В настоящее время актуальной является проблема использования компьютерных тренажеров в учебном процессе. Создание таких тренажеров требует наличия наукоемких математических моделей, позволяющих имитировать в реальном времени работу исследуемых виртуальных устройств с высокой степенью адекватности. Компьютерные системы, позволяющие моделировать работу электротехнических устройств, построены на основе либо цепных, либо полевых, либо комбинированных моделей. В последнее время ускоренными темпами развивается моделирование на основе метода Монте-Карло. Использованы динамически подключаемые библиотеки моделирования электрических цепей методом переменных состояния и магнитных полей методом конечных элементов. Для моделирования магнетрона использован метод Монте-Карло. Рассмотрены результаты разработки и использования в виртуальном лабораторном стенде математических моделей, построенных на основе комбинации модели электрической цепи с моделями других типов, в частности: с имитационной моделью магнетрона на основе метода Монте-Карло, конечно-разностной моделью электрического поля и конечно-элементной моделью магнитного поля. Разработка тренажеров для имитации физических процессов в лабораторном практикуме по электромагнетизму требует развития имитационных высокоскоростных наукоемких комбинированных моделей.
Вестник Ивановского государственного энергетического университета
2015. — Выпуск 1
Содержание:
Математическое моделирование m-фазных синхронных двигателей ( m > 3) основано на допущениях о гладком воздушном зазоре машины и отсутствии насыщения магнитопровода, что снижает степень корректности исследования их виброшумовых характеристик. В связи с этим актуальным является создание метода исследования многофазного электропривода, обеспечивающего решение задач анализа и синтеза с учетом специфики протекания электромагнитных процессов в m -фазных машинах на основе использования полевых моделей. Использован метод переменных состояний и метод моделирования поля в среде Elcut. Предложена математическая модель для расчета электромагнитных сил m-фазного синхронного двигателя с постоянными магнитами, учитывающая реальное распределение магнитного поля в активной зоне машины с учетом насыщения магнитной цепи, дискретного распределения многофазной обмотки статора по пазам и перемещения зубчатого сердечника статора относительно ротора с постоянными магнитами. На основании данной модели возможна разработка алгоритмов управления двигателем, улучшающих виброшумовые показатели электропривода.
Ключевые слова
В задачах исследования и разработки вентильно-индукторных двигателей существенный интерес имеют вопросы снижения акустического шума, уменьшения тепловых нагрузок обмотки статора. Эти вопросы во многом определяются конструкторскими решениями и технологией производства машины. Производство таких машин мировыми производителями освоено незначительно. Отсутствуют общепринятые конструкторские решения, проверенные технологии производства. Поэтому поиск и экспериментальная проверка того или иного конструкторского и технологического решения в целях его реализации в серийном производстве вентильно-индукторных двигателей являются актуальной задачей. Экспериментальные исследования предполагаемых конструкторских решений проведены на макетных, опытных и промышленных образцах. Исследованы влияния технологии производства на критические характеристики электродвигателя: акустический шум, вибрацию, нагревы. Приведены энергетические и акустические характеристики, основные габаритные размеры разработанных электродвигателей. Показано, что равномерность воздушного зазора влияет на получаемые виброакустические показатели машин в той же степени, что и конструкция сердечников. Проведен анализ принятых конструкторских решений и технологии производства электродвигателя с точки зрения обеспечения равномерности воздушного зазора. Даны рекомендации по проведению приемо-сдаточных испытаний. Предложенные конструкторские и технологические решения, проверенные при изготовлении опытно-промышленной партии, позволяют ускорить освоение производства вентильно-индукторных двигателей на предприятиях, ориентированных на выпуск асинхронных машин. При этом точность изготовления деталей для вентильно-индукторного двигателя должна быть увеличена относительно нормальной точности узлов асинхронных машин.
Ключевые слова
В условиях ограниченного объема месторасположения в составе комплекта тягового электрооборудования на тракторе одним из важных факторов работоспособности тягового электропривода является создание высокоэффективной системы охлаждения тяговых электрических машин, обеспечивающей требуемое тепловое состояние обмотки, подшипников и датчиков положения ротора. Экспериментальные исследования проведены на опытных образцах тяговых электрических машин на базе специально разработанного стенда, имитирующего тепловые условия в составе трактора, в лаборатории Испытательного центра ОАО НИПТИЭМ. Предложена комбинированная система охлаждения тяговых электрических машин - жидкостное охлаждение пакета статора и лобовых частей обмотки статора и воздушное охлаждение ротора и лобовых частей обмотки статора. Экспериментально подтверждена эффективность данной системы охлаждения. Созданная оригинальная система охлаждения высоконагруженных тяговых электрических машин легла в основу рекомендаций по проектированию замкнутых комбинированных систем охлаждения.
