This paper analyzes the performance of a contactless control system for medium-voltage overhead lines, designed to detect single-phase ground faults (SGFs) by analyzing electromagnetic field signals from the line. The system comprises two independent measurement channels: contactless inductive sensors (recording the magnetic component of the field), contactless capacitive sensors (recording the electric component of the field), and a software algorithm that detects the moment of mode change by the change in the energy of the fundamental harmonic in the sensor signals. Experimental verification is performed on a laboratory setup simulating a three-phase overhead line with an isolated neutral. The deterioration in power quality (an increase in current THD from 2.6–3.0 % to 8.6–10.7 %) is accompanied by a sharp decrease in 50 Hz power in the sensor signals (from ~ 35 % to ~ 0.45 %), which leads to a decrease in the number of sensors triggered and an increase in the detection time error. At the same time, in some experiments under low power quality conditions, the system maintains correct detection of the fault inception and clearing instants, con-firming the feasibility the fundamental applicability of contactless monitoring in non-stationary and non-sinusoidal electrical environments and sets the direction for further improving the robustness of processing algorithms.
This paper proposes an algorithm for extracting the centerline of a structured light beam. The algorithm uses threshold filtering in the HSV color space and a multi-level threshold accumulation mechanism to improve the stability of the localization of an omnidirectional visual system on complex reflective surfaces. The proposed method reconstructs the depth of a target object by extracting high-precision extraction of structured light bands. Comparative experiments demonstrate that the proposed algorithm reduces localization errors by 26.9 % under normal conditions and by 69.18 % under strong interference conditions, exhibiting robust anti-interference capability. A robotic system based on the proposed algorithm successfully accomplished omnidirectional visual localization and grasping tasks, thereby validating its application potential in industrial automation and perception in complex scenarios.
The development of an engineering methodology for calculating regenerative burners is an essential step in establishing the scientific foundations for improving the efficiency of energy resource utilization. Current techniques do not take into ac-count all the features of the processes taking place in the heat exchange nozzles of such burners, leading to inaccuracies in determining their design and operational parameters. This article presents an improved version of a well-known engineering technique based on the use of a specially designed digital twin. The known methodology provides for a mathematical description of the laws of time variation in smoke and air temperatures at the nozzle outlet necessary for calculations. It was established that the previously assumption of an exponential law for the change in smoke temperature at the nozzle outlet is not always accurate, and a logarithmic law should be used to describe it. The article demonstrated the usefulness of the exponential law of temperature change for air temperature proposed in the known methodology. Further research will focus on compiling criterion equations that establish the dependence of the dimensionless parameters in the laws of smoke and air temperature change at the nozzle outlet during the relevant phases on similarity criteria characterizing the process.
This paper explores the potential of using machine learning algorithms based on stator current signature analysis to detect induction motor bearing faults in variable frequency drives. The study used data on stator currents obtained from a simula-tion model at different operating frequencies and motor loads. Four machine learning methods were compared: artificial neural network (ANN), K-nearest Neighbors (KNN), support vector machine (SVM), and Naive Bayes classifier (NB). The best results (more than 90 % correct recognition probability) were achieved by ANN- and KNN-based classifiers. A clear dependence of the performance of the diagnostic methods on motor load and frequency was revealed. However, this dependence varies for different methods and in different ways and directions, which allows assuming that the reliability of diagnostics can be improved by using two (or more) types of classifiers simultaneously.
