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 20

Розробка методів розрахунку високотемпературної міцності лопаток газових турбін при статичних та динамічних навантаженнях
(2024) Неманежин, Євген Олександрович
Дисертаційна робота присвячена дослідженню характеристик високотемпературної міцності лопаток турбін газотурбінних двигунів (ГТД) в умовах статичних та динамічних навантажень та розробці методів для якісного оцінювання параметрів напружено деформованого стану. Об’єкт дослідження – процес розвитку пружних деформацій та повзучості в робочих режимах лопаток турбін з монокристалічних нікелевих жароміцних сплавів. Предмет дослідження – характеристики високотемпературної міцності лопаток турбін при статичних та динамічних навантаженнях з урахуванням анізотропних властивостей монокристалічних сплавів. Метою дослідження є розробка теоретичних та експериментальних підходів до визначення характеристик високотемпературної міцності лопаток турбін в умовах статичного та динамічного навантаження, які враховують особливості складного об’ємно-напруженого стану лопаток, навантаження у місцях концентрації напружень та анізотропію пружних та інших механічних властивостей нікелевих жароміцних сплавів. The dissertation is devoted to the study of high-temperature strength characteristics of gas turbine engine (GTE) turbine blades under static and dynamic loading and the development of methods for qualitative assessment of the parameters of the stress-strain state. Object of research is the process of development of elastic deformation and creep in operating modes of turbine blades made of single-crystal nickel heat-resistant alloys. The subject of research is the characteristics of high-temperature strength of turbine blades under static and dynamic loading with consideration of anisotropic properties of single-crystal alloys. The purpose of the dissertation is to develop theoretical and experimental approaches to determining the characteristics of high-temperature strength of turbine blades under static and dynamic loading, taking into account the peculiarities of the complex volume-stressed state of the blades, loading in places of stress concentration and anisotropy of elastic and other mechanical properties of nickel heat-resistant alloys. The introduction provides the rationale for choosing the topic of the dissertation thesis, provides information on the subject and object of the investigation, research methods, and indicates the scientific novelty of the presented work. In particular, the main practical results of the dissertation thesis are identified, and there is information about the approbation of the results of the dissertation, as well as the applicant's contribution to published scientific works.
Багатопараметричний контроль якості функціонування інформаційно-вимірювальних систем різного призначення з урахуванням факторних впливів
(2024) Григоренко, Ігор Володимирович
Дисертаційна робота присвячена науково-практичній проблемі підвищення вірогідності методів багатопараметричного контролю якості функціонування інформаційно-вимірювальних систем різного призначення шляхом визначення та урахування факторного впливу на результат вимірювань показників контролю за рахунок використання тестових методів, методів статистичного аналізу, апарату нечіткої логіки для забезпечення максимально високої вірогідності отриманих результатів і як наслідок – підтримки встановлених у стандартах норм на вихідні параметри кінцевого продукту. The dissertation is devoted to the scientific and practical problem of increasing the reliability of methods of multi-parameter quality control of the functioning of information and measurement systems of various purposes by determining and taking into account the factor influence on the result of measurements of control indicators through the use of test methods, methods of statistical analysis, and the apparatus of fuzzy logic to ensure the highest possible reliability of the obtained results and, as a result, support of the norms established in the standards for the initial parameters of the final product.
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.
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).
Підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави шляхом застосування тестових методів
(2024) Опришкін, Олександр Сергійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії (PhD) за спеціальністю 152 – Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024. Дисертаційна робота присвячена удосконаленню методів визначення та урахування факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу зерна кави), підвищенню точності та вірогідності отриманих результатів за рахунок використання тестових методів та методів статистичного аналізу результатів вимірювань за для покращення якості напою, що є важливим науковим і практичним завданням. Об’єкт дослідження – процес виникнення невизначеності показника якості помелу зерна кави при використанні кавомолки в умовах неусунених ефектів факторної взаємодії. Предмет дослідження – тестовий контроль систем налаштування фракційності помелу зерна кави в умовах невизначеності як їх фізико-механічних властивостей так і властивостей сировини для помелу. Метою дисертаційної роботи є удосконалення методів визначення та урахування факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу зерна кави), підвищення точності та вірогідності отриманих результатів за рахунок використання тестових методів та методів статистичного аналізу результатів вимірювань, що суттєво вплине на якість напою. У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету, завдання, об’єкт, предмет, розкрито наукову новизну, практичну значущість одержаних результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведено дані стосовно апробації та впровадження в практику результатів дослідження, представлені етапи дослідження, надано кількість публікацій за темою роботи. У першому розділі проаналізовано наукові праці вітчизняних і закордонних вчених із питань проблематики дослідження, що дозволило визначити основні напрями наукового пошуку щодо проблеми удосконалення методів визначення та урахування факторного впливу на однорідність помелу зерна кави, підвищення точності та вірогідності отриманих результатів за для покращення якості напою. Визначено важливість використання тестових методів для перевірки якості функціонування системи помелу зерна кави та методів статистичного аналізу результатів вимірювань для визначення суттєвості впливу того або іншого фактору на розсіювання результатів вимірювання вихідної величини, для підвищення якості приготування напою. У другому розділі наведено обґрунтування та зроблено оцінювання достовірності статистичних висновків про інформаційну значимість показників, що впливають на однорідність помелу зерна кави для забезпечення максимально високої якості приготування напою. Виконано аналіз та запропонована спрощена модель перехресних класифікацій, що враховує ефекти одночасної взаємодії чотирьох факторів (час помелу, геометричні розміри зерна, вологість зерна, швидкість обертання валу двигуна) на результат визначення однорідності помелу; проведено її дослідження. Визначені обмеження на кількість рівнів основного параметру (однорідність помелу) та факторів, що впливають на результат визначення при заданій метрологічній невизначеності параметра, що визначається. Отримані залежності для оцінювання достовірності статистичних висновків про інформаційну значимість факторного впливу для спрощеної моделі перехресної класифікації. Представлено аналітичні співвідношення, що дають змогу оцінити кількість інформації для кожного з факторів, що впливають на однорідність помелу. За допомогою дискримінантного аналізу отримані моделі для оцінювання кількості інформації по ймовірностям помилок першого та другого роду; наведені рівняння, що дозволяють розставити фактори, що впливають за рівнем їх впливу на однорідність помелу кави. У третьому розділі представлено аналіз впливу розподілу часток зерна кави на швидкість потоку напою. Визначені базові положення щодо вимірювання швидкості потоку рідини. Представлено результати експериментального дослідження щодо визначення швидкості потоку кави при використанні трьох партій кави від різних виробників. Виконано перевірку гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави при виготовленні напою у кавовій машині методом однофакторного дисперсійного аналізу. Представлені результати перевірки гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави за допомогою лінійного регресійного аналізу (на відсутність впливу часу на величину показника по кожній з трьох вибірок) та результати перевірки гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави за допомогою коваріаційного аналізу (відсутність розходжень у функціональному впливі часу на величину показника контролю). У четвертому розділі представлено обґрунтування доцільності розроблення нечіткої моделі управління для задачі контролю якості помелу. Розроблено ситуаційну систему з нечіткою логікою для другого рівня інформаційно- вимірювальної системи (ІВС). Наведено аналітичні співвідношення нечіткого логічного висновку за алгоритмом Mamdani. Запропоновано варіант формування тестових впливів для першого рівня ІВС. Розроблено ситуаційну систему з нечіткою логікою для першого рівня ІВС. У п’ятому розділі наведено результати експериментального дослідження факторного впливу на однорідність помелу зерна кави, що проведено за допомогою розробленого експериментального стенду на базі кавомолки Mahlkonig EK 43. Встановлено кореляцію між чинниками, що впливають на однорідність помелу. Виконано розрахунок сумарної стандартної невизначеності та розрахунок розширеної невизначеності для корельованих даних. Наведено приклад практичного використання дисперсійного аналізу спрощеної моделі (Розділ 2) при розрахунку кількості очікуваної вимірювальної інформації за показниками контролю та проведено їх ранжирування за рівнем значущості. У висновках показано, що проведено підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави шляхом застосування тестових методів контролю за рахунок визначення основних факторів, що впливають на якість та однорідність помелу зерна кави, та розроблення моделі факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу), що є важливим науковим і практичним завданням. За результатами дослідження: – отримав подальший розвиток метод тестового контролю для підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави; – отримав подальший розвиток метод інформаційного аналізу комплексу показників які впливають на однорідність помелу зерна кави, що дозволив сформувати систему показників в умовах невизначеності відтворення рівнів параметру контролю (однорідність помелу); – вперше запропонована спрощена модель перехресних класифікацій, яка врахувала ефекти одночасної взаємодії чотирьох факторів (час помелу, геометричні розміри зерна, вологість зерна, швидкість обертання валу двигуна) на результат вимірювання одиничного показника контролю (однорідність помелу кави), проведено її дослідження; – обґрунтовано необхідність розроблення нечіткої моделі управління для задачі контролю якості помелу зерна кави. Практичне значення отриманих результатів: – розроблено мікроконтролерну систему на основі платформи Arduino Nano 3.0 на базі кавомолки Mahlkonig EK 43, що дозволяє вимірювати чинники, які впливають на однорідність помелу кави та встановлювати наявність кореляції між чинниками; – у ТОВ «ОЛТА СЕРВІС» (м. Київ) впроваджено перспективний метод виконання налаштувань кавових машин і кавомолок баристою, що дало змогу знизити чутливість кавової машини до варіації властивостей кавового зерна і суттєво вплинуло на якість напою. Запропонований спосіб утворення кавової шайби дав більш стабільний, з точки зору швидкості потоку результат, ніж звичайний спосіб закладання меленої кави (з використанням однорідної сировини) (акт від 13.01.2023 р.). – перспективний спосіб виконання налаштувань кавових машин і кавомолок дав змогу бариста зменшити кількість корекцій до одного на день, на відміну, як раніше треба було підлаштовувати кавомолку три та більше разів на день, що збільшило продуктивність праці на 5%, що дозволить збільшити виробництво, приблизно на 30 пляшок кави за робочий день. – на кафедрі ІВТС НТУ «ХПІ» результати роботи впроваджені, в навчальний процес, де використовуються під час читання лекцій, проведення практичних занять з курсів: «Інформаційно-вимірювальні системи» та «Вступ в теорію систем» (акт від 24.11.2023 р.). Opryshkin O.S. Increasing the efficiency of coffee grain grinding fractional setting systems by applying test methods. Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy (PhD) in specialty 152 – Metrology and information and measurement technology – National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, 2024. The dissertation is devoted to improving the methods of determining and taking into account the factor influence on the measurement result of the control indicator (uniformity of coffee bean grinding), increasing the accuracy and reliability of the results obtained by using test methods and methods of statistical analysis of measurement results to improve the quality of the beverage, which is an important scientific and practical task. The object of study is the process of uncertainty arising in the quality indicator of coffee bean grinding when using a coffee grinder under the conditions of unresolved effects of factorial interaction. The subject of the study is the test control of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding under the conditions of uncertainty of both their physical and mechanical properties and the properties of raw materials for grinding. The purpose of the dissertation work is to improve the methods of determining and taking into account the factorial influence on the result of measurements of the control indicator (uniformity of coffee bean grinding), increasing the accuracy and reliability of the obtained results through the use of test methods and methods of statistical analysis of measurement results, which will significantly affect the quality of the beverage. In the introduction, the relevance of the research topic is substantiated, the goal, tasks, object, subject are formulated, the scientific novelty, practical significance of the obtained results are revealed, the personal contribution of the applicant is determined, data on the approbation and implementation of the research results in practice are given, the stages of the study are presented, the number of publications on the topic of work is given. In the first section, scientific works of domestic and foreign scientists on the issues of the research problematics are analyzed, which allowed to determine the main directions of scientific search regarding the problem of improving the methods of determining and taking into account the factorial influence on the uniformity of coffee bean grinding, increasing the accuracy and reliability of the obtained results for improving the quality of the beverage. The importance of using test methods to check the quality of the coffee bean grinding system and methods of statistical analysis of measurement results to determine the significance of the influence of one or another factor on the dispersion of measurement results of the output quantity, to improve the quality of beverage preparation, is determined. In the second section, the justification and evaluation of the reliability of statistical conclusions about the informational significance of indicators affecting the uniformity of coffee bean grinding to ensure the highest possible quality of beverage preparation are given. An analysis is carried out and a simplified model of crossclassifications is proposed, which takes into account the effects of simultaneous interaction of four factors (grinding time, geometric dimensions of the grain, grain moisture, engine shaft rotation speed) on the result of determining the uniformity of grinding; its study is conducted. The limitations on the number of levels of the main parameter (uniformity of grinding) and factors affecting the result of determination at a given metrological uncertainty of the parameter being determined are determined. The dependencies for assessing the reliability of statistical conclusions about the informational significance of the factorial influence for a simplified model of crossclassification are obtained. Analytical relations are presented that allow estimating the amount of information for each of the factors affecting the uniformity of grinding. With the help of discriminant analysis, models are obtained for estimating the amount of information according to the probabilities of errors of the first and second kind; equations are given that allow ranking the influencing factors by the level of their influence on the uniformity of coffee grinding. In the third section, an analysis of the influence of the distribution of coffee bean particles on the flow rate of the beverage is presented. The basic positions regarding the measurement of fluid flow rate are determined. The results of an experimental study on determining the flow rate of coffee using three batches of coffee from different manufacturers are presented. A hypothesis test was carried out on the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee when making a drink in a coffee machine using a one-factor analysis of variance. The results of testing the hypothesis about the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee using linear regression analysis (on the absence of the influence of time on the magnitude of the indicator for each of the three samples) and the results of testing the hypothesis about the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee using covariance analysis (absence of discrepancies in the functional influence of time on the magnitude of the control indicator) are presented. In the fourth section, the justification for the development of a fuzzy control model for the task of controlling the quality of grinding is presented. A situational system with fuzzy logic for the second level of the information-measurement system (IMS) has been developed. Analytical relations of fuzzy logical conclusion according to the Mamdani algorithm are given. A variant of forming test influences for the first level of IMS is proposed. A situational system with fuzzy logic for the first level of IMS has been developed. In the fifth section, the results of an experimental study of the factorial influence on the uniformity of coffee bean grinding, which was carried out using a developed experimental stand based on the Mahlkonig EK 43 coffee grinder, are presented. The correlation between the factors affecting the uniformity of grinding is established. The calculation of the total standard uncertainty and the calculation of the expanded uncertainty for correlated data are performed. An example of practical use of variance analysis of a simplified model (Section 2) in calculating the amount of expected measurement information according to control indicators and their ranking by the level of significance is presented. In the conclusions, it is shown that an increase in the efficiency of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding has been carried out by applying test control methods due to the determination of the main factors affecting the quality and uniformity of coffee bean grinding, and the development of a model of factorial influence on the result of measurements of the control indicator (uniformity of grinding), which is an important scientific and practical task. According to the results of the study: – the method of test control for increasing the efficiency of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding has been further developed; – the method of information analysis of a complex of indicators affecting the uniformity of coffee bean grinding has been further developed, which allowed to form a system of indicators in conditions of uncertainty of reproduction of control parameter levels (uniformity of grinding); – for the first time, a simplified model of cross-classifications has been proposed, which took into account the effects of simultaneous interaction of four factors (grinding time, geometric dimensions of the grain, grain moisture, engine shaft rotation speed) on the result of measuring a single control indicator (uniformity of coffee grinding), its study has been conducted; – the need to develop a fuzzy control model for the task of controlling the quality of coffee bean grinding has been substantiated. Practical significance of the obtained results: – A microcontroller system based on the Arduino Nano 3.0 platform has been developed on the basis of the Mahlkonig EK 43 coffee grinder, which allows measuring the factors that affect the uniformity of coffee grinding and establishing the presence of correlation between the factors; – In the LLC «OLTA SERVICE» (Kyiv), a new method of setting up coffee machines and coffee grinders by a barista has been introduced, which has made it possible to reduce the sensitivity of the coffee machine to the variation of coffee bean properties and significantly affected the quality of the beverage. The proposed method of forming a coffee puck gave a more stable result in terms of flow rate than the usual method of laying ground coffee (using homogeneous raw materials) (act from 13.01.2023); – The prospective method of setting up coffee machines and coffee grinders allowed the barista to reduce the number of corrections to one per day, unlike before, when it was necessary to adjust the coffee grinder three or more times a day, which increased productivity by 5%, which will allow to increase production, approximately by 30 bottles of coffee per working day. At the Department of IMTS NTU «KhPI», the results of the work have been introduced into the educational process, where they are used during lectures, practical classes from courses: «Information and measurement systems» and «Introduction to the theory of systems» (act from 24.11.2023).
