Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления
Периодичность: 4 номера в год
Издательство: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
DOI: 10.15593/2224-9397
Язык: Русский, английский
Главный редактор: к-т тех. наук В.В. Черняев
Контакты редакции:
Адрес редакции: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
редакция журнала «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления»
Телефон: 8 (342) 2-391-822
e-mail: pnrpu.elinf@yandex.ru
Журнал «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления» является периодическим печатным научным рецензируемым журналом.
Журнал «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления» зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство ПИ № ФС77-56518 от 26 декабря 2013 года. Подписной индекс в объединенном каталоге «Пресса России» – 40538.
Журнал выпускается Пермским национальным исследовательским политехническим университетом. Журнал выходит 4 раза в год. До 2012 года журнал носил название «Вестник Пермского государственного технического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления» (ISSN 2075-7689).
Журнал адресован научным и инженерным работникам, профессорско-преподавательскому составу вузов, аспирантам, докторантам и студентам, руководителям и специалистам академических и отраслевых НИИ, которые интересуются новейшими результатами фундаментальных и прикладных исследований при решении научных и технических задач в области электротехники, информационных технологий и систем управления, проблемами высшего технического образования, интеграции науки, образования и производства.
Журнал входит в проект «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ), включен в перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук по группам научных специальностей:
05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты (технические науки),
05.09.02 – Электротехнические материалы и изделия (технические науки),
05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы (технические науки),
05.09.05 – Теоретическая электротехника (технические науки),
05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления (технические науки),
05.14.01 – Энергетические системы и комплексы (технические науки),
05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы (технические науки),
2.3.1. Системный анализ, управление и обработка информации (технические науки),
2.3.3. Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки),
2.3.4. Управление в организационных системах (технические науки),
1.2.2. Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ (технические науки)
Текущий выпуск
№ 40 (2021)
- Год: 2021
- Статей: 10
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/elinf/issue/view/212
- DOI: https://doi.org/10.15593/.v0i40
Статьи
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ ЯКОРЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОЛЬЦЕВЫМИ ОБМОТКАМИ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА
Аннотация
Асинхронный двигатель с кольцевыми обмотками (АДКО) - машина, предназначенная для переработки ядерных отходов, первый опытный образец которой был создан научной группой специалистов кафедры «Электротехника» УрФУ совместно с заводом «Уралэлектромаш» г. Каменск-Уральский. Преимуществом данного двигателя является устойчивость к высокому уровню радиации и температуры благодаря применению керамической изоляции для обмоток статора, однако испытания опытного образца показали, что максимальный и пусковой моменты двигателя оказались меньше требуемых техническим заданием, в связи с чем возникает необходимость поиска решений по улучшению параметров двигателя. Цель исследования: оценка влияния слоистой структуры сердечника статора АДКО на рабочий поток и поток рассеяния машины. Анализ электромагнитного ядра, проводимый в предыдущих исследованиях, свидетельствует о том, что особенность конструкции магнитной системы асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками приводит к появлению двух составляющих магнитного потока - осевой и радиальной, поэтому возникает необходимость рассматривать влияние слоистой структуры сердечника статора на магнитное сопротивление для осевой составляющей магнитного потока АДКО. Наличие оксидной или лаковой пленки, которой покрываются стальные листы сердечника статора, а также технологические зазоры между листами, вызванные опрессовкой сердечника во время изготовления, приводят к увеличению магнитного сопротивления, следовательно, к уменьшению рабочего магнитного потока в воздушном зазоре, пускового и максимального моментов двигателя. Методы: в качестве решения для уменьшения магнитного сопротивления в осевом направлении магнитного потока и улучшения выходных характеристик машины предлагается применение магнитного шунтирования в ярме статора. Результаты: проведено моделирование двигателя с кольцевыми обмотками с помощью специализированного прикладного программного пакета "ANSYS Maxwell", что позволяет оценить не только влияние слоистой структуры сердечника статора на осевую составляющую магнитного потока, но и эффективность применения магнитных шунтов, а также количественно рассчитать значения магнитного потока на каждом участке магнитной цепи и дать рекомендации по дальнейшему усовершенствованию конструкции двигателя. Практическая значимость: полученные результаты могут быть использованы при получении второго опытного образца АДКО с улучшенными механическими характеристиками.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):5-26
