Purpose. Development and investigation of a method for estimating the three-phase voltage unbalance index based on linear regression to improve the responsiveness of power quality control. The application of a linear relationship between the maximum radius of the space vector and the unbalance magnitude aims to ensure high computational speed (up to 10 ms) while maintaining acceptable accuracy. Methodology. To achieve the goal, the space vector theory was used to analyze three-phase systems in the time domain. Methods of mathematical statistics and linear regression (least squares method) were applied to establish a correlation between the geometric parameters of the space vector locus (Rmax) and the voltage unbalance factor (VUF). Computer modeling of various types of voltage sags was conducted to verify the proposed model. Findings. It was found that the linear regression model provides a high correlation (R2=0.985) between the Rmax parameter and the VUF index, which allows to describe adequately the state of system asymmetry. The main result is the reduction of the unbalance indicator estimation time to 10 ms (half a cycle of the power frequency), which is twice as fast as traditional methods based on the Fortescue transform. It is proven that for calculation by the proposed method, it is sufficient to know only the magnitudes of the line voltages without involving phase angles. Originality. For the first time, the possibility of using a linear regression model to determine the voltage unbalance index through the parameters of the space vector locus was substantiated. A stable mathematical relationship between the semi-major axis of the space vector ellipse and the unbalance factor was identified, allowing for the simplification of the mathematical monitoring model by avoiding complex symmetrical component decomposition. Practical value. The proposed method enables the implementation of real-time power quality monitoring in systems with limited local computational resources (microprocessor-based protection and automation devices). The achieved response speed (10 ms) is critical for the protection of power electronics and ensuring the stability of microgrids (Smart Grids) under rapid transient conditions. The results can be implemented into the algorithms of digital power quality analyzers.
Purpose. The purpose of the work is to develop a set of mathematical models of wheel-road interaction as a part of a comprehensive electric vehicle model suitable for studying acceleration, braking, cornering, load redistribution between axles and wheels, and for analyzing traction electric drive control algorithms under typical and near-limit driving conditions. Methodology. The research is based on theoretical mechanics, vehicle dynamics, electric drive theory, mathematical modelling, as well as empirical relationships describing tyre adhesion to the supporting surface. The Burckhardt empirical model is used to determine forces in the contact patch, while electric vehicle motion is described within a planar motion model that takes into account longitudinal and lateral load transfer, changes in normal reactions, and wheel slip. Findings. A consistent set of models has been formed that makes it possible to determine reactions in the wheel–road contact and to assess the influence of the adhesion coefficient, slip, vehicle speed, vertical load and control mode on electric vehicle behaviour. The model reproduces motion on dry, wet and slippery surfaces and allows analysis of traction loss, reduced controllability and deterioration in the implementation of traction or braking torque. It also makes it possible to compare the operating modes of the driving wheels, evaluate the system sensitivity to road parameters, and use the results for the synthesis of slip limitation, torque redistribution, and yaw stability algorithms. The results are suitable for defining test parameters, verifying control logic and making a preliminary assessment of system energy efficiency. Originality. The scientific novelty lies in integrating a wheel model, an empirical description of tire-road interaction, and a planar electric vehicle motion model into a unified mathematical framework suitable for studying individual wheel electric drive and limited-adhesion conditions. Practical value. The developed set of models can be used as a basis for a computational testing bench for studying traction control, anti-slip and anti-lock control, regenerative braking, and Smart Drive solutions for electric vehicles under different road operating conditions.
