Електротехніка та електроенергетика - 2018, №4
Постійне посилання зібранняhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/27327
Переглянути
Нові надходження
Документ Аналіз параметрів шинопроводів цехових мереж в умовах дії вищих гармонік струму(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Безверхня, Юлія Сергіївна; Коцур, Михайло Ігорович; Яримбаш, Дмитро Сергійович; Коцур, Ігор Михайлович; Яримбаш, Сергій Тимофійович; Килимник, Ірина Михайлівна; Bezverkhnia, Yu. S.; Kotsur, M. I.; Yarymbash, D. S.; Kotsur, I. M.; Yarymbash, S. T.; Kylymnyk, I. M.UK: Мета роботи. Дослідження і аналіз параметрів тролейних шинопроводів в умовах дії вищих гармонійних складових струму із врахуванням конструктивних особливостей, нелінійності магнітних і електрофізичних властивостей матеріалів, ефектів близькості, поверхневих та зовнішніх поверхневих ефектів. Методи дослідження. Дослідження проводилися із застосуванням методів теорії електромагнітного поля, теорії електричних кіл, математичної фізики, скінченних елементів, інтерполяції, апроксимації та регресійного аналізу. Отримані результати. Проведено оцінку падіння напруги в фазах тролей шинопроводу від дії вищих гармонік струму. Встановлено, що при допустимих значеннях вищих гармонік, регламентованих стандартом для різних коефіцієнтів короткого замикання Rsce. величина падіння напруги може зрости в 3,5 рази, а з використанням сталевого кожуха - в 4 рази. При цьому, приріст енергії магнітного поля і активних втрат в шинопроводі становить 20% відносно їх значень для основної гармоніки струму без урахування екранування, і до 23% з урахуванням екранування тролів шинопровода. Дія вищих гармонік при допустимих власних амплітудах відповідних значень коефіцієнта короткого замикання Rsce, також викликає збільшення активного опору в 4 рази, індуктивного - в 20 разів. Зважаючи на особливості розміщення системи шинопроводів в цеху, виробництва і технологічних процесів, необхідне екранування тролеїв шинопроводів. Тому, в таких випадках, для компенсації приросту та асиметрії падіння напруги в тролеях та активних втрат в шинопроводах, струмові навантаження тролей шинопроводу повинні бути знижені на 5-20% в залежності від значення коефіцієнту короткого замикання цехової мережі. Наукова новизна. Запропоновано математичну модель електромагнітних процесів в мідному тролейному шинопроводі, що враховує конструктивні особливості, нелінійність магнітних та електрофізичних властивостей матеріалів, ефекти близькості, поверхневі та зовнішні поверхневі ефекти, вплив гармонійних складових струму на падіння напруги та втрати потужності в процесі електропередачі, яка дозволяє з високою точністю і ефективністю чисельної реалізації визначити параметри тролей шинопроводу для відповідних значень амплітуд та частот віщих гармонік струму. Вперше встановлено співвідношення u1087 падіння напруги та питомих активних втрат від спектрів частот і амплітуд гармонік струму та значень коефіцієнту короткого замикання, що дозволяє виявити ступінь і характер впливу на асиметрію падіння напруги і параметрів тролей шинопроводу. Практична цінність. Встановлено, що при допустимих значеннях вищих гармонік, регламентованих стандартом для різних коефіцієнтів короткого замикання Rsce, величина падіння напруги може зрости в 3,5 рази, а з використанням сталевого кожуха - в 4 рази. При цьому, приріст енергії магнітного поля і активних втрат в шинопроводі становить 20% відносно їх значень для основної гармоніки струму без урахування екранування, і до 23% з урахуванням екранування тролей шинопроводу. Дія вищих гармонік при допустимих власних амплітудах при відповідних значеннях коефіцієнта короткого замикання Rsce, також викликають збільшення активного опору в 4 рази, а індуктивного - в 20 разів. Результати роботи можуть бути використані при проектуванні або модернізації існуючих цехових систем електропостачання, а також для визначення параметрів, оцінки падіння напруги в системах шинопроводів інших конструкцій. EN: Purpose. Research and analysis trolley busbar’s parameters in condition of higher current harmonic actions, with taking into account the structural features of nonlinearity of magnetic and electrical properties of materials, proximity effects, surface and external surface effects. Methodology. The researches were carried out using the electromagnetic field theory methods, the electrical circuit theory, mathematical physics, finite elements, interpolation, approximation and regression analysis. Findings. The voltage drop in the phases of busbar’s trolls from the action of higher current harmonics is researched. It has been evidenced that with permissible values of higher harmonics established by