Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления

Современная энергетика развивается в направлении уменьшения доли в общем энергобалансе мощных источников генерации и увеличения доли распределённой генерации малой и средней мощности, в частности альтернативных источников. В этой тенденции следует отметить увеличении количества малых и средних гидроэлектростанций (мини-ГЭС). Это объясняется тем, что энергетический потенциал малых и средних рек России и ближнего зарубежья по разным оценкам в несколько раз превышает этот показатель для больших рек. Для эффективного использования этого потенциала следует идти не по пути создания ряда стандартных мини-ГЭС, а по пути разработки проектных систем, ориентированных на гибкое производство, которые изготавливали бы гидрогенераторы для конкретного места реки с учетом ее особенностей по параметрам водотока и рельефа. Цель исследования: разработка проектной системы для гибкого производства по созданию энергоэффективных мини-ГЭС на базе вентильных машин комбинированного возбуждения. Методы: метод конечных элементов для решения задач электромагнитнного анализа, метод трехмерного твердотельного моделирования. Результаты: разработанная проектная система позволит осуществлять синтез оптимальной геометрии в соответствии с техническим заданием заказчика. В статье представлена только часть такого исследования, в частности, дано описание подсистемы синтеза водопогружного гидрогенератора комбинированного возбуждения. Подсистема построена на основе программы Ansys Electronics Desktop и позволяет проводить комплексный анализ электрической машины и системы управления к ней. Эффективность работы подсистемы показана на анализе генератора комбинированного возбуждения 3 кВт, 220 В, 350 об/мин. Практическая значимость: созданная проектная система позволяет спроектировать энергоэффективную мини-ГЭС на любые требуемые параметры с учетом установки ее в конкретное место на малых и средних реках. Цифровой двойник, реализуемый этой системой, во многом снижает технические риски при производстве реального образца.

Сокращение срока службы солнечных модулей при их эксплуатации происходит по разным причинам, одной из которых является их деградация из-за перегрева поверхностей в условиях работы при повышенных температурах воздуха. Стандартные вольт-амперные и мощностные характеристики солнечных модулей, указываемые производителем, определяют значения основных энергетических параметров и не всегда соответствуют внешним условиям, где работает данная солнечная энергоустановка. В связи с этим необходимо знать, насколько изменится генерация электроэнергии в реальных условиях эксплуатации. Цель исследования: разработать структурную схему расчета энергетических характеристик солнечных модулей с учетом внешних параметров, влияющих на их эффективную работу, и предусмотреть термозащиту модулей. Результаты: для решения поставленной цели были исследованы основные параметры солнечного модуля и окружающей среды. Установлено, что температурный коэффициент мощности зависит от условий окружающей среды, типа и качества материала солнечных модулей и определяет степень их деградации, а правильный выбор места установки модулей обеспечивает надежность и долговечность их работы. Предложено для поддержания эффективности работы солнечного модуля вблизи точки максимальной мощности использовать специальную голографическую пленку с функциями защиты поверхности от инфракрасных излучений. Были построены вольт-амперные и мощностные характеристики солнечного модуля при изменении температуры и применении термозащиты, проведено их сравнение со стандартными характеристиками производителя. Разработана структурная схема расчета энергетических характеристик солнечных модулей, показывающая, какие параметры необходимо учитывать при их выборе и необходимость использования термозащиты. Практическая значимость: составленная структурная схема расчета энергетических характеристик солнечных модулей в реальных условиях эксплуатации позволяет учесть все параметры, влияющие на эксплуатационные параметры модулей, и определить наиболее оптимальные условия их работы для максимального генерирования электроэнергии.

Исследована проблема адаптации бортовой системы автоматического управления авиационного газотурбинного двигателя (САУ ГТД) к действию внешних и внутренних помех на основе методов идентификации. Оптимальность адаптивных и диагностических функций САУ зависит от валидности информации о текущих характеристиках объекта управления. Повышение надежности современных цифровых САУ ГТД достигается через создание алгоритмической информационной избыточности на основе встроенной бортовой математической модели двигателя. Цель исследования: создание алгоритмов линейной адаптивной бортовой математической модели двигателя (LABEM) с функцией параметрической диагностики газовоздушного тракта двигателя. Методы: метод общей матрицы коэффициентов влияния (диагностической матрицы), позволяющий определить отклонение неизмеряемых параметров с помощью влияния коэффициентов полезного действия узлов двигателя на его параметры в зависимости от режима работы. Метод основан на идентификации модели двигателя по результатам оценки газодинамических параметров путем минимизации суммы квадратов разности между параметрами математической модели и реального двигателя. По результатам диагностики вводятся поправки в алгоритмы математической модели для ее адаптации к изменениям объекта управления. В исследовании решается проблема плохой обусловленности диагностических матриц. Неопределенность полученных систем уравнений вызвана «шумом» модели при расширении пространства состояний двигателя, обусловленным его стохастичным характером. Рассмотрены два метода снижения «шума» модели. Первый метод основан на сведении плохо обусловленных систем уравнений к определенным путем выбора оптимальных наборов неизмеряемых параметров (опорных планов), число которых выбирается равным числу измеряемых параметров. Второй метод, основанный на статистическом моделировании с применением численных методов Монте-Карло, применяется для расширения пространств состояний двигателя при нахождении вероятного решения. Результаты: Проведенный полунатурный эксперимент на промышленном электронном регуляторе на различных режимах работы двигателя дал неудовлетворительные результаты. Наилучшая точность достигается при оценке скорости ротора высокого давления, наихудшая - для давления за компрессором. Применение статистического моделирования на основе численных методов Монте-Карло повышает точность идентификации, она возрастает в 1,5-4,7 раз. Практическая значимость: полученные результаты могут быть использованы для повышения качества и надежности отказоустойчивых адаптивных информационных систем автоматического управления и диагностики газотурбинных двигателей.

