Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Все статьи: 812
Статья научная
Целью работы является анализ существующих и развивающихся методов оптимизации, применяемых в области проектирования гибридных энергетических комплексов, и определение наиболее перспективных направлений развития. В ходе систематического обзора научной литературы в рассматриваемой области использовался метод метаанализа изданных статей. В работе выполнен анализ различных методов оптимизации гибридных энергетических комплексов, включающих в свой состав ветровой и солнечный модули, а также модуль накопления электроэнергии. В ходе анализа дано представление о применимости рассматриваемых методов оптимизации в реальных сценариях с учетом таких факторов, как затраты вычислительной мощности, скорость сходимости, а также трудность реализации. Кроме того, выделены наиболее часто используемые критерии оптимизации, разделенные на две группы: критерии надежности и экономические критерии. Отмечается, что показатель LPSP (вероятность нарушения электроснабжения) является наиболее распространенным критерием оценки надежности работы гибридного энергетического комплекса. На две группы, традиционные и современные, были разделены методы оптимизации и выделена группа гибридных методов, сочетающих в себе два или более алгоритма. Выделяются особенности, а также существующие достоинства и недостатки различных методов оптимизации. Анализ литературы в области оптимизации гибридных энергетических комплексов показал, что наиболее перспективными являются методы, включающие в себя элементы искусственного интеллекта, в частности, эволюционные и метаэвристические алгоритмы. Также анализ показал преимущество применения гибридных методов, позволяющих использовать сильные стороны различных методов, компенсируя при этом их недостатки.
Бесплатно
Механические характеристики электромагнитных демпфирующих элементов с двойным ротором
Статья научная
Получены выражения для определения электромагнитного момента демпфирующих элементов с двойным ротором, с учетом и без учета взаимного влияния магнитных полей роторов.
Бесплатно
Мировой и российский опыт применения государственной поддержки возобновляемой энергетики
Краткое сообщение
Проведен анализ государственных мер по стимулированию использования возобновляемых источников энергии на примере мирового и Российского законодательства, раскрыты механизмы стимулирования. Предложена схема включения договоров на присоединение мощностей на возобновляемых источниках энергии в оптовый рынок электроэнергии, описан процесс прохождения конкурсного отбора мощности.
Бесплатно
Краткое сообщение
Рассмотрена многозонная система управления группой электроприводов переменного тока циркуляционных механизмов, например, водяных насосов с автоматическим переключением силового электрооборудования в режим холодного резерва. Приведена структурная схемы системы и таблица кодовых состояний регулятора на основе многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена базовая структура и принцип действия многозонного интегрирующего регулятора, в основе которого лежит частотно-широтно-импульсная модуляция. В среде MATLAB + Simulink разработана виртуальная модель многозонного регулятора, на ее основе построены временные диаграммы регулятора. Приведены основные расчетные соотношения и статические характеристики многозонного регулятора: амплитудная и модуляционная характеристики. Отмечены достоинства и недостатки устройств данного класса. Предложены два способа организации «эстафетных» режимов работы релейных элементов, входящих в состав многозонного интегрирующего регулятора. В частности, рассмотрены многозонный регулятор с параметрическим и с число-импульсным «эстафетными» алгоритмами работы релейных элементов. Главным достоинством «эстафетных» режимов является их возможность обеспечивать равномерное распределение потерь мощности между выходными силовыми ключами, что позволяет повысить энергетические показатели системы управления и ее надежность. Приведены структуры многозонных регуляторов с «эстафетными» режимами работы и временные диаграммы их сигналов. Показан пример построения на основе многозонного регулятора переменного напряжения системы управления температурой в электронагревательной установке. При «эстафетном» режиме работы электронагревателей создается «вращающееся» тепловое поле, в результате чего снижается не менее чем в 3-5 раз неравномерность температуры по объему печи. Статья может быть интересна для специалистов, работающих в области информационной и силовой электроники, автоматизации технологических процессов и электропривода в целом.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается использование энергоэффективного электрического привода. Актуальностью предлагаемого решения проблемы является увеличение спроса на энергоэффективное оборудование в промышленности ввиду роста требования к качеству выпускаемой продукции и скорости ее изготовления. Таким образом, основной задачей является увеличение быстродействия переходных процессов переменных систем в режиме рекуперации, снижение коммутационных потерь, оценка максимально возможных и допустимых перенапряжений в звене постоянного тока и проведение параметрической оптимизации по критерию оптимального количества фаз многоуровневого преобразователя на базе синхронных и асинхронных электродвигателей. На примере трубопрокатного стана 5000 (ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат») и универсального рельсобалочного стана (ПАО «ЧМК», г. Челябинск) произведено исследование работы многоуровневого преобразователя частоты, вместо существующих автономных инверторов напряжения. В результате работы выявлено снижение перенапряжения на силовых ключах; методом экспериментальных тепловых исследований коммутационные потери снизились на 25-45 % в зависимости от номинальной мощности; с помощью применения трехуровневого выпрямителя сохраняется интенсивность торможения, что, в свою очередь, в общем цикле позволяет снизить время тормозных режимов на 2-5 %. Далее проведено исследование оптимального числа фаз полупроводникового преобразователя для объектов металлургического производства по критерию максимума вероятности безотказной работы.
