Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Все статьи: 738
Modeling of doubly fed induction generator for vertical axis wind turbine
Статья научная
Global energy demand forms the challenge of selecting a proper power source. The choice is either to continue using traditional fossil fuels, projected to expire in 50-70 years, or to speed up the development of renewables, which could be used considerably longer. Today the advanced choice is the second option. Hence, the new methods and approaches have to be developed, diversified, and/or improved. The paper presents a new MATLAB Simulink simulation model used to estimate the integrated power generated by Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). The material presents a step by step description of the model development. The value of generated power fluctuations is accounted for and verified in accordance with the grid capacity available at the moment. The parameters under analysis are as follows: Efficiency, Cost, and System Response Time. The benefits are comprehensively analyzed against disadvantages. A special advantage is considered as a combination of two systems, getting high performance and power stability.
Бесплатно
Статья научная
The paper presents certain development results for the novel extremum seeking controller based on Nesterov’s gradient flows for solar tracking systems. It achieves convergence to an arbitrarily small neighborhood of the set of the cost function optimizers. Our results evident ate that for arbitrarily large compact sets of initial conditions, and arbitrarily small neighborhoods of the optimizer, the controller can be tuned to guarantee convergence taking into account the influence of the Hessian, as well as with tuning parameters that have a fairly clear physical meaning. The influence of the Hessian as a vector field, which is a reflection of the distortion of transient processes in the system, and taking it into account is an urgent task, since it allows for a more flexible impact on the speed of transient processes, and by endowing the system with some damping and smoothing, also for its improved quality.
Бесплатно
Nondestructive testing method based on the spin polarization effect template
Статья научная
This paper proposes a novel nondestructive testing method for electrically conductive objects. It is based on applying a fundamentally new physical effect which has not been used before in nondestructive testing systems. The method utilizes spin polarization phenomena that occur when free electrons of conductive materials are exposed to an alternating electric field. Researchers experimented with wire and cable conductors. A tested cable was moving longitudinally and exposed to an alternating electric field, which excited a waveform process, i.e. the polarization of spin magnetic moments of free electrons. An induction sensor registered this process and generated a control signal: induction EMF. Its parameters were compared against that of a reference signal obtained in advance in the same way utilizing spin polarization phenomena. Parametric deviations were then used to detect and classify conductor defects. The paper describes how to generate a reference signal appropriate for the objectives of testing. The developed method enables nondestructive testing of objects made of any conductive para- and diamagnetic materials, while it accuracy and reliability are not affected by the magnitude or evenness of the object movement speed, nor by vibrations or transverse oscillations against the physical field source or the induction sensor.
Бесплатно
Optimization of new types of electromechanical converters for mechanisms with fan-type loads
Статья научная
The article considers the main requirements for pumping stations, in particular, for methods of regulating the water supply at the first lift pump unit. A description of the pumping unit and equipment is provided. The article provides a comparison of the types of the main drive units of pumping stations. It also provides a rationale for the choice of electric drive system between classical asynchronous and synchronous electric drives, as well as a system with a field regulated reluctance machine (FRRM) with a comparison of energy indicators. A description and substantiation of the control system work are also given. The articles provide the technical characteristics of the motor parameters and the daily flow rate of the station fluid. The optimal method for regulating the power supply system was chosen based on research. A mathematical model of the device which implements the chosen control method is presented. The results of mathematical modeling are presented in the graphs. A graph of the transient process is given in the case of changing speeds depending on the required fluid supply. Conclusions about the efficiency of the system are drawn and further action plans are outlined.
Бесплатно
Статья научная
The article suggests theoretical justification for the development of power efficient electric drives for the crude hydrocarbons transport process units based on intelligent control and monitoring systems. The strategies of electric drives multifactorial optimization are reviewed under the conditions of stochastic technological and natural disturbances. The resulting invariant systems and regression control algorithms for the variable-frequency drives of technologically interrelated units are presented. The neuro-fuzzy technical state prediction principles for the development of the in-built electromechanical systems control systems are suggested.
