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
Wind farms integration into power system with improved location and stability problem solving
Full text linkProblem. This article investigates as a consistent supply to satisfy rising world energy consumption, wind energy is becoming more and more important. Correct evaluation of the stability and performance of wind induction generators inside power systems remains difficult, particularly in regard to ensuring compliance with grid rules and best location. Goal. To evaluate and compare the dynamic behavior and grid compatibility of the squirrel cage induction generator (SCIG) and the doubly fed induction generator (DFIG) wind generators in various locations within the IEEE 14 bus network, and to determine the improved generator type and location. Methodology. The investigation adopts the small signal stability analysis for modeling the wind induction turbines due to its capability to assess system stability, controllability and observability. The IEEE 14 bus distribution network is modeled with wind generators interconnected at buses 10 through 14. Several parameters are analyzed under different operating conditions, including voltage, rotor angle, active power, reactive power and frequency. Results. DFIG exhibits superior performance across all analyzed parameters, particularly in maintaining grid stability and meeting grid code requirements. Bus 13 was identified as the improved integration point for wind farms using DFIG technology. Scientific novelty. The study offers a structured comparison of SCIG and DFIG using state space modeling rarely applied in a direct bus by bus comparative study within a standard distribution network. Practical value. The results help system planners choose the right wind turbine type and location, which promotes a more reliable and effective integration of renewable energy sources into power networks. References 51, tables 5, figures 7.Проблема. У статті розглядається вітряна енергія як джерело безперебійного живлення для задоволення світового споживання енергії, що зростає, і її роль у цьому процесі. Коректна оцінка стабільності та продуктивності вітрогенераторів в енергосистемах залишається складним завданням, особливо з точки зору забезпечення відповідності вимогам електромережі та вибору оптимального розташування. Мета. Оцінка та порівняння динамічної поведінки і мережевої сумісності вітрогенераторів з короткозамкненим ротором (SCIG) та асинхронним генератором з подвійним живленням (DFIG) у різних місцях мережі IEEE 14, а також визначення покращеного типу та міста розташування генератора. Методологія. У дослідженні для моделювання вітрогенераторів використовується аналіз стійкості при малих сигналах завдяки його здатності оцінювати стійкість, керованість та спостережливість системи. Розподільна мережа IEEE 14 моделюється з вітрогенераторами, з’єднаними між собою на шинах 10-14. Аналізуються різні параметри за різних робочих умов, включаючи напругу, кут ротора, активну потужність, реактивну потужність та частоту. Результати. DFIG демонструє кращі характеристики за всіма проаналізованими параметрами, особливо щодо підтримки стабільності мережі та відповідності вимогам мережевого кодексу. Шина 13 була визначена як покращена точка інтеграції для вітропарків, які використовують DFIG. Наукова новизна. Дослідження пропонує структуроване порівняння SCIG та DFIG з використанням моделювання простору станів, що рідко застосовується при прямому порівняльному дослідженні шин у стандартній розподільній мережі. Практична значимість. Результати допомагають системним планувальникам вибрати правильний тип та місцезнаходження вітрогенератора, що сприяє більш надійній та ефективній інтеграції відновлюваних джерел енергії в енергомережі. Бібл. 51, табл. 5, рис. 7
Особливості проєктування високовольтних повітряних ліній електропередавання в підземному колекторі
No full textProblem. Protection of HV overhead power lines (OPL) from external atmospheric and military influences and reduction of their hazardous electromagnetic radiation is possible if they are made in a compact form and placed in an underground collector. But to ensure high capacity and reliable operation of such compact HV OPL, it is necessary to improve the existing designs of their current-carrying elements. The goal of the work is to determine promising design parameters of busbars of compact high-voltage overhead power lines laid in an underground collector. The methodology for calculating permissible long-term currents of HV OPL laid in an underground collector is based on the analytical model proposed by the authors for describing the processes of mass and heat transfer in the air of an underground collector. Scientific novelty. For the first time, the possibility of efficient use of HV OPL in an underground collector conditions is substantiated and the conditions for their reliable transmission of electric energy with increased capacity are determined. This is achieved through the use of rectangular flat vertical conductive busbars with an increased surface area and providing better convective heat exchange compared to traditional round wire, as well as by determining the rated current for such overhead lines at a reduced ambient temperature (15 °C), which is typical for operating conditions in underground collectors (25 °C) adopted for overhead lines located outdoors. Practical value. The use of the proposed HV OPL laid in an underground collector should ensure reliable transmission of electrical energy, sufficient throughput and increased protection from external factors while reducing the electromagnetic impact on the environment (due to a significant reduction in the interphase distance from 3–4 m to 0.3–0.6 m for 110 kV HV OPL), and has advantages over SF6-insulated cable lines and cable lines characterized by an increased insulation cost). References 36, table 1, figures 6.