vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"10.21780/2223-9731-2023-82-3-212-223https://elibrary.ru/yrfuyavestnikvniizht-720Research ArticleТехнические средства железнодорожного транспортаTECHNICAL MEANS OF RAILWAY TRANSPORTУточненная компьютерная модель электромагнитных процессов вспомогательного асинхронного двигателя с автономным инвертором напряжения для электровозаAdjusted computer model of electromagnetic processes of an auxiliary asynchronous motor with an autonomous voltage inverter for an electric locomotivehttps://orcid.org/0000-0001-7900-4407ПустоветовМ. Ю.PustovetovM. Yu.

Пустоветов Михаил Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, инженер-конструктор по электрической части.

344019, Ростов-на-Дону, ул. 13-я линия, д. 93

Author ID: 416793

Mikhail Yu. Pustovetov - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Electrical Design Engineer, RIF Shipyard.

344019, Rostov-on-Don, 93, 13th Line St.

Author ID: 416793

mgsn2006@yandex.ruСудостроительно-судоремонтный завод «РИФ»РоссияRIF ShipyardRussian Federation202329092023823212223Copyright © Пустоветов М.Ю., 20232023Пустоветов М.Ю.Pustovetov M.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/720Введение

Введение. Рассмотрена задача повышения точности компьютерного моделирования электромагнитных процессов вспомогательного асинхронного двигателя электровоза при частотном регулировании от автономного инвертора напряжения. Уточнен расчет мгновенных значений фазного тока двигателя. Обосновано предложение уточняющих изменений в компьютерной модели трехфазного асинхронного двигателя, позволяющих учесть влияние скин-эффекта в обмотках статора и ротора, а также насыщения магнитной цепи от потоков рассеяния на величины индуктивностей рассеяния фаз и через них — на величины мгновенных значений фазных токов. Актуальность предложенной модели связана с необходимостью повышения надежности вспомогательного электропривода электровоза за счет корректного выбора полупроводниковых ключей инвертора электродвигателя.

Материалы и методы

Материалы и методы. В качестве метода исследования выбрано компьютерное моделирование с применением системы автоматизированного проектирования OrCAD, при этом в исходных данных размещены экспериментальные мгновенные значения фазных напряжений вспомогательного асинхронного двигателя.

Результаты

Результаты. Представлены и сопоставлены с экспериментальными данными результаты уточненного компьютерного моделирования мгновенных значений переменных для установившегося режима работы двигателя.

Обсуждение и заключение

Обсуждение и заключение. На основании сравнения экспериментальных и расчетных данных (тока фазы, вращающего момента, частоты вращения вспомогательного асинхронного двигателя электровоза) сделан вывод о целесообразности применения уточненной компьютерной модели для снижения погрешностей расчета электромагнитных процессов электродвигателя. Уточненная компьютерная модель повышает точность расчета мгновенных значений фазных токов двигателя. Выполнены расчеты для установившегося режима работы асинхронного двигателя типа АЖВ250М2РУХЛ2. Показано, что наибольшее влияние на индуктивность рассеяния обмотки статора оказывает скин-эффект.

Introduction

Introduction. The author examines the problem of improving the accuracy of computer simulation of electromagnetic processes of an auxiliary asynchronous motor of an electric locomotive with the frequency adjusted by an autonomous voltage inverter. The calculations of instantaneous motor phase currents were improved. The research justified the proposed adjustments to the computer model of a three-phase asynchronous motor to consider the skin effect in the stator and rotor windings, and the effect of the magnetic circuit saturation from leakage fluxes on the leakage inductance of the phases and, thereby, on the instantaneous phase currents. The model is necessary to enhance the reliability of the auxiliary electric drive of an electric locomotive through the correct selection of semiconductor switches for the electric motor inverter. Materials and methods. The researcher chose computer simulation using OrCAD as our research method, and the input data include experimental instantaneous phase voltages of the auxiliary asynchronous motor.

Results

Results. The article presents the results of adjusted computer simulations of instantaneous variables for steady-state engine operation and compares them with experimental data.

