Дисертації (ТОЕ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Вещиков, Георгій Вячеславович; Островерхов, Микола ЯковичВещиков Г. В. Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту. – 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», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційну роботу присвячено вирішенню наукової задачі з підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічних системах рухомого складу пасажирського електротранспорту в умовах автономного електроживлення, застосування магнітного редуктора та високодинамічного навантаження на основі визначення раціональних значень параметрів та аналізу режимів роботи системи. У першому розділі проведено комплексний аналіз властивостей та енергетичних показників основних елементів сучасних електромеханічних систем рухомого складу пасажирського електротранспорту, що визначають їх енергоефективність. Особливу увагу приділено силовим електромеханічним та електронним перетворювачам енергії, а також передатним пристроям, що являють собою основні складові електромеханічних систем транспортних засобів із автономним живленням. Порівняння різних топологій електронних перетворювачів показало, що вибір його схеми залежить від вимог до рівня струмів та напруг, діапазону регулювання, наявності рекуперації, рівня гармонічних спотворень та вартості. Аналіз сучасних топологій підтвердив можливість досягнення ККД 96-98 % при високій питомій потужності та широкому діапазоні керування, що робить їх придатними для використання в електромеханічних системах транспортних засобів з високою напругою ланки постійного струму. Аналіз електромеханічних перетворювачів енергії показав, що кожен тип електродвигуна має свої переваги та обмеження. Асинхронні двигуни залишаються найбільш надійними та доступними варіантами завдяки простоті конструкції, високій надійності та можливості реалізації оптимальних систем керування завдяки розвитку напівпровідникових перетворювачів. Синхронні машини з контактними кільцями забезпечують стабільність швидкості, але малопридатні для мобільних застосувань через наявність ковзних контактів. Двигуни з постійними магнітами демонструють найвищий ККД та кращі масогабаритні показники, проте обмежуються ризиком розмагнічування та вищою вартістю у порівнянні з іншими типами електродвигунів. Двигуни постійного струму, попри зручність керування та високий пусковий момент, поступаються за надійністю та вартістю обслуговування через наявність щітковоколекторного вузла. Для покращення показників якості керування тягового електропривода електромеханічних систем рухомого складу електротранспорту, що особливо важливо в умовах дії сильних і короткочасних моментів збурення, які можуть бути спричинені нерівністю колії, доцільним буде використання магнітного редуктора замість механічного. Дане рішення дозволяє покращити комфорт пасажирів під час руху, знизити ударні навантаження на вал двигуна та відповідно збільшити термін служби та зменшити вартість обслуговування. У другому розділі розроблено математичну модель електромеханічної системи, яка включає моделі асинхронного тягового двигуна, силового електронного перетворювача, акумуляторної батареї, суперконденсатора та магнітного редуктора. Модель побудована з урахуванням режимів руху, наявності високодинамічних механічних збурень та нелінійності характеристик електричних елементів. В основі математичної моделі електромеханічного перетворювача енергії лежить модель асинхронного двигуна в обертовій системі координат. Для керування двигуна було застосовано типову систему векторного керування, а також використано оптимальні стратегії керування, такі як метод максимального моменту на ампер та метод мінімізації втрат в міді. В якості джерела енергії було досліджено батарею суперконденсаторів, що базується на моделі суперконденсатора з трьома паралельними RC-контурами, один з яких містить нелінійну ємність. Інші два ємнісні контури мають достатньо великі сталі часу, тому суттєво не впливають на тривалість перехідних процесів в колі та не ускладнюють загальну математичну модель електромеханічної системи. Для узгодження напруг в ланках постійного струму було використано двонаправлений DC-DC перетворювач постійного струму, модель якого враховує внутрішні опори елементів, що суттєво впливають на енергоефективність досліджуваної системи. Вибір даного перетворювача було обумовлено можливістю реалізації рекуперації енергії. Для створення трифазної напруги живлення електродвигуна було використано повномостовий трифазний інвертор з шістьма ключами та керуванням ШІМ сигналом. Для керування асинхронним двигуном застосовано систему векторного керування з використанням стратегій оптимізації, орієнтованих на зменшення струмів, що протікають через обмотки двигуна, оптимальне формування електромагнітного моменту та зниження електричних