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
Efficiency of multi-armature linear pulse electromechanical power and speed converters
Get PDFIntroduction. High-speed linear pulse electromechanical converters (LPEC) provide acceleration of the executive element in a short active section to high speed with significant displacement, while power-purpose LPECs create powerful power impulses of the executive element on the object of influence with minor movements. One of the areas of improvement of LPEC is the creation of multi-armature structures. Methodology. To analyze the electromechanical characteristics and indicators of LPEC, a mathematical model was used, which takes into account the interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes that occur when connected to a pulse energy source with a capacitive energy storage. The main results of the calculations were performed in the COMSOL Multiphysics software environment and confirmed by experimental studies in laboratory conditions. Results. The features of the electromechanical processes of multi-armature LPECs are established and their indicators are determined. With the help of efficiency criteria, which take into account electrical, power, speed and magnetic indicators in a relative form with different options for their evaluation strategy, it was established that multi-armature LPECs for power purposes have increased efficiency, and for high-speed LPECs the use of multi-armature configurations is impractical. The conducted experimental studies confirm the reliability of the calculated results. Originality. It has been established that almost all multi-armature LPECs for power purposes have higher efficiency compared to a converter with one armature, and for high-speed LPECs it is advisable to use traditional LPECs with one armature. Practical value. On the basis of multi-armature LPECs, models of an electromagnetic UAV catapult, a magnetic pulse press for ceramic powder materials, an electromechanical device for dumping ice and snow deposits from a power line wire, a device for destroying information on a solid-state digital SSD drive have been developed and tested. References 20, tables 4, figures 8.Вступ. Лінійні імпульсні електромеханічні перетворювачі (ЛІЕП) швидкісного призначення забезпечують розгін виконавчого елемента на короткій активній ділянці до високої швидкості зі значним його переміщенням, а ЛІЕП силового призначення створюють потужні силові імпульси виконавчим елементом на об’єкт впливу при незначних його переміщеннях. Одним із напрямків удосконалення ЛІЕП є створення багатоякірних конструкцій. Методика. Для аналізу електромеханічних характеристик та показників ЛІЕП використана математична модель, в якій враховані взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні та теплові процеси, які виникають при підключенні до імпульсного джерела енергії з ємнісним накопичувачем енергії. Основні результати розрахунків виконані в програмному середовищі COMSOL Multiphysics і підтверджені експериментальними дослідженнями в лабораторних умовах. Результати. Встановлені особливості електромеханічних процесів багатоякірних ЛІЕП та визначено їх показники. За допомогою критеріїв ефективності, які у відносному вигляді враховують електричні, силові, швидкісні та магнітні показники при різних варіантах стратегії їх оцінки, встановлено, що багатоякірні ЛІЕП силового призначення мають підвищену ефективність, а для ЛІЕП швидкісного призначення використання багатоякірних конфігурацій недоцільно. Проведені експериментальні дослідження підтверджують достовірність розрахункових результатів. Наукова новизна. Встановлено, що практично всі багатоякірні ЛІЕП силового призначення мають більш високу ефективність в порівнянні з перетворювачем з одним якорем, а для ЛІЕП швидкісного призначення доцільно застосовувати традиційні ЛІЕП з одним якорем. Практична цінність. На базі багатоякірних ЛІЕП розроблено та випробувано моделі електромагнітної катапульти БПЛА, магнітно-імпульсного пресу для керамічних порошкових матеріалів, електромеханічного пристрою для скидання ожеледних і снігових відкладень з проводу лінії електропередачі, пристрою для знищення інформації на твердотільному цифровому SSD накопичувачі. Бібл. 20, табл. 4, рис. 8
Магнітне поле кабельних систем електрообігріву підлог житлових приміщень
Get PDFProblem. In order to effectively protect public health from the magnetic field of electric heating cable systems of the floors, it is necessary to reduce it to a safe level. However, this requires careful study of the magnetic field. The purpose of the work is to develop a mathematical model and a verified methodology for calculating the magnetic field of electric heating cable systems of the floors in residential premises, and assessment of compliance of the magnetic field with the normative level. Method. A methodology for calculating the magnetic field of electric heating cable systems of the floors in residential premises has been developed. Scientific novelty. Based on Bio-Savar’s law and the principle of superposition, an analytical model of the magnetic field of electric heating cable systems of the floors and its calculation method was created. The magnetic field of the coaxial heating cable is determined, taking into account the value of its maximum eccentricity. The experimentally substantiated correctness of the obtained theoretical statements, which is confirmed by their coincidence with the results of the experiment with a spread of less than 7 %. Practical significance. A verified methodology for calculating the magnetic field of electric heating cable systems of the floors was proposed and an assessment of compliance of their magnetic flux density with the normative level of 0.5 μT was performed. It is recommended to lay modern two-wire heating cables at a depth of at least 75–100 mm from the floor. With a smaller laying depth, it is recommended to use coaxial heating cables, which have an order of magnitude smaller magnetic field. References 51, tables 1, figures 11.