Discussion and conclusion. The author compared the experimental and calculated data (phase current, torque, rotation speed of the auxiliary asynchronous motor of an electric locomotive) and substantiated the adjusted computer model to reduce errors in the calculation of electromagnetic processes of the electric motor. The adjusted computer model improves the accuracy of calculating the instantaneous phase currents of the motor. The calculations were performed for the steady-state operation of an asynchronous motor of the AZhV250M2RUHL2 type. The results show that the skin effect has the greatest influence on the leakage inductance of the stator winding.

электровоз переменного токавспомогательный асинхронный двигательчастотно-регулируемый электроприводиндуктивность рассеянияток фазынасыщение магнитной цепискин-эффекткомпьютерное моделированиеAC electric locomotiveauxiliary asynchronous motorvariable frequency electric driveleakage inductancephase currentmagnetic circuit saturationskin effectcomputer simulationАвтор выражает благодарность рецензентам за полезные замечания и советы, способствовавшие улучшению статьи.The author expresses his gratitude to the reviewers for their constructive comments, improving the quality of the article.ReferencesКопылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2001. 327 с.Kopylov I. P. Mathematical simulation of electrical machines. 3rd ed., revision and additions. Moscow: Vysshaya Shkola; 2001. 327 p. (In Russ.).Тяговые электродвигатели электровозов / В. И. Бочаров [и др.]; под ред. В. Г. Щербакова. Новочеркасск: Агентство Наутилус, 1998. 672 с.Bocharov V. I., Zaharov V. I., Kolomeytsev L. F., et al. Electric tractive motors of electric locomotives. Novocherkassk: Agentstvo Nautilus; 1998. 672 p. (In Russ.).Хоменко Б.И., Колпахчьян Г.И., Пехотский И.В. Вспомогательные транзисторные преобразователи для перспективного ЭПС // Электровозостроение. 2003. Т. 45. С. 184-191Khomenko B. I., Kolpakhch'yan G. I., Pekhotskiy I. V. Auxiliary transistor converters for advanced electric rolling stock. Elektrovozostroenie. 2003;45:184-191. (In Russ.).Патент № 2332777 Российская Федерация, МПК H02M 9/04. Локомотивный преобразователь собственных нужд: № 2007111426/09: заявл. 28.03.2007: опубл. 27.08.2008 / Солтус К. П., Синявский И. В., Турулев В. М. 6 c.Soltus K. P., Sinyavskiy I. V., Turulev V. M. Patent No. 2332777 Russian Federation, MPK H02M 9/04. Locomotive converter of auxiliaries: No: 2007111426/09: appl. 28.03.2007: publ. 27.08.2008. 6 p. (In Russ.).Тишкин А. А., Курганов А. А. Разработка преобразователя частоты для питания асинхронных электродвигателей вспомогательных машин электровозов переменного тока // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: материалы XIII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием в рамках IV Всерос. светотехн. форума с междунар. участием, Саранск, 15-16 марта 2017 г. / отв. ред. О. Е. Железникова. Саранск: Афанасьев В. С., 2017. С. 593-597Tishkin A. A., Kurganov A. A. Development of a frequency converter for powering asynchronous electric motors of auxiliary machines of AC electric locomotives. In: Zheleznikova O. E., ed. Problems and prospects for the development of domestic lighting and electrical engineering and energy: Proceedings of the XIII All-Russian Scientific and Technical Conference with International Participation in IV All-Russian Lighting Engineering Forum with International Participation, 15—16March 2017, Saransk. Saransk: V. S. Afanasev; 2017. p. 593-597 (In Russ.)]Преобразователь для регулируемого вспомогательного электропривода электровоза переменного тока ЭП200 / И. В. Пехотский [и др.] // Электровозостроение. 2002. Т. 44. С. 249-256Pekhotskiy I. V., Kolpakhch'yan G. I., Kurochka A. N., Zhukov M. V. Converter for a variable auxiliary electric drive of an AC electric locomotive EP200. Elektrovozostroenie. 2002;44:249-256. (In Russ.).