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
Використання сплавів з пам’яттю форми у запобіжниках для захисту електричних установок
No full textProblem. The degree of damage to electrical installations during short circuits depends on the response time of the protection. An effective way to enhance the current-limiting effect in electrical fuses (reducing their response time) may be the use of shape memory alloy (SMA) elements. However, this requires careful study and research. The goal of the work is to establish the patterns of strengthening the current-limiting effect of a fuse (reducing the response time) when using thermosensitive elements made of shape memory alloys. The achievement of this goal is based on the analysis of experimental studies conducted by the authors and mathematical models of the characteristics of a fuse containing an SMA element. Methodology. The article presents mathematical modelling of the parameters and characteristics of fuses with thermomechanical destruction of the fuse element, as well as a thermophysical model of a fuse with a thermosensitive SMA element. The article presents the results of experimental studies of a traditional fuse and a fuse equipped with a thermosensitive SMA element. For each current, the response time of the modified fuse was shorter than that of the traditional fuse. The use of a thermosensitive element reduced the response time by more than 20 times for a current of 10 A and approximately 10 times (from 0.257 s to 0.0244 s) for a current of 20 A. For the highest tested current (90 A), the fuse response time was half that of a traditional fuse. The article also presents the results of calculations of fuse characteristics using a mathematical model and a comparison with the results of experimental studies. Scientific novelty. The developed mathematical models of the characteristics of electrical fuses containing SMA elements made it possible for the first time to substantiate the interrelationships between the parameters (geometric dimensions and characteristics of SMA elements, fuse links) with current loads of electrical installations. The practical value of the work lies in the proposed use of thermosensitive elements made of functional materials to increase the current-limiting effect of electrical fuses for protecting electrical installations during short circuits. References 19, tables 2, figures 7.Проблема. Ступінь пошкодження електроустановок при коротких замиканнях залежить від часу спрацювання захисту. Ефективним способом покращення струмообмежуючого ефекту в електричних запобіжниках (зменшення часу їх спрацювання) може бути застосування елементів із сплавів з ефектом пам’яті форми. Проте, це потребує ретельного вивчення та дослідження. Метою роботи є встановлення закономірностей покращення струмообмежувального ефекту запобіжника (зменшення часу спрацьовування) при застосуванні термочутливих елементів із сплаву з пам’яттю форми (SMA – shape memory alloy). Досягнення мети базується на аналізі проведених авторами експериментальних досліджень і побудованих математичних моделях характеристик запобіжника, що містить елемент SMA. Методика. У статті представлено математичне моделювання параметрів і характеристик запобіжників з термомеханічним руйнуванням запобіжного елемента, а також теплофізичну модель запобіжника з термочутливим елементом SMA. У статті представлені результати експериментальних досліджень традиційного запобіжника та запобіжника, оснащеного термочутливим елементом SMA. Для кожного струму час спрацьовування модифікованого запобіжника був коротшим, ніж у традиційного запобіжника. Використання термочутливого елемента скоротило час спрацьовування більш ніж у 20 разів для струму 10 А і приблизно в 10 разів (з 0,257 с до 0,0244 с) для струму 20 А. Для найбільшого випробуваного струму (90 А) час спрацьовування запобіжника був удвічі меншим, ніж у традиційного запобіжника. Наведено результати розрахунків характеристик запобіжника за допомогою математичної моделі та порівняння з результатами експериментальних досліджень. Наукова новизна. Розроблені математичні моделі характеристик запобіжників, що містять елементи SMA, дозволили вперше обґрунтувати взаємозв’язки параметрів (геометричних розмірів і характеристик елементів SMA, плавких вставок запобіжників) зі струмовими навантаженнями електроустановок. Практична значимість роботи полягає у пропонованому використанні термочутливих елементів з функціональних матеріалів для підвищення струмообмежувальної дії запобіжників для захисту електроустановок при коротких замиканнях. Бібл. 19, табл. 2, рис. 7
Efficient and reliable scheduling of power generating units in the unit commitment problem using the Tardigrade optimization algorithm