This paper presents the logical states of the six-phase converter, which are used in the implementation of basis vectors and space-vector modulation algorithms, in the form of binary codes. It determines the values of basis vector modules, which correspond to binary codes. It is established that the binary codes of the six-phase converter (at a unit input voltage) form six basis vectors with a module of 2, eighteen basis vectors with a module of, thirty basis vectors with a module of 1, eight basis vectors with a module of 0 (the resultant vector of discrete states is zero with a non-zero basis), and two “zero vectors”. Analytical expressions are obtained for calculating basis vector modules. It is established that with an increase in the number of engine phases, the basis vector module (the module of the vector of discrete states) tends towards the value of the module of the resultant continuous rotation vector (the amplitude of the resulting voltage sinusoid). This paper aims to construct a diagram of the vertices of the basis vectors in a six-phase electromechanical system, classify the basis vectors, and verify that the magnitude of the basis vector module tends towards the magnitude of the resultant continuous rotation vector module with an increase in the even number of phases. The paper analyzes the diagram of the vertices of the basis vectors in a six-phase electromechanical system and the diagram of the vertices of the basis vectors in a five-phase system, which coincide with the projections onto the plane of the vertices of a 5-cube. This work may be beneficial to the developers of digital controllers based on signal processors that employ the “vector control” principle for multiphase motors with rotating fields.
This article addresses the optimization of electricity costs for consumers in pricing categories III and IV of the Russian retail electricity market. Electricity costs for such consumers include a charge based on hourly tariffs and a power charge that depends on the average power during the hours of maximum total consumption in the region. However, information about hourly tariffs and the hours of maximum total consumption becomes available only after the billing period has ended, making it impossible for consumers to accurately predict their electricity costs. To reduce electricity expenses, the paper proposes to supplement the conventional power supply system with an energy storage system. The operation mode of this system is managed by a controller installed at the consumer's site, which ensures storage charging during periods of low electricity prices and discharging during peak load and high-priced hours. This reduces grid consumption and, consequently, the enterprise's costs. A LSTM-based recurrent neural network was used to forecast hourly electricity prices, demonstrating high accuracy in predicting price trends and peak values. However, efforts to predict the hours of maximum total consumption were unsuccessful due to the lack of stable periodicity. Therefore, we propose using the statistically most probable value for the hour of maximum consumption. We developed an algorithm for managing the energy storage system, taking into account price forecasts and a fixed value for the maximum consumption hour. The algorithm employs a strategy of storage charging during low-priced periods and discharging during peak hours. We used a shopping and entertainment center as an example to demonstrate the effectiveness of the proposed approach. The application of the algorithm almost halved the average power during peak hours (from 290kW to 140kW) and decreased overall electricity costs by 15.3 %. The obtained results demonstrate the potential of integrating energy storage systems with intelligent forecasting methods for energy conservation and load mana¬gement tasks.
At the stage of developing solid-state transformer (SST) technologies, engineers face additional challenges in ensuring high electricity quality. When using a single-phase input bridge rectifier, the instantaneous power of a single-phase network fluctuates with double frequency, while constant power is required at the SST output. To reduce the weight and dimensions, the authors proposed changing the TTT architecture and replacing high-capacity input capacitors with an active filter. The work synthesizes a semi-bridge active pulsation filter of the SSR DC insert, which includes auxiliary inductance and capacitance for energy storage. The authors developed an algorithm for filter operation and constructed a simulation model of the filter. Modeling results allowed evaluating the effectiveness of the proposed method. The half-bridge active filter significantly reduces ripple amplitudes with a slight decrease in efficiency. It is concluded that the use of the active filtering of SST DC voltage ripple reduces weight and size indicators while maintaining high quality indicators of electric power.
Induction disc motors with powder magnetic cores (SMC composites) are characterized by reduced eddy currents, the possibility of manufacturing complex 3D magnetic core geometries, and reduced core weight. This paper presents a comparative analysis of widely available powder materials (metal scale, chips, finely dispersed iron powder ~ 200μm, and their mixtures), for the use in magnetic circuits of induction disc motors. The experimental setup consis¬ted of a three-phase inverter with an LC filter and test coils with replaceable powder cores. The inductance (L) and active resistance (R) of the coils were measured at frequencies of 50, 200, 400, and 800 Hz. It was found that as the frequency increased, the induct-ance of all the samples decreased slightly, while the active resistance increased (indicating an increase in eddy current loss-es). The results confirm that finely dispersed powder materials with high specific magnetic permeability and resistance are most suitable for disc motors. The practical significance of this work lies in its potential to increase the efficiency and power density of motors by reducing core losses and the weight of the magnetic circuit.
