Вимоги до кабелів як категорії будівельної продукції та теплова стійкість силових кабелів

Introduction. One of the main driving factors of the demand for cable and conductor products is the modern trend of urbanization, which leads to an increase in cities with significantly increased requirements for electrical networks of transportation and distribution of electrical energy. This requires the development of appropriate infrastructure with significant demand for electricity in the commercial, industrial and residential sectors. The construction industry uses a wide range of cables with an appropriate set of electrical and mechanical properties, resistance to the influence of external climatic factors, and, first of all, must meet fire safety requirements. Increasing construction activity is stimulating the market for fire-resistant cables in the construction industry. According to the Construction Products Regulation, power, telecommunication cables, data cables, control and management, fiber optic refer to construction products in the EU member states. These cables are intended for the supply of electrical energy and communication, which are permanently installed in buildings and other engineering structures. Power, telecommunications, data and control cables are considered construction products, and are the only electrical products classified as construction. Over the next 15 years, Eastern Europe is expected to see increased growth in the construction industry, as the end of the war in Ukraine requires nearly $1 trillion in reconstruction. A strategic task in the reconstruction of the country is the use of cable and conductor products with increased operational properties, including in the construction industry. Significant efforts and investments in innovation and certification of cable and conductor products require manufacturers to create construction products of the «Power, control and communication cables» category with a high level of fire safety in accordance with the Euroclassification of cables in terms of reaction to fire depending on the level of safety. Purpose. Analysis of fire safety requirements for cables as a category of construction products and determination of thermal resistance of power cables based on experimental thermal studies of modern electrical insulating compositions. Methodology. The thermal stability of power cables with a voltage of 0,66/1 kV was determined, depending on the design, based on the conducted experimental studies of the thermal stability of electrical insulation materials, between the core filling and the polymer sheath, removed from the cable samples. On the basis of the conducted correlation analysis between thermal resistance and fire load, which are important parameters for confirming the quality and safety of the entire cable, it has been proven that the efficiency of halogen-free compositions to meet fire safety requirements increases with the increase in the cross-section and number of cores in the cable. Practical value. Determining the heat load and fire resistance of cables of various designs and areas of application based on the obtained experimental data on the heat of combustion of polymer cable materials is necessary and justified at the stage of mastering and determining the prospects for the production of cables with modern halogen-free electrical insulation compositions in accordance with fire safety requirements.Проаналізовано світові тенденції урбанізації та їх вплив на розвиток кабельної індустрії. Представлено основні тренди розвитку будівельної галузі як рушійної сили сегменту вогнестійких та пожежобезпечних кабелів для забезпечення сучасної силової та інформаційної інфраструктури. Акцентовано на темпах застосування пожежобезпечних кабелів з низьким вмістом диму та безгалогенними композиціями у Європі. Зазначено, що для забезпечення жорстких вимог щодо пожежної безпеки кабельної інфраструктури у будівельному секторі введено узагальнену категорію «Силові, контрольні кабелі та кабелі зв’язку». Представлено класифікацію кабелів за пожежною ознакою відповідно до Регламенту будівельної продукції Європейського Союзу. Наведено критерії класифікації та методи випробувань для визначення вогнестійких характеристик кабелів відповідно до кількості випромінюваного тепла. Визначено теплову стійкість та пожежне навантаження в залежності від застосованих композитних полімерних галогеновмісткіх та безгалогенних композицій і конструктивного виконання силових кабелів низької напруги. Підтверджено ефективність безгалогенних композицій для забезпечення вимог щодо пожежобезпеки для кабелів з більшим діаметром струмопровідної жили та кількістю жил. Наголошено на необхідності створення відповідної сучасної сертифікованої випробувальної бази для визначення пожежної стійкості будівельної продукції категорії «Силові, контрольні кабелі та кабелі зв’язку»

Design and experimental implementation of voltage control scheme using the coefficient diagram method based PID controller for two-level boost converter with photovoltaic system

