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
Забезпечення нормованих параметрів передачі цифрових сигналів витими парами на технологічній стадії виготовлення кабелів для промислових операційних технологій
Get PDFIntroduction. In production control and control systems, buildings use many simple devices - sensors to detect light, heat, movement, smoke, humidity and pressure, mechanisms for activation and control of switches, closing devices, alarm, etc. - «operating technologies» (OT). Different communication protocols and field tire technologies, such as Modbus for conditioning systems, Bacnet for access control and Lonworks for lighting, have been traditionally used and used for their connection. Network fragmentation leads to the need to use gateways to transform protocols when creating a single automation system, which complicates the implementation of complex control systems for any object. At the same time, information networks are unified, but the Ethernet protocol used in them for operating technologies for various reasons (technological, cost) has not been widespread. Due to its high bandwidth compared to existing field tire networks, industrial Ethernet is significantly capable of increasing flexibility in the implementation of additional functions in OT. Modern industrial Ethernet networks are based on non - shielded and shielded twisted pair category 5E cables. The presence of additional metal screens in the structure of twisted pair causes the increase in electrical resistance of conductors due to the effect of closeness, the electrical capacity, and the ratio of attenuation in the range of transmission of broadband signals. Purpose. Substantiation of the range of settings of technological equipment to ensure standardized values of the extinction coefficient and immunity based on the analysis of the results of measurements in a wide frequency range of electrical parameters of shielded and unshielded cables for industrial operating technologies. Methodology. Experimental studies have been performed for statistically averaged electrical parameters of the transmission of pairs for 10 and 85 samples of 305 meters long and shielded cables of category 5e, respectively. It is determined that in the frequency range from 1 to 10 MHz, unshielded cables have less values of the attenuation coefficient. In the range of more than 30 MHz, the shielded cables have smaller values of the attenuation due to the influence of the alumopolymer tape screen. It is established that the coefficient of paired correlation between asymmetries of resistance and capacity of twisted pairs is 0,9735 - for unshielded and 0,9257 - for shielded cables. The impact has been proven to a greater extent asymmetry of resistance the pairs on the increasing noise immunity of cables. The influence noise interference on the deviation of the diameter and electrical capacity of the isolated conductor from the nominal values in the stochastic technological process is analyzed. The strategy of technological process settings to ensure the attenuation and the noise immunity in the high -frequency range is substantiated. Practical value. Multiplicative interference, caused by random changes in the stochastic technological process, can lead to a deviation of diameter 2 times from the nominal value at level of probability at 50 %. The equipment settings of the technological equipment must guarantee the coefficient of variation capacity of the insulated conductor at 0.3 % for high level of noise immunity.Сучасні мережі промислового Ethernet засновані на витих парах неекранованих та екранованих кабелів категорії 5е. Впровадження однопарного Ethernet стикається з проблемою забезпечення передачі цифрових сигналів на відстань до 1000 м зі швидкістю до 1 ГБіт/с. Виконано експериментальні дослідження статистично усереднених електричних параметрів передачі витих пар для 10 і 85 вибірок бухт довжиною 305 м неекранованих та екранованих кабелів категорії 5е відповідно. Визначено, що у діапазоні частоти від 1 до 10 МГц неекрановані кабелі мають менші значення коефіцієнту згасання. У діапазоні більше 30 МГц екрановані кабелі мають менші значення коефіцієнту згасання, що обумовлено впливом алюмополімерного екрану. Встановлено, що коефіцієнт парної кореляції між омічною та ємнісною асиметріями витих пар дорівнює 0,9735 – для неекранованого та 0,9257 – для екранованого кабелів. Доведено вплив у більшій мірі омічної асиметрії витих пар на завадостійкість кабелів. Проаналізовано вплив адитивної та мультиплікативної завад на відхилення діаметру та ємності ізольованого провідника від номінальних значень у стохастичному технологічному процесі. Обґрунтовано діапазони налаштувань технологічного процесу для забезпечення нормованих значень коефіцієнту згасання та завадостійкості витих пар у високочастотному діапазоні
Estimation of electrical resistivity of conductive materials of random shapes