This paper explores the diagram of a parallel DC consumer supply from a photovoltaic module and a centralized grid. It considers environmental factors affecting the maximum power of the photovoltaic module and the overall efficiency of the system, as well as establishes a connection between the base voltage of the parallel power sup-ply circuit and the efficiency of power take-off from the photovoltaic module. The calculation of system parameters for a typical household module is presented. The results show that when using the proposed calculation method, the power reduction in winter will be no more than 6 %, and in summer – no more than 7 %, relative to the maximum power of the photovoltaic module in the respective seasons.
This paper discusses the principles for designing a testing circuit and a testing scenario for a system operator's actions that are sufficient to verify operational control algorithms with varying degrees of automation. To conduct initial tests of the algorithm, the testing scheme must provide a non-trivial scenario with minimal topology complexity that allows for various operator actions to eliminate violations of the power system's normal operation. To meet these requirements, the design of the circuit should start with the assumption of a fault and the operator's response. For example, a test circuit with 35 nodes was created, including 500, 220, and 110 kV power grids. The number of nodes was reduced by converting some connections with intermediate power take-offs in the 110 kV grid to a single equivalent connection. Additionally, some 500 kV boundary nodes were represented as equivalent injections in the form of PV nodes in order to ensure power flow in the 500 kV power grid. In the event of a sudden shutdown of a 500 kV power line to relieve overload on a 220 kV line, the operator has four options to divide the grid into separate power zones. The study shows that these options differ significantly in terms of maximum permissible power flow in controlled sections. The best way to split the grid depends a lot on current operating conditions. This means we need to develop algorithms that provide the operator with structured information to help them make quick decisions.
Pelletizing is becoming a promising method for increasing the energy value of biomass and a key solution to the challenges of reducing the share of fossil fuel resources and increasing the value of waste in terms of its energy potential. This paper focuses on improving the efficiency of the energy use of waste, such as sewage sludge, within the pulp and paper production process. This study aims to select the optimal mode of pellet production from sewage sludge based on the Russian Standard R 55114–2012. Sewage sludge was granulated in an experimental pellet press used for pellet production from wood biomass. During pelletizing, various parameters were changed, including the rotation rate of the rollers on the matrix surface, the fit between the rollers and the matrix, and the rate of sediment supply to the matrix. The produced pellets meet the specifications outlined in R 5114–2012. The results of X-ray fluorescence analysis allowed determining the main components of the mineral part of the sewage sludge, the amount of basic and acidic oxides, as well as the content of carbon, hydrogen, and sulfur.
Работа посвящена принципам формирования тестовой схемы и тестового сценария действий диспетчера, достаточных для проверки алгоритмов оперативно-диспетчерского управления с различной степенью автоматизации. Для проведения первичных испытаний алгоритма тестовая схема должна при минимальной сложности топологии обеспечивать нетривиальный сценарий возможных действий диспетчера при ликвидации нарушений нормального режима работы энергосистемы. Для выполнения таких требований построение схемы следует начинать с предполагаемой аварии и сценария действий диспетчера. В качестве примера была синтезирована тестовая схема с 35 узлами, включающая сети 500, 220 и 110 кВ. Уменьшения количества узлов удалось добиться преобразованием транзитных связей с промежуточными отборами мощности в сети 110 кВ в одну эквивалентную связь. Также сокращение числа узлов достигнуто путем представления граничных узлов 500 кВ эквивалентными инъекциями в виде PV-узлов, чтобы обеспечить переток мощности в сети 500 кВ. При аварийном отключении линии 500 кВ для ликвидации избыточной загрузки линии 220 кВ рассмотрены 4 варианта действий диспетчера по разделению сети на отдельные энергорайоны. Показано, что различные варианты существенно различаются по запасу до максимально допустимых перетоков мощности в контролируемых сечениях. Оптимальный вариант деления на энергорайоны существенно зависит от текущих параметров режима, что определяет необходимость разработки дополнительных алгоритмов, обеспечивающих диспетчера структурированной информацией для принятия решения в условиях ограниченного времени.
