Electrical Engineering & Electromechanics (E-Journal - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute") / Електротехніка і Електромеханіка (Національний технічний університет - "Харківський політехнічний iнститут")
Not a member yet
941 research outputs found
Sort by
Association smooth-pole dual open-end windings permanent magnet synchronous machine with cascaded 2-level inverters for improved performances
Full text linkIntroduction. Power segmentation is an increasingly important priority in high-power industrial drive applications that utilize AC machines. Problem. To improve the dynamic performance, reliability and power segmentation of drive systems in high-power applications (above the megawatt range), it’s advantageous to replace a single high-power converter with several low-power converters. This principle is applied to the combination of AC machines and inverter structures. Goal. The authors propose a novel dual open-end windings permanent magnet synchronous machine. This machine reduces the required size of the power supply inverters while also improving dynamic performances and lifespan. Its power supply using 2-levels cascading inverters, further enhances these performances. Methodology. For this study, the mathematical model of the system in the Park reference frame is introduced and validated using the MATLAB/Simulink environment. First, simulation results are presented for the proposed machine supplied by four conventional two-level inverters based on the pulse width modulation technique. Next, the new machine is fed by four multilevel converters, with each converter consisting of two two-level inverters. To further demonstrate the benefits of this converter structure, the authors then use a configuration with three cascaded two-level inverters. The results demonstrate that the use of the new machine with conventional two-level inverters ensures power segmentation and improves the quality of the voltage, stator current, and torque. Furthermore, associating this same machine with cascaded multilevel inverter structures significantly enhances dynamic performance and reliability. The scientific novelty lies in the synergy achieved by integrating the novel synchronous machine with the cascaded two-level inverters, enabling the system to simultaneously surpass conventional limitations in both performance and reliability. Practical value. A simulation model of the novel dual open-end winding permanent magnet synchronous machine was implemented to validate the superior performance achieved with cascaded multilevel inverter structures for voltage supply compared to conventional two-level inverters. References 19, table 2, figures 17.Вступ. Сегментація потужності стає все більш важливим завданням у потужних промислових приводних системах, що використовують машини змінного струму. Проблема. Для покращення динамічних характеристик, надійності та сегментації потужності приводних систем у потужних установках (вище мегаватного діапазону) доцільно замінити один потужний перетворювач кількома малопотужними перетворювачами. Цей принцип застосовується для комбінації машин змінного струму та інверторних структур. Мета. Автори пропонують нову синхронну машину з двома відкритими обмотками та постійними магнітами. Ця машина зменшує необхідні розміри інверторів живлення, одночасно покращуючи динамічні характеристики та термін служби. Її живлення із використанням дворівневих каскадних інверторів додатково підвищує ці характеристики. Методика. Для цього дослідження розроблена математична модель системи у системі координат Парка, яка перевірена у MATLAB/Simulink. Спочатку представлені результати моделювання для пропонованої машини, що живиться чотирма звичайними дворівневими інверторами на основі методу широтно-імпульсної модуляції. Потім нова машина заживлювалась від чотирьох багаторівневих перетворювачів, кожен із яких складається з двох дворівневих інверторів. Для подальшої демонстрації переваг даної структури перетворювача автори використовують конфігурацію з трьома каскадно з’єднаними дворівневими інверторами. Результати показують, що використання нової машини із звичайними дворівневими інверторами забезпечує сегментацію потужності та покращує якість напруги, струму статора та крутного моменту. Крім того, поєднання цієї машини з каскадно з’єднаними багаторівневими інверторними структурами значно підвищує динамічні характеристики і надійність. Наукова новизна полягає в синергії, яка досягається за рахунок інтеграції нової синхронної машини з каскадно з’єднаними дворівневими інверторами, що дозволяє системі одночасно долати традиційні обмеження як за продуктивністю, так і за надійністю. Практична значимість. Реалізована імітаційна модель нової синхронної машини з двома відкритими обмотками та постійними магнітами для підтвердження високих характеристик, що досягаються за допомогою каскадно з’єднаних багаторівневих інверторних структур для живлення напруги порівняно із звичайними дворівневими інверторами. Бібл. 19, табл. 2, рис. 17
An integrated series active power filter combined with a PV-battery system based on a fuzzy logic controller to enhance power quality for various linear and non-linear loads
