Частотно-регульований електропривод підвищеної радіаційної стійкості для вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів
| dc.contributor.advisor | Мазуренко, Леонід Іванович | |
| dc.contributor.author | Мугенов, Даніїл Джалільович | |
| dc.date.accessioned | 2023-09-01T09:53:30Z | |
| dc.date.available | 2023-09-01T09:53:30Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Мугенов Д.Д. Частотно-регульований електропривод підвищеної радіаційної стійкості для вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (14 - Електрична інженерія). - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2023. В роботі здійснено аналіз проблемної області застосування частотнорегульованих електроприводів середньої потужності в умовах впливу іонізуючого випромінювання. Встановлено, що в 2020 році частка атомної енергетики в структурі загального первинного постачання енергоресурсів становила 23.2 %. Відповідно до «Енергетичної стратегії України на період до 2035 року» прогнозується, що частка атомної генерації в загальному обсязі виробництва електроенергії зростатиме, що неминуче призведе до збільшення кількості радіоактивних відходів. Для захоронення або довгострокового зберігання таких відходів застосовують спеціалізовані сховища радіоактивних відходів. В дисертаційній роботі розглядається приповерхневе сховище радіоактивних відходів комплексу виробництв «Вектор». Сховище має протяжність 120 метрів і для транспортування блоків із радіоактивними відходами в якості вантажопідйомної машини застосовується мостовий кран. Розглянуто структуру системи електроприводів мостового крану. Виявлено, що оператор здійснює керування із сусідньої будівлі за допомогою органів управління і системи відео спостереження. Силові агрегати електроприводів виконані за схемою перетворювач частоти - асинхронний двигун з короткозамкненим ротором і розташовуються безпосередньо на мості крану, а пристрої керування – в приміщенні управління. Для обміну інформацією між електроприводами на мосту крана і органами управління застосовується атмосферний оптичний канал зв’язку. В мостовому крані застосовуються частотно-регульовані електроприводи загальнопромислового виконання, тобто не вживаються жодні заходи і спеціальні технології для радіаційного захисту обладнання. Для врахування радіаційних ефектів обрано величину поглиненої дози іонізуючого випромінювання. Проведено огляд конструкції і матеріалів, з яких складається кожен з елементів електроприводу. Складові матеріали електроприводу поділено на категорії за функціоналом і проведено огляд впливу іонізуючого випромінювання на: матеріали, що виконують механічні функції; провідники; напівпровідники; діелектрики; магнітні матеріали; пасивні елементи електричних кіл. Виявлено, що напівпровідникові пристрої мають найменшу стійкість до іонізуючого випромінювання, зокрема деградація властивостей кремнію починається із поглиненої дози 1 крад, на відміну від діелектриків (1 Мрад) та конструкційної сталі (100 Мрад). В подальшому дослідження зорієнтовано на найслабкішій ланці системи, тобто на напівпровідникових приладах. Частотно-регульований електропривод підйому мостового крану сховища радіоактивних відходів містить перетворювач частоти із ланкою постійного струму. Розглянуто структуру силового напівпровідникового каналу частотнорегульованого електроприводу. Розкрито, що для перетворювачів частоти середньої потужності в якості ключів інвертора застосовують біполярні транзистори з ізольованим затвором. Оскільки дослідження радіаційних ефектів таких транзисторів в літературі не виявлено, прийнято рішення про застосування схеми заміщення біполярного транзистора з ізольованим затвором. Для дослідження радіаційних ефектів в біполярних транзисторах з ізольованим затвором обрано схему заміщення на основі елементів, радіаційні ефекти яких відомі. Проведено моделювання схеми заміщення біполярного транзистора з ізольованим затвором з метою встановлення її достовірності. Побудовані вольт-амперні і передаточні характеристики в достатній мірі збігаються із заводськими характеристиками прототипу. Розглянуто два типи драйверів управління силовими ключами інвертора – на основі польових (метал-діелектрик-напівпровідникових) і біполярних транзисторів. Побудовані електричні схеми заміщення силового напівпровідникового каналу перетворювача частоти із цими драйверами. Синтезовано і досліджено математичні моделі напівпровідникових силових каналів перетворювача частоти для врахування радіаційних ефектів. Для цього розглянуто радіаційні ефекти в окремих напівпровідникових елементах силового каналу перетворювача частоти: діодах, біполярних і польових (метал-діелектрик-напівпровідникових) транзисторах і оптронах. Записані рівняння електричної рівноваги для електричних схем заміщення силового напівпровідникового каналу перетворювача частоти із обома варіантами драйверів. Ці рівняння є математичною моделлю для розрахунку вихідної напруги перетворювача частоти середньої потужності від