Analyzing the Dynamic Characteristics of a Synchronous Motor as a Control Object in the Torque Control Loop
Keywords:
synchronous electric drive, frequency analysis of characteristics, current and torque control loops
Abstract
The article addresses matters concerned with studying the frequency responses of torque and current control loops, an analysis of which allows one to identify the key parameters affecting the electric drive stability and dynamic performance indicators. A torque control loop is synthesized for both single-phase and three-phase configurations of AC synchronous electric drives. An evaluation is performed, and expressions for signal variation processes in each structural unit of the torque control loop were derived for further study of the amplitude and phase frequency responses of synchronous AC drives. The equation for the total torque of a three-phase synchronous electric drive is analyzed in detail for the drive torque braking and low speed operation modes. Versions of mathematical description of the processes in the system using the torque triangle method are considered. Frequency responses for the current and torque control loops are given. The study of spectral properties throughout the entire frequency range highlights the necessity of precisely tuning the control system during low-speed operation or when the motor operates in the torque braking mode. Highly efficient performance of the employed mathematical modeling technique has been achieved in analyzing the frequency responses of electric drives equipped with AC motors. The experimental studies have made it possible to take into account cross-coupling effects between the electromechanical converter windings.
References
1. Грызлов А.А., Григорьев М.А. Частотные методы синтеза высокоскоростных регулируемых электроприводов компрессоров. – Электротехника, 2019, № 5, с. 9–15.
2. Авдеев А.С., Осипов О.И. Идентификация электрических параметров синхронного двигателя с постоянными магнитами. – Электротехнические системы и комплексы, 2021, № 3 (52), с. 38–46.
3. Лицин К.В., Морозков Д.А. Исследование алгоритмов идентификации синхронного двигателя с обмоткой возбуждения. – Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2023, № 7, с. 363–367.
4. Фролов М.Ю. Идентификация параметров синхронных машин в эксплуатационных режимах электрической сети: дис. … кандидата техн. наук. Новосибирск, 2018, 124 с.
5. Усынин Ю.С., Григорьев М.А., Виноградов К.М. Электроприводы и генераторы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения. – Электричество, 2007, №3, с. 21–26.
6. Суворкова Е.Е., Дементьев Ю.Н., Бурулько Л.К. Расчет магнитных полей и индуктивных параметров синхронных реактивных двигателей. – Фундаментальные исследования, 2016, № 6-1, с. 112–116.
7. Шульга Р.Н. Синхронный реактивный двигатель в современном электроприводе. – Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2023, № 1, с. 44–55.
8. Прахт В.А., Дмитриевский В.А., Казакбаев В.М. Синхронный реактивный двигатель без магнитов класса энергоэффективности IE5. – Электротехника, 2019, № 6, с. 40–46.
9. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования. М.: Энергия, 1970, 288 с.
10. Слежановский О.В. и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. М.: Энергоатомиздат, 1983, 256 с.
11. Вейнгер А.М. Регулируемый синхронный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1985, 224 с.
12. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974, 168 с.
13. Шаталов А.С. Преобразования сигналов и изображающих их функций обобщенными линейными системами автоматического управления. М.-Л.: Энергия, 1965, 344 с.
14. Маурер В.Г. Средства частотного анализа элементов, устройств и систем управления вентильных электроприводов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998, 120 с.
15. Sajjad Hossain Rafin S.M., Ali Q., Lipo T.A. A Novel Sub-Harmonic Synchronous Machine Using Three-Layer Winding Topology. – World Electric Vehicle Journal, 2022, vol. 13, No. 1, DOI: 10.3390/wevj13010016.
16. Boglietti A. et al. Thermal Analysis of Induction and Synchronous Reluctance Motors. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, vol. 42, No. 3, pp. 675–680, DOI: 10.1109/TIA.2006.873668.
