Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Все статьи: 792
Статья научная
Наибольшая доля отказов асинхронных двигателей в промышленности связана с перегревом изоляции статорной обмотки в результате неправильной эксплуатации оборудования. В данной работе применены методы математического моделирования тепловых процессов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором для оценки теплового состояния элементов конструкции электродвигателя. Моделирование основано на методе эквивалентных тепловых схем для стационарного нагрева. За основу взята математическая модель, состоящая из 10 основных узлов электрической машины. В работе поставлена задача экспериментальным путем проверить адекватность предложенной математической модели и дать оценку возможности ее применения для диагностики состояния электродвигателя путем измерения тока статора без использования встроенных датчиков. Результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с использованием тепловизионного оборудования. По результатам сравнения математической модели и экспериментальных данных сделан вывод о возможности применения предложенной модели для исследования тепловых режимов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются вопросы реализации диагностики и мониторинга состояния силовой части и изоляции высоковольтных кабельных линий в реальном времени с помощью цифровых двойников. Определены проблемы теплового учета и особенности моделирования электротепловых процессов нагрева в силовых кабелях. Предложена математическая электротепловая модель силового кабеля для цифрового двойника кабельной линии, основанная на разложении его динамического теплового сопротивления на сумму экспоненциальных составляющих, позволяющая реализовать расчет мгновенных значений температуры нагрева токопроводящей жилы кабеля в реальном времени при незначительных объемах вычислений на интервале дискретизации расчета. Приведены результаты расчета с помощью модели температуры нагрева одножильного силового кабеля при трехфазном коротком замыкании в сети.
Бесплатно
Математическая модель обобщенного теплообмена в топке котельного агрегата - парадигма теплообмена
Статья научная
На основе закона сохранения энергии сформулирован баланс тепловых потоков в дивергентной форме для двух механизмов переноса теплоты дисперсионного и диссипативного видов. Дисперсионный приход теплоты в топку определяется физической теплотой потока газов из зоны интенсивного горения и химической энергией несгоревшего топлива. Диссипативный расход теплоты определяется различными механизмами переноса градиентной формы, аналогично законам Фурье и Фика. При определении коэффициентов переноса каждого из механизмов формулируется обобщенное уравнение сохранения энергии, которое представляет собой дифференциальное уравнение второго порядка в частных производных, допускающее решение методом разделения переменных. Применение граничных условий третьего рода и неизменной в пространстве начальной температуры позволило определить константы интегрирования и разделения переменных и записать обобщенное уравнение температурного поля в интегральной форме, в том числе в безразмерном виде. Совокупность физико-математических приемов, приводящих от фундаментального закона сохранения энергии к конкретной форме температурного поля, определяется как парадигма теплообмена в топках. Полученное решение для пространственного температурного поля характеризует интенсивность теплообмена в топке, зависит от обобщенного числа Нуссельта и далее адаптируется к топкам различного поперечного сечения.
Бесплатно
Математическая модель определения начального участка гетерогенного факела и ее адаптация
Статья научная
Изложена новая математическая модель процессов аэромеханики и теплообмена в начальном участке гетерогенного факельного континуума, которые в значительной степени формируют эффективность процессов использования топлива в котельном агрегате. Дано аналитическое описание процессов выделения летучих веществ в зависимости от температуры, которая связана с нагревом частиц топливной пыли, причем воспламенение смеси воздуха с летучими веществами рассматривается в двух аспектах - при известной температуре и известном нижнем концентрационном пределе воспламенения смеси. Показано, что оба подхода дают схожие результаты при определении начального участка факела. Для формирования достоверности модели привлечены известные экспериментальные данные по определению концентрационных пределов воспламенения смеси воздуха с летучими веществами топлива, по определению времени до начала воспламенения смеси и другие данные.
