Дисертації та автореферати

Постійне посилання на розділhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/16999

Електронна повнотекстова колекція авторефератів та дисертацій, упорядкована за назвами спеціальностей

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 1005

Організаційно-економічний механізм управління об’єктами інтелектуальної власності на промисловому підприємстві
(2024) Маслак, Марія Володимирівна
Дисертаційну роботу присвячено вирішенню науково-практичної проблеми розробки теоретичних, концептуальних, методологічних і методичних положень організаційно-економічного механізму управління об’єктами інтелектуальної власності (далі – ІВ) на промислових підприємствах машинобудування. Об’єктом дослідження є процес управління об’єктами ІВ на промисловому підприємстві. Предметом дослідження є теоретичні, методологічні та методичні засади управління об’єктами ІВ на підприємствах машинобудування. Метою дисертаційної роботи є розроблення теоретичних положень, концепції, методологічного та методичного забезпечення організаційно-економічного механізму управління об’єктами ІВ на промисловому підприємстві на засадах системно-процесного підходу та обґрунтування практичних рекомендацій для забезпечення економічного розвитку в сучасних умовах господарювання. The thesis is dedicated to solving the scientific and practical problem of developing theoretical, conceptual, methodological, and methodical provisions of the organizational and economic mechanism of intellectual property (hereinafter - IP) objects management at machine-building enterprises. The object of the research is the process of IP objects management at an industrial enterprise. The subject of the research is the theoretical, methodological, and methodical foundations of IP objects management at machine-building enterprises.The aim of the thesis is to develop theoretical provisions, concepts, methodological and methodical support for the organizational and economic mechanism of IP objects management at an industrial enterprise, on the basis of the system-process approach and substantiating practical recommendations for ensuring economic development in modern economic conditions.
Основи технологічної підготовки процесів виготовлення складних виробів при матеріалізації 3D-моделей адитивними методами.
(2024) Гаращенко, Ярослав Миколайович
Дисертацію присвячено розробці основ і системи технологічної підготовки процесів виготовлення складних виробів при матеріалізації 3D-моделей шляхом їх пошарової побудови та підвищення ефективності адитивних методів на базі об’єктно-орієнтованої методології статистичного аналізу геометричних даних. У роботі запропоновано нову концепцію технологічної підготовки отримання складних виробів адитивними методами, в рамках якої вирішуються основні задачі - структурна оборотна декомпозиція, раціональна орієнтація і розміщення виробу в робочому просторі пошарової побудови та формування набору шарів на базі єдиної методології статистичного аналізу полігональної, воксельної та пошарової моделей виробу. Аналіз полігональної 3D-моделі виконується для попередньої оцінки геометричної складності з метою визначення технологічності виробу та прийняття рішення щодо стратегії виготовлення. Аналіз воксельної 3D-моделі для попередньої та поетапної оцінки просторового розподілу матеріалу виробу з метою ефективної реалізації. The dissertation is devoted to the development of the foundations and system of technological preparation of the manufacturing processes of complex products during the materialization of 3D models through their layered building and increasing the efficiency of additive methods based on the object-oriented methodology of statistical analysis of geometric data. The work proposes a new oncept of technological preparation for obtaining complex products by additive methods, within which the main tasks are solved - structural reversible ecomposition, rational orientation, and placement of the product in the workpace and formation of a set of layers based on a unified methodology of statistical analysis of polygonal, voxel and layered models’ product. The analysis of the polygonal 3D model is performed for the preliminary assessment of the geometric the manufacturability of the product and to make a decision on the manufacturing strategy. Analysis of the voxel 3D model for the preliminary and step-by-step assessment of the spatial distribution of the material of the product to effectively implement technological preparation. Analysis of the layered model for the final evaluation of the effectiveness of the use of the additive method.
Інформаційні технології підтримки фінансових рішень в умовах ризику та невизначеності
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Мац, Владислав Ігорович
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі, пов'язаної з розробкою нових та удосконалення існуючих методів комп’ютерної реалізації моделей керованих Марківських процесів на прикладі аналізу та побудови довгострокових інвестиційних стратегій виходячи з персонального контексту індивідуального інвестора. Об’єкт дослідження – довгострокові інвестиційні стратегії що враховують персональний контекст індивідуального інвестора. Предмет дослідження – моделі, методи та інформаційні технології побудови довгострокових інвестиційних стратегій виходячи з персонального контексту індивідуального інвестора. Метою дисертаційної роботи є розробка методів для інтегрування персонального контексту індивідуального інвестора до оптимізаційного процесу шляхом розробки нових та удосконалення існуючих методів довгострокової оптимізації портфелю на основі керованих Марківських процесів. The thesis is devoted to solving a relevant scientific and technical problem related to the development of new and improvement of existing methods of computer implementation of models of controlled Markov processes using as the example the analysis and construction of long-term investment strategies based on the personal context of an individual investor. The object of the study is long-term investment strategies that take into account the personal context of an individual investor. The subject of the study is models, methods and information technologies of building long-term investment strategies based on the personal context of an individual investor. The aim of the study is to develop methods for integrating the personal context of an individual investor into the optimization process by developing new and improving existing methods for long-term portfolio optimization based on controlled Markov processes.
Геолого-технологічні передумови відновлення запасів газу виснажених родовищ (на прикладі Шебелинського ГКР)
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Фик, Ілля Михайлович
У дисертаційній роботі аналізується науково-практична задача оцінки щорічних об'ємів відновлення запасів газу у Шебелинському родовищі, що дозволяє прогнозувати можливість довгострокової розробки родовища протягом 70-100 років при стабільних видобуткових обсягах на рівні 1,8 млрд м³ щорічно. The dissertation addresses the scientific and practical task of evaluating the annual volumes of gas reserve recovery in the Shebelinka Field, which allows for forecasting the possibility of long-term field development over 70-100 years with stable production volumes of 1.8 billion m³ annually.
Електромеханічна система регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Озулу, Антон Борисович
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі щодо покращення ходових характеристик швидкісного електропоїзду та рекуперації енергії коливань. Метою дисертаційної роботи є розробка теоретичних положень і практичних рішень щодо реалізації електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з механізмом нахилу кузова. Об’єктом дослідження є процес електромеханічного перетворення енергії в системі нахилу кузова при гасінні коливань кузова. Предметом досліджень є електромеханічна система регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду с нахилом кузова. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено аналіз існуючих рішень для систем нахилу кузова який показує, що найпоширенішим приводом для нахилу кузова є гідравлічний. Описано недоліків цього приводу, таких як складність гідравлічних ліній, високий тиск та складна система керування. З іншого боку, для демпфуючих систем на рухомому складі широко використовуються пневморесори. Розглянуто потенційне рішення для покращення характеристик ходової частини швидкісного електропоїзду таке як інтеграція функцій нахилу кузова та гасіння коливань в одну систему шляхом синтезу електромеханічного амортизатора. Відповідно до аналізу існуючих електромеханічних пристроїв, було обґрунтовано рішення застосування лінійного двигуна електромагнітного типу як пристрою для нахилу кузова та демпфуючої складової, що дозволяє рекуперувати енергію коливань, що може значно підвищити ефективність системи та зменшити її складність завдяки великій гнучкості та точності управління електроприводом. Обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі запропоновано використання лінійного електромагнітного двигуна як оптимального рішення для реалізації системи нахилу кузова та демпфування коливань. Для оцінки ефективності роботи електромеханічного амортизатора була побудована математична модель ходової частини електропоїзда з електромеханічними амортизаторами, що враховує відсутність пневматичної частини. Модель включає рівняння руху та нахилу кузова, враховуючи електромеханічні характеристики. Проведено розрахунок магнітного поля методом скінченних елементів для визначення оптимальних параметрів індуктивності (32.1-40.6 мГн) та інших характеристик. Результати показали, що при максимальному робочому зазорі 70 мм магнітопровід не входить у режим насичення, забезпечуючи стабільну роботу амортизатора. У третьому розділі побудована імітаційна модель електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова. Результати моделювання нахилу кузова показують, що електромеханічний амортизатор досягає заданого кута 5° за 2 секунди з відхиленням ±0,2° при підтримці кута. Результати моделювання гасіння коливань показують, що електромеханічний амортизатор ефективно гасить коливання і відновлює енергію. Без дії амортизатора кут нахилу кузова змінюється від -0,45° до +0,38°, а після його впливу цей діапазон скорочується до -0,2° до +0,2°. Електромеханічний амортизатор здатний рекуперувати 84 Вт/год при коливаннях з амплітудою 5 мм та частотою 2 Гц, при цьому електромагнітна сила на якорі становить 43 кН. Імітаційне моделювання показало, що електромеханічний амортизатор ефективно гасить коливання та рекуперує енергію, що підтверджується осцилограмами. Ця система відкриває шлях для оптимізації параметрів та інтеграції з існуючими системами вагонів. У четвертому розділі досліджено ключові аспекти управління електромеханічною системою регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова з використанням електромеханічних компонентів. Розроблено алгоритм керування електромеханічним амортизатором, який використовує гіроскопи типу МЕМС для вимірювання кутів нахилу кузова та візка. Обрано модель МЕМС датчику MPU-9250 для використання в системі керування нахилом кузова електропоїзда, який забезпечує високу точність вимірювань (нелінійність ±0,1 % для гіроскопа та ±0,3 % для акселерометра) при частоті оновлення даних 8000 Гц. В якості основного мікроконтролеру було обґрунтовано та обрано мікроконтролер STM32F407. При виборі силових ключів обрано IGBT транзистори моделі FF800R17KP4_B2, які забезпечують надійну роботу системи в умовах високих навантажень. Розроблено схему електричну принципову драйвера керування (напівпровідникового перетворювача) електромеханічною системою, що включає блоки живлення, мікроконтролер, керування силовими ключами та вихідні роз'єми для підключення датчиків. Створена топологія друкованої плати (розмір 120 мм на 90 мм, двошарова, з розташуванням компонентів на одній стороні) забезпечує зручність монтажу та обслуговування системи. Також розроблено схему електричну принципову блоку датчику типу МЕМС, яка має компактні габарити (розмір 25 мм на 25 мм, двошарова). Виконана база конфігурація вводів/виводів мікроконтролера в програмному середовищі CubeMX. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше запропоновано використання електромеханічного амортизатор у складі ходової частини швидкісного електропоїзду для систем нахилу кузова, що дозволяє одночасно виконувати функції нахилу кузова та рекуперації енергії коливань, замінюючи традиційні пневматичні амортизатори. Без амортизатора кут нахилу кузова змінюється в межах від -0,45° до +0,38°, а з його застосуванням цей діапазон скорочується та складає від -0,2° до +0,2°, тобто вдвічі менше. Електромеханічний амортизатор здатен рекуперувати 84 Вт/год при коливаннях з амплітудою 5 мм та частотою 2 Гц. 2. Вперше запропоновано алгоритм керування нахилом кузова та рекуперацією коливань каскадного типу, алгоритм переключення режимів роботи електромеханічної системи регулювання коливань швидкісного електропоїзду з нахилом кузова Запропоновано виконувати вимір кута нахилу за допомогою датчиків акселерометру та гіроскопу типу МЕМС. Крім того, розроблено методику для розрахунку кутів, що забезпечує високу точність та стабільність вимірювань у динамічних умовах. 3. Вперше розроблено концептуальне прикладне рішення з реалізації блоку електроніки драйверу керування електромеханічною системою регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова та блоку електроніки датчику кута нахилу, що включає інтеграцію сучасних мікроконтролерів для обробки сигналів та розробку спеціалізованого програмного забезпечення, яке забезпечує адаптивне управління електроприводом електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова у режимі реального часу. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено коректністю постановок математичних задач, відповідністю математичних моделей суті описуваних процесів та експериментальними дослідженнями, виконаними за допомогою імітаційних моделей. Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному: – розробка та впровадження електромеханічного амортизатора в системі нахилу кузова швидкісного електропоїзда дозволяє значно покращити стабільність і комфорт під час руху. Це забезпечує більш плавний нахил кузова, зменшуючи вплив коливань на пасажирів у 2 рази, що особливо важливо для швидкісних потягів; – інтеграція узагальненої імітаційної моделі системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова у процес проєктування і моделювання забезпечує точність і надійність розробки нових систем нахилу кузова; – створена концептуальна схема системи керування нахилом кузова та рекуперації коливань, що базується на використанні мікроконтролера STM32F407 та МЕМС гіроскопа MPU-9250, сприяє впровадженню інноваційних рішень у транспортній індустрії. Це відкриває можливості для подальших досліджень і розробок у сфері швидкісних електропоїздів. Результати дисертаційної роботи використано при виконанні наукового дослідження за темою: «Підвищення енергоефективності електрорухомого складу залізничного транспорту» (№ ДР 0122U201673, 2022 р.), де здобувач був виконавцем частини розділу 2 «Електромеханічні амортизатори». Результати дисертаційної роботи впроваджено на ТОВ НВП «СПЕЦЕЛЕКТРОМАШ» (акт про впровадження від 05.04.2024 р.), а також у навчальному процесі кафедри електричного транспорту та тепловозобудування НТУ «ХПІ» (акт про впровадження від 29.04.2024 р.) The dissertation is devoted to solving the actual scientific and practical problem of improving the running characteristics of a high-speed electric train and recuperating vibration energy. The purpose of the dissertation is the development of theoretical provisions and practical solutions for the implementation of an electromechanical system for regulating body vibrations of a high-speed electric train with a body tilting mechanism. The object of research is the process of electromechanical conversion of energy in the system of tilting the body during damping of vibrations of the body. The subject of research is an electromechanical system for regulating body vibrations of a high-speed electric train with a body tilt. The work solves the scientific and practical task of synthesizing an electromechanical shock absorber for the undercarriage of a high-speed electric train with a body tilting system, which allowed to ensure the performance of body tilting and vibration recovery, and will replace the pneumatic part. The research was carried out on the basis of fundamental provisions of theoretical electromechanics, methods of mathematical and simulation modeling of the high-speed electric train undercarriage system, modern information technologies and application programs. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, defines the tasks of the research, shows the connection of the work with scientific programs, plans, topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approbation of results and publications. In the first chapter, an analysis of existing solutions for body tilting systems is carried out, which shows that the most common drive for body tilting is hydraulic. Disadvantages of this drive are described, such as the complexity of hydraulic lines, high pressure, and complex control system. On the other hand, air springs are widely used for damping systems on rolling stock. A potential solution for improving the characteristics of the undercarriage of a high-speed electric train is considered, such as the integration of body tilt and vibration damping functions into one system by synthesizing an electromechanical shock absorber. According to the analysis of the existing electromechanical devices, the decision to use an electromagnetic type linear motor as a device for tilting the body and a damping component was justified, which allows to recover the energy of oscillations, which can significantly increase the efficiency of the system and reduce its complexity due to the great flexibility and precision of control of linear electromagnetic devices. The directions of research are chosen, the main tasks of the dissertation work are set. In the second chapter, the use of a linear electromagnetic motor is proposed as the optimal solution for the implementation of the system of tilting the body and damping vibrations. To evaluate the effectiveness of the electromechanical shock absorber, a mathematical model of the undercarriage of an electric train with electromechanical shock absorbers was built, taking into account the absence of a pneumatic part. The model includes equations of motion and tilt of the body, taking into account electromechanical characteristics. The magnetic field was calculated using the finite element method to determine the optimal inductance parameters (32.1-40.6 mH) and other characteristics. The results showed that with a maximum working gap of 70 mm, the magnet wire does not enter the saturation mode, ensuring stable operation of the shock absorber. In the third section, a simulation model of the electromechanical system for regulating body oscillations of a high-speed electric train with body inclination is built. Body tilt simulation results show that the electromechanical shock absorber reaches a set angle of 5° in 2 seconds with a deviation of ±0.2° when maintaining the angle. The results of vibration damping simulation show that the electromechanical shock absorber effectively damps vibrations and recovers energy. Without the action of the shock absorber, the angle of inclination of the body varies from -0.45° to +0.38°, and after its influence, this range is reduced to -0.2° to +0.2°. The electromechanical shock absorber is capable of recuperating 84 W/h during oscillations with an amplitude of 5 mm and a frequency of 2 Hz, while the electromagnetic force on the armature is 43 kN. Simulation modeling showed that the electromechanical shock absorber effectively dampens oscillations and recovers energy, which is confirmed by oscillograms. This system paves the way for parameter optimization and integration with existing railcar systems. In the fourth chapter, the key aspects of the control of the electromechanical system of regulating the oscillations of the body of a high-speed electric vehicle with the tilt of the body using electromechanical components are investigated. An algorithm for controlling an electromechanical shock absorber has been developed, which uses MEMS-type gyroscopes to measure the angles of inclination of the body and the trolley. The MPU-9250 MEMS sensor model was selected for use in the body inclination control system of the electric train, which provides high measurement accuracy (nonlinearity ±0.1% for the gyroscope and ±0.3% for the accelerometer) at a data update frequency of 8000 Hz. The STM32F407 microcontroller was justified and chosen as the main microcontroller. When choosing power switches, IGBT transistors of the FF800R17KP4_B2 model were chosen, which ensure reliable operation of the system under conditions of high loads. The electrical schematic diagram of the control driver (semiconductor converter) of the electromechanical system, which includes power supplies, a microcontroller, control of power switches and output connectors for connecting sensors, has been developed. The created topology of the printed circuit board (size 120 mm by 90 mm, two-layer, with the arrangement of components on one side) ensures the convenience of installation and maintenance of the system. Also developed is the electrical principle diagram of the MEMS-type sensor unit, which has compact dimensions (size 25 mm by 25 mm, two-layer). The basic configuration of the inputs/outputs of the microcontroller in the CubeMX software environment is completed. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. Scientific novelty of the results: 1. For the first time, the use of an electromechanical shock absorber as part of the chassis of a high-speed electric train for body tilting systems is proposed, which allows simultaneously performing the functions of body tilting and vibration energy recovery, replacing traditional pneumatic shock absorbers. Without a shock absorber, the angle of inclination of the body varies from -0.45° to +0.38°, and with its use, this range is reduced to -0.2° to +0.2°, that is, half as much. The electromechanical shock absorber is able to recover 84 W/h during oscillations with an amplitude of 5 mm and a frequency of 2 Hz. 2. For the first time, an algorithm for controlling body inclination and recuperation of cascade-type oscillations, an algorithm for switching modes of operation of the electromechanical system for regulating oscillations of a high-speed electric train with an inclination of the body is proposed for the first time. It is proposed to measure the inclination angle using MEMS-type accelerometer and gyroscope sensors. In addition, a technique for calculating angles has been developed, which ensures high accuracy and stability of measurements in dynamic conditions. 3. For the first time, a conceptual application solution has been developed for the implementation of the driver electronics unit for controlling the electromechanical body vibration control system of a high-speed electric train with body inclination and the tilt angle sensor electronics unit, which includes the integration of modern microcontrollers for signal processing and the development of specialized software that provides adaptive control of the electric drive of the electromechanical control system oscillations of the body of a high-speed electric train with body inclination in real time. The reliability of theoretical dissertation research is confirmed by the correctness of mathematical problem statements, the correspondence of mathematical models to the essence of the described processes, and experimental studies performed with the help of simulation models. The practical significance of the results obtained is as follows: – the development and implementation of an electromechanical shock absorber in the tilting system of the body of a high-speed electric train allows to significantly improve stability and comfort during movement. This ensures a smoother body tilt, reducing the impact of vibrations on passengers by 2 times, which is especially important for high-speed trains; – the integration of the generalized simulation model of the body oscillation regulation system of the high-speed electric train with body inclination into the design and modeling process ensures the accuracy and reliability of the development of new body inclination systems; – a conceptual diagram of the body tilt control system and vibration recovery based on the use of the STM32F407 microcontroller and MPU-9250 MEMS gyroscope was created, which contributes to the implementation of innovative solutions in the transport industry. This opens up opportunities for further research and development in the field of high-speed electric trains. The results of the research were used in the performance of scientific research on the following planned topics: "Increasing the energy efficiency of electric rolling stock of railway transport" (No. DR 0122U201673, 2022), where the acquirer was the executor of part of section 2 "Electromechanical shock absorbers". The results of the dissertation work were implemented in the Research and Production Enterprise LLC SPE "SPETSELEKTROMASH" from 04.05.2024, as well as in the educational process of the Department of Electric Transport and Locomotive Construction of NTU "KhPI" from 04.29.2024.
Моделі і методи дослідження алгоритмів орієнтації для високодинамічних об'єктів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Гомозкова, Ірина Олександрівна
Метою дисертаційної роботи є удосконалення математичного моделювання обертального руху твердого тіла за рахунок узагальнення методу аналітичних еталонних моделей, який базується на евристичному представленні кватерніона орієнтації у вигляді суперпозиції тригонометричних функцій лінійних кутів. Об'єкт дослідження – визначення орієнтації в бесплатформених інерціальних системах орієнтації. Предмет дослідження – моделювання обертального руху твердого тіла з використанням апарату кватерніонів і аналітичної механіки. У вступі доведено актуальність розробки моделей, які відтворюють специфічні типи кутового руху та оптимізації алгоритмів визначення орієнтації під такий рух об’єктів. Наведено зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами, наведено наукову новизну, представлено практичне значення отриманих результатів, надано інформацію щодо особистого внеску здобувача, представлено перелік публікацій за темою дисертації. У першому розділі детально описано принципи роботи обчислювального блоку безплатформенних інерціальних навігаційних систем, шлях їх розвитку та порівняння з іншими видами навігаційних систем. Наведено класифікацію існуючих алгоритмів визначення орієнтації. Перераховано джерела помилок, які виникають в таких системах та методики їх компенсації. Проаналізовано існуючі методи моделювання та тестування роботи обчислювального блоку. Обґрунтовано доцільність оптимізації безплатформенних систем навігації під характеристики руху сучасних об’єктів, приведено чисельну реалізацію моделей у вигляді траєкторій в конфігураційному просторі та залежностей від часу. У другому розділі описано принципи, за якими виконується математичне моделювання роботи обчислювального блоку безплатформенних систем навігації. Перераховано вимоги, які висуваються до таких моделей, враховуючи їх залежність від ступенів вільності об’єкта, який обертається. Сформовано основні задачі дисертаційної роботи. Побудовано нові еталонні моделі, які реалізують обертальний рух об’єкта та шляхом чисельного моделювання доведено, що кожна з них реалізує унікальні характеристики кутового руху, відмінні від класичних. Отримано розв’язки відповідних кінематичних рівнянь та системи динамічних рівнянь Ейлера. Останні грають важливу роль у задачах керування та переорієнтації об’єктів. У третьому розділі проведено оцінку точності роботи двох алгоритмів визначення орієнтації 4-го порядку точності. На основі отриманого результату, для подальшої реалізації обрано алгоритм Міллера. Знайдено нові значення параметрів цього алгоритма, за яких похибка дрейфу є меншою, ніж за класичних значень. Описано фактори, які призводять до зменшення фактичної точності алгоритма в порівнянні з математичною. Досліджено для розроблених моделей кутового руху значення модулів кутової швидкості, за яких досягається обрана точність алгоритма визначення орієнтації. У четвертому розділі сформовано чіткі характеристики високоманевреного об’єкта та доведено, що одна з розроблених моделей дозволяє відтворювати такий тип руху. Для цієї моделі знайдено ще один набір параметрів алгоритма Міллера, які у випадку високої швидкості обертання пристрою дають похибку дрейфа, меншу на 10-7 рад порівняно з класичними значенями параметрів (𝛼=3380; 𝛽=5780). Доведено, що нові чотирьохчастотні моделі враховують в собі вплив вібраційного оточення у вигляді гармонійних коливань. Для даного випадку знайдено нові, оптимізовані конкретно під такі умови параметри алгоритма Міллера. У п’ятому розділі описано програмний застосунок, розроблений для чисельної реалізації моделей. Написано програму мовою С++ з використанням елементів об’єктно-орієнтованого програмування. Вихідні дані автоматично записуються до Exel-файлу. В цьому ж файлі виконується побудова відповідних графіків залежностей. Перераховано основні вимоги для встановлення застосунку на кожному конкретному присторої. Описано характеристики та обмеження вхідних умов, необхідних для реалізації обчислень. У висновках перераховано головні результати наукової роботи, які є розв’язками сформованих теоретичних та прикладних задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові результати: 1. Розроблено сім нових еталонних кватерніонних моделей, які реалізують типи руху, відмінні від конічного обертання та регулярної прецесії. 2. Оптимізовано алгоритм визначення орієнтації Міллера, шляхом визначення трьох нових наборів параметрів та показано, за яких характеристик руху слід використовувати кожен з них. 3. Запропоновано механізм визначення реалізованого порядку точності алгоритма орієнтації. Для отриманих моделей кутового руху визначено найменше значення модуля кутової швидкості, за якого реалізована та математична точність алгоритма Міллера будуть рівними та відповідатимуть 4-му порядку. 