Full text linkIntroduction. Rapid capacity development and the incorporation of new loads are adding complexity to the distribution power system. As a result, the distribution system faces additional power quality issues, particularly with increasingly sensitive equipment and distributed generation. Problem. Modern power systems face escalating power quality degradation due to non-linear loads. Voltage disturbances (sags, swells) and harmonic distortions directly affect the sensitive equipment, causing significant economic losses. The goal of this work is to design, model, and evaluate series active power filters (SAPFs) integrated with energy management for an independent solar storage system, using a multi-stage DC-DC converter. The objective focuses on mitigating voltage harmonics and grid disturbances resulting from diverse loads (linear, non-linear, and combined) and integrating renewable energy (PV). Control is achieved through an intelligent fuzzy logic controller (FLC) and a PI controller to ensure a stable DC voltage and reduce the total harmonic distortion (THD) of the voltage to less than 5 %. Methodology. This study models and analyzes a unique SAPF configuration integrated with a PV-battery storage system utilizing MATLAB/Simulink. Outcomes of the proposed control, wherever the FLC regulates the DC-link voltage reference signals utilize the instantaneous reactive power theory. The suggested methodology entails simulation studies across four scenarios: an analysis of performance to keep voltage components and a comparison of the proposed SAPF performance with existing research on linear, non-linear, and combined loads. Results. Simulation results show the effectiveness of the control approach in mitigating the voltage THD level to less than 5 % under various operating conditions that included the main supply voltage and loads, which satisfies the international PQ standards (IEEE Std. 519). The scientific novelty lies in the combination of a new 3-phase SAPF with a PV-battery system by FLC and a cascaded DC/DC converter. This allows effective voltage disturbance and harmonic compensation in various load situations without conventional transformers. Practical value. This research offers a robust solution for power quality problems in modern grids, reducing losses by ensuring stable, no-distortion power for sensitive industrial loads across varied operating conditions. References 46, tables 3, figures 19.Вступ. Швидке розширення потужностей та включення нових навантажень ускладнюють систему розподілу електроенергії. В результаті система розподілу стикається з додатковими проблемами якості електроенергії, особливо через дедалі чутливе обладнання та розподілену генерацію. Проблема. Сучасні енергосистеми стикаються зі зростаючим погіршенням якості електроенергії через нелінійні навантаження. Коливання напруги (провали, збільшення) та гармонічні спотворення безпосередньо впливають на чутливе обладнання, спричиняючи значні економічні втрати. Метою роботи є проєктування, моделювання та оцінка послідовних активних фільтрів потужності (SAPF), інтегрованих з управлінням енергією, для незалежної системи сонячного накопичення енергії, з використанням багатоступеневого перетворювача постійного струму. Мета зосереджена на зменшенні гармонік напруги та коливань у мережі, що виникають внаслідок різних навантажень (лінійних, нелінійних та комбінованих) та інтеграції відновлюваної енергії (PV). Керування досягається за допомогою інтелектуального контролера з нечіткою логікою (FLC) та PI-контролера для забезпечення стабільної напруги постійного струму та зменшення загального коефіцієнта гармонійних спотворень (THD) напруги до менш ніж 5 %. Методологія. Це дослідження моделює та аналізує унікальну конфігурацію SAPF, інтегровану з системою зберігання PV батарей, використовуючи MATLAB/Simulink. Результати запропонованого керування, де FLC регулює сигнали опорної напруги ланки постійного струму, використовують теорію миттєвої реактивної потужності. Запропонована методологія включає дослідження моделювання за чотирма сценаріями: аналіз продуктивності для підтримки складових напруги та порівняння запропонованої продуктивності SAPF з існуючими дослідженнями лінійних, нелінійних та комбінованих навантажень. Результати моделювання показують ефективність підходу до керування у зменшенні рівня THD напруги до менш ніж 5 % за різних робочих умов, включаючи основну напругу живлення та навантаження, що відповідає міжнародним стандартам PQ (IEEE Std. 519). Наукова новизна полягає в поєднанні нового трифазного SAPF з системою PV батарей за допомогою FLC та каскадного перетворювача постійного струму. Це дозволяє ефективно компенсувати коливання напруги та гармоніки в різних ситуаціях навантаження без використання звичайних трансформаторів. Практична значимість. Це дослідження пропонує надійне рішення для проблем якості електроенергії в сучасних мережах, зменшуючи втрати, забезпечуючи стабільну потужність без спотворень для чутливих промислових навантажень за різних умов експлуатації. Бібл. 46, табл. 3, рис. 19
The methodology of multi objective design of active-passive shielding system for overhead power lines magnetic field in residential buildings space based on metaheuristic optimization method
Full text linkProblem. Most studies of power frequency magnetic field reduced to safe level in in residential buildings located near overhead power lines carried out based on passive or active electromagnetic shielding, but there is no methodology for designing active-passive systems that include active and solid or multi-circuit passive shields. The goal of the work is to develop the methodology of multi objective design of active-passive electromagnetic shielding system, consisting of active and solid self or multi-circuit passive parts to improve shielding efficiency of initial magnetic field in residential building edges generated by overhead power lines to sanitary standards level. This goal proposed to achieve based on metaheuristic optimization method Methodology. Multi objective design methodology of active-passive shielding system based on solution of the geometric inverse problem of magnetostatics for the resulting magnetic field generated by the transmission line wires, compensation windings of the active shielding system and a passive shield in the form of a solid or multi-loop shield. The geometric forward problem is solved based on solutions of Maxwell’s equation for magnetic field three-dimensional model