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
Method of integro-differential equations for interpreting the results of vertical electrical sounding of the soil
Get PDFThe paper is devoted to the problem of determining the geoelectric structure of the soil within the procedure of testing the grounding arrangements of existing power plants and substations to the required depth in conditions of dense development. To solve the problem, it was proposed to use the Schlumbergers method , which has a greater sounding depth compared to the Wenner electrode array. The purpose of the work is to develop a mathematical model for interpreting the results of soil sounding by the Schlumberger method in the form of a four-layer geoelectric structure. Methodology. To construct a mathematical model, it is proposed to use the solution of a particular problem about the field of a point current source, which, like the observation point, is located in the first layer of a four-layer soil. Based on this expressions, a system of linear algebraic equations of the 7-th order with respect to the unknown coefficients ai and bi was compiled. On the basis of its analytical solution, an expression for the potential of the electric field was obtained for conducting VES (the point current source and the observation point are located only on the soil surface). Results. Comparison of the results of soil sounding by the Schlumberger installation and the interpretation of its results for the same points shows a sufficient degree of approximation: the maximum relative error does not exceed 9.7 % (for the second point), and the average relative error is 3.6 %. Originality. Based on the obtained expression, a test version of the program was implemented in Visual Basic for Applications to interpret the results of VES by the Schlumberger method. To check the obtained expressions, the interpretation of the VES results was carried out on the territory of a 150 kV substation of one of the mining and processing plants in the city of Kriviy Rih. Practical significance. The developed mathematical model will make it possible to increase the sounding depth, and, consequently, the accuracy of determining the standardized parameters of the grounding arrangements of power stations and substations.Робота присвячена проблематиці визначення геоелектричної структури ґрунту в межах випробування заземлювальних пристроїв діючих електричних станцій та підстанцій на необхідну глибину в умовах щільної забудови. Для вирішення проблеми запропоновано використати установку Шлюмберже, яка має більшу глибину зондування у порівнянні з установкою Веннера. За допомогою методів інтегро-диференційних рівнянь було отримано аналітичні вирази для інтерпретації результатів зондування ґрунту установкою Шлюмберже у випадку чотиришарового ґрунту. Для перевірки отриманих виразів була проведена інтерпретація результатів вертикального електричного зондування на території підстанції 150 кВ одного з гірничо-збагачувальних комбінатів: максимальна відносна похибка не перевищує 9,7 %, а середня – 3,6 %
Оцінка головних розмірів тягового синхронно-реактивного електродвигуна з постійними магнітами
Get PDFGoal. The goal of the research is to develop an algorithm for selecting the main dimensions of a traction permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor. Methodology. A method for determining the main dimensions of the motor, which combines the analytical selection of stator parameters and numerical field calculations for the selection of rotor parameters. The need to check the mechanical strength of a rotor with permanent NdFeB magnets in flux barriers is shown. Results. The article proposes an algorithm for selecting the main dimensions of a traction permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor, which combines analytical expressions for selecting stator parameters and numerical field calculations for selecting rotor parameters. It is determined that analytical methods for calculating the magnetic circuit need to be developed in order to reduce the time to select the main dimensions of the motor. Originality. For the first time the sizes of active parts of the permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor with power of 180 kW for the drive of wheels of the trolleybus are defined. Practical significance. As a result of research the sizes of active parts, stator winding data and a design of a rotor of the electric motor are defined. The obtained results can be applied when creating an electric motor for a trolleybus.У статті розглянуті питання проектування тягового синхронно-реактивного електродвигуна з постійними магнітами потужністю 180 кВт для приводу коліс тролейбуса. Запропоновано спосіб визначення головних розмірів електродвигуна, який поєднує аналітичний вибір параметрів статора та чисельно-польові розрахунки для вибору параметрів ротора. Показана необхідність перевірки механічної міцності ротора, в якому розташовано постійні магніти NdFeB у потокових бар’єрах. У результаті дослідження визначено розміри активних частин, обмоткові дані статора та конструктив ротора електродвигуна
