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

Поняття електричного заряду при викладанні електротехнічних дисциплін

Владислав Марков , Євген Гончаров , Ігор Поляков , Наталія Крюкова — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

У статті розглядається проблема розуміння учнями шкіл та студентами поняття електричного заряду. На основі власного досвіду викладання можемо відзначити, що студенти добре пам'ятають визначення електричного струму як спрямованого чи впорядкованого руху заряджених частинок, але погано пам'ятають чи взагалі не знають, що таке електричний заряд. Це не дуже добре, адже це поняття, яке пов'язане з такими величинами як електричний струм, напруга та електрорушійна сила. Взагалі поняття електричного та електромагнітного поля безпосередньо пов’язані із поняттям електричного заряду. Також розглядаються визначення електричного заряду, які наведені у ДСТУ, Вікіпедії та Електропедії. Робиться висновок на основі різних визначень електричного заряду, що може краще говорити про частинку або систему частинок, або фізичне тіло з певними властивостями, а не про властивість електрона як таку. Здається, що треба змінити, так би мовити, пріоритети або акценти у визначенні. Саме в цьому можливо полягає «ключ» для вирішення проблеми «відчутності» поняття. Можна дати студентам такі визначення електричного заряду та електромагнітного поля: електричний заряд - дискретна скалярна величина, що характеризує властивості фізичного тіла (від електрона до макрооб’єкта) впливати на іншу таку ж величину з певною силою, обумовлювати появу електричного струму, електричної напруги, електрорушійної сили, напруженості електричного поля, електричної енергії, а електромагнітне поле - властивість чи здатність простору-часу здійснювати силову взаємодію між зарядами, зарядженими тілами з кінцевою швидкістю. А можна дати ще простіше формулювання, а саме електричний заряд – частинка або сукупність частинок, яка має силову взаємодію з іншими подібними частинками, матеріальну основу для утворення електричного струму та інших електричних величин. Можливо такі формулювання будуть більш зрозумілі учням загальноосвітніх шкіл, а також студентам вищих навчальних закладів.

Дослідження систем, що залежать від параметрів, за допомогою методу Монте-Карло

Євген Байда — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Вступ. Одною з цікавих задач, яка може бути вирішена методом Монте-Карло є задача так званого «детермінованого хаосу». Під цим терміном в подальшому будемо мати на увазі нерегулярність, хаотичний рух динамічних систем, закони яких однозначно визначають еволюцію по відомій передісторії. Одним з таких характерних явищ є, наприклад, турбулентність, яка залежить від числа Рейнолдса. Окрім цього, цікавий і сам метод, за допомогою якого отримані такі структури – метод Монте-Карло. Тому автор вважає, що таке невеличке дослідження представляє певний інтерес, сприяє розширенню кругозору та заохочує читачів до більш детального розгляду проблеми. Мета. Мета статі – показати як за допомогою методу Монте-Карло можливе дослідження переходів від структурованої системи до хаотичної та навпаки в залежності від її параметрів. Методи. Методи, що використовувались даній статі: чисельні методи розв’язання системи нелінійних рівнянь – метод кінцевих різниць Рунге-Кутти четвертого порядку; статистичні методи – метод Монте-Карло; чисельний метод розв’язання рівнянь теплопередачі та течії рідини – метод кінцевих елементів. Результати. Отримані картини розрахункових структур, в які при певних параметрах здійснюється перехід від хаотичної до структурованої системи. Виводи. В нелінійних системах результати розрахунку суттєво залежать від параметрів системи та начальних умов, невелика зміна яких може привести до суттєвих та несподіваних змін в остаточному результаті. Окрім цього, при певних значеннях параметру у отриманих фракталах з’являються області, в які точки, що отримані випадковим чином ніколи попасти не в змозі, що само по собі є дивним результатом.