 |  |
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ КОНДЕНСАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Аннотация
Рассмотрена проблема низкой точности регулирования реактивной мощности наиболее распространённых в промышленности трёхкомплектных конденсаторных установок и ее влияния на показатели качества электроэнергии и эффективность энергопотребления в системах промышленного электроснабжения. Цель исследования: повышение точности регулирования реактивной мощности трёхкомплектной конденсаторной установки за счет увеличения числа ступеней регулирования с трех до семи без изменения количества коммутационных аппаратов. Для достижения поставленной цели предложен новый принцип построения конденсаторной установки со специальным способом семиступенчатого переключения конденсаторных батарей. Практическая значимость работы заключается в новом способе построения конденсаторной установки, состоящей из трех комплектов конденсаторных батарей с коммутационной аппаратурой и способе семиступенчатого регулирования реактивной мощности. Для проведения исследований использовался метод математического моделирования с применением программного средства MatLab. На модели выполнена апробация способа включения трехфазных конденсаторных батарей в сочетании со способом регулирования реактивной мощности на основе предложенного переключения трёх батарей конденсаторов, у которых емкость каждой последующей батареи в 2 раза больше, чем у предыдущей. Результаты: в ходе проведения численного эксперимента показана возможность реализации способа семиступенчатого регулирования известных трёхкомплектных промышленных установок. Показано также мягкое безударное переключение при переходе с одной ступени регулирования реактивной мощности на другую за счет специального способа подключения сначала двух фаз конденсаторной батареи, а затем третьей. Совмещение операций этих двух способов улучшило регулировочные свойства с повышением быстродействия и точности компенсации реактивной мощности. Приводятся результаты исследования физических процессов, позволяющие выявить эти свойства. На модели отрабатывались действия для автоматизации процессов включения, выключения конденсаторной установки и переключения батарей конденсаторов для регулирования реактивной мощности, которые лягут в основу дальнейших исследований стационарных и динамических режимов работы емкостного компенсатора реактивной мощности в замкнутой системе авторегулирования.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):27-43
| |
Повышение эффективности электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем
Аннотация
Установки электродинамической сепарации в бегущем магнитном поле находят применение в технологиях переработки твердых отходов производства и потребления. Они применяются для извлечения включений цветных металлов из потока неметаллов, а также для индукционной сортировки лома цветных металлов и сплавов. В статье рассматривается установка, которая состоит из конвейера, перемещающего обрабатываемые материалы, и линейного индуктора, располагаемого под лентой конвейера. Цель исследования: повышение технологической и энергетической эффективности электродинамических сепараторов на основе линейных индукторов. Результаты: показано, что для увеличения степени извлечения металлов из потока отходов без повышения энергопотребления целесообразно использовать линейный индуктор модульной конструкции. При этом модули располагаются со смещением друг относительно друга по ходу движения конвейера и движения извлекаемых частиц. В случае применения трех модулей индуктора возможная перестановка фаз обмотки на отдельных модулях, которая обеспечивает симметрию фазных токов сепаратора. Выравнивание фазных токов позволяет полностью компенсировать реактивную энергию индукторов. При этом снижаются потери энергии в системе электроснабжения. Показана возможность выбора параметров линейных индукторов на стадии проектирования с учетом достижения минимума полной мощности, потребляемой сепаратором из сети. С учетом возможности компенсации реактивной энергии индукторов предложено перейти к выбору параметров линейных индукторов по условию достижения минимума активной мощности сепаратора. Приведенные примеры расчетов опытно-промышленного образца электродинамического сепаратора показывают, что при таком подходе возможна корректировка параметров индуктора, которая обеспечивает улучшение технологических и энергетических характеристик сепаратора.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):44-60
| |
ПОДХОДЫ К ПРЕДСТАВЛЕНИЮ ЗАВИСИМОСТИ ТЕМПЕРАТУР КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ В КАНАЛЕ ОТ ИХ ЗАГРУЗКИ В ВИДЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Аннотация
