Краткие сообщения УДК 517 538.612.3.067.62 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ

ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2011. № 2 (30)
Краткие сообщения
УДК 517 538.612.3.067.62
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ
И ЕДИНСТВЕННОСТИ НАИЛУЧШЕГО ПРИБЛИЖЕНИЯ
ПРИ СПЛАЙН-АППРОКСИМАЦИИ
А.С. Брятов, В.М. Мякишев, А.Н. Проценко
Самарский государственный технический университет
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Обсуждается влияние формы аппроксимируемой кривой на выбор метода аппроксимации при решении задачи автоматического воспроизведения функции с заданной точностью, показана единственность решения.
Ключевые слова: сплайн-аппроксимация, функция, кривизна, дуга, окружность, хорда,
приближение.
Из анализа литературных источников и опыта эксплуатации функциональных
преобразователей информации, предназначенных для автоматического воспроизведения функций с заданной точностью, следует, что выбор метода аппроксимации
определяется в первую очередь «геометрией» кривой, подлежащей аппроксимации.
Алгоритм аппроксимации, реализация которого обеспечивает высокие метрологические характеристики, строится по следующей схеме: производится анализ кривой,
определяются ее характерные точки, выбирается метод аппроксимации, определяется критерий близости, тип базисных функций и узлы аппроксимации.
С целью выявления резервов одновременного повышения точности аппроксимации и расширения функциональных возможностей преобразователей в работе рассматривается теорема о существовании и единственности наилучшего приближения
на отрезке аппроксимации (частный случай).
Пусть y=f(x) – вещественная функция, определенная и непрерывная на отрезке
[ab]. В качестве нормы этой функции возьмем f  max f x  .
xa ,b 
Теорема. Для любой непрерывной функции f(x) и любого числа ε>0 найдется
сплайн-функция второй (третьей) степени, удовлетворяющая условию S(f,x)=f1 и одному из типов краевых условий I-III, что |f(x)-S(x)|≤ε для любого x[a,b].
Для простоты доказательства введем следующее. Пусть f(x) – непрерывная строго возрастающая функция на отрезке [а в], состоящая из дуг окружностей. Аппроксимация дуг окружностей осуществляется параболой второй или третьей степени.

236
Александр Сергеевич Брятов – к.т.н., доцент.
Владимир Михайлович Мякишев – к.т.н., доцент.
Александр Николаевич Проценко – к.т.н., доцент.
Допущение. Допустим, что средний радиус кривизны квадратичной (кубической)
параболы может быть заменен радиусом окружности, аппроксимирующей функцию
f(x) на 1-ом участке аппроксимации при условии, что x  a, b .
Доказательство. Известно, что если аn – сторона правильного вписанного многоугольника, то сторона а2n правильного вписанного многоугольника с удвоенным
числом сторон выражается через аn формулой
1
a2 n  2 R 2  2 R R 2  an2 ,
4
(1)
где R – радиус окружности.
Степень внутренней точки D (см. рисунок) относительно окружности радиуса R
2
2
l 
l 
равна p 2   x  . С другой стороны, Р2=BD · DK, следовательно,  x   h2 R  h  .
2
2
l 
Высота сегмента h определяется из уравнения h2  2 Rh   x   0 , откуда
2
2
l 
h  R  R2   x  .
2
Пусть аппроксимируемая кривая на отрезке [а, b] представлена сопряженными
дугами трех окружностей. Рассмотрим аппроксимацию дуги ABC окружности радиуса R аппроксимирующими дугами АЕС и AFC окружностей с радиусами Ri и Ri+1
соответственно.
y
C
L
B2
E
A
n
F
D
C
0
C
L
0
1
L
i
x
xi+
i
1
x
b
Ci+
K
1
Аппроксимация дуги окружности: BD=h, BC0=R, ECi=Ri, FCi+1=Ri+1
Из двух дуг АЕС и AFC ближе к аппроксимируемой дуге ABC та, у которой радиус наименее уклоняется от радиуса аппроксимируемой дуги. Существование
237
наилучшего приближения, как видно из геометрических представлений, не вызывает
сомнения.
Если имеем семейство дуг окружностей, опирающихся на одну и ту же хорду, то
среди этих дуг всегда найдется такая, которая будет единственной из всех наилучшим образом приближенной к аппроксимируемой дуге. Это возможно в том случае,
когда разность между h и hi имеет минимальное значение, т. е.
2 
2

2  lx    2
2  lx  

h  hi  R  R     Ri  Ri      .

2  
2 

 

Для приближения дуг, отличных от окружности, т. е. имеющих разный радиус
кривизны в каждой точке кривой, этот метод также применим, но при этом находится средний радиус кривизны дуги. Для определения качества приближения необходимо находить не только радиус кривизны, но и длину воспроизводящей дуги.
Кривизна (радиус кривизны) тесно связана с длиной дуги кривой. Чем ближе радиус кривизны воспроизводящей дуги кривой к радиусу кривизны воспроизводимой
дуги кривой, стягиваемой одной и той же хордой, тем лучше приближены отрезки
кривой.
Для определения дуги кривой можно воспользоваться формулой X. Гюйгенса:
1
(2)
L  2l  2l  l x  .
3
2
l 
Так как l   x   h 2 , то L=f(lx;h) определяется выражением
2
2
L
2
l
8  lx 
2
  h  x ,
3 2
3
(3)
2
l
8
l 
l 
2R 2  2R R 2   x   x .
но l  2 R 2  2 R R 2   x  , тогда L=f(R;lx) и L 
2
3
2
3
 
 
2
l 
Поскольку  x   h2 R  h  , а l x  2 h2 R  h  , то L=f(R;lx) определяется выраже2
нием
8
2
(4)
L
2Rh 
h2R  h  .
3
3
Для любых мало изогнутых дуг, когда отношение h/lx мало, можно воспользоваться приближенным выражением
 8  h  2 32  h  4 
L  l x 1        .
(5)
5  lx  
 3  lx 


Если аппроксимируется не окружность, а какая-либо другая кривая, то, определяя для каждого интервала среднее значение радиуса кривизны, можно таким же методом, как и для окружности, произвести аппроксимацию любой кривой.
При построении аппроксимирующей кривой, уклоняющейся от заданной не более чем на ε, аппроксимация должна вестись на каждом из отрезков в направлении
уменьшения кривизны.
Для увеличения длины дуги (интервала аппроксимации), аппроксимируемой одной параболой, можно воспользоваться уравнением параболы более высоких степе238
ней (4-й и 5-й). Однако, как показали исследования, общее количество вычислений
при такой аппроксимации значительно увеличивается и, кроме того, значительно
увеличиваются затраты на аппаратуру при создании функциональных преобразователей информации. Выбор вида базисной сплайн-функции должен производиться
исходя из условий наименьшего уклонения кривизны воспроизводящей и воспроизводимой функции и плавности изменения производных этих функций.
Статья поступила в редакцию 10 марта 2011 г.
UDC 517 538.612.3.067.62
THEORETICAL FOUNDATIONS OF EXISTENCE AND UNIQUENESS OF
BEST APPROXIMATION BY SPLINE-APPROXIMATION
A.S. Bryatov, V.M. Myakishev, A.N. Protsenko
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443076
The influence of the shape of the approximated curve to choose an approximation method for
solving the problem of automatic playback function with a given accuracy, uniqueness of solutions.
Keywords: spline, approximation, a function, curvature, arc, circle, chord, approach.


