Modeling of DC Motor Start-up from Solar Array Cells
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-2-16-23Keywords:
DC motor, solar cell, solar array, mathematical modeling, motor start-up, transient, SimInTech modeling softwareAbstract
A DC motor efficiently converts electrical energy into mechanical energy and is indispensable across a wide range of industrial and household applications. The motor start-up is accompanied by a transient, which affects the motor performance characteristics and longevity. Understanding of all relevant physical processes and the possibility to model them are crucial for engineers and researchers aiming to optimize the performance of electromechanical systems and mitigate negative factors such as overloads and equipment wear. The article addresses the development and study of a mathematical model simulating the start-up of a DC motor powered from a solar array, which makes it possible not only to study the dynamics in the transient mode of operation, but also to evaluate the influence of various parameters on the motor start-up process and its subsequent operation. The model is implemented using the SimInTech dynamic modeling software. Computational experiments have revealed the key features of DC motor operation when powered by a solar array, which must be taken into account under real operating conditions. It is shown that electrical oscillations and an attractor of the "steady focus" type can occur in the system. The results obtained open new opportunities in modeling and designing electromechanical systems powered by renewable energy sources.
References
1. Герман-Галкин С.Г., Карташов Б.А., Литвинов С.Н. Модельное проектирование электромеханических мехатронных модулей движения в среде SiminTech. М.: ДМК Пресс, 2021.
2. Хамитов Р.Н., Самохвалова А.Ю. Моделирование двигателя постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 1. С. 385—389.
3. Семенов А.С., Хубиева В.М., Петрова М.Н. Математическое моделирование режимов работы двигателя постоянного тока в среде MATLAB // Фундаментальные исследования. 2015. № 10-3. С. 523—528.
4. Ивойлов А.Ю., Жмудь В.А., Трубин В.Г. Методика определения параметров двигателя постоянного тока // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19. № 7. С. 486—496.
5. Романенко И.Г., Данилов М.И. Моделирование тягового двигателя постоянного тока последовательного возбуждения в замкнутой системе регулирования параметров // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2015. № 2. С. 66—72.
6. Харламов В.В., Москалев Ю.В., Найден С.Н. Моделирование процесса коммутации тягового двигателя постоянного тока карьерного самосвала // Омский научный вестник. 2020. № 2(170). С. 31—36.
7. Сологубов А. Виртуальная имитационная модель электромеханической системы на примере азимутального привода постоянного тока для исследования гелиоэнергетических установок // Силовая электроника. 2018. № 1. С. 74—79.
8. Bitara Z., Jabia S., Khamis I. Modeling and Simulation of Series DC Motors in Electric Car // Energy Procedia. 2014. V. 50. Pp. 460—470.
9. Szanto A., Sziki G.A., Hajdu S. Dynamics Simulation of a Prototype Race Car Driven by Series Wound DC Motor in Matlab-Simulink // Acta Polytech. Hung. 2020. V. 17(4). Pp. 103—122.
10. Szanto A., Kiss J., Mankovits T., Sziki G.A. Dynamic Test Measurements and Simulation on a Series Wound DC Motor // Appl. Sci. 2021. V. 11(10). P. 4542.
11. Cservenak A. Simulation and Modeling of a DC Motor Used in a Mobile Robot // Academic J. Manufacturing Eng. 2020. V. 18(4). Pp. 183—190.
12. Linggarjati J. DC Motor Simulation Using LTSpice // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. V. 426. P. 012137.
13. Al-Sagar Z.S., Saleh M.S., Mohammed K.G., Sameen A.Z. Modelling and Simulation Speed Control of DC Motor Using PSIM // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. V. 745. P. 012024.
14. Kuczmann M. Review of DC Motor Modeling and Linear Control: Theory with Laboratory Tests // Electronics. 2024. V. 13(11). Pp. 2225—2263.
15. Трещ A.M. Моделирование эксплуатационных характеристик солнечных батарей (в среде MATLAB/SIMULINK) // Доклады БГУИР. 2012. № 7(69). С. 111—115.
16. Salmi T., Bouzguenda M., Gastli A., Masmoudi A. MATLAB/Simulink Based Modelling of Solar Photovoltaic Cell // Intern. J. Renewable Energy Research. 2012. V. 2(2). Pp. 213—218.
17. Tayeb A.M., Solyman A.A.A., Hassan M., Abu el-Ella T.M. Modeling and Simulation of Dye-sensitized Solar Cell: Model Verification for Different Semiconductors and Dyes // Alexandria Eng. J. 2022. V. 61. Pp. 9249—9260.
