Особенности моделирования процесса испытания асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки в программном продукте Multisim

Харламов Виктор Васильевич; Попов Денис Игоревич; Руменко Сергей Олегович

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.313.33:621.333:621.314.26

в. в. харламов д. и. попов с. о. руменко

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

особенности моделирования процесса испытания асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки в программном

продукте multisim

В статье выполнено имитационное моделирование в программе Multisim процесса испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки с применением схем с двумя частотными преобразователями. Выявлены проблемы, возникающие при моделировании. Показана неэффективность применения некоторых стандартных элементов программы Multisim, а также стандартной Г-образной схемы замещения для моделирования генераторного режима асинхронного двигателя в рассматриваемых схемах испытаний.

Ключевые слова: асинхронный тяговый двигатель, метод взаимной нагрузки, частотный преобразователь, генераторный режим, электрическая машина, имитационная модель.

В настоящее время благодаря стремительно развивающимся технологиям в области силовой полупроводниковой техники асинхронные двигатели всё более широко находят свое применение. Ввиду ряда причин, одной из которых является большая надежность по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока, асинхронные тяговые двигатели интенсивно заменяют собой коллекторный тяговый привод на подвижном составе железнодорожного транспорта.

В связи с внедрением принципиально нового тягового привода на подвижном составе возникает потребность в разработке новых государственных стандартов, отражающих правила и регламенты приёмосдаточных испытаний, которые включают в себя испытания под нагрузкой. В настоящее время существующие ремонтные депо, производящие ремонт и техническое обслуживание подвижного состава железнодорожного транспорта, требуют дополнительного оснащения для проведения соответствующих испытаний асинхронных тяговых двигателей, что, в свою очередь, требует разработки

новых схем и способов испытаний, методик выбора испытательного оборудования и т. д.

На сегодняшний день наиболее эффективным способом испытания асинхронных тяговых двигателей под нагрузкой, является метод взаимной нагрузки, который возможно реализовать различными электрическими схемами [ 1 — 3], использующими преобразователи частоты.

Ряд таких схем [2, 3] имеют в своем составе два частотных преобразователя (ЧП) с электрической связью по звену постоянного тока. К выходу каждого из ЧП подключены обмотки статора асинхронных двигателей, валы которых жестко механически соединены между собой посредством муфты.

Для запуска испытаний под нагрузкой при помощи ЧП плавно поднимают частоту напряжения, питающего двигатели, осуществив разгон роторов до необходимой частоты вращения. Далее на выходе одного из ЧП снижают частоту формируемого напряжения. Тогда двигатель с меньшей частотой питающего напряжения переходит в режим генератора и через электрическую цепь общего звена

- 220/3801/

К АСИНХРОННОМУ ДВИГАТЕЛЮ

а)

б)

Рис. 1. Моделирование частотного преобразователя: а — имитационная модель частотного преобразователя; б — осциллограммы напряжения на выходе модели частотного преобразователя

постоянного тока передает энергию сопряженному электродвигателю. При необходимости можно произвести смену режимов работы сопряженных электродвигателей.

Для возможности качественного выбора оборудования и параметров элементов схемы испытания асинхронных двигателей необходимо иметь инструментарий, позволяющий проводить анализ переходных процессов и особенностей работы схемы. Достижение данной цели возможно путем математического или имитационного моделирования испытательного стенда. Разработанная ранее математическая модель процесса испытаний [4], базирующаяся на работе [5], описывает физические процессы, происходящие в двигателях. Входными данными для данной математической модели являются напряжения, формируемые на выходе частотных преобразователей, следовательно, она не охватывает физические процессы, происходящие в ЧП, обусловленные обменом энергией по общему звену постоянного тока. Кроме того, имитационная модель обладает большей наглядностью по сравнению с математической, и с этой точки зрения в некоторых случаях является более удобным инструментом анализа.

Получение соответствующей имитационной модели возможно в программном продукте МпШзт, благодаря наличию в его библиотеке всех необхо-

димых элементов для построения схемы [6]. Рассмотрим особенности данного программного продукта, выявленные в процессе моделирования схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей.

Составленная в программе МпШзт модель ЧП приведена на рис. 1.