A.S. Bryatov – Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
V.M. Myakishev – Associate professor.
A.N. Protsenko – Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
239
УДК 004.054
МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ВИДЕОДЕТЕКТОРОВ ДВИЖЕНИЯ
Ф.Ф. Буканов, А.Р. Валиев
Самарский государственный технический университет
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Предложен метод экспериментального исследования эффективности работы видеодетекторов движения, созданных на основе методов определения движения на последовательности изображений с неподвижным фоном. Исследование видеодетекторов движения заключается в определении пространственной чувствительности, контрастной чувствительности, динамической чувствительности и чувствительности к
изменению освещенности сцены. В основе исследования лежит создание синтезированного клипа с движущимся объектом.
Ключевые слова: исследование, видеодетектор движения, пространственная чувствительность, контрастная чувствительность, динамическая чувствительность, пиксель,
кадр, яркость, контрастность, аддитивный шум, импульсные помехи, клип.
Анализ тенденций развития систем видеонаблюдения показал, что одним из
перспективных направлений их развития является использование видеодетекторов
движения и систем на их основе [1]. При этом каждый видеодетектор движения обладает определенными особенностями, достоинствами, недостатками [2, 3].
Для определения возможностей детекторов движения предлагается экспериментальный метод исследования, который дает возможность не только определить, работает или не работает тот или иной видеодетектор движения, но и определить
направление практического применения: где и при каких условиях он будет работать
[4, 5, 6].
Метод проведения экспериментального исследования направлен на определение
пространственной, контрастной и динамической чувствительности видеодетектора
движения, устойчивости к флуктуации освещенности и шумам (помехам).
Пространственная чувствительность определяется минимальными размерами
объекта, который обнаруживается видеодетектором движения [3]. В качестве размера объекта будем использовать размер объекта на изображении, единицей измерения
будет пиксель. Контрастная чувствительность определяется минимальным по контрасту детектируемым объектом [3]. Контрастность удобно выражать в процентах.
Для этого берется модуль разности между яркостью объекта и яркостью фона, а далее делится на полный размах видеосигнала.
Динамическая чувствительность определяется как диапазон скоростей движения
объекта, при которых возможно определить движущийся объект. Для этого необходимо определить минимальное и максимальное перемещение объекта между кадрами. Единица измерения –число пикселей в кадре. Этот параметр определяет, как видеодетектор движения справляется с определением медленно и быстро двигающихся
объектов.
Устойчивость к флуктуациям освещенности определяет максимальное увеличение или уменьшение яркости фона и объекта, при котором видеодетектор движения
Федор Федорович Буканов – к.т.н., доцент.
Альберт Рафаилович Валиев – аспирант.
240
работает корректно. Единица измерения – уровень яркости. Благодаря добавлению к
часто применяемым в исследованиях видеодетекторов движения пространственной,
контрастной и динамической чувствительностям еще и чувствительности к флуктуации освещенности можно установить, как работает видеодетектор движения в условиях изменения освещенности.
Аддитивный шум на изображении определяется соотношением «сигнал/шум».
Импульсный шум определяется количеством искаженных элементов изображения.
Уровень зашумленности изображения в первую очередь влияет на пространственную и контрастную чувствительность.
Основным условием измерения вышеназванных параметров является полное отсутствие ложных срабатываний [7].
Суть предлагаемого метода состоит в создании синтезированного клипа – видеозаписи, искусственно созданной, состоящей из набора видеокадров с заданными характеристиками фона и объекта [7, 8]. Для полноты информации на таком клипе
должен присутствовать только один движущийся объект, параметры которого, такие
как яркость, контрастность, размер, скорость, задаются таким образом, чтобы можно
было определить интересующие параметры видеодетектора движения. Кроме этого
также необходимо задать шумы и помехи, уровень изменения освещенности.
Синтезированный клип создаем с помощью компьютерных программ нелинейного монтажа. При этом неприемлемо использовать форматы сжатия H.264, MPEG4, так как они используют межкадровое сжатие. Идеально отказаться от сжатия и
использовать поток AVI, состоящий из набора файлов BMP. Клип имеет следующие
параметры: формат кадра 720×576 пикселей, ч/б, 25 к/с, 256 уровней яркости (8 бит),
поток AVI без сжатия.
Исходя из этого формата кадра задаем объекты в форме квадратов следующих
размеров: 128×128, 64×64, 48×48, 32×32, 28×28, 24×24, 20×20, 16×16, 12×12, 8×8,
4×4, 2×2 пикселей. Всего 12 значений размеров движущегося объекта, а значит, 12
уровней пространственной чувствительности. Объекты должны иметь контрастность
не менее 50%.
Экспериментально было установлено, что для тестирования видеодетекторов
движения вполне хватит 6 уровней яркости [7]. Целесообразно выбрать следующие
значения яркости: 3, 12, 24, 48, 96, 127. При этом фон имеет значение уровня яркости, равное 0. Таким образом, можно сформулировать 6 уровней контрастной чувствительности: 1%, 5%, 10%, 19%, 38%, 50%. Размер объекта для определения контрастной чувствительности будет составлять 64×64 пикселя.
Для оценки влияния аддитивного шума на характер движения контрастная и
пространственная чувствительности будут определяться на изображении с разными
значениями «сигнал/шум». Для исследования видеодетектора движения отношение
«сигнал/шум» выставляется на уровне 20 dB, 30 dB, 50 dB. При отношении «сигнал/шум» 50 dB и более получаем чистое изображение без видимых признаков шума, при 30 dB – «снег» по всему изображению, 20 dB – изображение практически
неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную «снежную» пелену разглядеть еще можно.
Для наложения импульсной помехи использовался генератор случайных чисел с
равномерным на интервале [0, 1] законом распределения, вырабатывающий во всех
точках кадра независимые случайные числа. Интенсивность помехи задается вероятностью р ее возникновения в каждой точке. Для исследования будет применяться
наложение импульсной помехи с 5% (р=0,05), 10% (p=0,1), 15% (p=0,15) искаженных элементов изображения.
241
Интуитивно понятно, что чем контрастнее объект, тем выше пространственная
чувствительность, а с усилением шумов этот параметр ухудшается [3].
Определение динамической чувствительности объекта будет производиться при
скоростях 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 пикселя в кадр. По вертикали они также смещаются,
точка начала движения располагается на 25%-й высоте кадра, окончания движения –
на 75%-й высоте кадра. Однако необходимо рассмотреть ситуацию, когда объект
движется быстро и кадры передаются медленно. Следовательно, необходимо добавить изображения, в которых объект за межкадровые промежутки перемещается на
расстояния, близкие к размеру изображения, а именно 128, 256, 512, 720 пикселей в
кадр. Нужно учесть ситуацию, когда динамические объекты при недостаточной скорости снятия заряда с матрицы видеокамеры будут давать смазывание на изображении. Для этого при определении верхнего порога динамической чувствительности
видеодетектора движения нужно использовать объекты не только с четкими контурами, но и со смазанными. Объект будет иметь размеры 64×64 пиксела и контрастность 50%. Динамическая чувствительность будет определяться при соотношении
«сигнал/шум» не менее 50 dB и отсутствии импульсной помехи.
Для определения устойчивости видеодетектора движения к флуктуации освещенности необходимо на изображении с неподвижным, а затем с движущимся объектом изменять яркость. Изменение освещенности изображения будет составлять 2,
4, 8, 16, 32, 64, 128 уровня. При этом при достижении фоном или объектом минимального (0) или максимального (255) уровня яркости значение яркости меняться не
будет. Объект будет иметь размеры 64×64 пиксела и начальную контрастность 50%.
Начальная яркость фона равна 0. При статичном изображении объект располагается
в центре. Клип для исследования устойчивости видеодетектора движения к флуктуации освещенности начинается последовательностью кадров с начальными параметрами фона и объекта. Продолжительность этой части видеоклипа – 5 сек. Далее яркость повышается на заданное значение. Эта часть видеоклипа также длится 5 сек.
Затем возвращаемся к начальным параметрам продолжительностью также 5 сек.
Следующий шаг – повышение яркости фона и объекта на очередное значение яркости, и так до последнего значения яркости. Если изменение освещенности не приводит к выдаче видеодетектором движения информации об обнаружении движения, то
видеодетектор движения устойчив к флуктуации освещенности на заданное значение. При подвижном объекте в момент достижения центра изображения яркость будет менять свое значение. В этом случае видеодетектор движения, несмотря на изменение яркости, должен определить движение.
Устойчивость видеодетектора движения к флуктуации освещенности будет
определяться при соотношении «сигнал/шум» не менее 50 dB и отсутствии импульсной помехи.
В клипе все объекты двигаются равномерно (кроме определения динамической
чувствительности) и прямолинейно, смещаясь на 4 пиксела по горизонтали за 1 кадр.
По вертикали они также смещаются, точка начала движения располагается на 25%-й
высоте кадра, окончания движения – на 75%-й высоте кадра. Такая диагональная
траектория движения выбрана для того, чтобы уменьшить влияние блочной структуры некоторых видеодетекторов движения на результаты исследования, то есть чтобы
исключить такую ситуацию, когда объект будет двигаться постоянно строго по границе двух блоков, использующихся для детекции движения [7]. Объекты начинают
движение как бы за кадром и «въезжают» в него, что более приближено к реальности, чем если бы объекты появлялись неожиданно на пустом месте [7].
242
Для того чтобы исключить влияние настроек яркости и контраста в цифровых
системах видеонаблюдения, в клип включено изображение из трех вертикальных
полос (черная 0, серая 127, белая 255). Используя это изображение, создают одинаковые условия для всех исследуемых видеодетекторов движения, вручную подстраивая их яркость и контраст для того, чтобы максимально «растянуть» гистограмму
яркости этой таблицы, не «прижимая» ее к краям [7, 8].
В титрах в правом верхнем углу кадра указываются параметры (определяемый
тип чувствительности, размер, контрастность, скорость, шум, помехи, изменение
освещенности) движущегося объекта, чтобы не определять его каждый раз в архивной записи, так как это необходимо при определении результатов исследования.
Видеодетектор движения выделяет из клипа только те кадры, на которых обнаружил движение, и помещает их в архивную запись, по результатам которой определяются параметры видеодетектора.
Таким образом, предложенный метод исследования не требует специальных аппаратных и программных средств, что дает большее преимущество при организации
проведения экспериментов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Дамьяновски В. CCTV. Библия охранного телевидения / Пер. с англ. – М.: ИСС, 2002. – 352 с.: ил.
Детекторы движения: вопросы тестирования и сравнения // CCTV Focus. – 2005. – №2. – С. 37-41.
Руцков М.В. Видеодетекторы – взгляд изнутри. Ч. 2. Практическая плоскость // Системы безопасности. – 2003. – №51. – С.64-67.
Тестирование детекторов движения в российских системах видеонаблюдения // CCTV Focus. –
2005. – №3 (15). – С. 60-70.
Тестирование детекторов движения на выставке ProST 2005 // CCTV Focus. – 2005. – №6 (18). –
С. 20-27.
Конкурс-тест на выставке «Интерполитех-2006» // CCTV Focus. – 2006. – №5(23). – С. 28-33.
Методика тестирования детекторов движения // CCTV Focus. – 2005. – №3 (15). – С. 54-59.
Методика тестирования детекторов движения (часть 2) // CCTV Focus. – 2005. – №5 (17). – С.62-74.
Статья поступила в редакцию 3 декабря 2010 г.
UDC 004.054
EXPERIMENTAL RESEARCH METHOD OF MOTION VIDEO
DETECTORS
F.F. Bukanov, A.R. Valiev
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
The experimental research method of driving overall video detectors performance created
based on methods of movement determination of a sequence of images with a fixed background
is offered. Research of movement video detectors consists of determination of space sensitivity,
contrast sensitivity, dynamic sensitivity and sensitivity to change of illuminance of a scene. Designing a synthesized movie clip is taken as a base of research.
Keywords: research, the motion video detector, space sensitivity, contrast sensitivity, dynamic
sensitivity, pixel, frame, brightness, contrast, additive noise, impulse noise, clip.