Бесплатно
Математическая модель планирования режимов ЭЭС в рыночных условиях на среднесрочную перспективу
Статья научная
В статье представлена математическая модель планирования состояний электроэнергетической системы (ЭЭС) в среднесрочном периоде с учетом правил, действующих на рынках электроэнергии России. Необходимость такой модели обусловлена потребностью планирования электроэнергетических режимов с учётом интересов потребителей, включающих их надежное электроснабжение при минимизации затрат на покупку электроэнергии. При планировании режимов необходимо принимать во внимание возможные действия поставщиков, стремящихся максимизировать собственную прибыль при узловом ценообразовании на рынках. В представленной модели период планирования разбит на несколько временных интервалов, задача решается с учётом балансовых ограничений в узлах ЭЭС, ограничений по допустимым значениям генерации, перетокам и объемам энергоресурсов. Рыночное равновесие моделируется одновременно в нескольких интервалах с учётом многократности и длительности взаимодействия. Рассмотрены подходы поиска равновесного состояния в многоинтервальной задаче. Приводятся результаты численного моделирования на примере упрощенной схемы реальной ЭЭС.
Бесплатно
Математическая модель прогнозирования остаточного ресурса изоляции по режимным параметрам
Статья научная
Статья посвящена исследованию математических моделей, позволяющих оценивать и прогнозировать остаточный ресурс изоляции, а также имеющихся и вновь разрабатываемых материалов. Рассматриваемый метод основан на модели Кучинского для оценки остаточного ресурса изоляции по уровню частичных разрядов. Предложена уточнённая математическая модель, позволяющая определять остаточный ресурс изоляции только на основе трёх измерений мощности частичных разрядов и условий эксплуатации изоляционных материалов между опытами. Оценена точность определения остаточного ресурса изоляции для условий, близких к эксплуатации кабельных линий, и условий, близких к лабораторным исследованиям изоляционных материалов. Показана возможность использования методики для самовосстанавливающихся материалов.
Бесплатно
Статья научная
Разработана математическая модель синхронного генератора с системой самовозбуждения для анализа электромагнитных процессов в режиме форсировки при внешних несимметричных коротких замыканиях. В модели учитываются группы соединения обмоток трансформатора системы самовозбуждения, способы синхронного фазового управления тиристорным преобразователем и элементы автоматического регулятора возбуждения. Приведены результаты исследований режима форсировки блока ТГВ-200-2М.
Бесплатно
Математическая модель теплообмена в зоне интенсивного горения котельного агрегата
Статья научная
Сформулированы условия декомпозиции зоны интенсивного горения (ЗИГ) на три компонента - топочный газ, факельный континуум и твердое ограждение - и определены их границы. Разработана схема тепловых потоков и определены их параметры и характеристики с целью определения результирующего теплового потока на факельный континуум. Определены три режима радиационного теплообмена в ЗИГ: равномерно распределенный и направленные (прямой и косвенный), сформулированы условия их существования и основные особенности.
Бесплатно
Математическая модель трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором
Статья научная
Представлены основные уравнения, разработана структурная схема математической модели трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, позволяющая рассчитывать переходные процессы в электродвигателе и электроприводе с учетом распределенной обмотки, насыщения и вихревых токов в зубцах статора и ротора. Модель реализована с помощью программного пакета MATLAB 6. Представлены кривые переходных процессов прямого пуска двигателя.
Бесплатно
Статья научная
Качество обеспечения электроэнергией во многом зависит от синхронизированной работы генераторов. Для повышения надежности синхронизации работы генераторов необходимо согласованно корректировать частоту вращения турбины. В этом случае целесообразно применение регулируемой электромеханической системы для изменений в допустимом диапазоне частоты вращения турбины генератора. В статье рассмотрен вопрос математического описания системы электромеханического регулирования частоты вращения парового турбогенератора, выполненного на основе линейного актуатора. Приведена структурная схема турбоагрегата с электромеханическим регулированием частоты вращения с учетом влияния давления пара на клапан турбины. Математическое описание представлено в форме передаточных функций, полученных на основе линеаризации основного уравнения движения турбины в относительных отклонениях параметров турбогенератора и электропривода. Линеаризованное описание позволит применять классические методы синтеза регуляторов системы автоматического регулирования скоростью.
