Моделирование работы электродвигателей переменного тока пассажирских вагонов

Работа посвящена вопросам моделирования работы электродвигателей переменного тока вагонов, которые предлагаются на замену используемых двигателей постоянного тока. Целью моделирования является модернизация схемы электроснабжения вагона, для обеспечения работы двигателей переменного тока, построение характеристик зависимости момента и угловой скорости вращения электродвигателя от времени при прямом пуске. При моделировании рассматривался самый тяжёлый случай использования электродвигателя, а именно привод компрессора холодильной установки, в котором используются двигатели от 4,5 до 7 КВт в зависимости от количества пассажиров, на которое расчитан вагон.

Схема показана на рисунке 1 и описывает принцип включения асинхронного двигателя в цепь вагона, оснащённого системой кондиционирования воздуха.

Рисунок 1. Схема исследования электродвигателя

Схема состоит из блока «Three-Phase Source», моделирующего работу синхронного подвагонного генератора. При автономной и комбинированной системе энергоснабжения энергия вырабатывается при помощи синхронного генератора, который приводится в движение от колёсной пары вагона.

Следующий блок – «универсальный мост» – предназначен для выпрямления трёхфазного напряжения генератора в постоянное.

После мостовой схемы для сглаживания кривых тока и напряжения используются фильтры (последовательно-соединённая индуктивность, и параллельно – ёмкость).

Так как в электроцепи вагона используется постоянное напряжение, двигатель будет запитываться от генератора через выпрямитель и инвертор на IGBT транзисторах, управляемый алгоритмом синусоидальной широтно-импульсной модуляции. Инвертор представлен блоком «2-Level Converter». Блок «PWM generator» генерирует импульсы сигналов для работы инвертора.

Так как источник тока генерирует линейное напряжение 110В (54В в вагонах без системы кондиционирования воздуха), то для использования асинхронного двигателя 380В необходимо воспользоваться импульсным преобразователем постоянного напряжения. В данной схеме он представлен индуктивностью, MOSFET транзистором, диодом и конденсатором. Блок «PWM Generator (DC-DC)» вырабатывает управляющий сигнал для транзистора.

На выходе инвертора установлены фильтры для сглаживания тока и напряжения, так как асинхронная машина чувствительна к форме кривой напряжения. Последовательно соединена индуктивность на каждую фазу и паралельно блок конденсаторов, соединённых по схеме «треугольник».

Исследуется асинхронный двигатель DSR132S4, паспортные данные представленны на рисунке 2. Для расчёта недостающих параметров используется метод, описанный профессором Черных И.В. Параметры исследованного двигателя представлены на рисунке 3.

Рисунок 2. Паспортные данные асинхронного двигателя DSR132S4

Рисунок 3. Параметры асинхронного двигателя

Результаты моделирования при номинальной нагрузке 36 Нм представлены на рисунках 4-8.

Рисунок 4. График напряжения на выходе выпрямителя

Рисунок 5. График напряжения на выходе инвертора

Рисунок 6. График линейного напряжения на нагрузке

Рисунок 7. График тока на нагрузке

Рисунок 8. Графики частоты вращения (чёрный) и момента (красный) 

В результате моделирования получены значения пускового тока 82А, что больше паспортного 74А, такое превышение повысит электропотребление и сократит срок службы двигателя, значение номинального тока 11,1 А соответствует номинальному. Значение частоты вращения ротора составляет 1455 об/мин, что совпадает с номинальными параметрами.

При помощи программного комплекса MATLAB был реализован вариант модернизации системы электроснабжения пассажирского вагона, оборудованного системой кондиционирования воздуха. В ходе работы выяснилось, что для замены двигателей постоянного тока на асинхронные потребуется импульсный преобразователь постоянного напряжения, который обеспечит линейное напряжение нагрузки 380В, трёхфазный инвертор и ряд фильтров в цепи постоянного тока и в цепи трёхфазного тока.