Вестник МЭИ

Алгоритм измерения скорости для инкрементального датчика положения на основе измерения периода импульсов с использованием цифрового фильтра

2024-03-25T14:42:08+00:00

Точное измерение скорости вращения ротора необходимо для приводов шпинделя и других приводов с высокими требованиями к точности стабилизации скорости. Чаще всего в них используются инкрементальные датчики положения, где скорость рассчитывается как производная по времени от перемещения. В настоящее время лучшим решением для определения скорости является метод постоянного времени измерения, точность которого ограничена точностью датчика положения и дискретностью измерения времени. Однако следует заметить, что метод постоянного времени измерения игнорирует все промежуточные данные о приходящих с датчика импульсах и использует только те, которые необходимы для измерения скорости в текущий момент. Проведенный анализ измеренных периодов (интервалов) времени между импульсами от датчика положения показал, что эти периоды обладают свойствами дельта-сигма модулированных сигналов, поэтому было предложено обрабатывать результаты метода измерения скорости по периоду между импульсами с помощью цифрового sinc-фильтра высокого порядка для получения дополнительной информации от входных данных. Предлагаемый метод на основе измерения периода использует sinc-фильтр третьего порядка, как наиболее распространенный тип фильтрации, применяемый в измерительном оборудовании.

Для демонстрации эффективности предложенного метода разработана имитационная модель, показывающая распределение ошибки для предлагаемого и классического методов, рассмотренных в настоящей работе. Экспериментальные результаты получены как в установившемся режиме, так и при разгоне привода. Сравнение методов выполнено с использованием одинаковых входных данных и времени измерения. Результаты моделирования и эксперимента показали, что на высоких скоростях предложенный метод измерения периода с sinc3-фильтрацией обеспечивает гораздо меньшее среднеквадратическое отклонение от фактического значения, чем другие методы.

Проанализирована вычислительная сложность предложенного метода, что позволяет сделать вывод о возможности его реализации с использованием современных микроконтроллеров.

Математическая итеративно-адаптационная модель электрической дуги в контактно-дугогасительных системах электромагнитных контакторов

2024-03-25T14:51:59+00:00

Цель работы — создание математической итеративно-адаптационной модели процесса образования электрической дуги при расходящихся контактах, в воздушной среде, при атмосферном давлении в контактно-дугогасительных системах электромагнитных контакторов. Затронуты вопросы верификации математической модели, создания адаптивного приложения на базе математической модели с целью упрощения взаимодействия связки «конечный пользователь — модель».

Теоретическая проработка вопроса осуществлялась с помощью кроссплатформенного программного обеспечение COMSOL Multiphysics, базирующегося на конечно-элементном анализе.

Выполнена оценка степени адекватности результатов математической модели с помощью метода сравнения. При сравнении данных оценивали падение напряжения (согласно [17]) и данные падения напряжения, полученные в результате моделирования.

Разработана математическая модель. Проведена оценка адекватности расчета. Создано адаптивное приложение на базе математической модели.

Областью применения стали низковольтные контакторы низкого напряжения с гашением дуги в воздушной среде при атмосферном давлении, попадающие под действия ГОСТ IEC 60947-1—2017, ГОСТ IEC 60947-4—2021 и ГОСТ IEC 61095—2015.

Созданная математическая модель обладает хорошей сходимостью и позволяет описывать процессы образования и жизни электрической дуги в контактно-дугогасительных системах электромагнитных контакторов, при расходящихся контактах, в воздушной среде, при атмосферном давлении. Это дает возможность использовать ее для приближенного расчета коммутационной способности контактно-дугогасительных систем контакторов, а также оценить эффективность спроектированной системы в целом и, при необходимости, внести изменения в конструктив с целью улучшения показателей дугогашения.

Модель позволяет провести численный анализ динамического процесса коммутации контактно-дугогасительного контура при номинальных режимах и режимах редких коммутаций.

Разработанное итеративно-адаптационное приложение является эффективным инструментом, помогающим варьировать различные параметры системы под конкретные требования образца прототипа.

В совокупности, предложенные решения позволяют сократить различного рода издержки при разработке и доработке контактно-дугогасительных систем контакторов.

