Електротехніка та електроенергетика - 2024, №1
Permanent URI for this collectionhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/25176
Browse
Recent Submissions
Item Розробка та дослідження методу контролю аномальної поведінки процесу доменної плавки(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Сіданченко, В. В.; Sidanchenko, V. V.UK: Мета роботи. Розробка та дослідження методу контролю доменного процесу за відсутності можливості аналітичного опису його поведінки, котрий дозволяє виявляти аномалії виробничого процесу. Методи дослідження. У цій роботі використані методи оцінки та прогнозу часових рядів на базі алгоритму фільтра Калмана, фрактального аналізу та нелінійної динаміки. Отримані результати. Розроблено метод, що дозволяє виконувати оцінку та прогноз нестаціонарних стохастичних процесів з невідомою аналітичною моделлю, котрий включає вбудовану процедуру виявлення аномалій, засновану на методі 3 сигм. Виконано дослідження реальних часових рядів даних про хімічний склад чавуну на випуску доменної печі. Показано, що розроблений метод дозволяє ефективно виявляти аномалії у поведінці процесу. Розглянуто можливий варіант реалізації системи управління, що використовує запропонований метод. Наукова новизна. Вперше розроблено модифікацію субоптимального фільтра-прогнозатора калманівського типу, інваріантного до властивостей оброблюваного процесу, що дозволяє підвищити достовірність і точність прогнозу нестаціонарних процесів при неможливості отримання їх аналітичної моделі та виявляти аномалії виробничого процесу за допомогою вбудованої процедури, яка основана на використанні методу 3 сигм. Вперше проведено дослідження часових рядів даних про хімічний склад чавуну на випуску доменної печі з використанням методу 3 сигм, яке дозволило виявити зони з аномальними значеннями та викидами, які можуть свідчити про значні відхилення у поведінці виробничого процесу. Практична цінність. Дане дослідження розширює існуючі методи контролю якості у металургійній промисловості та демонструє ефективність застосування статистичного методу 3 сигм для моніторингу та аналізу часових рядів в умовах реального виробництва. Отримані результати можуть бути використані для розробки більш точних систем управління якістю продукції та вжиття оперативних коригуючих заходів. EN: Purpose. To develop and investigate a method for controlling the blast furnace process in the absence of an analytical description of its behavior, which allows for the detection of anomalies in the production process. Methodology. This study utilizes methods for evaluating and forecasting time series based on the Kalman filter algorithm, fractal analysis, and nonlinear dynamics. Findings. A method has been developed that allows for the evaluation and forecasting of non-stationary stochastic processes with an unknown analytical model. This method includes an embedded anomaly detection procedure based on the 3-sigma method. Research was conducted on real-time series data of the chemical composition of cast iron at the blast furnace output. It has been demonstrated that the developed method effectively detects anomalies in the process behavior. A possible implementation of a control system using the proposed method has been considered. Originality. For the first time, a modification of the suboptimal Kalman-type filter-forecaster has been developed, invariant to the properties of the processed process. This modification improves the reliability and accuracy of forecasting non-stationary processes when it is impossible to obtain their analytical model and detects production process anomalies using an embedded procedure based on the 3-sigma method. For the first time, a study of time series data on the chemical composition of cast iron at the blast furnace output using the 3-sigma method has been conducted, which allowed for the identification of zones with anomalous values and outliers, indicating significant deviations in the production process behavior. Practical value. This research expands existing quality control methods in the metallurgical industry and demonstrates the effectiveness of the statistical 3-sigma method for monitoring and analyzing time series in real production conditions. The obtained results can be used to develop more accurate quality control systems and take prompt corrective actions.Item Методика передпроєктного вибору компонентів FPV квадрокоптерного типу за заданими значеннями тяги, швидкості та часу польоту(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Малий, Олександр Юрійович; Поспеєва, Ірина Євгеніївна; Фурманова, Наталія Іванівна; Онищенко, Вадим Федорович; Залужний, Михайло Юрійович; Іванов, В. В.; Malyi, O. Yu.; Pospeieva, I. Ye.; Furmanova, N. I.; Onyshchenko, V. F.; Zaluzhnyi, M. Yu.; Ivanov, V. V.UK: Мета роботи. Розробити методику передпроєктного вибору компонентів БПЛА квадрокоптерного типу для створення дронів на основі заданих критеріїв. Методи дослідження. Математичний аналіз та моделювання. Отримані результати. У статті розроблено, реалізовано та оцінено модульну структуру, яка дозволяє операторам швидко зібрати без інструментів мультироторний безпілотний