Совершенствование методов расчета асинхронных тяговых двигателей с целью улучшения их энергетических характеристик и снижения пульсаций электромагнитного момента

Результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции по итогам научно-исследовательской работы за 1998 год в Азо-во-Черноморской государственной агроинженерной академии (АЧГАА), международной научно-практической конференции «СТРОИТЕЛЬСТВОМ» в Ростовском государственном строительном университете (РГСУ), 58-й научной конференции профессорско-преподавательского состава Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС) 20−22 апреля 1999 г, посвящённой 70-летию РГУПС.

Автор считает целесообразным продолжать исследования с целью расширения области примененения метода расчёта характеристик АД, питаемых от СПЧ, и на переходные процессы. Конечным результатом может быть универсальный программный комплекс для моделирования поведения АД в процессе эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В работе произведён анализ существующего положения в области расчёта и экспериментального исследования энергетических характеристик и момента частотно-регулируемых асинхронных 3-фазных двигателей, питаемых от автономных инверторов напряжения или тока.

2. Показано, что расчёт характеристик АД (токи, потери, КПД, коэффициент мощности, электромагнитный момент и др.), питаемого от статического преобразователя частоты несинусоидальным напряжением (АИН) или током (АИТ), в квазиустановившемся режиме может быть произведён по методу гармонического анализа с использованием Т-образной схемы замещения. Расчёт АД по методу гармонического анализа позволяет получить зависимости напряжений и токов в ветвях схемы замещения, а также электромагнитного момента машины в функции времени.

3. Коэффициент мощности для АТД ниже при питании от АИТ по сравнению с питанием от АИН: в номинальном режиме на 6,3 — 27,3%.

4. Выполнено исследование структуры электромагнитного вращающего момента АД при питании от АИН и АИТ. Получены аналитические выражения для случаев задания питающего напряжения (тока) косинусным и синусным рядами Фурье, описывающие как электромагнитный момент АД при питании от СПЧ в целом, так и отдельные его составляющие: синхронные и асинхронные.

5. Выявлено, что учёт пульсаций электромагнитного момента, созданных без участия первой гармоники магнитной индукции, целесообразен в пусковых режимах АТД.

6. Расчётным путём показано, что АТД, спроектированные для АИТ (с малыми индуктивностями обмоток) имеют более высокий коэффициент пульсаций электромагнитного момента, чем АТД, спроектированные для АИН (с большими индуктивностями обмоток), как при питании от АИТ, так и при питании от АИН. При питании от АИТ пульсации электромагнитного момента у АТД, спроектированного для АИН, выше, чем при питании от АИН.

7. Выявлено, что при питании АД от АИН либо АИТ суммарная пульсация его электромагнитного момента не ниже пульсации, создаваемой парой наиболее выраженных ВВГ тока ротора (ВВГ тока статора, ВВГ питающего напряжения), что позволяет оценивать величину пульсации электромагнитного момента АД, не прибегая к расчёту кривой момента в функции времени.

8. Разработана простая методика оценки величины пульсаций электромагнитного момента АД при питании от СПЧ на основе минимального количества исходных данных (достаточно осциллограмм фазного тока и напряжения АД, не требуется знание конструктивных параметров двигателя).

9. Исследована структура потерь в АТД, питаемом от СПЧ. В номинальном режиме при питании от СПЧ суммарные потери по сравнению со случаем питания синусоидальным напряжением возрастают на 12,0 -33,8%.

В номинальном режиме при питании АТД от АИН по сравнению со случаем питания синусоидальным напряжением: суммарные электрические потери возрастают на 13,0 — 43,6%, электрические потери в обмотке статора — на 5,1 — 17,6%, электрические потери в обмотке роторана 19,8 — 86,9%, основные потери в стали — на 2,9 — 5,5%.

В номинальном режиме при питании АТД от АИТ по сравнению со случаем питания синусоидальным напряжением: суммарные электрические потери возрастают на 13,0%, электрические потери в обмотке статора — на 15,2%, электрические потери в обмотке ротора — на 85,0%, основные потери в стали — на 9,1%.

10. Основные потери в стали у АТД при питании от АИТ возрастают более существенно, чем при питании от АИН: по сравнению с режимом питания синусоидальным напряжением соответственно на 9,1 — 64,8% большее значение для случая питания от АИТ АТД, спроектированного для АИН) и на 2,9 — 5,5%.

11. Разработан расчётно-экспериментальный метод определения потерь в стали, включая дополнительные потери в стали от магнитных потоков рассеяния. Получены аналитические выражения для расчёта дополнительных потерь в стали от магнитных потоков рассеяния. Предложена усовершенствованная Т-образная схема замещения АД, учитывающая эту составляющую потерь.

