Узбекистан академия наук республики узбекистан

УЛУЧШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ЭЛЕКТРОВОЗОВ С 
АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.
1
Бурханходжаев О.М., 
2
Иксар Е.В., 
2
Усмонов К.К. 
1
Ташкентский государственный технический университет 
2
Ташкентский государственный транспортный университет
В статье рассматриваются вопросы улучшения энергетических показателей 
магистральных локомотивов с асинхронными двигателями за счет использования способа 
управления тяговым асинхронным двигателем по критерию минимума электрических 
потерь мощности при несимметрии напряжения источника, что обеспечивает снижение 
электрических потерь в тяговом асинхронном приводе во всем диапазоне рабочей 
мощности. 
Энергетическая эффективность электрической тяги электровозов является 
ключевым показателем, от которого зависит возможность реализации скоростного 
движения поездов и обеспечение, и реализация планируемых показателей. Повышение 
величины напряжения в контактной сети переменного тока вызвано завышенными 
потерями напряжения, активной мощности в контактной сети и в тяговом приводе 
электровозов
[1].
Асинхронный электропривод является на сегодняшний день самым востребованным 
среди приводов железнодорожного транспорта. Свою популярность он завоевал за счет 
своих высоких эксплуатационных и энергетических показателей. Однако, в диапазоне 

---

72 
токовых 
нагрузок, 
характерных 
для 
частотно-регулируемых 
асинхронных 
электроприводов, индуктивности рассеяния статора и ротора практически не изменяются, 
поэтому угол между потокосцеплениями статора и ротора изменяется только за счёт 
изменения нагрузки двигателя.
Из этого следует, что в отсутствие насыщения при очень низких нагрузках (в 
пределах 0,1 номинальной нагрузки) оптимальный угол между током и потокосцеплением 
статора должен приближаться к 450, а затем при увеличении нагрузки (и потокосцепления 
до 0,4-0,5 номинального значения при отсутствии насыщения). В энергоэффективной 
системе данный угол должен постепенно снижаться на величину, зависящую от параметров 
асинхронного двигателя, но незначительно, не более чем до 400, так как индуктивности 
рассеяния весьма малы.
По мере возрастания момента на валу двигателя и увеличения нагрузки и 
потокосцепления выше 0,5 номинального значения, возрастает насыщение магнитной цепи 
двигателя. Как следствие, в системе координат связанной с ротором асинхронного 
двигателя, происходит нарушение пропорциональности продольной составляющей тока 
статора и потокосцепления ротора, дополнительно возрастает в зависимости от параметров 
двигателя в пределах до 550-600.
Угол между потокосцеплениями статора и ротора также зависит от параметров 
двигателя. Для асинхронных тяговых двигателей локомотивов при номинальной нагрузке 
он лежит в пределах 90-110. Поэтому для асинхронного двигателя при номинальной 
нагрузке оптимальный по критерию минимума тока статора угол между током и 
потокосцеплением статора должен лежать в пределах от 440 до 510.
Наряду с обеспечением требуемого быстродействия и точности при регулировании 
скорости и момента асинхронного двигателя, все большую актуальность приобретает 
вопрос энергосбережения средствами управления двигателями, что может обеспечить 
система прямого векторного управления.
Результатом прямого векторного управления тяговым двигателем служит 
стабилизация значений мощности. Электровоза при работе с минимальной нагрузкой. 
Это 
непосредственно 
способствует 
повышению 
энергоэффективности 
локомотивной тяги и экономии электрической энергии. Однако частые отключения и пуски 
асинхронного двигателя могут привести к его преждевременному выходу из строя и 
нестабильной работе в зимний период эксплуатации, что является недостатком при 
изменении параметров сети или механической нагрузки на валу ротора. Поэтому 
необходимо оценить искажение формы сигналов и изменение частоты сети при сложных 
переходных режимах, например, во время выбега двигателя с рекуперацией энергии в сеть.
При оценке экономичности работы регулируемых электроприводов необходимо 
учитывать, что составляющая суммарных потерь, не зависящих от нагрузки при 
регулировании частоты вращения, изменяется. Существует такое соотношение между 
магнитным потоком и током ротора, когда ток статора становится минимальным при 
неизменном моменте нагрузки.
Для обеспечения этого условия необходимо при каждом значении момента нагрузки 
подбирать соответствующие величины магнитного потока и частоты тока ротора в 
зависимости от насыщения стали двигателя. Отклонение частоты тока ротора в сторону 
меньших значений приводит к увеличению электрических потерь мощности в асинхронном 
двигателе, а отклонение в большую сторону к увеличению тока статора из-за возрастания 
тока ротора при малых значениях магнитного потока, что так же ведет к 
увеличениюэлектрических потерь. Для сохранения минимума электрических потерь 
мощности в широком диапазоне значений момента нагрузки необходимо по мере 
возрастания нагрузки двигателя увеличивать ток ротора и магнитный поток. Выражение 
для потерь мощности можно представить:
∆𝑃
Σ
= 3𝑅
𝑆
∗ 𝐼
𝑆
2
+ 3𝑅
𝑟
∗ 𝐼
𝑟
2
+ 3𝑅
𝐶
𝐼
𝑆
2
+ 3𝑅
𝑟
𝐼
𝑟
2
+ 3
𝑈
μ
2
𝑅
𝑆
2

---

73 
После преобразований получим: 
∆𝑃
Σ
= 𝑀𝜔
0
𝑆(1 +
𝑅
𝑆
𝑅
𝑟
+
𝑅
𝑟
𝑆
2
𝑅
𝑐
+
𝜔
2
𝐿
σr
2
𝑅
𝑟
𝑅
𝑐
)
Потери мощности в асинхронном двигателе является функцией скольжения. Из 
последнего выражения определяется оптимальное скольжение, соответствующее 
минимальному значению потерь мощности:
𝑆
𝑜𝑛𝑚
=
𝑅
𝑟
√𝑅
𝑐
(𝑅
𝑆
+𝑅
𝑟
)+𝜔
0
2
𝐿
σr
2
При реализации векторного управления слежение за максимумом потерь мощности 
потерь целесообразно осуществлять посредством изменения амплитуды напряжения, 
приложенного к обмотке статора. 
𝑈
𝑆Σ
= 𝑈
𝑆
+ 𝑈
𝑦
где 
𝑈
𝑦
– управляющий сигнал
Критический момент асинхронного двигателя:
𝑀
𝑘
=
3𝑈
𝑆
2
𝑅
𝑟
/𝑆
𝜔
0
((𝑅
𝑆
+
𝑅𝑟
𝑆
)
2
+𝜔
0
2
(𝐿
σS
+𝐿
σr
)
2
)
Электромагнитный момент, развиваемый двигателем, можно записать, применив 
уточненную формулу Клосса:
𝑀 =
2𝑀
𝑘
(1+𝑆
𝑘
𝑅
𝑆
/𝑅
𝑟
)
𝑆
𝑆𝑘
+
𝑆𝑘
𝑆
+2𝑆
𝑘
𝑅
𝑆
/𝑅
𝑟
≈
2𝑀
𝑘
𝑆𝑘
𝑆
Алгоритм поиска минимума функции в данном случае может быть изложен так: если 
потери мощности 
∆𝑃
Σ
возрастают, то текущее значение скольжения S меньше своего 
оптимального значения Sопт. При заданных условиях работы электропривода, следова-
тельно, для уменьшения потерь мощности 
∆𝑃
Σ
необходимо увеличивать скольжение S за 
счет уменьшения напряжения статора U
s
:
- если потери мощности 
∆𝑃
Σ
понижаются, то S>S
опт
при заданных условиях работы 
электропривода, следовательно, для дальнейшего уменьшения потерь мощности 
∆𝑃
Σ
необходимо уменьшать скольжение S за счет увеличения напряжения статора U
s
;
- если потери мощности 
∆𝑃
Σ
не изменяются в течение первого полупериода сигнала,
Для того, чтобы режим работы асинхронного двигателя был максимально 
приближен к режиму с оптимальным скольжением S
опт
, т.е. с минимумом потерь мощности 
∆𝑃
Σ
, нужно выбрать необходимый знак изменения напряжения.
Если момент больше чем ограничение, то сигнал поступает в систему векторного 
управления. Если же момент меньше или равен ограничению, то сигнал по заданному 
моменту поступает в систему управления по минимуму электрических потерь. Зона 
поддержания постоянного максимального момента М
эм
=const, используется для пуска в 
непродолжительных режимах. 
Система преобразования энергии моделируется методами теории цепей. При 
питании от сети переменного тока эта система состоит из тягового трансформатора, 
входных 4qS-преобразователей, звена постоянного тока, автономных инверторов 
напряжения. 
Если потери мощности 
∆𝑃
Σ
повышаются, то управляющее напряжение 
𝑈
у
должно 
снижать напряжение статора.
Δ
𝑈
с
=
𝑈
с
−
𝑈
у 
Если потери мощности 
∆𝑃
Σ
снижаются, то управляющее напряжение 
𝑈
у
должно 
увеличивать напряжение статора:
Δ
𝑈
с
=
𝑈
с
+
𝑈
у 
Выбор тока как критерия энергоэффективности обусловлен тем, что он легко 
непосредственно измеряется и напрямую влияет на потери мощности и КПД, Знак "–" в 
уравнении показывает, что потери энергии при работе при реактивной нагрузке 