18. Ковалев В.З., Парамзин А.О., Архипова О.В. Математическое моделирование фотоэлектрических панелей, как составляющей комплекса распределенной генерации // Инженерный вестник Дона. 2022. № 12. С. 1—15.
19. Бураков М.В., Шишлаков В.Ф. Нечеткое управление солнечной батареей // Информационно-управляющие системы. 2017. № 5. С. 62—70.
20. Shah Md.W., Biate R.L. Design and Simulation of Solar PV Model Using Matlab/Simulink // Intern. J. Sci. & Eng. Research. 2016. V. 7(3). Pp. 551—554.
21. Киевец А.В., Бай Ю.Д., Суворов А.А., Аскаров А.Б., Ким А.А. Исследование влияния изменения температуры солнечных панелей на выходные характеристики солнечной электростанции в условиях частичной затененности // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 3. С. 627—638.
22. Хабаров С.П., Шилкина М.Л. Основы моделирования технических систем. Среда SimInTech. СПб.: Лань, 2021.
23. Luque A., Hegedus S. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. N.-Y.: John Wiley & Sons, 2011.
24. Анищенко В.С. Сложные колебания в простых системах: механизмы возникновения, структура и свойства динамического хаоса в радиофизических системах. М.: Наука, 1990.
---
Для цитирования: Рехвиашвили С. Ш., Макоев А.К. Моделирование процесса пуска двигателя постоянного тока от элементов солнечной батареи // Вестник МЭИ. 2025. № 2. С. 16—23. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-2-16-23
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. German-Galkin S.G., Kartashov B.A., Litvinov S.N. Model'noe Proektirovanie Elektromekhanicheskikh Mekhatronnykh Moduley Dvizheniya v Srede SiminTech. M.: DMK Press, 2021. (in Russian).
2. Khamitov R.N., Samokhvalova A.Yu. Modelirovanie Dvigatelya Postoyannogo Toka s Shirotno-impul'snym Preobrazovatelem. Dinamika Sistem, Mekhanizmov i Mashin. 2014;1:385—389. (in Russian).
3. Semenov A.S., Khubieva V.M., Petrova M.N. Matematicheskoe Modelirovanie Rezhimov Raboty Dvigatelya Postoyannogo Toka v Srede MATLAB. Fundamental'nye Issledovaniya. 2015;10-3:523—528. (in Russian).
4. Ivoylov A.Yu., Zhmud' V.A., Trubin V.G. Metodika Opredeleniya Parametrov Dvigatelya Postoyannogo Toka. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2018;19;7:486—496. (in Russian).
5. Romanenko I.G., Danilov M.I. Modelirovanie Tyagovogo Dvigatelya Postoyannogo Toka Posledovatel'nogo Vozbuzhdeniya v Zamknutoy Sisteme Regulirovaniya Parametrov. Vestnik Severo-Kavkazskogo Federal'nogo Universiteta. 2015;2:66—72.
6. Kharlamov V.V., Moskalev Yu.V., Nayden S.N. Modelirovanie Protsessa Kommutatsii Tyagovogo Dvigatelya Postoyannogo Toka Kar'ernogo Samosvala. Omskiy Nauchnyy Vestnik. 2020;2(170):31—36. (in Russian).
7. Sologubov A. Virtual'naya Imitatsionnaya Model' Elektromekhanicheskoy Sistemy na Primere Azimutal'nogo Privoda Postoyannogo Toka dlya Issledovaniya Gelioenergeticheskikh Ustanovok. Silovaya Elektronika. 2018;1:74—79. (in Russian).
8. Bitara Z., Jabia S., Khamis I. Modeling and Simulation of Series DC Motors in Electric Car. Energy Procedia. 2014;50:460—470.
9. Szanto A., Sziki G.A., Hajdu S. Dynamics Simulation of a Prototype Race Car Driven by Series Wound DC Motor in Matlab-Simulink. Acta Polytech. Hung. 2020;17(4):103—122.
10. Szanto A., Kiss J., Mankovits T., Sziki G.A. Dynamic Test Measurements and Simulation on a Series Wound DC Motor. Appl. Sci. 2021;11(10):P. 4542.
11. Cservenak A. Simulation and Modeling of a DC Motor Used in a Mobile Robot. Academic J. Manufacturing Eng. 2020;18(4):183—190.
12. Linggarjati J. DC Motor Simulation Using LTSpice. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020;426:012137.
13. Al-Sagar Z.S., Saleh M.S., Mohammed K.G., Sameen A.Z. Modelling and Simulation Speed Control of DC Motor Using PSIM. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020;745:012024.
