Розробка математичних моделей процесів перетворення енергії в асинхронному двигуні при живленні від автономного асинхронного генератора з параметричною несиметрією

Автор(и)

  • Володимир Віталійович Ченчевой Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, Україна https://orcid.org/0000-0002-6478-3767
  • Valeriy Kuznetsov Railway Research Institute, Польща https://orcid.org/0000-0003-4165-1056
  • Vitaliy Kuznetsov Національна металургійна академія України, Україна https://orcid.org/0000-0002-8169-4598
  • Ольга Олександрівна Ченчева Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, Україна https://orcid.org/0000-0002-8826-3248
  • Юрій Володимирович Зачепа Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, Україна https://orcid.org/0000-0003-4364-6904
  • Олексій Петрович Чорний Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, Україна https://orcid.org/0000-0001-8270-3284
  • Максим Анатолійович Ковзель Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0001-5720-1186
  • Віктор Леонідович Коваленко Запорізький національний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-5950-4412
  • Микола Олександрович Баб'як Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Україна https://orcid.org/0000-0001-5125-9133
  • Сергій Андрійович Левченко Запорізький національний університет, Україна https://orcid.org/0000-0003-2947-3963

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.239146

Ключові слова:

асинхронний генератор, асинхронний двигун, математична модель, годограф, теплова модель, регресійний аналіз

Анотація

Представлені дослідження системи «асинхронний генератор-асинхронний двигун» з параметричною несиметрією на математичній моделі для визначення якості генерованої електроенергії в навантажувальних режимах роботи. Розроблено математичну модель системи «асинхронний генератор-асинхронний двигун» з урахуванням втрат в сталі і параметричної несиметрії. Виконано аналіз перехідних характеристик асинхронного генератора при підключенні двигунного навантаження при симетричних і несиметричних режимах роботи. Представлені результати зміни основних характеристик асинхронного двигуна при різному ступені параметричної несиметрії в генераторі. Якість генерованої електроенергії аналізувалася на основі розрахунків коефіцієнтів несиметрії для кожного з режимів роботи. Оцінка теплового стану в сталих режимах виконана з використанням еквівалентної теплової схеми заміщення. Досліджено теплові перехідні процеси при пуску асинхронного двигуна від автономного джерела енергії на базі асинхронного генератора. На тепловій математичній моделі проведено дослідження впливу несиметрії вихідної напруги на нагрів підключеного асинхронного двигуна. Показано, що несиметрія вихідної напруги асинхронного генератора досягає 3–10 % і викликає перегрів обмоток понад допустимих величин. Розроблено регресійну модель для досліджень умов роботи асинхронного двигуна при живленні від асинхронного генератора з несиметрією обмоток статора. Використання отриманих рівнянь дозволить визначати найбільш раціональне поєднання чинників, що впливають на нагрів статорних обмоток асинхронних машин, при яких вони не будуть перегріватися більше гранично допустимих значень температури відповідних класів ізоляції

Спонсор дослідження

  • The results were obtained within the project co-funded by the Polish National Agency for Academic Exchanges (PPN/BUA/2019/1/00016/U/00001).

Біографії авторів

Володимир Віталійович Ченчевой, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра систем автоматичного управління і електроприводу

Valeriy Kuznetsov, Railway Research Institute

Doctor of Technical Sciences, Professor

Electric Power Department

Vitaliy Kuznetsov, Національна металургійна академія України

Кандидат технических наук, доцент

Кафедра електричної інженерії

Ольга Олександрівна Ченчева, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра охорони праці, цивільної та промислової безпеки

Юрій Володимирович Зачепа, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра систем автоматичного управління та електроприводу

Олексій Петрович Чорний, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

Доктор технічних наук, професор

Кафедра систем автоматичного управління і електроприводу

Максим Анатолійович Ковзель, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова Національної академії наук України

