CC BY
96
УДК 62-83: 621.313: 629.423.3: 004.4'242 М. Ю. Пустоветов
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЭЛЕКТРОВОЗА
Дан краткий обзор типов асинхронного электропривода, используемых на борту российских магистральных электровозов. Описаны распространенные отказы асинхронных вспомогательных двигателей. Обоснована важность исследования электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов во вспомогательном электроприводе электровозов с использованием имитационного моделирования. Приведен вариант графического описания имитационной модели вспомогательного электропривода компрессора при питании по конденсаторной схеме в системе автоматизированного проектирования OrCAD. Предложено использовать для составления имитационных моделей электромеханических устройств гибридного подхода: схемотехнического и на основе структурных схем. Сопоставлены результаты расчетов и опытные данные о токах и напряжениях асинхронного двигателя при питании по конденсаторной схеме. Приведен пример, показывающий экономическую эффективность использования имитационного моделирования в инженерной практике. Сопоставлены затраты при исследовании аварийных режимов работы асинхронного двигателя НВА-55 в составе вспомогательного привода методом имитационного моделирования и посредством испытаний реальных двигателей.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, электровоз, вспомогательный электропривод, конденсаторная схема питания, имитационное моделирование, экономический эффект.
Применяемые на отечественных магистральных электровозах в настоящее время схемные решения вспомогательного электропривода (ЭП) на базе асинхронных двигателей (АД) можно свести к трем основным:
1. С питанием АД от электромеханического фазорасщепителя (на электровозах переменного тока);
2. С питанием АД по конденсаторной схеме в сочетании с тири-сторным преобразователем частоты и числа фаз для формирования ступеней пониженной производительности мотор-вентиляторов (на электровозах переменного тока);
3. С питанием АД от трехфазного автономного инвертора напряжения (на электровозах как переменного, так и постоянного тока).
Последний тип вспомогательного ЭП хотя и наиболее перспективен, но пока наименее распространен.
Электромеханические фазорасщепители используются для преобразования однофазного напряжения в трехфазное, предназначенное для пита-
Пустоветов Михаил Юрьевич — кандидат технических наук, доцент, директор
научно-исследовательского и испытательного центра «Криотрансэнерго» (Ростовский государственный университет путей сообщения, Ростов-на-Дону); e-mail: mgsn2006@rambler.ru
© Пустоветов М. Ю., 2015
67
ния АД вспомогательного ЭП. Схемы вспомогательного ЭП с фазорасще-пителем и описания их работы приведены в [1]. Факт незначительности роли электромеханического фазорасщепителя в питании АД в установившихся режимах работы явился исторически первой предпосылкой для поиска вариантов схем вспомогательного электропривода переменного тока без вращающегося электромеханического расщепителя фаз [2; 3]. Кроме того, с ростом мощности трехфазных потребителей на борту электровоза неизбежно возрастают массогабаритные показатели фазорасщепителя.
Альтернативой системам вспомогательного ЭП с электромеханическим фазорасщепителем, в первую очередь, являются системы с питанием АД по конденсаторной схеме в сочетании с тиристорным преобразователем частоты и числа фаз для формирования ступеней пониженной производительности мотор-вентиляторов (рис. 1). В этом случае для работы на пониженной частоте требуется отключать симметрирующие конденсаторы. В то же время объединяются конденсаторы рабочих емкостей разных мотор-вентиляторов на время пуска первой машины (с целью обеспечения качественного пуска АД на сеть с частотой 50 Гц) [2]. В описанной системе роль асинхронного расщепителя фаз для каждого запускаемого АД выполняют ранее запущенные машины. Схемы и описания работы подобных систем вспомогательного ЭП даны в [1—4].
Несмотря на простоту и надежность систем с питанием АД по конденсаторной схеме в сочетании с тиристорным преобразователем частоты и числа фаз, необходимо отметить, что именно при эксплуатации электровозов ЭП1М и 2,3ЭС5К, оснащенных такими вспомогательными ЭП, отмечен рост отказов и внеплановых ремонтов АД типа НВА-55 (мотор-вентиляторы и мотор-компрессоры), в том числе в большом количестве из-за выплавлений алюминиевого сплава беличьей клетки ротора [1; 5].
