Електротехніка та електроенергетика

Вдосконалення підходів щодо лінеаризації магнітних властивостей осердя електромеханічних перетворювачів для чисельних розрахунків

2026-01-20T11:07:45+02:00

Мета роботи. Вдосконалення математичної моделі лінеаризації магнітних властивостей електротехнічної сталі осердя статора та ротора на основі метода кусочно-лінійної апроксимації кривої намагнічування, що дозволить значно скоротити кількість нелінійних рівнянь, та значно зменшити час чисельної реалізації 3D та 2D коло-польової моделі асинхронного електромеханічного перетворювача при збереженні точності чисельних розрахунків.

Методи дослідження. Використовуються аналітичні методи розрахунку електромагнітного поля, метод скінчених елементів, аналітичні методи розрахунку електричних та магнітних кіл, методи кусочно-лінійної апроксимації.

Отримані результати. Вдосконалено математичні моделі щодо лінеаризації кривої намагнічування для електротехнічної сталі осердя статора та ротора просторових 3D та плоско-паралельних 2D геометричних моделей осердя статора та ротора активної частини електромеханічного перетворювача змінного струму. Реалізовано підхід, щодо дроблення 2D загальної геометричної моделі осердя статора та ротора електромеханічного перетворювача на n-ну кількість елементарних площин осердя статора та ротора з застосуванням лінійної функції кривої намагнічування при µ_r=const. На основі даних результатів 2D польового моделювання дослідного зразка електромеханічного перетворювача для режиму неробочого ходу, у порівнянні з результатами моделювання при врахуванні загальної кривої намагнічування за всією розрахунковою областю, отримані значення нев’язки за струмом якоря, яка не перевищує 2,654%. Це дозволило знизити в 4,89 разів час чисельних розрахунків для 2D нестаціонарної постановки задачі при застосуванні спеціального програмного забезпечення Сomsol Multiphysics.

Наукова новизна. Вдосконалено метод лінеаризації магнітних властивостей електротехнічної сталі осердя статора та ротора електромеханічного перетворювача, який дозволяє для окремих ділянок розрахункової області осердя статора та ротора застосовувати постійне значення відносної магнітної проникності µ_r=const. з достатньою похибкою чисельних розрахунків.

Практична цінність. Запропонована методика щодо лінеаризації кривої намагнічування для електротехнічної сталі осердя статора та ротора просторових 3D та плоско-паралельних 2D геометричних моделей активної частини електромеханічного перетворювача змінного струму може бути застосована для різних типів електричних машин.

Особливості синтезу редукованих пристроїв спостереження стану для електроприводів постійного струму з модальним керуванням

2026-01-08T21:57:06+02:00

Мета роботи Розробка та обґрунтування методики синтезу редукованих пристроїв спостереження стану для електроприводів постійного струму з модальним керуванням, а також аналіз їх впливу на динамічні властивості, стійкість і показники якості перехідних процесів електромеханічних систем.

Методи дослідження. У роботі використано методи теорії автоматичного керування та теорії простору станів, зокрема методи модального синтезу та розміщення полюсів. Для побудови редукованого пристрою спостереження застосовано аналітичні методи лінійної алгебри та матричного аналізу. Дослідження динамічних властивостей електромеханічної системи виконано з використанням методів математичного моделювання та імітаційного експерименту в програмному середовищі MATLAB. Оцінювання якості перехідних процесів здійснювалося на основі аналізу часових характеристик та показників стійкості системи керування.

Отримані результати. Розроблено математичні моделі повного та редукованого пристроїв спостереження стану в просторі станів і запропоновано алгоритм синтезу редукованого спостерігача, який забезпечує відновлення лише невимірюваних змінних стану електроприводу. Показано, що вибір швидкодії редукованого пристрою спостереження, яка перевищує швидкодію об’єкта керування, гарантує збіжність оцінок і коректну роботу системи модального керування. На прикладі електроприводів другого та четвертого порядків доведено можливість відновлення інтегральної складової ПІ-регулятора та моменту навантаження без використання додаткових датчиків. Результати моделювання засвідчили, що в системах низького порядку застосування редукованого спостерігача може призводити до незначного зростання перерегулювання і тривалості перехідних процесів, тоді як у системах вищого порядку його вплив на динамічні показники є мінімальним.