Introduction. Currently, in the solar energy systems and a variety of electrical applications, the power converters are essential part. The main challenge for similar systems is controller design. In the literature, the PID controller has proved its effectiveness in many industrial applications, but determining its parameters remains one of the challenges in control theory field. The novelty of the work resides in the design and experimental implementation of a two-level boost DC-DC converter controlled by a PID controller for photovoltaic (PV) maximum power extraction. Purpose. Analysis and control of the two-level boost topology with renewable energy source and design of the PID controller parameters using simple and accurate method. Methods. PID coefficients are optimized using Coefficient Diagram Method (CDM) in the MATLAB environment. Results. A mathematical model of a two-level boost converter with PID controller and PV energy source was developed and analyzed. The model allows to design the controller parameters of the proposed system. Practical value. A prototype steered by the proposed CDM-PID controller was tested using an Arduino embedded board. A comparison between the simulation results and the experimental one is presented. The obtained results illustrate that the experimental results match the simulation closely, and the proposed CDM-PID controller provides a fast and precise results.Вступ. В даний час перетворювачі потужності є невід’ємною частиною сонячних енергетичних систем та різних електричних пристроїв. Основною проблемою для таких систем є проектування контролера. У літературі ПІД-регулятор довів свою ефективність у багатьох промислових застосуваннях, але визначення його параметрів залишається однією з проблем у галузі теорії управління. Новизна роботи полягає у розробці та експериментальній реалізації дворівневого підвищувального перетворювача постійного струму, керованого ПІД-регулятором, для отримання максимальної потужності фотоелектричних пристроїв. Мета. Аналіз та управління дворівневою топологією підвищення з використанням відновлюваного джерела енергії та розрахунок параметрів ПІД-регулятора простим та точним методом. Методи. Коефіцієнти ПІД оптимізуються за допомогою методу діаграми коефіцієнтів (CDM) у середовищі MATLAB. Отримані результати. Розроблено та проаналізовано математичну модель дворівневого підвищувального перетворювача з ПІД-регулятором та фотоелектричним джерелом енергії. Модель дозволяє спроєктувати параметри контролера пропонованої системи. Практична цінність. Прототип, керований пропонованим контролером CDM-PID, протестували з використанням вбудованої плати Arduino. Наведено порівняння результатів моделювання з експериментальними даними. Отримані результати показують, що експериментальні результати близько відповідають моделюванню, а пропонований CDM-ПІД-регулятор забезпечує швидкі та точні результати

Maximizing solar photovoltaic system efficiency by multivariate linear regression based maximum power point tracking using machine learning

Introduction. In recent times, there has been a growing popularity of photovoltaic (PV) systems, primarily due to their numerous advantages in the field of renewable energy. One crucial and challenging task in PV systems is tracking the maximum power point (MPP), which is essential for enhancing their efficiency. Aim. PV systems face two main challenges. Firstly, they exhibit low efficiency in generating electric power, particularly in situations of low irradiation. Secondly, there is a strong connection between the power output of solar arrays and the constantly changing weather conditions. This interdependence can lead to load mismatch, where the maximum power is not effectively extracted and delivered to the load. This problem is commonly referred to as the maximum power point tracking (MPPT) problem various control methods for MPPT have been suggested to optimize the peak power output and overall generation efficiency of PV systems. Methodology. This article presents a novel approach to maximize the efficiency of solar PV systems by tracking the MPP and dynamic response of the system is investigated. Originality. The technique involves a multivariate linear regression (MLR) machine learning algorithm to predict the MPP for any value of irradiance level and temperature, based on data collected from the solar PV generator specifications. This information is then used to calculate the duty ratio for the boost converter. Results. MATLAB/Simulink simulations and experimental results demonstrate that this approach consistently achieves a mean efficiency of over 96 % in the steady-state operation of the PV system, even under variable irradiance level and temperature. Practical value. The improved efficiency of 96 % of the proposed MLR based MPP in the steady-state operation extracting maximum from PV system, adds more value. The same is evidently proved by the hardware results.Вступ. Останнім часом зростає популярність фотоелектричних (ФЕ) систем, насамперед через їх численні переваги в галузі відновлюваної енергетики. Однією з найважливіших і складних завдань у ФЕ системах є відстеження точки максимальної потужності (MPP), яка необхідна для підвищення їх ефективності. Мета. ФЕ системи стикаються із двома основними проблемами. По-перше, вони демонструють низьку ефективність вироблення електроенергії, особливо в умовах низького випромінювання. По-друге, існує сильний зв’язок між вихідною потужністю сонячних батарей і погодними умовами, що постійно змінюються. Ця взаємозалежність може призвести до невідповідності навантаження, коли максимальна потужність не ефективно відбиратиметься і передаватиметься в навантаження. Цю проблему зазвичай називають проблемою відстеження точки максимальної потужності (MPPT). Для оптимізації пікової вихідної потужності та загальної ефективності генерації ФЕ систем було запропоновано різні методи керування MPPT. Методологія. У цій статті представлено новий підхід до максимізації ефективності сонячних ФЕ систем шляхом відстеження MPP та дослідження динамічної реакції системи. Оригінальність. Цей метод включає алгоритм машинного навчання багатовимірної лінійної регресії (MLR) для прогнозування MPP для будь-якого рівня освітленості і температури на основі даних, зібраних зі специфікацій сонячних ФЕ генераторів. Ця інформація потім використовується для розрахунку коефіцієнта заповнення перетворювача, що підвищує. Результати. Моделювання MATLAB/Simulink та експериментальні результати показують, що цей підхід послідовно забезпечує середню ефективність понад 96 % в режимі роботи ФЕ системи, що встановився, навіть при змінних рівнях освітленості і температурі. Практична цінність. Підвищена ефективність 96 % пропонованого MPP на основі MLR в режимі роботи, що вистачає максимум з ФЕ системи, підвищує цінність. Те саме, очевидно, підтверджують і апаратні результати

