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
Optimizing residential energy usage patterns in smart grids using hybrid metaheuristic techniques
Full text linkIntroduction. This study applies hybrid metaheuristic optimization techniques to intelligently schedule household loads, ensuring a balance between cost reduction, comfort and grid stability in smart homes. Problem. The growing gap between energy demand and supply leads to high electricity costs, increased appliance waiting times, a higher peak-to-average ratio (PAR) and reduced user comfort. Efficient management of residential energy consumption remains a major challenge for sustainable smart grid operation. Goal. This study aims to minimize electricity costs, reduce PAR and enhance user comfort by optimally scheduling household appliances and shifting loads from peak hours to off-peak hours. Methodology. A demand-side management approach is implemented using 5 metaheuristic optimization algorithms: harmony search algorithm (HSA), flower pollination algorithm (FPA), hybrid harmony flower pollination algorithm (HFPA), multiverse optimization algorithm (MVO) and cuckoo search algorithm (CSA). Real-time pricing is employed as the pricing model. MATLAB simulations were conducted for 10, 30 and 50 smart homes, each comprising 15 residential loads categorized as controllable or base appliances. Results. Simulation results demonstrate that the proposed HFPA consistently outperforms HSA, FPA, MVO and CSA across all tested scenarios, achieving notable reductions in electricity cost and PAR while minimizing appliance waiting times. Scientific novelty. The hybrid HFPA effectively combines the strengths of HSA and FPA, balancing exploration and exploitation to deliver superior performance in multi-objective optimization for home energy management systems. Practical value. The proposed HFPA achieved up to 19.86 % reduction in electricity cost and 81.03 % minimization in PAR, significantly enhancing user comfort and operational efficiency. The method can be further extended for integration with renewable energy sources and machine learning-based predictive control systems. References 32, tables 6, figures 5.Вступ. У роботі застосовуються гібридні метаевристичні методи оптимізації для інтелектуального планування навантаження побутових приладів, що забезпечують баланс між зниженням витрат, комфортом та стабільністю мережі у «розумних» будинках. Проблема. Зростання розриву між попитом і пропозицією енергії призводить до високих витрат на електроенергію, збільшення часу очікування приладів, підвищення відношення пікового навантаження до середнього (PAR) і зниження комфорту користувачів. Ефективне управління споживанням енергії у житлових будинках залишається серйозною проблемою для сталої роботи «розумної» мережі. Мета. Дане дослідження спрямоване на мінімізацію витрат на електроенергію, зниження PAR та підвищення комфорту користувачів шляхом оптимального планування роботи побутових приладів та перенесення навантаження з пікових годинників на непікові. Методика. Реалізовано підхід до управління попитом з використанням 5 метаевристичних алгоритмів оптимізації: алгоритму пошуку гармонії (HSA), алгоритму квіткового запилення (FPA), гібридного гармонійного алгоритму квіткового запилення (HFPA), алгоритму оптимізації мультивсесвіту (MVO) та алгоритму пошуку зозулі (CSA). У якості моделі ціноутворення використовується ціноутворення у режимі реального часу. Проведено симуляції у MATLAB для 10, 30 та 50 «розумних будинків», кожен з яких включав 15 побутових навантажень, класифікованих як керовані чи базові прилади. Результати моделювання показують, що запропонований HFPA перевершує HSA, FPA, MVO та CSA у всіх протестованих сценаріях, досягаючи помітного зниження витрат на електроенергію та PAR за мінімізації часу очікування приладів. Наукова новизна. Гібридний HFPA ефективно поєднує у собі переваги HSA та FPA, балансуючи дослідження та використання для забезпечення високої продуктивності у багатоцільовій оптимізації систем управління енергоспоживанням у будинку. Практична значимість. Запропонований HFPA дозволяє знизити витрати на електроенергію до 19,86 % та мінімізувати PAR на 81,03 %, значно підвищивши комфорт користувача та ефективність роботи. Метод може бути додатково розширено для інтеграції з відновлюваними джерелами енергії та системами прогнозуючого керування на основі машинного навчання. Бібл. 32, табл. 6, рис. 5
Normal and degraded operation of the open-end winding induction machine fed by 2-level inverters in cascading
Full text linkIntroduction. The machine-converter system is a prevalent and essential configuration, widely used not only in variable-speed industrial drive applications, but also in high-tech transportation and power fields. Problem. Conventional drive systems, particularly those supplied by standard 2-level inverters, face major challenges regarding the enhancement of their dynamic performance and drive availability. To overcome these limitations, a solution involves utilizing the open-end stator winding induction machine associated with cascaded 2-level inverter topologies. The goal of this work is to improve the availability of the drive system by increasing its degrees of freedom through the association of an open-end winding induction machine by two cascaded 2-level inverters. Methodology. The mathematical modeling of this machine is presented and validated using MATLAB/Simulink. To evaluate the machine’s performance, it is first powered by two cascaded 2-level inverters and subsequently by three cascaded 2-level inverters. Following this initial evaluation, the machine is then fed by two cascaded 2-level inverters operating in degraded mode. This analysis features different failure configurations, and the specific operational conditions that must be respected. Results. This topology enhances dynamic performances and enables effective power segmentation as well as a degraded mode operation. These benefits are confirmed by the simulation results. The scientific novelty is based on demonstrating the effectiveness of degraded mode control, which gives the machine-cascaded inverters topology a superior advantage in terms of reliability and performances. Practical value. This topology provides a highly reliable and fault-tolerant drive solution, ensuring better performance during normal operation and better availability after an inverter failure. References 15, tables 1, figures 24.