Наукова новизна. У роботі вперше обґрунтовано застосування типових нормованих рівнянь модульного оптимуму для синтезу редукованих пристроїв спостереження в системах електроприводів постійного струму з модальним керуванням, а також встановлено залежність впливу редукованого спостерігача на динаміку системи від її порядку.

Практична цінність. Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні систем керування електроприводами з обмеженими сенсорними можливостями, дозволяючи зменшити структурну та апаратну складність системи, підвищити її надійність і спростити практичну реалізацію без істотного погіршення показників якості керування.

Аналіз питомих вагогабаритних показників високошвидкісного синхронного двигуна із постійними магнітами

2026-01-22T22:42:04+02:00

Мета роботи. Визначення залежностей питомої потужності та питомого об’єму від розрахункової потужності та конструктивних розмірів для формування критеріїв оцінки ефективності ваго-габаритних показників високошвидкісного синхронного двигуна із постійними магнітами та зовнішнім ротором.

Методи дослідження. Класичні методи електромагнітного розрахунку основних розмірів синхронних двигунів із магнітоелектричним збудженням.

Отримані результати. За результатами розрахунків ваго-габаритних показників високошвидкісних синхронних двигунів із постійними магнітами, виконаного класичним методом, визначено вагу та об’єм активних матеріалів: магнітного осердя, постійних магнітів та міді обмотки статора. Для розрахунку прийнято діапазон потужності від 250 Вт до 15 кВт при 10000 об/хв, що відповідає найбільш часто використовуваними двигунами по потужності в різних галузях техніки та застосуваннях. Встановлено нелінійний характер зміни питомих показників синхронних двигунів із постійними магнітами. Визначено, що максимальна питома потужність (близько 80 кВт/кг) досягається в діапазоні 7–9 кВт, після чого цей показник знижується через теплові обмеження та зростання маси конструктивних елементів. Оптимальний діапазон потужності за критерієм питомого об’єму, при циліндричній конструкції прототипу із зовнішнім ротором, становить 1,5–4,5 кВт. Результати досліджень показують, що зі зростанням потужності змінюється баланс мас: відносна частка міді в обмотці статора збільшується, тоді як частка магнітного осердя зменшується. Це зумовлено необхідністю мінімізації електричних втрат для підтримки високого ККД та обмеженнями щодо тепловідведення.

Наукова новизна. Систематизовано залежності питомих характеристик високошвидкісних показників синхронних двигунів із постійними магнітами із зовнішнім ротором від їх геометричних параметрів та рівня використання активних матеріалів, що дозволило ідентифікувати зони найвищої ефективності конструкції при незмінній швидкості обертання.

Практична цінність. Запропонований підхід надає інженерні критерії для обґрунтованого вибору топології та основних розмірів високошвидкісних двигунів на ранніх етапах проєктування, забезпечуючи досягнення найкращих масо-габаритних характеристик.

Математична модель відновлення приведеного магнітного моменту точкового диполя для ідентифікації феромагнітних об’єктів

2025-10-01T18:33:35+03:00

Мета роботи. Мета роботи полягає у розробці та дослідженні математичної моделі для відновлення приведеного магнітного моменту точкового диполя на основі інтегральних характеристик магнітного поля, що дозволяє забезпечити коректне розв’язання оберненої задачі магнітометрії в умовах обмеженої апріорної інформації та реальних шумових завад.

Методи дослідження. У роботі застосовано математичне моделювання, аналітичні методи оберненої магнітометрії, інтегральні перетворення та чисельний експеримент для оцінки точності відновлення компонент магнітного моменту. Для побудови розрахункових залежностей використано дискретизацію поля на прямокутній сітці вимірювальних точок та алгоритми мінімізації похибки реконструкції.