Проблема. Захист високовольтних повітряних ліній електропередавання (ПЛ) від зовнішніх атмосферних та військових впливів, та зменшення їх небезпечного електромагнітного випромінювання можливо при їх виконанні у компактному вигляді і розміщенні у підземному колекторі. Але для забезпечення високої пропускної спроможності та надійної роботи таких компактних повітряних ПЛ необхідно удосконалення існуючих конструкцій їх струмопровідних елементів. Метою роботи є визначення перспективних конструктивних параметрів струмопроводів компактних високовольтних повітряних ліній електропередавання, які прокладені у підземному колекторі (ПЛПК). Методика розрахунку допустимих тривалих струмів ПЛПК заснована на запропонованій авторами аналітичній моделі опису процесів масотеплоперенесення в повітрі підземного колектору. Наукова новизна. Вперше обґрунтовано можливість ефективного використання ПЛ в умовах підземного колектору та визначено умови надійної передачі ними електроенергії з підвищеною пропускною спроможністю. Це досягнуто завдяки застосуванню прямокутних плоских вертикальних струмопровідних шин, які мають збільшену площу поверхні та забезпечують кращий конвекційний теплообмін порівняно з традиційним круглим проводом, а також за рахунок визначення допустимого тривалого струму для таких ПЛ при зменшеній температури зовнішнього середовища (15 °С), що характерна для умов експлуатації в підземних колекторах і суттєво нижча за стандартну температуру (25 °С), прийняту для ПЛ, розміщених на відкритому повітрі. Практична значимість. Використання запропонованої ПЛПК має забезпечити надійне передавання електричної енергії, достатню пропускну спроможність і підвищену захищеність від зовнішніх факторів при зменшенні електромагнітного впливу на оточуюче середовище (за рахунок істотного зменшення міжфазної відстані з 3–4 м до 0,3–0,6 м для ПЛ 110 кВ), і має переваги над відомими підземними електромережами (лініями електропередавання з елегазовою ізоляцією та кабельними лініями, що характеризуються підвищеною вартістю ізоляції). Бібл. 36, табл. 1, рис. 6
Multispheroidal model of magnetic field of uncertain extended energy-saturated technical object
Full text linkProblem. The implementation of strict requirements for magnetic silence of elongated energy-saturated technical objects – such as naval vessel and submarines is largely determined by the adequacy of mathematical models to the signatures of a real magnetic field. Aim. Simplification of mathematical modeling of the magnetic field of an uncertain extended energy-saturated object based on the development and application of a multispheroidal model of its magnetic field instead of the well-known multidipole model. Methodology. Coordinates of the geometric location and magnitudes of spatial extended spheroidal harmonics of spheroidal sources of multispheroidal model of magnetic field calculated as magnetostatics geometric inverse problems solution in the form of nonlinear minimax optimization problem based on near field measurements for prediction far extended technical objects magnetic field magnitude. Nonlinear objective function calculated as the weighted sum of squared residuals between the measured and predicted magnetic field COMSOL Multiphysics software package used. Nonlinear minimax optimization problems solutions calculated based on particle swarm nonlinear optimization algorithms. Results. Results of prediction far magnetic field magnitude of extended technical objects based on designed multispheroidal model of the magnetic field in the form of spatial prolate spheroidal harmonics in prolate spheroidal coordinate system using near field measurements with consideration of extended technical objects magnetic characteristics uncertainty. Originality. For the first time the method for design of multispheroidal model of magnetic field of uncertain extended energy-saturated technical object based on magnetostatics geometric inverse problems solution and magnetic field spatial spheroidal harmonics calculated in prolate spheroidal coordinate system taking into account of technical objects magnetic characteristics uncertainties developed. Practical value. It is shown the possibility to reduce the number of spheroidal sources of the magnetic field for adequate modeling of the real magnetic field based on the developed multispheroidal model compared to the number of well-known dipole sources of the magnetic field in the multidipole model of the magnetic field. References 48, figures 4.