Кафедра електричної інженерії (ДМетІ)

Permanent URI for this communityhttp://crust.ust.edu.ua/handle/123456789/14624

ENG: Department of Electrical Engineering (Dnipro Metallurgical Institute, DMetI)

Browse

Now showing 1 - 10 of 10

Dynamic Modeling of Induction Motor Performance under Power Quality Disturbances
(Український державний університет науки і технологій, ННІ «Дніпровський металургійний інститут», ІВК ≪Системні технології≫, Дніпро, 2026) Kuznetsov, Vitalii V.; Nikolenko, Anatolii V.; Stopkin, Vasyl V.; Martyntsev, Viacheslav; Tuhushy, Roman; Teslenko, Ivan
ENG: The paper presents a dynamic electromagnetic model of a three-phase squirrel-cage asynchronous motor developed to simulate its operation under real power quality disturbances. The relevance of this work is driven by the increasing impact of electromagnetic compatibility issues and energy losses in industrial systems exposed to voltage asymmetry and harmonic distortion–conditions typical for networks with nonlinear loads such as welding equipment, arc furnaces, and frequency converters. Traditional motor models, which assume ideal supply conditions, are not sufficient for accurately predicting performance degradation under such disturbances. To address this limitation, the proposed model is based on space-time complexes and an extended form of the Park–Gorev equations. A key feature of the model is the inclusion of magnetic core saturation, represented through a polynomial dependence of mutual inductance on magnetizing current, enabling more realistic simulation under high-load and unbalanced conditions. The model was tested on an MTKH 112-6 motor (5.3 kW) under two scenarios: ideal sinusoidal voltage and distorted asymmetric supply with harmonics up to the 10th order. The results showed that voltage distortion leads to increased losses in the stator (from 491.3 W to 498.3 W) and rotor (from 652.2 W to 661.5 W), a decrease in efficiency (from 81.4% to 81.2%), and a significant drop in power factor (from 0.98 to 0.90). Additionally, distorted current waveforms and torque pulsations confirmed higher electromagnetic stress. The model demonstrated strong agreement with experimental data (RMSE < 4%), confirming its reliability for applications in diagnostics, predictive maintenance, digital twins, and simulation environments. Unlike traditional Fourier-based approaches, the use of space-time complexes enables comprehensive modeling of both steady-state and transient processes without explicit harmonic decomposition. This research contributes to the development of energy-efficient and intelligent industrial systems. Future work will focus on incorporating stochastic elements to account for dynamic variations in power quality, supporting predictive control and advanced automation within Industry 4.0.
Enhancing Power Quality within the Context of Industrial Enterprises: Strategies for Improvement
(ScientificWorld-NetAkhatAV, Karlsruhe, Germany, 2023) Tryputen, Mykola; Kuznetsov, Vitaliy V.; Nikolenko, Anatoliy V.
ENG: The paper analyzes negative impact of poor-quality electricity on the performance of electrical installations. Particular attention is paid to the ways to improve power quality under the conditions of industrial enterprises. Use of “individual” LC-filters to protect extra important electric drives; use of “group” devices to compensate negative effect of noisy electricity at a workshop level (power active rectifiers are meant with their potential integration into the available converters for the controlled electric drives); and to inhibit voltage distortions within the areas of their origination (i.e. the mains protection against the root cause) are possible means to solve the problems.
Identification of the Thermal Process in an Induction Motor
(Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine, 2022) Kuznetsov, Vitalii V.; Tryputen, M.; Nikolenko, Anatolii V.; Tsyplenkov, Dmytro; Kuvaiev, Victor; Savvin, Oleksandr V.