літальний апарат (МР-БПЛА) із індивідуальними характеристиками польоту для виконання вимоги місії. Розроблено поетапний процес вибору апаратних компонентів (датчиків, приводів, гвинта, двигунів, акумуляторів, електронних регуляторів швидкості) для модулів рамки для досягнення бажаних характеристик. Розроблено програмний засіб, який оптимізує процес вибору компонентів обладнання та розрахунок часу польоту. Перевірено алгоритм розрахунку часу польоту на основі даних безщіткового двигуна та гвинта, зібраних за допомогою тягового стенду/динамометра. Фреймворк складається з п’яти модулів (контролер, трансмісія, відео, зв’язок і корисне навантаження), що дозволяє користувачеві комбінувати модулі, щоб швидко зібрати МР-БПЛА, який найкраще відповідає вимогам бажаного застосування. Для перевірки дизайну фреймворку було реалізовано та протестовано прототип. Фреймворк був використаний для створення 3 модульних профілів МР-БПЛА, один для спостереження (тривалий час польоту), один для доставки (більший корисний вантаж), а третій профіль МР-БПЛА дозволяє форму перемикання, прив’язану до джерела живлення від батареї під час польоту. Наукова новизна. Запропонований у статті алгоритм базується на підході, що дозволяє адаптувати МР-БПЛА на більш високому рівні, ніж попередні системи. Інфраструктура дозволяє користувачевіналаштовувати характеристики польоту (час польоту, швидкість, максимальне корисне навантаження), а також датчики та канали зв’язку (відео та канал передачі даних) відповідно до вимог конкретної операції. Практична цінність. Щоб полегшити процес вибору апаратних компонентів для модулів каркасу, в роботі представлено алгоритм для оцінки часу польоту, який включено в процес побудови модульних профілів. Алгоритм перевірено, і середня точність 98,94% була досягнута для оцінки часу польоту зависання. Представлено дизайн програмного засобу. Цей інструмент дозволяє розробникам аналізувати дані про безщіткові двигуни та гвинти (отримані зі стенду тяги), оцінювати, як повна вага та вибір батареї впливають на МР-БПЛА (щодо часу польоту, співвідношення тяги до ваги та максимального корисного навантаження), а також оптимізує процес розробки МР-БПЛА. EN: Purpose. Develop a methodology for the pre-project selection of quadcopter-type UAV components for the creation of drones based on the specified criteria. Methodology. Mathematical analysis and modeling. Findings. The paper presents a comprehensive framework aimed at facilitating the rapid assembly of customizable multirotor unmanned aerial vehicles (MR-UAVs) tailored to specific mission requirements, all without the need for tools. This modular approach encompasses the development, implementation, and evaluation of a structured process that guides operators through selecting hardware components such as sensors, actuators, propellers, motors, batteries, and electronic speed controllers. This meticulous selection process is pivotal in achieving the desired flight characteristics of the MR-UAV. Furthermore, a software tool has been devised to streamline the equipment selection process and accurately compute flight time. The flight time calculation algorithm, rooted in data obtained from brushless motor and propeller analyses conducted using a traction stand/dynamometer, has undergone rigorous testing to ensure reliability and precision. The framework itself comprises five distinct modules: controller, transmission, video, communication, and payload. These modular components afford users the flexibility to mix and match according to the demands of their specific application, enabling the swift assembly of an MR-UAV optimized for the task at hand. To validate the efficacy of the framework, a prototype was constructed and subjected to rigorous testing, confirming the soundness of the design. Notably, the versatility of this framework is exemplified through the creation of three distinct modular MR-UAV profiles. These profiles cater to diverse applications: surveillance, emphasizing extended flight time; delivery, prioritizing larger payload capacity; and a hybrid configuration allowing seamless transition between battery power sources mid-flight. In essence, this paper not only introduces a modular framework for MR-UAV assembly but also underscores its practicality and adaptability through real-world implementation and testing across varied mission profiles. Originality. For this section of the abstract should determining the most important results that reflect originality of work. The algorithm proposed in the article is based on an approach that allows adapting MR-UAVs at a higher level than previous systems. The infrastructure allows the user to configure flight characteristics (flight time, speed, maximum payload), as well as sensors and communication channels (video and data link) according to the requirements of a specific operation. Practical value. To facilitate the process of selecting hardware components for frame modules, the paper presents an algorithm for estimating flight time, which is included in the process of building modular profiles. The algorithm has been tested and an average accuracy of 98.94% has been achieved