Проблема. Реалізація жорстких вимог щодо «магнітної тиші» витягнутих енергонасичених технічних об’єктів – таких як військові кораблі та підводні човни, значною мірою визначається адекватністю математичних моделей сигнатурам реального магнітного поля цих об’єктів. Мета. Спрощення математичного моделювання магнітного поля невизначеного видовженого енергонасиченого об’єкта на основі розробки та застосування мультисфероїдальної моделі його магнітного поля замість відомої мультидипольної моделі. Методологія. Координати геометричного розташування та величини просторових витягнутих сфероїдних гармонік сфероідальних джерел мультисфероїдальної моделі магнітного поля витягнутих технічних об’єктів розраховані як розв’язок обернених геометричних задач магнітостатики в формі нелінійної задачі мінімаксної оптимізації на основі вимірювань ближнього поля для прогнозування величини магнітного поля витягнутих технічних об’єктів. Нелінійна цільова функція розрахована як зважена сума квадратів залишків між виміряним і прогнозованим магнітним полем з використаням програмного пакету COMSOL Multiphysics. Розв’язки задач нелінійної мінімаксної оптимізації розраховані на основі алгоритмів нелінійної оптимізації рою частинок. Результати. Результати прогнозування величини віддаленого магнітного поля витягнутих технічних об’єктів на основі спроектованої мультисфероїдальної моделі магнітного поля в вигляді просторових витягнутих сфероїдальних гармонік в витягнутій сфероїдній системі координат з використанням вимірювань ближнього поля та з врахуванням невизначеності магнітних характеристик витягнутих технічних об’єктів. Оригінальність. Вперше розроблено метод проектування мультисфероїдальної моделі магнітного поля невизначеного витягнутого енергонасиченого технічного об’єкта на основі розв’язку геометричних обернених задач магнітостатики та обчислення просторових сфероїдальних гармонік магнітного поля в витягнутій сфероїальній системі координат з врахуванням невизначеності магнітних характеристик технічного об’єкта. Практична цінність. Показана можливість зниження кількості сфероідальних джерел магнітного поля для адекватного моделювання реального магнітного поля на основі розробленої мультісфероідальної моделі в порівнянні із кількістю дипольних джерел магнітного поля в відомій мультідипольній моделі магнітного поля. Бібл. 48, рис. 4
Robust adaptive fuzzy type-2 fast terminal sliding mode control of robot manipulators in attendance of actuator faults and payload variation
Full text linkIntroduction. This study presents a robust control method for the path following problem of the PUMA560 robot. The technique is based on the Adaptive Fuzzy Type-2 Fast Terminal Sliding Mode Control (AFT2FTSMC) algorithm and is designed to handle actuator faults, uncertainties (such as payload change), and external disturbances. The aim of this study is to utilize the Fast Terminal Sliding Mode Control (FTSMC) approach in order to ensure effective compensation for faults and uncertainties, minimize tracking error, reduce the occurrence of chattering phenomena, and achieve rapid transient response. A novel adaptive fault tolerant Sliding Mode Control (SMC) approach is developed to address the challenges provided by uncertainties and actuator defects in real robotics tasks. Originality. The present work combined the AFT2FTSMC algorithm in order to give robust controllers for trajectory tracking of manipulator’s robot in presence parameters uncertainties, external disturbance, and faults. We use an adaptive fuzzy logic system to estimate the robot’s time-varying, nonlinear, and unfamiliar dynamics. A strong adaptive term is created to counteract actuator defects and approximation errors while also guaranteeing the convergence and stability of the entire robot control system. Novelty. The implemented controller effectively mitigates the chattering problem while maintaining the tracking precision and robustness of the system. The stability analysis has been conducted using the Lyapunov approach. Results. Numerical simulation and capability comparison with other control strategies show the effectiveness of the developed control algorithm. References 53, table 1, figures 8.Вступ. У роботі представлено надійний метод керування для проблеми слідування шляху робота PUMA560. Методика базується на алгоритмі адаптивного нечіткого типу 2 швидкого ковзного керування терміналом (AFT2FTSMC) і призначена для обробки несправностей приводу, невизначеностей (таких як зміна корисного навантаження) та зовнішніх завад. Метою статті є використання підходу швидкого ковзного режиму керування терміналом (FTSMC) для забезпечення ефективної компенсації помилок і невизначеностей, мінімізації помилок відстеження, зменшення виникнення явищ деренчання та досягання швидкої реакції на перехідні процеси. Розроблено новий адаптивний відмовостійкий підхід до керування ковзним режимом для вирішення проблеми, що пов’язана з невизначеністю та дефектами приводу в реальних роботах. Оригінальність. Ця робота об’єднала алгоритм адаптивного нечіткого типу 2 і швидкого кінцевого ковзного режиму керування з метою створення надійних контролерів для відстеження траєкторії робота-маніпулятора в умовах невизначеності параметрів присутності, зовнішніх завад і несправностей. Використано систему адаптивної нечіткої логіки для оцінки змінної в часі нелінійної та невідомої динаміки робота. Створено сильний адаптивний термін для протидії дефектам приводу та помилкам апроксимації, а також для гарантії конвергенції та стабільності усієї системи керування роботом. Новизна. Реалізований контролер ефективно пом’якшує проблему тріскання, зберігаючи при цьому точність відстеження та надійність системи. Аналіз стабільності проведено за підходом Ляпунова. Результати. Чисельне моделювання та порівняння можливостей з іншими стратегіями керування показують ефективність розробленого алгоритму керування. Бібл. 53, табл. 1, рис. 8
Ensuring service continuity in electric vehicles with vector control and linear quadratic regulator for dual star induction motors