17. Ваганов М.А., Скобеев И.И., Селим С.А. Синхронный реактивный двигатель при учете активного сопротивления обмотки статора. – Известия СПБГЭТУ ЛЭТИ, 2016, № 7, с. 67–74.
18. Дудкин М.М., Усынин Ю.С., Осинцев К.В. Адаптивное интегрирующее устройство синхронизации для систем управления силовыми вентильными преобразователями. – Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика, 2018, т. 18, № 4, с. 68–78.
---
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 24-29-20196, https://rscf.ru/project/24-29-20196.
#
1. Gryzlov A.A., Grigor’ev M.A. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2019, No. 5, pp. 9–15.
2. Avdeev A.S., Osipov O.I. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy – in Russ. (Electrical Engineering Systems and Complexes), 2021, No. 3 (52), pp. 38–46.
3. Litsin K.V., Morozkov D.A. Izvestiya Tul’skogo gosudarstven-nogo universiteta. Tekhnicheskie nauki – in Russ. (News of Tula State University. Technical Science), 2023, No. 7, pp. 363–367.
4. Frolov M.Yu. Identifikatsiya parametrov sinhronnyh mashin v ekspluatatsionnyh rezhimah elektricheskoy seti: dis. … kandidata tekhn. nauk (Identification of Parameters of Synchronous Machines in the Operational Modes of the Electrical Network: Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). Novosibirsk, 2018, 124 p.
5. Usynin Yu.S., Grigor’ev M.A., Vinogradov K.M. Elektri-chestvo – in Russ. (Electricity), 2007, №3, pp. 21–26.
6. Suvorkova E.E., Dement’ev Yu.N., Burul’ko L.K. Fundamen-tal’nye issledovaniya – in Russ. (Fundamental Research), 2016, No. 6-1, pp. 112–116.
7. Shul’ga R.N. Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont – in Russ. (Electrical Equipment: Operation and Repair), 2023, No. 1, pp. 44–55.
8. Praht V.A., Dmitrievskiy V.A., Kazakbaev V.M. Elektrotekh-nika – in Russ. (Electrical Engineering), 2019, No. 6, pp. 40–46.
9. Morozovskiy V.T. Mnogosvyaznye sistemy avtomaticheskogo regulirovaniya (Multi-Connected Automatic Control Systems). M.: Energiya, 1970, 288 p.
10. Slezhanovskiy O.V. et al. Sistemy podchinennogo regu-lirovaniya elektroprivodov peremennogo toka s ventil’nymi preob-razovatelyami (Subordinate Control Systems for AC Electric Drives with Valve Converters). M.: Energoatomizdat, 1983, 256 p.
11. Veynger A.M. Reguliruemyy sinhronnyy elektroprivod (Adjus-table Synchronous Electric Drive). M.: Energoatomizdat, 1985, 224 p.
12. Brodovskiy V.N., Ivanov E.S. Privody s chastotno-tokovym upravleniem (Frequency-Current-Controlled Drives). M.: Energiya, 1974, 168 p.
13. Shatalov, A.S. Preobrazovaniya signalov i izobrazhayushchih ih funktsiy obobshchennymi lineynymi sistemami avtomaticheskogo upravleniya (Transformations of Signals and Their Representing Functions by Generalized Linear Automatic Control Systems). M.-L.: Energiya, 1965, 344 p.
14. Maurer V.G. Sredstva chastotnogo analiza elementov, ustroystv i sistem upravleniya ventil’nyh elektroprivodov (Means of Frequency Analysis of Elements, Devices and Control Systems of Valve Electric Drives). Chelyabinsk: Izd-vo YuUrGU, 1998, 120 p.
15. Sajjad Hossain Rafin S.M., Ali Q., Lipo T.A. A Novel Sub-Harmonic Synchronous Machine Using Three-Layer Winding Topology. – World Electric Vehicle Journal, 2022, vol. 13, No. 1, DOI: 10.3390/wevj13010016.
