CC BY
182
Cloud of Science. 2015. Vol. 2. No. 2 http:/ / cloudofscience.ru ISSN 2409-031X
Исследование работы асинхронного привода вспомогательных систем и агрегатов локомотива
Е. Ю. Логинова1,2, М.-О. Баатаржав2, А. Т. Танвар3
1Московский технологический институт, 119334, Москва, Ленинский проспект, 38A
2Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 127994, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, 15
Делийский технологический университет, 110042, Индия, Делли
e-mail: ejy-loginova@mail.ru
Аннотация. Исследуются режимы работы асинхронного двигателя типа 4АЖ-225-M602 привода вентилятора охлаждающего устройства тепловоза. Расчет переходных процессов в асинхронной машине электропривода выполняется в графической среде имитационного моделирования Simulink/MATLAB.
Ключевые слова: асинхронный привод, локомотив, Similink.
1. Введение
Развитие подвижного состава в последние годы характеризуется кардинальными изменениями в области электропривода и применяемого электрооборудования. На смену коллекторным двигателям постоянного тока пришли синхронные и асинхронные двигатели, на смену коммутационной аппаратуре — микропроцессорные системы, а на смену выпрямителям — преобразователи на базе элементов силовой электроники, сначала GTO-тиристоров, а затем IGBT-транзисторов. Это сопровождалось применением новых схемных решений, что позволило эффективно решить проблемы управления тягой.
Одним из самых перспективных и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации на всех железных дорогах мира является асинхронный двигатель, который используется как в энергетической цепи локомотива, создавая силу тяги, так и для привода вспомогательных систем. Асинхронный двигатель по конструкционным и рабочим параметрам превосходит коллекторные двигатели постоянного тока: отличается простотой конструкции, меньшими габаритными размерами по сравнению с двигателями постоянного тока при той же, или большей вырабатываемой мощности. Для привода некоторых агрегатов локомотива он незаменим, например, вентиляторов, поскольку принцип его работы позволяет создать конструкцию двигателя с внешним ротором, на котором устанавливаются лопасти вентилятора.
Однако вследствие того, что затраты мощности на привод вспомогательных систем составляют около 15% от общей мощности локомотива, электроприводу вспомогательных агрегатов уделяется меньше внимания, чем тяговому электроприводу, несмотря на внезапные отказы этих систем и возможность повышения их экономичности в эксплуатации.
В связи с этим актуальной является задача исследования режимов работы асинхронных двигателей привода вспомогательных систем локомотива, что позволит найти пути повышения его надежности в эксплуатации и снижения затрат мощности на привод вспомогательных агрегатов локомотива.
В статье исследуются режимы работы асинхронного двигателя т на основе моделей в среде имитационного моделирования Simulink/MATLAB [1-3].
2. Принципиальная схема электропривода вентиляторов тепловоза
На современных тепловозах для привода вентиляторов охлаждения дизеля и тягового электрооборудования применяется электропривод с трехфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. На тепловозе 2ТЭ116 установлены четыре мотор-вентилятора МВ1-МВ4 для охлаждения дизеля, два мотор-вентилятора МВ5, МВ6 для охлаждения тяговых электродвигателей (один вентилятор на три двигателя одной тележки) и один мотор-вентилятор МВ7 для охлаждения выпрямительной установки (рис. 1). Тяговый генератор имеет механический привод вентилятора.
Источником переменного напряжения для этих двигателей служит тяговый синхронный генератор СГ. Основной нагрузкой тягового генератора являются тяговые электродвигатели ТЭД, которые получают питание от его статорных обмоток через трехфазные выпрямительные мосты ВУ. Статорные обмотки мотор-вентиляторов включаются непосредственно на статорные обмотки СГ через контакты трехполюсных автоматических выключателей АВ1-АВ7. Для нормальной работы тягового синхронного генератора необходимо обеспечить равномерную нагрузку его обмоток. Поэтому двигатели мотор-вентиляторов включены на ста-торные обмотки СГ таким образом, чтобы отбор мощности от них на привод вспомогательных систем был примерно одинаковым.