Get PDFIntroduction. Electrical resistivity is an important material characteristic in the field of electrical engineering and material science. There are several methods that can be used to measure resistance, like the 4-wire method which relates the resistance to a voltage drop at a given current flow, but to define the resistivity from the resistance value requires an analytical expression for the given system which requires a sufficient mathematical apparatus for describing complicated shapes. Therefore we use finite element method computations to compute the resistivity of a metal material. This approach has been already used for different materials like concrete and aluminum in the past. We then compare this method with an analytical expression that due to intuition could approximate the solution sufficiently. After that, the same material is used again to test the electrical isotropy of the sample. Novelty. A method is developed by combining the results of experimental studies and the results of mathematical modelling of the process of determining the electrical conductivity of metals. The goal is to describe and employ a method of measuring the electrical resistivity of metal objects of random shapes. Using this method, it is possible to measure the resistivity of materials without the need to manufacture them into wires or ribbons. Methods. The solution to the problem was carried out by the finite element method via the COMSOL Multiphysics 5.6 simulation program in a cartesian coordinate system and the resistance between two points of the metal sample was measured by the 4-wire method. Results. A similar resistance value was obtained when the measuring terminals were placed in different places. The difference between them was within 1,5 % and the obtained values were close to the values given by the literature for the electrical resistivity of electrical steels. Terminal size influences the measured conductivity and a max error of 5,2 % was estimated. Practical value. A method of estimating the resistivity of materials without the need to manufacture them into specific shapes, like wires or ribbons, for which analytical expressions between resistivity and resistance are easily derived.Вступ. Питомий електричний опір є важливою характеристикою матеріалу в галузі електротехніки та матеріалознавства. Існує кілька методів, які можна використовувати для вимірювання опору, наприклад, 4-провідний метод, який пов’язує опір з падінням напруги при заданому струмі, але для визначення питомого опору за значенням опору потрібен аналітичний вираз для даної системи, який вимагає достатнього математичного апарату для опису складних форм. Тому ми використовуємо розрахунки методом скінченних елементів до розрахунку питомого опору металевого матеріалу. Цей підхід вже використовувався в минулому для різних матеріалів, таких як бетон та алюміній. Потім ми порівнюємо цей метод з аналітичним виразом, який завдяки інтуїції може достатньо апроксимувати рішення. Після цього матеріал знову використовується для перевірки електричної ізотропії зразка. Новизна. Розроблено метод шляхом поєднання результатів експериментальних досліджень та результатів математичного моделювання процесу визначення електропровідності металів. Мета – описати та застосувати метод вимірювання питомого електичного опору металевих предметів довільної форми. Використовуючи цей метод, можна вимірювати питомий опір матеріалів без необхідності виготовлення дротів або стрічок. Методи. Розв’язання задачі здійснювалося методом скінченних елементів за допомогою програми моделювання COMSOL Multiphysics 5.6 у декартової системі координат, а опір між двома точками металевого зразка вимірювався 4-провідним методом. Результати. Отримано аналогічне значення опору під час розміщення вимірювальних клем у різних місцях. Різниця між ними знаходилася в межах 1,5% і отримані значення були близькими до наведених у літературі значень електричного опору електротехнічних сталей. Розмір клеми впливає на провідність, що вимірюється, максимальна похибка становить 5,2 %. Практична цінність. Метод оцінки питомого опору матеріалів без необхідності надання їм певної форми, наприклад, дроту або стрічок, для якого легко отримати аналітичні вирази між питомим опором та опором
Frequency analysis of stator currents of an induction motor controlled by direct torque control associated with a fuzzy flux estimator
Get PDFIntroduction. The best way to control the torque of an induction motor is conventional direct torque control (DTC); this control method is the most used approach in the industrial sector due to its many advantages. Its main advantages are its simplicity and its exclusive dependence on the stator resistance of the induction motor. However, the use of hysteresis comparators reduces its effectiveness, causing more torque ripple. Additionally, this results in variable operating frequency and limited frequency sampling, resulting in pseudo-random overshoot of the hysteresis band. Purpose. For these reasons, this article presents a new study aimed at confirming its shortcomings and improving the effectiveness of the control. Novelty. We propose to use fuzzy logic methods to estimate the two components of the stator flux. Methods. In traditional DTC the flux components are estimated from an equation relating the stator resistance to the stator voltage and current. In the proposed method, only stator currents and voltages are used for this evaluation, which eliminates the dependence of DTC on stator resistance. The aim of this proposal is to make DTC robust to parametric changes. Results. General harmonic distortions, rotational speed of the induction motor, electromagnetic moment, magnetic flux and stator currents are analyzed. Practical value. With this proposed technique, validated in Simulink/MATLAB, several improvements in motor behavior and control are endorsed: torque fluctuations are reduced, overshoot is completely eliminated, and total harmonic distortion is significantly reduced by 48.31 % for stator currents. This study also confirmed the robustness of DTC to changes in stator resistance.