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
Chaotic-based particle swarm optimization algorithm for optimal PID tuning in automatic voltage regulator systems
Get PDFIntroduction. In an electrical power system, the output of the synchronous generators varies due to disturbances or sudden load changes. These variations in output severely affect power system stability and power quality. The synchronous generator is equipped with an automatic voltage regulator to maintain its terminal voltage at rated voltage. Several control techniques utilized to improve the response of the automatic voltage regulator system, however, proportional integral derivative (PID) controller is the most frequently used controller but its parameters require optimization. Novelty. In this paper, the chaotic sequence based on the logistic map is hybridized with particle swarm optimization to find the optimal parameters of the PID for the automatic voltage regulator system. The logistic map chaotic sequence-based initialization and global best selection enable the algorithm to escape from local minima stagnation and improve its convergence rate resulting in best optimal parameters. Purpose. The main objective of the proposed approach is to improve the transient response of the automatic voltage regulator system by minimizing the maximum overshoot, settling time, rise time, and peak time values of the terminal voltage, and eliminating the steady-state error. Methods. In the process of parameter tuning, the Chaotic particle swarm optimization technique was run several times through the proposed hybrid objective function, which accommodates the advantages of the two most commonly used objective functions with a minimum number of iterations, and an optimal PID gain value was found. The proposed algorithm is compared with current metaheuristic algorithms including conventional particle swarm optimization, improved kidney algorithm, and others. Results. For performance evaluation, the characteristics of the integral of time multiplied squared error and Zwe-Lee Gaing objective functions are combined. Furthermore, the time-domain analysis, frequency-domain analysis, and robustness analysis are carried out to show the better performance of the proposed algorithm. The result shows that automatic voltage regulator tuned with the chaotic particle swarm optimization based PID yield improvement in overshoot, settling time, and function value of 14.41 %, 37.91 %, 1.73 % over recently proposed IKA, and 43.55 %, 44.5 %, 16.67 % over conventional particle swarm optimization algorithms. The improvement in transient response further improves the automatic voltage regulator system stability for electrical power systems.Вступ. В електроенергетичній системі потужність синхронних генераторів змінюється внаслідок збурень або різких змін навантаження. Ці зміни в потужності серйозно впливають на стабільність енергетичної системи та якість електроенергії. Синхронний генератор оснащений автоматичним регулятором напруги для підтримання напруги на його клемах на рівні номінальної напруги. Декілька методів управління використовуються для поліпшення реакції системи автоматичного регулятора напруги, однак пропорційний інтегральний похідний контролер (PID-контролер) є найбільш часто використовуваним контролером, але його параметри вимагають оптимізації. Новизна. У цій роботі хаотична послідовність, заснована на логістичній схемі, гібридизується за допомогою оптимізації рою частинок, щоб знайти оптимальні параметри PID для системи автоматичного регулятора напруги. Ініціалізація на основі хаотичної послідовності логістичної схеми та найкращий глобальний вибір дозволяють алгоритму вийти із локальної мінімальної стагнації та покращити швидкість збіжності, що дає найкращі оптимальні параметри. Мета. Основною метою запропонованого підходу є поліпшення перехідної реакції системи автоматичного регулятора напруги шляхом мінімізації максимального перевищення, часу встановлення, часу наростання та пікових значень напруги на клемах і усунення помилки у стаціонарного стані. Методи. У процесі настройки параметрів техніку оптимізації рою хаотичних частинок кілька разів пропускали через запропоновану гібридну цільову функцію, яка враховує переваги двох найбільш часто використовуваних цільових функцій з мінімальною кількістю ітерацій,і знайдено оптимальне значення коефіцієнту підсилення PID. Запропонований алгоритм порівнюється з сучасними метаевристичними алгоритмами, включаючи звичайну оптимізацію рою частинок, вдосконалений алгоритм нирок та інші. Результати. Для оцінки ефективності об'єднуються характеристики інтеграла у часі, помноженого на похибки у квадраті, та цільових функцій Цве-Лі Гейнга. Крім того, проводяться аналіз у часовій області, аналіз у частотної області та аналіз стійкості, щоб показати кращу ефективність запропонованого алгоритму. Результат показує, що автоматичний регулятор напруги, налаштований на хаотичну оптимізацію рою частинок, заснований на поліпшенні виходу PID в перевищеннях,часі налаштування та значенні функції перевищує на 14,41 %, 37,91 %, 1,73 % нещодавно запропонований нирковий алгоритм та на 43,55 %, 44,5 %, 16,67 % перевищує звичайні алгоритми оптимізації рою частинок. Поліпшення перехідної реакції ще більше покращує стабільність автоматичного регулятора напруги для систем електроенергетики