for hover time-of-flight estimation. The design of the software is presented. This tool allows developers to analyze brushless motor and propeller data (obtained from the thrust stand), evaluate how gross weight and battery selection affect the MR-UAV (in terms of flight time, thrust-toweight ratio, and maximum payload), and optimizes the process development of MR-UAV.Item Алгоритм формування оптимальних схемотехнічних рішень локальних електроенергетичних систем що містять відновлювані джерела електроенергії(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Заболотний, Анатолій Петрович; Федоша, Денис Володимирович; Дьяченко, Віра Вікторівна; Zabolotnyi, A. P.; Fedosha, D. V.; Diachenko, V. V.UK: Мета роботи. Формування оптимальних схемотехнічних рішень локальних електроенергетичних систем що містять відновлювані джерела електроенергії з точки зору мінімуму втрат електричної енергії та зниження річних приведених витрат. Методи дослідження. Математичне моделювання локальних електроенергетичних систем що містять відновлювані джерела електроенергії. Методи декомпозиції та редукції схем систем електропостачання, що оптимізуються. Метод потенційних поверхонь. Методи параметричної оптимізації отриманих схемотехнічних рішень. Отримані результати. Зазначено, що хоча частка відновлюваних джерел електричної енергії продовжує зростати і стрімко розвивається, однак галузь все ще стикається з багатьма проблемами, зокрема, як продовжувати знижувати втрати електричної енергії та річні приведені витрати, покращити ефективність експлуатації та обслуговування, підтримувати стабільність електромережі, забезпечити безпеку та надійність роботи системи електропостачання що містять відновлювані джерела електричної енергії. Показано, що ефективне рішення зазначених проблем можливе лише на основи аналізу перспектив розвитку локальних електроенергетичних систем, які містять відновлювані джерела електричної енергії, розробки механізмів технічного та організаційного забезпечення, які сприятимуть побудові сучасних системних (схемотехнічних) рішень. Наукова новизна. Запропоновано застосувати метод потенційної поверхні для побудові оптимальної структури локальної електроенергетичної системи при її проектуванні та модернізації в умовах присутності в ній відновлюваних джерел електричної енергії, який дозволяє оптимізувати структуру мережі з точки зору втрат електричної енергії та зниження річних приведених витрат. Практична цінність. Описано алгоритм формування структури систем електропостачання, що реалізує одночасне вирішення завдань визначення кількості вузлів навантаження, розподілу електроприймачів між ними, визначення конструкції джерел живлення з урахуванням дискретності дизайн елементів системи. Запропонована формалізована методика побудови оптимальних схемотехнічних рішень локальної електромережі з відновлюваними джерелами живлення при її проектуванні та модернізації, що дозволяє оптимізувати структуру електромережі з мінімальними втратами електроенергії та зменшити дисконтовані витрати. Крім того, на основі спільного використання оціночних та оптимізаційних моделей запропонований метод дозволяє оптимізувати завантаження кабельних ліній що призводить до зменшення втрат в них. Наведено результати чисельного моделювання на основі запропонованого алгоритму на прикладі розв’язання задачі реконструкції ділянки міської магістралі після підключення до неї відновлюваних джерел живлення. EN: Purpose. Formation of optimal circuit design solutions of the local mains with renewable power supply with take apart the minimum losses of electrical energy and reduct discounted costs. Methodology. Math model of local mains with renewable power supply. The decomposition and reduction method for the structures of mains that are optimized. The method of potential surfaces. Methods of parametric optimization for the circuit design solutions. Findings. It is noted that although the share of the renewable power supply continues to grow and develop rapidly, the industry still faces many challenges as: reduce electricity losses and annual costs, improve operation and maintenance efficiency, maintain mains stability, ensure safety and reliability of the power supply system with the renewable power supplies. It is shown that an effective solution to these problems is possible only on the basis of the analysis of the prospects for the development of the local mains with renewable power supplies, the development of technical and organizational support mechanisms that will contribute to the construction of modern circuit design solutions. Originality. It is proposed to apply the potential surface method for create the optimal structure of the local mains with renewable power supplies during its design and modernization, which allows optimizing the mains structure with take apart the minimum losses of electrical energy and reduct discounted costs. Practical value. The algorithm of forming the structure of power supply systems is described, which realizes the simultaneous solution of the tasks of determining the count of the load nodes, distributing power receivers between them, determining the design of power