Electrical Power and Electromechanical Systems

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

Browse

Now showing 1 - 20 of 50

An influence of a current compounding on the behavior of a synchronous generator with a brushless excitation system during a terminal-voltage variation
(Видавництво Львівської політехніки) Куцик, А. С.; Семенюк, М. Б.; Kutsyk, A.; Semeniuk, M.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Безконтактні (безщіткові) системи збудження синхронних генераторів забезпечують безконтактне передавання потужності збудження на ротор турбогенератора за відсутності комутації в роторному колі. Такі системи інерційні з погляду регулювання напруги, оскільки містять додатковий збудник. Введення швидкодіючого контуру компаундування дає змогу покращити динамічні показники регулювання напруги турбогенератора в режимах різкої зміни напруги та в режимах короткого замикання в лінії. Безщіткова система збудження синхронного генератора зі струмовим компаундуванням реалізує комбінований спосіб регулювання напруги. Регулювання за збуренням здійснює контур компаундування, а за відхиленням – система регулювання з автоматичним регулятором збудження. З іншого боку, в безщітковій системі збудження з контуром струмового компаундування спостерігається перерозподіл струмів системи збудження в різних режимах роботи синхронного генератора. Тобто приріст струму збудження генератора не дорівнює приросту струму компаундування, оскільки змінюється струм джерела напруги. Це спричинено взаємними впливами між джерелом напруги (випрямлячем) та джерелом струму (контуром компаундування), струм якого є пропорційним до струму статора синхронного генератора. Досліджено режими 10 % зменшення напруги мережі та режим трифазного короткого замикання в лінії для різних коефіцієнтів трансформації трансформаторів струму кола компаундування методом математичного моделювання. Адекватність моделі підтверджено експериментальними результатами, які отримані на фізичній моделі. Крім того, проаналізовано вплив параметрів контуру компаундування на характеристики системи. Зокрема, статична похибка регулювання напруги зменшується зі збільшенням коефіцієнта контуру компаундування у режимі зменшення напруги. Також зменшення дії контуру струмового компаундування може призвести до випадання із синхронізму синхронного генератора в режимі трифазного короткого замикання в лінії.
Analysis of Lyapunov matrices’application methods for optimization of stationary dynamic systems
(Видавництво Львівської політехніки) Білецький, Р. О.; Лозинський, О. Ю.; Білецький, Ю. О.; Цяпа, В. Б.; Biletskyi, R.; Lozynskyy, O.; Biletskyi, Y.; Tsiapa, V.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Проаналізовано застосування матриці Ляпунова з метою формування керуючих входів за різними методами оптимізації динамічних систем, орієнтованими за квадратичним інтегральним критерієм. Для цього розглянуто методи знаходження матриці Ляпунова та оптимізації на основі функціонального рівняння Беллмана із подальшим застосуванням рівняння Ріккаті, оптимізації з урахуванням початкових значень змінних стану, оптимізацію на основі рівняння Беллмана з використанням лінійних матричних нерівностей та рівняння Ляпунова. Незважаючи на складність розв’язування рівняння Ріккаті, задача знаходження матриці Ляпунова є однозначною лише у разі застосування методів оптимізації на основі динамічного програмування Беллмана та подання функції Беллмана функцією Ляпунова. Оптимізація на основі застосування умови лінійної матричної нерівності не є однозначною, оскільки потребує вибору розв’язку нерівності. Оптимізація системи за інтегральним квадратичним критерієм та початковими значеннями змінних стану також є неоднозначною, оскільки існує проблема розв’язування нелінійних взаємопов’язаних рівнянь оптимізації.
