Neda Bathaei

و
1-2-2 میکسرهای غیر فعال ................................................................................................ 22 .........................
2-2-2 میکسر گیلبرت ................................................................................................................................... 24
3-2 کاربرد میکسر ............................................................................................................................................. 28
4-2 عملکرد میکسر ........................................................................................................................................... 29
1-4-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده .................................................................................................. 29
2-4-2 عملکرد میکسر به کمک یک سوئیچ .............................................................................................. 30
.3 فصل سوم: بررسی میکسرهای توزیع شدهی فراپهن باند ............................................................ 32
1-3 مقدمه .......................................................................................................................................................... 33
2-3 مدارات توزیع شده ..................................................................................................................................... 34
3-3 بررسی عملکرد سیگنال بزرگ میکسر گیلبرت به عنوان یک عنصر غیر خطی ............................... 35
4-3 میکسر سلول گیلبرت توزیع شده ........................................................................................................... 39
1-4-3 بهرهی تبدیل ...................................................................................................................................... 40
2-4-3 تکنیک تزریق جریان ......................................................................................................................... 40
3-4-3 تکنیک پیکینگ سلفی ...................................................................................................................... 42
5-3 مروری بر چند ساختار میکسر پهن باند ارایه شده ............................................................................... 44
1-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[18] 1 44
2-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[12] 2 45
3-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[19] 3 45
4-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[20] 4 46
5-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[21] 5 47
6-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[22] 6 48
7-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[23] 7 49
8-5-3 مقایسه ساختار های متفاوت میکسرهای فراپهن باند ................................................................ 51
.4 فصل چهارم: تحلیل اعوجاج و نویز در میکسر فراپهن باند .......................................................... 52
1-4 مقدمه .......................................................................................................................................................... 53
2-4 میکسر یک عنصر غیر خطی .................................................................................................................... 53
3-4 مدل غیر خطی گیرنده ............................................................................................................................. 54
4-4 اثرات اعوجاج در سیستمهای فراپهن باند ............................................................................................. 54
1-4-4 تولید هارمونیک .................................................................................................................................. 55
2-4-4 فشردگی بهره ...................................................................................................................................... 55
3-4-4 اینترمدولاسیون .................................................................................................................................. 56
4-4-4 اینترمدولاسیون مرتبهی دوم .......................................................................................................... 56
ز
5-4-4 اینترمدولاسیون مرتبهی سوم ......................................................................................................... 57
6-4-4 اعوجاج در سیستمهای متوالی ........................................................................................................ 59
7-4-4 مشخصات خطی گیرنده ................................................................................................................... 59
5-4 بررسی نویز میکسر به عنوان یک عنصر غیر خطی .............................................................................. 60
1-5-4 پردازش نویز متغیر با زمان .............................................................................................................. 60
2-5-4 نویز طبقهی راهانداز (طبقهی ................................................................................................(RF 61
3-5-4 نویز طبقهی سوئیچ (طبقهی ................................................................................................(LO 62
4-5-4 نویز طبقهی ..................................................................................................................................IF 63
.5 فصل پنجم: مدار پیشنهادی، طراحی مخلوط کنندهی فرکانسی فراپهن باند توزیع شده .......... 64
1-5 مقدمه .......................................................................................................................................................... 65
2-5 مدل المانهای مورد استفاده ................................................................................................................... 65
3-5 تحلیلگرهای استفاده شده در نرمافزار .....................................................................................ADS 67
1-3-5 تحلیلگر ..............................................................................HARMONIC BALANCE 68
2-3-5 تحلیلگر ............................................................................................................................... LSSP 68
4-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر تک بالانس .............................................................. 69
1-4-5 طراحی میکسر .................................................................................................................................... 69
2-4-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 70
3-4-5 پارامترهای قابل تغییر و طراحی ..................................................................................................... 71
4-4-5 تحلیل و شبیهسازی .......................................................................................................................... 72
5-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر سلول گیلبرت ......................................................... 74
1-5-5 طراحی میکسر .................................................................................................................................... 74
2-5-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 75
3-5-5 تحلیل و شبیهسازی .......................................................................................................................... 76
6-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر گیلبرت و با استفاده از تکنیک پیکینگ سلفی.. 78
1-6-5 تکنیک پیکینگ سلفی ...................................................................................................................... 78
2-6-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 80
3-6-5 طراحی میکسر توزیع شدهی نهایی ................................................................................................ 80
4-6-5 مقادیر المانهای مدار میکسر پس از طراحی .............................................................................. 84
5-6-5 تحلیل و شبیه سازی ......................................................................................................................... 86
7-5 نتیجهگیری و مقایسه ............................................................................................................................... 90
.6 فصل ششم: نتیجهگیری و پیشنهادات ........................................................................................... 92
1-6 نتیجهگیری ................................................................................................................................................. 93
ح
2-6 پیشنهادات .................................................................................................................................................. 94
.7 فصل هفتم: منابع و ماخذ ................................................................................................................ 95
منابع لاتین ..................................................................................................................................................................... 96
چکیده انگلیسی: ................................................................................................................................................................ 98
ط
فهرست جدول ها:
عنوانشماره صفحه

جدول 1- 1 قابلیت UWB در مقایسه با سایر استانداردهای 14..[2] IEEE
جدول 1- 3 مقایسهی ساختارهای مختلف میکسرهای فراپهن باند51
جدول 1- 5 مقادیر سلفهای مدار نهایی85
جدول 2- 5 عرض ترانزیستورهای مدار نهایی85
جدول 3- 5 مقادیر پارامترهای DC ترانزیستورهای میکسر توزیع شده نهایی85
جدول 4-5 مقدار نشت پورت های مختلف میکسر پیشنهادی در یکدیگر بعد از مدل سازی اثر عدم تطبیـق ابعـاد
ترانزیستورها، روی ولتاژ آستانه88
جدول 5- 5 مقایسهی سه ساختار به دست آمده طول طراحی90
جدول 6- 5 مشخصات مدار میکسر توزیع شدهی پیشنهادی90
جدول 7- 5 مقایسه میکسر طراحی شده در این پایان نامه با کارهای انجام شدهی قبلی91
ی
فهرست شکلها:
عنوانشماره صفحه

شکل 1-1 تاریخچهی تکنولوژی فراپهن باند6
شکل 2-1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس 7[3]
شکل 3-1 سیگنال باند باریک در حوزهی (a) زمان و (b) فرکانس8
شکل 4-1 یک پالس با Duty Cycle کم8
شکل 5-1 پالس UWB در حوزههای((a زمان و (b) فرکانس9
شکل 6-1 همزیستی سیگنالهای فراپهن باند با سیگنالهای باند باریک و باند پهن در طیف فرکانسی 10RF
شکل (a) 7-1 پدیدهی چند مسیره در انتقال بیسیم (b) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنال های بانـد باریـک
(c) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند فرا پهن11
شکل 8-1 رفتار حوزههای زمان و فرکانس سیگنالهای UWB (a) و (b) باند باریک13
شکل 9-1 طیف فرکانسی UWB به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند14
شکل 10-1 سیگنالهای (a) باند باریک، (b) طیف گسترده و (c) فراپهن باند در حوزههای زمان و فرکانس .. 16
شکل 11-1 روش دسترسی 16TDMA
شکل 12-1 عملیات کد کردن در 17[5] DS-CDMA
شکل 13-1 نحوهی استفاده از پهنای باند در سیستم 17DS-CDMA
شکل 14-1 گروه بندی طیف فرکانسی 18MB-OFDM
شکل 15-1 طیف فرکانسی 18[7] MB-OFDM
شکل 1-2 ساختار گیرنده سوپر هترودین20
شکل 2-2 میکسر به عنوان یک عنصر سه دهانه21
شکل 3-2 میکسر غیرفعال با تعادل دوگانه با 22..CMOS
شکل 4-2 میکسر گیلبرت ساده24
شکل 5-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه25
شکل 6-2 منحنی بهرهی سوئیچ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه26
شکل 7-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه با تکنیک ربودن جریان 27DC
شکل 8-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده 29[3]
شکل 9-2 میکسر با ساختار تکی31
شکل 10-2 میکسر با ساختار متوازن تکی31
شکل 1-3 بلوک دیاگرام مدار ترکیبی توزیع شده (a) موجبر هم محور واقعی (b) مدارات LC مصنوعی33[11]
شکل 2-3 مدل خطوط انتقال مصنوعی34
شکل 3-3 شمای نحوهی قرار گیری سلولهای مدار توزیع شده بین دو خط انتقال35
شکل 4-3 میکسر گیلبرت 36CMOS
شکل 5-3 یک میکسر فعال CMOS با تعادل تکی36
ک
شکل 6-3 شکل موجهای p0(t) و 38p1 (t)
شکل 7-3 مدار معادل خط انتقال40
شکل 8-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با تکنیک تزریق جریان41
شکل 9-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با طبقهی ترارسانایی مکمل41
شکل 10-3 مدل مدار ساده شده برای (a) میکسر متداول (b) میکسر با تکنیک پیکینگ سلفی سری43
شکل (a) 11-3 مدل سیگنال کوچک یک تقویت کننده (b) شـبکهی پسـیو اضـافه شـده بـرای ایزولـه کـردن
خازنهای پارازیتی (c) پیاده سازی این شبکه با سلف43
شکل 12-3 مدار میکسر ساختار 441
شکل 13-3 مدار میکسر ساختار 452
شکل 14-3 مدار میکسر ساختار 463
شکل 15-3 مدار میکسر ساختار 474
شکل 16-3 مدار تطبیق UWB برای سیگنال ورودی 47RF
شکل 17-3 مدار میکسر ساختار 485
شکل 18-3 مدار میکسر ساختار 496
شکل 19-3 مدار میکسر ساختار 507
شکل 1-4 طیف فرکانسی MB-OFDM به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند 53[7]
شکل (a) 2-4 مدار سوئیچ ساده (b) سیستم غیر خطی متغیر با زمان (c) سیستم خطی متغیر با زمان54
شکل 3-4 طیف خروجی سیستم غیرخطی با درجهی دو و سه54
شکل 4-4 نقطه تراکم 561dB
شکل 5-4 مولفههای اینترمدولاسیون در خروجی یک سیستم غیرخطی درجهی 562
شکل 6-4 نحوهی تداخل اینترمدولاسیون مرتبهی 2 با سیگنال مطلوب 57[7]
شکل 7-4 مولفههای اینترمدولاسیون در خروجی یک سیستم با خاصیت غیرخطی مرتبهی سوم58
شکل 8-4 تداخل اینترمدولاسیون مرتبهی 3 با سیگنال مطلوب 58[7]
شکل (a) 9-4 دامنهی نقطه تقاطع مرتبهی سوم ورودی (b) نقطه تقاطع مرتبـهی سـوم ورودی و خروجـی بـه
صورت لگاریتمی 59[5] (IIP3,OIP3)
شکل 10-4 میکسر فعال تک بالانس 61CMOS
شکل 11-4 شکل موج 62p1 (t)
شکل 1-5 بلوک دیاگرام مدار توزیع شده (a)خطوط انتقال واقعی (b) پیاده سازی با مدارات LC (خـط انتقـال
مصنوعی)65
شکل 2-5 مدل ترانزیستور 66TSMC
شکل 3-5 مدل مدار معادل برای یک ترانزیستور 66[26] RF nMOS
شکل 4-5 مدل سلف 67TSMC
شکل 5-5 نمای Layout سلف در تراشه67
شکل 6-5 مدار معادل یک سلف استاندارد 67[26]
ل
شکل 7-5 تحلیلگر HARMONIC BALANCE در نرم افزار 68ADS
شکل 8-5 تحلیلگر LSSP در نرم افزار 68ADS
شکل 9-5 ساختار میکسر توزیع شدهی تک بالانس69
شکل 10-5 شماتیک میکسر توزیع شدهی تک بالانس در نرم افزار 70ADS
شکل 11-5 مدار بایاس طبقهی 70RF
شکل 12-5 مدار بایاس گیت ترانزیستورهای طبقهی 71LO
شکل 13-5 مدار بایاس درین ترانزیستورهای طبقهی 71LO
شکل 14-5 روابط به کار رفته در نرمافزار ADS برای محاسبهی 72IIP3
شکل 15-5 نمودار عدد نویز میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس72
شکل 16-5 نمودار IIP3 میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 17-5 نمودار IIP2 میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 18-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 19-5 نمودار ضریب انعکاس ورودی میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس74
شکل 20-5 نمودار ضریب انعکاس خروجی میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس74
شکل 21-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت75
شکل 22-5 شماتیک میکسر توزیع شدهی گیلبرت در نرم افزار 75ADS
شکل 23-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت76
شکل 24-5 نمودار ضریب انعکاس ورودی میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 25-5 نمودار ضریب انعکاس خروجی میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 26-5 نمودار عدد نویز میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 27-5 نمودار IIP3 میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت78
شکل 28-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت با تکنیک پیکینگ سلفی79
شکل 29-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت با تکنیک پیکینگ سلفی در نرم افزار 79ADS
شکل 30-5 مدار بایاس درین ترانزیستورهای طبقهی 80LO
شکل 31-5 نمودار جریان مصرفی میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها81
شکل 32-5 نمودار تطبیق ورودی میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها در فرکانس 8210 GHz
شکل 33-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها82
شکل 34-5 نمودار IIP3 میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها83
شکل 35-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر بر حسب تغییرات سلفهای پیکینگ در سه فرکانس83
شکل 36-5 بهرهی تبدیل میکسر بر حسب فرکانس و مقادیر مختلف سلفهای پیکینگ84
شکل 37-5 نمودار IIP3 میکسر بر حسب تغییرات سلفهای پیکینگ در سه فرکانس84
شکل 38-5 نمودارضرایب انعکاس ورودی و خروجی میکسر توزیع شدهی پیشنهادی86
شکل 39-5 نمودار بهره میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی86
شکل 40-5 نمودار نشت پورت LO در 87RF
م
شکل 41-5 نمودار نشت پورت LO در 87IF
شکل 42-5 نمودار نشت پورت RF در 87LO
شکل 43-5 نمودار نشت پورت RF در 88IF
شکل 44-5 عدد نویز میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی88
شکل 45-5 نقطه تقاطع مرتبه سوم ورودی (IIP3) میکسر طراحـی شـده بـا دو سـلول گیلبـرت و بـا تکنیـک
پیکینگ سلفی89
شکل 46-5 نقطه تقاطع مرتبه دوم ورودی (IIP2) میکسـر طراحـی شـده بـا دو سـلول گیلبـرت و بـا تکنیـک
پیکینگ سلفی89
شکل 47-5 نمودار P1dB میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی90
ن
فهرست رابطهها:
عنوانشماره صفحه