Вступ. Система «машина-перетворювач» є поширеною та важливою конфігурацією, що широко використовується не тільки в системах приводу з регульованою швидкістю в промисловості, а й у високотехнологічних транспортних та енергетичних галузях. Проблема. Традиційні системи приводу, особливо ті, які живляться від стандартних дворівневих інверторів, стикаються із серйозними проблемами щодо підвищення їх динамічних характеристик та доступності приводу. Для подолання цих обмежень пропонується рішення, що включає використання асинхронної машини з відкритою статорною обмоткою в поєднанні з каскадними дворівневими інверторними топологіями. Мета роботи – підвищення доступності системи приводу за рахунок збільшення її ступенів свободи шляхом з’єднання асинхронної машини з відкритою обмоткою з двома каскадними дворівневими інверторами. Методика. Математична модель цієї машини розроблена та перевірена за допомогою MATLAB/Simulink. Для оцінки продуктивності машини спочатку живлять її від двох каскадних дворівневих інверторів, а потім від трьох каскадних дворівневих інверторів. Після початкової оцінки машина живиться від двох каскадно з’єднаних дворівневих інверторів, що працюють у режимі зниженої потужності. Цей аналіз включає різні зміни відмов і конкретні умови експлуатації, яких необхідно дотримуватися. Результати. Дана топологія підвищує динамічні характеристики та забезпечує ефективне сегментування потужності, а також роботу в режимі зниженої потужності. Ці переваги підтверджуються результатами моделювання. Наукова новизна ґрунтується на демонстрації ефективності управління в режимі зниженої потужності, що дає топології «машина-каскадні інвертори» значну перевагу з погляду надійності та продуктивності. Практична цінність. Дана топологія забезпечує високонадійне та відмовостійке рішення для приводу, гарантуючи кращу продуктивність у нормальному режимі роботи та кращу доступність після відмови інвертора. Бібл. 15, табл. 1, рис. 24
Comparative analysis of numerical, evolutionary and metaheuristic methods for experimental implementation of selective harmonic elimination in a five-level emerging inverter
Full text linkIntroduction. Multilevel inverters (MLIs) are widely used in renewable energy conversion and high-performance power applications due to their ability to generate output voltages with low harmonic distortion and reduced switching stress. Selective harmonic elimination (SHE) remains one of the most effective modulation strategies for suppressing low-order harmonics; however, its practical implementation relies on solving nonlinear transcendental equations that often require robust and efficient computational methods. Problem. Determining optimal switching angles for SHE in MLIs remains a challenging optimization problem because of the nonlinear, non-convex nature of the governing equations and the need to simultaneously preserve the fundamental voltage component while eliminating selected harmonics. The choice of an appropriate numerical or optimization-based solution method directly affects computational efficiency, robustness, and practical implementability. The goal of the work is the reducing harmonic distortion of output voltage and determining optimal switching angles of a single-phase 5-level inverter using the Newton-Raphson (NR) method, particle swarm optimization (PSO) and genetic algorithm (GA). Methodology. The operating principle and harmonic model of the inverter are first established using Fourier series analysis. The SHE problem is formulated as a system of nonlinear equations subject to ordering constraints. The NR method is used as a fast numerical solver, while PSO and GA are employed as evolutionary and metaheuristic optimization techniques capable of handling non-convex search spaces. All algorithms are implemented in MATLAB/Simulink over a range of modulation indices. Experimental validation is carried out using an Arduino Mega 2560-based prototype, where the optimized switching patterns are executed in real time and the output voltage is analyzed using oscilloscope and harmonic measurement tools. Results. The three approaches converge to identical switching-angle solutions over the investigated modulation range, confirming the consistency of the formulation. Simulation results demonstrate effective elimination of the 3rd harmonic and its multiples, with the total harmonic distortion of the output voltage decreasing from 28.42 % at M = 0.55, f = 1 kHz to 14.88 % at M = 0.55, f = 10 kHz. In terms of computational efficiency, NR-SHE achieves the shortest execution time (0.516 s), while PSO-SHE (10.237 s) and GA-SHE (23.289 s) require longer computation. Experimental waveforms and harmonic spectra closely match the simulation results, validating the proposed approach. Scientific novelty. This work provides a unified comparative analysis of numerical, evolutionary and metaheuristic methods for SHE applied to a 5-level emerging inverter with a reduced switch count (6 switches instead of 8 in a conventional 5-level H-bridge). In addition, it demonstrates the feasibility of executing SHE-based modulation schemes on a low-cost Arduino microcontroller. Practical value. The presented results offer practical guidance for selecting suitable computational methods for SHE in MLIs and confirm that efficient harmonic control can be achieved using inexpensive embedded platforms. The findings are relevant for research, prototyping and educational applications in industrial electronics and power conversion systems. References 21, tables 5, figures 12.