Проблема. Для ефективного захисту здоров’я населення від магнітного поля кабельних систем електрообігріву підлог, необхідно його зменшення до безпечного рівня. Однак це потребує ретельного вивчення магнітного поля. Метою роботи є розробка математичної моделі і верифікованої методики розрахунку магнітного поля кабельних систем електрообігріву підлог житлових приміщень, та оцінка відповідності магнітного поля нормативному рівню. Методика. Розроблено методику розрахунку магнітного поля кабельних систем електрообігріву підлог в житлових приміщеннях. Наукова новизна. На основі закону Біо-Савара та принципу суперпозиції створено аналітичну модель магнітного поля кабельних систем електрообігріву підлог та методику його розрахунку. Визначено магнітне поле коаксіального нагрівального кабелю з урахуванням величини його максимального ексцентриситету. Експериментально обґрунтована коректність отриманих теоретичних положень, яка підтверджена їх співпадінням із результатами експерименту з розкидом менше 7 %. Практична значимість. Запропоновано верифіковану методику розрахунку магнітного поля кабельних систем електрообігріву підлог і виконано оцінку відповідності індукції їх магнітного поля нормативному рівню 0,5 мкТл. Рекомендовано прокладати сучасні двожильні нагрівальні кабелі на глибині не менше 0,075–0,1 м від підлоги. При меншій глибини прокладання рекомендовано використовувати коаксіальні нагрівальні кабелі, що мають на порядок менше магнітне поле. Бібл. 51, табл. 1, рис. 11
Analytical solution of conductor tensile force in asymmetrical spans used in overhead power lines and substations with influence of tension insulators
Get PDFIntroduction. Designing electrical substations involves analyzing the horizontal tensile force in flexible tension conductors under varying temperatures. These temperature changes affect the conductor’s length and forces. Problem. Existing methods for calculating horizontal tensile force in conductors often focus on symmetric spans or require complex finite element modeling (FEM), which is impractical for routine substation design. Asymmetric spans with tension insulators present a more complex challenge that current solutions do not adequately address. Purpose. Universal analytical solution and algorithm for calculating the horizontal tensile forces in conductors in asymmetric spans with tension insulators used in power substations or short overhead power line spans. The solution is designed to be easily implementable in software without requiring complex tools or extensive FEM. Methodology. The methodology involves deriving an analytical solution based on the catenary curve formed by the conductor between attachment points at different heights. The analysis includes calculating the conductor’s length for a given tensile force and using a state change equation to determine forces under new temperature conditions. Validation is performed using FEM calculations. Results. The proposed solution was validated against FEM models with varying height differences (5 m and 15 m) and conductor temperatures (–30 °C, –5 °C, +80 °C). The results showed a minimal error (less than 0.15 %) between the analytical solution and FEM results, demonstrating high accuracy. Originality. This paper presents a novel analytical solution to the problem of calculating tensile forces in asymmetric spans with tension insulators. Unlike existing methods, our solution is straightforward and easily implementable in any programming language. Practical value. The solution is practical for routine design tasks in electrical substations or short overhead power lines. Especially in power substations, accurate tensile forces are needed not only for mechanical design and sag calculations but also for calculating the dynamic effects of short-circuit currents. References 23, tables 4, figures 3.Вступ. Проєктування електричних підстанцій включає аналіз горизонтальної сили, що розтягує, в гнучких натяжних провідниках при різних температурах. Ці зміни температури впливають на довжину провідника та сили. Проблема. Існуючі методи розрахунку горизонтальної сили, що розтягує, у провідниках часто орієнтовані на симетричні прольоти або вимагають складного моделювання методом скінченних елементів (FEM), що непрактично для звичайного проєктування підстанцій. Асиметричні прольоти з натяжними ізоляторами є складнішим завданням, яке існуючі рішення не вирішують належним чином. Мета. Універсальне аналітичне рішення та алгоритм розрахунку горизонтальних сил, що розтягують, у проводах несиметричних прольотів з натяжними ізоляторами, що застосовуються на силових підстанціях або коротких прольотах повітряних ліній електропередачі. Рішення розроблено таким чином, щоб його можна було легко реалізувати в програмному забезпеченні, не вимагаючи складних інструментів або моделювання методом FEM. Методика передбачає отримання аналітичного рішення на основі контактної кривої, утвореної провідником між точками кріплення на різній