supply, taking into account the discreteness of the design of the system elements. The proposed formalized method of building optimal the circuit design solutions of the local mains with renewable power supplies during its design and modernization, which allows optimizing the mains structure with take apart theminimum losses of electrical energy and reduct discounted costs. In addition, based on the joint use of evaluation and optimization models, the proposed method allows optimizing the loading of cable lines, which leads to a decrease in losses in them. The results of numerical modeling based on the proposed algorithm are presented on the example of solving the problem of reconstruction of a section of the city mains after added renewable power supplies to it.Item Теплові процеси у теплообмінному блоці комбінованої фотоенергетичної установки з концентрацією сонячного випромінювання(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Хрипунов, Г. С.; Нікітін, В. О.; Меріуц, А. В.; Мінакова, К. О.; Зайцев, Р. В.; Кіріченко, М. В.; Шелест, Т. М.; Лелюк, С. Ю.; Khrypunov, G. S.; Nikitin, V. O.; Meriuts, A. V.; Minakova, K. O.; Zaitsev, R. V.; Kirichenko, M. V.; Shelest, T. M.; Leliuk, S. Yu.UK: Мета роботи. Провести розрахунок енергетичного балансу фотоенергетичної установки для роботи в умовах концентрованого сонячного випромінювання, розробити конструкцію теплообмінного блоку з «мікро» каналами. Методи дослідження. Аналітичні дослідження за допомогою критеріальних рівнянь гідродинаміки, створення та дослідження комп’ютерних моделей на основі рівнянь теплового балансу. Отримані результати. На основі аналізу теплових процесів запропоновано конструкцію теплообмінного блоку оснащеного «мікро каналами» для комбінованої фотоенергетичної установки, що розрахована на роботу в умовах концентрованого сонячного випромінювання. Показано, що в такій конструкції створюється перехідний режим потоку рідини, що охолоджує, що дозволяє ефективно охолоджувати сонячні елементи в умовах концентрованого сонячного випромінювання. На основі результатів досліджень запропоновано шляхи покращення конструкції теплообмінного блоку для оснащення фотоенергетичної установки, розрахованої на роботу в умовах порушення типової енергоінфраструктури. Показано, що для зменшення перепаду температури за площею СЕ можливе перенесення входу теплоносія в центр і двох виходів на протилежних краях блоку. Наукова новизна. Вперше запропонована конструкція радіатора теплообмінного блоку на основі «мікроканалів», що забезпечує перехідний режим потоку з коефіцієнтом теплообміну між теплоносієм та верхньою пластиною радіатора hf ~ 10000 Вт/(м2К) при швидкості потоку у проміжках між пластинами ~ 2.1 м/с. Практична цінність. Виконано оцінку ефективності, теплових та електричних характеристик комбінованої фотоенергетичної установки з концентрацією сонячного випромінювання. Запропоновано використання розробленої конструкції теплообмінного блоку для оснащення фотоенергетичної установки для роботи в умовах порушення типової енергоінфраструктури. Проведено попередній розрахунок теплових та електричних параметрів фотоенергетичної установки, оснащеної багатокаскадними сонячними елементами на основі арсеніду галію та теплообмінним блоком із «мікроканалами». EN: Purpose. Calculate the energy balance of a photo-energy installation for operation in conditions of concentrated solar radiation, develop the design of a heat exchange unit with "micro" channels. Methodology. Analytical studies using criterion equations of hydrodynamics, creation and study of computer models based on heat balance equations. Findings. Based on the analysis of thermal processes, the design of a heat exchange unit equipped with "micro channels" for a combined photoelectric plant designed to work in conditions of concentrated solar radiation is proposed. It is shown that such a design creates a transitional mode of cooling liquid flow, which allows for efficient cooling of solar cells under conditions of concentrated solar radiation. Based on the results of research, ways of improving the design of the heat exchange unit for equipping a photoelectric system designed to work in conditions of disruption of the typical energy infrastructure are proposed. It has been shown that in order to reduce the temperature difference over the SC area, the design of the heat exchange block can be optimized by moving the coolant inlet to the center and creating two exits at the opposite ends of the block. Originality. For the first time, the design of the radiator of the heat exchange unit based on "micro-channels" was proposed, which provides a transitional mode of coolant flow with a heat exchange coefficient between the coolant and the upper plate of the radiator. hf ~ 10000 W/(m2K) at a flow speed in the gaps between the plates ~2.1 m/s. Practical value. The evaluation of the efficiency, thermal and electrical characteristics of the combined photoenergy system with the concentration of solar radiation was performed. It is proposed to use the developed design of the heat exchange unit for equipping a photoelectric plant for operation in conditions of disruption of the