16. Boglietti A. et al. Thermal Analysis of Induction and Synchronous Reluctance Motors. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, vol. 42, No. 3, pp. 675–680, DOI: 10.1109/TIA.2006.873668.
17. Vaganov M.A., Skobeev I.I., Selim S.A. Izvestiya SPBGETU LETI – in Russ. (Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University), 2016, No. 7, pp. 67–74.
18. Dudkin M.M., Usynin Yu.S., Osintsev K.V. Vestnik Yuzhno-Ural’skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika – in Russ. (Bulletin of South Ural State University. Series: Power Engineering), 2018, vol. 18, No. 4, pp. 68–78
---
The study was financially supported by the Russian Science Foundation, grant No. 24-29-20196, https://rscf.ru/project/24-29-20196.
2. Авдеев А.С., Осипов О.И. Идентификация электрических параметров синхронного двигателя с постоянными магнитами. – Электротехнические системы и комплексы, 2021, № 3 (52), с. 38–46.
3. Лицин К.В., Морозков Д.А. Исследование алгоритмов идентификации синхронного двигателя с обмоткой возбуждения. – Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2023, № 7, с. 363–367.
4. Фролов М.Ю. Идентификация параметров синхронных машин в эксплуатационных режимах электрической сети: дис. … кандидата техн. наук. Новосибирск, 2018, 124 с.
5. Усынин Ю.С., Григорьев М.А., Виноградов К.М. Электроприводы и генераторы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения. – Электричество, 2007, №3, с. 21–26.
6. Суворкова Е.Е., Дементьев Ю.Н., Бурулько Л.К. Расчет магнитных полей и индуктивных параметров синхронных реактивных двигателей. – Фундаментальные исследования, 2016, № 6-1, с. 112–116.
7. Шульга Р.Н. Синхронный реактивный двигатель в современном электроприводе. – Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2023, № 1, с. 44–55.
8. Прахт В.А., Дмитриевский В.А., Казакбаев В.М. Синхронный реактивный двигатель без магнитов класса энергоэффективности IE5. – Электротехника, 2019, № 6, с. 40–46.
9. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования. М.: Энергия, 1970, 288 с.
10. Слежановский О.В. и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. М.: Энергоатомиздат, 1983, 256 с.
11. Вейнгер А.М. Регулируемый синхронный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1985, 224 с.
12. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974, 168 с.
13. Шаталов А.С. Преобразования сигналов и изображающих их функций обобщенными линейными системами автоматического управления. М.-Л.: Энергия, 1965, 344 с.
14. Маурер В.Г. Средства частотного анализа элементов, устройств и систем управления вентильных электроприводов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998, 120 с.
15. Sajjad Hossain Rafin S.M., Ali Q., Lipo T.A. A Novel Sub-Harmonic Synchronous Machine Using Three-Layer Winding Topology. – World Electric Vehicle Journal, 2022, vol. 13, No. 1, DOI: 10.3390/wevj13010016.
16. Boglietti A. et al. Thermal Analysis of Induction and Synchronous Reluctance Motors. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, vol. 42, No. 3, pp. 675–680, DOI: 10.1109/TIA.2006.873668.
17. Ваганов М.А., Скобеев И.И., Селим С.А. Синхронный реактивный двигатель при учете активного сопротивления обмотки статора. – Известия СПБГЭТУ ЛЭТИ, 2016, № 7, с. 67–74.
18. Дудкин М.М., Усынин Ю.С., Осинцев К.В. Адаптивное интегрирующее устройство синхронизации для систем управления силовыми вентильными преобразователями. – Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика, 2018, т. 18, № 4, с. 68–78.
---
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 24-29-20196, https://rscf.ru/project/24-29-20196.
#
1. Gryzlov A.A., Grigor’ev M.A. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2019, No. 5, pp. 9–15.
2. Avdeev A.S., Osipov O.I. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy – in Russ. (Electrical Engineering Systems and Complexes), 2021, No. 3 (52), pp. 38–46.
