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
Improved speed sensorless control for induction motor drives using rotor flux angle estimation
Full text linkIntroduction. In the typical field-oriented control (FOC) method, the variation of machine resistance is not considered when calculating the rotor flux angle. This omission affects the accuracy of the control method during motor operation, leading to potential performance degradation. Problem. Neglecting stator resistance variations in the voltage model-based FOC technique can cause rotor flux angle estimation deviation. This inaccuracy impacts motor speed control, especially under varying operating conditions where resistance changes due to temperature fluctuations. Goal. This paper aims to improve the accuracy of rotor flux angle estimation in the voltage model-based FOC technique by incorporating a real-time stator resistance estimation process. Methodology. The proposed research integrates a model reference adaptive system to estimate the stator resistance and replaces the rated resistance value in the rotor flux angle calculation algorithm of the FOC technique. The effectiveness of the method is evaluated by using MATLAB/Simulink simulations, where the estimated resistance value is compared with the actual resistance value, and the motor speed control performance is analyzed. Simulation results demonstrate that the proposed method significantly enhances the accuracy of rotor flux angle estimation by adapting to changes in stator resistance. This improvement ensures better motor speed control performance, reducing deviations between the actual and reference speeds under different operating conditions. Scientific novelty of this research lies in integrating real-time stator resistance estimation into the rotor flux angle calculation process of the voltage model-based FOC technique, addressing a key limitation in typical FOC approaches. Practical value. By improving the accuracy of rotor flux angle estimation, the proposed method enhances the stability and efficiency of motor speed control. This ensures better performance in industrial applications where precise motor control is essential under varying operating conditions. References 27, figures 11.Вступ. У типовому методі управління з орієнтацією по полю (FOC) зміна опору машини не враховується під час розрахунку кута потоку ротора. Цей недолік впливає на точність методу керування під час роботи двигуна, що призводить до потенційного зниження продуктивності. Проблема. Нехтування змінами опору статора у методі FOC на основі моделі напруги може призвести до відхилення оцінки кута потоку ротора. Ця неточність впливає на керування швидкістю двигуна, особливо в умовах експлуатації, коли опір змінюється через коливання температури. Метою даної роботи є підвищення точності оцінки кута потоку ротора в методі FOC на основі моделі напруги шляхом включення процесу оцінки опору статора в реальному часі. Методика. Пропоноване дослідження інтегрує адаптивну систему з еталонною моделлю для оцінки опору статора та замінює номінальне значення опору в алгоритмі розрахунку кута потоку ротора методом FOC. Ефективність методу оцінюється за допомогою моделювання MATLAB/Simulink, де розрахункове значення опору порівнюється з фактичним значенням опору, а потім аналізується характеристика керування швидкістю двигуна. Результати моделювання показують, що запропонований метод значно підвищує точність оцінки кута потоку ротора за рахунок адаптації змін опору статора. Це покращення забезпечує більш ефективне управління швидкістю двигуна, зменшуючи відхилення між фактичною та заданою швидкостями у різних робочих умовах. Наукова новизна даного дослідження полягає в інтеграції оцінки опору статора в реальному часі в процес розрахунку кута потоку ротора методом FOC на основі моделі напруги, що усуває ключове обмеження типових підходів FOC. Практична значимість. Підвищуючи точність оцінки кута потоку ротора, запропонований метод підвищує стабільність та ефективність управління швидкістю двигуна. Це забезпечує більш високу продуктивність у промислових застосуваннях, де точність управління двигуном необхідна в змінних робочих умовах. Бібл. 27, рис.11
Основні характеристики каналу лідера при пробої високою імпульсною напругою довгого повітряного проміжку
No full textGoal. Calculation-experimental determination of basic descriptions of plasma channel of leader at an electrical breakdown of long air gap in the double-electrode discharge system (DEDS) «edge-plane» by artificial electricity of high pulse voltage of positive polarity. Methodology. Bases of the theoretical electrical engineering and electrophysics, electrophysics bases of technique of high and extra-high voltage, large pulse currents and high electromagnetic fields, basis of high-voltage pulse and measuring technique. Results. The simplified electrophysics model of origin and development of positive leader is offered in the long air gap of probed DEDS, which the followings descriptions of plasma channel of this positive leader were found on the basis of: a closeness of neL charge and electric potential UeL in the head of leader; linear charge qLl of leader of plasma channel; closeness δeL of electron current ieL and this current ieL in the channel of leader; strength of high electric field outside ELe and inwardly ELi of the channel of leader; length ls of streamer area before the head of leader; maximal electron temperature TmL in plasma of channel of leader; linear active resistance RLl and active resistance RLc of channel of leader. Executed on a domestic powerful over-high voltage electrical equipment outdoors in the conditions of electrophysics laboratory high-voltage experiments with the use of standard interconnect aperiodic pulse of voltage Ue(t) of temporal shape of Tm/Tp≈200 μs/1990 μs of positive polarity for probed DEDS at a change in it of minimum length lmin of its discharge in air gap in the range of 1 m≤lmin≤4 m confirmed power and authenticity of row of the got calculation correlations for the indicated descriptions of plasma channel of positive leader which is formed and develops in this DEDS. Originality. In a complex kind calculation-experimental way the indicated basic descriptions of plasma channel of positive leader are certain in probed DEDS. By calculation way it is first rotined