висоті. Аналіз включає розрахунок довжини провідника для заданої розтягуючої сили і використання рівняння зміни стану для визначення сил в нових температурних умовах. Перевірка здійснюється з використанням розрахунків методом FEM. Результати. Запропоноване рішення було перевірено на моделях FEM з різною різницею висот (5 м та 15 м) та температурою провідника (–30 °C, –5 °C, +80 °C). Результати показали мінімальну помилку (менше 0,15 %) між аналітичним рішенням та результатами FEM, демонструючи високу точність. Оригінальність. У цій статті представлено нове аналітичне рішення задачі розрахунку зусиль, що розтягують, у несиметричних прольотах з натяжними ізоляторами. На відміну від існуючих методів, наше рішення є простим та легко реалізованим будь-якою мовою програмування. Практична цінність. Вирішення практично для рутинних завдань проєктування електричних підстанцій або коротких повітряних ліній електропередачі. Точні сили, що розтягують, необхідні, особливо на силових підстанціях, не тільки для механічного проєктування та розрахунку провисання, але і для розрахунку динамічних ефектів струмів короткого замикання. Бібл. 23, табл. 4, рис. 3
Improving the efficiency of a non-ideal grid coupled to a photovoltaic system with a shunt active power filter using a self-tuning filter and a predictive current controller
Get PDFIntroduction. Recently, photovoltaic (PV) systems are increasingly favored for converting solar energy into electricity. PV power systems have successfully evolved from small, standalone installations to large-scale, grid-connected systems. When the nonlinear loads are connected to a grid-tied PV system, the power quality can deteriorate due to the active power supplied by the PV array, there’s a noticeable decline in the quality of power delivered to consumers. Its combination with the shunt active power filter (SAPF) enhances system efficiency. Consequently, this integrated system is adept at not only powering local loads but also at compensating for reactive power and filtering out harmonic currents from the main grid. The novelty of the work describes how an operation of a small scale PV system connected to the low voltage distribution system, and nonlinear load can be achieved, the investigation aims to analyze the system’s behavior and elucidate the advantages of employing various control algorithms. These proposed algorithms are designed to ensure a unity power factor for the utility grid while prioritizing high convergence speed and robustness against load power fluctuations across different levels of solar irradiation affecting the PV modules. The purpose of this work is to enhance the dynamic performance of the SAPF by cooperatively using a self-tuning filter (STF) based instantaneous active and reactive power method (PQ) with a novel predictive current control, enhance the system resilience, ensure optimal management of the total active power between the PV system, the electrical network and the non-linear load by integrating the functionalities of the SAPF under different levels of solar irradiation and maintain the DC-link capacitor voltage constant. Methods. A novel predictive current controller is designed to generate the switching signals piloted the three phase source voltage inverter, also a novel algorithm of instantaneous active and reactive power is developed, based on STF, to extract accurately the harmonic reference under non ideal grid voltage, also the perturb and observe algorithm is used to extract, under step change of solar irradiation, the maximum power point tracking of the PV module and the PI controller is used to maintain constant the DC-link capacitor voltage of the SAPF. Results. The efficacy of the proposed system is primarily centered on the grid side, and the performance evaluation of the control system is conducted using the STF based PQ algorithm and predictive current control. In addition, comprehensive testing encompasses all modes of operation, including scenarios involving distorted voltage sources, step changes in solar radiation, and variations in nonlinear loads. Results highlight superior performance in both transient and stable states, affirming the robustness and effectiveness of the proposed controllers. Practical value. The total harmonic distortion value of the grid current for all tests respects the IEEE Standard 519-1992. References 21, tables 7, figures 25.Вступ. Останнім часом фотоелектричні (PV) системи все частіше використовуються для перетворення сонячної енергії на електрику. Фотоелектричні системи успішно еволюціонували від невеликих автономних установок до великомасштабних систем, підключених до мережі. Коли нелінійні навантаження підключені до мережевої фотоелектричної системи, якість електроенергії може погіршитися через активну потужність фотоелектричної матриці, що подається, спостерігається помітне зниження якості електроенергії, що постачається споживачам. Його поєднання із шунтуючим активним фільтром потужності (SAPF) підвищує ефективність системи. Отже, ця інтегрована система здатна як живити локальні навантаження, так і компенсувати реактивну потужність і відфільтровувати гармонійні струми з основний мережі. Новизна роботи описує, як можна домогтися роботи маломасштабної фотоелектричної системи, підключеної до розподільчої системи низької напруги та нелінійного навантаження, дослідження спрямоване на аналіз поведінки системи та з’ясування переваг використання різних алгоритмів управління. Ці алгоритми розроблені для