Уточненная компьютерная модель электромагнитных процессов вспомогательного асинхронного двигателя с автономным инвертором напряжения для электровоза

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

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.

1. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2001. 327 с.

2. Тяговые электродвигатели электровозов / В. И. Бочаров [и др.]; под ред. В. Г. Щербакова. Новочеркасск: Агентство Наутилус, 1998. 672 с.

3. Хоменко Б.И., Колпахчьян Г.И., Пехотский И.В. Вспомогательные транзисторные преобразователи для перспективного ЭПС // Электровозостроение. 2003. Т. 45. С. 184-191

4. 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.

5. 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. 593-597

6. Преобразователь для регулируемого вспомогательного электропривода электровоза переменного тока ЭП200 / И. В. Пехотский [и др.] // Электровозостроение. 2002. Т. 44. С. 249-256

7. 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.

8. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006. 264 с. EDN: https://elibrary.ru/qmjaex.

9. 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.

10. 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.

11. Моделирование процессов в асинхронном двигателе с регулируемым выходным напряжением инвертора / И. В. Пехотский [и др.] // Электровозостроение. 2002. Т. 44. С. 184-193

12. 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.

13. 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.

14. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю. А. Бахвалов [и др]; под ред. А.А. Зарифьяна. М.: Маршрут, 2006. 374 с.

15. Талья И. И., Таргонский И. Л., Лозановский А. Л. Расчет характеристик асинхронного электродвигателя при несинусоидальном напряжении // Электровозостроение. 1994. Т. 34. С. 66-76

16. Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя при несинусоидальном напряжении / И.И. Талья [и др.] // Электровозостроение. 1995. Т. 35. С. 106-115

17. Талья И. И., Пустоветов М. Ю. О пульсации электромагнитного момента асинхронного тягового двигателя в пусковом режиме // Известия вузов. Сер. Электромеханика. 1998. №4. С. 34-37

18. Ламмеранер И., Штафль М. Вихревые токи. М.-Л.: Энергия, 1967. 207 с.

19. Кеоун Дж. Электронное моделирование в OrCAD / Пер. с англ. В. С. Иванова. М.: ДМК Пресс, 2010. 628 с.

20. Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. М.: Солон-Р, 2001. 519 с.

21. 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.

22. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2012. 288 с. EDN: https://elibrary.ru/razcgt.

23. Сипайлов Г. А., Лоос А. В. Математическое моделирование электрических машин (АВМ): учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1980. 176 с.

24. Pustovetov M. An Inductive Coil Simulation. International Journal of Power Systems. 2021;6:90-93.

25. 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. 496-499

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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).