Електротехніка та електроенергетика - 2023, №2
Permanent URI for this collectionhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/25436
Browse
Recent Submissions
Item Оцінка параметрів магнітного редуктора для автономної вітроустановки при зміні швидкості вітру(Національний університет "Запорізька політехніка", 2023) Коваленко, М. А.; Чумак, В. В.; Коваленко, І. Я.; Ткачук, І. В.; Харфорд, А. Г.; Kovalenko, M. A.; Chumack, V. V.; Kovalenko, I. Y.; Tkachuk, I. V.; Harford, A. G.UK: Мета роботи. Провести оцінку параметрів та характеристик магнітного редуктора при постійній та змінній швидкості вітру у складі автономної вітроелектроустановки. Методи дослідження. Аналіз існуючих методів математичного моделювання магнітних редукторів. Чисельні методи математичного моделювання на основі скінченних елементів. Чисельні методи обробки отриманих результатів. Отримані результати. Розроблено двовимірну польову математичну модель для оцінки параметрів та характеристик магнітного редуктора при змінній та постійній швидкості вітру. За допомогою розробленої моделі проаналізовано електромагнітне поле, параметри та характеристики магнітного редуктора як при постійній, так і при змінній швидкості обертання. Зокрема, було виявлено, що магнітна система редуктора не досягає насичення, при цьому середні значення магнітної індукції в конструктивних елементах редуктора залишаються в межах допустимих значень для використовуваних матеріалів та марок сталі. Отримані дані про середні значення електромагнітних моментів зовнішнього (високошвидкісного) ротора та внутрішнього ротора дозволяють зрозуміти взаємозв'язок між ними та їх вплив на роботу системи. Зроблено висновок про нерівномірний розподіл індукції вздовж середньої лінії в повітряному проміжку, який зумовлений присутністю модулятора в конструкції редуктора. Крім того, відповідно до отриманих результатів, зміна швидкості вітру впливає на швидкість обертання магнітного редуктора та величини електромагнітних моментів високошвидкісного та низькошвидкісного роторів. Такі відомості допомагають зрозуміти динаміку роботи системи при різних умовах зовнішнього середовища. Отримані в дослідженні результати мають важливе значення для подальшого вдосконалення конструкції магнітного редуктора та забезпечення більш ефективної роботи вітроустановки малої потужності. Вони можуть бути використані для оптимізації конструкції та підвищення його продуктивності, що сприятиме розвитку вітроенергетики та зеленій енергетичній промисловості в цілому. Середнє значення електромагнітного моменту зовнішнього (високошвидкісного) ротора становить приблизно 7,4 Нꞏм, тоді як для внутрішнього ротора величина електромагнітного моменту складає близько 66 Нꞏм. Відношення моментів зовнішнього та внутрішнього роторів становить 8,92, що корелюється із коефіцієнтом редукції досліджуваного редуктора. Наукова новизна. Розроблено двовимірну польову математичну модель, що враховує зміну параметрів та характеристик магнітного редуктора при зміні швидкості вітру та випадкової швидкості обертання ротора вітрогенератора. Практична цінність. Результати дослідження магнітного редуктора для вітроустановки малої потужності мають важливий внесок у розвиток вітроенергетики, сприяють підвищенню ефективності та надійності виробництва енергії та сприяють створенню більш сталого та екологічно чистого енергетичного комплексу. EN: Purpose. To evaluate the parameters and characteristics of the magnetic gearbox at constant and variable wind speed as part of an autonomous wind power plant. Methodology. Analysis of existing methods of mathematical modeling of magnetic gearboxes. Numerical methods of mathematical modeling based on finite elements. Numerical methods of processing the obtained results. Findings. A two-dimensional field mathematical model has been developed to estimate the parameters and characteristics of the magnetic gearbox at variable and constant wind speed. With the help of the developed model, the electromagnetic field, parameters and characteristics of the magnetic gearbox were analyzed both at a constant and at a variable speed of rotation. In particular, it was found that the magnetic system of the reducer does not reach saturation, while the average values of magnetic induction in the structural elements of the reducer remain within the permissible values for the used materials and grades of steel. The obtained data on the average values of the electromagnetic moments of the outer (high-speed) rotor and the inner rotor make it possible to understand the relationship between them and their influence on the operation of the system. A conclusion was made about the uneven distribution of induction along the middle line in the air gap, which is caused by the