Электротехнические комплексы и системы. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Параметрическая оптимизация синхронных реактивных электрических машин
Статья научная
Для обеспечения быстродействия в работе электромеханических преобразователей на сегодняшний день предпринято различное множество решений как аппаратных, так и технических. Так, для решения эффективной работы стана холодной прокатки ХТП-450 принято решение использовать СРМНВ с зубчатым ротором. Цель данной статьи - рассмотреть альтернативу представленному ротору в качестве неявнополюсного ротора типа TLA. Для сравнения и выявления оптимальной геометрии в статье представлены несколько решений ротора, проведены необходимые исследования в статическом режиме при различной плотности тока: 4 и 6 А/мм2. Результатом исследований представлена таблица со значениями моментов для каждого исполнения, дана оценка и соответствующие рекомендации по применению.
Бесплатно
Статья научная
В сложившихся условиях роста интенсивности и объемов движения тяжеловесных поездов по сети железных дорог РФ участившиеся случаи неправильного действия защит фидеров контактной сети в нормальном режиме приводят к нарушению графика движения поездов и, как следствие, к значительному материальному ущербу. Статья посвящена задаче оптимизации алгоритма работы дистанционной защиты фидеров контактной сети системы тягового электроснабжения 25 кВ, 50 Гц переменного тока, исключающего неправильную работу защиты в различных режимах. На основании натурных осциллограмм токов и напряжений фидеров контактной сети для нормальных и аварийных режимов выполнен анализ их гармонического состава, что позволило выявить новый отличительный признак режима короткого замыкания в контактной сети. Приведены графические зависимости изменения гармонических составляющих тока контактной сети за время переходных процессов в нормальных и аварийных режимах. Предложены новый алгоритм работы и новая функциональная схема устройства дистанционной защиты фидеров контактной сети, позволяющие исключить излишнее срабатывание дистанционной защиты фидеров контактной сети с учетом наличия повышенных токовых нагрузок.
Бесплатно
Статья научная
Роль электрического двигателя в промышленности однозначно высока. Однако, говоря о сложных механизмах, использование электромеханических преобразователей конкретной серии нецелесообразно ввиду малой энергоэффективности. В технической литературе электроприводчиками применялся термин «именные» электрические машины, т. е. машины, изготовленные для конкретного технологического механизма, например, именной двигатель главного привода стана 5000 ММК (установленная мощность одного двигателя составляет 12 МВт). Самым распространенным типом является асинхронный ввиду явных преимуществ. Развитие полупроводниковой техники позволяет расширить рамки регулирования и управление АД, что, в свою очередь, меняет вектор в производстве электрических машин. Главная идея - создание максимально энергоэффективного электродвигателя путем изменения геометрии статора и ротора, формы напряжения, количества фаз, числа полюсов и т. д. Таким образом, для осуществления имеющейся идеи необходимо произвести исследования области формирования магнитного поля путем использования параметрической оптимизации и достижения максимального среднеквадратичного момента.
Бесплатно
Применение дифференциального электропривода в автомобильной промышленности
Статья научная
Для повышения безопасности движения электромобиля на трассе необходимо обеспечить высокий темп разгона при движении на высокой скорости для возможности осуществления маневра обгона. Для этого предлагается реализовать электропривод на базе двух двигателей. В статье рассматривается вопрос устойчивости работы системы с двухканальным регулированием скорости автономных электротранспортных средств, где один канал является «высокомоментным» приводом, в котором двигатель подключен через редуктор с понижающим коэффициентом передачи, а второй канал - «высокоскоростным», в котором аналогичный по габаритам двигатель подключен напрямую. Суммирование мощности двух каналов осуществляется путем применения дифференциального редуктора. В статье показано, что добиться устойчивой работы возможно путем фиксации задания скорости по одному каналу и регулированию по другому каналу, представлены алгоритмы управления. Определены оптимальные значения передаточного числа редуктора «высокомоментного» канала и коэффициента включения (доли в переходном процессе) высокомоментного канала, при которых наблюдается минимум времени переходного процесса. Проведены расчеты для легкового автомобиля и грузового автомобиля массой до 7,5 т. Данное решение позволяет повысить динамику движения автомобиля, расширить диапазон регулирования по скорости и моменту, а также повысить энергоэффективность электроустановки в целом, так как каждый из двигателей в предложенной схеме большую часть времени работает в режиме, близком к номинальному.