رابطهی 81- 1
رابطهی 92- 1
رابطهی 103-1
رابطهی 114-1
رابطهی 125-1
رابطهی 221-2
رابطهی 232-2
رابطهی 233-2
رابطهی 234-2
رابطهی 235-2
رابطهی 256-2
رابطهی 267-2
رابطهی 268-2
رابطهی 279-2
رابطهی 2710-2
رابطهی 2811-2
رابطهی 2912-2
رابطهی 2913-2
رابطهی 2914-2
رابطهی 351-3
رابطهی 362-3
رابطهی 373-3
رابطهی 374-3
رابطهی 375-3
رابطهی 376-3
رابطهی 377-3
رابطهی 378-3
رابطهی 379-3
رابطهی 3710-3
رابطهی 3811-3
س
رابطهی 3812-3
رابطهی 3813-3
رابطهی 3814-3
رابطهی 3915-3
رابطهی 3916-3
رابطهی 4017-3
رابطهی 4018-3
رابطهی 4119-3
رابطهی 4120-3
رابطهی 4221-3
رابطهی 4222-3
رابطهی 4223-3
رابطهی 4224-3
رابطهی 4225-3
رابطهی 4226-3
رابطهی 4327-3
رابطهی 4428-3
رابطهی 541-4
رابطهی 552-4
رابطهی 563-4
رابطهی 564-4
رابطهی 575-4
رابطهی 576-4
رابطهی 577-4
رابطهی 588-4
رابطهی 599-4
رابطهی 5910-4
رابطهی 6011-4
رابطهی 6112-4
رابطهی 6113-4
رابطهی 6114-4
رابطهی 6115-4
رابطهی 6216-4
رابطهی 6217-4
ع
رابطهی 6218-4
رابطهی 6219-4
رابطهی 6220-4
رابطهی 6321-4
رابطهی 6322-4
رابطهی 6323-4
رابطهی 6324-4
رابطهی 6325-4
رابطهی 6326-4
رابطهی 691-5
رابطهی 812-5
رابطهی 853-5
رابطهی 854-5
رابطهی 865-5
ف
چکیده:
رشد سریع تکنولوژی و پیشرفت موفق تجاری مخابرات بی سیم روی زنـدگی روزمـره ی مـا تـاثیر قابل توجهی گذاشته است. امروزه بهکار بردن میکسرهای فرکانس بالا در سیستم های ارتباطاتی بیسـیم، دارای اهمیت خاصی میباشد. میکسرها یکی از اجزای اساسـی گیرنـده در مخـابرات بـیسـیم محسـوب میشوند. اجرای میکسرهای پایین آورنده1 در گیرنده ها به لحاظ وجود نویز و تضعیف در سیگنال دریافتی از اهمیت بیشتری برخوردار است.
هدف اصلی این پایان نامه، تحلیل و طراحـی میکسـر بـرای کـاربرد در بانـد فرکانسـی فـراپهن (UWB) و با استفاده از تکنولوژی CMOS می باشد. ابتدا عملکرد یک میکسر توزیع شده بررسی شده، سپس مدار میکسر پیشنهادی توزیع شده، ارایه می گردد. میکسر پیشنهادی دارای بهـره ی تبـدیل 3dB، IIP3 برابر 5/5dBm، عدد نویز 7dB، پهنـای بانـد 3 تـا 10 گیگـاهرتز و تـوان مصـرفی 52 میلـی وات میباشد. میکسر فراپهن باند توزیع شدهی پیشنهادی با استفاده از تکنولوژی CMOS 0/18μm با منبع تغذیه 1/8 ولت طراحی شده است.

1 down conversion
1
مقدمه:
رشد سریع تکنولوژی و گذار از مخابرات آنالوگ به دیجیتال، ترقی سیستم های رادیویی بـه نسـل سوم و چهارم و جانشینی سیستم های سیمی با Wi-Fi و Bluetooth مشـتریان را قـادر مـی سـازد بـه گستره ی عظیمی از اطلاعات از هرجا و هر زمان دسترسی داشته باشند. مخابرات UWB برای اولین بـار در دهــهی 1960 معرفــی شــد و در ســال 2002، FCC1 رنــج فرکانســی 3.1~10.6GHz را بــرای کاربردهای UWB معرفی و توان انتقال آنرا به -41.3dBm محدود کرد، بدین معنا کـه سیسـتمهـای
UWB روی فراهم کردن: توان کم، قیمت کم و عملکرد باند وسیع در مساحت کوتـاه تمرکـز کردنـد. در مقایسه با کاربردهای باند باریک طراحی المانها در سیستمهای UWB بسیار متفاوت و مشکل است.
یکی از بلوکهای مهم در گیرندههای UWB میکسرها هستند کـه بـرای تبـادل اطلاعـات بـین تعداد زیادی کانال مشابه UWB نقش کلیدی دارند. اهمیـت عملکـرد میکسـر بـه عنـوان یـک مبـدل فرکانس، در تامین فرکانسهای کاری مناسب با پایداری و نـویز مطلـوب اسـت. میکسـر مـیبایسـتی: (1
بهرهی تبدیل بالا، که اثرات نویز در طبقات بعدی را کاهش دهـد، (2 عـددنویز کوچـک، کـه LNA را از داشتن یک بهرهی بالا راحت کند و (3 خطی بودن بالا، که رنج دینامیک گیرنده را بهبود بخشد و سطوح اینترمدولاسیون2 را کاهش دهد. هر کارایی بایستی توسط مصالحه در طراحی میکسر بهدست آید. میکسر سلول گیلبرت با برخی تغییرات در ساختار آن نتایج قابل قبـولی بـرای کـاربرد در سیسـتمهـای UWB
بهدست میدهد.
دستیابی همزمان به بهره ی تبدیل و خطی بودن بـالا کـه افـزایش یکـی باعـث کـاهش دیگـری می گردد یکی از چالش های طراحی میکسر می باشد، در کارهایی کـه تـا کنـون انجـام شـده تمرکـز روی دستیابی یکی از این دو بوده به طوریکه یا میکسری غیر فعال با خطی بودن قابل قبـول و یـا میکسـری فعال با خطی بودن کم ارائه شده است. تطبیق امپدانس در کل رنج فرکانسی 7 گیگا هرتـزی و همچنـین عدد نویز پایین از دیگر پارامترهای مهم طراحی میکسر میباشد.
 اهداف پایان نامه
در این پایان نامه با بررسی میکسرهای فراپهن باند و مقایسهی آنها از نظر ساختار، بهرهی مدار، عدد نویز، تطبیق در ورودی و خروجی و خطی بودن، سـاختار مناسـب بـرای یـک میکسـر فـراپهن بانـد پیشنهاد شده و از لحاظ کارکرد در سیستمهای UWB بررسی گشته است.

Federal Communications Commission inter-modulation

1
2
2
بر خلاف کارهایی که تا کنون در این زمینه صورت گرفته که بر بهبود یکی از پارامترهای بهـره ی تبدیل یا خطی بودن میکسر تاکید شده، در اینجا سعی شـده اسـت تـا ضـمن دسـتیابی بـه هـر دو ایـن پارامترها در اندازههای قابل قبول برای گیرندهها، کل پهنای باند سیستمهای UWB پوشش داده شود.
بر این اساس در فصل اول سیستم های فراپهن باند بطور کامل معرفـی و بررسـی مـی گـردد، در فصل دوم به بررسی انواع میکسر، نحوهی عملکرد و کاربرد آنها پرداختـه شـده، در فصـل سـوم سـاختار میکسرهای توزیع شده، مشخصات و تکنیکهای بهبود کارایی آنها و در فصل چهارم اعوجـاج و نـویز در میکسر بررسی گردیدهاند. در فصل پنجم ساختار میکسر فراپهن باند طراحی شده بـه طـور مفصـل شـرح داده شده است. در فصل ششم نتیجهگیری و پیشنهادات و فصل هفتم نیز منابع و مأخذ مورد استفاده بـه تفکیک درج شدهاند.
3
.1 فصل اول: سیستمهای فراپهن باند (UWB)
4
1-1 تاریخچه تکنولوژی فراپهن باند UWB
در طول دهههای اخیر پیشرفت سریع ارتباطات باعث ایجاد تقاضا برای قطعات بهتـر و ارزانتـر و همچنین تکنولوژیهای پیشرفتهتر شده است. افزایش تقاضا برای انتقال سریع و افزایش نرخ اطلاعـات در عین مصرف کم توان تاثیرات شگرفی را بر تکنولوژی ارتباطات ایجاد کرده است. در هر دو بخش مخابرات بیسیم و سیمی این گرایش منجر به استفادهی هرچه بیشتر از مدولاسیونهایی با استفادهی بهینـهتـر از طیف فرکانسی و یا افزایش پهنای کانالها گشته است. این روشها به همـراه روشهـای مهندسـی بـرای کاهش توان، به منظور تولید تراشه های ارزان و با مصرف توان کم در صنعت استفاده میشود.
افزایش و گسترش استانداردها نه تنها باعث شده که سیستمها با طیفهای شلوغتری از لحاظ فرکانسی روبرو باشند بلکه باعث شده است تا سیستمها به سوی چند استاندارده بودن سوق داده شده و قابلیت انطباق با استانداردهای مختلف را داشته باشند. در حقیقت این پیشرفت تکنولوزی منجر به طراحی و تولید دستگاههایی شده است که قابلیت کارکرد در باندهای وسیعتری را داشته باشند، مانند تکنولوژی فرا پهن باند . (UWB)
تکنولوژی فراپهن باند (UWB) در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفتـه اسـت. مـیتـوان گفت که شروع استفاده از دانش UWB مربوط به انتهای قرن نوزدهم می باشد. اولین سیستم بی سیم که توسط گاگلیرمو مارکونی1 در سال 1987 نمایش داده شد، خصوصیات رادیوی فـراپهن بانـد را دارد. رادیـو ساخته شده توسط مارکونی از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات بهره می گرفت. اولین فرستنده های جرقه ای مارکونی فضای زیادی از طیف (از فرکانس هـای بسـیار پـایین تـا فرکـانس هـای بـالا) را اشـغال می کردند. همچنین این سیستم ها به طور غیراتوماتیک از پردازش زمان اسـتفاده مـی نمودنـد. چـون کـد مورس توسط اپراتورهای انسانی ارسال و دریافت می شد. پس از آن مفهوم UWB مجدداً در دهـه 1960
برای ساخت رادارهای ایمن در برابر تداخل با مصرف توان کم مورد توجه قرار گرفت .[1]
در اوایل پیدایش ، UWB به نامهای Carrier free ، باند پایه یا ضربه رایج بود که در حقیقت متضمن این نکته بود که استراتژی تولید سیگنال نتیجه یک پالس با Rise time بسیار سریع و یـا یـک ضربه میباشد که یک آنتن باند پهن را تحریک میکند. در اوایل سال 2002 میلادی تکنولوژی باند بسیار پهن (UWB) برای کاربردهای تجاری تصویب شد. این تکنولوژی جدید شـیوه ی جدیـدی در ارتباطـات بدون سیم ابداع کرد:"استفاده از حوزه زمان به جای حوزه فرکانس".
تکنولوژی فرا پهن باند (UWB) به شیوهی کاملاً متفاوتی از سایر تکنولوژی ها از بانـد فرکانسـی استفاده میکند. این سیستمها از پالسهای باریک و پـردازش سـیگنال در حـوزهی زمـانی بـرای انتقـال