12. Показано, что при ШИР напряжения дополнительные потери в стали от магнитных потоков рассеяния сопоставимы по величине с основными потерями в стали АТД.

13. Даны рекомендации по проектированию АТД для питания от СПЧ. Исследованы их характеристики при питании от АИТ и АИН в номинальном и пусковом режимах.

14. Предложены конструкции обмотки ротора АД, питаемых от СПЧ, минимизирующие потери в двигателе, подана заявка на изобретение Российской Федерации.

15. Выполнены расчётные исследования и даны рекомендации по выбору формы питающего напряжения и тока, позволяющих получать лучшие энергетические характеристики машины в сочетании с минимальными пульсациями электромагнитного момента. Предложена методика оценки пригодности формы выходного напряжения АИН с точки зрения величины пульсаций электромагнитного момента АД.

16. Разработан инженерный метод расчета энергетических характеристик и мгновенных кривых токов и электромагнитного момента асинхронных двигателей в квазиустановившемся режиме при питании их от статических преобразователей частоты (как от АИН, так и от АИТ), основанный на применении эквивалентной Т-образной схемы замещения для каждой из временных гармоник напряжения или тока, позволяющий учитывать несинусоидальность питающих напряжения и тока в том числе и при их неидеализированной форме, а также явление вытеснения тока в проводниках, электрический контакт короткозамкнутой обмотки ротора с магнитопроводом и потери в стали от магнитных потоков рассеяния для каждой высшей временной гармоники. Метод реализован для АД подвижного состава железных дорог в виде семейства программ TMPAD*, написанных на языке программирования FORTRAN11.

Разработанный метод расчёта обеспечивает достаточную достоверность результатов. При корректном задании исходных данных для расчёта (температура обмоток, коэффициент насыщения магнитной цепи, скольжение) для более, чем 95% точек расчётной кривой в функции времени расхождение с опытными данными составляет менее 6%, наибольшее расхождение не превышает 9%.

17. Разработанные методы, методики, алгоритмы, рекомендации и программы внедрены в ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электровозостроения» .

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ. Из них 6 являются статьями, 1 заявкой на изобретение РФ, 3 тезисами докладов на научных конференциях.

1. Алгоритм и программа расчёта рабочих механических характеристик частотно-регулируемых асинхронных двигателей/ Беспалов В .Я. и др.// Вести. МЭИ.- 1995. № 2. С. 45−48.

2. Алексеев А. Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. Л.: Энергия, 1977. — 444 с.

3. Артёмов Г. М. и др. Вибропрочность компрессоров ВУ 3,5/10−1450 / Артёмов Г. М., Удодов Ф. П., Савинков О. Б. //Электровозостроение: Сб. науч. тр. /АО «Всерос. н.-и., проектно-консгрукт. ин-т электровозостроения». Новочеркасск, 1998. — Т. 39. — С. 117 — 120.

4. Баранкевич В. И. и др. Тяговый электропривод перспективных пригородных поездов с асинхронными двигателями //Электротехника. 1993;№ 5. -С. 7−9.

5. Барков В. А. Полупроводниковые преобразователи для управления электрическими машинами переменного тока: Учеб. пособие. Л., ЛПИ, 1983. 80 с.

6. Бибиков В. И. Система управления распределителем импульсов автономного инвертора напряжения для привода трамвайного вагона // Труды МЭИ. 1992. — № 641. — С. 54−58.

7. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. -3-е изд., перераб. -М.: Энергоиздат, 1982. 216 с.

8. Бюллетень технико-экономической информации № 73: Частотно-регулируемый асинхронный привод для транспорта и общепромышленных целей фирмы Stremberg. Энергомашэкспорт, 1980. — 42 с.

9. Вольдек А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. — 839 с.

10. Ю. Герман-Галкин С.Г. и др. Цифровые электроприводы странзисторными преобразователями.- Л.: Энергия, 1986. 248 с.

11. ГОСТ 7217–87. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний/ Гос. ком. по стандартам СССР. -М., 1987. 51 с.

12. Домбровский В. В., ЗайчикВ.М. Асинхронные машины: Теория, расчёт, элементы проектирования. JL: Энергоатомиздат, 1990. -365 с.

13. Домбровский В. В., Хуторецкий Г. М. Основы проектирования электрических машин переменного тока.- Л.: Энергия, 1974, 504 с.

14. Ковач И. П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 744 с.

15. Копылов И. П., Амбарцумова Т. Т. Влияние вихревых токов ротора на динамические характеристики асинхронной машины //Электротехника.- 1976;№ 11.-С. 20−23.

16. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин.- М.: Высш. шк., 1994. 318 с.