presence of a modulator in the design of the reducer. In addition, according to the obtained results, the change in wind speed affects the speed of rotation of the magnetic gearbox and the magnitude of the electromagnetic moments of the high-speed and low-speed rotors. Such information helps to understand the dynamics of system operation under different environmental conditions. The results obtained in the study are important for further improvement of the magnetic reducer design and ensuring more efficient operation of the low-power wind turbine. They can be used to optimize the structure and increase its productivity, which will contribute to the development of wind energy and the green energy industry in general. The average value of the electromagnetic moment of the outer (high-speed) rotor is about 7.4 Nꞏm, while for the inner rotor the value of the electromagnetic moment is about 66 Nꞏm. The ratio of the moments of the outer and inner rotors is 8.92, which correlates with the reduction factor of the gear under study. Originality. A two-dimensional field mathematical model has been developed, which takes into account the change in the parameters and characteristics of the magnetic gearbox when the wind speed changes and the random rotation speed of the wind generator rotor. Practical value. The results of the research of the magnetic reducer for a low-power wind turbine have an important contribution to the development of wind energy, contribute to increasing the efficiency and reliability of energy production, and contribute to the creation of a more sustainable and environmentally friendly energy complexItem Spectral method of electrical circuits accelerated simulation with thyristors(Національний університет "Запорізька політехніка", 2023) Tykhovod, S. M.; Dyvchuk, T. Ye.; Solodovnikova, T. P.; Sytik, O. V.; Тиховод, Сергій Михайлович; Дівчук, Тетяна Євгеніївна; Солодовнікова, Тетяна Павлівна; Ситік, Олена ВолодимирівнаEN: Purpose. The development of transient processes calculation method in electric circuits with thyristors based on the use of functions approximation by orthogonal polynomials. Methodology. Functions approximation by orthogonal polynomials, numerical methods of differential equations integration, matrix methods, programming, theory of electric circuits. Obtained results. The method of solution function polynomial approximation of integro-differential equations of state, which describes the transient processes of an electric circuit with thyristors, is used in this paper. The used method showed the advantages over other known methods in increasing the accuracy and reducing the simulation time of transient electrical processes by more than 6 times. Findings. The solution is approximated by a series of Chebyshev polynomials. The integro-differential equations of state are transformed into linear algebraic equations for special depiction of the solution functions. The depiction of functions of true currents in the equivalent circuit is interpreted as direct currents. Such a schematic model creates visibility for a researcher performing simulation of transient electrical processes. Practical value. The proposed methods discover the possibility of using the apparatus of direct current electric circuits’ theory for transient processes in complex schemes modeling with thyristors. UK: Мета роботи. Розробка методу розрахунку перехідних процесів в електричних колах з тиристорами на основі використання апроксимації функцій ортогональними поліномами. Методи дослідження. Апроксимація функцій ортогональними поліномами, числові методи інтегрування диференціальних рівнянь, матричні методи, програмування, теорія електричних кіл. Отримані результати. У роботі використаний метод поліноміальної апроксимації функції розв'язку інтегро-диференціальних рівнянь стану, які описує перехідні процеси електричного кола, що містить тиристори. використаний метод показав переваги перед іншими відомими методами у підвищенні точності та зниженні часу моделювання перехідних електричних процесів більш, ніж у 6 разів. Наукова новизна. Рішення апроксимується рядом по поліномах Чебишова. інтегро-диференціальні рівняння стану перетворюються на лінійні алгебраїчні рівняння для спеціальних зображень функцій рішення. у схемі заміщення зображення функцій істинних струмів інтерпретуються як постійні струми. така схемна модель створює наочність досліднику, що виконує моделювання перехідних електричних процесів. Практична цінність. Запропоновані методи відкривають можливість використання апарату теорії електричних кіл постійного струму для моделювання перехідних процесів у складних схемах, що містять тиристори.Item Моделювання автономних інверторів напруги джерел