Full text linkIntroduction. In this paper, the use of a Linear Quadratic Regulator (LQR) to control a Dual Star Induction Motor (DSIM) powered by dual three-level neutral point clamped inverters in electric vehicle (EV) propulsion systems is explored. Purpose. Ensuring both high performance against parameter sensitivity and service continuity in the event of faults is challenging in EV propulsion systems. The aim is to maximize both system performance and service continuity through the optimal design of the controller. Methods. DSIM is controlled by a LQR, which is replaced the traditional PI controller in the field-oriented control (FOC) system for speed regulation. Starting with FOC the optimal regulator is designed by introducing a minimization criterion into the Ricatti equation. The LQR control law is then employed as a speed regulator to ensure precise regulation and optimize DSIM operation under various load and speed conditions. The avoidance of linearization of the DSIM facilitates the exploitation of its true nonlinear dynamics. Novelty. Three tests are conducted to evaluate system performance. A precision test by varying the reference speed and analyzing speed response, settling time, precision and overshoot, a robustness test against parameter variations, assessing system robustness against changes in stator and rotor resistances and moment of inertia, and a fault robustness test evaluating system robustness against faults such as phase faults while maintaining load torque. The results show that this approach can keep the motor running smoothly even under parameter variations or degraded conditions. The precision and adaptability of the LQR technique enhance the overall efficiency and stability of the DSIM, making it a highly viable solution for modern EVs. This robust performance against parameter variations and loads is essential in ensuring the reliability and longevity of EV propulsion systems. Practical value. This approach holds significant potential for advancing EV technology, promising improved performance and reliability in real-world applications. References 44, tables 2, figures 15.Вступ. У цій статті досліджується використання лінійного квадратичного регулятора (LQR) для керування асинхронним двигуном із подвійною зіркою (DSIM), що живиться від подвійних трирівневих інверторів із закріпленням нейтральної точки в силових системах електромобілів. Призначення. Забезпечення як високої продуктивності щодо чутливості до параметрів, так і безперервності роботи в разі несправностей є складним завданням для силових систем електромобілів. Метою є максимізація як продуктивності системи, так і безперервності обслуговування за допомогою оптимальної конструкції контролера. Методи. DSIM керується LQR, який замінює традиційний PI-контролер у системі орієнтованого на поле керування (FOC) для регулювання швидкості. Починаючи з FOC, оптимальний регулятор розробляється шляхом введення критерію мінімізації в рівняння Рікатті. Потім закон керування LQR використовується як регулятор швидкості для забезпечення точного регулювання та оптимізації роботи DSIM за різних умов навантаження та швидкості. Уникнення лінеаризації DSIM полегшує використання його справжньої нелінійної динаміки. Новизна. Для оцінки продуктивності системи проводяться три тести. Випробування на точність шляхом зміни еталонної швидкості та аналізу відповіді на швидкість, часу встановлення, точності та перерегулювання, випробування на стійкість щодо варіацій параметрів, оцінювання стійкості системи щодо змін опору статора та ротора та моменту інерції, а також тест на стійкість до несправностей, що оцінює стійкість системи проти несправностей, таких як замикання фаз, зберігаючи момент навантаження. Результати показують, що цей підхід може підтримувати безперебійну роботу двигуна навіть за коливань параметрів або погіршених умов. Точність і адаптивність техніки LQR підвищують загальну ефективність і стабільність DSIM, що робить його дуже життєздатним рішенням для сучасних електромобілів. Ця надійна робота проти коливань параметрів і навантажень є важливою для забезпечення надійності та довговічності силових систем електромобілів. Практична цінність. Цей підхід має значний потенціал для вдосконалення технології електромобілів з точки зору покращеної продуктивності і надійності у реальних прикладах. Бібл. 44, табл. 2, рис. 15
Numerical modeling of coupled electromagnetic and thermal processes in the zone induction heating system for metal billets
Full text linkIntroduction. For many modern manufacturing processes, induction heating provides an attractive combination of speed, consistency and control. Multi-inductor (zone) systems with continuous billets feed are the most promising, which keep the billet cross sectional average temperature equal. It allows to avoid overheating at low throughputs and reduces the number of rejected billets. Problem. With zone induction heating systems for metal billets developing it is necessary, at the design stage, to perform a quantitative analysis of the main characteristics of the electrothermal process and provide recommendations for optimal parameters and heating modes selections. Accurate calculations for induction heating systems involve considering the distribution of the magnetic field, current density, and changes of material properties throughout volume of the heated billet. The goal of the work is to develop the numerical model and analyze the coupled electromagnetic and thermal processes in zone induction heating system for metal billets to determine the optimal power ratio of the inductors and choose rational heating modes for the billets. Methodology. The spatiotemporal distribution of the electromagnetic field and temperature throughout the volume of the billet during the induction heating process is described by the system of Maxwell and Fourier equations. For numerical calculations by the finite element