1 Guglielmo Marconi
5
اطلاعات استفاده میکنند، بدین صورت سیستمهـای فـرا پهـن بانـد (UWB) قادرنـد در بـازهی زمـانی مشخص اطلاعات بیشتری را نسبت به سیستمهای قدیمیتر منتقل کنند زیرا حجـم انتقـال اطلاعـات در سیســتمهــای مخــابراتی بــه صــورت مســتقیم بــا پهنــای بانــد تخصــیص یافتــه و لگــاریتم SNR (Signal to Noise Ratio) متناسب است. استفاده از یک پهنای بانـد خیلـی وسـیع چنـدین مزیـت دارد: ظرفیت بالا، مخفی بودن، مقاومت در برابر مسدود شدن و همزیستی با سایر سیستم های رادیویی.
پایه و اساس سیستم های نوین فراپهن باند در دهه 80 توسط راس و با کار انجـام شـده در مرکـز تحقیقاتی Sperry بنیان گذاشته شد. تأکید بر استفاده از UWB بـه عنـوان یـک ابـزار تحلیلـی بـرای کشف خصوصیات شبکه های مایکروویو و خصوصیات ذاتی مـواد بـود. ایـن تکنیـک هـا بـه طـور منطقـی گسترش یافتند تا تحلیل و تولید تجربی المان های آنتن را انجام دهند. موفقیـتهـای اولیـه باعـث تولیـد سیستمی خانگی شد تا خصوصیات پاسخ ضربه اهداف یا موانع را اندازهگیری کند.
با افزایش درخواست کاربران برای ظرفیت بالاتر، سرویس های سریعتر و مخابرات بی سیم امن تـر، تکنولوژی های جدید مجبورند جایگاه خود را در طیف فوق العاده شلوغ و امن رادیـویی بیابنـد. بـه دلیـل اینکه هر تکنولوژی رادیویی یک بخش خاص از طیف را اشغال میکند و با معرفی سـرویس هـای جدیـد رادیویی محدودیت دسترسی طیف RF سخت گیرانه تر شده است. در این شرایط تکنولـوژی UWB یـک راه حل نوید بخش برای محدودیت دسترسی به طیف RF با اجازه به سرویس های جدید برای هم زیستی با سیستمهای رادیویی جاری با تداخل حداقل یا بدون تداخل است.
در فوریه ی سال 2002، FCC اولین طراحی و استاندارد مربوط بـه بانـدها و تـوان مجـاز بـرای کاربران UWB را صادر کرد. بدین ترتیب باند فرکانسی 3.1GHz تا 10.6GHz به UWB اختصـاص یافت. در همین زمان FCC مجوزی صادر کرد که حدود و میزان تشعشع عمدی یا سهوی دسـتگاه هـای مخابراتی در باندهای مختلف را مشخص نمود. این تشعشع مجاز در باندهای مورد استفاده، مبنـایی بـرای طراحی دستگاه های UWB شد. با گسترش تحقیقات در این زمینه، IEEE کمیتـه ی مخصوصـی بـرای استاندارد سازی این سیسـتم هـا تحـت عنـوان 802.15.3.x تشـکیل داد. شـکل 1-1 تاریخچـه ی ایـن تکنولوژی را به اختصار نشان میدهد .[2]

شکل 1-1 تاریخچهی تکنولوژی فراپهن باند
6
در اولین گام FCC توان خروجی سیستم های UWB را به -41.3dBm/MHz محدود کرد، این محدودیت این امکان را برای سیستم های UWB ایجاد میکند که بدون اینکه توان سیگنال خروجی آنها توسط سیستمهای باند باریک مجاور احساس شود از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات خود استفاده کنند. محدودیت هایی که برای توان انتشار این سیستم ها ایجاد شد ، عمدتاً محدودیتهایی بودند که برای حفاظت از سیستم GPS و سایر سیستم های دولتی که در باند فرکانسی 690MHZ~1610MHz کار میکنند مطرح شده بود. همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است این ماسک توان همچنین برای سایر سیستمهای دولتی که عملکرد آنها در فاصلهی 3.1GHz~10.6GHz
یعنی باندی که برای کاربرد داخلی UWB تعریف شده است نیز کاربرد دارد.

شکل 2-1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس [3]
بنا به تعریف FCC پهنای باند -10dB یک سیگنال UWB بزرگتر از %25 فرکانس مرکزی یا بزرگتر از 1.5GHz میباشد. سیستمهای فرا پهـن بانـد بـا عـرض بانـد بـیش از 7GHz در بـازه فرکانسـی
3.1GHz~10.6GHz با سطح توان مجاز -41.3dBm/MHz فعالیت مـیکننـد. هـر کانـال رادیـویی در ایـن سیستمها بسته به فرکانس مرکزی خود میتواند عرض بانـدی بـیش از 500MHz داشـته باشـد. طـرح
انتقال OFDM1 به عنوان اولین کاندیـدا بـرای UWB در مـارچ 2003 در جلسـهی گروهـی IEEE 802.15.3a مطرح شد.

1 Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
7
2-1 مفهوم UWB
سیستم های مخابراتی باند باریک متـداول سـیگنال هـای RF مـوج پیوسـته (CW)1 را بـا یـک فرکانس حامل خاص برای ارسال و دریافت اطلاعات مدوله می کنند. یک موج پیوسته یک انرژی سـیگنال تعریف شده در باند فرکانسی بانـد باریـک دارد کـه آن را بـرای آشکارسـازی و نفـوذ خیلـی آسـیب پـذیر میسازد. شکل 3-1 سیگنال باند باریک را در حوزههای زمان و فرکانس نشان میدهد.

شکل 3-1 سیگنال باند باریک در حوزهی (a) زمان و (b) فرکانس
سیستمهای UWB از پالسهای کوتاه بدون حامل (پیکو ثانیه تا نانو ثانیـه ) بـا Duty Cycle خیلی کم (کمتر از (%5 برای انتقال اطلاعات استفاده میکنـد. یـک تعریـف سـاده بـرای Duty Cycle
نسبت زمان حضور پالس به کل زمان انتقال است. (رابطهی (1-1

شکل 4-1 یک پالس با Duty Cycle کم رابطهی 1-1 T T Duty Cycle T Duty Cycle کم، متوسط توان انتقالی خیلی کمی در سیستمهـای UWB ایجـاب مـیکنـد.
متوسط توان انتقالی یک سیستم UWB در حد میکرو وات است، یعنی هزار بـار کمتـر از تـوان انتقـالی تلفن موبایل. به هر حال پیک یا توان لحظه ای پالس های UWB مستقل می تواند نسبتاً بزرگ باشـد، امـا چون آنها برای یک زمان خیلی کوتاه انتقال می یابند (Ton<1ns) توان متوسط به طـور قابـل ملاحظـه ای کم میشود، در نتیجه ادوات UWB به توان انتقال کم در اثر کنترل روی Duty Cycle نیاز دارند، کـه مستقیماً روی طول عمر باتری در تجهیزات قابل حمل تاثیر دارد.
از آنجایی که فرکانس با زمان نسبت عکس دارد پالس های UWB کوتاه مـدت، انـرژی را روی رنج عریضی از فرکانس ها، از نزدیک DC تا چندین گیگاهرتز با چگالی طیف توان (PSD)2 خیلـی کـم، پخش میکنند. شکل 5-1 پالس UWB را در حوزههای زمان و فرکانس نشان میدهد.

1 Continous Waveform 2 Power Spectral Density
8

شکل 5-1 پالس UWB در حوزههای((a زمان و (b) فرکانس
3-1 تعریف سیستم فراپهن باند
به طور کلی به سیستمی فراپهن باند (UWB) اطلاق میگردد که پهنای بانـد مـورد اسـتفادهی آن برای انتقال اطلاعات بیشتر از 500MHz باشد و یا پهنای باند نسبی آن در تمام زمانها بیشـتر از %20
باشد. پهنای باند کسری معیاری برای طبقهبندی سیگنال ها به بانـد باریـک، بانـد پهـن و فـرا پهـن بانـد می باشد و به وسیله ی نسبت پهنای باند در نقاط -10dB به فرکانس مرکزی توسط رابطهی 2-1 تعریـف میشود .[4]
رابطهی 2-1 100% f L fH 100% BW fL 2 fH fC با استفاده از این پهنای باند وسیع، چگالی طیف توان ارسالی این سیستم بسیار پایین اسـت و در نتیجه در مقابل شنود دارای مصونیت بالایی می باشـد. بـه منظـور جلـوگیری از تـاثیر نـامطلوب سیسـتم
UWB بر سیستم هایی که قبلاً در این باند وجود داشته اند، همان طور که قبلاً عنوان شـد FCC ماسـک مربوط به چگالی طیف توان این سیستمها را با سطح توان مجاز -41.3dBm/MHz مشخص نمود.
4-1 مزایای تکنولوژی فراپهن باند UWB
1-4-1 توانایی اشتراک طیف توانی
FCC سطح توان مجاز سیستم هـای UWB را -41.3dBm/MHz برابـر بـا 75nWatt/MHz تعریـف کرده و آنها را در ردهی تشعشعات غیر عمدی گذاشته است، چنین محـدودیت تـوانی بـه سیسـتم هـای
UWB اجازه می دهد که زیر سطح نویز یک گیرنده ی باند باریک نوعی قرار گیرند و سـیگنال UWB را قادر می سازد که با سرویس های رادیویی کنونی بدون تداخل و یا با تداخل حداقل همزیستی داشته باشد.
شکل 6-1 سطح توان مجاز تکنولوژیهای مختلف روی طیف فرکانسیRF را نشان میدهد .[2]
9

شکل 6-1 همزیستی سیگنالهای فراپهن باند با سیگنالهای باند باریک و باند پهن در طیف فرکانسی RF
2-4-1 ظرفیت بالای کانال
ظرفیت کانال یا میزان تغییرات داده ها، به صورت مینیمم میزان داده هایی که مـی تواننـد در هـر ثانیه روی یک کانال مخابراتی انتقال یابند تعریف می شود. فرمول هارتلی-شنون)1رابطـهی (3-1 ظرفیـت بالای کانال برای سیستم UWB را نشان میدهد .[2]
رابطهی 3-1 1 log C بیشترین ظرفیت کانال می باشد و به صورت خطی با پهنای باند (B) افـزایش مـی یابـد. پـس داشتن چندین گیگا هرتز پهنای باند برای سیگنال های UWB، نرخ انتقال داده ها در حد چند گیگا بیت بر ثانیه می تواند مورد انتظار باشد. در نتیجه ی محدودیت توان اعمال شـده از طـرف FCC بـرای انتقـال داده های UWB، این نرخ بالای انتقال داده فقط در فواصل کوتاه (تا 10 متر) در دسـترس اسـت، و ایـن باعث می شود سیستم های UWB کاندید مناسبی برای کاربردهای بی سـیم فواصـل کوتـاه و نـرخ بـالای اطلاعات مانند شبکه های WPAN باشند.
3-4-1 توانایی کار با SNR پایین
فرمول هارتلی-شنون برای ظرفیت حداکثر همچنین نشان میدهد که ظرفیت کانـال بـه صـورت لگاریتمی به SNR وابسته است، پس سیستم های مخابراتی UWB قابلیت کار در کانال هـای مخـابراتی خشن با SNR پایین را دارند و هنوز ظرفیت کانال بالایی در نتیجه پهنای باند بزرگ خود ارایه میدهند.
4-4-1 احتمال تشخیص و آشکارسازی کم
به دلیل میانگین توان انتقال پایین سیستم های UWB، این سیستم ها مصونیت ذاتی نسبت بـه تشخیص دارند. پالس های UWB در زمان با کدهای منحصر به فرد بـرای هـر جفـت فرسـتنده-گیرنـده

