Том 337 № 4 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/4/5140
Управление явнополюсным синхронным двигателем рудничного электровоза, обеспечивающее минимизацию реактивной мощности
Актуальность исследования определена экономической необходимостью увеличения дальности движения электровоза с использованием энергии одного заряда аккумуляторной батареи. В данном исследовании предлагается использовать энергоэффективный закон управления, увеличивающий механическую мощность двигателя при ограничении максимальных значений напряжения и тока, что косвенно увеличит дальность движения рудничного электровоза. Цель. Решение задачи синтеза нелинейного управления явнополюсным синхронным двигателем рудничного электровоза при ограничении тока и напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, обеспечивающего: увеличение механической мощности, передаваемой на движение рудничного электровоза; увеличение максимальной скорости тягового двигателя; линейность замкнутой системы по току для применения стандартных регуляторов скорости и положения; снижение времени парирования возмущений на валу двигателя, что достигается за счёт поддержания минимального значения реактивной мощности, циркулирующей в обмотках двигателя, в статических и динамических процессах работы двигателя. Объект. Система управления явнополюсным синхронным двигателем с постоянными магнитами рудничного электровоза. Методы. Основаны на теории нелинейных систем, посредством которой осуществляется линеаризация структуры управления явнополюсным синхронным двигателем с постоянными магнитами. Синтез регуляторов линеаризованной системы управления осуществляется методом подчинённого регулирования. Результаты. Разработана система управления тяговым двигателем рудничного электровоза при минимизации реактивной мощности, выполнено сравнение с системой управления током по поперечной оси. Результаты моделирования работы явнополюсного синхронного двигателя демонстрируют выполнение условия минимизации реактивной мощности в статических и динамических режимах. В результате сравнения предложенной системы относительно структуры управления током по поперечной оси механическая мощность, передаваемая на движение электровоза, увеличена на 50 %, а максимальная скорость – на 53 %, что обеспечивает линейный характер изменения момента. Увеличение КПД в часовом режиме работы S2 составило 2 %. Исходя из полученных высоких энергетических показателей можно сделать вывод об увеличении дальности движения электровоза с использованием энергии одной аккумуляторной батареи.
Для цитирования: Филюшов Ю.П., Воевода А.А., Филюшов В.Ю. Управление явнополюсным синхронным двигателем рудничного электровоза, обеспечивающее минимизацию реактивной мощности. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 4, С. 55-63.
Ключевые слова:
тяговый электропривод рудничного электровоза, явнополюсная синхронная машина с постоянными магнитами, закон управления, минимизация реактивной мощности, линеаризация обратной связью, нелинейный синтез
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смирнов А.Ю. Особенности проектирования и анализа высокоскоростных синхронных машин с постоянными магнитами на роторе. Электротехника и энергетика: Известия Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеевой, 2013, № 4 (101), С. 231–235.
2. Efficiency characteristics comparison of surface and interior permanent magnet synchronous machines in electric vehicle. Y. Kong, Y. Pan, J. Wu, L. Zhang, Q. Liu, Y. Zhao. 26th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2023, P. 984–987. DOI: 10.1109/ICEMS59686.2023.10344581
3. Richard F., Thomas A. LIPO. Power capability of salient pole permanent magnet synchronous motors in variable speed drive. IEEE Transactions on industry applications, 1990, Vol. 26, № 1, P. 115–123.
4. Буканова Т.С., Савиных А.Б., Стешина Л.А. Оптимизационная концепция построения системы управления электрической машиной. Мехатроника, автоматизация и управление, 2009, № 10 (103), С. 48–50.
5. Вейнгер А.М. Режимы частотно-управляемых синхронных двигателей. Электротехника, 1980, № 5, С. 25–29.
6. Вейнгер А.М. Регулируемый синхронный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1985. 224 с.
7. Слежановский О.В., Дацковский Л.Х. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильным преобразователем. М.: Энергомашиздат, 1983. 152 с.