method, the COMSOL Multiphysics 6.1 software package was used. All three methods of heat transfer are taken into account – conduction, convection, and radiation. Multiphysics couplings use electromagnetic power dissipation as a heat sources, and the billet material properties are specified by temperature functions. The operation of the inductors’ coils is modeled using the «Multi-Turn Coil» function, which uses a homogenized model. The translational motion of the billet is modeled by using the «Translational Motion» function. Results. The numerical 3D-model of coupled electromagnetic and thermal processes in the zone induction heating system for metal billets has been developed. Modeling was carried out for the design of a four-inductor system with the nominal capacity of 5000 kg/h. Data on the spatial distribution of the electromagnetic and temperature fields in the moving heated steel billet were obtained. Originality. Three-dimensional graphs of electrical conductivity and relative magnetic permeability change inside the moving heated steel billet are presented. Results of the temperature distribution calculations along the length of the steel billet for different inductors power ratios are provided. It is shown how the change in the power distribution of the inductors affects the billet heating parameters. Practical value. Analysis of the obtained data allows to determinate the necessary inductors powers to ensure the required heating mode. The results make it possible to reduce the time and resources required for the development, optimization of the design and improvement of the technological process of zone induction heating for metal billets. References 20, table 1, figures 13.Вступ. Для багатьох сучасних виробничих процесів індукційний нагрів забезпечує привабливе поєднання швидкості, узгодженості та контролю. Найбільш перспективними є багатоіндукторні (зонні) установки з безперервною подачею заготовок, що підтримують середню температуру поперечного перетину заготовки рівною. Це дозволяє уникнути перегріву за низької продуктивності та зменшити кількість бракованих заготовок. Постановка проблеми. При розробці установок індукційного зонного нагріву металевих заготовок необхідно, на етапі проєктування, виконати кількісний аналіз основних характеристик електротеплового процесу та виробити рекомендації щодо вибору раціональних параметрів та режимів нагріву. Уточнений розрахунок індукційних нагрівальних установок передбачає врахування розподілу магнітного поля, густини струму та зміни властивостей матеріалу по всьому об’єму заготовки, що нагрівається. Метою роботи є розробка чисельної моделі та аналіз взаємопов’язаних електромагнітних і теплових процесів в установці індукційного зонного нагріву металевих заготовок для подальшого визначення оптимального співвідношення потужностей індукторів та вибору раціональних режимів нагріву заготовок. Методика. Просторово-часовий розподіл електромагнітного поля та температури по об’єму заготовки в процесі індукційного нагріву описується системою рівнянь Максвелла і Фур’є. Для проведення чисельних розрахунків методом скінченних елементів використано програмний комплекс COMSOL Multiphysics 6.1. Відтворюються всі три способи теплопередачі – теплопровідністю, конвекцією і випромінюванням. Мультифізичні зв’язки використовують розсіювання електромагнітної потужності як джерела тепла, а властивості матеріалу заготовки задані функціями температури. Робота котушок індукторів моделюється із застосуванням функції «Multi-Turn Coil», яка використовує гомогенізовану модель. Поступальний рух заготовки моделюється за допомогою функції «Translational Motion». Результати. Розроблено чисельну 3D-модель взаємопов’язаних електромагнітних і теплових процесів в установці індукційного зонного нагріву металевих заготовок. Розрахунок проведено для конструкції чотириіндукторної установки номінальною продуктивністю 5000 кг/год. Отримано дані просторового розподілу електромагнітного та температурного поля в рухомій сталевій заготовці, яка нагрівається. Наукова новизна. Представлено тривимірні картини зміни електропровідності та відносної магнітної проникності всередині рухомої сталевої заготовки, що нагрівається. Наведено розрахунки розподілу температури по довжині сталевої заготовки для різних співвідношень потужностей індукторів установки зонного нагріву. Показано, як зміна розподілу потужностей індукторів впливає на показники нагріву заготовки. Практична значимість. Аналіз отриманих даних дозволяє встановити необхідні потужності індукторів, за яких забезпечується необхідний режим нагрівання. Результати дозволяють зменшити час і ресурси, необхідні для розробки, оптимізації конструкції та вдосконалення технологічного процесу індукційного зонного нагріву металевих заготовок. Бібл. 20, табл. 1, рис. 13
Efficiency of neutralization of electric charges on the surface of dielectric nonwoven fabric of two dual and triode electrode systems