4. Доведено, що одна з моделей реалізує рух об’єкта, який має високу кутову динаміку (обертання навколо однієї з осей більше 20 обертів в секунду). Вказано, що модуль кутової швидкості моделі при цьому має бути більший за 15 рад/сек. 5. Описано принцип роботи розробленого програмного доданку, який дозволяє проводити чисельні експерименти та отримувати візуалізацію обраного кутового руху. Результати отримуються у вигляді таблиці та відповідних графіків в Exel. Дослідження, результати яких викладені в дисертаційній роботі, виконані на кафедрі «Комп’ютерне моделювання процесів та систем» НТУ «ХПІ» відповідно до завдань держбюджетної теми МОН України (номер державної реєстрації проекту 0116U000875) за темою «Створення теоретичних основ для методів довговічності елементів конструкцій аерокосмічної техніки та точності систем управління рухом» (термін виконання 2018-2019 рр), в яких здобувач був виконавцем окремих етапів. Робота виконувалась у рамках проекту DAAD "Ukraine Digital: Studienerfolg in Krisenzeiten sichern (2022-2023)" (Німеччина). Результати дослідження підтвердили практичну та теоретичну цінність розроблених моделей та адаптацій алгоритму Міллера для складних кутових рухів, надано практичні рекомендації, щодо оптимальних значень модуля кутової швидкості, за яких реалізований порядок точністі алгоритма відповідає 4-му. The aim of the dissertation work is an improvement of the mathematical modeling of the rotational motion of a rigid body due to the generalization of the method of analytical reference models, which is based on the heuristic representation of the orientation quaternion in the form of a superposition of trigonometric functions of linear angles. The object of research is determination in strapdown inertial orientation systems. The subject of research is the simulation of the rotational motion of a rigid body using the quaternion apparatus and analytical mechanics. The introduction proves the relevance of developing models that reproduce specific types of angular movement and optimizing algorithms for determining the orientation for such movement of objects. The connection of the work with scientific programs, plans and topics is given, scientific novelty is given, the practical significance of the obtained results is presented, information is provided about the personal contribution of the recipient, a list of publications on the topic of the dissertation is presented. The first chapter describes in detail the principles of operation of the computing unit of platformless inertial navigation systems, the way of their development and comparison with other types of navigation systems. The classification of existing orientation determination algorithms is presented. Sources of errors that occur in such systems and methods of their compensation are listed. The existing methods of modeling and testing the operation of the computing unit are analyzed. The expediency of optimizing platformless navigation systems for the characteristics of the movement of modern objects is substantiated, the numerical implementation of models in the form of trajectories in the configuration space and time dependencies is given. The second chapter describes the principles by which mathematical modeling of the computing unit of platformless navigation systems is performed. The requirements for such models are listed, taking into account their dependence on the degrees of freedom of the rotating object. The main tasks of the dissertation have been formulated. New reference models have been built that realize the rotational motion of the object, and it has been proven through numerical simulation that each of them realizes unique characteristics of angular motion, different from the classical ones. The solutions of the corresponding kinematic equations and the Euler system of dynamic equations were obtained. The latter play an important role in the management and reorientation of objects. In the third section, the accuracy of two algorithms for determining the orientation of the 4th order of accuracy is evaluated. Based on the obtained result, Miller's algorithm was chosen for further implementation. New values of the parameters of this algorithm were found, for which the drift error is smaller than for classical values. The factors that lead to a decrease in the actual accuracy of the algorithm compared to the mathematical one are described. The values of the angular velocity modules, which achieve the chosen accuracy of the orientation determination algorithm, were studied for the developed angular motion models. In the fourth chapter, clear characteristics of a highly maneuverable object are formed and it is proved that one of the developed models allows to reproduce this type of movement. For this model, another set of parameters of the Miller algorithm was found, which in the case of a high rotation speed of the device give a drift error smaller by 10-7 rads compared to the classical parameter values ( 𝛼=3380; 𝛽=5780). It has been proven that the new four-frequency models take into account the influence of the vibrating environment in the form of harmonic oscillations. For this case, new parameters of the Miller algorithm were found, specifically optimized for such conditions. The fifth chapter describes the software application developed for the numerical implementation of the models. The program was written in the C++ language using elements of object-oriented programming. The output data is automatically saved to an Excel file. In the same file, construction of the corresponding graphs of dependencies is performed. The basic requirements for installing the application on each specific device are listed. The characteristics and limitations of the input conditions necessary for the implementation of calculations are described. The conclusions list the main results of the scientific work, which are solutions to the formed theoretical and applied research problems. According to the results of the research, the following scientific results were obtained: 1. Seven new reference quaternion models have been developed that implement types of motion other than conical rotation and regular precession. 2. Miller's orientation determination algorithm was optimized by defining three new sets of parameters and showing under which movement characteristics each of them should be used. 3. A mechanism for determining the implemented accuracy order of the orientation algorithm is proposed. For the received models of angular motion, the smallest value of the angular velocity module is determined, for which the implemented and mathematical accuracy of the Miller algorithm will be equal and correspond to the 4th order 4. I It has been proven that one of the models realizes the movement of an object that has high angular dynamics (rotation around one of the axes is more than 20 revolutions per second). It is indicated that the angular velocity module of the model should be greater than 15 rad/sec. 5. The principle of operation of the developed software application is described, which allows you to conduct numerical experiments and obtain a visualization of the selected angular motion. The results are obtained in the form of a table and corresponding graphs in Excel. The research, the results of which are presented in the dissertation, was carried out at the Department of "Computer Modeling of Processes and Systems" of NTU "KhPI" in accordance with the tasks of the state budget topic of the Ministry of Education and Culture of Ukraine (state registration number of the project 0116U000875) on the topic "Creation of theoretical foundations for methods of durability of structural elements of aerospace engineering and accuracy of motion control systems" (implementation period 2018-2019), in which the acquirer was the executor of individual stages. The work was carried out within the DAAD project "Ukraine Digital: Studienerfolg in Krisenzeiten sichern (2022-2023)" (Germany). The results of the study confirmed the practical and theoretical value of the developed models and adaptations of Miller's algorithm for complex angular movements, practical recommendations were given regarding the optimal values of the angular velocity module, for which the implemented order of accuracy of the algorithm corresponds to the 4th.
Керамічні матеріали радіотехнічного призначення на основі системи ZnO – ВаO – AL₂O₃ – SiO₂
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Білогубкіна, Карина Володимирівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія». – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024. Дисертаційна робота спрямована на розробку керамічних матеріалів на основі композицій системи ZnO – ВаO – AL₂O₃ – SiO₂ та технології їх формування для підвищення ефективності та надійності військово-прикладних технологій у сфері авіації та ракетобудування. Об’єкт дослідження – створення керамічних матеріалів з комплексом заданих електрофізичних властивостей та спроможністю максимального пропускання електромагнітних хвиль у радіочастотному діапазоні. Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності формування, властивості, фазовий склад і структура радіопрозорих керамічних матеріалів на основі композицій системи ZnO – ВаO – AL₂O₃ – SiO₂ та технологічні параметри формування носового обтічника шляхом шлікерного лиття з непластичного шлікеру. Метою дисертаційної роботи є розробка рецептурно-технологічних параметрів отримання радіопрозорої цельзіан-віллемітової кераміки із заданими радіофізичними властивостями на основі композицій системи AL₂O₃ – SiO₂ . У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та показано зв'язок роботи з науковими темами та напрямками досліджень кафедри; сформульована мета та конкретні задачі дослідження, а також зазначені методи, що використовуються для їх вирішення; відзначається наукова новизна роботи та її практичне значення; наводиться інформація про очікувані результати та можливі області їх використання. Крім того, окреслений особистий внесок здобувача у дослідження, а також наводиться інформація про апробацію результатів та публікацію матеріалів дисертації. Також зазначено відомості про структуру та обсяг дисертаційної роботи. Дослідження проводили з використанням фізико-хімічних розрахунків у системах фазотвірних оксидів відповідно до принципів фізичної хімії і термодинаміки силікатів. При розробці сировинних композицій та визначенні структурно-фазових особливостей отриманих матеріалів застосовували комплексні дослідження, які включали хімічний, рентгенофазовий, диференційно-термічний, оптичний та електронно-мікроскопічний аналіз. Експериментальні дані обробляли з використанням математичної статистики. Для визначення раціональних умов шлікерного лиття обтічників використовували повнофакторне планування експерименту. Фізико-механічні, електрофізичні та експлуатаційні властивості розроблених матеріалів визначали з використанням обладнання кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей НТУ «ХПІ», а також устаткування ПАТ «УкрНДІВ ім. А.С. Бережного» (м. Харків) і Інституту монокристалів НАН України (м. Харків), а також Центрів колективного користування науковим обладнанням за участю НТУ «ХПІ» «Матеріалознавство тугоплавких сполук та композитів», «Лабораторія мікро- і наносистем, новітніх матеріалів та технологій». В першому розділі висвітлено сутність явища радіопрозорості та зазначено вимоги до радіопрозорих матеріалів. Проаналізовано переваги та недоліки сучасних радіопрозорих матеріалів з позиції застосування у виробництві антенних обтічників. Надано характеристику властивостей існуючих радіопрозорих керамічних матеріалів. Визначено основні критерії при розробці радіопрозорої кераміки з урахуванням взаємозв'язку діелектричних характеристик з фазовим складом та структурою матеріалу, а також морфологією кристалічних фаз. а також визначаються напрями подальших досліджень у цьому напрямку. У розділі здійснено порівняльний аналіз технологій виготовлення керамічних матеріалів, які можуть бути використані для антенних обтічників авіаційних об’єктів. Обґрунтовується вибір базової оксидної системи ZnO – BaO – AL₂O₃ – SiO₂ для отримання кераміки цельзіан-віллемітового складу, проводиться аналіз її переваг та обмежень у контексті виготовлення радіопрозорих матеріалів, а також розглядається будова потрійних підсистем, що є основою для синтезу цільових фаз (цельзіану і віллеміту). Враховуючи жорсткі вимоги до радіопрозорих матеріалів для антенних систем та складність технології, увага приділяється дослідження зосереджені на ретельному вивченні будови шлікеру та оптимізації процесу його виготовлення. Виокремлено невирішені аспекти, які вимагають подальших досліджень. Зокрема, необхідно дослідити умови для отримання радіопрозорої цельзіан-віллемітової кераміки за знижених температур, а також вирішити питання щодо регулювання властивостей непластичного шлікеру та уточнення структури та процесів фазоутворення в залежності від температурних умов. Сформульовано напрями та визначено завдання досліджень, спрямованих на створення радіопрозорого керамічного матеріалу, який можна отримати при знижених температурах випалу. Цей матеріал має бути придатним для виготовлення захисних елементів радіотехнічних систем авіаційних об’єктів, що входять до складу озброєння літаків та керованих ракет для зенітно-ракетних комплексів. Дослідження спрямовані на підвищення ефективності та надійності військово-прикладних технологій у сфері авіації та ракетобудування. У другому розділі подано інформацію про сировинні матеріали, методи виготовлення зразків та надано характеристику методик і обладнання для теоретичних і експериментальних досліджень, які були реалізовані в рамках дисертаційної роботи. Теоретичні дослідження проведені з використанням сучасних методів аналізу, що відповідають положенням фізичної хімії та термодинаміки силікатів. Аналіз будови багатокомпонентних оксидних систем здійснювали із залученням: геометро-топологічного, термодинамічного і фізико-хімічного методів. Характеристики спікання отриманої кераміки визначали за методиками згідно ISO10545-3:2018. Фізико-механічні властивості зразків кераміки визначали за методами, регламентованими ISO14704:2006 та ДСТУ 3716-98. Вимірювання твердості керамічних матеріалів проводили за методом Роквела. Дослідження реологічних властивостей керамічних шлікерів та властивостей напівфабрикатів здійснювали піпетковим методом. Діелектричні властивості отриманих матеріалів визначали згідно методик, регламентованих стандартом. Дослідження процесів, що супроводжують нагрівання сировинних матеріалів та їх сумішей здійснювали диференційно-термічним методом на дериватографі системи Ф. Паулик, Й. Паулик, Л. Эрдей. Структурно-фазові особливості отриманих матеріалів досліджували з використанням сучасних фізико-хімічних методів дослідження. Визначення фазового складу зразків здійснювали використанням дифрактометр ДРОН-3М із CuKß-випромінюванням та нікелевим фільтром за стандартних умов його роботи. Дослідження мікроструктури проводили на скануючому електронному мікроскопі JSM-6390LV в режимі вторинних електронів. У третьому розділі проведено дослідження субсолідусної структури системи ZnO – BaO – Al2O3 – SiO2, розраховані геометро-топологічні характеристики фаз та елементарних тетраедрів, побудовано топлогічний граф їх взаємодії та розраховані температури та склади евктектик. Для модельних оксидних композицій, які належать полям кристалізації цільових фаз, проведено прогнозну оцінку фазового складу продуктів синтезу. Визначено відповідні фазові зміни та динаміку накопичення розплаву при нагріванні матеріалів в температурному інтервалі 1100 –1350 °С. На основі отриманих даних здійснено проектування хімічних і шихтових складів мас для одержання цельзіан-віллемітової кераміки за зниженої температури синтезу. З використанням термодинамічного аналізу реакцій взаємодії основних і супутніх фаз цельзіан-віллемітової кераміки з агресивними речовинами здійснено прогнозування її хімічної стійкості відносно лужного і кислого середовищ. Четвертий розділ присвячений розробці рецептурно-технологічних параметрів отримання цельзіан-віллемітової кераміки. Базуючись на результатах теоретичних досліджень, обґрунтовано вибір базової оксидної композицій, розроблено шихтові склади керамічних мас з використанням альтернативних глиноземвмісних матеріалів (металургійного глинозему Г-00, мікронізованого глинозему СТ3000 SDP і гідроксиду алюмінію ГД00). Доведена можливість одностадійного синтезу цільових фаз за температури 1150 °С та визначено вплив альтернативної глиноземвмісної сировини на фазовий склад та властивості продуктів синтезу. Також визначено вплив добавок інтенсифікаторів фазоутворення (2 мас. % Li2O i 1 мас.