Application of the zeros and poles matched method for modeling of electrical systems
(Видавництво Львівської політехніки, 2022-02-22) Мороз, В. І.; Вакарчук, А. Б.; Moroz, V.; Vakarchuk, A.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Поширення математичних застосунків, які надають засоби розв’язування диференціальних рівнянь, і збільшення швидкодії обчислювальних пристроїв призвели до зменшення зацікавленості операторними методами, зокрема z-перетворенням. Проте використання можливостей z-перетворення дає змогу реалізувати ефективні швидкодіючі обчислювальні схеми із високою числовою стійкістю. Потреба в цьому може виникнути у випадку моделювання в реальному часі чи під час синтезу цифрових систем керування. На підставі аналізу літературних джерел показано актуальність і переваги використання z-перетворення для моделювання динаміки електротехнічних систем. Розглянуто спосіб комп’ютерного моделювання, основою якого є використання для побудови комп’ютерної моделі методу відображення (відповідності) нулів і полюсів еквівалентної неперервної передавальної функції. Показано реалізацію отриманих цим методом моделювальних рекурентних формул для трьох елементарних динамічних ланок, які одержують внаслідок розкладу передавальної функції за теоремою розкладу Гевісайда: інтегральної (нульовий полюс), інерційної першого порядку (дійсний полюс) і ланки другого порядку із дійсним нулем і парою комплексно спряжених полюсів. Отже, реалізована паралельна декомпозиція досліджуваної системи, що дає змогу зменшити негативний вплив обмеженої розрядності системи і полегшити виконання паралельних обчислень. Для кожної такої ланки одержано дискретну передавальну функцію та моделювальне рекурентне рівняння. На двох прикладах продемонстровано практичне використання та переваги цього способу: проста пружна механічна система, яка описана диференціальним рівнянням другого порядку, та нелінійна модель асинхронної машини за однофазною Т-подібною заступною схемою. Обидві задачі проілюстровані прикладами розв’язування у середовищі математичного застосунку Mathcad. Підтверджено ефективність методу відповідності нулів і полюсів порівняно з класичними числовими методами розв’язування звичайних диференціальних рівнянь. Використання цього способу математичного моделювання дає змогу забезпечити стійкий числовий розв’язок із заданою точністю для широкого діапазону кроків розв’язування.
Determination of the Optimal Drilling Mode Based on the Durability of the Drill Bit
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-02-24) Калужний, Б. С.; Маляр, А. В.; Головач, І. Р.; Kaluzhnyi, B.; Malyar, A.; Holovach, I.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Пропонується один з способів встановлення оптимального режиму буріння нафтових та газових свердловин. Проаналізовано існуючі способи контролю за темпом буріння та станом долота. Показано, що в силу неповної та часто спотвореної інформації, важко здійснювати контроль та керування процесом буріння на основі математичної моделі заглиблення долота, розв'язком якої є часові залежності механічної швидкості буріння. Оскільки під час будівництва свердловини чистий час буріння займає менше половини всього затраченого часу, а решту часу йде на допоміжні операції, для визначення оптимальних параметрів режиму буріння використано рейсову швидкість. У результаті аналізу переваг та недоліків методів ідентифікації стану бурового інструменту прийнято рішення використовувати такий параметр, як відносний ресурс відпрацювання долота, який інваріантний відносно фізикомеханічних властивостей гірських порід. Виведено залежність рейсової швидкості від відносного значення ресурсу відпрацювання долота та інших параметрів процесу буріння. Показано, що такий перехід дає змогу уніфікувати алгоритм знаходження оптимальної рейсової швидкості, оскільки він не залежить від типу породи та інших чинників. Наведено приклад розрахунку максимального значення рейсової швидкості, за якої забезпечується оптимальне значення ресурсу спрацювання долота для вибраного режиму буріння.