Експериментальне дослідження енергоспоживання побутового холодильника

Олександр Гречко, Дмитро Швадронов — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Вступ. Сучасні моделі холодильників оснащені інтелектуальними технологіями, датчиками та здатні дистанційно контролювати температуру і вологість. Техніка стала максимально енергозаощаджуваною і безпечною з точки зору впливу на навколишнє середовище завдяки забороні певних фреонів, що шкодять озоновому шару. Але більшості випадків вітчизняний споживач орієнтується на надійність, практичність, вартість холодильника і на рівень його енергоспоживання. Проблема. Вартість тарифу електроенергії для населення і надалі матиме тенденцію до зростання, що робить питання енергоефективності актуальним для споживачів. Застосування енергоощадних технологій, і не тільки в електропобутових приладах, є актуальним напрямком розвитку сучасного суспільства. Мета. Експериментальне дослідження енергоспоживання побутового холодильника Liebherr KT 15340 із застосуванням сучасного Smart вимикача Atorch GR2PWS. Методика. За допомогою спостережень і експериментальних досліджень, що тривали 30 днів, проведено вимірювання електричної енергії, спожитої холодильником Liebherr KT 15340 за допомогою Smart вимикача Atorch GR2PW. Результати. За місяць спостережень холодильник Liebherr KT 15340 спожив 14,1515 кВт×год електроенергії, що в середньому за 1 день складає 0,4717 кВт×год, тобто за 1 день в середньому витрати складають 2,0378 грн, разом за місяць 61,13 грн. За рік це становитиме близько 172,17 кВт×год за рік, що добре узгоджується із даними виробника (230 кВт×год за рік). Практична цінність. Застосування сучасних енергоефективних технологій у побутових приладах є актуальною задачею в час, коли спостерігається дефіцит електричної потужності в нашій державі.

Удосконалене однофазне реле контролю напруги побутових споживачів з підтримкою IoT і Bluetooth Low Energy

Євгеній Зорін, Олександр Чепелюк — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

У статті представлено комплексне апаратно-програмне рішення для реле контролю напруги побутових споживачів з можливістю інтеграції у середовище Інтернету речей (IoT). Розроблено схемотехнічну частину на базі мікроконтролера (МК) ESP32C3FH4 з використанням бістабільного електромагнітного реле та безтрансформаторного джерела живлення. Реалізовано мобільний застосунок для керування пристроєм, налаштування уставок, перегляду історії спрацювань та аналізу аварійних ситуацій. Розглянуто можливість підключення до хмарних сервісів та візуалізації змін електричних параметрів у режимі реального часу. Надано структурну та принципову електричну схеми пристрою, описано алгоритми роботи та особливості реалізації протоколу обміну даними через інтерфейс Bluetooth Low Energy (BLE). Отримані результати підтверджують ефективність запропонованого рішення для захисту побутових електроспоживачів.

Аналіз функціональних особливостей реле контролю температури

Андрій Милашич, Олександр Чепелюк — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

У статті проаналізовано функціональні особливості реле контролю температури від провідних виробників. Описано основні типи реле, їхні режими роботи, використовувані датчики температури та принципи функціонування. Особлива увага приділяється алгоритмам роботи термісторних реле та перспективам їх удосконалення з метою підвищення ефективності та надійності контролю температури.

Електромагнітна сумісність технічних об‘єктів і систем: попередній огляд деяких програмних засобів для комп’ютерного моделювання

Михайло Пантелят , Павло Мясоєдов — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Комп‘ютерне моделювання є невід‘ємною складовою розв’язання сучасних задач електромагнітної сумісності технічних, а також біологічних об’єктів і систем. Для комп’ютерного моделювання відповідних електромагнітних процесів і явищ доцільно використовувати професійні комерційні програмні продукти, які добре зарекомендували себе саме або у тому числі у ході дослідження електромагнітної сумісності. Стаття присвячена попередньому розгляду та порівнянню присутніх на ринку комерційних програмних продуктів для можливого застосування при виконанні розрахункових досліджень у сфері електромагнітної сумісності технічних об’єктів і систем, в першу чергу стосовно мікропроцесорних систем керування сучасної комутаційної апаратури низької, середньої та високої напруг. На цій основі робиться попередній вибір конкретних програмних продуктів для застосування при виконанні відповідних розрахункових досліджень