Full text linkIntroduction. The unit commitment (UC) problem is a critical operational task in power systems, involving the optimal scheduling of generating units while meeting demand, satisfying technical constraints, and minimizing operating costs. Due to its combinatorial nature, nonlinear characteristics, and numerous interdependent constraints, UC poses a highly complex optimization challenge. Metaheuristic algorithms have demonstrated strong potential in addressing such large-scale problems; however, many existing methods struggle to maintain a proper exploration–exploitation balance, limiting their performance in dynamic UC environments. Problem. Traditional metaheuristic algorithms often suffer from premature convergence, inadequate local refinement, or dependency on control parameters that require tuning. Such limitations reduce robustness and adaptability when dealing with UC’s intricate search landscape. Therefore, there is a need for a parameter-free, self-adaptive optimization algorithm capable of reliably solving UC with high efficiency and convergence stability. The goal of this study is to develop an efficient and reliable scheduling framework for power generating units in the UC problem by employing the tardigrade optimization algorithm (TOA) and to demonstrate its effectiveness compared with established optimization techniques. Methodology. TOA is inspired by the active and cryptobiotic survival behaviors of tardigrades. The exploration phase imitates active adaptive locomotion to broaden global search, while the exploitation phase abstracts cryptobiotic stability to refine solutions locally. These mechanisms are formulated through adaptive state-transition operators that adjust search behavior automatically without external parameters. TOA is applied to a 24-hour UC problem consisting of 10 generating units under realistic load and operational constraints. Its performance is benchmarked against 6 widely used metaheuristic algorithms. Results. The proposed TOA achieves the lowest total operating cost, exhibits strong convergence behavior, and demonstrates high consistency across independent runs, outperforming all comparative methods. The scientific novelty lies in introducing a biologically inspired, parameter-free, self-adaptive metaheuristic algorithm. Its practical value is validated through superior performance in UC scheduling, indicating strong potential for broader power system optimization tasks. References 21, tables 3, figures 3.Вступ. Проблема зобов’язань за потужністю одиниць (UC) є критично важливим операційним завданням в енергетичних системах, що включає оптимальне планування генеруючих блоків з одночасним задоволенням попиту, технічних обмежень та мінімізацією експлуатаційних витрат. Через свою комбінаторну природу, нелінійні характеристики та численні взаємозалежні обмеження, UC створює дуже складну задачу оптимізації. Метаевристичні алгоритми продемонстрували значний потенціал у вирішенні таких масштабних проблем, однак багато існуючих методів мають труднощі з підтримкою належного балансу між розвідкою та експлуатацією, що обмежує їхню продуктивність у динамічних середовищах UC. Проблема. Традиційні метаевристичні алгоритми часто страждають від передчасної збіжності, недостатнього локального уточнення або залежності від параметрів керування, які потребують налаштування. Такі обмеження знижують стійкість та адаптивність при роботі зі складним ландшафтом пошуку UC. Тому існує потреба в безпараметричному, самоадаптивному алгоритмі оптимізації, здатному надійно вирішувати UC з високою ефективністю та стабільністю збіжності. Метою роботи є розробка ефективної та надійної системи планування роботи енергоблоків у задачі оптимізації енергосистеми з використанням алгоритму оптимізації тихоходок (TOA) та демонстрація її ефективності порівняно з існуючими методами оптимізації. Методика. TOA натхненний активною та криптобіотичною поведінкою тихоходок, спрямованою на виживання. Фаза дослідження імітує активне адаптивне пересування для розширення глобального пошуку, тоді як фаза експлуатації абстрагує криптобіотичну стабільність для локального уточнення рішень. Ці механізми формулюються за допомогою адаптивних операторів переходу станів, які автоматично коригують поведінку пошуку без зовнішніх параметрів. TOA застосовується до 24-годинної задачі UC, що складається з 10 генеруючих блоків за реальних обмежень навантаження та експлуатації. Його продуктивність порівнюється з 6 широко використовуваними метаевристичними алгоритмами. Результати. Запропонований TOA досягає найнижчих загальних експлуатаційних витрат, демонструє значну поведінку збіжності та демонструє високу узгодженість у незалежних запусках, перевершуючи всі порівняльні методи. Наукова новизна полягає у впровадженні біологічно натхненного, безпараметричного, самоадаптивного метаевристичного алгоритму. Його практична цінність підтверджена високою продуктивністю у плануванні UC, що вказує на значний потенціал для ширших завдань оптимізації енергосистеми. Бібл. 21, табл. 3, рис. 3
Synthesis of combined shielding system for overhead power lines magnetic field normalization in residential building space
