Дисертації з теми "621.315:004.032.26"

Climate change, overpopulation and the decreasing availability of fossil fuels require the society to move towards sustainable and renewable resources. It can be anticipated that renewable energies will inevitably replace fossil fules and dominate the world's energy supply system in the long term. In order for these new energy sources to become completely reliable to meet with the growing energy demand, much research effort has been focused on energy storage technologies, especially those realted with electricity, such as supercapacitors. With regards to electrical energy storage devices, supercapacitors could fill the gap between batteries and conventional solid state and electrolytic capacitors. They store electrical energy through double layer charging, faradaic processes, or a combination of both. This thesis deals with the fabrication and study of prototype supercapacitors using conducting polymers and advanced carbons as the electrode materials. The work includes the synthesis of PPy-CNT and PANi-CNT nanocomposites, fundamental and electrochemical characterisations of conducting polymers and advanced carbons, electrode fabrication, and electrochemical performance of prototype supercapacitors. Additionally, this thesis aims to enhance the performance of prototype supercapacitors by improving the electrochemical properties of the existing electrode materials for supercapacitors, optimising the design of unit cells and stacks, and simplifying electrode fabrication.

Calcium-Copper-Titanate (CCTO) is one of a class of non-ferroelectric, highly tilted Perovskite-structured oxides. Theoretical values of permittivity for these materials are low and fairly typical for non-ferroelectrics, yet these materials received considerable attention when reports of extremely high permittivity (in excess of 10,000) emerged, with one study on CCTO published in Science that attempted to assign the unusual behaviour to an as yet unknown exotic polarisation mechanism. This thesis proves that the high permittivity is actually extrinsic in origin and originates from a barrier layer capacitance effect; the measured values for intrinsic permittivity for CCTO and related ceramics was found to be low and comparable to theoretical values.

The work in this thesis focuses on the characterization, modeling and emulation of both the supercapacitor and the new supercapattery energy storage device. The characterization involves the selection of dynamic models and experimental methodologies to derive model parameters. The characterizing processes focus on predicting short-term device dynamics, energy retention (self-discharging) and losses and round-trip efficiency. A methodology involving a pulse current method is applied for the first time to identify a model parameter to give fast device dynamic characteristics and a new constant power cycling method is used for evaluating round-trip efficiency. Experimental results are shown for a number of supercapacitor and supercapattery devices and good results are obtained. The derived models from the characterization results are implemented into the emulator system and the emulator system is used to mimic the dynamic characteristics of a scaled-up 1kW supercapattery device. The thesis also addresses voltage equalizing circuits and reports a study that investigates efficiency, a cell voltage deviation and voltage equalizing time for different control methods.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 «Електричні станції, мережі і системи» (141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка). – Таврійський державний агротехнологічний університет МОН України, Мелітополь. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» МОН України, Харків, 2017. Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науково- прикладної задачі розроблення сучасного науково- методичного апарату прогнозу споживання електричної енергії в умовах невизначеності, що враховує можливості інформаційного забезпечення автоматизованих систем комерційного обліку електроенергії та особливості окремих споживачів і має на меті підвищення ефективності використання та збереження електричної енергії. Вдосконалено метод нечіткого регресійного аналізу для побудови довгострокових прогнозних моделей електричних навантажень в розподільчих мережах. Враховано паритетну участь двох критеріїв ефективності нечітких моделей: ступіня сумісності та ступіня нечіткості при побудові прогнозних моделей. Розроблено метод корекції довгострокових прогнозних моделей для короткострокового прогнозу. Запропоновано підхід до побудови виду прогнозних моделей при будь-яких типах навантажень. Аналітично встановлено зв'язок нечітких показників точності прогнозу з відносною середньомодульною похибкою. Розроблену методику апробовано при розробці прогнозних моделей електричного навантаження ряду споживачів з різними типами графіків навантаження. Основні результати дисертації знайшли практичне застосування у вигляді програмно-апаратного комплексу для автоматизації процесу довгострокового та II оперативного прогнозування електричних навантажень електроспоживачів, що може інтегруватись інформаційно в автоматизовану систему обліку електроенергії, а також при оперативному керуванні режимами розподільчих мереж. Внаслідок проведення дослідження за темою дисертаційної роботи одержані такі наукові результати: – удосконалено метод отримання прогнозних моделей електричних навантажень, який відрізняється шляхом побудови критерію ступеню сумісності нечіткої регресії на основі перетину нечітких чисел, який дає можливість розкрити невизначеність вихідних даних та підвищити якість прогнозу електричних навантажень. – вперше запропоновано метод уніфікації виду прогнозних моделей, який відрізняється тим, що в добовому графіку електроспоживання виділено функціональні ділянки, з роздільним використанням для них нечіткого регресійного аналізу, завдяки чому можна отримати вид прогнозних моделей при будь-яких навантаженнях. – вперше запропоновано метод підвищення адекватності моделей, отриманих на базі нечіткого регресійного аналізу, який відрізняється паритетним врахуванням ступеню сумісності та ступеню нечіткості опису, що дозволить зробити прогноз електричних навантажень більш якісним. – вперше аналітично визначено метод визначення ефективності прогнозу електроспоживання в електричних мережах, який дозволяє виконувати порівняльний аналіз нечітких регресійних моделей прогнозу з моделями, отриманими іншими методами. Практичне значення одержаних результатів для електроенергетичної галузі полягає в розробленій методики прогнозування електроспоживання на базі нечіткого регресійного аналізу, що включає принципи побудови прогнозних моделей, алгоритмічне забезпечення, а також програмне забезпечення, реалізоване у зручній для інтегрування в АСКОЕ формі. Результати досліджень впроваджені та підтверджені відповідними актами: III – ПП «Молокозавод-ОЛКОМ» щодо аналізу електроспоживання та оперативного керування з метою зменшення втрат енергії в мережі внутрішньозаводського електропостачання . – у навчальному процесі основні результати роботи включені у відповідні дисципліни – «Практична інженерна підготовка» та «Інженерна діяльність» за спеціальністю: 8.10010101 – Енергетика сільськогосподарського виробництва. – Приазовським РЕМ ВАТ «Запоріжжяобленерго» використаний апаратно-програмний комплекс для процесу довгострокового та короткострокового прогнозування електричних навантажень та оперативного керування режимами розподільчих мереж. Основні наукові положення за матеріалами дисертаційної роботи опубліковані у 15 друкованих працях, з них: 9 статей у наукових фахових виданнях України (5 – у виданнях, включених до міжнародних наукометричних баз, 1 ¬– у виданні з індексом SCORUS), 6 – у матеріалах конференцій та семінарів. Дисертаційна робота складається зі вступу, анотації, чотирьох розділів,ї висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 190 стор., серед них: 18 рисунки по тексту, 20 таблиць по тексту, список використаних джерел містить 115 найменувань на 12 сторінках, додатки на 19 сторінках.
The thesis for getting scientific degree of the Candidate of technical science on the specialty 05.14.02 «Electric power stations, network and system» (141 Electrical energetics, electrical engineering and electromechanics). – Tavricheskiy State Agrotechnology University, Melitopol, Ukraine National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» MES of Ukraine, Kharkiv, 2017. The dissertation devoted to solving actual scientific and technical problem of development of modern science and analytical tools forecast electricity consumption in the face of uncertainty, taking into account the possibility of information support automated systems of commercial accounting of electric power and features of individual consumers and aims to increase efficiency and save electricity. Improved method of fuzzy regression analysis to build long–term forecasting models of electric loads in distribution networks. Included balanced participation of two performance criteria fuzzy models: the degree of combination and degree of fuzziness when building predictive models. The method of correction term predictive models for short–term forecast. An approach to building the type of predictive models in any type of stress. Analytical contacted fuzzy indicators forecast accuracy Mean absolute percentage error. The technique was tested in the development of predictive models of electric load number of consumers with different types of load charts. The main results of the dissertation found practical application in the form of hardware and software to automate the process of long–term and operational forecasting electricity consumers of electrical loads that can integrate information into an automated accounting system of electricity, as well as operational management mode of distribution networks. VII As a result of the research on the theme of the thesis, the following scientific results were obtained: - the method for obtaining predictive models of electrical loads is improved, which is distinguished by constructing a fuzzy regression compatibility criterion based on the intersection of fuzzy numbers, which makes it possible to uncover the uncertainty of the output data and improve the quality of the prediction of electrical loads. - for the first time the method of unification of the type of forecasting models is proposed, which differs in the fact that in the daily schedule of electricity consumption allocated functional areas, with the separate use for them of fuzzy regression analysis, which allows you to get the kind of forecast models at all loads. - for the first time the method of increasing the adequacy of models obtained on the basis of fuzzy regression analysis, which differs from the parity considering the degree of compatibility and the degree of fuzzy description, which will make prediction of electrical loads more qualitative. - for the first time an analytical method for determining the efficiency of the forecast of electricity consumption in electric networks is determined, which allows to perform a comparative analysis of fuzzy regression models of the forecast with models obtained by other methods. The practical significance of the obtained results of work for the electric power industrylies in the developed method of forecasting electricity consumption based on fuzzy regression analysis, which includes the principles of constructing predictive models, algorithmic support, as well as software implemented in a convenient for integration in AMSCA form. The research results are implemented and confirmed by the relevant acts: - PE "Molokozavod-OLKOM" for the analysis of electricity consumption and operational control in order to reduce energy losses in the network of intra-electric power supply. VIII - in the educational process, the main results of the work are included in the relevant disciplines - "Practical engineering training" and "Engineering activities" in the specialty: 8.10010101 - Power engineering of agricultural production. - Azov REM OJSC "Zaporizhiaoblenergo" used a hardware and software complex for the process of long-term and short-term prediction of electrical loads and operational control of the modes of distribution networks. The basic scientific positions on the materials of the dissertation work are published in 15 printed works, including 9 articles in the scientific professional editions of Ukraine (5 in the publications included in the international science-computer bases, 1 ¬ in the edition with the index SCORUS), 6 in the materials of the conferences and workshops. Thesis consists of introduction, abstract, four sections, conclusions, list of used sources and applications. The total volume of the dissertation is 190 pages, among them: 18 figures in the text, 20 tables in the text, the list of used sources contains 115 titles in 12 pages, applications in 19 pages.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 – електричні станції, системи та мережі. – Таврійський державний агротехнологічний університет, Мелітополь, 2017. Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науково-прикладної задачі розроблення сучасного науково-методичного апарату прогнозу споживання електричної енергії в умовах невизначеності, що враховує можливості інформаційного забезпечення автоматизованих систем комерційного обліку електроенергії та особливості окремих споживачів і має на меті підвищення ефективності використання та збереженняелектричної енергії. Вдосконалено метод нечіткого регресійного аналізу для побудови довгострокових прогнозних моделей електричних навантажень в розподільчих мережах. Враховано паритетну участь двох критеріїв ефективності нечітких моделей: степені суміщення та степені нечіткості при побудові прогнозних моделей. Розроблено метод корекції довгострокових прогнозних моделей для короткострокового прогнозу. Запропоновано підхід до побудови виду прогнозних моделей при будь-яких типах навантажень. Аналітично встановлено зв'язок нечітких показників точності прогнозу з відносною середньомодульною похибкою. Розроблену методику апробовано при розробці прогнозних моделей електричного навантаження ряду споживачів з різними типами графіків навантаження. Основні результати дисертації знайшли практичне застосування у вигляді програмно-апаратного комплексу для автоматизації процесу довгострокового та оперативного прогнозування електричних навантажень електроспоживачів, що може інтегруватись інформаційно в автоматизовану систему обліку електроенергії, а також при оперативному керуванні режимами розподільчих мереж.
Dissertation for scientific degree of candidate of technical sciences, specialty 05.14.02 – electric power stations, networks and systems. – Tavricheskiy State Agrotechnology University, Melitopol, 2017. The dissertation devoted to solving actual scientific and technical problem of development of modern science and analytical tools forecast electricity consumption in the face of uncertainty, taking into account the possibility of information support automated systems of commercial accounting of electric power and features of individual consumers and aims to increase efficiency and save electricity. Improved method of fuzzy regression analysis to build long–term forecasting models of electric loads in distribution networks. Included balanced participation of two performance criteria fuzzy models: the degree of combination and degree of fuzziness when building predictive models. The method of correction term predictive models for short–term forecast. An approach to building the type of predictive models in any type of stress. Analytical contacted fuzzy indicators forecast accuracy Mean absolute percentage error. The technique was tested in the development of predictive models of electric load number of consumers with different types of load charts. The main results of the dissertation found practical application in the form of hardware and software to automate the process of long–term and operational forecasting electricity consumers of electrical loads that can integrate information into an automated accounting system of electricity, as well as operational management mode of distribution networks.