Електромеханічна система наведення озброєння на основі нечіткого ПД-регулятора положення
Get PDFPurpose. The purpose is to develop solutions for the implementation of optimal laws of arms positioning, overshoot-free and requiring no post-adjustments. Method. The control model is based on the fuzzy set theory; and the structural modeling methodology is used to study the dynamics indices. Results. The structural scheme of the positional electromechanical system with a fuzzy proportional-plus-differential position controller and the method of control adaptation to the position reference signal change are obtained. Scientific novelty. A model of a fuzzy proportional-differential controller signal adaptation in the structure of a positional electromechanical system is proposed. Practical value. A solution is obtained for the implementation of optimal guidance process, non-overshooting and requiring no post-adjustments, also featuring the maximum weapons speed and minimal sensitivity to parametric disturbances.Запропоновано позиційну електромеханічну систему наведення озброєння на основі адаптивного нечіткого пропорційно-диференційного (ПД) регулятора положення. Створено структурну Simulink-модель системи позиціонування озброєння основі нечіткої адаптивної моделі керування. Проведено комп’ютерні дослідження динаміки процесів позиціонування при використанні пропорційного та запропонованого адаптивного нечіткого ПД регулятора положення. Результати досліджень показали, що при використанні нечіткої адаптивної моделі керування процесом позиціонування реалізуються оптимальні без перерегулювання та режимів дотягування закони руху озброєння
New application of artificial neural network-based direct power control for permanent magnet synchronous generator
Get PDFPurpose. This article proposes a new strategy for Direct Power Control (DPC) based on the use of Artificial Neural Networks (ANN-DPC). The proposed ANN-DPC scheme is based on the replacement of PI and hysteresis regulators by neural regulators. Simulation results for a 1 kW system are provided to demonstrate the efficiency and robustness of the proposed control strategy during variations in active and reactive power and in DC bus voltage. Methodology. Our strategy is based on direct control of instant active and reactive powers. The voltage regulator and hysteresis are replaced by more efficient and robust artificial neuron networks. The proposed control technique strategy is validated using MATLAB / Simulink software to analysis the working performances. Results. The results obtained clearly show that neuronal regulators have good dynamic performances compared to conventional regulators (minimum response time, without overshoots). Originality. Regulation of continuous bus voltage and sinusoidal currents on the network side by using artificial neuron networks. Practical value. The work concerns the comparative study and the application of DPC based on ANN techniques to achieve a good performance control system of the permanent magnet synchronous generator. This article presents a comparative study between the conventional DPC control and the ANN-DPC control. The first strategy based on the use of a PI controller for the control of the continuous bus voltage and hysteresis regulators for the instantaneous powers control. In the second technique, the PI and hysteresis regulators are replaced by more efficient neuronal controllers more robust for the system parameters variation. The study is validated by the simulation results based on MATLAB / Simulink software.Мета. У статті пропонується нова стратегія прямого керування потужністю (DPC), яка базується на використанні штучних нейронних мереж (ANN-DPC). Запропонована схема ANN-DPC заснована на заміні пропорційно-інтегрального (ПІ) та гістерезисного регуляторів на нейронні регулятори. Наведено результати моделювання для системи потужністю 1 кВт для демонстрації ефективності та надійності запропонованої стратегії керування при зміні активної та реактивної потужності, а також напруги на шині постійного струму. Методологія. Запропонована стратегія базується на прямому керуванні миттєвими активними та реактивними потужностями. Регулятор напруги та гістерезисний регулятор замінені більш ефективними та надійними штучними нейронними мережами. Запропонована методика керування перевірена з використанням програмного забезпечення MATLAB / Simulink для аналізу робочих характеристик. Результати. Отримані результати показують, що нейронні регулятори мають хороші динамічні характеристики порівняно зі звичайними регуляторами (мінімальний час відгуку, без викидів). Оригінальність. Регулювання постійної напруги на шині та синусоїдальних струмів на стороні мережі за допомогою штучних нейронних мереж. Практична цінність. Робота стосується порівняльного дослідження та застосування прямого керування потужністю (DPC) на основі методів штучної нейронної мережі (ANN) для досягнення хороших показників системи керування синхронного генератора з постійними магнітами. У цій статті представлено порівняльне дослідження між звичайним керуванням DPC та керуванням ANN-DPC. Перша стратегія заснована на використанні ПІ-регулятора для керування постійною напругою на шині та гістерезисних регуляторів для керування миттєвою потужністю. У другому методі ПІ- та гістерезисні регулятори замінюються більш ефективними нейронними контролерами, більш стійкими до зміни параметрів системи. Дослідження підтверджено результатами моделювання на основі програмного забезпечення MATLAB / Simulink