Analysis of suitable converter for the implementation of drive system in solar photovoltaic panels

Introduction. Photovoltaic (PV) systems gained immense attraction in the recent years since it produces electricity without causing environmental pollution through direct conversion of solar irradiance into electricity. Solar PV panels produce DC power. The magnitude of this DC power varies with temperature and irradiance of the sun rays. The DC supply from solar panels can be regulated using DC-DC converter and then can further be converted into the desired AC voltage by means of a voltage source inverter before being fed to an induction motor (IM). The speed and torque of an IM, fed from PV arrays, can vary due to the variation in the output power of the panels. Goal of this work is to improve the dynamic performance and reduce the torque ripple of Cuk converter-inverter fed IM drive system. The novelty of the current work proposes interleaved Cuk converter between solar PV DC source and the inverter. Purpose. To provide continuous current using an interleaved Cuk converter to the IM drive and in turn to reduce the torque ripple in IM. Methodology. Introduced an interleaved Cuk converter which is a blend of Cuk converters connected in parallel with each other between solar PV arrays and IM drive system. Originality. Simulation results are obtained for Cuk converter and interleaved Cuk converter fed IM drive by means of MATLAB. The hardware setup for the same IM systems is developed. Practical value. Simulation and hardware results are coincided with each other and it is subject from the simulation and hardware results that the interleaved Cuk converter-inverter fed IM system produced results superior than the Cuk converter inverter fed IM drive system.Вступ. Фотоелектричні (ФЕ) системи набули величезної привабливості в останні роки, оскільки вони виробляють електроенергію, не викликаючи забруднення навколишнього середовища, за рахунок прямого перетворення сонячного випромінювання на електрику. Сонячні ФЕ панелі виробляють енергію постійного струму. Значення цієї потужності постійного струму залежить від температури та освітленості сонячних променів. Подача постійного струму від сонячних панелей може регулюватися за допомогою DC-DC перетворювача, а потім може бути перетворена в бажану змінну напругу за допомогою інвертора джерела напруги перед подачею на асинхронний двигун. Швидкість та обертаючий момент асинхронного двигуна, що живиться від ФЕ батарей, можуть змінюватися через зміну вихідної потужності панелей. Метою даної роботи є покращення динамічних характеристик та зменшення пульсацій обертаючого моменту системи приводу асинхронного двигуна з живленням від Cuk перетворювача-інвертора. Новизна цієї роботи пропонує Cuk перетворювач, що чергується, між сонячним ФЕ джерелом постійного струму та інвертором. Мета. Забезпечення безперервності струму за допомогою Cuk перетворювача, що чергується, для приводу асинхронного двигуна і, у свою чергу, зменшення пульсації обертаючого моменту в асинхронному двигуні. Методологія. Представлений Cuk перетворювач, що чергується, який являє собою суміш Cuk перетворювачів, підключених паралельно один до одного між сонячними ФЕ батареями і системою приводу асинхронного двигуна. Оригінальність. Результати моделювання отримані для Cuk перетворювача і приводу асинхронного двигуна з живленням Cuk перетворювача, що чергується, за допомогою MATLAB. Розроблено апаратну частину цих же асинхронних двигунів. Практична цінність. Результати моделювання та апаратного забезпечення збігаються один з одним, і з результатів моделювання та апаратного забезпечення випливає, що система асинхронного двигуна з живленням від Cuk перетворювача-інвертора, що чергується, дає результати, які перевищують результати, ніж система приводу асинхронного двигуна з живленням від Cuk перетворювача

Визначення максимальних механічних напружень в ізоляційному матеріалі навколо дефекту з високою діелектричною проникністю в електростатичному полі