Пустоветов М. Ю. Моделирование двухконтурной системы подчиненного регулирования координат активного корректора коэффициента мощности вспомогательного электропривода электровоза // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2022. Т. 81, № 2. С. 125-133 https://doi.org/10.21780/2223-9731-2022-81-2-125-133.Pustovetov M. Yu. Simulation of a double-circuit subordinated coordinate regulation system of the active power factor corrector for the electric locomotive auxiliary electric drive. Russian Railway Science Journal. 2022;81(2):125-133. (In Russ.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2022-81-2-125-133.Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006. 264 с. EDN: https://elibrary.ru/qmjaex.Sokolovskiy G. G. Alternating current electric drives with frequency control. Moscow: Academy; 2006. 264 p. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/qmjaex.Пустоветов М. Ю., Солтус К. П., Синявский И. В. Компьютерное моделирование асинхронных двигателей и трансформаторов. Примеры взаимодействия с силовыми электронными преобразователями. Саарбрюккен: LAP LAMBERT, 2013. 209 c. EDN: https://elibrary.ru/rndddp.Pustovetov M. Yu., Soltus K. P., Sinyavskiy I. V. Computer modelling of induction motors and transformators. Examples of interaction with power electronic converters. Saarbrucken: LAP LAMBERT; 2013. 209 p. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/rndddp.Pustovetov M. Induction Electrical Machine Simulation at Three-Phase Stator Reference Frame: Approach and Results. In: Applied Electromechanical Devices and Machines for Electric Mobility Solutions. London: IntechOpen; 2020. p. 63-78. https://doi.org/10.5772/intechopen.88906.Pustovetov M. Induction Electrical Machine Simulation at Three-Phase Stator Reference Frame: Approach and Results. In: Applied Electromechanical Devices and Machines for Electric Mobility Solutions. London: IntechOpen; 2020. p. 63-78. https://doi.org/10.5772/intechopen.88906.Моделирование процессов в асинхронном двигателе с регулируемым выходным напряжением инвертора / И. В. Пехотский [и др.] // Электровозостроение. 2002. Т. 44. С. 184-193Pekhotskiy I. V., Pustovetov M. Yu., Kolpakhch'yan P. G., Pustovetova S. Yu. Simulating processes in an asynchronous motor with a variable output voltage of the inverter. Elektrovozostroenie. 2002;44:184-193. In Russ.).Sher H.A., Addoweesh K. E., Khalid Z., Khan Y. Theoretical and experimental analysis of inverter fed induction motor system under DC link capacitor Failure. Journal of King Saud University — Engineering Sciences. 2017;29(2):103-111. http://doi.org/10.1016/j.jksues.2015.06.001.Sher H.A., Addoweesh K. E., Khalid Z., Khan Y. Theoretical and experimental analysis of inverter fed induction motor system under DC link capacitor Failure. Journal of King Saud University — Engineering Sciences. 2017;29(2):103-111. http://doi.org/10.1016/j.jksues.2015.06.001.Sudharshana K. R., Ramachandran A., Muralidhara V., Srinivasan R. Simulation and Experimental Validation of Common Mode Voltage in Induction Motor driven by Inverter using Arduino Microcontroller. In: Lecture Notes in Engineering and Computer Science: Procee dings of The World Congress on Engineering, WCE 2017, 5—7 July 2017, London, U.K. [S. l.]; 2017. p. 295-300.Sudharshana K. R., Ramachandran A., Muralidhara V., Srinivasan R. Simulation and Experimental Validation of Common Mode Voltage in Induction Motor driven by Inverter using Arduino Microcontroller. In: Lecture Notes in Engineering and Computer Science: Procee dings of The World Congress on Engineering, WCE 2017, 5—7 July 2017, London, U.K. [S. l.]; 2017. p. 295-300.Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю. А. Бахвалов [и др]; под ред. А.А. Зарифьяна. М.: Маршрут, 2006. 374 с.Bakhvalov Yu.A., Buzalo G. A., Zarif'yan A. A., et al. Dynamic processes in the asynchronous power actuator of mainline electric locomotives. Moscow: Marshrut; 2006. 374 p. (In Russ.)Талья И. И., Таргонский И. Л., Лозановский А. Л. Расчет характеристик асинхронного электродвигателя при несинусоидальном напряжении // Электровозостроение. 