that on the stage of development of positive leader in atmospheric air of indicated DEDS high electric potential UeL of his spherical head with the charge of qeL≈58,7 nC has a less value (for example, UeL≈605 kV for length of his channel of lL=0,395 m at lmin=1,5 m) the radius of ReL≈0,5 mm, what high potential Ue(t)≈Ue(Td)≈611,6 kV its active metallic electrode-edge. Obtained result for the maximal electron temperature TmL≈1,639·104 K in plasma of the probed leader testifies that this plasma is thermo-ionized. Practical value. Practical application in area of industrial electrical power engineering, high-voltage pulse technique, techniques of high and extra-high voltage of the obtained new results in area of physics of gas discharge allows not only to deepen our electrophysics knowledges about a leader discharge in atmospheric air but also more grounded to choose the air insulation of power high and over-high voltage electrical power engineering and electrical engineering equipment, and also to develop different new electrical power engineering and electrophysics devices in area of industrial electrical power engineering and powerful pulse energy with enhanceable reliability and safety of their operation in the normal and emergency modes. References 49, figures 7.Надані результати розрахунково-експериментального визначення основних характеристик плазмового каналу позитивного лідера при електричному пробої довгого повітряного проміжку двоелектродної розрядної системи (ДЕРС) «вістря-площина» стандартним комутаційним аперіодичним імпульсом високої напруги часової форми Tm/Td≈200 мкс/1990 мкс позитивної полярності. Запропоновано спрощену електрофізичну модель виникнення і розвитку позитивного лідера в довгому розрядному повітряному проміжку досліджуваної ДЕРС, на основі якої у комплексному вигляді були знайдені наступні основні характеристики плазмового каналу даного позитивного лідера: густина neL електронів і електричний потенціал UeL в головці лідера; погонний заряд qLl лідерного плазмового каналу; густина δeL електронного струму ieL і цей струм ieL в каналі лідера; напруженості сильного електричного поля всередині ELi і зовні ELe каналу лідера; довжина ls стримерної зони перед головкою лідера; максимальна електронна температура TmL в плазмі каналу лідера; погонний активний опір RLl і повний активний опір RLc каналу лідера. Виконані на вітчизняному потужному надвисоковольтному електрообладнанні на відкритому повітрі в умовах електрофізичної лабораторії високовольтні експерименти підтвердили працездатність і достовірність низки отриманих розрахункових співвідношень для вказаних характеристик плазмового каналу позитивного лідера електричного розряду, який формується і розвивається в цій високовольтній повітряній ДЕРС. Бібл. 49, рис. 7
Robust fault-tolerant sliding mode control and advanced fault diagnosis for doubly-fed induction generators
Full text linkIntroduction. Doubly-fed induction generators (DFIGs) have become the preferred technology in modern wind energy systems due to their high efficiency and flexible variable-speed operation capabilities. Problem. Despite their advantages, DFIGs face significant challenges related to grid-connected power converters, which are susceptible to operational instability caused by voltage imbalances and electrical faults. Goal. This study aims to develop and validate a novel Active Fault-Tolerant Sliding Mode Control (AFT-SMC) strategy that integrates real-time fault diagnosis to enhance the reliability and stability of DFIG systems during grid disturbances. Unlike existing approaches, this work specifically addresses the reduction of false fault detections during transient events and improves fault characterization through spectral analysis. Methodology. The proposed control framework combines a robust sliding mode controller with a model-based fault detection and isolation system that employs adaptive thresholds and diagnostic residuals for accurate fault identification. The approach has been thoroughly tested through high-fidelity simulations under severe voltage unbalance scenarios. Results. Simulation outcomes demonstrate the superior performance of the proposed strategy in maintaining system stability under a 30 % voltage unbalance scenario. Specifically, the controller achieves a voltage recovery time of 0.28 s, compared to 0.42 s with conventional vector control, and reduces electromagnetic torque oscillations by approximately 45 %. Furthermore, the integrated spectral diagnosis method reaches a fault classification accuracy of 94.6 %, confirming its effectiveness in enabling early and reliable fault detection. These results validate the advantages of the proposed AFT-SMC framework in both dynamic response and fault resilience. Scientific novelty. The key innovation lies in the integration of a self-correcting «detect-and-adapt» mechanism that mitigates false triggers during transient grid conditions, alongside a novel spectral decomposition method for precise detection and characterization of voltage imbalances through negative-sequence component analysis. Practical value. This strategy significantly reduces operational costs at pilot wind farms and sets a new benchmark for intelligent fault management in renewable energy systems, with broad applicability to other power electronic interfaces in smart grids. References 35, figures 12.Вступ. Асинхронні генератори з подвійним живленням (DFIGs) стали поширеними технічними рішеннями в сучасних вітроенергетичних системах завдяки своїй високій ефективності та гнучкій роботі з регульованою швидкістю. Проблема. Незважаючи на свої переваги, DFIGs стикаються зі значними проблемами, пов’язаними з перетворювачами потужності, підключеними до мережі, які схильні до нестабільної роботи, спричиненої дисбалансом напруги та електричними несправностями. Мета. Дане дослідження спрямоване на розробку та перевірку нової стратегії активного відмовостійкого керування ковзним режимом (AFT-SMC), яка поєднує діагностику несправностей у реальному часі для підвищення надійності та стійкості систем DFIG при порушеннях у мережі. На відміну від існуючих підходів, дана робота спрямована на зниження помилкових виявлень несправностей під час перехідних процесів та покращення характеристики несправностей за допомогою спектрального аналізу. Методологія. Пропонована структура управління