Кандидат технічних наук, доцент

Віктор Леонідович Коваленко, Запорізький національний університет

Доктор технічних наук, професор

Кафедрa електротехніки та енергоефективності

Микола Олександрович Баб'як, Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра транспортних технологій

Сергій Андрійович Левченко, Запорізький національний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедрa еектротехніки та енергоефективність

Посилання

  1. Chornyi, O. P., Zachepa, I. V., Mazurenko, L. I., Buryakovskiy, S. G., Chenchevoi, V. V., Zachepa, N. V. (2020). Local autonomous sources of energy supply for emergencies. Tekhnichna Elektrodynamika, 5, 45–48. doi: http://doi.org/10.15407/techned2020.05.045
  2. Chenchevoi, V., Zachepa, I., Chornyi, O., Zachepa, N., Ogar, V., Shokarov, D. (2018). The Formed Autonomous Source for Power Supply of Single-Phase Consumers on the Basis of the Three-Phase Asynchronous Generator. 2018 IEEE 3rd International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS), 110–115. doi: http://doi.org/10.1109/ieps.2018.8559522
  3. Kitsis, S. I. (2003). Asinkhronnye samovozbuzhdaiuschiesia generatory. Moscow: Energoatomizdat, 327. Available at: https://search.rsl.ru/ru/record/01002391609
  4. Toroptsev, N. D. (2004). Asinkhronnye generatory dlia avtonomnykh elektroenergeticheskikh ustanovok. Moscow: NTF «Energoprogress», 87. Available at: https://knigogid.ru/books/1844853-asinhronnye-generatory-dlya-avtonomnyh-elektroenergeticheskih-ustanovok
  5. Üçtuǧ, Y., Demirekler, M. (1988). Modelling, analysis and control of a wind-turbine driven self-excited induction generator. IEE Proceedings C Generation, Transmission and Distribution, 135 (4), 268–275. doi: http://doi.org/10.1049/ip-c.1988.0037
  6. Hallenius, K.-E., Vas, P., Brown, J. E. (1991). The analysis of a saturated self-excited asynchronous generator. IEEE Transactions on Energy Conversion, 6 (2), 336–345. doi: http://doi.org/10.1109/60.79641
  7. Abbou, A., Barara, M., Ouchatti, A., Akhenaz, M., Mahmoudi, H. (2013). Capacitance required analysis for self-excited induction generator. Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 55 (3). Available at: https://www.researchgate.net/publication/287702318_Capacitance_required_analysis_for_self-excited_induction_generateur
  8. Simoes, M. G., Farret, F. A. (2004). Renewable Energy Systems: Design and Analysis with Induction Generators. London: CRC Press, 358. Available at: https://searchworks.stanford.edu/view/5660475
  9. Zagirnyak, M., Mamchur, D., Kalinov, A. (2014). A comparison of informative value of motor current and power spectra for the tasks of induction motor diagnostics. 2014 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, 540–545. doi: http://doi.org/10.1109/epepemc.2014.6980549
  10. Zagirnyak, M., Kalinov, A., Melnykov, V. (2017). Variable-frequency electric drive with a function of compensation for induction motor asymmetry. 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON). Kyiv, 338–344. doi: http://doi.org/10.1109/ukrcon.2017.8100505
  11. Kuznetsova, Y., Kuznetsov, V., Tryputen, M., Kuznetsova, A., Tryputen, M., Babyak, M. (2019). Development and Verification of Dynamic Electromagnetic Model of Asynchronous Motor Operating in Terms of Poor-Quality Electric Power. 2019 IEEE International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES), 350–353. doi: http://doi.org/10.1109/mees.2019.8896598