the standard for different short-circuit ratio Rsce, the magnitude of the voltage drop can increase by 3.5 times, and using the steel casing – by 4 times. At the same time, the increment of the magnetic field energy and active losses in the busbar is 20% relative to their values for the main current harmonic, excluding shielding, and up to 23%, including shielding of busbar’s trolleys. The action of higher harmonics at permissible own amplitudes at corresponding values of the short-circuit ratio Rsce also causes an increase in active resistance by 4 times, inductive - by 20 times. Due the features of the placement of the busbar in the workshop, production and technological processes, the shielding of the busbar’s trolleys is required. Therefore, in such cases, to compensate for the asymmetry of the voltage drop in the trolleys and active losses in the busbars, the current load of the busbar’s trolls should be reduced by 5-20% depending on the value of the short circuit coefficient of the shop network. Originality. The mathematical model of electromagnetic processes in the copper busbar’s trolley, which contain design features, nonlinearity of magnetic and electrophysical properties of materials, proximity effects, surface and external surface effects, the effect of current harmonic components on voltage drop and power loss in the power transmission are proposed. It allows with high accuracy and numerical efficiency, to determine the busbar’s trolley parameters for the corresponding values of the amplitudes and frequencies of the current hight harmonics. For the first time, the relationship between the voltage drop and specific active losses from the spectrum of frequencies and amplitudes of current harmonics and the values of the short-circuit coefficient is executed, which allows to determine the degree and character of the effect on the asymmetry of the voltage drop and the parameters of the busbar’s trolley. Practical value. It has been evidenced that with permissible values of higher harmonics established by the standard for different short-circuit ratio Rsce, the magnitude of the voltage drop can increase by 3.5 times, and using the steel casing - by 4 times. At the same time, the increment of the magnetic field energy and active losses in the busbar is 20% relative to their values for the main current harmonic, excluding shielding, and up to 23%, including shielding of busbar’s trolleys. The action of higher harmonics at permissible own amplitudes at corresponding values of the shortcircuit ratio Rsce also causes an increase in active resistance by 4 times, inductive - by 20 times. The results of the work can be used in the design or modernization of existing shop power supply systems, as well as to determine the parameters, as well as to estimate the voltage drop in the other busbar’s design.Документ Edge-Based векторные базисные функций для аппроксимации электромагнитного поля в объемных и поверхностных конечных элементах(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Остренко, М. В.; Остренко, М. В.; Ostrenko, M. V.RU: Цель работы. Анализ свойств Edge-Based векторных базисных функций для объемных элементов и разработка поверхностных Edge-Based векторных базисных функций МКЭ для аппроксимации векторных величин электромагнитного поля в поверхностных интегралах. Методы исследования. Основываясь на свойствах симплексных координат, предлагается математическая модель Edge-Based векторных базисных функций, как для объемных, так и для поверхностных элементов. Полученные результаты. Выполнен анализ Edge-Based векторных базисных функций для метода конечных элементов (МКЭ). На основе анализа предложены Edge-Based функции для поверхностных элементов (треугольников). Получены свойства Edge-Based базисных функций, позволяющие более точно моделировать магнитное поле, вихревые токи и потери в сравнении с Nodal-Based векторными базисными функциями. Предложенная математическая модель показывает ортогональность предложенной системы Edge-Based векторных базисных функций, что позволяет их использование в МКЭ. Более того, показано, что касательная составляющая векторного поля, представленного в виде линейной комбинации системы как объемных, так и поверхностных Edge-Based базисных функций на ребре элемента, равняется коэффициенту линейной комбинации, соответствующему данному ребру. Данное свойство позволяет объединить объемные и поверхностные интегралы МКЭ в одну систему линейных уравнений. Научна новизна. Новизной предложенной математической модели является форма, дающая возможность перехода от объемных интегралов к поверхностным и объединения объемных и поверхностных интегралов МКЭ в одну систему линейных