поєднує в собі надійний контролер ковзного режиму з системою виявлення та виділення несправностей на основі моделі, яка використовує адаптивні граничні значення та діагностичні залишки для точної ідентифікації несправностей. Даний підхід ретельно протестували за допомогою високоточного моделювання в умовах сильного дисбалансу напруги. Результати моделювання демонструють високу ефективність пропонованої стратегії підтримки стійкості системи в умовах 30 % несиметрії напруги. Зокрема, контролер досягає часу відновлення напруги 0,28 в порівнянні з 0,42 с при традиційному векторному управлінні і знижує коливання електромагнітного моменту приблизно на 45 %. Більш того, інтегрований метод спектральної діагностики досягає точності класифікації несправностей 94,6 %, що підтверджує його ефективність у забезпеченні раннього та надійного виявлення несправностей. Ці результати підтверджують переваги запропонованої структури AFT-SMC як з точки зору динамічного реагування, так і стійкості до несправностей. Наукова новизна. Ключове нововведення полягає в інтеграції механізму «виявлення та адаптації», що самокоректується, який знижує кількість помилкових спрацьовувань в перехідних режимах мережі, а також нового методу спектрального розкладання для точного виявлення і характеристики несиметрії напруги за допомогою аналізу компонентів зворотної послідовності. Практична цінність. Ця стратегія значно знижує експлуатаційні витрати на пілотних вітряних електростанціях та встановлює новий стандарт інтелектуального управління несправностями у системах відновлюваної енергії з широкою застосовністю до інших інтерфейсів силової електроніки в інтелектуальних мережах. Бібл. 35, рис. 12
Disinfectant treatment of liquids with high specific electrical conductivity by high-voltage nanosecond pulses with a subnanosecond front
Full text linkPurpose. The purpose of the work is to determine, using computer modelling, energy-efficient modes of disinfecting treatment of water-containing liquids with high specific electrical conductivity using high voltage nanosecond pulses with a subnanosecond front including pulsed discharges in gas bubbles. Methods. We considered methods of obtaining high-voltage nanosecond pulses with sub-nanosecond fronts. To achieve this goal, we used computer simulation using Micro-Cap 12. We also used analytical and empirical formulas for calculating the electric field strength, inductive and resistive phases of energy switching from a capacitive source to resistive-inductive loads. We have applied the method of comparing calculated and experimental results. Results. Energy-efficient modes of disinfecting treatment of water-containing liquids with high specific electrical conductivity using nanosecond discharges with a subnanosecond front in gas bubbles are such modes when the active resistance of the treated liquid is 10–40 W. In this case, the lumped inductance of the discharge circuit during liquid treatment does not exceed 2 nH, the capacitance of the layer of the treated liquid is 3.6–14 pF with an amplitude of pulses from a high-voltage low-resistance source of at least 30 kV and a pulse frequency of 1500–2000 pulses per second. With an increase in the active resistance of the liquid within the specified limits, the amplitude of the voltage on the layer of the treated liquid increases under other unchanged conditions, including with an unchanged amplitude of the voltage from the source. The voltage amplitude on the layer of the treated liquid with such an increase can exceed the voltage amplitude from the source by 1.6 times, and exceed the voltage on the reactor as a whole (the series connection of the bulk streamer and the water layer). This happens due to the presence of a lumped inductance in the discharge circuit, in which energy is stored during discharge. Scientific novelty. We have shown the possibility of using nanosecond discharges with sub-nanosecond fronts in gas bubbles for energy-efficient disinfection of liquids, including those with high specific electrical conductivity. In this case, a plasma electrode – a volumetric streamer – acts as a high-voltage electrode in the disinfection of liquids. Practical value. The obtained of the computer modelling results confirm the possibility of industrial application of nanosecond discharges with a sub-nanosecond front for disinfection and purification of water-containing liquids with high specific electrical conductivity. References 23, figures 13.Мета. Метою роботи є визначення за допомогою комп’ютерного моделювання енергоефективних режимів дезінфікуючої обробки водовмісних рідин з високою питомою електропровідністю з використанням високовольтних наносекундних імпульсів із субнаносекундним фронтом, включаючи імпульсні розряди в газових бульбашках. Методи. Розглянуто методи отримання високовольтних наносекундних імпульсів із субнаносекундними фронтами. Для досягнення цієї мети було використано комп’ютерне моделювання за допомогою Micro-Cap 12. Також було використано аналітичні та емпіричні формули для розрахунку напруженості електричного поля, індуктивної та резистивної фаз перемикання енергії від ємнісного джерела до резистивно-індуктивних навантажень. Застосовано метод порівняння розрахункових та експериментальних результатів. Результати. Енергоефективними режимами дезінфікуючої обробки водовмісних рідин з високою питомою електропровідністю за допомогою наносекундних розрядів із субнаносекундним фронтом у газових бульбашках є такі режими, коли активний опір оброблюваної рідини становить 10–40 Ом, зосереджена індуктивність розрядного кола під час обробки рідини не перевищує 2 нГн, ємність шару оброблюваної рідини становить 3,6–14 пФ з амплітудою імпульсів від високовольтного низькоомного джерела не менше 30 кВ та частотою імпульсів 1500–2000 імпульсів за секунду. Зі збільшенням активного опору рідини в заданих межах амплітуда напруги на шарі оброблюваної рідини зростає за інших незмінних умов, у тому числі за незмінної амплітуди напруги від джерела. Амплітуда напруги на шарі оброблюваної рідини при такому збільшенні може перевищувати амплітуду напруги від джерела в 1,6 рази, а також перевищувати напругу на реакторі в цілому (послідовне з’єднання об’ємного стримера та шару води) через наявність зосередженої індуктивності в колі розряду, в якій накопичується енергія під час розряду. Наукова новизна. Показано можливість використання наносекундних розрядів із субнаносекундними фронтами в газових бульбашках для енергоефективної дезінфекції рідин, у тому числі з високою питомою електропровідністю. У цьому випадку плазмовий електрод – об’ємний стример – виступає в ролі високовольтного електрода при дезінфекції рідин. Практична значимість. Отримані результати комп’ютерного моделювання підтверджують можливість промислового застосування наносекундних розрядів із субнаносекундним фронтом для дезінфекції та очищення водовмісних рідин з високою питомою електропровідністю. Бібл. 23, рис. 13