Purpose. Conducting a comprehensive research and analysis of the control characteristics and energy performance variations in electromechanical systems based on high-voltage wound-rotor induction motors with a fan-type load and pulse control in the rectified rotor current circuit, aimed at developing scientifically substantiated methods to improve their overall energy efficiency and minimize power losses in steady-state and transient operating modes. Methodology. The theoretical studies are based on the fundamental principles of electrical circuit theory, the theory of electrical machines and automated electric drives, as well as the equations of mathematical physics to describe electromechanical energy conversion processes in high-voltage wound-rotor induction motors, utilizing computer simulation, numerical methods, interpolation, and function approximation. Findings. The electromagnetic and energy processes of an electromechanical system with a fan-type load have been investigated, taking into account the variable aerodynamic parameters of the mine ventilation network. The proposed electromechanical system, featuring pulse control in the rectified rotor current circuit, exhibits pronounced adaptive properties. It demonstrates high robustness and the ability to precisely mitigate any stochastic disturbances in the aerodynamic load. Concurrently, it maintains the stability and reliability of the induction motor's speed control, thereby sustaining stable ventilation of the mine workings even under conditions of a critically reduced switching frequency of the converter switches. It has been established that during speed regulation within the slip range of s = 0.5÷ snom, the system's power factor increases to 0.80–0.93 and its efficiency reaches 92.5–94.5%, which exceeds the performance of an unregulated electric drive by 0.25 and 40%, respectively. Originality. The principles of designing energy-efficient control systems for fan installations have been further developed. It has been proven that the application of pulse control in electromechanical systems with fan loads and variable network aerodynamics not only stabilizes operational processes but also significantly increases the overall power factor (up to 0.80–0.93) and system efficiency at reduced rotor speeds of the induction motor. Practical value. The practical value of the study lies in demonstrating the economic and technical feasibility of implementing pulse control systems for high-voltage induction motors integrated into electromechanical systems for industrial fan installations. The application of such electromechanical systems at operating industrial facilities allows not only to ensure a precise response of the fan unit to changes in the aerodynamic resistance of the network, but also to improve significantly the energy performance of the enterprise, as well as to extend the maintenance interval of expensive high-voltage motors.
Purpose. A study of a method for non-contact diagnosis of induction motors through the analysis of vibration signals. This will enable the timely detection of defects that arise in their early stages during operation without disassembling the equipment. This will improve methods for diagnosing induction motors, thereby enhancing the reliability and safety of their operation. Methodology. Frequency analysis of vibration signals using fast Fourier transform to extract diagnostic features in the time and frequency domains. Findings. The study established a high sensitivity of the vibration characteristics of asynchronous electric motors to typical defects (rotor eccentricity, rod breakage, bearing damage, mechanical imbalance, shaft misalignment, and stator winding weakening). It was shown that a complex frequency analysis using the fast Fourier transform allows detecting signs of defects much earlier than periodic static monitoring. The vibration spectrum clearly shows side slip bands, bearing defect frequencies, amplification of the first harmonic of rotation, and components at power supply frequencies. The proposed non-contact method has high practical applicability for monitoring the technical condition of motors in industrial conditions. Originality. The scientific novelty of the research lies in improving the approach to diagnosing electric motors through a comprehensive analysis of vibration characteristics in the time and frequency domains, which allows increasing the reliability of detecting defects at the early stages of their development. Practical value. The results obtained can be used for the implementation of vibration monitoring systems for the technical condition of electric motors in industrial conditions. The proposed approaches to the analysis of vibration characteristics make it possible to perform early diagnosis of typical defects, reduce the risk of emergency failures and optimize the planning of maintenance and repair of electric machines. The materials of the work can be used during the development of software for diagnostic systems, as well as in the educational process for the training of specialists in electromechanics and power engineering.
