donstuAdvanced Engineering Research (Rostov-on-Don)Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)2687-1653Don State Technical University10.12737/18266donstu-61Research ArticleMACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCEМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕBraking mode simulation of induction motor of variable-frequency drive using stator current harmonics **Моделирование режима торможения асинхронного двигателя частотного электропривода с использованием гармоник тока статораКарнауховНиколай ФедоровичKarnaukhovNikolay F.nika811@bk.ruФилимоновМаксим НиколаевичFilimonovMaxim N.maxfil2006@yandex.ruСтатовойДмитрий АлександровичStatovoyDmitry A.dr-monro@mail.ruБонильяВенегас ФеликсBonillaFelixVenegas V.tiranoruso@gmail.comДонской государственный технический университетРоссияDon State Technical UniversityRussian Federation2016300320161618798Copyright © Karnaukhov N.F., Filimonov M.N., Statovoy D.A., Bonilla F.V., 20162016Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н., Статовой Д.А., Бонилья В.Ф.Karnaukhov N.F., Filimonov M.N., Statovoy D.A., Bonilla F.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/61

The work objective is to study electrodynamic processes in the frequency-controlled drive (FCD) by the mathematical modeling method, in particular, in the two-current mode of the dynamic braking considering the 5th and 7th current harmonics of the induction motor (IM) stator. The features of forming IM stator current low frequencies (0.2-15 Hz) by the autonomous voltage inverter (AVI) followed by the additional electricity loss in the FCD, and the appearance of torque ripple on the IM shaft causing jerkiness of the actuating mechanism (AM) of the production machine (PM) executive device (ED) in the low speed zone and complicating their locating in the prearranged position, are given. It is hard to implement the FCD scheduled deceleration without trajectory correction at the friction forces ambiguity in the ED AM mobility links and availability of the torque ripple on the IM shaft. To solve this problem, the authors offer, first, to use a spatial-vector pulse-width modulation (SV PWM) with m-fold submodulation of the carrier frequency (CF) and without submodulation in the IM braking mode. Secondly, it is reasonable to apply (momentarily in a low speed area) the principle of linearization by oscillation to reduce the K friction coefficient to a decreased value in the ED AM mobility links by the IM rotor microvibration due to the 5th and 7th harmonics of the stator current. Thus, the work on modeling FCD (in Matlab + Simulink software package) allows more accurately define the impact of the 5th and 7th harmonics of the IM stator current on the capability of the software implementation of the two-current mode of the FCD dynamic braking while reducing the total energy loss in the ED AM low-speed motion area. In addition, the applicability of the proposed solutions of the electric drives of mechatronic and robotic multipurpose systems with higher requirements for positioning in the basic AM - AVI circuits is confirmed.

Целью данной работы является исследование электродинамических процессов в частотно-управляемом электроприводе (ЧУЭП) методом математического моделирования - в частности, в режиме двухтокового динамического торможения с учетом 5-й и 7-й гармоник тока статора асинхронного двигателя (АД). Приведены особенности формирования автономным инвертором напряжения (АИН) низких частот (0,2-15 Гц) тока статора АД, сопровождаемого дополнительными потерями электроэнергии в ЧУЭП и появлением пульсирующих моментов на валу АД, вызывающих неравномерность движения исполнительного механизма (ИМ) рабочего органа (РО) технологической машины (ТМ) в зоне малой скорости и усложняющих их позиционирование в заданное положение. При неоднозначности сил трения в звеньях подвижности ИМ РО и наличии пульсирующих моментов на валу АД реализовать программное торможение ЧУЭП без коррекции закона движения достаточно трудно. Для решения этой проблемы в ЧУЭП авторы предлагают, во-первых, использовать пространственно-векторную широтно-импульсную модуляцию (ПВ ШИМ) с m-кратной подмодуляцией несущей частоты (НЧ) и без подмодуляции в режиме торможения АД. Во-вторых, целесообразно применить (кратковременно в зоне малой скорости) принцип вибрационной линеаризации для снижения коэффициента трения К до пониженного значения (Кэф) в звеньях подвижности ИМ РО за счет микровибрации ротора АД, обусловленной 5-й и 7-й гармониками тока статора. Таким образом, работа по моделированию ЧУЭП (в программном пакете Matlab + Simulink) позволила уточнить влияние 5-й и 7-й гармоник тока статора АД на возможность программного осуществления двухтокового режима динамического торможения ЧУЭП при снижении общих потерь электроэнергии в зоне малой скорости движения ИМ РО. Кроме того, была подтверждена возможность применения в типовых схемах АИН - АД предлагаемых решений электроприводов мехатронных и робототехнических систем широкого назначения с повышенными требованиями к позиционированию.