Дисертаційна робота присвячена розробці фотонної інтегральної схеми для нейронної мережі. Інтегральні схеми являє собою невід'ємну частину сучасних технологій. Більша частина функціональних одиниць можливо замінити фотонним компоненнтом (діоди, хвилеводи, фільтри та підсилювач) для створення фотонної інтегральної схеми. Фотонні інтегральні схеми мають декілька переваг: мають більшу швидкість обробки та передачі інформації, велику зону пропускання та мають менші втрати енергії. Найбільш розповюдженим є використання гібридних схем, тобто частина елементів інтегральної системи інтегрується фотонними елементами. Перший розділ присвячений дослідженню сучасному розвитку нейронних мереж. Розглянуто апаратні реалізації нейрону та нейронних мереж. Також був проведений патентний пошук моделювання нейрону. У другому розділі розглянуті сучасні архітектури фотонно інтегрльної схеми. Була запропонована нова структура інтегральної схеми, та її технологія виготовлення. Для цього була запропонована структура літографічної установки та сформульоване технічне завдання. Третій розділ присвячений проектуванню літографічної системи. Були проведенні габаритні розрахунки, розрахунок структури оптичної системи. Після проектування провели аналіз системи, а саме проведена оптимізація розрахованої системи, енергетичний розрахунок, та абераційний аналіз. У четвертому розділі оглянуто нейрона мережа Хопфілда, її математична модель. На основі якої була розроблена програма для моделювання мережи Хопфілда та розрахунку вагових коефіцієнтів. П’ятий розділ присвячений експериментальним дослідженням. Був розроблений прототип фотонної інтегральної системи. Були проведені експерименти: дослідження хвилеводів системи для їх подальшого впровадження та дослідження діючого прототипу. Шостий розділ присвячений розробці стартап проекту.
The dissertation is devoted to the development of a photonic integrated circuit for a neural network. Integrated circuits are an integral part of modern technology. Most of the functional units can be replaced by a photonic component (diodes, waveguides, filters and amplifier) to create a photonic integrated circuit. Photonic integrated circuits have several advantages: they have a higher speed of processing and transmission of information, a larger bandwidth and less energy loss. The most common is the use of hybrid circuits, namely part of the elements of the integrated system is integrated by photonic elements. The first section is devoted to the study of modern development of neural networks. Hardware implementations of neurons and neural networks are considered. A patent search for neuronal modeling was also performed. The second section considers modern architectures of the photon integrated circuit. A new structure of the integrated circuit and its manufacturing technology were proposed. For this purpose, the structure of the lithographic installation was proposed and the technical task was formulated. The third section is devoted to the design of the lithographic system. Dimensional calculations, calculation of structure of optical system were carried out. After the design, the system was analyzed, namely the optimization of the calculated system, energy calculation, and aberration analysis. The fourth section examines the Hopfield neural network, its mathematical model. Based on which a program was developed to model the Hopfield network and calculate weights. The fifth section is devoted to experimental research. A prototype of a photonic integrated system was developed. Experiments were performed: the study of the waveguides of the system for their further implementation and the study of the current prototype. The sixth section is devoted to the development of a startup project.

Les objets mobiles connectés prennent une place prépondérante dans notre vie de tous les jours mais l’autonomie énergétique est à ce jour limitée. Ainsi, le développement de dispositifs de stockage d’énergie performants et miniaturisés est un domaine en pleine expansion. Les performances de ces systèmes dépendent des matériaux dont sont constituées leurs électrodes et de l’électrolyte utilisé. Cette thèse est consacrée à la fabrication de micro-supercondensateurs à électrodes interdigitées composées de films minces de nitrure de vanadium (VN) déposé par pulvérisation cathodique. La modulation des paramètres de dépôt a permis de densifier les dépôts afin d’augmenter la conductivité électrique ou, au contraire, de rendre poreuses les couches minces pour favoriser la capacité surfacique. La caractérisation operando par spectroscopie d’absorption X d’un film mince de VN cyclé en milieu aqueux KOH couplée à des analyses de surface (XPS / TOF-SIMS) montre que la capacité élevée du VN est due à l’oxyde de vanadium présent en surface du film. Des micro-supercondensateurs rapportant des performances à l’état de l’art en topologie interdigitée ou face / face ont été fabriqués en utilisant les films de VN optimisés dont nous avons fait varier l’épaisseur pour augmenter les densités d’énergie surfacique. Le dépôt de VN par ALD a été également mis au point dans le cadre de cette thèse afin de pouvoir assurer la formation de couches minces sur des substrats 3D de haute surface spécifique. Enfin, différents liquides ioniques ont été utilisés comme électrolytes afin de faire cycler des électrodes de VN, le but étant la formation d’électrolyte solide basé sur la technologie ionogels
The mobile connected devices have a prominent place in our everyday life but energy autonomy is limited. Thus, the development of efficient and miniaturized energy storage devices is an expanding field. The performance of these systems depends on the used electrode materials and the electrolyte. This thesis is focused on the fabrication of micro-supercapacitors with interdigitated electrodes composed of sputtered vanadium nitride (VN) thin films. The modulation of the deposition parameters allows densifying the thin films in order to increase their electrical conductivity or, on the contrary, leads to the synthesis of porous thin films to increase the surface capacitance. X-ray absorption spectroscopy of VN thin films tested in aqueous KOH in operando configuration coupled with surfaces analyses (XPS/ ToF-SIMS) show that the high capacitance of the VN is due to the presence of thin layer of vanadium oxide at the VN surface. Micro-supercapacitors reporting state-of-art performance in interdigitated or face/face topologies were fabricated using optimized VN films: the film thickness was varied to increase the energy density. The Atomic Layer Deposition of VN layers was also achieved in the frame of this study in order to ensure the formation of thin layers on high specific surface area 3D substrates. Finally, different ionic liquids have been tested as electrolyte, the purpose being solid electrolyte formation based on ionogels technology

Le travail de thèse a pour objectif la conception de micro-supercondensateurs tout-solide à base d’or nanoporeux, intégrés sur substrat de silicium. Dans un premier temps nous avons développé un procédé de formation de films d’or par réduction chimique auto-catalytique. Afin d’augmenter l’adhérence du film d’or sur le substrat de silicium, une couche d’accroche originale a été élaborée par procédé sol-gel. Il s’agit d’un film mince d’oxyde de zirconium (ZrO2) dopé par des nanoparticules d’or. La porosité de ces films d’or a été contrôlée par une méthode de templating à partir de microsphères de polystyrène (Ø ≈ 20 nm). Les films d’or nanoporeux peuvent atteindre 1,2 µm d’épaisseur en l’absence de délamination. La porosité est totalement interconnectée et la taille des pores (20 nm) a été choisie afin d’être compatible avec l’électrolyte utilisé. Le procédé fait uniquement intervenir des méthodes chimiques en solution et est totalement compatible avec les procédés classiques de micro-fabrication. Les films d’or nanoporeux constituant le matériau d’électrodes du micro-supercondensateur, ont été structurés par photolithographie sous la forme de peignes interdigités. L’imprégnation d’un électrolyte polymère gélifié (PVA / KOH) a permis de finaliser la fabrication du micro-supercondensateur tout-solide. Les caractérisations électrochimiques montrent que le micro-dispositif atteint une capacité surfacique de 240 µF/cm² à 20 mV/s, et peut endurer plus de 8000 cycles en ne perdant que 5% de sa capacité initiale. Ces performances sont comparables à celles des micro-supercondensateurs intégrés tout-solide reportées dans la littérature
The thesis work aims at the design of nanoporous gold-based all-solid state micro-supercapacitors, integrated on a silicon substrate. In a first step, we have developed a process for the formation of gold films by auto-catalytic chemical reduction. In order to enhance the adhesion of the gold film to the silicon substrate, an original seed layer was produced by a sol-gel process. It consists in a thin film of zirconium oxide (ZrO2) doped with gold nanoparticles. The porosity of these gold films was controlled by a templating method using polystyrene microspheres (Ø ≈ 20 nm). Nanoporous gold films can reach a 1.2 μm thickness in the absence of delamination. The porosity is completely interconnected and the pore size (20 nm) was chosen in order to be compatible with the used electrolyte. The method only involves wet chemistry processes and is fully compatible with conventional micro-manufacturing processes. The nanoporous gold films constituting the electrode material of the micro-supercapacitor have been structured by photolithography in the form of interdigitated combs. The impregnation of a gelled polymer electrolyte (PVA / KOH) made it possible to finalize the manufacture of the all-solid state micro-supercapacitor. Electrochemical characterizations show that the micro-device reaches a surface capacitance of 240 μF/cm² at 20 mV/s, and can endure more than 8000 cycles, while losing only 5% of its initial capacitance. These performances are comparable to those of the all-solid state integrated micro-supercapacitors reported in the literature

