Electrical Power and Electromechanical Systems

Permanent URI for this communityhttps://ena.lpnu.ua/handle/ntb/46160

Browse

Now showing 1 - 20 of 50

Математична модель магнітного стану колекторного двигуна із магнітоелектричним збудженням
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Гавдьо, І. Р.; Havdo, I. R.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Сьогодні існує тенденція до заміни мікродвигунів постійного струму з електромагнітним збудженням на двигуни зі збудженням від постійних магнітів (ДПС ПМ). Враховуючи широке застосування ДПС ПМ, актуальним є створення математичних моделей цього типу двигуна. Мета статті – розроблення математичної моделі магнітного стану ДПС ПМ на основі теорії електричних та магнітних кіл, яка дає змогу за заданими значеннями характеристики розмагнічування магніту та миттєвими значеннями струмів якоря знайти розподіл магнітних потоків (індукцій) в усіх частинах магнітопроводу двигуна. Математичну модель ДПС ПМ розроблено на основі розгалуженої заступної схеми магнітного кола із зосередженими параметрами та з високим рівнем деталізації магнітопроводу. Магнітне коло ДПС ПМ умовно розділено на окремі ділянки, в межах кожної з яких поле вважаємо однорідним. Ділянкам магнітопроводу з електротехнічної сталі та зубцевому шару якоря на заступній схемі відповідають нелінійні магнітні опори, які задано характеристиками F[Ф] як залежностями спадів магніторушійних сил від магнітних потоків. Ділянкам із повітряним проміжком відповідають постійні магнітні опори. Постійний магніт подаємо зосередженою магніторушійною силою (МРС), заданою характеристикою розмагнічування Fм [Фм]. Якір з повітряним проміжком радіальними площинами розділяємо на s = m + n ділянок у межах полюсної поділки. З них m рівномірних ділянок відповідають частині якоря, яка розміщена під магнітом, а n рівномірних ділянок – у просторі між магнітами. Вихідну систему рівнянь складено для однієї полюсної поділки за методом контурних потоків, які є первинними невідомими. Вихідна система рівнянь перетворюється – спади магнітних напруг на нелінійних опорах подано залежностями від потоків віток. Характеристику розмагнічування магніту подано як рівняння прямої, яка розташована у другому квадранті й перетинає вісьX у точці залишкового магнітного потоку Фr, а вісь Y у точці, що відповідає повній намагнічуючій силі магніту – Fc. Отриману нелінійну систему алгебричних рівнянь доцільно розв’язувати ітераційним методом Ньютона. Розроблена математична модель магнітного стану ДПС ПМ може слугувати основою для створення математичних моделей розрахунку перехідних процесів та статичних характеристик цього типу двигуна.
Математичне моделювання комутаційних електромагнітних процесів у довгих лініях електропередач у циклі АПВ
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Чабан, А. В.; Лисяк, Г. М.; Левонюк, В. Р.; Chaban, A. V.; Lysiak, H. M.; Levoniuk, V. R.; Львівський національний аграрний університет; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Виконано аналіз наукових публікацій, який показав, що здебільшого дослідження комутаційних перехідних процесів в електричних мережах під час циклів автоматичного повторного ввімкнення (АПВ) вимикачів здійснюють без урахування впливу на них електромеханічних процесів у механізмах переміщення контактів вимикачів, незважаючи на те, що швидкість їх перебігу співмірна з швидкістю проходження електромагнітних процесів. На основі модифікованого принципу Гамільтона – Остроградського запропоновано математичну модель фрагмента електричної мережі, який складається із міжсистемної лінії електропередачі надвисокої напруги, компенсувальних реакторів та високовольтного вимикача з пристроєм АПВ. Показано, що запропонована в роботі методика ідентифікації крайових умов другого роду до диференціального рівняння довгої лінії підвищує ефективність побудови її моделі, оскільки не потребує створення розширених колових заступних схем, з одного боку; та дає змогу на польовому рівні врахувати перебіг електромагнітних процесів, з другого. Використана в роботі математична модель вимикача надвисокої напруги дає змогу враховувати комутаційні дугові процеси на основі нелінійного активного опору і ємності та динаміку руху механізму переміщення контактів на основі теорії Лаґранжа. Це уможливлює ефективне дослідження перехідних процесів у електричних мережах під час АПВ вимикачів без застосування процедури пошуку початкових умов комутації. На підґрунті розробленої математичної моделі написано програмний код алгоритмічною мовою Visual Fortran та здійснено комп’ютерну симуляцію перехідних комутаційних процесів у довгій лінії електропередачі з урахуванням дії пристрою однократного АПВ та механічних процесів у вимикачі. Результати досліджень подано у вигляді рисунків, які проаналізовано. Підтверджено, що розвиток і застосування міждисциплінарних (інтердисциплінарних) методів дослідження дає змогу виключно з використанням єдиного енергетичного підходу будувати моделі електротехнічних та електромеханічних підсистем як елементів єдиної електроенергетичної системи, зокрема й математичні моделі вимикачів надвисокої напруги та довгих ліній електропередач.