1994. Т. 34. С. 66-76Tal'ya I. I., Targonskiy I. L., Lozanovskiy A. L. Calculation of the characteristics of an asynchronous electric motor at non-sinusoidal voltage. Elektrovozostroenie. 1994;34:66-76. (In Russ.).Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя при несинусоидальном напряжении / И.И. Талья [и др.] // Электровозостроение. 1995. Т. 35. С. 106-115Tal'ya I. I., Morozova O. I., Lozanovskiy A. L., Targonskiy I. L Electromagnetic moment of an asynchronous electric motor at non-sinusoidal voltage. Elektrovozostroenie. 1995;35:106-115. (In Russ.).Талья И. И., Пустоветов М. Ю. О пульсации электромагнитного момента асинхронного тягового двигателя в пусковом режиме // Известия вузов. Сер. Электромеханика. 1998. №4. С. 34-37Tal'ya I. I., Pustovetov M. Yu. Pulsation of the electromagnetic torque of an asynchronous tractive motor in starting mode. Bulletin of Higher Educational Institutions. Electromechanics. 1998;(4):34-37. (In Russ.).Ламмеранер И., Штафль М. Вихревые токи. М.-Л.: Энергия, 1967. 207 с.Lammeraner J., Shtafl M. Whirling current. Moscow, Leningrad: Energia; 1967. 207 p. (In Russ.).Кеоун Дж. Электронное моделирование в OrCAD / Пер. с англ. В. С. Иванова. М.: ДМК Пресс, 2010. 628 с.Keown J. OrCAD PSpice and Circuit Analysis. Moscow: DMK Press; 2010. 628 p. (In Russ.).Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. М.: Солон-Р, 2001. 519 с.Razevig V. D. OrCAD design system 9.2. Moscow: Solon-R; 2001. 519 p. (In Russ.).Goolak S., Tkachenko V., St'astniak P., Sapronova S., Liubarskyi B. Analysis of Control Methods for the Traction Drive of an Alternating Current Electric Locomotive. Symmetry. 2022;14(1):150. https://doi.org/10.3390/sym14010150.Goolak S., Tkachenko V., St'astniak P., Sapronova S., Liubarskyi B. Analysis of Control Methods for the Traction Drive of an Alternating Current Electric Locomotive. Symmetry. 2022;14(1):150. https://doi.org/10.3390/sym14010150.Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2012. 288 с. EDN: https://elibrary.ru/razcgt.Chernykh I. V. Simulation of electrical devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink. Moscow: DMK Press; St. Petersburg: Piter; 2008. 288 p. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/razcgt.Сипайлов Г. А., Лоос А. В. Математическое моделирование электрических машин (АВМ): учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1980. 176 с.Sipaylov G. A., Loos A. V. Mathematical simulation of electrical machines (ABM): textbook for university students. Moscow: Vysshaya Shkola; 1980. 176 p. (In Russ.).Pustovetov M. An Inductive Coil Simulation. International Journal of Power Systems. 2021;6:90-93.Pustovetov M. An Inductive Coil Simulation. International Journal of Power Systems. 2021;6:90-93.Пустоветов М. Модификация компьютерной модели 3-фазного асинхронного двигателя для обеспечения учета магнитного насыщения потоками рассеяния // Международная научно-практическая конференция «Наука. Образование. Культура»: 32-я годовщина Комратского гос. ун-та: сб. ст. Комрат, Молдова: A&V Poligraf, 2023. Т. 1. С. 496-499Pustovetov M. Modification of a computer model of a 3-phase asynchronous motor to take into account magnetic saturation by leakage fluxes. In: International Scientific and Practical Conference “Science. Education. Culture”: 32nd Anniv. of the Comrat State University: Coll. of articles. Vol. 1. Comrat, Moldova: A&V Poligraf; 2023. p. 496-499. (In Russ.).Zirka S. E., Moroz Yu. I., Arturi C. M. Accounting for the Influence of the Tank Walls in the Zero-Sequence Topological Model of a Three-Phase, Three-Limb Transformer. IEEE Transactions on Power Delivery. 2014;29(5):2172-2179. https://doi.org/10.1109/TP-WRD.2014.2307117.Zirka S. E., Moroz Yu. I., Arturi C. M. Accounting for the Influence of the Tank Walls in the Zero-Sequence Topological Model of a Three-Phase, Three-Limb Transformer. IEEE Transactions on Power Delivery. 2014;29(5):2172-2179. https://doi.org/10.1109/TP-WRD.2014.2307117.Wilson P. R., Wilcock R. Frequency Dependent Model of Leakage Inductance for Magnetic Components. Advanced Electromagnetics. 