F.F. Bukanov – Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
A.R. Valiev – Postgraduate student.
243
УДК 004.05
ПОДСИСТЕМА ОБУЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО ТРЕНАЖЕРА
ОПЕРАТОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА*
С.А. Колпащиков, Р.Р. Минвалеев
Самарский государственный технический университет
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
E-mail: sKolpaschikov@mail.ru
Предлагается использование аппарата гибридных автоматов для описания, проектирования и тестирования подсистемы обучения компьютерных тренажеров оператора
технологических процессов.
Ключевые слова: тренажерный комплекс, подсистема обучения, автоматизированная
разработка, гибридный автомат.
Компьютерные тренажеры операторов технологических процессов являются одним из наиболее перспективных методов обучения технологического персонала. Автоматизация процесса построения таких тренажеров связана с разработкой универсальных систем проектирования.
Универсальные системы проектирования частично повторяют функции программного обеспечения для автоматизированной разработки АСУ ТП: CASE-систем
программирования контроллеров, SCADA-систем и т. п. Однако функции моделирования предметной области, построения сценариев и оценивания действий оператора
выходят за рамки указанных средств или реализуются ими в виде простых слабо варьируемых алгоритмов.
С точки зрения разработки наиболее ресурсоемкой частью тренажера является
модель технологического процесса. Именно ей уделяется наибольшее внимание при
разработке как универсальных систем проектирования тренажеров, так и конечных
тренажеров. Универсальные пакеты обычно предоставляют графические средства
для разработки и параметризации моделей без программирования [1, 2].
Системы построения сценариев и оценивания действий оператора являются более простыми, но реализуют одну из основных функций тренажера – обучение. Обучение включает как предоставление обучающей информации, так и последующий
контроль знаний. Чаще всего разработка систем, обеспечивающих обучение, осуществляется путем программирования на языке высокого уровня или предоставляется стандартный список тренировок с фиксированной системой оценивания.
В жизненном цикле тренажера в период его эксплуатации наиболее частыми являются два типа изменений: изменения модели, связанные с заменой или модернизацией технологического оборудования, и изменения регламента технологических
операций. Оба типа изменений требуют корректировки конечного тренажера. Сложность и трудоемкость внесения изменений определяется возможностями тренажера,

