Дисертації (ЕМ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Електромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Ткачук, Ігор Валерійович; Коваленко, Михайло АнатолійовичТкачук І. В. Електромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка в галузі знань 14 «Електрична інженерія». - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертаційне дослідження присвячене дослідженню та вирішенню актуального наукового завдання, що полягає в розробці системи перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну на основі магнітної передачі у складі автономної вітроустановки шляхом математичного та імітаційного моделювання. В роботі проведено літературно-патентний пошук за темою дисертаційного дослідження. Проведено оцінку існуючих типів механічних передач та на основі цього аналізу вибрано оптимальний варіант магнітної передачі. Найбільш перспективними топологіями магнітних передач є планетарна, планетарна коаксіальна та циклоїдна. У планетарній передачі використовується приблизно 50% більше постійних магнітів, ніж у інших перспективних топологіях. Циклоїдна магнітна передача застосовна практично лише у двоступінчастому виконанні (планетарна передача за схемою 2k-h), що знижує її щільність моменту до двох раз. Принципова наявність ексцентриситету в циклоїдної магнітної передачі породжує вібрації та некомпенсовані радіальні електромагнітні сили, що зменшують ресурс підшипників. Магнітні передачі коаксіальної планетарної топології можуть бути виконані з мінімальними радіальними електромагнітними силами, а співвісне розташування частин, що обертаються, дозволяє не вдаватися до додаткових пристроїв для зняття моменту з її вихідного валу як у циклоїдної передачі. Її недоліками є наявність пульсацій моменту і складна технологія виготовлення проміжного магнітного колеса (модулятора). Існуючі методики проєктування магнітних передач відносяться до 1970-х років і вимагають значної переробки з урахуванням останніх досягнень як у галузі матеріалознавства, так і в галузі методів розрахунку магнітних систем. Існуючі сучасні методики моделювання та відомі результати досліджень магнітних передач не дають повного уявлення про складні електромагнітних та механічних процесів при перетворенні енергії та не дозволяють проводити проєктування магнітних передач та достовірно оцінювати їх ефективність. Відомі сучасні дослідження детально не торкаються питань конструктивного виконання магнітних передач для промислового застосування та методики їх експериментальних досліджень. В роботі розроблено математичну модель та методику розрахунку максимального моменту магнітної передачі та граничних станів магнітної системи в статичному режимі, які дозволяють обґрунтовано вибрати основні розміри магнітопроводів та постійних магнітів. Розроблено математичні моделі та методику аналізу гармонійного складу магнітного поля в немагнітних проміжках магнітної передачі, на підставі яких обґрунтовано вимоги щодо конструктивного виконання елементів магнітної системи, а також математичні моделі, що дозволяють проводити розрахунок магнітної системи з урахуванням крайових ефектів, на підставі якого обґрунтовано вимоги щодо розташування конструктивних елементів магнітних передач щодо їх магнітних систем. Розроблено аналітичну методику та чисельні математичні моделі для визначення основної частоти зубчастого моменту магнітної передачі, а також для розрахунку магнітних втрат у магнітній передачі та отримано кількісні оцінки впливу різних конструктивних рішень на її ефективність. В результаті виконання дослідження, що базуються на резульатах польового та чисельного імітаційного моделювання запропоновано шляхи покращення показників магнітної передачі: - кожен полюс статора має бути відокремлений від сусіднього полюса електроізоляційною вставкою; - постійні магніти статора повинні бути поділені на електрично ізольовані сегменти в осьовому напрямку; - постійні магніти високошвидкісного ротора повинні бути поділені на сегменти як в осьовому, так і в радіальному напрямку; - сегменти низькошвидкісного ротора повинні бути електрично ізольованими один від одного та мати фаски. В дисертаційному дослідженні запропоновано підхід до складання динамічної макромоделі магнітної передачі та методику визначення її параметрів на основі даних польового розрахунку. На підставі запропонованої методики проведено моделювання різних режимів магнітної передачі при роботі на навантаження в Matlab/Simulink. Запропоновано спрощену лінеаризовану динамічну модель