Les supercondensateurs, en tant que dispositifs de stockage d'énergie, ont attiré une grande attention dans notre vie quotidienne pour combler l'écart entre les batteries et les condensateurs. Par conséquent, la préparation d'électrodes en matériaux composites à hautes performances pour les supercondensateurs joue un rôle vital dans leurs futurs développements technologiques. Dans ce contexte, les hydroxydes doubles lamellaires (HDL) et Ni(OH)2 ont été reconnus comme des électrodes prometteuses pour les supercondensateurs en raison de leurs réactions redox rapides et de leur comportement de type batterie.Le chapitre 1 donne un bref aperçu historique ainsi que les principes et le mécanisme de stockage d'énergie, les matériaux d'électrode des supercondensateurs, et les méthodes de caractérisation correspondantes.Le chapitre 2, après un bref rappel sur la synthèse et l’utilisation de matériaux à base d’HDL comme électrodes de supercondensateurs, on décrit la préparation d’HDL à base de Ni comme électrodes pour les supercondensateurs. Premièrement, des HDLs à base de NiFe sur mousse de Ni (NF) recouverte d'oxyde de graphène réduit (LDF NiFe/rGO/NF) ont été préparées par une méthode de dépôt électrochimique. L’électrode NiFe HDL/rGO/NF présente une capacité spécifique de 585 C g-1 à une densité de courant de 5 A g-1. Dans la deuxième partie de ce chapitre, nous décrivons la synthèse hydrothermale d’HDLs à base de NiAl enrobées sur des sphères de carbone (CS) supportées par des électrodes en mousse de Ni (NiAl DHL@CS/NF). La performance des matériaux préparés en tant qu'électrodes sans liant dans des supercondensateurs a été évaluée. Le matériau d'électrode NiAl DHL@CS/NF présente une capacité surfacique de 1042 mC cm-2 à 1 mA cm-2, beaucoup plus élevée comparée aux valeurs de capacités surfaciques de NiFe HDL@CS/NF (705.8 mC cm-2) et de NiCr LDHs@CS/NF (814.9 mC cm-2) à 1 mA cm-2. Enfin, un matériau composite à base de NiMnCr sur un substrat de mousse de nickel recouvert de sphères de carbone (NiMnCr HDL@CS/NF) a été préparée en utilisant un processus hydrothermal en deux étapes. Le nanocomposite ainsi obtenu a été investigué comme électrode dans un supercondensateur et présente une capacité spécifique de 569 C g-1 à 3 A g-1 avec une bonne stabilité. De plus, un supercondensateur hybride a été fabriqué en utilisant NiMnCr HDL@CS/NF comme électrode positive et FeOOH déposé sur NF (FeOOH/NF) comme électrode négative. Le dispositif présente une densité d'énergie de 48 Wh kg-1 à une densité de puissance de 402.7 W kg-1. Dans le chapitre 3, des électrodes sans liant Ni(OH)2@CuO sur une mousse de cuivre ont été synthétisées par un processus en deux étapes à température ambiante. Nous avons étudié l’effet du temps de dépôt (30, 50, 90, 150 et 200 s) sur le comportement électrochimique des électrodes obtenues. Parmi tous les échantillons, Ni(OH)2@CuO@Cu-150 présente la plus grande capacité surfacique de 7063 mC cm-2 à 20 mA cm-2, et a donc été choisi comme électrode positive dans un supercondensateur hybride. En utilisant de l'oxyde de graphène réduit dopé à l’azote sur de la mousse de nickel (N-rGO/NF) comme électrode négative, un supercondensateur hybride a été assemblé. Il présente une bonne flexibilité, une stabilité cyclique et une densité d'énergie surfacique élevée de 130.4 μWh cm-2 à une densité de puissance de 1.6 mW cm-2.Une conclusion générale rappelle les principaux résultats obtenus dans ce travail de thèse sur l'application de composites d'hydroxydes doubles lamellaires à base de Ni en tant qu’électrodes dans des dispositifs de stockage d'énergie, et présente quelques perspectives envisageables à la lumière de ces travaux (chapitre 4)
Supercapacitors, as energy storage devices, have drawn great attention in our daily life to bridge the gap between batteries and capacitors. Therefore, the preparation of high-performance material electrodes for supercapacitors plays a vital role in the future technological developments. In this context, layered double hydroxides (LDHs) and Ni(OH)2 have been recognized as promising electrodes for supercapacitors, owing to their fast redox reaction and battery-type behavior.The Chapter 1 of my PhD work gives a brief historic overview, principles and mechanism of energy storage, electrode materials of supercapacitors and the corresponding characterization methods. In Chapter 2, after a brief introduction on LDHs and their investigation as electrode materials in supercapacitors, we summarize our results obtained on Ni-based LDHs as electrodes for supercapacitors. Firstly, NiFe LDHs on Ni foam (NF) coated with reduced graphene oxide (NiFe LDHs/rGO/NF) was prepared by electrochemical deposition method. NiFe LDHs/rGO/NF achieved enhanced specific capacity (585 C g-1 at a current density of 5 A g-1). Additionally, a flexible asymmetric supercapacitor was assembled using NiFe LDHs/rGO/NF as the cathode and mesoporous carbon (MC) coated on NF as the anode. The supercapacitor exhibited an energy density of 17.71 Wh kg-1 at a power density of 348.49 W kg-1. Secondly, NiAl LDHs coated on carbon spheres (CS) supported by Ni foam (NiAl LDHs@CS/NF) electrodes were synthesized by a facile hydrothermal method. The performance of the prepared materials as binder-free electrodes in supercapacitors was assessed. The NiAl LDHs@CS/NF electrode achieved the largest areal capacity (1042 mC cm-2), as compared to the areal capacity values attained by NiFe LDHs@CS/NF (705.8 mC cm-2) and NiCr LDHs@CS/NF (814.9 mC cm-2) at 1 mA cm-2. Therefore, a hybrid supercapacitor device comprising NiAl LDHs@CS/NF as the positive electrode and N-doped reduced graphene/NF as the negative electrode was assembled, which attained an energy density of 43 μWh cm−2 at a power density of 0.805 mW cm−2. The hybrid supercapacitor was successfully applied to operate a windmill device continuously for 32 s. Finally, NiMnCr LDHs-carbon spheres modified Ni foam (NiMnCr LDHs@CS/NF) nanocomposite was prepared using a two-step hydrothermal process and exhibited a high specific capacity of 569 C g-1 at 3 A g-1 with good reversibility and stability. Furthermore, a hybrid supercapacitor was fabricated using NiMnCr LDHs@CS/NF as the positive electrode and FeOOH coated on NF (FeOOH/NF) as the negative electrode. The energy storage device reached an energy density of 48 Wh kg-1 at a power density of 402.7 W kg-1. In Chapter 3, Ni(OH)2@CuO@Cu foam binder-free electrodes were fabricated by a two-step process at room temperature with various deposition times (30, 50, 90, 150 and 200s). Among all the samples, Ni(OH)2@CuO@Cu-150 exhibited the largest areal capacity of 7063 mC cm-2 at 20 mA cm-2, and was therefore chosen as the positive electrode in a hybrid supercapacitor. Using N-doped reduced graphene oxide on nickel foam (N-rGO/NF) as the negative electrode, a hybrid supercapacitor was assembled. It displayed good flexibility, cycling stability and high areal energy density of 130.4 μWh cm−2 at a power density of 1.6 mW cm−2.In conclusion, all the results obtained in this thesis imply the promising potential application of Ni-based hydroxide composites as energy storage devices and provide valuable highlights to the exploration of new composite materials for supercapacitor electrodes in future works (Chapter 4)

Ces dernières années, les supercondensateurs électrochimiques (SE), en tant que systèmes de stockage d'énergie respectueux de l'environnement, sont confrontés à plusieurs défis liés aux performances, à la fonctionnalité et à la durabilité des matériaux clés. Parmi les différents types de supercondensateurs électrochimiques, les supercondensateurs hybrides combinent des électrodes avec différents mécanismes de stockage. En particulier, la combinaison d’électrodes à double couche (EDLC) et de type batterie devrait offrir une performance électrochimique améliorée. En ce qui concerne les supercondensateurs hybrides à comportement EDLC // type batterie, il a été largement reconnu que les matériaux en carbone, en raison de leur excellente conductivité électrique, de leur stabilité électrochimique et de leur grande surface spécifique, sont les candidats les plus prometteurs pour les matériaux d'électrode avec un comportement de type EDLC. En ce qui concerne les matériaux d'électrodes ayant un comportement de type batterie, il a été prouvé qu'en raison des réactions de transfert de charge faradiques impliquées dans le processus électrochimique, les matériaux à base de métaux de transition ont la capacité de stocker beaucoup de l'énergie et sont des candidats prometteurs pour les matériaux d'électrodes avec un comportement de type batterie. Dans cette thèse, différents matériaux d'électrodes en carbone, tels que l'oxyde de graphène réduit (rGO), l'oxyde de graphène réduit poreux (PrGO) et le polyéthylène-dioxythiophène-Fe-900 (PF-9), ont été préparés par une méthode d'oxydation et de réduction chimiques. De plus, des matériaux d'électrodes composés de métaux de transition, tels que CoS / support carboné (rGO ou PF-9), ZnCoS, ZnS / Ni3S2 et Sb2S3 / CoS2 / CrOOH ont été synthétisés par co-précipitation chimique et méthode d'échange d'ions. Une variété de techniques différentes (MES, MET, DRX, XPS, ICP-AES, BET, Raman) ont été utilisées pour caractériser les propriétés physico-chimiques des matériaux d'électrodes ainsi préparés. Leur performance électrochimique est également évaluée dans une cellule à 3 électrodes. Enfin, des supercondensateurs hybrides ont été assemblés et leur performance électrochimique a été évaluée dans un système à deux électrodes
In recent years, electrochemical supercapacitors (ESs), as environmentally-friendly energy storage systems, are facing several challenges associated with the performance, functionality, and durability of key materials. Among different types of ESs, hybrid supercapacitors, the combination of electrodes with different energy storage mechanisms, especially the combination of electrochemical double layer capacitance (EDLC) and battery-type behavior, are expected to offer enhanced electrochemical performance. Concerning hybrid supercapacitors consisting of EDLC//battery-type electrode materials, carbonaceous materials, owing to their excellent electrical conductivity, electrochemical stability, and large specific surface area, are the most promising candidates for electrode materials with EDLC-type behavior. For electrode materials with battery-type behavior, owing to the faradaic charge transfer reactions involved in the electrochemical process, transition metal compounds can store plenty of energy and represent one of the most promising candidates for electrode materials with battery-type behavior. In this thesis, different carbonaceous materials, such as reduced graphene oxide (rGO), porous reduced graphene oxide (PrGO), and poly-ethylene dioxythiophene-Fe-900 (PF-9), are prepared through chemical oxidation and reduction methods. Moreover, transition metal compounds, such as CoS/carbonaceous support (rGO or PF-9), ZnCoS, ZnS/Ni3S2 and Sb2S3/CoS2/CrOOH, are synthesized via chemical co-precipitation and ion-exchange method. A variety of different techniques, including XPS, SEM, ICP-AES, TEM, XRD, BET, and Raman, are used to investigate the physicochemical performance of as-prepared materials. Their corresponding electrochemical performance is also evaluated through a 3- electrode system. Additionally, hybrid supercapacitors consisting of as-prepared carbon and transition metal electrodes are assembled, respectively, and their electrochemical performance is evaluated through the 2- electrode system