Особливості визначення часткових ємностей ізоляції трьожильних силових кабелів із застосуван-ням прямих вимірювань

Іван Костюков — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Стаття присвячена дослідженню впливу додаткової складової паразитної індуктивності схеми вимірювання, що зумовлена необхідністю застосування додаткового провідника для усунення впливу паразитних ємностей досліджуваного шару ізоляції, на результати визначення часткових ємностей ізоляції трьохжильних силових кабелів в спільній металевій оболонці із застосуванням прямих вимірювань. Експериментальним шляхом показано, що наявність додаткової складової паразитної індуктивності призводить до резонансних явищ в схемі вимірювання та, як наслідок, до збільшення результатів прямих вимірювань часткових ємностей із зростанням частоти, що суперечить частотній залежності діелектричної проникності паперової ізоляції в розглянутому частотному діапазоні. Наведено схеми підключення вимірювачів імітансу із 3 клемами для прямих вимірювань часткових ємностей ізоляції трьохжильних силових кабелів в спільній металевій оболонці.

Огляд методів контролю технічного стану ізоляції трьохжильних силових кабелів

Євгеній Сизов — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

У статті розглянуто сучасні методи діагностики технічного стану ізоляції силових кабелів. Основну увагу приділено діелектричній спектроскопії в частотній та часовій областях, а також методам вимірювання ємності та тангенса кута діелектричних втрат у трьохжильних кабелях зі спільною металевою оболонкою. Наведено принципи прямих і сукупних вимірювань та результати обстеження силового кабелю після 24 років експлуатації на Хмельницькій атомній електростанції. Представлено результати аналізу, що дозволяють підвищити точність діагностики ізоляції кабелів на основі вимірювання електричних параметрів їх ізоляції.

Принципи управління конфігурацією електричної мережі та задачі по їх реалізації

Ірина Пантєлєєва , Ірина Варшамова , Вікторія Віннікова — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

У статті розглядаються основні принципи управління конфігурацією електричних мереж, що спрямовані на забезпечення надійності, ефективності та економічності їх функціонування. Обґрунтовано актуальність адаптивного підходу до управління мережею в умовах зростаючої інтеграції розподілених джерел енергії (РДЕ) та змінних графіків споживання електроенергії. Викладено основні аспекти формування оптимальної структури мережі для мінімізації втрат потужності, покращення якості електропостачання та забезпечення стійкості системи до зовнішніх і внутрішніх впливів. Увагу приділено ключовим завданням, пов’язаним із реалізацією цих принципів, зокрема визначенню оптимальних точок розподілу навантаження, алгоритмів відновлення після аварій, а також автоматизації процесів керування. Проаналізовано сучасні підходи до моделювання мереж та їх впровадження у практику енергетичних компаній. Особливу увагу приділено необхідності координації між елементами мережі та активною участю споживачів у процесах оптимізації. Розглянуто основний ефект від застосування децентралізованої системи секціонування, тобто - автоматичне селективне відключення та локалізація пошкодженої ділянки, та автоматичне відновлення живлення непошкоджених споживачів.

Система фазового керування вібраційної площадки з приводом від лінійного двигуна з постійними магнітами

Роман Бондар , Геннадій Голенков , Олег Бондар — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Сучасна промисловість вимагає високоточного керування вібраційними електромеханічними системами. Для досягнення оптимального режиму роботи вібраційних машин важливе значення має розроблення систем керування, що дають змогу забезпечити баланс між енергоефективністю та продуктивністю в різних динамічних режимах. У представленій роботі розроблено систему фазового керування вібраційної площадки з приводом від лінійного двигуна з постійними магнітами. Об’єкт керування представлений двомасовою механічною схемою, що враховує пружні властивості вібраційної підвіски та сили сухого і в’язкого тертя. У ролі збудника періодичної електромагнітної сили розглядається вібраційний лінійний двигун із беззубцевою структурою статора. Електрична модель двигуна подана схемою заміщення із зосередженими параметрами, значення яких є функціями переміщення бігуна відносно статора. За допомогою розробленої Simulink-моделі проведено дослідження резонансних властивостей електромеханічної системи, та визначено режими, що відповідають максимальним значенням механічної потужності та ККД. Розроблено систему фазового керування вібраційної площадки з приводом від лінійного двигуна з постійними магнітами. Система керування порівнює фазу вхідного сигналу з фазою струму двигуна, причому фаза сигналу останнього регулюється для досягнення синхронізації. Водночас струм двигуна підтримується сталим. Проведено моделювання такої системи в програмному пакеті Matlab/Simulink та досліджено її перехідні процеси під час зміни маси матеріалу віброплощадки