Обґрунтування додаткових діагностичних параметрів для оцінки стану електричної ізоляції абсорбційними методами
Get PDFThe aim of this work is to analyze the inadequacies of the diagnostic parameters, in particular the absorption and polarization coefficients, which are manifested in their integral character and dependence on the ratio of values of several elements of the equivalent scheme of insulation replacement. This article contains the results of theoretical investigation of the extremе nature of the absorption diagnostic parameters, which leads to unambiguity of the diagnostics procedure. The ways of partial adjustment of this unambiguity have been proposed. Methodology. To determine the extremality of the absorption coefficients depending on the absorption time, absorption capacity and resistance, as well as the leakage resistance, the usual method of investigating the functions was used, detailed calculations have been obtained by using MATLAB software. Results. Has been shown that the ambiguity of diagnostic results is caused by the contradiction of the integral character of the diagnostic parameters and the local character of the isolation failures, in particular breakdown, by ambiguous dependence of the diagnostic parameters on the values of the elements of the insulation replacement scheme and the extremal nature of the diagnostic parameters. Based on the general expression describing all currently used absorption coefficients, it is shown that they all have an extremum, the value of which depends on the parameters of the insulation substitution scheme and the time interval between the measurements of the absorption current. The dependence of the extreme value of the absorption and polarization coefficients on the parameters of the insulation substitution scheme has been established. Has been shown that to eliminate the ambiguity caused by the extremity of the absorption coefficients, it is necessary to introduce additional diagnostic parameters, such as the ratio of leakage resistance to absorption resistance, as well as the critical value of the absorption time constant. Originality. The detailed analysis of the reasons of ambiguity of electric insulation technical diagnostics by absorption methods has been carried out. A method for eliminating the ambiguity caused by the extremity of the absorption coefficients has been proposed. Practical significance. To eliminate the ambiguity caused by the extremity of the absorption coefficients, additional diagnostic parameters are proposed – the ratio of leakage resistance to the absorption resistance and critical values of the absorption time constant. The applying of these parameters with the absorption coefficients will more adequately assess the technical condition of insulation.В статті представлено результати аналізу екстремального характеру і зумовленої ним неоднозначності залежності абсорбційних коефіцієнтів від сталої часу абсорбції, а також залежності їх значень від відношення наскрізного опору ізоляції до її абсорбційного опору. Розраховано максимальні значення коефіцієнтів абсорбції і поляризації, а також сталої часу абсорбції, що відповідає їм, для різних значень відношення вказаних вище опорів. Обґрунтована можливість використання відношення наскрізного і абсорбційного опорів та абсорбційної сталої часу в якості додаткових діагностичних параметрів для усунення неоднозначності, пов’язаної з екстремальністю коефіцієнтів абсорбції і поляризації
Взаємний вплив струмів в плоскій індукторній системі з соленоїдом між двох масивних провідників
Get PDFIntroduction. Inductor systems, as tools for metal processing, widely used in industrial technologies using the energy of powerful pulsed electromagnetic fields. Problem. A common disadvantage of the known works on the creation of tools for magnetic-pulse impact on conductive objects has the use of physical and mathematical models, in which the exciting currents do not depend on the ongoing electromagnetic processes. Such the assumption, have distorts the picture of the real energy in the working area of the inductor system. Goal. To obtain design ratios and numerical estimates of the mutual influence of exciting and induced currents of a flat inductor system with a circular solenoid located between massive well-conducting objects, moreover to carry out a theoretical analysis of electromagnetic processes in this system. Methodology. Have applied integrating Maxwell’s equations using the Laplace and Fourier-Bessel integral transformations in the approximation of the ideal conductivity of the metal objects to be processed. Results. The calculated relations for the theoretical analysis of electromagnetic processes have obtained in the high-frequency approximation. It shown that the inductance of the studied system decreases as the objects being processed approach the solenoid and increases as they move away from it. It found that for the invariability of the power indicators, of the proposed tool, a corresponding correction of the amplitude (on average up to 20 times) of the exciting current has necessary in the solenoid winding. Originality. For the first time, the tool design with a circular solenoid located between the massive metal objects has proposed for flat magnetic-pulse stamping. As a result of the theoretical analysis, the influence of electromagnetic processes on the currents flowing in the system has confirmed. Practical significance. The use of the results obtained will allow to increase the efficiency of the tool of magnetic-pulse technologies, and to reduce the energy costs for performing the specified production operations.