CC BY
3
УДК 621.31; 621.313.33
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-132-139
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА КОМПОНЕНТА УПРАВЛЯЕМОГО АСИНХРОННОГО КАСКАДНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА
В.Ю. Карандей, В.Л. Афанасьев
Произведено исследование изменения электромагнитных параметров при изменении положения ротора. Проведен анализ сложностей при проектировании электрических приводов различных конструкций и его компонентов. Рассмотрены методики расчета и оптимизации электромагнитных параметров. Представлена методика определения магнитных параметров компонента, управляемого асинхронного каскадного электрического привода при изменении положения ротора.
Ключевые слова: специальный электрический привод, управляемый асинхронный каскадный электрический привод, преобразование энергии, математическое моделирование, электромагнитное поле, электромагнитная система.
Большой сложностью при проектировании [1-2] электрических приводов [3-4] различных конструкций [5-6] является расчет электромагнитных параметров [7-8] для привода в целом [9-10] и его компонентов [11-12]. Необходимо применять сложный математический аппарат [13-14], аналитические и численные методы расчета [15-16], методы математического моделирования [17-18], методы оптимизации [19-20] для определения электромагнитных параметров [21-22] и исследования изменения электромагнитных параметров при изменении положения вала электропривода [23-24]. Большой сложностью является определение электромагнитных параметров при изменении положения ротора относительно статора [25-26], так как происходит постоянное и непрерывное изменение электромагнитных параметров [27-28], в частности магнитных сопротивлений. Предлагается новый подход к определению магнитных параметров для подвижной системы координат [29-30]. Приведен пример определения магнитных параметров типового электрического двигателя АИР63А4У3.
Определение магнитных сопротивлений статора. При изменении положения ротора происходит постоянное изменение величины магнитных параметров в частности магнитных сопротивлений участков магнитной системы электрической машины таких как: зубцовая зона статора и ротора, а также воздушного зазора (рис. 1 - 3). Нам удалось получить расчетные формулы, позволяющие определить магнитные сопротивления при изменении положения ротора.
Магнитные сопротивления находятся по следующей зависимости:
я/)=- -¿V, (1)
где Яз^ - общее магнитное сопротивление воздушного зазора /-ой катушки при (к)-ом угле сдвига оси поля ротора относительно оси поля статора; п— коэффициент для каждого сопротивления.
Коэффициент п показывает изменение магнитного сопротивления. В табл. 1 (рис. 4) приведены значения коэффициента для всех катушек и всех положений оси поля ротора относительно оси поля статора.
Произведем расчет магнитных сопротивлений по представленной формуле выше, с использованием коэффициента п представленного в табл. 1
Пример расчета значений магнитных сопротивлений для нулевого положения
ротора:
Я(0) =---^-= 2.287 • 105 Ом;
з 1 410 "7 3.5 • 0.03615 • 0.055
яз 2 ■ 2 0.1
4- ж-10" -7 2.5 • 0.03615 -0.055
яз 3 ■ 2 0,001
4- ж-10" -7 3.5- 0.03615 -0.055
яЗ? 2 0.001
4- ж-10" 7 2.5- 0.03615 - 0.055
яз0^ 2 0.001
4- ж-10" 7 3.5- 0.03615 - 0.055
Кз 6 2 0,001
4- ж-10" 7 2.5- 0.03615 - 0.055
яз 7 2 0.001
4- ж-10" 7 3.5- 0.03615 - 0.055
яз 8 2 0.001
4- ж-10" 7 2.5- 0.03615 - 0.055
з 9 2 0.001
4 ж-10" 7 3.5 0.03615 - 0.055
яз 10 2 0.001
4 ж 10 "7 2.5 -0.03615 -0.055
я(0) яз11 2 0.001
4 ж 10 7 3.5 -0.03615 0.055
з12 2 0.001
4 ж 10 "7 2.5 -0.03615 -0.055
= 3.202-105 Ом;
= 2.287-105 Ом;
= 3.202-105 Ом
= 2.287-105 Ом
= 3.202-105 Ом;
= 2.287-105 Ом;
= 3.202-105 Ом;
= 2.287-105 Ом
= 3.202-105 Ом
= 2.287-105 Ом
= 3.202-105 Ом.