Используемые для питания электротехнических установок кабельные линии отличаются конструкциями, условиями эксплуатации и размещением. В процессе эксплуатации кабельных сооружений возникают определенные сложности в контроле теплового состояния элементов их конструкций. Своевременное определение значений максимальных температур внутри кабеля и участков возможных перегревов необходимо для поддержания работоспособности систем электроснабжения. Поэтому сегодня актуальной задачей является разработка методик быстрого и малозатратного определения теплового состояния элементов кабеля. Объект исследования: четыре кабельные линии, размещенные в подземном кабельном канале, с заданными диапазонами рабочих токовых нагрузок. Цель исследования: разработка методики оперативного прогнозирования технологических параметров эксплуатации кабельных линий для различных нагрузочных режимов. Задачи: разработка математической модели, заменяющей натурные эксперименты; проведение серии экспериментов и набор статистических данных; разработка параметрической модели на основе полученных данных. Моделирование и экспериментальная часть: на первом этапе исследования реальный кабельный канал был заменен его эквивалентной математической моделью, основанной на базовых уравнениях сохранения. Численная реализация модели была осуществлена с помощью комплекса Ansys. На следующем этапе с использованием этой модели были набраны экспериментальные данные, позволившие перейти к полиноминальной параметрической модели, отражающей зависимость нагрева элементов кабельной линии от токовых нагрузок. Модель учитывает взаимовлияние линий в канале и условия окружающей среды. Далее была проведена оценка соответствия результатов, полученных с применением параметрической модели, экспериментальным данным, показавшая работоспособность предлагаемой методики. Значимость полученных результатов: разработанная двухэтапная методика исследования применима для исследования похожих объектов при анализе тепловых процессов.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):61-75
| |
Обзор магнитных структур роторов синхронных двигателей с постоянными магнитами
Аннотация
Рассмотрены и сравнены различные магнитные структуры роторов, применяемых в синхронных двигателях с постоянными магнитами. Во многих областях промышленности производимые на оборудовании операции требуют точного механического движения, будь то сборочные, точильные, сварочные операции, различные системы позиционирования, например, системы наведения солнечных батарей. Классическая реализация таких движений сводится к применению редукторного электропривода на отдельных узлах оборудования либо к установке одного привода для нескольких операций (концепция «главного» привода). Однако в редукторах и преобразователях вращательного движения в линейное всегда присутствуют люфты и зазоры. Кроме того, наличие дополнительных гибких связей вносит нелинейные возмущения в движение механизмов. Развитие современного электропривода и систем управления им позволяет отказаться от применения кинематических преобразователей и объединить двигатель с нагрузкой напрямую. Электропривод без применения кинематических преобразователей называется прямым (безредукторным) электроприводом. В таком приводе усилие передается без потерь скорости и точности, отсутствуют дополнительные нелинейности и упругости. Кроме того, ввиду отсутствия износа механических частей прямой привод становится более надежным по сравнению с редукторным. Наибольшее распространение в прямом электроприводе получили синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) ввиду их лучших по сравнению с другими типами двигателей характеристик. Цель исследования: рассмотреть принципиальные отличия структур роторов СДПМ. Методы: графическое исследование магнитных структур, использование схем замещения СДПМ. Результаты: рассмотрено влияние расположения магнитов на характеристики двигателя. Возникающий в случае явнополюсности ротора реактивный момент описан с точки зрения влияния его на управление двигателем. Введен коэффициент, характеризующий анизотропию магнитных свойств двигателя. Показаны угловые характеристики для разных типов роторов двигателей и влияние их на угол тока статора при управлении двигателем.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):76-92
| |
КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА
Аннотация
Рассмотрено поэтапное конструирование цилиндрического линейного вентильного электродвигателя, который может быть использован в качестве электропривода для исполнительного механизма прямого нанесения материалов. В шлифовальном станке линейный двигатель может быть использован для организации возвратно-поступательного движения, обеспечивающего перемещение план-шайбы. Конструкция цилиндрического линейного вентильного двигателя с постоянными магнитами согласно предварительным проектно-конструкторским расчетам имеет ряд особенностей, которые в процессе производства необходимо обязательно учитывать. Цель исследования: разработка технологического процесса производства цилиндрического линейного вентильного двигателя, учитывающего особенности его нестандартной конструкции. Методы: в статье в виде алгоритма, состоящего из последовательности операций, представлены