Обґрунтування раціональних параметрів і режимів навантаження пневматичних шин колісних тракторів сільськогосподарського призначення
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Якунін, Максим Євгенович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 133 – Галузеве машинобудування (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Дисертація присвячена розв'язанню науково-практичної задачі підвищення ефективності та екологічної безпеки рушіїв створюваних колісних тракторів за рахунок обґрунтованого вибору типорозмірів пневматичних шин і схемних рішень колісних систем. Задача реалізована на прикладі нової створеної конструкції інтегрального трактора ХТЗ-160У. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності колісного трактора ХТЗ-160У на тягових сільськогосподарських операціях за рахунок комплектації науково-обґрунтованими типорозмірами тракторних шин. Об’єкт дослідження – процес взаємодії пневматичних шин і колісних систем трактора ХТЗ-160У з опорною поверхнею при виконанні сільськогосподарських операцій. Предмет дослідження – вплив параметрів і режимів навантаження тракторних пневматичних шин і схемних рішень колісних систем на ефективність технологічних процесів машино-тракторного агрегату на базі трактора ХТЗ-160У. Актуальність дисертаційного дослідження обумовлена необхідністю підвищення ефективності колісних сільськогосподарських тракторів при виконанні ґрунтообробних технологічних процесів аграрного виробництва при одночасному забезпеченні екологічної безпеки та нівелювання негативного ущільнюючого впливу на ґрунт з метою збереження його родючості. В Україні, як і в більшості країн світу, ходові системи колісних тракторів повинні відповідати вимогам державних стандартів щодо норм дії на ґрунт мобільної сільськогосподарської техніки, тому удосконалення та розробка нових методів, які дозволять одночасно покращити ефективність та екологічну безпеку колісних рушіїв на стадії проектування нових або модернізації існуючих конструкцій колісних тракторів, є актуальним науково-практичним завданням. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, показаний зв'язок з науковими програмами, планами, темами, сформульвані мета, завдання, об’єкт та предмет дослідження, наведені дані методи досліджень, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, відзначений особистий внесок здобувача та представлена інформація про апробацію результатів дисертації та публікації. В першому розділі провдений огляд досліджень ефективності функціонування колісних тракторів при виконанні тягових технологічних операцій. Розглянуті чинники, які безпосередньо впливають на тягову ефективність трактора та показники його впливу на ґрунт. Наведений аналіз шляхів підвищення ефективності колісних сільськогосподарських тракторів. Особлива увага приділена процесам взаємодії колісного рушія з грунтом, реалізації тягового зусилля та колієутворення. Розглянуті питання стану грунтів під час його механічної обробки та показники екологічної безпеки колісних рушіїв. Зважаючи на поступове зростання енергонасиченості сучасних тракторів проаналізована ефективність тягових та тягово-привідних сільськогосподарських операцій. Розглянуті питання режимів роботи тракторних двигунів, шляхи підвищення їх економічності та узагальнений досвід тягових випробувань тракторів у визнаних в світі лабораторіях штату Небраска (США) та Німецького товариства сільськогосподарських інженерів. У другому розділі наведена модель взаємодії тракторної шини згрунтом, що базується на універсальніх характерстиці пневматичної шини, показаний алгоритм індентифікації коефіцієнтів моделі, що забезпечує відповідність розрахункових результатів даним експериментальних випробувань. Розділ містить математичну модель статичного тягового розрахунку трактора з урахуванням механічних властивостей тракторної шини, перерозподілу 4 радіальних навантаг, внутрішнього тиску повітря, показників трансмісії, величини кінематичної невідповідності в плямах контакту шин ведучих мостів трактора та процесів пресування грунту та колієутворення. Також наведені особливості моделювання тягових процесів при баластуванні трактора литими вагами, заповненні шин рідиною та застосуванні здвоєних колісних систем. Розглянута ефективність здвоєння штатних шин трактора. У третьому розділі на основі обробки та узагальнення наявних даних та інформаційних джерел подана методика обґрунтованого вибору тракторних сільськогосподарських шин, яка апробована на прикладі створеного вітчизняного інтегрального трактора ХТЗ-160У. Методика враховує компонувальні, навантажувальні та експлуатаційні обмеження щодо показників тракторних сільскогосподарських шин. В розділі наведені розрахункові дані статичних тягових розрахунків широкого переліку техніко-економічних показників трактора ХТЗ-160У при комплектуванні різними типорозмірами шин. За погодженням з виробником обраний ряд шин для проведення імітаційних випробувань за процедурою PowerMix. Наведена математична модель режимів роботи тракторного двигуна з урахуванням його завантаження та керування подачею палива. Показана удосконалена апроксимація паливної характеристики двигуна, що дає змогу мінімізувати розбіжність теоретичних та експериментальних даних щодо витрати палива на часткових режимах роботи. Для реалізації тягово-динамічних імітаційних випробувань тактора ХТЗ160У наведений опис та чисельна формалізація польових випробувальних циклів PowerMix, план проведення імітаційного експерименту. В якості критеріїв оцінки ефективності трактора та екологічної безпеки його рушія запропоновано комплексний критерії, що базується на значеннях ККД машинотракторного агрегату та враховує складові втрат потужності в ДВЗ, трансмісії, ходовій системі, а також ймовірності виконання екологічних вимог. Для наочного сприйняття результатів моделювання за процедурою PowerMix та об’єктивного порівняння різних комплектів шин запропонована методика наведення показників ефективності трактора, що базується на параметрах чистої продуктивності та витрати палива. В четвертому розділі проведена оцінка техніко-економічних показників трактора ХТЗ-160У на основі польових випробувальних циклів PowerMix при комплектуванні різними шинами, що містить як підсумкові дані, так і результати за окремими випробувальними циклами. Також наведена оцінка показників агроекологічної безпеки колісної ходової системи трактора ХТЗ160У при комплектуванні різними шинами при виконанні тягових і тяговопривідних технологічних операцій відповідно до плану імітаційного експерименту та широко визнаних в світі польових випробувальних циклів PowerMix. На основі результатів імітаційних випробувань колісного трактора ХТЗ-160У визначались перспективні до застосування шини та схемні рішення колісних систем, а також надані відповідні рекомендації. Результати дисертаційної роботи можуть використовуватися при визначенні або прогнозуванні ефективності та екологічної безпеки рушіїв колісних тракторів при їх проектування та модернізації на основі імітаційних випробувань колісного трактора, що базується на визнаних в тракторобудуванні польових випробувальних циклами PowerMix. Практичну значимість мають наступні результати дослідження: методика аналітичного визначення перспективних до застосування шин і схемних рішень колісних рушіїв для створюваних колісних сільськогосподарських тракторів; методика імітаційних випробувань колісного трактора, яка базується на визнаних в тракторобудуванні польових випробувальних циклами PowerMix. Результати дисертаційної роботи використані при виконанні наукових досліджень Національного технічного університету «Харківський політехнічний інституту» в рамках договірної роботи: «Розробка рекомендацій по вибору параметрів ходової системи і системи підресорювання кабіни трактора» (договір № 26999, ВАТ «Харківський тракторний завод», 2020 р.), Основні наукові положення дисертаційної роботи, розробки і рекомендації впроваджені: – на ВАТ «Харківський тракторний завод» при виборі й обґрунтуванні колісної системи і типорозмірів шин для створюваного інтегрального трактора потужністю 160 к.с.; – на ТОВ «Харків трактор інжиніринг» при виконанні проектних робіт з розробки колісної системи трактора ХТЗ-160У; – у навчальний процес підготовки бакалаврів та магістрів за спеціальністю 133 – «Галузеве машинобудування» в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут». За результатами дослідження отримано такі наукові результати: Вперше: – запропонований новий підхід до аналітичного визначення перспективних до застосування шин з широкої номенклатури наявних типорозмірів і схемних рішень колісних рушіїв для створюваних колісних сільськогосподарських тракторів, що базується на показниках ефективності та екологічної безпеки рушіїв; – отримані показники ефективності та екологічної безпеки рушія колісного трактора вітчизняного виробництва, які, на відміну від відомих, визначені за визнаними в тракторобудуванні польовими випробувальними циклами PowerMix; отримали подальший розвиток: – методи визначення критеріїв оцінки ефективності та екологічної безпеки колісних рушіїв, що враховують широкий спектр типових сільськогосподарських тягових і тягово-привідних сільськогосподарських операцій. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 133 – Industrial mechanical engineering (13 – Mechanical engineering). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2023. The dissertation is dedicated to the solution of the scientific and practical problem of increasing the efficiency and environmental safety of the drives of the wheeled tractors being created due to the justified choice of pneumatic tire sizes and schematic solutions of wheel systems. The task is implemented on the example of the newly created design of the integral tractor KhTZ-160U. The aim of the dissertation is to increase the efficiency of the KhTZ-160U wheeled tractor in traction agricultural operations by equipping it with scientifically based tractor tire sizes. The object of the study is the process of interaction of pneumatic tires and wheel systems of the KhTZ-160U tractor with the support surface during agricultural operations. The subject of the study is the influence of the parameters and load modes of tractor pneumatic tires and schematic solutions of wheel systems on the efficiency of the technological processes of the machine-tractor unit based on the KhTZ-160U tractor. The relevance of the dissertation research is due to the need to increase the efficiency of wheeled agricultural tractors when performing tillage technological processes of agricultural production while simultaneously ensuring environmental safety and leveling the negative compacting effect on the soil in order to preserve its fertility. In Ukraine, as in most countries of the world, the running systems of wheeled tractors must meet the requirements of state standards regarding the norms of action on the soil of mobile agricultural machinery. Therefore, the improvement and development of new methods that will allow simultaneously improving the efficiency and environmental safety of wheeled tractors at the stage of designing new or modernization of existing designs of wheeled tractors is an urgent scientific and practical task. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, shows the connection with scientific programs, plans, topics, formulates the goal, task, object and subject of the research, gives the given research methods, scientific novelty and practical significance of the results obtained, notes the personal contribution of the recipient and information about the approval of the results of the dissertation and publication is presented. In the first chapter, an overview of studies of the effectiveness of wheeled tractors in the performance of traction technological operations is carried out. The factors that directly affect the traction efficiency of the tractor and indicators of its impact on the soil are considered. The analysis of ways to increase the efficiency of wheeled agricultural tractors is given. Special attention is paid to the processes of interaction of the wheel drive with the ground, implementation of traction force and rutting. The issues of soil condition during its mechanical processing and indicators of environmental safety of wheeled vehicles are considered. Taking into account the gradual increase in energy saturation of modern tractors, the effectiveness of traction and traction-drive agricultural operations is analyzed. The issues of tractor engine operation modes, ways to increase their efficiency, and the generalized experience of traction tests of tractors in the world-recognized laboratories of the state of Nebraska (USA) and the German Society of Agricultural Engineers are considered. In the second chapter, the model of the interaction of the tractor tire with the soil, based on the universal characteristics of the pneumatic tire, is presented, the algorithm for identifying the coefficients of the model is shown, which ensures the correspondence of the calculated results with the data of experimental tests. The section contains a mathematical model of the static traction calculation of the tractor taking into account the mechanical properties of the tractor tire, the redistribution of radial loads, internal air pressure, transmission indicators, the magnitude of the kinematic discrepancy in the contact spots of the tires of the tractor's driving axles and the processes of soil compaction and rutting. Features of modeling traction processes when ballasting a tractor with cast weights, filling tires with liquid and using dual wheel systems are also given. The effectiveness of doubling standard tractor tires is considered. In the third chapter, based on the processing and summarization of available data and information sources, a method of justified selection of tractor agricultural tires is presented, which is tested on the example of the domestic integrated tractor KhTZ-160U. The methodology takes into account compositional, loading and operational limitations regarding the indicators of tractor agricultural tires. The section contains the calculation data of static traction calculations of a wide list of technical and economic indicators of the KhTZ-160U tractor when equipped with different tire sizes. In agreement with the manufacturer, a number of tires were selected for simulation tests using the PowerMix procedure. A mathematical model of tractor engine operation modes is given, taking into account its loading and fuel supply control. An improved approximation of the fuel characteristics of the engine is shown, which makes it possible to minimize the discrepancy between theoretical and experimental data on fuel consumption at partial operating modes. For the implementation of traction-dynamic simulation tests of the KhTZ-160U tractor, a description and numerical formalization of PowerMix field test cycles, a simulation experiment plan, are given. As criteria for evaluating the efficiency of the tractor and the environmental safety of its driver, a complex set of criteria is proposed, which is based on the values of the efficiency of the machine-tractor unit and takes into account the components of power losses in the internal combustion engine, transmission, running system, as well as the probability of meeting environmental requirements. For a visual perception of the results of the simulation using the PowerMix procedure and an objective comparison of different sets of tires, a method of specifying tractor efficiency indicators based on the parameters of net productivity and fuel consumption is proposed. In the fourth chapter, an evaluation of the technical and economic indicators of the KhTZ-160U tractor was carried out on the basis of PowerMix field test cycles when equipped with different tires, which contains both summary data and results for individual test cycles. An evaluation of the agro-ecological safety indicators of the wheeled running system of the HTZ-160U tractor when equipped with different tires during traction and traction-drive technological operations in accordance with the plan of the simulation experiment and widely recognized in the world PowerMix field test cycles is also provided. Based on the results of simulation tests of the KhTZ-160U wheeled tractor, prospective tires and schematic solutions of wheel systems were determined, as well as appropriate recommendations were provided. The results of the dissertation work can be used in determining or predicting the efficiency and environmental safety of wheeled tractor engines during their design and modernization based on simulated tests of a wheeled tractor based on PowerMix field test cycles recognized in tractor construction. The following research results are of practical significance: the method of analytical determination of promising tires and schematic solutions of wheel drives for the wheeled agricultural tractors being created; method of simulation tests of a wheeled tractor, which is based on PowerMix field test cycles recognized in tractor construction. The results of the dissertation work were used in the performance of scientific research of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" within the framework of the contractual work: "Development of recommendations for the selection of parameters of the running system and suspension system of the tractor cabin" (contract No. 26999, "Kharkiv Tractor Plant", 2020), The main scientific provisions of the dissertation work, developments and recommendations have been implemented: - at "Kharkiv Tractor Plant" during the selection and justification of the wheel system and standard sizes of tires for the 160 hp integrated tractor being created; - at "Kharkiv Tractor Engineering" during design work on the development of the wheel system of the KhTZ-160U tractor; - in the educational process of training bachelors and masters in specialty 133 - "Industrial mechanical engineering" at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". According to the results of the research, the following scientific results were obtained: for the first time: – a new approach to the analytical determination of promising tires from a wide range of available standard sizes and schematic solutions of wheeled drives for the new wheeled agricultural tractors is proposed, which is based on indicators of the efficiency and environmental safety of the drives; – obtained indicators of efficiency and environmental safety of the drive of a wheeled tractor of domestic production, which, unlike the known ones, are determined according to PowerMix field test cycles recognized in tractor construction; received further development: - methods of determining the criteria for evaluating the efficiency and environmental safety of wheel drives, taking into account a wide range of typical agricultural traction and traction-drive agricultural operations.