Проведено аналіз факторів, що впливають на ефективність фотогальванічної ферми а саме географічний та кліматичний аналіз району, середньостатистична кількість енергії яка припадає на 1 м2 поверхні, оптимальний кут нахилу сонячної панелі щодо поверхні землі. Досліджено вплив затінення на продуктивність сонячних електростанцій та розглянуто заходи щодо його зменшення. Показано, що слабка затіненість значно менше впливає на потужність однієї сонячної панелі ніж на продуктивність всього стрінгу. Проведено розрахунок необхідного числа фотоелектричних модулів, визначено кількість інверторів та спосіб їх з’єднання в стрінг. Показано, що сумарні втрати фотоелектричної ферми складають 16 %. Вибрано електрообладнання для передачі та перетворення електроенергії. В якості провідних матеріалів вибрано кабель в ізоляції із зшитого полімеру XLPE/PVC 3x300. Проведено вибір комутуючих пристроїв та апаратів захисту.
У даній кваліфікаційній роботі проведено аналіз факторів які впливають на ефективність фотогальванічної ферми. Запропоновано методики для розрахунку ресурсів ресурсів сонячної радіації та дослідження впливу взаємного затінення на втрати потужності фотогальванічної ферми. Проведено розрахунок режиму роботи, визначено оптимальний кут нахилу сонячних панелей. На основі чого було вибрано модель та необхідну кількість інверторів та обладнання для передачі електроенергії. Проведено розрахунок електричних втрат.
In this qualification work the analysis of the factors influencing efficiency of a photovoltaic farm is carried out. Methods for calculating solar radiation resources and studying the effect of mutual shading on the power loss of a photovoltaic farm are proposed. The mode of operation is calculated, the optimal angle of inclination of solar panels is determined. Based on which the model and the required number of inverters and equipment for electricity transmission were selected. The calculation of electrical losses is carried out.
ВСТУП 5 1 АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА 8 1.1 Фотоелектричні елементи та їх види 8 1.2 Технічні характеристики фотоелектричних модулів 11 1.3 Основні характеристики інвертора для фотогальванічної системи 13 1.4 Аналіз факторів, що впливають на потенціал фотогальванічної ферми 16 2 ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКА ЧАСТИНА 18 2.1 Методи для розрахунку ресурсів сонячної радіації 18 2.2 Розрахунок режиму роботи сонячної електростанції 21 2.3 Вибір розташування фотоелектричних модулів сонячної електростанції 24 2.4 Вплив затінення на групу сонячних панелей 24 2.5 Дослідження впливу взаємного затінення на втрати потужності фотогальванічної ферми 30 2.6 Розрахунок виробітку електроенергії з урахуванням взаємного затінювання фотоелектричних модулів 35 3 РОЗРАХУНКОВО-ДОСЛІДНИЦЬКА ЧАСТИНА 42 3.1 Розрахунок кількості фотоелектричних модулів 42 3.2 Розрахунок кількості інверторів 47 3.3 Вибір елементів для внутрішньої мережі фотогальванічної ферми 51 4 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ 57 4.1 Заходи захисту при роботі з електроустановками 57 4.2 Інженерні норми проектування об’єктів енергетики 61 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 63 ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 64

Магістерська дисертація: 81 с., 35 рис., 20 табл., 1 дод., 10 джерел. . Об’єкт дослідження – є створення комп’ютерного засобу, що дозволяє автоматично генерувати реалістичні музичні композиції. В ході роботи було проведено аналіз існуючих методів та підходів до рішення цієї задачі. З усіх проаналізованих були обрані ті, що дають найбільш реалістичні результати та можуть бути реалізовані з використанням доступних обчислювальних ресурсів. Предмет дослідження – нейромережева система, що дозволяє генерувати нову музику на основі поданих композицій, враховуючи тривалість звучання нот та паузи між ними. Мета роботи – генерувати мелодії певного жанру та стилю для подальшого їх використання в любительских проектах, де розробники не мають можливості чи фінансів для створення власних чи покупки існуючих Для демонстрації було згенеровано декілька композицій. Вони дозволяють оцінити переваги та недоліки використаного методу. У ході роботи було проаналізовано існуючі рішення даної задачі, що дало нам змогу обрати найкращий метод та спробувати вдосконалити його.
Master’s thesis explanatory note: 81 p., 35 fig., 20 tables, 1 appendixes, 10 sources. The object of the research is to create a computer tool that allows you to automatically generate realistic music compositions. In the course of the work an analysis of existing methods and approaches to solve this problem was carried out. Out of all analyzed were selected the most realistic results and can be implemented using available computing resources. The subject of the research is a neural network system that allows to generate new music based on submitted compositions, taking into account the duration of the sound of the notes and the pauses between them. The purpose of the work is to generate tunes of a certain genre and style for further use in amateur projects, where developers do not have the ability or finances to create their own or buy existing ones. Several compositions were generated for demonstration purposes. They allow you to evaluate the advantages and disadvantages of the method used. In the course of the work, existing solutions to this problem were analyzed, which allowed us to choose the best method and try to improve it.

Le développement de réseaux de capteurs connectés complexes, miniatures et autonomes nécessite l’élaboration de nouveaux dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie. De tels dispositifs doivent être performants, miniatures et compacts, pouvant être assemblés directement sur une puce électronique. Pour ce faire, les micro-batteries (μ-Bat) à ions lithium et micro-supercondensateurs (μ-SC) peuvent assurer, grâce à leur complémentarité, l’autonomie énergétique des objets connectés miniaturisés. Pour obtenir de tels micro-dispositifs, l’idée est de coupler une électrode de carbone avec une électrode de matériaux pseudocapacitifs. Les carbones poreux dérivés de carbure métallique (CDC) ont été développés ces dernières années et présentent des densités de puissance importantes. Également, le pentoxyde de niobium (Nb2O5), de par son comportement pseudocapacitif, permet de stocker de grandes quantités d’énergie. Dans cette étude, des films minces de Nb2O5 ont été déposés sur substrat de silicium par pulvérisation, puis cristallisés par un traitement thermique rapide en films de Nb2O5 orthorhombique (T-Nb2O5). Le mécanisme d’intercalation rapide des ions lithium dans le matériau T-Nb2O5 a été étudié. Ensuite, des films minces de carbure de titane (TiC) ont été déposés sur substrat de silicium par pulvérisation, puis convertis par chloration partielle en films de TiC-CDC microporeux adhérents. Des micro-supercondensateurs hybrides CDC/Nb2O5 ont été élaborés et étudiés en milieu 1M LiClO4 (EC/DMC : 1/1). Enfin, l’écriture laser sur KaptonTM d’électrodes à base de Nb2O5 et de carbone semble prometteuse pour la réalisation de micro-supercondensateurs flexibles
Continuous development and further miniaturization of electronic devices greatly stimulate the research for miniaturized and compact electrochemical energy storage (EES) devices, allowing thus the development of autonomous, sustainable and connected devices. Small footprint storage sources should be sufficient efficient in terms of power, autonomy and lifespan and fixed directly on chip. To fulfil the requirements, the combination of a micro-battery (μ-Bat) with a micro- supercapacitor (μ-SC) would constitute an ideal EES microdevice where μ-Bat is dedicated to long-term applications and μ-SC ensures power demand. As promising electrode candidate for high power microdevice, carbide-derived carbons (CDCs) have been identified to load to important capacitance gains. In addition, niobium oxide (Nb2O5) stores higher levels of charges and offers the prospect of achieving energy densities of Li-ion battery materials but with the ability to operate at high power. In the present study, Nb2O5 thin films were deposited on silicon wafer by sputtering and crystallized by a rapid thermal annealing into an orthorhombic phase T-Nb2O5. We investigated porous T-Nb2O5 in which rapid insertion of lithium throughout the entire material. Then, titanium carbide (TiC) thin films were deposited on silicon wafer by sputtering and partial chlorinated into strongly adherent TiC-CDC films. Hybrid micro-supercapacitors CDC/Nb2O5 were successfully prepared and characterized in 1M LiClO4 (EC/DMC : 1/1). Finally, direct laser writing onto KaptonTM of Nb2O5 and carbon-based electrodes open the way for the design of flexible micro-supercapacitors