Introduction. All insulating macrohomogeneous solid materials change shape under the influence of an electric field. Problem. The presence of minor defects changes the distribution of an electric field and causes a significant concentration of mechanical stresses in a given section of the material, which, under certain circumstances, can cause partial or complete destruction of this material. Goal. The purpose of the work is to determine maximum mechanical stresses according to the von Mises criterion in insulating materials around defects with ionized air and water in an electrostatic field. Also, to analyze the influence of the following parameters on the indicated stresses: the location of the defect, the orientation angle of the semi-major axis of the defect cross-section, the ratio of semi-major and semi-minor axes, elastic and dielectric properties of the insulating material and the defect. Methodology. The study is based on the interrelated equations of electrostatics and structural mechanics for an isotropic piecewise homogeneous medium. The solution of these equations is obtained by the finite element method. Results. Graphs of dependences of maximum mechanical stresses on the ratio of semi-major and semi-minor axes of the ellipsoidal cross-section of the defect have been obtained. The minimum ratio of the greatest stresses in the insulating materials around the surface cracks and pores for ionized air has been 9.3 times for the maximum ratio of major and minor semi-axes of the cross-section of the defect considered in the work, which is 10. For a water defect, the similar ratio has been 2...5.6 times, increasing when the relative dielectric permittivity of the insulating material changes from 7 to 2. When Young’s modulus of the insulating material increases from 1 MPa to 100 GPa, the angles of the inclination of the linearized dependences of maximum mechanical stresses around bounded pores with ionized air (water) to the axis of the ratio of major and minor semi-axes of the defect cross-section have been increased by 35.9° (58.0°) and 18.6° (20.1°) at orientations of major semi-axes at angles of 0° and 45°, respectively. Originality. The numerical-field mathematical two-dimensional model has been developed for the first time, which consists of sequentially solved equations of electrostatics and structural mechanics, for the determination of the distribution of mechanical stresses in an insulating material with a liquid or gaseous defect. It has been established for the first time that the ratio of the elastic properties of the insulating material and the defect determines the angle of the inclination of the linearized dependence of the maximum mechanical stress to the axis of the ratio of major and minor semi-axes of the defect cross-section. Practical value. The types of defects that contribute to the aging of insulation materials under the combined action of an electric field and a stress field to the greatest extent have been established.В роботі методом скінченних елементів розроблено двовимірну математичну модель розрахунку розподілу механічних напружень під дією електростатичного поля в ізоляційному матеріалі з дефектом. Модель являє собою послідовно розв’язувані задачі електростатики та структурної механіки. У якості матеріалу дефекту виступали іонізоване повітря і вода. Розглядалися варіанти з внутрішніми та поверхневими дефектами, з врахуванням і без пружних властивостей дефекту. Поле механічних напружень розраховувалось на основі критерію фон Мізеса. Встановлено, що мінімальне відношення найбільших напружень в ізоляційних матеріалах з поверхневими тріщинами і порами для іонізованого повітря склало 9,3 рази для максимального співвідношення півосей поперечного перерізу дефекту 10. Для водного дефекту аналогічне відношення склало 2…5,6 разів, збільшуючись при зміні відносної діелектричної проникності ізоляційного матеріалу від 7 до 2. Визначено, що при збільшенні модуля Юнга ізоляційного матеріалу від 1 МПа до 100 ГПа кути нахилу до вісі лінеаризованих залежностей максимальних механічних напружень навколо обмежених пор з іонізованим повітрям (водою) збільшуються на 35,9° (58,0°) і 18,6° (20,1°) при орієнтаціях великих півосей під кутами 0° і 45° відповідно

Method for prediction and control by uncertain microsatellite magnetic cleanliness based on calculation and compensation magnetic field spatial harmonics