ENG: Purpose: synthesis of a mathematical model of an asynchronous motor, taking into account the impact of changes in the quality of electricity on the processes of heating and heat exchange for an economically justified choice of means of protection. Methodology: Theoretical substantiation of the expediency of using a one-mass thermal model of an asynchronous motor, for the conditions of operation of the latter in conditions of low-quality electricity, in order to determine losses in it. Results: Experimental studies of the operation of an asynchronous motor at nominal load were carried out. The obtained results of the measurements made it possible to determine the parameters of the single-mass thermal model, the heat transfer coefficient of the engine, and the coefficient of its heat capacity. A single-mass thermal model of an induction motor is a mathematical model used to describe the thermal processes occurring in an induction motor. This model is based on the assumption that all motor elements can be combined into one mass that heats up during engine operation. The model assumes that the thermal capacity of the motor is a constant, and the heat flow that is released during the operation of the motor is proportional to the square of the current passing through the motor windings. In addition, the model assumes the presence of thermal conductivity between the mass of the motor and the external environment, which affects the rate of heat dissipation. Scientific novelty: A methodology for determining losses in an asynchronous motor using a synthesized mathematical model is proposed, taking into account the influence of changes in the quality of electricity on the processes of heating and heat exchange in it. Practical significance: The obtained results indicate the adequacy of the proposed thermal model of an asynchronous motor operating in a network with low-quality electricity. Taking into account the fact that for many types of engines in the reference literature, there are no necessary data on the coefficients of heat transfer and heat capacity, and only the thermal time constants for certain types of engines are given, the value of the specified parameters of the model can be obtained on the basis of the methodology presented in the work. A single-mass thermal model can be useful for analyzing the thermal processes occurring in an induction motor and for improving the efficiency of the motor. In particular, it can help determine the optimal operating temperature of the motor, as well as calculate the necessary cooling system to ensure stable operation of the motor under conditions of variable load and temperature conditions.
Impact of Power Quality on a Synchronous Motor Performance: A Dynamic Model Approach
(Видавництво МДПУ ім. Б. Хмельницького, Запоріжжя, 2025) Kuznetsov, Vitalii V.; Spirintsev, Dmytro V.; Shlykov, S. Yu.; Herashchenko, A.; Kryvenko, O. V.
ENG: The paper presents an advanced dynamic electromagnetic model of a three-phase squirrel-cage asynchronous motor designed to simulate performance under real-world power quality disturbances. The motivation stems from the growing need to address electromagnetic compatibility issues and energy losses in industrial systems exposed to asymmetric voltages and harmonic distortion-conditions common in environments with nonlinear loads such as welding equipment, arc furnaces, and frequency converters. Conventional motor models, typically assuming ideal supply conditions, are inadequate for predicting performance degradation due to poor power quality. To overcome this, the proposed model utilizes space-time complexes and an extended version of the Park-Gorev equations. A key innovation is the introduction of nonlinear magnetic saturation, modeled via a polynomial relationship between mutual inductance and the magnetizing current. This feature enables a more accurate representation of core material behavior under high-load or unbalanced conditions. The simulation was conducted for an MTKH 112-6 asynchronous motor rated at 5.3 kW under two scenarios: (1) ideal sinusoidal three-phase voltage, and (2) real distorted voltage with significant asymmetry and harmonic components up to the 10th order. The analysis revealed that even moderate distortions led to increased stator and rotor losses (from 491.3 W to 498.3 W and 652.2 W to 661.5 W, respectively), a drop in overall efficiency (from 81.4% to 81.2%), and a marked reduction in power factor (from 0.98 to 0.90). Furthermore, current waveform analysis showed visible harmonic deformation, and torque pulsation diagrams indicated increased electromagnetic stress on the motor structure. The proposed model demonstrated a high degree of agreement with experimental data (RMSE < 4%), validating its applicability for use in diagnostics, predictive maintenance, digital twin platforms, and educational simulation environments. Unlike Fourier-based harmonic analysis, the use of space-time complexes allows the system to be modeled holistically, capturing transient behavior and steady-state responses without needing individual harmonic decomposition. This work contributes to the broader field of smart manufacturing and energy-efficient industrial automation. Future improvements include incorporating stochastic modeling to account for dynamic grid variations, enabling probabilistic forecasting and automated control strategies within Industry 4.0 frameworks.