using the COMSOL Multiphysics software. The solution of the geometric inverse problem of magnetostatics is formulated as a minimax vector problem of nonlinear programming. The solution of the minimax vector problem of nonlinear programming is calculated based on the metaeristic optimization algorithm from Pareto optimal solutions taking into account binary preference relations. Results. During combined active and solid or multi-circuit passive shielding system design spatial arrangement coordinates of solid or multi-loop passive shield and compensating windings, as well as windings currents and phases of active shield calculated. New scientific results are theoretical and experimental studies of a designed combined active and of solid or multi-circuit passive shielding system efficiency for magnetic field created by overhead power lines. Scientific novelty. For the first time multi objective design methodology for combined active and solid or multi-circuit passive shielding system taking into account original field shielding effectiveness decrease in residential building edges for more effective reduction of industrial frequency magnetic field created by overhead power lines developed. Practical value. Practical recommendations for the reasonable choice of the coordinates of the spatial arrangement of compensation windings of the active shielding system and a passive shield in the form of a solid or multi-loop shield, as well as the currents and phases in the compensation windings, parameters of regulators of the open and closed controls of the two degrees of freedom active shielding system and parameters of positions of magnetic field sensors of the active shielding system for magnetic field generated by overhead power lines in residential building space are given. The possibility of reducing the initial magnetic field induction to the sanitary standards level shown. References 48, figures 11.Проблема. Більшість досліджень по зниженню рівня магнітного поля промислової частоти в житлових будинках, що розташовані поблизу повітряних ліній електропередачі, до безпечного рівня, виконані на основі пасивних або активних засобів електромагнітного екранування, але відсутня методологія проєктування активно-пасивних систем, які включають активні та суцільні або багатоконтурні пасивні екрани. Метою роботи є розробка методології багатоцільового проєктування активно-пасивної системи електромагнітного екранування, що складається з активних та суцільних або багатоконтурних пасивних частин для підвищення ефективності екранування вихідного магнітного поля на краях житлових будівель, що генерується повітряними лініями електропередачі, до рівня санітарних норм. Досягти зазначеної мети пропонується на основі методу метаевристичної оптимізації. Методика. Багатоцільове проєктування активно-пасивної системи екранування базується на розв’язанні геометричної оберненої задачі магнітостатики для результуючого магнітного поля, що генерується проводами лінії електропередачі, компенсаційними обмотками активної системи екранування та пасивним екраном у вигляді суцільного або багатоконтурного екрану. Геометрична пряма задача обчислюється на основі розв’язків рівняння Максвелла для тривимірної моделі магнітного поля за допомогою програмного забезпечення COMSOL Multiphysics. Розв’язок геометричної оберненої задачі магнітостатики формулюється як мінімаксна векторна задача нелінійного програмування. Розв’язок мінімаксної векторної задачі нелінійного програмування розраховується на основі метаевристичного алгоритму оптимізації, що базується на оптимальних за Парето розв’язках з урахуванням бінарних співвідношень переваги. Результати. В процесі багатоцільового проєктування активно-пасивної системи електромагнітного екранування розраховано координати просторового розташування суцільного або багатоконтурного пасивного екрану та компенсаційних обмоток системи активного екранування, а також струм та фази компенсуючих обмоток системи активного екранування. Новими науковими результатами є теоретичні та експериментальні дослідження ефективності синтезованої комбінованої активної та суцільної, або багатоконтурної, пасивної електромагнітних екрануючих систем магнітного поля, що створюється повітряними лініями електропередачі. Наукова новизна. Вперше розроблено методологію багатоцільового проєктування комбінованої активної та суцільної, або багатоконтурної, пасивної системи екранування з урахуванням ефективності екранування результуючого магнітного поля на краях житлових будівель для більш ефективного зменшення магнітного поля промислової частоти, що створюється повітряними лініями електропередачі. Практична значимість. Надано практичні рекомендації щодо обґрунтованого вибору координат просторового розташування компенсаційних обмоток системи активного екранування та пасивного екрану у вигляді суцільного, або багатоконтурного, екрану, а також струмів та фаз в компенсаційних обмотках, параметрів регуляторів розімкнутого та замкнутого управління системи активного екранування з двома ступенями свободи та параметрів положень датчиків магнітного поля системи активного екранування для магнітного поля, що генерується повітряними лініями електропередачі в просторі житлової забудови. Показана можливість зниження індукції вихідного магнітного поля до рівня санітарних норм. Бібл. 48, рис. 11
Advanced control of twin rotor multi-input multi-output systems using seagull optimization for linear quadratic regulator tuning