Это свидетельствует о наличии режимов со значительной перегрузкой АД по току. По данным статистики ОАО «РЖД» за 2010 г., выплавления обмотки ротора составили 33 % отказов АД типа НВА-55. По данным ОАО «РЖД» на 2013 г., стоимость капитального ремонта ротора с полной заменой листов его магнитопровода и перезаливкой беличьей клетки составляет 48835 руб. для НВА-55. То есть суммарный ущерб от этих отказов для ОАО «РЖД» значителен. Проблема выплавлений беличьей клетки вспомогательных АД включена ООО «ТМХ-Сервис» в 2014 г. в Топ 100 проблем сервисного обслуживания локомотивов.
Работу АД при питании от тиристорного преобразователя частоты и числа фаз нельзя назвать энергоэффективной: ввиду значительной несимметрии выходного напряжения преобразователя и несинусоидальности КПД АД составляет около 50 %, ток в двух фазах в 42 раз меньше, чем в третьей [4]. Тем не менее, перегрев исправного АД в таком режиме практически невозможен, так как при снижении частоты питающего напряжения в 3 раза мощность на валу АД падает в 27 раз.
68
Рис. 1. Схема питания вспомогательных электрических машин магистрального электровоза переменного тока 2, 3ЭС5К «Ермак» [1]
69
В случае длительной работы АД при питании от тиристорного преобразователя частоты и числа фаз превышение температуры меди наиболее нагруженной фазы статора АД не превосходит 35 °С [4]. Кроме того, среди отказавших АД есть как машины, приводившие вентиляторы, так и компрессоры, в то время как схема не предусматривает питания мотор-компрессоров от тиристорного преобразователя. То есть, с точки зрения исследования возможных причин аварийности АД, наиболее актуально исследование режимов работы при питании по конденсаторной схеме, что осуществлено в работах [6; 7], где дано описание тепловой модели АД, выполненной в системе автоматизированного проектирования (САПР) ОтСЛО [8] и нестационарных процессов, рассчитанных с ее помощью.
Граничными условиями для тепловой модели АД являются температура окружающей среды и коэффициент теплоотдачи с поверхности; коэффициенты теплопроводности элементов конструкции АД; плотности тепловых потоков через поверхности элементов конструкции АД, формируемые в основном потерями в обмотках и стали АД (соответственно граничные условия 3-го, 4-го и 2-го рода по [9]). Мгновенные значения составляющих потерь в АД динамически рассчитываются на основе значений токов, получаемых в электромеханической части имитационной модели АД, описанной в [10; 11]. Поэтому до построения тепловой модели АД были построены варианты имитационной модели вспомогательного ЭП электровоза с конденсаторной схемой питания (см. вариант на рис. 2) и проверена их адекватность.
Рис. 2. Компьютерная модель пуска от сети 50 Гц мотор-компрессора с асинхронным двигателем НВА-55, выполненная в САПР OrCAD
70
На рисунке 3 показаны результаты моделирования одиночного пуска мотор-компрессора при напряжении обмотки собственных нужд тягового трансформатора 380 В.
Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования пуска мотор-компрессора с АД НВА-55 при IIс = 380 В: 1 — частота вращения; 2 — ток фазы статора (на рисунках слева) и междуфазное напряжение (на рисунках справа)
На рисунке 4 показаны экспериментальные данные при одиночном пуске мотор-компрессора, полученные на электровозе 2ЭС5К в локомотивном депо Вихоревка специалистами ОАО «ВЭлНИИ».
Сравнение осциллограмм на рис. 3 и 4 демонстрирует несимметрию процессов в фазах АД, а также сходство расчетных и экспериментальных кривых, то есть адекватность имитационной модели. Различие длительности опытных и расчетных переходных процессов обусловлено отсутствием при производстве моделирования точных данных о моменте инерции мотор-компрессора (был принят завышенный момент инерции, такой же, как и для мотор-вентилятора).