Aim. Development of method for prediction and control the microsatellite magnetic cleanliness taking into account the uncertainties of the magnetic characteristics of the microsatellite, based on calculation the magnetic field spatial spherical harmonics in the area of the onboard magnetometer installation and using compensating multipoles. Methodology. Spatial spherical harmonics of microsatellite magnetic field in the area of the onboard magnetometer installation calculated as solution of nonlinear minimax optimization problem based on near field measurements for prediction far spacecraft magnetic field magnitude. Nonlinear objective function calculated as the weighted sum of squared residuals between the measured and predicted magnetic field. Values of the compensating dipoles, quadrupoles and octupoles and coordinates of them placement inside the spaceship for compensation of the dipoles, quadrupoles and octupoles components of the microsatellite initial magnetic field also calculated as solution of nonlinear minimax optimization problem. Both solutions of this nonlinear minimax optimization problems calculated based on particle swarm nonlinear optimization algorithms. Results. Results of prediction spacecraft far magnetic field magnitude based on spacecraft spatial spherical harmonics of the magnetic field using near field measurements and compensation of the dipoles, quadrupoles and octupoles components of the initial magnetic field with consideration of spacecraft magnetic characteristics uncertainty for ensuring the microsatellite magnetic cleanliness. Originality. The method for prediction and control by spacecraft magnetic cleanliness based on calculation spatial spherical harmonics of the magnetic field in the area of the onboard magnetometer installation using compensation of the dipoles, quadrupoles and octupoles components of the initial magnetic field with consideration of magnetic characteristics uncertainty is developed. Practical value. The important practical problem of ensuring the magnetic cleanliness of the «Sich-2» microsatellite family based on the spatial spherical harmonics of the magnetic field model using the compensation of the dipole, quadrupole and octupole components of the output magnetic field of the sensor for the kinetic parameters of the neutral component of the space plasma at the point of installation of the on-board magnetometer LEMI-016 by setting the compensating dipole, quadrupole and octupole with consideration of spacecraft magnetic characteristics uncertainty solved.Мета. Розробка методу прогнозування та управління магнітною чистотою мікросупутника на основі обчислення просторових сферичних гармонік магнітного поля в зоні встановлення бортового магнітометру з використанням компенсації сферичних гармонік вихідного магнітного поля та з урахуванням невизначеності магнітних характеристик. Методологія. Просторові сферичні гармоніки магнітного поля мікросупутника розраховані як рішення задачі нелінійної мінімаксної оптимізації на основі вимірювань ближнього магнітного поля для прогнозування величини дальнього магнітного поля. Нелінійна цільова функція обчислена в вигляді зваженої суми квадратів залишків між виміряним і прогнозованим магнітним полем. Величини компенсуючих диполів, квадруполів та октуполів та координати їх розташування в просторі мікросупутника для компенсації вихідного магнітного поля космічного апарату розраховані як рішення нелінійної задачі мінімаксної оптимізації. Рішення обох задач нелінійної мінімаксної оптимізації розраховані на основі алгоритмів нелінійної оптимізації роєм частинок. Результати. Результати прогнозування величини дальнього магнітного поля мікросупутника на основі обчислення просторових сферичних гармонік моделі магнітного поля в зоні встановлення бортового магнітометру з використанням вимірювань ближнього поля та компенсації дипольних, квадрупольних та октупольних компонент вихідного магнітного поля з урахуванням невизначеності магнітних характеристик для забезпечення магнітної чистоти мікросупутника. Оригінальність. Розроблено метод прогнозування та управління магнітною чистотою мікросупутника на основі обчислення просторових сферичних гармонік магнітного поля з використанням компенсації дипольних, квадрупольних та октупольних компонент вихідного магнітного поля та з урахуванням невизначеності магнітних характеристик. Практична цінність. Вирішено важливу практичну задачу забезпечення магнітної чистоти орбітального космічного апарату сімейства «Січ-2» на основі обчислення просторових сферичних гармонік моделі магнітного поля з використанням компенсації дипольних, квадрупольних та октупольних компонент вихідного магнітного поля датчика кінетичних параметрів нейтрального компонента космічної плазми в точці розташування бортового магнітометру LEMI-016 шляхом установки компенсуючих диполів, квадруполів та октуполів та з урахуванням невизначеності магнітних характеристик

Computer simulation of operation plant effective modes for water disinfection by electrical discharges in gas bubbles