1 Hartley-Shannon
10
مدوله شدهاند. زمان مدولاسـیون پـالس هـای خیلـی باریـک بـه امنیـت انتقـال UWB مـی افزایـد زیـرا آشکارسازی پالسهای پیکو ثانیهای بدون دانستن اینکه چه زمانی میرسند غیر ممکن است.
5-4-1 مقاومت در برابر مسدود شدن
برخلاف طیف فرکانسی باند باریک شناخته شده، طیـف UWB رنـج وسـیعی از فرکـانس هـا از نزدیک DC تا چند گیگا هرتز را پوشش می دهد و بهره ی پردازش بالا برای سـیگنال هـای UWB ارایـه می کند. بهره ی پردازش (PG) یک معیار مقاومت سیستم ها در برابـر مسـدود شـدهگـی اسـت و توسـط رابطهی 4-1 تعریف میشود.
رابطهی 4-1

6-4-1 کارایی بالا در کانالهای چند مسیره
پدیده ی چند مسیره در کانال های مخابرات بی سیم اجتناب ناپذیر است و به علـت انعکـاس هـای چندگانه ی سیگنال انتقالی از سطوح متفاوت مانند ساختمان ها، درخـت هـا و غیـره روی مـی دهـد. خـط مستقیم بین فرستنده و گیرنده LOS و سیگنال های انعکاسی از سطوح NLOS هسـتند (شـکل (7-1،
اثر چند مسیره بر روی سیگنال های باند باریک نسبتاً شدید است که باعث تخریب سـیگنال تـا 40dB بـه خاطر ناهمفازی شکل موج های LOS و NLOS می شود. اما پالس های UWB خیلی کوتاه مدت کمتـر به اثر چند مسیره حساسند زیرا طول پالس های UWB کمتر از نانو ثانیه است و سیگنال بازتابی شـانس خیلی کمی برای برخورد با سیگنال LOS و تخریب آن دارد .[2]

شکل (a) 7-1 پدیدهی چند مسیره در انتقال بیسیم (b) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند باریک (c) اثر
پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند فرا پهن
11
5-1 چالشهای تکنولوژی فراپهن باند UWB
1-5-1 انحراف شکل پالس
پالس های UWB ضعیف و کم توان با انتقال می تواننـد بـه طـور قابـل تـوجهی تخریـب شـوند، میتوانیم این مطلب را با فرمول انتقال فریس1 (رابطهی (5-1 نشان دهیم.
رابطهی P PG G 4πdf5-1

که Pt و Pr به ترتیب توان های ارسالی و دریافتی، Gt و Gr به ترتیب بهرهی آنتنهای فرستنده و گیرنده، C سرعت نور و f فرکانس است. ملاحظه می شود که تـوان سـیگنال دریـافتی بـا مربـع فرکـانس کاهش می یابد. در سیستم های باند باریک که تغییر در فرکانس کم است، تغییـرات تـوان دریـافتی قابـل صرفه نظر است. اما به دلیل طیف فرکانسی وسیع سیستم های UWB تغییرات توان شدید بـوده و شـکل پالس را خراب می کند، که این امر کارایی گیرنده های UWB، که با پالس های دریافتی بـا یـک قالـب از پیش تعریف شده مثل فیلترهای تطبیق کلاسیک همبستگی دارد را محدود میکند.
2-5-1 تخمین کانال
تخمین کانال یک مبحث اساسی برای طراحی سیستم های مخابرات بی سیم اسـت. انـدازه گیـری همه ی مشخصات کانال مانند تضعیف و تاخیر مسیر انتشار، در میدان غیر ممکن است. اکثر گیرنـده هـای
UWB سیگنال دریافتی را با یک قالب سیگنال از پیش تعریف شده مرتبط میکننـد. اطلاعـات قبلـی از پارامترهای کانال بی سیم برای پیشگویی شکل قالب سیگنال، که سیگنال دریافتی را تطبیق میدهـد لازم است. به هرحال به خاطر پهنای باند زیاد و کاهش انرژی سیگنال، پالس های UWB دسـتخوش اعوجـاج شده، پس تخمین کانال در سیستمهای مخابرات UWB پیچیده است .[2]
3-5-1 تطبیق2 فرکانس بالا
انطباق زمانی یکی از چالش های اساسی در سیستم های مخابرات UWB است. نمونـه بـرداری و انطباق پالس های نانو ثانیه ای یک محدودیت اساسی در طراحی سیستم های UWB اسـت. بـرای نمونـه برداری این پالسهای باریک ADC(Analog-to-Digital converter) خیلـی سـریع در حـد گیگـا هرتز لازم است، به علاوه محدودیت های توان شدید و طول پالس کوتاه کارایی سیستم های UWB را بـه شدت به خطاهای زمانی حساس میکند.

1 Friis 2 Synchronization
12
4-5-1 تداخل دستیابی چندگانه1
در سیستم مخابره ی چند کـاربره یـا دسـتیابی چندگانـه، چنـدین کـاربر اطلاعـات را مسـتقل و همزمان روی یک خط واسط انتقال اشتراکی (مثل هوا در مخابرات بی سیم) می فرستند. در انتهـا یـک یـا چند گیرنده بایستی قادر به جداکردن و آشکارسازی اطلاعـات کاربرهـا از هـم باشـند. تـداخلات از سـایر کاربران با کاربر مورد علاقه تداخل دستیابی چندگانه (MAI) نامیده می شـود کـه یـک فـاکتور محـدود کننده ی ظرفیت کانال و کارایی گیرنده است، به علاوه MAI به همراه نویز غیر قابل پیشـگیری کانـال و تداخل باند باریک می تواند به طور موثری پالسهای کم توان UWB را تنزل دهد و مراحل آشکار سـازی را خیلی سخت کند.
UWB 6-1 در مقایسه با سایر استانداردهای IEEE
شکل 8-1 مقایسه ای بین مخابرات فراپهن باند و باند باریـک در حـوزه هـای زمـان و فرکـانس را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود سیستم های UWB مبتنی بر مدولاسیون پالسـی در زمـان دارای پالس های بسیار باریک می باشـد کـه در حـوزه ی فرکـانس، بانـد فرکانسـی 3-10GHz را اشـغال می کنند در حالیکه سیستم های باند باریک که در زمان دارای شکل موج پیوسته مـی باشـند در حـوزه ی فرکانس، باند فرکانسی بسیار کوچکتری را به خود اختصاص میدهند.

شکل 8-1 رفتار حوزههای زمان و فرکانس سیگنالهای UWB (a) و (b) باند باریک
در جدول 1-1 مقایسه ای بین مخابرات UWB و سایر اسـتانداردهای IEEE از نظـر بیشـترین نرخ داده ها، فاصله ی عملکرد و فرکانس کاری را نشان می دهد. می توان دید که UWB بـه دلیـل پهنـای

1 Multiple-Access Interference
13
باند وسیعی که دارد قابلیت انتقال نرخ بالایی از اطلاعات را در هر ثانیه در مقایسه با سـایر اسـتانداردهای
این جدول دارا میباشد.
جدول 1-1 قابلیت UWB در مقایسه با سایر استانداردهای [2] IEEE
استاندارد IEEE WLAN Bluetooth WPAN UWB
802.11a 802.11b 802.11g 802.15.1 802.15.3 802.15.3a
فرکانس کاری 5GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 3.1-10.6GHz
بیشترین نرخ داده 54Mbps 11Mbps 54Mbps 1Mbps 55Mbps >100Mbps
حداکثر فاصله 100m 100m 100m 10m 10m 10m
به دلیل پهنای باند وسیع سیستم فراپهن باند، گیرنده های این سیسـتم بایسـتی قابلیـت کـار در محیط های پر تداخل را دارا باشند. در یک محیط کار معمولی سیستم های بی سیم مختلفی در حـال کـار هستند. گیرنده ی فراپهن باند همواره در معرض تـداخل و مسـدود شـده گـی توسـط سـایر سیسـتمهـای مخابراتی بی سیم که در باند فرکانسی 3-10GHz و یـا نزدیـک بـه آن قـرار دارنـد ماننـد Bluetooth، WLAN و غیره همانطور که در شکل 9-1 ملاحظه میشود قرار دارد.

شکل 9-1 طیف فرکانسی UWB به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند
14
7-1 تفاوت بین UWB و طیف گسترده1
تعداد زیادی از افراد، مخابرات UWB را بـا تکنیـک هـای طیـف گسـترده ی پهـن بانـد اشـتباه می گیرند، هرچند هر دو خاستگاه مخابرات امن نظامی دارند لازم است تا یک تفاوت اساسـی میـان آن دو را روشن کنیم. برای این منظور لازم است تا دو روش متداول تکنیک طیف گسترده را معرفی کنیم.
1-7-1 رشتهی پیوستهی طیف گسترده(DSSS) 2
در DSSS یک کد شبه تصادفی برای گسترده کردن هر بیت از اطلاعـات بـا اسـتفاده از تعـداد زیادی از بیت ها که به مراتب کوچکتر از بیت اصـلی هسـتند اسـتفاده مـی شـود ایـن کـدها پهنـای بانـد اطلاعات را به پهنای باند بزرگتری گسترش میدهند.
2-7-1 جهش فرکانسی طیف گسترده(FHSS) 3
تکنیک FHSS در مفهوم شبیه DSSS است ولی در این روش گسترده کردن انـرژی سـیگنال در حوزهی فرکانس صورت میگیرد و مزایایی از مخابرات پهن باند را ارایه میدهد. به هر حال پهنای بانـد زیاد نتیجهی گسترده کردن اطلاعات مانند تکنیک DSSS نیست.
3-7-1 تفاوتهای اساسی بین UWB و طیف گسترده
هر دو تکنیک DSSS و FHSS منجر به وسیع شدن طیف فرکانس میگردند و مزایایی نسـبت به مخابرات باند باریک مانند چگالی طیف توان کمتر، ناهمپوشانی، تنوع فرکانسی بـرای کـارایی بهتـر در کانال های چند مسیره و مقاومت در برابر مسدود شده گی عمـدی و غیـر عمـدی دارنـد. امـا تفـاوت بـین
UWB و طیف گسترده چیست؟ هرچند هر دو تکنیک UWB و طیف گسترده همان مزایـای گسـترده کردن پهنای باند را دارند، روش دستیابی به پهنای باند بزرگ تفاوت اصلی بین این دو تکنیک است.
در تکنیک های متداول طیف گسترده سیگنال ها موج های سینوسی پیوسته اند که بایک فرکـانس حامل ثابت مدوله شده اند. در مخابرات UWB فرکانس حاملی وجـود نـدارد، پـالس هـای UWB کوتـاه مستقیماً پهنای باند گسترده تولید می کنند. فاکتور اختصاصی دیگر در UWB پهنای باند خیلـی بـزرگ است. در حالیکه تکنیک های طیف گسترده پهنای باند مگاهرتزی عرضه می کنند، UWB چندین گیگـا هرتز پهنای باند دارد. شکل 10-1سیگنال های باند باریک، پهن بانـد و UWB را در حـوزه هـای زمـان و فرکانس نشان میدهد .[2]

1 Spread Spectrum 2 Direct-Sequence Spread Spectrum 3 Frequency-Hopping Spread Spectrum
15

شکل 10-1 سیگنالهای (a) باند باریک، (b) طیف گسترده و (c) فراپهن باند در حوزههای زمان و فرکانس
8-1 روشهای پیاده سازی سیستم فراپهن باند
در حال حاضر دو روش برای پیاده سازی سیستم های فراپهن باند در باندهای اختصاص داده شده توسط FCC وجود دارد که در ادامه پس از معرفـی آنهـا بـه بررسـی نحـوهی بـه کـار گیـری آنهـا در سیستمهای فراپهن باند میپردازیم.
1-8-1 سیستم (Code Division Multiple Access) CDMA
در روش های قبلی مانند FDMA باند فرکانسی موجود به تعداد زیادی کانال تقسیم و هر کـدام به یک کاربر اختصاص می یافت. در روش TDMA همان مقدار باند فرکانسی برای هر کـاربر وجـود دارد ولی در زمان های متفاوت TDMA به تناوب یکی از فرستنده-گیرنـده هـا را بـه مـدت TSL ثانیـه فعـال می کند. کل پریود شامل تمام مقطع های زمانی را قاب (فریم) TF میگویند. در هر TF ثانیه هر کـاربر بـه اندازهی TSL ثانیه به کانال دسترسی دارد. شکل 11-1 این مطلب را نشان میدهد.