Вступ. Багаторівневі інвертори (MLIs) широко використовуються в системах перетворення відновлюваної енергії та високопродуктивних енергетичних системах завдяки їхній здатності генерувати вихідну напругу з низьким рівнем гармонік та зменшеним напругою перемикання. Вибіркове усунення гармонік (SHE) залишається однією з найефективніших стратегій модуляції для зменшення гармонік нижчого порядку; однак її практична реалізація залежить від розв’язання нелінійних трансцендентних рівнянь, які часто вимагають надійних та ефективних обчислювальних методів. Проблема. Визначення оптимальних кутів перемикання для SHE в MLIs залишається складною задачею оптимізації через нелінійний, неопуклий характер керівних рівнянь та необхідність одночасного збереження основної складової напруги при усуненні вибраних гармонік. Вибір відповідного числового або оптимізаційного методу розв’язання безпосередньо впливає на обчислювальну ефективність, надійність та практичну реалізованість. Метою роботи є зменшення гармонійних спотворень вихідної напруги та визначення оптимальних кутів перемикання однофазного 5-рівневого інвертора за допомогою методу Ньютона-Рафсона (NR), оптимізації рою частинок (PSO) та генетичного алгоритму (GA). Методика. Принцип роботи та гармонічна модель інвертора спочатку встановлюються за допомогою аналізу рядів Фур’є. Задачу SHE сформульовано як систему нелінійних рівнянь з обмеженнями на впорядкування. Метод NR використовується як швидкий числовий розв’язувач, тоді як PSO та GA використовуються як еволюційні та метаевристичні методи оптимізації, здатні обробляти неопуклі простори пошуку. Всі алгоритми реалізовані в MATLAB/Simulink для діапазону індексів модуляції. Експериментальна перевірка проводиться з використанням прототипу на базі Arduino Mega 2560, де оптимізовані шаблони перемикання виконуються в режимі реального часу, а вихідна напруга аналізується за допомогою осцилографа та інструментів вимірювання гармонік. Результати. Три підходи сходяться до ідентичних рішень кута перемикання в досліджуваному діапазоні модуляції, що підтверджує узгодженість формулювання. Результати моделювання демонструють ефективне усунення 3-ї гармоніки та її кратних, при цьому загальне гармонічне спотворення вихідної напруги зменшується з 28,42 % при M = 0.55, f = 1 кГц до 14,88 % при M = 0.55, f = 10 кГц. З точки зору обчислювальної ефективності, NR-SHE досягає найкоротшого часу виконання (0,516 с), тоді як PSO-SHE (10,237 с) та GA-SHE (23,289 с) вимагають довших обчислень. Експериментальні форми хвиль та гармонічні спектри точно відповідають результатам моделювання, що підтверджує запропонований підхід. Наукова новизна. Ця робота надає уніфікований порівняльний аналіз числових, еволюційних та метаевристичних методів для SHE, застосованих до нового 5-рівневого інвертора зі зменшеною кількістю перемикачів (6 перемикачів замість 8-ми у звичайному 5-рівневому H-мості). Крім того, вона демонструє можливість виконання схем модуляції на основі SHE на недорогому мікроконтролері Arduino. Практична значимість. Представлені результати пропонують практичні рекомендації щодо вибору відповідних обчислювальних методів для SHE в MLI та підтверджують, що ефективного гармонічного контролю можна досягти за допомогою недорогих вбудованих платформ. Результати є актуальними для досліджень, прототипування та освітніх застосувань у промисловій електроніці та системах перетворення енергії. Бібл. 21, табл. 5, рис. 12
Performance improvement of parallel dual-star permanent magnet synchronous machines via type-2 fuzzy direct torque control with a single six-phase inverter
Full text linkIntroduction. The growing need for efficient and high-performance electric drive systems has led to increased research in advanced control strategies for multi-machine configurations. Among them, dual-star permanent magnet synchronous machines (DSPMSMs) connected in parallel to a single inverter offer a promising solution for applications requiring high reliability and precise control. Problem. Conventional direct torque control (DTC) strategies, typically relying on PI controllers, suffer from significant torque and flux ripples, which negatively impact system efficiency and dynamic response. Moreover, these traditional controllers face challenges in handling parameter variations and external disturbances, limiting their applicability in demanding environments. Goal. This study aims to enhance the performance of DSPMSM drive systems by improving speed regulation, minimizing torque and flux fluctuations, and increasing robustness against disturbances, thereby ensuring greater efficiency and stability. Methodology. To address these challenges, we propose a novel DTC strategy that replaces the conventional PI controller with a type-2 fuzzy logic controller (T2-FLC). This intelligent control approach leverages the adaptability of fuzzy logic to improve response accuracy and dynamic performance. The proposed methodology is validated through extensive simulations using MATLAB/Simulink, analyzing various operating conditions and comparing the performance with conventional DTC techniques. Results. Simulation results confirm that the T2-FLC-based DTC significantly reduces torque and flux ripples while ensuring precise speed regulation. The proposed approach also demonstrates improved robustness against disturbances and parameter variations, outperforming traditional PI-based DTC in terms of efficiency and control accuracy. Scientific novelty. This research introduces an innovative application of T2-FLC in DTC for parallel-connected DSPMSMs, offering a novel control strategy that effectively mitigates the drawbacks of conventional methods. The integration of T2-FLC into the DTC framework provides enhanced adaptability and superior performance, distinguishing this study from existing works. Practical value. The proposed control strategy enhances the reliability, efficiency, and stability of DSPMSM-based drive systems, making it well-suited for high-performance applications such as railway traction, electric vehicles, and industrial automation. By improving control precision and robustness, this approach contributes to the advancement of intelligent drive technologies in modern electric propulsion systems. References 39, tables 4, figures 16.