Purpose. Determination by means of computer simulation of the most efficient modes of operation of the installation for water disinfection using discharges in gas bubbles, in which (modes) the amplitude of voltage pulses at the processing unit and on the layer of treated water is not less than the voltage amplitude immediately after the switching discharger. Methodology. To achieve this goal, we used computer simulation using Micro-Cap 10. We used two different electrical circuits that simulate the operation of the experimental setup in two different modes: in a mode with a restoring electrical strength of the discharge gap in the gas bubble between two adjacent voltage pulses on the discharge node and in the mode without restoring this dielectric strength. In computer simulation, we varied the following factors: the maximum simulation step, inductances, capacitances, active resistances, wave resistance of a long line, and the delay time for the operation of a spark gap simulating a discharge gap in a gas bubble. Results. Computer modeling has shown that in order to increase the voltage amplitude at the treatment unit and on the layer of treated water, it is necessary to reduce the load capacitance – the capacitance of the water layer in the treatment unit to 10 pF or less, to increase the active resistance of the water layer to 500 W or more. An important factor for increasing the voltage and electric field strength in the discharge unit and, consequently, for increasing the efficiency of treated water disinfection is the discharge delay time in gas bubbles. The most rational delay time for the operation of the arrester, which is the gap in the gas bubble inside the water, under the conditions considered by us is 4–5 ns. It is with this delay time that the amplitude of voltage pulses at the node of disinfecting water treatment and on the layer of treated water is maximum, all other things being equal. Furthermore, with such a delay time this amplitude of voltage pulses significantly exceeds the voltage amplitude directly after the main high-voltage discharger, switching energy from the high-voltage capacitive storage to the processing unit through a long line filled with water. Originality. Using computer simulation, we have shown the possibility of increasing the voltage at the discharge unit of the experimental setup by 35 % without increasing the voltage of the power source. This provides a higher efficiency of microbiological disinfection of water by nanosecond discharges in gas bubbles and lower specific energy consumption. Practical value. The obtained results of computer simulation confirm the prospect of industrial application of installations using nanosecond discharges for disinfection and purification of wastewater, swimming pools and post-treatment of tap water.Мета. Визначення за допомогою комп’ютерного моделювання найбільш ефективних режимів роботи установки для знезараження води за допомогою розрядів у газових бульках, при яких (режимах) амплітуда імпульсів напруги на вузлі обробки та на шарі води, що обробляється, не менше амплітуди напруги безпосередньо після комутуючого розрядника. Методика. Для досягнення поставленої мети ми використовували комп’ютерне моделювання за допомогою Micro-Cap 10. Ми використовували дві різні електричні схеми, що моделюють роботу експериментальної установки в двох різних режимах: в режимі з електричною міцністю, що відновлюється, розрядного проміжку в газовій бульці між двома сусідніми імпульсами напруги на розрядному вузлі та у режимі без відновлення цієї електричної міцності. При комп’ютерному моделюванні варіювалися такі фактори: максимальний крок при моделюванні, індуктивності, ємності, активні опори, хвильовий опір довгої лінії, час затримки спрацьовування розрядника, що моделює розрядний проміжок у газовому міхурі. Результати. Комп’ютерне моделювання показало, що для збільшення амплітуди напруги на вузлі обробки і на шарі води, що обробляється, слід зменшувати навантажувальну ємність – ємність шару води у вузлі обробки до 10 пФ і менше, збільшувати активний опір шару води до 500 Ом і більше. Важливим чинником збільшення напруги і напруженості електричного поля в розрядному вузлі і, отже, збільшення ефективності знезараження оброблюваної води є час затримки розряду в газових бульбашках. Найбільш раціональний час затримки спрацьовування розрядника, яким є зазор у газовій бульці всередині води, у розглянутих умовах становить 4-5 нс. Саме при такому часі затримки амплітуда імпульсів напруги на вузлі знезаражувальної обробки води і на шарі оброблюваної води є максимальною за інших рівних умов і істотно перевищує амплітуду напруги безпосередньо після основного високовольтного розрядника, що комутує енергію з високовольтного ємнісного нагромаджувача у вузол обробки. Наукова новизна. За допомогою комп’ютерного моделювання показана можливість підвищення напруги на розрядному вузлі експериментальної установки на 35 % без збільшення напруги джерела живлення, що забезпечує більш ефективне мікробіологічне знезараження води за допомогою наносекундних розрядів у газових бульбашках за малих питомих витрат енергії. Практична значущість. Отримані результати комп’ютерного моделювання підтверджують перспективу промислового застосування установок з використанням наносекундних розрядів для знезараження та очищення стічних вод, басейнів та доочищення водопровідної води

Узагальнений фізичний принцип розвитку плазмового каналу високовольтного імпульсного іскрового розряду в діелектрику

Goal. Development of the generalized physical principle of development of plasma channel of a high-voltage electrical pulse spark discharge in the homogeneous dielectric of the different aggregate state. Methodology. Basis of physical optics, theoretical electrical engineering, electrophysics bases of technique of high-voltage and large pulse currents, bases of high-voltage pulse technique and measuring technique. Results. Development of physical principle of development of plasma channel of an electric pulse spark discharge is executed in a homogeneous gas dielectric on the applied example of the use in calculations and experiments of the double-electrode discharge system (DEDS) with a long air interval, testing action of standard interconnect аperiodic pulse of high-voltage of temporal shape of Tm/Тd≈200 μs/1990 μs of positive polarity. The generalized formula is got for the calculation of total length of lc of the real way of development of an pulse spark discharge in an air dielectric, which allowed to formulate the offered physical principle in the following kind: «The plasma channel of an pulse spark discharge in a gas dielectric spreads from one of its points to other after a way length of lc, providing the least falling on it of electric voltage of Uc». It is shown that this principle in the first approaching can be applied and to the homogeneous liquid and hard dielectrics. Comparison of the developed physical principle of distribution of plasma channel of an electrical spark discharge is executed in a dielectrical environment with fundamental Fermat physical principle (a law) for distribution of light in an optically transparent environment, which specifies on mathematical likeness and closeness on destiny of these physical principles. Calculation estimations of falling of electric voltage of Uc on total length of lc of the real zigzag way of development in the air dielectric of DEDS a «edge-plane» with the least length of its discharge interval of lmin=1,5 m is presented, that a value Uc does not exceed 9 % from the experimental level of aggressive voltage of Umd≈611,6 кV in this DEDS for the аperiodic pulse of voltage of Tm/Тd≈200 μs/1990 μs. It is set that the estimated time of td advancement of leader channel of electric pulse discharge in air DEDS (lmin=1,5 m) on its real way total length of lc≈1,53 m makes td≈15,3 μs, and experimental duration of cut of Tdc of the indicated аperiodic impulse of voltage utilized in experiments, characterizing time of short circuit by the plasma channel of discharge of air interval in DEDS, appears equal Тdc≈td≈17 μs. Originality. The generalized physical principle of development of plasma channel of a high-voltage electrical pulse spark discharge is first developed in the homogeneous dielectric of the different aggregate state. Practical value. Application in electrical engineering practice and high-voltage pulse technique of the offered principle of distribution in the dielectrics of plasma channel of an pulse spark discharge will allow to develop both new and to perfect the existent methods of computer design of electro-discharge processes in the gas, liquid and hard insulation of different high-voltage electrical power engineering and electrophysics devices, directed on the increase of reliability of their operation.Надані результати розробки узагальненого фізичного принципу розвитку в гомогенному діелектричному середовищі плазмового каналу високовольтного електричного імпульсного іскрового розряду. Показано, що канал даного виду електричного розряду в газовому діелектрику розповсюджується по зигзагоподібному шляху завдовжки lc, який забезпечує найменше падіння на ньому електричної напруги Uc. Для обґрунтування прийнятих початкових фізичних положень і верифікації отриманих розрахункових електрофізичних даних представлені результати високовольтних сильнострумових експериментів по електричному пробою довгого повітряного проміжку в двоелектродній розрядній системі «вістря-площина» (lmin=1,5 м) із застосуванням стандартного комутаційного аперіодичного імпульсу високої напруги часової форми Tm/Тd≈200 мкс/1990 мкс позитивної полярності. Виконано порівняння розробленого фізичного принципу розповсюдження плазмового каналу високовольтного електричного імпульсного іскрового розряду в діелектричному середовищі з фундаментальним фізичним принципом (законом) Ферма для розповсюдження світла в оптично прозорому середовищі, яке вказує на схожість за формою математичного запису і близькість за змістовним призначенням даних фізичних принципів