Dual-motor induction frequency-regulated electric drive with improved electromagnetic and electromechanical compatibility
(Видавництво Львівської політехніки, 2022-02-22) Семенюк, М. Б.; Куцик, А. С.; Подскарбі, Гжегож; Semeniuk, M.; Kutsyk, A.; Grzegorz, Podskarbi; Національний університет “Львівська політехніка”; Політехніка Жешовська; Lviv Polytechnic National University; Rzeszow University of Technology
Дводвигунний асинхронний частотнорегульований електропривід використовують як альтернативу однодвигунного електроприводу в тих випадках, коли є складності в реалізації однодвигуннного електроприводу, які зв’язані з реалізацією механічної передачі. Дводвигунний електропривід приводить в рух тягові механізми, робочі органи електротранспортних засобів. Для живлення двох асинхронних двигунів використовують один або два автономних інвертори напруги з широтно-імпульсною модуляцією. Недоліком таких інверторів напруги є те, що змінна напруга формується як високочастотна послідовність імпульсів різної полярності з крутим фронтом. Це спричиняє появу хвильових процесів у кабелі та, відповідно, перенапруги на обмотках статора асинхронного двигуна. Для вирішення проблеми запропоновано використовувати шеститактні інвертори напруги із законом керування ключами 180 град. Проте такий привід має задовільні показники електромагнітної та електромеханічної сумісності, зокрема, наявність шостої гармоніки в електромагнітному моменті двигуна та шостої гармоніки у вхідній потужності інвертора. Це обмежує діапазон регулювання частоти обертання асинхронного двигуна. З метою покращення електромагнітної та електромеханічної сумісності у дводвигунному електроприводі запропоновано зміщення в часі вихідних напруг шеститактних інверторів на 30 електричних градусів, що досягається зміщенням провідності вентилів другого інвертора. Для аналізу електромеханічних процесів дводвигунного електроприводу з двома шеститактними інверторами напруги, зміщеними у часі на 30°, розроблено математичну модель методом середніх напруг на кроці числового інтегрування. Результати математичного моделювання підтвердили, що запропоноване рішення дає змогу покращити електромагнітну сумісність електроприводу з джерелом постійної напруги та електромеханічну сумісність електроприводу з навантаження порівняно з однодвигунним електроприводом, зокрема ліквідувати шосту гармоніку вхідної потужності інверторів та шосту гармоніку електромагнітного моменту асинхронного електроприводу, зменшити більше ніж у вісім разів амплітуду пульсації електромагнітного моменту та більше ніж у два рази амплітуду пульсації вхідного струму.
Elements of thermal calculus of components in electromechanical brushless converter with open-pole stator and external rotor with permanent magnets
(Видавництво Львівської політехніки) Біляковський, І. Є.; Ткачук, В. І.; Каша, Л. В.; Хай, М. В.; Biliakovskyy, I.; Tkachuk, V.; Kasha, L.; Khai, M.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
ентильний двигун з явнополюсним статором і постійними магнітами на роторі характеризується достатньою простотою конструкції та технологією виготовлення і є порівняно економічнішим за асинхронні електричні машини. Водночас він забезпечує значно якісніші споживчі характеристики. За широкого використання традиційних конструктивних схем із внутрішнім ротором для безредукторного приводу низки механізмів часто виникає необхідність застосування конструкції із зовнішнім ротором. Така конструкція проста, надійна, технологічна, економічна. Методики синтезу, оптимізації та дослідження вентильних двигунів із зовнішнім ротором і постійними магнітами потребують простого і надійного методу розрахунку теплового стану основних вузлів, оскільки від цього залежать енергетичні показники та надійність такої машини. У статті розглянуто особливості оцінювання теплового стану основних компонентів електромеханічного перетворювача вентильного двигуна з явнополюсним статором і зовнішнім ротором із постійними магнітами. Особливу увагу зосереджено на важливості такої оцінки для електромеханічних перетворювачів вентильних двигунів з постійними магнітами на роторі, максимально допустима робоча температура для яких обмежена невисокими значеннями. Такі магнітні матеріали, як відомо, за високих енергетичних показників істотно дешевші, однак втрачають, часто незворотно, магнітні властивості у разі перевищення температури допустимого нагрівання. З іншого боку, для цілої низки застосувань такого електромеханічного перетворювача, наприклад, мотор-колесо, поверхня охолодження ротора з постійними магнітами обмежена, що дає підстави зважати на необхідність оцінювання теплового стану основних компонентів електромеханічного перетворювача вентильного двигуна, особливо зовнішнього ротора з постійними магнітами, на всіх етапах його проєктного синтезу, оптимізації геометричних розмірів та дослідження. Запропоновані елементи методики теплового розрахунку вентильних двигунів оберненої конструкції з постійними магнітами на роторі дають змогу із достатньою для інженерної практики точністю виконувати відповідні розрахунки цих двигунів, зокрема, для прямих приводів механізмів. Наведені в матеріалах статті елементи методики слугують базою для розрахунку теплового стану основних компонентів електромеханічного перетворювача із явнополюсним статором та зовнішнім ротором із постійними магнітами на етапах його проєктного синтезу, оптимізації та дослідження.
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.