Бесплатно
Статья научная
В исследованиях и практическом применении всенаправленных систем зрения традиционные эксперименты часто сталкиваются с такими проблемами, как сложная конфигурация оборудования, трудоёмкие процедуры калибровки и недостаточная адаптивность к различным условиям окружающей среды. Для повышения практической применимости системы и точности измерений в данной работе предлагается метод реконструкции данных и определения расстояния, основанный на интеграции бинокулярного всенаправленного зрения со структурированным светом. Предлагаемый подход использует два всенаправленных изображения для высокоточной реконструкции контуров сложных препятствий, а также для точного определения положения цели и оценки расстояния до неё. Система обладает простой архитектурой, допускает гибкую настройку параметров установки камер для различных сценариев применения и одновременно снижает зависимость от строгой физической калибровки. Экспериментальные результаты показывают, что по сравнению с монокулярной всенаправленной системой зрения предложенный метод демонстрирует существенные преимущества как в точности реконструкции, так и в корректности измерения расстояний, сохраняя при этом высокую надежность при различных конфигурациях размещения камер. Дополнительные эксперименты в реальных условиях подтвердили эффективность данного подхода в практических сценариях, что свидетельствует о его значительном потенциале для применения в области всенаправленного визуального восприятия.
Бесплатно
Статья научная
Современное промышленное производство ориентировано на повышение эффективности технологических процессов, что предполагает внедрение автоматизированных решений на всех этапах производства. Одной из ключевых задач является автоматизация упаковки продукции, поскольку именно эта стадия определяет сохранность, презентабельность и логистическую готовность товара. Автоматизированные линии пакетирования продукции позволяют существенно снизить затраты на трудовые ресурсы, повысить точность операций и минимизировать влияние человеческого фактора на качество конечного продукта. Проведен анализ существующих складских автоматизированных систем. Классифицированы линии пакетировании металлопроката и металлургических продуктов. Отмечено, что внедрение автоматизированных систем в процессе пакетирования позволит уменьшить простои временных интервалов, исключить трудные и опасные производственные операции, выполняемые человеком и повысить производительность и надежность всей системы. Разработан алгоритм выполнения операций линии пакетирования, который проверен в программном комплексе «FactoryIO». Проведен выбор необходимых технических средств автоматизации. Разработано программное обеспечение для HMI-панели с целью визуализации управления технологическим процессом пакетирования. Разработанный комплекс технических средств, включая алгоритм, прошли монтаж и пуско-наладочные работы на одном из производственных объектов и были внедрены на производство.
Бесплатно
Статья научная
Асинхронные дисковые двигатели с порошковыми магнитопроводами (SMC-композиты) характеризуются сниженным уровнем вихревых токов, возможностью изготовления сложных 3D-геометрий магнитопровода и уменьшением массы сердечника. В настоящей работе проведён сравнительный анализ широкодоступных порошковых материалов (металлической окалины, стружки, мелкодисперсного железного порошка ~ 200 мкм и их смесей) для магнитопровода дискового асинхронного двигателя. Экспериментальная установка включала трёхфазный инвертор с LC-фильтром и тестовые катушки со сменными порошковыми сердечниками. Измерялись индуктивность L и активное сопротивление R катушек при частотах 50, 200, 400, 800 Гц. Установлено, что при росте частоты индуктивность всех образцов незначительно уменьшается, а активное сопротивление возрастает (что свидетельствует об увеличении потерь на вихревые токи). Полученные результаты подтверждают, что мелкодисперсные порошковые материалы с высокой удельной магнитной проницаемостью и сопротивлением наиболее перспективны для дисковых двигателей. Практическая значимость работы заключается в возможности повышения КПД и плотности мощности двигателей за счёт снижения потерь в сердечнике и веса магнитопровода.