Full text linkProblem. Most studies of power frequency magnetic field reduced to safe level in residential buildings located near overhead power lines carried out based on two-dimensional magnetic field modeling, which does not allow studying of original magnetic field shielding effectiveness in residential building edges. The goal of the work is synthesis of combined active and multi-circuit passive shielding system to improve shielding efficiency of initial magnetic field to sanitary standards level in residential building edges generated by overhead power lines. Methodology. System synthesis methodology based on vector game solution, in which vector payoff calculated based on of Maxwell’s equations solution in a quasi-stationary approximation using the COMSOL Multiphysics software. Vector game solution calculated based on hybrid optimization algorithm, which globally explores synthesis search space using Particle Swarm Optimization and gradient-based Sequential Quadratic Programming to rapidly calculated optimum synthesis point from Pareto optimal solutions taking into account binary preference relations. Results. During combined active and multi-circuit passive shielding system synthesisspatial arrangement coordinates of 16 contours of passive shield and two compensating windings, as well as windings currents and phases of active shield calculated. New scientific results are theoretical and experimental studies of synthesized combined active and multi-circuit passive shielding system efficiency for magnetic field created by overhead power lines. Scientific novelty. For the first time synthesis methodology for combined active and multi-circuit passive shielding system taking into account original field shielding effectiveness decrease in residential building edges for more effective reduction of industrial frequency magnetic field created by overhead power lines developed. Practical value. Practical recommendations for the reasonable choice of the spatial arrangement of a multi-circuit passive shield and two shielding windings of active shielding system for magnetic field created by overhead power lines are given. The possibility of reducing the initial magnetic field induction to the sanitary standards level is shown. References 42, figures 16.Проблема. Більшість досліджень з зниження рівня магнітного поля промислової частоти в житлових будинках, що розташовані поблизу повітряних ліній електропередачі, до безпечного рівня, виконані на основі двовимірного моделювання магнітного поля, що не дозволяє вивчати ефективність екранування вихідного магнітного поля на краях житлових будинків. Метою роботи є синтез комбінованої активної та багатоконтурної пасивної електромагнітної екрануючої систем для підвищення ефективності екранування вихідного магнітного поля до рівня санітарних норм на краях житлових будинків, що генерується повітряними лініями електропередачі. Методологія. Методологія синтезу системи заснована на рішенні векторної гри, в якій векторний виграш розраховується на основі розв’язку рівнянь Максвелла в квазістаціонарному наближенні за допомогою програмного пакету COMSOL Multiphysics. Рішення векторної гри обчислюється на основі гібридного алгоритму оптимізації, яке глобально досліджує простір пошуку для синтезу за допомогою оптимізації роєм частинок та градієнтного послідовного квадратичного програмування для швидкого обчислення оптимальної точки синтезу з системи Парето оптимальних рішень з урахуванням бінарних відношень переваг. Результати. В процесі синтезу активної та багатоконтурної пасивної електромагнітної екрануючих систем розраховано координати просторового розташування 16 контурів пасивного екрану та двох компенсаційних обмоток системи активного екранування, а також струм та фази компенсуючих обмоток системи активного екранування. Новими науковими результатами є теоретичні та експериментальні дослідження ефективності синтезованої комбінованої активної та багатоконтурної пасивної електромагнітних екрануючих систем магнітного поля, що створюється повітряними лініями електропередачі. Наукова новизна. Вперше запропонована методологія синтезу комбінованих активних та багатоконтурних пасивних електромагнітних екрануючих систем з урахуванням ефективності екранування вихідного поля на краях житлових будинків з метою більш ефективного зниження магнітного поля промислової частоти, що генерується повітряними лініями електропередачі. Практична значимість. Надано практичні рекомендації щодо обґрунтованого вибору просторового розташування багатоконтурного пасивного екрана та двох екрануючих обмоток системи активного екранування магнітного поля, що генерується повітряними лініями електропередачі. Показана можливість зниження індукції вихідного магнітного поля до рівня санітарних норм. Бібл. 42, рис. 16
Improving the operation of an asymmetric inverter with magnetically coupled inductors for energy storage systems
Full text linkIntroduction. Bidirectional DC-DC converters are widely used in energy storage systems for efficient energy transfer. One of the effective converters for such systems is the asymmetric inverter with a magnetically coupled inductors. To enhance the efficiency of this converter for energy storage applications, it is necessary to optimize its parameters. Objective. The objective is to develop a mathematical model of an asymmetric inverter with magnetically coupled inductors and based on this model, to establish the conditions for improving the energy efficiency of the inverter in energy storage systems. Methods. The study uses the state-space averaging method and simulation modelling to analyse operational processes. Results. Analytical expressions were derived for calculating current parameters of the magnetically coupled inductor within switching intervals. A correlation was identified between the inductor’s inductance