Full text linkIntroduction. During the past decade, advanced control of complex multi-input multi-output (MIMO) systems has been a sustained focus owing to their growing use in aerospace and robotic platforms. The twin rotor MIMO system (TRMS) serves as a helicopter-like benchmark system for testing advanced control techniques. Its nonlinear behavior and significant cross-coupling render it difficult to control using traditional methods. Problem. The TRMS features strong nonlinear dynamics and cross-coupling effects that challenge conventional control methods. Manual tuning of control parameters often results in suboptimal performance and reduced robustness. The goal of this study is to optimize the linear quadratic regulator (LQR) weighting matrices Q and R for the TRMS using the seagull optimization algorithm (SOA) to improve transient performance, minimize overshoot, and accelerate stabilization in both pitch and yaw compared to classical LQR tuning. Methodology. The new approach integrates the SOA with LQR control theory. The SOA determines the best values of Q and R matrices by minimizing a cost function defined by system performance metrics. SOA-optimized LQR is evaluated through simulations and contrasted with the classical LQR under identical conditions. Population size is 50 agents with a maximum of 100 iterations to achieve convergence. Results. Simulation results show that the SOA-optimized LQR has a remarkable improvement in the system’s time response. In comparison to the classical LQR, these results provide a shorter settling time from 7.35 s to 5.34 s (≈28 %), decreases overshoot (≈3 % vs. 30 % open loop), increases damping, and reduces oscillations. The pitch and yaw angle responses across several control schemes clearly demonstrate the superior performance of the proposed optimization technique. Scientific novelty. This work demonstrates, for the first time, the use of SOA for optimal tuning of LQR in a TRMS benchmark. It opens new avenues to enhance the performance of high-order nonlinear systems, pointing toward more accurate and stable control techniques in industrial and aerospace engineering fields. Practical value. The technique provides an efficient method to enhance the functionality of complex nonlinear systems without requiring manual tuning, and it has potential applications in the industrial and aerospace areas. References 38, tables 3, figures 4.Вступ. Протягом останнього десятиліття розширене управління складними багатовходовими та багатовихідними (MIMO) системами знаходилося в центрі уваги у зв’язку з їх зростаючим використанням в аерокосмічній техніці та робототехніці. Двороторна MIMO система (TRMS) служить еталонною системою, подібною до вертольоту, для тестування передових методів управління. Її нелінійна поведінка та значний перехресний зв’язок ускладнюють управління традиційними методами. Проблема. TRMS характеризується сильною нелінійною динамікою та ефектами перехресного зв’язку, що кидають виклик традиційним методам управління. Ручне налаштування параметрів керування часто призводить до неоптимальних характеристик та зниження надійності. Метою роботи є оптимізація вагових матриць Q і R лінійно-квадратичного регулятора (LQR) для TRMS з використанням алгоритму оптимізації «чайка» (SOA) для покращення перехідних характеристик, мінімізації перерегулювання та прискорення стабілізації як за висотою, так і за напрямком в порівнянні з класичним LQR налаштуванням. Методика. Новий підхід інтегрує SOA з теорією управління LQR. SOA визначає найкращі значення матриць Q і R шляхом мінімізації функції вартості, яка визначається метриками продуктивності системи. Оптимізований за допомогою SOA LQR оцінюється за допомогою моделювання та порівнюється з класичним LQR за ідентичних умов. Кількість становить 50 агентів з максимумом 100 ітерацій для досягнення збіжності. Результати. Результати моделювання показують, що оптимізований SOA LQR забезпечує значне покращення часу відгуку системи. У порівнянні з класичним LQR, ці результати забезпечують більш короткий час встановлення з 7,35 с до 5,34 с (≈28 %), зменшують перерегулювання (≈3 % порівняно з 30 % у розімкнутому контурі), збільшують демпфування і зменшують коливання. Реакції кутів за висотою та напрямком для кількох схем управління наочно демонструють високу продуктивність запропонованого методу оптимізації. Наукова новизна. У цій роботі вперше демонструється використання SOA для оптимального налаштування LQR у TRMS. Це відкриває нові можливості для підвищення продуктивності нелінійних систем високого порядку, вказуючи шлях до більш точних та стабільних методів управління в промисловій та аерокосмічній техніці. Практична значимість. Метод забезпечує ефективне підвищення функціональності складних нелінійних систем без необхідності ручного налаштування та має потенційні галузі застосування у промисловій та аерокосмічній техніці. Бібл. 38, табл. 3, рис. 4
Numerical study of particles trajectories in a multifunctional electrostatic separator powered by photovoltaic system
Full text linkIntroduction. Electrostatic separation is a growing technology in the recycling industry. It is an effective technology for processing plastics and metallic materials in the form of granular mixtures or fine powders from waste electrical and electronic equipment. Problem. Understanding the various physical phenomena occurring in the separation zone is crucial for improving the efficiency of electrostatic separation devices. This has led to the adoption of efficient and reliable numerical models for simulating particle trajectories. The goal of the work is to represent graphically the trajectories of two insulating charged polypropylene particles of different sizes (2 mm and 4 mm) in the multifunctional electrostatic separator powered by photovoltaic (PV) system use a multipoint electrodes as charging device employing numerical simulation and demonstrate its effectiveness and reliability for the study of particles trajectories by integrating PV panels as a power source for electrostatic separators according to the recommendations of the new energy system. Methodology. Using the Euler-Cromer method as numerical model to solve the equation of motion of the particles. This method was