Ключевые слова
Высшие гармоники существенно ухудшают условия эксплуатации электродвигателей и делают необходимым учет ярко выраженной несинусоидальности питающего напряжения при выборе их типа, мощности и режима работы. Прежде всего это актуально при использовании двигателей общепромышленных серий в составе частотно-управляемых электроприводов. На экспериментальной установке в составе преобразователь частоты MitsubishiFRD740 - трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 370 Вт - нагрузка с вентиляторной характеристикой - цифровой осциллограф AktakomACK-3107 получены осциллограммы напряжения на входе и выходе преобразователя частоты при различных режимах нагрузки электродвигателя и вариациях частоты. Выполнен анализ частотного спектра, рассчитаны значения коэффициентов высших гармоник и коэффициентов искажения синусоидальности кривых напряжения. Показано, что коэффициент искажения на выходе преобразователя частоты значительно превышает допустимые значения. При использовании в составе частотных электроприводов электродвигателей общепромышленных серий необходимо проводить оценку допустимости их эксплуатации в условиях существенной несинусоидальности питающего напряжения.
Ключевые слова
Одной из основных тенденций развития современной энергетики является сооружение парогазовых установок электростанций. Однако эффективность блоков ПГУ критична к температуре окружающей среды. Ее отклонение от расчетной величины (принятой +15 оС) приводит к существенному снижению эффективности использования топлива и неоправданным потерям. Таким образом, задача по обеспечению расчетной эффективности энергоблока ПГУ в условиях изменяющихся внешних и режимных факторов представляется весьма актуальной. Методы математического моделирования и вычислительного эксперимента позволяют уже на ранних стадиях функционального проектирования автоматизированного оборудования исследовать влияние ключевых факторов и оценить степень их влияния на расчетную эффективность. В связи с этим актуальной является задача по обеспечению расчетной эффективности энергоблока ПГУ в условиях изменяющихся внешних и режимных факторов. Решение поставленной задачи осуществлено с применением методов неравновесной термодинамики, теории автоматического управления, математического моделирования и вычислительного эксперимента. Разработана расширенная всережимная математическая модель энергоблока ПГУ в аспекте исследований влияния температуры наружного воздуха на его эффективность. Впервые показано, что ключевым фактором влияния изменений температуры наружного воздуха на параметры блока является неконтролируемое изменение массового расхода общего воздуха, подаваемого в компрессор ГТУ. Выполнен синтез структуры САУ массового расхода общего воздуха. Проведено исследование эффективности САУ при вариации температуры наружного воздуха. Стабилизация массового расхода общего воздуха практически вводит технологические параметры блока, в том числе КПД, в расчетные диапазоны при изменяющейся температуре наружного воздуха.
Ключевые слова
Основным типом трансмиссии в карьерных самосвалах большой грузоподъемности является электромеханическая трансмиссия переменного тока. Источником электрической энергии, как правило, является синхронный генератор с обмоткой возбуждения. Специфичными требованиями к системе регулирования возбуждения являются: высокое быстродействие, энергоэффективность и согласованная с нагрузкой работа. Производители таких систем не раскрывают решений указанных задач. В связи с этим актуальным является создание системы возбуждения тягового генератора, обеспечивающей регулирование напряжения в звене постоянного тока за время не более 1 секунды с уровнем пульсаций в статике не более 1 % и динамической ошибкой не более 20 % при набросе номинальной мощности тягового двигателя. Моделирование системы возбуждения выполнено в среде Delphi. Цифровая система управления реализована на базе микроконтроллера TMS320F2808. Экспериментальные исследования проведены на полномасштабном стенде по утвержденной программе и методике испытаний. В результате моделирования и экспериментальных исследований определены структура и параметры системы возбуждения тягового генератора. Для повышения энергоэффективности введена зависимость регулируемого напряжения в звене постоянного тока от нагрузки. Определены параметры регуляторов, обеспечивающие требуемый компромисс между быстродействием и уровнем пульсаций регулируемого напряжения в статике. Минимизация динамических провалов напряжения достигнута регулированием ЭДС при работе генератора на холостом ходу. Разработанная система возбуждения тягового генератора обеспечивает энергоэффективное регулирование напряжения в звене постоянного тока с уровнем пульсаций в статике менее 0,5 %, динамической ошибкой 5 % и временем регулирования 0,2 с. Полигонные испытания самосвала с созданной системой запланированы на первую половину 2015 года.
