Academic literature on the topic 'Linear pulse electromechanical converter'

The purpose of the article is to evaluate the efficiency of an induction-type linear pulse electromechanical converter (LPEC) when operating in shock-power mode and excitation from an alternating voltage source (AVS) in comparison with excitation from a capacitive energy storage (CES). A mathematical model of an induction-type LPEC has been developed both when excited by a unipolar pulse from a CES and from an AVS using lumped parameters of the windings, which takes into account the interrelated electromagnetic, mechanical and thermal processes. It has been found that when the LPEC is excited from the AVS with a voltage frequency of 50 Hz, the electrodynamic force takes on a periodic decaying character with a significant prevalence of positive components of forces over negative ones. The maximum value of the force is much less, and the value of its impulse is much greater than in the LPEC, excited from the CES. With an increase in the frequency of the AVS voltage from 50 to 150 Hz, the highest value of the current density of the inductor winding decreases, and in the armature winding it increases. The greatest values of force and impulse of force are realized at a voltage frequency of 150 Hz. With an increase in the AVS frequency, the relative indicator of the efficiency of the LPEC increases. References 15, figures 4.

Introduction. Linear pulse electromechanical converters of induction type (LPECIT) are used in many branches of science and technology as shock-power devices and electromechanical accelerators. In them, due to the phase shift between the excitation current in the inductor winding and the induced current in the armature winding, in addition to the initial electrodynamic forces (EDF) of repulsion, subsequent EDF of attraction also arise. As a result, the operating indicators of LPECIT are reduced. The purpose of the article is to increase the performance of linear pulse electromechanical induction-type converters when operating as a shock-power device and an electromechanical accelerator by limiting the duration of the induced current in the armature winding until its polarity changes. Methodology. To analyze the electromechanical characteristics and indicators of LPECIT, a mathematical model was used, in which the solutions of equations describing interrelated electrical, magnetic, mechanical and thermal processes are presented in a recurrent form. Results. To eliminate the EDF of attraction between the LPIECIT windings, it is proposed to limit the duration of the induced current in the armature winding before changing its polarity by connecting a rectifier diode to it. It was found that when the converter operates as a shock-power device without limiting the armature winding current, the value of the EDF pulse after reaching the maximum value decreases by the end of the operating cycle. In the presence of a diode in the armature winding, the efficiency criterion, taking into account the EDF pulse, recoil force, current and heating temperature of the inductor winding, increases. When the converter operates as an electromechanical accelerator without limiting the armature winding current, the speed and efficiency decrease, taking into account the kinetic energy and voltage of the capacitive energy storage at the end of the operating cycle. In the presence of a diode in the armature winding, the efficiency criterion increases, the temperature rise of the armature winding decreases, the value of the maximum efficiency increases, reaching 16.16 %. Originality. It has been established that due to the limitation of the duration of the armature winding current, the power indicators of the LPECIT increase when operating as a shock-power device and the speed indicators when the LPECIT operates as an electromechanical accelerator. Practical value. It was found that with the help of a rectifier diode connected to the multi-turn winding of the armature, unipolarity of the current is ensured, which leads to the elimination of the EDF of attraction and an increase in the performance of the LPECIT.