Вступ. Зростаюча потреба в ефективних та високопродуктивних системах електроприводу призвела до посилення досліджень удосконалених стратегій керування для багатомашинних конфігурацій. Серед них, синхронні машини з постійними магнітами та обмоткою статора за схемою з’єднання «зірка» із спільним регулюванням струмів обмоток статора (DSPMSM), що підключені паралельно до одного інвертора, пропонують перспективне рішення для застосувань, які вимагають високої надійності та точного керування. Проблема. Традиційні стратегії прямого керування крутним моментом (DTC), які базуються на PI-контролерах, мають значні пульсації крутного моменту та потоку, що негативно впливає на ефективність системи та динамічну характеристику. Крім того, ці традиційні контролери стикаються з проблемами обробки коливань параметрів та зовнішніх збурень, що обмежує їхню застосовність у складних умовах. Мета. Це дослідження спрямоване на підвищення продуктивності систем приводу DSPMSM шляхом покращення регулювання швидкості, мінімізації коливань крутного моменту та потоку, а також підвищення стійкості до збурень, тим самим забезпечуючи більшу ефективність та стабільність. Методологія. Для вирішення цих проблем запропоновано нову стратегію DTC, яка замінює традиційний PI-контролер контролером з нечіткою логікою 2-го типу (T2-FLC). Цей інтелектуальний підхід до керування використовує адаптивність нечіткої логіки для покращення точності відгуку та динамічних характеристик. Запропонована методологія перевірена за допомогою масштабної симуляції з використанням MATLAB/Simulink, аналізуючи різні робочі умови та порівнюючи продуктивність з традиційними DTC методам. Результати моделювання підтверджують, що DTC на основі T2-FLC значно зменшує пульсації крутного моменту та потоку, забезпечуючи при цьому точне регулювання швидкості. Запропонований підхід демонструє покращену стійкість до збурень та коливань параметрів, перевершуючи традиційний DTC на основі PI з точки зору ефективності та точності керування. Наукова новизна. Це дослідження представляє інноваційне застосування T2-FLC у DTC для паралельно з’єднаних DSPMSM, пропонуючи нову стратегію керування, яка ефективно усуває недоліки звичайних методів. Інтеграція T2-FLC у структуру DTC забезпечує покращену адаптивність та високу продуктивність, що відрізняє це дослідження від існуючих робіт. Практична значимість. Запропонована стратегія керування підвищує надійність, ефективність та стабільність систем приводу на основі DSPMSM, що робить її добре придатною для високопродуктивних застосувань, таких як залізниця, електромобілі та промислова автоматизація. Завдяки покращенню точності та надійності керування, цей підхід сприяє розвитку інтелектуальних технологій приводу в сучасних електричних рушійних системах. Бібл. 39, табл. 4, рис. 16
Finite-time robust position tracking control for DC motors under uncertain dynamics
Full text linkIntroduction. This study proposes a finite-time robust control law for position tracking of a DC motor under conditions of model uncertainty and external disturbances. The motor operates through a pulse-width modulation (PWM) unit and an H-bridge power circuit, aiming to achieve finite-time position tracking while minimizing the effects of model uncertainties and external disturbances. Problem. The main challenge lies in achieving accurate and rapid position and speed regulation for the DC motor while maintaining high performance, despite model inaccuracies and external disturbances. The goal of this paper is to design a robust finite-time position tracking control law for a DC motor based on the differential geometric approach, ensuring high tracking accuracy and control efficiency in the presence of disturbances and parameter uncertainties. Scientific novelty. The integration of finite-time control based on a virtual system, diffeomorphism transformation, and disturbance compensation introduces an innovative solution for DC motor position tracking under incomplete modeling and external perturbations. Methodology. The study employs the differential geometric method to construct a virtual system with finite-time characteristics and uses Lyapunov theory to prove global stability in the presence of uncertainties and disturbances. A finite-time virtual system is proposed after analyzing the incomplete dynamic model of the DC motor. Results. To validate the proposed approach, MATLAB simulations were conducted and compared with a conventional sliding mode controller. The results demonstrate improved settling time and robustness of the proposed method in DC motor position tracking. The findings confirm that the proposed controller provides intuitive and precise control, accurate position tracking, and enhanced performance regulation. It also exhibits strong robustness against model uncertainties and external disturbances. The practical value of the proposed method is considerable, as it offers a reliable and efficient position control scheme for DC motors using PWM. The method ensures precise position control and robust performance under varying conditions and external interferences, making it well-suited for real-world DC motor control applications. References 23, tables 1, figures 12.Вступ. У дослідженні пропонується робастний закон керування зі скінченним часом для відстеження положення двигуна постійного струму в умовах невизначеності моделі та зовнішніх збурень. Двигун працює через блок широтно-імпульсної модуляції (PWM) та схему живлення H-подібного моста, метою чого є досягнення відстеження положення зі скінченним часом, мінімізуючи вплив невизначеностей моделі та зовнішніх збурень. Проблема. Основна проблема полягає в досягненні точного та швидкого регулювання положення та швидкості двигуна постійного струму, зберігаючи при цьому високу продуктивність, незважаючи на неточності моделі та зовнішні збурення. Метою роботи є розробка робастного закону керування відстеженням положення двигуна постійного струму зі скінченним часом на основі диференціально-геометричного підходу, що забезпечує високу точність відстеження та ефективність керування за наявності збурень та невизначеностей параметрів. Наукова новизна. Інтеграція керування зі скінченним часом на основі віртуальної системи, перетворення дифеоморфізму та компенсації збурень пропонує інноваційне рішення для відстеження положення двигуна постійного струму за неповного моделювання та зовнішніх збурень. Методологія. У дослідженні використовується диференціально-геометричний метод для побудови віртуальної системи з характеристиками зі скінченним часом та теорія Ляпунова для доведення глобальної стійкості за наявності невизначеностей та збурень. Після аналізу неповної динамічної моделі двигуна постійного струму запропоновано віртуальну систему зі скінченним часом. Результати. Для перевірки запропонованого підходу було проведено моделювання в MATLAB та порівняно зі звичайним контролером ковзного режиму. Результати демонструють покращений час встановлення та стійкість запропонованого методу відстеження положення двигуна постійного струму. Отримані дані підтверджують, що запропонований контролер забезпечує інтуїтивно зрозуміле та точне керування, точне відстеження положення та покращене регулювання продуктивності. Він також демонструє високу стійкість до невизначеностей моделі та зовнішніх збурень. Практична значимість запропонованого методу є значною, оскільки він пропонує надійну та ефективну схему керування положенням для двигунів постійного струму з використанням PWM. Метод забезпечує точне керування положенням та стійку роботу за різних умов та зовнішніх перешкод, що робить його добре придатним для реальних застосувань керування двигунами постійного струму. Бібл. 23, табл. 1, рис. 12