Вступ. Найкращим способом управління крутним моментом асинхронного двигуна є традиційне пряме управління крутним моментом (DTC); цей метод управління є найбільш використовуваним у промисловому секторі через його численні переваги. Його основними перевагами є простота та виключна залежність від опору статора асинхронного двигуна. Однак використання гістерезисних компараторів знижує його ефективність, викликаючи велику пульсацію крутного моменту. Крім того, це призводить до зміни робочої частоти та обмеження вибірки частоти, що призводить до псевдовипадкового виходу за межі смуги гістерезису. Мета. З цих причин у цій статті представлено нове дослідження, спрямоване на підтвердження його недоліків та підвищення ефективності контролю. Новизна. Ми пропонуємо використовувати методи нечіткої логіки з метою оцінки двох компонентів потоку статора. Методи. У традиційному DTC компоненти потоку оцінюються за рівнянням, що зв'язує опір статора з напругою та струмом статора. У запропонованому методі цієї оцінки використовуються лише струми і напруги статора, що виключає залежність DTC від опору статора. Мета цієї пропозиції – зробити DTC стійким до параметричних змін. Результати. Аналізуються загальні гармонічні спотворення, швидкість обертання асинхронного двигуна, електромагнітний момент, магнітний потік та струми статору. Практична цінність. За допомогою цього запропонованого методу, перевіреного в Simulink/MATLAB, підтверджено кілька покращень у поведінці та управління двигуном: коливання крутного моменту зменшуються, перерегулювання повністю усувається, а загальні гармонічні спотворення значно зменшуються на 48,31% для струмів статора. Це дослідження підтвердило стійкість DTC до змін опору статора
Performance investigations of five-level reduced switches count Η-bridge multilevel inverter
Get PDFIntroduction. This research paper describes a simple five-level single-phase pulse-width modulated inverter topology for photovoltaic grid applications. Multilevel inverters, as opposed to conventional two-level inverters, include more than two levels of voltage while using multiple power switches and lower-level DC voltage levels as input to produce high power, easier, and less modified oscillating voltage. The H-bridge multilevel inverter seems to have a relatively simple circuit design, needs minimal power switching elements, and provides higher efficiency among various types of topologies for multi-level inverters that are presently accessible. Nevertheless, using more than one DC source for more than three voltage levels and switching and conduction losses, which primarily arise in major power switches, continue to be a barrier. The novelty of the proposed work consists of compact modular inverter configuration to connect a photovoltaic system to the grid with fewer switches. Purpose. The proposed system aims to decrease the number of switches, overall harmonic distortions, and power loss. By producing distortion-free sinusoidal output voltage as the level count rises while lowering power losses, the constituted optimizes power quality without the need for passive filters. Methods. The proposed topology is implemented in MATLAB/Simulink with gating pulses and various pulse width modulation technique. Results. With conventional topology, total harmonic distortion, power switches, output voltage, current, power losses, and the number of DC sources are investigated. Practical value. The proposed topology has proven to be extremely useful for deploying photovoltaic-based stand-alone multilevel inverters in grid applications.Вступ. У цій дослідницькій статті описується проста топологія п’ятирівневого однофазного інвертора із широтно-імпульсною модуляцією для фотоелектричних мереж. Багаторівневі інвертори, на відміну від звичайних дворівневих інверторів, включають більше двох рівнів напруги при використанні кількох перемикачів потужності та рівнів постійної напруги нижчого рівня на вході для створення більш потужної, простішої і менш модифікованої коливальної напруги. Багаторівневий інвертор з H-мостом, мабуть, має відносно просту схему, вимагає мінімальної кількості елементів, що перемикають, і забезпечує більш високу ефективність серед різних типів топологій багаторівневих інверторів, які доступні в даний час. Тим не менш, використання більше одного джерела постійного струму для більш ніж трьох рівнів напруги, а також втрати на перемикання та провідність, які в першу чергу виникають в основних силових перемикачах, як і раніше, залишаються перешкодою. Новизна запропонованої роботи полягає у компактній модульній конфігурації інвертора для підключення фотоелектричної системи до мережі з меншою кількістю перемикачів. Мета. Пропонована система спрямована на зменшення кількості перемикачів, загальних гармонічних спотворень та втрат потужності. Створюючи синусоїдальну вихідну напругу без спотворень у міру збільшення рівня та одночасно знижуючи втрати потужності, перетворювач оптимізує якість електроенергії без необхідності використання пасивних фільтрів. Методи. Запропонована топологія реалізована в MATLAB/Simulink з використанням стробуючих імпульсів та різних методів широтно-імпульсної модуляції. Результати. За традиційної топології досліджуються загальні гармонічні спотворення, силові ключі, вихідна напруга, струм, втрати потужності та кількість джерел постійного струму. Практична цінність. Запропонована топологія виявилася надзвичайно корисною для розгортання автономних багаторівневих інверторів на фотоелектричній основі у мережних додатках