инвертор напряженияпространственно-векторная широтно-импульсная модуляция (ПВ ШИМ)гармоники тока статорапульсирующий (колебательный) моментдвухтоковое динамическое торможениеподмодуляция несущей частотыэлектрические и тепловые потеривибрационная линеаризацияпозиционированиеvoltage inverterspatial-vector pulse-width modulation (SV PWM)stator current harmonicstorque rippletwo-current dynamic decelerationsubmodulation of carrier frequencyelectrical and heat losseslinearization by oscillationpositioningReferencesСоколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г. Г. Соколовский. - Москва : Академия, 2006. - 273 с.Sokolovskiy, G.G. Elektroprivody peremennogo toka s chastotnym regulirovaniem. [AC drives with frequency regulation.] Moscow: Akademiya, 2006, 273 p. (in Russian).Перельмутер, В. М. Прямое управление моментом и током двигателей переменного тока / В. М. Перельмутер. - Харьков : Основа, 2004. - 210 с.Perelmuter, V.M. Pryamoe upravlenie momentom i tokom dvigateley peremennogo toka. [Direct control of torque and AC motors current.] Kharkov: Osnova, 2004, 210 p. (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Особенности формирования циклических режимов частотного электропривода технологических машин в зоне малой скорости движения исполнительного механизма / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, А. И. Изюмов. - Вестник. Дон. гос. техн. ун-та. - 2012. - № 6 (67). - С. 76-86.Karnaukhov, N.F., Filimonov, M.N., Izyumov, A.I. Osobennosti formirovaniya tsiklicheskikh rezhimov chastotnogo elektroprivoda tekhnologicheskikh mashin v zone maloy skorosti dvizheniya ispolnitel'nogo mekhanizma. [Generation features of cycle operations for production machine variable-frequency drive in low-velocity zone of actuator.] Vestnik of DSTU, 2012, no. 6 (67), pp. 76–86 (in Russian).Филимонов, М. Н. Улучшение динамики торможения асинхронного двигателя станочной системы с частотным управлением / М. Н. Филимонов, Н. Ф. Карнаухов // Современные проблемы машиностроения и высоких технологий : мат-лы. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 75-летию Дон. гос. техн. ун-та. - Ростов-на-Дону, 2005. - Т. 1. - С. 236-242.Filimonov, M.N., Karnaukhov, N.F. Uluchshenie dinamiki tormozheniya asinkhronnogo dvigatelya stanochnoy sistemy s chastotnym upravleniem. [Improvement of braking dynamics of the machine tool induction motor with frequency control.] Sovremennye problemy mashinostroeniya i vysokikh tekhnologiy : mat-ly. mezhdunar. nauch.-tekhn. konf., posvyashch. 75-letiyu Don. gos. tekhn. un-ta. [Current problems in Machine Engineering and high technologies: Proc. Int. Sci.-Tech. Conf. devoted to the 75th anniversary of DSTU.] Rostov-on-Don, 2005, vol. 1, pp. 236–242 (in Russian).Добрынин, С. А. Методы автоматизированного исследования вибрации машин / С. А. Добрынин, М. С. Фельдман, Г. И. Фирсов. - Москва : Машиностроение, 1987. - 224 с.Dobrynin, S.A., Feldman, M.S., Firsov, G.I. Metody avtomatizirovannogo issledovaniya vibratsii mashin. [Methods of computer-aided study of machine vibration.] Moscow: Mashinostroenie, 1987, 224 p. (in Russian).Электромеханические системы управления тяжелыми металлорежущими станками / С.В. Демидов [и др.] ; под общ. ред. С. В. Демидова. - Ленинград : Машиностроение, 1986. - 236 с.Demidov, S.V., et al., Demidov, S.V., ed. Elektromekhanicheskie sistemy upravleniya tyazhelymi metallorezhushchimi stankami. [Electromechanical heavy machine tools control systems.] Leningrad: Mashinostroenie, 1986, 236 p. (in Russian).Пановко, Я. Г. Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий / Я. Г. Пановко. - Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 192 с.Panovko, Y.G. Lektsii po osnovam teorii vibratsionnykh mashin i tekhnologiy. [Lectures on the theory foundations of vibrating machines and technologies.] Moscow: Bauman MSTU Publ. House, 2008, 192 p. (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Улучшение характеристик частотного электропривода технологических машин в зоне малой скорости движения исполнительного механизма / Н. Ф. Карнаухов, Ю. В. Пудова, М. Н. Филимонов // Молодежь. Техника. Космос : тр. IV Общерос. молодеж. науч.