Мета роботи. Розробка та дослідження методу оцінки індексу дисбалансу трифазної напруги на основі лінійної регресії для підвищення оперативності контролю якості електроенергії. Застосування лінійного співвідношення між максимальним радіусом просторового вектору та величиною дисбалансу має на меті забезпечити високу швидкість обчислень (до 10 мс) при збереженні прийнятної точності. Методи дослідження. Для досягнення мети використано теорію просторового вектору для аналізу трифазних систем у часовій області. Застосовано методи математичної статистики та лінійної регресії (метод найменших квадратів) для встановлення кореляційної залежності між геометричними параметрами годографа просторового вектору (Rmax) та індексом дисбалансу напруги (VUF). Проведено комп'ютерне моделювання різних типів провалів напруги для верифікації запропонованої моделі. Отримані результати. Встановлено, що модель лінійної регресії забезпечує високу кореляцію (R2=0,985) між параметром Rmax та індексом VUF, що дозволяє адекватно описувати стан асиметрії системи. Головним результатом є скорочення часу оцінки показників небалансу до 10 мс (пів циклу промислової частоти), що у два рази швидше за традиційні методи на основі перетворення Фортеск'ю. Доведено, що для розрахунку за пропонованим методом достатньо знати лише величини лінійних напруг без залучення фазових кутів. Наукова новизна. Вперше обґрунтовано можливість використання лінійної регресійної моделі для визначення індексу дисбалансу напруги через параметри годографа просторового вектору. Виявлено стабільний характер математичного зв'язку між максимальною напіввіссю еліпса просторового вектору та коефіцієнтом несиметрії, що дозволяє спростити математичну модель моніторингу за рахунок відмови від складного розкладання на симетричні складові. Практична цінність. Запропонований метод дозволяє реалізувати моніторинг якості електропостачання в реальному часі в системах з обмеженими обчислювальними ресурсами (мікропроцесорні пристрої захисту та автоматики). Отримана швидкість реакції (10 мс) є критичною для захисту силової електроніки та забезпечення стійкості мікромереж (Smart Grids) в умовах швидких перехідних процесів. Результати можуть бути впроваджені в алгоритми цифрових аналізаторів якості енергії.
Мета роботи. Метою роботи є розроблення комплексу математичних моделей взаємодії колеса з дорожнім покриттям у складі комплексної моделі електромобіля для дослідження розгону, гальмування, повороту, перерозподілу навантажень між осями і колесами та аналізу ефективності алгоритмів керування тяговим електроприводом у типових і граничних режимах руху. Методи дослідження. Використано положення теоретичної механіки, динаміки транспортних засобів, теорії електропривода, математичного моделювання, а також емпіричні залежності для опису зчеплення шини з опорною поверхнею. Для визначення сил у плямі контакту застосовано емпіричну модель Буркгардта, а рух електромобіля описано в межах моделі плоского руху з урахуванням поздовжнього і поперечного перенесення навантаження, зміни нормальних реакцій та ковзання коліс. Отримані результати. Сформовано узгоджений комплекс моделей, який дає змогу визначати реакції в контакті колеса з дорогою та оцінювати вплив коефіцієнта зчеплення, буксування, швидкості руху, вертикального навантаження і режиму керування на поведінку електромобіля. Показано можливість відтворення руху на сухому, вологому та слизькому покритті й аналізу умов втрати зчеплення, зниження керованості та погіршення реалізації тягового або гальмівного моменту. Модель дає змогу порівнювати режими роботи ведучих коліс, оцінювати чутливість системи до параметрів дороги та використовувати результати для синтезу алгоритмів обмеження проковзування, перерозподілу моментів і підвищення курсової стійкості. Результати придатні для формування параметрів подальших досліджень, перевірки логіки керування та попередньої оцінки енергетичної ефективності системи. Наукова новизна. Наукова новизна полягає в інтеграції моделі колеса, емпіричного опису шинно-дорожньої взаємодії та моделі плоского руху електромобіля в єдину узгоджену математичну схему, придатну для дослідження індивідуального електропривода коліс і режимів обмеженого зчеплення. Практична цінність. Практична цінність полягає у можливості використання розробленого комплексу моделей як основи для створення розрахунково-випробувального стенда дослідження систем керування тягою, антибуксувального й антиблокувального керування, рекуперативного гальмування та рішень Smart Drive для електромобілів у різних дорожніх умовах експлуатації.