В роботі розглянута плоска індукторна система з круговим соленоїдом, розташованим між масивними добре провідними об’єктами. Така конструкція спрямована не тільки на підвищення ефективності інструменту магнітно-імпульсних технологій, та на зниження енергетичних витрат на виконання заданої виробничої операції. Інтегруванням рівнянь Максвелла з використанням інтегральних перетворень Лапласа і Фур’є-Бесселя в наближенні ідеальної провідності металевих об’єктів, що підлягають обробці, аналітично отримано математичну модель системи. В рамках поставленої мети отримано розрахункові співвідношення і проведено теоретичний аналіз електромагнітних процесів в плоскій індукторній системі з круговим соленоїдом, що розміщений між масивними добре провідними об’єктами, а також проведено чисельні оцінки взаємного впливу збуджуючих і індукованих струмів. Результати аналізу електромагнітних процесів показали, що для незмінності силових показників запропонованого інструменту магнітно-імпульсного штампування необхідна відповідна корекція амплітуди збуджуючого струму в обмотці соленоїда – джерела діючих електромагнітних полів
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ИНДУКТОРА ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРИ ЕГО ПИТАНИИ ОТ СЕТИ С ЗАДАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
Get PDFIntroduction. A computational analysis of the characteristics of an inductor of a rotating magnetic field for technological purposes is presented. The design of its stator is borrowed from a three-phase induction motor. The cylindrical cavity inside the stator is occupied by a working chamber into which a granular or liquid processed substance is loaded. The processing is carried out with elongated ferromagnetic elements moving with a magnetic field. Problem. The purpose of the article is a study of the electromagnetic, phase, and energy characteristics of an inductor at its operation under load mode with a given voltage of the stator winding. Methodology. The study is performed on the basis of numerical calculations of the magnetic field, taking into account the anisotropy of the low-magnetic medium in the working chamber. Its discrete medium is represented homogeneous with different magnetic permeabilities on mutually perpendicular axes. The technique of transition from the results of the magnetic field calculation to the electric, magnetic, phase and energy parameters of the inductor is given. This is facilitated by the electrical equivalent circuit of the stator phase winding, the equilibrium equation of its electrical quantities, vector diagrams and an iterative method for determining the current at a given voltage. Results. Mutual dependencies of a number of inductor parameters are formed into a family of characteristics exhibiting its properties in an operating mode with a changing load. Characteristics include such quantities as magnetic flux linkage of the stator winding, its current and EMF, phase shifts between them, electromagnetic torque, expended and useful power and its losses, power factor and efficiency. In this article, a feature of this mode is the stability of the stator winding voltage in the inductor. This complements the earlier studies of the inductor in the mode with stabilization of the winding current, which allows to compare these options. On the example of a test sample of an inductor, a number of its characteristics are shown, vector diagrams of its electric and magnetic quantities illustrating their mutual phase shifts are given. Practical value. The presented technique for determining the electric and magnetic quantities of the inductor and their phase relationships, and also the shown family of characteristics can contribute to increasing the design efficiency and improving the inductors of the considered type. The developed technique has the universality property, as it is capable of displaying their various circuit and constructional design parameters. Представлен расчетный анализ характеристик индуктора вращающегося магнитного поля технологического назначения. Конструкция его статора заимствована у трехфазного асинхронного двигателя. Цилиндрическая полость внутри статора занята рабочей камерой, в которую загружается сыпучее или жидкое обрабатываемое вещество. Обработка происходит движущимися с магнитным полем продолговатыми ферромагнитными элементами. Изложена методика получения электрических, магнитных и энергетических величин индуктора, основанная на численно-полевых расчетах с учетом магнитной анизотропии среды, заполняющей рабочую камеру. Взаимные зависимости ряда величин сформированы в семейство характеристик, проявляющих его свойства в рабочем режиме. В данной статье его особенностью является стабильность напряжения обмотки статора индуктора. Это дополняет проведенные ранее исследования индуктора в режиме со стабилизацией тока обмотки, что позволяет сравнить такие варианты работы. На примере тестового образца индуктора показан ряд его характеристик, приведены векторные диаграммы электрических и магнитных величин, иллюстрирующие их взаимные фазовые смещения.
