Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Проблеми удосконалювання електричних машин i апаратiв. Теорiя i практика

Стратегія керування трифазним вібраційним лінійним двигуном на основі оцінки зворотної електрорушійної сили

2025-12-17T14:13:03+02:00

Сучасна промисловість вимагає високоточного керування вібраційними електромеханічними системами, які широко використовуються в багатьох галузях. Змінні режими навантаження потребують від приводу хороших регулювальних властивостей зі збереженням необхідних енергетичних параметрів технологічного процесу. У представленій роботі обґрунтовано стратегію керування трифазним вібраційним лінійним двигуном на основі оцінки зворотної електрорушійної сили, що забезпечує покращення його регулювальних властивостей завдяки збільшенню амплітуди механічних коливань. Проведено дослідження роботи системи керування двигуном за допомогою мультифізичної моделі, що суміщає розрахунок електричного та магнітного кіл, а також визначення закону руху бігуна залежно від прикладених до ного сил. Еквівалентна механічна схема представлена зосередженою масою, що здійснює коливання відносно положення механічної рівноваги під дією електромагнітної сили двигуна. Відновлювальні та дисипативні сили представлені через відповідні коефіцієнти жорсткості пружної підвіски та в’язкого тертя. Силова характеристика навантаження подана сумою пружної складової, пропорційної до переміщення бігуна, та сили в’язкого тертя, пропорційної його швидкості. Розв’язання даної задачі здійснювалося методом скінченних елементів в осесиметричній постановці, із застосуванням рухомого типу розрахункової сітки, на підставі рівнянь квазістаціонарного магнітного поля в часовій області. Проведено моделювання роботи системи керування у двох режимах – із прямокутною і синусоїдною модуляцією, та розраховано електромеханічні процеси двигуна в усталеному режимі роботи.

Пристрій для контролю якості міжлистової ізоляції шихтованого магнітопроводу високочастотним індукційним методом

2025-12-17T14:46:00+02:00

У роботі проведено розробку пристрою для контролю якості міжлистової ізоляції шихтованого магнітопроводу високочастотним індукційним методом. Актуальність дослідження зумовлена тим, що деградація ізоляції між окремими листами електротехнічної сталі призводить до зростання вихрових струмів, підвищення втрат в ньому та перегріву осердя обмотки, що істотно впливає на енергетичні показники та надійність електричних машин. Запропонований підхід базується на індукційному методі збудження магнітного поля високої частоти та вимірюванні параметрів напруги у випробуваному магнітопроводі. Для реалізації методу створено експериментальний пристрій, на основі мікроконтролеру Arduino. Особливістю пристрою є можливість змінювати частоту та амплітуду в обмотці збудження, що дозволяє проводити оцінку величини вихрових струмів в магнітному осерді на характер індукованої напруги вимірювальної обмотки. Розроблена система керування пристрою забезпечує високу повторюваність експериментів, автоматизацію вимірювального процесу та можливість інтеграції з комп’ютерною системою збору даних. Проведені експерименти показали, що зміна амплітуди сигналу вимірювальної обмотки корелює зі станом міжлистової ізоляції, що дозволяє здійснювати швидку діагностику без руйнівного контролю. Розроблений пристрій може бути використаний для контролю якості електротехнічної сталі під час виробництва магнітопроводів трансформаторів та електричних машин. Отримані результати відкривають перспективи подальшого вдосконалення систем неруйнівного контролю із застосуванням інтелектуальних методів аналізу сигналів та автоматизованої класифікації станів ізоляції.

Електромеханічний перетворювач спеціальної конструкції для низькопотенціальних механічних систем