Моделювання усталених режимів електромережі із синхронним електроприводом гідравлічного навантаження
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Лисяк, В. Г.; Олійник, М. Й.; Сабат, М. Б.; Шелех, Ю. Л.; Lysiak, V. H.; Oliinyk, M. Yo.; Sabat, M. B.; Shelekh, Y. L.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Помпові станції, які забезпечують переміщення рідини трубопровідним транспортом, є істотними споживачами електричної енергії. Перевитрати електроенергії внаслідок неоптимальних режимів роботи окремих потужних агрегатів чи неоптимальної кількості менш потужних агрегатів, які одночасно працюють, доволі значні й можуть суттєво впливати на загальне енергоспоживання. Перевитрати електроенергії на помпових станціях призводять також до відчутних її перевитрат в елементах електричних мереж. Режими роботи потужних помпових станцій характеризуються повільною зміною координат у часі. У багатьох випадках це дає змогу обґрунтовано розглядати такі режими як сукупність квазістаціонарних станів, що змінюють один одного, без урахування впливу перехідних процесів. Проведений аналіз характеру типових режимів помпувальних агрегатів потужних помпових станцій та їхніх систем електропостачання обґрунтовує доцільність виокремлення досліджень усталених режимів. Переважна кількість наукових праць із моделювання й аналізу режимів роботи потужних помпових станцій стосується асинхронних електроприводних помпових агрегатів. Упровадження перспективного регульованого синхронного електроприводу на помпових станціях потребує створення відповідних засобів досліджень. Проводити натурні експерименти на діючих помпових станціях дорого, а доволі часто й недопустимо, оскільки під час експериментів необхідно порушувати їх безперервне функціонування. Тому моделювання процесів, які відбуваються на таких об’єктах, – здебільшого єдино можливий засіб їх безпечного дослідження, а також прогнозування безаварійних енергоощадних режимів і заходів. Показано, що синтез енергоефективних систем керування усталеними режимами таких об’єктів з метою підвищення їхньої енергоефективності зазвичай неможливий без комп’ютерного моделювання силової частини. Запропоновано математичну модель усталених режимів електромережі з частотно керованим синхронним електроприводом відцентрової помпи. Із використанням створеної моделі виконано низку тестових розрахунків усталених режимів. Наведено отримані графічні залежності основних координат від відносної витрати робочої рідини на вході трубопроводу.
Вихідна напруга локального первинного внутрішнього вихрострумового перетворювача трансформаторного типу в електропровідній феромагнітній трубі
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Яцун, М. А.; Yatsun, M. A.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Під час діагностування технічного стану магістральних трубопроводів (газопроводів) виявляють дефекти типу порушення суцільності, встановлюють фактичну товщину стінки трубопроводу і визначають профіль його поверхні. На основі акустичного (ультразвукового), магнітного і вихрострумового методів контролю розроблено інтелектуальні поршні, які використовують для внутрішньотрубної технічної діагностики. Вихрострумовий метод контролю дає можливість виявити поверхневі тріщини із малим розкриттям та дефекти розшарування металу трубопроводу. За вихрострумового методу контролю первинний прохідний перетворювач параметричного або трансформаторного типу зазвичай має форму циліндричної котушки із прямокутною формою поперечного перерізу і розташований співвісно з контрольованою трубою. З метою контролю дефектів, товщини стінки і фізичних параметрів електропровідних феромагнітних труб для локалізації магнітного поля обмотку збудження первинного перетворювача доцільно виконати у формі двох кільцевих котушок, співвісних із контрольованою трубою, у яких протікатимуть протилежно спрямовані струми. Тоді для локального контролю вимірну (вторинну) обмотку первинного перетворювача доцільно розташувати біля внутрішньої поверхні труби між котушками обмотки збудження так, щоб її вісь була спрямована по радіусу труби і такий первинний перетворювач обертати по колу й переміщувати в осьовому напрямі або передбачити декілька таких вимірних обмоток по колу труби і переміщувати перетворювач тільки по осі труби. Тому актуальним є розрахунок вихідної інформації (напруги на вимірній обмотці) прохідного екранованого вихрострумового первинного перетворювача трансформаторного типу, розташованого всередині контрольованої. Визначені основна, внесена об’єктом контролю, і сумарна перетворені за Лапласом напруги на вимірній обмотці первинного внутрішнього вихрострумового перетворювача прохідного типу із обмоткою збудження, яка складається із двох зустрічно увімкнених кільцевих циліндричних котушок прямокутного поперечного перерізу зі струмом заданої форми, і вимірної обмотки, розташованої біля внутрішньої поверхні труби між котушками обмотки збудження так, щоб її вісь була спрямована по радіусу труби. Отримані результати доцільно використати під час діагностування технічного стану внутрішньої поверхні трубопроводів для визначення інформативних величин та їх. чутливостей до параметрів і дефектів об’єкта контролю розглянутим прохідним первинним вихрострумовим перетворювачем з метою розв’язки багатопараметрової інформації.
Експериментальні дослідження динамічних процесів статичного тиристорного компенсатора для системи електропостачання шахтного навантаження
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Гапанович, В. Г.; Бахор, З. М.; Gapanovych, V. G.; Bakhor, Z. M.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
З метою покращення показників якості електроенергії в мережі живлення 35 кВ шахтного навантаження, що живиться від шин районної підстанції 330/220/110/35 кВ “Нововолинська” Західної енергосистеми, впроваджено статичний тиристорний компенсатор реактивної потужності (СТК). Сумісна робота СТК і пристрою регулювання напруги під навантаженням (РПН) трансформаторів підстанції дають змогу вирішити завдання комплексного керування режимом роботи системи електропостачання (СЕП) шахтного навантаження. Автори розробили структурну схему регулятора СТК пропорційної дії та виготовили дослідний зразок регулятора СТК, який дозволяє з високою точністю стабілізувати напругу в місці під’єднання СТК. Для оцінювання якості перехідного процесу, спричиненого збуреннями параметрів режиму СЕП шахтного навантаження, одержано передавальну функцію регулятора СТК з урахуванням передавальних функцій його ланок. За прийнятих значень сталої часу активного фільтра дослідного зразка регулятора показано, що перехідний процес у його схемі відбувається асимптотично із прийнятними сталими часу. Експериментальні дослідження динамічних характеристик СТК, керованого розробленим регулятором, пітвердили, що стійка робота СТК забезпечується для всього діапазону сталих часу згасання регулятора.