Full text linkIntroduction. The accumulation of electrostatic charges are exploited in various technological and industrial applications, but they can also pose significant challenges, especially due to the accumulation in inappropriate locations that can reach dangerous levels. Problem. The static charges are often considered annoying and constitute one of the main sources of hazards. Thus, their neutralization is more than necessary. The objective of this work is to improve the neutralization rate with equipment that can be easily integrated in the production lines. Novelty. The paper reports a comparative study of the neutralization efficiency of two electrode systems, dual and triode, with different high alternating voltages at the industrial frequency of 50 Hz. The use of the industrial frequency of 50 Hz reduces the elements of the neutralization equipment. By connecting the grid to ground, we aim to impose a zero potential on the surface of the initially charged polypropylene fibrous dielectric and to determine the variation of the neutralization rate as a function of the discharge intensity (voltage amplitude). Methodology. The samples were charged during 10 s using a triode-type corona electrode configuration supplied by negative or positive DC high voltage. After 300 s of the charging process. The neutralization was performed during 4 s, using the dual or the triode systems powered by sinusoidal high voltage. Neutralization efficiency is achieved by non-contact sampling of surface potential profiles before and after neutralization. The results show that neutralization efficiency is proportionate to the discharge current intensity. The neutralization using the triode system is more efficient. The results show the possibility of imposing a desired potential on the charged or uncharged dielectric surface by acting on the potential of the metallic grid and the discharge intensity of the triode system. Practical value. The results demonstrate the proportionality of the neutralization efficiency with the discharge intensity for the triode system. Therefore, an adjustment of the voltage amplitude is necessary in order to optimize its efficiency for the dual system. References 30, figures 7.Вступ. Накопичення електростатичних зарядів використовуються в різних технологічних та промислових застосуваннях, але вони також можуть становити значні проблеми, особливо через накопичення в невідповідних місцях, що може досягати небезпечних рівнів. Проблема полягає в тому, що статичні заряди часто вважаються неприємними і є однією з основних причин небезпек. Тому їх нейтралізація є більш ніж необхідною. Метою роботи є покращення рівня нейтралізації за допомогою обладнання, яке можна легко інтегрувати в виробничі лінії. Новизна. У статті представлено порівняльне дослідження ефективності нейтралізації двох електродних систем:діодної та тріодної, при різних високих змінних напругах на промисловій частоті 50 Гц. Використання промислової частоти 50 Гц зменшує кількість елементів нейтралізаційного обладнання. Підключення сітки до землі дозволяє нав’язати нульовий потенціал на поверхні початково зарядженого поліпропіленового волокнистого діелектрика та визначити зміну рівня нейтралізації залежно від інтенсивності розряду (амплітуди напруги). Методологія. Зразки заряджали протягом 10 с за допомогою електродної конфігурації типу тріода, живленої негативною або позитивною постійною високою напругою. Після 300 с заряджання, нейтралізація проводилась протягом 4 с за допомогою подвійних або тріодних систем, живлених синусоїдальною високою напругою. Ефективність нейтралізації визначалась шляхом безконтактного зняття профілів поверхневого потенціалу до та після нейтралізації. Результати показали, що ефективність нейтралізації пропорційна інтенсивності розрядного струму. Нейтралізація за допомогою тріодної системи є більш ефективною. Результати показують можливість нав’язати бажаний потенціал на зарядженій або незарядженій діелектричній поверхні, впливаючи на потенціал металевої сітки та інтенсивність розряду тріодної системи. Практична цінність. Результати демонструють пропорційність ефективності нейтралізації до інтенсивності розряду для тріодної системи. Тому коригування амплітуди напруги є необхідним для оптимізації її ефективності для подвійної системи. Бібл. 30, рис. 7
Effect of short-circuit in stator windings on the operation of doubly-fed induction generators operating in a wind power system
Full text linkIntroduction. Wind energy has been a clean and renewable source of electricity in recent decades, making a significant addition to overall generation, and wind power is one of the most popular sources of renewable energy. Problem. Accurate modeling of wind turbine generators is critical to improve the efficiency of power systems. Doubly-fed induction generator (DFIG) stands out for its economic advantages associated with the use of frequency converters and induction machines. Increasing operating and maintenance costs of wind turbines highlight the need for early fault identification to optimize costs and ensure reliable operation. The goal of this work is to develop a simplified yet effective model for analyzing stator winding short-circuits in DFIGs operating in wind turbines. The model uses line-to-line voltages as inputs and explicitly considers the neutral-point voltage variation under fault conditions. Methodology. The problem was solved using spectral analysis, the model was implemented for 4 kW DFIG wind turbine in MATLAB to validate its effectiveness. Results. The simulation results confirm the effectiveness of the proposed approach for timely fault detection and analysis. It demonstrates computational simplicity by accurately capturing the main fault characteristics, which is preferable to traditional methods such as symmetrical components and FEM. The scientific novelty of the work lies in a methodology for modeling DFIG during stator short-circuits, integrating the effect of elevated neutral voltage during faults using line-to-line voltages in the base model. It also takes into account phenomena such as magnetic saturation, gap effects, and skin effects. The simplicity of the model makes it suitable for condition monitoring and validation of fault-tolerant control algorithms, which distinguishes it from more complex methods such as symmetrical components or the FEM. Practical value. The proposed model offers a pragmatic and reliable approach for monitoring and analyzing defects in DFIG wind turbines. Its versatility and efficiency improve the optimization of maintenance costs and reliability of renewable energy systems. References 27, tables 2, figures 8.