A maximum power point tracking of a photovoltaic system connected to a three-phase grid using a variable step size perturb and observe algorithm
Get PDFPurpose. The production of electricity from solar energy is necessary because of the global consumption of this energy. This article’s study is based on increased energy extraction by improving maximum power point tracking (MPPT). From different MPPT techniques proposed, the perturb and observe (P&O) technique is developed because of its low implementation cost and ease of implementation. Methods. A modified variable step-size P&O MPPT algorithm is investigated which uses fuzzy logic to automatically adjust step-size to better track maximum power point, compared with the conventional fixed step-size method. The variable step P&O improves the speed and the tracking accuracy. This controller is implemented on a boost DC-DC power converter to track the maximum power point. The suggested controlled solar energy system includes a boost converter, a voltage-source inverter, and a grid filter. The control scheme of a three-phase current-controlled pulse-width modulation inverter in rotating synchronous coordinate d-q with the proposed MPPT algorithm and feed-forward compensation is studied. Results. The photovoltaic grid-connected system controller employs multi-loop control with the filter inductor current of the inverter in the inner loop to achieve a fast dynamic response and the outer loop to control bus voltage for MPPT, the modeling, and control of three phase grid connected to photovoltaic generator is implemented in the MATLAB/Simulink environment and validated by simulation results.Мета. Виробництво електроенергії із сонячної енергії необхідне через глобальне споживання цієї енергії. Дослідження цієї статті ґрунтується на збільшенні вилучення енергії за рахунок покращення відстеження точки максимальної потужності (MPPT). З різних запропонованих методів MPPT був розроблений метод збурення та спостереження (P&O) через його низьку вартість реалізації та простоту реалізації. Методи. Досліджується модифікований алгоритм P&O MPPT зі змінним розміром кроку, який використовує нечітку логіку для автоматичного налаштування розміру кроку для кращого відстеження точки максимальної потужності порівняно із звичайним методом фіксованого розміру кроку. Змінний крок P&O підвищує швидкість та точність відстеження. Цей контролер реалізований на перетворювачі, що підвищує потужності постійного струму для відстеження точки максимальної потужності. Пропонована керована сонячна енергетична система включає підвищуючий перетворювач, інвертор джерела напруги і мережевий фільтр. Досліджується схема управління трифазним струмокерованим інвертором з широтно-імпульсною модуляцією в синхронній координаті, що обертається, d-q із запропонованим алгоритмом MPPT і попереджувальною компенсацією. Результати. Контролер фотоелектричної системи, підключеної до мережі, використовує багатоконтурне керування зі струмом індуктора фільтра інвертора у внутрішньому контурі для досягнення швидкого динамічного відгуку та зовнішнім контуром для керування напругою шини для MPPT, моделювання та керування трифазною мережею. підключений до фотогальванічного генератора, реалізований у середовищі MATLAB/Simulink та підтверджений результатами моделювання
Визначення ймовірності удару блискавки в елементи об’єкта з урахуванням статистичного розподілу сили струму
Get PDFProblem. Modern international standards in the field of lightning protection, when assessing the probability of a lightning strike into an object, do not take into account the statistical distribution of the lightning current. Goal. Justification of the expediency of taking into account the statistical distribution of the lightning current with a determined probability of lightning striking the elements of the object, and the effectiveness of the application of the improved «rolling sphere» method. Methodology. Method of mathematical modeling, based on RSM with additional consideration of the probability distribution of lightning current. Results. The expediency of taking into account the statistical distribution of lightning current at the determined probability of lightning striking the elements of the object has been proven. The effectiveness of the improved «rolling sphere» method, implemented in the form of a computer program, which takes into account the given probability distribution of lightning current in the range from 2 kA to 200 kA, has been proved. The expediency of introducing the concept of «average value of the area of the collection area» is substantiated, taking into account the probability of lightning with a current in a given range. It has been established that the application of the standardized formula leads to a significant (many times) overestimation of the predicted number of lightning strikes to the object, if the height of the object exceeds 20 m. The reasons for the difference, according to the author, are due to the following properties of the standardized methodology: usually, the real shape of the object is not taken into account; statistical distribution of lightning current is not taken into account; it is based on the results of experimental studies obtained mainly for mast or rod-type objects in laboratory conditions with a limited discharge interval. Practical value. This approach will provide an opportunity to optimize the layout of lightning arresters during the restoration of objects, taking into account green reconstruction. The obtained results are proposed for consideration by the Technical Committee TC 81 IEC for inclusion in the next editions of the standards.