Компьютерное моделирование режима холостого хода электромеханического расщепителя фаз на базе трехфазного асинхронного электродвигателя

Электромеханические расщепители фаз (РФ), термин согласно ГОСТ 2582–2013. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия (М.: Стандартинформ, 2014. 56 с.), используются на электропоездах и электровозах переменного тока для преобразования однофазного напряжения в трёхфазное, предназначенное для питания асинхронных двигателей (АД) вспомогательного электропривода (ЭП), т. е. вентиляторов, компрессоров. Схемы вспомогательного ЭП с РФ и описания их работы приведены в [1 — 3]. На рис. 1 показана принципиальная схема включения вращающегося РФ (и — рабочая и пусковая емкости соответственно.

РФ представляют собой АД с симметричной или несимметричной обмоткой статора, без нагрузки (или с небольшой нагрузкой) на валу [4]. РФ можно рассматривать как совмещённый однофазный АД и трёхфазный синхронный генератор [5].

На современных отечественных грузовых электровозах переменного тока семейства «Ермак» (Э5К, 2ЭС5К, 3ЭС5К) в качестве РФ используют АД типа НВА-55 (характеристики АД указаны в [6 — 8]). Такие же АД используются для привода вентиляторов и компрессоров. В современном мире математическое моделирование устройств и систем электротехники и электромеханики с помощью компьютеров стало мощным инструментом изучения процессов и явлений в них [9, 10]. Проведем компьютерное моделирование пуска РФ без подключения электрических нагрузок для проверки наличия эффекта фазорасщепления. Используем наработки по составлению модели вспомогательного асинхронного ЭП [11], описанные в [12, 13], и достижения в области математического моделирования трехфазных АД и трансформаторов [14 — 16]. Зададим мкФ и мкФ. Момент механических потерь на валу (момент нагрузки) примем 28 Н^.м при частоте вращения 1500 об/мин.

Результаты моделирования пуска РФ показаны на рис. 2 и 3, где графики обозначены: 1, 2, 3 — графики линейных напряжений между фазами A-B, B-C, C-A; 4 — частота вращения ротора РФ. Пусковая емкость отключается при достижении действующим значением напряжения между одним из проводов однофазной питающей сети и проводом фазы обмотки статора РФ, не подключенным к однофазной питающей сети (см. рис. 1), величины 300 В, что означает окончание разгона ротора РФ и окончание формирования трехфазной системы напряжений (график сигнала 5 на рис. 2 (сигнал выпрямлен и отфильтрован посредством ФНЧ [12])).

Рис. 2. — Результаты моделирования пуска РФ

Результаты фазорасщепления в установившемся режиме (средняя частота вращения ротора РФ 1500 об/мин) даны на рис. 3 (графики 6 — 8 — токи фаз A, B, C). Численные результаты для установившегося режима сведены в таблицу. Очевидно, что эффект фазорасщепления наглядно продемонстрирован посредством представленных результатов компьютерного моделирования.

Рис. 3. — Результаты моделирования фазорасщепления в установившемся режиме

Таблица.

Результаты моделирования эффекта фазорасщепления.

Действующие значения напряжений и токов в установившемся режиме.

Худоногов А.М., Макаров В. В., Смирнов В. П. и др. Проектирование привода вспомогательных механизмов ЭПС с асинхронным двигателем: учеб. пособие. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. 311 с.

Бочаров В.И., Васько Н. М., Вольвич А. Г., Жулев О. Н. и др. Магистральные электровозы. Электрические аппараты, полупроводниковые преобразователи, системы управления. М.: Энергоатомиздат, 1994. 384 с.

Литовченко В.В., Малютин А. Ю., Невинский А. В. Анализ работы вспомогательных машин на электровозах переменного тока // Электроника и электрооборудование транспорта. 2015. № 1.С. 36−40.

Рутштейн А. М. Регулируемый вспомогательный электропривод электровоза ЭП1 // Электровозостроение: сб. науч. тр. Новочеркасск: ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструктный ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»). 1998. 40 т. С. 213−221.

Козорезов М. А. Расщепители фаз электровозов переменного тока. М.: Трансжелдориздат, 1961. 32 с.

Пустоветов М.Ю. О прямом пуске асинхронного двигателя с двухступенчатой компенсацией реактивной мощности в составе вспомогательного привода электровоза // Известия Транссиба. 2012. № 3 (11). С. 83−88.

Пустоветов М.Ю., Солтус К. П., Синявский И. В. Компьютерное моделирование асинхронных двигателей и трансформаторов. Примеры взаимодействия с силовыми электронными преобразователями. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 209 c.

Пустоветов М. Ю. Тестирование схемы электропривода с последовательным соединением фаз двух асинхронных двигателей посредством имитационного моделирования // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. 2015. № 1 (2−3). С. 19−22.

Вахнина В.В., Кузнецов В. Н., Кретов Д. А. Модель обмотки силового трансформатора для учета влияния квазипостоянного тока на режим работы силового трансформатора // Инженерный вестник Дона, 2015, № 2, ч.2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3049.

Вагин Г. Я., Солнцев Е. Б., Мамонов А. М., Петров А. А. Математическая модель явнополюсного синхронного генератора мини-ТЭЦ // Инженерный вестник Дона, 2015, № 2, ч.2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/2950.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 015 616 252. SPICE-модель электровозного асинхронного вспомогательного электропривода мотор-вентилятора с питанием по конденсаторной схеме с функцией расчета тепловых процессов в трехфазном асинхронном двигателе с учетом разрывов стержней короткозамкнутой обмотки ротора/ Пустоветов М. Ю.; заявитель и патентообладатель Пустоветов М. Ю. Зарегистрировано 04.06.2015 г.

Пустоветов М. Ю. Имитационное моделирование явлений во вспомогательном асинхронном электроприводе электроподвижного состава. Ростов н/Д: ФГБОУ ВПО РГУПС, 2015. 159 c.

Пустоветов М. Ю. Имитационное моделирование вспомогательного асинхронного электропривода электровоза // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2015. № 2 (19). С. 67−78.

Sreedevi M., Jeno Paul P. Stator Fault Detection and Diagnosis of an Induction Motor Using Neuro Fuzzy Logic // International Journal of Electrical and Power Engineering. 2011. № 5/2. pp. 102−107.

Sokola M., Levi E. A novel induction machine model and its application in the development of an advanced vector control scheme // International Journal of Electrical Engineering Education. 2000. № 37/3. pp. 233−248.

Pustovetov M. Yu. A universal mathematical model of a three-phase transformer with a single magnetic core // Russian Electrical Engineering. February 2015. Vol. 86, Iss. 2. pp. 98−101.