New adaptive modified perturb and observe algorithm for maximum power point tracking in photovoltaic systems with interleaved boost converter
Full text linkIntroduction. In recent years, maximum power point tracking (MPPT) has become a critical component in photovoltaic (PV) systems to ensure maximum energy harvesting under varying irradiance and temperature conditions. Among the most common algorithms, perturb and observe (P&O) and incremental conductance (IC) are widely adopted due to their simplicity and effectiveness. Problem. Conventional P&O suffers from steady-state oscillations and slow dynamic response, while IC requires higher computational complexity and loses accuracy under rapidly changing conditions. These drawbacks limit overall tracking efficiency and system reliability. The goal of this work is the development and evaluation of a novel adaptive modified perturb and observe (AM-P&O) algorithm for a PV system with an interleaved boost converter. The proposed method dynamically adjusts the perturbation step size to achieve faster convergence and lessen steady-state oscillations to enhance tracking efficiency. Its performance is assessed through simulation with varying irradiance. It is then compared to traditional methods (P&O and IC) using quantitative metrics such as convergence time, oscillation magnitude, tracking efficiency, and computational cost. Methodology. The AM-P&O algorithm introduces an adaptive step size adjustment strategy, in which the perturbation magnitude is dynamically tuned according to the slope of the PV power-voltage curve. A detailed PV system and converter model was developed in MATLAB/Simulink, and simulations were performed under varying irradiance conditions. Performance metrics include tracking efficiency, convergence time, steady-state oscillation amplitude, and computational complexity. Results. The proposed AM-P&O achieves a better tracking, reduces convergence time by approximately 35 %, and decreases steady-state oscillations by nearly 90 % compared to conventional P&O. Under fast irradiance variations, the AM-P&O also demonstrates superior dynamic performance with lower computational burden compared to IC. Scientific novelty of this work lies in the adaptive perturbation mechanism, which balances fast convergence and reduced oscillations without increasing algorithmic complexity. Practical value. The AM-P&O provides a practical MPPT solution for PV systems, ensuring higher energy yield and improved stability in real-world applications, thereby supporting more efficient renewable energy integration into power networks. References 32, tables 8, figures 8.Вступ. В останні роки відстеження точки максимальної потужності (MPPT) стало критично важливим компонентом у фотоелектричних (PV) системах для забезпечення максимального збору енергії в умовах змінних освітленості і температури. Серед найбільш поширених алгоритмів, що широко застосовуються завдяки своїй простоті та ефективності, є алгоритми збурення і спостереження (P&O) і збільшення провідності (IC). Проблема. Звичайний P&O схильний до коливань і повільного динамічного відгуку, в той час як IC вимагає більш високої обчислювальної складності і втрачає точність при швидко мінливих умовах. Ці недоліки обмежують загальну ефективність відстеження та надійність системи. Метою даної роботи є розробка та оцінка нового адаптивного модифікованого алгоритму збурення і спостереження (AM-P&O) для PV системи з підвищуючим перетворювачем з чергуванням. Запропонований метод динамічно регулює розмір кроку збурення для досягнення більш швидкої збіжності і зменшення усталених коливань для підвищення ефективності відстеження. Його продуктивність оцінюється шляхом моделювання зі змінною освітленістю. Також він порівнюється з традиційними методами (P&O та IC) з використанням кількісних метрик, таких як час збіжності, амплітуда коливань, ефективність відстеження та обчислювальні витрати. Методологія. Алгоритм AM-P&O пропонує стратегію адаптивного регулювання розміру кроку, в якій амплітуда збурення динамічно налаштовується відповідно до нахилу кривої потужності-напруги PV системи. Детальна модель PV системи та перетворювача розроблена в MATLAB/Simulink, а моделювання виконано в умовах змінної освітленості. Метрики продуктивності включають ефективність відстеження, час збіжності, амплітуду коливань і обчислювальну складність. Результати. Запропонований AM-P&O досягає кращого відстеження, скорочує час збіжності приблизно на 35 % і зменшує усталені коливання майже на 90 % у порівнянні з традиційним P&O. При швидких змінах освітленості AM-P&O також демонструє високі динамічні характеристики з меншим обчислювальним навантаженням у порівнянні з IC. Наукова новизна роботи полягає у механізмі адаптивного збурення, який забезпечує баланс між швидкою збіжністю та зниженням коливань без збільшення складності алгоритму. Практична значимість. AM-P&O пропонує практичне рішення MPPT для PV систем, забезпечуючи більше вироблення енергії та покращену стабільність у реальних умовах експлуатації, сприяючи ефективнішій інтеграції відновлюваних джерел енергії в енергомережу. Бібл. 32, табл. 8, рис. 8
Computer-economical optimization method for solving inverse problems of determining electrophysical properties of objects in eddy current structroscopy