В роботі розглянуто застосування методу «сфери що котиться» до об’єктів інфраструктури у вигляді території, яка включає будівлі та споруди довільної форми. Запропоновано алгоритм урахування статистичного розподілу ймовірності сили струму блискавки для визначення ймовірності влучення блискавки у елементи об’єкту. Визначено, що не урахування цього аспекту у сучасних нормативних документах, призводить до суттєвих помилок. Такий підхід наддасть можливість оптимізувати схему розміщення блискавкоприймачів під час відновлення об’єктів з урахуванням зеленої реконструкції
Електромеханічні та теплофізичні процеси в імпульсному індукційному прискорювачі плазмового утворення
Get PDFIntroduction. Work on the creation and throwing of plasma formations is carried out in the world's leading scientific centers in various ways. The creation of a plasma formation with duration of several milliseconds and its acceleration in an open atmospheric environment to a distance of 0.5-0.6 m was achieved. To create plasma, the energy of the primary discharge circuit is used, followed by the acceleration of the gas-plasma formation with the help of the energy of the secondary circuit. Plasma formation is also obtained due to the electric explosion of a conductor in a rapidly decreasing strong magnetic field, etc. The purpose of the article is a theoretical and experimental study of electromechanical and thermophysical processes in a pulsed induction accelerator, which ensures the creation of plasma formation due to thermal ionization as a result of the electric explosion of the conductor and its throwing in the atmospheric environment relative to the inductor. Method. For the analysis of electromechanical and thermophysical processes in the pulse induction accelerator of plasma formation (IIPP), a mathematical model of the accelerator was developed and implemented in the Сomsol Multiphysics software package, in which the anchor does not change its shape and aggregate state during operation and takes into account the parameters of the accelerator distributed in space. Results. Calculated electromechanical and thermal characteristics of the accelerator. It is shown that the temperature rise in the aluminum foil anchor is significantly uneven. The maximum temperature value occurs in the middle part of the foil closer to the outer edge, and this temperature is significantly higher than the boiling point of aluminum. Scientific novelty. Experimental studies of the IIPP were carried out, in which the armature is made of aluminum and copper foil, and the inductor connected to the high-voltage capacitive energy storage device is made in the form of a flat disk spiral. It was established that during the operation of the IIPP, the armature goes into a plasma state and moves vertically upwards, turning into a three-dimensional lump or a pile of small particles that rose to a considerable height relative to the inductor. Experimentally, the characteristic circular circuit of thermal heating of the copper foil of the anchor, which is fixed on a glass-textolite sheet, is shown, which indicates a similar nature of plasma formation. Practical value. The results of experimental studies with an accuracy of up to 15 % coincide with the calculated ones and show the validity of the IIPP concept, in which, due to the high density of the induced current in the armature, thermal ionization occurs as a result of an electric explosion of the conductor with its transition to the plasma state. And the interaction of the plasma formation with the magnetic field of the inductor leads to the appearance of an electrodynamic force that ensures its movement in the open atmospheric environment.Вступ. Роботи по створенню та метанню плазмових утворень різними способами ведуться в провідних наукових центрах світу. Досягнуто формування плазмового утворення тривалістю декілька мілісекунд та його метання у відкритому атмосферному середовищі на відстань 0,5-0,6 м. Для створення плазми використовують енергію первинного розрядного кола з подальшим прискоренням газоплазмового утворення за допомогою енергії вторинного кола. Плазмове утворення отримують і за рахунок електричного вибуху провідника. Метою статті є теоретичне та експериментальне дослідження електромеханічних та теплофізичних процесів в імпульсному індукційному прискорювачі, який забезпечує формування плазмового утворення за рахунок термічної іонізації в результаті електричного вибуху провідника та метання його у атмосферному середовищі відносно індуктора. Методика. Для аналізу електромеханічних та теплофізичних процесів в імпульсному індукційному прискорювачі плазмового утворення (ІІПП) розроблена і реалізована в програмному пакеті Сomsol Multiphysics математична модель прискорювача, в якій якір не змінює своєї форми і агрегатного стану в процесі роботи та враховує розподілені у просторі параметри. Результати. Розраховані електромеханічні і теплові характеристики прискорювача. Показано, що перевищення температури в якорі, що виконаний у вигляді алюмінієвої фольги, суттєво нерівномірно. Максимальне