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 "Електричні машини й апарати" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020 р. Дисертаційна робота присвячена удосконаленню лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів силового та швидкісного призначення за рахунок використання декількох якорів, що взаємодіють з обмоткою індуктора. В дисертаційній роботі проведено аналіз конструкцій та сфер використання лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів індукційного, електромагнітного та електродинамічного типів в якості ударно-силових та прискорювальних пристроїв. Реалізовано в програмному середовищі COMSOL Multiphysics математичну модель лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача мультиякірної конфігурації, яка враховує взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні і теплові процеси, нелінійні магнітні та теплофізичні залежності. Розроблено класифікацію електромеханічних перетворювачів, які включають феромагнітний, котушковий та суцільний електропровідний якоря. Встановлено особливості протікання електромагнітних процесів та визначені електричні, магнітні та силові показники електромеханічних мультиякірних конфігурацій. Запропоновано комплексний критерій оцінювання ефективності, за допомогою якого проведено порівняльний аналіз перетворювачів мультиякірних конфігурацій з перетворювачами, що мають один якір. Встановлено вплив форми струму збудження на ефективність перетворювачів мультиякірних конфігурацій. Проведено експериментальні дослідження електромеханічних перетворювачів силового та швидкісного призначення з одночасним вимірюванням електричних, магнітних механічних та теплових параметрів. На базі електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій розроблено оригінальні конструкції та випробувано моделі електромагнітної катапульти для БПЛА, магнітно-імпульсного пресу для керамічних порошкових матеріалів, електромеханічного пристрою для скидання ожеледних і снігових відкладень з проводу лінії електропередачі та пристрою для знищення інформації на твердотільному цифровому SSD накопичувачі.<br>The dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.09.01 “Electric machines and apparatus” (14 - Electrical Engineering) - National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”, Kharkov, 2020. The dissertation is devoted to the improvement of linear pulsed electromechanical converters due to multi-dia configurations. In the dissertation work the analysis of designs and spheres of use of linear pulse electromechanical converters of induction, electromagnetic and electrodynamic type as shock-power and accelerating devices is carried out. Developed and implemented in the COMSOL Multiphysics software environment, a mathematical model of linear pulse electromechanical converters multi-core configuration, which takes into account the interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes, nonlinear magnetic and thermophysical dependences. The classification of electromechanical converters which includes ferromagnetic, coil and massive electrically conductive anchors is developed. The peculiarities of the course of electromagnetic processes are established and the electrical, magnetic and power indicators of electromechanical converters of multi-core configurations are determined. A complex criterion for evaluating the efficiency is proposed, by means of which a comparative analysis of electromechanical converters of multicore configurations with electromechanical converters having one anchor is carried out. The influence of the form of excitation current on the efficiency of electromechanical converters of multicore configurations is established. The method is developed and experimental researches of electromechanical converters of power and speed appointment with simultaneous measurement of electric, mechanical and thermal parameters are carried out. On the basis of electromechanical converters multi-core configurations, original designs of electromagnetic catapult models for UAVs, magnetic-pulse press for ceramic powder materials and electromechanical device for discharge of ice and snow deposits from the power line wire were developed and tested.

Šiame baigiamajame darbe išnagrinėti tiesiaeigio asinchroninio variklio ypatumai ir naudojimo sritys, padaryta dažnio keitiklių ir juose naudojamų valdymo būdų apžvalga. Išanalizuoti impulsų pločio moduliacijos realizavimo principai, apžvelgti skaliarinio ir vektorinio valdymo metodai. Remiantis išanalizuota teorija sudarytas tiesiaeigio asinchroninio variklio matematinis ir kompiuterinis modelis α-β ir x-y koordinačių sistemoje, sudaryti TAV dažninių atviros ir uždaros sistemų matematiniai bei kompiuteriniai modeliai. Sudarius atviros ir uždaros sistemos modelius: gautos TAV antrinio elemento linijinio greičio, kelio ir jėgos pereinamųjų procesų charakteristikos ir palyginti rezultatai.<br>The properties of linear induction motor and areas of its application are analyzed; frequency converters and their control methods are discussed in this final work. Methods to realize a pulse width modulation are analyzed, scalar and vector control principles are discussed. The principle of operation of control systems applied in frequency converters is analyzed On the base of analysis mathematical and Simulink model of linear induction motor in α-β and x-y reference frame is developed, mathematical and Simulink models of frequency variable open and closed systems are carried out. Open and closed systems are investigated: transient characteristics of secondary element linear speed, developed force and way are analyzed and results of different characteristics are compared.