этапы производственного цикла цилиндрического линейного вентильного двигателя. Результаты: представленный в статье технологический процесс учитывает рекомендации по выбору материала и особенности формирования конечного изделия на каждом конкретном его этапе. Разработанная конструкция электрической машины была реализована в виде опытного образца, для исследования которого также создан экспериментальный испытательный стенд в различных вариантах комплектации. На этом стенде проводились исследования цилиндрического линейного вентильного двигателя на предмет определения тягового усилия с целью подтверждения верности проектно-конструкторских расчетов. Приведены результаты испытаний, подтверждающие высокую степень сходимости расчетных и экспериментальных значений тягового усилия спроектированного цилиндрического линейного вентильного электродвигателя. Практическая значимость: полученные результаты подтверждают возможность создания цилиндрического линейного вентильного двигателя малой мощности для организации возвратно-поступательного движения, обеспечивающего перемещение план-шайбы шлифовального станка.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):93-108
| |
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИСКУССТВЕННОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ПЛИС И МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ, ОРИЕНТИРОВАННЫХ НА ТУМАННЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Аннотация
Современным проектам, использующим нейронные сети, было бы полезно разгрузить вычислительные центры, распределив вычислительные мощности для нейросетевого распознавания в распределенной сети. Целью исследования является разработка метода синтеза устройств реализации искусственных нейронных сетей на ПЛИС и микроконтроллерах, ориентированных на туманные вычисления. Основой для создания рассматриваемых устройств будет являться искусственная нейронная сеть, которую потребуется разделить на несколько блоков. Каждый из этих вычислительных блоков будет исполняться на отдельном физическом устройстве, связь между ними будет осуществляться с помощью стандартных каналов и протоколов. Методика исследования базируется на анализе информации о существующих нейронных сетях и математическом моделировании нейронной сети, которая будет пригодной для работы в режиме туманных вычислений. В результате исследования планируется получить математическую модель нейронной сети и метод деления нейронной сети на блоки, которые будут работать на оконечных устройствах, также будет проведено испытание данного метода на тестовом каскаде вычислительных устройств. В статье рассмотрены существующие классы искусственных нейронных сетей, исходя из полученного обзора выбраны параметры сетей, с которыми будет проводиться работа в рамках данного исследования. Разработана математическая модель, которая позволяет из обычной нейронной сети, которая монопольно выполняется на одном вычислительном устройстве, получить набор блоков, последовательное исполнение которых на каскаде устройств приведет к результатам, аналогичным результатам работы оригинальной сети. Выбраны входные параметры для метода разделения, которые позволят осуществить дальнейшие эксперименты с устройствами.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):109-129
| |
ЛИНЕАРИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИБРИДНОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Аннотация
Важной особенностью математических моделей является тот факт, что их математическое описание возможно упростить. Это делается не только по причине такой возможности, но и ввиду необходимости повысить ее быстродействие. Чем проще модель, тем быстрее происходит расчёт переменных, тем легче она алгоритмизируется. Упрощение является сложным и важным этапом разработки модели, поскольку требует понимания главных процессов в исследуемом объекте. Цель работы: исследовать возможность замены модели гибридного шагового двигателя на линеаризованную модель шагового двигателя для использования этой модели в процедурах синтеза системы управления. Методы: исследована математическая модель гибридного шагового двигателя на основе математических моделей Лагранжа - Максвелла; разработана модель системы обратной связи по положению ротора для возможности управления шаговым двигателем по углу поворота его вала ротора; на основе этих моделей получена линеаризованная модель использующая предварительно полученную нагрузочную характеристику шагового привода (привод состоит из шагового двигателя и управляющего драйвера). Результаты: выполнено сравнение модели гибридного шагового двигателя и линеаризованной модели на возможность отработки необходимого угла поворота ротора, а также отработки аварийного режима пропуска шагов при нагрузке, превышающей максимальные значения. Практическая значимость: полученные результаты сравнения показали, что для синтеза системы управления нет необходимости использовать полную модель шагового двигателя, при имеющихся технических характеристиках уже существующего шагового привода достаточно обойтись упрощённой моделью.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):130-148
