CC BY
2
УДК 621.31; 621.313.33
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-573-574
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СПЕЦИАЛЬНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ
В.Ю. Карандей, В.Л. Афанасьев, Ю.Ю. Карандей
В статье представлено исследование изменения электромагнитных параметров специальных асинхронных электрических приводов. Был проведен анализ полученных результатов. Объектом исследования были специальные электрические приводов с асинхронными двигателями цилиндрической конструкции. Исследуемые специальные электрические приводы обладают улучшенными массогабаритными и энергетическими показатели за счет конструкционных особенностей и используемых систем управления. Для различных отраслей промышленности применение электрических приводов с улученными характеристиками является актуальной задачей. Для моделирования и проектирования специальных электроприводов необходимо создавать новые подходы для определения электромагнитных параметров или производить существенную корректировку существующих подходов. На основе предложенной математической модели электромагнитной системы, представленной в виде совокупности электромагнитов, были определены электромагнитных параметры исследуемых электроприводов. Анализ проведенного исследования показывает, что полученное решение позволит улучшить эффективность специальных электроприводов, применяемых в сложных технологических процессах различных отраслей промышленности.
Ключевые слова: специальный электрический привод, управляемый асинхронный каскадный электрический привод, преобразование энергии, математическое моделирование, электромагнитное поле, электромагнитная система.
Решению задач по созданию новых электротехнических [1-2] и электромеханических систем [3-4] и конструкций [5-6] уделяется довольное большое количество времени и ресурсов. Для этого применяются методы математического моделирования [78], оптимизации [9-10], вычислительные комплексы [11-12] с новыми алгоритмами поиска оптимальных решений [13-14]. Для создания специальных электрических приводов [15-16] для различных отраслей промышленности [17-18] необходимо решить задачи по определению параметров и динамики изменения таких систем [19-20]. Это такие параметры, как: магнитная индукция [21-22], электромагнитный поток [23-24], напряженность электромагнитного поля, усилие [25-26], электромагнитный момент на валу [27-28] и мощности [29-30] специальных электрических приводов.
Математическое моделирование, проектирование и создание специальных типов электрических приводов [24] требует существенной корректировки существующих методов расчета или создания новых подходов [25-26] с разработкой элементов системы автоматизированного проектирования [27-28].
Определение электромагнитных параметров для улучшения эффективности специальных электроприводов. Задача определения электромагнитных параметров специальных электрических приводов решена с применением методов электромагнитного преобразования энергии, закона Ома для магнитной цепи и принципа наложения. Такой подход позволяет получить аналитические выражения для нахождения магнитных сопротивлений исследуемых специальных электрических приводов.
На примере математической модели управляемого каскадного асинхронного электрического привода с двигателями малой мощности получены аналитические выражения магнитных сопротивлений заданных участков электромагнитной системы. Магнитный поток равен:
Ф = -, (1)
где Ф - магнитный поток электрической машины; I - ток, протекающий по статору; н - количество витков; Яц - магнитное сопротивление электрической машины. Магнитное сопротивление равно:
1 1 (2)
"- = в..
где Оц - магнитная проводимость; I - длина силовой линии на участке; £ - площадь, через которую протекает магнитный поток; ц - магнитная проницаемость данного участка; ц0 - относительная магнитная проницаемость.
Величина магнитного сопротивления на участке ярма статора равна:
жВ В - В - 2Н
ср с ^ 2 СР с зс
Я =-
2 р
.0.
В,. - В - 2Нс,
2
¡8
(3)
где В - внутренний диаметр статора; Вср с - средняя длина силовой магнитной линии; В, - внешний диаметр статора; ¡з - расчетная длина магнитопровода; Изс - высота зубца статора; р - количество полюсов.
Я = 73440 Ом.
Магнитное сопротивление участка зубцовой части статора равно:
Я- =■ ^
(4)
где Ъзс, - ширина зубца статора; у - число зубцов на катушку (шаг обмотки).
Результаты вычисления магнитных сопротивлений участка зубцовой части ста тора для различных углов поворота представлены в табл. 1.
Магнитное сопротивление зубцовой части статора
Таблица 1
Язс [Ом] Угол поворота°
0 а 2а 3а 4а 5а 6а 7а 8а 9а 10а
1 4627 4639 4639 4631 4643 4651 4639 4815 4655 4607 4627
2 4631 4635 4635 4631 4815 4815 4627 4663 4651 4651 4631
3 4627 4696 4815 4627 4651 4655 4635 4651 4651 4651 4627
4 4631 4635 4643 4631 4651 4651 4631 4651 4655 4815 4631
5 4611 4631 4623 431 4651 4651 4802 4651 4651 4651 4611
6 4643 4631 4631 4815 4767 4651 4647 4655 4651 4651 4643
7 4734 4806 4631 4659 4655 4755 4635 4655 4651 4651 4734
8 4627 4639 4627 4639 4651 4655 4639 468 4815 4647 4627
9 4635 4639 4635 4643 4659 4815 4643 4667 4651 4659 4635
Магнитное сопротивление воздушного зазора равно:
28
(5)
.оЪзс у8
где 3 - ширина зубца статора.