% евтектичної композиції Li2O‒SnO2) властивості та структурно-фазові особливості зразків кераміки та зроблено висновки щодо їх використання. Для регулювання реологічних властивостей цельзіан-віллемітової кераміки досліджено вплив розріджуючої та адгезуючої добавок (продуктів Dolapix РС 67 та ПВС 1788 відповідно). З використанням планованого експерименту (ПФЕ 22) визначено оптимальну кількість вказаних речовин у складі комплексної добавки: 0,38 % Dolapix PC 67 і 0,7 % полівінілового спирту ПВС 1788 понад 100 % на суху речовину. Використання такої добавки дозволяє отримати шлікер з вологістю 30 % з високою текучістю (τ1 = 9–11с), швидкістю набору маси (6–7 г/хв) та одночасно збільшити міцність відливки до 6–6,5 МПа. В п’ятому розділі надано рекомендації щодо використання розроблених рецептур цельзан-віллемітової і технологічних рішень при виготовленні носових обтічників. Запропоновано технологічну схему виробництва, яка передбачає одно стадійний синтез цільових сполук кераміки з двогодинною експозицією за температури 1150 °С, формування виробів методом лиття шлікерів в гіпсові форми, а також випал готових виробів за температури 1200 °С. У підсумку проведених досліджень отримано такі наукові результати: –отримано нові дані щодо субсолідусної будови системи ZnO ‒ BaO ‒ AL₂O₃ – SiO₂ : елементарних об’ємів, ступенів асиметрії та взаємозв’язку тетраедрів, що входять до областей системи, які містять фази цельзіану, вілеміт і ганіту –розраховані температури і склади евтектик елементарних тетраедрів та визначено перспективні для проектування складів цельзіан-віллемітової кераміки модельні композиції; –за результатами прогнозної оцінки фазового складу продуктів синтезу модельних композицій та аналізу динаміки накопичення розплаву в інтервалі температур 1100 – 1350 °С визначено умови низькотемпературного синтезу цільових фаз; –за результатами термодинамічного аналізу реакцій цільових і супутніх фаз з агресивними хімічними реагентами визначено умови отримання радіопрозорої кераміки, яка демонструє високу стійкість до впливу агресивних середовищ; визначено вплив різних глиноземвмісних матеріалів на властивості і фазовий склад цельзіан-віллемітової кераміки та показана доцільність використання більш дешевого металургійного глинозему марки Г-00; –показана ефективність дії добавки 1 мас. % Li2O для інтенсифікації процессу утворення цельзіану і вілеміту в умовах низькотемпературного одностадійного синтезу та визначено позитивний вплив на експлуатаційні властивості отриманих керамічних матеріалів: діелектричні характеристики (ε = 2,41 – 2,85, tg = 0,0024–0,0075), термостійкість 225–250 °С, міцність при згинанні 83–152 МПа; –встановлено технологічні параметри шлікерного лиття та склад комплексної добавки, яка дозволяє покращити текучість шлікеру на 52 %, поліпшити фільтраційні властивості на 53 % та підвищити міцність відливок в 1,10 разів; –встановлено можливість використання розробленого матеріалу для виготовлення елементів захисту радіоелектронної апаратури, яка працює у діапазоні частот при 26 – 37,5 ГГц та покращення їх експлуатаційних властивостей. Результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» при підготовці магістрів. The dissertation is aimed at developing ceramic materials based on compositions of the ZnO – ВaO – AL₂O₃ – SiO₂ system and the technology of their formation to improve the efficiency and reliability of military-applied technologies in the field of aviation and rocketry. Object of research – creation of ceramic materials with a set of specified electrophysical properties and the ability to maximize the transmission of electromagnetic waves in the radio frequency range. The subject of the research is the physical and chemical regularities of formation, properties, phase composition and structure of radiopaque ceramic materials based on compositions of the ZnO – ВaO – AL₂O₃ – SiO₂ system and technological parameters of the formation of the nose fairing by slurry casting from non-plastic slag. The aim of the dissertation is to develop the formulation and technological parameters for the production of radiotransparent celzian-willemite ceramics with specified radiophysical properties based on compositions of the ZnO – BaO –AL₂O₃ – SiO₂ system. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic and shows the connection of the work with the scientific topics and research areas of the department; formulates the purpose and specific objectives of the study, as well as the methods used to solve them; notes the scientific novelty of the work and its practical significance; provides information on the expected results and possible areas of their use. In addition, the personal contribution of the applicant to the research is outlined, as well as information on the testing of the results and publication of the dissertation materials. Information on the structure and scope of the dissertation is also provided. The research was conducted using physicochemical calculations in systems of phase-forming oxides in accordance with the principles of physical chemistry and thermodynamics of silicates. The development of raw material compositions and the determination of structural and phase features of the obtained materials were based on comprehensive studies that included chemical, X-ray diffraction, differential thermal, optical, and electron microscopic analysis. The experimental data were processed using mathematical statistics. To determine the rational conditions for slurry casting of airfoils, a full-factor design of the experiment was used. The physical, mechanical, electrophysical, and operational properties of the developed materials were determined using the equipment of the Department of Technology of Ceramics, Refractories, Glass, and Enamels of NTU “KhPI”, as well as the equipment of PJSC “UkrNDIV named after A.S. Berezhnyi” (Kharkiv) and the Institute of Single Crystals of the National Academy of Sciences of Ukraine (Kharkiv), as well as the Centers for collective use of scientific equipment with the participation of NTU “KhPI” “Materials Science of Refractory Compounds and Composites”, “Laboratory of Micro- and Nanosystems, New Materials and Technologies”. The first section highlights the essence of the phenomenon of radio transparency and specifies the requirements for radio-transparent materials. The advantages and disadvantages of modern radiotransparent materials are analyzed from the point of view of their application in the production of antenna fairings. The properties of existing radio-transparent ceramic materials are characterized. The main criteria for the development of radio-transparent ceramics are defined, taking into account the relationship between dielectric characteristics and the phase composition and structure of the material, as well as the morphology of crystalline phases. and the directions for further research in this area are identified. The chapter provides a comparative analysis of technologies for manufacturing ceramic materials that can be used for antenna fairings of aircraft. The choice of the basic oxide system ZnO – BaO – AL₂O₃ – SiO₂ for the production of ceramics of celzian-willemite composition is substantiated, its advantages and limitations in the context of manufacturing radio-transparent materials are analyzed, and the structure of ternary subsystems, which are the basis for the synthesis of target phases (celzian and willemite), is considered. Given the stringent requirements for radio-transparent materials for antenna systems and the complexity of the technology, attention is paid to research focused on a thorough study of the structure of the slicker and optimization of its manufacturing process. Unresolved aspects that require further research are highlighted. In particular, it is necessary to study the conditions for obtaining radiopaque celzian-willemite ceramics at low temperatures, as well as to resolve the issue of regulating the properties of non-plastic slicker and clarifying the structure and phase formation processes depending on temperature conditions. The directions and tasks of research aimed at creating a radiotransparent ceramic material that can be obtained at low firing temperatures are formulated. This material should be suitable for the manufacture of protective elements of radio engineering systems of aviation facilities that are part of aircraft armament and guided missiles for anti-aircraft missile systems. This research is aimed at improving the efficiency and reliability of military-applied technologies in the field of aviation and rocketry. The second chapter provides information on raw materials, methods of sample manufacturing, and describes the methods and equipment for theoretical and experimental studies that were implemented as part of the dissertation. The theoretical studies were carried out using modern methods of analysis that correspond to the provisions of physical chemistry and thermodynamics of silicates. The analysis of the structure of multicomponent oxide systems was carried out with the use of geometric-topological, thermodynamic, and physicochemical methods. The sintering characteristics of the resulting ceramics were determined by methods according to ISO10545-3:2018. The physical and mechanical properties of ceramic samples were determined by the methods regulated by ISO14704:2006 and DSTU 3716-98. The hardness of ceramic materials was measured using the Rockwell method. The rheological properties of ceramic grinders and the properties of semi-finished products were studied using the pipette method. The dielectric properties of the obtained materials were determined according to the methods regulated by GOST 24409-80. The processes accompanying the heating of raw materials and their mixtures were studied by the differential thermal method using a derivatograph of the F. Paulik, J. Paulik, and L. Erdey system. The structural and phase features of the obtained materials were studied using modern physicochemical methods. The phase composition of the samples was determined using a DRON-3M diffractometer with CuKß radiation and a nickel filter under standard operating conditions. The microstructure was studied using a JSM-6390LV scanning electron microscope in the secondary electron mode. In the third chapter, the subsolidus structure of the ZnO – BaO – AL₂O₃ – SiO₂ system was studied, the geometric and topological characteristics of the phases and elementary tetrahedra were calculated, a topological graph of their interaction was constructed, and the temperatures and compositions of the ejecta were calculated. For the model oxide compositions belonging to the crystallization fields of the target phases, a predictive assessment of the phase composition of the synthesis products was performed. The corresponding phase changes and the dynamics of melt accumulation during the heating of materials in the temperature range 1100 – 1350 °C were determined. On the basis of the obtained data, the design of chemical and charge compositions of masses for the production of celzian-willemite ceramics at a reduced synthesis temperature was carried out. Using the thermodynamic analysis of the reactions of interaction of the main and accompanying phases of celzian-willemite ceramics with aggressive substances, we predicted its chemical resistance to alkaline and acidic environments. The fourth chapter is devoted to the development of recipe and technological parameters for the production of celzian-willemite ceramics. Based on the results of theoretical studies, the choice of the basic oxide composition was substantiated, and charge compositions of ceramic masses were developed using alternative alumina-containing materials (metallurgical alumina G-00, micronized alumina ST3000 SDP, and aluminum hydroxide GD00). The possibility of a one-step synthesis of the target phases at a temperature of 1150 °C was proved and the effect of alternative alumina-containing raw materials on the phase composition and properties of the synthesis products was determined. The effect of additives of phase formation intensifiers (2 wt% Li2O and 1 wt% eutectic composition Li2O – SnO2) on the properties and structural and phase features of ceramic samples was also determined and conclusions were drawn regarding their use. To regulate the rheological properties of celzian-willemite ceramics, the effect of diluent and adhesive additives (Dolapix PC 67 and PVS 1788 products, respectively) was investigated. Using a planned experiment (PFE 22), the optimal amount of these substances in the composition of the complex additive was determined: 0.38 % Dolapix PC 67 and 0.7 % polyvinyl alcohol PVA 1788 above 100 % on a dry basis. The use of such an additive makes it possible to obtain a grinding agent with a moisture content of 30 % with high fluidity (τ1 = 9 –11 s), mass gain rate (6 – 7 g/min) and at the same time increase the strength of the casting to 6 – 6.5 MPa. The fifth chapter provides recommendations for the use of the developed celzan-willemite formulations and technological solutions in the manufacture of nose fairings. A technological scheme of production is proposed, which involves a one-stage synthesis of the target ceramic compounds with a two-hour exposure at a temperature of 1150 °C, the formation of products by casting slickers into gypsum molds, and firing of finished products at a temperature of 1200 °C. As a result of the research, the following scientific results were obtained: –New data on the sub-solidus structure of the BaO – ZnO – AL₂O₃ – SiO₂ system were obtained: elementary volumes, degrees of asymmetry and interconnection of tetrahedra included in the system regions containing celzian, willemite and ganite phases; temperatures and compositions of eutectics of elementary tetrahedra were calculated and model compositions promising for designing the compositions of celzian-willemite ceramics were determined; based on the results of the predictive assessment of the phase composition of the synthesis products of model compositions and the analysis of the dynamics of melt accumulation in the temperature range of 1100 – 1350 °C, the conditions for low-temperature synthesis of the target phases were determined; –Based on the results of thermodynamic analysis of the reactions of the target and accompanying phases with aggressive chemical reagents, the conditions for obtaining radiopaque ceramics with high resistance to aggressive environments were determined. The influence of different alumina-containing materials on the properties and phase composition of celzian-willemite ceramics was determined and the expediency of using cheaper metallurgical alumina of G-00 grade was shown; the effectiveness of the additive 1 wt. % Li2O to intensify the process of formation of celzian and willemite in a low-temperature one-step synthesis and a positive effect on the performance properties of the resulting ceramic materials was determined: dielectric properties (ε = 2.41 – 2.85, tgδ = 0.0024 – 0.0075), heat resistance 225 – 250 °С, bending strength 83 – 152 MPa; –The technological parameters of slag casting and the composition of a complex additive were determined, which improves slag flowability by 52%, improves filtration properties by 53%, and increases the strength of castings by 1.10 times; –The possibility of using the developed material for the manufacture of protection elements for electronic equipment operating in the frequency range of 26 - 37.5 GHz and improving their performance properties was established. The results of the research conducted within the framework of the dissertation were presented at international scientific conferences and published in well-known professional journals in Ukraine and abroad. The results of the dissertation have been implemented in the educational process of the Department of Technology of Ceramics, Refractories, Glass and Enamels of the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” in the preparation of masters. This indicates the significant scientific and practical value of the results obtained and their active use in the relevant fields of research and education.