значення температури має місце в середній частині фольги ближче до зовнішнього краю, причому ця температура значно перевищує температуру кипіння алюмінію. Наукова новизна. Проведені експериментальні дослідження ІІПП, у якого якір виконаний з алюмінієвої та мідної фольги, а індуктор, що підключається до високовольтного ємнісного накопичувача енергії, виконаний у вигляді плоскої дискової спіралі. В процесі роботи ІІПП якір переходить в плазмовий стан і переміщується вертикально вверх, перетворюючись в об’ємний комок, або на скупчення маленьких частинок, які здіймались на декілька метрів відносно індуктора. Експериментально показано характерний круговий контур термічного нагрівання мідної фольги якоря, яка закріплена на листі склотекстоліту. Практична цінність. Результати експериментальних досліджень з точністю до 15 % співпадають з розрахунковими і показують справедливість концепції ІІПП, в якому за рахунок високої густини індукованого струму в якорі відбувається термічна іонізація в результаті електричного вибуху провідника з переходом його в плазмовий стан. Взаємодія плазмового утворення з магнітним полем індуктора призводить до появи електродинамічної сили, яка забезпечує його переміщення у відкритому атмосферному середовищі на декілька метрів
Термомеханічні навантаження ізоляції обмотки статора потужного турбогенератора за наявності дефектів водяного охолодження
Get PDFIntroduction. An analysis of incidents linked to power units’ emergency disconnecting from network as a result of turbogenerators’ malfunction on the NPP of Ukraine is conducted. It is identified, that the reason of the majority of incidents is an insufficient reliability of the stator winding’s direct cooling system. Problem. The most problematic point in winding for today is the frontal parts, where, while cooling is reduced, there are not only thermal, but also thermomechanical loadings on an insulation appearing. The level of these loading depends on structural design of frontal parts and a character of violation of coolant agent circulation in a bar. In some cases they can exceed limit values. The spread and the quality of research on this issue for today are insufficient. Goal. The aim of the completed research is to determine the thermomechanical loading of insulation of stator winding bar in a powerful turbogenerator with a direct liquid cooling under condition when coolant circulation is malfunctioned. Methodology. A complex mathematical model of thermomechanical processes in an insulation of stator winding bar of a powerful turbogenerator is developed. It takes into account the real geometry of the winding bar, variable thermal loading of core elements in radial and axial directions, as well as ways of fixation of slot and frontal winding parts. Studies of thermomechanical processes in an insulation of stator winding bar of turbogenerator are conducted. Results. Values of mechanical displacement and stress for the different modes of malfunction are obtained. Areas of bar, where mechanical loading may exceed the boundaries of mechanical durability of material of insulation of stator winding are identified. With decline of coolant liquid consumption the radial displacement and stress in the winding insulation bar in the area, where the bar exits from the slot are increasing along with that the values of radial stress of insulation of the winding bar in places of frontal parts’ fixation exceed limit values. Practical significance. The offered mathematical models allow to realize calculation experiments and can be used in practice for development and validation of diagnostic systems, analysis, design and investigation of emergency situations during exploitation of turbogenerators on power stations of Ukraine.Проведено аналіз інцидентів на АЕС України, пов’язаних із аварійним відключенням енергоблоків від мережі внаслідок відмов турбогенераторів. Встановлено, що причиною більшості із них є недостатня надійність системи безпосереднього охолодження обмотки статора. Найбільш проблемним вузлом обмотки на сьогодні є лобові частини, де при порушеннях охолодження окрім теплового виникають термомеханічні навантаження ізоляції. Рівень цих навантажень залежить від конструктивного виконання лобової частини і характеру порушення циркуляції холодоагенту в стержні. В деяких випадках вони можуть перевищувати граничні значення. Кількість і якість досліджень з цієї проблеми на сьогодні є недостатніми. Метою виконаного дослідження є визначення термомеханічних навантажень ізоляції стержня обмотки статора потужного турбогенератора з безпосереднім рідинним охолодженням при порушеннях циркуляції холодоагенту. Розроблена комплексна математична модель термомеханічних процесів в ізоляції стержнів обмотки статора потужного турбогенератора, що враховує реальну геометрію стержня обмотки, змінні теплові навантаження елементів осердя в радіальному та аксіальному напрямках, а також умови закріплення пазової та лобової частин обмотки. Проведені дослідження термомеханічних процесів в ізоляції стержня обмотки статора потужного турбогенератора. Отримані значення механічних переміщень і напружень для різних видів порушень. Встановлені ділянки стержня, на яких значення механічних навантажень при певних умовах можуть перевищувати межі механічної міцності матеріалу ізоляції обмотки статора. Зі зниженням витрати дистиляту збільшуються радіальні переміщення і напруження в ізоляції стержня обмотки в зоні виходу стержня із паза. При цьому значення радіальних напружень в ізоляції в місцях закріплення лобових частин перевищують припустимі значення. Запропоновані математичні моделі дозволяють реалізувати обчислювальні експерименти і можуть бути використані на практиці для створення та відпрацювання систем діагностики, аналізу, моделювання і розслідування аварійних ситуацій при експлуатації турбогенераторів на електростанціях України