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 "Електричні машини й апарати" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020 р. Дисертаційна робота присвячена удосконаленню лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів за рахунок мультиякірних конфігурацій. Для досягнення цієї мети були поставлені задачі: – провести аналіз конструкцій та сфер використання лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів індукційного, електродинамічного і електромагнітного типів в якості ударно-силових та прискорювальних пристроїв; – реалізувати в програмному середовищі COMSOL Multiphysics математичну модель лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача мультиякірної конфігурації, яка враховує взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні і теплові процеси та нелінійні магнітні і теплофізичні залежності; – провести аналіз електромеханічних характеристик лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій та за допомогою комплексного критерію оцінити їх ефективність; – встановити вплив форми струму збудження на ефективність лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій; – провести експериментальні дослідження лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів, запропонувати та випробувати моделі електромагнітної катапульти для безпілотного літального апарату, магнітно-імпульсного пресу для керамічних порошкових матеріалів, електромеханічного пристрою для скидання ожеледних та снігових відкладень з проводу лінії електропередачі та пристрою для знищення інформації на SSD накопичувачі. Об’єкт дослідження – електромеханічні процеси та показники лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій. Предмет дослідження – лінійні імпульсні електромеханічні перетворювачі мультиякірних конфігурацій силового та швидкісного призначення. Методи дослідження. При розв’язанні поставлених задач використовувалось математичне моделювання електромагнітних, механічних та теплофізичних процесів в лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачах імпульсної дії для проведення аналізу електромеханічних характеристик та встановлення впливу форми струму збудження на ефективність перетворювачів. Експериментальні дослідження лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірної конфігурації проводились на експериментальних стендах, що дозволило випробувати моделі пристроїв. В роботі отримані такі наукові результати: – отримала подальший розвиток класифікація лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій, які включають феромагнітний, котушковий та суцільний електропровідний якоря; – удосконалено математичну модель лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача за рахунок включення феромагнітного, котушкового та суцільного електропровідного якорів, які взаємодіють з рухомим якорем. Математична модель, яка реалізована в програмному середовищі COMSOL Multiphysics, містить взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні та теплові процеси і враховує магнітні та теплофізичні нелінійні залежності; – вперше встановлено особливості протікання електромагнітних процесів та визначено електричні, магнітні та силові показники лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій силового призначення. Показано що практично всі перетворювачі мультиякірних конфігурацій забезпечують збільшення амплітуди та величини імпульсу електродинамічних зусиль у порівнянні з перетворювачем, що має один суцільний електропровідний якір; – вперше встановлено вплив геометричних параметрів рухомого і нерухомого електропровідних якорів, які взаємодіють з рухомим індуктором, що дозволило підвищити швидкісні показники лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача; – вперше встановлено, що при збуджені коливально-загасаючою, аперіодичною та аперіодичною з підживленням формами струму в перетворювачах мультиякірних конфігурацій величина імпульсу електродинамічних зусиль збільшується у порівнянні з перетворювачем, що має один суцільний електропровідний якір. Дисертаційна робота виконана в НТУ "ХПІ" і є частиною науково-дослідних робіт кафедри загальної електротехніки. Робота виконувалися за держбюджетними темами "Розробка засобів підвищення ефективності лінійних ударних електромеханічних прискорювачів та силових пристроїв" (ДР № 0115U000522) і "Удосконалення технічних систем та пристроїв за рахунок імпульсних електромеханічних перетворювачів та електрофізичних технологій" (ДР № 0117U004881), госпдоговірної теми № 15812 "Розробка та дослідження високошвидкісного електродинамічного приводу" і ініціативної теми "Сучасні проблеми та перспективи розвитку електротехнічних пристроїв та систем" (ДР № 0119U002551), де автор був співвиконавцем.