Теорія і практика чисельно-польового аналізу та уточнення електромагнітних та енергетичних параметрів в проєктах трифазних асинхронних двигунів
No full textIntroduction. The paper is devoted to improving the designs of three-phase induction motors (TIMs) based on the application of numerical calculations of their magnetic fields. Considering that the classical system for designing TIMs does not always provide sufficient accuracy of their design parameters, this task is relevant and therefore the developed motors require experimental refinement and additional time and money accordingly. Problem. In classic design of TIMs, magnetic calculations are performed based on magnetic circuit theory. The magnetic circuit of TIMs is divided into conditionally homogeneous sections, on which the magnetic quantities are considered to be distributed evenly, but their real distribution is much more complicated. This approach leads to error in determining the electromagnetic parameters of TIMs and, as a result, inaccuracies in energy, mechanical, thermal, etc. calculations. The goal of the paper is to further develop the existing system for designing TIMs by refining it using numerical-field calculations of electromagnetic and energy parameters. Methodology. The methodology is based on numerical-field verification and refinement of classical design of TIMs. It is strictly deterministic, despite the complexity of linear and nonlinear interrelationships of its structural, electromagnetic, and energy parameters, and therefore it is amenable to adequate algorithmization and programming using iterative calculations. The theoretical foundations of the methodology are reinforced by harmonic analysis of time functions of electromagnetic quantities and a refined determination of the differential leakage resistance of the stator winding. The tool for implementing the methodology is the FEMM program in conjunction with the created Lua scripts. Results. Numerical-field calculations of the electromagnetic and energy parameters of the test TIM developed according to the classical design were performed. This motor has been tested within the synchronous idle and rated load conditions. This demonstrated a sufficiently high efficiency of the provided theoretical and practical foundations of numerical-field calculations and revealed that the TIM project does not meet the declared power and voltage requirement. To reach their nominal values, the method for refining the magnetizing current of the stator winding and the rotor slip is provided. Scientific novelty of this paper is the system of numerical-field calculations of electromagnetic and energy parameters of TIMs, which, in conjunction with the iterative process, ensures its output to the specified nominal stator winding voltage and output power while simultaneously varying the magnetizing current and slip. Practical value. The methodology of numerical-field calculations of TIMs based on the FEMM program and the Lua script is recommended to be integrated into the automated design system for these motors. In addition to verifying and refining the parameters of the designed TIMs, the developed methodology and program can be used to obtain a set of refined operating characteristics in an automated calculation mode. References 29, tables 5, figures 9.Вступ. Робота присвячена удосконаленню проєктів трифазних асинхронних двигунів (ТАД) на основі застосування чисельних розрахунків їхніх магнітних полів. Така задача є актуальною, зважаючи не те, що класична система проєктування ТАД не завжди забезпечує достатню точність їхніх проєктних параметрів, тому розроблювані двигуні потребують експериментальної доводки і відповідно додаткових витрат часу та коштів. Проблема. При класичному проєктуванні ТАД магнітний розрахунок виконується на основі теорії магнітних кіл. Магнітопровід ТАД розділяють на умовно однорідні ділянки, на яких магнітні величини вважаються розподіленими рівномірно, проте реальний їхній розподіл є набагато складнішим. Такий підхід призводить до похибки визначення електромагнітних параметрів ТАД, і, як наслідок, неточності енергетичних, механічних, теплових тощо розрахунків. Метою роботи є подальший розвиток системи проєктування ТАД шляхом її уточнення за допомогою чисельно-польових розрахунків електромагнітних та енергетичних параметрів. Методика побудована на чисельно-польовій перевірці та уточненні класичного проєктування ТАД. Вона є суворо детермінованою, незважаючи на складність лінійних та нелінійних взаємозв’язків конструктивних, електромагнітних та енергетичних його параметрів,тому піддається адекватній алгоритмізації і програмуванню із застосуванням ітераційних розрахунків. Теоретичні основи методики підсилені гармонічним аналізом часових функцій електромагнітних величин та уточненим визначенням диференціального опору розсіювання обмотки статора. Інструментом реалізації методики є програма FEMM у сукупності зі створеними скриптами Lua. Результати. Виконано чисельно-польові розрахунки електромагнітних та енергетичних параметрів тестового ТАД, розробленого за класичним проєктом. Цей двигун перевірено у межах режимів синхронного неробочого ходу та номінального навантаження. Це показало достатньо високу ефективність наданих теоретичних і практичних основ чисельно-польових розрахунків і виявило, що проєкт ТАД не відповідає заявленим потужності та напрузі. Для виходу на їхні номінальні значення надано шлях уточнення намагнічувального струму обмотки статора і ковзання ротора. Науковою новизною в роботі є система чисельно-польових розрахунків електромагнітних та енергетичних параметрів ТАД, яка у сукупності з ітераційним процесом забезпечує його вивід на задані номінальні напругу обмотки статора і вихідну потужність при одночасному варіюванні намагнічюівального струму та ковзання. Практична цінність. Методику чисельно-польових розрахунків ТАД на базі програми FEMM і скрипту Lua рекомендовано вбудовувати в автоматизовану систему проєктування цих двигунів. Окрім перевірки і уточнення параметрів проєктованих ТАД, за розробленими методикою і програмою можна отримати в автоматизованому розрахунковому режимі сім’ю уточнених його робочих характеристик. Бібл. 29, табл. 5, рис. 9
