Розробка математичної моделі асинхронного двигуна транспортної енергетичної установки з урахуванням процесів магнітного насичення

Автор(и)

  • Дмитро Олександрович Кулагін Національний університет «Запорізька політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0003-3610-4250
  • Ігор Захарович Маслов Дунайський інститут Національного університету «Одеська морська академія», Україна https://orcid.org/0000-0003-1759-6077

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.345066

Ключові слова:

асинхронний двигун, енергетична установка, математична модель, електромагнітні процеси, динамічні індуктивності

Анотація

Об’єктом дослідження є електромагнітні та електромеханічні процеси тягового асинхронного двигуна. Проблема полягає у відсутності універсальної математичної моделі потужного асинхронного двигуна, яка б ураховувала насичення магнітних кіл, крос-насичення та втрати в сталі. Така модель потрібна для адекватного опису перехідних режимів в умовах експлуатації суднових енергетичних установок. Суть отриманих результатів полягає у створенні системи рівнянь, що описують електромагнітні та електромеханічні процеси в тяговому асинхронному двигуні з урахуванням насичення магнітного кола. Модель містить чотири диференціальні та два алгебраїчні рівняння, що забезпечують повну керованість динамікою машини на лінійних і нелінійних ділянках характеристики намагнічування. Завдяки використанню методу динамічних індуктивностей у моделі враховано взаємозв’язок потоків і струмів у різних осях координат, а також нелінійні зміни параметрів індуктивності під впливом магнітного насичення. Саме ці особливості забезпечили можливість точного відтворення реальних фізичних процесів у двигуні, що підтверджено стендовою верифікацією на основі суднової енергетичної установки Caterpillar 3516. Пояснюються результати використанням узагальненої просторової моделі та динамічних індуктивностей, які відображають змінність магнітного стану двигуна при різних режимах навантаження. Розроблена модель може бути використана під час синтезу систем автоматичного керування, аналізу перехідних процесів, діагностики стану електроприводів та оптимізації енергетичних установок. Її практичне застосування можливе за умов забезпечення стабільного теплового режиму двигуна, наявності достовірних експериментальних даних для ідентифікації параметрів насичення

Біографії авторів

Дмитро Олександрович Кулагін, Національний університет «Запорізька політехніка»

Доктор технічних наук, професор

Кафедра електропостачання промислових підприємств

Ігор Захарович Маслов, Дунайський інститут Національного університету «Одеська морська академія»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра суднових енергетичних установок та систем