Рис. 1. Угол поворота ротора 0 градусов Рис. 2. Угол поворота ротора 6 градусов Значение магнитных сопротивлений для угла поворота ротора 6 градуса:
(6) =
з 1 =
(6) =
з 2 =
2
0.1
я (6) =
яз 3 =
4 ж-10 "7 3.538-0.03615 -0.055
2 0.001
4 ж-10 "7 2.4619 -0.03615 -0.055
2 0.001
= 2.263 -105 Ом;
= 3.253 -105 Ом;
4 .„ ,10 "7 3.5377-0.03615-0.055 133
= 2.263 105 Ом;
кз 4
о(6) _
кз 5 _
К(6) кз 6
К(6) кз 7
К(6) кз 8
К(6). кз 9 ■
лз 10
о(6) Аз11
лз 12
0.001
4 - ж-10" 7 2.4622 0.03615 - 0.055
2 0.001
4 - ж-10" 7 3.5377- 0.03615- 0.055
2 0.001
4 - ж-10" 7 2.4622 0.03615 - 0.055
2 0.001
4 - ж-10" 7 3.538-0.03615-0.055
2 0.001
4 - ж-10" 7 2.4619 - 0.03615 - 0.055
2 0.001
4 - ж-10" 7 3.5374 0.03615- 0.055
2 0.001
4 -ж-10" "7 2.4616 -0.03615 0.055
2 0.001
4 -ж-10" 7 3.5377 -0.03615 -0.055
2 0.001
_ 3.251-105 Ом;
_ 2.263 -105 Ом;
_ 3.251-105 Ом;
_ 2.263 -105 Ом;
_ 3.253 -105 Ом;
_ 2.263 -105 Ом;
_ 3.253 -105 Ом;
_ 2.263 -105 Ом;
4-Ж-10"7 2.4616-0.03615-0.055
_3.253 -105 Ом.
Рис. 3. Угол поворота ротора 12 градусов Значение коэффициента п (начало)
Таблица 1
Угол поворота оси Номер катушки
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0 3,5 2,5 3,5 2,5 3,5 2,5 3,5 2,5 3,5 2,5 3,5 2,5
1,5 3,539 2,461 3,538 2,462 3,538 2,461 3,538 2,461 3,537 2,461 3,538 2,461
3 3,539 2,462 3,538 2,462 3,538 2,461 3,538 2,460 3,537 2,461 3,537 2,461
4,5 3,539 2,461 3,538 2,462 3,538 2,461 3,538 2,461 3,537 2,461 3,538 2,461
6 3,538 2,461 3,537 2,462 3,537 2,462 3,538 2,461 3,537 2,461 3,537 2,461
2
Таблица 1
Значение коэффициента п (окончание)_
Угол поворота оси Номе р катушки
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
7,5 3,539 2,462 3,538 2,462 3,538 2,461 3,537 2,461 3,537 2,461 3,538 2,461
9 3,539 2,461 3,538 2,462 3,538 2,462 3,538 2,461 3,537 2,461 3,537 2,462
10,5 3,538 2,462 3,538 2,462 3,538 2,461 3,538 2,461 3,537 2,461 3,538 2,461
12 3,538 2,461 3,538 2,462 3,538 2,462 3,538 2,461 3,537 2,461 3,5372 2,4614
13,5 3,538 2,4622 3,5385 2,4619 3,538 2,461 3,5377 2,461 3,5377 2,461 3,538 2,461
15 3,500 2,5 3,502 2,5 3,500 2,5 3,499 2,5 3,500 2,5 3,4995 2,5
16,5 3,462 2,538 3,462 2,538 3,462 2,538 3,462 2,537 3,462 2,537 3,462 2,538
18 3,462 2,538 3,462 2,538 3,461 2,538 3,461 2,538 3,461 2,53 3,461 2,537
19,5 3,463 2,538 3,462 2,538 3,461 2,538 3,461 2,538 3,461 2,537 3,461 2,538
21 3,459 2,535 3,458 2,538 3,463 2,538 3,464 2,538 3,4641 2,539 3,4603 2,538
22,5 3,462 2,538 3,462 2,538 3,462 2,538 3,4622 2,5377 3,4616 2,538 3,4619 2,538
24 3,461 2,535 3,46 2,536 3,462 2,539 3,467 2,541 3,4639 2,539 3,460 2,537
25,5 3,463 2,537 3,462 2,538 3,461 2,538 3,461 2,537 3,4616 2,536 3,461 2,538
27 3,461 2,535 3,458 2,536 3,462 2,538 3,465 2,539 3,463 2,538 3,460 2,537
28,5 3,449 2,528 3,454 2,532 3,466 2,542 3,475 2,547 3,4697 2,543 3,456 2,534