Великоформатні керамогранітні плити з підвищеною міцністю
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Картишев, Сергій Вікторович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія». – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024. Об’єкт дослідження – технологія великоформатних керамогранітних плит; принципи отримання і процеси формування антибактеріальних покриттів. Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності формування керамограніту композитного типу з високою міцністю на основі альтернативних плавнів; рецептурно-технологічних параметрів отримання нефритованих знепрозорених полив для отримання антибактеріальних покриттів для керамогранітних плит. Метою дисертаційної роботи є розробка рецептурно-технологічних параметрів отримання високоміцних великоформатних керамогранітних плит з антибактеріальним покриттям. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та показано зв'язок роботи з науковими темами та напрямками досліджень кафедри; сформульована мета та задачі дослідження; надано характеристику методів, які використовуються для їх розв’язання; відзначається наукова новизна роботи та її практичне значення; наводиться інформація про наукові результати, їх практичну цінність для будівельної індустрії. Також окреслений особистий внесок здобувача у проведені дослідження і надається інформація про апробацію результатів та публікацію основних матеріалів дисертації. В першому розділі визначені сучасні тренди споживання, окреслені перспективні області використання великоформатних керамогранітних плит Висвітлено особливості технології і останні тенденції у виробництві керамограніту в контексті енергозбереження та використання альтернативної природної сировини. Визначено основні фазові складові керамограніту та їх вплив на механічні властивості виробів. Надано характеристику способів поліпшення фізико-механічних властивостей керамограніту та обґрунтовано вибір напрямку створення керамограніту композитного типу, зміцненого за рахунок армучої дії наповнювачів. Також показано перспективність надання антибактеріальних властивостей поверхні керамогранітних плит та розглянуто теоретичні основи створення антибактеріальних покриттів. За результатами аналізу сучасних розробок проаналізовано технологічні рішення в області рецептур для виготовлення керамогранітних плит та способах боротьбі з біозабрудненнями їх поверхні. Враховуючи необхідність розширення областей використання великоформатного керамограніту, увага приділялась дослідженням, які зосереджені на підвищення міцності великоформатного керамограніту, аналізу переваг та недоліків різних способів досягнення антибактеріального ефекту. Виокремлено невирішені аспекти, які вимагають подальших досліджень, сформульовано напрями та визначено задачі досліджень, спрямованих на створення рецептурно-технологічних параметрів отримання великоформатних керамогранітуних плит з антибактеріальним покриттям. У другому розділі подано інформацію про сировинні матеріали, методи виготовлення зразків для проведення досліджень. Надано характеристику методів теоретичних досліджень, а також методик і обладнання для реалізації експериментів. Теоретичні дослідження проведені з використанням сучасних методів відповідно положень фізичної хімії силікатів. Прогнозну оцінку флюсуючої здатності плавнів здейснені за результатами графо-аналітичних досліджень в системах породотвірних оксидів. Хімічний склад полив розроблено на основі прогнозного аналізу властивостей і структурно-чутливих параметрів, що визначають придатність оксидних композицій до утворення знепрозорених склокристалічних покриттів в умовах швидкісного випалу керамограніту. Характеристики спікання зразків керамограніту визначали за методиками згідно ISO10545-3:2018 та ДСТУ Б В.2.7-118-2016. Фізико-механічні властивості зразків визначали за методами, регламентованими ISO 10545-4, UNI EN 102. Вимірювання твердості керамічних матеріалів проводили за методом Віккерса згідно ISO 6507. Антибактеріальні властивості покриттів оцінювали за методикою, визначеною ISO 22196. Структурно-фазові особливості отриманих композиційних матеріалів та покриттів досліджували з використанням сучасних фізико-хімічних методів дослідження. Для визначення мінерального складу порід та фазового складу розроблених матеріалів і покриттів проводили якісний РФА зразків на дифрактометрі ДРОН-3М. Дослідження мікроструктури проводили на скануючому електронному мікроскопі JSM-6390LV. У третьому розділі на основі аналізу даних для вибірки промислових зразків керамогранітних плит визначено характерні ознаки хімічних складів мас для різних груп керамограніту, а також встановлено зв'язок між їх фазовим складом та експлуатаційними властивостями. На основі отриманих даних розроблено склад керамічної матриці для композиційного керамограніту. Здійснено прогнозну оцінку флюсуючої здатності порід Кіровоградського пегматитового поля та продуктів збагачення лужних каолінів Майдан-Вільського родовища. Визначені класифікаційні ознаки альтернативних плавнів, розраховані кількісні і якісні характеристики плавкості, які визначають придатність флюсуючої сировини для використання в керамічних технологіях, що передбачають швидкісний випал виробів. З використанням прогнозних розрахунків структурно-чутливих параметрів і технологічних властивостей полив, які обумовлюють комплекс високих експлуататційних та бактерицидних властивостей покриттів, визначено оксидні композиції, здатні до спрямованої кристалізації бактерицидних сполук (ZnO, SnO2, TiO2, Zn2SiO4,ZnAlO4) за температурно-часових умов випалу керамограніту. Четвертий розділ присвячений розробці рецептурно-технологічних параметрів отримання композиційного керамограніту з підвищеною міцністю. Визначено особливості мінерального складу альтернативних плавнів та умови їх практичного використання. На основі результатів теоретичних досліджень розроблено шихтові склади керамічної матриці. Обгрунтовано вибір мулліто-кремнеземних волокон як армуючого наповнювача та досліджено вплив тривалості подрібнення на дисперсність продуктів помелу волокон. Виготовлено зразки композиційного керамограніту та досліджено їх характеристики спікання і фізико-механічні властивості. З використанням планованого експерименту визначено раціональну кількість і дисперсність мулліто-кремнеземних волокон для забезпечення високої міцності і максимального ступеня спікання керамограніту. З використанням РФА і скануючої електронної мікроскопії визначено структурно-фазові особливості композиційного керамограніту. В п’ятому розділі наведені результати розробки нефритованих полив для отримання знепрозорених покриттів з антибактеріальними властивостями. Обгрунтовано використання сполук як бактерицидних агентів на основі аналізу їх впливу на життєздатність патогенних мікроорганізмів та токсичності для людей і тварин. Визначено склади полив, здатних до спрямованої кристалізації фаз касситериту, рутилу, віллеміту і ганіту, що відіграють роль бактерицидних компонентів, в умовах швидкісного випалу керамограніту за максимальних температур 1150–1200 °С. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За підсумками досліджень теоретично обгрунтовано і практично підтверджена можливість зміцнення великоформатних керамогранітних плит за рахунок армування керамічної матриці мулліто-кремнеземними волокнами, як армуючого наповнювача і прекурсора муллітової фази та визначено умови одержання антибактеріальних покриттів шляхом утворення фаз, що мають виражену біоцидну дію та поліпшують їх екплуатаційні властивості. Вперше: – узагальнено накопичений досвід виробництва керамогранітних плит, що дозволило розробити принципи проєктування складу мас на основі звязку фазового складу та властивостей для різних типів керамограніту; – доведена ефективність використання комбінацій альтернативних плавней на основі досліджень кількісних і якісних характеристик плавлення пегматитової сировини Кіровоградського родовища та продуктів збагачення майдан-вільських лужних каолінів; – показана доцільність використання мулліто-кремнеземних волокон як армуючого наповнювача керамічної матриці, та визначено оптимальну кількість та дисперсність добавки, що дозволяє підвищити міцність керамогранітних плит до 57,1 МПа МПа (на ~30 %); – обгрунтовано та реалізовано методологію розробки нефритованих полив для отримання знепрозорених покриттів шляхом спрямованої кристалізації цільових фаз (SnO2, TiO2, Zn2SiO4, ZnAlO4); доведено, що формування такого фазового складу забезпечує достатній ступінь знепрозорення покриттів (білизна 77–84 %) та комплекс високих експлуатаційних властивостей: мікротвердість (7500–7800 МПа), кислотостійкісті (99,6–99,9 %) і термостійкісті (10тз); – визначено оптимальні співвідношення фазотвірних оксидів (1:1) в комбінаціях (ZnO+SnO2) та (TіO2+SnO2), що забезпечило отримання склокристалічних покриттів, здатних пригнічувати ріст мікроорганізмів та поперджати утворення біоплівки на поверхні керамогранітних плит за рахунок формування в умовах швидкісного випалу фаз касситериту, ганіту і віллеміту та касситериту і рутилу відповдіно. В результаті тестування в лабораторії НДУ УКРНДІЕП встановлено, що розроблені склокристалічні покриття для керамогранітних плит мають виражені антибактеріальні властивості відносно протестованих бактеріальних культур та здатні попередити мікробне забруднення поверхні керамогранітних плит. Результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» при підготовці бакалаврів і магістрів. The object of research is the technology of large-format ceramic granite slabs; principles of production and ormationprocesses of antibacterial coatings. The subject of the study is the physico-chemical regularities of the composite type ceramic granite formation with high strength on the basis of alternative fluxing materials; recipe-technological parameters of non-fritted opacified glazes for obtaining antibacterial coatings for ceramic granite slabs. The aim of the thesis is the development of recipe and technological parameters for obtaining high-strength large-format stoneware slabs with the antibacterial coating. The introduction substantiates the relevance of the thesis topic and shows the connection of the work with the scientific topics and research directions and research areas of the department; formulated research purpose and objectives; the characteristics of the methods used for their solution are provided; the scientific novelty of the work and its practical significance are noted; information about scientific results and their practical value for the construction industry is given. The personal applicant contribution to the research is emphasised, as well as information on the testing results and publication of the research materials. In addition, information on the structure and scope of the thesis is indicated. Research on the fluxing ability of alternative floats was carried out using grapho-analytical calculations in systems of rock-forming oxides in accordance with the principles of physical chemistry of silicates. The development of oxide compositions was carried out on the basis of the principles of designing compositions of ceramic granite established as a result of the analysis of the influence of the chemical composition of the masses on the phase composition and properties of a sample of typical samples ceramic granite In the development of nephritized opacified coatings with antibacterial properties, we were guided by the basic principles of creating bactericidal materials and the physicochemical laws of directional crystallization to obtain glass-crystalline coatings. A wide range of methods were used to analyse the raw materials and determine the structural and phase characteristics of ceramic materials, including chemical, microbiological, XRD, optical and SEM analysis. To determine the opaque coatings compositions, a full factorial experiment design was used. The experimental data processing was carried out using mathematical statistics methods. The properties of the developed composite materials and coatings were determined using the equipment of the Department «Technologies of Ceramics, Refractories, Glass and Enamels» of National Technical University «KhPI», the equipment of PJSC UkrSRI named after A.S. Berezhnoy", as well as the Center for Scientific Equipment Collective Use «Materials Science of Refractory Compounds and Composites». In the first section the modern consumption trends are considered, the promising areas of use of large-format porcelain stoneware slabs are outlined. Technology features and the latest trends in the porcelain stoneware production in the context of energy saving and the alternative natural raw materials use are highlighted. The influence on the mechanical properties of porcelain stoneware of its main phase components are considered. The methods of mechanical properties improving of porcelain stoneware are described, and the direction choice of the composite porcelain stoneware creation strengthened by the fillers reinforcing action is justifiedIt also shows the prospect of providing antibacterial properties to the porcelain stoneware surface, which will allow expanding of its use areas. The theoretical foundations of the antibacterial coating screation and the mechanisms of the metal cations biocidal action was considered; the main criteria for the biocidal agents selection and the coatings srequirements was formulated. Based on the analysis of modern developments, technological solutions in the field of recipes for the porcelain stoneware slabs manufacture and of the combating biopollution methods of their surface are considered. Taking into account the need to expand the use areasof large-format porcelain stoneware, attention was paid to research that focuses on its strength increasing, and to analyzing the advantages and disadvantages of various antibacterial effect achieving ways. Unsolved aspects that require further research are highlighted, directions are formulated and research tasks aimed at creating of recipe-technological parameters for obtaining large-format stoneware with an antibacterial coating are defined. The second section provides information on raw materials, mass and irrigation methods, as well as the production of samples for laboratory research. A description of theoretical research methods, as well as methods and equipment for conducting experiments, is