Бесплатно
Статья научная
Переход роботизированных манипуляторов к облегчённым конструкциям и удлинённым звеньям усиливает влияние упругости на динамический отклик и точность траекторного слежения. В традиционных моделях гибкость часто рассматривается как внешнее возмущение, из-за чего параметры конструкции, полученные при конечно-элементном анализе, не используются напрямую в контуре управления. В сокращённой редакции обобщён подход, в котором структурная модель ANSYS согласуется с моделью управления MATLAB/Simulink. Из конечно-элементной модели извлекаются эквивалентные жёсткости, инерционные характеристики, собственные частоты и параметры демпфирования шестизвенного манипулятора; затем эти данные включаются в жёстко-гибкую динамическую модель. Для компенсации остаточной гибкой динамики применяется регрессионное представление и адаптивный PID-регулятор момента с σ-модификацией и зоной нечувствительности. Численное моделирование показывает, что предложенный подход уменьшает колебания и повышает точность слежения как без нагрузки, так и при полезной нагрузке.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлена актуальность исследования такого показателя качества, как несинусоидальность питающего напряжения. Рассмотрен вопрос влияния несинусоидальности напряжения на нагрев асинхронного электродвигателя (АД). Представлено устройство испытательного стенда, предназначенного для исследования влияния несинусоидальности на нагрев АД. Показан принцип работы испытательного стенда и методика проведения экспериментов по определению вклада, вносимого гармониками спектра напряжения в общий нагрев АД. Представлены результаты проведённых опытов, показывающие степень нагрева, вызываемого гармониками напряжения в тепловыделение асинхронного электродвигателя, а также методика обработки экспериментальных данных для нахождения установившихся значений температуры АД и постоянной времени нагрева. Также показаны ограничения исследований, связанные с воздействием АД на значения гармонических составляющих спектра напряжений.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлены результаты моделирования асинхронного двигателя с фазным ротором в стационарном режиме с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics®. Моделирование проводилось при постоянной номинальной скорости вращения ротора с учётом скольжения. Также представлена двухмерная модель двигателя с заданной толщиной вне плоскости, полученная с помощью метода конечных элементов. Полученные результаты соответствуют расчётным и каталожным значениям, что говорит об адекватности модели.
Бесплатно
Статья научная
В рамках данной статьи приведено описание методики выбора оптимальных коэффициентов нелинейного регулятора импеданса в составе системы управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи (ДСП). В качестве объекта исследования была выбрана дуговая сталеплавильная печь шахтного типа ШП-125 (85 МВА) с системой управления электрическим режимом ARCOS и нелинейным ПИ-регулятором импеданса. Детально рассмотрены этапы применения предлагаемой методики на практике для выбранного объекта исследования. Разработана математическая модель системы управления ARCOS с нелинейным ПИ-регулятором импеданса, которая использовалась для оценки текущей настройки системы управления и вывода о необходимости её оптимизации. На основе разработанной методики определены новые значения коэффициентов нелинейного ПИ-регулятора, которые обеспечивают работу контура регулирования импеданса, близкую к техническому оптимуму. Приведены результаты применения усовершенствованных параметров системы управления ARCOS на объекте исследования, рассчитан технический эффект, сделаны научно-обоснованные выводы об эффективности предлагаемых подходов.