8. Дартау В.А., Павлов Ю.П., Рудаков В.В. Теоретические основы построения частотных электроприводов с векторным управлением. Автоматизированный электропривод. М.: Энергия, 1980. С. 93–101.
9. Панкратов В.В., Зима Е.А. Энергосберегающий частотно-регулируемый электропривод: состояние и проблемы развития. Автоматизированный электропривод: Труды Второй научно-технической конференции. Новосибирск: НГТУ, 2005. C. 95–98.
10. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. СПб: Санкт-Петербургская Электротехническая компания, 2004. 127 с.
11. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2008. 298 с.
12. Павлов А.А. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию. М.: Наука, 1966. 390 с.
13. French K., Acarnley P. Direct torque control of permanent magnet drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, Vol. 32, № 5, P. 1080–1088. DOI: 10.1109/28.536869.
14. Krishna K.N., Tulasi Ram D.G., Soni M.P. Analysis of direct torque control of interior permanent magnet synchronous motor using PID and fuzzy logic controllers. World Journal of Modelling and Simulation, 2016, Vol. 12, № 4, P. 292–306.
15. Sun D., Weizhong F., Yikang H. Study on the direct torque control of permanent magnet synchronous motor drives. ICEMS Conference: Electrical Machines and Systems, 2001. P. 571–574.
16. Филюшов Ю.П., Воевода А.А., Филюшов В.Ю. Анализ законов управления явнополюсной синхронной машиной рудничного электровоза. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2023, Т. 334, № 12, С. 32–40. DOI: 10.18799/24131830/2023/12/4091.
17. Filushov Yu.P., Filushov V.Yu. Increasing the mileage of an electric vehicle without changing the capacity of the battery. Russian Electrical Engineering, 2024, Vol. 95, № 7, P. 553–558.
18. Чернышев А.Ю., Дементьев Ю.Н., Чернышев И.А. Электропривод переменного тока. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 213 с.
19. Filushov Y.P., Akbashev A.S., Filushov V.Y. Efficient ac machine control. Proc. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM, 2022. P. 398–402.
20. Способ управления синхронным электродвигателем с возбуждением от постоянных магнитов: пат. 2805989 РФ, заявка № 2022108389; заявл. 29.03.22, опубл. 24.10.23. Бюл. № 30.
21. Способ управления синхронным электродвигателем при минимизации реактивной мощности: пат. 2829487 РФ, заявка № 2024111228; заявл. 24.04.2024, опубл. 30.10.24 Бюл. № 31.
22. Разработка наблюдателя с оперативным мониторингом угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу погружного асинхронного двигателя. А.С. Глазырин, С.С. Попов, Е.И. Попов и др. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2024, Т. 335, № 9, С. 203–219. DOI: 10.18799/24131830/2024/9/4826
23. Influence of design methods a discrete model of separately excited DC motor on parameters estimation. I. Vajda, A. Glazyrin, E. Bolovin, I. Ustinova. Acta Polytechnica Hungarica, 2018, Vol. 15, № 6, P. 219–233. DOI: 10.12700/APH.15.6.2018.6.11
REFERENCES
1. Smirnov A.Yu. Design and analysis features of high-speed permanent magnet synchronous machines. Electrical Engineering and Power Engineering: Bulletin of the Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev, 2013, no. 4 (101), pp. 231–235. (In Russ.)
2. Kong Y., Pan Y., Wu J., Zhang L., Liu Q., Zhao Y. Efficiency characteristics comparison of surface and interior permanent magnet synchronous machines in electric vehicle. 26th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2023. pp. 984–987. DOI: 10.1109/ICEMS59686.2023.10344581.
3. Lipo T.A., Lipo T.A. Power capability of salient pole permanent magnet synchronous motors in variable speed drive. IEEE Transactions on Industry Applications, 1990, vol. 26, no. 1, pp. 115–123.
4. Bukanova T.S., Savinykh A.B., Steshina L.A. Optimization concept for electric machine control system design. Mechatronics, Automation, and Control, 2009, no. 10 (103), pp. 48–50. (In Russ.)