شکل 11-1 روش دسترسی TDMA
16
ولی در روش CDMA که برای استفاده ی بهینه تر از باند فرکانسی به کار می رود، سیگنال ها هم می توانند در فرکانس و هم در زمان با هم همپوشانی داشته باشند ولی با استفاده از پیـام هـای متعامـد از تداخل جلوگیری می شود. در شروع ارتباط به هر زوج فرستنده- گیرنـده یـک کـد معـین اختصـاص داده می شود و هر بیت اطلاعات باند پایه قبل از مدولاسیون با آن کد تغییر می کند (شـکل .(12-1 عمـل کـد کردن پهنای باند طیف داده را به اندازه ی تعداد پالس های موجود در کد افزایش می دهد ولی از آنجـا کـه
CDMA امکان می دهد طیف گسترده کاربران روی یک باند فرکانسی بیفتنـد، پـس CDMA ظرفیـت بالقوهی بیشتری نسبت به دو روش قبل دارد.

شکل 12-1 عملیات کد کردن در [5] DS-CDMA1
شکل 13-1 شیوه ی استفاده از باند فرکانسی UWB را توسط سیستم DS-CDMA که یکـی از پرکاربردترین انواع CDMA می باشد و بر مبنای انتشار سیگنال ها از- به کاربران مختلف بـا کـدهـای متفاوت می باشد را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود از دو باند فرکانسی بالا و پـایین اسـتفاده می کند. باند پایین از 3/1GHz تا 5/15GHz را می پوشاند و باند بـالا از 5/825GHz تـا 10/6GHz را در برمی گیرد. به دلیل تداخل با سیسـتم 802.11a از فاصـله ی فرکانسـی 5/15GHz تـا 5/825GHz
استفاده نمیشود.

شکل 13-1 نحوهی استفاده از پهنای باند در سیستم DS-CDMA

1 Direct -Sequence Code Division Multiple Access
17
2-8-1 سیستم (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM
در سیستمهای چند حاملی قدیمی، پهنای باند به N زیر کانـال نـاهم پوشـان تقسـیم مـیشـد و اطلاعات باند پایه روی هر حامل مدوله می گردید. فاصله ی فرکانسی بین حامل ها کـه بـرای جلـوگیری از تداخل در نظر گرفته می شود سبب از بین رفتن مقداری از پهنای بانـد مـی شـود. در OFDM اطلاعـات ارسالی به تعدادی زیر باند تقسیم شده و پس از محاسبهی عکس تبدیل فوریه اطلاعات روی مجموعـه ای از زیر حامل ها ارسال می گردد و از آنجایی که این حامل ها بر هم عمودند به فاصله ی فرکانسی کمـی نیـاز دارند. خرد کردن سیگنال در زیر باندها مقاومت سیستم در برابر محو سیگنال و از بین رفتن اطلاعـات را افزایش میدهد. در گیرنده با تبدیل فوریه بیتهای هر زیر باند استخراج میگردد.
سیسـتم MB-OFDM1 کـل بانـد فرکانسـی UWB را بـه 4 گـروه و 14 بخـش 528MHz
تقسیم میکند .[6] شکل 14-1 این تقسیم بندی فرکانسی را نشان میدهد.

شکل 14-1 گروه بندی طیف فرکانسی MB-OFDM
همان طور که در شکل 15-1مشاهده می شود هر باند 528MHz از 128 زیر حامل بـا فاصـله ی فرکانسی 4/125MHz تشکیل میشود.

شکل 15-1 طیف فرکانسی [7] MB-OFDM

1 Multiband OFDM
18
.2 فصل دوم: مخلوطکنندههای فرکانسی
Mixer
19
1-2 تاریخچه
مبدع مخلوط کنندهی فرکانسـی (Frequency Mixer) دانشـمند بـزرگ مخـابرات رادیـویی ادوین آرمسترانگ1 میباشد. قبل از او تلاشهایی برای انتقال مستقیم فرکانس به باند پایه2 صورت گرفتـه بود، اما چون نوسان کنندههای محلی از پایداری (Stability) کافی برخوردار نبودند موفقیت چندانی در برنداشت. ایدهی آرمسـترانگ در اسـتفاده از فرکـانس واسـطه( IF) 3 کـه منجـر بـه طـرح گیرنـده هـای سوپرهترودین شکل 1-2 گردید امروزه در بسیاری از گیرندههای رادیویی مورد استفاده است.

شکل 1- 2 ساختار گیرنده سوپر هترودین
آرمسترانگ با استفاده از واسطهی لامپ خلاء (Vacuum Tube) مخلوطکنندهای سـاخت کـه فرکانس رادیویی RF را به یک فرکانس واسطه IF انتقال مـی داد در ایـن فرکـانس واسـطه، سـیگنال بـا کیفیت خوب، بهرهی زیاد و نویز کم، تقویت شده و در نهایت دمودله میگردید.
تا قبل از سال 1940 کارهای تئوری اندکی بر روی میکسـرها (کـه تـا آن زمـان از نـوع دیـودی بودند) انجام گرفته بود. دیودهای به کار رفته در این میکسرها از کیفیت و دقت پـایینی برخـوردار بودنـد.
در مدت کمتر از ده سال پیشرفت های زیادی در طراحی میکسرها و افزایش کیفیت دیودهـای مـایکروویو انجام گرفته به طوریکه افت تبدیل4 در میکسرهای مایکروویو از 20dB در 1940 بـه 10dB در 1945 بهبود یافت و در 1950 به حول و حوش 6dB رسید. امروزه با پیشرفت هایی که در ایـن زمینـه صـورت گرفته علاوه بر بهبود در افت تبدیل میتوان از بهرهی تبدیل5 میکسرها بهرهمند شد .[8]
امروزه بهکار بردن میکسرهای فرکانس بالا در سیسـتمهـای ارتباطـاتی بـدون سـیم، از اهمیـت خاصی برخورداراست. طراحی، ساخت و اندازهگیری مشخصات میکسرهای فرکانس بالا، باند مـایکروویو و باند میلیمتری، جزء تجربه های جدید مدارات مایکروویو بهشمار میآید.

1 Major Edwin Armstrong 2 Base Band 3 Intermediate Frequency 4 Conversion Loss 5 Conversion Gain
20
2-2 انواع میکسر
میکسرهای مایکروویو غیرفعال1 به طور معمول با دیودهای شاتکی صورت می پـذیرد. اسـتفاده از عناصر فعال نظیر ترانزیستورهای اثر میدانی برای ساخت میکسرها می توانـد سـبب بهبـود افـت تبـدیل و حتی ایجاد بهره ی تبدیل گردد. چنین میکسرهایی در مقایسه بـا میکسـرهای غیرفعـال سـاخته شـده بـا دیودهای شاتکی دارای معایبی نیز می باشند از جمله: احتمال ناپایداری و پیچیدگی مـدار میکسـر اشـاره کرد. چنانچه از ناحیه ی مقاومتی ترانزیستور اثر میدانی برای ساخت میکسر استفاده شود علاوه بر اینکـه مدارهای بایاس ساده تر شده احتمال ناپایداری نیز بسیار کاهش می یابد، از طرف دیگر به علت اسـتفاده از خاصیت غیرخطی ضعیف مقاومت کانال ترانزیستور، چنـین میکسـرهایی از مولفـه هـای اینترمدولاسـیون ضعیف توان اشباع 1dB بالا و درنتیجه محدودهی دینامیکی وسیعی برخوردار میباشند .[9]
میکسر، در واقع یک مبدل فرکانس است که در مدارات مخابراتی وظیفهی تبدیل (و یا ترکیـب)
سیگنال از یک فرکانس به فرکانس (های) دیگر را به عهده دارد. اهمیت ایـن عملکـرد در تهیـه و تـامین فرکانسهای کاری مناسب با پایداری و نویز مطلوب است. بنابراین باید تلف تبدیل کم و سطح نویز پایین سیگنال تولید شده را از مشخصات مطلوب و مورد نظر در طراحی دانست (هرچند تحقق همزمان ایـن دو مهم در طراحی و ساخت میکسر عملاً کار چندان سادهای نمی باشد.) میکسر را می توان یک مـدار سـه دهانه شامل دهانهی پمپ2 و یا همـان نوسـان کننـدهی محلـی (LO)، دهانـهی سـیگنال ورودی RF و
دهانهی سیگنال IF دانست. (شکل (2-2

شکل 2- 2 میکسر به عنوان یک عنصر سه دهانه
عمل ترکیب سیگنالها را عنصر غیر خطی (مانند دیود ویا ترانزیستور) انجام میدهد. بر همـین اساس میکسرها به دوگروه میکسرهای غیرفعال و فعال تقسیم مـیشـوند. تفـاوت مشخصـات میکسـرها بهطور عمده وابسته به عملکرد عنصر غیرخطی آنهاست. وظیفـه سـیگنال LO کـه معمـولاًدارای تـوان بالاتری نسبت به سیگنال RF است راهاندازی3 عنصر غیرخطی مدار میکسر است تا عملکـرد متغییـر بـا

1 Pasive 2 Pump 3 Driving
21
زمان میکسر را تامین کند. فرکانس سیگنال خروجی IF ترکیبی از هارمونیکهـای سـیگنالهـای RF و LO است که میتوان آنرا بهصورت mfRF+nfLO=fIF نوشت که m و n اعداد صحیح هستند.
1-2-2 میکسرهای غیر فعال
میکسرهای پسیو ساده ترین، شناخته شده ترین و اولین مدارات میکسر هستند. یک ترانسفورماتور و دو دیود، ساده ترین میکسرهای غیر فعال را تشکیل می دهند. ایـن نـوع از میکسـرها دارای ایزولاسـیون خوب بین LO و RF و نیز بین LO و IF می باشند اما سیگنال RF را مستقیماً به خروجی IF می برند. چون سوییچ می تواند با یک MOSFET ساده تحقق یابد میکسر غیر فعال می تواند با مـدارات CMOS
اجرا شود. (شکل ( 3- 2

شکل 3-2 میکسر غیرفعال با تعادل دوگانه1 با CMOS
با توجه به دامنهی مثبت و منفی LO سیگنال RF از مسیرهای مختلف بـه پـورت خروجـی IF
می رسد. با تولید سیگنال مخلوط شده ی IF هارمونیک های دیگری نیز در خروجی ظاهر می شوند. در یک طراحی متعادل تمامی هارمونیکهای زوج حذف میشوند.
بهرهی تبدیل
به صورت توان یا ولتاژ خروجی IF تقسیم بر توان یا ولتاژ ورودی RF تعریف میشود.
رابطهی ,1-2یا , AP

,,
خروجی این میکسر پایین آورندهی غیرفعال میتواند توسط رابطهی 2-2 بهدست آید.