Purpose of the work. Development of a new approach to compiling an algorithm for calculating static and dynamic magnetic fields using the contour magnetic flux method with implementation in the form of a set of computer programs. Research methods. Numerical methods for integrating ordinary differential equations, matrix methods, computer programming, theory of electric and magnetic circuits, Matlab system. Results obtained. The paper proposes a new approach to calculating static and dynamic magnetic fields using the contour magnetic flux method. Based on the proposed method, an algorithm and a computer program for modeling static magnetic fields in a ferromagnetic core are developed and explained. An algorithm and a computer program for modeling dynamic magnetic fields in a ferromagnetic core and current in a coil are also developed and explained. This method has the following advantages over existing methods: simplicity, accessibility and openness. To understand this method, all you need is a basic understanding of the theoretical foundations of electrical engineering at the second-year level of a technical university. Computer programs that implement the proposed method have been developed and made freely available. No license is required to use the program. Scientific novelty..A new approach to calculating static and dynamic magnetic fields using the contour magnetic flux method is proposed. The proposed method allows analyzing the change in time of currents in a coil with a ferromagnetic core, as well as magnetic fluxes in different parts of the magnetic circuit. Practical value. Based on the proposed method, an algorithm and a computer program for calculating magnetic fields in static mode in all parts of the magnetic circuit on which a coil with a given current is installed have been developed and explained. Based on the proposed method, an algorithm and a computer program for the transient process in a coil with a ferromagnetic core have also been developed and explained. This program is publicly available. It can be used in the educational process without a license. The simplicity of the method allows this method to be included in the course of theoretical foundations of electrical engineering at technical universities.
Purpose. Research of energy costs for maintaining the balanced state of raw materials in a biogas reactor using mechanical mixers with the aim of choosing an energy-efficient design of a mechanical mixer. Methodology. Comparative analysis and use of mathematical modeling methods to determine the amount of energy spent on mixing, generalization of the results obtained. Findings. The formation of a modern and balanced energy system consists in introducing renewable energy systems into its composition, including biogas technologies. The energy efficiency of biogas technologies depends on the amount of energy spent on supporting anaerobic digestion. This factor is one of the main ones when investors consider financing opportunities for projects related to the construction or modernization of biogas technologies. One of the main means of intensification of anaerobic digestion is maintaining the temperature of the raw material within the specified limits and a balanced state of the raw material in the volume of the biogas reactor, which is achieved by mixing. The most rational ways to increase the energy efficiency of mixing are to establish the dependence of energy consumption by mechanical mixing devices, to choose a rational type of mixer, which includes the search for rational mass-dimensional characteristics that ensure uniform flows of raw material in the biogas reactor and at the same time spend the least amount of energy for mixing. The above actions ensure the determination of rational mass-dimensional characteristics of the mixer, which significantly reduces energy consumption for mixing and increases the profitability of introducing biogas technologies into the energy system. Originality. The authors have derived criterion equations that allow mathematically determining the change in the power consumption of the electric drive from the frequency of rotation of the shaft of mechanical mixers. Analytical dependencies between the power consumption of the electric drive and the frequency of rotation of the shaft of mechanical mixers for biogas reactors have been established, which take into account the rheological properties of the substrate. Graphical dependencies of the change in the power consumption from the frequency of rotation of the working body of mechanical mixers for biogas reactors of cylindrical shape have been obtained. Practical value. The results obtained in the work allow calculating the amount of energy consumed mathematically, without conducting additional experimental studies, which significantly reduces financial costs and time for designing raw material mixing systems in biogas reactors. The direction of further research has been established regarding the consumption of reactive power by electric motors during the technological cycle of the mixer, which will allow determining the pattern of changes in reactive power consumption and outlining the directions of movement towards its reduction.