уравнений. Это позволяет существенно снизить размерность задачи и, как следствие, снизить ресурсоемкость метода и увеличить его быстродействие без значительных u1087 потерь точности. Практическая ценность. Приведенные Edge-Based векторные базисные функции для объемных и поверхностных конечных элементов были использованы в разработанном программном комплексе ELMAD-3D, предназначенном для расчета потерь и перегревов от полей рассеяния силовых трансформаторов и реакторов. Использование поверхностных Edge-Based векторных базисных функций позволило существенно увеличить быстродействие методов расчета и снизить их ресурсоемкость. UK: Мета роботи. Аналіз властивостей Edge-Based векторних базисних функцій для об'ємних елементів і розробка поверхневих Edge-Based векторних базисних функцій МКЕ для апроксимації векторних величин електромагнітного поля в поверхневих інтегралах. Методи дослідження. Ґрунтуючись на властивостях симплексних координат пропонується математична модель Edge-Based векторних базисних функцій як для об'ємних так і для поверхневих елементів. Основні результати. Виконаний аналіз Edge-Based векторних базисних функцій для методу скінчених елементів (МСЕ). На основі аналізу запропоновано Edge-Based функції для поверхневих елементів (трикутників). Отримано властивості Edge-Based базисних функцій, що дозволяють більш точно моделювати магнітне поле, вихрові струми і втрати в порівнянні з Nodal-Based векторними базисними функціями. Запропонована математична модель показує ортогональність запропонованої системи Edge-Based векторних базисних функцій, що дозволяє їх використання в МСЕ. Більш того показано, що дотична складова векторного поля, представленого у вигляді лінійної комбінації системи як об'ємних так і поверхневих Edge-Based базисних функцій на ребрі елемента, дорівнює відповідному даному ребру коефіцієнту лінійної комбінації. Дана властивість дозволяє об'єднати об'ємні і поверхневі інтеграли МСЕ в одну систему лінійних рівнянь. Наукова новизна. Новизною запропонованої математичної моделі є форма, що дає можливість переходу від об'ємних інтегралів до поверхневих і об’єднання об'ємних і поверхневих інтегралів МСЕ в одну систему лінійних рівнянь. Це дозволяє істотно знизити розмірність задачі і, як наслідок, знизити ресурсуємність методу і збільшити його швидкодію без значних втрат точності. Практична цінність. Наведені Edge-Based векторні базисні функції для u1086 об'ємних і поверхневих скінчених елементів були використані в розробленому програмному комплексі ELMAD-3D, призначеному для розрахунку втрат і перегрівів від полів розсіювання силових трансформаторів і реакторів. Використання поверхневих Edge-Based векторних базисних функцій дозволило істотно збільшити швидкодію методів розрахунку і знизити їх ресурсуємність. EN: Purpose. Analysis of the properties of Edge-Based vector of basis functions for the volume elements and working surface Edge-Based FEM vector of basis functions for approximating the vector values of the electromagnetic field in the surface integrals. Methodology. Based on the properties of simplex coordinates, the mathematical model of Edge-Based vector of basic functions for volume, and for the surface elements is proposed. Findings. The analysis of Edge-Based vector basis functions for the finite element method (FEM) is performed. Based on the analysis, Edge-Based functions for surface elements (triangles) are proposed. The properties of Edge-Based basis functions are obtained, which make it possible to more accurately simulate a magnetic field, eddy currents and losses in comparison with Nodal-Based vector basis functions. The proposed mathematical model shows the orthogonality of the proposed system Edge-Based vector basis functions, which allows their use in FEM. Moreover, it is shown that the tangent component of a vector field, represented as a linear combination of a system of both volume and surface Edge-Based basis functions on the edge of an element, is equal to the coefficient of the linear combination corresponding to the given edge. This property allows us to combine the volume and surface integrals of the FEM into one system of linear equations. Originality. The originality of the proposed mathematical model is the form, which makes it possible to go from volume integrals to surface integrals and merge volume and surface integrals of FEM into one system of linear equations. This allows you to significantly reduce the dimension of the problem and, as a result, reduce the resource intensity of the method and increase its speed without significant loss of accuracy. Practical value. The Edge-Based vector basis functions for volume and surface finite elements were used in the developed software package ELMAD-3D, designed to calculate losses and overheating from the leakage fields of power transformers and reactors. The use of surface Edge-Based vector basis functions allowed us to significantly increase the speed of calculation methods and reduce their resource intensity.