Отримані результати. Побудовано узагальнену модель взаємозв’язку між виміряними складовими магнітної індукції та компонентами вектора магнітного моменту диполя. Запропоновано математичний алгоритм для обчислення приведеного моменту на основі сум інтегральних характеристик поля по координатних напрямках. Проведено дослідження для різних розмірів сітки вимірювань, що підтвердив працездатність методу та показав, що похибка реконструкції зменшується зі збільшенням кількості вимірювальних точок. Отримані результати свідчать про можливість надійної ідентифікації об’єкта за обмеженим набором даних магнітного поля.

Наукова новизна. Запропоновано метод відновлення приведеного магнітного моменту, що базується не на локальних значеннях поля, а на інтегральних характеристиках, що забезпечує підвищену стійкість до шуму та зменшення впливу неоднорідностей середовища. Показано ефективність використання дискретно-інтегрального підходу у задачах оберненої магнітометрії.

Практична цінність. Розроблена модель може бути використана у системах виявлення та класифікації феромагнітних об’єктів у підводних, підземних та наземних середовищах, зокрема у завданнях неруйнівного контролю, технічної діагностики та пошуково-рятувальних операцій. Запропонований підхід дозволяє реалізувати малогабаритні вимірювальні системи із зниженими вимогами до точності позиціонування сенсорів.

Визначення оптимального значення ковзання при мінімізації електричних втрат асинхронного двигуна

2026-02-15T14:59:22+02:00

Мета роботи. Метою роботи є проведення теоретичних досліджень та розробка методики визначення оптимального значення робочого ковзання при мінімізації електричних втрат в умовах зміни навантаження на валу ротора асинхронного двигуна.

Методи дослідження. Для дослідження були застосовані основи теорії математичного моделювання узагальненої електричної машини змінного струму, класичні методи оптимізації, основи теорії автоматизованого керування, методи пошуку мінімізації втрат в асинхронному електроприводі, методи інтерполяції та апроксимації розрахункових даних.

Отримані результати. Розроблено методику визначення оптимального значення робочого ковзання при мінімізації електричних втрат в умовах зміни навантаження на валу ротора асинхронного двигуна в квазіусталеному режимі роботи. Отримано універсальну цільову функцію мінімізації електричних втрат в асинхронному двигуні залежно від частоти ковзання. У ході вирішення задачі оптимізації за допомогою класичних методів оптимізації від однієї змінної, отримано вираз оптимальної частоти ковзання, а також співвідношення між величинами струмів та параметрами фаз обмоток статора та ротора асинхронного двигуна, які одержані на основі загальноприйнятого математичного опису узагальненої електричної машини змінного струму для усталеного режиму його роботи. Доведено працездатність запропонованої методики на прикладі АД типу АИР225M2 потужністю 55кВт, для якого отримано залежність електричних втрат в квазіусталеному режимі роботи при статичному навантаженні M_c =0,5M_н. Встановлено, що оптимальне значення ковзання АД буде дорівнювати s=0,038.

Наукова новизна. Для асинхронних двигунів для різних значень потужності, отримано універсальну цільову функцію мінімізації електричних втрат в обмотках асинхронного двигуна залежно від частоти ковзання, яка дозволить визначити робочу характеристику, яка відображає залежність максимально допустимого ККД від значення моменту опору на валу асинхронних двигунів будь-якої потужності.

Практична цінність. Результати роботи можуть бути використані для систем асинхронного електроприводу з датчиками швидкості обертання ротора з метою автоматизованої саморегуляції швидкості обертання ротора асинхронного двигуна під оптимальне значення ковзання у всьому діапазоні зміни навантаження робочого механізму.

Система автоматичного керування гідромодулем охолодження дата-центру

2026-02-24T10:03:13+02:00

Мета роботи. Розробка та дослідження системи автоматичного керування гідромодулем охолодження дата-центру на основі промислового контролера Siemens S7-1200 із впровадженням концепції цифрового двійника в середовищі MATLAB / Simulink для забезпечення прецизійної стабілізації температурних режимів за змінного теплового навантаження.