71
01892501014801538953234891
Рис. 4. Осциллограммы токов и напряжений АД НВА-55 при одиночном пуске мотор-компрессора при напряжении контактной сети 25,5 кВ. Экспериментальные данные ОАО «ВЭлНИИ», полученные на электровозе 2ЭС5К в локомотивном депо Вихоревка: 1С — ток обмотки собственных нужд тягового трансформатора; ^, !г, /3 — токи фаз АД; и п, ?У23, С/31 — междуфазные напряжения
При одинаковых моментах инерции для мотор-компрессора и мотор-вентилятора сопоставительные результаты моделирования разгона АД НВА-55 показаны на рисунке 5.
Так как пусковой момент компрессора значительно больше, чем у вентилятора, набор скорости мотор-компрессором при прочих равных условиях происходит заметно медленнее. Модели нагрузок на валу АД описаны в [11].
Инструментом, который позволил бы избежать внезапных отказов АД по причине выплавления короткозамкнутой обмотки ротора, могло бы стать внедрение безразборной диагностики АД в составе вспомогательного ЭП до поездки электровоза. Такая диагностика может проводиться также в пути следования, что позволило бы, распознав предотказное состояние, своевременно отключить АД, избежав более тяжелых последствий.
72
Рис. 5. Результаты компьютерного моделирования одновременного пуска мотор-вентилятора 1 и мотор-компрессора при и,, = 380 В: 1 — частота вращения мотор-компрессора; 2 — частота вращения мотор-вентилятора
Индикатор предотказного состояния предложен в работах [6; 7]. Это определенное значение коэффициента небаланса междуфазных напряжений, питающих АД, при котором высока вероятность нагрева корот-козамкнутой обмотки до опасных значений температуры, когда возможно выплавление алюминиевого сплава. Индикатор был установлен на основании серии вычислительных экспериментов, проведенных на разработанной имитационной модели вспомогательного асинхронного ЭП, позволяющей рассматривать электромагнитные, электромеханические и тепловые динамические режимы АД, в том числе при дефектах беличьей клетки [6; 7]. Будем считать это новой технологией.
Рассчитаем годовой экономический эффект, достигнутый при определении индикатора предотказного состояния АД в составе вспомогательного ЭП электровоза, за счет использования компьютерного моделирования. В качестве базовой примем технологию установления индикатора предотказного состояния АД на основании проведения опытных исследования реальных АД НВА-55. В [1] приведена методика определения годового экономического эффекта Эг, руб., от применения новых технологических процессов, механизации и автоматизации производства, способов организации производства и труда, обеспечивающих экономию производственных ресурсов при выпуске одной и той же продукции:
Э = (С. + Е К.) - (С + Е К )/
г ^ б н б' ^ н н н'
где Сб, Сн — себестоимость продукции (работы) по базовому и новому вариантам, рассчитанная на годовой объем производства в новых условиях, руб.;
73
Кб,Кн — капитальные вложения по тем же вариантам, руб.; Ен =0,15 — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.
Зададимся исходными данными для нового варианта. Кн =360000 руб. — стоимость покупки одного экземпляра САПР с функциями моделирования в сфере электроники и электротехники. С включает в себя затраты, связанные с выплатой зарплаты работникам, занятым в сфере компьютерного моделирования С ш, а также затраты на электроэнергию, потребляемую ЭВМ при составлении моделей и производстве расчетов на них Сээн. Сзпн складывается из ежемесячной зарплаты в 13000 руб. одного
инженера, непосредственно занятого составлением компьютерных моделей и расчетами по ним, доли в 5000 руб. в ежемесячной зарплате начальника сектора, осуществляющего постановку задач и контроль их выполнения, а также начислений на заработную плату в размере 30,2 %. Длительность выполнения работ составляет 6 месяцев. Отсюда
Сзпн = 6 мес(13000 руб/мес + 5000 руб/мес)1,302 = 140616 руб.
Пусть потребляемая персональной ЭВМ мощность составляет 2,5 А-220 В = 550 Вт = 0,55 кВт. Машинное время, затрачиваемое на решение задач моделирования по конкретной тематике, составляет по 5 ч. в день 3 дня в неделю. В месяце 4 недели. Т. е. всего за 6 месяцев получаем 5 ч.-3- 4- 6 = 360 ч. Стоимость 1 кВтч электроэнергии примем равной 3 руб. Тогда
Сээн = 360 ч • 3 руб./кВтч • 0,55 кВт = 594 руб.