2025-12-17T21:11:03+02:00

У статті розглянуто конструкцію та принцип дії електромеханічного перетворювача спеціального призначення, призначеного для роботи в умовах низькопотенціальних механічних систем, де традиційні генератори є малоефективними. Розроблено тривимірну польову математичну модель, що використовується для оцінки розподілу електромагнітного поля та зусиль досліджуваного генератора. Представлено результати моделювання магнітного поля та аналізу розподілу електромагнітних зусиль у робочій зоні пристрою. Основну увагу приділено впливу геометричних параметрів і магнітних властивостей матеріалів на формування основного магнітного потоку, його замикання та ефективність перетворення енергії. Встановлено, що регулювання параметрів, таких як відстань між магнітом і феромагнітним елементом, товщина та магнітна проникність останнього, дозволяє керувати рівнем магнітного насичення і втратами в повітряному проміжку, що безпосередньо впливає на щільність потужності й ККД генератора. Проведений аналіз підтвердив можливість ефективного застосування розробленого перетворювача в автономних і мобільних системах електроживлення, зокрема в установках із низькою швидкістю обертання вітрових турбін, системах рекуперації енергії та сенсорних пристроях. Запропонована конструкція відрізняється простотою реалізації, компактністю та відсутністю складних рухомих частин, що в перспективі підвищує її надійність і довговічність. Отримані результати створюють підґрунтя для подальшого вдосконалення магнітної системи та оптимізації параметрів для підвищення ефективності енергоперетворення в низькопотенційних енергетичних режимах.

Огляд типових конструкцій лінійних генераторів з постійними магнітами для використання у хвильових електростанціях

2025-12-19T11:34:52+02:00

Вступ. Зростання потреби в екологічно чистій та стабільній електроенергії стимулює розвиток нових відновлюваних джерел енергії, серед яких хвильова енергетика вирізняється високою щільністю енергії та потенціалом покриття суттєвої частки світового енергоспоживання. Одним із найперспективніших технічних рішень для перетворення енергії морських хвиль є системи прямого приводу на основі лінійних генераторів із постійними магнітами, що дозволяють уникнути складних механічних трансмісій і зменшують експлуатаційні витрати. Мета. Метою статті є огляд типових конструкцій лінійних генераторів з постійними магнітами, що застосовуються в хвильових електростанціях, та визначення їх ключових переваг, недоліків і перспектив розвитку. Методи. Дослідження виконано у вигляді огляду сучасних наукових праць та технічних рішень, присвячених будові та особливостям роботи лінійних генераторів у системах хвильової енергетики. Результати. Проаналізовано основні конструктивні різновиди лінійних генераторів, зокрема циліндричні та плоскі топології, різні схеми розташування постійних магнітів - заглиблених, поверхневих та масивів Халбаха - а також варіанти застосування залізного та повітряного осердя. Окремо розглянуто машини з поздовжнім та поперечним напрямком магнітного потоку; наведено їхні порівняльні характеристики. Висновки. Огляд показав, що для підвищення ефективності та надійності хвильових електростанцій найбільш перспективними напрямами подальших досліджень є вдосконалення конструкцій лінійних генераторів поперечного потоку, що дає змогу мінімізувати механічні навантаження та збільшити коефіцієнт корисної дії установки.

Моделювання електричних і магнітних перехідних процесів у системі з індуктором і статором електричних машин змінного струму

2025-12-19T11:43:55+02:00

Зроблено короткий огляд питання діагностування стану ізоляційної конструкції електричних машин з розподіленим обмотками класичної конструкції. Наведено обґрунтування та актуальність розробки і впровадження нових інноваційних методів діагностики і випробувань. Запропонований метод має суттєві діагностичні ознаки, яких немає у інших використовуваних на сьогодні методах. Основною відмінністю є створення високих випробувальних перенапруг шляхом швидкої зміни магнітних потоків в індукційно пов’язаних контурах один з яких виносний датчик-індуктор, а другий – частина магнітопроводу з дефектною або бездефектною обмоткою. Запропоновано просту і зручну схему проведення випробувань, яку можна реалізувати відповідною вимірювальною апаратурою. Проведено комплекс теоретичних і експериментальних досліджень системи індуктор–статор з обмоткою за допомогою програмного пакету MATLAB/Simulink та польовим методом у двовимірній постановці задачі у програмному пакеті COMSOL Multiphysics. Також проведено експериментальні дослідження на реальному зразку у вигляді статора малопотужного асинхронного двигуна загального призначення із всипною обмоткою за допомогою розробленої випробувальної схеми та приладу. Теоретичні та експериментальні дослідження мають достатню збіжність результатів для інженерних цілей. Теоретично та експериментального обґрунтована можливість отримання випробувальних перенапруг більше 100 В на виток при низьких енергетичних впливах на дефектні зони, що забезпечує мінімальний руйнівний ефект під час діагностики. Отримано ґрунтовні результати для подальших досліджень та розвитку напрямку діагностування стану ізоляції індукційними імпульсними методами. Показано, що запропонований метод буде корисним при діагностуванні стану ізоляції обмоток електричних машин в розібраному стані в процесі виробництва і ремонту.