Методи дослідження. Математичне моделювання на основі диференціальних рівнянь, імітаційного моделювання, класичні методи теорії автоматичного керування.

Отримані результати. Розроблено комплексну математичну модель гідромодуля, що адекватно відтворює нелінійні теплофізичні процеси взаємодії між первинним та вторинним контурами охолодження. Створено інтегровану архітектуру керування, де реальний мікропроцесорний контролер здійснює керування віртуалізованим об’єктом у контурі імітаційної моделі. Шляхом чисельного моделювання встановлено, що розроблена система забезпечує підтримку цільових показників мікроклімату з високою прецизійністю та нульовою статичною похибкою. Аналіз перехідних процесів підтвердив аперіодичний характер регулювання при екстремальних збуреннях теплової потужності.

Наукова новизна. Отримала подальший розвиток методологія проєктування інтелектуальних систем автоматичного керування теплотехнічними об’єктами на основі концепції Digital Twin із безпосередньою інтеграцією реального промислового контролера у віртуальний контур керування. Для гідромодуля охолодження дата-центру запропоновано архітектуру, у якій Siemens S7-1200 функціонує в режимі апаратно-програмного зв’язку з імітаційною моделлю, реалізованою у середовищі MATLAB / Simulink, що забезпечує двосторонній обмін даними через протокол ISO-on-TCP у реальному часі. Отримали подальший розвиток методи предиктивного аналізу енергоефективності систем охолодження за рахунок перенесення етапу налаштування регуляторів у віртуальне середовище з апаратною верифікацією алгоритмів. Показано, що запропонована система забезпечує аперіодичний характер перехідних процесів та нульову статичну похибку при збуреннях теплової потужності.

Практична цінність. Створено інструментарій для безпечного та економічно доцільного налагодження систем автоматизації гідромодулів охолодження дата-центрів без ризику пошкодження дороговартісного обладнання. Запропонована система дозволяє: забезпечити стабілізацію температури вторинного контуру з похибкою, що не перевищує 5 %; досягти аперіодичного характеру регулювання з постійною часу T = 20 с; підвищити енергоефективність та надійність роботи насосного обладнання; зменшити витрати на пусконалагоджувальні роботи за рахунок попереднього тестування алгоритмів у цифровому двійнику. Розроблені рішення можуть бути інтегровані в автоматизовані системи керування великих центрів обробки даних, а також масштабовані для багатомодульних конфігурацій із синтезом алгоритмів перерозподілу навантаження між кількома джерелами холоду.

Дослідження витрат на електроенергію при оптимізації енергетичних потоків в мікромережі з розосередженими джерелами за умов нестабільної генерації

2025-11-28T15:25:14+02:00

Мета роботи. Розробка процедури оптимального керування мікромережею з альтернативними джерелами, зовнішнім електропостачанням та дизель-генераторною установкою.

Методи дослідження. Під час проведення дослідження використано методи постановки лінійних оптимізаційних задач та відповідно методи лінійного програмування, методи імітаційного моделювання у середовищі візуального програмування.

Отримані результати. У роботі проведено дослідження процесів керування режимами гібридної мікромережі, що включає сонячну електростанцію, вітроенергетичну установку, блок акумуляторної батареї, дизель-генератор та зовнішню електромережу. На основі розробленої моделі в середовищі MATLAB/Simulink проаналізовано енергетичні потоки та роботу підсистем мікромережі у чотирьох режимах її функціонування з варіацією потоків електричної енергії. Для оптимізації енергетичного балансу застосовано методи лінійного програмування, що дозволило мінімізувати витрати на електроенергію при дотриманні балансу потужності та забезпеченні стабільності напруги у встановлених стандартних межах. Отримані результати демонструють ефективність поєднання відновлюваних джерел, акумуляторної батареї та дизельної генерації в оптимальному керуванні мікромережею за рахунок балансування зарядом блоку акумуляторної батареї та підтверджують доцільність застосування оптимізаційних алгоритмів для керування енергетичними режимами.