Особенности синтеза систем управления тяговыми электроприводами на базе асинхронной машины при ограниченных вычислительных ресурсах управляющего контроллера

2024-04-10T11:00:14+00:00

В современном тяговом электроприводе на базе асинхронной машины зачастую используется полеориентированное векторное управление (ПВУ) при ориентации по вектору потокосцепления ротора.

При синтезе структуры системы ПВУ решается ряд задач, направленных на улучшение энергетической эффективности и повышение качества регулирования момента, частоты и тока тяговой машины. Такими задачами являются оценка сигналов, не поддающихся прямому измерению, оценка параметров обмоток, а также оптимизация работы электрической машины по заданному критерию.

К другой немаловажной задаче относится обеспечение бесперебойной и отказоустойчивой работы замкнутой системы управления. Для этого структура системы управления должна содержать блоки ограничений, накладываемых на регулируемые сигналы.

В то же время в некоторых случаях контроллер, отвечающий за управление силовым преобразователем частоты в составе тягового электропривода, обладает ограниченной вычислительной мощностью. Более того, зачастую на один контроллер возлагается функция управления несколькими (двумя и более) приводами. В связи с этим управляющий программный код должен быть максимально оптимизирован.

Вопрос оптимизации программного кода тесно связан с упрощением структуры системы управления электроприводом. Число ее элементов обязано быть минимальным, однако при этом система управления должна выполнять все возложенные на нее функции.

Для решения описанных практических задач проводятся предварительные процедуры оценивания параметров, а также оптимизации работы асинхронной машины. Выполнение указанных процедур требует использования определенного оборудования, на базе которого строится экспериментальный стенд.

Данные, получаемые в результате проведения процедур оценки параметров и оптимизации, в дальнейшем используются в тексте программного кода управляющего контроллера при эксплуатации электропривода.

Цель настоящей работы — анализ особенностей структуры системы высокоэффективного полеориентированного векторного управления тяговым электроприводом на базе асинхронной машины с учетом ограниченных вычислительных ресурсов управляющего контроллера.

Метод распознавания последовательного дугового пробоя в низковольной сети

2024-04-10T11:31:52+00:00

Рассмотрена проблема защиты низковольтных электрических сетей от дуговых пробоев, не распознаваемых широко распространенными средствами защиты: автоматическими выключателями и УЗО. Описаны существующие методы, на которых основано действие устройств защиты от дугового пробоя (УЗДП). На основании экспериментальных исследований определены критерии распознавания наличия пробоя в сети, базирующиеся на увеличении уровня и размаха колебаний амплитуд низкочастотных четных гармоник.

Влияние числа фаз двигателя на коэффициент использования по напряжению в режиме синусной широтно-импульсной модуляции

2024-04-10T11:53:10+00:00

Исследование предполагаемых преимуществ электропривода на основе многофазного двигателя с числом фаз более трех, например, на базе пяти- или семифазного двигателей, представляет теоретический и практический интерес.

В настоящее время в электротяге применяют трехфазные двигатели с использованием цифровых систем управления на основе микроконтроллеров, реализующих методы векторного управления. Режим синусной широтно-импульсной модуляции (SPWM) — один из составляющих общего процесса векторного управления.

Режим синусной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) пяти- или семифазного напряжения более эффективен по сравнению с синусной ШИМ трехфазного напряжения из-за возрастания коэффициента использования по напряжению преобразователя. Цель работы — теоретическое подтверждение того, что с увеличением количества фаз двигателя при реализации синусной модуляции коэффициент использования по напряжению в электротяге возрастает.

В работе использован математический аппарат векторного анализа и метод разложения функций в ряд Фурье.

Результаты исследований могут найти применение при разработке цифровой системы управления, реализующей векторное управления, например, пяти- или семифазного двигателей.