Розрахунок струмів коротких замикань на приєднаннях знижувальної підстанції 110/35/10 кВ

2025-12-19T12:09:23+02:00

Стаття присвячена комплексному аналізу та методиці розрахунку струмів коротких замикань (КЗ) на приєднаннях знижувальної підстанції 110/35/10 кВ, що є критично важливим елементом забезпечення надійності та сталості роботи розподільних електричних мереж. У роботі обґрунтовано актуальність дослідження з огляду на зростання навантажень, впровадження сучасного комутаційного обладнання, появу розосереджених джерел енергії та необхідність точного вибору апаратів, чутливих до параметрів КЗ. Показано, що для знижувальних підстанцій зі складною конфігурацією шин і декількома силовими трансформаторами величина струмів КЗ істотно залежить від схеми мережі, типу з’єднання обмоток трансформатора, параметрів джерела живлення на стороні 110 кВ, а також реактивних опорів ліній та трансформаторів. Висвітлено методики визначення діючого значення періодичної складової струму КЗ, аперіодичної складової, ударного струму (імпульсного пікового значення), а також тривалості аперіодичної складової з урахуванням постійної часу. Результати дослідження дозволяють сформувати рекомендації щодо оптимального вибору комутаційного обладнання, підвищення чутливості релейного захисту, забезпечення термічної та електродинамічної стійкості струмопровідних частин, а також щодо підвищення загальної надійності розподільчих мереж.

Особливості розв’язання електромеханічних задач за допомогою рівнянь Лагранжа

2025-12-16T12:51:32+02:00

Вступ. В класичній теоретичній механіці та робототехніці для розрахунку складних механічних систем і отримання диференційних рівнянь руху широко застосовуються рівняння Лагранжа. Гіпотезу про можливість застосування рівнянь Лагранжа для розрахунку електромеханічних систем висунув ще Д. Максвелл у 1873 році на базі методу електромеханічної аналогії, яка дає можливість описувати взаємодію між рухом точок, твердих тіл, електричних та електромагнітних явищ. Завдяки своєї універсальності (використання узагальнених координат та узагальнених сил) метод має чітку послідовність дій. Мета та задачі. Розробка та апробація методики моделювання електромеханічних систем із використанням лагранжевого формалізму, що дозволить ефективно описувати їхню динаміку та проводити розрахунки для інженерних задач. Методи. Методи, що використовувались даній статі: чисельні методи розв’язання системи нелінійних рівнянь – метод кінцевих різниць четвертого порядку. Результати. Отримано диференційні рівняння розрахунку ІДМ (рушія Томсона) за допомогою рівнянь Лагранжа другого роду з урахуванням дискретної зміни швидкості системи під дією імпульсної сили. Виводи. Рівняння Лагранжа є потужним інструментом аналітичної механіки, що дозволяють формалізувати динаміку складних електромеханічних систем з урахуванням енергетичних взаємозв’язків. Проте застосування цього підходу до електромеханічних систем потребує його адаптації та врахування специфіки фізичних процесів зіткнення, якщо такі відбуваються. Результати розрахунку ІДМ (рушія Томсона) за допомогою рівнянь Лагранжа, які отримані в даній статті, досить точно співпадають з очікуваними результатами (закон збереження імпульсу системи та величині втрати кінетичною енергії при не пружному зіткненні)

Особливості функціонування та практичного застосування вакуумних реклоузерів середньої напруги 6–35 кВ

