфатов кальция с ортофосфатами цинка-кальция. Это вещество получило название люминофор. При подаче электричества в лампе формируется дуговой разряд, и химические элементы начинают взаимодействовать. Создается излучение, которое не воспринимается глазом человека. Люминофор в зависимости от своего состава превращает его в световой поток определенного оттенка. Таким образом, вы можете выбрать комфортный для глаз свет: холодный белый, теплый белый или нейтральный Линейные лампы имеют форму прямой трубки, поэтому их еще называют трубчатыми. Колбы выпускаются строго заданного диаметра. Каждый вариант имеет свою маркировку в виде буквы Т с цифрой, обозначающей размер трубки в дюймах по международному стандарту мер длины. В России принято определять диаметр трубок люминесцентных ламп в миллиметрах. Эта величина показывает, к светильникам какого размера подойдет та или иная модель. Чем больше размеры лампы, тем выше ее мощность и насыщенность светового потока и, соответственно, тем интенсивнее излучаемый свет. Линейные лампы светят тем ярче, чем длиннее трубка их колбы. А компактные чем больше изогнутых трубок соединены вместе в одном цоколе. Длины колб и мощности линейных ламп приведены в табл.1.1. Таблица 1.1 Длины колб и мощности линейных ламп
Чем меньше размер колбы, тем меньше лампа потребляет электроэнергии, тем она экономичнее для потребителя. Компактные люминесцентные лампы наиболее экономичный вариант: они потребляют впятеро меньше энергии, чем обычные лампы накаливания, и даже вдвое меньше, чем галогенные, также широко применяемые для точечной подсветки. Световой поток определяет количество света: чем выше значение, тем ярче светит лампа. Этот параметр напрямую связан и с мощностью люминесцентной лампы: чем она выше, тем насыщеннее будет свет. Значения мощности и интенсивности света люминесцентных ламп, приведены в табл. 1.2. Таблица 1.2 Значения мощности и интенсивности света
Свет лампы зависит и от давления газов в колбе. Различают лампы низкого и высокого давления. В первых химическая реакция протекает медленно, поэтому источники излучают равномерный, мягкий свет и применяются в жилых, административных помещениях, так как создают комфортное, оптимальное для глаз человека освещение. В лампах высокого давления взаимодействие веществ протекает интенсивно, поэтому изделия дают яркий, насыщенный свет и используются для освещения заводских цехов и улиц. Цветовая температура – характеристика хода интенсивности излучения источника света как функции длины волны в оптическом диапазоне. Она показывает оттенок света, который зависит от состава люминофора. Модель люминесцентной лампы выбирают с комфортным для глаз светом: от 2700 до 3500 К° – теплый свет с желтым оттенком; от 4000 до 4200 К° – нейтральный, естественный; от 4500 до 6500 К° – холодный. К недостаткам люминесцентных ламп относят: зависимость люминесцентных ламп от условий сети и количества запусков; перепады напряжения и частые включения приводят к разрушению электродов; зависимость работы от температуры; эксплуатация и обслуживание люминесцентной лампы гораздо сложнее, т.к. для подключения схема с пускорегулирующей аппаратурой. На вагонах метрополитена 81-717/714 для освещения салона вагона применяются люминесцентные светильники типа ЛПВ-02 или ЛВВ-01 с двумя трубчатыми люминесцентными лампами типа ЛБ 40 мощностью 40 Вт каждый. Оба типа светильников состоят из сварного корпуса изготовленного из листовой стали, рассеивателя, который удерживается на корпусе с помощью петель и двух замков. Внутри корпуса установлен пускорегулирующая аппаратура соответствующего типа и две люминесцентные лампы, крепящиеся в ламподержателях. Для подключения монтажных и заземляющих проводов предусмотрены клеммная колодка и винт заземления. Принципиальная электрическая схема люминесцентного светильника типа ЛПВ-02 приведена на рис.1.3 [2].  Рис.1.3. Принципиальная электрическая схема люминесцентного светильника типа ЛПВ-02 Принципиальная электрическая схема светильника ЛВВ-01 представлена на рис.1.4 [2].  Рис.1.4. Принципиальная электрическая схема светильника ЛВВ-01 В головном вагоне метрополитена 81-717 установлено 12 светильников, а в вагонах метрополитена 81-714 установлено по 13 светильников. Люминесцентное освещение включают тумблером ВОС на пульте управления в кабине машиниста, показанном на рис. 1.5 [7].  Рис.1.5. Тумблер ВОС на пульте управления вагона метрополитена 81-717 Аварийное освещение включается после того как оно получило питание от аккумуляторных батарей (АКБ). В качестве аварийного освещения используются 4 люминесцентные лампы. На вагонах оборудованных блоком питания специальных нужд (БПСН) без вторичного преобразователя, либо блоком БПН-115 применяются люминесцентные светильники со встроенным преобразователем напряжения для преобразования напряжения постоянного тока 80В в напряжение переменного тока 220В. [2]  Рис.1.6. Схема работы БПСН вагона метрополитена 81-717/714 Лампы подключаются к электрической сети с помощью дополнительных приспособлений, которые могут быть встроены в цоколь или выполнены отдельно. Для зажигания люминесцентных ламп нужен большой электрический импульс. При включении люминесцентных ламп ток стремительно возрастает, и его надо ограничить. Для этого используются дроссели и электронные балласты, благодаря чему работа лампы протекает стабильно, равномерно увеличивая ее световой поток, отсутствуют мерцания и шума. Как устроены и работают электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА) для люминесцентных ламп. Для розжига люминесцентных ламп необходимо создать импульс высокого напряжения, а перед этим прогреть их спирали. Для этого используют пускорегулирующие аппараты(ЭПРА). Они бывают двух типов: 1. электромагнитные; 2. электронные. Электромагнитный пускорегулирующий аппарат (ЭмПРА) состоит из дросселя и стартера. Схема (ЭПРА) приведена на рис.1.7.  