Підвищення ефективності згоряння в опозитному двотактному двигуні з протилежним рухом поршнів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Лал, Амір Гул
Система підтримки прийняття діагностичних рішень при аналізі цифрових медичних зображень
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Шехна, Халед
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії (PhD) за спеціальністю 123 – Комп’ютерна інженерія – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут ”, Харків, 2023. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності виявлення анатомічних та патологічних структур на слабо контрастних напівтонових зображеннях молочної залози шляхом розробки формалізованої моделі процесу мамографічного обстеження, математичних методів реалізації її окремих етапів та розробка системи підтримки прийняття рішень за допомогою сучасних інформаційних технологій. Метою дисертаційної роботи є удосконалення методів аналізу напівтонових біомедичних зображень в мамографічних системах підтримки прийняття рішень. Об'єктом дослідження є процес аналізу анатомічних та патологічних структур на цифрових мамограмах. Предметом дослідження виступають методи виділення та класифікації анатомічних та патологічних структур на цифрових мамограмах. У вступі акцентовано увагу та обґрунтовано актуальність теми, що досліджується, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.В першому розділі проаналізовано види досліджень молочних залоз та показана важливість мамографічних обстежень, які є найбільш безпечними і недорогими, та мають достатню інформативність, особливо на ранніх етапах діагностики патології молочної залози. Виконано аналіз методів цифрової обробки біомедичних зображень та розглянуті особливості побудови систем підтримки прийняття рішень в медицині біомедичних зображень. Показано, що існуючі методи цифрової обробки зображень мають обмежену сферу застосування при обробці мамограм, оскільки зазначені зображення малоконтрастні, містять значну шумову складову, а параметри діагностичних елементів – значну варіабельність. Крім того, такі елементи мамограм, як зовнішньопротокові утворення та мікрокальцинати мають регулярну (фрактальну) структуру. Обгрунтована актуальність обраної теми роботи та встановлена доцільність розробки спеціалізованих методів пошуку анатомічних і патологічних структур на цифрових мамограмах, а також класифікацію мамограм відповідно до типів виявлених патологій. Отримані висновки дали змогу сформулювати мету роботи та задачі дослідження. В другому розділі виконана формалізація етапів процесу проведення мамографічних досліджень лікарем-мамологом та виділені критичні елементи мамографічної СППР, які можуть призвести до вироблення некоректних рішень або відмови від прийняття рішення. Виконана формалізації етапів процесу проведення мамографічних досліджень та розроблена узагальнена модель процесу, яка включає функціональну, структурну, інформаційну та математичну модель, які в остаточному підсумку дозволяють підвищити достовірність та обґрунтованість лікарських рішень та мінімізувати ризики лікарських помилок. В третьому розділі розглянуто особливості процесу морфологічного аналізу цифрових мамограм. Відмічено, що мамограма відноситься до класу біомедичних зображень з локально зосередженими ознаками. Завданням морфологічного аналізу є виділення на фоні завад інформативних структурних елементів мамограм, параметри яких слугують для формування простору діагностичних ознак. Показано перспективність використання фрактального аналізу для дослідження та класифікації мамограм, зокрема, для діагностики раку молочної залози на ранніх стадіях розвитку. Розроблено метод морфологічного аналізу цифрових маммограм з урахуванням їхньої фрактальної розмірності. Наведено відповідні математичні вирази та пропонується алгоритм обчислення фрактальної розмірності напівтонових зображень мамограм, або їх виділених фрагментів – зон інтересу. В четвертому розділі виконано розробку комбінованого діагностичного вирішального правила. Відмічено два підходи при постановці діагнозу: – традиційна діагностика, де кожне захворювання характеризується деяким набором значень діагностичних ознак (симптомів), які формують симптомокомплекс захворювання, та є експертною оцінкою кожного захворювання (суб’єктивна складова); – задача класифікації, в якій моделлю об’єкта діагностики є "чорна шухляда", і шукається залежність між формалізованими станами об’єкта діагностики (множиною діагностичних станів в заданій предметній області) і вектором вхідних діагностичних ознак (об’єктивна складова). Вказана залежність визначається на етапі навчання при аналізі навчальної вибірки, елементами якої виступають пацієнти з підтвердженим діагнозом, а в подальшому на етапі класифікації вона використовується для постановки діагнозу нових пацієнтів при аналізі вектору вхідних ознак. Обґрунтовано застосування в якості об’єктивної складової метод порівняння з еталоном, та розглянуто механізми врахування експертних оцінок щодо структури симптомокомплексу при обчисленні координат еталонів класів. В п’ятому розділі розроблена структура СППР проведення мамографічних обстежень на основі розроблених раніше функціональної, інформаційної, структурної та математичної моделей. Сформовано вимоги, яким повинна задовольняти система та розглянуто функціональне призначення основних модулів системи. Тестова перевірка виконувались за допомогою інтерактивного середовища MatLab із вбудованою високорівневою мовою програмування. Виконано тестування розроблених в дисертації методів на реальних даних, яке підтвердило їх працездатність та ефективність. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові результати: – удосконалено загальну модель процесу маммографічного обстеження, яка включає функціональну, структурну, інформаційну та математичні моделі шляхом формалізації етапів: введення діагностичних даних та попередня обробка мамограм з урахуванням особливостей їхнього відображення на слабоконтрастних напівтонових зображеннях молочної залози; фрактальна обробка цифрових мамограм з метою формування системи діагностичних ознак; розробка діагностичного вирішального правила формування комп’ютерного діагнозу; вироблення рішення щодо проведення діагностико-лікувального процесу, що дозволило застосувати формальні методи реалізації відмічених етапів; – набув подальший розвиток метод виділення та класифікації анатомічних та патологічних структур на цифрових маммограмах, включаючи внутрішньопротокові утворення та мікрокальцинати шляхом розрахунку їх фрактальної розмірності, що дозволило сформувати вектор діагностичних ознак для постановки комп’ютерного діагнозу; – вперше розроблено комбіноване діагностичне вирішальне правило на основі модифікації методу порівняння з еталоном шляхом внесення експертної інформації щодо структури симптомокомплексів при обчисленні координат прототипів класів, яке дозволяє врахувати як об’єктивну ймовірністну складову, так і суб’єктивну складову процесу постановки діагнозу, яка є формалізацією експертної оцінки структури симптомокомплексу вказаного захворювання. Запропоновано варіанти спільного використання його складових (колектив вирішальних правил, зважування та підсумовування оцінок). Практичне значення отриманих результатів для галузі інформаційних технологій полягає в тому, що розроблені в дисертаційній роботі методи фрактальної обробки цифрових мамограм слугують науково-методичною основою для розробки відповідного інформаційного, алгоритмічного та програмного забезпечення. Розроблена комп’ютерна система, яка забезпечує підтримку прийняття рішення при класифікації цифрових мамограм на предмет наявності/відсутності патологічних структур з метою подальшої діагностики. Результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес НТУ “ХПІ” на кафедрі “Комп’ютерна інженерія та програмування” при вивченні дисциплін «Обробка сигналів та зображень», «Проектування комп'ютерних діагностичних систем», «Основи наукових досліджень» та в дипломному і курсовому проектуванні.