Мета роботи. Дослідження способу безконтактного діагностування асинхронних двигунів шляхом аналізу вібраційних сигналів. Це дозволить своєчасно виявляти дефекти, що виникають на ранній стадії прояву у процесі експлуатації без розбирання обладнання. Це дозволить удосконалити методи діагностики асинхронних двигунів для підвищення надійності та безпеки їх експлуатації. Методи дослідження. Частотний аналіз вібраційних сигналів з використанням швидкого перетворення Фур’є для виділення діагностичних ознак у часовій та частотній областях. Отримані результати. У ході дослідження встановлено високу чутливість вібраційних характеристик асинхронних електродвигунів до типових дефектів (ексцентриситет ротора, обриви стрижнів, пошкодження підшипників, механічний дисбаланс, порушення центрування валів та ослаблення обмоток статора). Показано, що комплексний частотний аналіз з використанням швидкого перетворення Фур’є дозволяє виявляти ознаки дефектів значно раніше, ніж періодичний статичний моніторинг. У спектрі вібрації чітко проявляються бічні смуги ковзання, частоти дефектів підшипників, посилення першої гармоніки обертання та складові на частотах живлення. Запропонований безконтактний метод має високу практичну придатність для моніторингу технічного стану двигунів у промислових умовах. Наукова новизна. Наукова новизна дослідження полягає в вдосконаленні підходу до діагностування електричних двигунів шляхом комплексного аналізу вібраційних характеристик у часовій та частотній областях, що дозволяє підвищити достовірність виявлення дефектів на ранніх стадіях їх розвитку. Практична цінність. Отримані результати можуть бути використані для впровадження систем вібраційного моніторингу технічного стану електричних двигунів у промислових умовах. Запропоновані підходи до аналізу вібраційних характеристик дають змогу здійснювати ранню діагностику типових дефектів, зменшувати ризик аварійних відмов та оптимізувати планування технічного обслуговування і ремонту електричних машин. Матеріали роботи можуть бути використані під час розроблення програмного забезпечення діагностичних систем, а також у навчальному процесі при підготовці фахівців з електромеханіки та енергетики.
Purpose. To quantitatively estimate the contribution of the surrounding-medium parameters to the magnetic flux density of a three-phase 110 kV air-insulated transmission line installed inside an underground tunnel, and to clarify whether such parameters must be included in routine engineering magnetic-field assessments. Methodology. Numerical quasi-stationary simulation of the magnetic field at industrial frequency was carried out for a symmetric three-phase system of AC-240/32 conductors loaded with 500 A. The computational domain was decomposed into five characteristic horizontal layers extending from the open air above the ground surface to the very plane of the phase wires. Two parametric series were performed: in the first the soil resistivity was scanned from 50 to 1000 Ω·m at a fixed wall thickness; in the second the concrete-wall thickness was varied from 250 to 500 mm at a fixed soil resistivity of 70 Ω·m. Findings. Within the studied envelope of parameters neither the resistivity of the soil nor the thickness of the concrete wall measurably alters the magnetic flux density either at the control point or inside any of the analyzed layers. The configuration of the field is governed almost exclusively by the magnitude of the phase current and by the geometry of the conductor cluster. At the reference point the peak flux density is approximately 1.5 μT and is reached at phase angles of about 115° and 295°; the value rises to roughly 2.27 μT at the ground surface, to about 8 μT on the upper outer face of the tunnel and exceeds 10 μT on its inner face, while pronounced local maxima are observed in the immediate vicinity of the individual phase wires. Originality. A systematic quantitative demonstration is provided that for a 110 kV underground concrete collector in typical urban operating conditions the soil and the reinforced-concrete envelope contribute negligibly to magnetic-field attenuation at 50 Hz. The widespread informal design assumption about the natural shielding role of these media is therefore not supported within the considered ranges of parameters. Practical value. The reported results allow designers to omit detailed soil and concrete characterization from preliminary magnetic-field calculations above underground collectors and to instead direct mitigation efforts toward optimization of phase-conductor geometry or toward dedicated active and passive shielding solutions, the only practically effective routes to a noticeable reduction of magnetic flux density in compact underground transmission infrastructure.