Бесплатно
Статья научная
Использование энергоэффективного электропривода затрагивает различные сферы производства. Актуальность этого с каждым годом растет, замена старого оборудования на современное - это вопрос времени и темпа модернизации. Так, в промышленном производстве кораблестроения стоит вопрос о модернизации гребных установок путем использования электропривода с высокими удельными показателями. К данной энергетической установке предъявляются весьма жесткие условия: достаточно высокий коэффициент полезного действия и высокая мощность при сравнительно малых массогабаритных показателях. Таким образом, выбор пал на использование синхронного реактивного двигателя с использованием высокотемпературных сверхпроводников. Для поддержания сверхпроводящего состояния ВТСП элементов необходима криогенная установка. Учитывая режимы работы и эксплуатации грузовых суден и ледоколов, установка должна быть простой, а материал для охлаждения должен быть доступным. В этом случае хорошими качествами обладает жидкий азот (77 К), так как для его создания необходим только доступ к воздуху из окружающей среды. Элементы ВТСП, на которых спроектирован СРД, должны переходить в сверхпроводящее состояние при температуре кипения жидкого азота. Данная конструкция электропривода позволит не только уменьшить массогабариты гребной установки (система ГЭУ «Азипод»), но и сохранить перегрузочную способность, обеспечив надежную работу привода на всем промежутке времени и режимах эксплуатации судна.
Бесплатно
Статья научная
В рамках статьи рассмотрен усовершенствованный алгоритм оптимального управления электрическими режимами установки ковш-печь (УКП) с использованием информации о гармоническом составе токов дуг и применением цифрового двойника. Сформулирована проблема, связанная со сложностью определения уставок регулирования параметра вторичного электрического контура УКП для различных шлаковых режимов и режимов донной продувки. В качестве решения данной проблемы предложено использование цифрового двойника, который позволяет выполнить расчет оптимального сочетания уставок регулирования по трем фазам, которые передаются непосредственно в систему автоматического управления электрическим режимом УКП и используются при дальнейшей работе агрегата. В заключении приведены результаты испытания нового алгоритма на действующем УКП, функционирующем на одном из отечественных металлургических предприятий.
Бесплатно
Статья научная
Целью данного исследования является разработка усовершенствованных алгоритмов управления электрическими режимами установок ковш-печь, предусматривающих автоматическую адаптацию длин электрических дуг к различным условиям аргонной продувки и разной толщине шлака. Рассмотрены вопросы оптимизации несимметричных режимов горения дуг, обеспечивающих максимальное снижение излучений и повышение теплового КПД в фазах, расположенных рядом с зеркалом жидкого металла при донной продувке и работе аварийной фурмы. Приведены результаты экспериментальных исследований поведения поверхности жидкого металла и шлака при различных режимах аргонной продувки, а также различной толщине шлакового слоя. На основе результатов экспериментов предложены новые алгоритмы управления электрическим режимом установки ковш-печь. Данные алгоритмы позволяют производить динамическую адаптацию длин электрических дуг к изменяющимся режимам аргонной продувки, а также шлаковым режимам с использованием информации о гармоническом составе токов дуг. За счёт этого обеспечиваются необходимые условия для улучшения энергетических, временных и технологических показателей установок ковш - печь, поскольку от корректной адаптации электрического режима к изменяющимся условиям плавки напрямую зависит величина теплового КПД электрических дуг, а также КПД технологической установки в целом.
Бесплатно
Расчёт параметров надёжности основных электрических приёмников сталеплавильного комплекса
Статья научная
В статье предложен подход, позволяющий оценивать экономические убытки, вызванные перерывами электроснабжения основных потребителей сталеплавильного комплекса с учётом специфики режимов работы дуговых сталеплавильных печей (ДСП). Расчёт экономических показателей параметров надёжности включает оценку убытков от простоев технологического оборудования и материально-технических ресурсов, необходимых для восстановления работоспособности электрооборудования. Оценка показателей надёжности и состояния электрического оборудования выполнена путём анализа отказов основных элементов системы электроснабжения напряжением 35 кВ сталеплавильного комплекса металлургического предприятия на примере главной понизительной подстанции 220/35 кВ за длительный период – с 2009 по 2023 г. Особое внимание уделено кабельным линиям напряжением 35 кВ. Исследованы схемы с двумя секциями шин и секционным выключателем без устройства автоматического ввода резерва; к шинам подключены две дуговые сталеплавильные печи ёмкостью 180 т каждая с печными трансформаторами мощностью 150 МВА. Основным результатом работы является оценка экономических показателей возможных убытков производства. Разработка предлагаемой модели надёжности позволит эффективно осуществлять технико-экономические расчёты в процессе эксплуатации и проектирования систем электроснабжения предприятий чёрной металлургии.