Тема енергоефективності та енергозбереження стала центральною в сучасній світлотехніці. Останнім часом більшість індустріально розвинених країн світу здійснюють заходи з енергозбереження за рахунок сфери освітлення. Процес масового впровадження енергозберігаючих світлотехнічних виробів отримав додатковий стимул для розвитку, в зв'язку з появою нових джерел світла - світлодіодів. Світлодіоди володіють високою ефективністю, можливістю отримання широкого спектру кольорів, високим коефіцієнтом передачі кольору, екологічно безпечні, а також мають тривалий термін служби. Для забезпечення тривалого терміну служби, високої надійності і стабільності характеристик світлодіодного світильника необхідно використовувати джерело живлення, що перетворює змінну напругу мережі в постійну. На сьогоднішній день відомо велика кількість різних схем живлення світлодіодних джерел світла. Одними з основних вимог до таких схем є високі енергетичні показники. До таких показників відносяться коефіцієнт корисної дії і коефіцієнт потужності.
У даній кваліфікаційній роботі проведено аналіз схем живлення світлодіодів та методів підвищення коефіцієнту їх потужності. Проаналізовано вплив величини струму та температури на світлотехнічні та енергетичні параметри світлодіодів. Запропоновано експериментальні методики і проведені комплексні дослідження світлодіодів, в яких встановлено ступінь впливу температури p-n переходу та струму на світлотехнічні характеристики світлодіодів. На основі чого визначені режими живлення світлодіодів, для забезпечення кращих техніко-економічних показників. Розроблено математичну модель джерела живлення світлодіодів, та проаналізовано вплив різних параметрів схеми на його характеристики.
In this qualification work the analysis of power supply schemes of LEDs and methods of increase of their power factor is carried out. The influence of current and temperature on lighting and energy parameters of LEDs is analyzed. Experimental methods are offered and complex researches of light-emitting diodes in which the degree of influence of temperature of p-n transition and current on light- engineering characteristics of light-emitting diodes is established are carried out. On the basis of which the modes of power supply of LEDs are defined, for maintenance of the best technical and economic indicators. A mathematical model of the LED power supply has been developed, and the influence of various circuit parameters on its characteristics has been analyzed.
ВСТУП ...5 1 АНАЛІТИЧНИЙ РОЗДІЛ ...8 1.1 Загальні характеристики потужних світлодіодів ...8 1.2 Аналіз схем джерел живлення для світлодіодів ...12 1.3 Аналіз методів підвищення коефіцієнта потужності ...14 1.4 Аналіз впливу температури на світлотехнічні параметри світлодіода ...16 1.5 Аналіз методів підвищення коефіцієнта корисної дії джерела живлення... 19 1.6 Висновки до розділу...20 2 ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ ...21 2.1 Методика і результати вимірювань світлової віддачі світлодіода при живленні імпульсним струмом при різних температурах ...21 2.2 Проблеми нагріву світлодіодів та шляхи їх вирішення ...27 2.3 Проектування радіаторів з оптимальними масогабаритними параметрами...28 2.3.1 Теплова модель ребристого радіатора...29 2.3.2 Оптимізація масогабаритних параметрів радіаторів...32 2.4 Вибір схеми живлення світлодіодного модуля ...35 2.5 Теоретичний аналіз процесів і попередній розрахунок схеми джерела живлення СД ....36 2.6 Висновки до розділу ...44 3 РОЗРАХУНКОВО-ДОСЛІДНИЦЬКИЙ РОЗДІЛ ...46 3.1 Розробка математичної моделі джерела живлення світлодіодів ...46 3.2 Дослідження математичної моделі ...49 3.3 Висновки до розділу ...62 4 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ ...63 4.1 Правила техніки безпеки при експлуатації світлотехнічного обладнання...63 4.2 Стійкість роботи об’єктів господарювання...65 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ...68 ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ ...69

Розроблено модель трилопатевого вітроколеса вітроенергетичної установки, яка перетворює енергію вітру в механічну енергію обертання валу вітроколеса. Показано, що максимальне значення коефіцієнта використання енергії вітру не перевищує 0,43. Проведено розрахунок параметрів для моделі асинхронного генератора з короткозамкненим ротором на основі асинхронної машини марки АИР 132М8. Розроблена імітаційна модель вітроелектричної установки з асинхронним генератором дозволила визначати режими роботи при активному навантаженні як при постійній, так і при змінній швидкості вітру.
У даній кваліфікаційній роботі виконано розробку імітаційної моделі вітроелектричної установки і в середовищі МАТLАВ\Simulink, для відтворення реальних фізичних процесів з допустим ступенем достовірності. Розроблено блок схеми для моделювання основних вузлів ВЕУ; вітрового колеса, редуктора, асинхронного генератора з короткозамкнутим ротором. Проведено імітаційне моделювання при постійній та змінній швидкості вітру. Визначено основні енергетичні параметри моделі.
In this qualification work, a simulation model of a wind power plant was developed in the MATLAB \ Simulink environment to reproduce real physical processes with an acceptable degree of reliability. The block diagram for modeling of the main units of wind turbines is developed; wind wheel, reducer, asynchronous generator with short-circuited rotor. Simulation at constant and variable wind speeds was performed. The main energy parameters of the model are determined..
ВСТУП ...6 1 АНАЛІТИЧНИЙ РОЗДІЛ ...9 1.1Аналіз енергетичного потенціалу вітру в Україні та в Тернопільській області ... 10 1.2 Типи вітрових електростанцій ...11 1.3 Класифікація вітроустановок ...12 1.4 Конструктивні елементи вітроелектричних установок з горизонтальною віссю обертання ...14 1.5 Особливості експлуатації вітроенергетичних установок ...17 1.6 Висновки до розділу...19 2 ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ ...20 2.1 Обґрунтування вибору програмного забезпечення для розробки імітаційної моделі вітроелектричної установки ...20 2.2 Математичний опис моделі вітрового колеса ...22 2.3 Вибір та розрахунок генератора...27 2.4 Математична модель асинхронної машини в середовищі Simulink...31 2.5 Визначення параметрів асинхронного генератора за даними каталогу. ... 34 2.6 Самозбудження асинхронного генератора ...37 2.7 Вибір редуктора та розробка його моделі ...40 2.8 Висновки до розділу ...43 3 РОЗРАХУНКОВО-ДОСЛІДНИЦЬКИЙ РОЗДІЛ ...44 3.1 Представлення математичної моделі вітроустановки в середовищі МАТLАВ\Simulink...44 3.2 Дослідження роботи вітроустановки при постійних вхідних параметрах...47 3.3 Моделювання роботи вітроустановки при змінних вхідних параметрах ... 50 3.4 Методи оптимального управління ВЕУ за критерієм енергетичної ефективності...52 3.5 Висновки до розділу ...55 4 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ ...56 4.1 Загальні правила безпеки при монтажі вітроенергетичної установки ...56 4.2 Організація цивільного захисту на об’єкті господарської діяльності. ...58 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ...62 ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ ...63