Total harmonic distortion analysis of inverter fed induction motor drive using neuro fuzzy type-1 and neuro fuzzy type-2 controllers

Introduction. When the working point of the indirect vector control is constant, the conventional speed and current controllers operate effectively. The operating point, however, is always shifting. In a closed-system situation, the inverter measured reference voltages show higher harmonics. As a result, the provided pulse is uneven and contains more harmonics, which enables the inverter to create an output voltage that is higher. Aim. A space vector modulation (SVM) technique is presented in this paper for type-2 neuro fuzzy systems. The inverter’s performance is compared to that of a neuro fuzzy type-1 system, a neuro fuzzy type-2 system, and classical SVM using MATLAB simulation and experimental validation. Methodology. It trains the input-output data pattern using a hybrid-learning algorithm that combines back-propagation and least squares techniques. Input and output data for the proposed technique include information on the rotation angle and change of rotation angle as input and output of produced duty ratios. A neuro fuzzy-controlled induction motor drive’s dynamic and steady-state performance is compared to that of the conventional SVM when using neuro fuzzy type-2 SVM the induction motor, performance metrics for current, torque, and speed are compared to those of neuro fuzzy type-1 and conventional SVM. Practical value. The performance of an induction motor created by simulation results are examined using the experimental validation of a dSPACE DS-1104. For various switching frequencies, the total harmonic distortion of line-line voltage using neuro fuzzy type-2, neuro fuzzy type-1, and conventional based SVMs are provided. The 3 hp induction motor in the lab is taken into consideration in the experimental validations.Вступ. Коли робоча точка непрямого векторного управління стала, традиційні регулятори швидкості та струму працюють ефективно. Проте робоча точка постійно змінюється. У ситуації закритої системи виміряна інвертором опорна напруга показує вищі гармоніки. В результаті імпульс, що подається, нерівномірний і містить більше гармонік, що дозволяє інвертору створювати більш високу вихідну напругу. Мета. У цій статті представлена методика просторової векторної модуляції (SVM) для нейронечітких систем типу 2. Продуктивність інвертора порівнюється з продуктивністю нейронечіткої системи типу 1, нейронечіткої системи типу 2 та класичної SVM з використанням моделювання MATLAB та експериментальної перевірки. Методологія. Навчається шаблон даних введення-виводу, використовуючи алгоритм гібридного навчання, який поєднує у собі методи зворотного поширення помилки та методу найменших квадратів. Вхідні та вихідні дані для запропонованої методики включають інформацію про кут повороту і зміну кута повороту як отримані вхідні і вихідні коефіцієнти заповнення. Динамічні характеристики приводу асинхронного двигуна з нейронечітким управлінням порівнюються з характеристиками звичайного SVM. При використанні нейронечіткого SVM типу 2 асинхронний двигун, показники продуктивності по струму обертаючого моменту і швидкості порівнюються з показниками приводу асинхронного двигуна з нейронечітким управлінням типу 1 та традиційного SVM. Практична цінність. Продуктивність асинхронного двигуна, створеного за результатами моделювання, досліджується з використанням експериментальної перевірки dSPACE DS-1104. Для різних частот перемикання розраховуються загальні гармонічні спотворення лінійної напруги з використанням нейронечіткого управління  типу 2, нейронечіткого управління типу 1 і традиційного SVM. Асинхронний двигун потужністю 3 л.с. у лабораторії враховується під час експериментальних перевірок