5. Veinger A.M. Operating modes of frequency-controlled synchronous motors. Electrical Engineering, 1980, no. 5, pp. 25–29. (In Russ.)
6. Veinger A.M. Adjustable synchronous electric drive. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1985. 224 p. (In Russ.)
7. Slezhanovsky O.V., Datskovsky L.Kh. Subordinate control systems for AC electric drives with thyristor converters. Moscow, Energomashizdat Publ., 1983. 152 p. (In Russ.)
8. Dartau V.A., Pavlov Yu.P., Rudakov V.V. Theoretical foundations of frequency electric drives with vector control. Automated Electric Drive. Moscow, Energiya Publ., 1980. pp. 93–101. (In Russ.)
9. Pankratov V.V., Zima E.A. Energy-saving frequency-controlled electric drive: state and development challenges. Proceedings of the Second Scientific-Technical Conference. Automated Electric Drive. Novosibirsk, NSTU Publ., 2005. pp. 95–98. (In Russ.)
10. Kozyaruk A.E., Rudakov V.V. Modern and prospective algorithmic support for frequency-controlled electric drives. St Petersburg, St Petersburg Electrotechnical Company Publ., 2004. 127 p. (In Russ.)
11. Vinogradov A.B. Vector control of AC electric drives. Ivanovo, Ivanovo State Power Engineering University Publ., 2008. 298 p. (In Russ.)
12. Pavlov A.A. Synthesis of relay systems optimal in speed. Moscow, Nauka Publ., 1966. 390 p. (In Russ.)
13. French C., Acarnley P. Direct torque control of permanent magnet drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, vol. 32, no. 5, pp. 1080–1088. DOI: 10.1109/28.536869.
14. Krishna K.N., Tulasi Ram D.G., Soni M.P. Analysis of direct torque control of interior permanent magnet synchronous motor using PID and fuzzy logic controllers. World Journal of Modelling and Simulation, 2016, vol. 12, no. 4, pp. 292–306.
15. Sun D., Weizhong F., Yikang H. Study on the direct torque control of permanent magnet synchronous motor drives. Electrical Machines and Systems, 2001, pp. 571–574.
16. Filushov Yu.P., Voevoda A.A., Filushov V.Yu. Control laws of a salient pole synchronous machine in a mine electric locomotive. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2023, vol. 334, no. 12, pp. 32–40. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2023/12/4091.
17. Filushov Yu.P., Filushov V.Yu. Increasing the mileage of an electric vehicle without changing the battery capacity. Russian Electrical Engineering, 2024, vol. 95, no. 7, pp. 553–558.
18. Chernyshev A.Yu., Dementyev Yu.N., Chernyshev I.A. AC electric drive. Tomsk, Tomsk Polytechnic University Publ. House, 2011. 213 p. (In Russ.)
19. Filushov Yu.P., Akbashev A.S., Filushov V.Yu. Efficient AC machine control. Proceedings of the International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2022. pp. 398–402.
20. Filushov Yu.P., Filushov V.Yu. Method for controlling a permanent magnet synchronous motor. Patent RF no. 2022108389, 2023. (In Russ.)
21. Filushov Yu.P., Filushov V.Yu. Method for controlling a synchronous motor with reactive power minimization. Patent RF no. 2024111228, 2024. (In Russ.)
22. Glazyrin A.S., Popov S.S., Popov E.I., Kopyrin V.A., Khamitov R.N., Filipas A.A., Timoshkin V.V., Beliauskene E.A., Kulesh Yu.O., Bolovin E.V., Kovalev V.Z., Deneko M.V. Desing of an observer with real time monitoring speed and load torque for submersible induction motors. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2024, vol. 335, no. 9, pp. 203–219. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2024/9/4826
23. Vajda I., Glazyrin A., Bolovin E., Ustinova I. Influence of design methods a discrete model of separately excited DC motor on parameters estimation. Acta Polytechnica Hungarica, 2018, vol. 15, no. 6, pp. 219–233. DOI: 10.12700/APH.15.6.2018.6.11. (In Russ.)