Такая схема включения нагрузок объясняется необходимостью уменьшить количество силовых электроагрегатов тепловоза даже за счет увеличения их мощности, однако при этом практически невозможно обеспечить требуемые режимы охлаждения энергетического оборудования. Объясняется это тем, что в пределах одной позиции работы дизеля расход воздуха на охлаждение тягового оборудования должен поддерживаться постоянным, т. е. должен поддерживаться постоянным
момент двигателя вентилятора. Электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату амплитуды подводимого напряжения и и обратно-пропорционален частоте напряжения /:
мэм~иЦгх.
Рисунок 1. Принципиальная схема включения мотор-вентиляторов систем охлаждения тепловоза 2ТЭ116: а, а, Ь, Ь, С, С — фазы статорных обмоток тягового синхронного генератора СГ; ВУ1, ВУ2 — выпрямительные установки (трехфазные выпрямительные мосты); ТЭД — тяговые электродвигатели; МВ1-МВ4 — охлаждающего устройства тепловоза; МВ5 — тяговый двигатель передней тележки; МВ6 — тяговый
двигатель задней тележки; МВ7 — тяговый двигатель выпрямительной установки; АВ1-АВ7 — трехфазные автоматические выключатели; К1-К4 — силовые контакты контакторов управления электродвигателями
Частота напряжения тягового генератора в пределах одной позиции дизеля остается постоянной (т. к. постоянна частота вращения вала дизеля), а коэффициент регулирования амплитуды напряжения составляет приблизительно 1.7. Значит, в пределах одной позиции в зависимости от напряжения тягового генератора момент двигателя вентилятора может меняться почти в 3 раза. Поэтому асинхронный двигатель с питанием от тягового генератора обеспечить требуемую работу вентилятора без специальной системы управления не может. Кроме того, с уменьшением напряжения снижается устойчивость двигателя к опрокидыванию.
С учетом того, что из-за постоянно меняющейся позиции дизеля при работе тепловоза в эксплуатации (а соответственно, изменяющихся параметрах напряжения) электропривод непрерывно работает в переходных режимах, стандартом определяются следующие требования к электродвигателям привода вспомогательных систем подвижного состава. Они должны нормально работать:
- при отклонении напряжения питания от номинального (—25...+15%) и одновременной асимметрии напряжений (трехфазные двигатели);
- при затяжных и повторных пусках при пониженном напряжении;
- при вибрации и толчках;
- при температуре окружающего воздуха от -50 до +50 °С и относительной влажности воздуха до 95%.
Для привода центробежных вентиляторов охлаждения тягового электрооборудования на базе электродвигателей промышленного исполнения 4А (4 — номер разработки, А — асинхронный) были разработаны асинхронные двигатели железнодорожного исполнения — 4АЖ, рассчитанные на работу с переменным напряжением в диапазоне 240-570 В и с переменной частотой напряжения в диапазоне 35-100 Гц. Двигатель имеет основные узлы: статор с трехфазной обмоткой, ротор с обмоткой «беличья клетка», два подшипниковых щита, вентилятор, расположенный на валу (двигатель с самовентиляцией), кожух. Сердечники статора и ротора — шихтованные [4].
Эти электродвигатели выполнены на базе общепромышленной серии асинхронных двигателей А2-82-6 и АОС2-62-6, рассчитанных на частоту 100 Гц.
3. Векторная математическая модель электропривода вентилятора
Для исследования режимов работы привода вентилятора при эксплуатации тепловоза в приложении Simulink/MATLAB разработана модель, описывающая динамическое состояние агрегатов электропривода, в том числе электромеханическое состояние асинхронного двигателя [5]. Моделирование выполнялось для асинхрон-
ного двигателя вентилятора типа 4АЖ-225-M602, технические характеристики которого приведены в табл.
Таблица. Характеристики асинхронных двигателей типа 4АЖ225 привода вентиляторов охлаждения
Мощность, кВт 45
Напряжение фазное, В 315/570
Ток, А 125/72
Частота питающего напряжения, Гц 35... 100
Коэффициент мощности максимальный 0.89
Частота вращения максимальная, об/мин 2000
Класс нагревостойкости изоляции Н
Скольжение 2,0
Кпд максимальный 0,85
Масса, кг 269
Основу модели составляет уравнение динамического состояния ротора двига-
теля:
^ = м-ч
ж
(1)
где J — момент инерции ротора с учетом приведенных к валу ротора масс редуктора и вентилятора, [кгм2]; М — момент на валу двигателя, [Нм]; юг — угловая частота вращения ротора машины, [рад/с]; Мс — момент сопротивления рабочего механизма, приведенный к валу ротора (в общем случае он может быть функцией скорости и угла поворота), [Нм].