Full text linkIntroduction. The problems of determining the profiles of electrophysical material properties are among the inverse problems of electrodynamics. In these studies, the focus is on the creation of a computer-economical method for reconstructing the profiles of electrical conductivity and magnetic permeability of metal planar objects under testing. These parameters can include the information about the results and quality of the production process or the effects of exposure to an aggressive environment. Registration of changes in electrophysical properties by means of eddy current testing allows for prompt adoption of effective management decisions regarding controlled processes. The simultaneous determination of these parameters because of non-contact indirect measurements of the electromotive force (EMF) by surface eddy current probes over the surface object with the subsequent restoration of the parameter distributions along its thickness by numerical methods is an urgent task. Objective. To create a computer-economical method for determining the electrophysical properties of objects by means of surrogate optimization with the accumulation of additional apriori knowledge about them in neural network metamodels with nonlinearly reduced dimensionality to improve the accuracy of simultaneous profile determination. Methodology. The method for determining the electrophysical properties of objects is based on homogeneous designs of experiments, surrogate optimization with the accumulation of apriori knowledge about them in metamodels with nonlinearly reduced dimensionality. Originality. Integration of multiple capabilities in the surrogate model that combine the advantages of high-performance computing and optimization algorithms in the factor space reduced by the Kernel PCA (Principal Component Analysis) method. The accumulated additional apriori knowledge about objects is incorporated into the neural network metamodel. This makes it possible to implicitly identify complex patterns hidden in the data that are characteristic of the eddy current measuring process and take them into account during reconstruction. Results. The reduction of the search space is a considerable result. It was possible due to the nonlinear Kernel-PCA transformations with the analysis of the eigenvalues of the kernel matrix and the restriction on the number of PCA principal components. The results confirmed the validity of a significant reduction in space without major loss of information. Another indicator of the effectiveness of the method is a high precision of the created surrogate models. The accuracy of the reduced dimensional metamodels was achieved by using a homogeneous computer design of experiment and deep learning networks. The adequacy and informativeness of the constructed surrogate models have been proved by numerical indicators. The efficiency of the method is demonstrated on model examples. References 36, table 5, figures 6.Вступ. Серед обернених задач електродинаміки певну частину складають задачі визначення профілів електрофізичних властивостей матеріалів. В цих дослідженнях акцентується увага на створенні обчислювально-економного методу реконструкції профілів електричної провідності та магнітної проникності металевих пласких об’єктів контролю. Ці параметри можуть нести інформацію щодо результатів та якості виробничого процесу або наслідків впливу на об’єкт агресивного середовища. Реєстрація змін електрофізичних властивостей засобами вихрострумового контролю дозволяє здійснювати оперативне прийняття ефективних управлінських рішень щодо контрольованих процесів. Одночасне визначення вказаних параметрів у результаті безконтактних непрямих вимірювань електрорушійної сили (ЕРС) накладними вихрострумовими перетворювачами над поверхнею об’єкту із наступним відновленням розподілів параметрів вздовж його товщі чисельними методами є актуальним завданням. Мета. Створення обчислювально-економного методу визначення електрофізичних властивостей об’єктів засобами сурогатної оптимізації із накопиченням додаткових апріорних знань щодо них у нейромережевих метамоделях із нелінійно-скороченою розмірністю для підвищення точності одночасного визначення профілів. Методологія. Метод визначення електрофізичних властивостей об’єктів створюється на основі однорідних планів експериментів, сурогатної оптимізації із накопиченням апріорних знань щодо них у метамоделях із нелінійно-скороченою розмірністю. Оригінальність. Інтеграція у сурогатній моделі комбінованих можливостей, які поєднують одночасно переваги високопродуктивних обчислень та виконання оптимізаційних алгоритмів у скороченому за допомогою методу Kernel PCA-просторі факторів. Виконано інкорпорацію акумульованих додаткових апріорних знань щодо об’єктів у нейромережеву метамодель. Це дозволяє неявно визначати складні приховані в даних закономірності, котрі характерні для процесу вихрострумових вимірювань, та врахувати їх під час реконструкції. Результати. Суттєвим результатом є скорочення простору пошуку. Це вдалося завдяки нелінійним перетворенням Кernel-PCA з аналізом власних значень ядерної матриці і обмеженням на кількість головних компонент РСА. Отримані результати підтвердили обґрунтованість істотного скорочення простору без суттєвої втрати інформації. Іншим показником ефективності методу є висока точність створених сурогатних моделей. Точності метамоделей скороченої розмірності вдалося досягти використанням однорідного комп’ютерного плану експерименту та мереж глибокого навчання. Числовими показниками доведені адекватність та інформативність побудованих сурогатних моделей. На модельних прикладах продемонстрована ефективність методу. Бібл. 36, табл. 5, рис. 6
Control of an autonomous wind energy conversion system based on doubly fed induction generator supplying a non-linear load
Full text linkIntroduction. Nowadays, many researches are being done on wind turbines providing electrical energy to a stable power grid by via a doubly fed induction generator (DFIG), but the studies on the autonomous networks are rare, due the difficulty of controlling powers often close to the nominal power of the generator. Goal. This paper presents a variable speed constant frequency (VSCF) autonomous control system to supply isolated loads (linear or non-linear). The main objective is the design of an effective strategy to reduce harmonic currents induced via the non-linear loads such as rectifier bridge with 6 diodes. The novelty of the work consists in study of system composed of a DFIG providing energy by his stator to a stand-alone grid. It uses a static converter connected to the rotor allowing operation in hypo and hyper synchronism. A permanent magnet synchronous machine (PMSM) connected to a wind turbine supplies this converter, that is sized proportionately to the