17. Крамсков С. А., Ершов Д. П. Электропоезд переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями типа ЭНЗ // Электровозостроение: Сб. науч. тр. /АО «Всерос. н.-и., проектно-конструкт. ин-т электровозостроения». Новочеркасск, 1998. — Т. 40. -С. 195 — 205.

18. Кудрявцев А. Б. и др. Оценка потерь в системе транзисторный преобразователь частоты асинхронный двигатель/ А. Б. Кудрявцев, А. А. Никольский, Д. Д. Богаченко // Труды МЭИ. — 1995. — № 672. — С. 3439.

19. Курбасов A.C. Особенности проектирования частотно-управляемых асинхронных двигателей // Электротехника. 1990. — № 9. — С.29−33.

20. Курбасов A.C. и др. Проектирование тяговых электродвигателей/ А. С. Курбасов, В. И. Седов, Л. Н. Сорин. М.:Транспорт, 1987. — 536 с.

21. Куцевалов В. М. Асинхронные и синхронные машины с массивными роторами. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1979. -161 с.

22. Куцевалов В. М. Вопросы теории и расчёта асинхронных машин с массивным ротором. М.: Энергия, 1966.

23. Кучумов В. А. Исследование пускового режима тягового асинхронного электродвигателя // Вестник ВНИИЖТа. 1981. — № 4. — С.29−34.

24. Кучумов В. А. Исследование характеристик вращающего момента тягового асинхронного двигателя // Вестник ВНИИЖТа. 1983. — № 4. -С. 29−32.

25. Лабунцов В. А. и др. Электроприводы с полупроводниковым управлением: Автономные тиристорные инверторы / Лабунцов В. А., Ривкин Г. А., Шевченко Г. И.- Под ред. М. Г. Чиликина. М.-Л.: Энергия, 1967. — 160 с. — (Б-ка по автоматикеВып. 221).

26. Ламмеранер И., Штафль М. Вихревые токи. M.-JL: Энергия, 1967. -207 с.

27. Лейтман М. Б. Автоматическое измерение выходных параметров электродвигателей: (методы и аппаратура). М.: Энергоатомиздат, 1983. 152 с.

28. Мартемьянов Я. Б. Дополнительные потери в асинхронных тяговых двигателях при питании от инвертора // Вопросы автоматизации и моделирования электрического подвижного состава: Сб.Вып.313 / ЛИИЖТ. 1971.-С.50−55.

29. Нейман Л. Р., Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники: Т.2. М.-Л.: Энергия, 1966. — С. 407.

30. Зб. Овчаренко Н. Я., Билинкис П. Г. Расчёт динамики асинхронного двигателя при питании от тиристорного преобразователя частоты // Электротехника. 1990. — № 1. — С. 56−59.

31. Пармас Я. Ю., Архипова И. В. Расчет электромагнитных процессов в асинхронном тяговом двигателе при питании от инвентора с широтно-импульсным регулированием напряжения // Электротехника. 1984. -№ 10. — С.40−42.

32. Постников И. М. Проектирование электрических машин. Киев: ГИТЛ УССР, 1952.-736 с.

33. Постников И. М. Проектирование электрических машин.- Киев: Техн. лит., 1960.-910 с.

34. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями/ А. М. Солодунов, Ю. М. Иньков, Г. Н. Коваливкер, В. В. Литовченко. Рига: Зинатне, 1991. — 351 с.

35. Проектирование электрических машин/ И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков и др. М.: Энергия, 1980. — 496 с.

36. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов: В 2-х кн.: Кн. 1/ Под ред. И. П. Копылова. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энерго-атомиздат, 1993. — 464 с.

37. Пустоветов М. Ю. Исследование асинхронного тягового двигателя в режиме пуска// Материалы междунар. науч.-практ. конф. «СТРОИТЕЛЬСТВО-99»: Тез. докл. Ростов н/Д: Рост. гос. строит, унт, 1999. — С. 54.

38. Рекус Г. К., Чирков М. Т. О воздействии гармонических на нагрев асинхронного электродвигателя //Известия вузов. Сер Энергетика. -1965. № 3. — С.39−47.199.

39. Рутштейн A.M. Регулируемый вспомогательный электропривод электровоза ЭП1 //Электровозостроение: Сб. науч. тр. /АО «Всерос. н.-и., проектно-конструкт. ин-т электровозостроения». Новочеркасск, 1998.-Т. 40.-С. 213−221.

40. Сергеев П. С. и др. Проектирование электрических машин / П. С. Сергеев, Ю. В. Виноградов, Ф. А. Горяинов. М.: Энергия, 1969. -632 с.

41. Сипайлов Г. А., Лоос A.B. Математическое моделирование электрических машин (ABM) М.: Высш.шк., 1980. — 176 с.

42. 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.