Modeling of Structural Elements of the Energy-Economic Model «Electric Network - Electric Consumer»
(ScientificWorld-NetAkhatAV, Karlsruhe, Germany, 2024) Tryputen, Mykola; Kuznetsov, Vitalii V.; Kovalenko, Viktor; Artemchuk, Viktor V.; Levchenko, Serhii
ENG: Early evaluation of the parameters of electric power quality and maintenance of the corresponding operating modes of electric facilities in work environment is the important scientific and practical task. In terms of real operating conditions, electric mains often demonstrate nonsinusoidal mode characterized by the available harmonics of voltage and current. Deterioration of the electric power quality in the electric supply systems for industrial enterprises results in the decreasing reliability and efficiency of the operation of energy consumers, i.e. asynchronous motors (AM). The known methods to reduce negative influence of low-quality electric power on the AM operation differ with their integration costs and expected economic effect. Nevertheless, the available methods for the selection of protective means for asynchronous motors, operating in the electric mains with nonsinusoidal voltage, have no economic substantiation. Moreover, economic losses of an industrial enterprise due to the operation of asynchronous motors in terms of considerable deviation of the power quality values from the standard ones have not been analyzed to the full extent. The chapter of monograph has shown that currently it is expedient to solve a task of the selection of AM protective means basing on the computational studies, which involve a simulation model representing the interaction of company electric main with the power consumers. There are following structural elements of a simulation model: a generator of linear voltages of the company electric main; a nonlinear electromagnetic and thermal model of an asynchronous motor; and a decision-making block. The chapter of monograph demonstrates the ways to increase reliability of the modeling of electric main parameters.
On the Feasibility of Choosing Means of an Asynchronous Motor Protection in Industrial Conditions
(ScientificWorld-NetAkhatAV, Karlsruhe, Germany, 2023) Tryputen, Mykola; Kuznetsov, Vitaliy V.
ENG: The article is devoted to the urgent problem of choosing the means of protection of asynchronous motors (AM) operating in the shop electric networks of industrial enterprises with low-quality electricity. The well-known energy-economic model of an induction motor is presented in the form of a predicate disjunction, to which we apply the pattern recognition algorithm for making decisions. The main advantage of the predicate model is openness and the possibility of accumulating knowledge about the operating modes of electromechanical equipment. The practical implementation of training, adaptation, minimization of the predicate model and the search on its basis for the best option for protecting an asynchronous motor in high-level algorithmic languages involves the processing of large amounts of data. It is shown that elements of predicate equations can be represented as a relational data model and use operations - algebras for its transformations. The transformation procedures are easily integrated into the information and software structures of the automated enterprise management structure, which use database management systems oriented to relational models.
Актуальність системи прямого керування моментом асинхронного двигуна
(Український державний університет науки і технологій, ІВК «Системні технології», Дніпро, 2023) Стьопкін, Василь Володимирович; Смірнов, Г. М.; Науменко, В. В.; Свободін, О. О.
UKR: У статті розроблено математичну модель системи DTC (direct torque control) електропривода змінного струму для задач рухомого складу міського електротранспорту, як альтернативу комплексному векторному керуванню асинхронним двигуном з урахуванням його актуальність, принципи дії та причини виникнення. Проведено дослідження математичної моделі прямого керування моментом асинхронного двигуна в MATLAB, виявлено її основні недоліки, які обмежують сферу її застосування. Основним завданням системи DTC є ідентифікація потокозчеплення статора, що вирішується шляхом інтегрування з накопиченням похибок. Джерелом накопичення похибок є неточність визначення активного опору статора та його зміни під час роботи асинхронного двигуна. Система DTC має недолік, пов'язаний з появою пульсацій крутного моменту і коливань частоти обертання ротора при малих навантаженнях.
Дослідження способів керування асинхронним двигуном на математичній моделі навчального стенду в програмному забезпеченні TIA Portal Siemens
(Український державний університет науки і технологій, ІВК «Системні технології», Дніпро, 2026) Стьопкін, Василь Володимирович; Іващенко, Микола А.; Шпачук, Павло Р.