Бесплатно
Математическая модель электромеханической многокоординатной силокомпенсирующей системы
Статья научная
Одним из средств построения тренажеров для подготовки космонавтов являются стенды обезвешивания, реализуемые с использованием многокоординатных силокомпенсирующих систем (СКС), обеспечивающих до шести степеней подвижности объекта. Реализацию составляющих движения целесообразно обеспечить суммой трех поступательных взаимно перпендикулярных движений, а также вращением и качанием объекта относительно его центра масс в кардановом подвесе. Для выполнения комплексных исследований, структурно-параметрического синтеза системы управления, анализа статических, динамических показателей работы СКС необходимо разработать математическую модель, адекватно описывающую силовые взаимодействия в многокоординатных СКС. Сформулированы допущения, принимаемые при получении математического описания механической части СКС. С учетом этих допущений и выделения четырех основных элементов, взаимодействующих друг с другом: моста, тележки, барабана и обезвешиваемого объекта, получены уравнения, описывающие взаимосвязанное изменение поступательных координат при приложении к обезвешиваемому объекту внешнего силового воздействия. С учетом принципов управления электродвигателями и анализа физических процессов в механической части СКС обоснована целесообразность представления математического описания координат СКС единой обобщенной двухмассовой электромеханической моделью с упругой связью.Приведены аналитические выражения для определения параметров обобщенной математической модели и рассмотрены методы по идентификации упруго-диссипативных свойств механических передач и сил трения в СКС. На примере комплекса «Сармат» показано определение параметров математической модели для систем вертикального и горизонтального перемещений.
Бесплатно
Математическая модель электропривода с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения
Статья научная
Ассматривается математическая модель электропривода с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения (СРДНВ). Дается оценка удельным и перегрузочным показателям на основании проведенного моделирования.
Бесплатно
Математические модели определения потоков мощности и энергии в питающих электрических сетях
Краткое сообщение
Рассмотрены две математические модели расчета потоков мощности и энергии при заданных в узлах разнородных нагрузках в виде функций времени на отрезке [О, Т]. Модели дают возможность определения потоков электрической энергии в элементах схемы питающей сети при детерминированных и вероятностных режимных данных.
Бесплатно
Статья научная
Матричные преобразователи частоты на полностью управляемых ключах переменного тока являются одним из перспективных решений в сфере экономии энергии и развития электропривода переменного тока. Возможность рекуперативного торможения позволяет расширить сферу применения частотных преобразователей и улучшить их эксплуатационные характеристики. В работе использованы общие положения теории цепей, методы математического и численного моделирования, линейная алгебра, теория нелинейных и дискретных систем управления и теория цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования в данной работе является метод математического моделирования. При обработке результатов исследований широко применялось современное программное обеспечение. Произведен полный математический анализ силовой схемы матричного преобразователя частоты вместе с вычислением коммутационных циклов (алгоритма коммутации) как для низкого коэффициента передачи напряжения (0,5), так и для максимального коэффициента передачи напряжения (0,866). Рассмотрена работа преобразователя частоты матричного типа, представляющего собой комбинацию виртуального активного выпрямителя и виртуального автономного инвертора напряжения с непосредственным управлением по методу пространственно-векторной модуляции. Разработаны имитационные модели такой системы и представлены результаты моделирования в среде MATLAB/Simulink. Представленные результаты исследований показывают, что высокие качественные показатели электропривода с матричным преобразователем частоты, несомненно, открывают для него широкие перспективы. Данный вид преобразователей может с успехом найти применение в машинах двойного питания для ветрогенераторов, на производственных линиях в стальном производстве, на погрузочно-разгрузочных устройствах, лифтах, подъемниках, в стендах обкатки двигателей внутреннего сгорания, а из-за меньших массогабаритных показателей матричный преобразователь частоты может найти применение в тех областях промышленности, где размер и вес преобразователя имеют жизненное значение, а ограничение величины выходного тока некритично, как например в аэро- и космической промышленности. Однако несмотря на все свои преимущества над схемами обычных преобразователей частоты, схемы матричных преобразователей пока не нашли широкого применения ввиду большого количества полупроводниковых приборов и сложных алгоритмов управления.