Вплив нагріву постійних магнітів на енергетичні характеристики тягових синхронних магнітоелектричних двигунів

Юрій Васьковський , Денис Нестеренко — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Досліджується вплив нагріву постійних магнітів (ПМ) на енергетичні характеристики тягового синхронного двигуна з постійними магнітами (СДПМ) потужністю 140 кВт, призначеного для використання в локомотиві потягу. Нагрів ПМ під час роботи СДПМ призводить до зниження їх магнітних характеристик, що в свою чергу веде до зниження потужності двигуна і може негативно вплинути на стабільність та надійність його роботи. За результатами математичного моделювання отримана інформація щодо зменшення енергетичних показників тягового СДПМ внаслідок нагріву його активної зони, зокрема ПМ. Встановлено, що двигун потужністю 140 кВт втрачає близько 8-10% потужності внаслідок нагріву ПМ у порівнянні з холодним його станом. Обґрунтовано технічні пропозиції щодо збільшення температурної стабілізації ПМ. Запропоновано два удосконаленні варіанти СДПМ, в яких забезпечена температурна стабілізація ПМ. Зокрема показано, що певне зменшення діаметру вентиляційних каналів підвищує тепловідведення від основних конструктивних елементів СДПМ.

Моделювання характеристик двигуна постійного струму приводу паливної системи автомобіля

Михайло Коваленко , Анатолій Бурлаков , Ірина Коваленко — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

У роботі розглянуто питання підвищення надійності та вдосконалення характеристик низьковольтного двигуна постійного струму з постійними магнітами, що використовується у приводах паливної системи автомобіля. Двигуни постійного струму із постійними магнітами використовуються в якості привідних двигунів в автомобільному транспорті, оскільки мають високу надійність, простоту конструкції та обслуговування. В рамках проведеного дослідження розроблено тривимірну польову математичну модель для дослідження розподілу електромагнітного поля та характеристик досліджуваного двигуна. Розробка саме тривимірної польової математичної моделі обумовлена тим, що дана модель у повній мірі враховує складний тривимірний характер розподілу поля та може врахувати наявність повздовжніх та поперечних кінцевих ефектів. Представлено результати моделювання електромагнітних процесів у базовій конструкції двигуна, виявлено суттєвий вплив кінцевих ефектів на розподіл магнітної індукції, що призводить до збільшення втрат, нерівномірного нагріву, підвищення вібрацій та зниження надійності. Запропоновано методи оптимізації конструкції, зокрема збільшення осьової довжини магнітів статора, що дозволяє зменшити вплив поперечних кінцевих ефектів та профілювання полюсів, що дозволяє зменшити поперечні кінцеві ефекти і покращити характеристики двигуна. Результати досліджень підтверджують ефективність запропонованих підходів та можуть бути використані при проектуванні електромеханічних перетворювачів енергії для автомобільної та іншої техніки.