variation range of the necessary rotational speed. In the case of linear loads there is no problem, all desired parameters are well controlled but in the non-linear loads case such as rectifier bridge with 6 diodes there is the harmonic problem. For this purpose, to reduce this harmonic, the proposed solution is the installation of a LC filter. Methods. The DFIG is controlled to provide a constant voltage in amplitude and frequency independently of the grid load or the drive turbine speed. This command is vector control in a reference related to the stator field. The stator flux is aligned along the d axis of this landmark allowing thus the decoupling of the active and reactive stator powers of DFIG. The DFIG is controlled by an internal control loop of rotor flux and an external control loop of output stator voltage. We present also the control of the PMSM and the DC bus of the converter. The PMSM is controlled by an internal control loop of the current and an external control loop of the continuous bus of the converter according to its nominal value. The control system of wind generator based on the maximum power point tracking and the control of bus continuous at output rectifier knowing that the non-linear loads introduce high harmonic currents and disrupt the proper functioning of the system. The installation of a LC filter between the stator and the network to be supplied reduce harmonics. Results. Simulation results carried out on MATLAB/Simulink show that this filter allows obtaining a quasi-sinusoidal network voltage and it also has the advantage of a simple structure, a good efficiency and a great performance. This proves the feasibility and efficiency of the proposed system for different loads (linear or non-linear). Practical value. This proposed system is very performing and useful compared to others because it ensures the permanent production of electricity at VSCF to feed isolated sites, whatever the load supplied (linear or non-linear), without polluting the environment so that the use of wind energy is very important to reduce the greenhouse effect. References 34, figures 9.Вступ. В даний час проводиться багато досліджень вітряних турбін, що забезпечують електроенергією стабільну електромережу через асинхронний генератор з подвійним живленням (DFIG), але дослідження автономних мереж рідкісні через складність управління потужностями, часто близькими до номінальної потужності генератора. Мета. У статті представлена автономна система управління змінною швидкістю та постійною частотою (VSCF) для живлення ізольованих навантажень (лінійних чи нелінійних). Основною метою є розробка ефективної стратегії зниження гармонійних струмів, наведених через нелінійні навантаження, такі як випрямний міст із шістьма діодами. Новизна роботи полягає у вивченні системи, що складається з DFIG, що забезпечує енергією його статор в автономну мережу. Він використовує статичний перетворювач, підключений до ротора, що дозволяє працювати в гіпо-і гіперсинхронізмі. Синхронна машина з постійними магнітами (PMSM), підключена до вітряної турбіни, живить цей перетворювач, який має розмір, пропорційний діапазону зміни необхідної швидкості обертання. У разі лінійних навантажень проблем немає, всі бажані параметри добре контролюються, але у разі нелінійних навантажень, таких як випрямний міст із шістьма діодами, виникає проблема гармонік. Для цієї мети, щоб зменшити цю гармоніку, запропонованим рішенням є встановлення LC-фільтру. Методи. DFIG управляється для забезпечення постійної напруги за амплітудою та частотою незалежно від навантаження мережі або швидкості приводної турбіни. Ця команда є векторним управлінням в опорному сигналі, пов'язаному з полем статора. Потік статора вирівняний вздовж осі d цього орієнтиру, що дозволяє таким чином розв'язати активну та реактивну потужності статора DFIG. DFIG управляється внутрішнім контуром управління потоком ротора та зовнішнім контуром управління вихідною напругою статора. Представлено також управління PMSM та DC шиною перетворювача. PMSM управляється внутрішнім контуром керування струмом та зовнішнім контуром керування безперервною шиною перетворювача відповідно до його номінального значення. Система керування вітрогенератором базується на відстеженні точки максимальної потужності та безперервному керуванні шиною на вихідному випрямлячі, враховуючи, що нелінійні навантаження вводять струми високих гармонік та порушують належне функціонування системи. Встановлення LC-фільтра між статором і мережею живлення зменшує гармоніки. Результати моделювання, проведені в MATLAB/Simulink, показують, що цей фільтр дозволяє отримати квазісинусоїдальну напругу мережі, а також має перевагу щодо простоти структури, хорошої ефективності та значної продуктивності. Це доводить доцільність та ефективність запропонованої системи для різних навантажень (лінійних чи нелінійних). Практична значимість. Запропонована система дуже продуктивна і корисна в порівнянні з іншими, оскільки вона забезпечує постійне виробництво електроенергії на VSCF для живлення ізольованих ділянок, незалежно від навантаження, що подається (лінійне або нелінійне), не забруднюючи навколишнє середовище, тому що використовує енергію вітру, що є важливим для зниження парникового ефекту. Бібл. 34, рис. 9
Optimization of combined active-passive electromagnetic shielding system for overhead power lines magnetic field normalization in residential building space