and power source parameters under conditions that eliminate circulating currents, thus reducing static energy losses in the inverter. Novelty. Based on these expressions, new analytical and graphical dependencies were established, illustrating relationships between the inductor parameters and the magnetic coupling coefficient of its windings. These dependencies determine the boundaries of the discontinuous conduction mode for the asymmetric inverter with a magnetically coupled inductors within its switching range. Practical value. The application of these dependencies during the design phase allows for a reduction in both static and dynamic energy losses in the inverter using discontinuous conduction mode. This will also improve the dynamics of transient processes during changes in the direction of energy flow, which is a significant advantage in the development of hybrid power systems for electric vehicles. References 19, figures 9.Вступ. В системах накопичення енергії широко використовуються перетворювачі постійної напруги в режимах двонаправленої передачі енергії. Одним з ефективних перетворювальних пристроїв для застосування в таких системах є асиметричний інвертор з магнітозв’язаними індуктороми. Для використання вказаного перетворювача в системах енергонакопичення необхідним є удосконалення його параметрів для підвищення ефективності перетворювача. Мета. Метою є розробка математичної моделі асиметричного інвертора з магнітозв’язаними індукторами та визначення на її основі умов підвищення енергетичної ефективності такого інвертора при застосуванні в системах накопичення енергії. Методи. При дослідженні процесів в роботі використано метод усереднення в просторі станів та методи імітаційного моделювання. Результати. Розроблено аналітичні вирази для розрахунків параметрів струмів магнітозв’язаних індукторів на інтервалах комутації, визначено взаємозв’язок між його індуктивністю та параметрами джерел електроживлення, при яких циркуляційні струми відсутні, що зменшує статичні втрати енергії інвертора. Новизна. На основі розроблених виразів отримано нові аналітичні та графічні залежності між параметрами індуктора та коефіцієнтом магнітного зв’язку між їх обмотками, що визначають межі області переривчастої роботи асиметричного інвертора з магнітозв’язаними індукторами в діапазоні його комутації. Практична значимість. Використання отриманих залежностей на етапі проектування дозволяє зменшити статичні та динамічні втрати енергії інвертора завдяки використанню режиму переривчастої провідності. Це також дозволить покращити динаміку перехідних процесів при зміни напрямку протікання електроенергії, що є суттєвою перевагою при створенні гібридних систем електроживлення електротранспортних засобів. Бібл. 19, рис. 9
Designing the optimal number of active branches in a multi-branch buck-boost converter
Full text linkIntroduction. Multi-branch buck-boost converters, widely used in energy conversion from alternative sources, offer significant advantages over single-branch configurations. Critical, however, is the question of the appropriate number of branches for optimal efficiency and the given output power of the converter. The novelty of the proposed work consists in the development of a precise method for determining the optimal number of branches in a multi-branch buck-boost converter for a specified output power. Additionally, the findings enable the development of adaptive control strategies that dynamically adjust the number of active branches based on the converter’s instantaneous power. This approach enhances the overall efficiency of the converter. Goal. The study aims to analyze the efficiency of multi-branch buck-boost converters, focusing on the optimal number of branches and the required output power. Methods. The problem was addressed through a theoretical analysis of the converter’s electrical equivalent circuit. The theoretical results were validated through practical measurements conducted on a prototype converter. Results. A detailed equivalent circuit for the converter was developed and analyzed for various operational modes. Based on this analysis, the converter’s losses were quantified, and a relationship was derived to determine the optimal number of parallel branches, taking into account the desired output power. Practical value. The findings provide guidelines for selecting the optimal number of branches in a multi-branch buck-boost converter based on the desired output power. Furthermore, they enable the implementation of adaptive switching strategies to maximize the converter’s efficiency. References 22, table 2, figures 20.