  12. Zagirnyak, M., Melnykov, V., Kalinov, A. (2019). The review of methods and systems of fault-tolerant control of variable-frequency electric drives. Przeglad Elektrotechniczny, 95 (1), 141–144. doi: http://doi.org/10.15199/48.2019.01.36
  13. Melnykov, V., Kalinov, A. (2012). The increasing of energy characteristics of vector-controlled electric drives by means of compensation the induction motor parametrical asymmetry. Technical Electrodynamics, 3, 85–86. Available at: http://previous.techned.org.ua/2012_3/st40.pdf
  14. Zagirnyak, M., Kalinov, A., Chumachova, A. (2013). Correction of operating condition of a variable-frequency electric drive with a non-linear and asymmetric induction motor. Eurocon 2013. Zagreb, 1033–1037. doi: http://doi.org/10.1109/eurocon.2013.6625108
  15. Razgildeev, G., Khramtsov, R. (2005). Issledovanie raboty asinkhronnogo generatora na individualnuiu set sredstvami imitatsionnogo modelirovaniia Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 1, 84–87. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-raboty-asinhronnogo-generatora-na-individualnuyu-set-sredstvami-imitatsionnogo-modelirovaniya
  16. Kim, C.-W., Jang, G.-H., Seo, S.-W., You, D.-J., Choi, J.-Y. (2020). Experimental verification and analysis of temperature characteristics of induction generator considering stator loss distribution. AIP Advances, 10 (1), 015139. doi: http://doi.org/10.1063/1.5130023
  17. Refoufi, L., Bentarzi, H., Dekhandji, F. Z. (2006). Voltage Unbalance Effects on Induction Motor Performance. Proceedings of the 6th WSEAS International Conference on Simulation, Modelling and Optimization. Lisbonm 112–117. Available at: https://www.academia.edu/3284729/Voltage_Unbalance_Effects_on_Induction_Motor_Performance
  18. Adouni, A., J. Marques Cardoso, A. (2020). Thermal Analysis of Low-Power Three-Phase Induction Motors Operating under Voltage Unbalance and Inter-Turn Short Circuit Faults. Machines, 9 (1), 2. doi: http://doi.org/10.3390/machines9010002
  19. Zagirnyak, M., Kalinov, A., Melnykov, V., Stakhiv, P. (2016). Fault-tolerant control of an induction motor with broken stator electric circuit. 2016 Electric Power Networks (EPNet). doi: http://doi.org/10.1109/epnet.2016.7999372
  20. Kuznetsov, V., Tryputen, M., Tytiuk, V., Rozhnenko, Z., Levchenko, S., Kuznetsov, V. (2021). Modeling of thermal process in the energy system “Electrical network – asynchronous motor.” E3S Web of Conferences, 280, 05003. doi: http://doi.org/10.1051/e3sconf/202128005003
  21. Fedorov, M., Ivchenkov, N., Tkachenko, A. (2013). Osobennosti teplovogo sostoianiya asinkhronnykh dvigatelei pri nesimmetrii pitaiuschego napriazheniya. Nauchniy vestnik Donbasskoi gosudarstvennoi mashinostroitelnoi akademiyi, 1, 164–170. Available at: http://nbuv.gov.ua/UJRN/nvdgma_2013_1_25
  22. Pinchuk, O., Kutkovoi, I. (2009). Otsenka teplovogo sostoianiya asinkhronnogo dvigatelia po dannym kontrolia tokov statora pri nesimmetriyi pitaiuschego napriazheniya. Naukovі pratsі Donetskogo natsіonalnogo tekhnіchnogo unіversitetu. Serіia: Elektrotekhnіka і energetika, 9 (158), 100–196. Available at: http://ea.donntu.org:8080/bitstream/123456789/5008/1/Art_34_190.pdf
  23. Pustovetov, M., Sinyavskiy, I. (2011). On dynamics of thermal processes in induction motor under supply voltage unbalance. Vestnik of Don State Technical University, 11 (8-1), 1227–1237. Available at: https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/download/849/844
  24. Zagirnyak, M., Chenchevoi, V., Ogar, V., Yatsiuk, R. (2020). Refining induction machine characteristics at high saturation of steel. Przeglad Elektrotechniczny, 96 (11), 119–123. doi: http://doi.org/10.15199/48.2020.11.24