Долговечность и степень надежности современных электротехнических устройств в нынешних условиях экономики зачастую отдаляются на второй план, уступая первое место низкой себестоимости и затратам на производство. Поэтому довольно часто устройства выпускаются без долгосрочных испытаний, что дает существенный пробел в знаниях о перегрузочных способностях подобных устройств. Информация о способностях устройства работать в предельных режимах может оказаться востребованной как при нестандартных условиях эксплуатации, так и при модернизации существующего устройства, изменении его характеристик без существенного перестроения структуры самого устройства. Объектом данного исследования является полупроводниковое корпусное устройство с системой охлаждения. Так как полупроводниковые приборы в процессе своего функционирования выделяют достаточно много тепла, а массогабаритные параметры самих полупроводников достаточно малы, становится понятной актуальность решения задачи эффективного охлаждения элементов таких устройств. Цель исследования: определение и систематизация условий работы системы охлаждения устройства и выявление допустимых нагрузочных режимов работы. Результаты: были рассмотрены существующие системы охлаждения, применяемые в корпусных устройствах подобного класса, примерно оценена их эффективность и определены возможные пути увеличения производительности существующей системы охлаждения. Для привязки исследования к конкретному набору электромеханических компонентов были проведены натурные эксперименты, направленные на определение реальных параметров охлаждающих устройств, работающих в различных режимах. Затем для уменьшения ресурсоемкости испытательной программы была создана математическая модель [1] корпусного устройства, которая учитывает все значимые нюансы исследуемого устройства. После формулировки математической модели были осуществлены ее численная реализация [2, 3, 4] (был выбран метод конечных объемов и математический пакет Ansys Fluent), обработка и формализация результатов в виде удобного к применению математического выражения.

В настоящее время, несмотря на некоторые трудности, самосинхронная техника и соответствующая область науки, предложенные Д. Маллером в конце 50-х гг. ХХ в., продолжают активно развиваться. В диссертации А.Н. Каменских сделан существенный шаг в направлении отказоустойчивости самосинхронных схем (2017 г). Однако вопросы синтеза самосинхронных универсальных логических модулей в полной мере пока не рассмотрены. Цель исследования: разработка строго самосинхронных генераторов логических функций на одну, две и три переменные. Методы: самосинхронная схемотехника, синтез самосинхронного мультиплексора на два, четыре и восемь каналов с использованием САПР «КОВЧЕГ». Результаты: В исследовании выполнен синтез строго самосинхронных генераторов логических функций с использованием элементов 2И-2ИЛИ-НЕ, индикаторов завершения переходного процесса и гистерезисных триггеров. Предложенные элементы практически эквивалентны элементам LUT FPGA, однако построены по КМОП-технологии и реализуют самосинхронную работу, что позволяет использовать их в самосинхронных базовых матричных кристаллах с конфигурированием либо константами, либо с помощью дополнительных ячеек оперативной памяти. Выполнено моделирование в САПР «КОВЧЕГ», в системе схемотехнического моделирования NI Multisim фирмы National Instruments Electronics Workbench Group и в системе топологического моделирования Microwind, подтвердившее работоспособность предложенных элементов. Практическая значимость: разработанные элементы могут быть использованы как дополнительные универсальные блоки в библиотеке самосинхронной схемотехники, разработанной в ИПИ РАН для базовых матричных кристаллов, выпускаемых в НПК «Технологический центр» МИЭТ.

Увеличение антропогенной нагрузки на природные источники воды обусловливает необходимость повышения эффективности очистки сточных вод. Проведение необходимого количества натурных экспериментов чрезмерно трудозатратно и может негативно отразиться на окружающей среде, поэтому важным этапом исследования биологической очистки сточных вод является математическое моделирование этого процесса. На очистных сооружениях можно обеспечить постоянные значения скоростей подачи активного ила и сточных вод в течение суток. Такая возможность адекватна для очистных сооружений, которые имеют отстойники-усреднители. Цель исследования: разработка метода нахождения дискретного оптимального управления и модификация компартментальной математической модели процесса биологической очистки сточных вод. Результаты: модифицированы дифференциальные уравнения динамики общей концентрации микроорганизмов активного ила и концентрации кислорода. Добавлено уравнение для нахождения объемной скорости подачи кислорода. Предложен метод нахождения дискретного оптимального управления, который состоит в выборе количества включенных воздуходувок и количества включенных иловых насосов с целью минимизации затрат на осуществление процесса биологической очистки при поддержания допустимых значений выходных концентраций загрязнителей. Комплекс программ для численного моделирования разработан на языке программирования Python. Результаты компьютерного моделирования и значения выходных модельных концентраций показывают адекватность разработанной модели процессу биоочистки сточных вод. В работе также приведен пример расчета оптимального управления по экспериментальным данным, полученным на канализационных очистных сооружениях г. Петрозаводска. Практическая значимость: предложенные модификация математической модели и метод нахождения управления позволяют решать задачи прогнозирования и оптимального управления процессом биологической очистки сточных вод.