2025-12-16T21:32:35+02:00

Вступ. Розглянуто технічні та експлуатаційні особливості вакуумних реклоузерів середньої напруги, що застосовуються в розподільних електричних мережах напругою 6–35 кВ. Проблема. Більшій частині тривалих відключень електроенергії можна запобігти за рахунок застосування апаратних засобів із функцією багатократного автоматичного повторного включення. Однак, існуючі на сьогоднішній день в розподільних мережах застарілі як морально, так і фізично апарати не дозволяють виконувати таку функції. Застаріле обладнання існуючих підстанцій і мереж є причиною значних витрат при передачі електроенергії. Застосування комутаційних електричних апаратів нового покоління таких як вакуумні реклоузери дозволяє зменшити тривалість перерв в електропостачанні. Мета. Аналіз технічних характеристик та особливостей застосування сучасних вакуумних реклоузерів у розподільних електромережах середньої напруги 6–35 кВ. Методика. За допомогою проведення аналітичних досліджень і критичного аналізу наявних джерел інформації встановлено особливості експлуатації вакуумних реклоузерів, проаналізовано їх функціональні можливості, технічні характеристики та схеми підключення. Результати. Проведено аналітичний огляд існуючих конструкцій вакуумних реклоузерів. Проаналізовано технічні характеристики та схеми підключення вакуумних реклоузерів. Встановлено особливості експлуатації вакуумних реклоузерів. Проаналізовано функціональні можливості релейного захисту та автоматики щодо управління вакуумними реклоузерами. Практична цінність. Застосування вакуумних реклоузерів у розподільних електричних мережах середньої напруги 6–35 кВ дозволяє підвищити надійність в електропостачанні за рахунок зниження недопостачання електроенергії, створити цілковито керовану електромережу із застосуванням технології Smart Grid, скоротити витрати на профілактичне обслуговування мережевого обладнання.

Особливості формування початкових параметрів для визначення показників надійності контактно-тиристорних перемикаючих пристроїв РПН

2025-12-16T21:44:34+02:00

У статті пропонуються технічні засоби та методичні матеріали для визначення початкових даних для оцінки основних показників експлуатаційної надійності тиристорного модулю, що комутує великі струми в умовах високих потенціалів і є одним з головних елементів пристрою перемикання під навантаженням силових трансформаторів. Крім того, таки електроапаратні конструкції можуть працювати у структурі різноманітних гібридних вимикачів та в якості силових блоків перетворювальної техніки у структурі систем електроспоживання енергоємних виробництв, тощо. Викладені технічні та методичні засоби дають можливість визначити часові та ймовірнісні показники реальної конструкції тиристорного модулю будь-якого структурного та схемного виконання з урахуванням міри та типу резервування напівпровідникових пристроїв, що його складають. На основі запропонованої методики створюється можливість визначити таки початкові характеристики, як параметри електричного навантаження згідно прикладеної напруги та струму, їх змінення внаслідок перерозподілу навантаження внаслідок змінення рівню резервування з урахуванням конструктивних особливостей як електричного апарату, так і режиму роботи тиристорного модулю. Запропонована методика у сукупності з пристроєм для експериментальних досліджень структури можливих відмов дозволяє здійснити оцінку головних початкових параметрів, що потрібні для визначення впливу конструктивних чинників (кількість напівпровідних приладів, принципу та глибини резервування, економічної складової, тощо) на головні показники експлуатаційної надійності тиристорних модулів різного призначення. Як приклад реалізації запропонованої методики розглянуто один із варіантів реальної конструкції тиристорного модуля в структурі перемикача під навантаженням, що експлуатується протягом тривалого періоду часу в складних умовах в мережі електроспоживання металургійного комплексу (зі збільшеною частотою комутацій, значними перепадами напруги та потужності тощо). Більш точне визначення ефективності запропонованої методики встановлення вихідних даних (тип та параметри теоретичного закону розподілу тощо) для визначення показників експлуатаційної надійності пристрою РПН враховуючи режим навантаження та особливості системи резервування, можна отримати шляхом проведення додаткових досліджень та експериментальних випробувань з використанням запропонованого пристрою для конкретної конструкції тиристорного модуля.