Бесплатно
Статья научная
По результатам многокритериального моделирования газодинамических процессов даны рекомендации по конструированию эффективной камеры смешения, а также регулирования потоков воздуха и пара в элементах пароструйного аппарата. Выявлены возможности сравнительно большего снижения потерь, присосов воздуха в турбину и затрат на ремонт оборудования, чем при использовании отдельных критериев повышения эффективности паротурбинного оборудования. Проведен сравнительный анализ выбранных методов расчетов: инновационного (многокритериального) и стандартного (типового). В качестве результирующих показателей оценки методов были выбраны величины: повышения энергетической эффективности турбины вследствие предотвращения присосов воздуха в уплотнениях турбины; увеличения КПД конденсационных турбин; снижения затрат на ремонт турбины и эжектора вследствие оптимизации площади сечения камеры смешения в эжекторе. Сравнение показало лучшие результаты применения многокритериального моделирования по указанным параметрам, а также коэффициентам скорости потока, расхода рабочего пара, уменьшения размеров и повышению срока службы от 20 до 40 лет. Инновационный метод требует расширения числа критериев оптимальности и регулирования параметров процессов и геометрии конструкции на основе прямых и обратных связей многокритериальной модели. С помощью многокритериального моделирования определен необходимый состав параметров оптимизации: площадь проходного сечения конструированной камеры смешения, расход пара и термодинамические параметры потоков, а также давление всасывания.
Бесплатно
Статья научная
Проблема эффективного электроснабжения сельских потребителей не решена в полном объеме до сих пор. Одним из путей решения данной проблемы является разработка микротепловой электростанции, способной функционировать практически на любом топливе. Использование собственного источника энергии позволит снизить затраты на ее производство для фермерского хозяйства. Существенно повышаются показатели надежности электроснабжения и обеспечивается ее бесперебойная поставка потребителю. Предложенная нами электростанция приводится в действие тепловым двигателем с внешним подводом теплоты. Приведены некоторые результаты компьютерного моделирования двигателя с внешним подводом тепла, который работает по принципу Стирлинга. Рассмотрены конструктивные особенности разрабатываемого двигателя.
Бесплатно
Многоуровневые преобразователи частоты для дифференциальных электроприводов
Статья научная
Надежная работы промышленной автомобильной техники - одно из самых главных требований, особенно в условиях Крайнего Севера. Самым сложным является пуск двигателя внутреннего сгорания, который осложняется ввиду низкой температуры окружающей среды. В данной работе предлагается использование дифференциального электропривода в качестве стартер-генератора. Это позволит не только объединить стартер и генератор автомобиля в одну электрическую машину, но и увеличить энергоэффективность агрегата. Благодаря использованию планетарного редуктора удалось достигнуть изменения отношения момента и скорости 10:1 в генераторном и двигательном режимах. Достигнута стабильная работа стартер-генератора в пусковом режиме путем использования многоуровневого преобразователя частоты и синхронного реактивного двигателя с независимым каналом возбуждения. Данный дифференциальный привод позволит уменьшить массогабаритные показатели подкапотного пространства, увеличить шанс пуска двигателя внутреннего сгорания, а также впоследствии уменьшить расход топлива.
Бесплатно
Многофакторный выбор электромеханического модуля для перспективного сбалансированного манипулятора
Статья научная
Применена методика многофакторного определения рациональных параметров передаточных механизмов для выбора электродвигателя систем вертикального перемещения груза с помощью перспективного сбалансированного манипулятора. Комплексный подход выбора силовой части сбалансированного манипулятора основан на учете трех основных ограничений: согласование скоростей двигателя и исполнительного механизма манипулятора, работа привода с минимально возможным значением максимального крутящего момента, обеспечение режима работы электродвигателя в режиме его стоянки под током при номинальной нагрузке. Выбор требуемого значения радиуса приведения механизма из допустимых его значений рекомендуется выполнять с применением компромиссного выбора рационального значения радиуса приведения, удовлетворяющего выполнению всех рассматриваемых условий. Рациональные параметры электромеханического модуля выбраны при вариации значения радиуса приведения двигателя с учетом критерия минимизации суммарного максимального момента двигателя, что обеспечило компромиссный выбор требуемых параметров электромеханического модуля. Для создания перспективного сбалансированного манипулятора рекомендовано применять высокоскоростные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов.