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ №09-08-00297-а, №1008-00754-а; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 годы», заявка НК 66П/11, заявка 2010-1.3.1-230-009/8; АВЦП «Развитие научного
потенциала высшей школы», проект №2.1.2/13988.
Сергей Александрович Колпащиков – к.т.н., доцент.
Рамис Расихович Минвалеев – магистрант.
244
в первую очередь наличием графических средств для корректировки модели и системы обучения.
Анализ типовых сценариев и методов оценивания действий оператора в различных отраслях промышленности позволяет ввести следующую классификацию:
штатные ситуации и аварийные ситуации.
Штатные ситуации включают плановые останов и запуск технологического оборудования, поддержание заданного режима и смену режима работы оборудования.
Аварийные ситуации включают выходы из строя технологического оборудования, а
также контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры.
Методы оценивания действий операторов можно свести к следующим основным
видам проверок: проверка соблюдения регламента и оценка точности поддержания
значений технологических параметров. При проверке соблюдения регламента оценивается последовательность и своевременность действий оператора в отрабатываемой ситуации. Оценка точности поддержания параметров осуществляется как по
максимальным значениям отклонений параметров от заданных значений, так и интегральным величинам: времени и количеству отклонений за время тестирования.
Все указанные методы формирования сценариев и оценивания являются событийными. Развитие сценариев осуществляется от состояния к состоянию. В зависимости от событий (действий оператора, изменения хода технологического процесса,
возникновения аварийных ситуаций) сценарий переходит в следующее возможное
состояние. Оценивание действий оператора осуществляется в зависимости от текущего состояния сценария.
В такой постановке системы формирования сценариев и оценивания действий
оператора могут быть представлены в виде гибридных автоматов. Связанность по
состояниям системы оценивания и системы сценариев позволяет объединить обе эти
системы в единый гибридный автомат.
Применение аппарата гибридных автоматов для описания систем обучения позволяет использовать его для разработки и модификации систем с помощью визуального программирования, а также применять известные методы моделирования, тестирования и верификация таких систем [3].
В настоящий момент существует широкий спектр программного обеспечения,
поддерживающий проектирование и моделирование гибридных автоматов.
Наиболее известным и широко применяемым программным продуктом для таких целей является среда инженерных расчетов Matlab. Совместное использование
модулей Stateflow и Simulink для проектирования и моделирования гибридных систем широко описано в литературе.
Представление системы обучения в виде гибридного автомата позволяют формализовать методы проектирования, моделирования и тестирования данной подсистемы, применять для ее разработки программные средства визуального программирования, что снижает затраты на ее разработку и сопровождение. Реализация системы обучения как отдельного модуля, связывающегося с тренажерным комплексом
по одному из стандартных протоколов, применяемых в АСУ ТП для взаимодействия
приложений, позволит применять данный модуль не только в составе тренажеров
[4], но и в реальных АСУ ТП на предприятиях, где проводится пассивное тестирование операторов (оценка действий оператора в процессе работы).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
2.
http://www.nirsa.ru/
http://www.simulationrsi.com/
245
3.
4.
Рогачев Г.Н. Использование гибридно-автоматного метода для описания систем автоматизации и
управления // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2009. – №12. – С. 14-19.
Колпащиков С.А. Обобщенная структура компьютерного тренажера оператора технологического
процесса // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. – №2 (27). – 2010. – С. 221-224.
Статья поступила в редакцию 20 мая 2011 г.
UDC 004.05
PROCESS OPERATE TRAINER’S LEARNING SUBSYSTEM
S.A. Kolpashchikov, R.R. Minvaleev
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100
The generalized structure of the process operator trainer and the computer-aided engineering
system is considered. The structure based on generic structure of automatic process control
systems is suggested. This structure provides flexible configuring of computer simulator.
Keywords: computer simulator, training subsystem, computer-aided engineering, hybrid automata.
S.A. Kolpashchikov – Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
R.R. Minvaleev – student.
246
УДК 62-83
ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ПОСТОЯННОГО ТОКА С МИНИМАЛЬНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ
ПОТЕРЯМИ
В.П. Курган, А.А. Панкин
Самарский государственный технический университет
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
В статье получен оптимальный закон перемещения исполнительного механизма позиционным электроприводом постоянного тока исходя из критерия минимума тепловых
потерь.
Ключевые слова: позиционный электропривод, оптимальный закон, критерий оптимизации, экстремум, тепловые потери.
Для большой группы электроприводов основной задачей является отработка заданного пространственного положения рабочих органов приводимых ими в движение исполнительных механизмов; соответственно, основной управляемой координатой является их угловое  или линейное S перемещение. Такие электроприводы
получили название позиционных.
Наиболее широко распространен метод оптимального управления позиционными электроприводами по критерию минимума длительности отработки перемещения, когда скорость изменяется по треугольной (трапецеидальной) диаграмме [2, 3].
Однако в ряде случаев более приемлемыми являются другие критерии оптимизации.
Известно, что работа электропривода в переходном режиме сопровождается увеличением потерь в двигателе, а следовательно, приводит к повышенному нагреву его
обмоток. Поэтому в ряде случаев необходимо выбирать режимы работы позиционного электропривода исходя из минимума потерь. Такая задача особенно актуальна
для тех электроприводов, где требуется использовать электродвигатель минимальных габаритов. Это касается, например, позиционных электроприводов с автономным электроснабжением, применяемых в транспортных средствах. Пусть необходимо минимизировать тепловые потери в двигателе постоянного тока независимого
возбуждения, найдя соответствующую экстремаль для тока якоря I Я и угловой скорости двигателя  , при заданном угловом перемещении исполнительного механизма  К и заданном времени цикла перемещения tЦ , пользуясь методами вариационного исчисления [1].
Введем допущения: магнитный поток Ф  const ; момент инерции электродвигателя и исполнительного механизма, приведенный к валу двигателя, J  const ; момент нагрузки на валу двигателя M C  const .
Управляющим воздействием будем считать ток I Я , а регулируемой величиной –
скорость  и угловое перемещение  .
Пусть имеем уравнение движения электропривода
J

d
 K Ф  I Я  МС ,
dt
Владимир Павлович Курган – к.т.н., доцент.
Алексей Александрович Панкин – ассистент.
247
где
K
– конструктивный коэффициент двигателя постоянного тока.
Умножая все члены этого уравнения на
TМ
где M КЗ  K  Ф  I КЗ ; J
0
M КЗ
, получим
M
I
d
 0 Я  С 0 ,
dt
I КЗ M КЗ
(1)
0
 TМ ;
M КЗ
 0 – угловая скорость идеального холостого хода;
Т М – электромеханическая постоянная времени двигателя;
М КЗ , I КЗ – соответственно момент и ток короткого замыкания двигателя постоянного тока при   0 .
Требуется найти такой закон управления током якоря во времени I Я , чтобы при
описании объекта управления уравнением (1) при заданном перемещении исполнительного механизма  К минимизировать тепловые потери в двигателе, что означает
оптимальный выбор его мощности.
Данная задача является классической задачей на условный экстремум, причем со
смешанными ограничениями, где уравнение (1) – это условие типа дифференциальной связи, что относит ее к изопериметрической задаче по методу Лагранжа. Применим этот метод, приведенный в [1], используя переменные в относительных единицах, введенных в [2].
Рассмотрим случай задачи с закрепленными концами, когда должны быть заданы нулевые граничные условия,  (0)   (tЦ )  0 . После ее решения в результате
обратного перехода к абсолютным величинам получим, что оптимальный закон регулирования скорости двигателя имеет вид
 t
1 
 t2 ;
 t 2 t 3 
Ц
 Ц