Model reference adaptive system speed estimator based on type-1 and type-2 fuzzy logic sensorless control of electrical vehicle with electrical differential
Get PDFIntroduction. In this paper, a new approach for estimating the speed of in-wheel electric vehicles with two independent rear drives is presented. Currently, the variable-speed induction motor replaces the DC motor drive in a wide range of applications, including electric vehicles where quick dynamic response is required. This is now possible as a result of significant improvements in the dynamic performance of electrical drives brought about by technological advancements and development in the fields of power commutation devices, digital signal processing, and, more recently, intelligent control systems. The system’s reliability and robustness are improved, and the cost, size, and upkeep requirements of the induction motor drive are reduced through control strategies without a speed sensor. Successful uses of the induction motor without a sensor have been made for medium- and high-speed operations. However, low speed instability and instability under various charge perturbation conditions continue to be serious issues in this field of study and have not yet been effectively resolved. Some application such as traction drives and cranes are required to maintain the desired level of torque down to low speed levels with uncertain load torque disturbance conditions. Speed and torque control is more important particularly in motor-in-wheel traction drive train configuration where vehicle wheel rim is directly connected to the motor shaft to control the speed and torque. Novelty of the proposed work is to improve the dynamic performance of conventional controller used of model reference adaptive system speed observer using both type-1 and type-2 fuzzy logic controllers. Purpose. In proposed scheme, the performance of the engine is being controlled, fuzzy logic controller is controlling the estimate rotor speed, and results are then compared using type-1 and type-2. Method. For a two-wheeled motorized electric vehicle, a high-performance sensorless wheel motor drive based on both type-2 and type-1 fuzzy logic controllers of the model reference adaptive control system is developed. Results. Proved that, using fuzzy logic type-2 controller the sensorless speed control of the electrical differential of electric vehicle EV observer, much better results are achieved. Practical value. The main possibility of realizing reliable and efficient electric propulsion systems based on intelligent observers (type-2 fuzzy logic) is demonstrated. The research methodology has been designed to facilitate the future experimental implementation on a digital signal processor.Вступ. У цій роботі представлений новий підхід до оцінки швидкості колісних електромобілів із двома незалежними задніми приводами. В даний час асинхронний двигун із регульованою швидкістю замінює двигун постійного струму в широкому діапазоні застосувань, включаючи електромобілі, де потрібний швидкий динамічний відгук. Тепер це можливо внаслідок значного покращення динамічних характеристик електроприводів, викликаного технологічними досягненнями та розробками в галузі пристроїв комутації потужності, цифрової обробки сигналів та останнім часом інтелектуальних систем управління. Надійність та стійкість системи підвищуються, а вартість, розмір та вимоги до обслуговування асинхронного двигуна знижуються завдяки стратегіям керування без датчика швидкості. Успішне використання асинхронного двигуна без датчика було виконано для роботи на середніх та високих швидкостях. Проте низькошвидкісна нестабільність і нестабільність за умов збурення заряду продовжують залишатися серйозними проблемами у цій галузі досліджень і досі не вирішені ефективно. У деяких застосуваннях, таких як тягові приводи та крани, потрібно підтримувати бажаний рівень крутного моменту аж до низьких рівнів швидкості з невизначеними умовами збурення крутного моменту навантаження. Контроль швидкості і крутного моменту більш важливий, особливо в конфігурації тягової трансмісії з двигуном в колесі, де обід колеса транспортного засобу безпосередньо з'єднаний з валом двигуна для управління швидкістю і крутним моментом. Новизна запропонованої роботи полягає у поліпшенні динамічних характеристик звичайного регулятора, що використовується в еталонній моделі спостерігача швидкості адаптивної системи з використанням регуляторів нечіткої логіки як першого, так і другого типу. Мета. У запропонованій схемі контролюються характеристики двигуна, нечіткий логічний контролер управляє оцінною частотою обертання ротора, а потім порівнюються результати з використанням типу 1 і типу 2. Метод. Для двоколісного моторизованого електромобіля розроблено високопродуктивний бездатчиковий двигун-привід коліс на основі нечітких логічних контролерів як 2-го, так і 1-го типів еталонної системи адаптивного управління. Результати. Доведено, що з використанням регулятора нечіткої логіки 2-го типу для бездатчикового управління швидкістю EV-спостерігача електричного диференціала електромобіля досягаються значно кращі результати. Практична цінність. Показано принципову можливість реалізації надійних та ефективних електрореактивних рухових установок на основі інтелектуальних спостерігачів (нечітка логіка 2-го типу). Розроблено методологію дослідження для полегшення майбутньої експериментальної реалізації на цифровому сигнальному процесорі