Експериментальне дослідження автономної магнітної передачі

чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Робота присвячена експериментальному дослідженню безконтактного електромеханічного перетворювача енергії із постійними магнітами – магнітної передачі. Магнітні передачі мають певні конструктивні переваги порівняно із механічними передачами, а саме: висока надійність, ефективність, менші втрати, безконтактна передача механічної потужності, відсутність витрат на технічне обслуговування, простота конструкції. Особливо актуальним є використання магнітних передач для систем перетворення низькопотенційної механічної енергії в електричну: енергія вітру, енергія води, енергія механічних коливань і т.ін. Застосування магнітних передач в автономних вітрових електростанціях може бути більш перспективним з економічної та технічної точок зору порівняно з традиційними механічними передачами. Для проведення експериментальних досліджень, на першому етапі даного дослідження, проведено розробку геометричної моделі магнітної передачі в системі автоматизованого проектування. Із використанням деталізованих креслень проведено друк основних конструктивних елементів магнітної передачі із застосуванням технологій тривимірного друку. Проведено монтаж магнітних сегментів модулятора магнітної передачі, постійних магнітів, валу, підшипників та підшипникових щитів. На основі розробленого макетного зразку магнітної передачі розроблено експериментальних стенд для дослідження магнітної передачі, з допомогою якого проведено ряд експериментальних досліджень: вимір швидкості обертання та передавального числа, втрат, нагріву та електромагнітного моменту. Проведені дослідження та розроблений електромеханічний стенд дозволяє проводити різноманітні дослідження магнітних передач, що дозволить підтвердити результати математичного моделювання та підтвердити чи спростувати результати наукових досліджень.

Лінеаризована динамічна модель магнітної передачі

чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Робота присвячена розробці лінеаризованої чисельної математичної моделі безконтактного електромеханічного перетворювача енергії із постійними магнітами – магнітної передачі. Магнітні передачі мають певні конструктивні переваги порівняно із механічними передачами, а саме: висока надійність, ефективність, менші втрати, безконтактна передача механічної потужності, відсутність витрат на технічне обслуговування, простота конструкції. Особливо актуальним є використання магнітних передач для систем перетворення низькопотенційної механічної енергії в електричну: енергія вітру, енергія води, енергія механічних коливань і т.ін. Застосування магнітних передач в автономних вітрових електростанціях може бути більш перспективним з економічної та технічної точок зору порівняно з традиційними механічними передачами. В якості альтернативи динамічній моделі, що є незручна для використання на початкових етапах проєктування з метою первинної оцінки параметрів коливань розроблено лінеаризовану динамічну модель магнітної передачі, в якій співвідношення між моментом і кутом навантаження представлене несинусоїдальною функцією, а її лінійною апроксимацією в області робочого моменту. За допомогою розробленої моделі досліджено параметри та характеристики не лише магнітної передачі, а і інших складових системи: електроджерела електричної енергії а, вітрової турбіни, навантаження і т.ін., що підвищує варіативність та можливості для проведення наукових досліджень пошукового характеру. Розроблена імітаційна модель магнітної передачі враховує пульсації електромагнітного моменту через дискретну структуру магнітної передачі та зміну параметрів моделі при зміні вхідного моменту: пульсацій, втрат в магнітному осерді та постійних магнітах, зміну кута навантаження та передавального електромагнітного моменту.

Математична модель перетворювача з чотиризонним регулюванням напруги і електромеханіч-ним навантаженням

Владислав Михайленко , Юлія Чуняк , Андрій Пінда — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

У даній статті здійснено аналіз електромагнітних процесів, що виникають в електричних колах із напівпровідниковими комутуючими елементами. Запропоновано нові математичні моделі, які описують перебіг електромагнітних процесів у трифазних електричних мережах напівпровідникових перетворювачів, що реалізують багатоканальне зонне регулювання фазних напруг. Розроблені моделі не враховують енергетичні втрати в комутаторах, що дозволяє оперативно оцінити вплив параметрів навантаження на рівень та форму вихідної напруги. Також сформовано математичну модель для дослідження електромагнітних процесів у напівпровідникових перетворювачах із широтно-імпульсним керуванням напругою на виході. Наведено графіки, які відображають характер змін електромагнітних параметрів у відповідних електричних схемах. Матеріали статті присвячені розвитку підходу багатопараметричних модулюючих функцій шляхом побудови нових математичних моделей та визначення функціональних і алгоритмічних рівнянь для проведення аналізу електромагнітних процесів у складних розгалужених електричних колах. Розглядаються підсистемні компоненти із напівпровідниковими комутаторами та ділянками з синусоїдальними, постійними та імпульсними джерелами напруги. Такі комутатори здатні виконувати високочастотну перебудову структури електричного кола та реалізовувати широтно-імпульсну модуляцію як фазних, так і лінійних напруг трифазної мережі електроживлення. Завдяки цьому забезпечується ефективне регулювання вихідної напруги у напівпровідникових перетворювачах електроенергії відповідно до заданих технічних параметрів.