based on the calculation of the electric field intensity, which is done by the COMSOL Multiphysics software, which uses the finite element method (FEM). The numerical simulation was carried out using MATLAB software by varying the voltage applied to the active electrodes of the multifunctional electrostatic separator suggested, and the distance between them, taking into account the influence of electrostatic and mechanical forces on the charged insulating particles as they pass through the separation zone. The results were showed that the numerical model used is an effective and reliable tool for the study of particles trajectories. Scientific novelty of this work is to integrate PV panels as the main low-voltage energy source at the input of the high-voltage generator supplying the electrostatic separator with an optimal voltage of 30 kV. In addition, this numerical study has used electrostatic forces, gravitational forces, and dynamic forces simultaneously. Practical value. The numerical simulation was contributed to a thorough understanding of various physical phenomena occurring in the separation zone and was considered a tool to validate experimental results. References 31, tables 2, figures 14.Вступ. Електростатична сепарація є технологією, що розвивається в індустрії переробки. Це ефективна технологія для переробки пластику та металевих матеріалів у вигляді гранульованих сумішей або тонких порошків із відходів електричного та електронного обладнання. Проблема. Розуміння різних фізичних явищ, що протікають у зоні поділу, має вирішальне значення для підвищення ефективності пристроїв електростатичної сепарації. Це призвело до прийняття ефективних та надійних чисельних моделей для моделювання траєкторій частинок. Мета статті полягає у графічному представленні траєкторії двох ізолюючих заряджених частинок поліпропілену різних розмірів (2 мм і 4 мм) в багатофункціональному електростатичному сепараторі, що працює від фотоелектричної (PV) системи, використовуючи багатоточкові електроди як зарядний пристрій, застосовуючи чисельне моделювання та демонструючи ефективність PV панелей як джерела живлення для електростатичних сепараторів відповідно до рекомендацій нової енергетичної системи. Методика. Використання методу Ейлера-Кромера як чисельної моделі для вирішення рівняння руху частинок. Даний метод заснований на розрахунку напруженості електричного поля, яке виконується за допомогою програмного забезпечення COMSOL Multiphysics, що використовує метод скінченних елементів (FEM). Чисельне моделювання проводилося з використанням програмного забезпечення MATLAB шляхом зміни напруги, що подається на активні електроди пропонованого багатофункціонального електростатичного сепаратора, та відстані між ними з урахуванням впливу електростатичних та механічних сил на заряджені частинки ізолюючі при їх проходженні через зону поділу. Результати показали, що використана чисельна модель є ефективним і надійним інструментом для дослідження траєкторій частинок. Наукова новизна роботи полягає в інтеграції PV панелей як основного джерела енергії низької напруги на вході високовольтного генератора, що живить електростатичний сепаратор оптимальною напругою 30 кВ. Крім того, в даному чисельному дослідженні одночасно використовувалися електростатичні, гравітаційні та динамічні сили. Практична значимість. Чисельне моделювання сприяло глибокому розумінню різних фізичних явищ, що відбуваються в зоні поділу, та розглядалося як інструмент для підтвердження експериментальних результатів. Бібл. 31, табл. 2, рис. 14
Influence of zinc oxide nanoparticles on flashover voltage of unsaturated polyester resin-based composites for electrical insulators
Full text linkIntroduction. Polyester-based composites are increasingly used in electrical applications for their insulation, mechanical, and thermal properties. Nanofillers have shown promise in enhancing the properties of polymer-based composites. Goal. This study aims to improve the flashover voltage of unsaturated polyester resin (UPR)-based composites by incorporating zinc oxide (ZnO) nanoparticles. Methodology. UPR/ZnO nanocomposites were prepared with various ZnO nanofiller ratios (0 %, 1 %, 3 %, 5 %, and 7 % by weight) with different sample lengths (0.5, 1.5, 2, and 2.5 cm). The flashover voltage was measured for the pure UPR sample and each composition of the studied filler ratios at various sample lengths. X-ray diffraction analysis was performed. A curve-fitting method was applied to estimate the flashover voltage of UPR/ZnO nanocomposites containing intermediate filler ratios between those experimentally tested. Results. Incorporation of ZnO nanofillers significantly enhanced the flashover voltage of polyester-based nanocomposites. The pure UPR sample exhibited the lowest flashover voltage, whereas the composite with 7 wt.% ZnO nanofiller demonstrated the highest. Notably, increasing the sample length further improved flashover voltage. Scientific novelty. This study examines the influence of ZnO nanoparticles on the flashover voltage of UPR-based composites. Practical value. The obtained findings can contribute to the development of polyester-based nanocomposite insulators with enhanced flashover voltage. References 26, tables 3, figures 6.Вступ. Композити на основі поліестеру все частіше використовуються в електротехніці завдяки своїм ізоляційним, механічним та тепловим властивостям. Нанонаповнювачі виявилися перспективними для покращення властивостей композитів на основі полімерів. Мета. Це дослідження спрямоване на підвищення напруги пробою композитів на основі ненасиченої поліефірної смоли (UPR) шляхом включаючи наночастинок оксиду цинку (ZnO). Методика. Нанокомпозити UPR/ZnO були виготовлені з різними масовими частками нанонаповнювача ZnO (0 %, 1 %, 3 %, 5 % та 7 % за масою) з різною довжиною зразків (0.5, 1.5, 2 та 2.5 см). Напругу пробою вимірювали для чистого зразка UPR та кожної композиції з досліджуваними концентраціями наповнювача при різній довжині зразків. Було проведено рентгенівський дифракційний аналіз. Метод апроксимації кривих було застосовано для оцінки напруги пробою нанокомпозитів UPR/ZnO з проміжними концентраціями наповнювача між експериментально дослідженими. Результати. Включення нанонаповнювачів ZnO суттєво підвищило напругу пробою поліефірних нанокомпозитів. Чистий зразок UPR продемонстрував найнижчу напругу пробою, тоді як композит із 7 мас.