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время одной из главных задач современной энергетики является задача освоения шельфовых месторождений углеводородов. Для освоения месторождений углеводородов используются технические средства, состоящие из плавучих буровых установок (ПБУ) и буровых судов, ледоколов, судов снабжения, транспортных судов (танкеров и газовозов), подводных перекачивающих комплексов (ППК). Для разработки высоковольтных электроприводов с преобразователями частоты технических средств освоения шельфа выполняется комплекс исследований с использованием математических и имитационных моделей, причем точность расчета и характеристики конечного изделия определяются качеством выполнения моделирования. Достижение высоких показателей адекватности моделирования и точности расчета возможно обеспечить только с использованием уточненных математических моделей. С ростом объемов работ по проектированию электротехнических комплексов нефтегазовых технологических систем растет актуальность математического и имитационного моделирования электроприводов и исследования их характеристик методом компьютерного моделирования. В работе показан алгоритм составления имитационных моделей трехуровневых автономных инверторов электроприводов, который включает в себя анализ структурной схемы электропривода, принятие допущений, составление эквивалентной схемы электропривода, математического описания электропривода, синтеза алгоритма модуляции и составления имитационных моделей. Выполненные исследования показывают влияние параметров сопротивления и индуктивности моторных дросселей на качество выходного напряжения автономного инвертора. Также исследовано влияние частоты коммутации автономного инвертора на искажения выходного напряжения и тока. Дополнительно даны рекомендации по выбору моторных дросселей.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются вопросы разработки математической модели взаимосвязанных клетей непрерывной подгруппы черновой группы широкополосного стана горячей прокатки. Обоснована задача исследования повторных динамических процессов, возникающих в электромеханических системах вертикальных валков универсальной клети при захвате полосы валками последовательно расположенной горизонтальной клети. Отмечено, что динамический момент в данном режиме может превышать установившийся момент прокатки в 2-2,5 раза. Основной причиной возникновения повторных ударных нагрузок является несогласованность скорости выхода полосы из валков вертикальной клети и линейной скорости валков горизонтальной клети. С целью исследования передачи кинетической энергии на вал двигателя предыдущей клети обоснована целесообразность разработки уточненной математической модели очага деформации. Предложено разработать данную модель на основе уравнения закона сохранения энергии при прокатке. Представлена структурная схема математической модели взаимосвязанных элект¬роприводов вертикальных и горизонтальных валков трехклетевой прокатной группы стана 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Представлены аналитические выражения для расчета мощности, подводимой к очагу деформации со стороны приводного двигателя валков, мощности, подводимой за счет переднего натяжения (подпора) и заднего подпора (натяжения), мощности, затрачиваемой на формоизменение проката и мощности трения скольжения. Для этого исследовано поведение металла в очаге деформации, представлены математические выражения изменения элементарных скоростей точек на поверхностях входного и выходного сечений. Приведены зависимости скольжения металла относительно валков и мощностей трения скольжения для зон опережения и отставания, полученные с учетом изменения сечения обрабатываемого металла и его сопротивления деформации. На основе полученных выражений построена структурная схема модели очага деформации. Представлены аналитические и операторные выражения для моделирования сил натяжения и подпора и структура модели, описывающей упругие свойства полосы в межклетевом промежутке. Приведена структура математической модели системы регулирования скорости электропривода, основанная на известных уравнениях якорной цепи двигателя постоянного тока. В результате сравнения переходных процессов координат электроприводов и параметров прокатки, полученных при моделировании и путем осциллографирования на стане, подтверждена адекватность разработанной модели исследуемому объекту. Представленная математическая модель рекомендуется для исследования силового взаимодействия электромеханических систем прокатного стана, а также исследования динамических режимов, возникающих при захвате полосы валками горизонтальных и вертикальных клетей.