при оптимальном законе управления током якоря
 (t )  6   К 
(2)

2 
(3)
1  t  .
 tЦ 
После этого, интегрируя (2) и произведя необходимые преобразования, получим
оптимальный закон углового перемещения исполнительного механизма в виде
IЯ 
MС
6   T
 I КЗ 2 К М
K Ф
tЦ  0

t 
(4)
 3  2  .
t
Ц


При реализации данных законов оптимального управления (2), (3), (4) минимальные тепловые потери в двигателе равны
 (t )   К
t2
tЦ2
02  M С  tЦ
2
  К  TМ 
 12   3  .

 TМ
 0  tЦ 
2
Qmin  2 J
248

2  M КЗ

(5)
Выражения (5), (2), (3), (4) дают возможность рассчитать величину тепловых потерь и законы оптимального регулирования координат позиционного электропривода в конкретном случае его применения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
2.
3.
Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления / Изд. 2-е, перераб. и доп. –
Л.: Энергия, 1977. – 280 с.: ил.
Сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматики: Учебник для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд., 1988. – 408 с.: ил.
Сабинин Ю.А. Позиционные и следящие электромеханические системы: Учеб. пособие для вузов. –
СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд., 2001. – 208 с.: ил.
Статья поступила в редакцию 31 мая 2011 г.
UDC 62-83
THE TRANSITIONAL PROCESSES OF POSITION DIRECT CURRENT
ELECTRIC DRIVE WITH MINIMAL HEAT LOSS
V.P. Kurgan, A.A. Pankin
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
The optimal law of actuator movement in virtue of positional electro drive direct current, according to the criterion of heat loss minimum is obtained in this article.
Keywords: positional electro drive, optimal law, optimization criterion, extremum, heat loss.

V.Р. Kurgan – Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
A.A. Pankin – Assistantt.
249
УДК 669.71
СТРУКТУРА И ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛИСТОВЫХ
ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 1545К
В.С. Муратов1, Д.П. Юдаев2 
Самарский государственный технический университет
443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
1
ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс»
443009, Самара, ул. Земеца, 18
2
Е-mail: yudaevdp@gmail.com
В работе определены механические характеристики и структура сварных соединений
листовых полуфабрикатов из алюминиевого сплава 1545К, выполненных автоматической сваркой в инертных газах, коэффициенты ослабления сварного соединения для разных состояний материала
Ключевые слова: алюминиевый сплав, сварное соединение, прочность, структура.
В настоящее время для изготовления сварных криогенных герметичных конструкций ракетно-космической техники применяется термически неупрочняемый
алюминиевый сплав АМг6 системы Al-Mg. Для изготовления элементов конструкций перспективных ракет-носителей, использующих в качестве одного из компонентов топлива жидкий водород, необходимо применять алюминиевые сплавы с более
высокими прочностными, технологическими и эксплуатационными свойствами [1].
Применение термически упрочняемых алюминиевых сплавов, таких как сплав
1201 системы Al-Cu, для изготовления герметичных баковых конструкций затруднено из-за низкой технологичности этих сплавов при сварочных и формообразующих
операциях, невозможности ремонта изготовленных сборок. Кроме того, применение
термически упрочняемых сплавов требует значительных энергозатрат на термическую обработку при изготовлении изделий.
Алюминиевый термически неупрочняемый сплав 1545К системы Al-Mg-Sc имеет расширенный диапазон рабочих температур, обладает более высокими механическими характеристиками по сравнению со сплавом АМг6, поэтому рекомендуется
для изготовления герметичных баковых конструкций перспективных ракетносителей.
Сравнительные механические характеристики листов из сплавов АМг6 и 1545К
в разных состояниях приведены в табл. 1.
Высокие механические, технологические и эксплуатационные характеристики
полуфабрикатов из сплава 1545К обеспечиваются совместным легированием переходными металлами.
Добавки скандия, марганца, хрома и циркония приводят к формированию в деформированных полуфабрикатах развитой субзеренной структуры, появлению эффектов дисперсионного упрочнения за счет выделения дисперсных частиц алюминидов и структурного упрочнения, связанного с сохранением нерекристаллизованной структуры [2].