Электромагнитный момент двигателя определяется взаимодействием потокос-цепления и тока, протекающего в одной из обмоток, и для обобщенной машины может быть представлен как [6]
М = -рС¥1г2),
(2)
где р — число пар полюсов двигателя; Ч', — потокосцепление обмотки статора; / — ток обмотки ротора двигателя.
При проектировании (2) на ортогональные оси й, ц имеем значение момента:
3 Ь /- -\ 3
м=
(3)
Электромагнитное состояние асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора в системе координат, связанной с его вращающимся полем представляется в следующем виде [4]:
щ = )\ ц + с/Ч^ ¡Л + усо1Ф1;
О = /;/2 + ёЧ'^/Л + 7со2х1/2;
<
= Х2/2 + Ьт\,
(4)
где щ — напряжение на обмотке статора; r, r2 — активные сопротивления обмотки статора и ротора; Ц, Ь2 — индуктивности рассеяния обмотки статора и ротора; Lm — взаимная индуктивность обмоток статора и ротора проведения основного магнитного потока; xi/1,i1 — потокосцепление и ток обмотки статора двигателя; xF2, i2 — потокосцепление и ток обмотки ротора двигателя; cOj — частота вращения поля; щ — частота тока в обмотке ротора.
Для расчета электромагнитного момента двигателя представим (4) в проекциях на оси координат d,q:
'uid = Чы + d Yi d/dt + ;
Щ q = rih q + d Yl q/dt + Ml q 0 = r2j2d + d Y 2d/dt + J'a22d; 0 = rAq + dY2q/dt + J'®22q
^ld = Lhd + Lmi2d ; ^l q = L h q + Lmhq ';
^ = T i + T i ■
T 2d = T2h2d + Tm'ld ; ^2q = T2i2q + Lmh q ■
Совместное решение (1), (2) и (5) позволяет определить электромеханическое состояние двигателя в любой момент времени, в том числе, и при изменении параметров напряжения на его статорной обмотке.
Для исследования работы двигателя 4АЖ225 в приложении Simulink/Matlab разработана его модель при питании от трехфазного источника энергии (рис. 2).
При моделировании предполагалось, что в момент времени t = 2,28 c мгновенно меняется частота напряжения на тяговом генераторе, а, соответственно, и на обмотке статора асинхронного двигателя. Это задается блоками Switch библиотеки Simulink.
(5)
к»
(Л
Рисунок 2. Модель асинхронного электропривода вентилятора охлаждения тягового электрооборудования тепловоза
> К о
М К М
Е * ^
> ^ К Ч >
К О
ж Р3
> 5> > 2 ас
к т
О о* к
<л
та' а
Г}
га
Ю О ьи (-П
.4
г:
Го4
На рис. 3 представлены внешние связи в модели между источником напряжения, блоками D и Q расчета проекций электромагнитных параметров двигателя на оси d, q и блоком Speed расчета момента и частота вращения ротора двигателя.
Блок D рассчитывает проекции электромагнитных параметров двигателя на ось d в соответствии с уравнениями (6) (см. рис. 3):
'uu — rid + duldt + Мы;
0 = r2hd + d2dldt + J®22d ; i (6)
^ld = L\hd + Lmhd ;
^ - T i + T i
_T 2d — T2'2d + Lm'l d.
Коэффициенты K1-K6 на рис. 3 определяются активными и индуктивными сопротивлениями обмоток двигателя [6]:
TL — L-T2a+ LаLm + T2CLm,
где L — взаимная индуктивность, [Гн]; Lla. — индуктивность рассения фазы обмотки статора, [Гн]; L2n — индуктивность рассения фазы обмотки ротора, [Гн]; Kl — r — 0.793 [Ом]; K2 — (Lс+ Lm)/£L — l 00.96[0м]; K3 — Lj^L — 98.57[Ом]; K4 — LIYjL — 98.57 [Ом]; K2 — (L2c + Lm)/^L — l 00.96[0м]; K6 — r2 — 0. l 55[0м].
