probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2021-23-6-148-156probener-2074Research ArticleЭЛЕКТРОТЕХНИКАELECTRICAL ENGINEERINGОптимизация параметров тихоходного синхронного двигателя с постоянными магнитами для линейного привода длинноходового одноступенчатого поршневого компрессораOptimization of parameters of quiet permanent magnet synchronous motor for linear drive of long-stroke single-stage piston compressorhttps://orcid.org/0000-0002-0891-9244ТатевосянА. А.TatevosyanA. A.

 канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрическая техника» 

Омск

Omsk 

karo1@mail.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation202101042022236148156Copyright © Татевосян А.А., 20222022Татевосян А.А.Tatevosyan A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2074

В статье предложено решение задачи оптимизации конструкции магнитной системы тихоходного синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ) в составе перспективного к использованию в компрессоростроении линейного привода одноступенчатого поршневого компрессора на заданный закон движения подвижной части. В качестве критерия оптимальности используется максимум КПД электромеханического преобразователя. Решением задачи оптимизации установлена в аналитическом виде взаимосвязь конструктивных параметров с энергетическими показателями СДПМ. Приведено обоснование максимально возможного КПД СДПМ для синусоидального и несинусоидального законов движения индуктора.

ЦЕЛЬ

ЦЕЛЬ: Получение решения задачи оптимизации конструкции магнитной системы тихоходного СДПМ в составе линейного привода одноступенчатого поршневого компрессора на заданный закон движения подвижной части, удовлетворяющего критерию максимума КПД электромеханического преобразователя.

МЕТОДЫ

МЕТОДЫ: Использовались методы теории электромеханических преобразователей энергии, теоретической электротехники, математического моделирования, методы оптимизации, вариационного, дифференциального и интегрального исчисления, а также экспериментальные методы.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ: Приведены результаты экспериментального исследования разработанного макетного образца тихоходного СДПМ в составе линейного привода длинноходового одноступенчатого поршневого компрессора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Наибольший КПД СДПМ достигается, когда ток в обмотке якоря изменяется во времени прямо пропорционально скорости движения индуктора. Для обеспечения указанного режима предлагаетсяиспользовать частотный преобразователь с открытым программным кодом, позволяющий реализовать временную зависимость тока в обмотке якоря в соответствии с заданным законом движения подвижной части. Управление СДПМ осуществляется частотным преобразователем на основе созданных в среде MexBios структурных моделей.

The article proposes a solution to the problem of optimizing the magnetic system design of a low-speed synchronous motor with permanent magnets (PMSM) as a part of a linear drive of a single-stage piston compressor that is promising for use in compressor construction for a given law of motion of the moving part. The maximum efficiency of the electromechanical converter is used as an optimality criterion. By solving the optimization problem, the relationship between the design parameters and the energy performance of the PMSM was established in an analytical form. The substantiation of the maximum possible efficiency of the PMSM for the sinusoidal and non-sinusoidal laws of motion of the inductor is given.

PURPOSE

PURPOSE: Obtaining a solution to the problem of optimizing the magnetic system design of a low-speed PMSM as a part of a linear drive of a single-stage reciprocating compressor for a given law of motion of the moving part that meets the criterion of maximum efficiency of an electromechanical converter.

METHODS

METHODS: The methods of the theory of electromechanical energy converters, theoretical electrical engineering, mathematical modeling, optimization methods, variational, differential and integral calculus, as well as experimental methods are used.

RESULTS

RESULTS: The results of an experimental study of the developed prototype of a low-speed SDPM as a part of a linear drive of a long-stroke single-stage reciprocating compressor are presented.

CONCLUSION

CONCLUSION: The highest efficiency of the PMSM is achieved when the current in the armature winding changes with time in direct proportion to the speed of the inductor. To ensure this mode, it is proposed to use an open-source frequency converter, which makes it possible to implement the time dependence of the current in the armature winding in accordance with the given law of motion of the moving part. The PMSM is controlled by a frequency converter based on structural models created in the MexBios environment.