250
Владимир Сергеевич Муратов – д.т.н., профессор.
Дмитрий Петрович Юдаев – аспирант.
Т абл и ца 1
Механические и эксплуатационные свойства листов из сплавов АМг6 и 1545К
Марка
сплава
Диапазон
рабочих
температур
АМг6
От -196 оС
до 150 оС
1545К
От -253 оС
до 150 оС
Состояние
Направление
вырезки
образцов
Отожженное
Нагартованное
Отожженное
Нагартованное
Поперечное
Механические
свойства при 20 оС
σв
σ0,2
δ
МПа
%
315
155
15
372
284
6
400
300
15
440
340
12
Свойства сварных соединений из алюминиевых сплавов зависят от процессов,
протекающих как в зоне сварного шва, так и в околошовных зонах. При сварке листовых полуфабрикатов из сплавов, неупрочняемых термической обработкой, к которым относится сплав 1545 К, в зоне теплового воздействия наблюдается рост зерна и некоторое их разупрочнение, вызванное снятием нагартовки. Рост зерна и
разупрочнение нагартованного металла при сварке изменяются в зависимости от
способа сварки, режимов и степени предшествовавшей нагартовки сплава.
Для применения полуфабрикатов из сплава 1545 К в сварных деталях и сборках
необходимо определить механические характеристики, структуру и наличие дефектов в сварных соединениях, а также оценить снижение механических характеристик
в зоне сварного шва по сравнению с основным металлом.
Для изготовления ответственных герметичных сварных конструкций – баков
ракет-носителей используется автоматическая сварка в инертных газах неплавящимся электродом с присадкой (АИНп), обеспечивающая качество шва при высокой
производительности [3]. Отработка технологии сварки проводилась на образцах, вырезанных из листов сплава 1545 К в отожженном и нагартованном состоянии.
Размеры образцов:
– для нагартованного состояния – пластина 4×50×200 мм;
– для отожженного состояния – пластина 4,5×50×200 мм.
Подготовка под сварку – травление с последующей зачисткой шабером.
Экспериментальные режимы сварки подбирались исходя из толщины свариваемых листов по отраслевым нормативным документам аналогично сплаву АМг6.
Для сварки образцов из нагартованных листов сплава 1545 К толщиной 4 мм
был выбран следующий режим:
– сварочный ток – 230 А;
– скорость сварки – 14 м/час;
– расход аргона – 12-14 л/мин.
Для сварки образцов из отожженных листов сплава 1545 К толщиной 4,5 мм
режим сварки:
– сварочный ток – 260 А;
– скорость сварки – 14 м/час;
– расход аргона – 12-14 л/мин.
В качестве присадочного материала использовалась проволока диаметром
2,5 мм из сплава 1545 К.
251
Из полученных сварных соединений вырезались образцы для определения механических свойств по ГОСТ 6996-66. Также изготавливались макрошлифы для
оценки структуры в зоне сварного шва. Проводился рентгеновский контроль сварных соединений на наличие дефектов.
Фотография макроструктуры сварного шва (×5)
Металлографическими исследованиями поперечных сечений и рентгеновским
контролем установлено: структура сварных стыковых соединений из листовых полуфабрикатов сплава 1545 К плотная, без трещин, пористости и других несплошностей (см. рисунок). При испытаниях на прочность разрушение образцов происходило
по основному материалу.
Результаты испытаний на растяжение образцов сварных соединений из листов
сплава 1545 К и характеристики сварных соединений из листов сплава АМг6 по данным отраслевых стандартов представлены в табл. 2.
Т абл и ца 2
Свойства сварных стыковых соединений из листов сплавов АМг6 и 1545К
Марка
материала
АМг6
1545К
Толщина листа, мм
Состояние
Среднее значение σв, МПа
4,0
Нагартованное
310
4,5
Отожженное
290
4,0
Нагартованное
381
4,5
Отожженное
376
Коэффициенты ослабления сварного соединения для различных состояний листов определялись по формуле
Косл =
в
,
в
св
о сн
где σвсв. – временное сопротивление разрыву сварного соединения; σвосн. – временное сопротивление разрыву основного материала.
Для сварных соединений, полученных из нагартованных листов сплава 1545К,
значение коэффициента ослабления равно
Косл =
381
= 0,87 (для нагартованных листов из сплава АМг6 Косл = 0,8).
440
Для сварных соединений, полученных из отожженных листов сплава 1545К,
Косл =
252
376
= 0,94 (для нагартованных листов из сплава АМг6 Косл = 0,9).
400
Таким образом, качество сварных соединений листовых полуфабрикатов из
алюминиевого сплава 1545К, выполненных АИНп сваркой, соответствует требованиям отраслевых стандартов к сварным соединениям листов из сплава АМг6. Прочность сварных соединений листов сплава 1545К превосходит прочность аналогичных соединений листов сплава АМг6.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
2.
3.
Елагин В.И. Пути развития высокопрочных и жаропрочных конструкционных алюминиевых сплавов в ХХI столетии // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2007. – № 9. – C. 3-11.
Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Королькова И.Г., Болотова М.Н. Исследование совместного влияния
скандия на структуру и механические свойства алюминия и его сплавов с магнием // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2008. – № 3. – С. 24-27.
Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение) /
Под. общ. ред. И.Н. Фридляндера. – Киев: Коминтех, 2005. – 365 с. – ISBN 966-8550-25-0.
Статья поступила в редакцию 14 апреля 2011 г.
UDC 669.71
STRUCTURE AND STRENGTH OF WELDS OF SHEET PRODUCTS OUT
OF ALUMINUM ALLOY 1545K
V.S. Muratov1, D.P.Yudaev2 
1
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
2
The State Research and Production Space Center « TsSKB-Progress»
18, Zemetsa st., Samara, 443009
The paper identified the mechanical characteristics and structure of welded joints of sheet
semifinished products from aluminum alloy 1545K performed automatic welding in inert gases, dilution factors of welded joints of different states of the material.
Keywords: aluminum alloy, weld, strength, structure.

V.S. Muratov – Doctor of Technical Sciences, Professor.
D.P. Yudaev – Postgraduate student.
253
УДК 621.316.938
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ГРОЗОЗАЩИТЫ ВЛ 35-220 КВ, ПИТАЮЩИХ
ПРЕДПРИЯТИЯ НЕФТИ И ГАЗА, С ПОМОЩЬЮ ТРАДИЦИОННЫХ
СПОСОБОВ
Ю.С. Попова1, Д.С. Серебренников2
1
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
194021, Санкт-Петербург, Политехническая, 29
2
Самарский государственный технический университет
443100, Самара, Молодогвардейская, 244
В статье приведена специфика нефтяной и газовой промышленности, основные положения расчета количества грозовых отключений линий 35-110 кВ. Представлен обзор
результатов расчёта эффективности применения традиционных методов грозозащиты ВЛ 35 – 110 кВ
Ключевые слова: грозозащита, двухцепная линия, традиционные способы, грозозащитный трос, количество грозовых отключений
Производство энергоресурсов и, прежде всего, нефти и газа, а также рациональное потребление электроэнергии является основой высокого уровня жизни и эффективной экономики. Нарушения технологического цикла может привести к серьезной
потере нефти и газа, а в ряде случаев – и к выходу из строя отдельного узла, например, нефтяной или газовой скважины [1].
Большинство линий 35-110 кВ на месторождениях нефти и газа выполнены в двухцепном варианте. При этом грозоупорность таких ВЛ в целом ниже грозоупорности одноцепных линий, поэтому неприемлемый показатель надежности грозозащиты приводит к серьезным финансовым потерям вследствие отключения линий и повреждения
электрооборудования (выключателей, разъединителей, кабелей, трансформаторов и др.).
Поэтому в последние годы основное внимание научных проектных и эксплуатирующих
организаций направляется на обеспечение надежности работы ВЛ, в том числе при воздействии на их изоляцию грозовых перенапряжений.
Двухцепные отключения, главным образом, происходят из-за большого значения удельного сопротивления грунтов в некоторых районах по трассе ВЛ, где не
удается обеспечить сопротивление заземления опор менее 10-20 Ом. В итоге происходят обратные перекрытия на различных фазах различных цепей.
Для выбора оптимального варианта грозозащиты ВЛ необходимо сравнение результатов расчетов для различных (в том числе и альтернативных) способов грозозащиты: а именно количества годовых грозовых отключений линии Nб. Этот подход содержит анализ традиционных способов грозозащиты линии, предложенных в [2], путем
варьирования факторов, влияющих на грозоупорность. Расчеты были выполнены для
длин линий 100 км, грозовой деятельности 100 грозовых часов в год и без учёта успешного АПВ. Полученные значения Nб можно легко привести к иным значениям длины
линии Lл ин  , грозовой активности Tч, и вероятности успешного срабатывания АПВ
РАПВ, помножив на коэффициент Lлин   Tч  1  PАПВ  .
100 100
Расчёт числа N откл выполнен для пяти опор 35 кВ, шести опор 110 кВ [5].