Результаты вычисления магнитных сопротивлений воздушного зазора для различных углов поворота представлены в табл. 2.
Магнитное сопротивление воздушного зазора
Таблица 2
Яз [Ом] Угол поворота°
0 а 2а 3а 4а 5а 6а 7а 8а 9а 10а
1 505400 50680 506800 505900 507200 508100 506800 526000 508500 503300 505400
2 505900 506300 506300 505900 526000 526000 505400 509400 508100 508100 505900
3 505400 513000 526000 505400 508100 508500 50630 508100 508100 508100 505400
4 505900 506300 507200 505900 508100 508100 505900 508100 508500 526000 505900
5 503700 505900 505000 505900 508100 508100 524600 508100 508100 508100 503700
6 507200 505900 505900 526000 520800 508100 507600 508500 508100 508100 507200
7 517100 525000 505900 509000 508500 519400 506300 508500 508100 508100 517100
8 505400 506800 505400 506800 508100 508500 506800 511200 526000 507600 505400
9 506300 506800 506300 507200 509000 526000 507200 509900 508100 509000 506300
Магнитное сопротивление зубцовой части ротора равно:
я = 4 . (6)
где Пзр - количество зубцов ротора; в - относительный шаг; И3р - высота зубца ротора; Ьзр - ширина зубца ротора.
Результаты вычисления магнитных сопротивлений зубцовой части ротора для различных углов поворота представлены в табл. 3.
Таблица 3
Магнитное сопротивление зубцовой части ротора_
Язр [Ом] Угол поворота°
0 а 2а 3а 4а 5а 6а 7а 8а 9а 10а
1 2432 2858 3455 4376 5949 9286 21600 1866 1866 2111 2432
2 2611 2608 2608 2608 2595 2241 1977 2423 2598 2598 2611
3 2611 2700 2322 2034 1866 1866 2063 2598 2598 2598 2611
4 2094 1866 1866 2008 2275 2641 2608 2598 2598 2598 2094
5 1955 2212 2562 2611 2598 2598 2611 2142 1895 1895 1955
6 2618 2608 2608 2604 2595 2595 2473 1895 2145 2145 2618
7 2611 2608 2611 2562 2207 1945 1866 2598 2598 2598 2611
8 2655 2283 2004 1866 1866 2081 2389 2598 2598 2598 2655
9 1866 1866 2034 2316 26900 2598 2819 2598 2348 2348 1866
10 2245 2601 2614 2618 2598 2598 2611 1866 1866 1866 2245
11 2611 2608 2585 2611 2628 2423 2118 2174 2506 2506 2611
12 36200 29700 2518 2181 19200 1866 1923 10580 6434 6434 36200
Магнитное сопротивление ярма ротора равно:
2 Р
срр + ( - 2Н - Б
зр ср р
Яр = 2-
(7)
где (в - диаметр вала; ( - диаметр ротора.
Яр = 3556 Ом
Результаты вычисления магнитного потока от одной катушечной группы для различных углов поворота представлены в табл. 4.
Магнитный поток от одной катушечной группы
Таблица 4
Фкг [Вб] Угол поворота°
0 а 2а 3а 4а 5а
1.046 • 10-4 1.041 • 10-4 1.043 • 10-4 1.042 • 10-4 1.035 • 10-4 1.027 • 10-4
6а 7а 8а 9а 10а
1.014 • 10-4 1.029 • 10-4 1.036 • 10-4 1.037 • 10-4 1.045 • 10-4
Рис. 1. Распределение электромагнитного поля при повороте трехфазной системы
на угол а = 0°
575
ах=0,03282Э6381 672343
¡ЙШЯШаГ
Рис. 2. Распределение электромагнитного поля при повороте трехфазной системы
на угол а = 1,8°
>х=В,033229339448471 5
Рис. 3. Распределение электромагнитного поля при повороте трехфазной системы
на угол а = 9°
Рис. 4. Распределение электромагнитного поля при повороте трехфазной системы
на угол а = 23,4°
Вычисления по формулам (1-7) можно производить для любого угла поворота ротора относительно статора и для любого момента времени поворота трехфазной системы напряжений. Это позволяет определять значения мгновенного усилия на валу привода и соответствующего мгновенного момента, действующего на вал, за полный оборот ротора относительно статора специальных электроприводов. Для более точного
576
определения этих параметров необходимо знать картину реального значения магнитного потока для определения величины максимальной магнитной индукции.