Бесплатно
Регулировочные характеристики двухвходовой генераторной установки
Статья научная
В статье рассмотрена двухвходовая генераторная установка (ДГУ) для электроснабжения различных объектов. Предметом статьи являются характеристики ДГУ, полученные путём реализации математической модели. ДГУ является электромеханическим преобразователем энергии с несколькими ступенями преобразования. Для математического описания свойств ДГУ в динамических режимах использована модель обобщённого электромеханического преобразователя энергии, позволяющая учитывать все связи в исследуемой ДГУ. Использование теории обобщённого электромеханического преобразователя энергии, которая основана на комбинированном подходе, включающем теорию электрических цепей и теорию поля, позволяет проводить исследование электромеханических преобразователей энергии как в динамических, так и в установившихся режимах. Именно для целей преобразования двух разнородных видов энергии в энергию трёхфазного переменного тока в ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» разработаны двухвходовые генераторные установки (ДГУ), позволяющие в одном электромеханическом преобразователе энергии суммировать энергию двух разнородных возобновляемых источников энергии для выработки электрической энергии. Для исследования параметров и характеристик таких установок создана математическая модель, на основе которой проведён вычислительный эксперимент, что позволило получить представление об исследуемом объекте. Задачей математического моделирования ДГУ являлось получение ее динамических характеристик и на базе этих характеристик - получение регулировочных характеристик ДГУ, таких как зависимости напряжения и частоты выходного напряжения от внешних факторов и параметров ДГУ. К внешним факторам, влияющим на работу ДГУ, относятся: частота вращения ротора ветроагрегата, зависящая от скорости ветра, и напряжение на выходе фотоэлектрического преобразователя, зависящее от интенсивности солнечного излучения.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются проблемы, связанные с повышением качества электроэнергии и обеспечением нормальной работы промышленных систем электроснабжения при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки. Для устранения этих проблем в работе предлагается новый тип управляемого регулятора напряжения взамен известных механических регуляторов напряжения типа РПН и ПБВ. Приводятся результаты исследования качества электроэнергии и эффективности работы систем электро-снабжения при стационарных и динамических процессах. Приводятся интегральные характеристики для систем электроснабжения с известным и новым управляемым регуляторами напряжения. Исследование проводилось в среде MATLAB на модели цехового трансформатора предприятия с существующим и предлагаемым управляе-мым регулятором напряжения мощностью 1000 кВ•А и напряжением 6/0,4 кВ. Полученные результаты числен-ных экспериментов при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки подтверждают, что предлагаемый управляемый регулятор напряжения обладает способностью сохранить высокое значение качества электроэнергии и эффективность работы систем электроснабжения, а также сохранить их нормальный режим работы и продлить срок службы электрооборудования систем электроснабжения.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрена система стабилизации тока (ССТ) для электролиза цветных металлов (ЭЦМ) на основе трехфазного регулятора переменного напряжения (РН) с вольтодобавочным трансформатором (ВДТ) и 12пульсным диодным выпрямителем, отличающаяся от известных технических решений улучшенными показателями электромагнитной совместимости (ЭМС) комплекса с питающей сетью за счет снижения потребления реактивной мощности и улучшения качества питающего напряжения. Регулирование постоянного напряжения (тока) на выходе ССТ осуществляется за счет переключения отпаек в выпрямительном трансформаторе (ВТ) и регулирования переменного напряжения между отпайками с помощью РН на стороне высокого напряжения. В работе предложена система управления РН, позволяющая автоматически переключать отпайки ВТ с возможностью плавного регулирования переменного напряжения в синфазном и противофазном режимах между отпайками, что позволяет уменьшить мощность РН в два раза и, как следствие, его стоимость. Предложенная система также компенсирует высшие гармоники напряжения на выходе РН, вызванные нелинейным входным током 