Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017, № 12. Часть 1

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
 
16+ 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 12 
 
Часть 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2017 

УДК 621.86/87 
 ISSN 2071-6168 

Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 
Вып. 12: в 3 ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 232 с.

Рассматриваются научно-технические проблемы в области развития региональной электроэнергетики, методов и средств повышения эффективности функционирования электроэнергетических и электротехнических систем и оборудования, надежности и диагностирования их технического состояния. Настоящий сборник составлен 
по результатам и докладам конференций: XV Московского международного энергетического форума «ТЭК России в XXI веке», международных научно-технических конференций «Энергоэффекивность-2017» и «Энергосбережение-2017». 

Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, 
студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике технических наук. 

Редакционный совет 

М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, М.А. БЕРЕСТНЕВ, В.Н. ЕГОРОВ, 
О.Н. ПОНАМОРЕВА, Н.М. КАЧУРИН, В.М. ПЕТРОВИЧЕВ 

Редакционная коллегия 

О.И. Борискин (отв. редактор), С.Н. Ларин (зам. отв. редактора), 
Б.С. 
Яковлев 
(отв. 
секретарь), 
И.Л. 
Волчкевич, 
Р.А. 
Ковалев, 
М.Г. Кристаль, А.Д. Маляренко (Республика Беларусь), А.А. Сычугов, 
Б.С. Баласанян (Республика Армения), А.Н. Чуков 

Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 

Сборник 
зарегистрирован 
в 
Федеральной 
службе по надзору в сфере связи, информационных 
технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 
ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г. 
«Известия Тульского государственного университета» входят в Перечень ведущих научных журналов 
и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в 
которых должны быть опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора 
наук. 

© Авторы научных статей, 2017 
© Издательство ТулГУ, 2017 

Рекуперация электрической энергии 

3

РЕКУПЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 

УДК 004.94 

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ  
ИНДУКТОРНО-РЕАКТИВНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ  
С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАКЕТОВ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ 
MATLAB И INFOLYTICA 

И.Ю. Каланчин, В.М. Степанов, А.С. Иванов 

Вентильные индукторно-реактивные генераторы просты в конструктивном 
исполнении, устойчивы к неисправностям и имеют низкую стоимость. Однако присутствующие пульсации электромагнитного момента, влекущие за собой толчки и 
вибрации, препятствуют широкому распространению вентильных индукторнореактивных электрических машин. Благодаря развитию компьютерной техники, подобные проблемы можно исключить уже на этапе моделирования генератора. Анализ 
вентильных индукторно-реактивных машин производится посредством программного 
обеспечения, использующего метод конечных элементов, а также комплекса программ, позволяющего создавать модели объектов, систем управления для изучения переходных процессов и основных характеристик, не прибегая к созданию опытного образца. 
Ключевые слова: вентильный индукторно-реактивный генератор, метод конечных элементов, магнитная цепь, профиль индукции, моделирование, Matlab, стратегия управления. 

Одним из первых типов электрических машин был вентильный индукторно-реактивный двигатель (Switched Reluctance Motor). Но из-за необходимости в сложной системе управления их исследование было приостановлено. Интерес к разработке вентильных индукторно-реактивных 
электрических машин был возобновлен с появлением полупроводниковой 
элементной базы. Такие электрические машины конструктивно просты и 
конкурентоспособны, а также, в зависимости от стратегии управления, могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. 
Вентильные индукторно-реактивные генераторы (ВИРГ) могут 
классифицироваться по конфигурациям в зависимости от количества зубцов статора и ротора . Различают такие конфигурации, как 6/4, где цифра 6 
указывает на количество зубцов статора, а цифра 4 на чисто зубцов ротора. 
ВИРГ конфигурации 8/6 изображен на рис. 1. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 12. Ч. 1 

4

Конструктивной особенностью ВИРГ является то, что статор выполнен из шихтованного железа, обмотки возбуждения каждой фазы укладываются вокруг диаметрально расположенных зубцов статора и соединяются последовательно. Ротор также выполнен из набранных листов электротехнической стали и не имеет ни обмоток, ни магнитов, что значительно упрощает конструкцию, а, следовательно, снижает затраты на производство электрических машин и упрощает их техническое обслуживание. 
Конструкция ВИРГ дает возможность работы при высоких скоростях и 
температурах, а также повышает надежность и отказоустойчивость [1]. 