Аналіз впливу теплових полів на процес зносу целюлозної ізоляції силового трансформатора в пакеті програм FEMM

Михайло Поляков , Володимир Василевський , Олег Барабан — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Силові трансформатори займають дуже важливе місце в електропостачанні промислових та побутових споживачів, виконуючи перетворення, розподіл та передачу енергії. Одним з найважливіших елементів силового трансформатору є целюлозна ізоляція. В процесі експлуатації відбувається старіння ізоляції, яке супроводжується зниженням її діелектричних властивостей, що в свою чергу може призвести до аварійного виходу з ладу силового трансформатору. Тому прогнозування процесу старіння ізоляції силового трансформатору є дуже важливим напрямом в сьогоднішній науці. В даній статті зроблений огляд літератури про старіння целюлозної ізоляції та за допомогою пакету програм FEMM побудована модель силового трансформатора за допомогою якої досліджено вплив теплового поля на старіння целюлозної ізоляції. Моделювання процесу старіння ізоляції силового трансформатору в пакеті програм FEMM дозволяє більш детально дослідити процес старіння целюлозної ізоляції, дає змогу проаналізувати вплив різних фізичних явищ на ресурсні характеристики ізоляції, підвищити точність прогнозування її стану та швидкості старіння. В той же час є напрями, які потребують уточнення такі як фактор прикладеного зусилля до целюлозної ізоляції в момент часу. Насамкінець слід зазначити, що більш детальне дослідження полів які впливають на старіння ізоляції силового трансформатора дозволяє подовжити термін експлуатації та знизити витрати на обслуговування трансформатора.

Оптимізаційні задачі електромеханіки та їх розв'язування методом покоординатного пошуку

Михайло Хай , Андрій Ковальчук , Богдан Харчишин — чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Проектування електричних машин, створення їх оптимальних конструкцій пов'язане з деякими труднощами, які полягають у необхідності врахування проектувальником великої кількості факторів, що впливають на технічне рішення, складності виготовлення і випробування фізичної моделі електричної машини з імітацією умов, в яких вони будуть працювати. Один із шляхів подолання цих труднощів без істотного збільшення чисельності працюючих – використання можливостей сучасних комп’ютерів, що дозволяють замінити макет електричної машини його математичною моделлю, комплекс вимірювально-випробувального устаткування програмами аналізу, оптимізації та випробувань. Постійне зростання можливостей комп’ютерної техніки відкриває все нові й ширші перспективи їх використання у різноманітних сферах виробництва. При виконанні проектно-конструкторських робіт обчислювальна техніка використовується комплексно у складі систем автоматизованого проектування (САПР). Досвід експлуатації таких систем свідчить про їх високу ефективність, що досягається за рахунок поліпшення техніко-економічних показників спроектованих за їх допомогою об’єктів, значного скорочення термінів проектування, підвищення якості проектів. Наведене у роботі математичне формулювання задачі оптимізації електричної машини, проаналізовані методи розв’язування задачі оптимізації електричної машини та розроблений алгоритм і програма знаходження екстремуму цільової функції методом покоординатного пошуку дозволяють проектувати електричні машини з оптимальними показниками.

Архітектура автоматизованої системи контролю та управління електроспоживанням дробильно-помольного комплексу

чт, 26 чер 2025 00:00:00 +0300

Запропонована структура системи автоматичного контролю та управління електроспоживанням дробильно-помольного комплексу, яка є основою системи моніторингу електроспоживання дробильно-помольного комплексу. Проаналізована достовірність передачі число-імпульсної інформації від лічильників електроенергії. Запропонована структура системи автоматичного управління дробильно-помольним комплексом.