Разработка технологических режимов индукционного нагрева для оплавления коррозионностойких покрытий стальных деталей с учетом закалки

2024-04-10T12:08:41+00:00

Разработана электротехнологическая установка для оплавления нанесенных покрытий на поверхность цилиндрических стальных заготовок и технология оплавления коррозионно-стойкого покрытия при индукционном нагреве стальной цилиндрической заготовки с указанным покрытием в условиях вращения. Выбраны частота тока и иные параметры индукционной установки повышенной частоты для обеспечения максимального тепловыделения в коррозионностойком покрытии при его оплавлении на поверхности стальной цилиндрической заготовки. Проведены расчеты и исследования поверхностных распределений плотности тока и температуры по длине заготовки при индукционном нагреве. Выполнены расчетные и экспериментальные исследования индукционного нагрева, теплового состояния стальной заготовки с покрытием и распределений твердости по радиусу заготовки с учетом и без закалки. Проведено сравнение расчетной и экспериментальной кривых нагрева поверхности стальной заготовки с покрытием с учетом двух точек Кюри. На основании экспериментальных исследований получены улучшенные свойства и структура коррозионно-стойких покрытий на стальных заготовках после оплавления с использованием разработанного технологического процесса.

Математическое моделирование солнечно-дизельных комплексов

2024-04-19T17:13:28+00:00

Проанализированы вопросы математического моделирования оборудования солнечно-дизельного комплекса (СДК) в контексте последующей разработки автоматизированной системы управления автономными гибридными энергокомплексами. Приведены математические модели солнечных фотоэлектрических модулей, аккумуляторных батарей, дизельных генераторных установок, а также упомянуты основные факторы, влияющие на работу данных элементов. Апробация итоговой математической модели СДК осуществлена на примере действующего энергетического комплекса, построенного в городе Верхоянск Республики Саха (Якутия), для трех условий работы. В последнее время наблюдается диверсификация энергетического комплекса через развитие возобновляемых источников энергии.

Обзор деятельности современных Российских научных школ геотермальной энергетики

2024-04-10T12:38:08+00:00

В 2022 г. геотермальная электрогенерация России имела установленную мощность
74 МВт с выработкой энергии 445 ГВт·ч/г, а геотермальная теплогенерация — 110 МВт и 432 ГВт·ч/г, соответственно. Приведено количество геотермальных месторождений и эксплуатируемых скважин, описаны структура и принципы эксплуатации. Рассмотрены основные результаты развития советской геотермальной энергетики. Представлены результаты исследований российских научных организаций по глубинной и поверхностной геотермии. Продемонстрирована перспективность исследований по разработке и сооружению скважин со сверхкритическими параметрами флюидов у подножия вулканов на Камчатке. Даны направления и наиболее важные результаты исследований отечественной научной школы геотермальной электрогенерации. Отмечены результаты работ российских научно-исследовательских организаций в области геотермальной теплогенерации в Краснодарском крае, Чечне и Дагестане.

Исследование состава уходящих газов и конденсата при сжигании в конденсационном котле природного газа и метано-водородных смесей

2024-04-10T13:02:13+00:00

Выполнен анализ литературных источников, посвященных проблемам изменения климата под действием парниковых газов, а также влияния сжигания метано-водородных смесей на выбросы вредных веществ.

Для проведения экспериментальных исследований на базе конденсационного котла Beretta CIAO GREEN 25 C.S.I собрана экспериментальная установка для сжигания смеси водорода и природного газа с различным процентным содержанием компонентов. Получены результаты по составу уходящих газов (кислорода, оксидов углерода, и диоксида азота). Определены удельная электропроводность и уровень pH конденсата.

Показано, что совместное сжигание смеси водорода приводит к снижению выбросов оксидов углерода и азота в окружающую среду.

Особенности применения тепловых насосов и электроотопления в системах централизованного теплоснабжения

2024-04-10T13:39:51+00:00

С целью снижения потребления энергоресурсов и выбросов парниковых газов в системах теплоснабжения в ряде стран Европейского союза законодательно закреплено требование об обязательном использовании тепловых насосов. В настоящее время активно обсуждаются вопросы целесообразности применения электрического отопления и тепловых насосов в системах теплоснабжения многоквартирных домов в крупных городах Российской Федерации, в том числе в Москве.