забезпечення одиничного коефіцієнта потужності для комунальної мережі, при цьому віддаючи пріоритет високої швидкості конвергенції та стійкості до коливань потужності навантаження на різних рівнях сонячного опромінення, що впливає на фотоелектричні модулі. Метою даної роботи є підвищення динамічних характеристик SAPF шляхом спільного використання фільтра, що самоналаштовується (STF), на основі методу миттєвої активної та реактивної потужності (PQ) з новим предиктивним управлінням струмом, підвищення стійкості системи, забезпечення оптимального управління загальною активною потужністю між фотоелектричною системою, електричною мережею та нелінійним навантаженням шляхом інтеграції функцій SAPF при різних рівнях сонячного опромінення та підтримання постійної напруги конденсатора ланки постійного струму. Методи. Новий предиктивний контролер струму, призначений для генерації сигналів перемикання, пілотованих трифазним інвертором напруги джерела, також розроблений новий алгоритм миттєвої активної та реактивної потужності, заснований на самонастроюючому фільтрі, для точного вилучення гармонійного опорного значення при неідеальній напрузі мережі, також використовується алгоритм обурення та спостереження при ступінчастій зміні сонячного випромінювання, відстеження максимальної точки потужності фотоелектричного модуля, а ПІ-регулятор використовується для підтримки постійної напруги конденсатора постійного струму SAPF. Результати. Ефективність пропонованої системи в першу чергу зосереджена на стороні мережі, а оцінка продуктивності системи керування проводиться з використанням алгоритму PQ на основі STF та керування струмом. Крім того, комплексне тестування охоплює всі режими роботи, включаючи сценарії, що включають спотворені джерела напруги, ступінчасті зміни сонячного випромінювання та зміни нелінійних навантажень. Результати підкреслюють чудову продуктивність як у перехідних, так і у стабільних станах, підтверджуючи надійність і ефективність пропонованих контролерів. Практична цінність. Загальне значення гармонійних спотворень мережі для всіх випробувань відповідає стандарту IEEE 519-1992. Бібл. 21, табл. 7, рис. 25
Вимоги до кабелів як категорії будівельної продукції та теплова стійкість силових кабелів
Get PDFIntroduction. One of the main driving factors of the demand for cable and conductor products is the modern trend of urbanization, which leads to an increase in cities with significantly increased requirements for electrical networks of transportation and distribution of electrical energy. This requires the development of appropriate infrastructure with significant demand for electricity in the commercial, industrial and residential sectors. The construction industry uses a wide range of cables with an appropriate set of electrical and mechanical properties, resistance to the influence of external climatic factors, and, first of all, must meet fire safety requirements. Increasing construction activity is stimulating the market for fire-resistant cables in the construction industry. According to the Construction Products Regulation, power, telecommunication cables, data cables, control and management, fiber optic refer to construction products in the EU member states. These cables are intended for the supply of electrical energy and communication, which are permanently installed in buildings and other engineering structures. Power, telecommunications, data and control cables are considered construction products, and are the only electrical products classified as construction. Over the next 15 years, Eastern Europe is expected to see increased growth in the construction industry, as the end of the war in Ukraine requires nearly $1 trillion in reconstruction. A strategic task in the reconstruction of the country is the use of cable and conductor products with increased operational properties, including in the construction industry. Significant efforts and investments in innovation and certification of cable and conductor products require manufacturers to create construction products of the «Power, control and communication cables» category with a high level of fire safety in accordance with the Euroclassification of cables in terms of reaction to fire depending on the level of safety. Purpose. Analysis of fire safety requirements for cables as a category of construction products and determination of thermal resistance of power cables based on experimental thermal studies of modern electrical insulating compositions. Methodology. The thermal stability of power cables with a voltage of 0,66/1 kV was determined, depending on the design, based on the conducted experimental studies of the thermal stability of electrical insulation materials, between the core filling and the polymer sheath, removed from the cable samples. On the basis of the conducted correlation analysis between thermal resistance and fire load, which are important parameters for confirming the quality and safety of the entire cable, it has been proven that the efficiency of halogen-free compositions to meet fire safety requirements increases with the increase in the cross-section and number of cores in the cable. Practical value. Determining the heat load and fire resistance of cables of various designs and areas of application based on the obtained experimental data on the heat of combustion of polymer cable materials is necessary and justified at the stage of mastering and determining the prospects for the production of cables with modern halogen-free electrical insulation compositions in accordance with fire safety requirements.