Самоадаптивна конденсаторна ізоляція для приглушення часткових розрядів у високовольтних системах: квантово-польовий підхід на основі RTV+ZNO-нанофольга

2025-12-17T09:56:44+02:00

Подано електрофізично коректне обґрунтування зниження інтенсивності часткових розрядів (ЧР) у конденсаторній ізоляції трансформаторів струму класу напруги 110-330 кВ шляхом інтеграції тонкого напівпровідного шару на основі RTV/епоксидного зв’язника з наповнювачем ZnO, нанесеного вздовж кромок перфорованих алюмінієвих манжет та фольгових обкладок. Розглянуто механізми керування крайовим електричним полем ∇E через розподілену RC-лінію з параметрами листового опору шару R_s (Ом/кв) та міжелектродної ємності ε₀ε/h_d, а також через нелінійну провідність межзернових границь ZnO (бар’єр Шотткі, ефект Пуля-Френкеля, тунельний перенос). Показано, що коректний добір R_s(50 Гц)=10⁸-10⁹ Ом/кв, товщини покриття δ=0,30-0,70 мм і довжини проклейки l_sp забезпечує експоненційне затухання крайової напруженості та підвищення напруги виникнення поверхневих ЧР відповідно до методики IEC 60270 та випробувальних приписів IEC 60060-1; наведено уніфіковані припущення для моделювання ЧР за еквівалентною схемою Ca-Cb-Cc і результати чисельних експериментів (Matlab/Simulink), узгоджені з IEEE Std 1434 (PD measurement). Зазначено, що внаслідок історичної еволюції станів пасток у ZnO та релаксації орієнтаційної поляризації RTV відбувається стабілізувальне електричне старіння: при повторенні 10³-10⁶ імпульсів ЧР локальна енергія W_pd і пікова напруженість у зоні кромки зменшуються на 35-50% без порушення граничних значень струму витоку і tgδ(f).

Експериментальне дослідження ефективності вимикача постійного струму з використанням схеми примусового гасіння дуги для тягових підстанцій

2025-12-17T13:46:27+02:00

Вступ. У статті розглядається проблема вимкнення великих індуктивних струмів при коротких замиканнях у тягових мережах постійного струму міського електротранспорту та метрополітену. Висока динамічність навантаження, зростання рівня коротких замикань та відсутність природного переходу струму через нуль суттєво ускладнюють гасіння електричної дуги постійного струму. Традиційні вимикачі часто демонструють недостатню швидкодію або знос контактів, що обумовлює потребу у застосуванні схем примусового дугогасіння. Мета. Метою роботи є експериментальне дослідження ефективності вимикача постійного струму зі схемою примусового гасіння дуги у режимах короткого замикання, визначених стандартом IEC 61992-2, а саме: режим максимальної амплітуди струму (f), режим максимальної енергії (e), режим дистанційного замикання (d). Методика. У роботі наведено принцип дії вимикача зі схемою LC-комутації, яка забезпечує створення зустрічного струму для гасіння дуги у вакуумній камері. Експериментальні випробування проведено в лабораторії IPH інституту (Берлін). Для кожного режиму наведено параметри живлення, осцилограми. Результати: Вимикач успішно пройшов серію випробувань, забезпечивши гарантоване вимкнення короткого замикання у всіх трьох режимах. Основні експериментальні показники: у режимі f: пік струму 71,8 kA, час вимикання 1,94 ms, перенапруга 1,95 kV; у режимі e: сталий струм короткого замикання 42,2 kA, час вимикання 4 ms, перенапруга 1,77 kV; у режимі d: сталий струм короткого замикання 8,14 kA, час вимикання 3,9 ms, перенапруга 1,47 kV. Практична цінність. Результати випробувань підтверджують надійну роботу схеми LC-комутації, стабільність нульового переходу струму у вакуумній камері. Можливість реального впровадження досліджуваного вимикача на тягових підстанціях міського електротранспорту та метро як більш швидкодіючого та надійного приладу комутації.

Асиметрія розподілу коваріацій як критерій взаємного впливу контрольних параметрів кабельних виробів