Full text linkProblem. Normalization of overhead power lines magnetic field level in residential building. Goal. Normalization of overhead power line magnetic field by optimization of combined electromagnetic shielding system, consisting of active and passive parts, in residential building space based on magnetic field three-dimensional model. Methodology. Optimization of combined electromagnetic shielding system for initial magnetic field three-dimensional model solved based on multi-criteria two-player antagonistic game solution. Game payoff vector calculated based on finite element calculations system COMSOL Multiphysics package. Game solution calculated based on particles multiswarm optimization algorithms. Results. The results of theoretical and experimental studies of combined electromagnetic passive and active shielding system for magnetic field three-dimensional model in residential building from two-circuit overhead power transmission line with wires «Barrel» type arrangement presented. Scientific novelty. For the first time the method for normalization of overhead power lines magnetic field in residential building space based on optimization of combined active-passive electromagnetic shielding system for magnetic field three-dimensional model developed. Practical value. Spatial location coordinates of shielding winding, currents and phases in shielding winding of robust active shielding system, geometric dimensions and thickness of electromagnetic passive shield calculated during optimization of combined electromagnetic shielding system for magnetic field three-dimensional model. References 49, figures 13.Проблема. Нормалізація рівня магнітного поля повітряних ліній електропередачі в житлових будинках. Мета. Нормалізація рівня магнітного поля повітряних ліній електропередачі шляхом оптимізації комбінованої електромагнітної екрануючої системи, що складається з активної та пасивної частин, у просторі житлових приміщень на основі тривимірної моделі магнітного поля. Методологія. Оптимізація комбінованої електромагнітної екрануючої системи тривимірної моделі вихідного магнітного поля розраховується на основі рішення багатокритеріальної антагоністичної гри двох гравців. Вектор виграшів гри розраховується на основі кінцево-елементної системи обчислень COMSOL Multiphysics. Рішення гри розраховується на основі алгоритмів оптимізації мультироїв частинок. Результати. Наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень комбінованої електромагнітної системи пасивного та активного екранування тривимірної моделі магнітного поля в житловому будинку від дволанцюгової повітряної лінії електропередач із розташуванням проводів типу «бочка». Наукова новизна. Вперше розроблено метод нормалізації магнітного поля повітряних ліній електропередачі в житловому приміщенні на основі оптимізації комбінованої активно-пасивної системи електромагнітного екранування тривимірної моделі магнітного поля. Практична значимість. Координати розташування екрануючих обмоток, струм і фаза в екрануючих обмотках робастної системи активного екранування, та геометричні розміри і товщина електромагнітного пасивного екрану розраховуються при оптимізації комбінованих електромагнітних екрануючих систем тривимірної моделі магнітного поля. Бібл. 49, рис. 13
Integrating dual active bridge DC-DC converters: a novel energy management approach for hybrid renewable energy systems
Full text linkIntroduction. Hybrid renewable energy systems, which integrate wind turbines, solar PV panels, and battery storage, are essential for sustainable energy solutions. However, managing the energy flow in these systems, especially under varying load demands and climatic conditions, remains a challenge. The novelty of this paper is introduces a hybrid renewable energy system structure using Dual Active Bridge (DAB) DC-DC converters and an energy management strategy (EMS) to control power flow more effectively. The approach includes a dump load mechanism to handle excess energy, offering a more efficient and flexible system operation. The purpose of this study is to develop a novel approach to managing and controlling hybrid renewable energy systems, specifically through the use of a DAB DC-DC converter. Unlike traditional methods that may struggle with efficiency and flexibility, our approach introduces an innovative EMS that leverages a reduced neural network block for real-time optimal power tracking and a sophisticated control system to adapt to dynamic conditions. This approach aims to improve the flexibility of the system, enhance energy utilization, and address the limitations of existing methods by ensuring rapid and efficient responses to changes in load and climatic conditions. The primary goal of this study is to improve the performance and reliability of hybrid renewable energy systems by optimizing energy distribution and battery management. The strategy aims to ensure continuous energy availability, enhance battery lifespan, and improve system response to dynamic changes. Methods. The proposed EMS was developed and tested using MATLAB/Simulink. The system’s control mechanism prioritizes battery charging when renewable energy output exceeds demand and redirects excess energy to a dump load when necessary. Simulations were conducted under various load and climatic conditions to assess system performance. Results. The simulation results demonstrate that the proposed strategy effectively manages energy flow, ensuring optimal power distribution, quick adaptation to load changes, and maintaining the battery’s state of charge within safe limits. Practical value. The system showed improved stability and efficiency, validating the effectiveness of the control strategy in enhancing the overall performance of hybrid renewable energy systems. References 33, tables 3, figures 13.Вступ. Гібридні системи відновлюваної енергетики, які об’єднують вітряні турбіни, сонячні фотоелектричні панелі та акумуляторні батареї, є важливими для стійких енергетичних рішень. Однак управління потоком енергії в цих системах, особливо за змінних вимог до навантаження та кліматичних умов, залишається проблемою. Новизна цієї статті полягає в представленні гібридної структури системи відновлюваної енергії з використанням подвійних активних мостів (DAB) DC-DC перетворювачів і стратегії управління енергією (EMS) для більш ефективного контролю потоку електроенергії. Цей підхід включає механізм скидання навантаження для обробки надлишкової енергії, що забезпечує більш ефективну та гнучку роботу системи. Метою цього дослідження є розробка нового підходу до управління та контролю гібридних систем відновлюваної енергії, зокрема за допомогою перетворювача DAB DC-DC. На відміну від традиційних методів, які можуть мати проблеми з ефективністю та гнучкістю, наш підхід запроваджує інноваційну EMS, яка використовує зменшений блок нейронної мережі для відстеження оптимальної потужності в реальному часі та складну систему керування для адаптації до динамічних умов. Цей підхід спрямований на покращення гнучкості системи, покращення використання енергії та усунення обмежень існуючих методів шляхом забезпечення швидкої та ефективної реакції на зміни навантаження та кліматичних умов. Основною метою цього дослідження є покращення продуктивності та надійності