Сн = С31И + Сээн = 140616 + 594 = 141210 руб.
По опыту проведенной работы можно констатировать, что были построены 50 вариантов имитационных моделей ЭП для различных условий питания и дефектов обмотки ротора.
Зададимся исходными данными для базового варианта. Длительность выполнения работ также составляет 6 месяцев. Непосредственно работы, связанные с проведением испытаний, в сумме занимают 1 месяц. Капитальные затраты Кб в этом случае складываются из стоимости одного АД НВА-55 и нескольких сменных роторов для проведения экспериментов в условиях различного количества разрывов стержней короткозамкнутой обмотки ротора, причем по завершении программы экспериментов потребуются затраты на капитальный ремонт сменных роторов с полной заменой листов магнито-провода и перезаливкой беличьей клетки. Пусть требуется 50 вариантов проведения испытаний. При этом для физической имитации дефектов обмотки ротора нужны сменные роторы с различными комбинациями разрывов стержней беличьей клетки от одного до 13 дефектных стержней при 38 пазах на роторе [6; 7]. Рис. 6 демонстрирует некоторые возможные варианты расположения разорванных стержней на окружности ротора АД НВА-55.
74
Ф@9@Ф®Ф®Ф®®@® @ © #©©#©©#© ® # ©
в
► © © © © © © © © © © © © ►©©©■©©©■©©••••@@®®@®®@© ••••••©@•••••••©©©@@©
©•©•©•©•©©©©©•©•©•®Ф©©© ©© •©©•©©•©©•©©•©©•©©•©©•©©
Рис. 6. Некоторые возможные варианты расположения разорванных стержней на окружности ротора АД НВА-55. Нумерованные кружки — условное изображение стержней короткозамкнутой обмотки ротора. Зачерненные кружки символизируют
стержни с разрывами. Буквы А, В, С символизируют условную округленную до целого числа принадлежность стержней фазам обмотки статора при приведении обмотки ротора к статорной обмотке. В любом из пяти представленных вариантов показано 13 разрывов стержней из 38, то есть одна треть. В зависимости от группировки
дефектных стержней на окружности ротора предотказное состояние может быть диагностировано при разрывах не менее 21—33 % стержней [6; 7]
Если ограничиться лишь этими вариантами, то для испытаний потребуется 5 сменных роторов. Так как наиболее вероятным способом имитации разрыва стержня обмотки при испытаниях будет его распиливание дисковой фрезой, то неизбежно повреждение листов магнитопровода. Технология сборки магнитопровода электрической машины допускает использование лишь листов из одной партии, поэтому потребуется полная замена листов магнитопроводов на сменных роторах после завершения испытаний. Стоимость одного НВА-55 составляет 260000 руб. Стоимость одного ротора НВА-55 — 115400 руб. Стоимость капитального ремонта одного ротора — 48835 руб. При этом К6 = 260000 + 5(115400 + 48835) = 1081175 руб.
Сб включает в себя затраты, связанные с выплатой зарплаты работникам Сзпб, а также затраты на электроэнергию, потребляемую при проведении испытаний и вспомогательных операций Сээб. В состав Сзпб
входит доля в 5000 руб. в ежемесячной зарплате начальника сектора, осуществляющего постановку задач и контроль их выполнения в течение 6 месяцев, зарплата сотрудников испытательной станции в течение 1 месяца: начальника — 30000 руб., инженера-технолога — 20000 руб., двух рабочих-испытателей — по 15000 руб., заработная плата в размере 5000 руб. за выполнение слесарных и погрузочно-разгрузочных операций со сменными роторами, а также начисления на заработную плату в размере 30,2 %. Таким образом,
Сзпб = (6-5000 + (30000 + 20000 + 2 • 15000 + 5000))1,30 2 = 149730 руб.
Пусть АД НВА-55 потребляет при испытаниях мощность 39 кВт. Пусть требуется 50 опытов длительностью по 10 минут (1/6 ч) каждый. Примем коэффициент увеличения затрат электроэнергии на испытания равным 1,5 (включает затраты электроэнергии на подготовку АД к испытаниям: погрузочно-разгрузочные работы, механическая обработка роторов). Сээ6 = 1,5(50 • 1/ 6 ч ■ 3 руб./кВтч ■ 39 кВт) = 1462,5 руб.