Документ Определение граничных значений концентраций газов с учетом типа защиты масла высоковольтных трансформаторов(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Шутенко, О. В.; Шутенко, О. В.; Shutenko, O. V.RU: Цель работы. Разработка метода для определения граничных значений концентраций газов, с учетом особенностей газосодержания оборудования с разным типом защиты масла. Методы исследования. Статистический анализ, проверка гипотезы о предполагаемом распределении экспериментальных значений, методы статистических решений, метод минимального риска, метод НелдераМида. Полученные результаты. Приведены результаты сравнительного анализа содержания газов в трансформаторах герметичного и негерметичного исполнения. Установлено, что концентрации газов, растворенных в масле исправных автотрансформаторов 330 кВ герметичной конструкции, могут быть описаны распределением Вейбулла. Предложен метод определения граничных значений концентраций газов, основанный на минимизации функции среднего риска. Выполненный анализ значений средних рисков, с использованием полученных автором граничных значений и типичных концентраций газов UK: Мета роботи. Розробка методу для визначення граничних значень концентрацій газів, з урахуванням особливостей вмісту газів в обладнанні з різним типом захисту масла. Методи дослідження. Статистичний аналіз, перевірка гіпотези про передбачуваний розподіл експериментальних значень, методи статистичних рішень, метод мінімального ризику, метод Нелдера-Міда. Отримані результати. Наведено результати порівняльного аналізу вмісту газів в трансформаторах герметичного і негерметичного виконання. Встановлено, що концентрації газів, розчинених в маслі справних автотрансформаторах 330 кВ герметичній конструкції, можуть бути описані розподілом Вейбулла. Запропоновано метод визначення граничних значень концентрацій газів, заснований на мінімізації функції середнього ризику. Виконаний аналіз значень середніх ризиків, з використанням отриманих автором граничних значень і типових концентрацій газів, що регламентуються відомими стандартами показав, високу достовірність запропонованого методу. Наукова новизна. Запропоновано метод для визначення граничних концентрацій розчинених в маслі газів, які забезпечують мінімальне значення середнього ризику, при діагностиці стану трансформаторів за значеннями концентрацій розчинених в маслі газів. Даний метод відрізняється тим, що граничні значення концентрації газів виходять шляхом мінімізації функції середнього ризику для багатовимірних розподілів методом Нелде-ра-Міда. Практична цінність. Запропонований метод дозволяє визначати граничні значення концентрацій газів з урахуванням особливостей вмісту газів в обладнанні, його конструктивним виконанням, умовами експлуатації, сортом трансформаторних масел і рядом інших чинників. Отримані при цьому значення граничних концентрацій забезпечують мінімальні значення ризику, в порівнянні зі значеннями ризику, що супроводжується використанням типових значень концентрацій газів, які регламентуються діючими стандартами. EN: Purpose. Development of a method for determining the boundary values of gas concentrations, taking into account the characteristics of the gas content of equipment with different types of oil protection. Methodology. Statistical analysis, testing the hypothesis of the proposed distribution of experimental values, methods of statistical solutions, the method of minimal risk, the Nelder-Mead method. Findings. The results of a comparative analysis of the gas content in sealed and unsealed transformers are presented. It has been established that the concentrations of gases dissolved in oil of serviceable autotransformers 330 kV of hermetic construction can be described by the Weibull distribution. A method for determining the boundary values of gas concentrations, based on minimizing the mean risk function, is proposed. The analysis of the mean risk values, using the boundary values obtained by the author and typical gas concentrations regulated by known standards, showed high reliability of the proposed method. Originality. A method is proposed for determining the boundary concentrations of gases dissolved in oil, which provide the minimum value of the average risk in diagnosing the state of transformers from the concentrations of gases dissolved in oil. This method differs in that the boundary values of gas concentrations are obtained by minimizing the mean risk function for multidimensional distributions by the Nelder – Mead method. Practical value. The proposed method allows determining the boundary values of gas concentrations, taking into account the characteristics of the gas content of the equipment, its design, operating conditions, the sort of transformer oil and a number of other factors. The resulting values of boundary concentrations provide minimal risk values, compared with the risk values that are accompanied by the use of typical gas concentrations, which are regulated by the applicable standards.