величини поглиненої дози. В процесі порівняння двох варіантів виявлено, що система із драйверами на основі біполярних транзисторів стійкіша за систему із драйверами на основі польових транзисторів: відмова перетворювача частоти з драйверами на біполярних транзисторах настає при поглиненій дозі більше 800 крад, в той час як система з польовими транзисторами драйверів виходить з ладу після 300 крад. Дослідження синтезованої моделі дозволило визначити напівпровідниковий пристрій в складі силового каналу перетворювача частоти, зміна параметрів якого найсуттєвіше впливає на роботу системи. Для вирішення цього питання в дійсній математичній моделі замість існуючих напівпровідникових пристроїв по черзі підставлялися ідеалізовані, тобто нечутливі до впливу радіації. Виявлено, що в системі із драйверами на основі біполярних транзисторів використання радіаційно нечутливого біполярного транзистора в складі БТІЗ забезпечує незмінну амплітуду вихідної напруги перетворювача частоти із зростанням дози до 800 крад, після чого настає функціональна відмова. З’ясовано, що радіаційна зміна параметрів оптрона найсуттєвіше впливає на роботу всієї системи. Оскільки атмосферний оптичний канал зв’язку – це, по суті, оптрон, випромінювач і фотоприймач якого віддалені один від одного в просторі на значну відстань (до 150 метрів), він потребує додаткового дослідження з врахуванням особливостей його архітектури, включення в схему електропривода і зміни довжини оптичного каналу викликаного пересуванням мосту. Розглянуто функціональну схему і технічні характеристики атмосферного оптичного каналу зв’язку. Як критерій якості передачі даних обрано коефіцієнт бітових помилок – відношення помилкових двійкових символів на виході системи, поділене на загальне число прийнятих двійкових символів, при довжині переданої двійковій послідовності, що прямує до нескінченності. Виконано аналіз факторів, що погіршують якість передачі інформації, до таких факторів відносяться: послаблення потужності отриманого приймачем сигналу внаслідок не безкінечно вузької діаграми спрямованості передатчика; шумові перешкоди передатчика, каналу і приймача; деградація викликана впливом іонізуючої радіації; природна деградація лазера; послаблення лазерного випромінювання в атмосфері. На основі структурної схеми атмосферного оптичного каналу зв’язку побудовано його імітаційну модель в середовищі MATLAB/Simulink. Синтезовану модель досліджено і на основі побудованої залежності коефіцієнта бітових помилок від відношення сигнал / шум встановлено її адекватність. Задля підвищення якості передачі в атмосферному оптичному каналі зв’язку запропоновано застосування штучної нейронної мережі в складі демодулятора. Такий демодулятор оперує векторами, а не миттєвими значеннями сигналів, що дозволяє достовірно класифікувати сигнал при низьких значеннях відношення сигнал / шум. Сформовано і оброблено навчальну вибірку для навчання штучної нейронної мережі. Виходячи із задачі класифікації обрано, навчено і протестовано дев’ять типів архітектур штучних нейронних мереж. Позитивного результату вдалося досягти лише з двома типами: прямого поширення із двома лініями затримки і радіально-базисної мережі. Ймовірнісна радіально базисна мережа показала найнижчий коефіцієнт бітових помилок при відношенні сигнал / шум від 0 до 0.7 дБ, проте велика кількість нейронів прихованого шару (583) потребувала значного часу моделювання, а у втіленні в апаратному забезпеченні потребуватиме великої обчислювальної потужності. Мережа прямого поширення із 24 нейронами прихованого шару і 2 лініями затримки входу показала найнижчий коефіцієнт бітових помилок при відношенні сигнал / шум більше за 0.7 дБ. На нижчих відношеннях сигнал / шум її крива співпадає із кривою штучної нейронної мережі із 25 нейронами і вони нижчі за криву демодулятора на основі компаратора. Наукова новизна полягає у наступному: − розроблено наукові підходи до оцінки радіаційної стійкості частотнорегульованого електроприводу вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів шляхом визначення характеру впливу іонізуючого випромінювання на його структурні елементи, що дає змогу виявити такі з них, що потребують удосконалення або заміни; − отримали подальший розвиток математичні моделі силових напівпровідникових каналів перетворювача частоти стосовно використання біполярних і метал-діелектрик-напівпровідникових транзисторів у драйверах управління транзисторами інвертора шляхом врахування величини прямого падіння напруги на діоді, порогової напруги польових транзисторів, колекторного опору біполярних транзисторів та коефіцієнту передачі по струму в оптронах, що дозволяє оцінити вплив іонізуючого випромінювання на стійкість роботи таких напівпровідникових елементів; − шляхом математичного моделювання встановлено, що схема перетворювача частоти із драйверами на основі біполярних транзисторів стійкіша до впливу іонізуючого випромінювання та функціонує до дози 800 крад проти 250 крад у випадку драйвера