Чисельно-польовий аналіз активних і реактивних параметрів обмоток і механічна характеристика асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором
Get PDFIntroduction. The active and reactive (inductive) winding resistances of three-phase asynchronous motors (IM) are investigated. These important parameters are determined during design and are the basis for calculating a number of energy parameters and characteristics. Problem. In the classical design of IM, the winding resistances are determined with insufficient accuracy due to a number of assumptions and conventions. Especially it concerns the operation of IM with increased slip and it affects the accuracy of realization of its design data, starting parameters and characteristics. Goal. The paper aims to further develop the IM design system by numerical-field computational analysis of active and reactive resistances of the IM windings in the whole range of changes in its slip and calculation of the mechanical characteristic of IM to confirm the adequacy of the calculations of these resistances. Methodology. Resistances of the IM windings are determined by numerous calculations of the magnetic fields of dispersion with the FEMM program within stator and rotor teeth steps, and with current displacement in a squirrel-cage rotor core. Everything is done in the slip range when operating from start-up to idle with changing currents in the slots and the corresponding magnetic saturation of the core teeth. A Lua script has been created for the calculations, controlling the FEMM program and providing automation of all calculations. Results. The numerical-field method shows that the classical design method gives very large errors in determining the magnetic conductivities of IM slot dispersion, as well as current displacement in the bars of the squirrel-cage rotor winding. This is especially evident with increased slips in the start-up mode. Originality. Numerical estimates of the differences between the classical and numerical-field methods are given and the origin of errors is analyzed: the strong saturation of the teeth of the stator and rotor cores. This leads to a significant decrease in the magnetic conductivities of slot dispersion and the practical absence of current displacement in the rotor bars, on which the main emphasis was previously made. The obtained results made it possible to calculate the mechanical characteristic of the IM according to a transparent formula without the use of correction coefficients and reference graphical functions. Practical value. The provided technique of numerical-field analysis and the obtained results of the calculation of active and reactive winding resistances and mechanical characteristic are recommended as a basis for the improvement of the IM design system.Досліджуються реактивні (індуктивні) опори розсіяння і активні опори обмоток трифазних асинхронних двигунів (ТАД). Ці їхні важливі параметри визначаються при проєктуванні і є основою для розрахунку низки енергетичних параметрів та характеристик. При класичному проєктуванні ТАД опори обмоток визначаються з недостатньою точністю через низку припущень і умовностей. Особливо це стосується роботи ТАД з підвищеним ковзанням і відбивається на точності реалізації його проєктних даних, пускових параметрів та характеристик. Метою роботи є подальший розвиток системи проєктування ТАД шляхом чисельно-польового розрахункового аналізу активних і реактивних опорів обмоток ТАД у всьому діапазоні зміни його ковзання, і розрахунок механічної характеристики ТАД для підтвердження адекватності розрахунків цих опорів. Опори обмоток ТАД визначаються чисельними розрахунками магнітних полів розсіяння програмою FEMM у межах зубцевих кроків статора і ротора, а в стрижні короткозамкненого ротора – з витісненням струму. Все робиться у діапазоні ковзання при роботі від пуску до неробочого ходу зі зміною струмів в пазах і відповідного магнітного насичення зубців осердь. Для розрахунків створено скріпт Lua, який керує програмою FEMM і забезпечує автоматизацію усіх обчислень. Чисельно-польовим методом показано, що класична методика проєктування дає дуже великі похибки у визначенні магнітних провідностей пазового розсіяння ТАД, а також витіснення струму в стрижнях короткозамкненої обмотки ротора. Особливо це проявляється при підвищених ковзаннях у пусковому режимі. Надано числові оцінки розходжень класичного і чисельно-польового методів і проаналізовано походження похибок – сильне насичення зубців осердь статора і ротора. Це призводить до значного зменшення магнітних провідностей пазового розсіяння і практичної відсутності витіснення струму в стрижнях ротора, на яке раніше робився основний акцент. Отримані результати дозволили розрахувати механічну характеристику ТАД за прозорою формулою без використання коригувальних коефіцієнтів і довідникових графічних функцій. Надана методика чисельно-польового аналізу і отримані результати розрахунку опорів обмоток та механічної характеристики рекомендуються як основа для удосконалення системи проєктування ТАД