ACTIVE SHIELDING OF MAGNETIC FIELD WITH CIRCULAR SPACE-TIME CHARACTERISTIC
Get PDFAim. The synthesis of two degree of freedom robust two circuit system of active shielding of magnetic field with circular space-time characteristic, generated by overhead power lines with «triangle» type of phase conductors arrangements for reducing the magnetic flux density to the sanitary standards level and to reducing the sensitivity of the system to plant parameters uncertainty. Methodology. The synthesis is based on the multi-criteria game decision, in which the payoff vector is calculated on the basis of the Maxwell equations quasi-stationary approximation solutions. The game decision is based on the stochastic particles multiswarm optimization algorithms. The initial parameters for the synthesis by system of active shielding are the location of the overhead power lines with respect to the shielding space, geometry and number of shielding coils, operating currents, as well as the size of the shielding space and magnetic flux density normative value, which should be achieved as a result of shielding. The objective of the synthesis is to determine their number, configuration, spatial arrangementand and shielding coils currents, setting algorithm of the control systems as well as the resulting of the magnetic flux density value at the shielding space. Results. Computer simulation and field experimental research results of two degree of freedom robust two circuit system of active shielding of magnetic field, generated by overhead power lines with «triangle» type of phase conductors arrangements are given. The possibility of initial magnetic flux density level reducing and system sensitivity reducing to the plant parameters uncertainty is shown. Originality. For the first time the synthesis, theoretical and experimental research of two degree of freedom robust two -circuit t system of active shielding of magnetic field generated by single-circuit overhead power line with phase conductors triangular arrangements carried out. Practical value. Practical recommendations from the point of view of the practical implementation on reasonable choice of the spatial arrangement of two shielding coils of robust two -circuit system of active shielding of the magnetic field with circular space-time characteristic generated by single-circuit overhead power line with phase conductors triangular arrangements are given. Цель. Синтез комбинированной робастной двухконтурной системы активного экранирования магнитного поля с круговой пространственно-временной характеристикой, генерируемого одноконтурной воздушной линией электропередачи с треугольным подвесом проводов для снижения индукции магнитного поля до уровня санитарных норм и для снижения чувствительности системы к неопределенности параметров объекта управления. Методология. Синтез основан на решении многокритериальной стохастической игры, в которой векторный выигрыш вычисляется на основании решений уравнений Максвелла в квазистационарном приближении. Решение игры находится на основе алгоритмов стохастической мультиагентной оптимизации мультироем частиц. Исходными параметрами для синтеза системы активного экранирования являются расположение высоковольтной линий электропередачи по отношению к экранируемому пространству, геометрические размеры, количество проводов и рабочие токи линии электропередачи, а также размеры экранируемого пространства и нормативное значение индукции магнитного поля, которое должно быть достигнуто в результате экранирования. Задачей синтеза является определение количества, конфигурации, пространственного расположения и токов экранирующих обмоток, алгоритма работы системы управления, а также результирующего значения индукции магнитного поля в экранируемом пространстве. Результаты. Приводятся результаты теоретических и полевых экспериментальных исследований комбинированной робастной двухконтурной системы активного экранирования магнитного поля, генерируемого воздушной линией электропередачи с треугольным подвесом проводов. Показана возможность снижения уровня индукции исходного магнитного поля внутри экранируемого пространства и снижения чувствительности системы к неопределенностям параметров объекта управления. Оригинальность. Впервые проведены синтез, теоретические и экспериментальные исследования комбинированной робастной двухконтурной системы активного экранирования магнитного поля, генерируемого одноконтурной воздушной линией электропередачи с треугольным подвесом проводов. Практическая ценность. Приводятся практические рекомендации по обоснованному выбору с точки зрения практической реализации пространственного расположения двух экранирующих обмоток двухконтурной робастной системы активного экранирования магнитного поля с круговой пространственно-временной характеристикой, создаваемого одноконтурной воздушной линией электропередачи с треугольным подвесом проводов.