Логические состояния шестифазного преобразователя, которые используются при реализации базовых векторов и алгоритмов пространственно-векторной модуляции, представлены в виде двоичных кодов. Определены значения модулей базовых векторов, которые соответствуют двоичным кодам. Установлено, что двоичные коды шестифазного преобразователя (при единичном входном напряжении) формируют: шесть базовых векторов с модулем 2, восемнадцать базовых векторов с модулем, тридцать базовых векторов с модулем 1, восемь базовых векторов с модулем 0 (результирующий вектор дискретных состояний равен нулю при ненулевом базисе) и два «нулевых вектора». Получены аналитические выражения для расчета модулей базовых векторов. Установлено, что при увеличении количества фаз двигателя модуль базового вектора (модуль вектора дискретных состояний) стремится к величине модуля результирующего вектора непрерывного вращения (амплитуде результирующей синусоиды напряжения). Целью работы является построение диаграммы вершин базовых векторов шестифазной электромеханической системы, классификация базовых векторов и подтверждение того, что величина модуля базового вектора при увеличении четного числа фаз стремится к величине модуля результирующего вектора непрерывного вращения. Проведен сравнительный анализ диаграммы вершин базовых векторов шестифазной электромеханической системы и диаграммы вершин базовых векторов пятифазной системы, которые совпадают с проекциями на плоскость вершин 5-куба. Работа может представлять интерес для разработчиков цифровых регуляторов на основе сигнальных процессоров, реализующих принцип «векторного управления» многофазных двигателей с вращающимся полем.
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.
Гранулирование становится все более привлекательным методом для повышения энергетической ценности биомассы и является одним из ключевых решений проблем, связанных с необходимостью снижения доли ископаемых топливных ресурсов и повышения ценности отходов с точки зрения их энергетического потенциала. Особый интерес представляет увеличение эффективности энергетического использования такого отхода, как осадок сточных вод (ОСВ), образующийся в технологической схеме целлюлозно-бумажного производства (ЦБП). Целью исследования является выбор режима производства гранул из осадка сточных вод, соответствующих ГОСТ Р 55114–2012. Гранулирование осадка сточных вод проводилось в пресс-грануляторе, предназначенном для экспериментального производства пеллет из древесного биотоплива. Во время гранулирования менялись скорость вращения вальцов по поверхности матрицы, прилегание вальцов к матрице, скорость подачи осадка на матрицу. Были получены пеллеты, соответствующие ГОСТ Р 55114–2012. Проведен рентгенофлуоресцентный анализ, который позволил определить основные компоненты минеральной части осадка, количество основных и кислых оксидов, содержание углерода, водорода и серы.
Разработка инженерной методики расчета регенеративных горелок является необходимым элементом развития научных основ повышения эффективности использования энергетических ресурсов. Известные методики не учитывают все особенности процессов, протекающих в теплообменных насадках таких горелок, что снижает точность определения их конструктивных и технологических параметров. В статье за основу взята одна из известных инженерных методик и при помощи специально созданного цифрового двойника проведено ее уточнение. В рамках известной методики для выполнения расчета необходимо математическое описание законов изменения во времени температур дыма и воздуха на выходе из насадки. Установлено, что ранее выдвинутая гипотеза об экспоненциальном законе изменения температуры дыма на выходе их насадки не всегда выполняется и для его описания следует использовать логарифмический закон. Для температуры воздуха доказана возможность использования предложенного в известной методике экспоненциального закона изменения температуры. Намечено направление дальнейших исследований, заключающееся в необходимости составления критериальных уравнений, устанавливающих зависимость безразмерных параметров законов изменения температуры дыма и воздуха на выходе из насадки в течение соответствующих фаз от критериев подобия, характеризующих процесс.