Вплив обмеження тривалості струму обмотки якоря на робочі показники лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача індукційного типу
Get PDFIntroduction. Linear pulse electromechanical converters of induction type (LPECIT) are used in many branches of science and technology as shock-power devices and electromechanical accelerators. In them, due to the phase shift between the excitation current in the inductor winding and the induced current in the armature winding, in addition to the initial electrodynamic forces (EDF) of repulsion, subsequent EDF of attraction also arise. As a result, the operating indicators of LPECIT are reduced. The purpose of the article is to increase the performance of linear pulse electromechanical induction-type converters when operating as a shock-power device and an electromechanical accelerator by limiting the duration of the induced current in the armature winding until its polarity changes. Methodology. To analyze the electromechanical characteristics and indicators of LPECIT, a mathematical model was used, in which the solutions of equations describing interrelated electrical, magnetic, mechanical and thermal processes are presented in a recurrent form. Results. To eliminate the EDF of attraction between the LPIECIT windings, it is proposed to limit the duration of the induced current in the armature winding before changing its polarity by connecting a rectifier diode to it. It was found that when the converter operates as a shock-power device without limiting the armature winding current, the value of the EDF pulse after reaching the maximum value decreases by the end of the operating cycle. In the presence of a diode in the armature winding, the efficiency criterion, taking into account the EDF pulse, recoil force, current and heating temperature of the inductor winding, increases. When the converter operates as an electromechanical accelerator without limiting the armature winding current, the speed and efficiency decrease, taking into account the kinetic energy and voltage of the capacitive energy storage at the end of the operating cycle. In the presence of a diode in the armature winding, the efficiency criterion increases, the temperature rise of the armature winding decreases, the value of the maximum efficiency increases, reaching 16.16 %. Originality. It has been established that due to the limitation of the duration of the armature winding current, the power indicators of the LPECIT increase when operating as a shock-power device and the speed indicators when the LPECIT operates as an electromechanical accelerator. Practical value. It was found that with the help of a rectifier diode connected to the multi-turn winding of the armature, unipolarity of the current is ensured, which leads to the elimination of the EDF of attraction and an increase in the performance of the LPECIT.Вступ. Лінійні імпульсні електромеханічні перетворювачі індукційного типу (ЛІЕПІТ) використовуються в багатьох галузях науки і техніки як ударно-силові пристрої та електромеханічні прискорювачі. У них через фазовий зсув між струмом збудження в обмотці індуктора і індукованим струмом в обмотці якоря крім початкових електродинамічних сил (ЕДС) відштовхування виникають і наступні ЕДС тяжіння. Внаслідок цього робочі показники ЛІЕПІТ знижуються. Метою статті є підвищення робочих показників лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів індукційного типу при роботі в якості ударно-силового пристрою та електромеханічного прискорювача за рахунок обмеження тривалості індукованого струму в обмотці якоря до зміни його полярності. Методика. Для аналізу електромеханічних характеристик та показників ЛІЕПІТ використана математична модель, в якій розв'язки рівнянь, що описують взаємопов'язані електричні, магнітні, механічні та теплові процеси, представлені в рекурентному вигляді. Результати. Для усунення ЕДС тяжіння між обмотками ЛІЕПІТ запропоновано обмеження тривалості індукованого струму в обмотці якоря до зміни його полярності шляхом підключення до неї випрямного діода. Встановлено, що при роботі перетворювача в якості ударно-силового пристрою без обмеження струму обмотки якоря величина імпульсу ЕДС після досягнення максимального значення знижується