Вступ. Багатогілкові понижувально-підвищувальні перетворювачі, що широко використовуються в перетворенні енергії з альтернативних джерел, пропонують значні переваги порівняно з одногілковими конфігураціями. Однак критичним є питання відповідної кількості гілок для оптимальної ефективності та заданої вихідної потужності перетворювача. Новизна запропонованої роботи полягає в розробці точного методу визначення оптимальної кількості гілок у багатогілковому понижувально-підвищувальному перетворювачі для заданої вихідної потужності. Крім того, отримані результати дозволяють розробляти адаптивні стратегії керування, які динамічно регулюють кількість активних гілок на основі миттєвої потужності перетворювача. Такий підхід підвищує загальну ефективність перетворювача. Метою дослідження є аналіз ефективності багатогілкових понижувально-підвищувальних перетворювачів, зосереджуючись на оптимальній кількості гілок та необхідній вихідній потужності. Методи. Проблему вирішено за допомогою теоретичного аналізу електричної еквівалентної схеми перетворювача. Теоретичні результати перевірені за допомогою практичних вимірювань, проведених на прототипі перетворювача. Результати. Була розроблена та проаналізована детальна еквівалентна схема перетворювача для різних режимів роботи. На основі цього аналізу було кількісно визначено втрати перетворювача та виведено співвідношення для визначення оптимальної кількості паралельних гілок з урахуванням бажаної вихідної потужності. Практична значимість. Отримані результати надають рекомендації щодо вибору оптимальної кількості гілок у багатогілковому понижувально-підвищувальному перетворювачі на основі бажаної вихідної потужності. Крім того, вони дозволяють реалізувати адаптивні стратегії перемикання для максимізації ефективності перетворювача. Бібл. 22, табл. 2, рис. 20
Electric drive vehicle based on sliding mode control technique using a 21-level asymmetrical inverter under different operating conditions
Full text linkIntroduction. Electric vehicles (EVs) have drawn increased attention as a possible remedy for the energy crisis and environmental issues. These days, EVs can be propelled by an extensive range of power electronics to produce the energy required for the motor and operate efficiently at high voltage levels. Multilevel inverters (MLIs) were designed to address the challenges and limitations of traditional converters .The novelty of the research that is being presented a 21-asymmetric MLI with reduced switching using pulse width modulation technique for powering electric propulsion system of EVs, with the proposed topology delivering notable enhancements in both performance and cost-efficiency compared to conventional asymmetric designs. Purpose. Improving EV performance by utilizing sliding mode control (SMC) technique for controlling a permanent magnet synchronous motor (PMSM) powered by a 21-level reduced switching inverter topology. Methods. This study focuses on assessing the feasibility of a 21-asymmetric MLI with reduced switching. This inverter utilize different input voltage levels for various components and modules, enabling the combination and subtraction of these voltages to create multiple voltage levels for use in the traction system of electric vehicles, designed to power a PMSM. The motor’s operation is controlled using SMC technique with three distinct surfaces, with consideration for the vehicle’s dynamic behavior. Results. Proved that, using a 21-asymmetric MLI to optimize the quality of the output voltage for improving the performance of the EV. The proposed topology offers a cost-effective and simple system that is easy to maintain. Practical value. To assess the effectiveness and resilience of the suggested control system, we conducted simulations using MATLAB/Simulink. Notably, the target speed adheres to the urban driving schedule in Europe, specifically the ECE-15 cycle. References 21, tables 2, figures 10.Вступ. Електромобілі (EVs) привернули підвищену увагу як можливий засіб від енергетичної кризи та екологічних проблем. У наші дні EVs можуть рухатися широким спектром силової електроніки для вироблення енергії, необхідної для двигуна, і працювати ефективно при високих рівнях напруги. Багаторівневі інвертори (MLI) були розроблені для вирішення проблем та обмежень традиційних перетворювачів. Новизна дослідження, яке представлено, 21-асиметричний MLI зі зменшеним перемиканням, що використовує метод широтно-імпульсної модуляції для живлення електричної рухової системи EVs, з запропонованою топологією, що забезпечує помітне покращення як продуктивності, так і економічної ефективності порівняно з традиційними асиметричними конструкціями. Мета. Поліпшення продуктивності EVs за рахунок використання методу керування ковзним режимом (SMC) для керування синхронним двигуном з постійними магнітами (PMSM), що працює від топології 21-рівневого інвертора зі зменшеним перемиканням. Методи. Це дослідження зосереджено на оцінці здійсненності 21-асиметричного MLI зі зменшеним перемиканням. Цей інвертор використовує різні рівні вхідної напруги для різних компонентів та модулів, що дозволяє комбінувати та віднімати цю напругу для створення кількох рівнів напруги для використання в тяговій системі електромобілів, призначеної для живлення PMSM. Робота двигуна контролюється за допомогою техніки SMC із трьома різними поверхнями з урахуванням динамічної поведінки автомобіля. Результати. Доведено, що використання 21-асиметричного MLI для оптимізації якості вихідної напруги покращує продуктивність EV. Запропонована топологія пропонує економічну та просту систему, яку легко обслуговувати. Практична цінність. Для оцінки ефективності та стійкості запропонованої системи управління ми здійснили моделювання з використанням MATLAB/Simulink. Зокрема цільова швидкість відповідає міському графіку водіння в Європі, зокрема циклу ECE-15. Бібл. 21, табл. 2, рис. 10