Purpose. The purpose of this work is to develop and experimentally validate a cursor-based method for measuring capacitance and resistance in an RC circuit using a digital oscilloscope. The study focuses on determining circuit parameters through the time constant extracted from transient response waveforms. Methodology. The research is based on analytical modeling of an RC circuit using step-response theory and Heaviside unit step functions. The transient response to a rectangular input pulse is mathematically described, and the time constant (τ = RC) is determined from characteristic waveform levels (63.2% during charging and 36.8% during discharging). Experimental validation is carried out using a pulse generator, a digital oscilloscope, and a test RC circuit. The cursor measurement technique is applied directly to oscilloscope waveforms to extract time-domain parameters without additional computational processing. Findings. The study demonstrates that the proposed method enables accurate determination of circuit parameters. For a test circuit with R = 1 kΩ and C = 1 μF, the measured time constant τ = 1 ms coincides with the theoretical value. The method provides reliable results when the input pulse duration is selected appropriately (3–5 times the rise time). Experimental waveforms show strong agreement with theoretical predictions, confirming the correctness and stability of the approach. Originality. The originality of the work lies in the development of a simple and practical cursor-based technique for parameter extraction directly from oscilloscope displays without complex data processing. Unlike traditional measurement methods, the proposed approach emphasizes real-time visual determination of electrical parameters using transient response characteristics. Practical value. The method is easy to implement using standard laboratory equipment and does not require specialized measurement instruments such as LCR meters. It is particularly useful for educational laboratories, engineering practice, and rapid diagnostics of electronic circuits, offering high accuracy due to precise time measurements of modern oscilloscopes.
Мета роботи. Проведення комплексного дослідження та аналізу регулювальних властивостей і закономірностей зміни енергетичних показників електромеханічних систем з імпульсним регулюванням в колі випрямленого струму ротора на базі високовольтних асинхронних двигунів із фазним ротором з вентиляторним характером навантаження для розробки науково обґрунтованих методів підвищення їхньої загальної енергоефективності та мінімізації втрат потужності в усталених і перехідних режимах роботи. Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на фундаментальних положеннях теорії електричних кіл, теорії електричних машин та автоматизованого електроприводу, та рівняннях математичної фізики для опису процесів електромеханічного перетворення енергії у високовольтних асинхронних двигунах із фазним ротором, застосуванням методів комп'ютерного моделювання, чисельних методів, інтерполяції, апроксимації функцій. Отримані результати. Досліджено електромагнітні та енергетичні процеси електромеханічної з вентиляторним характером навантаження з урахуванням змінних аеродинамічних параметрів шахтної вентиляційної магістралі. Запропонована електромеханічна система з імпульсним регулюванням в колі випрямленого струму ротора виявляє яскраво виражені адаптивні властивості. Вона демонструє високу робастність і здатність до прецизійного нівелювання будь-яких стохастичних збурень аеродинамічного навантаження, зберігаючи при цьому стійкість і надійність регулювання швидкості обертання асинхронного двигуна, тим самим підтримуючи стабільність провітрювання шахтних виробок навіть за умов критично заниженої частоти комутації вентилів перетворювача. Встановлено, що при регулюванні швидкості в діапазоні ковзань s = 0,5 ÷sном досягається підвищення коефіцієнта потужності системи до 0,80–0,93 та ККД до 92,5–94,5 %, що перевершує показники нерегульованого електропривода на 0,25 та 40 % відповідно. Наукова новизна. Набув подальшого розвитку принципи побудови енергоефективних систем керування вентиляторних установок. Доведено, що застосування імпульсного регулювання електромеханічних систем з вентиляторних навантаженнях зі змінною аеродинамікою мережі дозволяє не лише стабілізувати робочі процеси, але й суттєво підвищити загальний коефіцієнт потужності (до 0,80–0,93) та ККД системи на знижених швидкостях обертання ротора асинхронного двигуна. Практична цінність. Практична цінність роботи полягає у доведенні економічної та технічної доцільності впровадження систем імпульсного керування високовольтними асинхронними двигунами, які входять до структури електромеханічних систем для промислових вентиляторних установок. Використання таких електромеханічних систем на діючих промислових об'єктах дає змогу не лише забезпечити точне реагування вентиляційної установки на зміну аеродинамічного опору мережі, але й кардинально покращити енергетичні показники підприємства, а також подовжити міжремонтний інтервал дороговартісних високовольтних двигунів.
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.
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.
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.
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 Mc =0,5Mн. 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.
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.
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.
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 µr=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 µr=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.
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.