живлення однофазних асинхронних приводів(Національний університет "Запорізька політехніка", 2023) Бородай, В. А.; Нестерова, О. Ю.; Боровик, Р. О.; Федоров, С. І.; Borodai, V. A.; Nesterova, O. Yu.; Borovyk, R. O.; Fedorov, S. I.UK: Мета роботи. Розробка оригінальних моделей інверторів напруги адаптованих до управління однофазним асинхронним двигуном із подальшою перспективою побудови автоматичних систем підвищення енергоефективності побутових механізмів, а також розробки навчальних комплексів вивчення роботи перетворювачів частоти для формування навичок з їх ремонту та налагодження. Методи досліджень. Для проведення досліджень використані положення теорії електричних машин, методи синтезу цифрових систем керування, способи та методи моделювання у САПР електронна лабораторія компанії NATIONAL INSTRUMENTS складової Multisim, методи схемотехнічного проектування. Отримані результати. Розроблено та побудовано моделі розподільників імпульсів для випадків живлення однофазних асинхронних двигунів з мостовими роздільно-індивідуальними інверторами пускової та робочої обмоток, напівмостових інверторів із двополярним джерелом живленням та трифазного інвертора із керуванням за 180 градусною діаграмою управління. Отримано часові діаграми наочного підтвердження працездатності системи за задекларованими принципами. Наукова новизна. Запропоновано ряд оригінальних діаграм перемикання ключів силової ланки моделей розподільників імпульсів автономних інверторів напруги із врахуванням фазового зсуву та тривалості пауз перемикання плечей силового блоку задля уникнення аварійних режимів, надано рекомендації щодо рівнів частот генерації, які подаються на вхід комбінаційних схем, показано перспективу використання даної системи у складі однофазного асинхронного електропривода із можливістю енергоефективного керування. Практична цінність. Запропоновані оригінальні модельні рішення автономних інверторів напруги, які адаптовані до сумісної роботи із однофазним АД, можуть бути корисними для розробників перетворювальної техніки та стати наочним матеріалом для застосування їх у навчальному процесі із підготовки фахівців спеціальності 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка». EN: Purpose. Development of original models of voltage inverters adapted to control a single-phase asynchronous motor with the subsequent prospect of creating automatic systems for improving the energy efficiency of household mechanisms, as well as developing educational complexes for studying the operation of frequency converters to form skills for their repair and tuning. Methodology. The provisions of the theory of electric machines, methods of synthesis of digital control systems, methods and methods of modeling in CAD electronic laboratory of the company NATIONAL INSTRUMENTS of the Multisim component, methods of circuit design were used for conducting research. Findings. Models of pulse distributors were developed and built for the cases of power supply of single-phase asynchronous motors with bridge inverters of separate and individual starting and working windings, half-bridge inverters with a bipolar power source and a three-phase inverter with control according to a 180-degree control diagram. Time diagrams of visual confirmation of the system's performance according to the declared principles have been obtained. Originality. A number of original switch diagrams of the power section of the models of impulse distributors of autonomous voltage inverters are proposed, taking into account the phase shift and the duration of the switching pauses of the switching arms of the power unit to avoid emergency modes, recommendations are given on the levels of generation frequencies that are fed to the input of the combinational circuit, the prospect of using this system as part of a singlephase asynchronous electric drive with the possibility of energy-efficient control is shown. Practical value. The proposed original model solutions for autonomous voltage inverters, which are adapted to work together with a single-phase IM, can be useful for developers of converter technology and become visual material for their use in the educational process for training specialists in specialty 141 "Electric power engineering, electrical engineering and electromechanics".Item Підвищення якості стабілізації вихідного струму імпульсного перетворювача постійного струму, що працює на плазмову дугу(Національний університет "Запорізька політехніка", 2023) Верещаго, Є. М.; Костюченко, В. І.; Vereshchago, E. M.; Kostiuchenko, V. I.UK: Мета роботи. Підвищення показників якості процесів керування імпульсними перетворювачами постійного струму, які працюють на дугове навантаження, на основі побудови процедур синтезу