  25. Kuznetsov. V., Nikolenko, A. (2015). Models of operating asynchronous engines at poor-quality electricity. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (8 (73)), 37–42. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.36755
  26. Zagirnyak, M., Prus, V., Rodkin, D., Zachepa, I., Chenchevoi, V. (2019). A refined method for the calculation of steel losses at alternating current. Archives of Electrical Engineering, 68 (2), 295–308. doi: http://doi.org/10.24425/aee.2019.128269
  27. Lv, X., Sun, D., Sun, L. (2019). Determination of Iron Loss Coefficients of Ferromagnetic Materials Used in Cryogenic Motors. 2019 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). doi: http://doi.org/10.1109/icems.2019.8922160
  28. Liu, G., Liu, M., Zhang, Y., Wang, H., Gerada, C. (2020). High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor Iron Loss Calculation Method Considering Multiphysics Factors. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67 (7), 5360–5368. doi: http://doi.org/10.1109/tie.2019.2934075
  29. Iakimov, V. V. (1996). Problemy ucheta poter v stali pri raschete perekhodnykh protsessov v elektricheskikh mashinakh peremennogo toka. Tez. dokl. II Mezhdunarodnoi konferentsii po elektromekhanike i elektrotekhnologii, CHast 1. Krym, 172–174.
  30. Iakimov, V. V., Shestakov, A. V. (1997). Uchet poter v stali v sinkhronnykh mashinakh. Elektrotekhnika i energetika. Kirov, 2, 49−52.
  31. Nedelcu, S., Ritchie, E., Leban, K., Ghita, C., Trifu, I. (2013). Iron losses evaluation in soft magnetic materials with a sinusoidal voltage supply. 2013 8th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE). doi: http://doi.org/10.1109/atee.2013.6563461
  32. Ionel, D. M., Popescu, M., McGilp, M. I., Miller, T. J. E., Dellinger, S. J., Heideman, R. J. (2007). Computation of Core Losses in Electrical Machines Using Improved Models for Laminated Steel. IEEE Transactions on Industry Applications, 43 (6), 1554–1564. doi: http://doi.org/10.1109/tia.2007.908159
  33. Qiu, Y., Zhang, W., Cao, M., Feng, Y., Infield, D. (2015). An Electro-Thermal Analysis of a Variable-Speed Doubly-Fed Induction Generator in a Wind Turbine. Energies, 8 (5), 3386–3402. doi: http://doi.org/10.3390/en8053386
  34. Hodgins, N., Mueller, M. A., Tease, W. K., Staton, D. (2010). Thermal model of an induction generator in oscillating water column wave energy converter. 5th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2010). doi: http://doi.org/10.1049/cp.2010.0020
  35. Stephen Ejiofor, O., Justin, U., Damian Benneth, N., Uche, O. (2019). Development and thermal modeling of an induction machine. International Journal of Engineering & Technology, 8 (4), 500–508. doi: http://doi.org/10.14419/ijet.v8i4.29727
  36. Badran, O., Sarhan, H., Alomour, B. (2012). Thermal Performance Analysis of Induction Motor. International Journal of Heat and Technology, 30 (1), 75–88.
  37. Shreiner, R. T., Kostylev, A. V., Krivoviaz, V. K., Shilin, S. I. (2008). Elektromekhanicheskie i teplovye rezhimy asinkhronnykh dvigatelei v sistemakh chastotnogo regulirovaniia. Ekaterinburg: GOU VPO “RGPPU”, 361. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21333083
  38. Chenchevoi, V., Romashykhin, I., Romashykhina, Z. I., Al-Mashakbeh, A. S. (2017). Analysis of the special features of the thermal process in an induction generator at high saturation of the magnetic system. Electrical Engineering & Electromechanics, 3, 16–18. doi: http://doi.org/10.20998/2074-272x.2017.3.02