Моделювання та аналіз електротеплових процесів в установках індукційної термообробки алюмінієвої жили силових кабелів

Introduction. The development of the electric power industry is directly related to the improvement of cable lines. Cable lines meet modern requirements for reliability, they are increasingly used. Problem. Currently, power cables with an aluminum multi-conductor core, which requires heat treatment - an annealing process at the stage of the technological manufacturing process, are widespread. This process makes it possible to desirably reduce the electrical resistance of the wire and increase its flexibility. For effective use of induction heating during annealing of an aluminum core, it is necessary to determine the optimal frequency of the power source of the inductor. Considering the long length of the inductor and the large number of its turns, the numerical calculation of the electromagnetic field, which is necessary for calculating the equivalent electrical parameters of the turns of the inductor and its efficiency, requires significant computer resources. The goal is to develop a computer model for calculating electro-thermal processes in an induction plant for heating (up to the annealing temperature) an aluminum core of a power cable moving in the magnetic field of a long multi-turn inductor, as well as obtaining frequency dependences of the equivalent R, L parameters of such an inductor and determining the optimal the value of the frequency of the power source, which corresponds to the maximum value of the electrical efficiency of the inductor. Methodology. The mathematical model was developed to analyze the coupled electromagnetic and thermal processes occurring in a core moving in a time-harmonic magnetic field of an inductor at a constant speed. The differential equations for the electromagnetic and temperature fields, taking into account the boundary conditions, represent a coupled electro-thermal problem that was solved numerically by the finite element method using the Comsol software package. For a detailed analysis of the electromagnetic processes in the inductor, an additional problem was considered at the level of the elementary cell, which includes one turn of the inductor and a fragment of the core located near this turn. Results. According to the results of the calculation of the electromagnetic field in the area of the elementary cell, the equivalent electrical parameters of one turn of the inductor and the entire multi-turn inductor were calculated depending on the frequency of the electric current. The frequency dependences of the electrical efficiency of the inductor were calculated. Originality. Taking into account the design features of the inductor (its long length and large number of turns), the method of multiscale modeling was used. Electro-thermal processes in the core were studied at the macro level, and the distribution of the electromagnetic field and electric current density in the cross-section of the massive copper turn of the inductor was calculated at the micro level – at the level of an elementary cell containing only one turn of the inductor. The frequency dependences of the equivalent R, L parameters of the inductor, taking into account the skin effect, the proximity effect, and the geometric effect, were obtained, and the quantitative influence of the electric current frequency on these effects was studied. Practical value. The dependence of the electrical efficiency of the inductor on the frequency of the power source was obtained and it was shown that for effective heating of an aluminum core with a diameter of 28 mm, the optimal value of the frequency is in the range of 1–2 kHz, and at the same time the electrical efficiency reaches values of ηind = 0.3–0.33, respectively.У роботі досліджено електромагнітні та теплові процеси в установках індукційного нагрівання алюмінієвої жили силових кабелів та умови реалізації технологій її відпалювання. При математичному моделюванні вказаних процесів ураховано такі конструктивні особливості індуктора, як його значна довжина і відповідно велика кількість його витків, що викликало необхідність використати метод мультимасштабного моделювання. При цьому на макрорівні розраховувались електротеплові процеси в жилі, що рухалась у магнітному полі індуктора, а на мікрорівні (тобто на рівні елементарної комірки, що має лише один виток індуктора) визначався розподіл електромагнітного поля та густини електричного струму в перерізі масивного мідного витка індуктора з урахуванням особливостей його конструкції. На обох рівнях у роботі використовувався чисельний метод скінченних елементів, реалізований в пакеті програм Comsol. За результатами розрахунку електромагнітного поля на рівні елементарної комірки, отримано частотні залежності еквівалентних R, L параметрів індуктора із урахуванням скін-ефекту, ефекту близькості та геометричного ефекту. Досліджено кількісний вплив частоти електричного струму на ці ефекти та отримано залежність електричного ККД індуктора від частоти джерела електроживлення. Показано, що для ефективного нагрівання алюмінієвої жили діаметром 28 мм оптимальне значення частоти знаходиться в діапазоні 1–2 кГц, в якому електричний ККД може досягати значень ηind = 0,3–0,33