Бесплатно
Мобильные ветро-солнечные электростанции: состояние, перспективы и особенности проектирования
Статья научная
Статья посвящена исследованию перспектив применения мобильных ветро-солнечных электростанций для электроснабжения автономных потребителей электроэнергии, удаленных от внешней энергетической системы. Рассматриваются преимущества, недостатки, основные энергетические параметры, особенности работы известных технических решений мобильных электростанций, а также факторы, влияющие на выбор возобновляемых источников электроэнергии, и требования современных автономных потребителей к качеству электроэнергии. Раскрыты направления улучшения эксплуатационно-технических характеристик мобильных ветро-солнечных электростанций и приведены технико-экономические показатели станций, выполненные на современной элементной базе.
Бесплатно
Моделирование автономной фотоэлектрической системы в программной среде MATLAB Simulink
Статья научная
Показана возможность построения математических моделей любого фотоэлектрического модуля при известных показателях температуры поверхности модуля и солнечной радиации. В результате моделирования получены зависимости вольтамперных характеристик модуля от температуры и солнечной радиации. Разработана математическая имитационная модель автономной фотоэлектрической системы, включающей в себя фотоэлектрические модули, инвертор, LCL-фильтр, однофазный трансформатор и потребитель электрической энергии. Имитационное моделирование выполнено в среде MATLAB Simulink.
Бесплатно
Моделирование вентильно-индукторного электровибропривода
Статья научная
Представлены математические модели вентильно-индукторного двигателя и электронного коммутатора с алгоритмом 90-градусной коммутации фаз двигателя. Проведен междисциплинарный расчет построенных моделей. Результатами моделирования являются графики зависимостей токов в обмотках и напряжений на обмотках электромеханического преобразователя от времени. Разработан и изготовлен экспериментальный образец вентильно-индукторного вибропривода с микропроцессорным управлением, исследования которого подтвердили адекватность моделей.
Бесплатно
Моделирование влияния защитного устройства на интенсивность ЧР в изоляции кабеля
Статья научная
Статья посвящена исследованию влияния нелинейного защитного устройства на основе металлооксидных варисторов на характеристики частичного разряда (ЧР) в дефекте изоляции. В статье представлен комплексный подход, включающий математическое моделирование и анализ процессов, связанных с ЧР, что позволяет оценить эффективность применения ЗУ для защиты изоляции от негативного воздействия импульсных перенапряжений. Исследование проведено на основе математической модели, которая реализует классический механизм частичного разряда в одиночном дефекте. Защитное устройство, включенное параллельно исследуемой модели, ограничивает перенапряжение, которое моделировалось при помощи высокочастотного затухающего импульса. Моделирование производилось в мультифизической постановке задачи расчета модели методом конечных элементов, реализующей связь плотности токов и джоулева нагрева воздуха в дефекте. В математической модели получены зависимости температуры в дефекте от времени, кривые нагрева и охлаждения среды дефекта, мощности ЧР при различных значениях диаметра дефекта и кратности импульсного перенапряжения. Произведена оценка влияния ЗУ на мощность ЧР, определена степень снижения мощности ЧР. Показана возможность применения ЗУ для уменьшения негативного воздействия ЧР на изоляцию.
Бесплатно
Статья научная
На основе экспериментальных данных по газификации кислорода на установке СГУ-7КМ-У выполнена идентификация дифференциальной параметрической модели теплообмена в газификаторах закрытого типа. По результатам опорных опытов идентифицированы внешние параметры - мощность нагревателя, теплоемкость испарителя и производительность насоса. Внутренние параметры модели - числовые множители при коэффициентах теплоотдачи в кислороде, теплоносителе и окружающей среде - идентифицированы методом пассивной стратегии. Разработаны методики оптимизации работы газификатора по достижению заданного диапазона выходной температуры в стационарном и нестационарном режимах работы. Методики апробированы на примере газификационной установки СГУ-7КМ-У.