Проаналізовано світові тенденції урбанізації та їх вплив на розвиток кабельної індустрії. Представлено основні тренди розвитку будівельної галузі як рушійної сили сегменту вогнестійких та пожежобезпечних кабелів для забезпечення сучасної силової та інформаційної інфраструктури. Акцентовано на темпах застосування пожежобезпечних кабелів з низьким вмістом диму та безгалогенними композиціями у Європі. Зазначено, що для забезпечення жорстких вимог щодо пожежної безпеки кабельної інфраструктури у будівельному секторі введено узагальнену категорію «Силові, контрольні кабелі та кабелі зв’язку». Представлено класифікацію кабелів за пожежною ознакою відповідно до Регламенту будівельної продукції Європейського Союзу. Наведено критерії класифікації та методи випробувань для визначення вогнестійких характеристик кабелів відповідно до кількості випромінюваного тепла. Визначено теплову стійкість та пожежне навантаження в залежності від застосованих композитних полімерних галогеновмісткіх та безгалогенних композицій і конструктивного виконання силових кабелів низької напруги. Підтверджено ефективність безгалогенних композицій для забезпечення вимог щодо пожежобезпеки для кабелів з більшим діаметром струмопровідної жили та кількістю жил. Наголошено на необхідності створення відповідної сучасної сертифікованої випробувальної бази для визначення пожежної стійкості будівельної продукції категорії «Силові, контрольні кабелі та кабелі зв’язку»
Узагальнений фізичний принцип розвитку плазмового каналу високовольтного імпульсного іскрового розряду в діелектрику
Get PDFGoal. Development of the generalized physical principle of development of plasma channel of a high-voltage electrical pulse spark discharge in the homogeneous dielectric of the different aggregate state. Methodology. Basis of physical optics, theoretical electrical engineering, electrophysics bases of technique of high-voltage and large pulse currents, bases of high-voltage pulse technique and measuring technique. Results. Development of physical principle of development of plasma channel of an electric pulse spark discharge is executed in a homogeneous gas dielectric on the applied example of the use in calculations and experiments of the double-electrode discharge system (DEDS) with a long air interval, testing action of standard interconnect аperiodic pulse of high-voltage of temporal shape of Tm/Тd≈200 μs/1990 μs of positive polarity. The generalized formula is got for the calculation of total length of lc of the real way of development of an pulse spark discharge in an air dielectric, which allowed to formulate the offered physical principle in the following kind: «The plasma channel of an pulse spark discharge in a gas dielectric spreads from one of its points to other after a way length of lc, providing the least falling on it of electric voltage of Uc». It is shown that this principle in the first approaching can be applied and to the homogeneous liquid and hard dielectrics. Comparison of the developed physical principle of distribution of plasma channel of an electrical spark discharge is executed in a dielectrical environment with fundamental Fermat physical principle (a law) for distribution of light in an optically transparent environment, which specifies on mathematical likeness and closeness on destiny of these physical principles. Calculation estimations of falling of electric voltage of Uc on total length of lc of the real zigzag way of development in the air dielectric of DEDS a «edge-plane» with the least length of its discharge interval of lmin=1,5 m is presented, that a value Uc does not exceed 9 % from the experimental level of aggressive voltage of Umd≈611,6 кV in this DEDS for the аperiodic pulse of voltage of Tm/Тd≈200 μs/1990 μs. It is set that the estimated time of td advancement of leader channel of electric pulse discharge in air DEDS (lmin=1,5 m) on its real way total length of lc≈1,53 m makes td≈15,3 μs, and experimental duration of cut of Tdc of the indicated аperiodic impulse of voltage utilized in experiments, characterizing time of short circuit by the plasma channel of discharge of air interval in DEDS, appears equal Тdc≈td≈17 μs. Originality. The generalized physical principle of development of plasma channel of a high-voltage electrical pulse spark discharge is first developed in the homogeneous dielectric of the different aggregate state. Practical value. Application in electrical engineering practice and high-voltage pulse technique of the offered principle of distribution in the dielectrics of plasma channel of an pulse spark discharge will allow to develop both new and to perfect the existent methods of computer design of electro-discharge processes in the gas, liquid and hard insulation of different high-voltage electrical power engineering and electrophysics devices, directed on the increase of reliability of their operation.Надані результати розробки узагальненого фізичного принципу розвитку в гомогенному діелектричному середовищі плазмового каналу високовольтного електричного імпульсного іскрового розряду. Показано, що канал даного виду електричного розряду в газовому діелектрику розповсюджується по зигзагоподібному шляху завдовжки lc, який забезпечує найменше падіння на ньому електричної напруги Uc. Для обґрунтування прийнятих початкових фізичних положень і верифікації отриманих розрахункових електрофізичних даних представлені результати високовольтних сильнострумових експериментів по електричному пробою довгого повітряного проміжку в двоелектродній розрядній системі «вістря-площина» (lmin=1,5 м) із застосуванням стандартного комутаційного аперіодичного імпульсу високої напруги часової форми Tm/Тd≈200 мкс/1990 мкс позитивної полярності. Виконано порівняння розробленого фізичного принципу розповсюдження плазмового каналу високовольтного електричного імпульсного іскрового розряду в діелектричному середовищі з фундаментальним фізичним принципом (законом) Ферма для розповсюдження світла в оптично прозорому середовищі, яке вказує на схожість за формою математичного запису і близькість за змістовним призначенням даних фізичних принципів