втрат. У третьому розділі проведено дослідження енергоефективності автономної роботи електротранспорту на основі використання батарей суперконденсаторів для живлення тягового електроприводу вагону метро в умовах аварійного відключення електроенергії мережі або її недостатнього генерування. Визначено витрати енергії батареї суперконденсаторів на розгін та ефективність перетворення енергії, що характеризується загальним ККД системи. Було досліджено ефективність рекуперації на основі використання суперконденсаторних накопичувачів електроенергії. В результаті дослідження було встановлено кількісну залежність ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу в режимі рекуперації від швидкісного режиму гальмування при автономному живленні від батареї суперконденсаторів. Показано, що при низьких швидкостях ефективність рекуперативного гальмування є невисокою за рахунок того, що електричні та фрикційні втрати співмірні з корисною потужністю. Ефективність віддачі енергії збільшиться, якщо гальмування відбувається з більш високих швидкостей, проте після досягнення певної швидкості коефіцієнт ефективності рекуперації зменшиться. Це дозволяє визначити раціональний швидкісний діапазон рекуперації, в межах якого забезпечується максимальна ефективність перетворення енергії за робочий цикл. У четвертому розділі виконано порівняльний аналіз показників ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту на прикладі вагонів метро при дії сильних і короткочасних моментів збурення під час розгону, руху з усталеною швидкістю та сповільнення типового тягового електропривода з механічним редуктором та запропонованої системи з магнітним редуктором, отримано залежності рухомих моментів, швидкостей, кутів повороту валів у часі, спектрів осциляцій моментів та залежності характерних показників передачі від її коефіцієнтів жорсткості та демпфування. Наявність магнітного редуктора обумовлює пружно-в’язкий зв’язок між його вхідним та вихідним валом. Результати дослідження показали, що зменшення коефіцієнта жорсткості магнітного редуктора призводить до зниження основної частоти коливань рухомого моменту та спричиняє суттєве зменшення амплітуди коливань моменту і часу стабілізації. При збільшенні коефіцієнта жорсткості магнітного редуктора амплітуда коливань наближається до значень при використанні жорсткої передачі з механічним редуктором, а різниця швидкостей та кутових положень вхідного і вихідного валів редуктора зменшується. Збільшення коефіцієнта демпфування впливає лише на зменшення часу затухання перехідного процесу. Спектральний аналіз показує, що наявність пружного зв’язку в магнітному редукторі обумовлює зменшення частоти осциляцій моменту, яке вказує на більшу інерційність і кращу адаптацію системи до зовнішніх збурень. Отримані аналітичні залежності між коефіцієнтами жорсткості та демпфування магнітної передачі, що визначають тип перехідного процесу електромеханічної системи та характер реакції тягового електроприводу на керуючі та збурюючі впливи, дозволяють цілеспрямовано формувати характер зміни моменту тягового електропривода, обґрунтовано підбирати параметри магнітної передачі для забезпечення аперіодичних перехідних процесів, зменшувати вплив збурень моменту навантаження та підвищувати якість керування електромеханічною системою рухомого складу пасажирського електротранспорту. Таким чином, застосування магнітного редуктора з раціонально підібраними параметрами в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту дозволяє підвищити динамічну стійкість моменту до короткочасних збурень, зменшити амплітуду коливань, знизити ударне навантаження на вал двигуна і відповідно збільшити термін служби та зменшити вартість обслуговування системи, що актуально для електротранспорту, який працює в умовах нерівномірного руху, зокрема метрополітену. Аналіз енергоефективності з урахуванням впливу стратегій керування тяговим електроприводом з магнітною передачею дозволив визначити показники споживання електроенергії та ККД в різних режимах роботи. Використання оптимальних стратегій керування електроприводом дозволяє підвищити ККД системи з магнітним редуктором, що забезпечує зменшення споживання електроенергії. Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості використання розроблених моделей та методів для оптимізації параметрів електромеханічних систем рухомого складу пасажирського електротранспорту, удосконалення систем автономного живлення, зниження втрат енергії та підвищення надійності роботи рухомого складу електротранспорту. Результати досліджень можуть бути впроваджені під час модернізації існуючих та проектування нових енергоефективних електромеханічних систем. Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» та Інституті електродинаміки НАН України, що підтверджується відповідними актами впровадження.