Ключевые слова
Тепломассоперенос при отделке тканей является наиболее энергоемкой составляющей всего процесса. Прогнозирование и оптимизация его энергетических параметров для разработки научно обоснованных энергосберегающих мероприятий требует детального изучения влагопереноса - важной составляющей всего процесса. Укладка влажной ткани слой за слоем является типичной технологической операцией в текстильной промышленности. Ранее была разработана нелинейная ячеечная математическая модель этого процесса, которая показала хорошее качественное соответствие физике процесса, но не имела прямой экспериментальной проверки. В связи с этим необходимо проведение такой проверки. В качестве модельного материала использована губчатая салфетка, вырезанные из которой предварительно увлажненные образцы укладывались в пакет слой за слоем и через определенные промежутки времени взвешивались для определения содержания влаги. Предлагаются результаты экспериментальной проверки ячеечной модели влагопереноса в поле массовой силы. Проведено сравнение опытной и расчетной эволюции распределения содержания влаги по слоям. Сравнение опытной и расчетной эволюции распределения содержания влаги по слоям показало их удовлетворительное совпадение. Экспериментальная проверка ячеечной модели влагопереноса в поле массовой силы показала, что она качественно и количественно адекватна реальному процессу и может быть использована в инженерных расчетах оборудования и разработке энергосберегающих мероприятий.
Ключевые слова
В мельницах самоизмельчения и барабанных грохот-дробилках измельчаемый материал является одновременно и мелющей загрузкой. Интенсивность самоизмельчения во многом определяется содержанием в загрузке крупных частиц, которые играют роль мелющей среды. В связи с этим для построения описания процесса самоизмельчения необходимо использовать нелинейные кинетические модели, которые позволяют учитывать влияние крупности измельчаемого материала на интенсивность измельчения. Разработка таких моделей и является актуальной задачей. Моделирование процесса самоизмельчения выполнено в рамках популяционно-балансовой модели измельчения, численные эксперименты проведены применительно к барабанным грохот-дробилкам для смеси угля и серного колчедана. Предложена нелинейная модель процесса самоизмельчения, в которой функция разрушения представлена в виде произведения вероятности нагружения частиц на вероятность разрушения нагруженных частиц. Выполнена идентификация и проверка адекватности модели. Предложенный подход позволяет рассчитывать кинетику самоизмельчения, а также ставить и решать задачи эффективного управления измельчением и обогащением смеси разнопрочностных компонентов.
Ключевые слова
При подготовке углей для сжигания на тепловых электростанциях в замкнутых системах измельчения вибрационные грохоты предназначены для отделения крупных фракций от мелких. Повышение эффективности грохочения способствует уменьшению возврата крупных частиц на повторное измельчение в мельницу, что позволяет повысить производительность процесса и снизить энергозатраты систем пылеприготовления. Практически все работы по моделированию грохочения цепями Маркова базируются на гипотезе о линейности процесса, когда скорость сегрегации мелкой фракции к поверхности сита считается постоянной и не зависящей от фракционного состава окружающего ее материала. Это приводит к физическому противоречию, когда в примыкающих к ситу ячейках оказывается больше материала, чем они могут вместить. Особенно это касается случая грохочения сыпучих материалов с высоким содержанием мелких фракций в исходном сырье. В связи с этим актуальным является создание модели, которая разрешает это физическое противоречие. Полученная модель основана на теории цепей Маркова, в которой матрица переходных вероятностей зависит от текущего вектора состояния. Предложена ячеечная модель процесса миграции мелких частиц по виброожиженному слою и доказана ее адекватность. Дан сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментов, подтверждающий важность учета нелинейности процесса. Расчетно-экспериментальные исследования миграции ансамбля частиц в слое сыпучего материала при виброгрохочении позволили положить нелинейную модель в основу более адекватного метода расчета процессов промышленного грохочения, в отличие от метода, базирующегося на линейной модели, в которой перенос мелкой фракции в сторону сита ничем не ограничен.
Ключевые слова
Совмещение механических и тепловых процессов встречается во многих отраслях промышленности, и в частности, в теплоэнергетике. В совмещенных процессах две или несколько стадий (процессов) осуществляются одновременно. Примером реализации совмещенных механических и тепловых процессов может служить барботажная ступень деаэратора с затопленным коллектором для подачи пара, в которой одновременно протекают процессы движения, теплопереноса и массопереноса в гетерогенной среде, состоящей из воды, пара, газа, растворенного в воде, и газа, растворенного в паре. Следует отметить, что совмещенные процессы в силу существенного влияния отдельных процессов друг на друга достаточно сложно моделируются. При описании различных совмещенных процессов до настоящего времени отсутствует единая терминология даже в самих названиях этих процессов, далеко не полно освещаются общие принципиальные возможности совмещенных процессов, а также отсутствует какая-либо их классификация. Все это в целом не может способствовать развитию теории и практики рассматриваемых процессов. В связи с этим совместное описание процессов, выполненное в рамках единых подходов и на базе одной методологии, наряду с повышением точности прогнозирования результатов расчета, позволит формулировать и решить задачи оптимального управления совмещенными процессами и аппаратами, в которых эти процессы реализуются. Стратегия моделирования совмещенных процессов разработана на основе обобщения кинетического уравнения Больцмана и его дискретных моделей. Предложена стратегия описания совмещенных механических и тепломассообменных процессов в гетерогенных средах на основе обобщения дискретных моделей уравнения Больцмана. Приведены примеры и результаты моделирования совмещенных процессов на основе предложенной стратегии. Предложенный подход позволяет рассчитывать кинетику совмещенных тепломеханических процессов, а также ставить и решать задачи эффективного управления указанными процессами.