Вплив гамма-випромінення на електричні та механічні властивості кабелів бортових систем
No full textIntroduction. Electrical and fiber-optic cables of on-board systems for transmitting monitoring, control and communication signals are increasingly used in nuclear power plants, aircraft systems and military applications. Such operating conditions are characterized by an increased level of ionizing radiation compared to the background: from 10 kGy in space applications to 1 GGy in the corium of a nuclear reactor. Problem. The resistance of polymer insulation to the action of ionizing radiation is determined on the basis of mechanical, thermophysical, physicochemical indicators that reflect the local characteristics of the polymer insulation of electrical cables. Modern special radiation-resistant optical fibers are capable of operating under the action of gamma radiation with a dose of 1 MGy. To ensure mechanical strength and protection of the optical fiber from moisture, high-strength structural elements and hydrophobic fillers are used in the optical cable. The goal of the work consists in establishing the effect of gamma radiation on unshielded cables with unshielded twisted pairs and optical cables with the determination of the dynamics of changes in the electrical properties of polyethylene insulation of conductors and mechanical properties of aramid yarns with a water-blocking coating, respectively. Methodology is based on the determination of the change in the electrical capacitance of each of the 8 polyethylene-insulated twisted pair conductors and the mechanical tensile strength of Kevlar yarns with a water-blocking compound, compared to the un-irradiated state, depending on the absorbed dose of gamma radiation of 100 kGy, 200 kGy and 300 kGy when processing samples of electrical and optical cables in the cobalt-60 (Cо60) installation. Scientific novelty consists in establishing the criterion for achieving the critical state of polymeric polyethylene insulation of insulated conductors and the effect of the influence of a water-blocking coating with ultra-high absorption capacity on the mechanical strength of aramid yarns under the action of gamma radiation on samples of an electric cable in a protective sheath of polyvinyl chloride plastic compound and an optical cable in a protective sheath based on a polymer fire-resistant composition, respectively. Practical value is qualified by the range of radiation resistance of structural elements to ensure the operational functionality and efficiency of cables of on-board systems under the action of gamma radiation. References 50, tables 3, figures 6.Вступ. Електричні та оптичні кабелі бортових систем для передачі сигналів моніторингу, керування та зв’язку все частіше використовуються на атомних електричних станціях, в системах літальних апаратів та військовому застосуванні. Такі умови експлуатації характеризуються підвищеним порівняно з фоновим рівнем іонізуючого випромінювання: від 10 кГр у космічних застосуваннях до 1 ГГр в активній зоні ядерного реактора. Проблема. Стійкість полімерної ізоляції до дії іонізуючого випромінювання визначається на підставі механічних, теплофізичних, фізико-хімічних показників, які відображають локальні характеристики полімерної ізоляції електричних кабелів. Сучасні спеціальні радіаційно-стійкі оптичні волокна здатні працювати при дії гамма-випромінення дози 1 МГр. Задля забезпечення механічної міцності та захисту від вологи оптичного волокна в оптичному кабелі застосовуються високоміцні конструктивні елементи та гідрофобні заповнювачі. Мета роботи полягає у встановленні впливу гамма-випромінення на неекрановані кабелі з неекранованими витими парами та оптичні кабелі з визначенням динаміки змінення електричних властивостей поліетиленової ізоляції провідників та механічних властивостей арамідних ниток з водозахисним покриттям відповідно. Методика ґрунтується на визначенні порівняно з неопроміненим станом змінення електричної ємності кожного з восьми ізольованих поліетиленом провідників витих пар та механічної міцності на розтяг кевларових ниток з водозахисним компаундом в залежності від поглиненої дози гамма-випромінення 100 кГр, 200 кГр та 300 кГр при обробці зразків електричного та оптичного кабелів в установці кобальт-60 (Со60). Наукова новизна полягає у встановленні критерію досягнення критичного стану полімерної поліетиленової ізоляції ізольованих провідників та ефекту впливу водозахисного покриття з надвисокою поглинальною здатністю на механічну міцність арамідних ниток при дії гамма-випромінення на зразки електричного кабелю у захисній полімерній оболонці з поліхлорвінілового пластику та оптичного кабелю у захисній оболонці на основі полімерної вогнестійкої композиції відповідно. Практична цінність кваліфікується діапазоном радіаційної стійкості конструктивних елементів для забезпечення експлуатаційної функціональності та ефективності кабелів бортових систем в умовах дії гамма-випромінення. Бібл. 50, табл. 3, рис. 6
Intelligent unified power quality conditioner based photovoltaic to improve grid reliability and mitigate power quality issues
Full text linkProblem. Electrical distribution networks are plagued by power quality problems, which have a negative impact on sensitive electrical loads. These problems include reactive current, low power factor on the load side, and voltage harmonics, voltage sags and voltage swells on the grid voltage side. To address these issues, a unified power quality conditioner (UPQC) that combines shunt and series compensators is suggested. The goal of the work is to implement a UPQC integrated with a photovoltaic (PV) system to mitigate power quality problems in the power system, and boosting the grid supply through power injection from the PV system. Methodology. One of the less complex and effective ways to improve the grid’s voltage quality is by using the unit vector template generation (UVTG) strategy as the composition technique (UPQC-P) through the UPQC series compensator. The synchronous reference frame (SRF) strategy through the UPQC shunt compensator to improve the current quality on the load side is used. To further optimize the SRF