% нанонаповнювача ZnO показав найвищу. Примітно, що збільшення довжини зразка додатково підвищувало напругу пробою. Наукова новизна. У дослідженні розглянуто вплив наночастинок ZnO на напругу пробою композитів на основі UPR. Практична значимість. Отримані результати можуть сприяти розробці поліефірних нанокомпозитних ізоляторів із підвищеною напругою пробою. Бібл. 26, табл. 3, рис. 6
Bidirectional DC/AC converter for flexible distributed energy integration into AC microgrids
Full text linkIntroduction. This work focuses on the development of microgrids in remote areas, islands and regions frequently affected by natural disasters, particularly in Vietnam and other island countries in Asia. Problem. The converters perform direct and isolated energy conversion to AC or DC microgrids, which are distributed grids that integrate various distributed energy sources, including renewable energy such as wind power, solar power and others. To enable the system to operate continuously providing stable power, improving the efficiency and effectiveness of distributed power sources by providing a suitable circuit design to limit losses on the main switches and the number of switches and passive components in the converter is minimal. The goal is to develop the internal structure of a boost DC converter into a multi-port converter connected to the storage system and the AC microgrid under the condition of reducing the main switching losses with the condition of intermittent charging of the storage system during the operating period of the solar power source. Methodology. The study uses the switching adjustment method and modeling simulated to analyze the operating conditions adapted to the application system. Results. Analytical expressions were derived for calculating currents, voltages, losses on components, main switches, and conventional switches. The influence of storage circuit switching on reducing losses in the main switch is shown for the operating cases. Scientific novelty. Using the developed simulation model, new expressions were derived that allow us to establish operational dependencies that reveal the relationships between the parameters of the storage device’s switching components. These dependencies determine the efficiency and performance of the operational function, meeting the requirements of the microgrid system. Practical value. Enhance the efficiency of utilizing distributed energy sources and improve the conversion efficiency of flexible operation converters for AC or DC microgrids in the power system. References 30, tables 2, figures 22.Вступ. Робота присвячена розробці мікромереж у віддалених районах, на островах і в регіонах, часто схильних до стихійних лих, зокрема у В’єтнамі та інших острівних країнах Азії. Проблема. Перетворювачі здійснюють пряме та ізольоване перетворення енергії в AC або DC мікромережі, які є розподіленими мережами, що інтегрують різні розподілені джерела енергії, включаючи відновлювані джерела, такі як вітрова, сонячна енергія тощо. Для забезпечення безперервної роботи системи та стабільного електропостачання необхідно підвищити ефективність розподілених джерел енергії за рахунок відповідної схемотехніки, що обмежує втрати на головних перемикачах, а також мінімізувати кількість перемикачів та пасивних компонентів у перетворювачі. Мета полягає в розробці внутрішньої структури підвищувального DC перетворювача в багатопортовий перетворювач, підключений до системи накопичення енергії і AC мікромережі, за умови зниження втрат на головних перемикачах і періодичної зарядки системи накопичення енергії протягом періоду роботи сонячного джерела енергії. Методика. У роботі використовується метод регулювання перемикання та моделювання для аналізу умов експлуатації, адаптованих до системи застосування. Результати. Отримані аналітичні вирази для розрахунку струмів, напруг, втрат на компонентах, головних та звичайних перемикачах. Для різних режимів роботи показано вплив перемикання кіл накопичувача на зниження втрат у головному вимикачі. Наукова новизна. За допомогою розробленої імітаційної моделі отримано нові вирази, що дозволяють встановити операційні залежності, які розкривають взаємозв’язки між параметрами комутаційних компонентів накопичувача. Ці залежності визначають ефективність та продуктивність операційного режиму, що відповідає вимогам мікромережевої системи. Практична значимість. Підвищення ефективності використання розподілених джерел енергії та покращення коефіцієнта перетворення гнучких перетворювачів для AC або DC мікромереж в енергосистемі. Бібл. 30, табл. 2, рис. 22
Optimal placement and sizing of distributed generation units in distribution networks using an enhanced particle swarm optimization framework