1 Double Balanced
22
رابطهی 2-2 . . . رابطهی 3-2

که در روابط بالا gT(t) رسانایی معادل تونن متغییر با زمان دیده شده از سر خروجـی IF ، m(t)
تابع میکس (رابطهی (3-2 و TLO دوره تناوب سیگنال LO است .[10]
در این میکسر درایو بزرگ LO لازم است تـا ترانزیسـتورهای پسـیو بتواننـد متناوبـاً خـاموش و روشن شوند. توان DC بالایی مصرف می کند که این توان در خود میکسر مصرف نمیشـود ولـی مـدارات درایو LO مقدار زیادی توان برای فراهم کردن سویینگ کافی LO مصرف میکنند.
نویز:
چون قبل از میکسر LNA قرار دارد پس عدد نویز (NF) مـورد نیـاز میکسـر خیلـی بیشـتر از
LNA است زیرا عدد نویز LNA با NF کل مستقیماً جمع میشود ولی NF میکسر بـر بهـرهی LNA

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

تقسیم میشود. (رابطهی ( 4- 2
رابطهی 4-2 1 NFM 1 NFLNA 1 ALNA در یک قطعهی غیر فعال NF به افت توان نزدیک است.
خطی بودن:
خطی بودن یکی از مشخصات اصلی میکسر پایین آورنده است، سیگنال اصـلی و تـداخل هـردو قبل از ورود به میکسر توسط LNA تقویت می شوند. خیلی از تداخل ها بیش از اندازه به سـیگنال اصـلی نزدیک هستند که توسط فیلتر داخل چیپ فیلتر شوند و این تداخل ها می توانند خیلی قوی تر از سـیگنال مطلوب باشند، بنابراین میکسر به خطی بودن خیلی بیشتری از LNA نیاز دارد. همانطور که در رابطهی
5-2 دیده می شود اعوجاج سهیم شده توسط میکسر به انـدازه ی بهـره ی LNA از اعوجـاج سـهیم شـده توسط LNA بزرگتر است.
رابطهی 5-2 ALNA 1 1 IIP3M IIP3LNA IIP3 اگر سوئیچ های میکسر ایده آل باشند هیچ اعوجاجی توسط میکسر تولید نمی شود. به هر حال بـه خاطر مقاومت سوئیچ ها که نه تنها به ولتاژ درایو LO بلکه به ولتاژ ورودی نیز وابستهاند، سـیگنال توسـط سوئیچها دچار اعوجاج میشود.
23
2-2-2 میکسر گیلبرت
این میکسر به جای تبدیل سیگنال RF به ولتاژ، سیگنال RF را به جریان تبدیل می کنـد. یـک ترانزیستور وظیفه ی تبدیل سیگنال RF را به جریان را به عهـده دارد و سـپس یـک جفـت دیفرانسـیلی جریان را به خروجی های IF متمم در هر دوره ی تناوب LO تبدیل مـی کنـد. در ایـن میکسـر چـون بـه سوئینگ بزرگ بین گیت های جفت دیفرانسیلی برای تبدیل جریـان نیـاز نیسـت درایـو LO مـورد نیـاز کاهش قابل ملاحظهای مییابد.
میکسـر گیلبـرت سـاده (شـکل (4-2 نسـبت بـه میکسـر غیـر فعـال ایزولاسـیون بهتـری بـین سیگنال های RF و LO دارد، زیرا هیچ مسیر مستقیمی بین RF و LO وجود ندارد، اما هنوز نشت LO
به پورت IF از طریق خازنهای پارازیتی بین گیت و درین سوئیچها هست.

شکل 4-2 میکسر گیلبرت ساده
شکل 5-2 یک میکسر با تعادل دوگانه در تکنولوژی CMOS را نشان می دهـد. ایـن میکسـر از سه بخش زیر تشکیل شده است:
مبدل ولتاژ به جریان (ترارسانا)
ترانزیستورهای ضرب کننده (سوئیچها)
مبدل جریان به ولتاژ (بار)
این میکسر مشکل فوق را با اتصال سیگنال هـای LO دیفرانسـیلی بـه همـان خروجـی IF حـل کرده است، هر طرف خروجی IF به دو سوئیچ با سیگنالهای LO با 180˚ اختلاف فاز متصل اسـت پـس
24
نشت LO از دو سوئیچ یکدیگر را خنثی می کنند پس تنها میکس سیگنال هـای RF و LO در خروجـی
IF ظاهر میشود.

شکل 5-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه
بهرهی تبدیل:
بهره ی تبدیل میکسر گیلبرت شامل سه جزء )Asw (2 gm,rf (1بهره یا افـت سـوئیچ هـا) RO (3
(امپدانس خروجی)
رابطهی 6-2 , که در رابطهی Asw 6-2 تـابع شـیب و دامنـهی ولتـاژ درایـو LO و ولتـاژ over drive جفـت
سوئیچ هاست . (Vod,sw ) اگر سیگنال LO موج مربعی باشد و دامنهی آن بیشـتر از Vod,sw باشـد، آنگـاه -3.9dB یا Asw=2/π است، اگر سیگنال LO سینوسی باشد و دامنه ی آن به اندازه ی کـافی بزرگتـر از
Vod,sw باشد آنگاه Asw نزدیک به مقدار آن در مورد موج مربعی اسـت. شـکل 6-2 بهـره ی سـوئیچینگ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه ی نوعی را نمایش می دهد. Asw تابع دامنه ی ولتاژ LO اسـت وقتـی کـه دامنهی ولتاژ LO کوچکتر از ولتاژ over drive است، و مقدار ثابتی کمـی کـوچکتر از 2/π (بـه خـاطر افت پارازیتیک) دارد وقتی که دامنهی ولتاژ LO به اندازهی کافی بزرگ است.
25

شکل 6- 2 منحنی بهرهی سوئیچ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه
ولتـاژ over drive ترانزیسـتورهای سـوئیچ بـه جریـان دریـن ترانزیسـتور ورودی RF و ابعـاد ترانزیستورهای سوئیچ وابسته است. Vod,sw می تواند با رابطه ی I-V یک قطعه ی کانال بلند تخمـین زده شود. (رابطهی (7-2
,

رابطهی ,7-2

وقتی کانال ترانزیستورهای سوئیچ به اندازه ی کـافی کوتـاه باشـد معادلـه ی کانـال کوتـاه اعمـال میگردد. (رابطهی (8-2
2 1 2 V , ,
رابطهی 8-2 ρ ρ که در رابطهی 8-2، ρ0 برابر است با:
ρ V ,

به هر حال درایو LO بزرگ می تواند بهره ی سوئیچ Asw بزرگتری فراهم کند. درایو LO خیلـی بزرگ بهره ی تبدیل را کاهش میدهد. هارمونیک بزرگ LO میتوانـد ولتـاژ دریـن ترانزیسـتور ورودی را کاهش دهد و نهایتاً به ناحیهی ترایود هدایت کند.
به جای افزایش درایو LO، کاهش ولتاژ over drive جفت دیفرانسیلی میتواند بهرهی تبـدیل را افزایش دهد. برای این منظور از یک منبع جریان DC که به سورس مشـترک ترانزیسـتورهای سـوئیچ وصل می شود تا بخشی از جریان DC از درین ترانزیستور ورودی را بکشد، استفاده مـی شـود و درنتیجـه
26
ولتاژ over drive کاهش مییابد. تکنیک تزریق جریـان DC در شـکل 7-2 بـا دوایـری بـه دور منـابع جریان مشخص شده است .[10]

شکل 7-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه با تکنیک ربودن جریان DC
نویز:
سه منبع اساسی نویز در میکسر پایین آورنده داریم: (1 نویز تولید شده در ترانزیستور ورودی RF
(2 نویز سوئیچینگ
(3 نویز بارهای خروجی
نویز ترانزیستور ورودی RF شامل دو بخش است: (1 نویز گرمایی درین
رابطهی 9-2 , 8 , i و (2 نویز القایی گیت که تا حدودی به نویز گرمایی درین وابسته است. kTg 3 رابطهی 10-2 4 i , جفت دیفرانسیلی جریان RF را بین دو ترانزیستور با فرکانس LO سوئیچ می کنـد، کـه نـویز را نیز در مسیر سیگنال شرکت می دهد. یکی از سـهم هـای نـویز از افـت سـوئیچ هـا و دیگـری از نـویز روی سیگنال های LO است. نویز در گیت جفت دیفرانسیلی شامل نویز فاز و نویز حرارتـی روی سـیگنالهـای LO و نویز القایی گیت است. وقتی دامنهی LO خیلی بزرگتر از ولتاژ over drive جفـت دیفرانسـیلی باشد ( به این مفهوم که فاصله ای که هر دو ترانزیستور جفت دیفرانسیلی روشنند خیلی کـوچکتر از دوره تناوب LO باشد) هر دو نویز حرارتی LO و نویز القایی گیت شدت خیلی کمتری از نویز فاز LO دارند.
27
خطی بودن
خطی بودن میکسر گیلبرت با gm ترانزیستورهای ورودی RF محدود می شـود. یکـی از راه هـای افزایش خطی بودن میکسر گیلبرت بدون کاهش بهره ی تبدیل آن، افزایش جریان دریـن ترانزیسـتورهای ورودی RF و سپس ربودن جریان DC غیر ضروری از مسیر سیگنال است. (شکل (7-2
ادوات سوئیچ کننده خیلی در اعوجاج خروجی شرکت نمی کنند. میکسر گیلبرت بـه جـای ولتـاژ جریان را سوئیچ میکند، هنگامیکه ولتاژ درایو LO خیلـی بزرگتـر از ولتـاژ over drive باشـد، جفـت دیفرانسیلی جریان را به طور کامل سوئیچ میکند و در نتیجـه بهـرهی تبـدیل روی جریـان ورودی ثابـت است. به هر حال با چنین هدایت ناگهانی جریان، سیگنالهای RF با هارمونیکهای مراتب بلاتـر LO در خروجی میکسر تولید میشوند. فرکانسهای سیگنال خروجی میتواند توسط رابطهی 11-2 بیان گردد.
رابطهی 11-2 : , | | یک فیلتر پایین گذر بعد از میکسـر فرکـانس هـای تولیـد شـده ی بـالاتر از ǀfRF±fLOǀ را حـذف می کند. در یک میکسر گیلبرت با تعدل دوگانه همه ی هارمونیـک هـای زوج هـر دو سـیگنال RF و LO
حذف میشوند.
3-2 کاربرد میکسر
همانطور که گفته شد از میکسرها جهت انتقال فرکانس موج حامل به پایین یعنی از RF به IF
در گیرنده ها استفاده می شود، تا سیگنال حاصله با کیفیت خوب و نویز کم قابل پردازش و تقویـت باشـد.
در این انتقال فرکانسی هیچ تغییری در نوع مدولاسیون موج حامل ایجاد نمی شود، به ایـن معنـی کـه در دامنه، فاز یا انحراف فرکانس لحظه ای موج نباید تغییـری بـه وجـود آیـد. عـلاوه بـر ایـن از میکسـرها در فرستنده ها جهت انتقال فرکانس موج حامل به بالا یعنی از IF به RF استفاده می شـود. بـر ایـن اسـاس میکسرهایی که عمل انتقال فرکانس از بالا به پایین را انجام میدهند (پـایین برنـده(1 و میکسـرهایی کـه فرکانس پایین را به بالا انتقال میدهند (بالا برنده(2 نامیده میشوند.
غیر از پارامترهای تلف (و یا گین) و سطح نویز، حداکثر ایزولاسیون بین دهانههـا و فیلترکـردن مناسب برای انتخاب هارمونیک مـورد نظـر (از بـین هارمونیـکهـای تولیـد شـده) در خروجـی، حـذف سیگنالهای ناخواسته، حذف فرکانس تصویر و تطبیق امپدانسی دهانهها (بهویژه در میکسرهای فعال) از سایر مشخصاتی است که در طراحی میکسر مورد نظر است. نخستین گـام در طراحـی میکسـر، انتخـاب مناسب عنصر غیرخطی برای داشتن عملکرد مناسب در باند فرکانسی مورد نظر است.

