Bulletin of scientific research results Bulletin of scientific research results Бюллетень результатов научных исследований 2223-9987 70300 10.20295/2223-9987-2023-3-100-113 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем Dynamic Modes Simulation of Synchronous Motor Vector Control Electric Drive Моделирование динамических режимов работы электроприводов с системой векторного управления синхронным двигателем https://orcid.org/0000-0002-1836-0923 Пугачев Александр Анатольевич Pugachev Aleksandr Anatolyevich alexander-pugachev@rambler.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 https://orcid.org/0000-0001-8915-0926 Чуприна Николай Валентинович Chuprina Nikolay Valentinovich nikochuprina212@yandex.ru Брянский государственный технический университет Bryansk State Technical University 26 09 2023 26 09 2023 2023 3 100 113 23 09 2023 https://izvestiapgups.editorum.ru/en/nauka/article/70300/view

Цель: Целью работы является сравнительная оценка динамических процессов в электроприводах с системой векторного управления синхронными двигателями с постоянными магнитами и различными методами модуляции напряжения статора. Для достижения этой цели приведено математическое описание синхронного двигателя во вращающейся системе координат dq, разработана математическая модель системы векторного управления. В модели системы векторного управления учтена развязка контуров регулирования тока статора, предложены два варианта формирования задания на ток по оси d, обеспечивающего эффективность процессов преобразования энергии при частотах вращения ниже номинального значения, в зависимости от конструкции ротора двигателя. Приведены алгоритмы скалярной широтно-импульсной и пространственно-векторной модуляции напряжения статора двигателя для преобразователя частоты с двухуровневым автономным инвертором напряжения. Методы: При разработке математических моделей и алгоритмов использованы методы теории электропривода и теории автоматического управления. Разработанные математические модели и алгоритмы реализованы в программном комплексе Matlab Simulink. Результаты: Приведены результаты моделирования динамических процессов в электроприводах (механические характеристики, токи статора, коэффициент гармонических искажений тока статора), которые показали работоспособность разработанных моделей и алгоритмов. Практическая значимость: Выбор типа модуляции не оказывает влияния на механические характеристики электропривода, но влияет на гармонический состав тока статора. Наибольший эффект от применения алгоритмов пространственно-векторной модуляции проявляется при пониженных значениях частоты тока статора и частичных нагрузках на валу ротора.

Purpose: The purpose of the work is a comparative assessment of dynamic processes in electric drives with a vector control system for permanent magnets synchronous motors and various methods of stator voltage modulation. To achieve this purpose, a mathematical description of a synchronous motor in a rotating dq coordinate system is given, and a mathematical model of a vector control system is developed. The model of the vector control system takes into account the decoupling of stator current control loops and proposes two options for generating a current reference along the d-axis, ensuring the efficiency of energy conversion processes at rotation speeds below the nominal value, depending on the design of the motor rotor. Algorithms for scalar pulse-width and space-vector modulation of motor stator voltage for a frequency converter with a two-level autonomous voltage inverter are presented. Methods: When developing mathematical models and algorithms, methods from the theory of electric drive and the theory of automatic control have been used. The developed mathematical models and algorithms are implemented in the Matlab Simulink software package. Results: The results of modeling dynamic processes in electric drives (mechanical characteristics, stator currents, stator current total harmonic distortion) are presented, which have shown the performance of the developed models and algorithms. Practical significance: The choice of modulation type does not affect the mechanical characteristics of the electric drive, but does affect the harmonic composition of the stator current. The greatest effect from the use of space-vector modulation algorithms is manifested at reduced values of the frequency of the stator current and partial load torque on the rotor shaft.

 Cинхронные двигатели постоянные магниты модуляция коэффициент гармонических искажений векторное управление математическое моделирование Synchronous motors permanent magnets modulation total harmonic distortion vector control simulation