75
То есть, получим
сб = сзп6 +Сээ6 = 149730 +1462,5 = 151192,5 руб.
С учетом вышеприведенных расчетов годовой экономический эффект от использования компьютерного моделирования в рассматриваемом случае составит
Эг = (151192,5 + 0,15 • 1081175) - (141210 + 0,15 • 360000) = 118158,75 руб.
На самом деле САПР обладает избыточной функциональностью, т. е. может быть использована для решения других задач, кроме компьютерного моделирования, а также иных задач моделирования, что увеличит экономический эффект от ее использования.
Можно сделать вывод об эффективности использования инструментов имитационного моделирования для анализа процессов в электроприводе, в том числе в условиях несимметричных режимов. При составлении имитационных моделей электротехнических устройств целесообразно использование гибридного подхода [11]: схемотехнического и на основе структурных схем. Схемотехническая составляющая значительно облегчает агрегирование моделей различных устройств в системы по правилам подключения, принятым в электротехнике.
Список литературы
1. Худоногов А. М. Проектирование привода вспомогательных механизмов ЭПС с асинхронным двигателем: учеб. пособие / А. М. Худоногов, В. В. Макаров, В. П. Смирнов [и др.]; под ред. А. М. Худоногова. М.: ФГБОУ «Учебно-метод. центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. 311 с.
2. Рутштейн А. М. Вспомогательный привод электровозов переменного тока / / Вестник ВЭлНИИ. 2008. Т. 2 (56). С. 162—171.
3. Некрасов О. А., Рутштейн А. М. Вспомогательные машины электровозов переменного тока. М.: Транспорт, 1988. 224 с.
4. Рутштейн А. М. Регулируемый вспомогательный электропривод электровоза ЭП1 / / Электровозостроение: сб. науч. тр. Новочеркасск: ОАО «ВЭлНИИ», 1998. Т. 40. С. 213—221.
5. 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.
6. Пустоветов М. Ю., Синявский И. В. Компьютерное моделирование тепловых процессов в асинхронном вспомогательном двигателе электровоза при несимметрии питающих напряжений и дефектах беличьей клетки / / Вестник РГУПС. 2012. № 2 (46). С. 174—184.
7. Пустоветов М. Ю., Синявский И. В. О динамике тепловых процессов в асинхронном двигателе при несимметрии питающих напряжений / / Вестник ДГТУ. 2011. Т. 11. № 8 (59). Вып. 1. С. 1227—1237.
8. Кеоун Дж. Электронное моделирование в OrCAD (+DVD). М.: ДМК Пресс, 2010. 628 с.
76
9. Сипайлов Г. А., Санников Д. И., Жадан В. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах: учеб. для вузов по спец. «Электромеханика». М.: Высшая школа, 1989. 239 с.
10. Пустоветов М. Ю. Выбор математической модели асинхронного двигателя в трехфазных заторможенных координатах / / Вестник РГУПС. 2012. № 4(48). С. 136-144.
11. Пустоветов М. Ю., Солтус К. П., Синявский И. В. Компьютерное моделирование асинхронных двигателей и трансформаторов. Примеры взаимодействия с силовыми электронными преобразователями. Saarbrucken: Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 209 c.
•Je -Je -Je
Pustovetov Michail Y.
SIMULATION OF AUXILIARY ELECTRIC DRIVE WITH INDUCTION MOTORS FOR ELECTRIC LOCOMOTIVE
(Rostov State Transport University (RSTU), Rostov-on-Don)
Author makes a brief overview of the types of auxiliary electric drive based on induction electric machines used on a board of electric locomotives in Russia, describes common failures in these auxiliary motors. Material of the article proves the importance of the study of electromagnetic, electromechanical and thermal processes in auxiliary electric drives of electric locomotives by using simulation. The variant of the graphic description of the simulation model of the auxiliary electric drive of compressor when powered by a capacitor circuit, which is developed in the OrCAD computer-aided design system, is demonstrated. Hybrid approach as a combination of schematic and block diagrams is proposed to use for compiling simulation models of electromechanical devices. Comparing the results of calculations and experimental data on the currents and voltages of the induction motor when powered by scheme with capacitors is shown. An example demonstrating the cost-effectiveness of the use of simulation in engineering practice is presented. The costs of the study of emergency operation of the induction motor NVA-55 as a part of the auxiliary drive provided by two different methods are compared: by method using simulation and another using tests of several real electric motors.
