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

Прокладка силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ осуществляется в грунт или кабельные каналы, во время прокладки возникает необходимость в соединении двух строительных длин кабелей. Соединение совершается при помощи соединительной муфты. Конструкция муфты аналогична конструкции кабеля, но радиально имеет большие размеры по следующим причинам: болтовое соединение жил и большие толщины изоляции. При протекании номинального тока через жилу выделяется тепло согласно закону Джоуля-Ленца. Проводимость болтового соединения ниже проводимости жилы, а также муфта имеет большее тепловое сопротивление, чем кабель. В данной статье с учетом сделанных допущений и граничных условий разработана трехмерная математическая модель процессов теплопереноса и электромагнетизма в кабельной линии в условиях прокладки кабеля с соединительной муфтой в земле. Численная реализация поставленной математической модели осуществлялась с по мощью метода конечных элементов в одном из программных пакетов ANSYS в среде Fluent. Произведен анализ работы кабельной линии и муфты кабеля марки ПвП 1×400 на постоянное напряжение 10 кВ. В результате численного решения были определены температурные поля в муфтовом соединении силового кабеле и окружающей среде. В результате анализа полученных результатов распределения температурных полей были определены оптимально допустимые токовые нагрузки.

Рассмотрен аналитический подход к оптимальной широтно-импульсной модуляции. При этом широтно-импульсная модуляция в работе понимается как процесс аппроксимации импульсами (модулированного) напряжения желаемого, гладкого (модулирующего) напряжения, которое необходимо для формирования тока нагрузки. Под ошибкой модуляции по току понимается разность между током, порождаемым модулированной функций напряжения, и током, порождаемым модулирующей функций напряжения. Мера качества модуляции трактуется как числовая интегральная характеристика квадратичной ошибки модуляции (дисперсии) на некотором временном интервале. Под двухфазной модуляцией понимается модуляция двумя полумостами. Для мостовой электронно-ключевой схемы получено выражение дисперсии тока в нагрузке. Синтезированы формулы для коммутационных функций полумостов. Показано, что алгоритм двухфазной широтно-импульсной модуляции имеет три свободных переменных, по которым может производиться поиск минимума дисперсии тока в нагрузке, которая является фильтром низкой частоты. Введено понятие нулевой потенциальной функции как свободной переменной, по которой ведется оптимизация. Найдено ее выражение, которому соответствует минимум дисперсии тока при двухфазной модуляции. Получены формулы для определения параметров, характеризующих положение импульсов потенциалов полумостов на интервале широтно-импульсной модуляции. Показано, что оптимальное расположение импульсов на периоде широтно-импульсной модуляции позволяет существенно снизить дисперсию тока при относительной частоте модуляции, меньшей 40. При относительной частоте модуляции, большей 40, оптимальной становится модуляция с центрально-симметричным положением импульсов на интервале модуляции. Описанный в работе подход к двухфазной оптимальной широтно-импульсной модуляции может быть обобщен на многофазную широтно-импульсную модуляцию.