В дисертації вперше отримані такі нові наукові результати: 1. Запропоновано метод автоматизованої обробки послідовності термограм, отриманих у результаті активного теплового контролю багатошарових матеріалів, який використовує нейромережеві технології для аналізу температурних профілів у кожній точці об’єкту та дозволяє одночасно проводити класифікацію знайдених дефектів, вимірювати їх глибину залягання та розкрив. 2. Набув подальшого розвитку метод синтезу нейронної мережі прямого розповсюдження зі зворотним поширенням помилки, який враховує залежності достовірності контролю та точності дефектометрії від архітектури та алгоритмів навчання нейронної мережі, що дозволило обґрунтувати вибір кількості прихованих прошарків нейронної мережі, кількості нейронів у цих прошарках та оптимального за показником середньоквадратичної помилки мережі алгоритму навчання. 3. Удосконалено метод формування навчального набору даних, який враховує залежності достовірності класифікації дефектів у багатошарових матеріалах, похибок визначення їх глибини залягання і розкриву від параметрів вибірки навчальних сигналів, що дозволило мінімізувати час навчання нейронної мережі без погіршення достовірності автоматизованої класифікації дефектів та точності дефектометрії. Практичне значення одержаних в дисертаційній роботі результатів полягає в тому, що було розроблено алгоритмічне і програмне забезпечення реалізації підсистеми визначення характеристик дефектів за результатами активного ТНК із використанням вдосконаленого методу на базі нейромережевих технологій, що дозволило автоматизувати класифікацію дефектів і побудову теплових томограм, підвищити точність теплової дефектометрії і достовірність контролю у порівнянні з існуючими методами. Розроблено віртуальний інтерфейс користувача, який містить інструменти для проведення дефектометрії та аналізу теплових томограм, що дало змогу покращити ефективність аналізу результатів контролю. Для розробленої системи експериментально визначено архітектуру та параметри навчання нейромереж, за яких досягається найвища достовірність класифікації дефектів та точність вимірювання їх характеристик. Розроблено та виготовлено експериментальний стенд та дослідні зразки для проведення активного теплового контролю і аналізу результатів із використанням удосконаленого методу визначення характеристик дефектів на основі нейронних мереж, що дозволило відпрацювати програмні алгоритми та підтвердити ефективність даного методу. У дисертаційній роботі описано особливості та проблеми теплового контролю виробів із багатошарових матеріалів. Показано, що на сучасному етапі розвитку методів теплового неруйнівного контролю важливим завданням є не лише виявлення та визначення координат і поперечних розмірів дефектів багатошарових матеріалів, але і вимірювання їх глибини залягання та розкриву. Проведено аналіз факторів, які впливають на результати теплового контролю та описано характер взаємозв’язків між інформативними параметрами. Розглянуто традиційні математичні та статистичні методи теплової дефектометрії та встановлено їх недоліки. Описано, що аналітичний розв’язок обернених задач теплового контролю в ряді випадків є неоднозначним. Особливо низьку ефективність традиційні методи та побудовані на їх основі системи теплової дефектометрії мають у випадку контролю багатошарових матеріалів. В роботі проведено порівняльний аналіз стандартних та спеціальних методів цифрової обробки термограм. Розглянуто методи Фур’є-аналізу, вейвлет-аналізу, аналізу головних компонент та динамічної теплової томографії. Показано, що дані методи мають низьку завадостійкість, сильну залежність результатів від вибору опорної точки та рівномірності нагріву об’єкту контролю. Окрім того, розглянуті традиційні методи обробки термограм не дозволяють проводити автоматичну класифікацію дефектів за типом та визначати їх розкрив. У дисертаційній роботі описано можливості використання штучних нейронних мереж для удосконалення методів визначення характеристик дефектів. Розглянуто особливості побудови нейромережевих систем для вирішення задач класифікації дефектів та визначення їх глибини залягання і розкриву. Проведено порівняння ефективності роботи нейронних мереж та традиційних методів обробки термограм. Показано переваги нейронних мереж над традиційними алгоритмами. Розглянуто найбільш перспективні області застосування нейромережевих систем аналізу результатів активного теплового неруйнівного контролю. Проведено аналіз існуючих робіт за напрямом теплового контролю композитів. Показано, що у відомій літературі не вирішуються завдання одночасної класифікації дефектів за типом та визначення їх глибини залягання і розкриву; не досліджено способи визначення глибини залягання дефектів або їх розкриву шляхом вирішення задачі регресії за допомогою нейронних мереж; не вирішується завдання побудови теплових зображень внутрішньої структури об’єкту контролю. Сформовано мету дослідження у вигляді автоматизації процесу активної теплової дефектоскопії та дефектометрії із застосуванням нейромережевих технологій, що забезпечуватиме підвищення інформативності, достовірності та ефективності контролю виробів із багатошарових матеріалів. З метою удосконалення методів активної теплової дефектоскопії і дефектометрії та автоматизації обробки даних в дисертації обґрунтовано та розроблено підсистему цифрової обробки термограм, що складається з трьох нейромережевих модулів. Описано можливість використання багатошарових нейронних мереж прямого розповсюдження зі зворотним поширенням помилки з повнозв’язними прошарками у складі модуля виявлення та класифікації дефектів та модулів визначення глибини залягання і розкриву дефектів. Сформовано алгоритми формування навчальних множин для задач класифікації дефектів та визначення їх глибини залягання і розкриву. Описано процедуру навчання нейромережевих модулів та розроблено відповідне програмне забезпечення в середовищі MATLAB. Виконано програмну реалізацію віртуальних приладів в середовищі NI LabVIEW, в яких втілено алгоритми роботи нейромережевих модулів та пост-обробки результатів. Створено графічний інтерфейс користувача, який містить елементи керування, інструменти для проведення дефектометрії та блоки графічного відображення інформації щодо положення дефектів та внутрішньої структури об’єкту контролю. На основі проведеного комп’ютерного моделювання процесу активного теплового контролю алюмінієвої пластини зі штучними внутрішніми дефектами отримано послідовності термограм. Встановлено, що внаслідок впливу високого рівня теплової дифузії та нерівномірності нагріву обробка отриманих послідовностей термограм традиційними методами є ускладненою та малоефективною. В результаті досліджень доведено, що розроблена автоматизована нейромережева система має покращені якісні та кількісні показники ефективності у порівнянні з традиційними методами. У роботі проведено комп’ютерне моделювання процесу активного теплового контролю зразка із багатошарового вуглепластику зі штучними внутрішніми дефектами. За результатами досліджень ефективності обробки отриманих послідовностей термограм різними методами встановлено, що розроблена нейромережева система забезпечує найвищі показники якості класифікації дефектів та точності дефектометрії серед розглянутих методів. Досліджено вплив архітектури нейронних мереж на результати роботи нейромережевих модулів розробленої системи у випадку обробки даних комп’ютерного моделювання. Дослідження показали, що найбільш оптимальним є використання двох прихованих прошарків з 12 нейронами в першому та 4 нейронами в другому прошарках. Встановлено, що із доступних алгоритмів навчання найбільш ефективним за показником середньоквадратичної помилки мережі є оптимізатор Левенберга-Маркарда. Проведено дослідження впливу обсягу та якості навчальної вибірки на результати роботи нейромережевих модулів. Встановлено кількісні значення погіршення показників ефективності роботи системи. У випадку зменшення кількості навчальних зразків в чотири рази, на 7,55 % знижується значення критерію Танімото та на 14,74 % зростає відносна похибка визначення глибини залягання дефектів. Водночас, в чотири рази зменшується час навчання. Аналогічні результати отримано і для випадку зменшення репрезентативності вибірки. Розроблено та виготовлено 2 тестових та 5 навчальних зразків у вигляді пластин із багатошарових композиційних матеріалів, які містять штучні внутрішні дефекти з відомими параметрами. Зразки використовувались для проведення експериментальних досліджень ефективності роботи розробленої автоматизованої системи. Для проведення експериментів було виготовлено стенд для проведення активного теплового контролю за схемою з двостороннім доступом до об’єкту. За результатами експериментальних досліджень встановлено, що в реальних умовах архітектура нейронних мереж відповідних модулів має бути ускладнена до 35 нейронів в першому та 15 нейронів в другому прихованому прошарках. Дослідження показали, що розроблена система дозволяє проводити безпомилкове виявлення та класифікацію дефектів за типом. Оцінка глибини залягання та розкриву дефектів із використанням розробленої системи відбувається з максимальною похибкою ±3,19 % та 3,50 % відповідно. Доведено, що розроблена система має підвищену достовірність контролю та точність дефектометрії у порівнянні з традиційними алгоритмами навіть в умовах нерівномірного нагріву. На основі результатів досліджень сформульовано рекомендації щодо методики контролю із використанням розробленої автоматизованої системи. Ключові слова: неруйнівний контроль, тепловий контроль, теплова дефектометрія, теплова томографія, теплове поле, композиційні матеріали, нейронні мережі, нейромережевий класифікатор, мережа прямого розповсюдження, зворотне поширення помилки, машинне навчання.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 141 "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020 р. Дисертаційна робота присвячена підвищенню експлуатаційних характеристик суднових кабелів за рахунок технологічних режимів охолодження та радіаційного опромінення ізоляції і оболонки на основі сучасних, які не поширюють полум'я, безгалогенних полімерних композицій, що забезпечують необхідний комплекс електричних, фізико-механічних параметрів при відповідному контролі технологічних процесів. Для досягнення цієї мети були поставлені задачі: – довести доцільність поступового охолодження поліетиленової ізоляції високовольтних силових кабелів для забезпечення як експлуатаційних параметрів, так і стабільності характеристик в процесі експлуатації; – обґрунтувати застосування методу електротеплової аналогії для побудови математичної моделі охолодження ізольованої струмопровідної жили з урахуванням розподілу температури по товщині ізоляції в несталому тепловому режимі; – розробити методику розрахунку технологічних параметрів режиму охолодження силових кабелів, що ґрунтується на розрахунку нелінійної теплової схеми заміщення ізольованої струмопровідної жили в несталому тепловому режимі з урахуванням залежності від температури теплового опору і теплоємності ізоляції методами дискретних резистивних схем заміщення і вузлових потенціалів; – визначити вплив технологічних режимів охолодження на розподіл температури по товщині екструдованої ізоляції та обґрунтувати тривалість перехідного процесу, що відповідає досягненню однакової температури по всій товщині ізоляції силових кабелів різного конструктивного виконання в різні моменти часу в залежності від температури води, що охолоджує; – експериментально перевірити ефективність виявлення технологічних дефектів в конструкції силового суднового кабелю за характеристиками часткових розрядів; – створити методику оптимізації силового суднового кабелю коаксіальної конструкції для забезпечення максимального розсіювання потужності теплового потоку в навколишнє середовище, що обумовлює збільшення струмового навантаження, за умови теплової стійкості ізоляції; – довести ефективність застосування захисної полімерної оболонки з високими теплопровідними властивостями для підвищення струмового навантаження силових суднових кабелів; – визначити вплив енергії прискорених електронів на механічні та електричні характеристики суднових кабелів та встановити діапазон коефіцієнта опромінення ізоляції, що забезпечує підвищення експлуатаційних характеристик, на підставі кореляційного зв'язку між електричними та механічними характеристиками радіаційно-модифікованої високонаповненої антипіренами безгалогенної композиції на основі співполімеру етилен-вінілацетату; – перевірити ефективність розподілу поглиненої дози по периметру й довжині при радіаційному опроміненні суднових кабелів за результатами фізико-механічних та теплових випробувань безгалогенної, яка не поширює полум'я, полімерної захисної оболонки кабелю; – визначити на підставі прискореного теплового старіння теплову стійкість радіаційно-модифікованої безгалогенної, яка не поширює полум'я, полімерної захисної оболонки, для прогнозування строку служби суднових кабелів та обґрунтувати можливість роботи в умовах підвищеної вологості і високих робочих температур неекранованого кабелю на основі неекранованих кручених пар з термопластичними ізоляцією і захисною оболонкою. Об'єкт дослідження – технологічні режими охолодження та радіаційного опромінення електричної ізоляції суднових кабелів, виготовленої з наповненої антипіренами безгалогенної композиції на основі поліолефінів. Предмет дослідження – експлуатаційні електричні, фізико-механічні та теплові характеристики полімерної ізоляції і оболонки, на основі наповненої антипіренами безгалогенної композиції, суднових кабелів. Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження базуються на використанні методів чисельного та фізичного моделювання технологічних режимів охолодження та радіаційного опромінення прискореними електронами електричної полімерної ізоляції та захисної оболонки суднових кабелів. Методи теорії нестаціонарної теплопровідності для розрахунку режиму охолодження полімерної ізоляції кабелю. Диференційні рівняння теплопровідності та електропровідності. Метод електротеплових аналогій для визначення розподілу температури по товщині ізоляції в різні моменти часу, в залежності від температури води, що охолоджує судновий силовий кабель. Нелінійні теплова та електрична схеми заміщення ізольованої струмопровідної жили в перехідному тепловому режимі. Неявний метод Ейлера та метод вузлових потенціалів для отримання розподілу температури по товщині ізоляції кабелю. Метод оптимізації конструкції силового кабелю за умови забезпечення охолодження в експлуатації для підвищення струмового навантаження. Рівняння теплового балансу для визначення теплової стійкості ізоляції в експлуатації. Теорія радіаційного зшивання для визначення оптимальної дози опромінення полімерної ізоляції. Теорія теплового старіння ізоляції для прогнозування строку служби суднових кабелів в експлуатації. Апроксимація експериментальних електричних, фізико-механічних й теплових характеристик радіаційно-модифікованої ізоляції суднових кабелів. Кореляційний та регресійний аналіз електричних, механічних й теплових характеристик в процесі радіаційного модифікування полімерної ізоляції та захисної оболонки суднових кабелів. Техніка реєстрації часткових розрядів у високовольтній твердій полімерній ізоляції для виявлення дефектів на технологічній стадії виготовлення силових суднових кабелів. В роботі отримані такі наукові результати. У дисертаційній роботі вирішено науково-практичну задачу з підвищення експлуатаційних характеристик суднових кабелів за рахунок технологічних режимів охолодження та опромінення електричної ізоляції на основі сучасних безгалогенних полімерних композицій, які не поширюють полум'я. Удосконалено математичну модель технологічного процесу охолодження ізольованої струмопровідної жили в несталому тепловому режимі шляхом урахування температурної залежності теплофізичних характеристик полімерної ізоляції підчас розрахунку розподілу температури по товщині поліетиленової ізоляції в різні моменти часу в залежності від температури води при поступовому охолодженні, що дозволило визначити умови для забезпечення стабільних характеристик суднового силового кабелю в експлуатації. Запропоновано критерій для визначення технологічних параметрів режиму охолодження силових суднових кабелів, який являє собою час перехідного процесу охолодження ізольованої струмопровідної жили для досягнення однакової температури по всій товщині полімерної ізоляції. Встановлено оптимальну товщину полімерної захисної оболонки за умови довготривалої теплової стійкості радіаційно-зшитої ізоляції на основі поліолефінів, що забезпечує підвищення на 30 % струмове навантаження силового суднового кабелю коаксіальної конструкції. Визначено діапазон коефіцієнта опромінення прискореними електронами безгалогенної, що не поширює полум'я ізоляції суднових кабелів, що гарантує підвищення електричного опору радіаційно-модифікованої полімерної ізоляції більш ніж в два рази, пробивної напруги на постійному струмі в 1,3 рази відносно неопроміненого стану. Встановлено кореляцію між механічними і електричними характеристиками радіаційно-модифікованої ізоляції з безгалогенної композиції на основі поліолефінів, в залежності від лінійної швидкості проходження кабелю під пучком електронів при незмінному струмі пучка електронів. Встановлено, в залежності від технологічних параметрів режиму опромінення суднових кабелів, розподіл поглиненої дози по периметру і довжині полімерної захисної оболонки з безгалогенної композиції, яка не поширює полум'я, що дозволяє визначити дозу опромінення кабелів, яка забезпечує підвищення стійкості захисної оболонки до дії агресивних хімічних речовин при збереженні високих фізико-механічних характеристик Експериментально, на підставі прискореного старіння неекранованого кабелю на основі неекранованих кручених пар, з термопластичної поліетиленової ізоляції в захисній оболонці на основі полівінілхлоридного пластикату за умови адекватного старіння в експлуатації, доведено стійкість конструкції до підвищеної температури та вологості, що дозволяє прогнозувати строк служби суднових кабелів в залежності від робочої температури. Розроблено методику розрахунку технологічних параметрів режиму охолодження силових кабелів, що ґрунтується на розрахунку нелінійної теплової схеми заміщення ізольованої поліетиленом струмопровідної жили в несталому тепловому режимі, з урахуванням залежності від температури теплового опору і теплоємності, методами дискретних резистивних схем заміщення і вузлових потенціалів. Запропонована методика та алгоритми можуть бути застосовані для визначення технологічних режимів охолодження полімерної ізоляції кабелів без застосування дороговартісних натурних експериментів, що особливо важливо при освоєнні нових матеріалів та конструкцій, а також при модернізації існуючого на кабельних підприємствах обладнання, для охолодження силових, симетричних, радіочастотних та оптичних кабелів. Доведено ефективність реєстрації часткових розрядів у високовольтній твердій ізоляції для виявлення дефектів на технологічній стадії виготовлення силових суднових кабелів, а також для налаштування технологічного процесу охолодження. Розроблено методику розрахунку теплопередачі в одножильному силовому кабелі коаксіальної конструкції на підставі критеріальних рівнянь природної конвекції, для оптимізації конструкції силового суднового кабелю, для забезпечення максимальної лінійної щільності теплового потоку, що розсіюється з поверхні кабелю. Показано ефективність застосування полімерних матеріалів на основі мікро- і нанокомпозитів з високими теплопровідними властивостями для захисної оболонки силових високовольтних суднових кабелів, що забезпечують збільшення розсіювання кабелем теплової потужності на 30 %. Встановлено, що енергія прискорених електронів на рівні 0,5 МеВ забезпечує більш високий ступінь зшивання полімерної безгалогенної ізоляції на основі високонаповненої антипіренами композиції в порівнянні з енергією 0,4 МеВ при однаковому коефіцієнті опромінення, струмі пучка і кількості проходів ізольованої жили під пучком електронів. Доведено підвищення механічної міцності при розтягуванні, електричного опору ізоляції та пробивної напруги на постійному струмі радіаційно-модифікованої полімерної безгалогенної ізоляції з коефіцієнтом опромінення 5–7 м/(мА∙хв) при сталому значенні відносного подовження при розриві ізоляції на рівні не менше 120 %, що забезпечує компроміс між еластичністю і жорсткістю суднового кабелю. Встановлено зростання в 1,5–2 рази часу досягнення критичного параметра – відносного подовження при розриві радіаційно-модифікованої полімерної захисної оболонки на основі безгалогенної композиції, в порівнянні з не модифікованою термопластичною оболонкою, що еквівалентно збільшенню строку експлуатації в 1,5–2 рази суднового контрольного кабелю в області максимальних робочих температур. Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі електроізоляційної та кабельної техніки Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" при підготовці бакалаврів та магістрів за спеціальністю "141 – електроенергетика, електротехніка та електромеханіка" спеціалізації "141.04 Електроізоляційна, кабельна та оптоволоконна техніка"; у ТОВ "Азовська кабельна компанія" (м. Бердянськ) при розробці і визначенні оптимальних технологічних параметрів режимів виготовлення безгалогенних суднових кабелів, що не розповсюджують горіння, асоціації "Укрелектрокабель", в ПАТ "Завод "Південкабель". Дисертаційна робота виконана в ПрАТ "Український науково-дослідний інститут кабельної промисловості" (м. Бердянськ) та на кафедрі електроізоляційної та кабельної техніки Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" (м. Харків), згідно програм наукових досліджень ПрАТ "Український науково-дослідний інститут кабельної промисловості" (ПМ ЕИЮВ.505.564–2018 "Вивчення термічної стійкості оболонки кабелю марки СПОВЕнг-FRHF 12x2,5 до та після опромінення швидкими електронами", ПМ ЕИЮВ.505.584–2019 "Визначення величини та розподілу поглиненої дози при радіаційному модифікуванні оболонки суднових кабелів, що не розповсюджують полум'я"), де здобувач був одним з розробників і виконавців програм.
Ph.D. thesis undertaken in research specialization 141 "Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electric Mechanics" (14 – Electrical Engineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to increasing of the operational properties of shipboard cables due to the technological modes of cooling and electron beam irradiation of insulation and sheath based on modern flame retardant halogen-free polymeric compounds, which provide the necessary complex of electrical, physical and mechanical properties with appropriate control of technological processes. To achieve this, the following tasks were set: – to prove the expediency of gradual cooling of polyethylene insulation of high-voltage power cables to ensure both operational parameters and stability of properties during operation; – to substantiate the application of the method of electro-thermal analogy for the construction of a mathematical model of cooling of insulated conductor taking into account the temperature distribution over the thickness of insulation in a non-constant thermal mode; – to develop a method of calculating the technological parameters of the cooling mode of power cable, based on the calculation of a nonlinear thermal equivalent circuit of insulated conductor in a non-constant thermal mode, taking into account dependence the thermal resistance and heat capacity of the insulation from the temperature by methods of discrete resistive equivalent circuits; – to determine the influence of technological cooling modes on the temperature distribution in the thickness of extruded in sulation and to justify the duration of the transition process, which corresponds to achievement of the same temperature over the entire thickness of power cables insulation various design at different time points, depending on the cooling water temperature; – to verify experimentally the efficiency of detecting technological defects in the design of the power shipboard cable by partial discharges values; – to create a methodology for optimizing the power shipboard cable with coaxial construction to ensure maximum heat flow power dissipation into the environment, which causes an increase in current load, if insulation thermal resistance provided; – to prove the efficiency of the use a protective polymer sheath with high thermal conductive properties to increase the current load of power shipboard cables; – to determine the effect of accelerated electron beam energy on the mechanical and electrical properties of shipboard cables and determine the irradiation coefficient range for insulation which provides an increase of operational characteristics, on the basis of correlation between the electrical and mechanical properties of filled with flame retardants halogen-free compound based on ethylene-vinyl acetate modified by electron beam; – to verify the efficiency of absorbed dose distribution along the perimeter and length of shipboard cables after irradiation according to obtained results of mechanical and thermal tests of polymeric halogen-free flame retardant protective sheath of cable; – to determine the thermal stability of the halogen-free flame-retardant polymeric protective sheath modified by irradiating, on basis of accelerated thermal aging, to predict the service life of shipboard cables and to substantiate the possibility of operation in conditions with high humidity and high operating temperatures for unscreened cable with unscreened twisted pairs and thermoplastic insulation and protective sheath. Object of research – technological modes of cooling and irradiation of electrical insulation of shipboard cables, based on halogen-free filled with flame retardants polyolefin compound. Subject of research – electrical, mechanical and thermal operational properties of the shipboard cables polymer insulation and sheath based on filled with flame retardants halogen-free compounds. Research methods. Theoretical and experimental studies are based on the use of methods of numerical and physical modeling of technological modes of cooling and electron beam irradiation of polymeric electrical insulation and protective sheath of shipboard cables. Methods of theory of non-stationary thermal conductivity to calculation of cooling mode of polymeric cable insulation. Differential equations of thermal conductivity and electrical conductivity. The method of electro-thermal analogies to determine the temperature distribution in the thickness of insulation at different time points, depending on the temperature of cooling water for shipboard power cable. Nonlinear thermal and electrical equivalent circuits of insulated conductor in transient thermal mode. Implicit Euler method and nodal potentials method for obtaining temperature distribution in thickness of cable insulation. A method of optimizing the design of the power cable provided cooling during operation to increase the current load. Thermal balance equation to determining the thermal resistance of insulation during operation. Irradiation crosslinking theory to determine the optimal irradiation dose of polymeric insulation. The theory of thermal aging of insulation to predict the service life of shipboard cables. Approximation of experimental electrical, mechanical and thermal properties of modified by irradiation insulation of shipboard cables. Correlation and regression analysis of electrical, mechanical and thermal properties after modification by irradiation of polymeric insulation and protective sheath of shipboard cables. Partial discharge detection technique in high voltage solid polymeric insulation for defect detection on technological stage of production power shipboard cable. The following scientific results are obtained in the work. The dissertation solves the scientific and practical problem of increasing the operational properties of shipboard cables due to the technological modes of cooling and irradiation of electrical insulation based on modern halogen-free flame retardant polymeric compounds. The mathematical model of technological process of cooling insulated conductor in unsteady thermal mode, by taking into account dependence of thermal and physical characteristics of polymeric insulation from the temperature, for determine the temperature distribution throughout the thickness of polyethylene insulation at different time points depending on water temperature under gradual cooling, has been improved. Mathematical model allows to determine the conditions for ensuring stable characteristics of the shipboard power cable during operation. The criterion for determination of technological parameters of the cooling mode of power shipboard cables, which is the time of the transitional process of cooling the insulated conductor to achieve an equal temperature throughout the thickness of the polymeric insulation, is proposed. The optimum thickness of the polymeric protective sheath on condition of long-term thermal stability of irradiated cross-linked based on polyolefin insulation has been established. It provides a 30 % increase current load of the coaxial design shipboard power cable. The range of irradiation coefficient for halogen free flame retardant insulation of shipboard cables when guarantees increasing electrical resistance of polymeric insulation modified by electron beam more than twice, the breakdown direct current voltage 1,3 times relative to the non-irradiated condition, is determined. The correlation between mechanical and electrical properties of halogen-free based on polyolefin insulation modified by electron beam, depending on the linear velocity of the cable under the electron beam and constant value of electron beam current. The distribution of the absorbed dose along the perimeter and length of the halogen-free flame retardant polymeric protective sheath depending on the technological parameters of the irradiation modes of shipboard cables, is established and allows to determine the irradiation dose for cables, when protective sheath provides increasing the resistance to aggressive chemicals while high physical and mechanical properties is still available. The stability of the cables structure to high temperature and humidity is experimentally proved on the basis of accelerated aging of unscreened cable with unscreened twisted pairs, with thermoplastic polyethylene insulation and protective polyvinylchloride sheath with adequate aging during operation. It allows predicting the service life of shipboard cables depending on the operating temperature. A technique for calculating the technological parameters of the power cable cooling mode by the methods of discrete resistive equivalent circuits has been developed. A technique based on the calculation of a nonlinear thermal scheme of substitution of conductor with polyethylene insulation in a non-constant thermal mode, taking into account the dependence of thermal resistance and heat capacity from the temperature. The proposed methodology and algorithms can be applied to determine the technological modes of cooling cable polymeric insulation without using expensive full-scale experiments, especially important for the new compounds development and cable constructions, as well as modernization available at cable factories equipment for cooling power cable, data cable with twisted pairs, radio frequency and optical cables. The efficiency of determining partial discharges in high-voltage solid insulation has been proved to detect defects at the technological stage of the producing of power shipboard cables, as well as to adjust the technological process of cooling. The methodology for heat transfer in a coaxial design single-core power cable based on criterial equations of natural convection has been developed to optimize the design of the power shipboard cable to ensure the maximum linear density of heat flow dissipated from the cable surface. The efficiency of application of polymeric materials based on micro- and nanocomposites with high thermal conductivity for sheath of high-voltage shipboard cables, providing a 30 % increase in thermal dissipating of power cable, is shown. It is established the energy of accelerated electrons 0.5 MeV provides a higher degree of crosslinking of polymeric halogen-free insulation based on filled with flame retardants compound compared to the energy of 0.4 MeV at the same irradiation coefficient, electron beam current and the number of wire passages under electron beam. It is established an increase of tensile strength, electrical insulation resistance and breakdown DC voltage of crosslinked polymeric halogen-free insulation with irradiation coefficient 5-7 m/(mА∙min) with constant value of elongation at break not less than 120 % which ensure a compromise between rigidity and flexibility of the shipboard cable. It is established an increase in 1,5–2 times the time of reaching the critical parameter – elongation at break of the modified by electron beam polymeric sheath based on a halogen-free compound compared to the same thermop lastic non-modifying sheath. It is an increase service life of the shipboard control cable at maximum operational temperatures in 1,5–2 times. The materials of the dissertation are used at the educational process Department of Electrical Insulating and Cable Technique of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" at education bachelors and masters in disciplines of specialty "141 – Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electric Mechanics" (specialization "141.04 Electrical Isolating, Cable and Fiber-Optic Technique"), at "Azov Cable Company" (Berdians'k) at development and determination of optimal technological parameters of production modes of halogen-free, flame retardant shipboard cables, Association "Ukrelectrocable", in PJSC "Yuzhkable Works". Dissertation work was performed at the PJSC "Ukrainian Scientific and Research Institute of Cable Industry" (Berdians'k) and Department of Electrical Insulating and Cable Technique of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" (Kharkiv) according to research programs of PJSC "Ukrainian Scientific and Research Institute of Cable Industry" (PM EIUV.505.564–2018 "The research of thermal stability of the sheath cable SPOVEng-FRHF 12x2,5 before and after exposure under electron beam", PM EIUV.505.584–2019 "Determination of the quantity and distribution of the absorbed dose after irradiation of the sheath of shipboard flame retardant cables") wherein the applicant was one of the program developers and executor of individual sections.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το διάστημα 11/2011-9/2012 στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του εργαστηρίου Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλου. Σκοπός της εργασίας είναι η σύγκριση της δυναμικής συμπεριφοράς ενός συμβατικού σύγχρονου αντισταθμιστή και ενός εγκάρσιου στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC) σε ένα εγκατεστημένο ηλεκτρικό δίκτυο, προσομοιώνοντας διαφορετικές περιπτώσεις που επηρεάζουν την διαδικασία αντιστάθμισης αέργου ισχύος και υποστήριξης τάσης σε ζυγούς του δικτύου. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται το μαθηματικό μοντέλο του σύγχρονου αντισταθμιστή, οι επαγωγικές παράμετροι που το χαρακτηρίζουν, τα διαφορετικά μοντέλα συστημάτων διέγερσης που χρησιμοποιούνται και ο Μετασχηματισμός Park. Όσον αφορά τον εγκάρσιο στατικό αντισταθμιστή (SVC) παρουσιάζονται οι βασικές αρχές ελέγχου των TCR και TSC που διαθέτει, η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος και γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των συνιστωσών του συστήματος ελέγχου του, όπως ο ρυθμιστής τάσης, το σύστημα συγχρονισμού και η γεννήτρια παραγωγής παλμών. Τέλος, για την μοντελοποίηση και την προσομοίωση των αντισταθμιστών και του ηλεκτρικού δικτύου χρησιμοποιείται το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC λόγω της αξιοπιστίας και της ευχρηστίας του σε μεγάλος εύρος ενεργειακών μελετών.
The current thesis was held during the period 11/2011-9/2012 within the research activities of the Generation, Transmission, Distribution and Utilization of Electric Energy Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, under the supervision of Professor Gabriel B. Giannakopoulos. The purpose of this study is to compare the dynamic performance of a conventional synchronous condenser and a static reactive power compensator (SVC) on an installed electrical grid, simulating different cases affecting the process of reactive power compensation and voltage support at the network’s load buses. This thesis includes representation of the mathematical model of the conventional synchronous condenser and the inductive parameters that characterize it, the different excitation system models used and the Park Transformation. Regarding the static VAR compensator (SVC), this thesis also refers to the fundamentals of TCR and TSC control, the explanation of the current-voltage characteristic and the analytic description of the control system’s components, such as the voltage regulator, the synchronization system and the gate-pulse generator. Lastly, for the modeling and simulation of both compensators and the installed electrical grid, the simulation program used is PSCAD / EMTDC because of its usability and reliability on a wide range of energy projects.