30 3,5 3,15 3,5 2,5 3,5 2,5 3,5 2,5 3,5 2,5 3,5 2,5
31,5 3,539 2,461 3,538 2,462 3,538 2,461 3,538 2,461 1,5377 2,461 3,538 2,461
33 3,539 2,462 3,538 2,462 3,538 2,461 3,538 2,460 3,5377 2,461 3,537 2,461
Рис. 4. График изменения коэффициента п для каждой катушки в зависимости от угла поворота ротора
Расчет магнитных сопротивлений ротора. Произведен расчёт магнитных сопротивлений от обмотки ротора асинхронного двигателя. Магнитное сопротивление ярма ротора и зубцовой зоны ротора для соответствующих катушек останутся прежними. Также останутся без изменения и магнитные сопротивления ярма статора и зубцовой зоны статора для соответствующих катушек.
При повороте ротора изменится величина магнитного сопротивления воздушного зазора по следующей зависимости:
Я( *) = 8
31 М0 П Ь зс 1 м '
135
где - общее магнитное сопротивление воздушного зазора /-ой катушки при (к)-ом угле сдвига оси поля ротора относительно оси поля статора; п— коэффициент для каждого сопротивления.
В рассматриваемом типе двигателя обмотка ротора выполнена по типу беличьей клетки. Токи в данной типе обмотки распределяются по полюсам
л
Рис. 4. Распределение токов в обмотке ротора
Так как в рассматриваемом электрическом двигателе используется симметричная обмотка статора, а обмотка ротора выполнена по типу беличьей клетки, это предполагает, что количество катушек обмотки ротора будет равно количеству полюсов сформированных обмоткой статора. Поэтому в данном электрическом двигателе коэффициент n будет постоянным и равен 6. Произведем расчет для данного значения:
д(28.5) =-1--0001- = 16.435-104 Ом.
4-ж-10~7 6-0.01468-0.055
Заключение. Предложенный подход к определению магнитных параметров позволит правильно производить оптимизационные задачи [9] при создании специальных типов электрических приводов и реализовывать предложенные алгоритмы в общепромышленных устройствах управления технологическими процессами [10].
Список литературы
1. Козярук А.Е. Современные эффективные электроприводы производственных и транспортных механизмов. Электротехника, 2019. № 3. С. 33-37.
2. Лот Н.С., Осипов О.И., Жидков А.М. Перспективы развития электроприводов шахтных подъёмных установок. Приводы и компоненты машин, 2016. № 6 (22). С. 9-12.
3. Samoseiko V.F., Saushev A.V., Belousova N.V. Asynchronous motor control algorithm with parameter identification. Proceedings - 2019 International Ural Conference on Electrical Power Engineering, UralCon 2019, 2019. P. 284-289. doi: 10.1109/URALC0N.2019.8877625.
4. Malafeev S.I., Zakharov A.V., Safronenkov Y.A. A new series of asynchronous frequency-controlled motors for mining excavators. Russian Electrical Engineering, 2019. Vol. 90. № 4. P. 299-303. DOI: 10.3103/S1068371219040060.