магнітної передачі, що дозволяє проводити оцінку власних частот коливань та параметрів згасання на початкових етапах проєктування. За результатами моделювання виявлено ряд особливостей магнітної передачі під час роботи у перехідних режимах: - пульсації швидкості на високошвидкісному роторі більш ніж у передатне відношення разів менше, ніж на низькошвидкісному роторі; - початкові фази пульсацій швидкості на низько- та високошвидкісному роторах відрізняються, внаслідок чого спостерігається мінливість миттєвого значення передавального відношення у перехідних режимах; - частоти коливань та коефіцієнти загасання більшою мірою визначаються параметрами низькошвидкісного ротора магнітної передачі.Документ Відкритий доступ Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Ігнатюк, Євген Станіславович; Чумак, Вадим ВолодимировичІгнатюк Є.С. Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена підвищенню надійності роботи електричних машин з різним рівнем відпрацьованості їх розрахункового ресурсу шляхом розробки та впровадження ефективних малозатратних методів діагностики шихтованих осердь, зокрема оцінки якості міжлистової ізоляції та стану пресування пакету в електричних двигунах загального призначення та наданню обгрунтованих рекомендацій по їх подальшій експлуатації. У першому розділі описано вплив технологічних факторів на характеристики шихтованих магнітопроводів електричних машин та огляд існуючих методів діагностики стану міжлистової ізоляції та рівня розпушеності пакету. Наведено причини виникнення дефектів у шихтованих магнітопроводах в процесі виробництва та ремонту. Показано аналіз існуючих методів діагностики стану якості ламінованих осердь, що використовуються для виявлення пошкоджень та можливого прогнозування виходу з ладу ЕМ. Проаналізовано основні види дефектів, що можуть виникати в магнітопроводах, наслідки їх впливу на загальний і місцевий стан магнітопроводу, а також на роботу електричної машини в цілому. Більш детально описано ватметровий метод діагностики, метод тепловізійного контролю та віброакустичні методи діагностики магнітопроводів ЕМ як найбільш інформативні та придатні до створення системи комплексної діагностики шихтованих осердь. У другому розділі представлено фізичні основи зв’язку параметрів високочастотних перехідних процесів з питомими втратами в шихтованих магнітопроводах, приведено опис методу оцінки якості ламінованих осердь, що базується на реакції випробуваного магнітопроводу на швидкоплинні індукційні впливи. Надані статистичні оцінки зв’язку параметрів швидкоплинних індукційних процесів в магнітопроводі з втратами на перемагнічування при промислових частотах. Проведено статистичний аналіз експериментів, що були виконані високочастотним індукційним методом, по дослідженню фактичного стану бездефектних та дефектних шихтованих магнітопроводів різної геометричної конструкції, потужності та полюсності. Визначена регресійна залежність та приведені довірчі інтервали для оцінки точності діагностичних параметрів, що вимірюються. Визначено чотири ступеня дефектності магнітопроводів та відповідні межі діагностичних параметрів. Встановлено значну кореляцію між питомими втратами в магнітопроводі Р1,0/50 та загальними магнітними втратами та температурами в обмотках в зібраних і працюючих машинах різної потужності та геометрії магнітопроводу. Показано, що в результаті встановлення діагностичних параметрів і пов’язаних з ними питомих втрат в осердях необхідно проводити післяремонтну паспортизацію машини з обґрунтованим зменшенням навантаження для забезпечення розрахункового ресурсу роботи. Надані рекомендації по зміні номінальної потужності машини в залежності від рівня дефектності застосованого в ній магнітопроводу. Третій розділ присвячений математичному моделюванню високочастотного процесів по запропонованому індукційному методу контролю якості шихтованих магнітопроводів електричних машин загального призначення. Описано та обґрунтовано параметри бездефектного магнітопроводу. Проведено польове та математичне моделювання дефектних та бездефектних пакетів листів електротехнічної сталі в програмному середовищі COMSOL Multiphysics. Було проаналізовано вплив розвинутості дефектів магнітопроводів, пов’язаних з питомими втратами на вихрові струми шляхом моделювання зміни електричної провідності матеріалу сталі, збільшенням товщини листів магнітопроводу та утворенням паразитних контурів вихрових струмів, що відповідають локальним і інтегральним дефектам. Локальні дефекти моделювались шляхом