до кінця робочого циклу. За наявності діода в обмотці якоря критерій ефективності, що враховує імпульс ЕДС, силу віддачі, струм і температуру нагрівання обмотки індуктора, підвищується. При роботі перетворювача в якості електромеханічного прискорювача без обмеження струму обмотки якоря відбувається зменшення швидкості і ККД, що враховує кінетичну енергію і напругу ємнісного накопичувача енергії в кінці робочого циклу. За наявності діода в обмотці якоря критерій ефективності підвищується, перевищення температури обмотки якоря зменшується, величина максимального ККД збільшується, досягаючи 16,16 %. Наукова новизна. Встановлено, що за рахунок обмеження тривалості струму обмотки якоря підвищуються силові показники ЛІЕПІТ при роботі в якості ударно-силового пристрою та швидкісні показники при роботі ЛІЕПІТ в якості електромеханічного прискорювача. Практична цінність. Встановлено, що за допомогою випрямного діода, підключеного до багатовиткової обмотки якоря, забезпечується однополярність струму, що зумовлює усунення ЕДС тяжіння і підвищення робочих показників ЛІЕПІТ
Model of pulsating current traction motor taking into consideration magnetic losses in steel
Get PDFThe aim of the work is to develop a mathematical model of the traction motor of the pulsating current of an electric locomotive taking into account the magnetic losses in the motor steel to determine the starting parameters depending on the voltage of the armature winding. Methodology. Mathematical modeling of electromagnetic processes in a traction motor of pulsating current is applied taking into account the nonlinear nature of the armature inductance, the inductance of the excitation winding and the nonlinear nature of the universal magnetic characteristic. The magnetic losses in the steel of the traction motor were taken into account by establishing the dependence of these losses on the frequency of reversal, the magnetic flux in the magnetic circuit of the motor and the geometric dimensions of the motor. Results. The mathematical model of calculation of starting parameters of the traction engine of the pulsating current of the traction drive of the electric locomotive of alternating current taking into account the equation of instantaneous value of losses in engine steel is developed. The dynamic characteristics of the traction motor with pulsating current are obtained. It allows to investigate starting parameters of the traction engine on the basis of the received mathematical model and to design elements of the traction drive of the electric locomotive according to the specification, to choose optimum design parameters. Originality. For the first time a comprehensive study of the pulsating current traction motor was carried out taking into account the nonlinear nature of the armature inductance, excitation winding inductance and nonlinear nature of the universal magnetic characteristic and taking into account the magnetic losses in the motor steel. Practical significance. The model of the traction motor of pulsating current taking into account losses in steel of the engine on the basis of the carried-out calculation is developed. Experimental studies have confirmed the adequacy of the model, which allows to apply the obtained model to develop a mathematical model of an AC electric locomotive to study the electrodynamic processes in it at different modes of operation of the electric locomotive.Запропоновано підхід до імітаційного моделювання тягових електродвигунів пульсуючого струму, заснований на врахуванні нелінійного характеру магнітної характеристики, індуктивностей якоря та обмотки збудження. Розроблено модель магнітних втрат у магнітопроводі якоря електродвигуна та досліджено їх вплив на характер електромагнітних процесів у електродвигуні. Показано, що отримані при цьому рішення узгоджуються з отриманими раніше результатами, але відкриваються додаткові можливості при дослідженні роботи двигуна в складі тягового електроприводу електровозу однофазно-постійного струму
Расширение цилиндрических трубчатых заготовок на высоковольтной магнитно-импульсной установке с управляемым вакуумным разрядником
Get PDFPurpose. An experimental verification of the existence of a range of values for the parameters of the capacitive energy storage of the magnetic-pulse installations with controlled vacuum discharger, in which, with a high probability, there is a «cut» of the discharge current pulses and the expansion of cylindrical thin-walled tubular workpieces using an external coil. Methodology. High voltage magnetic-pulse installation of NTU «KhPI» with controlled vacuum discharger, multiturn coil with inside dielectrical die and inside aluminum alloy workpiece are used. The capacitance and charge voltage of capacitive energy storage are changed. Discharge current pulses are measured by Rogowski coil and the oscillograph. Results. Parts of complicated shape are made by expansion of cylindrical tubular workpieces with help of external coil. Pressed metallic tubular part is removable from inner dielectric rod. Originality. The frequency of «cut» pulse is defined by negative magnetic field pressure amplitude. It is shown that we must coordinate this frequency and charge voltage with capacitive storage parameters by high probability of pulse «cut». Practical value. It is shown how to use installations with controlled vacuum dischargers in magnetic forming technology based on «cut» pulses.