5. Egorov A V, Komkov A N, Malinovskaya G N 2016 On the issue of interaction of electric drives as a part of the electrical system. Territory neftegaz 2. P. 106-112.
136
6. Karandey V.Yu., Popov B.K., Popova O.B., Afanasyev V.L. Research of electromagnetic parameters for improvement of efficiency of special electric drives and components. 5th International Conference on Power Generation Systems and Renewable Energy Technologies. Publisher: IEEE, 2019. P. 69-74. DOI: 10.1109/PGSRET.2019.8882689.
7. Бабанова И.С., Жуковский Ю.Л., Королев Н.А. Управление режимами работы электроприводного агрегата на основе нейросетевого диагностирования и оценки технического состояния. Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2018. № 1-2. С. 26-36.
8. Karandey V.Yu., Popova O.B., Popov B.K., Afanasyev V.L. Research dynamics of change of electromagnetic parameters of controlled special electric drives. International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon-2019). Publisher: IEEE, 2019. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934751.
9. Karandey V.Yu., Popov B.K., Popova O.B., Afanasyev V.L. Optimization of parameters of special asynchronous electric drives. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2018. Vol. 327. DOI:10.1088/1757-899X/327/5/052002.
10. Karandey V.Yu., Popov B.K., Popova O.B., Afanasyev V.L. Research of Optimal Geometry and Characteristics of Special Electric Drives Using Optimization Methods. International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon-2020). Publisher: IEEE, 2020. (20256548). DOI: 10.1109/FarEastCon50210.2020.9271553.
11. Anuchin A., Aliamkin D., Lashkevich M., Zharkov A., Shpak D., Briz F. Current control of ac drives using shunt current sensors and delta-sigma modulation. Proceedings: IECON 2018 - 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2019. 44. P. 445-449. DOI: 10.1109/IETON.2018.8591705.
12. Богданов Д.Ю., Кравченко О.А. Математическая модель электромеханических стендов обезвешивания с учетом силовых взаимодейстий в радиальной конструкции // Электротехнические системы и комплексы. 2018. № 1 (38). С. 26-32.
13. Александров Е.В. Алгоритмы оптимального управления асинхронным двух-двигательным электроприводом оружия зенитного комплекса. / Александров Е.В., Чудаков Д.Д., Мизарев С.М., Тимонин Е.А. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 4. С. 378-390.
14. Шпиганович А.Н. Тепловизионный контроль электродвигателей. / Шпигано-вич А.Н., Пушница К.А., Мамонтов А.Н., Телегин В.В. Вести высших учебных заведений Черноземья. 2019. № 2 (56). С. 36-47.
15. Власьевский С.В., Малышева О.А., Мельниченко О.В. Сравнение расчетных сил тяги по сцеплению электровозов переменного тока с асинхронным и коллекторным приводом. Электроника и электрооборудование транспорта, 2018. № 5. С. 30-36.
16. Даньшина А.А., Кравченко О.А., Бекин А.Б. Методы и способы совершенствования электромеханических систем силокомпенсирующих манипуляторов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2021. Т. 64. № 1. С. 69-76.
17. Blagodarov D.A., Safonov Y.M., Grigorian D.D., Khramshin V.R. Limiting dynamic loads of electric drive with flexible couplings and variable inertia moment. Proceedings of the 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2018, 2018. P. 582-584. DOI: 10.1109/EIConRus.2018.8317165.
18. Ахметгаряев Р.Т., Андреев Н.К. Прямое управление моментом в электроприводе скважинных штанговых насосных установок // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. № 9-10. С. 100-104.
19. Корнилов В.Ю., Цветков А.Н., Мухаметшин А.И. Исследование процесса электромагнитного преобразования энергии в асинхронном двигателе с комбинированной двухслойной обмоткой // Нелинейный мир. 2017. № 6. С. 33-39.