При использовании тепловых насосов в системах тепло- и горячего водоснабжения (ГВС) многоквартирных домов качество и надёжность коммунальной услуги должна соответствовать уровню требований к системе централизованного теплоснабжения и ГВС. Выполненные расчеты показали, что в энергосистемах Москвы и Московской области замещение централизованного теплоснабжения на тепловые насосы и/или электроотопление в зоне эффективного теплоснабжения ТЭЦ приводит к росту расхода топлива и выбросов парниковых газов, а не к их снижению. Применение тепловых насосов и электроотопления требует роста установленной электрической мощности включённого генерирующего оборудования электростанций.

Минимальный расход топлива на производство электрической энергии и тепла получен для случая централизованного теплоснабжения. Вариант перевода части тепловой нагрузки с ТЭЦ на источники электроотопления соответствует максимальному расходу топлива. Расход топлива при переводе части тепловой нагрузки на тепловые насосы уступает показателям эффективности централизованной системы теплоснабжения, но превосходит данные электроотопления.

В энергосистемах стран ЕС, где неразвита система централизованного теплоснабжения на базе комбинированной выработки электроэнергии и тепла, замещение систем электроотопления на тепловые насосы является энергосберегающим мероприятием, ведущим к снижению потребления электроэнергии и выбросов парниковых газов в атмосферу.

Переходный процесс при одноосном растяжении упруго-пластического стержня

2024-04-13T07:26:46+00:00

Выполнена оценка возможности возмущения поверхности упруго-пластичного стержня при взаимодействии растягивающей силы с продольными стоячими волнами Дебая.

Работа проведена как теоретическое исследование процесса возникновения возмущения поверхности растягиваемого упруго-пластичного стержня.

Предложена гипотеза о возникновении переходного процесса при взаимодействии растягивающей силы, приложенной к упруго-пластичному стержню, с продольными стоячими волнами Дебая, приводящего к возмущению его поверхности и возможности зарождения на начальном участке стержня первоначальных пластических сдвигов, предшествующих его разрушению. Гипотеза согласуется с принятой многомасштабностью (на микро-, мезо- и макроуровнях) процессов применительно к пластическому течению и разрушению упруго-пластичного растягиваемого тела.

Полученные результаты могут быть полезны при исследовании процессов образования пластических сдвигов в упруго-пластичном стержне, а также учтены при построении методик расчетов на долговечность и ресурс как материалов оборудования, так и самого оборудования АЭС.

Из результатов расчетов, проведенных по предложенной гипотезе, следует, что на поверхности упруго-пластичного стержня взаимодействие растягивающей силы, приложенной к стрежню, с продольными стоячими волнами Дебая создает колебательный переходной процесс, приводящий к возмущению поверхности. Максимальное возмущение приходится на начальный участок стержня, что позволяет объяснить зарождение на этом участке первоначальных пластических сдвигов, отмечаемых в ряде работ. Можно предположить, что первоначальное пластическое течение на начальном участке стержня определяется вакансиями, создаваемыми максимальным возмущением на этом участке. Данное предположение основывается на возможности течения кристаллического материала не только с помощью дислокаций, но и при их отсутствии, за счёт вакансий. Поверхностный слой при этом проявляет специфические механизмы пластического течения недислокационной природы. В соответствии с предлагаемой гипотезой наиболее ярко это проявляется на начальном участке стержня.

Сравнительный анализ работы классических многомерных систем управления и систем с нейрорегулятором на примере реального объекта

2024-04-13T07:38:59+00:00

Целью наястоящей работы — сравнительный анализ двух систем управления: системы с классическим подходом в различных вариациях и системы управления с нейрорегулятором для оценки перспективности использования нейронных сетей в качестве регулятора.

Для сравнительного анализа построена имитационная модель автоматической системы управления с многомерным нейрорегулятором с учетом работы таких технических средств автоматизации, как широтно-импульсный модулятор и исполнительный механизм. В качестве объекта управления выбран энергоблок 300 МВт № 3 Каширской ГРЭС с прямоточным котлом. При помощи алгоритма оптимизации, являющегося уникальной авторской разработкой, найдены параметры и структура нейрорегулятора, обеспечивающие минимальное значение квадратичного интегрального показателя качества.