given. Theoretical studies were carried out using modern methods of physical-chemical analysis in accordance with the physical chemistry of silicates provisions. Predictive assessment of the fluxing altrrnative fluxes ability was carried out based on the grapho-analytical studies results in the systems of rock-forming oxides. The chemical composition development of the coatings was carried out on the basis of a properties and structurally sensitive parameters predictive analysis that determine the oxide compositions suitability for the opacified glass-crystalline coatings formation under the conditions of stoneware speed firing. The sintering characteristics of the obtained ceramics were determined according to the methods by ISO10545-3:2018 and DSTU B V.2.7-118-2016. Physical-mechanical properties of ceramic samples were determined according to the methods by ISO 10545-4, UNI EN 102. The ceramic materials hardness was measured according to the Vickers method by ISO 6507 on a PMT-3 microhardness tester. The coatings antibacterial properties were evaluated according to the methodology defined by ISO 22196. The structural and phase features of the obtained composite materials and coatings were investigated using modern physicochemical research methods. To determine the mineral composition of the rocks and the developed materials and coatings phase composition the qualitative X-ray phase analysis was performed on a diffractometer DRON-3M. The samles microstructure was studied using a JSM-6390LV scanning electron microscope. In the third section, on the basis of data analysis for a sample of industrial samples of stoneware slads , the characteristic features of the chemical composition of masses for different groups of stoneware are determined, and the relationship between their phase composition and operational properties is established. Based on the obtained data, the composition of the ceramic matrix for composite stoneware was developed. A predictive assessment of the rocks fluxing ability of the Kirovohrad pegmatite field and the alkaline kaolin senrichment products of the Maidan-Vilsky deposit was also carried out. The classification features of alternative fluxing materials are defined, the quantitative and qualitative melting characteristics are calculated, which determine the quartz-feldspar raw materials use suitability in ceramic technologies that require speed firing of products. With the use of predictive calculations of structurally sensitive parameters and technological properties the oxide compositions were selected, which able to directed crystallization of bacteriside compounds (ZnO, SnO2, TiO2) and to provide a complex of high operational and bactericidal properties of coatings for large-format stoneware slabs The fourth chapter is devoted to the recipe and technological parameters development for obtaining composite porcelain stoneware with increased strength. The peculiarities of the alternative fluxes mineral composition have been studied and the conditions of their practical use have been determined. Based on the obtained data, the ceramic matrix composition were developed. The hypothesis regarding the reinforcement of the ceramic matrix with non-metallic fibers to improve the mechanical properties of ceramic granite slabs has been confirmed. The choice of mulito-silica fibers as a reinforcing filler is justified, and the influence of the duration of grinding on the dispersion of fiber grinding products is investigated. Samples of composite ceramic granite were produced and their sintering characteristics and physical and mechanical properties were investigated. The choice of mullte-silica fibers as a reinforcing filler is justified, and the influence of the duration of grinding on the dispersion of fiber grinding products is investigated. Samples of composite porcelain stoneware were produced, their sintering characteristics and physicomechanical properties were investigated. Using the planned experiment to ensure high strength and the stoneware maximum sintering degree the rational amount and dispersion of mullite-silica fibers was determined . With the use of XRD and SEM analysis the structural and phase features of the porсelain stoneware were determined. In the fifth section, the results of the development of nephrite coatings for obtaining opaque coatings with antibacterial properties are given. The use of ZnO, TiO2, SnO2 oxides as bactericidal agents is substantiated based on the analysis of the impact on the viability of pathogenic microorganisms and toxicity for humans and animals. According to the results of the planned experiment the glazes composition capable of phases containing bactericidal components directional crystallization (cassiterite, rutile, zincite, willemite, and gahnite) was determined under conditions of speed firing in the temperature range of 1150-1200 °C. In the conclusions the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are presented. The following scientific results were obtained: The possibility of increasing the strength of large-format stoneware slabs due to the strengthening of the ceramic matrix with mullite-silica fibers, which perform the role of a reinforcing filler and a mullite phase precursor, has been theoretically substantiated and practically confirmed. For the first time: – generalized accumulated experience in the production of stoneware slabs, which made it possible to develop the principles of designing the masses composition based on the interconnection between phase composition and properties for different types of porceline stoneware; – the proven using efficiency of of alternative fluxes combinations based on research of the quantitative and qualitative melting characteristics of pegmatite raw materials of the Kirovohrad deposit and enrichment products of Maidan-Vilsk alkaline kaolins; – the mullite-silica fibers using expediency as a reinforcing filler of the ceramic matrix is shown, and the optimal additive amount and dispersion is determined, which allows to increase the strength of stoneware slabs to 57.1 MPa (by ⁓30%); – the development methodology of non-fritte glazes for obtaining opaque coatings by directed crystallization of the target phases (rutile, cassiterite, zincite, willemite, ganite) was substantiated and implemented. Іt has been proven that the formation of such phase composition ensures a sufficient degree of coatings opacification (KDR 77–84 %) and a complex of high operational properties: microhardness (7500–7800 MPa), acid resistance (99.6–99.9 %) and heat resistance (>10 cycles); – the optimal ratio of phase-forming oxides (1:1) in the combinations (ZnO+SnO2) and (TiO2+SnO2) was determined, which ensured the production of glass-crystalline coatings capable of inhibiting the microorganisms growth and biofilm formation preventing the on the ceramic granite slabs surface due to accordingly formation of cassiterite&ganite&willemite, and cassiterite&rutile in high-speed firing conditions. As a testing result in the laboratory of NSU UKRNDIEP, it was established that the developed glass-crystalline coatings have pronounced antibacterial properties relative to the tested bacterial cultures and are able to prevent microbial contamination of the porcelain tiles surface. The results of thesis research have been applied in the educational process of the Department "Technologies of Ceramics, Refractories, Glass and Enamels" of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" in the bachelors and masters training.
Композиційні радіопоглинаючі матеріали на основі ферримагнітних з’єднань
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Кривобок, Андрій Вікторович
Дисертаційна робота спрямована на розвиток наукових основ та ідей створення нових ферритових матеріалів та технологічних параметрів виготовлення функціональних радіопоглинаючих матеріалів на їх основі. Об’єкт дослідження – процеси синтезу нікель-цинкового ферриту з високою діелектричною проникністю та розробка складів і технологічний процес виготовлення композиційних радіопоглинаючих матеріалів на його основі. Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності формування фазового складу і структури Ni-Zn ферритів та композиційних матеріалів на їх основі. Мета роботи: розробка складів нікель-цинкового ферриту з високою діелектричною проникністю та композиційних радіопоглинаючих матеріалів на його основі з ефективним поглинанням в діапазоні 10-100 МГц. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дослідження та їх висвітлення у публікаціях. Приводяться відомості щодо структури та обсягу дисертаційної роботи. В першому розділі розглянуто основні джерела електромагнітного випромінювання, зокрема, негативного побутового електромагнітного випромінювання їх потужність та частотний діапазон. Досліджено класифікацію радіопоглинаючих матеріалів та встановлено характеристики існуючих радіопоглинаючих матеріалів та проаналізовані їх спеціальні властивості у взаємозв’язку зі структурою та фазовим складом. Приведено переваги та недоліки сучасного стану виробництва радіопоглинаючих матеріалів в Україні та за кордоном. Встановлено, що феррити характеризуються унікальними магнітними та діелектричними характеристики що здатні забезпечити високий рівень радіопоглинання. Це відбувається за рахунок за малих діелектричних втрат між природним ферромагнітним резонансом і резонансом доменних границь, що спостерігається при 500 МГц. З цього слідує, що головним завданням технології є забезпечення зниження частоти резонансу доменних границь у ферритах в діапазон частот, менший за 100 МГц. Проведено порівняльний аналіз властивостей ферритів з точки зору їх використання для виготовлення композиційних радіопоглинаючих матеріалів. Проаналізовано різні технології синтезу ферритів та їх вплив на електродинамічні характеристики. Встановлено, що найбільш складним і багатоступеневим є процес спільного осадження солей або гідроксидів з подальшим розкладанням їх до оксидів. Більш простим є процес термічного розкладання солей відповідних металів до оксидів. Найпростішим способом є приготування шихти шляхом змішування і розмелювання готових порошкоподібних оксидів. До переваг методу приготування шихти з суміші порошкоподібних оксидів належать: можливість дотримання точно заданого складу, відсутність відходів, відсутність шкідливих виділень, що забруднюють атмосферу, простота технологічної схеми виробництва. Обрано сполуки з ряду твердих розчинів ферритів нікелю та цинку (NiFe2O4 та ZnFe2O4) та приведено ряд факторів, що впливають на радіопоглинаючі властивості ферритів. Встановлено, що сучасні дослідження у напрямі підвищення якості радіопоглинаючих ферритів проводяться за двома напрямками, це підвищення питомого опору ферритів та збільшення вкладу бар’єрної ємності у ферритах. Визначено напрями та сформульовано завдання досліджень, спрямованих на створення технології виготовлення нікель-цинкового ферриту з високою діелектричною проникністю (понад 1800 при 10-100 МГц), придатної для виготовлення композиційних радіопоглинаючих матеріалів різного призначення. В другому розділі наведені відомості щодо сировинних матеріалів, методів виготовлення лабораторних зразків, а також надана характеристика методів та обладнанню для теоретичних і експериментальних досліджень, проведених в дисертаційній роботі. Теоретичні дослідження проводили з використанням сучасних методів аналізу згідно положень фізичної хімії і термодинаміки оксидних композицій. Розробку складів композиційних матеріалів на основі ферритів здійснювали із використанням повнофакторного експерименту. Діелектричні властивості отриманих матеріалів визначали згідно галузевих норм із залученням приладів: тераомметру E6-13A та RLC-вимірювача імітансу Е7-8. Вимірювання електродинамічних характеристик (відношення потужності, що пройшла, до падаючої потужності та відношення відбитої потужності до падаючою) проводилися на двопозиційній установці квазіоптичного типу. Вимірювання коефіцієнтів проводилося на частотах від 10 до 100 МГц (з кроком 10 МГц). Процеси формування ферритів досліджували з використанням рентгено-фазового аналізу (ДРОН-3, SHIMADZU XRD-6000) та растрової електронної мікроскопії (РЕМ) на скануючому електронному мікроскопі (JSM-6390LV). В третьому розділі теоретично обґрунтовано та проведено тріангуляцію системи NiO – ZnO – Fe2O3, побудовано її топографічний граф. Розраховані відсутні геометро-топологічні характеристики елементарних трикутників, склади та температури евтектик та обґрунтовано області для синтезу ферритів. В четвертому розділі розроблено склади Ni-Zn ферритів, що дозволяють розширити частотний діапазон ефективного поглинання електромагнітного випромінювання, за рахунок зміни базового складу (Ni0,3Zn0,7Fe2O4) введенням легуючих та модифікуючих добавок. Розробки дозволили збільшити до 1260 величину діелектричної проникності та на 20-25 % магнітну проникність досліджуваного ферриту, що дозволило розширити діапазон поглинання електромагнітного випромінювання у бік низьких частот 10-50 МГц. Отримані результати, що дозволяють розробити ферритові матеріали з поєднанням високих значень магнітної та діелектричної проникності, що забезпечує зміщення частотного інтервалу поглинання випромінювання в низькі частоти. Зростання діелектричної проникності ферритів, що спостерігається при збільшенні їх магнітної проникності можна пояснити формуванням крупнозернистої структури зі зростанням температури спікання В п’ятому розділі проведені дослідження зі створення композиційних радіопоглинаючих матеріалів на основі розробленого нікель-цинкового ферриту. Створено композиційну кераміку на основі славсоніту. Створено композиційну кераміку для личкування стін в приміщеннях. Розроблено полімерну композицію PCF30 для виготовлення гнучких та облегшених елементів засобів маскування. Розроблені композиційні радіопоглинаючі матеріали відповідають комплексу характеристик необхідних для застосування за основним функціональним призначенням. В шостому розділі приведені дослідження електродинамічних характеристик розроблених композиційних радіопоглинаючих матеріалів та рекомендовано їх використання в частотному діапазоні 10-100 МГц і, зокрема, в діапазоні 10-20 МГц. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові результати: - вперше проведено тріангуляцію системі NiO – ZnO – Fe2O3 за допомогою отриманого рівняння теплоємності для NiFe2O4 та ZnFe2O4, визначено співіснуючі фази та евтектики між ферритами та в трикутнику між ферритами та оксидом заліза (ІІІ), що дало можливість встановити область перспективних складів нікель-цинкових ферритів та обрати базовий склад Ni0,3Zn0,7Fe2O4; - вперше встановлено оптимальну частоту обертання планетарного млина (400 об./хв, 85-90 % потужності) для подрібнення вихідних ферритоутворюючих оксидів і ферритового порошку та кількість поверхнево-активної речовини для утворення подвійного електричного шару, що підвищило густину та збільшило магнітну й діелектричну проникності нікель-цинкових ферритів. - вперше, експериментально підтверджено, що незначне збільшення вмісту оксиду заліза (0,2-0,4 мас. %) у складі нікель-цинкового ферриту Ni0,3Zn0,7Fe2O4 понад стехіометрію виконує роль модифікатора та приводить до збільшення діелектричної проникності в 3 рази. Що також пов’язано з формуванням бар’єрного механізму ємності Окадзакі на основі структури з напівпровідникових зерен, оточених діелектричними прошарками, що відбувається на етапі синтезу; - вперше встановлено вміст легуючих добавок – оксидів кальцію та титану, що на 50-70 % підвищують діелектричну проникність досліджених ферритів. Цей механізм забезпечується формуванням зернограничного шару, що характеризується високою діелектричною проникністю та високим електроопором (механізм ємності Окадзакі); - вперше за результатами комплексних розрахункових і експериментальних досліджень розроблено технології виробництва композиційні радіопоглинаючі матеріали на основі створеного нікель-цинкового ферриту. Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано базовий склад, легуючі добавки та режими спікання для отримання нікель-цинкового ферриту з високою діелектричною проникністю, що забезпечують збільшення поглинання випромінювання в інтервалі частот від 10 МГц до 100 МГц. Показано, що малі добавки оксиду заліза (понад стехіометрію) у складі нікель-цинкового ферриту підвищує їх питомий електроопір до 105 – 106 Ом·м, забезпечуючи високий рівень поглинання випромінювання у досліджуваному частотному інтервалі. Створено композиційні керамічні матеріали на основі славсонітової матриці, що характеризуються підвищеною міцністю та термостійкістю. Встановлено зниження дії електромагнітного випромінювання у діапазоні частот 10-100 МГц в середньому на 8,5 дБ порівняно. Створено композиційні керамічні матеріали на основі керамічних мас для виготовлення личкувальної плитки зі збереженням естетичних характеристик, що забезпечує зниження напруженості електромагнітного поля у діапазоні частот 10-100 МГц в середньому на 7,0 дБ, що є достатнім для нівелювання побутового небажаного електромагнітного випромінювання і забезпечує ефективний захист біологічних і технічних об’єктів. Встановлено можливість використання розробленого нікель-цинкового ферриту в якості радіопоглинаючого наповнювача полімерних композиціях, що мають високу актуальність з точки зору розробки маскувальних матеріалів (середній рівень зниження потужності електромагнітного випромінювання складає 9,0 дБ). Результати досліджень впроваджені в навчальний процес кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». The dissertation work is aimed at the development of scientific foundations and ideas for the creation of new ferrite materials and technological parameters for the production of functional radio-absorbing materials based on them. The object of the research is the synthesis processes of nickel-zinc ferrite with high dielectric constant and the development of compositions and the technological process of manufacturing composite radio-absorbing materials based on it. The subject of the study is the physical and chemical regularities of the formation of the phase composition and structure of Ni-Zn ferrites and composite materials based on them. The purpose of the work: development of compositions of nickel-zinc ferrite with high dielectric constant and composite radio-absorbing materials based on it with effective absorption in the range of 10-100 MHz. In the introduction, substantiates the relevance of the topic of the dissertation, indicates the connection of the work with scientific topics, formulates the purpose and tasks of the research, defines the object, subject and methods of the research, shows the scientific novelty and practical significance of the results obtained, provides information about practical use, personal contribution the acquirer, approbation of research results and their coverage in publications. Information on the structure and scope of the dissertation work is given. In the e first chapter examines the main sources of electromagnetic radiation, in particular, negative household electromagnetic radiation, their power and frequency range. The classification of radio-absorbing materials was studied and the characteristics of existing radio-absorbing materials were established and their special properties were analyzed in relation to the structure and phase composition. Advantages and disadvantages of the current state of production of radio-absorbing materials in Ukraine and abroad are given. It has been established that ferrites are characterized by unique magnetic and dielectric characteristics capable of providing a high level of radio absorption. This happens due to small dielectric losses between the natural ferromagnetic resonance and the resonance of the domain boundaries, which is observed at 500 MHz. It follows that the main task of the technology is to reduce the resonance frequency of domain boundaries in ferrites to a frequency range lower than 100 MHz. A comparative analysis of the properties of ferrites from the point of view of their use for the manufacture of composite radio-absorbing materials was carried out. Different ferrite synthesis technologies and their influence on electrodynamic characteristics are analyzed. It was established that the most complex and multi-stage process is the co-precipitation of salts or hydroxides with their further decomposition into oxides. The process of thermal decomposition of salts of the corresponding metals to oxides is simpler. The easiest way is to prepare the charge by mixing and grinding ready-made powdered oxides. The advantages of the method of preparing a charge from a mixture of powdery oxides include: the ability to comply with a precisely specified composition, the absence of waste, the absence of harmful secretions that pollute the atmosphere, and the simplicity of the production process. Compounds are selected from a number of solid solutions of nickel and zinc ferrites (NiFe2O4 and ZnFe2O4) and a number of factors affecting the radio-absorbing properties of ferrites are given. It has been established that modern research in the direction of improving the quality of radio-absorbing ferrites is carried out in two directions, i.e. increasing the specific resistance of ferrites and increasing the contribution of the barrier capacity in ferrites. The directions and tasks of research aimed at creating a technology for manufacturing nickel-zinc ferrite with high dielectric constant (over 1800 at 10-100 MHz), suitable for the manufacture of composite radio-absorbing materials for various purposes, have been determined. In the second chapter provides information on raw materials, methods of manufacturing laboratory samples, and describes the methods and equipment for theoretical and experimental studies conducted in this thesis. Theoretical studies were carried out using modern methods of analysis in accordance with the provisions of physical chemistry and thermodynamics of oxide compositions. The development of compositions of composite materials based on ferrites was carried out using a full-factor experiment. The dielectric properties of the obtained materials were determined in accordance with industry standards using the following devices: a teraohmmeter E6-13A and an RLC imitance meter E7-8. Measurements of the electrodynamic characteristics (ratio of transmitted power to incident power and ratio of reflected power to incident power) were performed on a two-position quasi-optical setup. The coefficients were measured at frequencies from 10 to 100 MHz (with a step of 10 MHz). The processes of ferrite formation were studied using X-ray phase analysis (DRON-3, SHIMADZU XRD-6000) and scanning electron microscopy (SEM) on a scanning electron microscope (JSM-6390LV). In the third section, the triangulation of the NiO – ZnO – Fe2O3 system was theoretically substantiated and carried out, and its topographic graph was constructed. The missing geometric and topological characteristics of elementary triangles, compositions and temperatures of eutectics were calculated, and the areas for the synthesis of ferrites were substantiated. In the fourth chapter, the compositions of Ni-Zn ferrites are developed, which allow to expand the frequency range of effective absorption of electromagnetic radiation, due to the change of the basic composition (Ni0.3Zn0.7Fe2O4) by the introduction of alloying and modifying additives. The developments made it possible to increase the value of the dielectric constant to 1260 and the magnetic permeability of the studied ferrite to 20-25%, which made it possible to expand the range of absorption of electromagnetic radiation towards low frequencies of 10-50 MHz. The obtained results make it possible to develop ferrite materials with a combination of high values of magnetic and dielectric permeability, which ensures a shift in the frequency range of radiation absorption to low frequencies. The increase in the dielectric constant of ferrites, which is observed with an increase in their magnetic permeability, can be explained by the formation of a coarse-grained structure with an increase in the sintering temperature In the fifth chapter, research was conducted on the creation of composite radio-absorbing materials based on the developed nickel-zinc ferrite. Composite ceramics based on slavsonite have been created. Composite ceramics have been created for interior wall cladding. A polymer composition PCF30 has been developed for the production of flexible and lightweight elements of camouflage means. The developed composite radio-absorbing materials correspond to the set of characteristics necessary for use in the main functional purpose. In the sixth chapter, a study of the electrodynamic characteristics of the developed composite radio-absorbing materials is given on the basis and their use in the frequency range of 10-100 MHz and, in particular, in the range of 10-20 MHz is recommended. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. According to the results of the study, the following scientific results were obtained: - for the first time, the triangulation of the NiO – ZnO – Fe2O3 system was carried out using the obtained heat capacity equation for NiFe2O4 and ZnFe2O4, the coexisting phases and eutectics between ferrite and in the triangle between ferrite and iron (III) oxide were determined, which made it possible to establish the area of promising compositions of nickel-zinc ferrite and to select the basic composition of Ni0.3Zn0.7Fe2O4; - for the first time, the optimal rotation frequency of the planetary mill (400 rpm, 85-90 % of power) for grinding the initial ferrite-forming oxides and ferrite powder and the amount of surfactant for the formation of a double electric layer were determined, which increased the density and increased the magnetic and dielectric constant of nickel-zinc ferrites; - for the first time, it has been experimentally confirmed that a slight increase in the content of iron oxide (0.2-0.4 wt%) in the composition of nickel-zinc ferrite Ni0.3Zn0.7Fe2O4 above the stoichiometry acts as a modifier and leads to a 3-fold increase in dielectric constant. This is also due to the formation of the barrier mechanism of the Okazaki capacitance based on the structure of semiconductor grains surrounded by dielectric layers, which occurs at the synthesis stage; - for the first time, the content of alloying additives - calcium and titanium oxides - was determined, which increase the dielectric constant of the studied ferrites by 50-70 %. This mechanism is ensured by the formation of a grain boundary layer characterized by high dielectric constant and high electrical resistance (Okazaki capacitance mechanism); - for the first time, based on the results of comprehensive computational and experimental studies, technologies for the production of composite radio-absorbing materials based on the created nickel-zinc ferrite were developed. The practical significance of the obtained results is as follows: the basic composition, alloying additives, and sintering modes for obtaining nickel-zinc ferrite with high dielectric constant, which provide an increase in radiation absorption in the frequency range from 10 MHz to 100 MHz, are proposed. It is shown that small additions of iron oxide (above stoichiometry) in the composition of nickel-zinc ferrite increase their specific electrical resistance to 105-106 Ohm·m, ensuring a high level of radiation absorption in the studied frequency range. Composite ceramic materials based on slavsonite matrix, characterized by increased strength and heat resistance, have been created. A decrease in the effect of electromagnetic radiation in the frequency range of 10-100 MHz was established by an average of 8.5 dB compared. Composite ceramic materials have been created based on ceramic masses for the production of facing tiles while maintaining aesthetic characteristics, which provides a reduction in the intensity of the electromagnetic field in the frequency range of 10-100 MHz by an average of 7.0 dB, which is sufficient for leveling household unwanted electromagnetic radiation and provides effective protection of biological and technical objects. The possibility of using the developed nickel-zinc ferrite as a radio-absorbing filler in polymer compositions, which are highly relevant from the point of view of the development of masking materials, has been established (the average level of electromagnetic radiation power reduction is 9.0 dB). The results of the research have been implemented in the educational process of the Department of Ceramics, Refractories, Glass and Enamels Technology of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute».