Рис.1.7. Элементы схемы ЭмПРА: 1 – зажимы сетевого напряжения; 2 – дроссель; 3, 5 – катоды лампы, 4 – трубка, 6, 7 – электроды стартера, 8 – стартер Дроссель – это прибор, уменьшающий напряжение. Люминесцентная лампа без дросселя работать не будет. Это своеобразный гаситель или ограничитель напряжения, которое подается на электроды люминесцентной лампы. Дроссель выполняет следующие функции: 1) ограничивает ток при замыкании электродов стартера; 2) генерирует импульс напряжения для пробоя лампы за счет э. д. с. самоиндукции в момент размыкания электродов стартера; 3) стабилизирует горение дугового разряда после зажигания. Основная, функция дросселя – это осуществления сдвига фазы переменного тока в момент перехода через ноль. За счет этого поддерживается тлеющий разряд в колбе газоразрядной лампы. Для ограничения тока, проходящего через электроды лампы выбран дроссель, так как он имеет реактивное сопротивление. Кроме того, любая катушка индуктивности может накапливать энергию. Для зажигания тлеющего разряда необходим импульс электрического тока, это тоже обеспечивается дросселем. При подаче питания на схему происходит следующее: - ток согласно схеме проходит через катушку, электроды лампы и стартер «он сравнительно не велик, не более 50 мА.»; - в колбе стартера происходит ионизация газа, температура растет; - биметаллические контакты замыкаются, сила тока возрастает до 600 мА, а дальнейший ток ограничивается дросселем; - этого тока вполне достаточно для разогрева электродов лампы EL; - в лампе EL1 начинает протекать тлеющий разряд, образуется ультрафиолетовое излучение; - люминофорное покрытие под действием образовавшегося ультрафиолета начинает испускать свет с видимой длиной волны. Стартер представляет собой пусковое устройство. Без него срок службы таких источников света значительно сократится. Также этот элемент при подаче тока первым начинает работу, так как он замыкает и размыкание цепи, а также обеспечивает нагрев катода лампы. Стартеры для включения люминесцентных ламп в сеть выпускаются на напряжение 110 и 220 В. На вагонах метрополитена 81-717/714 для включения люминесцентных ламп используются стартеры на 220 В. Стартер состоит стеклянного баллона, наполненного инертным газом. В баллон впаяны металлический неподвижный и биметаллический электроды, имеющие выводы, проходящие через цоколи. Баллон заключен в металлический или пластмассовый корпус с отверстием в верхней части. Схема устройства и работы стартера показана на рис.1.8.   Рис.1.8. Схемы устройства и работы стартера: а – схема устройства: 1 – выводы, 2 – металлический подвижный электрод, 3 – стеклянный баллон, 4 – биметаллический электрод, 6 – цоколь, б – импульсы при работе стартера Под воздействием тока электроды стартера разогреваются и замыкаются. После замыкания по цепи течет ток, превышающий в 1,5 раза номинальный ток лампы. Величина этого тока ограничена в основном сопротивлением дросселя, так как электроды стартера замкнуты, а электроды ламп имеют незначительное сопротивление. За 1 - 2 с электроды лампы разогреваются до 800 - 900 °С, вследствие этого увеличивается электронная эмиссия и облегчается пробой газового промежутка. Электроды стартера остывают, так как разряда в нем нет. При остывании стартера электроды возвращаются в исходное состояние и разрывают цепь. В момент разрыва цепи стартером возникает э. д. с. самоиндукции в дросселе, величина которой пропорциональна индуктивности дросселя и скорости изменения тока в момент разрыва цепи. Образовавшееся за счет э. д. с. самоиндукции повышенное напряжение (700 - 1000 В) импульсом прикладывается к лампе, подготовленной к зажиганию (электроды разогреты). Происходит пробой, и лампа начинает светиться. К стартеру, который включен параллельно лампе, прикладывается приблизительно половина напряжения сети. Этой величины недостаточно для пробоя неоновой лампочки, поэтому она больше не зажигается. Весь период зажигания длится меньше 10 с. Преимуществом стартера является его простота и малая стоимость, а недостатками: низкий КПД, пульсации светового потока, помехи в электросети при его работе, низкий коэффициент мощности, гудение, стробоскопический эффект. Электронные (ЭПРА) – современный источник питания для люминесцентных ламп, он представляет собой плату, на которой расположен высокочастотный преобразователь. Электронный пускорегулирующий аппарат лишен всех перечисленных выше недостатков, благодаря чему лампы выдают больший световой поток и увеличенный срок службы. Типовой электронный балласт состоит из следующих узлов: - Диодный мост. - Высокочастотный генератор выполненный на ШИМ-контроллере (в дорогих моделях) или на авто генераторный схеме с полумостовым (чаще всего) преобразователем. - Пусковой пороговый элемент (обычно динистор DB3 с пороговым напряжением 30В). - Разжигающей силовой LC-цепи. Схема работы электромагнитного пускорегулирующего аппарата показана на рис.1.9 [5].  Рис.1.9. Схема работы электромагнитного пускорегулирующего аппарата Электронный балласт значительно улучшает процесс розжига ламп и работает без пульсаций и шума. Его схема не очень сложна и на её базе можно построить маломощный блок питания. 1.2. Альтернативные варианты освещения вагонов метрополитена 81-717/714 |