43. Тенденции развития тепловозостроения //Железные дороги мира. -1994;№ 12.-С. 30−33.

44. Теоретические основы электротехники: Учеб. для электротехн. вузов Т.1. Основы теории линейных цепей/ Под ред. П. А. Ионкина. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш.шк., 1976. — 544 с.

45. Тяговые электродвигатели электровозов/ В. И. Бочаров, В. И. Захаров, Л. Ф. Коломейцев, Г. И. Колпахчьян, М. А. Комаровский, В. Г. Наймушин.

46. В. И. Седов, И. И. Талья, В. Г. Щербаков, В. ПЛновПод ред.

47. B.Г.Щербакова. Новочеркасск: Агентство Наутилус, 1998. — 672 с.

48. Физический энциклопедический словарь/ Гл.ред. А. М. Прохоров. М.: Совет, энцикл., 1984. — 944 с.

49. Хашимов A.A., Петрушин А. Д. Оптимальные режимы работы частотно-регулируемых электроприводов с учётом тепловых процессов. Ташкент: Фан, 1990. — 80 с.

50. Шуйский В. П. Расчёт электрических машин. Д.: Энергия, 1968. -730 с.

51. Шумейко В. В. Высшие гармоники напряжения и тока и потери от них в асинхронном тяговом двигателе // Труды ЦНИИ МПС:

52. Вып.541 .Исследование перспективных тяговых электрических машин. -М., 1975.-С. 43−50.

53. Щербаков В. Г., Сорин JT.H. Создание нового электроподвижного состава для магистральных железных дорог МПС // Электровозостроение: Сб. науч. тр. /АО «Всерос. н.-и., проектно-конструкт. ин-т электровозостроения». Новочеркасск, 1998. — Т. 40. — С. 10 -16.

54. Щербаков В. Г. Разработка новых электровозов и электропоездов // Электровозостроение: Сб. науч. тр. /АО «Всерос. н.-и., проектно-конструкт. ин-т электровозостроения». Новочеркасск, 1995. — Т. 35.-С. 8−19.

55. Budig P.K., Muster J. Berechnung von Zusatzverlusten in Asynchronmaschinen bei Stromrichterspeisung II Elektrische Bahnen. -1991. № 11. — S. 498/182 — 502/186.

56. Electrical Vehicle Drive Control based on Finite Element Induction Motor Model. T. Kandianis, A.G. Kladas, S.N. Manias, J.A. Tegopoulos. // IEEE Transactions on Magnetics: Vol. 33. 1997. No. 2, march. — P. 2109 — 2112.

57. Feldman U. Ervarmung des umrichterges peisten Asynchronmotors // Elektrische Bahnen. 1980. — № 1. — S. 17−21.

58. Feldman U. Verluste in Stromrichtergespeisten Asynchron-Bahnmaschinen // Archiv fur elektrotechnik. 1979. — S.229 — 236.

59. HU1 R.J. Electric railway traction: Part 2. Traction drives with three-phase induction motors // Power Engineering Journal. 1994. — June. — P. 143−152.

60. Kaczmarek R., Amar M., Protat F. Iron Loss Under PWM Voltage Supply on Epstein Frame and in Induction Motor Core // IEEE Trans. Magn.: Vol.32. 1996. — No. 1. — P. 189 — 194.

61. Kuzz H., Inter City Express // Elektrische Bahnen. 1991. — № 11. — S.372−375.

62. Leo O’Connor. Ac traction gets on track // Mechanical engineering. 1995. — September. — P.74−75.

63. Nakata K., Nakamura K., Ito S. A three-level traction inverter with IGBTs for EMU. Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. ~ 1335,.

64. Rossi C., Tortello E., Werndorf G. Inverter-Fed Asynchronous Motors for Traction Vehicles // Ansaldo Group Review. 1978. — № 3. — P. 49−51.

65. Sattler Ph. K. Betrachtungen und neuere Untersuchungen zur Drehstromantrieben // Elek. Bahnen. 1980. — № 2. — S.30−38.

66. Sen P.K., Landa H.A. Derating of Induction Motors Due to Waveform Distorsion // IEEE Transactions on Industry Applications: Vol.26. 1990, № 6, november/december. — P. 1102−1107.

67. Three phase test by AEG // Int. Railway J. 1984. — 24. — № 2. — P. 21.

68. Van Damme H., Thomas P. Londuleur de courant en traction electrique asynchrone // ACEC-Revue. 1987. — № 3. — P. 8−11.

69. Von Gerhard Kratz. Fahrmotoren und Antriebe bei elektrischen Triebfahrzeugen mit Drehstromantriebstechnik // ZEV-Glass.: Ann. 104. -1980. № 8/9 August/September. — S.283 — 290.