Мета. Метою роботи є експериментальна перевірка існування зони параметрів ємнісного нагромаджувача енергії магнітно-імпульсної устатковини з керованим вакуумним розрядником, в котрій з високою імовірністю відбувається «зріз» імпульсів розрядного струму та розширення циліндричних тонких трубчастих заготівок за допомогою зовнішнього індуктора. Методика. Використано високовольтну магнітно-імпульсну устатковину НТУ «ХПІ» з керованим вакуумним розрядником та багатовитковий індуктор, усередині котрого було розміщено діелектричну матрицю і заготівку з алюмінієвого стопу. Змінювали ємність та зарядну напругу нагромаджувача енергії. Імпульси розрядного струму вимірювали за допомогою поясу Роговського та реєстрували осцилографом. Результати. Магнітно-імпульсним розширенням циліндричних заготівок за допомогою зовнішнього індуктора отримано деталі складної форми та здійснено зняття металевої деталі, що була напресована на діелектричний стрижень. Наукова новизна. Показано, що частоту імпульсу, що «зрізається», при котрій амплітуда від’ємного тиску магнітного поля наближається до максимальної, а також зарядну напругу необхідно узгоджувати з параметрами ємнісного нагромаджувача енергії, при яких з високою імовірністю відбувається «зріз» імпульсу. Практичне значення. Результати та рекомендації, що отримано, можуть бути використано у магнітно-імпульсних технологіях на устатковинах з керованими вакуумними розрядниками
Energy efficiency of a 3-level shunt active power filter powered by a fuel-cell / battery DC bus with regulated duty cycles
Get PDFIntroduction. Nowadays, electrical energy is indispensable in industrial, tertiary and domestic appliances. However, its efficiency is becoming affected by the presence of the disturbances that appear in the electrical networks such as harmonics, unbalance, sags/swells, flickers …etc. Indeed, the disturbances cause a decrease in the power factor and an increase in the power losses. In this paper, the harmonic disturbance is considered and a 3-level shunt active power filter powered by a hybrid fuel-cell/battery DC is applied to mitigate current harmonic components from the electrical feeder. Aim. Studying the energy efficiency of a system based on a 3-level shunt active filter powered by a hybrid fuel-cell / battery DC bus. Methodology. It is a matter of finding the suitable formulas that express the efficiency and the relative power losses according to the load factor (which is the ratio between the short-circuit active power and the load active power) and the load power factor. The DC bus energy is controlled using an energy management algorithm that contributes in generating the required reference input currents and output voltages of the fuel-cell and the battery. The DC/DC converters control circuits are performed in a closed loop by means of regulated duty cycles. Results. The simulation results carried-out under MATLAB/Simulink environment show better filtering quality if compared with the case of open loop control of the DC/DC converters and lesser differences between the fuel-cell power, the battery power and their respective reference powers. Which concerns the energy efficiency, the results demonstrate that higher efficiency and lower relative power losses can be achieved only when higher load factor and load power factor are attained. Therefore, the compensating system of the power factor is very important to improve the energy efficiency.Вступ. У наш час електрична енергія є незамінною для промислових, проміжних і побутових приладів. Однак на її ефективність впливає наявність порушень, що виникають в електричних мережах, таких як гармоніки, дисбаланс, провисання/розбухання, мерехтіння тощо. Дійсно, порушення викликають зменшення коефіцієнта потужності та збільшення втрат потужності. У цій роботі розглянуто гармонічні порушення та застосовано 3-рівневий шунтуючий фільтр активної потужності з живленням від гібридного паливного елемента/акумулятора постійного струму для пом'якшення струмових гармонічних компонентів з електропостачанням від електричного фідера. Мета. Дослідження енергоефективності системи на основі 3-рівневого шунтуючого активного фільтра з живленням від гібридної шини постійного струму з паливним елементом/акумулятором. Методика. Потрібно знайти відповідні формули, які виражають ефективність та відносні втрати потужності у відповідності до коефіцієнта навантаження (це відношення активної потужності короткого замикання та активної потужності навантаження) та коефіцієнта потужності