На имитационную модель были поданы возмущения по каналам задания и возмущения, построены переходные процессы системы управления и рассчитаны показатели качества для каждого варианта возмущений.

Выполнено сравнение результатов с уже полученными ранее для различных структурных схем систем управления с классическими регуляторами. Результаты представлены как в графическом, так и в табличном виде. Сравнительный анализ проведен на основе численных значений интегральных показателей качества. По его результатам сделан вывод о перспективности использования нейронных сетей в качестве регулятора многомерных объектов управления энергетики.

Метод отрицательной корреляции как эффективное средство обработки эксперимента по определению частотных характеристик объекта

2024-04-13T07:49:42+00:00

Поставлена и решена задача создания компактного, высокоточного, удобного для использования в составе адаптивного регулятора метода обработки эксперимента. Данным требованиям удовлетворяет авторский метод отрицательной корреляции, в котором используется свойство эффективной АСР, состоящее в том, что частота её собственных колебаний существенно выше частоты среза возмущающих воздействий. С учетом низкочастотности оказывается достаточным измерение всего двух ординат для оценки амплитуды колебаний и двух ординат для оценки их фазы с последующим усреднением по множеству периодов. Каждая пара разделена интервалом, равным полупериоду гармоники, и, как следствие, — сменой знака. Смена знака вызывает применение операции вычитания при усреднении по множеству вместо операции сложения и к вычитанию корреляционного момента из дисперсии помехи, и именно это сопровождается существенным снижением влияния помехи на точность оценок.

Получены аналитические выражения для абсолютных максимальных погрешностей амплитуды и фазы для заданной доверительной вероятности.

Создана процедура планирования эксперимента с получением желательной априорной информации о возмущении и свойствах системы.

Разработана программа в среде Mathcad и проведены исследования, показавшие высокую эффективность предлагаемых методов с возможностью их практического использования в составе адаптивного регулятора.

Доказано, что метод отрицательной корреляции обладает высокой эффективностью, заметно сокращая необходимое время эксперимента.

Эффективное управление и технология интеллектуализации многофункциональных автоматизированных систем управления тепловыми процессами

2024-04-13T08:01:37+00:00

Развитие элементов гибридного интеллекта и совершенствование технологии модернизации многофункциональных АСУ ТП на базе программно-технических комплексов обеспечивает возможность преобразования сложной системы от проектно-текущего состояния до интеллектуально-эффективного уровня и направлено на поддержание эффективности технологического оборудования энергоблоков в условиях длительной эксплуатации. Рассмотрены основные положения методологии модернизации первичных преобразователей и требований адекватного формирования архива непрерывной информации, методики модернизации подсистем эффективного управления на контроллерном уровне, а также способы формирования интеллектуальных функций, синтезируемых по «вектору невязки» на командно-аналитическом уровне АСУ ТП.

Об оценивании некоторых параметров орбит свободного движения по угловым измерениям

2024-04-19T17:19:48+00:00

Обсуждается возможность угломерной системы оценивать параметры падения свободно движущегося тела. Предполагается, что точка падения находится в окрестности наблюдателя. Описана плоская модель движения–измерения, учитывающая сферичность Земли и движение наблюдателя. Модель предполагает, что орбитальная плоскость касается параллели наблюдателя, точка падения располагается в окрестности точки касания. Истинное движение наблюдателя без изменения его скорости заменяется движением в плоскости орбиты. Информация о точке падения содержится в наблюдениях при снижении высоты. Это позволяет в режиме снижения считать ускорение свободного падения константой.

Для оценки потенциальной точности использовано многомерное неравенство Рао-Крамера для четырех параметров: горизонтальной скорости, угла падения, расстояния до точки падения, времени падения. Приведены результаты расчетов нижних границ для стандартных отклонений оценок параметров для орбит со скоростями от 1 до 5 км/с и углами от 24 до 72°. Точность по месту падения для орбит с малой скоростью и большой высотой можно получить порядка сотен метров при стандартных погрешностях измерения угла 6¢ и времени запаса 30 с.