20. Karandey V.Yu., Popov B.K., Afanasev V.L. Research of change of parameters of a magnetic flux of the stator and rotor of special electric drives. IEEE International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon-2018), 2018. DOI: 10.1109/FarEastCon.2018.8602911.
21. Бабокин Г.И., Готовцева В.А. Математическая модель энергосберегающего безредукторного электропривода скребкового конвейера // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 12. С. 12-17.
22. Karandey V.Yu., Popov B.K., Popova O.B., Afanasyev V.L. Determination of electromagnetic parameters for improvement ofefficiency of special electric drives. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2019. Vol. 560. DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012164.
23. Alekseev V.V., Emel'yanov A.P., Kozyaruk A.E. Analysis of the dynamic performance of a variable-frequency induction motor drive using various control structures and algorithms. Russian Electrical Engineering, 2016. Vol. 87, № 4. P. 181-188. DOI: 10.3103/S1068371216040027.
24. Karandey V.Yu., Popov B.K., Popova O.B., Afanasyev V.L. Research of electrical power processes for optimum modeling and design of special electric drives. Advances in Engineering Research, 2018. Vol. 157. P. 242-247. DOI: 10.2991/aime-18.2018.47.
25. Воробьев В.В., Ефромеев А.Г., Макаров Н.Н., Огурцов А.А. Идентификация и синтез следящего привода с бесконтактным моментным двигателем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 307316.
26. Karandey V.Yu., Afanasyev V.L. Aspects of Calculating the Magnetic Parameters of Controlled Special Electric Drives. International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon-2020) 6-9 Oct. 2020, Publisher: IEEE, (20256232), Doi: 10.1109/FarEastCon50210.2020.9271112.
27. Томасов В.С., Усольцев А.А., Вертегел Д.А., Денисов К.М. Исследование пульсаций электромагнитного момента в прецизионном сервоприводе при синусоидальной широтно-импульсной модуляции. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2019. Т. 19, № 2. С. 359-368.
28. Гуляев А.В., Фокин Д.С., Тен Е.Е., Малышева О.А. Определение влияния способов широтно-импульсной модуляции на потери мощности в асинхронном двигателе. Электротехника, 2018. № 9. С. 74-76.
29. Karandey V.Yu., Popov B.K., Popova O.B., Afanasyev V.L. Research and analysis of force and moment of the cascade asynchronous electric drives. International conference on innovations and prospects of development of mining machinery and electrical engineering 2018 (IPDME 2018). IOP conference series: earth and environmental science, 2018. Vol. 194. № 5. DOI: 10.1088/1755-1315/194/5/052009.
30. Karandey V.Yu., Popov B.K., Popova O.B., Afanasyev V.L. Determination of power and moment on shaft of special asynchronous electric drives, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2018. Vol. 327. DOI:10.1088/1757-899X/327/5/052003.
Карандей Владимир Юрьевич, канд техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, epp_kvy@mail.ru, Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет,
Афанасьев Виктор Леонидович, старший преподаватель, buguvix@mail.ru, Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет
RESEARCH OF CHANGES IN ELECTROMAGNETIC PARAMETERS WHEN POSITION OF A ROTOR OF A CONTROLLED ASYNCHRONOUS CASCADE ELECTRIC DRIVE
COMPONENT IS CHANGED
V.Yu. Karandey, V.L. Afanasiev
A research was made of changes in electromagnetic parameters when changing the position of the rotor. The analysis of difficulties in the design of electric drives of various designs and its components is carried out. Methods for calculating and
optimizing electromagnetic parameters are considered. A technique for determining the magnetic parameters of a component of a controlled asynchronous cascade electric drive with a change in the position of the rotor is presented.
Key words: special electric drive, controlled asynchronous cascade electric drive, energy conversion, mathematical modeling, electromagnetic field, electromagnetic system.
Karandey Vladimir Yurievich, candidate of technical sciences, docent, epp_kvy@mail.ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University,
Afanasiev Viktor Leonidovich, senior lecturer, buguvix@mail.ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University