1 Down Convert 2 Up Convert
28
بر همین اساس برای طراحی و ساخت میکسر در باند فرکانسی خـاص و بـا مشخصـات مطلـوب، ملاحظات تئوری و عملی زیادی باید در نظرگرفته شوند.
4-2 عملکرد میکسر
هرگاه یک سیگنال سینوسی به ورودی یک مدار خطی اعمال شـود شـکل مـوج خروجـی شـبیه شکل مـوج ورودی خواهـد بـود، ولـی اگـر سـیگنال سینوسـی بـه یـک مـدار غیـر خطـی اعمـال شـود هارمونیک های ورودی در خروجی ظاهر می شوند. حال اگر دو سیگنال بـا فرکـانس هـای f1,f2 بـه ورودی یک مدار غیر خطی اعمال شوند نه تنها هارمونیک های هریک از فرکانس های بلکه هارمونیک های دیگـری به شکل m) mf1+nf2وn اعداد صحیح هستند) در خروجی خواهیم داشت.
مشخصه ی یک مدار غیر خطی را با اسـتفاده از تـوان سـری بـه صـورت رابطـهی 12-2 در نظـر میگیریم:
رابطهی 12-2
با فرض ورودی V=V1+V2 خواهیم داشت:
رابطهی 13-2
از بسط رابطهی 13-2 میتوان نوشت:
رابطهی
14-2 3 3 2 در رابطـهی 14-2، V1m تولیـد کننـدهی فرکـانس mf1 و V2n تولیدکننـدهی فرکـانس nf2 و V1mV2n تولیدکنندهی فرکانسهای mf1+nf2 هستند. با توجـه بـه روابـط بـالا معلـوم اسـت کـه یـک مشخصهی غیرخطی میتواند فرکانس های خیلی زیادی تولید کند، که در تحلیل کلی دو دسـته فرکـانس خواهیم داشت، یکی از هارمونیکهای دو فرکانس اعمال شـده و دیگـری یـک دسـته مجمـوع و تفاضـل هارمونیکهای فرکانسهای اعمال شده است.
1-4-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده
به طور کلی میتوان یک میکسر را به عنوان یک ضربکننده در نظرگرفت. (شکل (8-2

شکل 8-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده [3]
29
در این شکل یک ضربکنندهی ایدهآل با دو ورودی RF و LO دیده میشود شامل یـک Tone
حامل در فرکانس ωRF و یک شکل موج مدوله شدهARF 1 میباشد، ورودی دیگری که بـه دهانـهی LO
اعمال میشود یک سینوسی خالص در فرکانس ωLO است.
با ضرب دو سیگنال سینوسی و تبدیل آن به مجموع دو سینوسی که یکی حاصل جمع و دیگری تفاضل دو فرکانس را میدهد، فرکانس مجموع را فیلتر کرده و فقط سیگنال تفاضـل بـاقی مـیمانـد کـه حاصل مخلوط کردن دو فرکانس میباشد، در واقع سیگنال خارج شده از فیلتر شکل موج ARF است کـه اکنون بر Tone حاصل دو فرکانس ωRF-ωLO سوار میباشد.
اگرچه ضربکنندهی ایدهآل دردسترس نیست اما هر عنصـر غیـر خطـی دارای خاصـیت ضـرب کنندهگی است. عملکرد عناصر غیرخطی از آن جهت با ضربکنندهی ایدهآل متفاوت است که این عناصر هارمونیکهای مختلف RF و LO و ترکیب آنها را تولید کرده و خروجیهایی با این هارمونیکها ایجـاد میکنند، حال اگر ورودی مدوله شده ی RF از ورودی غیر مدوله شدهی LO خیلی کوچکتـر باشـد کـه در عمل چنین نیز هست خروجی میکسر شامل ترم های فرکانسی زیر است:
ωn =ωRF+nωLO
پس در خروجی IF فرکانس ωRF به علاوه ی هارمونیکهای مختلف LO را خواهیم داشـت کـه خروجی دلخواه بهوسیلهی فیلتر در دسترس خواهد بود.
2-4-2 عملکرد میکسر به کمک یک سوئیچ
میکسر را میتوان به عنوان یک سوییچ نیز مطرح نمود که با فرکانس LO قطع و وصل میگردد.
شکل 9-2 یک میکسر با ساختار تکی2 را نشان میدهد که به صورت یک سوئیچ مدل شده است.
سیگنال IF حاصلضرب سیگنال RF در شکل موج سوئیچ شدهی S(t) میباشد. در برخی مـوارد ممکـن است شکل موج سوئیچ شده دارای زمان قطع و وصل% 50 3 نباشـد، بـه هرحـال همـهی هارمونیـکهـای فرکانس اصلی به علاوهی یک جـزء DC حاصـل مـیشـود. بنـابراین سـیگنال IF شـامل تعـداد زیـادی هارمونیکهای ناخواسته میباشد که با فیلتر کردن میتوان آنها را جدا ساخت.

1 Modulation Waveform 2 Single ended 3 Duty Cycle
30

شکل 9- 2 میکسر با ساختار تکی
شکل 10-2 نشان دهندهی نوع دیگری از ساختار میکسر است که به آن سـاختار متـوازن تکـی1 گفته میشود، که با استفاده از شکل موج دیگری برای S(t) مدل شدهاست.
در اینجا بهجای قطع و وصل سادهی سیگنال RF قطبهای مثبت و منفی سیگنال بـا فرکـانس سوئیچینگ LO عوض میشوند. مزیت اصلی این حالت حذف ترم DC در شکل موج S(t) اسـت (البتـه به شرط آنکه Duty Cycle، %50 داشته باشیم) و به تبع آن، دیگـر در طیـف خروجـی IF از فرکـانس
RF اثری نخواهد بود، در نتیجه یک ایزولاسیون ذاتی بین دریچههای RF و LO وجـود خواهـد داشـت
.[8]

شکل 10-2 میکسر با ساختار متوازن تکی

1 Single Balanced
31
.3 فصل سوم: بررسی میکسرهای توزیع شدهی
فراپهن باند
32
1-3 مقدمه
توپولوژی توزیع شده در ترکیب خطوط انتقال1 در ابتدا توسط گینزتون2 پیشنهاد شد.[11] به علـت عـدم پیشرفت تکنولوژی در طراحی و ساخت مدارت توزیع شده، اسـتفاده از ایـن مـدارات بـرای مـدت زیـادی متوقف شد. این مدارات دوباره در سال 1980 با پروسههای مختلفی شروع شد که از جمله آنها GsAs و
اخیراً تکنولوژی CMOS را میتوان نام برد. شروع دوباره به کارگیری مدارات توزیع شده اساساً ناشـی از قابلیت طراحی خطوط انتقال روی تراشه3 و سلفهای high-Q بود.
شکل 1-3 بلوک دیاگرام کلی شامل خطوط انتقال و طبقات بهره که روی خطوط انتقال توزیـع شـدهانـد، میباشد که هر طبقه میتواند یک ساختار مشخص میکسر در تکنولوژی دوقطبی4 باشـد. خطـوط انتقـال نیز میتوانند مطابق شکل (a)1-3 توسط موجبرهای هم محور یا مطابق شـکل (b) 1-3 توسـط مـدارات
LC تحقق یابند. در این شکل Ci خازنهای پارازیتی ورودی طبقه به اضـافهی همـه خـازنهـای خـارجی میباشد. همچنین Co خازنهای پارازیتی خروجی طبقات به اضافهی همه خازنهای خارجی میباشد.

شکل 1-3 بلوک دیاگرام مدار ترکیبی توزیع شده (a) موجبر هم محور واقعی (b) مدارات LC مصنوعی[11]
یکی از مشخصات بارز مدارات مجتمع این است که خطوط انتقـال روی تراشـه را بـرای افـزایش پهنای باند به کار میگیرند. در حوزهی فرکانس، خازنهای پارازیتی ترانزیستورها که در شـکل 1-3 دیـده می شود، جذب ثابتهای خطوط انتقال میشوند. بنابراین پهنای باند مدار توسـط فرکـانس قطـع خطـوط انتقال تعیین میشود.

1 Transmission Line 2 Ginzton 3 On chip 4 bipolar
33
نکتهی مهم در خصوص توپولوژی توزیع شده در مقایسه با سایر توپولوژیها، توان مصرفی بـالا و سطح اشغالی زیاد آنها است. توان مصرفی و سطح اشغالی با افزایش تعداد طبقات زیاد میشوند. بهتـرین راه، ایجاد مصالحه بین توان مصرفی و حاصلضرب بهره در پهنای باند یعنی 1GBW میباشد.
توان مصرفی مدارات توزیع شده با n طبقه، n برابر توان مصـرفی یـک مـدار یـک طبقـه اسـت.
مدرارت توزیع شده نسبت به مدارات فشرده مصـالحه ی بهتـری بـین تـوان مصـرفی و عـدد نـویز برقـرار میکنند.
2-3 مدارات توزیع شده
در ساختارهای توزیع شده که اخیراً استفاده از آنها در طراحی سیستمهای فـرا پهـن بانـد رشـد چشمگیری داشته است، معمولاً از چند سلول یکسان که بصورت موازی بین دو خط انتقال (بـا امپـدانس ذاتی معادل 50 اهم) ورودی و خروجی قرار گرفتهاند، استفاده می گردد. این خطوط انتقال مجازی کـه در شکل 2-3 ملاحظه می شوند، از مدل T معادل خط انتقال ناشی شده و اساساً دربرگیرندهی تعدادی سلف میباشند که در کنار خازنهای پارازیتیک ترانزیسـتور، تشـکیل خـط انتقـال بـا امپـدانس مـورد نظـر را میدهند .[12]

شکل 2-3 مدل خطوط انتقال مصنوعی
یکی از نکات مهم در استفاده از ساختار توزیع شده، در نظر گرفتن اختلاف فاز بین سیگنالهـای رسیده از هر کدام از سلولها با یکدیگر در خروجی میباشد. بدین معنی که اگر سـاختار توزیـع شـده بـا چهار سلول را به صورت شکل 3-3 در نظر بگیریم، آنگـاه مـثلاً سـیگنال ورودی A1 پـس از طـی مسـیر مشترک L1 به ورودی اولین سـلول رسـیده، سـپس بـا طـی مسـیرهای L4, L3, L2 و L5 بـه خروجـی میرسد. از طرف دیگر سیگنال A2 از مسیر دیگر بـا طـی مسـیر L1 وL2 بـه ورودی سـلول 2 رسـیده و سپس با طی مسیرهای L3 ، L4 و L5 به خروجی میرسد که این مساله به همین نحو برای سایر سلولها نیز ادامه دارد. با توجه به این که سلولها کاملاً یکسان میباشند، بنـابراین بایـد اخـتلاف فـاز طـی شـده

1 gain-bandwidth
34
توسط سیگنال عبوری از هر یک سلولها از ورودی تا خروجی تا حد ممکن یکسان باشد که در غیـر ایـن صورت باعث تاثیر منفی سیگنالهای سلولها بر یکدیگر و کاهش بازدهی از مقدار ایدهآل میشود. به این منظور باید مقادیر سلف های موجود در خط انتقال ورودی و خروجی و خـازنهـای پارازیتیـک بـه نحـوی انتخاب شوند که علاوه بر تامین امپدانس 50 اهم برای رسیدن به ضریب انعکاس قابل قبـول در ورودی و خروجی، بتوانند این هماهنگی در اختلاف فاز را نیز میسر سازند .[11]

شکل 3-3 شمای نحوهی قرار گیری سلولهای مدار توزیع شده بین دو خط انتقال
3-3 بررسی عملکرد سیگنال بزرگ میکسر گیلبرت به عنوان یک عنصر غیر خطی
در شکل 4-3 یک سلول گیبرت که به طور گسترده به عنوان میکسر مورد استفاده قرار می گیـرد و یک میکسر با تعادل دوگانه1 است مشاهده می شود. تعادل دوگانه به این مفهـوم کـه اگـر فقـط یکـی از سیگنال های ورودی یا LO اعمال شود، خروجی به طور ایـده آل صـفر مـی گـردد. در ایـن تحلیـل فـرض می کنیم که سیگنال خروجی به طور ایده آل هیچ جزئی در فرکانس LO و هارمونیـک هـایش نـدارد، کـه وجود ایزولاسیون بالای پورت به پوررت بین پایانه های ورودی، LO و خروجـی ایـن خواسـته را بـرآورده می کند. سلول گیلبرت شامل طبقهی ترارسانایی یا راهانداز، که یک جفت دیفرانسـیلی اسـت کـه در یـک نقطه کار ثابت بایاس شده است، دو جفت سوئیچ که با سیگنال قوی LO راه می افتند و بارهای مقـاومتی یا مدارات تانک در خروجی است.
رابطهی 1- 3 I I I I IO IO
1 Double Balanced
35

شکل 4-3 میکسر گیلبرت CMOS
نصف سلول گیلبرت خودش یک میکسر تک بالانس است که در شکل 5-3 نمـایش داده شـده و بدین گونه درنظر گرفتن آن، به تحلیل مدار کمک میکند.