Influence of the Numerical Method Sampling on the Digital Pid-Controller Behavior
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-02-24) Мороз, В. І.; Вакарчук, А.; Moroz, V.; Vakarchuk, A.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Сучасні цифрові системи керування дають змогу реалізовувати достатньо складні закони регулювання, складність яких обмежується можливостями апаратної частини, наявним програмним забезпеченням і закладеним алгоритмом регулювання. Важливою складовою такого алгоритму є застосований числовий метод, який дає змогу дискретизувати закон керування на підставі неперервного прототипу. Прикладом такого застосування є класичний ПІД-регулятор, який став базою для розробки цифрових аналогів. У такому регуляторі здійснюються дві математичні операції: інтегрування та диференціювання, які в цифровій системі отримують дискретні еквіваленти у вигляді відповідних рекурентних рівнянь. У статті розглянуто цифровий ПІД-регулятор як цифровий фільтр, що з використанням апарату частотних характеристик дало змогу визначити найбільш “вузьке” його місце – високочастотну область, за яку відповідає саме диференціююча частина регулятора. Це дало змогу зосередити основну увагу досліджень на практичній реалізації диференціюючої частини цифрового ПІД-регулятора. Показано, що традиційний спосіб виконання операції диференціювання простим методом скінчених різниць має низку недоліків, які роблять його практично непрацездатним, що й проілюстровано відповідними графіками. Для усунення недоліків традиційної операції диференціювання методом скінчених різниць запропоновано два варіанти структурних схем реального диференціатора. Перший варіант реального диференціатора пропоновано будувати за структурною схемою з інтегратором у зворотному зв'язку. Другий варіант реального диференціатора запропоновано здійснити за структурною схемою з паралельним з’єднанням пропорційного блока та ланки першого порядку. Для виконання дискретизації запропоноване застосування з умов фізичної реалізації явних числових інтеграторів Адамса від першого до четвертого порядків. Для вказаних структурних схем проведено дослідження як їхніх частотних характеристик, так і їх поведінки на зашумленому сигналі. Усі дослідження в статті проведено з використанням бібліотеки Control System Toolbox математичного застосунку MATLAB. Показано, що використання пропонованих способів реального диференціювання дає змогу простої та працездатної реалізації цифрових ПІД-регуляторів.
Optimization of the Electromechanical System by Formation of a Feedback Matrix Based on State Variables
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-02-24) Лозинський, А. О.; Демків, Л. І.; Лозинський, О. Ю.; Білецький, Ю. О.; Lozynskyy, A.; Demkiv, L.; Lozynskyy, O.; Biletskyi, Y.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Задача забезпечення потрібних динамічних показників технічних систем є однією з основних задач теорії автоматичного керування. Синтез таких систем здійснюється на основі тих чи інших критеріїв, які характеризуються якість керування. На сьогоднішній день найбільш поширеним критерієм функціонування динамічної системи є інтегральний критерій від квадратичної форми, яка включає не тільки координати об’єкта, а і керуючі впливи. Тут слід зауважити, що внесення керуючої складової в інтегральний критерій якості дає змогу в разі його мінімізації отримати керуючі впливи обмеженої амплітуди, що особливо важливо підчас проектування реальних систем керування електромеханічними об’єктами. Таким чином один з сучасних підходів до створення оптимальних лінійних стаціонарних динамічних систем полягає в: − записі рівнянь, які описують такі системи в моделях змінних стану; − формуванні критеріїв оптимальності систем у вигляді інтегрального функціоналу від квадратичних форм цих змінних і керуючих впливів; − мінімізації цих функціоналів шляхом конструювання регуляторів як набору зворотних зв’язків за змінними стану і синтезі коефіцієнтів цих зв’язків; Поставлена задача належить до класу варіаційних задач і в загальному виді вона зводиться до розв’язку рівнянь Ріккаті, диференціального чи алгебраїчного: диференціального для нестаціонарних систем, коли матриця P, яка входить в це рівняння, залежить від часу і інтегральний критерій якості має границі інтегрування від t1 до t2, або алгебраїчного, коли маємо стаціонарну систему, зрозуміло, що матриця P не залежить від часу і границі інтегрування критерія якості є від нуля до нескінченності. Саме для багатьох електромеханічних систем вважається доцільним мінімізувати такий критерій на тривалих інтервалах часу. До таких систем можна зарахувати слідкуючі системи, системи стабілізації, тощо. Отже, виникає задача синтезу оптимальної електромеханічної системи шляхом знаходження керуючих впливів такої системи виходячи з принципів аналітичного конструювання регуляторів, як називається наведена задача в українській літературі, або як у західній літературі – “задачі про лінійний квадратичний регулятор”. Стаття містить: постановку проблеми, актуальність дослідження, мету роботи, аналіз останніх досліджень і публікацій, виклад основного матеріалу, висновки і список літератури.