254
Юлия Сергеевна Попова – аспирант.
Дмитрий Сергеевич Серебрянников – аспирант.
Число грозовых отключений линии прямо пропорционально зависит от количества прямых ударов молнии Nоткл ~ N ПУМ  [3].
Существенным фактором, влияющим на число грозовых отключений линий, является сопротивление заземления опор Rоп. Потенциал всей опоры и напряжение на
гирляндах изоляторов при ударах молнии в ВЛ как раз и зависят от падения напряжения на Rоп. Значение Rоп зависит от конструкций заземляющих устройств опор,
удельной проводимости грунта и его влажности и др. В данных расчётах, так же как
и в [4], Rоп принимается усреднённым по всей длине линии. Результат расчёта
Nоткл  f Rоп  представлен на рис. 1.
a – опоры 35 кВ:
1 – П35-1; 2 – ПБ35-1;
3 –П35-2; 4 –ПБ35-2; 5 - ПБ35-1в
б – опоры 110 кВ:
1 – П110-2 (одноцепное отключение); 2 - П110-2
(двухцепное отключение); 3 – П110-1;
4 – ПСБ110-1; 5 – ПБ110-4 (одноцепное отключение);6 – ПБ110-2 (одноцепное отключение);
7 – ПБ110-1; 8 – ПБ110-2 (двухцепное отключение); 9 – ПБ110-4 (двухцепное отключение)
Р и с. 1. Зависимость числа грозовых отключений от сопротивления заземления опор
Величина удельного сопротивления грунта (  гр ) влияет на грозоупорность линии двояко. С одной стороны большее  гр обуславливает большую значительную
грозовых волн, снижая напряжения на гирляндах изоляторов, и, тем самым понижая
вероятность перекрытия. Расчёты, проведённые для  гр  100 Омм и  гр  5000
Омм показали, что при большем  гр число отключений снижается слабо, примерно
в 1,15 раза. С другой стороны, при прочих равных условиях, большее  гр увеличивает сопротивление заземления опор.
С увеличением длины пролёта между опорами ВЛ увеличивается провес проводов и тросов, что несколько уменьшает связь между ними. Расчёты показали, что
увеличение длины пролёта с 300 м до 600 м увеличивает количество грозовых отключений примерно на 20 %.
Как показали расчёты, что при добавления к гирлянде одного изолятора, количество
отключений снижается примерно на 10%. Однако такой способ повышения грозоупорности линии экономически нецелесообразен и технически сложен.
Несмотря на то, что разные марки сталеалюминевых проводов и стальных тросов
имеют различающиеся параметры (диаметр, масса и т.д.), влияющие на протекание
переходного процесса при ударе молнии в ВЛ, общее влияние марки провода или троса на показатель грозоупорности ВЛ незначительно и не превышает 4 %.
255
Одним из альтернативных методов грозозащиты является метод, при котором
грозозащитный трос переносится с вершины опоры на уровень нижних фаз (либо ниже). Существенным недостатком этого метода является то, что все молнии, не перехваченные опорами ВЛ, ударяют в фазные провода, и с высокой вероятностью приводят к
перекрытию линейной изоляции. Другими словами, количество отключений от ударов
молнии в фазный провод возрастает на порядок, и тем самым значительно повышает
суммарное число грозовых отключений. По сравнению с ВЛ с тросом на вершине опоры, количество грозовых одноцепных отключений возрастает в 2 – 5 раз для всех рассматриваемых опор. Эксплуатация линии с тросом на уровне нижних фаз без защитных
аппаратов нецелесообразна из-за недопустимо большого количества одноцепных отключений ВЛ даже при малых сопротивлениях заземления опор.
Этого недостатка лишён метод грозозащиты, при котором тросы сооружаются и
на вершине опоры, и на уровне нижних фаз. Кроме повышения коэффициента связи
с нижними проводами за счёт наличия дополнительного троса возрастает доля отводимого от поражённой опоры тока.
Ещё большее снижение числа грозовых отключений обеспечивает установка двух
тросов на уровне нижних фаз совместно с тросом на вершине опоры (см. рис. 2).
25
2
3
20
N
откл
, откл/год
4
15
1
5
10
5
0
a)
0
10
20
30
40
50
Rоп, Ом
60
70
80
90
100
опоры 35 кВ: 1 – П35-1; 2 – П35-2;3 – ПБ35-1; 4 – ПБ35-2; 5 – ПБ35-1в
50
5
45
40
N
откл
, откл/год
35
30
3
25
2
20
1
15
10
5
0
4
0
10
20
30
40
50
Rоп, Ом
60
70
80
90
100
б) опоры 110 кВ: 1 – П110-2; 2 – П110-1; 3 – ПСБ110-1; 4 – ПБ110-1; 5 –ПБ110-2
Р и с. 2. Снижение числа грозовых отключений при установке дополнительных
двух тросов под нижними фазами
В заключение хочется отметить, что для всех рассмотренных линий, при различных мероприятиях по грозозащите, связанных с применением дополнительных тросов,
годовое число грозовых отключений превышает допустимое уже при сопротивлениях
256
заземления Rоп больших 20 - 25 Ом. Поэтому для повышения грозоупорности ВЛ 35110 кВ требуется применение нетрадиционных способов, одним из которых является
установка ОПН на ВЛ 35-110 кВ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
2.
3.
4.
5.
Повышение надежности работы электрооборудования и линий 0,4-110 кВ нефтяной промышленности при воздействиях перенапряжений / Ф.Х.Халилов, В.Г. Гольдштейн, А.Н. Гордиенко, А.А. Пухальский. – М: Энергоатомиздат, 2006. – 356 с.
Правила Устройства Электроустановок. 7-ое издание. – СПб.: издательство ДЕАН, 2008. - 704
с.
Техника высоких напряжений / Под редакцией Г.С. Кучинского. СПб: Энергоатомиздат, 2003.
Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений
/ Под научной редакцией академика РАН Тиходеева Н.Н. – 2-е изд. – СПб: ПЭИПК Минтопэнерго
РФ, 1999.
Справочник по электрическим установкам высокого напряжения 3-е издание / Под редакцией
Баумштейна И.А. - М.: Энергия, 1989.
Статья поступила в редакцию 24 мая 2011 г.
UDC 621.316.938
THE RESULTS OF CALCULATIONS OF LIGHTNING PROTECTION OF
35-220 KV, SUPPLYING ENTERPRISES OF OIL AND GAS, WITH THE
HELP OF TRADITIONAL METHODS
J.S. Popova1, D.S. Serebrennikov2
1
St. Petersburg State Polytechnical University
29, Polytechnicheskaya st., St. Petersburg, 95251
2
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
The article describes the specifics of the oil and gas industry, the main provisions of calculating the number of lightning outages of lines 35-110 kV. Provides an overview of the results of
calculating the efficiency of traditional methods of lightning protection of overhead lines 35 110 kV.
Keywords: lightning protection, double circuit line, the traditional methods, ground wire, the
number of lightning outages.