Документ Відкритий доступ Дослідження трифазного мостового компенсаційного перетворювача(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Шкардун, Олександр Володимирович; Бойко, Валерій СтепановичШкардун О.В. Дослідження трифазного мостового компенсаційного перетворювача. – 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», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача розвитку теорії електромагнітних процесів у засобах силової електроніки для створення нових та удосконалення існуючих перетворювальних пристроїв з підвищеними енергетичними характеристиками та покращеними масо-габаритними показниками. У першому розділі проведено аналіз існуючих схем реалізації потужних перетворювачів електричної енергії, призначених для живлення технологічних споживачів постійного струму. Особливу увагу приділено компенсаційним та компенсованим перетворювачам електричної енергії, з метою обґрунтування необхідності вирішення науково-прикладної задачі, яка розглядається у роботі. За результатами аналітичного огляду встановлено, що серед пристроїв енергетичної електроніки великої потужності, які працюють у режимі випрямляча, досить поширеними є ті, дія яких ґрунтується на застосуванні трифазної мостової схеми. Вона має багато переваг перед більшістю відомих в енергетичній електроніці схем, але не позбавлена й недоліків. Основний з них полягає у тому, що навіть при діодній реалізації і роботі у режимі випрямляча, вона має невисокий коефіцієнт потужності за рахунок нескомпенсованої потужності комутаційного процесу. Компенсаційні перетворювачі попереднього покоління, розроблені у Київському політехнічному інституті, зарекомендували себе як високоефективні пристрої силової електроніки, призначені для живлення потужних споживачів у кольоровій металургії, хімічних виробництвах, електрифікованому транспорті і т. ін. Характерною особливістю електромагнітних процесів, що мають місце у режимі електроживлення такими перетворювачами, є особливі умови комутації струму силовими електричними вентилями. Їх основним недоліком було те, що комутуюча ланка складалася з трифазної конденсаторної батареї і трифазного зрівноважувального реактора (ТЗР). Останній був потужним, габаритним та високовартісним елементом перетворювача і місцем додаткових втрат електричної енергії. Викладене свідчить про необхідність і можливість розробки нових технічних рішень, які б не мали зазначених вище недоліків та були орієновані на застосування сучасних засобів силової електроніки. Одним із таких нових технічних рішень, яке досліджується у дисертаційній роботі, є трифазний мостовий компенсаційний перетворювач [1]. Охоронним документом захищені два варіанти його схемної реалізації: з однією комутуючою ланкою та з двома. У другому розділі досліджується питання стосовно формування комутуючої напруги (напруги на фазах конденсаторів комутуючої ланки), однієї з найважливіших характеристик електромагнітного процесу будь-якого компенсаційного перетворювача. Результати досліджень цього розділу показують, як змінюється величина і форма комутуючої напруги залежно від частоти та моменту подачі імпульсів керування на транзистори комутуючої ланки. Дослідження стосовно зміни форми комутуючої напруги компенсаційних перетворювачів, при зміні характеристик технологічного процесу живлення споживачів постійного струму, раніше не проводилися. Це пояснюється тим, що у перетворювачах попереднього покоління з ТЗР у комутуючій ланці, можливості змінювати форму комутуючої напруги не було. Вона була однаковою за формою в усіх режимах і могла змінюватись лише за величиною. Отримані результати досліджень розділу доводять, які умови перезаряду конденсаторів комутуючої ланки не забезпечують ефективної роботи перетворювача та яка динаміка зміни комутуючої напруги за величиною і формою у режимах ефективної роботи, рекомендованих для застосування і меж регулювання технологічного процесу. У третьому розділі досліджуються особливості електромагнітних процесів у варіантах реалізації трифазного мостового компенсаційного перетворювача. Вони обумовлені можливістю зміни величини і форми комутуючої напруги протягом інтервалу часу живлення технологічного споживача. Тому, змінюється і характер електромагнітного процесу та закономірність зміни струму комутації силових електричних вентилів впродовж протяжності інтервалу комутації, який у роботі визначається як кут комутації y. Такі комплексні дослідження електромагнітних процесів стосовно компенсаційних перетворювачів проведені вперше, а результатом їх аналізу стало отримання нового узагальненого рівняння комутаційного процесу. На основі даних щодо особливостей комутаційних процесів у варіантах компенсаційного перетворювача, проведено дослідження величини комутуючої напруги в момент початку комутації у різних режимах його роботи, та отримано нове узагальнене рівняння для розрахунку цієї характеристики