Системи активного екранування зовнішнього магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій
(2023) Кундіус, Катерина Дмитрівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 141 – Електротехніка, електроенергетика та електромеханіка (14 – Електрична інженерія). – Національний технічний ніверситет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Об’єктом дослідження є зовнішнє магнітне поле міських трансформаторних підстанцій. Предметом досліджень є системи активного екранування зовнішнього магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача синтезу систем активного екранування зовнішнього магнітного поля вбудованих у житлові будинки міських трансформаторних підстанцій потужністю 100 – 1260 кВА для зменшення індукції їх магнітного поля до безпечного для населення рівня в прилеглих житлових приміщеннях. Дослідження виконано на основі фундаментальних положень теоретичної електротехніки, методах математичного та фізичного моделювання джерел магнітного поля, аналітичних та чисельних методів аналізу та сучасних інформаційних технологіях. 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 результатів виконаних в Європі досліджень магнітного поля вбудованих підстанцій 10/0,4 кВ потужністю 600 – 1000 кВА, де максимальний рівень індукції магнітного поля фіксується у житлових приміщеннях над підстанціями і лежить в діапазоні 4–13 мкТл. Це істотно перевищує безпечний для населення рівень згідно із рекомендаціям Всесвітньої організації охорони здоров’я (0,2–0,3 мкТл), а також допустимий рівень магнітного поля промислової частоти, прийнятий в Україні (0,5 мкТл), що потребує його зменшення більш ніж на порядок. Проведено аналіз методів моделювання і розрахунку магнітного поля, а також розроблених для повітряних ліній електропередачі методів мультидипольного моделювання, які мають хорошу фізичну інтерпретацію, бажану для спрощення синтезу систем активного екранування. Проаналізовані такі прийнятні для підстанцій методи зменшення їх магнітного поля, як активне екранування. Обґрунтована актуальність досліджень зовнішнього магнітного поля розповсюджених в Україні міських підстанцій 100–1260 кВА, які вбудовуються у житлові будинки, а також розвитку оптимізаційних методів синтезу систем активного екранування магнітного поля підстанцій. Обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі наведено результати експериментальних досліджень розподілу індукції магнітного поля частотою 50 Гц для 110 типових міських трансформаторних підстанцій 10(6)/0,4 кВ потужності 100–1260 кВА м. Харкова, які можуть вбудовуватися у житлові будинки. Показано, що індукція магнітного поля може перевищувати нормативний рівень за умови наближення до підстанцій на відстань від 6 м (100 кВА) до 10 м (1260 кВА) і досягає від 2 до 8 мкТл, і це потребує її зменшення від 4 до 16 разів. Досліджено вклад в загальне магнітне поле підстанції окремих джерел їх магнітного поля, та показано, що основним джерелом зовнішнього магнітного є їх розподільчий пристрій – низьковольтний струмопровід, вклад якого на відстані 2 м складає більше 90%, що дозволяє в подальших розрахунках не враховувати інші джерела магнітного поля (трансформатор, кабелі, високовольтний струмопровід). Удосконалено та експериментально обґрунтовано мультидипольну математичну модель зовнішнього магнітного поля трифазних струмопроводів підстанцій шляхом її побудови на основі двофазної моделі трифазного електричного кола, яка в порівнянні із відомою мультидипольною моделлю дозволяє без збільшення похибки, вдвічі наблизити розрахункову область і здійснювати розрахунок у всіх прилеглих житлових приміщеннях, які розташовані на відстані від одного метра до підстанції. Виконано розрахунокіндукції магнітного поля в житлових приміщеннях будинків з вбудованими підстанціями та здійснено експериментальну перевірку результату. Визначена необхідна ефективність екранування магнітного поля у прилеглих житлових приміщеннях, яка повинна складати 4–16 одиниць. У третьому розділі обґрунтовано виконання систем активного екранування магнітного поля вбудованих підстанцій в розімкненій структурі управління та розроблено методику їх синтезу. Вона ґрунтується на удосконаленій двофазній мультидипольній математичній моделі магнітного поля трифазних струмопроводів, законі Біо-Савара, та методі оптимізації мультироєм частинок з множини Парето-оптимальних рішень з урахуванням бінарних відносин переваги, що дозволяє синтезувати системи із необхідною ефективністю. Виконано синтез систем із однією та двома плоскими чотирикутними компенсаційними обмотками при різних (1–2 м) відстанях до житлових приміщень для 6 типів вбудованих підстанцій різної потужності. За результатами синтезу запропоновані структури та параметри систем екранування, які доступні для фізичної реалізації і мають ефективність 6–16 одиниць. При цьому теоретична ефективність екранування магнітного поля складає біля 8 од. при використанні однієї компенсаційної обмотки і біля 16 од. при використанні двох компенсаційних обмоток. В останньому випадку питома потужність системи екранування зростає із 0,7 Вт/м2 житлової площі до 4,7 Вт/м2, що обумовлює відповідне збільшення собівартості систем та вартості їх експлуатації. У четвертому розділі приведено опис створеної лабораторної установки із повномасштабним фізичним макетом низьковольтного струмопроводу підстанції 100 кВА та повномасштабним фізичним макетом синтезованої для нього системи активного екранування, на яких здійснено експериментальні дослідження їх магнітного поля за розробленою здобувачем методикою вимірювань. Виконано експериментальну перевірку запропонованої удосконаленої двофазної мультидипольної математичної моделі магнітного поля трифазного струмопроводу, яка підтвердила співпадіння результатів розрахунку і експерименту з розкидом менше 7% та коректність запропонованої математичної моделі. Також виконано експериментальну перевірку теоретичних положень запропонованої методики синтезу систем активного екранування, яка підтвердила співпадіння результатів розрахунку і експерименту з розкидом менше 10% та коректність запропонованої методики синтезу. Розроблені практичні рекомендації з побудови систем активного екранування, що передбачають формування сигналів управління системи на основі мікроконтролера, періодичне настроювання системи під контролем магнітного поля, а також виконання підсилювача потужності системи на основі підсилювачів звукової частоти класу АВ. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Запропонована та експериментально обґрунтована удосконалена мультидипольна математична модель зовнішнього магнітного поля трифазного струмопроводу, яка ґрунтується на двофазній дипольній моделі трифазного електричного кола. Запропонована модель в порівнянні із відомою трифазною мультидипольною моделлю дозволяє без збільшення похибки вдвічі наблизити розрахункову область, та забезпечує розрахунок магнітного поля від вбудованої трансформаторної підстанції для всіх наближених до неї житлових приміщень будинку, які розташовані на відстані від одного метра. 