гібридних систем відновлюваної енергії шляхом оптимізації розподілу енергії та керування батареями. Стратегія спрямована на забезпечення безперервної доступності енергії, збільшення терміну служби акумулятора та покращення реакції системи на динамічні зміни. Методи. Запропонована EMS була розроблена та протестована за допомогою MATLAB/Simulink. Механізм керування системою надає пріоритет зарядці батареї, коли вихід відновлюваної енергії перевищує попит, і за необхідності перенаправляє надлишкову енергію на скидання. Для оцінки продуктивності системи було проведено моделювання за різних навантажень і кліматичних умов. Результати моделювання демонструють, що запропонована стратегія ефективно керує потоком енергії, забезпечуючи оптимальний розподіл потужності, швидку адаптацію до змін навантаження та підтримку стану заряду батареї в безпечних межах. Практична значимість. Система продемонструвала покращену стабільність та ефективність, підтверджуючи ефективність стратегії керування для підвищення загальної продуктивності гібридних систем відновлюваної енергії. Бібл. 33, табл. 3, рис. 13
Method for reduction of magnetic field of uncertain extended technical objects based on their multyspheroidal model and compensating magnetic dipoles
Full text linkProblem. The implementation of strict requirements for magnetic silence of elongated energy-saturated objects such as naval vessel and submarines is an important scientific and technical problem of magnetism of technical objects. Purpose. Development of method for reduction of magnetic field of uncertain extended technical objects based on their multyspheroidal model and optimization of parameters of compensating dipoles for compensate of spheroidal harmonics of external magnetic field of technical object. Methodology. Number, coordinates of spatial arrangement and magnitudes of spherical harmonics of compensating dipole of magnetic field sources calculated as magnetostatics geometric inverse problems solution in the form of nonlinear minimax optimization problem based on multyspheroidal model of magnetic field of extended technical objects. Nonlinear objective function calculated as the weighted sum of squared of resulting magnetic field COMSOL Multiphysics software package used. Nonlinear minimax optimization problems solutions calculated based on particle swarm nonlinear optimization algorithms. Results. The results of reduction of the initial magnetic field of extended technical objects based on their multyspheroidal model and optimization of parameters of compensating magnetic dipoles for compensate of spheroidal harmonics of external magnetic field of technical object using multyspheroidal model of the magnetic field in the form of spatial prolate spheroidal harmonics in the prolate spheroidal coordinate system and taking into account the uncertainty of the magnetic characteristics of extended technical objects. Originality. For the first time the method for reduction of magnetic field of uncertain extended technical objects based on their multyspheroidal model and optimization of parameters of compensating magnetic dipoles for compensate of spheroidal harmonics of external magnetic field of technical object using multyspheroidal model of the magnetic field developed. Unlike known methods, the developed method makes it possible to increase the efficiency of magnetic field reduction of uncertain extended technical objects. Practical value. It is theoretically shown the possibility to reduce by almost 100 times of modulus of induction and horizontal component of the induction of the original magnetic field of uncertain extended technical objects based on optimization of parameters of compensating magnetic dipoles for compensate of spheroidal harmonics of external magnetic field of technical object using multyspheroidal model of the magnetic field. References 48, figures 6.Проблема. Реалізація жорстких вимог щодо магнітної тиші витягнутих енергонасичених об’єктів, таких як військові кораблі та підводні човни, є важливою науковою та технічною проблемою магнетизму технічних об’єктів. Мета. Розробка методу зменшення магнітного поля невизначених протяжних технічних об’єктів на основі їх мультісфероїдальної моделі і оптимізації параметрів компенсуючих магнітних диполів для компенсації сфероїдальних гармонік зовнішнього магнітного поля технічного об’єкта. Методологія. Параметри компенсуючих дипольних джерел магнітного поля розраховані як рішення обернених геометричних задач магнітостатики у формі нелінійної задачі мінімаксної оптимізації на основі мультисфероїдальної моделі магнітного поля витягнутих технічних об’єктів. Нелінійна цільова функція розрахована як зважена сума квадратів результуючого магнітного поля з використанням програмного пакету COMSOL Multiphysics. Розв’язки задач нелінійної мінімаксної оптимізації розраховані на основі алгоритмів нелінійної оптимізації роєм частинок. Результати. Результати компенсації вихідного магнітного поля витягнутих технічних об’єктів на основі їх мультісфероїдальної моделі і оптимізації параметрів компенсуючих магнітних диполів для компенсації сфероїдальних гармонік зовнішнього магнітного поля технічного об’єкта з використанням мультисфероїдальної моделі магнітного поля в вигляді просторових витягнутих сфероїдальних гармонік в витягнутій сфероїдній системі координат та з врахуванням невизначеності магнітних характеристик витягнутих технічних об’єктів. Оригінальність. Вперше розроблено метод зменшення магнітного поля невизначених протяжних технічних об’єктів на основі їх мультісфероїдальної моделі і оптимізації параметрів компенсуючих магнітних диполів для компенсації сфероїдальних гармонік зовнішнього магнітного поля технічного об’єкта з використанням мультисфероїдальної моделі магнітного поля . На відміну від відомих методів, розроблений метод дозволяє підвищити ефективність зменшення магнітного поля невизначених протяжних технічних об’єктів. Практична цінність. Показана теоретична можливість зменшення майже в 100 разів модуля індукції та горизонтальної складової індукції вихідного магнітного поля невизначених протяжних технічних об’єктів на основі оптимізації параметрів компенсуючих магнітних диполів для компенсації сфероїдальних гармонік зовнішнього магнітного поля. поля технічного об’єкта з використанням мультисфероїдальної моделі магнітного поля. Бібл. 48, рис. 6