навантаження. Енергія шини постійного струму контролюється за допомогою алгоритму управління енергією, який сприяє формуванню необхідних опорних вхідних струмів та вихідних напруг паливного елемента й акумулятора. Схеми управління DC/DC перетворювачами виконуються у замкненому контурі за допомогою регульованих робочих циклів. Результати. Результати моделювання, проведеного у середовищі MATLAB/Simulink, показують кращу якість фільтрації у порівнянні з випадком управління з відкритим контуром DC/DC перетворювачів та менші відмінності між потужністю паливних елементів, потужністю акумулятора та їх відповідною порівняльною потужністю. Що стосується енергоефективності, результати показують, що більший ККД та менші відносні втрати потужності можна досягти лише тоді, коли досягаються більший коефіцієнт навантаження та коефіцієнт потужності навантаження. Тому компенсуюча система коефіцієнта потужності дуже важлива для підвищення енергоефективності
Тяговый электропривод на основе батареи топливных элементов и бортового инерционного накопителя энергии для мотор-вагонного поезда
Get PDFThe aim of the work is to study the possibility and features of the use of inertial storage devices in the traction electric drive of multi unit train with a power plant based on fuel cells. Methodology. The principle of power flow control in traction electric drives in the modes of acceleration and braking of rolling stock is proposed. The mathematical model of the traction electric drive in the form of the combination of three components: the train, the traction unit and the battery of fuel cells is developed. It was used to study the operation of a traction electric drive when solving a test traction task for rolling stock. Results. It is established that the use of inertial energy storage reduces hydrogen consumption by at least 25 %, which increases the mileage of rolling stock between equipment by more than 30 %. Originality. The traction electric drive on the basis of fuel elements and the inertial energy storage for the multi unit train is offered. The work of the proposed traction electric drive in solving the test traction problem for rolling stock is investigated. Practical significance. A mathematical model of the traction electric drive has been developed. The test traction problem for rolling stock is solved.В роботі розглянуто тяговий електропривод на основі паливних елементів та інерційного накопичувача енергії для мотор-вагонного рухомого складу. Запропоновано принцип керування потоками потужності у тяговому електроприводі у режимах розгону та гальмування рухомого складу. Розроблено математичну модель тягового електропривода у вигляді сукупності трьох складових: поїзда, тягового блока і батареї паливних елементів. За допомогою неї досліджено роботу запропонованого тягового електроприводу при вирішенні тестової тягової задачі для рухомого складу. Встановлено, що застосування інерційного накопичувача енергії зменшує витрати водню не менш ніж на 25 %, що забезпечує збільшення пробігу рухомого складу між екіпіруванням понад 30 %
Синтез конструктивно-технологічних рішень регулювання робочої ємності кабелів промислових мереж
Get PDFIntroduction. Over the past 10 years, the number of industrial networks has more than doubled. At the physical level, all industrial technology networks are based on twisted pair. Purpose. Synthesis of constructive-technological decisions of regulation of electric capacitance of the insulated conductor at a stage of manufacturing of twisted pair of cables of industrial networks. Methodology. The method of secondary charges to determine the capacitance of the insulated conductor by varying the thickness of the solid and foamed polyethylene insulation. Practical value. Effective regulation is provided on the basis of the obtained dependencies of the effective dielectric constant, the tangent of the dielectric loss angle and the capacitance of the insulated conductor on the degree of foaming and the thickness of the protective film of two-layer insulation. At a degree of porosity of 40 %, the dielectric constant decreases by 25 %, the tangent of the dielectric loss angle – by 33 %, the electrical capacitance of the insulated conductor – by 20 %.Доведено більшу чутливість регулювання технологічного процесу виготовлення ізольованого провідника витої пари при охолодженні у воді в порівнянні з повітряним. При зміненні товщини ізоляції в 4 рази електрична ємність ізольованого провідника змінюється більше, ніж в 2 рази, та на 5 % при знаходженні у воді та повітрі відповідно. Ефективне регулювання забезпечується на підставі отриманих залежностей ефективної діелектричної проникності, тангенсу кута діелектричних втрат та ємності ізольованого провідника від ступеню спінення та товщини захисної плівки двошарової ізоляції. При ступені пористості 40 % діелектрична проникність зменшується на 25 %, тангенс кута діелектричних втрат – на 33 %, електрична ємність ізольованого провідника – на 20 %