strategy, it is used the snake optimization (SO) to find the optimal values for the PI controller’s parameters. Results. The UPQC-PV is used to mitigation the power quality issues in the grid and loads by UVTG and SRF techniques in series and shunt compensators, respectively. Scientific novelty. The composition technique (UPQC-P) through a series compensator and uses the SO for tuning the PI controller in the shunt compensator. Practical value. This study reduces the total harmonic distortion (THD) in the load voltage to 0.57 %, while the THD in the grid voltage remains at 10 %. It restores the load voltage to its reference value of 230 V during voltage sags (down to 161 V) and swells (up to 300 V) in the grid. Additionally, it mitigates the low power factor on the load side (0.707 lagging) to achieve a unity power factor in grid current, balances the unbalanced load current to a balanced grid current, and enhances grid stability by injecting power from the PV system into the grid. References 33, table 3, figures 7.Проблема. Розподільні електромережі страждають від проблем якості електроенергії, які негативно впливають на чутливі електричні навантаження. Ці проблеми включають реактивний струм, низький коефіцієнт потужності на стороні навантаження, а також гармоніки напруги, зниження та стрибки напруги на стороні напруги мережі. Для вирішення цих проблем пропонується єдиний стабілізатор якості електроенергії (UPQC), який поєднує шунтуючі та послідовні компенсатори. Метою роботи є впровадження UPQC, інтегрованого з фотоелектричною (PV) системою, для зменшення проблем якості електроенергії в енергосистемі та підвищення потужності мережі шляхом подачі енергії в мережу. Методика. Одним з менш складних та ефективних способів покращення якості напруги мережі є використання стратегії генерації шаблонів одиничних векторів (UVTG) як методу композиції (UPQC-P) за допомогою послідовного компенсатора UPQC. Використовується стратегія синхронної системи відліку (SRF) через компенсатор шунту UPQC для покращення якості струму на стороні навантаження. Для подальшої оптимізації стратегії SRF використовується оптимізацію типу «змійка» (SO), щоб знайти оптимальні значення параметрів ПІ-регулятора. Результати. Метод UPQC-PV використовується для зменшення проблем із якістю електроенергії в мережі та навантаженнях за допомогою методів UVTG та SRF у послідовних та шунтуючих компенсаторах відповідно. Наукова новизна. Метод композиції (UPQC-P) використовує послідовний компенсатор та використовує SO для налаштування ПІ-регулятора в шунтуючому компенсаторі. Практична значимість полягає у зменшенні загального коефіцієнта гармонійних спотворень (THD) у напрузі навантаження до 0,57 %, тоді як THD у напрузі мережі залишається на рівні 10 %, а також відновлення напруги навантаження до опорного значення 230 В під час зменшення (до 161 В) та зростань (до 300 В) напруги в мережі. Крім того, отримано зменшення низького коефіцієнта потужності на стороні навантаження (затримка 0,707) для досягнення одиничного коефіцієнта потужності в струмі мережі, вирівняння незбалансованого струму навантаження до збалансованого струму мережі та підвищення стабільності мережі шляхом введення енергії з PV системи в мережу. Бібл. 33, табл. 3, рис. 7
Development of a NARX neural network for a tribo-aero-electrostatic separator with rotating disk electrodes
Full text linkIntroduction. The exponential growth of waste electrical and electronic equipment (WEEE) requires efficient strategies for plastic waste management. Plastics, a major fraction of WEEE, represent both an environmental challenge due to low biodegradability and a valuable source of secondary raw materials. Problem. Tribo-aero-electrostatic separators with rotating disk electrodes offer a promising solution for fine plastic separation. However, their performance depends on multiple, nonlinear, and time-varying factors such as disk speed, voltage, and particle properties. These complex interactions make analytical modeling and stable process control difficult, limiting industrial implementation. The goal of this work is to develop a reliable dynamic model based on NARX neural networks capable of predicting the real-time evolution of key process variables such as recovered mass and particle charge. Methodology. The proposed NARX neural network learns temporal nonlinear relationships directly from experimental data, avoiding the need for explicit physical equations. Experiments were conducted on a synthetic 50:50 mixture of Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) and Polystyrene (PS) particles (500-1000 μm) to assess model performance under varying disk speeds, voltages, and air flow rates. Results. The developed model accurately predicts the recovered mass and acquired charge of both ABS and PS over a wide range of operating conditions. The predictions show strong agreement with experimental measurements, maintaining low error levels even at parameter extremes. Scientific novelty. This work represents the first application of NARX neural networks to model the dynamic behavior of a two-rotating-disk tribo-aero-electrostatic separator. The approach captures essential time-dependent interactions that conventional static or analytical models fail to describe. Practical value. The NARX model exhibits high predictive accuracy and robustness across an extended operating domain (4–20 kV, 15–60 rpm, 7–9 m3/h), with errors limited to the 10–3 g and 10–3 µC ranges. These characteristics demonstrate its potential for real-time intelligent control and adaptive optimization of electrostatic separation processes in plastic waste recycling. References 39, tables 3, figures 9.