  39. Tryputen, N., Kuznetsov, V., Kuznetsova, Y. (2019). About the Possibility of Researching the Optimal Automatic Control System on a Physical Model of a Thermal Object. 2019 IEEE 2nd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), 1244–1248. doi: http://doi.org/10.1109/ukrcon.2019.8879830
  40. Aarniovuori, L., Lindh, P., Karkkainen, H., Niemela, M., Pyrhonen, J., Cao, W. (2019). Analytical Evaluation of High-Efficiency Induction Motor Losses. 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). San Diego, 1501–1507. doi: http://doi.org/10.1109/iemdc.2019.8785380
  41. EN 50160-2010 (2010). Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution networks. Available at: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/clc/18a86a7c-e08e-405e-88cb-8a24e5fedde5/en-50160-2010#:~:text=CLC%2FTC%208X-,Voltage%20characteristics%20of%20electricity%20supplied%20by%20public%20electricity%20networks,networks%20under%20normal%20operating%20conditions
  42. GOST 13109–97 Elektricheskaia energiia. Sovmestimost tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaia. Normy kachestva elektricheskoi energii v sistemakh elektrosnabzheniia obschego naznacheniia (1999). Minsk: BelGISS, 31. Available at: http://odz.gov.ua/lean_pro/standardization/files/elektromagnitnaja_sovmestimost_2014_03_11_1.pdf
  43. GOST 30804.4.7-2013. Sovmestimost tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaia. Obschee rukovodstvo po sredstvam izmerenii i izmereniyam garmonik i intergarmonik dlia sistem elektrosnabzheniia i podkliuchaemykh k nim tekhnicheskikh sredstv (2013). Moscow: Standartinform. Available at: https://shop.znak.store/gost/oks-33/oks-33-100/oks-33-100-10/gost-30804472013-iec-61000472009-sovmestimost-tehnicheskih-sredstv-elektromagnitnaya-obshee-rukovodstvo-po-sredstvam-izmerenij-i-izmereniyam-garmonik-i-intergarmonik-dlya-sistem-elektrosnabzheniya-i-p
  44. Sistemy elektricheskoi izoliatsiyi. Otsenka nagrevostoikosti i klassifikatsiya: GOST 8865-93 (1993). Kyiv: Gosstandart Ukrainy, 14.
  45. Adler, Iu. P., Markova, E. V., Granovskii, Iu. V. (1976). Planirovanie eksperimenta pri poiske optimalnykh usloviy. Moscow: Nauka, 279.
  46. Borovikov, V. (2003). STATISTICA. Iskusstvo analiza dannykh na kompiutere: Dlia professionalov. Saint Petersburg: Piter, 688.
  47. Chenchevoi, V., Zachepa, I., Chornyi, O., Chencheva, O., Yatsiuk, R. (2020). Electric Power Quality Induction Generator with Parametric Asymmetry. 2020 IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), 504–508. doi: http://doi.org/10.1109/khpiweek51551.2020.9250097

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-08-31

Як цитувати

Ченчевой, В. В., Kuznetsov, V. ., Kuznetsov, V., Ченчева, О. О., Зачепа, Ю. В., Чорний, О. П., Ковзель, М. А., Коваленко, В. Л., Баб’як, М. О., & Левченко, С. А. (2021). Розробка математичних моделей процесів перетворення енергії в асинхронному двигуні при живленні від автономного асинхронного генератора з параметричною несиметрією . Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(8(112), 67–82. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.239146

Номер

Том 4 № 8(112) (2021): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Volodymyr Chenchevoi, Valeriy Kuznetsov, Vitaliy Kuznetsov, Olga Chencheva, Iurii Zachepa, Oleksii Chornyi, Maksim Kovzel, Viktor Kovalenko, Mykola Babyak, Serhii Levchenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.