Выпрямитель на входе ЧП составлен из 6 идеальных диодов Ш—.06, соединенных по схеме Ларионова. По той же схеме выполнен управляемый инвертор, состоящий из шести идеальных транзисторов 51—56. В звене постоянного тока установлен конденсатор С1.

Система управления инвертором собрана из трех источников синусоидального напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 120 градусов, одного источника пилообразного напряжения, трех идеальных компараторов, трех элементов инверсии сигнала. Полученные в программе с помощью стандартных средств осциллограммы напряжения на выходе ЧП приведены на рис. 1б.

После составления в программе модели ЧП и проверки правильности его работы собрана схема испытаний, состоящая из двух ЧП, выходы которых подключены к асинхронным двигателям М1 и М2. Механическая связь асинхронных двигателей выполнена с помощью стандартного элемента — зубчатой передачи Ш2 (рис. 2а), передаточное число которой установлено равным единице, что имити-

а)

б)

Рис. 2. Моделирование взаимной нагрузки асинхронных двигателей: а — фрагмент схемы испытаний с механической связью валов двигателей; б — осциллограмма тока и напряжения в фазе обмотки статора

а)

б)

Рис. 3. Г-образная схема замещения одной фазы асинхронной машины

рует жесткую механическую связь валов двигателей посредством муфты.

При составлении имитационной модели заданы параметры испытуемых двигателей и ЧП, используемых в составе стенда, описанного в источнике [7]. При уменьшении частоты напряжения, формируемого ЧП2, асинхронный двигатель М2 должен переходить в режим генератора, нагрузив машину М1 в двигательном режиме. Однако, как показывает анализ осциллограмм, даже при значительной разности частот напряжения модели обеих машин в программе МиШвт остаются в двигательном режиме, что подтверждается сдвигом фазы тока двигателя М2 относительно напряжения той же фазы меньшим, чем 90 градусов (рис. 2б). Однако генера-

торный режим асинхронной машины характеризуется сдвигом фазы тока относительно напряжения на угол, больший, чем 90 градусов, что соответствует нахождению активной составляющей тока в про-тивофазе напряжению [8, 9].

Следовательно, стандартные блоки М1 и М2 (рис. 2а) программы МиШзт. не позволяют смоделировать генераторный режим асинхронного двигателя в рассматриваемой схеме испытаний.

Таким образом, для моделирования асинхронной машины, работающей в генераторном режиме в рассматриваемой схеме испытаний, применена упрощенная Г-образная схема замещения [8, 9], приведенная на рис. 3а. В каждой фазе схемы замещения асинхронной машины имеются две

а)

____ I

\

—

5.11С

1, дел---

б)

Рис. 4. Моделирование работы асинхронной машины в генераторном режиме

параллельные ветви: в первую включены активные и индуктивные сопротивления обмотки статора (Я , Х1) и ветви намагничивания (Ят, Хт), во вторую — сопротивления обмоток статора (Я1, Х1), приведенного ротора (О|, X'2) и добавочное сопротивление

1 ~ 5 1, обусловленное механической нагрузкой

на валу машины с вращающимся ротором. По-сое о-ъединения элементов схемы в соответствии

О' 1 - я

с и звестными выражениями —2 = О| х О'2-

я и

и Хк = Хо х Х'2 полумили схему замещения фазы аи инхронного двигателя (рис. 3б), использованную в имитационной модели в программе МиШБ1т. Также в Г-образной схеме замещения принято

х^Х..

1 -

Упрощения, принятые для схемы замещения, допустимы, т. к. назнач нние разрабатываемой имитационной модели (применение её для подбора оборудования испытательно оо стенда и анализ физических процессов) позиоляют пренебречь вводимой такими упрощениями погрешностями.

Расчет параметров схемы замещения (рис. 3б) для моделирования ос уществлен ио методике, приведенной в источнике [10], входными параметрами для которой являются паспортные данные асинхронного двигателя.