Вступ. Експоненціальне зростання кількості відходів електричного та електронного обладнання (WEEE) вимагає ефективних стратегій управління пластиковими відходами. Пластики, основна частина WEEE, становлять як екологічну проблему через низьку біорозкладність, так і цінне джерело вторинної сировини. Проблема. Трибоаероелектростатичні сепаратори з обертовими дисковими електродами пропонують перспективне рішення для тонкого розділення пластику. Однак їхня продуктивність залежить від численних, нелінійних та змінних у часі факторів, таких як швидкість диска, напруга та властивості частинок. Ці складні взаємодії ускладнюють аналітичне моделювання та стабільне керування процесом, обмежуючи промислове впровадження. Метою роботи є розробка надійної динамічної моделі на основі нейронних мереж NARX, здатних прогнозувати еволюцію ключових змінних процесу, таких як відновлена маса та заряд частинок, у реальному часі. Методологія. Запропонована нейронна мережа NARX вивчає часові нелінійні залежності безпосередньо з експериментальних даних, уникаючи необхідності явних фізичних рівнянь. Експерименти проводилися на синтетичній суміші частинок акрилонітрилбутадієнстиролу (ABS) та полістиролу (PS) у співвідношенні 50:50 для оцінки продуктивності моделі за різних швидкостей дисків, напруг та швидкостей потоку повітря. Результати. Розроблена модель точно прогнозує відновлену масу та набутий заряд як ABS, так і PS у широкому діапазоні робочих умов. Прогнози демонструють високу відповідність з експериментальними вимірюваннями, підтримуючи низький рівень похибки навіть при екстремальних значеннях параметрів. Наукова новизна. Ця робота являє собою перше застосування нейронних мереж NARX для моделювання динамічної поведінки трибоаероелектростатичного сепаратора з двома обертовими дисками. Цей підхід враховує важливі залежні від часу взаємодії, які звичайні статичні або аналітичні моделі не можуть описати. Практична значимість. Модель NARX демонструє високу прогностичну точність та стійкість у розширеній робочій області (4–20 кВ, 15–60 об/хв, 7–9 м3/год), з похибками, обмеженими діапазонами 10–3 г та 10–3 мкКл. Ці характеристики демонструють його потенціал для інтелектуального керування в режимі реального часу та адаптивної оптимізації процесів електростатичного розділення при переробці пластикових відходів. Бібл. 39, табл. 3, рис. 9
Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters
Full text linkIntroduction. The integration of a static synchronous compensator (STATCOM) based on a flying capacitor multicell converter (FCMC) provides an effective solution for dynamic reactive power compensation and voltage quality improvement. The adoption of nonlinear control strategies, such as sliding mode control (SMC) and backstepping (BSC), enhances system robustness and ensures precise tracking of variables despite network nonlinearities and disturbances. Problem. Reactive, inductive or capacitive loads cause network imbalances leading to voltage sags, swells and fluctuations at the point of common coupling (PCC). These disturbances degrade power quality, reduce the power factor and place excessive stress on equipment. Moreover, high reactive power flow increases losses and decreases the overall system efficiency. Goal. This study compares the performance of SMC and BSC controllers applied to a STATCOM for PCC voltage regulation aiming to improve the power factor, effectively control reactive power and overcome the limitations of conventional controllers under network nonlinearities and voltage disturbances caused by reactive loads. Methodology. The SMC uses a sliding surface based on current errors to achieve fast and precise tracking even in the presence of disturbances. The BSC control employs Lyapunov functions to decompose the nonlinear system into controllable subsystems, ensuring overall stability. Both strategies are simulated on a 5-level flying capacitor multicell STATCOM using MATLAB/Simulink. Simulation results confirm the effectiveness of both controllers in maintaining the PCC voltage at its reference value with a very short response time (1 ms), even under reactive load variations. Precise reactive power control enables rapid compensation of fluctuations, improves the power factor and reduces harmonic distortion. The scientific novelty of this work lies in the comparative performance analysis of the nonlinear SMC and BSC controllers applied to a STATCOM based on a FCMC converter, considering network disturbances caused by reactive loads. Practical value. These nonlinear control strategies significantly enhance the stability, voltage quality, and power factor of low-voltage networks equipped with STATCOMs. References 36, tables 4, figures 18.Вступ. Інтеграція статичного синхронного компенсатора (STATCOM) на основі багатоелементного перетворювача з літаючим конденсатором (FCMC) забезпечує ефективне рішення для динамічної компенсації реактивної потужності та покращення якості напруги. Впровадження нелінійних стратегій керування, таких як ковзне керування (SMC) та зворотний крок (BSC), підвищує стійкість системи та забезпечує точне відстеження змінних, незважаючи на нелінійність та збурення мережі. Проблема. Реактивні, індуктивні або ємнісні навантаження викликають дисбаланс мережі, що призводить до знижень, збільшень та коливань напруги в точці спільного підключення (PCC). Ці збурення погіршують якість електроенергії, знижують коефіцієнт потужності та створюють надмірне навантаження на обладнання. Крім того, високий потік реактивної потужності збільшує втрати та знижує загальну ефективність системи. Мета. У цьому дослідженні порівнюється продуктивність контролерів SMC та BSC, що застосовуються до STATCOM для регулювання напруги PCC, з метою покращення коефіцієнта потужності, ефективного керування реактивною потужністю та подолання обмежень традиційних контролерів за умов нелінійності мережі та збурень напруги, спричинених реактивними навантаженнями. Методика. SMC використовує ковзну поверхню на основі похибок струму для досягнення швидкого та точного відстеження навіть за наявності збурень. Керування BSC використовує функції Ляпунова для розкладання нелінійної системи на керовані підсистеми, забезпечуючи загальну стабільність. Обидві стратегії моделюються на п’ятирівневому багатоелементному STATCOM з літаючим конденсатором за допомогою MATLAB/Simulink. Результати моделювання підтверджують ефективність обох контролерів у підтримці напруги PCC на її опорному значенні з дуже коротким часом відгуку (1 мс), навіть за коливань реактивного навантаження. Точне керування реактивною потужністю дозволяє швидко компенсувати коливання, покращує коефіцієнт потужності та зменшує гармонійні спотворення. Наукова новизна роботи полягає в порівняльному аналізі продуктивності нелінійних контролерів SMC та BSC, застосованих до STATCOM на основі перетворювача FCMC, з урахуванням мережевих збурень, спричинених реактивними навантаженнями. Практична значимість. Ці нелінійні стратегії керування значно покращують стабільність, якість напруги та коефіцієнт потужності низьковольтних мереж, оснащених STATCOM. Бібл. 36, табл. 4, рис. 18