Рассмотрены теоретическое и экспериментальное исследования эффекта тяжения, возникающего в цилиндрическом линейном вентильном двигателе (ЦЛВД) между вторичным элементом и индуктором. Силовое усилие, создающее возвратно-поступательное движение вторичного элемента, является рабочим усилием цилиндрического линейного вентильного двигателя. Вторичный элемент создает силовое усилие по оси двигателя, а эффект тяжения заключается в поперечном притяжении вторичного элемента к индуктору. Силы механического трения вторичного элемента об индуктор возникают из-за наличия между ними эффекта тяжения. В результате эффекта тяжения вторичный элемент начинает касаться поверхности индуктора, что приводит к резкому возрастанию величины силы механического трения между ними. Как следствие, происходит резкое ослабление силового усилия, являющегося рабочим для ЦЛВД. Рассмотрены две отличающиеся друг от друга конструкции индуктора цилиндрического линейного вентильного двигателя, проведено их сравнение по величине удельного силового усилия. Определены силы тяжения, трения и силового усилия между вторичным элементом и индуктором для двух этих различных конструкций. Усилие тяжения существует из-за смещения вторичного элемента цилиндрического линейного вентильного двигателя относительно оси индуктора, в результате чего магнитный зазор между индуктором и вторичным элементом становится неравномерным по величине. В экспериментальных исследованиях выяснили, что усилие тяжения, а значит, и механическое трение, значительно ослабляет рабочее силовое усилие ЦЛВД. На основании экспериментальных результатов пришли к выводу, что необходимо изменить конструкцию индуктора ЦЛВД для снижения сил тяжения и механического трения. Изменение конструкции индуктора заключается в применении немагнитного промежуточного центратора, который вводится между двумя подшипниками скольжения, которые находятся с концов каждого модуля ЦЛВД. Кроме того, была изменена конструкция магнитопровода ЦЛВД, в которой вместо одного паза под трехфазную систему обмоток были сделаны три симметричных паза, каждый под свою фазу трехфазной обмотки. В результате магнитная система ЦЛВД стала осесимметричной. Все эти проведенные мероприятия изменения конструкции ЦЛВД позволили резко уменьшить эффект тяжения, а значит, и величину механического трения, в результате чего значительно возросло удельное силовое усилие.

Рассмотрены проблемы, связанные с загрузкой электрических сетей реактивной мощностью и питанием промышленных потребителей напряжением низкого качества. Для решений этих проблем предложено устройство на основе реакторно-тиристорных ключей на высокой стороне трансформаторной подстанции, которое совместно с батареей конденсаторов повышает пропускную способность электрических сетей и выравнивает напряжение у потребителей. Для расширения функциональных возможностей реакторно-тиристорных ключей предложен способ управления, обеспечивающий двухподдиапазонное непрерывное регулирование напряжения у потребителей с улучшенной формой напряжения нагрузки и тока сети, а также безударное включение трансформаторной подстанции под нагрузкой и отключение её без возникновения электрической дуги на механических контактах электрических аппаратов. Для исследования предлагаемого устройства в комплекте с трансформаторной подстанцией выполнен ряд опытов на математической модели в среде MatLab. Анализ результатов этих опытов в стационарных и динамических режимах работы показал целесообразность применения разработанных технических решений для системы промышленного электроснабжения. Осциллограммами физических процессов на модели показано, что при изменении напряжения в сети и тока нагрузки устройство обеспечивает стабильное напряжение у потребителей на требуемом уровне, не создавая при этом сдвига фазы тока сети относительно напряжения. Приводятся характеристики для трансформаторной подстанции по штатной схеме и с двухподдиапазонным регулирующим устройством. Предложенный способ и устройство для его реализации на основе реакторно-тиристорных ключей и конденсаторной батареи позволяют при стабилизации напряжения у потребителей сохранять синусоидальность формы тока в силовом трансформаторе и в сети.

Развитие электроэнергетической отрасли страны ориентировано на обеспечение высокой надежности, а также эффективное управление сетями электроснабжения различной конфигурации. Решение данных задач предполагает наличие определенной энергоинформационной инфраструктуры, которая помимо электротехнического оборудования включает комплекс программно-аппаратных средств, осуществляющих сбор, обработку, анализ информации при мониторинге, диагностике и последующем управлении состоянием и режимами работы элементов сети. Разнородность получаемых данных требует создания определенных механизмов их обработки, которые позволят информационно-диагностическим системам автоматически или в автоматизированном формате осуществлять синтез и адаптацию моделей диагностики к условиям эксплуатации объектов электроснабжения. Предлагается разработать методику, позволяющую определять параметры моделей диагностики электротехнического оборудования, ориентированных на высокую достоверность результата, с использованием алгоритмов интеллектуального анализа данных, в частности, нечеткой кластеризации. Применение нечеткой кластеризации рассмотрено на примере построения функций принадлежности, оценивающих значения параметров оборудования, выступающих в качестве входных переменных моделей диагностики. Проведен анализ различных алгоритмов нечеткой кластеризации и предложен способ обработки данных о работе оборудования с построением функций принадлежности на основе найденной матрицы нечеткого разбиения и центров кластеров. Методика позволяет аппроксимировать функции принадлежности типовыми формами кривых и выбрать наиболее эффективный вариант построения модели диагностики. Рассматривается практический пример использования результатов кластеризации при разработке нечетких моделей, оценивающих состояние элементов силового трансформатора. Высокий уровень соответствия данных моделирования экспериментальным данным о работе оборудования в системах электроснабжения объектов нефтедобычи свидетельствует о возможности использования методики для обеспечения точности диагностики электротехнического оборудования за счет снижения ошибок при распознавании критических и малозначимых дефектов.