Design and experimental implementation of voltage control scheme using the coefficient diagram method based PID controller for two-level boost converter with photovoltaic system
Get PDFIntroduction. Currently, in the solar energy systems and a variety of electrical applications, the power converters are essential part. The main challenge for similar systems is controller design. In the literature, the PID controller has proved its effectiveness in many industrial applications, but determining its parameters remains one of the challenges in control theory field. The novelty of the work resides in the design and experimental implementation of a two-level boost DC-DC converter controlled by a PID controller for photovoltaic (PV) maximum power extraction. Purpose. Analysis and control of the two-level boost topology with renewable energy source and design of the PID controller parameters using simple and accurate method. Methods. PID coefficients are optimized using Coefficient Diagram Method (CDM) in the MATLAB environment. Results. A mathematical model of a two-level boost converter with PID controller and PV energy source was developed and analyzed. The model allows to design the controller parameters of the proposed system. Practical value. A prototype steered by the proposed CDM-PID controller was tested using an Arduino embedded board. A comparison between the simulation results and the experimental one is presented. The obtained results illustrate that the experimental results match the simulation closely, and the proposed CDM-PID controller provides a fast and precise results.Вступ. В даний час перетворювачі потужності є невід’ємною частиною сонячних енергетичних систем та різних електричних пристроїв. Основною проблемою для таких систем є проектування контролера. У літературі ПІД-регулятор довів свою ефективність у багатьох промислових застосуваннях, але визначення його параметрів залишається однією з проблем у галузі теорії управління. Новизна роботи полягає у розробці та експериментальній реалізації дворівневого підвищувального перетворювача постійного струму, керованого ПІД-регулятором, для отримання максимальної потужності фотоелектричних пристроїв. Мета. Аналіз та управління дворівневою топологією підвищення з використанням відновлюваного джерела енергії та розрахунок параметрів ПІД-регулятора простим та точним методом. Методи. Коефіцієнти ПІД оптимізуються за допомогою методу діаграми коефіцієнтів (CDM) у середовищі MATLAB. Отримані результати. Розроблено та проаналізовано математичну модель дворівневого підвищувального перетворювача з ПІД-регулятором та фотоелектричним джерелом енергії. Модель дозволяє спроєктувати параметри контролера пропонованої системи. Практична цінність. Прототип, керований пропонованим контролером CDM-PID, протестували з використанням вбудованої плати Arduino. Наведено порівняння результатів моделювання з експериментальними даними. Отримані результати показують, що експериментальні результати близько відповідають моделюванню, а пропонований CDM-ПІД-регулятор забезпечує швидкі та точні результати
Maximizing solar photovoltaic system efficiency by multivariate linear regression based maximum power point tracking using machine learning
Get PDFIntroduction. In recent times, there has been a growing popularity of photovoltaic (PV) systems, primarily due to their numerous advantages in the field of renewable energy. One crucial and challenging task in PV systems is tracking the maximum power point (MPP), which is essential for enhancing their efficiency. Aim. PV systems face two main challenges. Firstly, they exhibit low efficiency in generating electric power, particularly in situations of low irradiation. Secondly, there is a strong connection between the power output of solar arrays and the constantly changing weather conditions. This interdependence can lead to load mismatch, where the maximum power is not effectively extracted and delivered to the load. This problem is commonly referred to as the maximum power point tracking (MPPT) problem various control methods for MPPT have been suggested to optimize the peak power output and overall generation efficiency of PV systems. Methodology. This article presents a novel approach to maximize the efficiency of solar PV systems by tracking the MPP and dynamic response of the system is investigated. Originality. The technique involves a multivariate linear regression (MLR) machine learning algorithm to predict the MPP for any value of irradiance level and temperature, based on data collected from the solar PV generator specifications. This information is then used to calculate the duty ratio for the boost converter. Results. MATLAB/Simulink simulations and experimental results demonstrate that this approach consistently achieves a mean efficiency of over 96 % in the steady-state operation of the PV system, even under variable irradiance level and temperature. Practical value. The improved efficiency of 96 % of the proposed MLR based MPP in the steady-state operation extracting maximum from PV system, adds more value. The same is evidently proved by the hardware results.