Comparative analysis of principal modulation techniques for modular multilevel converter and a modified reduced switching frequency algorithm for nearest level pulse width modulation
Full text linkIntroduction. The Modular Multilevel Converter (MMC) is an advanced topology widely used in medium and high-power applications, offering significant advantages over other multilevel converters, including high efficiency and superior output waveform quality. Problem. The modulation techniques and submodule capacitor voltage balancing significantly affect the performance of the MMC, influencing output voltage and current quality, capacitor voltage balancing, and power losses. Goal. This study presents a comparative analysis of 3 modulation techniques for a 3-phase MMC: Level-Shifted Pulse Width Modulation (LS-PWM), Nearest Level Control (NLC), and hybrid Nearest Level Pulse Width Modulation (NL-PWM). In addition, this study proposes a modification to the Reduced Switching Frequency (RSF) capacitor voltage balancing algorithm to adapt it for use with the NL-PWM technique. Methodology. The performance of each modulation technique is evaluated through simulations using MATLAB/Simulink software, in terms of output signal quality, capacitor voltage balancing, converter losses, and behavior under a line-to-ground fault. Results. The results show that both LS-PWM and NL-PWM generate lower harmonic content compared to NLC. However, the NLC technique presents the lowest switching losses, followed by NL-PWM and LS-PWM. The NL-PWM technique shows intermediate performance, making it more appropriate for medium-voltage applications. The results also confirm the proposed modifications to the RSF capacitor voltage balancing algorithm. Additionally, the LS-PWM technique shows greater robustness under fault conditions compared to the other techniques. Originality. For the first time, a comparative analysis of 3 modulation techniques for the MMC, LS-PWM, NLC, and NL-PWM has been conducted, highlighting their performance under different operating conditions. The study also proposes a modified RSF capacitor voltage balancing algorithm specifically for NL-PWM, which has not been previously explored in the literature. Practical value. The results of this study contribute to the selection of the most suitable modulation technique for MMC for specific applications. References 34, table 5, figures 17.Вступ. Модульний багаторівневий перетворювач (MMC) – це вдосконалена топологія, що широко використовується в системах середньої та високої потужності, пропонуючи значні переваги над іншими багаторівневими перетворювачами, включаючи високу ефективність та якість вихідної форми сигналу. Проблема. Методи модуляції та балансування напруги на конденсаторах підмодулів суттєво впливають на продуктивність MMC, впливаючи на якість вихідної напруги та струму, балансування напруги на конденсаторах та втрати потужності. Мета. Це дослідження представляє порівняльний аналіз трьох методів модуляції для трифазного MMC: імпульсна широтна модуляція зі зсувом рівнів (LS-PWM), керування найближчим рівнем (NLC) та гібридна імпульсна широтна модуляція найближчим рівнем (NL-PWM). Крім того, це дослідження пропонує модифікацію алгоритму балансування напруги на конденсаторах зі зниженою частотою перемикання (RSF) для адаптації його для використання з методом NL-PWM. Методологія. Продуктивність кожного методу модуляції оцінюється за допомогою моделювання з використанням програмного забезпечення MATLAB/Simulink з точки зору якості вихідного сигналу, балансування напруги на конденсаторах, втрат перетворювача та поведінки при замиканні між лінією та землею. Результати показують, що як LS-PWM, так і NL-PWM генерують нижчий вміст гармонік порівняно з NLC. Однак, метод NLC має найнижчі втрати на перемикання, за ним йдуть NL-PWM та LS-PWM. Метод NL-PWM демонструє проміжні характеристики, що робить його більш придатним для застосувань середньої напруги. Результати також підтверджують запропоновані модифікації алгоритму балансування напруги конденсаторів RSF. Крім того, метод LS-PWM демонструє більшу стійкість в умовах несправності порівняно з іншими методами. Оригінальність. Вперше було проведено порівняльний аналіз трьох методів модуляції для MMC, LS-PWM, NLC та NL-PWM, що підкреслює їхню ефективність за різних умов експлуатації. У дослідженні також пропонується модифікований алгоритм балансування напруги конденсаторів RSF спеціально для NL-PWM, який раніше не досліджувався в літературі. Практична значимість. Результати цього дослідження сприяють вибору найбільш підходящого методу модуляції для MMC для конкретних застосувань. Бібл. 34, табл. 5, рис. 17
Takagi-Sugeno fuzzy model identification using improved multiswarm particle swarm optimization in solar photovoltaics
