Research into the influence of the laws of changing the stator supply frequency on the electromechanical processes of an asynchronous motor during controlled starting

Abstract

The aim of the work is to obtain graphical dependences of the electromechanical response of an asynchronous motor during controlled start-up using frequency control, to analyze the influence of the laws of changing the stator supply frequency on the dynamic characteristics of the electric drive of the mechanical mixer of a biogas reactor, under conditions of quadratic growth of the resistance moment and increased starting torque. To achieve the objective, the following tasks were carried out: a mathematical model of the electromagnetic processes in an asynchronous motor was synthesized; frequency-dependent reactance functions were applied; the equations of motion were numerically integrated using the Runge-Kutta method; and a model of the load torque for a mixer operating in a viscous medium was developed. The working hypothesis posits that applying exponential and S-shaped laws for stator frequency regulation will minimize the motor's energy consumption during startup. The most significant results are the graphical dependencies of the electrodynamic parameters of the asynchronous motor driving the biogas reactor mixer; these dependencies were constructed using exponential and S-shaped functions for the variation of the stator winding supply frequency, based on a mathematical model presented in the study. The significance of the results lies in the ability to analyze the dynamics of asynchronous motors (currents, rotational speed, electromagnetic torque) under various stator control laws. An S-shaped profile for the stator frequency variation of the mixer's asynchronous motor reduces starting energy consumption by an average of 45.3% compared to an exponential profile.

Scopul lucrării este de a obține dependențe grafice ale răspunsului electromecanic al unui motor asincron în timpul pornirii controlate prin reglarea frecvenței, pentru a analiza influența legilor de variație a frecvenței de alimentare a statorului asupra caracteristicilor dinamice ale acționării electrice a mixerului mecanic al unui reactor de biogaz, în condițiile creșterii pătratice a momentului de rezistență și ale creșterii cuplului de pornire. Pentru atingerea obiectivului, au fost realizate următoarelesarcini: a fost sintetizat un model matematic al proceselor electromagnetice dintr-un motor asincron; au fost aplicate funcții de reactanță dependente de frecvență; ecuațiile de mișcare au fost integrate numeric folosind metoda Runge–Kutta; și a fost dezvoltat un model al cuplului de sarcină pentru un mixer care funcționează într-un mediu vâscos.Ipoteza de lucru postulează că aplicarea legilor exponențiale și în formă de S pentru reglarea frecvenței statorului va minimiza consumul de energie al motorului în timpul pornirii.Cele mai semnificative rezultate constau în obținerea dependențelor grafice ale parametrilor electrodinamici ai motorului asincron care acționează mixerul reactorului de biogaz. Aceste dependențe au fost construite folosind funcții exponențiale și în formă de S pentru variația frecvenței de alimentare a înfășurărilor statorului, pe baza modelului matematic prezentat în studiu.Semnificația rezultatelor constă în posibilitatea de a analiza dinamica motoarelor asincrone (curenți, viteză derotație și cuplu electromagnetic) în condițiile aplicării unor legi diferite de comandă a frecvenței statorului. Un profil în formă de S al variației frecvenței statorului motorului asincron care acționează mixerul reduce consumul de energie la pornire cuo medie de 45.3% comparativ cu un profil exponențial.

Целью работы является получение графических зависимостей электромеханического отклика асинхронного двигателя при управляемом пуске с использованием частотного регулирования и анализ влияния различных законов изменения частоты питания статора на динамические характеристики электропривода механического смесителя биогазового реактора с квадратичным увеличением момента сопротивления и увеличенным начальным пусковым моментом. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: синтезирована математическая модель электромагнитных процессов в асинхронном двигателе, применена частотная функция для определения реактивных сопротивлений электродвигателя, проведено числовое интегрирование уравнения движения методом Рунге-Кутты, сформирована математическая модель момента нагрузки, соответствующая характеристике мешалки вязкой среды. Рабочая гипотеза исследования заключается в установлении возможностей применения экспоненциальных и S-образных законов изменения частоты питания обмоток статора электро асинхронного двигателя с целью снижения энергопотребления в пусковом режиме. Наиболее важными результатами являются полученные графические зависимости электродинамических параметров асинхронного двигателя, привода механического смесителя биогазового реактора с квадратичным увеличением момента сопротивления и увеличенным начальным пусковым моментом, с использованием экспоненциальных и S-образных законов изменения частоты питания обмоток статора на основе представленной в данной работе математической модели и расчетных соотношений. Значимость полученных в работе результатов исследований заключается в том, что на основе полученных математических зависимостей можно анализировать динамическое поведение асинхронных двигателей и оценивать динамику токов, частоты вращения вала электродвигателя и электромагнитного момента при различных законах изменения частоты питания обмоток статора. Использование S-образного закона изменения частоты питания обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя, являющегося вращающимся двигателем смесительного устройства, позволяет снизить энергопотребление в среднем на 45,3% в пусковой период по сравнению с экспоненциальным законом.