на основі метал-діелектрик- напівпровідникових транзисторів, що дозволяє рекомендувати в умовах впливу радіації використовувати саме такі драйвери на основі біполярних транзисторів; − науково обґрунтовано особливості використання атмосферного оптичного каналу зв’язку в умовах впливу іонізуючої радіації шляхом його імітаційного моделювання в складі системи управління електроприводами мостового крану сховища радіоактивних відходів, що дає змогу максимізувати рівень якості передачі даних за умови невтручання у внутрішню структуру передатчика і приймача; − розвинуто науковий підхід до процедури демодуляції сигналів керування, що за допомогою атмосферного оптичного каналу зв’язку надходять від віддаленого пульта на вхід частотно-регульованого електроприводу вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів, шляхом застосування штучної нейронної мережі, що дозволило знизити коефіцієнт бітових помилок на всьому діапазоні відношення сигнал шум. Практичне значення полягає в тому, що розроблено імітаційну модель силового напівпровідникового каналу перетворювача частоти із ланкою постійного струму в середовищі MATLAB/Simulink, яка дозволяє досліджувати вплив величини поглиненої дози на амплітуду вихідної напруги; розроблено технічне рішення підвищення якості передачі даних в атмосферному оптичному каналі зв’язку шляхом застосування штучної нейронної мережі в його демодуляторі; запропоновані рекомендації щодо підвищення радіаційної стійкості частотно-регульованого електроприводу і зниження коефіцієнту бітових помилок атмосферного оптичного каналу зв’язку при низьких значеннях відношення сигнал / шум. | uk |
| dc.description.abstractother | Muhenov D.D. Frequency-regulated electric drive with increased radiation resistance for radioactive waist storage hoisting machines - Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Thesis for obtaining a Doctor of Philosophy degree on a specialty 141 «Electrical power engineering, electrotechnics and electromechanics» (14 - Electrical engineering). - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The analysis of the problem area of application of medium power frequencyregulated electric drives in the conditions of influence of ionizing radiation is carried out in the work. It is established that in 2020 the share of nuclear energy in the structure of the total primary energy supply was 23.2%. According to the «Energy Strategy of Ukraine for the period up to 2035», it is projected that the share of nuclear generation in total electricity production will increase, which will inevitably lead to an increase in the amount of radioactive waste. Specialized radioactive waste repositories are used for disposal or long-term storage of such waste. The nearsurface storage of radioactive waste of the production complex «Vector» is considered in the dissertation. The repository is 120 meters long and a bridge crane is used to transport radioactive waste blocs as hoisting machine. The structure of the bridge crane electric drives system is considered. It was found that the operator performs control from a neighboring building using controls and a video surveillance system. Power units of electric drives are made according to frequency converter - asynchronous motor with a short-circuited rotor scheme and are located directly on the crane bridge, control devices are placed in the control room. An optical data transmission system is used to exchange information between the electric drives on the crane bridge and the controls. The bridge crane uses general industrial design of frequency-regulated electric drives, scilicet no activity and special technologies are used for radiation protection of equipment. The value of the absorbed dose of ionizing radiation was chosen to take into account the radiation effects. The structure and materials of each of the electric drive elements review was performed. The component materials of the electric drive are divided into categories according to their functional. Influence of ionizing radiation on: materials that perform mechanical functions; conductors; semiconductors; dielectrics; magnetic materials; passive elements of electric circuits, was observed. It was found that semiconductor devices have the lowest resistance to ionizing radiation, in particular, the degradation of silicon properties begins with an absorbed dose of 1 krad, in contrast to dielectrics (1 Mrad) and structural steel (100 Mrad). Further research focuses on the weakest link in the system that is semiconductor devices. The radioactive waste storage bridge crane lifting mechanism frequencyregulated electric drive contains a frequency converter with a direct current link. The structure of the power semiconductor channel of the frequency-regulated electric drive is considered. It is revealed that insulated gate bipolar transistors are used as inverter switches for medium power frequency converters. Since the radiation effects study