<br>Dissertation for Candidate of Science Degree in Specialty 05.09.01 "Electrical Machines and Apparatuses" (14 – Electrical Engineering) – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2020. The dissertation work is devoted to the improvement of linear pulse electromechanical converters due to multi - core configurations. To achieve this goal, the following tasks were set: – to analyze the structures and areas of use of linear pulse electromechanical converters of induction, electrodynamics and electromagnetic types as shockpower and accelerating devices; – to implement in the COMSOL Multiphysics software environment a mathematical model of a linear pulse electromechanical converter of multi-core configuration, which takes into account the interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes and nonlinear magnetic and thermophysical dependences; – to analyze the electromechanical characteristics of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations and to evaluate their efficiency with the help of a complex criterion; – to establish the influence of the shape of the excitation current on the efficiency of linear pulse electromechanical transducers of multicore configurations; – to conduct experimental studies of linear pulse electromechanical transducers, to propose and test models of electromagnetic catapult for unmanned aerial vehicle, magnetic pulse press for ceramic powder materials, electromechanical device for discharging ice and snow deposits from the transmission line wire and transmission line. Object of research – electromechanical processes and indicators of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations. Subject of research – linear pulse electromechanical converters of multicore configurations of power and speed purpose. Research methods. Mathematical modeling of electromagnetic, mechanical and thermophysical processes in linear pulse electromechanical converters of pulse action was used to solve the tasks to analyze the electromechanical characteristics and establish the influence of the shape of the excitation current on the efficiency of the converters. Experimental studies of linear pulse electromechanical transducers of multicore configuration were performed on experimental stands, which allowed to test device models. The following scientific results are obtained in the work: – the classification of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations, which include ferromagnetic, coil and continuous conductive armature, was further developed; – the mathematical model of the linear pulse electromechanical converter due to inclusion of the ferromagnetic, coil and continuous electrically conductive anchors which interact with a mobile anchor is improved. The mathematical model, which is implemented in the COMSOL Multiphysics software environment, contains interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes and takes into account magnetic and thermophysical nonlinear dependencies; – for the first time the peculiarities of the course of electromagnetic processes are established and the electrical, magnetic and power indicators of linear pulse electromechanical converters of multi-core configurations of power purpose are determined. It is shown that almost all converters of multi-arc configurations provide an increase in the amplitude and magnitude of the pulse of electrodynamics forces in comparison with the converter, which has one continuous conductive armature; – for the first time the influence of geometrical parameters of movable and fixed electrically conductive armatures that interact with the movable inductor was established, which allowed to increase the speed indicators of the linear pulse electromechanical converter; – for the first time it is established that when excited by oscillatingattenuating, aperiodic and aperiodic with feeding forms of current in converters of multicore configurations the magnitude of the electrodynamics force pulse increases in comparison with the converter having one continuous electrically conductive armature. The dissertation work was performed at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and is part of the research work of the Department of General Electrical Engineering. The work was carried out on the basis of financing by state budget topics: "Development of means of increasing the efficiency of linear shock electromechanical accelerators and power devices" (DR №0115U000522), "Improvement of technical systems and devices by means of impulse electromechanical converters. (DR № 0117U004881), the contractual theme "Development and research of high-speed electrodynamics actuator" (at the expense of LLC "TETRA, Ltd", Kharkiv), and the initiative theme "Modern problems and prospects for the development of electrotechnical devices and systems" (DR №0119U002551) where the author was a co-author.