металевого замикання сусідніх пластин, а інтегральні дефекти – збільшенням міжлистової поперечної електричної провідності пакету. Фізично та математично описано процеси, що протікають на прикладі умовного шихтованого пакету з 10 пластин товщиною 0,5мм, що потім експериментально досліджувався при фізичному моделюванні інтегральних і локальних дефектів. Результати моделювання та експериментальних досліджень показали хорошу збіжність, яка не перевищує 10% по оцінці загальних втрат в магнітопроводі згідно запропонованого індукційного методу. По отриманих даних було створено польову математичну модель в програмному пакеті COMSOL Multiphysics. Було проведено математичне моделювання та експериментальні дослідження магнітопроводу 4А90L4У3. По результатам моделювання та експериментальних досліджень були запропоновані діагностичні ознаки для оцінки магнітопроводів різного ступеню дефектності міжлистової ізоляції. Було проведено дослідження впливу локального дефекту магнітопроводу в зубцевій зоні двигуна АІР100L4У3 в зібраній машині з закладеними термодатчиками в дефектних та бездефектних частинах машини. По результатах розрахунку по створених теплових схемах заміщення і виміряним температурам при роботі зібраної машини були оцінені локальні втрати в дефектних та бездефектних зонах, а також температури в обмотках, що були укладені в дефектних і бездефектних частинах. Оцінена небезпека локальних дефектів зубцевої зони в магнітопроводах, що може привести до виходу з ладу міжвиткової ізоляції частини обмотки, яка знаходиться в пазах між дефектними зубцями. У четвертому розділі описано метод оцінки якості шихтованих магнітопроводів по стану міжлистової ізоляції та рівня розпушеності листів магнітопроводу. Метод дозволяє обґрунтувати рекомендації по подальшому використанню осердя по результатах аналізу діагностичних впливів при одночасному використанні швидкоплинних індукційних впливів та ударного вібраційного впливу при співвідношенні дефектів різного походження. Було розглянуто лабораторні зразки інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) діагностики шихтованих магнітопроводів різного стану пресування, які були експериментально перевірені при виконанні відповідних досліджень. Наведено структурні схеми, описано алгоритми роботи, структуру та основні функції програмного забезпечення, що входить до складу розроблених ІВС. Проведено низку експериментів на лабораторній базі Інституту електродинаміки НАНУ м.Київ. Описано і показано поєднання експериментів з одночасним індукційним та віброакустичними впливами. Визначено три основні рекомендації по результатам запропонованого комплексного методу оцінки якості шихтованих магнітопроводів. П’ятий розділ описує структурні та функціональні схеми дослідного макету для дослідження стану якості шихтованого магнітопроводу високочастотним індукційним методом. Функціональна схема складається генератору синусоїдальних оливань високої частоти, блоку силових ключів на польових транзисторах, блоку живлення та блоку обробки та аналізу інформації. Структура вимірювально-діагностичної системи включає силову і вимірювальну частину, які пов’язані індукційним шляхом через об’єкт контролю на якому розташовано обмотку збудження та вимірювальну обмотку. пристрій дозволяє виконувати перевірку якості міжлистової ізоляції осердя електричних машин малої та середньої потужністі (об’єктів) без застосування додаткових вимірювальних приладів. Показані осцилограми бездефектних та дефектних магнітопроводів, що були отримані дослідним шляхом при вибраних тестових частотах 10кГц і 1кГц та відповідні їм амплітуди напруг на контрольній обмотці, відношення яких, дозволяють визначити діагностичний коефіцієнт Кд, який показує межі питомих втрат при В1,0/50. Вимірювання діагностичного коефіцієнту Кд за допомогою створеного макету дозволяє оцінити втрати в магнітопроводі різного рівня дефектності для чотирьох випадків: 1) Зелений колір – питомі втрати в магнітопроводі не перевищують 4 Вт/кг. Відповідає якісному магнітопроводу. 2) Жовтий колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять від 4 до 8 Вт/кг. Магнітопровід першого ступеню дефектності. При його використанні потребуєтться корекція паспортних даних зібраного на його основі двигуна. 3) Оранжевий колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять від 8 до 12 Вт/кг. Відповідає магнітопроводу другого ступеню дефектності. При його використанні потребується суттєва зміна паспорту та перегляд режиму роботи. 