Бесплатно
Single-channel system of automatic control of the mode of burning in the boiler furnace
Статья научная
It is shown that multiple-bumer boilers of type «ПТВМ» are the most difficult installations for construction of automatic control systems of a regime of burning (ACS-BURNING). The basic arrangements providing burning of gas in a boiler furnace are observed. Distinctive features are possibility of regulating of a regime of burning quantity and a combination of simultaneously powered burners and absence of possibility of regulating of quantity of air and gas. Thus, as a rule, regulating is carried out manually by change of pressure of gas before burners according to a regime map which is made by an experimentally-settlement way. The estimation of possibilities of automatic control of quality of burning is given. Construction an ACS-BURNING on a regime map with compensation use under the oxygen contents in leaving gases is proved. The ACS-BURNING and principles of feed control of gas are observed the block diagramme developed double-circuit single-channel. It is shown that self-operated control of the contents of oxygen in smoke gases is inexpedient. The system definition of pressure control of gas with an internal loop of regulating of an angle of opening of the valve is given. The expediency of restrictions of pressure control of gas and compensation on oxygen, and also an interdiction for compensation are proved at an obvious deflection from a normal regime. Experimental dependences of a gas rate and multiple-bumer boiler efficiency are presented at pressure deflections. The estimation of potential economy of gas is given. Transition from regulating on a regime map to automatic control with use of the electric drive of blow fans is recommended.
Бесплатно
Smart lungmotor: активный клапан выдоха
Статья научная
Активный клапан выдоха - конструктивный элемент аппарата искусственной вентиляции легких, который предназначен для поддержания целевого давления в дыхательных путях и в то же время для обеспечения возможности контроля над спонтанными дыханиями пациента во время инспираторной фазы вентиляции с контролем по давлению. Конструкция привода активного клапана выдоха представляет собой линейный двигатель постоянного тока со встроенным в его корпус постоянным магнитом и датчиком Холла. Для выбора оптимальных размеров конструктивных элементов двигателя в рамках достижения необходимого технического результата требуется решение задачи оптимизации, перед проведением которой, однако, следует оценить влияние отдельных элементов конструкции двигателя на эффективность использования машины и быстродействие, что позволит определить зависимые и независимые переменные (размеры элементов конструкции) для последующей постановки и решения задачи оптимального проектирования. Методом расчета полевой задачи в программном пакете Maxwell проводится анализ влияния таких параметров (размеров элементов конструкции) как: диаметр и высота магнита, толщина и высота обмотки. Для сравнения результатов рассчитывается коэффициент использования машины и быстродействие. Среди элементов конструкции линейного двигателя постоянного тока рассматриваемого типа наиболее эффективное влияние, с точки зрения коэффициента использования машины и быстродействия, оказывает увеличение диаметра магнита, в то время как наименьший эффект достигается при увеличении высоты обмотки. Таким образом, в результате предварительной оценки можно утверждать, что в случае выбора быстродействия как критерия качества, оптимальное проектирование будет достигнуто при увеличении параметров магнита до максимально допустимых при минимальном значении высоты обмотки. Следовательно, в соответствии с определенным критерием оптимальности проведенный анализ дает возможность оценить вероятный путь оптимизации.
Бесплатно
Study of thickness control of strip head section using mathematical simulation methods
Статья научная
The authors participated in the modernization of the automatic strip thickness control system of OJSC “Magnitogorsk Iron and Steel Works” 2000 hot rolling mill (OJSC “MMK”). The article offers a brief description of the implemented automatic strip thickness control system developed on the basis of hydraulic screw-down mechanisms. Industrial trials found significant thickness deviation of up to 10% in the strip head section. As a result the length of strip head section with thickness deviation can achieve 40-50 m after the last finishing rolling stand of the mill. The authors offer a new way of strip head thickness control by means of roll gap increase before the strip grip and its further decrease to the required gauge by hydraulic screwdown adjustment during rolling. They also studied the algorithm of roll gap control and factors influencing its adjustment. The research group developed mathematical model of the electromechanical system “stand electric drive - hydraulic screwdown mechanism” taking into account the interrelation of their drives through the rolled metal. The mathematical model of the stand electric drive is developed in the system of two-region speed control. The hydraulic screwdown mechanism can be described by linearized differential equations of fluid flow rate, servo valve for small coordinate increment and forces relationship in the rolling stand. The model consists of a system of differential equations describing the rolled strip as a control object and mathematical description of automatic screwdown mechanism control. The validity of the developed mathematical model was also proved. The authors studied dynamic modes for various parameters of roll gap control and determined the optimum control parameters providing the minimum thickness deviation of the strip head section. The results of the first strips rolling proved that the developed method is quite effective and can be recommended for advanced automatic strip thickness control.