The influence of limited bit on the implementation of the transfer in digital system
(Видавництво Львівської політехніки) Мороз, В. І.; Янчак, Т.-М.; Moroz, V.; Yanchak, T.-M.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Проаналізовано малодосліджену проблему в цифрових системах керування – вплив на їхню поведінку обмеженої розрядності апаратної частини і, відповідно, коефіцієнтів дискретних передавальних функцій. Дослідження здійснено методом нулів і полюсів та перехідних хаLviv Polytechnic National University Institutional Repository http://ena.lp.edu.ua86 рактеристик з використанням математичного застосунку MATLAB з бібліотекою Control System Toolbox і підтвердили актуальність цієї проблеми. Мета досліджень – визначення мінімального періоду дискретизації в цифрових системах за умови забезпечення їхньої стійкості та відповідності поведінці неперервної системи (прототипу) за обмеженої розрядності обчислень і точності задавання даних. Це дасть змогу запропонувати рішення для зменшення негативного впливу обмеженої розрядності в розроблюваних цифрових системах і розширити діапазон раціональної частоти дискретизації. Сформульовані граничні залежності для мінімального кроку дискретизації та сталої часу елементарних передавальних функцій першого і другого порядків. Показано, що у випадку обмеженої розрядності підвищення порядку полінома передавальної функції збільшує його чутливість до точності задавання його коефіцієнтів. Дослідження впливу обмеженої розрядності обчислень виконано на прикладі передавальних функцій, що відповідають біноміальним формам п’ятого та сьомого порядків. Показано вплив точності задавання коефіцієнтів поліномів на перехідні функції та розміщення нулів і полюсів дискретних передавальних функцій на комплексній площині залежно від кроку дискретизації. Порівняно перехідні характеристики дискретних систем з обмеженою розрядністю з їхнім неперервним аналогом. Дослідження підтверджують, що метод декомпозиції неперервної передавальної функції для розкладу на елементарні складові не вище ніж другого порядку з подальшою їх дискретизацією дає змогу розширити межі допустимих частот дискретизації у цифрових системах з обмеженою розрядністю даних. Показано вплив похибок на прикладі поліномів з другого по сьомий порядок, зокрема зі збільшенням порядку полінома зростає його чутливість до точності задавання його коефіцієнтів.
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”.
Аналіз динаміки руху електродів дугової сталеплавильної печі за різних законів керування
(Видавництво Львівської політехніки, 2020-02-24) Паранчук, Я. С.; Цяпа, В. Б.; Гордус, Д. Г.; Paranchuk, Y.; Tsyapa, V.; Gordus, D.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnic National University
Дугові сталеплавильні печі (ДСП) – це основні електротехнологічні агрегати для виробництва високолегованих та спеціальних сталей і прецизійних сплавів. Ефективність їх роботи визначається досконалістю підсистеми керування електричним режимом (ЕР) та підсистеми регулювання його координат. Вказані підсистеми складають структуру ієрархічної системи керування режимами електросталеплавлення, яка належить до класу складних взаємозв’язаних суттєво нелінійних стохастичних систем з інтенсивними параметричними і координатними збуреннями та пофазно несиметричним навантаженням. Розглянуто питання аналізу показників динаміки руху електродів у процесі відпрацювання детермінованих збурень при реалізації різних моделей синтезу сигналу керування на переміщення електродів. Ця задача є складовою при розв’язанні комплексної проблеми синтезу адаптивного оптимального керування режимами електросталеплавлення за показниками електротехнологічної ефективності ДСП та електромагнітної сумісності її режимів з електромережею. Показники динаміки досліджено за складеною трифазною у миттєвих координатах структурою Simulink-моделлю при варіації законів формування сигнала розузгодження ЕР та параметрів підсистеми регулювання положення електродів. Отримано часові залежності зміни координат ЕР та підсистеми регулювання довжин дуг і виконано їх аналіз. Обґрунтовано вектор варіативних параметрів та моделей законів формування сигналу розузгодження ЕР, який доцільно покласти в основу при проектуванні директивних графіків плавлення сталей на цій ДСП. Проаналізовано отримані оцінки чутливості показників динаміки руху електродів до коефіцієнта підсилення підсистеми регулювання положення електродів та диференційного і напругового законів формування сигналу розузгодження ЕР. Обґрунтовано позитивні властивості напругового закону формування сигналу розузгодження, зокрема, проілюстровано значно вищу його пофазну автономність регулювання координат ЕР порівняно з диференційною моделлю, якій властива вища за інших рівних умов коливність реакції системи на дію детермінованих збурень та пофазна взаємозв’язаність процесу регулювання ЕР.