робастних систем. Методи дослідження. Розглянуто спосіб підвищення якості стабілізації вихідного струму імпульсного перетворювача постійного струму, що базується на поєднанні керування по збурюючому впливу з керуванням по відхиленню вихідного струму від заданого значення (метод локалізації). Отримані результати. В статті розглянуто розв'язання задач оптимізації системи стабілізації вихідного струму імпульсного перетворювача постійного струму, що живить плазмову дугу при, в тому числі, стохастичних зовнішніх впливах зі зв'язком з проблемами негрубості та суворої реалізованості оптимальних регуляторів і вирішення задач оптимізації за якістю інваріантності. Розглядаються методи побудови оптимальних регуляторів та встановлюється можливість розв'язання задачі оптимізації за якістю інваріантності. Наводяться приклади вирішення детермінованих та стохастичних завдань оптимізації з урахуванням властивостей грубості, структурної та суворої реалізованості стабілізуючого регулятора. Забезпечено кращу точність стабілізації струму дуги в статиці та динаміці, що підтверджується імітаційним моделюванням. Якість стабілізації струму дуги досягається під час використання систем керування за якістю інваріантності та розв'язання задач оптимізації в класі «хороших» регуляторів, побудованих на основі методу локалізації. Регулятори, розраховані на основі співвідношень методу локалізації, забезпечують необхідну якість процесів і мають властивість грубості (робастності) по відношенню до відхилення параметрів об'єкта від номіналів у широкому діапазоні. Якщо об'єкт містить нестаціонарні параметри або його властивості не повністю відомі, краще використовувати для розрахунку регулятора метод локалізації. Наукова новизна. Отримали подальший розвиток процедури синтезу оптимальних регуляторів та методи вирішення задач оптимізації за властивістю інваріантності. Практична цінність. На основі методу комбінованого керування та концепцій локалізації синтезовано оптимальні закони керування вільним та вимушеними рухами одновимірної системи. Остання при цьому має властивість грубості. Ефективність синтезованих алгоритмів ілюструється результатами математичного моделювання. EN: Purpose. Improving the quality indicators of control processes for pulsed DC converters operating on an arc load, based on the construction of procedures for the synthesis of robust systems. Methodology. A method of improving the quality of stabilization of the output current of a pulsed direct current converter based on a combination of disturbance control with control of the output current deviation from a given value (localization method) is considered. Findings. The article deals with the solution of the optimization problems of the output current stabilization system of the pulsed direct current converter feeding the plasma arc under, among other things , stochastic external influences in connection with the problems of non-roughness and strict implementation of optimal regulators and the solution of optimization problems according to the quality of invariance. Methods for constructing optimal controllers are considered and the possibility of solving the optimization problem by the invariance property is established. Examples of solving deterministic and stochastic optimization tasks are given, taking into account the properties of roughness, structural and strict implementation of the stabilizing regulator. Better accuracy of arc current stabilization in statics and dynamics is provided, which is confirmed by simulation modeling. The quality of arc current stabilization is achieved when using control systems based on the quality of invariance and solving optimization problems in the class of "good" regulators built on the basis of the localization method. Regulators calculated on the basis of the correlations of the localization method provide the required quality of the processes and have the property of roughness (robustness) in relation to the deviation of the object parameters from the nominal values in a wide range. If the object contains non-stationary parameters or its properties are not fully known, in this case it is better to use the localization method to calculate the controller. Originality. We received further development of the procedure for the synthesis of optimal regulators and methods of solving optimization problems by the property of invariance. Practical value. On the basis of the method of combined control and the concepts of localization, the optimal laws of control of free and forced movements of a one-dimensional system are synthesized. The latter, however, has the property of rudeness. The efficiency of the synthesized algorithms is illustrated by the results of mathematical modeling.