Посилання

  1. Maslov, I., Tymoshchuk, O., Kulagin, D. (2025). Determining the causes of major energy losses in a ship’s unified AC power system. Modern Automotive Industry, Transport And Road Infrastructure ’2024 (MAITRI2024), 3428, 020021. https://doi.org/10.1063/12.0038611
  2. Kulagin, D., Maslov, I. (2024). Mathematical Model of Electromagnetic Transients of a Frequency-Controlled Propeller’s Induction Motor. 2024 IEEE 5th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), 1–5. https://doi.org/10.1109/khpiweek61434.2024.10877991
  3. Kulahin, D. O. (2016). Rolling electrical complex on the basis of the criterion of minimizing the area under the curve of motion. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2, 60–67. Available at: https://nvngu.in.ua/index.php/en/archive/on-the-issues/1214-2016/contents-no-2-2016/electrical-complexes-and-systems/3396-rolling-electrical-complex-on-the-basis-of-the-criterion-of-minimizing-the-area-under-the-curve-of-motion
  4. Kulagin, D. O. (2014). The mathematical model of asynchronous traction motor taking into account the saturation of magnetic circuits. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 6, 103–110. Available at: https://nvngu.in.ua/index.php/en/archive/on-the-issues/1012-2014/contents-no-6-2014/electrical-complexes-and-systems/2867-the-mathematical-model-of-asynchronous-traction-motor-taking-into-account-the-saturation-of-magnetic-circuits
  5. Kulagin, D. O. (2014). Mathematical model of asynchronous traction motor taking into account the saturation. Technical Electrodynamics, 6, 49–55. Available at: https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1126/1001
  6. Konuhova, M. (2024). Modeling of Induction Motor Direct Starting with and without Considering Current Displacement in Slot. Applied Sciences, 14 (20), 9230. https://doi.org/10.3390/app14209230
  7. Gupta, V. K., Samanta, P., Sahay, P. K., Srinivas, V. L. (2025). From Conveyor Belts to Crushers: A Review on Radial and Axial Flux Induction Motor Advances and Applications in Industrial Mining Operations. 2025 IEEE 1st International Conference on Smart and Sustainable Developments in Electrical Engineering (SSDEE), 01–06. https://doi.org/10.1109/ssdee64538.2025.10968154
  8. Chen, H., Bi, C., Li, S., Peng, Z., Chen, Z. (2024). New Approach to Improve Starting Performance of Induction Motor Based on Optimal Starting Frequency. IEEE Access, 12, 136515–136523. https://doi.org/10.1109/access.2024.3463424
  9. Larabee, J., Pellegrino, B., Flick, B. (2005). Induction Motor Starting Methods and Issues. Record of Conference Papers Industry Applications Society 52nd Annual Petroleum and Chemical Industry Conference, 217–222. https://doi.org/10.1109/pcicon.2005.1524557
  10. Park, D.-H., Song, C.-H., Won, Y.-J., Park, J.-C., Kim, H.-S., Park, H.-R. et al. (2024). Magnetizing Inductance Estimation Method of Induction Motor for EV Traction Considering Magnetic Saturation Changes According to Current and Slip Frequency. IEEE Transactions on Magnetics, 60 (9), 1–5. https://doi.org/10.1109/tmag.2024.3426663
  11. Masadeh, M. A., Amitkumar, K. S., Pillay, P. (2018). Power Electronic Converter-Based Induction Motor Emulator Including Main and Leakage Flux Saturation. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 4 (2), 483–493. https://doi.org/10.1109/tte.2018.2824619
  12. Accetta, A., Alonge, F., Cirrincione, M., D’Ippolito, F., Pucci, M., Sferlazza, A. (2017). GA-based off-line parameter estimation of the induction motor model including magnetic saturation and iron losses. 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2420–2426. https://doi.org/10.1109/ecce.2017.8096466
  13. Zhang, Y., Baig, S., Vahabzadeh, T., Jatskevich, J. (2022). Maximum Efficiency Volts-per-Hertz Control of Induction Motor Drives Considering Core Losses, Saturation, and Inverter Losses. 2022 International Conference on Electrical, Computer and Energy Technologies (ICECET), 1–7. https://doi.org/10.1109/icecet55527.2022.9872679
  14. Iegorov, O., Iegorova, O., Potryvaieva, N., Zaluzhna, H. (2021). The Traction Induction Motor Magnetic Circuit Saturation Influence on the Variable Electric Drive Energy Efficiency. 2021 IEEE International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES), 1–5. https://doi.org/10.1109/mees52427.2021.9598686
  15. Siddique, A., Yadava, G. S., Singh, B. (2005). A Review of Stator Fault Monitoring Techniques of Induction Motors. IEEE Transactions on Energy Conversion, 20 (1), 106–114. https://doi.org/10.1109/tec.2004.837304
  16. Jang, J.-H., Sul, S.-K., Jung-Ik Ha, Ide, K., Sawamura, M. (2003). Sensorless drive of surface-mounted permanent-magnet motor by high-frequency signal injection based on magnetic saliency. IEEE Transactions on Industry Applications, 39 (4), 1031–1039. https://doi.org/10.1109/tia.2003.813734
  17. Palma Garcia, M. T., Caceres Cardenas, F. V., Kuong, J. L., Quispe, E. C. (2018). Transient Analysis of Induction Motors Considering the Saturation Effect Applying the Finite Element Method. 2018 IEEE ANDESCON, 1–6. https://doi.org/10.1109/andescon.2018.8564699