На рис. 1 - 4 представлены картины реального распределения магнитного потока, полученного в результате работы собственных программных продуктов.
Заключение. Проведенный анализ показал, что определение электромагнитных параметров специальных электроприводов с асинхронными двигателями цилиндрической конструкции наиболее целесообразным проводить с применением методов электромагнитного преобразования энергии, закона Ома для магнитной цепи и принципа наложения, дающих хорошее совпадение расчета с экспериментальными данными. Проведенное исследование позволяет довольно точно определять параметры электромагнитной системы, как в статике, так и в динамике. Разработанное программное обеспечение позволяет определить картину реального значения магнитного потока и величину максимальной магнитной индукции, необходимых для расчета усилия, момента, электромеханических и механических характеристик. Полученное решение позволит повысить эффективность специальных электрических приводов и конструировать электроприводы с оптимальными мас-согабаритными и энергетическими параметрами для различных отраслей промышленности.
Список литературы
1. Козярук A.E. Современные эффективные электроприводы производственных и транспортных механизмов. Электротехника. 2G19. № 3. С. 33-37.
2. Osipov O.I. Problems of implementation and adjustment of the modern electric drives. Osipov O.I. Russian Electrical Engineering. 2G15. Т. 8б. № 1. P. 5-8.
3. Bласьевский CB. Сравнение расчетных сил тяги по сцеплению электровозов переменного тока с асинхронным и коллекторным приводом. Bласьевский QB., Малышева ОА., Мельниченко ОЗ. Электроника и электрооборудование транспорта. 2G18. № 5. С. 3G-36.
4. Гуляев A.B. Определение влияния способов широтно-импульсной модуляции на потери мощности в асинхронном двигателе. Гуляев A.B., Фокин Д.С., Тен Е.Е., Малышева ОА. Электротехника. 2G18. № 9. С. 74-7б.
5. Aхметгаряев Р.Т. Прямое управление моментом в электроприводе скважинных штанговых насосных установок. Aхметгаряев Р.Т., Aндреев Н.К. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2G11. № 9-1G. С. 1GG-1G4.
6. Петроченков A^. Функции эффективности для основного электротехнического оборудования предприятий минерально-сырьевой отрасли. // Электротехника. 2G15, № 11. С. 15-2G.
7. Karandaev A.S. Force limiting at roll axial shifting of plate mill. Karandaev A.S., Gasiyarov V.R., Loginov B.M., Khramshin V.R.: Procedia Engineering Сер. "International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2G17" 2G17. pp. 178G-1786.
8. Исаев Д.М. Технологические требования к электроприводу тянущего устройства машины непрерывного литья заготовок горизонтального типа. Исаев Д.М., Боровик A.A., Осипов О.И. Приводы и компоненты машин. 2G13. № 5-б (9). С. 2-5.
9. Климаш B.C, Соколовский МА. Повышение эффективности комплекса электроприводов технологического оборудования горноперерабатывающего предприятия. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2G21. № 2. С. 575-581.
1G. Лот Н.С., Осипов О.И., Жидков AM. Перспективы развития электроприводов шахтных подъёмных установок. // Приводы и компоненты машин. 2G16, № б (22). С. 9-12.
11. Егоров A.B., Комков A.H., Малиновская Г.Н. К вопросу о взаимном влиянии электроприводов в составе электротехнической системы. // Территория нефтегаз. 2G16, № 2. С. Шб-112.
12. Khrisanov V.I. The marine electrical power industry with the use of renewable energy carriers. Part 2. Axial multipole synchronous generators with permanent magnets for wind and wave offshore power plants Khrisanov V.I., Dmitriev B.F. Russian Electrical Engineering. 2016. Т. 87. № 10. pp. 554-559.
13. Blagodarov D.A. Limiting dynamic loads of electric drive with flexible couplings and variable inertia moment. Blagodarov D.A., Safonov Y.M., Grigorian D.D., Khramshin V.R.: Proceedings of the 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2018 2018. pp. 582-584.
14. Власов А.Б. Стенд для испытаний асинхронных электродвигателей. Русов О.А., Мухалев В.А., Власов А.Б., Ремезовский В.М. Патент на полезную модель RU 178653 U1, 16.04.2018. Заявка № 2017114732 от 26.04.2017.