Keywords: induction motor, electric locomotive, auxiliary electric drive, capacitor power scheme, simulation, economic results.
References
1. Khudonogov A. M., Makarov V. V., Smirnov V. P. and etc. Proektirovanie privoda vspomogatel'nykh mekhanizmov EPS s asinkhronnym dvigatelem (The design of auxiliary electric drives with induction motors for electric rolling stock), tutorial, Moscow, 2011. 311 p.
2. Rutshteyn A. M. Auxiliary drive of AC electric locomotives [Vspomogatel'nyy privod elektrovozov peremennogo toka], Vestnik VElNII, 2008, vol. 2 (56), pp. 162—171.
3. Nekrasov O. A., Rutshteyn A. M. Vspomogatel'nye mashiny elektrovozov pe-remennogo toka (Auxiliary electric machies of AC electric locomotives), Moscow, 1988. 224 p.
4. Rutshteyn A. M. Controlled auxiliary drive of EP1 type electric locomotive [Reguliruemyy vspomogatel'nyy elektroprivod elektrovoza EP1], Elektrovozostroenie: sbornik nauchnykh trudov (Electric locomotive building: collection of scientific papers), Novocherkassk, 1998, vol. 40, pp. 213—221.
5. Litovchenko V. V., Malyutin A. Yu., Nevinskiy A. V. The analysis of operation of auxiliary machines on alternating current electric locomotives [Analiz raboty vspomogatel'nykh mashin na elektrovozakh peremennogo toka], Elektronika i elektrooborudovanie transporta, 2015, no. 1, pp. 36—40.
77
6. Pustovetov M. Yu., Sinyavskiy I. V. Computer modeling of heating processes in the induction motor of electric locomotive auxiliary drive in case of asymmetrical voltages and defects [Komp'yuternoe modelirovanie teplovykh protsessov v asinkhronnom vspomogatel'nom dvigatele elektrovoza pri nesimmetrii pitayushchikh napryazheniy i defektakh belich'ey kletki ], Vestnik RGUPS, 2012, no. 2 (46), pp. 174-184.
7. Pustovetov M. Yu., Sinyavskiy I. V. On dynamics of thermal processes in induction motor under supply voltage unbalance [O dinamike teplovykh protsessov v asin-khronnom dvigatele pri nesimmetrii pitayushchikh napryazheniy] Vestnik DGTU, 2011, vol. 11, no. 8 (59), iss. 1, pp. 1227-1237.
8. Keoun Dzh. Elektronnoe modelirovanie v OrCAD (+DVD) (OrCAD Pspice and circuit analysis), Moscow, DMK Press, 2010. 628 p.
9. Sipaylov G. A., Sannikov D. I., Zhadan V. A. Teplovye, gidravlicheskie i aero-dinamicheskie raschety v elektricheskikh mashinakh (Thermal, hydraulic and aerodynamic calculations in electrical machines), Moscow, 1989. 239 p.
10. Pustovetov M. Yu. Choice of induction motor mathematical model in the 3-phase stator reference frame [Vybor matematicheskoy modeli asinkhronnogo dvigatelya v trekhfaznykh zatormozhennykh koordinatakh], Vestnik RGUPS, 2012, no. 4 (48), pp. 136-144.
11. Pustovetov M. Yu., Soltus K. P., Sinyavskiy I. V. Komp'yuternoe modelirova-nie asinkhronnykh dvigateley i transformatorov. Primery vzaimodeystviya s silovymi elektronnymi preobrazovatelyami (Computer modeling of induction motors and transformators. Examples of interaction with power electronic converters), Saarbrucken: Germany: LAP
LAMBERT Academic Publishing, 2013. 209 p.
* * *
78