Документ Оптимизация времен намагничивания и размагничивания остановленного частотно-регулируемого асинхронного двигателя(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Волков, В. А.; Волков, В. О.; Volkov, V. A.RU: Цель работы. Получение аналитических зависимостей для расчета экстремальных (минимальных) значений основных электрических потерь энергии трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя в режимах его намагничивания и размагничивания и определение соответствующих этим режимам оптимальных значений времен намагничивания и размагничивания. Методы исследования. Математического анализа, теории подобия и имитационного компьютерного моделирования. Полученные результаты. Получены аналитические зависимости для расчета основных электрических потерь мощности и энергии в режимах намагничивания и размагничивания остановленного короткозамкнутого частотно-регулируемого асинхронного двигателя применительно к различным видам (линейному, параболическому и в функции гиперболического синуса) траекторий изменения модуля потокосцепления ротора двигателя. Проведено исследование переходных электромагнитных и энергетических процессов этого двигателя в указанных режимах. Определены минимально возможные значения основных потерь энергии остановленного двигателя в режимах его намагничивания и размагничивания и соответствующие им оптимальные значения времен намагничивания и размагничивания при упомянутых разных видах траекторий изменения потокосцепления ротора двигателя. Научна новизна. Состоит в получении аналитических расчетных зависимостей для определения оптимальных времен намагничивания и размагничивания остановленного частотно-регулируемого асинхронного двигателя, которые обеспечивают минимизацию его основных потерь энергии в режимах намагничивания и размагничивания. Практическая ценность. Снижение непроизводительных потерь энергии для частотно-регулируемых асинхронных двигателей при режимах их намагничивания и размагничивания. UK: Мета роботи. Отримання аналітичних залежностей для розрахунку екстремальних (мінімальних) значень основних електричних втрат енергії трифазного короткозамкненого асинхронного двигуна в режимах його намагнічування і розмагнічування та визначення відповідних цим режимам оптимальних значень часів намагнічування і розмагнічування.. Методи дослідження. Математичного аналізу, теорії подібності та імітаційного комп'ютерного моделювання. Отримані результати. Отримано аналітичні залежності для розрахунку основних електричних втрат потужності і енергії в режимах намагнічування і розмагнічування зупиненого короткозамкненого частотнорегульованого асинхронного двигуна стосовно до різних видів (лінійного, параболічного і в функції гіперболічного синуса) траєкторій зміни модуля потокозчеплення ротора двигуна. Проведене дослідження перехідних електромагнітних і енергетичних процесів цього двигуна в зазначених режимах. Визначено мінімально можливі значення основних втрат енергії зупиненого двигуна в режимах його намагнічування і розмагнічування та відповідних їм оптимальних значень часів намагнічування і розмагнічування при згаданих різних видах траєкторій зміни потокозчеплення ротора двигуна. Наукова новизна. Полягає в отриманні аналітичних розрахункових залежностей для визначення оптимальних часів намагнічування і розмагнічування зупиненого частотно-регульованого асинхронного двигуна, які забезпечують мінімізацію його основних втрат енергії в режимах намагнічування і розмагнічування. Практична цінність. Зниження непродуктивних втрат енергії для частотно-регульованих асинхронних двигунів при режимах їх намагнічування і розмагнічування. EN: Purpose. Obtaining analytical dependencies for calculating the extreme (minimum) values of the main electrical energy losses of a three-phase short-circuited asynchronous engine in the regimes of its magnetization and demagnetization and determining the optimal values of the magnetization and demagnetization times corresponding to these regimes. Methodology. Mathematical analysis, the theory of similarity and imitational