Наукова новизна. Запропонований алгоритм реалізації задачі оптимізації, який враховує поточну вартість електричної енергії, яка циркулює між мікромережею та зовнішньою мережею, з урахуванням обмежень на рівень заряду/разряду акумуляторної батареї та доцільністю використання дизель-генератора.

Практична цінність. Отримані результати можуть бути використані для проєктування систем енергоменеджменту та оптимального керування мікромережами з комбінованими джерелами енергії малої та середньої потужності.

Дослідження річного енергоспоживання житлової будівлі з фотоелектричною станцією

2026-03-09T11:44:27+02:00

Мета роботи. Оцінити спроможність дахової фотоелектричної станції (ФЕС) забезпечити роботу інженерних мереж багатоквартирних житлових будинків, визначити комплекс заходів, які забезпечать ефективну інтеграцію дахових фотоелектростанцій з позицій досягнення нормативних показників енергетичної ефективності та мінімізації кліматичного впливу.

Методи дослідження. Використано розрахунково-аналітичні методи визначення енергоспоживання житлових будівель, а також методику розрахунку електричних навантажень багатоквартирних будинків для оцінки змін електроспоживання при різних варіантах обладнання систем кліматизації, застосовано метод сценарного аналізу та енергетичного моделювання.

Отримані результати. Дахові фотоелектричні станції, оснащені сучасними фотоелектричними модулями та інверторним обладнанням, розміщені на багатоквартирних п’ятиповерхових будівлях типового планування, здатні упродовж року покрити енергоспоживання систем кліматизації, що відповідає вимогам досягнення операційної кліматичної нейтральності. У роботі виконане комплексне моделювання взаємного впливу типів систем кліматизації будівель, вибору джерела енергії, температурних режимів системи опалення, фактичних температур оточуючого середовища на досяжний рівень енергетичної ефективності типових будівель житлового фонду. Моделювання режимів роботи дахової сонячної електростанції та порівняння очікуваного обсягу генерації електричної енергії з електроспоживанням типових будинків після комплексної термомодернізації і запровадження систем кліматизації з тепловими насосами дозволило встановити досягнення показників Встановлено, що комплексна термомодернізація типових п’ятиповерхових будівель з переходом на електроопалення з використанням теплових насосів в якості основного джерела теплової енергії, дозволяють забезпечувати електроспоживання систем кліматизації будинків даховими фотоелектричними станціями.

Наукова новизна. У роботі обґрунтовано комплекс енергоефективних заходів, які включають встановлення дахових фотоелектричних станцій та дозволяють досягти показників операційної кліматичної нейтральності для типових п’ятиповерхових багатоквартирних житлових будинків. Встановлено, що перехід на електроопалення з використанням теплових насосів в якості основного джерела енергії, дозволяє в умовах фактичних осереднених температур зовнішнього повітря знизити споживання електричної енергії в 1,8-2,0 рази при існуючих температурних режимах системи опалення. Перехід на низькотемпературні графіки роботи систем опалення житлових будинків дозволяє знизити електроспоживання у 2,8-3,2 рази порівняно з прямим електроопаленням і забезпечити вихід на показники операційної кліматичної нейтральності систем кліматизації будинків.

Практична цінність. Результати можуть бути використані при розробці проєктів повної або часткової модернізації багатоквартирних житлових будівель, новому будівництві та при проєктуванні систем електроопалення будівель у тому числі з використанням електричної енергії, отриманої від дахових ФЕС. Отримані рішення відповідають ключовим задачам Енергетичної стратегії України до 2035 року, сприяють зміцненню енергетичної безпеки України, виконанню міжнародних зобов’язань в частині скорочення споживання первинних енергетичних ресурсів, зниження викидів парникових газів.