J.S. Popova – Postgraduate student.
D.S. Serebrennikov – Postgraduate student.
257
УДК 621.316
ПРИМЕНЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ КОМПЕНСАТОРОВ STATCOM
ДЛЯ БЫТОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
В.Г. Щетинин
Самарский государственный технический университет
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
E-mail: schetinin_v@mail.ru
В статье рассмотрены результаты применения статических компенсаторов в задачах
повышения качества электроэнергии в сетях низкого напряжения маломощных и бытовых потребителей, показана эффективность предлагаемого решения.
Ключевые слова: статический синхронный компенсатор, реактивная энергия, бытовые
объекты.
Повышение эффективности и экономичности электроэнергетики непосредственно связано с улучшением всего комплекса ее характеристик. Одна из основных
тенденций в исполнении современных электроэнергетических объектов – необходимость компактизации систем, а также повышения плотности передаваемой потребителям энергии. Наиболее эффективное и современное направление в оптимизации
работы электроэнергетических систем – использование систем электропередачи с
применением устройств Flexible Alternative Current Transmission или FACTS (система статической компенсации реактивной мощности).
Статические синхронные компенсаторы (static synchronous compensator) STATCOM – одно из самых современных и совершенных устройств категории FACTS.
STATCOM представляет собой управляемое статическое устройство, выполненное
по схеме преобразователя напряжения и подключенное в электрическую сеть параллельно нагрузке (рис. 1).
Р и с . 1. Пример сети электроснабжения с использованием компенсатора
Благодаря применению STATCOM появляется возможность не только гибко регулировать напряжение сети, но и увеличивать пропускную мощность имеющихся
сетей за счет оптимизации потока мощности, а также улучшить ряд других показателей. Дополнительное улучшение кривой напряжения и другие положительные
факторы после внедрения STATCOM позволяют быстро окупить это достаточно
сложное оборудование. Применение современных достижений в разработке алгоритмов векторного управления ШИМ преобразователей обеспечивает высокое быстродействие и качество регулирования системы [1].

258
Владимир Георгиевич Щетинин – к.т.н., доцент.
Первоначально подобные установки разрабатывались для внедрения на подстанциях, питающих относительно мощных (300 КВА и более, 10…100 кВ) потребителей с низкими эксплуатационными характеристиками, а также для улучшения показателей распределительной электрической сети. Однако эта задача актуальна не
только для крупных потребителей, таких как плавильные и электролизные установки, тяговые подстанции, но и бытовых объектов, потребляющих значительные объемы электроэнергии. При этом целесообразно устанавливать STATCOM параллельно
группе потребителей (один жилой дом или группа, подкачивающая станция водоснабжения или узел теплоснабжения с несколькими насосами и т. п.). Ниже приводятся результаты применения компенсаторов STATCOM на рабочие токи 50…150 А
в системах электроснабжения 0,4 кВ.
Для анализа возможностей компенсаторы STATCOM DPD-3-100 [2] подключались параллельно потребителям различного характера:
 грузоподьемные установки (лифты) с мощностью асинхронных двигателей
лебедок 3,0…8,0 кВт, работающие 8 час в сутки без выходных (группа 1);
 насосные станции с 2…4 насосами, асинхронные двигатели которых имеют
мощность 4,0…12,0 кВт, работающие круглосуточно (группа 2);
 офисные и бытовые помещения с установленной мощностью потребителей
бытового характера15,0…20,0 кВт (группа 3).
В ходе эксперимента записывались показания счетчиков активной и реактивной
энергии вначале при отключенном компенсаторе в течение 10 суток, а затем аналогичные при включенном компенсаторе. При этом условия функционирования потребителей не менялись. Для группы 2 в последние пять дней компенсатор был отрегулирован на режим перекомпенсации. Результаты проиллюстрированы на рис. 2 (показания счетчиков активной энергии) и рис. 3 (показания счетчиков реактивной
энергии).
Р и с . 2. Потребляемая активная мощность
Р и с . 3. Потребляемая реактивная мощность
259
Полученные результаты подтверждают заявленные характеристики компенсаторов. Достаточно четко наблюдается эффект повышения коэффициента мощности для
всех потребителей, а также возможность работы в режиме перекомпенсации – для
потребителя 1 за последние 5 дней наблюдалось снижение показаний счетчика реактивной энергии на 296 кВАр.
Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы.
1. Применение компенсаторов реактивной энергии эффективно для всех групп
потребителей, включая маломощные бытовые (5…7 кВт).
2. Наблюдается снижение потребляемой полной мощности на 25…40% для потребителей с коэффициентом мощности 0,6…0,8.
3. Возможно получение экономического эффекта при включении соответствующих условий в договор с энергоснабжающей организацией. В этом случае предоставляется возможность дальнейшего повышения эффективности за счет настройки
компенсатора на максимально отдаваемую реактивную мощность.
4. Применение подобных устройств наиболее эффективно для потребителей с
коэффициентом мощности, изменяющимся в широких пределах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
2.
Берх И.М., Мазуров М.И., Николаев А.В. Система векторного регулирования статического компенсатора (СТАТКОМ) // Известия НИИ постоянного тока. – № 59. – 2002.
ООО «Компания МАКСИМУМ» (электронный ресурс) / Авт. права ООО «Компания МАКСИМУМ» – Электрон. граф. и текстовые данные. – М., 2011. – Режим доступа:
http://www.prosaver.ru//
Статья поступила в редакцию 12 мая 2011 г.
UDC 621.316
APPLICATION OF THE STATIC COMPENSATORS STATCOM FOR
HOUSEHOLD CUSTOMERS
V.G. Shchetinin
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
In the paper the results of the application of static reactive power compensators for the problems of electric power quality improvement in the low-voltage systems for low-power and
household customers are described. The efficiency of the proposed solution is shown.
Keywords: static synchronous compensator, reactive power, household customers.

260
V.G. Shchetinin – Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
ПРАВИЛА ДЛЯ АВТОРОВ
Представленная в журнал работа должна быть законченным научным исследованием и содержать новые научные результаты, нигде ранее не публиковавшиеся и не
представленные к публикации в других изданиях. В журнале предполагается публикация статей объемом до 7 страниц (включая рисунки и таблицы), а также кратких сообщений по соответствующим разделам (объем 2-4 cтp. вместе с рисунками и таблицами). Объем заказных статей устанавливается редколлегией.
В приоритетном порядке будут рассматриваться заказные и обзорные статьи, а
также материалы докторских и кандидатских диссертаций. Аспирантские работы
рекомендуется представлять в форме кратких сообщений.
Требования к оформлению статей находятся на сайте университета:
www.samgtu.ru  Наука  Вестник СамГТУ  Серия «Технические науки».
К статье прилагаются:
 экспертное заключение;
 авторская справка;
 договор передачи авторского права на публикацию;
 акт приема-передачи к договору;
 направление от организации (если авторы не работают в СамГТУ).
Статьи, не удовлетворяющие указанным правилам оформления, будут возвращены авторам без рассмотрения.
Статьи и краткие сообщения должны быть переданы ответственному секретарю
серии «Технические науки» И.Г. Минаковой (443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, корп. 8, комн. 519).
Справки по телефонам:
337 07 00 – Эдгар Яковлевич Рапопорт
337 03 42 – Ирина Григорьевна Минакова (E-mail: vest_teh@samgtu.ru)
Редколлегия журнала
261