4) Червоний колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять більше 12 Вт/кг. Відповідає магнітопроводу аварійного стану. Рекомендується відбракувати магнітопровід. Наукова новизна одержаних результатів в дослідженні полягає у наступному: - Запропоновано індукційний метод контролю якості міжлистової ізоляції ламінованих магнітопроводів, який на відміну від існуючих, побудований на принципі порівняння реакції шляхів замикання вихрових струмів при наявності та відсутності дефектів на швидкоплинні процеси різної частоти в індукційно пов’язаних контурах збуджуючої та контрольної обмотки. - Вдосконалено чисельну польову математичну модель швидкоплинних процесів в шихтованому магнітному осерді, яка на відміну від існуючих враховує нелінійні властивості магнітних матеріалів та явище гістерезису при зміні частоти перемагнічування. - Вперше розроблено математичну модель, яка визначає зв’язок параметрів високочастотних процесів в випробуваних магнітних осердях з їх питомими втратами в змінних магнітних полях промислової частоти та індукціях, рекомендованих до нормативних випробувань та близьких до індукцій при роботі електричних машин. - Обґрунтовано нову методику визначення ступеня пошкодження міжлистової ізоляції шихтованих магнітопроводів електричних машин при наявності інтегральних і локальних дефектів з подальшими рекомендаціями до відбраківки магнітопроводів. - на базі побудованих математичних моделей теоретично обґрунтовано можливі діагностичні ознаки шихтованих магнітопроводів електричних машин, які орієнтовані на використання ударного вібраційного сигналу з одночасним електромагнітним комутаційним впливом. Отримані результати розкривають нові перспективи у вдосконаленні наявних методів діагностики міжлистової ізоляції в шихтованих магнітопроводах, сприяючи підвищенню надійності роботи електричних машин та збільшення терміну експлуатації.Документ Відкритий доступ Високочастотна діагностика ізоляції обмоток низьковольтних асинхронних двигунів(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Стулішенко, Андрій Сергійович; Чумак, Вадим ВолодимировичСтулішенко А.С. Високочастотна діагностика ізоляції обмоток низьковольтних асинхронних двигунів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої проблеми діагностики міжвиткових замикань і пробоїв ізоляції на корпус в багатовиткових всипних обмотках низьковольтних асинхронних двигунів. Робота зосереджена на розробці та використанні прогресивних методик, що дозволяють ефективно виявляти та оцінювати дефекти ізоляції в таких обмотках. У вступі даної дисертації детально обгрунтовано актуальність розробки високочастотних методів для діагностики ізоляції обмоток електромеханічних пристроїв та виявлення виткових замикань. Загальна характеристика роботи включає в себе детальний огляд досліджуваних питань і пропонованих методик. Подано загальну характеристику роботи, сформульована її мета, основні задачі, об’єкт та предмет досліджень, наведена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів. У першому розділі охоплюється важливий аспект дослідження - вивчення і аналіз проблем, що виникають через відмову ізоляції електричних машин. Зокрема, звертається увага на обговорення різних методів діагностики та контролю, які використовуються у сучасному виробничому середовищі. У цілому, цей розділ вирішує важливе завдання - початковий аналіз ситуації, що допомагає встановити основу для детального і ретельного дослідження проблеми, надає перспективи для вибору оптимальних методів контролю та діагностики ізоляції. Другий розділ зосереджений на визначенні та обґрунтуванні найбільш ефективних методів діагностичного випробування для визначення відмов ізоляції електромеханічних пристроїв. Формуються критерії для вибору діагностичних параметрів, засновуючись на дослідницькій роботі, виконаній у першому розділі. Виконаний перехід до аналізу машин зі всипними обмотками, які були експлуатовані протягом значного періоду часу, і вивчений вплив тривалого використання на їхню надійність та продуктивність. Третій розділ присвячено створенню детальних моделей для аналізу та виявлення відмов ізоляції в електромеханічних пристроях. Розділ розпочинається з аналізу зовнішніх перенапруг та комутаційних перенапруг, які виникають в обмотці при включенні. Наступний етап - розгляд перехідних процесів при комутації та комутаційних процесів при розриві струму. Ці розділи дають чітке уявлення про процеси, які відбуваються в обмотках при роботі електромеханічного пристрою. Далі здійснено дослідне визначення процесів