електромагнітного процесу. Узагальнені рівняння комутаційного процесу та величини комутуючої напруги в момент початку комутації покладені в основу методики розрахунку основних енергетичних характеристик компенсаційного перетворювача: випереджаючого кута регулювання a та кута комутації y. У четвертому розділі досліджуються умови роботи силового обладнання варіантів реалізації трифазного мостового компенсаційного перетворювача та випрямлена напруга. Показано, що стосовно перетворювального трансформатора будь-яких специфічних умов не висувається. З великого обсягу досліджень стосовно максимальної величини зворотної напруги силових електричних вентилів зроблено висновок, що комутуюча напруга, яка накладається на лінійну напругу перетворювального трансформатора у вентилях, що працюють у компенсаційному режимі, до перенапруг не призводить. Тобто максимальне значення зворотної напруги вентилів практично не перевищує величину лінійної напруги трансформатора. Доведені рівняння для розрахунку максимального значення зворотної напруги силових електричних вентилів. Показано, що максимальне значення напруги на транзисторах комутуючої ланки дорівнює величині комутуючої напруги у момент комутації. Доведені рівняння для розрахунку середнього значення випрямленої напруги перетворювача з однією комутуючою ланкою і перетворювача з двома. Розрахунки ілюстровані побудовою форми кривих випрямленої напруги. У п’ятому розділі з метою верифікації отриманих результатів теоретичних досліджень, проведено схемотехнічне моделювання режимів роботи варіантів реалізації досліджуваного перетворювача. Для цього використана система схемотехнічного моделювання MicroCap12. Дослідження стосовно основних енергетичних характеристик компенсаційного перетворювача, а саме випереджаючого кута регулювання a та кута комутації y показали, що при невеликих кутах затримки подачі імпульсів керування на транзистори комутуючої ланки, точність аналітичного розрахунку цих кутів вища точності схемотехнічного моделювання. Це пояснюється тим, що форма кривої комутуючої напруги, яка формується моделлю, дещо відрізняється від теоретичної. В основних робочих режимах досліджуваних варіантів реалізації перетворювачів, розбіжність між результатами аналітичного розрахунку кутів регулювання і комутації та їх схемотехнічного моделювання не перевищує 5%. Дослідженням величини і форми комутуючої напруги доведено, що при незмінності струму навантаження, їх можна змінювати, регулюючи момент подачі імпульсів керування на транзистори комутуючої ланки чи змінюючи величину ємності фаз комутуючих конденсаторів. Вперше досліджено питання стосовно зміни показників ефективності (Кеф) використання конденсаторної батареї за рахунок регулювання моменту подачі імпульсів керування на транзистори комутуючої ланки. Показано, що узгодження між величиною ємності конденсаторів комутуючої ланки та вибором моменту подачі імпульсів керування на транзистори може підвищити ефективність використання конденсаторів майже удвічі. Виявлені такі режими роботи трифазного мостового компенсаційного перетворювача, у яких силові електричні вентилі вступають в роботу повторно. Причиною цього є відповідна величина і форма кривої комутуючої напруги. Результати роботи впроваджено в освітній процес у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» для удосконалення лекційних курсів та оновлення циклів лабораторних робіт з курсів «Основи теорії поля» та «Енергоефективність процесів в електротехнологічних комплексах» та у відділі 15 «Транзисторних перетворювачів» Інституту електродинаміки НАН України. Подальше впровадження результатів дисертації рекомендується на підприємствах кольорової металургії та хімічних виробництвах.Документ Відкритий доступ Підвищення ефективності електрообладнання для випробувань високовольтних ізоляторів на допустимий рівень електромагнітних завад(2020) Лапоша, Микола Юрійович; Бржезицький, Володимир ОлександровичДокумент Відкритий доступ Перехідні процеси в представлених багатополюсниками трифазних колах із розподіленими параметрами та електромагнітними зв’язками(2019) Лободзинський, Вадим Юрійович; Щерба, Анатолій АндрійовичДокумент Відкритий доступ Підвищення ефективності перетворення енергії в нелінійних електричних колах зі змінним навантаженням(2019) Трінчук, Данило Ярославович; Островерхов, Микола ЯковичДокумент Відкритий доступ Удосконалення високовольтних вимірювальних пристроїв, що використовують автотрансформаторне перетворення напруги(2019) Гаран, Ярослав Олександрович; Бржезицький, Володимир ОлександровичДокумент Відкритий доступ Енергетичні процеси в колах заряду суперконденсаторів зі змінними початковими напругами(2016) Білецький, Олег Олександрович; Щерба, Анатолій Андрійович; теоретичної електротехніки; електроенерготехнiки та автоматики; Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"