Бесплатно
The electric drive with field regulated reluctance machine
Статья научная
The electric drive with the synchronous electrical machine of independent excitation differs by high specific parameters, adaptability to manufacture, simplicity of a design, and reliability. These properties of the electric drive allow using it in heavy conditions of operation. The electric motor for this electric drive can be executed with two separate stator windings. Therefore, there are additional benefits connected to an opportunity of change of geometry of an iron stator stamp of the given type motor. In this report, the principle of operation of the electric drive with control system is considered. The different variants of a stator design of the electrical machine are discussed. The stator design allows improve of the mass and weight parameters of the electric machine. For the offered stator designs, the comparison of specific parameters (relationship of the nominal torque to load current) is carried out. The received results of analysis are discussed. For calculation of the losses first of all it is necessary to determine the factors, which influence on their value, and then, to estimate a degree of influence of each of them on value of switching losses. As such factors are taken: the form of the stator core, the form of a current in phase windings, and the number of stator winding phases. The calculation of losses is executed by the method of winding functions. The experimental data are received on a breadboard model of the 20 kW drive.
Бесплатно
The systemically structured adaptation of a heat transfer in boilers
Статья научная
The article provides a model of heat exchanging processes and burning in the boiler aggregates generated with methods of systems analysis and adapted for the five-step scheme of processes. Conditions of division of all factors and parameters into input, output and control ones for each stage are formulated; communications and boundaries between local systems are defined. The solved task is a stage at mode and design optimization of boiler aggregates under stationary conditions, generally, at average industrial thermal power plants, but it may be applied to boiler aggregates of other types and parameters.
Бесплатно
Статья научная
The paper considers several logical variables transmission describing regular and emergency modes of operations of the inspected control object by means of a single-channel communication line. The method is based on multizone frequency-width-pulse modulation. The block diagram of receiving and transmitting channels and example of modulation zones allocation algorithm between logical variables are given. The authors present the block diagram, time diagrams of signals and main equations for static and dynamic modes of the multizone frequency-pulse-width scanning converter with zero conjugation of modulation zones. The paper gives the results of analysis of the correlation between the number of relay elements and the number of modulation zones for the basic structure of the multizone integrating scanning converter. The block diagram of single-wire transmission system of the logic data about control object condition is considered. The principle of single-wire logic messages transfer is discussed. Algorithm of the modulation zones distribution on a code condition of the inspected control object is shown. The paper may be of interest for specialists in the field of power and information electronics, of the electric drive and automation of technological processes.
Бесплатно
Vector-pulse control principle of AC motors
Статья научная
Vector-pulse control principle of AC electric drives was considered. The way to realize this method of regulation was proposed. One way of start electric drive is eliminate the negative half the time, for which the motor must be disconnected from the network at some point in time. Detection of the interlinkage vector of rotor is required only at those times when the stator is disconnected from the supply voltage since implementing vector-pulse control. In this case, position the interlinkage vector of rotor and the interlinkage vector of stator matches. The factors to influence interlinkage vector of stator and rotor were analyzed. The influence of generalized vector voltage and current on the angle interlinkage vector of stator was proposed. At the end of the article was proposed the advantages of vector pulse-start method in comparison with other methods of starting motors.