The use of SMPS (Switched mode power supply) in embedded systems is continuously increasing. The technological requirements of these systems include simultaneously a very good voltage regulation and a strong compactness of components. SEPIC ( Single-Ended Primary Inductor Converter) is a DC/DC switching converter which possesses several advantages with regard to the other classical converters. Due to the difficulty in control of its 4th-order and non linear property, it is still not well-exploited. The objective of this work is the development of successful strategies of control for a SEPIC converter on one hand and on the other hand the effective implementation of the control algorithm developed for embedded applications (FPGA, ASIC) where the constraints of Silicon surface and the loss reduction factor are important. To do it, two non linear controls and two observers of states and load have been studied: a control and an observer based on the principle of sliding mode, a deadbeat predictive control and an Extended Kalman observer. The implementation of both control laws and the Extended Kalman observer are implemented in FPGA. An 11-bit digital PWM has been developed by combining a 4-bit Δ-Σ modulation, a 4-bit segmented DCM (Digital Clock Management) phase-shift and a 3-bit counter-comparator. All the proposed approaches are experimentally validated and constitute a good base for the integration of embedded switching mode converters

The problems of global warming, a decrease of the available natural resources and many other problems in the world that happen recently become the major cause for increasing the demand for a new type of vehicle. That vehicle can be an environmental friend and so that a new generation of vehicles has been invented and tried to solve and avoid many problems. In this chapter, the proposed system is called the Multi-Converter/Multi-Machine system (MCMMS) which consists of two Synchronous Reluctance Motor (SynRM) that drive the two rear wheels of Pure Electric Vehicle (PEV). The SynRM speed and torque are controlled by using three different strategies of the PID controller. The PSO algorithm has been used as an optimization technique to find the optimal PID parameter to enhance the drive system performance of the PEV. In this system, the space vector pulse width modulation inverter for voltage source (VS-SVPWMI) has been employed to convert the DC battery voltage to three-phase AC voltage that feeds the SynRM motor in the PEV. The linear speed of the vehicle is controlled by an Electronic Differential Controller (EDC) which gives the reference speed for each driving wheel which depends on the driver reference speed and the steering angle. The specified driving route topology with three different road cases has been applied to acting and show the resistive forces that affected on the PEV during its moving on the road. In addition, to test the efficiency and stability of the PEV on the roads. Hence, this chapter has a full design, simulation and several comparison results for the propulsion electric vehicle system and it has tested implemented in the Matlab/Simulink environment version R2020a.

Abstract Linear pulse electromechanical converters (LPEC) of induction type allow providing a high speed of the actuating element in the short active section and creating powerful power impulses with its insignificant movement. One of the ways to improve the electromechanical indicators of LPEC is the formation of current excitation pulses in the inductor using electronic power supply circuits containing a capacitive energy storage device. This publication is a continuation of our previous work on the influence of different parameters and conditions on the performance of LPEC. Using the developed chain mathematical model, recurrent relations are obtained for calculating the interconnected electromagnetic, mechanical and thermal parameters of LPEC. It has been established that the speed and power electromechanical indicators of LPEC with aperiodic excitation pulse are better than those of LPEC with unipolar excitation, but worse than those of LPEC with oscillating-damped excitation pulse. LPEC with a unipolar excitation pulse, by the end of the working cycle, the smallest temperatures of the inductor and the armature are observed, while for LPEC with a oscillating-damped excitation pulse, the greatest efficiency is ensured, being 24.88%. The highest speed and power electromechanical indicators are provided at LPEC with a step-aperiodic excitation pulse. Experimental studies of LPEC were conducted when operating as an electromechanical accelerator and a shock-power device. In studies of LPEC, a piezoelectric transducer was used as a shock-power device, which converted mechanical vibrations arising from the impact of the striker on the impact plate into electrical signals. In studies of LPEC, a displacement sensor was used as an electromechanical accelerator. It was established experimentally that the movement of the armature begins with a delay relative to the moment of occurrence of the current pulse and is almost linear in the initial part of the acceleration.

Abstract Understanding, modeling and simulating the behavior of thermally and electrically conductive materials under simultaneous high electric current pulse and mechanical preload conditions has long been a topic of interest for various applications involving electromechanical systems. To this end, the present work describes a computational framework that enables the fully coupled electromagnetic and thermoelastic analysis of such systems. The partial differential equations (PDEs) representing the electrodynamic and thermodynamic conservation laws are utilized and encapsulated in a computational environment enabling their numerical solution. A specific contribution of the framework is that it is capable of solving the non-linear forms of the relevant PDEs that are formed due to the dependence of the material properties on state variables such as temperature. The proposed framework is applied for a specific high-current testing apparatus under construction in our laboratory. A high current pulse is conducted through a mechanically pretensioned specimen and generates Joule heating activating thermo-elastic strains in conjunction with Lorentz body forces influencing the associated dynamic thermo-structural response of specimens of interest. Application of the developed framework enables the generation of field predictions for the quantities of interest. Selective simulation results are presented to demonstrate the capabilities of the proposed framework followed by discussion and conclusions.