Людино-машинне керування одновісним двоколісним персональним електричним транспортним засобом за умови лінійного руху
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Щур, І. З.; Дзьоба, Т. Я.; Голубовський, П. Й.; Shchur, I. Z.; Dzoba, T. Y.; Holubovskyi, P. Y.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Розглянуто новий вид персонального електричного транспортного засобу (ЕТЗ) – сегвей, чи гіроборд, у якому користувач під час керування рухом бере безпосередню участь у балансуванні свого положення відносно осі, що з’єднує два колеса з індивідуальними електроприводами. Такий ЕТЗ – складна людино-машинна система, робота якої залежить від команд людини та відповідної реакції системи автоматичного керування (САК) рухом. Тому для розроблення останньої необхідно знати як закономірності роботи електромеханічної системи цього ЕТЗ, так і навички керування, які набув користувач. На основі рівняння Лагранжа ІІ роду розроблено математичну модель кінематики руху такого ЕТЗ у вигляді нелінійної системи взаємозв’язаних диференціальних рівнянь другого порядку. Як системи електроприводів коліс застосовано замкнені за струмами якоря синхронні машини із постійними магнітами, які керуються транзисторними інверторами напруги за положенням їх роторів відповідно до сигналів, отриманих від встановлених на колесах енкодерів. Завдання на електромагнітні моменти приводів коліс формують ПД-регулятори за сигналами від системи давачів – твердотільних гіроскопа та акселерометра, які дають змогу визначити кут нахилу тіла користувача. За розробленою функціональною схемою системи “користувач – гіроборд” у середовищі Matlab/Simulink створено імітаційну комп’ютерну модель, в яку входить розроблена математична модель кінематики руху гіроборда із користувачем. Ця модель імітує поведінку користувача, а також роботу САК електроприводами коліс. Визначено раціональні налаштування регуляторів моделі. У результаті проведеного комп’ютерного симулювання циклу руху гіроборда отримано низку осцилограм основних координат, що описують динаміку системи. Вони дали змогу зрозуміти закономірності взаємодії людини і машини та показали працездатність розроблених підходів до побудови системи керування гіробордом.
Математичне моделювання в реальному часі асинхронного генератора з інвертором напруги в колі ротора
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Куцик, А. С.; Плахтина, О. Г.; Kutsyk, A. S.; Plakhtyna, O. G.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Описано математичну модель електромеханічної системи із асинхронним генератором із регулюванням струму ротора перетворювачем частоти з автономним інвертором напруги, керованим регуляторами струму. Асинхронні генератори завдяки їх простоті доволі широко використовують у вітроенергетичних установках. Регулювання струмів ротора за допомогою перетворювача частоти дає змогу регулювати швидкість та коефіцієнт потужності в колі статора. Потужність перетворювача частоти визначається діапазоном зміни ковзання і може становити 25–30% сумарної потужності генератора. Синтез відповідної системи керування вимагає розроблення математичної моделі, яка повинна враховувати нелінійність магнітних зв’язків у асинхронній машині та взаємні впливи між компонентами системи. Поєднання реальної системи керування з математичною моделлю силової схеми системи генерування електроенергії за технологією “hardware-in-the-loop”, яка працює у реальному часі, дає змогу провести випробування та налаштування системи керування. Для створення математичної моделі застосовано оригінальний авторський метод середніх напруг на кроці числового інтегрування для математичного моделювання електричних кіл. Застосування цього методу забезпечує високу швидкодію та числову стійкість і створює умови для неперервної роботи моделі в режимі реального часу в поєднанні із фізичними об’єктами (наприклад, із фізичним контролером). Це дає змогу використати її для синтезу та тестування систем керування асинхронним генератором. Реалізована в моделі система векторного керування забезпечує регулювання швидкості обертання генератора та реактивної потужності в колі статора і створює умови для використання зазначеної системи, наприклад, для вітроенергетичних установок.