2. Вперше розроблена та експериментально обґрунтована методика синтезу систем активного екранування магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій потужністю 100–1260 кВА. Методика ґрунтується на удосконаленій двофазній мультидипольній математичній моделі магнітного поля струмопроводу, законі Біо-Савара для визначення магнітного поля системи екранування, а також методі оптимізації елементів системи мультироєм частинок з множини Парето-оптимальних рішень з урахуванням бінарних відносин переваги і дозволяє синтезувати системи із теоретичною ефективністю 6–16 одиниць, які зменшують магнітне поле в наближених житлових приміщеннях до рівня санітарних норм. 3. Вперше запропоновано здійснювати синтез систем активного екранування потенційного магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій із визначенням магнітного поля не у всьому об’ємі житлового приміщення, а на контрольній площині D, яка максимально наближена до підстанції, і розташовується у приміщенні паралельно підлозі (стіни), і це дозволяє істотно зменшити обсяг обчислень при гарантованому зменшенні потенційного магнітного поля у всьому об’ємі приміщення за площиною D. 4. Набули подальшого розвитку методи розрахунку зовнішнього магнітного поля активних конструктивних елементів трансформаторної підстанції. Методи реалізовані на основі удосконаленої мультидипольної моделі магнітного поля струмопроводів, циліндричних просторових гармонік магнітного поля кабелів, та ймовірнісно-статистичного методу прогнозування магнітного поля трансформатора, що дозволило виявити та експериментально обґрунтувати основне джерело магнітного поля підстанції – її низьковольтний струмопровід, вклад якого в загальний рівень магнітного поля на відстані 2 м складає більше 90%, що дозволяє в інженерних розрахунках не враховувати інші джерела магнітного поля. Достовірність теоретичних результатів, отриманих у дисертації, підтверджено експериментальною перевіркою удосконаленої математичної моделі магнітного поля підстанції ТП 100 кВА та синтезованої для неї системи активного екранування на лабораторній установці із повномасштабними фізичними макетами струмопроводу підстанції 100 кВА та синтезованої системи активного екранування, результати якого показали співпадіння отриманих в дисертації теоретичних положень та експерименту із похибкою менше 10%. Результати досліджень використано при виконанні наукових досліджень за наступними плановими темами: 1. «Розвиток наукових засад нормалізації геомагнітного поля в приміщеннях сучасних житлових будинків» (шифр «БІОМАГ 2», № ДР 0116U005462, 2017 – 2021 рр.), де здобувач була відповідальним виконавцем; 2. «Розвиток методів та засобів нормалізації магнітного поля промислової частоти у приміщеннях житлових будинків, що створюється вбудованими трансформаторними підстанціями та побутовим електрообладнанням» (шифр «ЕКОМ», № ДР 0122U001772, 2022 – 2026 рр.), де здобувач є виконавцем окремих розділів. Результати дисертаційних досліджень передані до впровадження ТОВ «КиївПромЕлектроПроект» для розробки нормативних документів з проектування міських трансформаторних підстанцій із екологічно безпечним для населення рівнем електромагнітного поля промислової частоти.
Методи та інформаційна технологія вибору підходу та рівня зрілості організації при управлінні портфелем проєктів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Кподжедо, Максімільен Франсис Коффі
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії за спеціальністю 122 «Комп'ютерні науки». - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. У дисертаційній роботі представлені результати проведених здобувачем досліджень, які виконують актуальне наукове завдання створення методів та інформаційної технології вибору підходу і рівня зрілості організації з управління портфелем проєктів, що має істотне значення для розвитку інформаційних технологій. Об’єкт дослідження – процеси управління портфелем проєктів. Предмет дослідження – методи та інформаційна технологія вибору підходу для управління портфелем проєктів і рівня зрілості організації в цій сфері. Управління портфелем проектів є однією з найважливіших функцій управління в сучасній організації (підприємстві). Від прийнятого підходу до управління портфелем проєктів залежить успіх досягнення стратегічних цілей організації. Під підходом до управління портфелем проєктів і програм розумітимемо методологію управління портфелем проєктів, для якої обрані методи виконання процесів, інструменти, шаблони документів. Відповідно методологія управління портфелем проєктів – певна та задокументована система принципів, правил, процесів, практик, життєвого циклу, організаційної структури, прописаних ролей, яка забезпечує управління портфелями проєктів в організації. Поняття методологія управління портфелем проєктів виділено для позначення принципово важливих складових підходу. Ці складові часто визначаються вибраним стандартом або настановою з управління портфелем. В даний час відомі ряд стандартів, настанов, фреймворків з управління портфелем проєктів. Існуючі стандарти, настанови, фреймворки в галузі управління портфелями проєктів орієнтовані на реалізацію проєктів за умов предиктивних, Agile або гібридних життєвих циклів. Наразі вибір підходу до управління портфелем проєктів та його вдосконалення виконується менеджерами організацій суб'єктивно, часто без відповідного досвіду та кваліфікації. Створення формалізованого методу для розв'язання цієї задачі є актуальним завданням. Але недостатньо тільки обрати підхід до управління портфелем проєктів, треба визначити рівень використання його можливостей, або рівень зрілості організації в цій галузі. За останні роки з'явилося багато моделей зрілості. Однак їх використання, як правило, є достатньо складним і потребує значних витрат. Більшість моделей зрілості не достатньо уваги приділяють саме управлінню портфелем проєктів. Актуальним для багатьох організацій є вибір оптимального рівня зрілості, який дасть змогу знайти компроміс між можливостями управління портфелем проєктів і вартістю. Для цього потрібно розробити відповідний метод розв'язання цієї задачі. Створені методи доцільно реалізувати у вигляді інформаційної технології, що дозволить підвищити ефективність їх використання. Виходячи з викладеного, актуальним є розв'язання наукового завдання створення методів та інформаційної технології вибору підходу і рівня зрілості організації з управління портфелем проєктів, яке має істотне значення для розвитку інформаційних технологій. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості управління портфелем проєктів шляхом створення і застосування методів та інформаційної технології вибору підходу до управління портфелем проєктів і рівня зрілості організації в цій сфері. Вперше створено узагальнений звід знань з управління портфелями проєктів організації, який відрізняється своєю структурою та узагальненою таблицею процесів, що дозволяє обирати або формувати підходи до управління портфелями проєктів. Запропоновано структуру узагальненого зводу знань з управління портфелем проєктів. Вона включає принципи, процеси, практики, життєві цикли, організаційні структури, прописані ролі, зібрані з поширених стандартів, настанов з управління портфелями, публікацій у цій галузі з урахуванням думок фахівців. Застосовано стандарти та настанови: The standard for portfolio management, 4th ed. PMI, 2017; Management of Portfolios, AXELOS, 2011; ISO 21504: 2022. Project, program and portfolio management - Guidance on portfolio management, 2022; GOST Р 54870 ― 2011. Project management. Requirements for projects portfolio management; The standard for portfolio management, third ed. PMI, 2013. Розроблено узагальнену таблицю процесів зводу знань з управління портфелем. При створенні груп процесів узагальненої таблиці виходили з етапів програмно-цільового методу. Оскільки масштабовані гнучкі (Agile) фреймворки мають