14. Kuczmann M. Review of DC Motor Modeling and Linear Control: Theory with Laboratory Tests. Electronics. 2024;13(11):2225—2263.
15. Treshch A.M. Modelirovanie Ekspluatatsionnykh Kharakteristik Solnechnykh Batarey (v Srede MATLAB/SIMULINK). Doklady BGUIR. 2012;7(69):111—115. (in Russian).
16. Salmi T., Bouzguenda M., Gastli A., Masmoudi A. MATLAB/Simulink Based Modelling of Solar Photovoltaic Cell. Intern. J. Renewable Energy Research. 2012;2(2):213—218.
17. Tayeb A.M., Solyman A.A.A., Hassan M., Abu el-Ella T.M. Modeling and Simulation of Dye-sensitized Solar Cell: Model Verification for Different Semiconductors and Dyes. Alexandria Eng. J. 2022;61:9249—9260.
18. Kovalev V.Z., Paramzin A.O., Arkhipova O.V. Matematicheskoe Modelirovanie Fotoelektricheskikh Paneley, kak Sostavlyayushchey Kompleksa Raspredelennoy Generatsii. Inzhenernyy Vestnik Dona. 2022;12:1—15. (in Russian).
19. Burakov M.V., Shishlakov V.F. Nechetkoe Upravlenie Solnechnoy Batareey. Informatsionno-upravlyayushchie Sistemy. 2017;5:62—70. (in Russian).
20. Shah Md.W., Biate R.L. Design and Simulation of Solar PV Model Using Matlab/Simulink. Intern. J. Sci. & Eng. Research. 2016;7(3):551—554.
21. Kievets A.V., Bay Yu.D., Suvorov A.A., Askarov A.B., Kim A.A. Issledovanie Vliyaniya Izmeneniya Temperatury Solnechnykh Paneley na Vykhodnye Kharakteristiki Solnechnoy Elektrostantsii v Usloviyakh Chastichnoy Zatenennosti. Vestnik Irkutskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta. 2020;24;3:627—638. (in Russian).
22. Khabarov S.P., Shilkina M.L. Osnovy Modelirovaniya Tekhnicheskikh Sistem. Sreda SimInTech. SPb.: Lan', 2021. (in Russian).
23. Luque A., Hegedus S. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. N.-Y.: John Wiley & Sons, 2011.
24. Anishchenko V.S. Slozhnye Kolebaniya v Prostykh Sistemakh: Mekhanizmy Vozniknoveniya, Struktura i Svoystva Dinamicheskogo Khaosa v Radiofizicheskikh Sistemakh. M.: Nauka, 1990. (in Russian)
---
For citation: Rekhviashvili S.Sh., Makoev A.K. Modeling of DC Motor Start-up from Solar Array Cells. Bulletin of MPEI. 2025;2:16—23. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-2-16-23
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Хамитов Р.Н., Самохвалова А.Ю. Моделирование двигателя постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 1. С. 385—389.
3. Семенов А.С., Хубиева В.М., Петрова М.Н. Математическое моделирование режимов работы двигателя постоянного тока в среде MATLAB // Фундаментальные исследования. 2015. № 10-3. С. 523—528.
4. Ивойлов А.Ю., Жмудь В.А., Трубин В.Г. Методика определения параметров двигателя постоянного тока // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19. № 7. С. 486—496.
5. Романенко И.Г., Данилов М.И. Моделирование тягового двигателя постоянного тока последовательного возбуждения в замкнутой системе регулирования параметров // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2015. № 2. С. 66—72.
6. Харламов В.В., Москалев Ю.В., Найден С.Н. Моделирование процесса коммутации тягового двигателя постоянного тока карьерного самосвала // Омский научный вестник. 2020. № 2(170). С. 31—36.
7. Сологубов А. Виртуальная имитационная модель электромеханической системы на примере азимутального привода постоянного тока для исследования гелиоэнергетических установок // Силовая электроника. 2018. № 1. С. 74—79.
8. Bitara Z., Jabia S., Khamis I. Modeling and Simulation of Series DC Motors in Electric Car // Energy Procedia. 2014. V. 50. Pp. 460—470.
9. Szanto A., Sziki G.A., Hajdu S. Dynamics Simulation of a Prototype Race Car Driven by Series Wound DC Motor in Matlab-Simulink // Acta Polytech. Hung. 2020. V. 17(4). Pp. 103—122.