Вентильний реактивний двигун із буфером енергії у системах із автономним живленням обмеженої потужності
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Ткачук, В. І.; Біляковський, І. Є.; Каша, Л. В.; Tkachuk, V. I.; Bilyakovskyy, I. Ye.; Kasha, L. V.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Обґрунтовано доцільність використання ємнісного нагромаджувача в колі електронного комутатора для покращення техніко-економічних показників вентильних реактивних двигунів. Такий електромеханічний перетворювач максимально простий конструктивно, дешевий у виготовленні та має хороші технологічні характеристики порівняно із найпростішими електричними машинами – асинхронними, а привід на базі вентильного двигуна з пасивним ротором за регулювальними властивостями не поступається приводам з колекторними двигунами постiйного струму, які набули необмеженого поширення. Запропоновано нові електричні схемні рішення, орієнтовані на живлення від джерел низької напруги й обмеженої потужності з використанням буферів енергії, які здійснюють захист силових ключів комутатора від перенапруги під час вимкнення секції та виконують функцію акумулювання запасеної в магнітному полі енергії, яку потім використано для форсування струму секції. Організовувати керування у таких схемах електронного комутатора можна логічним перемноженням певних сигналів давача положення ротора для формування сигналів керування. Наведену в матеріалах математичну модель, використану для дослідження, реалізовано для миттєвих значень вентильного реактивного двигуна з ємнісними буферами енергії, вона слугує основою для розрахунку його характеристик. Для того щоб вирішити проблему відшукання моментів комутації у задачах такого типу, використано метод інвертування нелінійної системи диференціальних рівнянь. Метод. полягає у виборі незалежною змінною кута комутації за перемикання якогось із силових ключів електронного комутатора. Дослідження механічних та робочих характеристик вентильного двигуна із пасивним ротором та буфером енергії здійснено в середовищі комп’ютерної програми дослідження вентильних реактивних двигунів із буферами енергії. Наведено приклади розрахунку динамічних та статичних характеристик двигунів. Результати комп’ютерного симулювання електромеханічних процесів підтверджені експериментальними дослідженнями та свідчать про адекватність наведеної у матеріалах математичної моделі та доцільність відповідного використання такого типу двигуна.
Дослідження можливостей використання перетворювача частоти ATV340 для задач синхронізації швидкостей механічно не зв’язаних електроприводів механізмів
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Місюренко, В. О.; Семенюк, М. Б.; Misurenko, V. O.; Semeniuk, M. B.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Здійснено порівняльний аналіз характеристик слідкуючого електроприводу, який подано асинхронним і синхронним механічно не зв’язаними електроприводами. В такій системі один електропривід працює у режимі ведучого приводу, а інший – у режимі веденого. Для виконання порівняльного аналізу характеристик слідкуючого асинхронного електроприводу розроблено експериментальну установку, яка складається із асинхронного електроприводу на базі перетворювача частоти серії ATV340 та механічно не зв’язаного синхронного електроприводу на базі Lexium 32C. Для передавання даних між електроприводами використано входи/виходи РТО-РТІ перетворювачів частоти. Описано технологію реалізації задачі синхронізації швидкостей електроприводів на базі перетворювачів частоти ATV340 та Lexium 32C, наведено дослідження впливу параметрів регулятора швидкості (частоти) перетворювача частоти ATV340 на точність та якість процесу синхронізації швидкостей. Зокрема, збільшення до певних значень коефіцієнта підсилення контуру швидкості зменшує динамічну похибку швидкості, а зростання параметра STA усуває перерегулювання та коливність перехідного процесу. Проведені експериментальні дослідження показали, що у разі використання бездавачевого векторного керування перетворювач частоти ATV 340 може працювати в слідкуючому режимі, однак у перехідних режимах розгону та гальмування спостерігається часове запізнення реакції приводу, яке неможливо ліквідувати наявними засобами програмного забезпечення. Використання електроприводу Lexium 32C у режимі стеження забезпечує синхронізацію швидкості з високою точністю як у перехідних режимах, так і в усталеному режимі роботи. Вважаємо, що доцільно здійснити дослідження слідкуючого електроприводу на базі перетворювача частоти ATV 340 у випадку реалізації замкненої системи регулювання за швидкістю.
Математична модель визначення магнітних провідностей давачів кута із трансверсною магнітною системою
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Болкот, П. А.; Хай, М. В.; Харчишин, Б. М.; Bolkot, P. A.; Khaj, M. V.; Kharchyshyn, B. M.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Описано математичну модель визначення магнітних провідностей індукційних давачів обмеженого кута повороту з урахуванням лінійних та кутових розмірів специфічної конструкції його магнітопроводу, технологічних похибок виготовлення та монтажу, що симулюється неспіввісністю розташування статора та ротора. Модель побудовано із використанням допущення про відсутність потоків розсіяння, зумовленого конструктивним розташуванням сигнальних обмоток та обмотки збудження. Однак основний магнітний потік розділено на дві частини – залежну від кутового положення ротора та незалежну, тобто корисний потік, який визначає інформаційну складову сигналу та фонову. Корисний потік визначається величиною корисної провідності, що враховує випучування магнітного потоку. Корисні провідності подано у вигляді таблиці аналітичних виразів, які визна- чаються однотипно як провідності між двома плоскими поверхнями, розташованими під кутом, із наведенням окремо меж інтегрування. Модель дає змогу розділяти діапазон кута повороту давача на піддіапазони, кількість яких залежить від кількості зубців магнітопроводу статора. Математичну модель побудовано для лінійного давача, результати узагальнено на давач обмеженого кута повороту. Модель дає змогу пояснити природу систематичної похибки вихідної характеристики давачів та здійснювати заходи щодо запобігання їй. Використовуючи принципи побудови математичної моделі, ми практично визначили магнітні провідності для чотиризубцевого давача кута типу ДУ60 з урахуванням штучно введеної похибки неспіввісності статора та ротора. Результати наведено у вигляді графіків залежності корисних провідностей зубців від кута повороту. Зроблено висновок про можливість подальшого використання пропонованої математичної моделі, побудованої на основі методу імовірних шляхів потоків, для визначення природи систематичної похибки вихідної характеристики давачів кута та здійснення запобіжних заходів задля її уникнення.