Проведен анализ запасного времени как функции параметров орбиты и измерительной системы при фиксированном отношении сигнал–шум. По результатам расчетов, представленных в графическом виде, можно определить время запаса, задавая параметры орбиты, требуемую различающую способность и параметр, характеризующий систему измерение-обработка.

Вывод формулы для основной частоты колебаний опоры линии электропередач

2024-04-13T08:31:32+00:00

Исследованы частоты колебаний плоской регулярной модели опоры линии электропередач. Первая (низшая) частота установлена аналитически по методу парциальных частот Донкерлея. Вертикальными смещениями узлов можно пренебречь. Число степеней свободы модели конструкции равно числу узлов. Расчет усилий в стержнях статически определимой конструкции выполнен методом вырезания узлов в системе символьной математики Maple. Уравнения равновесия в проекциях на оси координат записаны в матричной форме. Для расчета коэффициентов матрицы жесткости использована формула Максвелла–Мора в предположении, что все стержни имеют одинаковую жесткость. Упругие стержни фермы соединены идеальными шарнирами. Метод Донкерлея позволяет свести задачу с многими степенями свободы к вычислению отдельных парциальных частот. Серия решений, выполненных для ферм различного порядка регулярности, обобщена на произвольное число панелей методом индукции. Линейные однородные рекуррентные уравнения, которым удовлетворяют коэффициенты искомой формулы, решены с помощью специальных операторов Maple. Полученное аналитическое решение сравнивается с численным. Показано, что точность аналитического решения монотонно растет с увеличением числа панелей и достигает нескольких процентов. На совместной картине спектров семейства регулярных ферм различного порядка найдены спектральные константы и изолинии. Выведенная формула для первой частоты может быть использована в проектировании опор линий электропередач.

Применение статистического анализа для оценки степени деформации стальных образцов по результатам сегментации импульсов акустической эмиссии

2024-04-13T09:14:47+00:00

Работа посвящена определению наиболее информативных акустико-эмиссионных параметров, коррелирующих со степенью деформации образцов из конструкционной стали 30ХГСА. Проведены испытания статическим растяжением до разрушения стальных образцов с синхронной регистрацией в процессе нагружения сигналов акустической эмиссии (АЭ). Показано, что абсолютные значения первичных АЭ параметров, таких как амплитуда и активность, не имеют четкой однозначной взаимосвязи со степенью деформации образцов, что подтверждает невозможность применения стандартных критериев (например, амплитудного критерия) при акустико-эмиссионном мониторинге процесса накопления повреждений в конструкционных материалах. При детальном анализе полученных сигналов акустической эмиссии установлено, что совместное применение таких потоковых параметров, как усредненная частота выбросов и удельная энергия регистрируемых импульсов АЭ, позволяет оценить степень деформации стальных образцов, начиная от площадки текучести до момента их разрушения. Для численной оценки степени деформации металла по потоковым параметрам регистрируемых импульсов предложена модель множественной линейной регрессии. Доказано, что с использованием предлагаемой модели анализа АЭ-данных значение степени деформации металла в области малых и развитых упругопластических деформаций может быть определено по данным акустической эмиссии с относительной погрешностью не более 7%.

Развитие метода инструментального индентирования в диагностике физико-механических свойств упрочненных поверхностных слоев материалов и покрытий изделий машиностроения

2024-04-13T09:45:39+00:00

Рассмотрен метод инструментального индентирования и продемонстрированы его возможности в оперативной диагностике физико-механических свойств поверхностных слоев конструкционных материалов и упрочняющих покрытий. Разработаны новые способы определения модуля нормальной упругости по начальному упругому участку диаграммы вдавливания и характеристик твердости в областях малой и развитой упругопластической деформации при инструментальном индентировании сферическим индентором. Обоснована необходимость учета параметра деформационного упрочнения при установлении связи деформаций при растяжении образца и вдавливании индентора. Предложена методика оперативной оценки отношения предела текучести к временному сопротивлению материала как важного диагностического параметра структурно-механического состояния материала. Установлено, что метод инструментального индентирования, совмещенный с методом акустической эмиссии, расширяет возможности диагностики характеристик трещиностойкости упрочняющих покрытий.