Бесплатно
Моделирование кислородного сжигания природного газа в жаротрубных котлах
Статья научная
В целях реализации международных климатических соглашений на наднациональном и национальном уровнях используются различные меры, стимулирующие в числе прочего технологический переход энергетики от генерации на основе углеводородного сырья и других видов топлива к безуглеродным энергоресурсам и энергоресурсам с низким уровнем выбросов парниковых газов. В данной работе рассмотрены результаты математического моделирования сжигания природного газа для жаротрубного котла в воздухе и в смеси воздуха с рециркулируемым потоком углекислого газа, обогащенного кислородом. Исследование кислородного сжигания природного газа производилось при замещении воздуха чистым кислородом в диапазоне от 0 до 100 % потребности в нем. Часть вырабатываемого углекислого газа предлагается направлять на рециркуляцию в топку, а вторую часть - на технологические нужды для закачки в пласт, дальнейшего сжижения и реализации или хранения. Исследована зависимость КПД оборудования, температуры уходящих газов, объема выбросов СО2, NOx, Н2О от объемной доли кислорода в топливо-воздушной смеси. Сделаны выводы о наиболее эффективных режимах работы оборудования, исходя из экологических и энергетических критериев. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности продолжения работ в этой области для снижения выбросов парниковых газов в окружающую среду.
Бесплатно
Статья научная
При расчете и разработке накопителей на базе многоэлементной литий-ионной батареи, а также системы контроля и управления его параметрами необходимо оценить поведение одиночного аккумулятора в процессе разряда, заряда и в экстремальных условиях при критических значениях основных параметров. Разработка полномасштабной и достоверной модели, а также экспериментальное подтверждение выбранной модели является актуальной инженерной задачей. При этом модель должна отличаться простотой реализации и относительно небольшим объемом и приемлемой скоростью вычислительных операций. Для моделирования многоэлементной аккумуляторной батареи из ячеек с известными и схожими характеристиками, а также для проектировки и разработки систем по контролю и управлению многоэлементной батареей эмпирическая модель на основе эквивалентной схемы обладает достаточной простотой реализации, а также достаточной точностью оценки параметров аккумуляторной батареи. Эквивалентная схема была составлена при помощи языка и блоков Simscape в среде MATLAB. Каждый элемент схемы представляет собой набор экспериментально полученных значений основных параметров литий-ионного аккумулятора. Также в работе рассмотрена модель литий-ионного аккумулятора из библиотеки Simulink MATLAB. На основе результатов сравнения экспериментальных и смоделированных данных даны рекомендации в выборе модели при разработке системы контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи.
Бесплатно
Статья научная
Внедрение регулируемых устройств компенсации реактивной мощности в распределительных электрических сетях железных дорог открывает новые возможности для повышения эффективности их работы за счет методов группового управления напряжением на основе агентного подхода. Мультиагентное управление напряжением позволяет получить новые результаты, связанные с возможностью самоорганизации агентов - активных элементов электрической сети, что приводит к повышению надежности электроснабжения и качества электроэнергии. Моделирование рассматриваемых мультиагентных систем управления на классических моделях системной динамики вызывает трудности из-за сложного взаимодействия агентов в виду их индивидуальных целей полезности, наличия логических операций и событийного характера процессов. Разработаны диаграммы состояний агентов для моделирования мультиагентного управления напряжением с помощью источников реактивной мощности в распределительных электрических сетях железных дорог в среде AnyLogic. Выполнено моделирование управления напряжением в тестовой электрической сети при изменении параметров режима. Полученные результаты моделирования свидетельствуют об обоснованности подходов к стабилизации напряжения методами мультиагентного управления и возможности их практической реализации на базе современного оборудования.
Бесплатно
Статья научная
Проведено математическое моделирование работы автономной системы, включающей ветровую турбину, асинхронный генератор, синхронный компенсатор, дизельный двигатель в качестве резервного источника и переменную регулирующую нагрузку. Использована нестандартная модель для задания скорости ветра, включающая случайные колебания, порывы и затишья. По результатам моделирования при номинальной мощности системы 275 кВт и линейном напряжении 380 В колебания частоты при регулировании не превышают 1 Гц, колебания напряжения менее 15 В.
Бесплатно
Моделирование полупроводниковых преобразователей энергии для питания электромагнитного сепаратора
Статья научная
Рассматриваются электромагнитные сепараторы, разработанные в Курганской ГСХА, предназначенные для очистки пластичных жидких материалов от металломагнитных частиц. Приведена методика расчета параметров катушек устройства, а также методика моделирования выпрямителя и осциллограммы переменных. Для моделирования выпрямителя совместно с нагрузкой определены параметры нагрузки (активное сопротивление и индуктивность). Сопротивление катушек определено путем непосредственного измерения параметров катушки. Для определения индуктивности был выполнен расчет катушки в программе Elcut. Моделирование выпрямителя в программе Simulink позволило определить требуемые параметры источника питания и его составляющих: номинальная мощность: 0,140 кВт; номинальный ток: 0,2 А; номинальный ток диодов: 5 А; обратное напряжение диодов: 500 В; сечение соединительных проводов: 0,4 мм. С использованием результатов моделирования изготовлен лабораторный экземпляр электромагнитного сепаратора.
Бесплатно