Вступ. Вітроенергетика є екологічно чистим та відновлюваним джерелом електроенергії в останні десятиліття, роблячи значний внесок у загальну генерацію енергії, і є одним із найпопулярніших джерел відновлюваної енергії. Проблема. Точне моделювання вітрогенераторів є критично важливим для підвищення ефективності енергосистем. Асинхронний генератор з подвійним живленням (DFIG) відрізняється економічними перевагами, пов’язаними з використанням перетворювачів частоти та асинхронних машин. Зростання витрат на експлуатацію та технічне обслуговування вітрогенераторів призводить до необхідності раннього виявлення несправностей для оптимізації витрат та забезпечення надійної роботи. Метою даної роботи є розробка спрощеної, але ефективної моделі для розрахунку короткого замикання обмотки статора DFIG, що працює у вітрогенераторі. Модель використовує значення лінійної напруги та враховує підвищення напруги в нейтральній точці у разі несправностей. Методика. Завдання вирішено за допомогою спектрального аналізу. Модель реалізована у MATLAB для вітрогенератора DFIG потужністю 4 кВт для підтвердження її ефективності. Результати моделювання підтверджують ефективність запропонованого підходу до своєчасного виявлення та аналізу несправностей. Модель демонструє обчислювальну простоту, точно фіксуючи основні характеристики несправностей, що краще традиційних методів, таких як симетричні компоненти та метод скінченних елементів (МСЕ). Наукова новизна роботи полягає в методології моделювання DFIG при коротких замиканнях статора, що враховує вплив підвищеної напруги нейтралі при коротких замиканнях з використанням лінійних напруг базової моделі. Модель також враховує такі явища, як магнітне насичення, вплив зазору та скін-ефект. Простота моделі робить її придатною для моніторингу стану та валідації алгоритмів стійкості до відмови, що відрізняє її від складніших методів, таких як симетричні компоненти або МСЕ. Практична значимість. Розроблена модель пропонує практичний та надійний підхід до моніторингу та аналізу дефектів у вітрових турбінах з DFIG. Її універсальність та ефективність сприяють оптимізації витрат на технічне обслуговування та підвищенню надійності систем відновлюваної енергетики. Бібл. 27, табл. 2, рис. 8
Nonlinear vector control of multiphase induction motor using linear quadratic regulator and active disturbances rejection control under disturbances and parameter variations
Full text linkIntroduction. This paper introduces a hybrid control strategy for multiphase induction motors, specifically focusing on the dual star induction motor (DSIM) by integrating active disturbances rejection control (ADRC) and linear quadratic regulator (LQR). Problem. Conventional PI-based indirect field oriented control (IFOC) of DSIM drives exhibit 3 critical shortcomings: 1) sensitivity to parameter variations, such as rotor resistance fluctuations; 2) sluggish transient response during rapid speed and torque changes; 3) slow disturbances rejection, such as sudden load torque variations. The goal of this work is to achieve enhanced reliability, precision and robustness of DSIM drives in high-performance demand applications such as automotive. Methodology. The proposed hybrid control architecture is structured as follows: 1) IFOC decoupling. The DSIM’s stator currents are decomposed into 2 components using Park transformations, aligning the rotor flux vector to the d-axis. 2) The LQR is designed to optimize the outer speed/torque loop regulation by minimizing control efforts and state deviations. 3) ADRCs controllers are designed in the inner current loops. Each controller utilizes an extended state observer to estimate and compensate parameter variations and external disturbances in real time. Results. Simulations using MATLAB/Simulink validation on a 5 kW DSIM under multiple scenarios confirm the robustness of the proposed hybrid strategy. Scientific novelty. The contribution lies in the integration of ADRC and LQR in IFOC: The hierarchical fusion of ADRC (inner loops) and LQR (outer loop) uniquely leverages ADRC’s and the LQR’s real-time power to handle any disturbances and unmodeled dynamics. Practical value. The proposed technique demonstrates enhanced performances in speed’s response, sudden load torque demands and parameter variations. It exhibited high robustness even under degraded conditions such as phase faults, making this strategy ideal for high-performance applications like electric vehicles, where stability and adaptability are critical. References 31, tables 2, figures 24.Вступ. У статті розглядається гібридна стратегія управління багатофазними асинхронними двигунами, зокрема з фокусом на асинхронний двигун з подвійною зіркою (DSIM),шляхом залучення активного управління придушенням збурень (ADRC) та лінійно-квадратичного регулятора (LQR). Проблема. Традиційне непряме полеорієнтоване управління (IFOC) на основі ПІ-регулятора приводів DSIM має 3 критичні недоліки: 1) чутливість до змін параметрів, таких як коливання опору ротора; 2) інерційний перехідний процес при швидких змінах швидкості та крутного моменту; 3) повільне придушення збурень, таких як різкі зміни крутного моменту навантаження. Метою роботи є підвищення надійності, точності та стійкості приводів DSIM у високопродуктивних застосуваннях, таких як автомобілебудування. Методологія. Запропонована архітектура гібридного управління структурована таким чином: 1) Розв’язування IFOC. Струми статора DSIM розкладаються на 2 складові з використанням перетворень Парка, вирівнюючи вектор потоку ротора осі d. 2) LQR призначений для оптимізації регулювання зовнішнього контуру швидкості/крутного моменту за рахунок мінімізації зусиль з управління та відхилень стану. 