Ключевые слова
В начальной стадии нагрева твердые тела, участвующие в теплообмене с газовой или жидкой средой, рассматриваются как полуограниченные тела, в которых температура изменяется только в поверхностном слое. Расчет температурных полей этих тел численными методами представляет определенные трудности, так как толщина этого слоя изменяется во времени. Представляется актуальной разработка простых в использовании численно-аналитических методов. Для решения дифференциального уравнения теплопроводности используется численный метод конечных разностей и численно-аналитический метод. Показана методика замены решения дифференциального уравнения теплопроводности с частными производными численным решением обыкновенного дифференциального уравнения. При этом значительно упрощается процедура расчета за счет использования полученного аналитического решения для расчетного интервала времени. Получены формулы для расчета температур прогретого слоя в конце интервала времени в зависимости от граничных условий теплообмена. Разработана оригинальная методика решения обыкновенного дифференциального уравнения при высоких скоростях роста температуры обогреваемой поверхности для материалов с низкой теплопроводностью. Проведены расчеты для оценки эффективности метода расчета. Предложен сравнительно простой численно-аналитический метод расчета температурных полей полуограниченных тел. Проведенное исследование показывает, что температуры, рассчитанные этим методом для принятых условий теплообмена, практически не отличаются от температур, найденных более трудоемким методом конечных разностей.
Ключевые слова
Применение в системе подготовки инженеров и бакалавров энергетических специальностей (профилей) современных технологий обучения, в том числе автоматизированного, в настоящее время становится обычным. Разработано и практически используется достаточно много различных средств автоматизированного обучения, накоплен обширный опыт. Однако пока неизвестны средства, реализующие в полной мере компетентностный подход, диктуемый новыми стандартами образования. Поэтому представляются актуальными исследования, проводимые в этом направлении. Предметом рассмотрения является автоматизированная система дистанционного обучения в составе программно-методического комплекса по дисциплине «Автоматическое регулирование в электроэнергетических системах». Предлагается собственный подход к разработке и практическому использованию средств автоматизированного обучения, в том числе дистанционного, в формировании знаний, умений и навыков в соответствии с требуемыми компетенциями. В результате полученного опыта эксплуатации выявлены особенности функционирования и использования автоматизированной системы дистанционного обучения, возможности учета требований ФГОСВПО, «слабые места», направления совершенствования и развития. Показаны возможности использования компетентностного подхода при автоматизированном формировании знаний, умений и навыков. Предложено использовать интегральную оценку результатов обучения в рамках профессиональных компетенций.
Ключевые слова
Существующая модель рынка мощности РФ не отвечает современным требованиям, направленным на стимулирование инвестиционной активности в электроэнергетике. НП «Совет рынка» предложило новою модель рынка мощности, в основе которой заложен механизм формирования свободных двусторонних договоров на электроэнергию и мощность (СДЭМ) между потребителями и поставщиками. В качестве информационной базы использованы данные годовых отчетов генерирующих компаний РФ и НП «Совет рынка». Исследование проведено с использованием методов сравнительного анализа, математического моделирования и прогнозирования. Произведен анализ возможных последствий введения в РФ с 2015 года новой модели оптового рынка электроэнергии и мощности для субъектов электроэнергетического рынка. Выявлены риски, сопровождающие изменения модели, и возможности их минимизации. Результаты сравнительного анализа экономических результатов работы генерирующей компании на оптовом рынке мощности при существующей модели и прогнозной модели рынка выявили снижение экономических показателей работы компании при внедрении прогнозной модели рынка мощности. По СДЭМ, объем мощности определяется величиной потребления электроэнергии по графику поставки в пиковые часы и, соответственно, зависит от сезона года. Наиболее сложным является период с марта по сентябрь, когда снижается величина потребления электроэнергии в пиковые часы и существенно уменьшается выручка генерирующей компании по СДЭМ.