15. Али салама А.А., Андреев Н.К. Исследование эффективности работы пропорционально-интегрального и нейросетевого регуляторов при косвенном векторном управлении асинхронным двигателем по модели потока статора. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012, № 3-4. С. 101-108.
16. Имаев Д.Х. Топологический синтез селективно-инвариантных систем управления. Имаев Д.Х., Шестопалов М.Ю., Квашнин С.В. Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ.
2019. № 7. С. 41-50.
17. Ким К.К., Иванов С.Н. Моделирование комбинированного электропривода. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2019. Т. 62. № 3. С. 44-50.
18. Даньшина А.А. Методы и способы совершенствования электромеханических систем силокомпенсирующих манипуляторов. / Даньшина А.А., Кравченко О.А., Бекин А.Б. Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2021. Т. 64. № 1. С. 69-76.
19. Дерюжкова Н.Е., Соловьев В.А., Тетерин В.В., Урасов Д.В. Сравнительная оценка классических и нечетких алгоритмов управления системой электропривода многоточечного формования изделий двойной кривизны // Омский научный вестник.
2020. № 2 (170). С. 52-57.
20. Gizatullin F.A. Features of electric drive sucker rod pumps for oil production. Gizatullin F.A., Khakimyanov M.I., Khusainov F.F.: Journal of Physics: Conference Series 11. Сер. "XI International Scientific and Technical Conference "Applied Mechanics and Dynamics Systems"" 2018. 012039.
21. Mamunts D.G. Development of an automated system for managing and optimizing management decisions in the design, organization and production of dredging. Mamunts D.G., Morozov S.A., Gaskarov V.D., Saushev A.V., Tsvetkov Y.N. В сборнике: Proceedings of the 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2018 2018. pp. 73-76.
22. Байрамкулов К.Н.А., Астахов В.И. Расчет магнитного поля в среде с неоднородными и анизотропными свойствами на основе электрической цепи кирхгофа. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2010, № 1. С. 3-11.
23. 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.
24. Анучин А.С., Ханова Ю.М., Гуляев И.В. Разработка метода быстрого и точного моделирования электроприводов. // Промышленная энергетика. 2016. № 4. С. 28-33.
25. Andreev A.N. Asynchronous motor direct torque control system based on measuring of electric machine magnetic field Andreev A.N., Andreev M.A., Shatkov A.P., Kolesnichenko N.M.: Modern informatization problems in simulation and social technologies Proceedings of the XXII-th International Open Science Conference. Editor in Chief O.Ja. Kravets. 2017. pp. 124-129.
26. Андреев А.Н. Непосредственное управление моментом в асинхронном электроприводе на основе измерения магнитной индукции в воздушном зазоре Андреев
А.Н., Андреев М.А., Колесниченко Д.А., Шатков А.П. Системы управления и информационные технологии. 2017. Т. 68. № 2. С. 78-81.
27. Karandey V.Yu. Research of change of parameters of a magnetic flux of the stator and rotor of special electric drives. Karandey V.Yu., Popov B.K., Afanasev V.L.: 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) Vladivostok, Russia, 2018. pp. 8602911, Publisher: IEEE, DOI: 10.1109/FarEastCon.2018.8602911.
28. Karandey V.Yu. Research of electrical power processes for optimum modeling and design of special electric drives. Karandey V.Yu., Popov B.K., Popova O.B., Afanasev V.L.: Advances in Engineering Research conference proceedings. 2018. pp. 242-247.
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,
Карандей Юрий Юрьевич, аспирант, kyy1479@mail.ru, Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет
RESEARCH OF CHANGE OF ELECTROMAGNETIC PARAMETERS OF SPECIAL ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVES
V.Yu. Karandey, V.L. Afanasiev, Yu.Yu. Karandey
The article presents a research of the change in electromagnetic parameters of special asynchronous electric drives. The results were analyzed. The object of the study was special electric drives with asynchronous motors of cylindrical design. Special electric drives under investigation have improved weight and dimensions and power indicators due to design features and used control systems. For various industries, the use of electric drives with improved characteristics is an urgent task. To model and design special electric drives, it is necessary to create new approaches for determining electromagnetic parameters or to make significant adjustments to existing approaches. Based on the proposed mathematical model of the electromagnetic system, presented in the form of a set of electromagnets, electromagnetic parameters of the studied electric drives were determined. Analysis of the study shows that the obtained solution will improve the efficiency of special electric drives used in complex technological processes of various industries.
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, head of the department, epp_kvy@mail.ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University,
Afanasiev Viktor Leonidovich, senior lecturer, buguvix@mail.ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University,
Karandey Yuriy Yurievich, postgraduate, kyy1479@,mail.ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University