В статье рассматривается проблема оптимизации затрат на электроэнергию для потребителей III и IV ценовых категорий розничного рынка в России. Стоимость электроэнергии для таких потребителей включает плату за электроэнергию с учетом почасового тарифа и плату за мощность, зависящей от средней мощности в часы максимального совокупного потребления в регионе. Информация о почасовых тарифах и часах максимального совокупного потребления в регионе становится известной только после завершения расчетного периода, что не позволяет потребителю точно прогнозировать стоимость электроэнергии. С целью снижения расходов на электроэнергию предложено дополнить традиционную систему электроснабжения накопителем электроэнергии, управление режимом работы которого производится контроллером, установленным у потребителя. Контроллер обеспечивает заряд накопителя в периоды низкой стоимости электроэнергии и его разряд в часы пиковых нагрузок и высоких цен, снижая потребление из сети и, соответственно, затраты предприятия. Для прогнозирования почасовых цен на электроэнергию применена рекуррентная нейронная сеть на базе LSTM, показавшая высокую точность предсказания ценовых трендов и пиковых значений. Однако попытки спрогнозировать часы максимального совокупного потребления оказались неэффективными из-за отсутствия устойчивой периодичности. В связи с этим предложено использовать статистически наиболее вероятное значение часа максимального потребления. Разработан алгоритм управления накопителем энергии, учитывающий прогноз цены и фиксированное значение часа максимального потребления. Алгоритм реализует стратегию зарядки накопителя в периоды низких цен и разрядки в пиковые часы. На примере торгово-развлекательного центра показана эффективность предложенного подхода: применение алгоритма позволило снизить среднюю мощность в пиковые часы почти вдвое (с 290 кВт до 140 кВт) и уменьшить суммарные затраты на электроэнергию на 15,3 %. Полученные результаты демонстрируют перспективность интеграции систем накопления энергии с интеллектуальными методами прогнозирования для задач энергосбережения и управления нагрузкой.
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.
В статье рассмотрена схема параллельного питания потребителей постоянного тока от фото-электрического модуля и централизованной сети. Рассмотрены факторы окружающей среды, влияющие на максимальную мощность фотоэлектрического модуля и эффективность работы системы в целом. Установлена связь между уровнем базового напряжения схемы параллельного питания потребителей с эффективностью отбора мощности от фотоэлектрического модуля. Проведен расчет параметров системы для усредненного модуля бытового типа. Установлено, что при использовании предложенной методики расчета снижение мощности в зимний период составит не более 6 %, а в летний период – не более 7 % относительно максимальной мощности фотоэлектрического модуля в соответствующий период.
В работе исследована работоспособность системы бесконтактного контроля функционирования воздушных линий среднего напряжения, предназначенной для детектирования однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) по сигналам электромагнитного поля линии. Система включает два независимых измерительных канала: бесконтактные индуктивные датчики (регистрация магнитной составляющей поля) и бесконтактные емкостные датчики (регистрация электрической составляющей поля), а также программный алгоритм, выделяющий момент изменения режима по изменению энергии основной гармоники в сигналах датчиков. Экспериментальная проверка выполнена на лабораторной установке, моделирующей трехфазную воздушную линию с изолированной нейтралью. Показано, что ухудшение качества электроэнергии (рост THD по токам с 2,6–3,0% до 8,6–10,7%) сопровождается резким снижением доли мощности 50 Гц в сигналах датчиков (с ~35% до ~0,45%), что приводит к уменьшению числа срабатывающих датчиков и увеличению временной ошибки детекции. Вместе с тем в части опытов при низком качестве электроэнергии система сохраняет корректную детекцию моментов возникновения и отключения ОЗЗ, что подтверждает принципиальную применимость бесконтактного мониторинга в условиях нестационарной и несинусоидальной электрической среды и задает направления дальнейшего повышения устойчивости алгоритмов обработки.