Підвищення якості електричної енергії в мережі з сонячними електростанціями в режимі зниження генерованої потужності
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Шелест, Дмитро Андрійович
Дисертаційна робота присвячена розробці методів та засобів для покращення показників якості електричної енергії генерованої сонячними електростанціями до трифазних електричних мереж, а саме дозволяє знизити долю емісії вищих гармонік струмів та реактивної потужності. Метою дисертаційної роботи є підвищення показників якості електричної енергії генерованої сонячною електростанцією до трифазних електричних мереж в режимі зниження генерованої потужності. Об'єкт дослідження – процес передачі електричної енергії до трифазних електричних мереж сонячними електростанціями в режимі зниженої генерованої потужності. Предмет дослідження – параметри якості електричної енергії в мережах з сонячними електростанціями в режимі зниженої генерованої потужності. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі виконано аналіз енергетичних параметрів сонячних електростанцій: залежностей генерованої потужності сонячних панелей від сонячної радіації та температури, аналіз характеристик деградації сонячних панелей, проведено огляд конфігурацій сонячних панелей в складі сонячних електростанцій та напівпровідникових перетворювачів силових схем напівпровідникових перетворювачів, що забезпечують процеси відбору максимальної потужності сонячних панелей та передачу потужності до трифазних електричних мереж. Проведено аналіз вимог вітчизняних та міжнародних стандартів щодо вимог параметрів якості електричної енергії та вимоги до емісії вищих гармонік струмів, генерованих сонячними електростанціями до трифазних електричних мереж. Представлено проблему зниження якості електроенергії, генерованою сонячними електростанціями при зниженні рівня генерованої потужності. Поставлено завдання до наступних розділів. У другому розділі запропоновано структури сонячних електростанцій, що забезпечують передачу потужності від блоків сонячних панелей до трифазних електричних мереж на базі інвертора напруги та інвертора струму. Досліджено роботу узгоджуючих DC/DC перетворювачів, що забезпечують режим відбору максимальної потужності. Синтезовано математичну модель ВАХ сонячних панелей та систему відбору максимальної потужності, що реалізується DC/DC перетворювачем. Запропоновано системи прямого та непрямого визначення точки максимальної потужності, що може бути відібрана перетворювачами від сонячних панелей. Запропоновано компенсаційний алгоритм керування узгоджуючими перетворювачами сонячної електростанцій, що забезпечує зниження пульсацій напруги ланок постійного струму сонячної електростанції, яка є живлячою напругою мережевого інвертора, чим досягається покращення якості електроенергії генерованої до трифазних електричних мереж. У третьому розділі виконано дослідження особливостей роботи мережевих інверторів сонячної електростанції, що забезпечують передачу електричної енергії в трифазні електричні мережі в режимі зниження генерованої потужності. Запропоновано систему керування мережевим інвертором струму фотоелектричної електростанції (ФЕС), що забезпечує передачу електроенергії з коефіцієнтом потужності близьким до одиниці та формою струмів близьких до синусоїдальних. Визначені аналітичні залежності, що визначають залежності параметрів якості генерованої електричної енергії від генерованої потужності. Запропоновано методи підвищення параметрів якості електроенергії в режимі зниження генерованої потужності. У четвертому розділі виконано розробку комп’ютерної імітаційної моделі, що описує енергетичні процеси в сонячній електростанції з узгоджуючим перетворювачем та мережевим інвертором. Проведено дослідження параметрів якості електричної енергії, що генерується сонячними електростанціями до трифазної електричної мережі. Визначена аналітична умова реалізації коефіцієнту потужності близького до одиниці в режимі зниження рівня генерованої потужності. Отримані результати комп'ютерного моделювання процесу передачі електроенергії від сонячної електростанції на базі трифазного інвертора струму та інвертора напруги з ШІМ до трифазної електричної мережі підтвердили реалізацію високих показників якості електроенергії, генерованої до трифазної електричної мережі, в режимі зниження генерованої потужності. В п’ятому розділі виконано дослідження мережевого інвертора ФЕС , що працює в режимі автономного живлення. Визначено вимоги, що пред’являються до параметрів напруги генерованої сонячної електростанції та проведено аналіз схемних рішень інверторів, що задовольняють вказані вимоги. Визначено, що при реалізації в ФЕС автономного живлення дворівневого інвертора напруги та застосування LC фільтра можливим є виникнення значення пускового струму, зумовленого зарядом конденсатора фільтра, що може спричинити вихід з ладу силових транзисторів мережі. Розроблена методики розрахунку LC фільтра, яка дозволяє визначити параметрів фільтра за критеріями обмеження пускового струму та забезпечення потрібної якості вихідної напруги. Для підтвердження розробленої методики виконано комп’ютерне моделювання та проведені фізичні досліді. У висновках наведено основні результати роботи щодо вирішення поставлених задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Отримано подальшого розвитку метод непрямого визначення точки максимальної потужності сонячних панелей, який відрізняється від відомих визначенням максимальної вихідної напруги узгоджувальних перетворювачів при фіксованому значенні вихідного струму, що дає можливість спростити системи керування фотоенергетичної системи, апаратну реалізацію системи керування узгоджуючими перетворювачами та знижує її вартість. 2. Вперше запропоновано метод компенсаційного керування узгоджуючими перетворювачами сонячних електростанцій, що реалізує взаємну синхронізацію каналів керування окремих узгоджуючих перетворювачів в системі відбору потужності та на відміну від відомих забезпечує взаємну компенсацію пульсацій напруги в ланці постійного струму сонячної електростанції від окремих узгоджуючих перетворювачів, що дозволяє досягти зниження пульсацій напруги в ланці постійного струму, чим досягається подальше покращення якості електроенергії генерованої до трифазної електричної мережі. 3. Вперше запропоновано метод частотно-адаптивного керування мережевим інвертором напруги сонячної електростанція, який на відміну від відомих дозволяє забезпечити покращенні показники якості електричної енергії генерованої до трифазної електричної мережі в режимі зниження генерованої потужності. 4. Подальший розвиток отримав метод управління трифазним інвертором струму з синусоїдальної ШІМ, який відрізняється від існуючих у корекції завдання фазних струмів мережі, що дозволяє знизити пульсації потужності у ланці постійного струму інвертора, при роботі ФЕС на потужності у ланці постійного струму інвертора , при роботі ФЕС на несиметричну трифазну мережу, на 50 % та коефіцієнт нелінійних спотворень мережних струмів на 60 % на відміну від систем управління, не враховують несиметрію мережевих напруг. 5. Вперше розроблено метод визначення параметрів LC фільтра інвертора напруги ФЕС, що працює в режимі автономного джерела живлення, який на відміну від існуючих дозволяє визначити параметри фільтра, з урахуванням частоти ШІМ модуляції інвертора, допустимого струму ключів інвертора та вимог параметрів якості вихідної напруги з коефіцієнтом гармонійних спотворень менше 5%. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено експериментами на обладнанні конструкторського бюро ТОВ «АКУТЕК». Експериментальні результати показали високу ефективність розроблених методів та інструментів для покращення показників якості електроенергії генерованої мережевими інверторами напруги, що впливають на додаткові втрати в електричних мережах від вищих гармонік струмів. Використання розроблених методів дозволило значно підвищити показники якості електроенергії, генерованої в мережі та знизити пускові струми перетворювача. Практичне значення отриманих результатів для електроенергетичної галузі полягає в наступному: – розроблено методику розрахунку основних параметрів послідовної фотоенергетичної системи, що забезпечує передачу електричної енергії до трифазної електричної мережі; – запропоновано методику компенсації пульсацій напруги у ланці постійного струму сонячної електростанції, що забезпечує покращення показників якості електричної енергії генерованої до трифазної електричної мережі; – запропоновано методику керування мережевим інвертором напруги ФЕС, що забезпечує підвищення показників якості електричної енергії в режимі зниженої генерованої потужності; – розроблені імітаційні комп’ютерні моделі сонячних електростанцій, що дозволяють проводити дослідження показників якості електричної енергії, проводити визначення втрат потужності в силових перетворювачах сонячних електростанціях, досліджувати та проводити аналіз роботи регуляторів та інші дослідження; – розроблено методику визначення параметрів LC фільтра інвертора напруги ФЕС, що працює в режимі автономного джерела живлення, яка дозволяє визначити параметри фільтра, з урахуванням частоти ШІМ модуляції інвертора, допустимого струму ключів інвертора та вимог параметрів якості вихідної напруги з коефіцієнтом гармонійних спотворень менше 5%. Результати дисертаційної роботи використані на ТОВ «АКУТЕК» при розробці мережевих інверторів напруги та перетворювачів частоти з покращеними показниками якості вихідної напруги (акт про впровадження від 15.04.2024 р.) та в навчальному процесі на кафедрі «Передача електричної енергії» Національного технічного університету «ХПІ» (акт про впровадження 11.09.2023 р.). The dissertation is devoted to the development of methods and means for improving the quality indicators of electrical energy generated by solar power plants for three-phase electrical networks, namely, it allows to reduce the rate of emission of higher harmonics of currents and reactive power. The aim of the dissertation is to increase the quality indicators of the electric energy generated by the solar power plant to three-phase electric networks in the mode of reducing the generated power. The object of research is the process of transferring electrical energy to threephase electrical networks by solar power plants in the mode of reduced generated power. The subject of the study is the parameters of the quality of electric energy in networks with solar power plants in the mode of reduced generated power. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines research tasks, shows the connection of work with scientific topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approval of results and publications. In the first chapter, an analysis of the energy parameters of solar power plants is performed: the dependence of the generated power of solar panels on solar radiation, temperature and degradation characteristics of solar panels, an overview of the configurations of solar panels as part of solar power plants and semiconductor converters of power circuits of semiconductor converters that provide the processes of selecting the maximum power of solar panels and power transmission to three-phase electrical networks. The analysis of the requirements of domestic and international standards regarding the requirements of the parameters of the quality of electric energy and the requirements for the emission of higher harmonics of currents generated by solar power plants to three-phase electric networks was carried out. The problem of reducing the quality of electricity generated by solar power plants when the level of generated power is reduced is presented. Tasks are set for the following sections.The second chapter presents the structures of solar power plants that provide power transmission from solar panel units to three-phase electrical networks based on a voltage inverter and a current inverter. The study of matching DC/DC converters providing the maximum power sampling mode is presented. A mathematical model of the I-V characteristics of solar panels and a maximum power selection system implemented by a DC/DC converter are presented. Systems of direct and indirect determination of the point of maximum power, which can be selected by converters from solar panels, are presented. A compensatory algorithm for controlling the matching converters of solar power plants is proposed, which ensures a reduction in the voltage ripples of the direct current lines of the solar power plant, which is the supply voltage of the grid inverter, which improves the quality of electricity generated for three-phase electrical networks. The third chapter presents the results of the study of the features of the network inverters of the solar power plant, which ensure the transmission of electrical energy in three-phase electrical networks. A control system for a grid inverter of a photovoltaic power plant (FES) is proposed, which ensures the transmission of electricity with a power factor close to unity and a shape of currents close to sinusoidal. Analytical dependences that determine the dependence of the quality parameters of the generated electrical energy on the generated power are determined. Methods of increasing the parameters of the quality of electricity in the mode of reducing the generated power are proposed. The fourth chapter presents the results of computer modeling of the process of electricity transmission from a solar power plant based on a three-phase current inverter and a PWM voltage inverter to a three-phase electrical network. The results of the study of the parameters of the quality of electric energy generated by solar power plants to the three-phase electric network are presented. The analytical condition for realizing a power factor close to unity in the reduced mode is determined In fifth chapter, a study of a grid-tied PV inverter operating in the autonomous power supply mode was performed. The requirements for the voltage parameters of the generated solar power plant are determined and the circuit solutions of inverters that meet these requirements are analysed. It is determined that when implementing a twolevel voltage inverter and using an LC filter in a PV power plant, it is possible to have a value of the inrush current caused by the charge of the filter capacitor, which can lead to the failure of the power transistors of the grid. A methodology has been developed for calculating the LC filter, which allows determining the filter parameters according to the criteria of limiting the inrush current and ensuring the required quality of the output voltage. To confirm the developed methodology, computer modelling and physical experiments were performed. The conclusions present the main results of the work on solving the research objectives. The following scientific results were obtained as a result of the study: 1. The method of indirect determination of the maximum power point of solar panels has been further developed, which differs from the known ones by determining the maximum output voltage of matching converters at a fixed value of the output current, which makes it possible to simplify the control systems of the photovoltaic system, the hardware implementation of the control system for matching converters and reduces its cost. 2. For the first time, a method of compensatory control of matching converters of solar power plants is proposed, which implements mutual synchronisation of control channels of individual matching converters in the power take-off system and, unlike the known ones, provides mutual compensation of voltage fluctuations in the DC link of a solar power plant from individual matching converters, which allows to achieve reduction of voltage fluctuations in the DC link, which further improves the quality of electricity generated by three-phase. 3. For the first time, a method of frequency-adaptive control of the grid-tie voltage inverter of a solar power plant is proposed, which, unlike the known ones, allows to ensure improved quality of electricity generated to the three-phase power grid in the mode of reducing the generated power. 4. The method of controlling a three-phase current inverter with sinusoidal PWM, which differs from the existing ones in correcting the task of the grid phase currents, was further developed, which allows reducing power fluctuations in the DC link of the inverter, when operating the PPES on the power in the DC link of the inverter, when operating the PPES on an asymmetric three-phase network, by 50 % and the coefficient of nonlinear distortion of mains currents by 60 %, unlike control systems that do not take into account the asymmetry of mains voltages. 5. For the first time, a method for determining the parameters of the LC filter of a PV power inverter operating in the mode of an autonomous power supply has been developed, which, unlike the existing ones, allows determining the filter parameters, taking into account the frequency of PWM modulation of the inverter, the permissible current of the inverter keys and the requirements for the quality of the output voltage with a harmonic distortion coefficient of less than 5%. The validity of the theoretical dissertation research was confirmed by experiments on the equipment of the design bureau of AKUTEK LLC, from which the acts of implementation were obtained. Experimental results showed the high efficiency of the developed methods and tools for improving the quality indicators of electricity generated by mains voltage inverters, which affect additional losses in electrical networks from higher current harmonics. The use of the developed methods made it possible to significantly increase the quality indicators of electricity generated in the network and reduce the starting currents of the converter. Practical implications of the results for the electric power industry: – the method for calculating the main parameters of a sequential photovoltaic system that transmits electricity to a three-phase power grid has been developed; – the method of compensation of voltage fluctuations in the DC link of a solar power plant is proposed, which ensures improvement of the quality of electricity generated to a three-phase electrical network; – the method of controlling the grid-tie voltage inverter of a PV power plant is proposed, which ensures an increase in the quality of electricity in the mode of reduced generated power; – the simulation computer models of solar power plants were developed, which allow to study the quality of electricity, determine power losses in power converters of solar power plants, analyse the operation of regulators and other studies; – the methodology for determining the parameters of the LC filter of a PV power inverter operating in the mode of an autonomous power supply was developed, which allows determining the filter parameters, taking into account the frequency of PWM modulation of the inverter, the permissible current of the inverter keys and the requirements for the quality parameters of the output voltage with a harmonic distortion coefficient of less than 5%. The results of the dissertation work were used at AKUTEK LLC in the development of network voltage inverters and frequency converters with improved output voltage quality indicators (implementation act dated 04.15.2024) as well as in the educational process at the Department of Electric Energy Transmission of the National Technical University of «KhPI » (act on implementation of September 11, 2023).

Дисертації та автореферати

Переглянути

Фільтри

Налаштування

Сортувати за

Результатів на сторінку

Результати пошуку