Синґулярні проблеми в задачах електрики і механіки за ідеалізації математичного опису
(Видавництво Львівської політехніки, 2019-02-28) Чабан, В. Й.; Крохмальний, Б. І.; Chaban, V. Yo.; Krokhmalnyy, B. I.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Показано можливі небезпеки ідеалізації під час побудови математичних образів фізичних об’єктів чи систем. Вони можуть бути прийнятні, приховані, або навіть такі, що сягають синґулярности, а то й нереальні. Це розкрито на п’ятьох практичних задачах електрики і механіки. Зокрема, йдеться про електричні кола, що містять EJ-вироджені перетини й контури, утворені виключно ідеальними джерелами струму і ЕРС, про обертову синґулярність за ідеальної пружности, про гармонічний електричний резонанс, про зовнішню характеристику серієсного ґенератора постійного струму за ідеального феромаґнетизму, про сиґулярність і парадокс 4/3 електрона. Повна система рівнянь електричного кола завше містить кількість рівнянь, що дорівнює кількості невідомих. Але якщо є перетини, утворені виключно ідеальними джерелами струму j, або контури, утворені виключно ідеальними джерелами напруги e, то вона стає недовизначеною, бо рівняння, складені за законами Кірхгофа для таких перетинів і контурів (надалі називатимемо їх EJ-виродженими), не містять невідомих, хоч самі закони повинні суворо дотримуватись. Такі задачі доволі часто виникають на практиці: достатньо назвати трифазне коло, ідеальні джерела напруги якого з’єднано трикутником, або ідеальні джерела струму – у зірку. Але найчастіше EJ- виродження виникають у задачах аналізу радіоелектронних кіл. Наукові пошуки часто натрапляють на практичні задачі, розв’язки яких надто спрощуються за умов тієї чи иншої локальної ідеалізації, а то й неможливі без неї. Тому треба відповідально ставитися до аналізу одержаних результатів у кожному конкретному випадку. Задачі на синґулярність були розглянуті лише в тому розумінні, аби загострити проблему. Будь-який математичний образ реального фізичного процесу здійснюється за тих чи инших лоґічних припущень, зокрема й ідеалізації. Але ідеалізацією треба користуватися розсудливо, бо вона може призводити до разючих спотворень істини, у граничних випадках навіть до синґулярности, як показано нижче, а інколи до малопомітних, а тому найпідступніших.
Паралельна робота трансформаторів в системі електропостачання шахти
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Варецький, Ю. О.; Коновал, В. С.; Varetsky, Y.; Konoval, V.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Увімкнення трансформаторів на паралельну роботу потребує врахування кількох важливих вимог. У процесі експлуатації систем електропостачання промислових підприємств іноді виникають ситуації, коли стає бажаним вмикати на паралельну роботу трансформатори, характеристики яких не зовсім відповідають такій процедурі. Якщо трансформатори ввімкнено на паралельну роботу, то будь-яка різниця між їхніми параметрами призводить до перерозподілу навантаження між ними порівняно з попереднім режимом, коли вони працювали ізольовано. Розглянуто проблему паралельної роботи трансформаторів різної потужності в системі електропостачання шахти, а також проаналізовано вплив конфігурації системи електропостачання та схем приєднання електроприймачів на розподіл навантажень між трансформаторами.
Особливості проектування індукційного водонагрівача
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Макарчук, О. В.; Крохмальний, Б. І.; Гайдук, В. Г.; Makarchuk, O.; Krokhmalnyi, B.; Haiduk, V.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Розглянуто принцип дії, конструкцію та особливості процесу проектування електронагрівача рідини індукційного типу, що відрізняється від існуючих пристроїв аналогічного призначення високими рівнями надійності та захисту від ураження електричним струмом, добрими техніко-економічними показниками. Метою дослідження обрано розроблення методики проектування індукційного водонагрівача оригінальної конструкції та перевірка достовірності цієї методики. Методи дослідження, які застосовуються для досягнення поставленої мети, поєднують переваги аналітичних підходів та числового симуляційного моделювання. Так, проектний розрахунок та аналіз технічних показників здійснено на підставі класичної електротехніки та теорії електричних машин змінного струму, а уточнення проектних рішень, пов’язаних із перебігом електромагнітних процесів – за методом скінченних елементів. Розроблений алгоритм проектування містить етап синтезу конструкції та математичну модель для розрахунку динамічних електромагнітних процесів у нагрівачі. Вона враховує двовимірний просторовий розподіл магнітного поля, насичення магнітопроводу та втрати від вихрових струмів у ньому, ефект витіснення струму в нагрівальному елементі. Ця модель ґрунтується на рівняннях Максвела у квазістаціонарному наближенні, а також містить низку співвідношень, що пов’язують між собою колові (інтегральні) та польові (розподілені) показники. Її можна віднести до класу колопольових або комбінованих моделей. Стаття містить опис конструкції та приклад розрахунку індукційного водонагрівача потужністю 4,8 кВт, коефіцієнт віддачі якого перевищує 95%. Порівняно результати розрахунку номінальних показників цього нагрівача, отримані з використанням аналітичних методів та FEM-аналізу. Проведенні дослідження дають право стверджувати, що застосування пропонованої методики проектування гарантує відповідність проекту вимогам технічного завдання й не потребуватиме виконання дороговартісних етапів виготовлення фізичних макетів та проведення їх експериментальних випробувань.