>CD
РпЬк2
Рисунок 3. Блок Б расчета проекций электромагнитных нагрузок двигателя на ось d
Аналогичным образом блок Q рассчитывает проекции электромагнитных параметров двигателя на ось q в соответствии с уравнениями (7) (см. рис. 4):
% = гАч + ж Уц/ж + ;
О = г212д + й у + ]Ъ22д;
<
= + Ь и ; — + Ь 2Л .
2% 2 2% т
(7)
Рисунок 4. Блок «Q» расчета проекций электромагнитных нагрузок двигателя на ось q
Блок Speed рассчитывает механические и кинематические характеристики работы двигателя (рис. 5). Основу блока составляет дифференциальное уравнение (1); его решением является круговая частота вращения ротора гаг [рад/с]. Частота вращения ротора вычисляется как:
nr = 60 шг/2% [об/мин]. Электромагнитный момент двигателя в модели определяется выражением (3). В блоке «Speed» используются следующие коэффициенты: K1s = J = 0,3[кгм2 ] — момент инерции ротора с учетом приведенных к валу ротора масс вентилятора; K2s = p = 2 — число пар полюсов двигателя; K3s = 1/2трЬт/Ц; K4s = 60/2%.
Рисунок 5. Блок Speed расчета электромеханических нагрузок двигателя
4. Результаты моделирования
Разработанная имитационная модель электропривода вентилятора позволила выполнить анализ процессов, происходящих в системе при ступенчатом изменении параметров питающего напряжения, и их влияние на работу энергетического оборудования.
На рис. 6 представлены зависимости фазных напряжений на асинхронном двигателе привода вентилятора. В момент времени ^ = 2.28 с изменяется частота напряжения с £ = 60 Гц до £ = 80 Гц. Это приводит к изменению режима работы двигателя, так как его электромагнитный момент определяется амплитудой и частотой напряжения:
1 щ и г2
м =
*f (^ + r's)2 +(x + X2)2'
где 5 — относительное скольжение ротора; г, X — активное и реактивное сопротивления обмотки статора; г2', х'2 — активное и реактивное сопротивления обмотки ротора, приведенные к параметрам обмотки ротора.
Результаты моделирования показали, что в соответствии с изменением частоты фазного напряжения (при пуске двигателя и при изменении позиции дизеля) наблюдаются два переходных процесса (рис. 7). В момент пуска двигателя его электромагнитный момент возрастает до 250 Нм при номинальном значении на валу — 50 Нм. Второй переходной процесс имеет место при изменении частоты питающего напряжения, когда меняется позиция дизеля. Этот режим оказывается наиболее тяжелым как для двигателя, так и для всей энергетической цепи тепловоза. Важно отметить, что перерегулирование в системе управления частотой вращения вентилятора при отсутствии регулятора может достигать 100%.
Рисунок 6. Фазные напряжения на статорной обмотке двигателя
Рисунок 7. Изменение электромагнитного
Рисунок 8. Значения круговой частоты
момента двигателя при его пуске и измене- ротора двигателя при его пуске и изменении
нии частоты напряжения тягового синхронного генератора
частоты питающего напряжения
Под действием электромагнитного момента изменяется частота вращения ротора двигателя, а соответственно и колеса вентилятора (рис. 8). После создания электромагнитного момента ротор двигателя разгоняется, достигая частоты вращения ю = 185 рад/с, а при ^ = 2.28 с меняется частота питающего напряжения. Это
приводит к тому, что в электроприводе вентилятора происходит переходной процесс: сначала частота вращения ротора резко снижается до ю = 105 рад/с, а затем
возрастает, достигая ю = 250 рад/с. Поскольку в движении машинист, управляя
тепловозом, практически непрерывно изменяет позиции дизеля (изменяя положение рукоятки контроллера), асинхронный двигатель привода вентилятора будет постоянно работать на неустановившихся режимах. Это вызывает значительные колебания оборотов вентиляторного колеса и приводит к значительным динамическим нагрузкам, которые разрушают как подшипники, так и сам вентилятор.