| |
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУСКОВЫХ РЕЖИМОВ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПИТАНИИ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ
Аннотация
В настоящий время наиболее часто встречаются три основных типа электрических машин - переменного (синхронные и асинхронные) и постоянного тока. Каждая из них в силу особенностей своей конструкции обладает определенными способами пуска при работе в режиме двигателя. Объектом исследований в данной статье является синхронная машина, представляющая особый интерес по сравнению с другими типами электромеханических преобразователей по причине интенсивного использования ее в силовых электроэнергетических установках не только в качестве источника электрической, но и механической энергии, для получения которой возникает необходимость ее запуска. Существует несколько способов пуска синхронного двигателя, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками, для выявления которых была исследована разработанная модель синхронной машины и различных типов источников электрической энергии. Исследования показали, что наибольший интерес представляют частотные методы пуска синхронной машины, поскольку невмешательство в конструкцию машины позволит продолжить ее эксплуатацию. Цель исследования: разработка модели синхронного двигателя и различных типов источников электрической энергии; исследование пусковых характеристик машины, подключенной к различным источникам питания. Методы: исследования пусковых характеристик синхронного двигателя от различных источников питания выполнялись в среде Matlab (Simulink), для чего были разработаны математические модели синхронного двигателя и трех источников электропитания. Результаты: исследования подтвердили, что из четырех способов пуска синхронного двигателя частотный действительно обладает рядом преимуществ по сравнению с остальными. Время переходного процесса при таком пуске синхронного двигателя значительно снижается, поэтому коэффициент полезного действия машины наибольший, поскольку она быстрее выходит на номинальный режим и начинает выполнять свои функции. Наименьший тепловой импульс, наблюдаемый при этом, свидетельствует о малых тепловых потерях, что также благотворно влияет на работу синхронного двигателя и источника электропитания. Однако частотный пуск синхронного двигателя обладает существенным недостатком - пусковой ток имеет большое значение, соизмеримое с величиной тока статора при прямом пуске. Практическая значимость: анализ данных, полученных при исследованиях, а именно время пуска, величина теплового импульса и критического момента, позволит в дальнейшем оптимально настраивать электроэнергетические системы, содержащие синхронные двигатели, с целью повышения их коэффициента полезного действия, а также упростит процесс идентификации параметров синхронной машины, спектральный и вейвлет-анализ их переходных процессов.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):149-180
| |
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ n-GaInAsP/p-Si В ПРОГРАММЕ AFORS-HET v.2.5
Аннотация
Процесс численного моделирования является важным этапом при получении новых солнечных элементов, так как исключает траты на разработку, получение и исследование их прототипов. В данной работе проведен расчет основных параметров модели солнечного элемента на базе хорошо развитой для этих целей программы Afors-HET v.2.5. Промоделированы последовательно характеристики солнечного элемента в зависимости от толщины, уровня легирования слоёв, температуры и текстуры поверхности солнечного элемента. Цель исследования: моделирование и исследование вольтамперной и спектральной характеристик гетероструктуры n -GaxIn1-xAsyP1-y/ p -Si. Методы: для исследования взят метод численного моделирования. Построены зависимости коэффициента полезного действия от толщины эмиттера в диапазоне 200-1000 нм, уровня легирования примесями в диапазоне 1·1016 - 1·1019 см-3, температуры от 300 до 400 К. Получены зависимости эффективности, напряжения холостого хода, тока короткого замыкания от толщины эмиттера. Результаты: представленные результаты демонстрируют, что максимум эффективности 22,31 % достигнут при толщине эмиттера 200 нм, концентрации донорной примеси 3·1017 см-3, концентрации акцепторной примеси 2·1017 см-3. Влияние текстуры поверхности в виде инвертированных пирамид под углом 44,8° приводит к повышению эффективности от 22,31 до 22,34 %. В результате моделирования было установлено, что максимальным значением коэффициента полезного действия солнечного элемента, равного 22,34 %, при плотности тока короткого замыкания 38,24 мА/см2, напряжении холостого хода 699,8 мВ и факторе заполнения 84,29 % обладает солнечный элемент с составом Ga0,95In0,05As0,05P0,95/Si. Практическая значимость: впервые описано моделирование текстуры поверхности солнечного элемента инвертированными пирамидами в программе Afors-HET. Таким образом, солнечный элемент на гетероструктуре n -GaInPAs/ p -Si по всем основным параметрам является конкурентоспособным многим однопереходным солнечным элементам.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2021;(40):181-187
| |