2025-12-19T12:47:54+02:00

Вступ. Якість та стабільність експлуатаційних параметрів кабельних виробів безпосередньо визначаються технологією їх виготовлення. Конструкція кабелю у поперечному перерізі складається з послідовно накладених шарів матеріалів з різними електрофізичними, механічними та тепловими характеристиками, що формуються в умовах безперервного технологічного процесу. Від точності цього процесу залежить дотримання параметрів поширення електромагнітного поля вздовж направляючої системи. Проблема. Технологічний процес виготовлення кабелів охоплює десятки контрольних параметрів, більшість із яких взаємопов’язані та не утворюють єдиного статистичного ансамблю. Це ускладнює застосування класичних методів контролю та виявлення відхилень, що можуть впливати на надійність кабельних жил. Виявлення сторонніх факторів впливу під час виробництва часто потребує більш чутливих і комплексних методів аналізу. Мета. Розробити підхід до оцінювання взаємного впливу двох ключових контрольних параметрів — електричного опору та маси пресованих алюмінієвих жил — та запропонувати індикатор для виявлення аномальних значень, що можуть впливати на якість і рекламаційний потенціал кабельних виробів. Методика. Для дослідження використано результати вимірювань алюмінієвих пресованих жил номінальним перерізом 240 мм² за тривалий технологічний період. Проведено математичний опис масивів вимірювань за допомогою двомірної функції розподілу вектора параметрів r (опір) та m (маса). Запропоновано аналіз асиметричності розподілу добутків центрованих значень , які є масивом поточних коваріацій, що відображають взаємний вплив параметрів. Результати. Застосування запропонованої методики дозволяє з високою чутливістю виявляти асиметричні, аномальні відхилення у взаємному впливі контрольних параметрів. Оцінка за формулою (10) забезпечує можливість своєчасно виявляти сторонні фактори у виробничому процесі, що впливають на стабільність електричного опору та маси кабельних жил. Практична цінність. Запропонований підхід може використовуватися для покращення технологічного контролю на кабельних заводах, дозволяючи підвищити точність виявлення аномалій, зменшити рекламаційний ризик, підвищити якість кабельної продукції та забезпечити стабільність параметрів направляючих систем у реальних умовах експлуатації.

Кабелі LSZH та сертифікація CPR/CPR2: сучасні стандарти пожежної безпеки та екологічності у критичній та громадській інфраструктурі

2025-12-19T14:58:46+02:00

Вступ. Пожежі в будівлях і транспортних об’єктах можуть виникати через конструктивні недоліки, дефекти обладнання або людську необережність. Надійність аварійних систем та енергопостачання критичних об’єктів залежить від якості кабелів, що їх забезпечують. Проблема. Традиційні ПВХ-кабелі при горінні виділяють густий дим і токсичні галогени, що ускладнює евакуацію людей і пошкоджує обладнання та конструкції. Необхідні безпечніші та екологічні альтернативи для громадських та критичних об’єктів. Мета. Дослідити властивості кабелів LSZH і сучасні стандарти сертифікації CPR/CPR2 для підвищення пожежної безпеки та надійності енергопостачання критичних і громадських об’єктів. Методика. Проведено аналіз стандартів EN 50575, EN 60754, EN 61034 та EN IEC 60332-3-24 і порівняння властивостей Low Smoke Zero Halogen та ПВХ кабелів за димовиділенням, токсичністю та корозійним впливом. Результати. LSZH кабелі мають низьке димовиділення, відсутність токсичних галогенів і мінімальний корозійний вплив. Вони забезпечують відповідність стандартам CPR/CPR2 і підвищують безпеку людей та надійність обладнання. Практична цінність. Використання Low Smoke Zero Halogen кабелів та сертифікованої кабельно-провідниковї продукції гарантує пожежну безпеку, збереження обладнання, відповідність європейським стандартам і надійність критичних об’єктів.

Діелектрична спектроскопія ізоляції силових кабелів із застосуванням осцилографічних методів

2025-12-19T19:22:03+02:00

Стаття присвячена аналізу інструментальних похибок вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат ізоляції силових кабелів при контролі її технічного стану із застосуванням осцилографічних методів. Наведено моделі для розрахунку тангенса кута діелектричних втрат, що дозволяють враховувати вплив кінцевого опору перетворювача струму в напругу, параметрів осцилографа та схеми його під’єднання на результати вимірювання параметрів ізоляції. Розглянуто схемотехнічні методи, що дозволяють зменшити вплив описаних інструментальних похибок на результати вимірювань електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат ізоляції. Отримані результати можуть бути використані при розробці лабораторних стендів для контролю технічного стану ізоляції силових кабелів у випадку застосування тестових напруг з частотою менше 1 Гц.