10. Szanto A., Kiss J., Mankovits T., Sziki G.A. Dynamic Test Measurements and Simulation on a Series Wound DC Motor // Appl. Sci. 2021. V. 11(10). P. 4542.
11. Cservenak A. Simulation and Modeling of a DC Motor Used in a Mobile Robot // Academic J. Manufacturing Eng. 2020. V. 18(4). Pp. 183—190.
12. Linggarjati J. DC Motor Simulation Using LTSpice // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. V. 426. P. 012137.
13. Al-Sagar Z.S., Saleh M.S., Mohammed K.G., Sameen A.Z. Modelling and Simulation Speed Control of DC Motor Using PSIM // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. V. 745. P. 012024.
14. Kuczmann M. Review of DC Motor Modeling and Linear Control: Theory with Laboratory Tests // Electronics. 2024. V. 13(11). Pp. 2225—2263.
15. Трещ A.M. Моделирование эксплуатационных характеристик солнечных батарей (в среде MATLAB/SIMULINK) // Доклады БГУИР. 2012. № 7(69). С. 111—115.
16. Salmi T., Bouzguenda M., Gastli A., Masmoudi A. MATLAB/Simulink Based Modelling of Solar Photovoltaic Cell // Intern. J. Renewable Energy Research. 2012. V. 2(2). Pp. 213—218.
17. Tayeb A.M., Solyman A.A.A., Hassan M., Abu el-Ella T.M. Modeling and Simulation of Dye-sensitized Solar Cell: Model Verification for Different Semiconductors and Dyes // Alexandria Eng. J. 2022. V. 61. Pp. 9249—9260.
18. Ковалев В.З., Парамзин А.О., Архипова О.В. Математическое моделирование фотоэлектрических панелей, как составляющей комплекса распределенной генерации // Инженерный вестник Дона. 2022. № 12. С. 1—15.
19. Бураков М.В., Шишлаков В.Ф. Нечеткое управление солнечной батареей // Информационно-управляющие системы. 2017. № 5. С. 62—70.
20. Shah Md.W., Biate R.L. Design and Simulation of Solar PV Model Using Matlab/Simulink // Intern. J. Sci. & Eng. Research. 2016. V. 7(3). Pp. 551—554.
21. Киевец А.В., Бай Ю.Д., Суворов А.А., Аскаров А.Б., Ким А.А. Исследование влияния изменения температуры солнечных панелей на выходные характеристики солнечной электростанции в условиях частичной затененности // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 3. С. 627—638.
22. Хабаров С.П., Шилкина М.Л. Основы моделирования технических систем. Среда SimInTech. СПб.: Лань, 2021.
23. Luque A., Hegedus S. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. N.-Y.: John Wiley & Sons, 2011.
24. Анищенко В.С. Сложные колебания в простых системах: механизмы возникновения, структура и свойства динамического хаоса в радиофизических системах. М.: Наука, 1990.
---
Для цитирования: Рехвиашвили С. Ш., Макоев А.К. Моделирование процесса пуска двигателя постоянного тока от элементов солнечной батареи // Вестник МЭИ. 2025. № 2. С. 16—23. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-2-16-23
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. German-Galkin S.G., Kartashov B.A., Litvinov S.N. Model'noe Proektirovanie Elektromekhanicheskikh Mekhatronnykh Moduley Dvizheniya v Srede SiminTech. M.: DMK Press, 2021. (in Russian).
2. Khamitov R.N., Samokhvalova A.Yu. Modelirovanie Dvigatelya Postoyannogo Toka s Shirotno-impul'snym Preobrazovatelem. Dinamika Sistem, Mekhanizmov i Mashin. 2014;1:385—389. (in Russian).
3. Semenov A.S., Khubieva V.M., Petrova M.N. Matematicheskoe Modelirovanie Rezhimov Raboty Dvigatelya Postoyannogo Toka v Srede MATLAB. Fundamental'nye Issledovaniya. 2015;10-3:523—528. (in Russian).
4. Ivoylov A.Yu., Zhmud' V.A., Trubin V.G. Metodika Opredeleniya Parametrov Dvigatelya Postoyannogo Toka. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2018;19;7:486—496. (in Russian).
5. Romanenko I.G., Danilov M.I. Modelirovanie Tyagovogo Dvigatelya Postoyannogo Toka Posledovatel'nogo Vozbuzhdeniya v Zamknutoy Sisteme Regulirovaniya Parametrov. Vestnik Severo-Kavkazskogo Federal'nogo Universiteta. 2015;2:66—72.