computer modeling. Findings. Analytical dependences are obtained for calculating the main electric power and energy losses in the magnetization and demagnetization regimes of a stopped short-circuited frequency-controlled asynchronous motor with reference to various types (linear, parabolic and in hyperbolic sinus functions) of the rotor flux modulus of the motor. The study of transient electromagnetic and energy processes of this engine in the specified regimes. The minimum possible values of the main energy losses of a stopped engine in the regimes of its magnetization and demagnetization and the corresponding optimal values of the times of magnetization and demagnetization are determined for the different types of trajectories of change in the engine-linking rotor of the motor. Originality. It consists in obtaining analytical calculation dependences for determining the optimal magnetization times and demagnetization of the stopped frequency-controlled asynchronous motor, which ensure the minimization of its main energy losses in the magnetization and demagnetization regimes. Practical value. Reduction of unproductive energy losses for frequency-controlled asynchronous motor with their magnetization and demagnetization regimes.Документ Determination of equivalent quantities of electromagnetic field in massive ferrous details of electric equipment under strongly varying loads(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Zinovkin, V. V.; Blyzniakov, O. V.; Зіновкін, Володимир Васильович; Близняков, Олександр ВікторовичEN: Purpose. To derive the relationships for calculating determination of equivalent quantities for electromagnetic field in massive ferrous bodies at strongly varying loads. Methodology. We have applied methodological fundamentals of skin-effect theory for massive ferrous bodies combined with methods of mathematical physics as well as physical and computer simulation. Findings. We have found the mathematical expressions for the equivalence ratios allowing calculate basic electromagnetic field quantities, such as magnetic flux and losses, in massive ferrous bodies under strongly varying loads. Their adequacy is confirmed by research on physical and computer models, as well as existing computational procedures of the additional losses in the massive units of energy-intensive electrical equipment for special purposes. Originality. For the first time, we have established mathematical dependencies between skin losses and magnetic flux in massive ferrous body and total and individual harmonic distortion of periodically varying magnetic and electric fields. Found dependences are the basis for the development of refined computational procedures for determining the parameters of the electromagnetic field in massive ferromagnetic elements of electrical equipment under stronglyvarying loads. Practical value. The use of derived expressions for the equivalence ratios enable successfully solve the problems aimed to optimize constructive components when designing electrical equipment for supplying consumers with stronglyvarying behavior of the load. UK: Мета роботи. Отримати співвідношення для розрахункового визначення еквівалентних параметрів електромагнітного поля в масивних феромагнітних тілах при різкозмінних навантаженнях. Методи дослідження. При дослідженні використані методологічні основи теорії поверхневого ефекту у масивних феромагнітних тілах у сполученні з методами математичної фізики, фізичним та комп’ютерним моделюванням. Отримані результати. Отримані математичні вирази коефіцієнтів еквівалентності, що дозволяють розрахувати основні параметри електромагнітного поля (магнітний потік и втрати) у масивних феромагнітних тілах при різкозмінних навантаженнях. Їх адекватність підтверджена дослідженнями на фізичних и комп’ютерних моделях, а також існуючими методами розрахунків додаткових втрат у масивних вузлах енергоємного електротехнічного обладнання спеціального призначення. Наукова новизна. Вперше встановлені математичні залежності поверхневих втрат та поверхневого магнітного потоку у масивному феромагнітному тілі від несинусоїдальності та спектрального складу вищих гармонік магнітного і електричного полів. Вони є основою для розробки більш точних інженерних методів розрахунку параметрів електромагнітного поля у масивних феромагнітних елементах конструкцій електроустаткування при різкозмінному характері навантаження. Практична цінність. Використання отриманих виразів коефіцієнтів еквівалентності дозволяє успішно вирішувати інженерні задачі оптимізації елементів конструкцій при проектуванні електротехнічного обладнання для живлення споживачів з різкозмінним характером навантаження.