Рис. 1. Вентильный индукторно-реактивный генератор 
 конфигурации 8/6 

К недостаткам ВИРГ можно отнести невозможность автономной 
работы, так как существует необходимость в системе возбуждения, обеспечивающей поочередное возбуждение обмоток статора. Также имеют место и нелинейные характеристики таких электрических машин, высокие 
пульсации электромагнитного момента и электромагнитного потока. 
Пульсации электромагнитного момента во многом зависят от конструкции самого генератора: высоты зубцов статора и ротора, величины 
воздушного зазора, а также от рабочих углов возбуждения, т.е. от углов 
положения ротора относительно статора, при которых осуществляется 
возбуждение. Нелинейные характеристики не позволяют аналитически 
рассчитать все необходимые параметры, а создание опытного образца влечет за собой высокие затраты, а также риски того, что электрическая машина не будет работать должным образом. 
На сегодняшний день существует различное программное обеспечение, позволяющее решать задачи электромагнитной совместимости. Такие программы способны определить значения основных характеристик, 
используя созданную компьютерную модель. 

Рекуперация электрической энергии 
 

 
5

Современные информационные технологии и цифровая вычислительная техника позволяют решать сложные математические задачи и 
осуществлять физико-математическое моделирование. На сегодняшний 
день широкое распространение получили численные методы моделирования электромагнитных полей. Такие методы основываются на пространственной и пространственно-временной дискретизации, где главным преимуществом этих методов является получение достаточно точных результатов с учетом свойств материалов и геометрической формы тел. Основным требованием численного метода является постановка граничных условий рассчитываемых областей.  
Различают три основных метода для анализа электромагнитного излучения, такие как: 
• метод моментов; 
• метод конечных разностей; 
• метод конечных элементов. 
Метод моментов решает численным способом систему алгебраических уравнений, полученную при преобразовании интегрального уравнения.  
Метод конечных разностей или метод сеток заключается в пространственной дискретизации области и ее границ, построением своего рода сетки. При использовании такого метода производится замена дифференциальных операторов конечно-разностными операторами на основании 
построенной сетки. Дифференциальные уравнения преобразуются в систему алгебраических относительно узловых величин.  
При использовании метода конечных элементов объект делится на 
объемные или плоские элементы, распределение поля в которых аппроксимируется полиномами. Этот метод в отличие от метода конечных разностей способен учитывать сложные границы, но для решения задач этим 
методом требуется высокая мощность вычислительной техники [2]. 
К программам, способным моделировать электромагнитные системы с достаточно высокой степенью точности, относится прикладной пакет 
Infolytica. При моделировании не требуются разработки сложной математической модели, необходимо лишь построить графическую модель исследуемого объекта, установить значения токов в обмотках и задать свойства 
материалов, которые используются в рассматриваемой модели.  
Одним из основных путей для снижения пульсаций электромагнитного момента ВИРГ является правильно настроенная система возбуждения. В зависимости от положения зубцов ротора профиль электромагнитной индукции изменяется периодически от минимума до максимума [3]. 
При согласованном положении зубцов ротора и зубцов возбуждаемой фазы статора индукция имеет максимальное значение и минимальное при 
рассогласованном. Идеализированный профиль индукции и его зависимость от угла положения ротора представлены на рис. 2. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 12. Ч. 1 
 

 
6

Работа вентильной индукторно-реактивной машины в режиме генератора зависит от его системы управления возбуждением, которая во многом определяется своевременным переключением силовых электронных 
ключей. Необходимо точное определение углов возбуждения для обеспечения непрерывной работы генератора, а также для максимизации его эффективности.  
Для проектирования системы управления применяются средства 
быстрого прототипирования, которые позволяют моделировать различные 
объекты, системы, а также алгоритмы их управления. Оперативное создание прототипов позволяет обеспечить быстрый и менее затратный метод 
исследования и испытания проекта еще на ранних стадиях разработки [4]. 
 