typical energy infrastructure. A preliminary calculation of the thermal and electrical parameters of a photovoltaic installation equipped with multi-cascade solar cells based on gallium arsenide and a heat exchange unit with "microchannels" was carried out.Item Реалізація керування енергопотоками підземних споживачів у залізорудній шахті(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Власюк, В. П.; Vlasyuk, V. P.UK: Мета роботи.. Удосконалити можливості роботи з алгоритму керування електро енергопотоками для мінімізації рівнів споживання електроенергії у електроенергетичній системі залізорудної шахти, до якої входять підземні споживачі. Методи дослідження. Під час проведення дослідження застосовані методи: нечіткої редукції атрибутів грубої множини, скорочення атрибутів при швидкому розрахунку, K – середніх, базисна платформа Hadoop. Отримані результати. Проведено розгляд та описано методологію реалізації алгоритму мінімізації рівнів споживання електроенергії для підземних споживачів залізорудної шахти. Розроблено та удосконалено реалізацію алгоритму Канопі з використанням функції швидкого розрахунку. Проведено розподіл на класи з використанням методу K – середніх та його реалізації у базисній платформі Hadoop. Побудовано ефективно функціонуючий і удосконалений алгоритм для керування джерелами з застосуванням мінімізації обсягів споживання електроенергії у підземних споживачах залізорудної шахти. Ключовою перевагою, для впровадження у практичне застосування даного алгоритму є його гнучкість у роботі: проявляється у забезпеченні кількох варіантів вирішення на відміну від типових математичних методів, де пропонується лише один його варіант розв’язку для визначення послідовності вирішення поставлених завдань та задач. Даний алгоритм дозволить використовувати його з множинними методами розрахунку ключових енергетичних параметрів, що допоможе зменшити надлишковий обсяг даних розрахунку обсягів враховуючи невизначеність обсягів енергоспоживання у підземних споживачів та уникнути зайвих розрахункових операцій у розгалуженій структурі даних з кількома розв’язками з чіткою їх систематизацією. Наукова новизна. Проведено удосконалення практичної реалізації алгоритму функціонування, що дозволяє підвищити точність та ефективність розрахунків за рахунок усунення надлишкових рівнів споживаної потужності у підземних споживачів залізорудної шахти. Практична цінність. Дане дослідження слід застосувати для превентивної оцінки та аналізу розрахованих обсягів по зменшенню рівнів споживаної потужності та їх систематизації за допомогою методів з розгалуженою структурою даних для підземних споживачів залізорудної шахти. Окреслено два можливі шляхи подальшого розвитку та удосконалення стану енергетики та енергетичного обладнання на гірничих підприємствах (в особливості на залізорудній шахті). EN: Purpose. To enhance the capabilities of the power flow control algorithm to minimize the level of electricity consumption in the electric power system of an iron ore mine, this includes underground consumers. Methodology. The research was conducted using the following methods: fuzzy attribute reduction of a coarse set, attribute reduction by QuickReduct, K-means, and the Hadoop platform. Findings. The article considers and describes the methodology for implementing an algorithm for minimizing the levels of electricity consumption for underground consumers of an iron ore mine. An algorithm implementation of the Kanopy algorithm using the fast calculation function has been developed and improved. Classification using the K-means method and its implementation in the basic Hadoop platform was carried out. An efficiently functioning and improved algorithm for source control has been built to minimize the volume of electricity consumption in underground consumers of an iron ore mine. The key advantage of this algorithm for practical application is its flexibility in operation: it provides several solution options, unlike typical mathematical methods, where only one solution option is offered to determine the sequence of solving the tasks and problems. This algorithm will allow its use with multiple methods for calculating key energy parameters, which will help reduce the excessive amount of data for calculating volumes given the uncertainty of energy consumption by underground consumers and avoid unnecessary calculation operations in a branched data structure with several solutions with a clear systematization. Originality. The paper improves the practical implementation of the functioning algorithm, which allows increasing the accuracy and efficiency of calculations by eliminating excessive levels of power consumption by underground consumers of an iron ore mine. Practical value. This research should be applied to the preventive assessment and analysis of the calculated volumes for reducing power consumption levels and their systematization using methods with a branched data structure for underground consumers of an iron ore mine. Two possible ways of further development and improvement of the state of energy and power equipment at mining enterprises (especially at an iron ore mine) are outlined.