Вступ. Останнім часом зростає популярність фотоелектричних (ФЕ) систем, насамперед через їх численні переваги в галузі відновлюваної енергетики. Однією з найважливіших і складних завдань у ФЕ системах є відстеження точки максимальної потужності (MPP), яка необхідна для підвищення їх ефективності. Мета. ФЕ системи стикаються із двома основними проблемами. По-перше, вони демонструють низьку ефективність вироблення електроенергії, особливо в умовах низького випромінювання. По-друге, існує сильний зв’язок між вихідною потужністю сонячних батарей і погодними умовами, що постійно змінюються. Ця взаємозалежність може призвести до невідповідності навантаження, коли максимальна потужність не ефективно відбиратиметься і передаватиметься в навантаження. Цю проблему зазвичай називають проблемою відстеження точки максимальної потужності (MPPT). Для оптимізації пікової вихідної потужності та загальної ефективності генерації ФЕ систем було запропоновано різні методи керування MPPT. Методологія. У цій статті представлено новий підхід до максимізації ефективності сонячних ФЕ систем шляхом відстеження MPP та дослідження динамічної реакції системи. Оригінальність. Цей метод включає алгоритм машинного навчання багатовимірної лінійної регресії (MLR) для прогнозування MPP для будь-якого рівня освітленості і температури на основі даних, зібраних зі специфікацій сонячних ФЕ генераторів. Ця інформація потім використовується для розрахунку коефіцієнта заповнення перетворювача, що підвищує. Результати. Моделювання MATLAB/Simulink та експериментальні результати показують, що цей підхід послідовно забезпечує середню ефективність понад 96 % в режимі роботи ФЕ системи, що встановився, навіть при змінних рівнях освітленості і температурі. Практична цінність. Підвищена ефективність 96 % пропонованого MPP на основі MLR в режимі роботи, що вистачає максимум з ФЕ системи, підвищує цінність. Те саме, очевидно, підтверджують і апаратні результати
Технічні рішення щодо зниження втрат в магнітопроводах і матеріаломісткості трифазного трансформаторно-реакторного обладнання
Get PDFPurpose. The increase in energy costs and the need for further energy saving lead to an increase in requirements for reducing losses in the magnetic cores of transformers and reactors. Problem. The improvement of transformer and reactor equipment is traditionally carried out by applying the achievements of electrical materials science and new technologies to traditional designs and structures of electromagnetic systems. The basis of modern transformers is made up of laminated and twisted magnetic cores. The disadvantage of laminated magnetic cores is large additional losses in corner zones due to the texture of anisotropic steel. Disadvantage of twisted three-phase three-contour magnetic cores is large additional losses caused by the lack of magnetic coupling of three separate magnetic flux contours. The disadvantages of combined joint tape-plate magnetic cores are the unsatisfactory use of the active volume and increased losses, which are determined by the uneven distribution of the magnetic field and the negative impact of steel texture in the corner zones of the twisted parts. Aim. To determine the possibility of improving three-phase transformers and reactors. Methodology. The improvement is achieved by geometrical and structural transformations of the outer contours and elements of the varieties of magnetic cores. Results. The possibility of eliminating additional losses of a planar laminated magnetic core by a combination of anisotropic and isotropic steels at the appropriate location in the yoke-rod and corner sections is determined. With an octagonal outer contour of the combined magnetic core, a reduction in mass is achieved without an increase in losses. The mutually orthogonal position of the steel layers or the elements of the joint twisted and combined three-phase planar and spatial magnetic cores achieves magnetic coupling and elimination of additional losses of individual twisted contour sections. The hexagonal configurations of the inner contours of the twisted yoke-corner parts and the cross-sections of the laminated rods of the variants of the axial spatial joint magnetic core improve the magnetic flux density distribution and reduce the main losses of the yokes, as well as reduce the complexity of manufacturing rods from identical rectangular steel layers. Originality. The paper presents constructive and technological proposals and features of varieties of non-traditional planar and spatial, laminated, twisted and combined tape-plate joint magnetic cores, which differ in the combination of anisotropic, isotropic and amorphous steels, as well as the multifaceted geometric shape of contours and the spatial arrangement of elements. Based on the identity of the optimal geometric ratios of the variants of electromagnetic systems of transformers and reactors, with joint planar and spatial twisted and combined and tape-plate magnetic cores, the unification of the structure of transformer and reactor equipment with a capacity of I-III dimensions.Розглянуто стан розвитку трансформаторобудування. Визначена недостатня ефективність застосування відомих способів зниження втрат у магнітопроводах для задоволення нових вимог енергоресурсозбереження. Показана можливість удосконалення і уніфікації трифазних трансформаторів та реакторів на основі комбінацій анізотропної, ізотропної і аморфної сталей, багатогранних геометричних конфігурацій контурів та зміни положень в просторі шарів сталі, а також елементів планарних і просторових шихтованих, витих та комбінованих навито-пластинчастих магнітопроводів