Full text linkIntroduction. Optimal planning of distributed generation (DG) units is a critical research topic due to the growing integration of renewable energy and the need to enhance distribution network performance. Classical optimization methods often struggle with the nonlinear, nonconvex, and highly coupled nature of DG allocation problems. Problem. The IEEE 33-bus distribution network experiences significant voltage drops and high active and reactive power losses under normal operating conditions. Determining the optimal placement and sizing of DG units is a complex problem involving multiple interacting variables and operational constraints. Goal. This study aims to improve technical performance by minimizing total active power losses and voltage deviation while ensuring voltage stability and network reliability. Methodology. The particle swarm optimization (PSO) algorithm is enhanced using the Dehghani method (DM) – a population-based modification framework allowing all individuals, including the worst member, to contribute in improving the best solution. The improved PSO-DM algorithm is applied to the IEEE 33 bus system under four cases: the base case without DG and scenarios with 2, 3 and 4 DG units. The objective function includes active power loss minimization and total voltage deviation. Results. The 4-DG configuration significantly improves system performance: active power losses decrease from 210.67 kW to 53.9 kW (74.4 % reduction), reactive losses drop from 142.84 kVAr to 38.42 kVAr (73.1 % reduction), the minimum bus voltage rises from 0.9037 to 0.9741 p.u. and total voltage deviation decreases from 1.8037 p.u. to 0.5129 p.u. (71.6 % improvement). These results demonstrate that PSO-DM effectively balances exploration and exploitation, yielding superior DG allocation solutions. Scientific novelty. Integrating DM into PSO introduces a cooperative solution-refinement mechanism that enhances convergence speed and search accuracy. Practical value. The PSO-DM framework provides a reliable and computationally efficient tool for DG planning in modern smart distribution networks. References 22, tables 1, figures 3.Вступ. Оптимальне планування установок розподіленої генерації (DG) є критично важливою темою дослідження через зростаючу інтеграцію відновлюваної енергетики та необхідність підвищення продуктивності розподільчої мережі. Класичні методи оптимізації часто мають проблеми з лінійністю, опуклістю та сильно пов’язаною проблемою розміщення DG. Проблема. Розподільна мережа з шинами IEEE 33 зазнає значних падінь напруги та високих втрат активної та реактивної потужності за нормальних умов експлуатації. Визначення оптимального розміщення та розмірів DG є складною проблемою, що включає численні взаємодіючі змінні та експлуатаційні обмеження. Мета. Це дослідження спрямоване на покращення технічних характеристик шляхом мінімізації загальних втрат активної потужності та відхилення напруги, забезпечуючи при цьому стабільність напруги та надійність мережі. Методика. Алгоритм оптимізації рою частинок (PSO) удосконалено за допомогою методу Dehghani (DM) – популяційної модифікації, що дозволяє всім особам, включаючи найгіршого члена, зробити свій внесок в отримання найкращого рішення. Удосконалений алгоритм PSO-DM застосовується до системи шин IEEE 33 у чотирьох випадках: базовий випадок без DG та сценарії з 2, 3 та 4 DG. Цільова функція включає мінімізацію втрат активної потужності та загальне відхилення напруги. Результати. Конфігурація з 4 DG значно покращує продуктивність системи: втрати активної потужності зменшуються з 210,67 кВт до 53,9 кВт (зниження на 74,4 %), реактивної – з 142,84 кВАр до 38,42 кВАр (зниження на 73,1 %), мінімальна напруга на шині зростає з 0,9037 у.о. до 0,9741 у.о., а загальне відхилення напруги зменшується з 1,8037 у.о. до 0,5129 у.о. (покращення на 71,6 %). Ці результати демонструють, що PSO-DM ефективно балансує розвідку та експлуатацію, забезпечуючи кращі рішення для розміщення установок DG. Наукова новизна. Інтеграція DM в PSO впроваджує механізм кооперативного уточнення рішень, який підвищує швидкість конвергенції та точність пошуку. Практична значимість. Структура PSO-DM забезпечує надійний та обчислювально ефективний інструмент для планування DG у сучасних інтелектуальних розподільчих мережах. Бібл. 22, табл. 1, рис. 3
Highly accurate approximation for sheath currents in high-voltage three-phase cable line
Full text linkIntroduction. This study focuses on sheath currents in high-voltage single-core XLPE-insulated power cables with solid bonding. The analysis covers flat and trefoil three-phase cable lines. Sheath current calculation is essential for evaluating thermal conditions, losses, and overall cable performance. Problem. The regulatory documents of the Ministry of Energy of Ukraine provide formulas for sheath currents. We examine them by comparing with verified analytical solutions and find significant discrepancies in a wide range of typical parameters of high-voltage three-phase cable line. So the formulas in the current regulatory document have a narrow range of applicability, and the engineering calculations based on them may lead to significant inaccuracies and incorrect decisions. Goal. The paper aims to develop novel formulas for the RMS values of sheath currents in high-voltage three-phase cable lines with flat and trefoil arrangements of power cables, ensuring the accuracy required for engineering calculations across a wide range of cable line parameters. Methodology. This study is grounded on the previously developed and experimentally verified analytical model and corresponding formulas for calculating sheath currents and cable line magnetic field. These verified formulas for sheath currents are too cumbersome, so an approximation technique is used to find compact ones. Results. A novel approximation for sheath current in the flat cable line is developed. The discrepancy between the approximation and the verified formulas is within 5 %. Additionally, a new form of the formula for sheath current in the trefoil cable line is proposed. Scientific novelty. To perform the approximation, an original quality index is proposed. It is derived from the heat output of metal sheaths of cables. Practical value. The developed approximation for sheath current can be directly applied to the design of high-voltage cable lines, the analysis of the operating modes, and the control of the compliance of existing cable lines with actual operating conditions. References 20, table 1, figures 4.