of such transistors in the literature has not been identified, it was decided to use a substitution scheme for an insulated gate bipolar transistor. To study the radiation effects in insulated gate bipolar transistor, a substitution scheme based on elements whose radiation effects are known was chosen. The simulation of the insulated gate bipolar transistor substitution circuit is carried out in order to establish its reliability. Obtained during modeling output and transfer characteristics sufficiently coincide with the prototype characteristics in its datasheet. Two types of inverter power switch control drivers are considered – based on field effect (metal-oxide-semiconductor) and bipolar transistors. The electrical circuits of the frequency converter power semiconductor channel with these drivers are constructed. Mathematical models of frequency converter semiconductor power channels for accounting of radiation effects are synthesized and investigated. To do this, the radiation effects in diodes, bipolar and field effect (metal-oxide-semiconductor) transistors and optocouplers were considered. The equilibrium equations for the electrical circuits of the frequency converter power semiconductor channel with both variants of drivers are written. These equations are the mathematical model for calculating the output voltage of the average power frequency converter from the amount of absorbed dose. In the process of comparison the two options, it was found that the system with drivers based on bipolar transistors is more stable than the system with drivers based on field-effect transistors: the failure of the frequency converter with drivers on bipolar transistors occurs at an absorbed dose of more than 800 krad, while the system with field-effect transistors of drivers fails after 300 krad. The synthesized model exploration allowed to determine the semiconductor device in the frequency converter power channel, which change of parameters most significantly affects the operation of the system. To solve this task in the real mathematical model instead of the existing semiconductor devices in turn were substituted idealized, which are insensitive to ionizing radiation. It was found that in a system with drivers based on bipolar transistors, the use of radiation-insensitive bipolar transistor in the IGBT provides constant frequency converter output voltage amplitude with increasing dose up to 800 krad, after which there is a functional failure. It was found that the radiation change of the optocoupler parameters has the most significant effect on the operation of the entire system. Since the optical data transmission system is, in fact, an optocoupler, which emitter and photodetector are separated from each other in space by a considerable distance (up to 150 meters), it requires additional research taking into account the peculiarities of its architecture, inclusion in the electric drive system and change the length of the optical channel caused by the bridge movement. The functional scheme and technical characteristics of the optical data transmission system are considered. Bit error rate – the ratio of erroneous binary symbols at the output of the system, divided by the total number of received binary symbols, with the length of the transmitted binary sequence, which goes to infinity, is chosen as a criterion for data transfer quality. The analysis of factors that degrade the quality of information transmission is performed, the following factors include: weakening of the received signal power due to not infinitely narrow pattern of the transmitter; noise interference of the transmitter, channel and receiver; degradation caused by ionizing radiation; natural laser degradation; attenuation of laser radiation in the atmosphere. The simulation model of optical data transmission system was build in the MATLAB/Simulink on the basis of its structural diagram. The synthesized model is investigated and its adequacy is established on the basis of the received comparison of bit error rate and signal-to-noise ratio. To improve the quality of transmission in the optical data transmission system, the use of an artificial neural network as part of a demodulator has been proposed. Such demodulator operates with vectors instead of instantaneous signal values, which allows to reliably classify the signal at low values of the signal-to-noise ratio. A training sample for an artificial neural network was formed and processed. With considering the classification task, nine types of artificial neural network architectures have been selected, trained and tested. A positive result was achieved with only two types: feed-forward with two delay lines and probablistic radial basis function network. The probabilistic radial basis network showed the lowest bit error rate at the signal-to-noise ratio from 0 to 0.7 dB, but a large number of hidden layer neurons (583) required a significant simulation