Досліджено температурні поля в кабельному каналі при різних режимах навантаження. Наведено залежності робочих струмів кабельних ліній від кількості працюючих ліній, від температури і теплофізичних характеристик навколишнього масиву землі. Показано, що в холодну пору року передавану потужність мережі можна збільшити.
У дипломній роботі розроблено математичну модель для розрахунку електромагнітних та температурних характеристик кабельних мереж з врахуванням їх способу прокладання. Розроблена математична модель дозволяє враховувати теплові втрати в екранах з врахуванням способу заземлення. Проведено моделювання електромагнітних та температурних характеристик кабельних ліній з зшитого поліетилену, та розраховано величину струмового навантаження. Визначено залежність температури кабелю в холодну та теплу пору року в залежності від його температури.
In the diploma work the mathematical model for calculation of electromagnetic and temperature characteristics of cable networks taking into account their way of laying is developed. The developed mathematical model allows to take into account heat losses in screens taking into account the grounding method. Modeling of electromagnetic and temperature characteristics of cross-linked polyethylene cable lines is carried out, and the value of current load is calculated. The dependence of the cable temperature in the cold and warm seasons depending on its temperature is determined.
ЗМІСТ ВСТУП ...…6 1 АНАЛІТИЧНИЙ РОЗДІЛ ...9 1.1Загальні положення і стан проблеми прокладання силових кабелі ...9 1.2 Теплофізичні характеристики матеріалів ...13 1.3 Електричні характеристики кабелів ...15 1.4 Джерела втрат енергії в кабельних лініях ...17 1.5 Висновки до розділу. ...18 2 ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ ...20 2.1 Розрахунок параметрів кабелю ...20 2.2 Двостороннє заземлення екранів ...24 2.3 Одностороннє заземлення екранів ...26 2.4 Транспозиція екранів ...31 2.5 Висновки до розділу ...34 3 РОЗРАХУНКОВО-ДОСЛІДНИЦЬКИЙ РОЗДІЛ ...35 3.1 Постановка задачі для розрахунку навантажувальної здатності кабельних ліній ...35 3.2 Математична модель електромагнітних процесів ...37 3.3 Розрахунок електромагнітних характеристик ...39 3.4 Математична модель теплових процесів в підземних кабельних лініях ...41 3.5 Чисельне дослідження впливу різних умов теплообміну на температурне поле в кабельному каналі ...43 3.6 Дослідження температурного поля в кабельному колекторі ...48 3.7 Висновки до розділу ...55 4 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ56 4.1 Заходи електробезпеки при роботі з електрообладнанням...56 4.2 Норми проектування інженерно-технічних об’єктів господарювання.60 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ...62 ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ ...63