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РОБАСТНОГО РЕГУЛЯТОРА СКОРОСТИ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Get PDFPurpose. The aim of the work is the calculation and design of a robust speed controller of a frequency-controlled induction electric drive with parametric uncertainty and the presence of interferences in the feedback channel. Methodology. The calculation and design of the controller was carried out in four stages. At the first stage, a linearized mathematical model of the control object with parametric uncertainty was constructed and the transfer function of the H∞-suboptimal controller was calculated in the Robust Control Toolbox using the mixed sensitivity method. At the second stage, the stability of the robust system and the accuracy of stabilization of the induction machine speed with random variations of the object's and controller's uncertain parameters within the specified boundaries were explored. At the third stage, the influence of interferences arising in the feedback channel on the speed of the electric motor was explored in the Simulink package. At the final stage, the transfer function of the H∞-suboptimal controller was decomposed into a continued fraction using the Euclidean algorithm. This fraction was used to build the electric scheme of the controller. Results. Computer modelling of the transfer function of H∞-suboptimal controller, the robust stabilization system for the speed of the frequency-controlled electric drive with random variations of the uncertain parameters of the object and the controller at specified boundaries, as well as with the presence of varying intensity interferences in the feedback channel, was carried out. The choice of variable parameters was carried out according to the Monte-Carlo method. The curves of transient processes of the induction machine speed with parametric uncertainty and at different ranges of interference are constructed, as well as a Bode diagram for an open system. By the scatter of the obtained curves of the transient processes, the accuracy of speed stabilization of the machine was determined, and according to the Bode diagram, stability reserves in the amplitude and the phase of the robust system were determined. They are within tolerances with comparatively large deviations of the varied parameters and the range of interferences. Based on the investigations, an electrical circuit of the H∞-suboptimal robust controller was developed. Originality. The mathematical model has been developed and the methodology for calculating and designing of H∞-suboptimal robust speed controller of the frequency-controlled system of an induction electric drive with random variations of the uncertain parameters of the object and the controller at determined boundaries and the presence of interferences in the feedback channel, ensuring the stability of the system with allowable reserves of the amplitude and the phase and high accuracy of speed stabilization of the machine within the tolerances of uncertain system parameters and interferences was proposed. Practical value. The obtained structure of the controller from analog elements makes it possible to carry out modernization of the electric drives frequency-controlled systems in operation with minimal financial costs.Цель. Целью работы является расчет и проектирование робастного регулятора скорости частотно-регулируемого асинхронного электропривода с параметрической неопределенностью и наличием помех в канале обратной связи. Методология. Расчет и проектирование регулятора проводился в четыре этапа. На первом этапе строилась линеаризованная математическая модель объекта управления с параметрической неопределенностью и рассчитывалась в пакете Robust Control Toolbox передаточная функция Н∞-субоптимального регулятора по методу смешанной чувствительности. На втором этапе исследовалась устойчивость робастной системы и точность стабилизации скорости асинхронной машины при случайных вариациях неопределенных параметров объекта и регулятора в заданных границах. На третьем этапе изучалось в пакете Simulink влияние помех, возникающих в канале обратной связи, на скорость электродвигателя. На заключительном этапе выполнялось разложение передаточной функции Н∞-субоптимального регулятора в цепную дробь по алгоритму Евклида. Эта дробь использовалась для построения электрической схемы регулятора. Результаты. Проведено компьютерное моделирование передаточной функции Н∞-субоптимального регулятора, системы робастной стабилизации скорости частотно-регулируемого электропривода при случайных вариациях неопределенных параметров объекта и регулятора в заданных границах, а также при наличии помех различной интенсивности в канале обратной связи. Выбор варьируемых параметров осуществлялся по методу Монте-Карло. Построены кривые переходных процессов скорости асинхронной машины с параметрической неопределенностью и при размахах помех, а также диаграмма Боде для разомкнутой системы. По разбросу полученных кривых переходных процессов определялась точность стабилизации скорости машины, а по диаграмме Боде – запасы устойчивости по амплитуде и фазе робастной системы. Они находятся в пределах допусков при сравнительно больших отклонениях варьируемых параметров и размахах помех. На базе проведенных исследований разработана электрическая схема Н∞-субоптимального робастного регулятора. Новизна. Разработана математическая модель и предложена методика расчета и проектирования Н∞-субоптимального робастного регулятора скорости системы частотного управления асинхронного электропривода при случайных вариациях неопределенных параметров объекта и регулятора в заданных границах и наличии помех в канале обратной связи, обеспечивающая устойчивость системы с допускаемыми запасами по амплитуде и фазе и высокую точность стабилизации скорости машины в пределах допусков неопределенных параметров системы и помех. Практическое значение. Полученная структура регулятора из аналоговых элементов дает возможность проводить модернизацию систем частотного управления электроприводов, находящихся в эксплуатации, с минимальными финансовыми затратами.