5. Заключение
Разработанная математическая модель электропривода вентилятора охлаждения тягового электрооборудования тепловоза позволяет определить показатели переходных процессов при изменении режима работы энергетической установки. Поскольку статорная обмотка асинхронного двигателя и статорная обмотка тягового генератора образуют одну электрическую цепь, то колебания нагрузки двигателя влияют на работу тягового генератора, приводя к увеличению потерь и дополнительному нагреву обмоток. Кроме того, переходной процесс асинхронного двигателя со значительными колебаниями нагрузки может повлиять на устойчивость его работы, привести к отказу самого двигателя и отказу энергетического агрегата, который обслуживает этот двигатель. Проведенные имитационные исследования показали необходимость оборудования системы электропривода вентилятора регулятором, значения параметров передаточной функции которого должны определяться динамическими параметрами всех агрегатов электропривода и требуемым значением расхода воздуха на охлаждение тягового электрооборудования.
Литература
[1] Сардалов Р. Б., Логинова Е. Ю. Методы оценки надежности систем энергоснабжения // Образовательная среда сегодня и завтра. Сборник научных трудов IX Международной научно-практической конференции. — М. : МТИ, 2014. С. 343-346.
[2] Логинова Е. Ю., Коваленко А. В. Влияние режима работы подвижного состава метрополитена на его энергетические показатели // Электроника и электрооборудование транспорта. 2013. № 6. С. 21-24.
[3] Логинова Е.Ю., Нурушев Е.Т. Энергосберегающие технологии в системе городского транспорта // Задачи системного анализа, управления и обработки информации. Межвузовский сборник научных трудов. — М. : МТИ «ВТУ», 2014. С. 86-89.
[4] Терехин В. Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (MATLAB 7.0.1): учеб. пособие. — Томск : Томский политехн. у-т, 2010.
[5] Черных И. В. Simulink. Среда создания инженерных приложений. — М. : Диалог-МИФИ, 2004.
[6] Усольцев А. А. Частотное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие. — СПб. : СПбГУ ИТМО, 2006. (http://ets.ifmo.ru/usolzev/SEITEN/konspekt/chastupr.pdf)
Авторы:
Логинова Елена Юрьевна — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры энергетики Московского технологического института
Мунх-Оргил Баатаржав — магистрант Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ)
Танвар Анкит Кумар— преподаватель Делийского технологического университета (Индия)
Study of Asynchronous accessory drive systems and components of the locomotive
E. Loginova1,2, Munkh-Orgil Baatarjav2, Ankit Kumar Tanwar3
Moscow Technological Institute, 38A, Leninckiy pr., Moscow, 119334
2Moscow State University of Railway Engeneering, 15, Obraztsova Str., Moscow, 127994
3Delhi Technological University, India, Delhi, 110042
e-mail: ejy-loginova@mail.ru
Abstract. Asynchronous motor in different modes is considered (4A^-225-M602) when it is used as a drive with cooling fans in diesel locomotive. The modeling of transient processes in asynchronous electric drive system applied in MATLAB/Simulink.
Keywords: asynchronous accessory drive, locomotive, Simulink
Reference
[1] Sardalov R. B., Loginova E. U. (2014) Metody ocenki nadezhnosti sistem jenergosnabzhenija. Obrazovatel'naja sreda segodnja i zavtra. Sbornik nauchnyh trudov IX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Moscow, 343-346. (In Rus)
[2] Loginova E. U., Kovalenko A. V. (2013) Jelektronika i jelektrooborudovanie transporta, 6, 21-24.
[3] Loginova E. U., Nurushev E. T. (2014) Jenergosberegajushhie tehnologii v sisteme go-rodskogo transporta. Zadachi sistemnogo analiza, upravlenija i obrabotki informacii, 4, 8689. (In Rus)
[4] Terehin V. B. (2010) Modelirovanie sistem jelektroprivoda v Simulink (MATLAB 7.0.1). Tomsk. (In Rus)
[5] Chernyh I. V. (2004) Simulink. Sreda sozdanija inzhenernyh prilozhenij. Moscow, Dialog-MIFI. (In Rus)
[6] Usolcev A. A. (2006) Chastotnoe upravlenie asinhronnymi dvigateljami: ucheb. posobie. SPb, SPbGU ITMO. (In Rus)