Аналіз магнітних моментів високоефективного магнітного редуктора
(Видавництво Львівської політехніки, 2022-02-22) Макарчук, О. В.; Крохмальний, Б. І.; Зубчик, І. О.; Цалус, Д.; Makarchuk, O.; Krokhmalnyi, B.; Zubchyk, I.; Calus, D.; Національний університет “Львівська політехніка”; Ченстоховський політехнічний університет; Lviv Polytechnic National University; Czestochowa University of Technology
Розглянуто принцип дії, конструкцію та особливості розрахунку магнітних моментів безконтактного одноступеневого магнітного редуктора, що відрізняється від механічних зубчастих передач необмеженим ресурсом, високим рівнем надійності та відсутністю потреби в обслуговуванні. Метою дослідження є розроблення алгоритму розрахунку величини магнітних моментів магнітного редуктора коаксіального типу. Методи дослідження, які застосовують для досягнення поставленої мети, поєднують у собі переваги аналітичних підходів та числового симуляційного моделювання. Розроблення алгоритму обчислення моментів та аналіз отриманих технічних показників здійснено на підставі методів класичної електротехніки та теорії магнітних кіл, а верифікацію прийнятих рішень, пов’язаних зі структурою заступної схеми магнітного кола редуктора, виконано за допомогою методу скінченних елементів. Розроблений алгоритм ґрунтується на припущенні про взаємодію двох гармонічних хвиль магніторушійних сил швидкохідної та тихохідної обертових частин редуктора з результуючим магнітним полем, модульованим за амплітудою за допомогою магнітопровідного кільця зі змінною магнітною провідністю у тангенціальному напрямі. Інтегральні показники такої взаємодії, зокрема магнітні моменти, визначаються через похідну енергії магнітного поля за кутом повороту відповідного ротора. Виконаний FEM-аналіз магнітного поля дав змогу розробити заступну схему магнітного кола такого редуктора, параметри якої визначаються на підставі розмірів частин магнітопроводу та магнітних властивостей використаних матеріалів. Розв’язок системи лінійних рівнянь, які описують цю заступну схему, – це величини, що характеризують магнітне поле редуктора (магнітні потоки, МРС полюсів, спади магнітних напруг). Саме їх безпосередньо використовують у алгоритмі розрахунку магнітних моментів. У статті описано конструкцію та принцип дії магнітного редуктора коаксіального типу. Наведено порівняння результатів розрахунку максимальних моментів таких редукторів з різним передавальним числом, отриманих із використанням пропонованого аналітичного алгоритму та FEM-аналізу.
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.