12пульсного диодного выпрямителя, что способствует улучшению качества питающего напряжения. Эффективность системы стабилизации тока на основе РН с ВДТ подтверждена при помощи компьютерного моделирования в среде MATLAB + Simulink при сравнении результатов с широко применяемой в промышленности ССТ, в которой регулирование постоянного напряжения осуществляется за счет фазового управления тиристорами или дросселями насыщения совместно с переключением отпаек ВТ на первичной стороне. Приведены экспериментальные зависимости tgφ, коэффициента мощности и гармонических искажений сетевого тока и напряжения в зависимости от глубины регулирования 12пульсного выпрямителя в пределах первой зоны переключения без снятия возбуждения (ПБВ1) в ВТ. Полученные результаты показали, что в номинальном режиме работы ССТ на основе РН с ВДТ по сравнению с ССТ с фазовым способом управления тиристоров или дросселей насыщения максимальное потребление реактивной мощности снижается с 0,422 до 0,267 (по среднему значению в пределах одной отпайки с 0,348 до 0,267), а коэффициент искажения напряжения сети уменьшается с 8,8 до 6,2 % (по среднему значению в пределах одной отпайки с 7,7 до 6,2 %) при заданном соотношении мощности короткого замыкания сети. Это позволит на предприятиях электролиза цветных металлов избежать штрафов за оплату реактивной мощности сверхдопустимых значений или дополнительных капитальных вложений на покупку дорогостоящего оборудования для компенсации реактивной мощности, а также улучшить ЭМС комплекса и его эксплуатационную надежность.
Бесплатно
Система электропривода стана прокатки труб ПАО «ЧТПЗ»
Статья научная
Актуальностью представленной работы является увеличение быстродействия в работе стана холодной прокатки труб для возможного увеличения технико-экономических показателей. В качестве опытной установки принято решение взять стан ХПТ-450 (ПАО «Челябинский трубопрокатный завод»), быстродействие которого было увеличено до 30 % путем внедрения энергоэффектвного оборудования. Проведенный анализ цикловой автоматики показал, что время работы электропривода составляет около 30 %, что позволяет дать оценку технико-экономическим показателям. Ввиду этого было принято решение исключить из механической силовой цепи угловой редуктор, что в свою очередь упрощает механическую часть системы. Однако уменьшение передаточного числа редуктора приводит к увеличению динамической нагрузки на вал электродвигателя. Проведен анализ работы технологического процесса с помощью методики синтеза силовой части электропривода. Метод включает в себя несколько этапом анализа: определение траектории движения, параметров электрооборудования, выбор структуры, а также параметров корректирующих связей. Данный метод позволяет дать полную оценку работе электропривода. В результате определены корректирующие данные контуров управления скорости, положения и момента. В заключение был проведен технико-экономический анализ от внедрения представленной методики. Результаты показали положительный эффект не только в увеличении быстродействия работы на 80 %, но и в росте экономического эффекта в позитивном направлении.
Бесплатно
Снижение пульсаций напряжения звена постоянного тока твердотельного трансформатора
Статья научная
На этапе развития технологий твердотельного трансформатора (ТТТ) разработчики сталкиваются с дополнительными проблемами поддержания высоких показателей качества электроэнергии. При применении входного мостового однофазного выпрямителя мгновенная мощность однофазной сети колеблется с удвоенной частотой, тогда как на выходе ТТТ требуется постоянная мощность. Для снижения массы и габаритов авторами предложено изменить архитектуру ТТТ и заменить входные конденсаторы высокой емкости на активный фильтр. В работе произведен синтез полумостового активного фильтра пульсаций вставки постоянного тока ТТТ, включающего в себя вспомогательную индуктивность и емкость, предназначенную для накопления энергии. Разработан алгоритм работы фильтра, спроектирована имитационная модель фильтра. Результаты моделирования позволили оценить эффективность применения предложенного метода. Полумостовой активный фильтр позволил значительно снизить амплитуды пульсаций при незначительном снижении КПД. Заключено, что применение активной фильтрации пульсаций постоянного напряжения ТТТ позволяет уменьшить массогабаритные показатели при сохранении высоких показателей качества электроэнергии.
Бесплатно