багато відмінностей від стандартів та настанов, які були включені до узагальненого зводу знань, вони розглянуті окремо. Найбільш поширеними в світі є такі масштабовані гнучкі фреймворки: Scaled Agile Framework (SAFe) та Scrum of Scrums. До узагальненого зводу знань додані емпіричні опори, цінності, принципи, компетентності, організаційні структури, ролі цих фреймворків. Компетентності SAFe додані до узагальненої таблиці процесів з управління портфелем проєктів. Вперше запропоновано метод вибору підходу для управління портфелем проєктів, який відрізняється мінімізацією ризиків, притаманних підходу, і витрат на його застосування з можливим урахуванням обмежень на допустимі витрати та час освоєння підходу в організації, що дозволяє підвищити якість управління. Вибір підходу пропонується здійснювати шляхом використання двох критеріїв: якість управління портфелем проєктів і вартість управління портфелем проєктів. Одним з показників, що може характеризувати якість підходу до управління портфелем проєктів, є ризики, властиві цьому підходу під час управління портфелем проєктів організації в конкретних умовах. Чим менші ці ризики, тим якісніший підхід застосовується. Для оцінювання потенційних ризиків підходу до управління портфелем проєктів запропоновано скористатися узагальненою таблицею процесів управління портфелем проєктів. Наслідки потенційних ризиків пропонується оцінювати за п'ятибальною шкалою. Для клітин таблиці, які не містять процесів управління, визначається добуток ймовірності настання ризикової події на наслідок такої події. Отримані добутки складаються. Якщо в деякій клітині узагальненої таблиці міститься процес управління, але експерти вважають, що в результаті недосконалості виконання даного процесу все одно зберігається ймовірність виникнення негативних наслідків, то відповідному наслідку може бути присвоєно ненульове значення. У цьому випадку оцінюється і ймовірність настання такої ризикової події. Після того, як отримано оцінки ризиків і витрат для альтернативних підходів до управління портфелем проєктів, вирішується двокритеріальне оптимізаційне завдання вибору найбільш відповідного підходу за критеріями ризики, вартість, з можливим урахуванням обмежень на допустимі витрати та час освоєння підходу в організації, що дозволяє підвищити якість управління. Створено математичну модель цього завдання. Вперше розроблено метод вибору рівня зрілості організації при управлінні портфелем проєктів, який відрізняється оцінюванням застосування принципів, функцій, життєвого циклу, спеціалізованої організаційної структури, прописаних ролей і відповідальностей за їхнє виконання, методів, інструментів, шаблонів та витрат на управління портфелем проєктів, що дозволяє підвищити якість управління; Працюючи над стратегією розвитку, організації, в тому числі, визначають майбутній стан управління портфелем проєктів, тобто обирають майбутній рівень зрілості організації у цій сфері. Запропоновано метод, який допоможе організаціям зробити цей вибір обґрунтовано. Сформульовано гіпотези, які покладені в основу методу. Особливістю методу є те, що методологія управління портфелем проєктів, яку застосовують в організації або яку розглядають, має бути представлена в узагальненій таблиці процесів. Оцінювання рівня зрілості організації здійснюється шляхом вибору відповідей на питання анкети відносно застосування принципів управління портфелем проєктів, виконання функцій управління портфелем проєктів, застосування поняття "життєвий цикл портфеля проєктів", наявності спеціалізованої організаційної структури для управління портфелем проєктів, прописаних ролей і відповідальностей за їхнє виконання в організації. Відповіді оцінюються за п'ятибальною шкалою. Кожний, фактор, який оцінюється, має вагу. Для завдання ваг застосовуються оцінки наслідків ризикових подій, які полягають у тому, що принципи, процеси, життєвий цикл, організаційну структуру не використовують. Оцінюються витрати на впровадження розглянутої методології управління портфелем проєктів організації за заданого ступеня її виконання, а також поточні витрати на її здійснення протягом планового періоду. Обчислюються середньорічні витрати. Вибір кращого рівня зрілості організації запропоновано здійснювати шляхом розв'язання задачі оптимізації рівня зрілості і витрат на його досягнення і підтримування. Вперше створено інформаційну технологію для формалізованого вибору підходу та пошуку оптимального рівня зрілості організації з управління портфелем проєктів, що дає змогу підвищити якість управління портфелем проєктів організації. Метод вибору підходу до управління портфелем проєктів використовується як управління під час виконання процесів 1) вибрати можливі підходи до управління портфелем проєктів; 2) оцінити для кожного підходу ризики та витрати; 3) вибрати найкращий підхід до управління портфелем проєктів. Як механізм при виконанні цих процесів запропоновано використовувати застосунок для вибору підходу до управління портфелем проєктів, який реалізує цей метод. Визначено вимоги до застосунка для вибору підходу до управління портфелем проєктів. При виконанні процесів 4) вибрати рівень використання можливостей кожного підходу, 5) оцінити рівень використання підходу, наслідки ризикових подій, витрати, 6) знайти оптимальний рівень зрілості використовується метод вибору рівня зрілості організації при управлінні портфелем проєктів. Як механізм використовують застосунок для вибору рівня зрілості організації в галузі управління портфелем проєктів. Цей застосунок реалізує метод вибору рівня зрілості організації при управлінні портфелем проєктів. Визначено вимоги до застосунка. З допомогою створених методів та інформаційної технології розв'язано реальні задачі вибору підходу та оптимального рівня зрілості організації в галузі управління портфелем проєктів. Запропонований метод вибору підходу до управління портфелем проєктів застосовано для вдосконалення управління портфелем проєктів в одному з технічних університетів України. Для підвищення якості управління портфелем проєктів в університеті доцільно впровадити запропонований підхід. Це дозволить зменшити витрати на управління на 1,8% і знизити ризики на 49,4%. Метод вибору рівня зрілості управління портфелем проєктів організації застосовано для вибору раціонального рівня зрілості управління портфелем проєктів у технічному університеті. Оцінка зрілості університету в галузі управління портфелем проєктів склала 2,59 бала за п’яти бальною шкалою. Для підвищення рівня зрілості управління портфелем проєктів в університеті доцільно впровадити регулярне застосування принципів управління портфелем проєктів, формалізувати процеси їхнього застосування, поліпшити виконання наявних процесів управління портфелем і впровадити нові процеси, які поки що не виконуються. При цьому рівень зрілості університету зросте до 3,34 бала, тобто зросте у 1,29 рази. Співвідношення рівня зрілості та витрат на здійснення управління при впровадженні комп'ютеризації управління портфелем проєктів зросте в 1,31 рази. Даний висновок може бути використаний при прийнятті рішень щодо подальшого розвитку управління портфелем проєктів в університеті. Результати роботи впроваджено в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» та в «Науково-виробничій компанії Автоматизовані системи». Запропоновані методи та інформаційна технологія можуть бути повною мірою впроваджені в організаціях всіх галузей економіки для підвищення якості управління портфелями проєктів.