Шляхи удосконалення електромеханічної системи керування наведення озброєння бойової машини БМ-21 на основі нечіткої логіки
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Паранчук, Я. С.; Євдокімов, П. М.; Кузнєцов, О. О.; Paranchuk, Y.; Evdokimov, P.; Kuznyetsov, O.; Національний університет “Львівська політехніка”; Національна академія сухопутних військ імені гетьмана Петра Сагайдачного; Lviv Polytechnic National University; Hetman Petro Sahaidachnyi National Army Academy
Реактивні системи залпового вогню є важливим компонентом у забезпечені вогневого потенціалу підрозділів. Їх мобільність та точність ураження цілей визначально впливають на результат бою. Існуюча система наведення пакета напрямних бойової машини БМ-21 є складною, багатоконтурною та інерційною електромеханічною системою, з наявними зазорами, люфтами та обмеженою пружністю деяких елементів механічної частини. Вона повинна забезпечувати необхідні показники динаміки та статики (швидкодію і точність позиціонування пакета напрямних), тобто реалізувати закон руху пакета напрямних без режимів дотягування, без перерегулювання і з мінімізацією часу позиціонування у задане положення. Електромеханічні системи наведення БМ-21 сьогодні повною мірою не відповідають вимогам за швидкодією та точністю наведення пакета напрямних. Опрацьовано системотехнічні рішення для модернізації цієї системи, що полягають у заміні електромашинного підсилювача на силовий напівпровідниковий перетворювач та застосуванні триконтурної позиційної системи підпорядкованого регулювання кута наведення пакета напрямних. Використано лінійно-параболічний регулятор положення та нечіткий коректор, вхідними сигналами якого є похибка регулювання за кутом наведення озброєння та її похідна. Така система керування процесом наведення пакета напрямних відповідає вимогам щодо точності та показників динаміки позиціонування, конструктивним особливостям кінематичної схеми механізму наведення та характеру зовнішніх впливів і параметричних змін системи. Вибрано елементи силового електрообладнання, розроблено структурну схему позиційної електромеханічної системи підйомного механізму бойової машини. Обґрунтовано модель нечіткого керування. Запропоновано методику проектування нечіткого коректора на основі експериментально отриманих реакцій системи наведення на стрибкоподібні сигнали керування. Запропоновані рішення значною мірою надають системі наведення властивості інваріантності до параметричних і координатних збурень і, як наслідок, дають змогу реалізувати у процесі наведення оптимальний за швидкодією та точністю позиціонування закон руху пакета напрямних.
Комп’ютерне моделювання системних стабілізаторів потужності електроенергетичних систем
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Мороз, В. І.; Коновал, В. С.; Moroz, V.; Konoval, V.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Розглянуто структурні моделі системних стабілізаторів електроенергетичних мереж, які використовуються для поліпшення демпфування коливань потужності енергосистеми за допомогою регулювання збудження синхронних турбогенераторів електростанцій. Математичні та структурні моделі такого системного стабілізатора для різних порядків його передатної функції згідно з рекомендаціями IEEE запропоновано для реалізації у системах автоматичного проектування, зокрема, для системи комп'ютерного аналізу стійкості електроенергетичних мереж DAKAR. Проаналізовано існуючі системні стабілізатори, що рекомендовані асоціацією IEEE для електроенергетичних систем, кожен з яких має застосування, пов'язане з наявною системою збудження турбогенератора. Наведено опис будови існуючих системних стабілізаторів. Для побудови їх моделі на підставі рекомендацій IEEE запропоновано використання перетворення структурної схеми системного стабілізатора до канонічної форми спостережності. Таке перетворення надає можливості для створення математичних моделей таких систем для кола збудження синхронного генератора у формі як структурної моделі, так і системи диференціальних рівнянь, що відповідає такій структурі. Для аналізу частотних і часових характеристик моделей системних стабілізаторів використано середовище MATLAB з бібліотекою Control System Toolbox, що дало змогу проаналізувати частотні та часові характеристики рекомендованих IEEE системних стабілізаторів та їхніх моделей, які одержано на підставі канонічної форми спостережності. За рекомендаціями IEEE знаменник передатної функції системного стабілізатора може мати від першого до п'ятого порядку, що, відповідно, розширює коло використовуваних математичних моделей. Для їх аналізу на основі розгорнутої передатної функції системного стабілізатора створено узагальнені математичну і структурну моделі, які стали основою для розроблення відповідних моделей першого–п'ятого порядків. Для кожної такої моделі відповідного порядку в статті показано як структурну схему, так і математичну модель як систему диференціальних рівнянь у формі Коші. Результати комп'ютерного моделювання підтвердили адекватність розроблених моделей і простоту їхнього використання.