відключення, порівняння дослідних і розрахункових даних. По результатам цих аналізів розроблена математична модель обмотки на основі якої, ми аналізуємо втрати в ізоляції та електромагнітному полі. Четвертий розділ присвячено визначенню ключових параметрів, які впливають на частотні характеристики електричних машин. Початковий фокус в цьому розділі - це детальний аналіз параметрів машини та їх впливу на частотні характеристики. Цей аналіз розширюється, досліджуючи залежності параметрів обмоток від частоти. Далі проводиться експериментальне визначення параметрів, що дозволяє отримати реальні значення та порівняти їх із теоретичними моделями. Важливим аспектом розділу є аналіз частотних залежностей вхідних опорів. Це дозволяє глибше зрозуміти поведінку системи та визначити критичні частотні точки для діагностичних цілей. П'ятий розділ розкриває процес експериментального дослідження дефектів та аномалій в ізоляції електричних машин. Зосередженість на експериментальному моделюванні дефектів в корпусній і міжвитковій ізоляції допомагає інтенсифікувати дослідження і перетворити теоретичні знання на практичні. Аналіз включає розрахунок додаткової ємності, що утворюється в результаті старіння та зволоження ізоляції, що має важливе значення для оцінки стану обмотки. На наступному етапі моделюється міжвитковий дефект в міжвитковій ізоляції при різних станах ізоляції, що надає цінні висновки про вплив стану ізоляції на якість обмотки. Шостий розділ є підсумковим візуальним представленням процесу діагностики дефектів в ізоляції. В цьому розділі використовується MatLab Simulink для створення багатоланкової схеми, яка моделює дефекти ізоляції електричних машин, що дозволяє візуалізувати та аналізувати динаміку цих дефектів. Ключові аспекти моделювання включають міжвитковий дефект в міжвитковій ізоляції, пробій ізоляції всипної обмотки на корпус, та вплив старіння та зволоження на параметри дефектної ізоляційної системи. Аналіз результатів моделювання та їх порівняння з експериментальними даними забезпечує цінні висновки щодо адекватності моделі і можливості її використання для прогнозування відмов ізоляції. На закінчення розроблено рекомендації щодо використання результатів моделювання для діагностики та прогнозування відмов, які покращують процедуру діагностики ізоляції в електричних машинах. Розроблені методики та процедури для всебічного аналізу ізоляційних систем у звичайних електричних машинах із всипними обмотками. Ці методики відрізняються від традиційних підходів, оскільки вони дозволяють чітко розрізняти між тими дефектами ізоляції, які можна виправити під час стандартного технічного обслуговування, та тими, які є критичними і можуть призвести до повної відмови машини. Метод спрямований на підвищення чутливості виявлення дефектів ізоляції обмоток базується на детальному аналізі вхідного опору під час резонансу струмів і напруг у конкретних тестових умовах. Цей метод використовує спеціально створений резонанс на штучних частотах з допомогою додаткових елементів, знижуючи втрати у складному коливальному контурі. Створені унікальні математичні моделі для аналізу високочастотних процесів в ізоляційних системах. Ці моделі використовують складні багатоланкові схеми заміщення для вкраплених обмоток і дозволяють моделювати різноманітні дефекти ізоляції, як локальні, так і загальні. У рамках дисертаційного дослідження реалізована серія експериментів, метою яких було встановлення характеристик обмоток. В ході цих досліджень застосовані інноваційні методи вимірювання та інструменти, що сприяли аналізу розмірів та динаміки зміни параметрів обмоток електродвигунів. Розроблена нова методика, заснована на використанні декремента згасання коливань як показника стану ізоляції. Такий підхід допоміг виявити рівень деградації ізоляції та оцінити ризики потенційних несправностей. Дослідження декремента згасання виявило його значну інформативність для цілей діагностики ізоляції. Проведено аналіз частотних залежностей та коливальних характеристик, що підтвердило їх схожість у висновках. Це вказує на високу ефективність обох методів для діагностування ізоляції та їх придатність для інтегрованого використання у прогнозуванні несправностей. Результати експериментів підтвердили теоретичні гіпотези, наголошуючи на значущості досліджень для покращення методів діагностики та прогнозування відмов ізоляції в універсальних електродвигунах змінного струму з всипними обмотками. Результати роботи впроваджено: в КП «Міськводоканал» СМР м. Суми.