The method for design of electromagnetic hybrid active-passive shielding by overhead power lines magnetic field
Get PDFAim. Development of the method for designing electromagnetic hybrid active-passive shield, consisting from active and multy-circuit passive parts, which is characterized by increased effectiveness of reducing the industrial frequency magnetic field created by two-circuit overhead power lines in residential buildings. Methodology. The designing problem of electromagnetic hybrid active-passive shield including robust system of active shielding and multy-circuit passive shield of initial magnetic field comes down to a solution of the multy-criteria two-player zero-sum antagonistic game. The game payoff vector calculated based on the finite element calculations system COMSOL Muliphysics. The game solution calculated based on the particles multyswarm optimization algorithms. Results. During the design of the electromagnetic hybrid active-passive shield the coordinates of the spatial arrangement of 11 circuits passive shield and the coordinates of the spatial location of one compensation winding, as well as the current and phase in this winding of the active shielding system are calculated. The results of theoretical and experimental studies of hybrid active and multy-circuit passive shield by magnetic field in residential building from two-circuit power transmission line with a «Barrel» type arrangement of wires presented. Originality. For the first time the method for designing hybrid active and multy-circuit passive shield, consisting from active and multy-circuit passive parts, which is characterized by increased effectiveness of reducing the magnetic field of industrial frequency created by two-circuit overhead power lines in residential buildings is developed. Practical value. Based on results of calculated study the shielding efficiency of the initial magnetic field what is confirmed by experimental studies determined that shielding factors whith only multy-circuit passive shield is more 1.2 units, whith only active shield is more 4 units and with electromagnetic hybrid active-passive shield is more 6.2 units. It is shown the possibility to reduce the level of magnetic field induction in residential building from two-circuit power transmission line with a «Barrel» type arrangement of wires by means of electromagnetic hybrid active shielding with single compensating winding and multy-circuit passive shielding with 11 circuit passive shield to 0.5 μT level safe for the population. References 51, figures 17.Мета. Розробка методу проектування електромагнітного гібридного активно-пасивного екрану, який складається з активної та багатоконтурної пасивної частин, та характеризується підвищеною ефективністю зниження магнітного поля промислової частоти, що генерується дволанцюговими повітряними лініями електропередачі в житлових будинках. Методологія. Задача проектування електромагнітного гібридного активно-пасивного екрану, яка включає розробку робастної системи активного екранування та багатоконтурного пасивного екрану вихідного магнітного поля, зводиться до вирішення багатокритеріальної антагоністичної гри двох гравців з нульовою сумою. Вектор виграшів гри розраховується з використанням кінцево-елементної системи обчислень COMSOL Muliphysics. Рішення гри розраховується на основі алгоритмів оптимізації мультироїв частинок. Результати. При проектуванні електромагнітного гібридного активно-пасивного екрану були розраховані координати просторового розташування 11 контурів пасивного екрану і координати просторового розташування однієї компенсаційної обмотки, а також струм і фаза в цій обмотці системи активного екранування. Наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень електромагнітного гібридного активно-пасивного екрану магнітного поля в житловому будинку від дволанцюгової лінії електропередач із розташуванням проводів типу «бочка». Оригінальність. Вперше розроблено метод проектування електромагнітного гібридного активно-пасивного екрану, який складається з активної та багатоконтурної пасивної частин, та характеризується підвищеною ефективністю зниження рівня магнітного поля промислової частоти, яке генерується дволанцюговими повітряними лініями електропередачі в житлових будинках. Практична цінність. За результатами розрахункових досліджень ефективності екранування вихідного магнітного поля, які підтверджені експериментальними дослідженнями, встановлено, що коефіцієнт екранування тільки багатоконтурним пасивним екраном становить більше 1,2 одиниць, а тільки з активним екраном становить більше 4 одиниць, і при використанні електромагнітного гібридного активно-пасивного екрану становить більше 6,2 одиниці. Показана можливість зниження рівня індукції магнітного поля в житловому будинку від дволанцюгової лінії електропередачі з розташуванням проводів типу «бочка» за допомогою гібридного активного екрану з однією компенсуючою обмоткою та багатоконтурного пасивного екрану з 11 контурами до безпечного для населення рівня в 0,5 μT. Бібл. 51, рис. 17