3) Контролери ADRC спроєктовані у внутрішніх струмових контурах. Кожен контролер використовує розширений спостерігач стану для оцінки та компенсації змін параметрів та зовнішніх збурень у реальному часі. Результати. Моделювання з використанням валідації у MATLAB/Simulink для 5 кВт DSIM у кількох сценаріях підтверджує надійність запропонованої гібридної стратегії. Наукова новизна. Внесок полягає в інтеграції ADRC і LQR в IFOC: ієрархічне злиття ADRC (внутрішніх контурів) і LQR (зовнішнього контуру) унікальним чином використовує потужність ADRC та LQR в реальному часі для обробки будь-яких збурень та немодельованої динаміки. Практична цінність. Запропонована методика демонструє покращені характеристики при реагуванні на швидкість, раптові вимоги до крутного моменту навантаження і зміни параметрів. Він показав високу надійність навіть за умов погіршення характеристик, таких як фазові замикання, що робить цю стратегію ідеальною для високопродуктивних застосувань, таких як електромобілі, де стабільність та адаптивність мають вирішальне значення. Бібл. 31, табл. 2, рис. 24
Регулювальні характеристики імпульсного регулятора понижувального типу в режимах безперервного та переривчастого струму індуктивності
No full textIntroduction. Pulse regulators (PRs) are widely used to regulate and stabilize the supply voltage of DC consumers. The main characteristic of any regulator is its regulation characteristic. In the general case, two modes of PR operation are possible: continuous conduction mode and discontinuous conduction mode in the inductance of the PR. Problem. When the PR transitions from one operating mode to another, its regulation characteristics change. In the continuous conduction mode, the regulation characteristic is a function of one variable. In the discontinuous conduction mode, the regulation characteristic becomes a function of two variables. Therefore, in such a mode, PR is described by a family of regulation characteristics. The goal of the work is to develop a mathematical model that describes the operation of the controller in both continuous and discontinuous conduction modes, as well as to determine the control characteristics that are valid for both of these modes. Methodology. In the work, using the example of a step-down type PR, the conditions for the PR transition from one operating mode to another are determined, as well as the dependence of the PR output voltage on the duration of the pause in the inductance current. Results. The influence of the parameters of the PR elements on the pause duration is analyzed. A graph of the family of PR control characteristics is constructed, which is valid for both continuous and discontinuous conduction modes. Scientific novelty. It is shown that when PR transitions to discontinuous conduction mode, its control characteristics shift towards higher output voltages. This shift is greater, the longer the pause duration in the inductance current. Practical value. It is determined that the specified ripple coefficient of the PR output voltage in the discontinuous conduction mode is provided by a smaller value of the LC product of the PR elements, compared to the continuous conduction mode. References 17, tables 2, figures 5.Вступ. Імпульсні регулятори (IP) широко використовують для регулювання та стабілізації напруги живлення споживачів постійного струму. Основною характеристикою будь-якого регулятора є його регулювальна характеристика. У загальному випадку можливі два режими роботи IP – режим безперервного струму та режим переривчатого струму в індуктивності ІР. Проблема. При переході ІР від одного режиму роботи до іншого, його регулювальні характеристики змінюються. В режимі безперервного струму індуктивності регулювальна характеристика є функцією від однієї змінної. В режимі переривчастого струму регулювальна характеристика стає функцією двох змінних. Тому, в такому режимі, IP описується сімейством регулювальних характеристик. Метою роботи є розробка математичної моделі, яка б описувала роботу ІР у режимах безперервного та переривчастого струму індуктивності, зокрема одержання регулювальних характеристик, які б були дійсними для обох вказаних режимів. Методика. В роботі на прикладі IP понижувального типу визначено умови переходу ІР від одного режиму роботи до іншого, а також залежність вихідної напруги ІР від тривалості паузи у струмі індуктивності. Результати. Проаналізовано вплив параметрів елементів ІР на тривалість паузи. Побудовано графік сімейства регулювальних характеристик IP, який є дійсним, як для режиму безперервного, так і переривчастого струму індуктивності. Наукова новизна. Показано, що при переході IP до режиму переривчастого струму, його регулювальні характеристики зміщуються в сторону більших вихідних напруг. Це зміщення є тим більшим, чим більшою є тривалість паузи у струмі індуктивності. Практична значимість. Визначено, що заданий коефіцієнт пульсацій вихідної напруги ІР, у режимі переривчатого струму, забезпечується меншим значенням добутку LC елементів ІР, у порівнянні з режимом безперервного струму. Бібл. 17, табл. 2, рис. 5