time, and in hardware implementation will require high computing power. The feed-forward network with 24 hidden layer neurons and 2 input delay lines showed the lowest bit error rate at a signal-to-noise ratio of more than 0.7 dB. At lower signal-to-noise ratios, its curve coincides with the curve of an artificial neural network with 25 neurons and they are lower than the curve of a traditional demodulator. The scientific novelty consists in: − scientific approaches have been developed to assess the radiation resistance of the hoisting machine frequency-regulated electric drive of the radioactive waste repository by determining the nature of the ionizing radiation impact on its structural elements, which makes it possible to identify those that require improvement or replacement; − the mathematical models of frequency converter power semiconductor channels in cases of use bipolar and metal-dielectric-semiconductor transistors in inverter transistor control drivers were further developed by taking into account the value of the direct voltage drop on the diode, the threshold voltage of field-effect transistors, the collector resistance of bipolar transistors and the current transfer ratio in optocouplers, which makes it possible to assess the impact of ionizing radiation on the stability of the operation of such semiconductor elements; − it was established through mathematical modeling that the circuit of the frequency converter with drivers based on bipolar transistors is more resistant to the influence of ionizing radiation and works flawlessly up to a dose of 800 krad compared to 250 krad in the case of a driver based on metal-dielectric-semiconductor transistors, which makes it possible to recommend using just such drivers based on bipolar transistors in conditions of exposure to radiation; − the peculiarities of using the optical data transmission system under the influence of ionizing radiation through its simulation modeling as part of the control system for the radioactive waste storage bridge crane electric drives facility were scientifically substantiated, which makes it possible to maximize the level of data transmission quality provided that the internal structure of the transmitter and receiver is not interfered with; − the scientific approach to the procedure of demodulation of control signals, which are sent from a remote control panel to the input of a of radioactive waste repository hoisting machine frequency-regulated electric drive using an optical data transmission system, is developed by using an artificial neural network, which allowed to reduce the bit error rate over the entire range signal to noise ratio. The practical value consists in: the fact that the simulation model of frequency converter with a direct current link power semiconductor channel in MATLAB/Simulink has been developed, which allows to investigate the influence of the absorbed dose on the output voltage amplitude; developed a technical solution to improve the quality of data transmission in the optical data transmission system by using an artificial neural network in its demodulator; proposed recommendations for increasing the radiation resistance of the frequency-regulated electric drive and reducing bit error rate of the optical data transmission system at low values of the signal-to-noise ratio. | uk |
| dc.format.extent | 176 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Мугенов, Д. Д. Частотно-регульований електропривод підвищеної радіаційної стійкості для вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів : дис. ... д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Мугенов Даніїл Джалільович. - Київ, 2023. - 176 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/59712 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | електропривод | uk |
| dc.subject | перетворювач частоти | uk |
| dc.subject | інвертор | uk |
| dc.subject | електротехнічний пристрій | uk |
| dc.subject | вантажопідйомна машина | uk |
| dc.subject | мостовий кран | uk |
| dc.subject | радіоактивні відходи | uk |
| dc.subject | радіація | uk |
| dc.subject | іонізуюче випромінювання | uk |
| dc.subject | атмосферний оптичний канал зв’язку | uk |
| dc.subject | математичне моделювання | uk |
| dc.subject | electric drive | uk |
| dc.subject | frequency converter | uk |
| dc.subject | inverter | uk |
| dc.subject | electrotechnical device | uk |
| dc.subject | hoisting machine | uk |
| dc.subject | bridge crane | uk |
| dc.subject | radioactive waste | uk |
| dc.subject | ionizing radiation | uk |
| dc.subject | optical data transmission system | uk |
| dc.subject | mathematical modelling | uk |
| dc.subject.udc | 62-83:621.874:628.4.047](043.3) | uk |
| dc.title | Частотно-регульований електропривод підвищеної радіаційної стійкості для вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Muhenov_dys.pdf
- Розмір:
- 3.83 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: