Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010, № 3 .Часть 3

Федеральное агентство по образованию 
 
Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
 
              65 лет Победы  
в Великой Отечественной войне 
 80 лет 
 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 3 
 
 
Часть 3 
 
 
 
 
 
 
Издательство ТулГУ 
Тула 2010 

ISSN 2071-6168 
 
УДК 62-83 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 
Ч. 3. 244 с. 
 
Рассматриваются научно-технические проблемы в области автоматизированного электропривода, теоретические основы электропривода, 
программные и технические средства технологического применения автоматизированного электропривода в машиностроении, нефтегазовой и оборонной промышленности, энерго- и ресурсосбережение средствами электропривода, вопросы подготовки и переподготовки инженерных и 
научных кадров по электроприводу.  
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, В.А. АЛФЕРОВ, И.А. БАТАНИНА, 
О.И. БОРИСКИН, 
В.И. ИВАНОВ, 
В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, 
А.Н. ЧУКОВ, Е.А. ФЕДОРОВА, А.А. ХАДАРЦЕВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), В.С Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), 
В.Б. Морозов (отв. секретарь), А.Е. Гвоздев, А.Н. Иноземцев, А.Б.  Копылов, 
Е.А. Макарецкий, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, П.Г. Сидоров, В.М. Степанов, 
А.А.Трещёв, С.С. Яковлев, А.С. Ямников 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
© Авторы научных статей, 2010 
© Издательство ТулГУ, 2010 

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
 
 
 
УДК 62-83:621/.69 
И.М. Васин, канд. техн. наук, ген. директор, (812) 369-92-45,  
giprokofiev@yandex.ru (Россия Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ СЭТ»), 
Л.Н. Токарев, д-р техн. наук, проф., зам. ген. директора, 
(812) 369-92-45, tokset@yandex.ru,  
(Россия Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ СЭТ»), 
Ю.П. Коськин, д-р техн. наук, проф., (812) 234-39-32,  
giprokofiev@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»), 
Г.И. Прокофьев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (812) 234-39-32,  
giprokofiev@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ») 
 
ОБ ОПТИМАЛЬНОЙ ЧАСТОТЕ НОМИНАЛЬНОГО  
НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ  
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ 
 
Представлены компьютерные модели и решение задачи об оптимальной частоте номинального напряжения для асинхронных частотно-регулируемых гребных 
электродвигателей судовых систем электродвижения. 
Ключевые слова: оптимальная частота номинального напряжения, асинхронные частотно-регулируемые гребные электродвигатели, системы электродвижения. 
 
Исходные положения 
В электроприводах [1, 2] и электроэнергетических системах различного назначения расширяется применение полностью управляемых полупроводниковых преобразователей, позволяющих улучшить массогабаритные показатели и управляемость, снизить вибрации, повысить КПД, 
создавать механизмы и установки нового типа [3, 4].  
Совершенствование преобразователей частоты сопровождается переводом судовых систем электродвижения (СЭД) на переменный ток с использованием, главным образом, асинхронных и синхронных гребных 
электродвигателей (ГЭД) [7, 8, 9]. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 3 

 
4

Применение преобразователей частоты (ПЧ) обеспечивает возможность использования в СЭД нестандартных значений напряжения и частоты [2], оптимизируя компоненты СЭД, например, по массогабаритным показателям. 
Проблеме оптимизации СЭД и судовых асинхронных двигателей 
посвящены работы [1, 3], но в них не рассматриваются новые возможности, обусловленные оптимальным совмещением электронных устройств и 
электромеханических преобразователей [4]. 
В СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ФГУП «ЦНИИ СЭТ» разработаны компьютерные модели, позволяющие оптимизировать СЭД, задаваясь номинальными значениями напряжения или тока. Модели включают системы известных уравнений и методики [5, 6], используемые в последовательности, 
обеспечивающей определение размеров активного ядра ГЭД при вариации 
обмоточных данных и технико-экономических показателей. 
Представленные в докладе результаты оптимизации асинхронных 
СЭД получены при допущении, что номинальные значения КПД 
 и коэффициента мощности 
 машины изменяются в зависимости от номинальной мощности 
 и числа полюсов 
 в соответствии с графиками  
рис. 1. 

 
Рис. 1. Результаты оптимизации асинхронных ГЭД 
 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 3 

 
6

при условии заданного и сохраняемого неизменным при вариации  и 
обмоточных данных номинального тока в статорной обмотке (модель 

). 
Модель 
 обеспечивает выполнение расчетных операций 
в следующей последовательности: 
1. Задаемся значениями номинальной мощности, номинального 
фазного напряжения, числа фаз, числа полюсов (главная варьируемая 
переменная) – по рис. 1 определяются значения номинальных 
 и 
; 
2. Задаемся числом 
 пазов на полюс и фазу и находим число пазов 
статора 
; 
3. Задаемся числом параллельных ветвей 
 и числом эффективных 
проводов в пазу 
, находим число витков 
 в фазе обмотки статора; 

4. По формуле 
 определяем номинальный ток 
статора и, задаваясь плотностью тока 
, находим сечение эффективного 
проводника. 
Считается, что все ГЭД выполняются с прямоугольными пазами в 
статоре и роторе; диаметр вала и величина воздушного зазора между статором и ротором отвечают требованиям по допускаемому эксцентриситету, зазор и параметры обмоток статора и ротора обеспечивают получение 
исходных значений  и 
. 
Машины имеют принудительное воздушное охлаждение с водяным 
воздухоохладителем. 
1. Задаемся величиной 
 - коэффициента заполнения паза 
статора медью (с учетом типа изоляции и технологии производства ГЭД) и 
находим площадь поперечного сечения, высоту и ширину паза статора; 

2. По заданным значениям 
 - номинальной синхронной частоты 
вращения ГЭД и 
 – определяем номинальную частоту тока; задаемся 

значениями 
, 
, 
, 
 и находим произведение где 
 - 
диаметр расточки статора, м;  
 - расчетная длина воздушного зазора, м;  - 

обмоточный коэффициент; 
 = 
; 
3.Для обычно используемых значений магнитной индукции 
 в 

зубцах статора находим значения коэффициента где 
,  - 
коэффициент заполнения сердечника ротора сталью и диаметр ; 

4. Находим длину 
, м; 

Актуальные вопросы автоматизированного электропривода 

 
7

5.Задаемся величиной магнитной индукции 
 в спинке статора и 
находим высоту 
 спинки статора при допущении, что суммарная длина 
пакетов стали 
 м; 
6.Определяем наружный диаметр сердечника статора, м; 
7.По известным формулам [6, стр. 198] находятся вылет 
 
обмотки статора, осевая длина 
 и объем 
 активного ядра: 

, м; 
, м3. 
8.Для различных значений 
, 
,  и других варьируемых 

переменных определяются значения 
 
В компьютерной модели с 
 все формулы и расчетные 
процедуры сохраняются, но меняется порядок их использования, начиная с 

п.4, где определяется напряжение 
. Во всех остальных 
пунктах 
, 
. 
 
4. Результаты компьютерного моделирования 
Рассмотрены варианты ГЭД мощностью 1; 5; 10; 15 и 20 МВт при 

частоте вращения 
 при изменении числа полюсов от  до , 

, 
, 
 и 
 – по рис. 1. 
Значения магнитных индукций в зазоре и в стали, плотности тока и 
линейные токовые нагрузки, а также другие варьируемые переменные и 
постоянные задавались в диапазонах изменения, допускаемых технологиями современного крупного электромашиностроения, значениями 
 и 

, а также допускаемыми нагревами. 
Получены кривые зависимости 
 от  для 
, представленные на рис. 3. 
На рис. 3 Кривая 1 – 
; кривая 2 – 
; кривая 3 – 

; кривая 4 – 
; кривая 5 – 
; кривая 6 – 

, 
; кривая 7 – 
, 
. 
Графики рис. 3, а также результаты большого числа других аналогичных расчетов показывают, что значения  и , соответствующие максимальным значениям 
, зависят от 
 и имеют значения (для 

): 
для 
 ; для 
 ; для 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 3 

 
8

 
 
Рис. 3. Зависимость 
 от числа полюсов и мощности 
 
Анализ показывает, что во всех рассмотренных вариантах СЭД наблюдаются несколько значений , при которых максимальные значения 
 
различаются между собой на 2…5 %, т.е. незначительно. Это свидетельствует о том, что при определении  целесообразно ориентирваться не на одно 
значение , а на несколько значений, как правило, два-три, расположенных 

рядом на графиках 
. 

Моделирование и анализ СЭД с 
 предполагают применение стержневых обмоток. В то же время наличие технологий, позво
ляющих применять 
, позволяет значительно повысить использование СЭД (кривые 6 и 7 на рис. 3 для 
). 
Анализ также показывает, что существуют предельные для заданных 
 значения 
, превышение которых характеризуется уменьшением 
использования активного объема ГЭД. 
 
5. Выводы 
Применение в СЭД частотно-регулируемых ГЭД требует решения 
задачи о подборе для них оптимальных значений частоты и напряжения. 
Разработанные в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ФГУП «ЦНИИ СЭД» компьютерные модели и методики обеспечивают оптимизацию систем электродви

Актуальные вопросы автоматизированного электропривода 

 
9

жения по массогабаритным показателям при заданных значениях КПД и 
коэффициента мощности. 
 
Список литературы 
 
1. Айзенштадт Е.Б., Паршиков В.А. К вопросу об определении оптимальной частоты тока в ГЭУ переменного тока: тр. ЦНИИ СЭТ, 1970. 
Вып. 1. С. 16-24. 
2. Беспалов В.Я. Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно-регулируемого электропривода. http: //escoecosys.narod.ru/2005_6/art104.pdf. 
3. Коськин Ю.П. Об оптимальной частоте для короткозамкнутых 
асинхронных двигателей //«Судовая электротехника и связь». 1958, №1.   
С. 27-42. 
4. Коськин Ю.П. Развитие электромеханики в теории и технологиях 
электромеханотроники //Изв. вузов. Электромеханика. 2008. №1. С. 11-20. 
5. Моделирование систем с транзисторными преобразователями и 
многофазными асинхронными машинами с учетом тепловых процессов. / 
А.Г. Воронцов [и др.] / Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2008. №7. С. 41-52. 
6. Проектирование электрических машин: учеб. пособие для вузов / 
Б.К. Копылов [и др.]; под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980, 496 с. 
7. Hodge C.G., Mattick D.J. The Electric Warship, Рart I-VI. Transactions JMarE. 1996-2001. Р. 108-113. 
8. Hodge C.G., Mattick D.J. The Electric Warship: Then, Now and Later, Converteam UK Ltd, JNEC-2008, Hamburg, Germany, April 2008. 
9. Little G.T., Young S.S., Newell J.M. The Electric Warship VII – The 
Reality // Journal of Marine Design and Operations. 2008, №B2, Р. 3-16. 
 
I. Vasin, L. Tokarev, Uy. Koskin, G. Prokofiev 
About optimum frequency of rated voltage for frequency-regulated electric motors of 
systems of electromovement 
The computer models and the solution of the nominal voltage optimal frequency for 
ship-electric engines systems asynchronous variable-speed electric propulsion are presented. 
Keywords: optimum frequency of rated voltage, asynchronous frequency-regulated 
rowing electric motors, electromovement systems. 
 
Получено 06.07.10 
 
 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 3 

 
10

УДК 62-83:621/.69 
Д.В. Волков, ассист., (8636) 22-20-36, siurgtu@itsinpi.ru, 
Ю.П. Сташинов, канд. техн. наук, доц., проф., (8636) 22-20-36, 
siurgtu@itsinpi.ru (Россия, Шахты, ШИ (Ф) ГОУ ВПО “ЮРГТУ” (НПИ)) 
 
ВЫРАВНИВАНИЕ НАГРУЗОК ДВИГАТЕЛЕЙ АСИНХРОННОГО 
ТЯГОВОГО ПРИВОДА ШАХТНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА 
 
Рассмотрены вопросы выравнивания нагрузок в тяговом приводе при использовании двигателей с жесткими механическими характеристиками. Предложена система автоматического выравнивания нагрузок и приведены результаты моделирования ее работы. 
Ключевые слова: нагрузки в тяговом приводе, двигатель с жесткими механическими характеристиками, моделирование. 
 
Одним из направлений совершенствования горно-шахтного оборудования является применение на шахтных электровозах асинхронного тягового привода, позволяющего повысить надежность работы электровоза и 
упростить его техническое обслуживание. Кроме того, применение современного тягового привода позволяет избавиться от таких недостатков традиционного привода с двигателями постоянного тока последовательного 
возбуждения, как потери в пусковом реостате (работа шахтного электровоза характеризуется частыми пусками и изменениями режима работы) и 
сложность поддержания постоянной скорости при работе с малой и отрицательной нагрузкой (отсутствует автоматический переход в тормозной 
режим). 
В то же время, применение асинхронного частотно-регулируемого 
привода встречает и ряд проблем, одной из которых является распределение тяговых усилий по ведущим осям. Для полного использования сцепной массы электровоза требуется, чтобы все ведущие оси развивали одинаковые тяговые усилия. На практике имеет место неравномерное 
распределение усилий, которое вызывается как различием механических 
характеристик самих двигателей, так и неравенством радиусов приведения, 
вызванным различным износом бандажей ведущих колес. Проблема обостряется при повышении жесткости механических характеристик тяговых 
двигателей, что является одной из целей применения асинхронного привода. 
Таким образом, необходимо принимать специальные меры для устранения неравномерности распределения тягового усилия. Для рассмотрения подобных мер удобно пользоваться тяговыми характеристиками ведущих осей, которые представляют собой механические характеристики 
двигателей, приведенные к линейному перемещению. 
Устранение разности тяговых усилий обычно производят путем 
воздействия на жесткости либо частоты вращения идеального холостого