---

74 
увеличиваются по сравнению с потерями энергии при холостом ходе и в режиме пуска и 
уменьшаются в режиме торможения.
При торможении часть запасенной кинетической энергии расходуется на 
преодоление момента нагрузки, поэтому в виде потерь в двигателе выделится меньше 
энергии. При изменении скорости идеального холостого хода ω
0
изменением напряжения с 
помощью тиристорных преобразователей напряжения или преобразователей частоты, 
можно существенно сократить потери энергии в переходных процессах. Для устранения 
динамической ошибки регулирования угла нагрузки в динамических режимах частоту тока 
статора необходимо формировать с учетом его изменения скорости:
𝜔
𝑆
=
𝜔
+
𝜔
𝑟
+
𝜔
𝐿
В этом случае будет устранено влияние изменения высоко инерционной моменто 
образующей составляющей тока — потокосцепления ротора. Тогда время регулирования 
момента будет определяться быстродействием контура регулирования тока статора (принят 
безынерционным) и быстродействием контура регулирования угла нагрузки. Кривая 
насыщения магнитного потока задаётся в виде полинома: 
𝙻𝑛
= Ф
𝛥
Ф [
𝛥𝑏
+(Ф
𝛥
Ф−1)] {
𝛥𝛿
2+(Ф
𝛥
Ф−2) [
𝛥𝛿
6(Ф
𝛥
Ф− 3){Ф
𝛥
Ф−4) 
𝛥𝛿
120} 
𝐿
𝑛
=
Ф
∆Ф
[∆𝑏 + (
Ф
∆Ф
− 1)] {
∆𝛿
2
+ (
Ф
∆Ф
− 2)(
∆𝛿
6
(
Ф
∆Ф
− 3 {
Ф
∆Ф
− 4)
∆𝛿
120
}}
где: 
𝙻
𝑛
, обобщенная индуктивность статора и ротора.
Отклонение от оптимальной частоты тока ротора в сторону больших значений при 
неизменном моменте нагрузки ведет к увеличению входного тока инвертора, а, 
следовательно, к увеличению тока транзисторов. Если же частоту тока ротора уменьшить 
путем увеличения напряжения при заданных значениях частоты тока статора и момента 
нагрузки, то входной ток инвертора сначала уменьшается при возрастающем фазном токе, 
а потом резко увеличивается. Резкое увеличение входного тока инвертора при малых 
частотах тока ротора объясняется насыщением магнитной цепи двигателя. С учетом 
полученных данных рассчитываются минимальные потери мощности:
∆𝑃
Ʃ
= 𝑈
𝑅
𝑟
+𝐿
𝑟
𝜔−2𝐿
𝑟
𝜔
𝑟
𝜔
𝑛
+𝐿
𝑟
𝜔
𝑛
[𝑅
𝑟
𝑅
𝑆
−(𝜔
𝑆
−𝜔
𝑛
)𝜔
𝑆
(𝐿
𝑆
𝐿
𝑛
−𝐿
𝑛
)]
𝑅
𝑆
(
𝑃
𝑟
𝜔
𝑛
𝜔
𝑆
−𝑍
𝑝
𝜔
𝑛
𝑍
𝑝
𝑅
𝑟
) 𝑅
𝑟
+ ∆𝑃
𝑆
Таким образом, улучшение тягово-энергетических показателей асинхронного 
двигателя магистральных электровозов в переходных режимах возможно за счет более 
полного использования возможностей гибкого векторного управления, обеспечивающим 
снижение электрических потерь в тяговом асинхронном приводе во всем диапазоне рабочей 
мощности.