тихоходный двигатель возвратно-поступательного движенияпостоянные магнитыдлинноходовой одноступенчатый компрессорсистема управлениячастотный преобразовательlow-speed reciprocating motorpermanent magnetslong-stroke single-stage compressorcontrol systemfrequency converterReferencesYusha VL, Busarov SS, Gromov AYu. Assessment of the Prospects of Development of Medium-Pressure Single-Stage Piston Compressor Units // Сhemical and petroleum engineering. 2017. Chemical and Petroleum Engineering, 53(7–8).Yusha VL, Busarov SS, Gromov AYu. Assessment of the Prospects of Development of Medium-Pressure Single-Stage Piston Compressor Units. Shemical and petroleum engineering. 2017. Chemical and Petroleum Engineering, 53(7–8). https://doi.org/10.1007/s10556-017-0362-2.Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчет. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2006. 456 с.Plastinin, P.I. Porshnevye kompressory. Pt.1. Teoriya i raschet. 2-e izd., pererab. i dop. M.: Kolos, 2006. 456 p.Huang Y. Hy draulic System Design of Hydraulic Actuators for Large Butterfly Valves // J. Eng. Sci. Technol. Rev. 2014. V 7. pp. 150–155.Huang Y, Liu C, Bamed S. Hy draulic System Design of Hydraulic Actuators for Large Butterfly Valves. J. Eng. Sci. Technol. Rev. 2014;7:150–155, Sep. 2014.Петров Т.И., Сафин А.Р. Разработка и реализация стенда для подтверждения эффективности топологической оптимизации ротора синхронных двигателей с постоянными магнитами // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13. № 2 (50). С. 100-108.Petrov TI, Safin AR. Razrabotka i realizatsiya stenda dlya podtverzhdeniya effektivnosti topologicheskoi optimizatsii rotora sinkhronnykh dvigatelei s postoyannymi magnitami. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta. 2021;13(2:(50):100-108.Ang S., Rong-ming C., Hui-xing Z. Research on the iterative learning control method for linear motor driven compressor // International Conference on Electrical Machines and Systems, 2011, pp. 1–4.Ang S, Rong-ming C, Hui-xing Z. Research on the iterative learning control method for linear motor driven compressor. International Conference on Electrical Machines and Systems, 2011. pp. 1–4.Сафин А.Р., Ившин И.В., Грачева Е.И. Разработка математической модели автономного источника электроснабжения с свободно-поршневым двигателем на базе синхронной электрической машины возвратно-поступательного действия с постоянными магнитами // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 1. С. 38-48.Safin AR. Razrabotka matematicheskoi modeli avtonomnogo istochnika elektrosnabzheniya s svobodno-porshnevym dvigatelem na baze sinkhronnoi elektricheskoi mashiny vozvratno-postupatel'nogo deistviya s postoyannymi magnitami/ A.R. Safin, I.V. Ivshin, E.I. Gracheva, T.I. Petrov. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki. 2020;22(1):38-48.Исмагилов Ф.Р., Герасин А.А., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е. И87 Электромеханические системы с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Машиностроение, 2014. 267 с.Ismagilov FR, Gerasin AA, Khairullin IKh, et al. I87 Elektromekhanicheskie sistemy s vysokokoertsitivnymi postoyannymi magnitami. M.: Mashinostroenie, 2014. 267 p.Юша В.Л., Бусаров С.С. Перспективы создания малорасходных компрессорных агрегатов среднего и высокого давления на базе унифицированных тихоходных длинноходовых ступеней // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 4. С. 80–89.Yusha VL, Busarov SS. Perspektivy sozdaniya maloraskhodnykh kompressornykh agregatov srednego i vysokogo davleniya na baze unifitsirovannykh tikhokhodnykh dlinnokhodovykh stupenei. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbPU. Estestvennye i inzhenernye nauki. 2018;24(4):80–89. doi: 10.18721/JEST.24408.Бусаров С.С., Васильев В.К., Бусаров И.С., и др. Параметрический анализ рабочих процессов тихоходных длинноходовых бессмазочных поршневых компрессорных ступеней на базе верифицированной методики расчета // Омский научный вестник №4 (154). Омск, 2017 С.40-44.Busarov SS, Vasil'ev VK, Busarov IS, et al. Parametricheskii analiz rabochikh protsessov tikhokhodnykh dlinnokhodovykh bessmazochnykh porshnevykh kompressornykh stupenei na baze verifitsirovannoi metodiki rascheta. Omskii nauchnyi vestnik. 2017;4 (154):40-44.Cui F., Sun Z., Xu W. Comparative analysis of bilateral permanent magnet linear synchronous motors with different structures // CES Trans. Electr. Mach. Syst. 2020. V. 4. №2. pp. 142–150, 2020.Cui F, Sun Z, Xu W. Comparative analysis of bilateral permanent magnet linear synchronous motors with different structures. CES Trans. Electr. Mach. Syst. 2020;4(2):142–150.Yusha V.L., Busarov S.S., Nedovenchanyi A.V., Tatevosyan A.А., Comparative Analysis of the Magnetoelectric Drive with Linear Drives of Low-Speed Single-Stage Piston Units AIP Conference Proceedings 2285, 030066-2020. p/030066-1-030066-8.: https://doi.org/10.1063/5.0027290.Yusha VL, Busarov SS, Nedovenchanyi AV, Tatevosyan AA. Comparative Analysis of the Magnetoelectric Drive with Linear Drives of Low-Speed Single-Stage Piston Units. AIP Conference Proceedings 2285, 030066-2020-p/030066-1-030066-8. Rezhim dostupa: https://doi.org/10.1063/5.0027290.Пахомин С.А., Пахомин Л.С. Оптимизационное проектирование вентильных машин с постоянными магнитами на пакета FEMM // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2018. Т. 61. № 6. С. 26-31.Pakhomin SA. Optimizatsionnoe proektirovanie ventil'nykh mashin s postoyannymi magnitami na osnove paketa FEMM/S.A. Pakhomin, L.S. Pakhomin. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika. 2018;61(6):26-31.Татевосян А.А. Решение задачи оптимального управления магнитоэлектрического привода колебательного движения // Омский научный вестник.2019. №4 (166). С.48-51.Tatevosyan AA. Reshenie zadachi optimal'nogo upravleniya magnitoelektricheskogo privoda kolebatel'nogo dvizheniya. Omskii nauchnyi vestnik. 2019;4 (166):48-51.Ряшенцев, Н.П., Ковалев, Ю.З. Динамика электромагнитных импульсных систем. Новосибирск: Наука, 1974. 186 с.Ryashentsev NP, Kovalev YuZ. Dinamika elektromagnitnykh impul'snykh sistem. Novosibirsk: Nauka. 1974. 186 p.Tatevosyan A.A., Polyakov, D.A., Kholmov, M.A. Characteristics research of a permanent magnet linear synchronous motor driving piston compressor // Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021.Tatevosyan AA, Polyakov DA, Kholmov MA. Characteristics research of a permanent magnet linear synchronous motor driving piston compressor. Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021. doi 10.1109/REEPE51337.2021.9387980.Poltschak F.A high efficient linear motor for compressor applications // 2014 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2014, pp. 1356–1361.Poltschak F. A high efficient linear motor for compressor applications. 2014 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2014, pp. 1356–1361.

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