Производство объектов из полимерных композиционных материалов связано с необходимостью исследования внутренней структуры производимых изделий методами неразрушающего контроля, в том числе с использованием рентгеновского излучения. Чрезвычайно высокая важность рентгенографического исследования объясняется спецификой рассматриваемых объектов, производство которых осуществляется с помощью аддитивных технологий. Аддитивные технологии подразумевают послойное наращивание изделия. Таким образом, в его внутренней структуре могут образовываться такие дефекты, как расслоение, смоляные карманы и т.д. Зачастую эти дефекты обладают небольшими размерами, но могут представлять опасность в процессе эксплуатации. Самый перспективный путь автоматизации процесса рентгенографического исследования изделий из полимерных композиционных материалов - создание роботизированной установки, автоматически выполняющей комплекс взаимосвязанных операций по позиционированию источника и приемника рентгеновского излучения. Точность позиционирования подвижных элементов определяет минимальный размер дефектов, обнаруживаемых во внутренней структуре исследуемых объектов. Поэтому информационно-измерительная подсистема, предназначенная для контроля пространственной ориентации подвижных компонентов установки, является одним из ключевых функциональных блоков всей системы в целом. В данной статье рассматриваются проблемные вопросы построения информационно-измерительной подсистемы робототехнического комплекса. Описывается базовое математическое обеспечение, на котором основывается функционирование модулей инклинометров. Особое внимание уделяется тестированию аппаратного обеспечения, в ходе которого было исследовано влияние различных источников питания на стабильность показаний инклинометров. Результаты эксперимента приводятся в графическом и табличном виде. Статья может быть полезна разработчикам средств промышленной автоматизации. Кроме того, приведенная информация может использоваться инженерами и учеными при проектировании систем контроля и управления автономными аппаратами, так как для их успешного функционирования необходимо корректное и точное определение параметров пространственной ориентации.

Исследовался процесс тепломассопереноса в кабельном канале с 18 кабельными линиями, каждая из которых состоит из трех кабелей с площадью сечения жилы 150 мм2, расположенных в трубе. На основе метода конечных элементов разработана двумерная математическая модель теплового поля подземного кабельного канала. Были получены картины распределения температуры в кабельном канале и окружающем грунте для различных вариантов загрузки кабельных линий. Для оценки влияния тепловых потерь в медном экране кабеля получены зависимости максимальной температуры жилы кабеля от величины тока. Рассмотрены варианты с учетом и без учета тепловыделений в экране. В работе исследована возможность замены многослойной конструкции кабеля на эквивалентный слой с целью упрощения счетной модели. Определены максимальные температуры, получены температурные поля в кабельной линии для различных значений токовой нагрузки при многослойной структуре и эквивалентном слое. В работе рассматривается вопрос о выборе расположения резервных линий. Построено температурное поле для случая полной загрузки всех кабелей с целью определения линий, находящихся в худших температурных условиях. Целесообразность выбора определенных линий в качестве резервных доказана путем расчета максимальных температур жил кабелей. С учетом всех полученных выводов были подобраны максимальные нагрузочные режимы для каждой кабельной линии при условии, что температуры жил кабелей не превышают максимально допустимых значений. Поставленная задача решалась методом конечных объемов в среде инженерных расчетов Fluent.