2012;1(3):99-106. https://doi.org/10.7716/aem.v1i3.70.Wilson P. R., Wilcock R. Frequency Dependent Model of Leakage Inductance for Magnetic Components. Advanced Electromagnetics. 2012;1(3):99-106. https://doi.org/10.7716/aem.v1i3.70.Maddi Z., Aouzellag D. Dynamic Modelling of Induction Motor Squirrel Cage for Different Shapes of Rotor Deep Bars with Estimation of the Skin Effect. Progress in Electromagnetics Research. 2017;59:147-160. http://doi.org/10.2528/PIERM17060508.Maddi Z., Aouzellag D. Dynamic Modelling of Induction Motor Squirrel Cage for Different Shapes of Rotor Deep Bars with Estimation of the Skin Effect. Progress in Electromagnetics Research. 2017;59:147-160. http://doi.org/10.2528/PIERM17060508.Maksimkina J. The Research of the Processes of the Squirrelcage Induction Motor's Direct Start-up in the Setting of the Rotor's Variable Parameters. Power and Electrical Engineering. 2012;30:53-58.Maksimkina J. The Research of the Processes of the Squirrelcage Induction Motor's Direct Start-up in the Setting of the Rotor's Variable Parameters. Power and Electrical Engineering. 2012;30:53-58.Казаков Ю. Б., Швецов Н. К. Расчетный анализ потерь в стали асинхронных двигателей при питании от преобразователей частоты с несинусоидальным выходным напряжением // Вестник Ивановского государственного энергетического университета (Вестник ИГЭУ). 2015. № 5. С. 42-46 https://doi.org/10.17588/2072-2672.2015.5.042-046.Kazakov Yu. B., Shvetsov N. K. Calculating analysis of steel losses in induction motors fed by frequency converters with non-sinusoidal output voltage. Vestnik IGEU. 2015;(5):42-46. (In Russ.). https://doi.org/10.17588/2072-2672.2015.5.042-046.Pfützner H., Shilyashki G., Huber E. Calculated versus measured iron losses and instantaneous magnetization power functions of electrical steel. Electrical Engineering. 2022;104:2449-2455. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01474-4.Pfützner H., Shilyashki G., Huber E. Calculated versus measured iron losses and instantaneous magnetization power functions of electrical steel. Electrical Engineering. 2022;104:2449-2455. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01474-4.Rens J., Vandenbossche L., Dorez O. Iron Loss Modelling of Electrical Traction Motors for Improved Prediction of Higher Harmonic Losses. World Electric Vehicle Journal. 2020;11(1):24. https://doi.org/10.3390/wevj11010024.Rens J., Vandenbossche L., Dorez O. Iron Loss Modelling of Electrical Traction Motors for Improved Prediction of Higher Harmonic Losses. World Electric Vehicle Journal. 2020;11(1):24. https://doi.org/10.3390/wevj11010024.Torrent M., Andrada P., Blanqué B., Martinez E., Perat J. I., Sanchez J. A. Method for Estimating Core Losses in Switched Reluctance Motors. European Transactions on Electrical Power. 2011;21(1):757-771. https://doi.org/10.1002/etep.475.Torrent M., Andrada P., Blanqué B., Martinez E., Perat J. I., Sanchez J. A. Method for Estimating Core Losses in Switched Reluctance Motors. European Transactions on Electrical Power. 2011;21(1):757-771. https://doi.org/10.1002/etep.475.Novotny D. W., Nasar S. A., Jeftenic B., Maly D. Frequency Dependence of Time Harmonic Losses in Induction Machines. In: Novotny D.W., Nasar S.A., eds. High frequency losses in induction motors. Part II: final report. Cleveland, OH, USA: NASA Lewis Res. Center; 1991. p. 124-129. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19910015251/downloads/19910015251.pdf (accessed: 15.04.2023).Novotny D. W., Nasar S. A., Jeftenic B., Maly D. Frequency Dependence of Time Harmonic Losses in Induction Machines. In: Novotny D.W., Nasar S.A., eds. High frequency losses in induction motors. Part II: final report. Cleveland, OH, USA: NASA Lewis Res. Center; 1991. p. 124-129. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19910015251/downloads/19910015251.pdf (accessed: 15.04.2023).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.