3. Litsin K.V., Morozkov D.A. Izvestiya Tul’skogo gosudarstven-nogo universiteta. Tekhnicheskie nauki – in Russ. (News of Tula State University. Technical Science), 2023, No. 7, pp. 363–367.
4. Frolov M.Yu. Identifikatsiya parametrov sinhronnyh mashin v ekspluatatsionnyh rezhimah elektricheskoy seti: dis. … kandidata tekhn. nauk (Identification of Parameters of Synchronous Machines in the Operational Modes of the Electrical Network: Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). Novosibirsk, 2018, 124 p.
5. Usynin Yu.S., Grigor’ev M.A., Vinogradov K.M. Elektri-chestvo – in Russ. (Electricity), 2007, №3, pp. 21–26.
6. Suvorkova E.E., Dement’ev Yu.N., Burul’ko L.K. Fundamen-tal’nye issledovaniya – in Russ. (Fundamental Research), 2016, No. 6-1, pp. 112–116.
7. Shul’ga R.N. Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont – in Russ. (Electrical Equipment: Operation and Repair), 2023, No. 1, pp. 44–55.
8. Praht V.A., Dmitrievskiy V.A., Kazakbaev V.M. Elektrotekh-nika – in Russ. (Electrical Engineering), 2019, No. 6, pp. 40–46.
9. Morozovskiy V.T. Mnogosvyaznye sistemy avtomaticheskogo regulirovaniya (Multi-Connected Automatic Control Systems). M.: Energiya, 1970, 288 p.
10. Slezhanovskiy O.V. et al. Sistemy podchinennogo regu-lirovaniya elektroprivodov peremennogo toka s ventil’nymi preob-razovatelyami (Subordinate Control Systems for AC Electric Drives with Valve Converters). M.: Energoatomizdat, 1983, 256 p.
11. Veynger A.M. Reguliruemyy sinhronnyy elektroprivod (Adjus-table Synchronous Electric Drive). M.: Energoatomizdat, 1985, 224 p.
12. Brodovskiy V.N., Ivanov E.S. Privody s chastotno-tokovym upravleniem (Frequency-Current-Controlled Drives). M.: Energiya, 1974, 168 p.
13. Shatalov, A.S. Preobrazovaniya signalov i izobrazhayushchih ih funktsiy obobshchennymi lineynymi sistemami avtomaticheskogo upravleniya (Transformations of Signals and Their Representing Functions by Generalized Linear Automatic Control Systems). M.-L.: Energiya, 1965, 344 p.
14. Maurer V.G. Sredstva chastotnogo analiza elementov, ustroystv i sistem upravleniya ventil’nyh elektroprivodov (Means of Frequency Analysis of Elements, Devices and Control Systems of Valve Electric Drives). Chelyabinsk: Izd-vo YuUrGU, 1998, 120 p.
15. Sajjad Hossain Rafin S.M., Ali Q., Lipo T.A. A Novel Sub-Harmonic Synchronous Machine Using Three-Layer Winding Topology. – World Electric Vehicle Journal, 2022, vol. 13, No. 1, DOI: 10.3390/wevj13010016.
16. Boglietti A. et al. Thermal Analysis of Induction and Synchronous Reluctance Motors. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, vol. 42, No. 3, pp. 675–680, DOI: 10.1109/TIA.2006.873668.
17. Vaganov M.A., Skobeev I.I., Selim S.A. Izvestiya SPBGETU LETI – in Russ. (Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University), 2016, No. 7, pp. 67–74.
18. Dudkin M.M., Usynin Yu.S., Osintsev K.V. Vestnik Yuzhno-Ural’skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika – in Russ. (Bulletin of South Ural State University. Series: Power Engineering), 2018, vol. 18, No. 4, pp. 68–78
---
The study was financially supported by the Russian Science Foundation, grant No. 24-29-20196, https://rscf.ru/project/24-29-20196.
Published
2025-09-29
Section
Article