Бесплатно
Статья научная
Исследования повторных динамических процессов, возникающих в электромеханических системах вертикальных валков универсальных клетей прокатных станов при захвате полосы валками последовательно расположенных горизонтальных клетей, предложено выполнить с помощью математической модели, рассмотренной в части 1 данной статьи. В результате анализа осциллограмм переходных процессов токов и скоростей электроприводов горизонтальных и вертикальных валков универсальной клети № 4 широкополосного стана 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат (ОАО «ММК») определены причины, вызывающие недопустимые динамические нагрузки. Основной причиной является несогласованность скорости выхода полосы из вертикальных валков и линейной скорости вращения горизонтальных валков. Представлены результаты математического моделирования данного динамического режима при начальных условиях, соответствующих реальным процессам на стане. С целью обобщения результатов выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных, полученных при прокатке более 90 полос различного сортамента. Установлена зависимость (близкая к линейной) отклонений тока электропривода вертикальных валков от относительного рассогласования линейных скоростей вертикальных и горизонтальных валков. На основании этого, с целью ограничения динамических нагрузок, обосновано формирование пропорционального управляющего воздействия на скорость электропривода горизонтальных валков. Показано, что на соотношение линейных скоростей значительное влияние оказывает статическая ошибка регулирования, возникающая в электроприводе с пропорциональным регулятором скорости. Представлены способы и технические решения, обеспечивающие ограничение динамических нагрузок за счет согласования скоростей валков универсальной клети и компенсации ошибки регулирования скорости за счет ее увеличения перед захватом либо непосредственно в момент захвата полосы.
Бесплатно
Статья научная
Дана характеристика взаимосвязанных электромеханических систем непрерывной подгруппы клетей широкополосного стана горячей прокатки (ШСГП). Отмечены особенности взаимодействия вертикальных и горизонтальных валков универсальной клети, приводящие к возникновению повторного переходного процесса в электромеханических системах вертикальных валков при захвате полосы горизонтальными валками. Обоснована необходимость разработки способов управления электроприводами универсальной клети, обеспечивающих ограничение их динамических токов в данном переходном режиме. Предложен концептуальный подход, согласно которому осуществляется ограничение динамических нагрузок за счет последовательного согласования скорости выхода полосы из валков предыдущей клети и линейной скорости валков последующей клети с передачей регулирующего воздействия по ходу прокатки. Рассмотрен способ управления скоростными режимами электроприводов непрерывной подгруппы ШСГП, обеспечивающий реализацию данного подхода. Предложен способ компенсации статической ошибки регулирования скорости и динамического момента электродвигателя последующей клети, возникающего при захвате полосы, путем быстродействующего астатического регулирования скорости электропривода предыдущей клети. Представлены результаты исследования названных способов методом математического моделирования с использованием разработанной математической модели взаимосвязанных клетей непрерывной подгруппы черновой группы ШСГП. Подтверждено, что предложенный способ управления скоростными режимами обеспечивает установку наиболее точного соотношения скоростей валков перед захватом полосы. В результате сопоставления переходных процессов в существующей системе управления электроприводами и в системе, реализующей разработанные способы, подтверждены снижение динамического тока двигателя вертикальных валков до уровня 10 % и практически полное отсутствие подпора со стороны горизонтальных валков при совместной прокатке. Даны рекомендации по промышленному внедрению разработанных технических решений.
Бесплатно
Математическое моделирование гибридной ветро-солнечной станции для электроснабжения собственных нужд
Статья научная
В статье представлено математическое моделирование гибридной энергетической установки (ГЭУ), работающей на возобновляемых источниках энергии. В состав ГЭУ входит ветровой модуль, солнечный модуль, система накопления электроэнергии. Предполагается использование ГЭУ для электроснабжения собственных нужд ботанического сада, описан принцип работы станции. Проведен анализ ежемесячных данных средней инсоляции и средних значений скорости ветра в Оренбургской области. Для расчетов использован реальный график нагрузок ботанического сада. Анализ выполнен на основе данных по солнечной инсоляции и скорости ветра за последние 20 лет. Выявлено, что наибольшая генерация солнечной электроэнергии в течение года происходит в период с июня по июль, а наибольшая генерация ветровой электроэнергии в течение года происходит в период с января по март. Суммарная генерация позволяет обеспечивать собственные нужды ботанического сада электроэнергией в любой месяц, кроме октября и ноября. Излишняя же электроэнергия, вырабатываемая летом, может использоваться для производства водорода, использующийся в качестве топлива для водородного топливного элемента или хранения его в накопителях.
Бесплатно
Математическое моделирование течения среды в сложных многоканальных системах
Краткое сообщение
Приводится модель расчета течения среды в сложной многоканальной системе последовательно-параллельных каналов произвольной заданной структуры с автоматизированным отображением структуры системы, которая может быть использована для моделирования процессов в энергетических установках.
Бесплатно