6. Kharlamov V.V., Moskalev Yu.V., Nayden S.N. Modelirovanie Protsessa Kommutatsii Tyagovogo Dvigatelya Postoyannogo Toka Kar'ernogo Samosvala. Omskiy Nauchnyy Vestnik. 2020;2(170):31—36. (in Russian).
7. Sologubov A. Virtual'naya Imitatsionnaya Model' Elektromekhanicheskoy Sistemy na Primere Azimutal'nogo Privoda Postoyannogo Toka dlya Issledovaniya Gelioenergeticheskikh Ustanovok. Silovaya Elektronika. 2018;1:74—79. (in Russian).
8. Bitara Z., Jabia S., Khamis I. Modeling and Simulation of Series DC Motors in Electric Car. Energy Procedia. 2014;50:460—470.
9. Szanto A., Sziki G.A., Hajdu S. Dynamics Simulation of a Prototype Race Car Driven by Series Wound DC Motor in Matlab-Simulink. Acta Polytech. Hung. 2020;17(4):103—122.
10. Szanto A., Kiss J., Mankovits T., Sziki G.A. Dynamic Test Measurements and Simulation on a Series Wound DC Motor. Appl. Sci. 2021;11(10):P. 4542.
11. Cservenak A. Simulation and Modeling of a DC Motor Used in a Mobile Robot. Academic J. Manufacturing Eng. 2020;18(4):183—190.
12. Linggarjati J. DC Motor Simulation Using LTSpice. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020;426:012137.
13. Al-Sagar Z.S., Saleh M.S., Mohammed K.G., Sameen A.Z. Modelling and Simulation Speed Control of DC Motor Using PSIM. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020;745:012024.
14. Kuczmann M. Review of DC Motor Modeling and Linear Control: Theory with Laboratory Tests. Electronics. 2024;13(11):2225—2263.
15. Treshch A.M. Modelirovanie Ekspluatatsionnykh Kharakteristik Solnechnykh Batarey (v Srede MATLAB/SIMULINK). Doklady BGUIR. 2012;7(69):111—115. (in Russian).
16. Salmi T., Bouzguenda M., Gastli A., Masmoudi A. MATLAB/Simulink Based Modelling of Solar Photovoltaic Cell. Intern. J. Renewable Energy Research. 2012;2(2):213—218.
17. Tayeb A.M., Solyman A.A.A., Hassan M., Abu el-Ella T.M. Modeling and Simulation of Dye-sensitized Solar Cell: Model Verification for Different Semiconductors and Dyes. Alexandria Eng. J. 2022;61:9249—9260.
18. Kovalev V.Z., Paramzin A.O., Arkhipova O.V. Matematicheskoe Modelirovanie Fotoelektricheskikh Paneley, kak Sostavlyayushchey Kompleksa Raspredelennoy Generatsii. Inzhenernyy Vestnik Dona. 2022;12:1—15. (in Russian).
19. Burakov M.V., Shishlakov V.F. Nechetkoe Upravlenie Solnechnoy Batareey. Informatsionno-upravlyayushchie Sistemy. 2017;5:62—70. (in Russian).
20. Shah Md.W., Biate R.L. Design and Simulation of Solar PV Model Using Matlab/Simulink. Intern. J. Sci. & Eng. Research. 2016;7(3):551—554.
21. Kievets A.V., Bay Yu.D., Suvorov A.A., Askarov A.B., Kim A.A. Issledovanie Vliyaniya Izmeneniya Temperatury Solnechnykh Paneley na Vykhodnye Kharakteristiki Solnechnoy Elektrostantsii v Usloviyakh Chastichnoy Zatenennosti. Vestnik Irkutskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta. 2020;24;3:627—638. (in Russian).
22. Khabarov S.P., Shilkina M.L. Osnovy Modelirovaniya Tekhnicheskikh Sistem. Sreda SimInTech. SPb.: Lan', 2021. (in Russian).
23. Luque A., Hegedus S. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. N.-Y.: John Wiley & Sons, 2011.
24. Anishchenko V.S. Slozhnye Kolebaniya v Prostykh Sistemakh: Mekhanizmy Vozniknoveniya, Struktura i Svoystva Dinamicheskogo Khaosa v Radiofizicheskikh Sistemakh. M.: Nauka, 1990. (in Russian)
---
For citation: Rekhviashvili S.Sh., Makoev A.K. Modeling of DC Motor Start-up from Solar Array Cells. Bulletin of MPEI. 2025;2:16—23. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-2-16-23
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Downloads
Published
2024-12-16
Issue
Section
Electrical Complexes and Systems (2.4.2)