Бесплатно
Статья научная
Одним из признаков развития дефектов в электрическом оборудовании является локальный нагрев, для выявления которого может использоваться тепловизионный контроль. Его результатом являются тепловые снимки работающего электрооборудования - термограммы, которые анализируются с помощью визуальной оценки. Однако для исключения человеческого фактора при обработке большого количества термограмм, например снятых с беспилотных летательных аппаратов, требуется разработка автоматизированной системы распознавания дефектов. В работе приведены результаты исследования по выявлению дефектов оборудования электрических сетей с помощью искусственных сверточных нейронных сетей (СНС). Предлагается использовать механизм передачи обучения, архитектуру SqueezeNet для разделения термограмм на два класса: с дефектом и без дефекта. Для оценки эффективности классификации выбраны метрики: чувствительность, специфичность, сбалансированная точность, коэффициент корреляции Мэтьюса, F-мера. Результаты тестирования обученной СНС на контрольной выборке термограмм, не использовавшихся в процессе обучения, позволяют сделать вывод об эффективности СНС в задачах распознавания дефектов оборудования электрических сетей и перспективности дальнейших исследований по повышению скорости и качества классификации термограмм.
Бесплатно
Автоматизация режимов работы механизмов подъема кранов с синхронными электроприводами
Статья научная
При использовании дроссельного регулируемого асинхронного электропривода для крановых подъемных механизмов возникают сложности при спуске легких грузов. Разработана система автоматического выбора и реализации силового или тормозного режимов спуска грузов с учетом изменения момента трения при трогании механизма и при изменении его скорости.
Бесплатно
Автоматизированная мини-ГЭС как основа системы электроснабжения горных районов Таджикистана
Статья научная
Представлен краткий анализ существующих малых ГЭС Республики Таджикистан. В результате анализа проблем, усложняющих эксплуатацию мини-ГЭС, отмечены элементы, не позволяющие их использовать в автономном режиме и снижающие надёжность работы. Предлагается для обеспечения надёжной работы мини-ГЭС и возможности эксплуатации в необслуживаемом режиме строить её на основе конструктивно простых и надёжных устройств. При этом появляется возможность отказаться от непрерывного наблюдения за работой мини-ГЭС обслуживающим персоналом и обойтись периодическими регламентными проверками. В качестве турбины предлагается использовать центробежный насос, не нуждающийся в дополнительных операциях управления рабочими режимами, а в качестве генератора - синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, не требующую наличия канала организации и регулирования потока возбуждения. Качество вырабатываемой энергии предлагается обеспечить с помощью полупроводникового преобразователя напряжения, который должен осуществлять стабилизацию с заданной точностью частот и амплитуд входного напряжения мини-ГЭС. В состав мини-ГЭС предлагается ввести устройства для самодиагностики, осуществляющие контроль не только качества входного напряжения, но и состояние основных элементов мини-ГЭС - турбин, преобразователя напряжений, коммутационной аппаратуры и устройства связи с центральным диспетчерским пунктом. В статье показаны также проблемы, возникающие при реализации предлагаемой структуры, касающиеся в основном обеспечения симметрирования входного напряжения при существенно несимметричной нагрузке, а также повышения достоверности и надёжности устройств диагностики состояния отдельных элементов мини-ГЭС и пути их решения.
Бесплатно
Автоматизированный комплекс для исследования петель магнитного гистерезиса
Статья научная
Исследована возможность автоматизации получения статической петли гистерезиса на экране осциллографа.
Бесплатно
Автоматизированный контроль и анализ теплового режима здания химического факультета ЮУрГУ
Статья научная
Описывается разработанная система контроля теплового режима здания химического факультета ЮУрГУ. Анализируются особенности процесса теплоснабжения и качество регулирования температурного режима. Предлагается способ адаптации графика погодного регулирования к реальным характеристикам здания и его системы отопления.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена разработке алгоритма автоматизированного расчета составляющих тока короткого замыкания и выбора и проверки выключателей высокого напряжения. Алгоритмы расчета составляющих тока короткого замыкания и проверки выключателей основаны на действующих руководящих указаниях. При разработке алгоритма проверки высоковольтных выключателей учтено затухание апериодической составляющей тока короткого замыкания. Для этого методом наименьших квадратов определены коэффициенты регрессионного уравнения, описывающего зависимость нормированной асимметрии отключаемого тока от времени расхождения контактов выключателя. Также в статье показано, что данное регрессионное уравнение оценивает нормированную асимметрию с погрешностью, не превышающей 5 %. Авторами разработан алгоритм, позволяющий на основе данных о величине периодической составляющей тока короткого замыкания на шинах подстанции, классе напряжения ее распределительных устройств и мощности силовых трансформаторов осуществить выбор и проверку выключателей и отличающийся возможностью экспорта номинальных параметров электрооборудования из встроенной в САПР базы данных. Данный алгоритм реализован в САПР понизительных подстанций, позволяющей автоматизировать выполнение проекта электрической части понизительных подстанций и на основе технического задания получить комплект проектной документации с технико-экономическим обоснованием принятых решений.