SIMPLIFIED MATHEMATICAL MODEL OF GROUP OF OVERHEAD POWER LINES MAGNETIC FIELD
Get PDFAim. The method for design of simplified mathematical model of the group of overhead power lines magnetic field allowing to reduce the number of conductors which are taken into account in the model and field and allowing to reduce the sensitivity of the model to plant parameters uncertainty is developed. Methodology. The method based on the multi-criteria game decision, in which the payoff vector is calculated on the basis of the Maxwell equations quasi-stationary approximation solutions. The game decision based on the stochastic particles multiswarm optimization algorithms. The implementation of the method is carried out when determining the number, configuration, spatial arrangement and currents in conductors based on simplified mathematical model of the group of overhead power line magnetic field in a given space area. Results. Computer simulation and field experimental research results of simplified mathematical model on the example of the group of four overhead power lines magnetic field including 21 conductors where based on the developed simplified mathematical model of the magnetic field, the number of conductors taken into account in the model is reduced to 6, and the modeling error does not exceed 4 %. Originality. For the first time the method for design of simplified mathematical model of the group of overhead power lines magnetic field based on the stochastic particles multiswarm optimization algorithms, which allows to significantly simplify the simulation by reducing the number of conductors that are taken into account in the model and to reduce the sensitivity of the model to plant parameters uncertainty, and at the same time limit the modeling error at the engineering level to 5-10 %. Practical value. Practical recommendations on reasonable choice of the minimal number, configuration, spatial arrangement and currents in conductors for the simplified mathematical model of the group of overhead power line magnetic field. Цель. Разработан метод построения упрощенной математической модели магнитного поля группы воздушных линий электропередачи, позволяющий уменьшить количество проводников, которые учитываются в модели для снижения чувствительности модели к неопределенности параметров объекта управления. Методология. Метод основан на решении многокритериальной стохастической игры, в которой векторный выигрыш вычисляется на основании решений уравнений Максвелла в квазистационарном приближении. Решение игры находится на основе алгоритмов стохастической мультиагентной оптимизации мультироем частиц. Реализация метода осуществляется при определении количества, конфигурации, пространственного расположения и токов в проводниках на основе упрощенной математической модели магнитного поля группы воздушных линий электропередачи в заданной области пространства. Результаты. Приводятся результаты компьютерного моделирования и полевых экспериментальных исследований на примере группы из четырех воздушных линий электропередачи, содержащей 21проводник, где на основе разработанной упрощенной математической модели магнитного поля количество учитываемых в модели проводников уменьшено до 6, а погрешность моделирования при этом не превышает 4 %. Оригинальность. Впервые разработан метод построения упрощенной математической модели магнитного поля группы воздушных линий электропередачи на основе алгоритмов стохастической мультиагентной оптимизации мультироем частиц, позволяющий существенно упростить моделирование за счет уменьшения количества проводников, которые учитываются в модели для снижения чувствительности модели к неопределенности параметров объекта управления, и при этом ограничить погрешность моделирования на инженерном уровне 5-10 %. Практическая ценность. Приводятся практические рекомендации по обоснованному выбору минимального количества, конфигурации, пространственного расположения и токов в проводниках упрощенной математической модели магнитного поля, создаваемого группой воздушных линий электропередачи
CHALLENGES OF DYNAMIC SIMULATION OF HIGH-SPEED ELECTROMAGNETIC VALVES OF GAS DISTRIBUTION DEVICES
Get PDFHigh-speed electromagnetic valves of gas distribution devices are used in modern missile and space technology as jet micro-motors of the executive elements of missile stabilization systems, as well as to control the movement of spacecrafts in space. The problem of creating such valves which are simple and reliable in the operation is relevant. In this work, it is proposed at the development and design stage to perform computer modelling of mutually coupled electromechanical processes, such as: distribution of transient electromagnetic field, transients in an electric circuit, and movement of an electromagnet armature. Besides, the calculation of the force with which the compressed gas acts on the corresponding structural elements of the valve is proposed to be performed by solving the system of Navier-Stokes equations. All problems are solved by numerical methods in axisymmetrical formulation with the corresponding initial and boundary conditions. Improvement of the accuracy of electromagnetic calculations and taking into account the movement of the armature of an electromagnet in the process of multiphysics numerical simulation is achieved using so-called tunable elastic meshes. The paper presents a comparative analysis of the numerical results obtained for several designs of electromagnets. The features of the dynamics of high-speed electromagnets of gas distribution valves during on and off operations are analyzed, the corresponding dynamic characteristics calculated using the proposed technique are presented. Быстродействующие электромагнитные клапаны газораспределительных устройств применяются в современной ракетно-космической технике в качестве реактивных микродвигателей исполнительных органов систем стабилизации ракет, а также для управления движением космическими летательными аппаратами в пространстве. Проблема создания простых в эксплуатации и надежных в работе указанных клапанов является актуальной. В настоящей работе предлагается на стадии разработки и проектирования выполнять компьютерное моделирование взаимосвязанных электромеханических процессов, таких как: распределение нестационарного электромагнитного поля, переходные процессы в электрической цепи, движение якоря электромагнита. При этом расчет силы, с которой сжатый газ действует на соответствующие конструктивные элементы клапана, предлагается выполнять путем решения системы уравнений Навье-Стокса. Все задачи решаются численными методами в осесимметричной постановке с соответствующими начальными и граничными условиями. Повышение точности электромагнитных расчетов и учет движения якоря электромагнита в процессе мультифизического численного моделирования достигается благодаря использованию так называемых перестраиваемых упругих сеток. В работе приведен сравнительный анализ численных результатов, полученных для нескольких конструкций электромагнитов. Проанализированы особенности динамики быстродействующих электромагнитов газораспределительных клапанов при выполнении операций включения и отключения, приведены соответствующие динамические характеристики, рассчитанные по предложенной методике.