Колпахчьян П. Г. Особенности управления синхронными тяговыми двигателями с постоянными магнитами на роторе на электроподвижном составе / П. Г. Колпахчьян, М. С. Подберезная, А. Р. Шайхиев // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2018. - № 2(70). - С. 132-137. Kolpahch'yan P. G. Osobennosti upravleniya sinhronnymi tyagovymi dvigatelyami s postoyannymi magnitami na rotore na elektropodvizhnom sostave / P. G. Kolpahch'yan, M. S. Podbereznaya, A. R. Shayhiev // Vestnik Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putey soobscheniya. - 2018. - № 2(70). - S. 132-137. Бурков А. Т. Системы управления тяговым приводом современных локомотивов / А. Т. Бурков, О. С. Валинский, А. М. Евстафьев и др. // Электротехника. - 2019. - № 10. - С. 33-36. Burkov A. T. Sistemy upravleniya tyagovym privodom sovremennyh lokomotivov / A. T. Burkov, O. S. Valinskiy, A. M. Evstaf'ev i dr. // Elektrotehnika. - 2019. - № 10. - S. 33-36. Космодамианский А. С. Система управления тягового электропривода с контролем температуры теплонагруженных элементов / А. С. Космодамианский, Л. М. Клячко, В. И. Воробьев и др. // Электротехника. - 2014. - № 8. - С. 38-43. Kosmodamianskiy A. S. Sistema upravleniya tyagovogo elektroprivoda s kontrolem temperatury teplonagruzhennyh elementov / A. S. Kosmodamianskiy, L. M. Klyachko, V. I. Vorob'ev i dr. // Elektrotehnika. - 2014. - № 8. - S. 38-43. Quan H. Study of a novel over-modulation technique based on space-vector PWM / H. Quan, Z. Gang, C. Jie et al. // IEEE Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring (CDCIEM). - 2011. - Pp. 295-298. - DOI: 10.1109/CDCIEM.2011.187. Quan H. Study of a novel over-modulation technique based on space-vector PWM / H. Quan, Z. Gang, C. Jie et al. // IEEE Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring (CDCIEM). - 2011. - Pp. 295-298. - DOI: 10.1109/CDCIEM.2011.187. Leedy A. W. Harmonic analysis of a space vector PWM inverter using the method of multiple pulses / A. W. Leedy, R. M. Nelms // IEEE Transactions on Industrial Electronics, July 2006. - Vol. 4. - Pp. 1182-1187. - DOI: 10.1109/ISIE.2006.295805. Leedy A. W. Harmonic analysis of a space vector PWM inverter using the method of multiple pulses / A. W. Leedy, R. M. Nelms // IEEE Transactions on Industrial Electronics, July 2006. - Vol. 4. - Pp. 1182-1187. - DOI: 10.1109/ISIE.2006.295805. Kumar K. V. Simulation and comparison of SPWM and SVPWM control for three phase inverter / K. V. Kumar, P. A. Michael, J. P. John et al. // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, July 2010. - Vol. 5. - Iss. 7. - Pp. 61-74. Kumar K. V. Simulation and comparison of SPWM and SVPWM control for three phase inverter / K. V. Kumar, P. A. Michael, J. P. John et al. // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, July 2010. - Vol. 5. - Iss. 7. - Pp. 61-74. Sabarad J. Comparative analysis of SVPWM and SPWM techniques for multilevel inverter / J. Sabarad, G. H. Kulkami // International Conference on Power and Advanced Control Engineering (ICPACE). - 2015. - DOI: 10.1109/ICPACE.2015.7274949. Sabarad J. Comparative analysis of SVPWM and SPWM techniques for multilevel inverter / J. Sabarad, G. H. Kulkami // International Conference on Power and Advanced Control Engineering (ICPACE). - 2015. - DOI: 10.1109/ICPACE.2015.7274949. Чуприна Н. В. Моделирование системы векторного управления тяговым синхронным двигателем с постоянными магнитами / Н. В. Чуприна, А. А. Пугачев // Электротехнические системы и комплексы. - 2022. - № 2(55). - С. 10-17. - DOI: 10.18503/2311-8318-2022-2(55)-10-17. Chuprina N. V. Modelirovanie sistemy vektornogo upravleniya tyagovym sinhronnym dvigatelem s postoyannymi magnitami / N. V. Chuprina, A. A. Pugachev // Elektrotehnicheskie sistemy i kompleksy. - 2022. - № 2(55). - S. 10-17. - DOI: 10.18503/2311-8318-2022-2(55)-10-17. Dutta C. Comparison between conventional and loss d-q model of PMSM / C. Dutta, S. M. Tripathi // International Conference on Emerging Trends in Electrical Electronics & Sustainable Energy Systems (ICETEESES), Sultanpur, India. - 2016. - Pp. 256-260. - DOI: 10.1109/ICETEESES.2016.7581370. Dutta C. Comparison between conventional and loss d-q model of PMSM / C. Dutta, S. M. Tripathi // International Conference on Emerging Trends in Electrical Electronics & Sustainable Energy Systems (ICETEESES), Sultanpur, India. - 2016. - Pp. 256-260. - DOI: 10.1109/ICETEESES.2016.7581370. Chen X. A High-Fidelity and Computationally Efficient Model for Interior Permanent-Magnet Machines Considering the Magnetic Saturation, Spatial Harmonics, and Iron Loss Effect / X. Chen, J. Wang, B. Sen et al. // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2015. - Vol. 62. - Iss. 7. - Pp. 4044-4055. - DOI: 10.1109/TIE.2014.2388200. Chen X. A High-Fidelity and Computationally Efficient Model for Interior Permanent-Magnet Machines Considering the Magnetic Saturation, Spatial Harmonics, and Iron Loss Effect / X. Chen, J. Wang, B. Sen et al. // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2015. - Vol. 62. - Iss. 7. - Pp. 4044-4055. - DOI: 10.1109/TIE.2014.2388200. Анучин А. С. Системы управления электроприводов / А. С. Анучин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2015. - 373 с. Anuchin A. S. Sistemy upravleniya elektroprivodov / A. S. Anuchin. - M.: Izdatel'skiy dom MEI, 2015. - 373 s.