Бесплатно
Автономный однофазный инвертор с высоким качеством выходного напряжения
Статья научная
Представлено решение актуальной проблемы повышения качества выходного сигнала автономных инверторов напряжения. В отличие от традиционно используемой для этой цели широтно-импульсной модуляции (ШИМ), предложена топология, содержащая мостовой однофазный инвертор и коммутатор источников постоянного тока на входе, позволяющий формировать на нагрузке восьмиступенчатое напряжение с суммарным коэффициентом гармоник 6,9 %, что удовлетворяет требованиям современного стандарта на качество электроэнергии. Новизна технического решения подтверждена патентом на полезную модель. Оптимизация кривой многоступенчатого, аппроксимирующего синусоиду сигнала по критерию минимума коэффициента гармоник проводилась с помощью эволюционного моделирования (генетического алгоритма). Исследование электромагнитных процессов осуществлялось методом имитационного моделирования. Полученные результаты подтвердили неизменность коэффициента гармоник выходного напряжения инвертора во всем диапазоне изменения коэффициента мощности нагрузки 0≤ cosφ ≤1 и устойчивость системы при мгновенном увеличении и уменьшении нагрузки. Значимость предложенного и исследованного схемного решения определяется преимуществами ступенчатой модуляции по сравнению с широтно-импульсной: - низкие динамические потери в ключевых элементах, позволяющие использовать инвертор в широком диапазоне частот; - независимость коэффициента гармоник от частоты и характера нагрузки; - уменьшение массогабаритных показателей, вследствие отсутствия необходимости установки фильтра на выходе инвертора, поскольку гарантируемое качество электроэнергии соответствует требованиям стандарта; - отсутствие по сравнению с методом широтно-импульсной модуляции негативного влияния на характеристики потребителей и сроки их эксплуатации, если не используются фильтры высших гармоник. Область применения рассмотренной схемы инвертора включает радиоэлектронную технику, аппаратуру связи, электропривод. Наибольшие преимущества предложенного схемотехнического решения проявляются при включении инвертора в систему локального электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии (солнечные панели, аккумуляторы), поскольку в этом случае исключается установка гальванически изолированных выпрямителей в качестве источников постоянного тока на входе АИН.
Бесплатно
Адаптация дифференциального уравнения энергии к условиям топочных процессов в котельных агрегатах
Статья научная
Предложена форма дифференциального уравнения энергии для потока среды в топке котельного агрегата с учетом значимых для данного случая механизмов переноса теплоты: конвекции, излучения, теплопроводности и объемных тепловыделений. Коэффициенты переноса теплоты в уравнении энергии адаптированы к реальным условиям процесса; раскрыт их физический смысл и пределы варьирования, определены числа подобия и интервалы их влияния на пространственное температурное поле топки, режимы течения и теплообмен топочной среды. Показано, что при наблюдаемых на практике значениях оптической плотности среды в топках 2,8-3,6 в математическом описании вектора плотности потока излучения возможен переход от сферической зависимости к градиентной форме. Также градиентная форма описания рекомендована для конвективно-кондуктивного механизма образования температурных молей в топке. Определены участки перехода к турбулентному режиму в пристенном пограничном слое, масштаб турбулентных полей при этом достигает 0,3 м. Уточнено влияние температуры потока среды на ее теплофизические свойства.
Бесплатно