АНАЛИЗ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ КЛАССОВ ЭФФЕКТИВНОСТИ IE1 И IE2 В НАСОСНОЙ УСТАНОВКЕ МОЩНОСТЬЮ 11 кВт
Get PDFPurpose. Comparative analysis of energy consumption indicators of electric motors of different energy efficiency classes in an electric drive of a centrifugal pump with power of 11 kW of a water supply system with throttle regulation. Methodology. In this paper a comparison of energy consumption of 11 kW pump units with induction motors of energy efficiency classes IE1 and IE2 is presented. The induction motors are powered directly from the mains. Both considered pump configurations have the same fluid flow rate characteristic of open pump systems. The amount of water consumed by the pump is adjusted by throttling. Results. The results on the daily and annual energy consumption of the two considered pump system configurations are obtained. It is shown that the pump unit using the IE2 class motor provides the annual energy savings of 9.65 thousand rubles and the life cycle energy savings of 158 thousand rubles compared to the IE1 class motor. The payback period of the IE2 class motor is calculated, which is 5 months if a new installation is commissioned and 2 years if the motor is replaced in an operating installation. Practical value. Nowadays the countries of the Eurasian Economic Union mainly use electric motors of the lowest energy efficiency class IE1, according to the IEC 60034-30 Standard (GOST IEC 60034-30-1-2016). However, according to the decision of the Commission of the Eurasian Economic Union, since the 1st of September, 2021 all general-purpose motors shall not be less efficient than the IE2 efficiency level. Therefore, the analysis of the economic effect of replacing IE1 class motors with IE2 class motors becomes relevant for the countries of the Eurasian Union. Pump drives are one of the most important consumers of electricity. Most of the pump drives are powered directly from the mains.На сегодняшний день в странах Евразийского экономического союза в основном применяются электродвигатели низкого класса энергоэффективности IE1, согласно стандарту МЭК 60034-30 (ГОСТ МЭК 60034-30-1-2016). Однако, согласно решению комиссии Евразийского экономического союза, с 1 сентября 2021 г. значение коэффициента полезного действия двигателей не должно быть меньше значений, установленных для класса энергетической эффективности IE2. Поэтому для стран Евразийского союза актуальным становится анализ экономического эффекта от замены двигателей класса IE1 на двигатели класса IE2. В данной работе представлен сравнительный анализ показателей энергопотребления асинхронных электродвигателей классов энергоэффективности IE1 и IE2 в электроприводе центробежного насоса мощностью 11 кВт системы водоснабжения с дроссельным регулированием. Асинхронные двигатели питаются напрямую от электрической сети. Обе насосные системы имеют один и тот же график расхода жидкости, характерный для разомкнутых насосных систем. Количество расходуемой насосом воды регулируется за счет дросселирования. Получены результаты по суточному и годовому энергопотреблению двух рассмотренных конфигураций насосной системы. Показано что система, где применяется асинхронный двигатель класса энергоэффективности IE2, обеспечивает экономию 118,6 евро за год и 2000 евро за жизненный цикл, по сравнению с асинхронным двигателем класса IE1. Рассчитан срок окупаемости двигателя класса IE2, который составляет 5 месяцев в случае введения в строй новой установки и 2 года, в случае замены двигателя в работающей установке.