  18. Kulagin, D. O., Fedosha, D. V., Nitsenko, V. V., Shevchenko, S. Yu., Danylchenko, D. O. (2019). Using a phase-differential busbar protection for switchgears of power system facilities. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 4. https://doi.org/10.29202/nvngu/2019-4/10
  19. Nitsenko, V., Kulagin, D. (2017). Improvement implementation methods of relay busbars protection of switchgears. Tekhnichna Elektrodynamika, 6, 61–71. https://doi.org/10.15407/techned2017.06.061
  20. Nitsenko, V. V., Kulahin, D. O. (2017). Research on effect of differential-phase protection of busbars system with voltage of 110-750 kv. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 4, 72–79. Available at: https://www.researchgate.net/publication/321157798_Research_on_effect_of_differential-phase_protection_of_busbars_system_with_voltage_of_110-750_kv
  21. Korobko, B., Kivshyk, A., Kulagin, D. (2021). Experimental Study of the Efficiency of the Differential Pump of Electromagnetic Action on the Basis of Mathematical Modeling of the Parameters of Its Operation. Proceedings of the 3rd International Conference on Building Innovations, 203–213. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85043-2_20
  22. Bratkovska, K., Makhlin, P., Shram, A., Kulagin, D., Fedosha, D. (2022). Estimation of Optimization Approaches of the Energy Intensive Equipment’s Power-Time Diagrams of Industrial Enterprises. 2022 IEEE 8th International Conference on Energy Smart Systems (ESS), 277–281. https://doi.org/10.1109/ess57819.2022.9969248
  23. Yekimov, S., Nianko, V., Kulagin, D., Lunkina, T., Haponenko, S. (2021). The importance of environmental education for effective environmental management. E3S Web of Conferences, 296, 08002. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202129608002
  24. Masadeh, M. A., Pillay, P. (2017). Induction motor emulation including main and leakage flux saturation effects. 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC), 1–7. https://doi.org/10.1109/iemdc.2017.8002207
  25. Kulagin, D., Maslov, I., Lysechko, V., Prokopenko, V., Shram, A., Pastushenko, V. (2023). Analysis Of Current Approaches to Modernizing the Electric Power Scheme of Diesel Generator Transport. 2023 IEEE 4th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), 1–6. https://doi.org/10.1109/khpiweek61412.2023.10312881
  26. Molsa, E., Saarakkala, S. E., Hinkkanen, M. (2018). Influence of Magnetic Saturation on Modeling of an Induction Motor. 2018 XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM), 1572–1578. https://doi.org/10.1109/icelmach.2018.8506746
  27. Dalal, A., Singh, A. K., Kumar, P. (2013). Effect of saturation on equivalent circuit analysis of induction motor in practical scenario. 2013 Annual IEEE India Conference (INDICON), 1–5. https://doi.org/10.1109/indcon.2013.6726122
  28. Nishihama, K., Ide, K., Mikami, H., Fujigaki, T., Mizutani, S. (2009). Starting torque analysis of cage induction motor using permeance model considering magnetic saturation by leakage flux. 2009 International Conference on Electrical Machines and Systems, 1–6. https://doi.org/10.1109/icems.2009.5382970
  29. Novotnak, R. T., Chiasson, J., Bodson, M. (1999). High-performance motion control of an induction motor with magnetic saturation. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 7 (3), 315–327. https://doi.org/10.1109/87.761052
  30. Faiz, J., Ebrahimi, B. M., Toliyat, H. A. (2009). Effect of Magnetic Saturation on Static and Mixed Eccentricity Fault Diagnosis in Induction Motor. IEEE Transactions on Magnetics, 45 (8), 3137–3144. https://doi.org/10.1109/tmag.2009.2016416
  31. Sprooten, J., Maun, J.-C. (2009). Influence of Saturation Level on the Effect of Broken Bars in Induction Motors Using Fundamental Electromagnetic Laws and Finite Element Simulations. IEEE Transactions on Energy Conversion, 24 (3), 557–564. https://doi.org/10.1109/tec.2009.2016126
  32. Faiz, J., Ojaghi, M. (2011). Stator Inductance Fluctuation of Induction Motor as an Eccentricity Fault Index. IEEE Transactions on Magnetics, 47 (6), 1775–1785. https://doi.org/10.1109/tmag.2011.2107562
  33. Kwon, S. O., Lee, J. J., Lee, B. H., Kim, J. H., Ha, K. H., Hong, J. P. (2009). Loss Distribution of Three-Phase Induction Motor and BLDC Motor According to Core Materials and Operating. IEEE Transactions on Magnetics, 45 (10), 4740–4743. https://doi.org/10.1109/tmag.2009.2022749
  34. Fernandez-Bernal, F., Garcia-Cerrada, A., Faure, R. (2000). Model-based loss minimization for DC and AC vector-controlled motors including core saturation. IEEE Transactions on Industry Applications, 36 (3), 755–763. https://doi.org/10.1109/28.845050
Розробка математичної моделі асинхронного двигуна транспортної енергетичної установки з урахуванням процесів магнітного насичення

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-12-31

Як цитувати

Кулагін, Д. О., & Маслов, І. З. (2025). Розробка математичної моделі асинхронного двигуна транспортної енергетичної установки з урахуванням процесів магнітного насичення. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(8 (138), 24–35. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.345066

Номер

Том 6 № 8 (138) (2025): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Dmytro Kulagin, Igor Maslov

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.