Full text linkIntroduction. The particle swarm optimization (PSO) algorithm has proven effective across various domains due to its efficient search space exploration, ease of implementation, and capability to handle high-dimensional problems. However, it is often prone to premature convergence, which limits its performance. Problem. This issue becomes critical in identifying Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy models, especially in complex systems like solar photovoltaic (PV) applications, where model accuracy is vital for tasks such as maximum power point tracking (MPPT) and shading compensation. Goal. This manuscript introduces an improved multiswarm PSO (I-MsPSO), designed to enhance search performance and robustness in identifying T-S fuzzy systems. The method is particularly suited to nonlinear modeling challenges in renewable energy systems. Methodology. I-MsPSO divides the swarm into 4 independent subswarms, each operating in a local region with specific inertia weights and acceleration coefficients. Periodic information sharing between subswarms allows the algorithm to converge collectively toward optimal solutions. A new modeling approach, specific Takagi-Sugeno modeling (STaSuM), is introduced, using I-MsPSO to determine both the structure and parameters of T-S fuzzy systems. Results. The I-MsPSO’s performance was tested on benchmark optimization problems and real-world engineering cases. Results show that STaSuM produces highly accurate and generalizable fuzzy models, outperforming existing techniques. Scientific novelty lies in the development of I-MsPSO, which enhances the traditional PSO by using 4 interactive subswarms with customized parameters, and the creation of STaSuM for advanced T-S fuzzy system identification. Practical value. I-MsPSO and STaSuM provide a powerful optimization and modeling framework, offering robust and accurate solutions for nonlinear and dynamic environments. Their structure makes them especially valuable for future applications in MPPT control, fault-tolerant modeling, and real-time optimization in PV energy systems. References 39, table 5, figures 8.Вступ. Алгоритм оптимізації рою часток (PSO) довів свою ефективність у різних галузях завдяки ефективному дослідженню простору пошуку, простоті реалізації та здатності вирішувати завдання високої розмірності. Однак він часто схильний до передчасної збіжності, що обмежує його продуктивність. Ця проблема стає критично важливою при ідентифікації нечітких моделей Такагі-Сугено (T-S), особливо у складних системах, таких як сонячні фотоелектричні системи (PV), де точність моделі є критично важливою для таких завдань, як відстеження точки максимальної потужності (MPPT) та компенсація затінення. Мета. У роботі представлений удосконалений багатороєвий PSO (I-MsPSO), розроблений для підвищення продуктивності пошуку та надійності при ідентифікації нечітких систем T-S. Цей метод особливо підходить для задач нелінійного моделювання у системах відновлюваної енергії. Методологія. I-MsPSO ділить рій на 4 незалежні подрої, кожен з яких працює в локальній області з певними вагами інерції та коефіцієнтами прискорення Періодичний обмін інформацією між подроями дозволяє алгоритму колективно сходитися до оптимальних рішень. Наведено новий підхід до моделювання, специфічне моделювання Такагі-Сугено (STaSuM), з використанням I-MsPSO для визначення структури та параметрів нечітких систем T-S. Результати. Продуктивність I-MsPSO протестована на еталонних задачах оптимізації та реальних інженерних прикладів. Результати показують, що STaSuM створює високоточні та узагальнені нечіткі моделі, що перевершують існуючі методи. Наукова новизна полягає в розробці I-MsPSO, який розширює традиційний PSO за рахунок використання 4 інтерактивних подроїв з параметрами, що настроюються, а також у створенні STaSuM для розширеної ідентифікації нечітких систем T-S. Практична цінність. I-MsPSO та STaSuM надають потужну платформу оптимізації та моделювання, пропонуючи надійні та точні рішення для нелінійних та динамічних середовищ. Їхня структура робить їх особливо цінними для майбутніх додатків у галузі управління MPPT, відмовостійкого моделювання та оптимізації в реальному часі у PV енергетичних системах. Бібл. 39, табл. 5, рис. 8
Robust control of single input multi outputs systems
Full text linkIntroduction. Most of mechanical systems are nonlinear and complex, the complexity of these latter lies on highly nonlinear characteristics, or on dynamics that stimulate the development or change of the process through an applied force in a disturbed environment. Single input multi outputs (SIMO) systems, which are structured into subsystems, are considered as complex systems. The task to control their degrees of freedom is more complicated, and it is not easily reachable, due to the fact that nonlinear laws are not directly applicable to those systems, which requires to trait them in a particular way. Problem. First order sliding mode control (FOSMC) has already been applied in several previous works to this kind of systems, and due to its robustness property, this control gave good results in term of stabilization and tracking, but the chattering phenomenon remains a big problem, which affects the control structure and the actuators. Purpose. In order to address the problem of chattering encountered when applying the FOSMC to a category of second order subsystems, a second order sliding mode control (SOSMC) is designed. Methods. This work consists of developing an appropriate second order system structure, which can go with the sliding control expansion, and then studying the SOSMC for this chosen system. The hierarchical structure of the sliding surface which is made using a linear combination between subsurfaces, according to the system structure, allows the only control input to affect subsystems in graded manner from the last one to the first one. Results. We have applied the constructed control law to a SIMO system for two cases with and without disturbances. Simulation results of the application have shown the effectiveness and the robustness of the designed controller. References 30, figures 10.