МОЩНЫЙ СИЛЬНОТОЧНЫЙ ГЕНЕРАТОР МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ АМПЛИТУДОЙ ДО ±2 МВ И ТОКА АМПЛИТУДОЙ ДО ±150 кА С ЗАПАСАЕМОЙ В КОНДЕНСАТОРАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ ДО 1 МДж
Get PDFPurpose. Development and evaluation, on the basis of existing ultra-high-voltage generator of pulsed voltages and currents of GINT-4 type, of the new scheme of design of its charging-discharging circuit (CDC), and creation of modernized powerful ultra-high-voltage high-current generator of GINT-2 type to form microsecond voltage pulses with amplitudes up to ±2 MV and current with amplitude up to ±150 kA in the electrical load, with electrical energy stored in its capacitive energy storage (CES) up to 1 MJ. Methodology. Fundamentals of theoretical and applied electrical engineering, electrical power engineering, electrophysical principles of high-voltage and high pulsed current engineering, fundamentals of electromagnetic compatibility (EMC), instrument engineering, high-voltage instrumentation and standardization. Results. The new scheme of design of CDC of the modernized powerful ultra-high-voltage, heavy-current generator of GINT-2 type of outdoor placement, that allows obtaining, with preservation of the main electrotechnical elemental base of existing powerful prototype generator GINT-4 (rated output voltage ±4 MV with rated electrical energy stored in CES of 1 MJ and maximal amplitude of output current pulse in electrical load up to ±75 kA) pulses of current of microsecond duration with doubled amplitude (up to ±150 kA) in the long (from 1 to 4 m length) air gap of standard two-electrode discharging «needle-plane» system, in comparison with parameters of current pulses with amplitudes up to ±75 kA that are formed in the discharging circuit of generator of GINT-4 type with the use of the analogous air discharging system, has been developed. Experimental evaluations of the developed new discharging circuit in CDC of the modernized generator of GINT-4 type has been performed in field conditions, and its advantages over the old discharging circuit in composition of CDC of generator of GINT-4 type have been shown. Calculated evaluations of rise rates of high pulsed current (HPC) in plasma channel of air spark discharge of CES with energy up to 1 MJ of generator of GINT-2 type, and strength of electric and magnetic field that are formed around this high-current channel of spark discharge and are powerful electromagnetic interference (PEMI) for objects of armaments and military equipment (OAME) were performed. It was shown that rise rates of HPC obtained for generator GINT-2 in the channel of long air spark discharge (of artificial lightning) and PEMI around this channel practically satisfy strict requirements of the NATO Standards AESTP-250: 2014 and USA MIL-STD-464C: 2010. Originality. The new scheme of design of CDC in composition of the modernized powerful ultra-high-voltage high-current generator of GINT-2 type (developer – Research & Design Institute «Molniya» of NTU «KhPI»), satisfying requirements of the mentioned standards for full-scale tests of OAME for EMC and immunity to action on them of PEMI from long atmospheric spark electric discharges (lightning) was developed for the first time. Practical value. Application of the created ultra-high-voltage high-current generator of GINT-2 type in tests of OAME for EMC and immunity to action on them of PEMI from artificial lightning will assist increase in reliability of OAME functioning in conditions of damaging (destabilizing) action on them HPC and PEMI of natural and artificial origin.Предложена и апробирована новая схема построения мощного сверхвысоковольтного сильноточного генератора импульсных напряжений и токов ГИНТ-2 наружной установки, формирующего на активно-индуктивной нагрузке микросекундные импульсы напряжения амплитудой до ±2 МВ и тока амплитудой до ±150 кА при запасаемой электрической энергии до 1 МДж. Данный генератор построен на основе размещенного в полевых условиях модернизированного стационарного генератора ГИНТ-4 на номинальное напряжение ±4 МВ и номинальный ток амплитудой ±75 кА с запасаемой в его высоковольтных конденсаторах электрической энергией номинальным значением 1 МДж. Приведены описания схемных и конструктивных решений генератора ГИНТ-2, позволяющих обеспечить при сохранении основной электротехнической элементной базы генератора ГИНТ-4 получение на длинном разрядном воздушном промежутке двухэлектродной системы «игла-плоскость» импульсов тока микросекундной длительности с удвоенной амплитудой по сравнению с параметрами импульсов тока, формируемых в разрядной цепи генератора ГИНТ-4 с использованием аналогичной двухэлектродной системы. Перевод генератора ГИНТ-4 в режим работы генератора ГИНТ-2 с уменьшенным вдвое уровнем выходного импульсного напряжения и увеличенным вдвое уровнем выходного импульсного тока обусловлен требованиями стандартов НАТО AECTP-250: 2014 и США MIL-STD-464C: 2010 при испытаниях технических объектов на электромагнитную совместимость и невосприимчивость к воздействию на них мощных электромагнитных помех от атмосферных грозовых сильноточных электрических разрядов (молний).