 
 
Рис. 2. Зависимость электромагнитной индукции от угла положения 
ротора ВИРГ 
 
Для реализации модельно-ориентированного проектирования компания MathWorks предлагает такие основные продукты, как: MATLAB, 
Simulink, Real Time Workshop, Stateflow и др. MATLAB — это высокоуровневый язык и интерактивная среда для программирования, численных 
расчетов и визуализации результатов, с помощью которой можно анализировать, создавать и разрабатывать различные алгоритмы, модели и приложения.  Simulink – это графическая среда имитационного моделирования, 
которая с помощью блок-диаграмм позволяет строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы. Библиотека Simulink содержит готовый блок вентильной 
индукторно-реактивной электрической машины. В данном блоке имеется 
возможность выбора конфигурации машины, значения сопротивления статора, значения инерции и начальной скорости. Помимо этого, параметр 
«специальная модель» позволяет использовать данные о кривых намагничивания железа, полученных в результате анализа методом конечных элементов [5]. Блочная схема ВИРГ представлена на рис. 3. 

Рекуперация

Рис. 3. Блочная схема

Для получения более

программное обеспечение
трехмерных моделях. Комплекс
осуществлять моделирование
мерном и трехмерном пространстве
проектирования электромеханических
анализ переходных процессов
ное, вращательное или прои

Программное обеспечение

проектирования MotorSolve, 
ектирования электрических
та Infolytica MotorSolve
обладает понятным интуитивным
файлы расширения CAD
программными продуктами
д.р. 
Экспортируемая модель

крытии приложением Simulink
полненными значениями основных
ны.  

Смоделированный ВИРГ

для его работы необходима

Чтобы возбуждение

зубьев, необходимо задать
ния 22.5°. График электромагнитного
ли ВИРГ, полученный в результате

Рекуперация электрической энергии 
 

7

Блочная схема вентильного индукторно-реактивного

генератора 
 

получения более точных данных, необходимо использовать

обеспечение, которое способно производить

моделях Комплекс прикладных программ Infolytica 

моделирование и расчеты электромагнитных полей

трехмерном пространстве, производить тепловой

проектирования
электромеханических систем, а также полноценный

переходных процессов с учетом шести степеней  свободы

вращательное или произвольное движение). 

Программное обеспечение Infolytica включает специальный

проектирования MotorSolve, с помощью которого упрощаются

электрических машин. Графическое окно программного

представлено на рис.4. Программное

понятным интуитивным интерфейсом, позволяет импортировать

CAD, а также способно взаимодействовать

продуктами, как Matlab Simulink, MathCAD

портируемая модель в формат файлов Matlab Simulink

Simulink будет содержать готовый блок

значениями основных характеристик и конфигурации

Смоделированный ВИРГ имеет конфигурацию 6/8, следовательно

необходима четырехфазная система возбуждения
возбуждение осуществлялось в момент рассогласования

необходимо задать значения угла включения -15° и угла

График электромагнитного момента и скорости вращения
полученный в результате моделирования изображен

реактивного

необходимо использовать 
производить расчёты на 

программ Infolytica позволяет 

электромагнитных полей в дву
производить тепловой анализ для 

а
также полноценный 

степеней  свободы (линей
включает специальный пакет  

упрощаются задачи проокно программного паке
Программное обеспечение 
позволяет импортировать 

взаимодействовать с такими 

MathCAD, MS Office и 

Simulink при от
готовый блок «SRM» с за
и конфигурации маши
конфигурацию 6/8, следовательно, 

система возбуждения.

момент рассогласования 

° и угла отключе
скорости вращения моде
изображен на рис. 5.

Известия ТулГУ

Рис. 4. Графическое окно

Рис. 5. График электромагнитного

Как видно из графика

электрической машины работает
мент принимает положительные
Пульсации электромагнитного

Совместное применение

вания электромагнитной цепи
кономить время и ресурсы
систем, имеющих нелинейные

Скорость, рад/с 
Момент, Нм 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 12. Ч. 1

8

Графическое окно программного пакета Infolytica MotorSolve

График электромагнитного момента и скорости

вращения модели ВИРГ  
 

видно из графика, модель вентильной индукторно

машины работает в генераторном режиме, поскольку

принимает положительные значения, а скорость отрицательные

электромагнитного момента составляют ±2Н·м.

Совместное применение компьютерного моделирования
электромагнитной цепи методом конечных элементов

время и ресурсы при исследовании сложных электротехнических

имеющих нелинейные характеристики. Эти методы

Время, с

12. Ч. 1

 Infolytica MotorSolve

момента и скорости 

индукторно-реактивной 
режиме, поскольку мо
скорость отрицательные. 