Вступ. Більшість механічних систем нелінійні та складні, що полягає у значно нелінійних характеристиках або в динаміці, яка стимулює розвиток або зміну процесу за допомогою прикладеної сили у збудженому середовищі. Системи з одним входом та кількома виходами (SIMO), які структуровані у підсистеми, розглядаються як складні системи. Завдання управління їх ступенями свободи складніше, і воно складно досяжне через те, що нелінійні закони не застосовуються безпосередньо до цих систем, що вимагає характеризувати їх певним чином. Проблема. Управління ковзним режимом першого порядку (FOSMC) вже застосовувалося в кількох попередніх роботах до цього типу систем, і завдяки своїй надійності дане управління показало хороші результати з точки зору стабілізації та відстеження, але явище вібрації залишається великою проблемою, яка впливає на структуру управління та приводи. Мета. Для вирішення проблеми вібрації, що виникає при застосуванні FOSMC до категорії підсистем другого порядку, розроблено керування ковзним режимом другого порядку (SOSMC). Методи. Ця робота складається з розробки відповідної структури системи другого порядку, яка може йти з розширенням ковзного керування, а потім вивчення SOSMC для цієї обраної системи. Ієрархічна структура ковзної поверхні, яка зроблена з використанням лінійної комбінації між підповерхнями, відповідно до структури системи, дозволяє єдиному вхідному сигналу управління впливати на підсистеми градуйованим чином від останньої до першої. Результати. Застосовано побудований закон управління до системи SIMO для двох випадків із збудженням та без нього. Результати моделювання показали ефективність та надійність розробленого контролера. Бібл. 30, рис. 10
Maximum power point tracking improving of photovoltaic systems based on hybrid triangulation topology aggregation optimizer and incremental conductance algorithm
Full text linkIntroduction. Maximum power point tracking (MPPT) in photovoltaic (PV) systems has been a key research focus in recent years. While numerous techniques have been proposed to optimize power extraction, each suffers from inherent limitations that hinder their effectiveness. Problem. Environmental factors such as shading, partial shading, and low irradiance levels significantly impact PV system performance, with partial shading being the most critical and complex challenge due to its creation of multiple local power maxima. Goal. This study aims to improve MPPT in PV systems under partial shading conditions by developing a hybrid approach that integrates a Triangulation Topology Aggregation Optimizer (TTAO) with the Incremental Conductance (IC) algorithm. Methodology. Simulations were conducted in MATLAB/Simulink under four static partial shading scenarios, comparing the hybrid TTAO-IC algorithm against traditional methods like Perturb and Observe (P&O), IC and metaheuristic algorithms. Scientific novelty of this work lies in the hybrid TTAO-IC algorithm, which combines the global optimization strength of TTAO with the precision of IC, addressing the shortcomings of conventional methods. Practical value. The results show that the hybrid TTAO-IC algorithm achieves tracking efficiencies exceeding 99 %, outperforming existing methods and demonstrating robust adaptability to varying environmental conditions. References 31, tables 5, figures 15.Вступ. Відстеження точки максимальної потужності (MPPT) у фотоелектричних (PV) системах є ключовим напрямком досліджень в останні роки. Хоча було запропоновано численні методи оптимізації отримання енергії, кожен з них має певні обмеження, що зменшують їх ефективність. Проблема. Фактори навколишнього середовища, такі як затінення, часткове затінення та низький рівень опромінення, суттєво впливають на продуктивність PV системи, причому часткове затінення є найбільш критичною та складною проблемою через створення кількох локальних максимумів потужності. Мета. Це дослідження спрямоване на покращення MPPT у PV системах в умовах часткового затінення шляхом розробки гібридного підходу, який інтегрує оптимізатор агрегації топології триангуляції (TTAO) з алгоритмом інкрементальної провідності (IC). Методологія. Моделювання проводилося в MATLAB/Simulink за чотирма статичними сценаріями часткового затінення, порівнюючи гібридний алгоритм TTAO-IC з традиційними методами, такими як метод збурень та спостережень (P&O), IC та метаевристичними алгоритмами. Наукова новизна роботи полягає в гібридному алгоритмі TTAO-IC, який поєднує глобальну оптимізаційну силу TTAO з точністю IC, усуваючи недоліки традиційних методів. Практична цінність. Результати показують, що гібридний алгоритм TTAO-IC досягає ефективності відстеження, що перевищує 99 %, перевершуючи існуючі методи та демонструючи надійну адаптивність до різних умов навколишнього середовища. Бібл. 31, табл. 5, рис. 15