Моделирование 'аботы асинхронной машины в генераторном режиме путем задания отрица-

К

тельного значения — при питании от источника и

трехфазного синусоидального напряжения в программе МпШБт (рис. 4а) позволило получить осциллограммы тока и напряжения, приведенные на рис. 4б. Однако следует отметить, что при наличии индуктивности, включенной последовательно с отрицательным сопротивлением, также приводил к ошибке в программе при моделировании. Таким образом, осциллограммы оолуиены только для упрощения: Хк=0. Как показывает анализ полученных осциллограмм, составленная модель машины соответствует генератору, т. к. ток сдвинут по фазе относительно напряжения на угол более 90 градусов (активная составляющая тока находется в противо-фазе напряжению).

Подстановка схемы зтм=щения (рис. 3а) в полную схему испытаний с двумя ЧП в программе

Я'

МпШБт со значениями — , соответствующими на-

т

грузке, близкой номинальной, приводит к возникновению внутренней ошибки программы, и моделирование оказывается невозможным.

Для возможности моделирования асинхронного двигателя в режиме генератора предлагается использовать Г-образную схему замещения электрической машины, в которой отрицательное переменное активное сопротивление заменено источником ЭДС. Действующее значение и фаза ЭДС определены из известной математической модели [4] таким образом, чтобы амплитуда и фаза тока смоделированной машины, работающей в режиме генератора, совпадали с расчетными значениями (рис. 5).

а)

б)

Рис. 5. Моделирование схемы испытаний методом взаимной нагрузки: а — фрагмент имитационной модели схемы испытаний с асинхронным генератором; б — осциллограммы напряжения и тока на входе асинхронного генератора

Таким образом, в программе МиШ81т получена рабочая имитационная модель процесса испытания асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки с применением схем с двумя частотными преобразователями. Отражены проблемы, возникающие при моделировании в данном программном продукте. Показана неэффективность применения некоторых стандартных решений для моделирования генераторного режима асинхронного двигателя.

Полученная имитационная модель позволяет проводить анализ физических процессов, происходящих при испытаниях асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки, что дает возможность применять ее при проектировании соответствующих схем испытания.

Библиографический список

1. Пат. 80018 Российская Федерация, МПК С 01 Р. 31/04. Устройство для испытания асинхронных тяговых электродвигателей / Бейерлейн Е. В., Цукублин А. Б., Рапопорт О. Л. № 2008115647/22; заявл. 21.04.08; опубл. 20.01.09, Бюл. № 2.

2. Пат. 2433419 Российская Федерация, МПК С 01 Р 31/34: Способ испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / Авилов В. Д., Володин А. И., Данков-цев В. Т., Лукьянченко В. В., Панькин Е. В. № 2010124307/28; заявл. 15.06.10; опубл. 10.11.11, Бюл. № 31.

3. Пат. 140678 Российская Федерация, МПК С 01 Р 31/34: Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / Авилов В. Д., Попов Д. И., Литвинов А. В. № 2013147519/28; заявл. 24.10.13; опубл. 20.05.14, Бюл. № 14.

4. Авилов В. Д., Попов Д. И., Литвинов А. В. Математическое моделирование метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей // Вестник СибАДИ. 2013. № 5. С. 75-81.

5. Фираго Б. И., Павлячик Л. Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. Мн.: Техноперспектива, 2006. 363 с.

6. Хернитер М. Е. Электронное моделирование в Multisim. М.: ДМК Пресс, 2010. 501 с. ISBN 978-5-94074-509-9.

7. Авилов В. Д., Попов Д. И., Литвинов А. В. Модернизированный стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: материалы IX Междунар. науч.-техн. конф., 5-6 декабря 2013 г. Омск, 2013. С. 137-141.

8. Копылов И. П. Электрические машины: в 2 т. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Юрайт, 2016. Т. 2. 407 с. ISBN 978-5-9916-7436-2, 978-5-9916-7437-9.

9. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины переменного тока. СПб.: Питер, 2010. 352 с. ISBN 9785-469-01381-5.

10. Гридин В. М. Расчет параметров схемы замещения асинхронных двигателей по каталожным данным // Электричество. 2012. № 5. С. 40-44.

ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника».

ПОПОВ Денис Игоревич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника». РУМЕНКО Сергей Олегович, аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника». Адрес для переписки: [email protected]