Вибір фільтрових реакторів для промислових електричних мереж
(Видавництво Львівської політехніки, 2022-02-22) Варецький, Ю. О.; Ханзелька, З.; Varetsky, Y.; Hanzelka, Z.; Національний університет “Львівська політехніка”; Гірничо-металургійна академія ім. С. Сташиця; Lviv Polytechnic National University; AGH University of Science and Technology
Більшість сучасних промислових електричних мереж характеризується значним вмістом нелінійних навантажень, які створюють багато проблем в експлуатації. Одним із найефективніших засобів зниження спотворення напруг в електричній мережі є силові фільтри гармонік. Застосування силових фільтрів дає змогу вирішувати два основні завдання – зменшувати гармонічні спотворення вхідного струму системи електропостачання і компенсувати реактивну потужність навантажень. Вибір номінальних параметрів фільтрових кіл здійснюють, як правило, на підставі робочих характеристик електричної мережі у стаціонарному (усталеному) режимі. Проте досвід експлуатації показав, що такий підхід не завжди забезпечує безаварійну експлуатацію фільтрів, і основна причина полягає у неврахуванні перехідних перенапруг і надструмів під час вибору параметрів фільтрових конденсаторних батарей і реакторів. У статті розглянуто проблему вибору номінальних параметрів фільтрового реактора як одного із двох основних елементів фільтра для промислових електричних мереж зі значною інтенсивністю комутаційних подій. Показано, що для таких електричних мереж необхідно враховувати перехідні перенапруги та надструми для коректного вибору параметрів фільтрових реакторів. Проаналізовано основні параметри фільтрових реакторів та розглянуто особливості їх розрахунку. Наведено характеристики перехідних процесів у схемах фільтрових реакторів, спричинені основними технологічними та аварійними перемиканнями в промислових електричних мережах із нелінійними навантаженнями. Показано, що повторюваність різних типів комутаційних подій неоднакова, і це також потрібно враховувати, визначаючи параметри фільтрових реакторів. Розвинено метод визначення критичних перехідних надструмів і перенапруг у схемі фільтра під час розрахунку проєктних значень номінальних струмів і перенапруг фільтрових реакторів. Використання цього методу для проєктування силових фільтрів дасть змогу уникнути можливих пошкоджень фільтрових реакторів через перегрівання обмоток і прискорене старіння ізоляції у ході експлуатації, спричинені інтенсивними перехідними процесами в контурі фільтра.
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.
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.
Економічна ефективність сонячної електростанції в індивідуальному домогосподарстві за різних сценаріїв динаміки “зеленого” тарифу
(Видавництво Львівської політехніки) Щур, І. З.; Галайко, Т. В.; Дзьоба, Т. Я.; Shchur, I. Z.; Halaiko, T. V.; Dzoba, T. Y.; Національний університет “Львівська політехніка”; Lviv Polytechnik National University
“Зелений” тариф – спеціальна ціна, за якою купують електричну енергію, вироблену відновлюваними джерелами енергії – гідроелектростанціями, сонячними, вітровими установками. Підприємства і домогосподарства, які виробляють електроенергію за “зеленим” тарифом, продають її на ринок значно дорожче, ніж традиційні виробники теплової або атомної енергетики. У роботі проаналізовано законодавчі та нормативні акти щодо “зеленого” тарифу в Україні та проблеми їх виконання. Зокрема, розглянуто застосування сонячних електричних станцій (СЕС) в індивідуальних домогосподарствах. На основі електронної інформаційної бази погодинних регіональних метеорологічних даних у м. Львові, сформованої в середовищі Microsoft Excel, проведено розрахунок середньомісячного погодинного притоку питомої потужності сумарної сонячної радіації, що падає на стаціонарно розміщені й оптимально орієнтовані фотоелектричні панелі (ФЕП), та визначено потужність електричної енергії на їх виході. За результатами аналізу інформації з різних джерел визначено динаміку вартостей основних комплектуючих для індивідуальних СЕС, а також наведено аналіз динаміки та прогноз тарифу на електричну енергію для населення в Україні. На основі аналізу ситуації на енергоринку України розглянуто два можливі сценарії динаміки “зеленого” тарифу на електроенергію, генеровану в індивідуальних господарствах з сонячної енергії, – оптимістичний і песимістичний. Для кожного з цих сценаріїв на основі розробленої методики для СЕС потужністю 30 кВт, встановлених у 2015 р. та 2021 р. в досліджуваному типовому варіанті домогосподарства, визначено їх економічну ефективність і термін окупності. Проведені дослідження показали, що на термін окупності СЕС найбільше впливає рік її встановлення: СЕС, які встановлюються пізніше, мають значно коротший термін окупності, що пов’язано зі стрімким зниженням вартості ФЕП. Розглянуті варіанти сценаріїв динаміки “зеленого” тарифу показали, що за оптимістичного сценарію можна отримати на 30–40 % більший прибуток від експлуатації СЕС порівняно з песимістичним сценарієм, незалежно від року встановлення СЕС.
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.
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.