Синтез та аналіз системи енергоформуючого керування вітросонячною енергоустановкою з гібридною системою накопиченя енергії
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Білецький, Ю.; Кузик, Р.-І.; Ломпарт, Ю.; Biletskyi, Y.; Kuzyk, R.-I.; Lompart, Y.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Однією з основних задач сьогодення є розвиток альтернативної енергетики. Попри значну кількість переваг такі джерела енергії, як сонце та вітер, не є постійними, а оскільки ці джерела природно працюють у «протифазі», то їх доцільно використовувати разом. Також зважаючи на їх непостійність, зазвичай з ними використовують різні накопичувальні системи, зокрема гібридні системи накопичення, такі як поєднання акумуляторної батареї та суперконденсатора, що мають кращі експлуатаційні характеристики. Отже, об’єкт вітросонячної енергоустановки є складною системою, яка потребує особливого підходу до керування. Одними з відомих підходів до побудови систем керування складними об’єктами є енергетичні підходи. Показано процедуру синтезу універсальної системи енергоформуючого керування вітросонячною енергоустановкою з гібридною системою накопичення з широкими можливостями для налаштування. Використання різних параметрів системи енергоформуючого керування, що відображає введення додаткових взаємозв’язків та демпфування, дає можливість скорегувати перетікання енергії в середині замкненої системи, а отже, здійснити налаштування залежно від бажаного результату. Наприклад, підтримання напруги, яка прикладається до навантаження на одному рівні або плавність перехідних процесів струму через акумуляторну батарею. Проаналізовано вплив можливих параметрів та їх поєднання на роботу замкненої системи. Синтезовано чотири найефективніші структури системи енергоформуючого керування з різними конфігураціями параметрів: з природним перетіканням енергії, з введенням додаткових взаємозв’язків та демпфування в підсистеми накопичення, з веденням взаємозв’язків у підсистеми генерації, а також в обидва типи підсистем. Проведено порівняльні дослідження, в результаті яких підтверджено доцільність введення додаткових взаємозв’язків до всіх підсистем, а саме: сонячної енергоустановки, вітроенергоустановки, акумуляторної батареї та суперконденсатора. Така система має змогу забезпечити оптимальне керування як відбором енергії від усіх джерел, так і її розподілом по накопичувачах енергії. Системи енергоформуючого керування вітросонячною енергоустановкою завдяки введенню додаткових взаємозв’язків та демпфування, надають широких можливостей для налаштування. Це особливо корисно у таких складних системах, як вітросонячні енергоустановки з гібридними системами накопичення, де потрібно узгоджувати роботу підсистем з урахуванням багатьох вимог.
Основні конструктивні співвідношення лінійного генератора імпульсної дії
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Харчишин, Б. М.; Хай, М. В.; Бойчук, Б. Г.; Радович, М. М.; Kharchyshyn, B.; Khaj, M.; Boichuk, B.; Radovych, M.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Проаналізовано види втраченої при артилерійському пострілі енергії з метою визначення можливості її повторного використання. Пропонується використати кінетичну енергію руху ствола і противідкотних пристроїв для генерування та акумулювання у вигляді електричної енергії для підвищення енергетичної незалежності підрозділу при виконанні бойової задачі. Для цієї мети застосовано лінійний генератор імпульсної дії з гладким якорем магнітоелектричного збудження, структуру активної частини якого досліджено. Застосовано принципи поділу структури електромеханічного перетворювача до лінійного генератора імпульсної дії, що дозволило оптимально використовувати активні матеріали. Використано твердження, що при ненасиченому магнітопроводі магніторушійна сила постійного магніту прикладена в основному до немагнітного проміжку, тому за основний критерій проектування взято рівність висоти магніту величині, що складається з товщини обмоткового шару та технологічного проміжку між магнітом та Обмоткою, а товщина активної зони дорівнює сумарній товщині спинок магнітопроводів статора і повзуна. Встановлено оптимальні значення величини полюсної поділки для заданих значень внутрішнього та зовнішнього габаритного діаметрів проектованого генератора. Наведено основні співвідношення для визначення оптимальних значень ширини та висоти магніту, товщини спинок магнітопроводу статора та повзуна з урахуванням коефіцієнтів розсіяння та приведення площі магнітопроводу до середнього його діаметра, який враховує зменшення площі магнітопроводу через зменшення діаметра порівняно з внутрішнім діаметром магніту. Подано співвідношення для визначення діаметра розточки повзуна.
Автоматичне повторне ввімкнення в електричній мережі з ізольованою нейтраллю за однофазного замикання на землю
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Баран, П. М.; Кідиба, В. П.; Пришляк, Я. Д.; Сабадаш, І. О.; Baran, P.; Kidyba, V.; Pryshliak, Ya.; Sabadash, I.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Електричні мережі 6–35 кВ працюють з ізольованою чи уземленою через дугогасний реактор нейтраллю. Цей режим нейтралі є причиною появи значних перенапруг з крутими фронтами хвиль в електричній мережі за однофазних замикань на землю (ОЗЗ), особливо за дугових замикань та різного роду ферорезонансних явищ. Ці перенапруги пошкоджують ізоляцію всієї електричної мережі. Тому для підвищення ефективності функціонування мережі 6–35 кВ необхідно до мінімуму зменшити час дії згубних для ізоляції мережі (особливо кабелів) перенапруг. Для цього необхідно застосовувати захисти, що діють на вимкнення приєднання з ОЗЗ із мінімальною витримкою часу. Для зменшення збитків від недовідпуску електроенергії за рахунок зменшення часу знеструмлення споживачів, що вимикалися захистом за ОЗЗ, доцільно застосовувати автоматичне повторне ввімкнення (АПВ), що діє на автоматичне увімкнення елемента електричної мережі, попередньо вимкненого захистом за ОЗЗ. Розроблено алгоритм функціонування АПВ. На основі розробленого алгоритму з застосуванням цифрових технологій виготовлений пристрій, за допомогою якого може бути організована функція АПВ для великої кількості приєднань до секції шин – до 28. Для перевірки працездатності пристрою створена фізична модель електричної мережі з ізольованою нейтраллю, що дозволяє моделювати ОЗЗ. Для захисту від ОЗЗ у фізичній моделі застосований серійний пристрій «Альтра», що успішно експлуатується на різних електроенергетичних об'єктах України – обленерго, теплових електричних станціях, заводських підстанціях тощо. Взаємна робота пристроїв захисту від ОЗЗ та АПВ опробувана на фізичній моделі. Моделювались різноманітні режими за ОЗЗ в електричній мережі (пошкодження в різних місцях електричної мережі) та різний характер ОЗЗ (короткочасні з самоліквідацією, стійкі без самоусунення). Аналіз результатів перевірки на фізичній моделі підтвердив високу ефективність комплексного використання пристроїв захисту за ОЗЗ та АПВ у мережах з ізольованою (компенсованою) нейтраллю. Зараз пристрій знаходиться в дослідній експлуатації на одній із підстанцій “Львівобленерго”.