Вступ. В роботі розглянуто струми в екранах одножильних силових кабелів високої напруги, з ізоляцією зі зшитого поліетилену (XLPE), при заземленні з обох кінців. Аналіз охоплює кабельні лінії змінного струму з розташуванням кабелів за схемами «у площині» та «у трикутник». Розрахунок струму в екранах є важливим при оцінці теплового стану, втрат та режиму роботи кабельної лінії. Проблема. Нормативні документи Міністерства енергетики України містять співвідношення для розрахунку струмів в екранах. Аналіз цих співвідношень шляхом порівняння з верифікованими аналітичними формулами показав значну розбіжність у широкому діапазоні типових параметрів трифазної кабельної ліній високої напруги. Відповідно, співвідношення в чинних нормативних документах мають вузький діапазон застосовності, а їх використання для інженерних розрахунків може призвести до значних неточностей та хибних висновків. Метою роботи є розробка нових наближених співвідношень для розрахунку діючих значень струмів у екранах кабелів трифазних кабельних ліній високої напруги, прокладених за схемами «у площині» та «у трикутник», задля забезпечення необхідної точності у широкому діапазоні параметрів кабельної лінії. Методологія. Дослідження ґрунтується на раніше розробленій авторами та експериментально верифікованій аналітичній моделі та відповідних співвідношеннях для розрахунку струмів в екранах, та магнітного поля трифазної кабельної лінії. Оскільки зазначені співвідношення для струмів є занадто громіздкими, тому для знаходження компактного співвідношення використовується апроксимація. Результати. Розроблено нове наближене співвідношення для розрахунку струму в екранах кабельної лінії з розташуванням кабелів «у площині». Розбіжність між наближенням та верифікованими формулами становить до 5 %. Крім того, запропоновано нову форму співвідношення для розрахунку струму в екранах кабельної лінії з розташуванням кабелів «у трикутник». Наукова новизна. Для виконання апроксимації запропоновано оригінальний показник якості, який визначається величинами теплової дії струмів в екранах кабелів. Практична значимість. Розроблене наближене співвідношення для розрахунку струму в екранах може бути безпосередньо застосоване при проєктуванні трифазних кабельних ліній високої напруги, аналізі режимів їхньої роботи та контролі відповідності існуючих кабельних ліній фактичним умовам експлуатації. Бібл. 20, табл. 1, рис. 4
Mitigation of cogging torque in surface permanent magnet brushless DC motor using slot opening shift
Full text linkIntroduction. Cogging torque deteriorates the torque quality of surface permanent magnet brushless DC (PMBLDC) motors. Problem. Reducing cogging torque is indispensable for performance upgradation of PMBLDC motors; hence, it is an important issue for motor designers. Goal. This paper presents a slot opening shift approach to reduce the cogging torque of radial flux surface PMBLDC motors. Methodology. A 200 W, 1000 rpm radial flux surface PMBLDC motor is first designed based on different assumed design variables and is treated as a reference model. The parallel stator teeth are uniformly distributed along the stator periphery, and the slot opening is considered in the middle position in the reference design. The cogging torque of the reference design is obtained from simulation and electromagnetic analysis. Results. A series of finite element simulations are performed to examine the impact of design upgradation on the cogging torque of the surface PMBLDC motor. It is observed that the peak-to-peak cogging torque is reduced by 44.5 %. Scientific novelty. The design is enhanced by applying slot opening shift to stator slots. The slot opening is shifted in an anticlockwise direction, and subsequently, the cogging torque waveform is determined for the upgraded motor from finite element modelling and analysis. Practical value. Research has revealed that this technique is effective in reducing cogging torque, and it can also be applied to other topologies of permanent magnet motors. References 23, tables 2, figures 12.Вступ. Пульсація крутного моменту погіршує його якість у безщіткових двигунах постійного струму з постійними магнітами (PMBLDC). Проблема. Зниження пульсації крутного моменту є необхідною умовою підвищення продуктивності PMBLDC двигунів, тому це є важливим завданням для проєктувальників двигунів. Мета. У статті представлений підхід, заснований на зміщенні пазів для зниження пульсації крутного моменту PMBLDC двигунів з радіальними поверхневими магнітними потоками. Методологія. Спочатку проєктується PMBLDC двигун з радіальними поверхневими магнітними потоками потужністю 200 Вт та частотою обертання 1000 об/хв на основі різних передбачуваних проєктних змінних, що розглядається як еталонна модель. Паралельні зубці статора рівномірно розподілені по периферії статора, а паз еталонної конструкції розташований посередині. Пульсація крутного моменту еталонної конструкції отримана з моделювання та електромагнітного аналізу. Результати. Проведено ряд скінченно-елементних моделювань для вивчення впливу вдосконаленої конструкції на пульсацію крутного моменту PMBLDC двигуна з поверхневими магнітами. Встановлено, що пікова пульсація крутного моменту знижується на 44,5 %. Наукова новизна. Конструкція вдосконалена за рахунок застосування усунення відкриття пазів статора. Відкриття паза зміщується проти годинникової стрілки, і згодом форма пульсації моменту модернізованого двигуна визначається за допомогою скінченно-елементного моделювання та аналізу. Практична значимість. Дослідження показали, що цей метод є ефективним для зниження пульсації крутного моменту, і його також можна застосовувати до інших топологій двигунів з постійними магнітами. Бібл. 23, табл. 2, рис. 12