-техн. конф. // Вестник БГТУ. 2012. - № 15. - 380 с. - (Библиотека «Военмех»).Karnaukhov, N.F., Pudova, Y.V., Filimonov, M.N. Uluchshenie kharakteristik chastotnogo elektroprivoda tekhnologicheskikh mashin v zone maloy skorosti dvizheniya ispolnitel'nogo mekhanizma. [Improving performance of variablefrequency electric drive of production machines in the actuator low speed motion area.] Molodezh'. Tekhnika. Kosmos: tr. IV Obshcheros. molodezh. nauch.-tekhn. konf.[Youth. Engineering. Space: Proc. IV All-Russian Youth Sci.-Tech. Conf. Bulletin of BSTU, 2012, no. 15, 380 p. (in Russian).Браславский, И. Я. Использование приложения Simulink для оценки потребления электроэнергии асинхронным электроприводом / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, Ю. В. Плотников // Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB : тр. II науч. конф. - Москва, 2004. - Ч. 5 - С. 1387-1394.Braslavskiy, I.Y., Ishmatov, Z.S., Plotnikov, Y.V. Ispol'zovanie prilozheniya Simulink dlya otsenki potrebleniya elektroenergii asinkhronnym elektroprivodom. [Using Simulink application for estimating power consumption by asynchronous drive.] Proektirovanie inzhenernykh i nauchnykh prilozheniy v srede MATLAB: tr. II nauch. konf. [Designing engineering and scientific applications in MATLAB: Proc. II Sci.Conf.] Moscow, 2004, part 5, pp. 1387–1394 (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Особенности формирования двухтокового динамического торможения асинхронного двигателя мехатронной системы при частотном управлении / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, Н. В. Деркачев // Мехатроника-2008 : мат-лы IV междунар. науч.-практ. студ. коллоквиума. - Новочеркасск, 2008. - С. 17-20.Karnaukhov, N.F, Filimonov, M.N., Derkachev, N.V. Osobennosti formirovaniya dvukhtokovogo dinamicheskogo tormozheniya asinkhronnogo dvigatelya mekhatronnoy sistemy pri chastotnom upravlenii. [Features of forming twocurrent dynamic braking of mechatronic system asynchronous motor with frequency control.] Mekhatronika-2008: mat-ly IV mezhdunar. nauch.-prakt. stud. kollokviuma. [Mechatronics-2008: Proc. IV Int. Sci.-Pract. Student Colloquium.] Novocherkassk, 2008, pp. 17–20 (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Энергетические показатели электропривода при частотном способе управления асинхронным двигателем / Н. Ф. Карнаухов, В. А. Прус, М. Н. Филимонов // Тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф. по динамике технологических систем. - Ростов-на-Дону, 2007. - Т. III. - С. 24-30.Karnaukhov, N.F, Prus, V.A., Filimonov, M.N. Energeticheskie pokazateli elektroprivoda pri chastotnom sposobe upravleniya asinkhronnym dvigatelem. [Energy performance of electric drive with frequency control method of induction motor.] Tr. VIII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. po dinamike tekhnologicheskikh sistem. [Proc. VIII Int. Sci.Eng. Conf. on dynamics of the technological systems.] Rostov-on-Don, 2007, vol. III, pp. 24–30 (in Russian).Система позиционного электропривода с задатчиком положения / П. Х. Коцегуб // Известия вузов. Электромеханика. - 1982. - № 3. - С. 331-337.Kotsegub, P.K. Sistema pozitsionnogo elektroprivoda s zadatchikom polozheniya. [Position electrodrive system with indexing mechanism.] Russian Electromechanics, 1982, no. 3, pp. 331–337 (in Russian).Установка для демонстрации рекламно-информационного материала и устройство управления перемещением носителя информации : патент 36914 Рос. Федерация : G09F13/00 H02P7/36 H02P7/62 H02P7/74 H02H7/08 / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, С. А. Ушаков. - Опубл. 27.03.04. - Бюл. № 9. - 14 с.Karnaukhov, N.F., Filimonov, M.N., Ushakov, S.A. Ustanovka dlya demonstratsii reklamno-informatsionnogo materiala i ustroystvo upravleniya peremeshcheniem nositelya informatsii: patent 36914 Ros. Federatsiya: G09F13/00 H02P7/36H02P7/62 H02P7/74 H02H7/08 / [Demonstrator of marketing material and motion control device for data carrier.] Patent RF no. 36914, 2004 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.