Influence analysis of unstable zeroes and poles on the stability of the feedback systems
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Марущак, Я. Ю.; Мороз, В. І.; Цяпа, В. Б.; Головач, І. Р.; Чупило, І.; Marushchak, Y.; Moroz, V.; Tsyapa, V.; Holovac, I.; Chupylo, I.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
З огляду на теорію автоматичного керування, не повинно бути різниці в поведінці між об'єктом, який задано набором передатних функцій, що відповідно поєднані між собою, так і реальним об'єктом, що відповідає такій теоретичній структурі зі заданими передавальними функціями. Відповідно до цього, проведено узагальнений аналіз гіпотези Отто Сміта стосовно показників стійкості в системах автоматичного керування з нестійкими нулями та полюсами передавальних функцій другого порядку. У зв'язку з тим, що поведінка більшості технічних об'єктів може бути описана передавальною функцією другого порядку, основний акцент зроблено саме на передатній функції зі знаменником (характеристичним рівнянням) другого порядку з нестійкими нулями і полюсами. У статті для опису використано як апарат передавальних функцій, так і структурні моделі відповідного рівня, що дало змогу зробити їхній опис наочним. Виконано узагальнений опис системи автоматичного керування другого порядку з від'ємним жорстким зворотним зв'язком. Для такої системи сформовано теоретичні критерії стійкості стосовно її параметрів на підставі необхідних і достатніх умов стійкості. На підставі узагальненого опису передавальною функцією другого порядку виконано дослідження систем автоматичного керування з різними варіантами розміщення на комплексній площині нестійких нулів і полюсів передавальної функції розімкнутої системи. Виклад матеріалу супроводжується численними прикладами, для яких розглянуто випадки передавальних функцій як з дійсними полюсами, так і з парою комплексно-спряжених полюсів. Для кожного наведеного в статті прикладу розглянуто випадок як розімкнутої системи, так і замкнутої системи з одиничним зворотним зв'язком. Обидва випадки для кожного прикладу проілюстровано графіками логарифмічних амплітудно-частотних і фазо-частотних характеристик і перехідною функцією. Проведені дослідження в статті проілюстровано графіками логарифмічних амплітудночастотних і фазо-частотних характеристик і перехідних функцій, які для кожного прикладу отримані з використанням математичних застосунків MATLAB (разом з бібліотекою Control System Toolbox) і Mathcad. За результатами проведених досліджень підтверджено висновки О. Сміта про відмінність у поведінці реальних фізичних систем з нестійкими нулями і полюсами та теоретично отриманими моделями з аналогічними передавальними функціями.
Застосування нечіткого фільтра частинок для спостереження станів динамічної системи в режимі реального часу
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-01-20) Боровець, Т. В.; Borovets, T.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Однією із ключових проблем реалізації замкнених систем керування є вимірювання усіх станів динамічної системи, яка перебуває у складних навколишніх умовах, де застосування певних видів датчиків є технічно неможливим чи економічно необґрунтованим. Також, у електромеханічних системах існує низка величин, які неможливо безпосередньо виміряти фізичними датчиками. У таких випадках для обчислення невідомих координат вектора стану динамічної системи використовують математичні алгоритми – спостерігачі та естиматори. Одним із найпоширеніших серед алгоритмів спостереження, які використовуються у електромеханічних системах, є фільтр частинок, який дає змогу визначати координати вектора стану нелінійної системи за негауссовим законом розподілу станів та вимірювань. Також, практична цінність алгоритму зумовлена високою нечутливістю до шуму сенсорів та збіжністю при великих початкових відхиленнях оцінених значень станів від реальних величин. Проте, реалізація алгоритму потребує значних обчислювальних витрат, які зумовлені обчисленням великої кількості точок станів, у яких може перебувати динамічна системи. Із метою зменшення обчислювальної складності у статті запропоновано модифікацію фільтра частинок для спостереження координат вектора станів динамічної системи електроприводу колеса електромобіля. Модифікований алгоритм фільтра частинок здійснює перемикання кількості точок під час оцінювання величин координат вектора стану із використанням нечіткої логіки із лише одним нечітким входом, що дає змогу уникнути великої бази правил. Адекватність нечіткого фільтра частинок доведена математичним моделюванням динаміки системи електроприводу колеса електромобіля під час його руху на різних поверхнях. Запропонований алгоритм показав аналогічну точність і менші обчислювальні затрати порівняно із класичним алгоритмом спостереження. Також результати моделювання засвідчили, що модифікований спостерігач незначно впливає на динаміку та статику замкненої системи керування із регулятором за повним вектором стану, на вхід якого подаються координати системи, визначені нечітким фільтром частинок.