моделирования и исследо
элементов способно сэ
сложных электротехнических 

Эти методы исключают 

Рекуперация электрической энергии 
 

 
9

риски создания нефункционирующего опытного образца. Использование 
вышеизложенных алгоритмов при моделировании ВИРГ позволит снизить 
пульсации электромагнитного момента, а также смоделировать систему 
управления возбуждением генератора на этапе проектирования. 
 
Список литературы 

1. Саввинов П. В., Семёнов А.С. Обзор вентильно-реактивных 

двигателей // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 342343.  
2. Валетов Е.В. Методы конечных разностей и конечных элементов 
в 
задачах 
электромагнитной 
совместимости 
// 
Журнал 
научных 
публикаций аспирантов и докторантов. 2011. № 6 (60). С. 75-78. 
3. Галушко В.Н., Алферова Т.В., Бахур С.И., Алферов А.А. 
Моделирование 
вентильно-индукторных 
двигателей 
// 
Вестник 
Гомельского государственного технического университета им. П.О. 
Сухого. 2014. № (58). С. 1-11. 
4. Однокопылов Г.И., Розаев И.А. Моделирование вентильноиндукторного электропривода в аварийных режимах работы // Известия 
Томского политехнического университета. 2013. №3. С. 138 – 143. 
5. Le-Huy H., Brunelle P. Design and Implementation of a Switched 
Reluctance Motor Generic Model for Simulink SimPowerSystems // Electrimacs  
Conference 2005. 
 
Каланчин 
Илья 
Юрьевич, 
асп., 
crim5@mail.ru, 
Россия, 
Новокузнецк,  
Сибирский государственный индустриальный университет,  
 
Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ener
gy@tsu.tula.ru,Россия, Тула, Тульский государственный университет, 
 
Иванов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доц., sibsiuprk@gmail.com,  
Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет 
 
DEVELOPMENT OF SWITCHED RELUCTANCE GENERATOR CONTROL SYSTEM 
WITH USING OF SOFTWARE PACKAGE MATLAB AND INFOLYTICA  
 
I.Y. Kalanchin, M.V. Stepanov, A.S. Ivanov  
 
Switched reluctance generators have simple construction, fault tolerance and also 
low cost. However there are electromagnetic torque ripples that bring tremors and vibrations 
which hinder to wide use of switched reluctance motor. Thanks computer technologies development that problems can be exclude on generator modeling stage. Analyze of switched reluctance machines perform by finite element method software and programs that allow to create 
models of objects and control systems for study of transition processes and main characteristics without development type creature.  

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 12. Ч. 1 
 

 
10

Key words: switched reluctance generator, finite element method, magnetic circuit, 
inductance profile, modeling, Matlab, control strategy. 
 
Kalanchin Ilya Yur’evich, postgraduate, crim5@mail.ru, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University, 
 
Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, the head of 
department, energy@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University, 
 
Ivanov Alexander Sergeevich, candidate of technical science, associated professor, 
sibsiuprk@gmail.com, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University 
 
 
 
 
 
 
УДК 681.5.037.6 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РОБАСТНОЙ НЕЧЕТКОЙ 
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМ РЕАКТОРОМ 
ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ 
 
А.Г. Лопатин, Б.А. Брыков, Д.П. Вент 
 
В статье рассматривается вопрос устойчивости робастной нечеткой системы управления химическим реактором периодического действия в процессе радикальной 
полимеризации. 
Показана 
нестационарность 
параметров 
ректораполимеризатора и обоснована необходимость использования робастных систем 
управления им. По методу Попова В.М. была определена устойчивость робастной нечеткой системы управления. 
Ключевые слова: полимеризация, нечеткая система управления, робастность, 
метод Попова, устойчивость. 
 
Одним из типовых процессов в химической технологии является 
процесс полимеризации, наиболее часто рассматривается процесс радикальной полимеризации. Процесс радикальной полимеризации является 
экзотермическим, т.е. протекает с выделением большого количества теплоты. Это обусловлено наличием гель – эффекта [1, 2], наиболее ярко выраженного в ходе радикальной полимеризации метилметакрилата (ММА) – 
именно этот процесс предлагается к рассмотрению в статье. Объектом 
управления (ОУ) в данном случае является эмалированный реактор – полимеризатор периодического действия (рис. 1), оборудованный рубашкой 
для подвода тепла и охлаждения реакционной смеси, а также мешалкой, 
способной поддерживать постоянную скорость вращения.