UKR: З метою дослідження способів керування асинхронним двигуном з перетворювачем частоти лінійки SINAMICS S120 фірми Siemens з реалізацією різного характеру навантажувальних діаграм був зібраний та зконфігурований навчальний стенд у програмному забезпеченні TIA Portal. Навантаження для асинхронного двигуна реалізовано за допомогою синхронного двигуна, який був механічно з’єднаний валом. До складу стенду входять наступні елементи: програмований логічний контролер CPU 1510SP-1 PN; комунікаційний процесор CP 1542SP-1 для підключення SIMATIC S7-ET200SP до мережі Industrial Ethernet; базовий електропривод змінного струму SINAMICS S120 CU320-2 PN; модулі керування інвертором асинхронного двигуна та синхронного DC 510-720 В, 2х4,8 кВт; 2х9 А у кількості 2 шт.; асинхронний двигун з короткозамкненим ротором 0,37 кВт, 1500 об/хв.; синхронний двигун з постійними магнітами 0,82 кВт, 3000 об/хв. В роботі вирішена задача з розробки математичної моделі зі скалярною та векторною системою керування з можливістю порівняльного аналізу перехідних процесів на реальному електроприводі.
Оцінювання адекватності математичної моделі асинхронного двигуна в умовах неякісного електроживлення
(Видавництво МДПУ ім. Б. Хмельницького, Запоріжжя, 2025) Кузнецов, Віталій Вадимович; Спірінцев, Д. В.; Шликов, С. Ю.; Кривда, В. В.; Кривда, О. В.
UKR: У статті розглянуто підхід до математичного моделювання асинхронного електродвигуна, який працює в умовах неякісного або нестабільного електроживлення. Запропонована модель є універсальною і побудована на основі аналізу миттєвих значень напруги та струму за допомогою просторово-часових векторних комплексів (ПВК), що дозволяє уникнути необхідності перетворення сигналів у гармонічні складові чи симетричні компоненти. Такий підхід забезпечує більш гнучке та точне моделювання електромагнітних і енергетичних процесів у двигуні навіть у складних умовах роботи. Метою дослідження є експериментальна перевірка адекватності розробленої моделі шляхом порівняння розрахованих та фактичних значень основних техніко-економічних показників двигуна — таких як коефіцієнт корисної дії (ККД), коефіцієнт потужності (cos φ), а також сумарні втрати потужності. Для цього було проведено натурний експеримент у цеху, де умови живлення характеризувалися спотворенням синусоїдальності, асиметрією фаз і значними коливаннями навантаження. Дослідження проводилося на асинхронному двигуні потужністю 11 кВт із короткозамкненим ротором, при навантаженнях у діапазоні від 2,3 до 12,8 кВт. Експериментальні дані збиралися за допомогою спеціалізованого вимірювального комплексу із високоточними датчиками струму та напруги (на основі ефекту Холла), а також тахогенератора. Верифікація моделі здійснювалася з використанням регресійного аналізу та оцінки середньоквадратичної похибки. Отримані результати свідчать про високу точність прогнозування моделювальних параметрів: середньоквадратична відносна похибка склала 2,72 % для ККД, 3,0 % для коефіцієнта потужності та 3,99 % для сумарних втрат. Коефіцієнт кореляції між змодельованими та експериментальними даними становив 0,99, що підтверджує адекватність обраного математичного підходу. Модель є не лише теоретично обґрунтованою, а й практично придатною до впровадження у цифрові системи моніторингу та керування електроприводами в промислових умовах. Її застосування дозволяє підвищити ефективність експлуатації обладнання, виявляти аномалії у роботі двигуна та оптимізувати енергоспоживання в умовах спотвореного або несиметричного живлення.
Проблеми побудови асинхронних електроприводів зі спостерігачами стану
(Національна металургійна академія України, ІВК «Системні технології», Дніпро, 2021) Стьопкін, Василь Володимирович; Юдін, О. В.; Котляр, М. В.; Паламарчук, О. О.
UKR: У даній роботі розглядаються проблеми побудови асинхронних електроприводів зі спостерігачами стану та останні досягнення в області бездатчикових приводів змінного струму. Визначено основні сфери застосування асинхронних електроприводів зі спостерігачами стану. В якості базової при розгляді конструкцій сучасних асинхронних електроприводів використано векторну безсенсорну систему керування з використанням перетворювачів координат із природної системи координат у нерухому та обертову та спостерігача стану на основі математичної моделі двигуна у двофазній стаціонарній системі координат. Розглянуто основні типи спостерігачів потоку та швидкості асинхронних електроприводів для задач побудови якісного асинхронного електроприводу з векторним керуванням без використання датчиків. Сформульовано задачу подальшої модернізації систем керування на основі електроприводу зі спостерігачем витрати та швидкості.