شکل 5-3 یک میکسر فعال CMOS با تعادل تکی
هنگامی که ولتاژ ac سیگنال بزرگ به سوئیچ ها اعمال می شـود، بایـاس M1 و M2 ثابـت نیسـت ولی به صورت متناوب با زمان تغییر می کند. وقتی ولتاژ دیفرانسیلی بزرگتر از مقدار مطمـئن Vx، کـه در شکل 6-3 آمده، بین گیت های ترانزیستورها اعمال می شود یکی از آن ها خـاموش مـی شـود، ولـی وقتـی مقدار مطلق ولتاژ لحظه ای VLO کمتر از Vx باشد، جریان طبقه ی راه انداز بین دو قطعه تقسیم می شـود.
میخواهیم جریان درین هر ترانزیستور را برای یک مقدار VLO و جریان بایاس طبقهی راهانداز بدانیم.
رابطهی 2- 3 V k VG V 36 ID 1 θ VGS
در رابطــهی 2-3 کــه رابطــهی جریــان-ولتــاژ ترانزیســتور MOS کانــال کوتــاه مــیباشــد،
θ فــــــــاکتور تنــــــــزل1 قابلیــــــــت حرکــــــــت میــــــــدان نرمــــــــال و k برابــــــــر است .[13]
ترانزیستور M3 را با یک منبع جریان ایده آل مدل می کنیم و فرض می کنیم ترانزیستورهای M1
و M2 در ناحیه ی اشباع باقی مـی ماننـد. در قسـمتی از دوره تنـاوب LO کـه ایـن ترانزیسـتورها روشـن هستند، رفتار سیگنال بزرگ جفت سوئیچها با روابط زیر مدل بیان میشود.
رابطهی 3- 3 I V VGS k V V VGS k و V 1 θ VGS 1 θ VGS IB رابطهی 4- 3 - نرمال میکنیم. GS که جریان و ولتاژ VLO را به صورت رابطهی 5 3 VLO VGS رابطهی -5-3 - θVLO - ULO IB- θ JB و در نتیجه رابطهی 3 3 و رابطهی 4 3 به صورت رابطهی 6 3 و رابطهی 7 3 درkمیآیند. و رابطهی 6- 3 JB U U 1 U U 1 رابطهی 7- 3
هنگامیکه همهی جریان بایاس از M1 میگذرد داریم:
JB 4 2 θ
رابطهی 8- 3 JB JB
gm ترانزیستورها نیاز می شود و می تواند از مشتق I نسبت به V یا در فرم نرمال شده می تواند از مشتق J نسبت به U محاسبه شود. رفتار جفت سوئیچ ها از Vt مستقل است و این به ما اجازه میدهد که gmbs را حذف کنیم. اگر از اثر خازنی صرفه نظر شود جریان خروجی میکسـر تـک بـالانس (شـکل (5-3
تابعی از ولتاژ پیوستهی LO و جریان طبقهی راهانداز است.
رابطهی 9- 3 , I I IO بسط اول تیلور رابطهی 9-3، رابطهی 10-3 را نتیجه میدهد:
رابطهی 10-3 . , , IO که میتوان آنرا به صورت زیر نوشت:

1 Degeneration
37
رابطهی 11-3 . در رابطهی p0(t) 11-3 و p1(t) توابع پریودیک هستند که در شکل 6-3 ملاحظه میشوند.

شکل 6-3 شکل موجهای p0(t) و p1(t)
در ساختار دوبل بالانس با تطبیق خوب تابع p0(t) حذف میشود.
در فاصله زمانی که -Vx<VLO<Vx است هر دو ترانزیستور سوئیچ روشن هسـتند و p0(t) و p1(t) به VLO و IB و مشخصات I-V ترانزیستورها وابستهاند. جریان سیگنال کوچـک در هـر شـاخه بـه وسیلهی تقسیم جریان تعیین میشود و به صورت رابطهی 12-3 دیده میشود .[14]
رابطهی 12-3

مطابق رابطهی 11-3 یک جزء سیگنال is(t) که آن را با x(t) نشان مـی دهـیم، در شـکل مـوج
p1(t) ضرب میشود پس طیف فرکانسی خروجی به صورت رابطهی 13-3 در میآید.
رابطهی 13-3 , که fLO فرکانس LO، p1,n سری فوریه ی p1(t) و X(f) طیف فرکانسی x(t) است. p1(t) فقط مولفههای فرکانسی فرد را دارا میباشد. (p1(t)= -p1(t+TLO/2)) توجه کنیم که ترمهای شـامل n=1
یا n=-1 بهره را معرفی می کنند و در این صورت رابطهی 14-3 بهره ی تبدیل جفت سوئیچ ها به تنهـایی را نشان میدهد.
رابطهی 14-3 , | . | 38
از آنجاییکه x(t)=gm3vin(t) که در آن vin(t) سیگنال ولتاژ ورودی در گیت ترانزیستور M3 و
gm3 ترارسانایی ترانزیستور M3 است، بهره ی تبدیل میکسر تک بالانس در فرم ترارسانایی رابطهی 15-3
است.
رابطهی g .15-3
برای دامنه های بزرگ LO، p1(t) به صورت مـوج مربعـی درمـی آیـد و c بـه 2/π مـیرسـد. در
شرایطی که VO>Vx است یعنی حالتی که برای کارکرد میکسر لازم است و بـا فـرض p1(t) یـک خـط مستقیم رابطهی 16-3 به عنوان تقریب خوبی برای c حاصل میشود .[14]
2 sin ∆
رابطهی 16-3


و برای LO سینوسی داریم: πΔfLO=arcsin(Vx/VO)
4-3 میکسر سلول گیلبرت توزیع شده
میکسر سلول گیلبرت توزیع شده تعداد یکسانی از ایـن میکسـرها مـی باشـد، کـه ترمینـالهـای ورودی و خروجی هر میکسر به نقاط اتصال وسط1 خطوط انتقال مصنوعی وصل شده است. اگر ثابت فـاز خطوط انتقال مصنوعی به درستی طراحی شده باشد خروجی IF هر سلول با سایر اجزاء IF کـه از سـایر سلولها میآیند هم فاز2 خواهد بود. این میکسر به یک بهرهی تبدیل بهتر در طول رنج فرکانسی پهـن در مقایسه با میکسر گیلبرت متداول دست مییابد.
مدارات با خطوط انتقال تاخیر انتشار را فدای پهنای باند سیگنال می کنند، در سیستم هـای بانـد وسیع تاخیر از پهنای باند محدود قابل تحمل تر است زیرا می تواند توسط مدارات پیشبینی تاخیر کالیبره گردد، که استفاده از مدارات توزیع شده در این کاربرد را توجیح مـی کنـد. پهنـای بانـد ایـن مـدارات بـه خصوص در پورت های RF و LO توسط ثابت زمانی RC محدود می شود. در حوزه ی فرکانس، یک منبع محدودیت پهنای باند در مدارات آنالوگ متداول، هنگامیکه فرکانس افزایش مـییابـد افـت در امپـدانس ورودی مدار است. در یک مدار توزیع شده که از شبکهی نردبانی LC بـرای بهبـود پهنـای بانـد اسـتفاده می شود، خازن ورودی ترانزیستور در داخل خطوط انتقال جذب (کشیده) میشود، از اینرو تـا زمـانیکـه فرکانس قطع خطوط انتقال نزدیک شود امپدانس ورودی و پهنای باند تا یک درجهی مطمئن ثابت بـاقی میمانند.
در اثر استفاده از خطوط انتقال مصنوعی بهبود تخت بودن بهره به دست میآید، هرچند طبیعـت مکانیسم اضافه کردن سلف در توپولوژی توزیع شده بهرهی تبدیل میکسر فعال را کاهش میدهد.

tap point in-phase

1
2
39
1-4-3 بهرهی تبدیل
با فرض رفتار سوئیچ جریان ایده آل برای طبقه ی سوئیچ جریان تفاضـلی خروجـی مـی توانـد بـه عنوان نتیجه ی ضرب جریان درین M1 با یک موج مربعی با دامنه ی واحد در نظر گرفته شود. هنگامی که دامنه ی جزء اصلی موج مربعی 4/π برابر دامنه ی موج مربعی است، ترارسـانایی کـل بـه صـورت رابطـهی
17-3 بیان میشود. در این رابطه 2/π به جای 4/π آمـده اسـت زیـرا سـیگنال IF بـین اجـزا مجمـوع و
تفاضل به طور مساوی تقسیم میشود .[15]
2
رابطهی G πg17-3
حال برای میکسر توزیع شده با n سلول بیشترین بهره ی تبدیل به صورت رابطهی 18-3 تعریـف
میشود.
رابطهی 18-3

برای افزایش بهره ی تبدیل می توان تعداد طبقات n، یا ترارسانایی gmRF را افزایش داد که هر دو موجب مصرف توان اضافی می شوند. راه دیگر افزایش ZIF است هنگامی که فرکانس قطع خـط انتقـال IF
) ) حفظ شود. شکل 7-3 مدار معادل خطوط انتقال IF را نشان می دهد که i2 تا
in مدل تاخیری i1 هستند .[11]

شکل 7-3 مدار معادل خط انتقال
2-4-3 تکنیک تزریق جریان
از رابطهی 18-3 نتیجه می شود که بهره ی تبدیل میکسر گیلبرت قویاً به بارهای مقاومتی وابسته است و برای بهره ی تبدیل بالا، مقاومت بار بزرگ نیاز است. با توجه به شکل 8-3، برای یـک جریـان ISS
مشخص خطی بودن میکسر ناشی از اضافه ولتاژ افت کرده روی RL رو به کاهش میگذارد. با ایجـاد یـک مسیر جریان بای پس IB جریان بایاس از مسیر RL به طور موثری کاهش می یابـد، هنگـامی کـه جریـان
DC کافی برای طبقهی ترارسانایی حفظ میشود.
40

شکل 8-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با تکنیک تزریق جریان
تزریق جریان با یک مقاومت موازی یا منبع جریان فعال پیاده سازی میشود. برای تقویت بیشـتر ترارسانایی برای بهره ی تبدیل کمکی بدون مصرف جریان اضافی، یـک توپولـوژی تزریـق جریـان بـا یـک طبقه ی ترارسانایی مکمل که در شکل 9-3 ملاحظه می شود به کـار مـی بـریم. در ایـن توپولـوژی جفـت تفاضلی pMOS با ترارسانایی ورودی ترکیب شده اند. با انتخاب نسبت جریـان طبقـات مکمـل ماننـد α بهرهی تبدیل توسط رابطهی 19-3 داده میشود .[12]
αISS L µ C L I SS µ C CG 2 π RL
رابطهی 19-3 W W
شکل 9-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با طبقهی ترارسانایی مکمل
می خواهیم خطی بودن مدار جدید را بررسی کنیم. معادله ی جریان سیگنال کوچک دریـن را بـه صورت رابطهی 20-3 مینویسیم:
رابطهی 20-3
41
و اگر -VOD VGS‐Vt باشد، آنگاه رابطهی 21-3 تا رابطهی 23-3را برای ضرایب g داریم. رابطهی 21 3 kVOD 2 θVOD ∂ID و θVOD 1 ∂VGS رابطهی 22-3 k 1 ∂ ID 1 و θVOD 2!∂VGS رابطهی 23-3 kθ 1 ∂ ID 1 θVOD 3!∂VGS بر اساس روابط بالا اینترمدولاسیونهای مرتبهی دوم و سوم به صورت زیر تعریف میشوند .[16]
رابطهی , ,24- 3

,,
رابطهی , ,25- 3

,,

4

3
از رابطهی 24-3 واضح است که با تکنیک تزریق جریان پیشنهادی بـرای میکسـر IIP2 بزرگتـر به دست می آید. هرچند به هرحال در نتیجه ی استفاده از طبقه ی ترارسانایی pMOS، IIP3 ممکن است کاهش یابد. بنابراین تعامل بین IIP3 و CG برای کارایی بهتر میکسر بایستی به دست آید.
3-4-3 تکنیک پیکینگ سلفی1
محدودیت دیگر پهنای باند کاری میکسر بانـد وسـیع خـازن هـای پـارازیتی در گـره ی خروجـی طبقه ی ترارسانایی هستند مخصوصاً وقتی که تکنیک تزریق جریان برای بالا بردن بهره استفاده می شـود.
یک مدل مدار ساده که در شکل (a)10-3 ملاحظه می شود برای تحلیل به کار رفته و تابع رابطهی 26-3
بهدست میآید.
رابطهی 26-3

1

1 Inductive Peaking
42

شکل 10-3 مدل مدار ساده شده برای (a) میکسر متداول (b) میکسر با تکنیک پیکینگ سلفی سری
برای کم کردن تاثیر قطب فرکانس پایین اضافی در پهنای باند کـاری میکسـر تکنیـک پیکینـگ سری که در اصل برای تقویت کننده های باند وسیع ایجاد شده به کار می رود. شکل (b)10-3 یـک مـدل ساده ی پیکینگ سلفی سری را نشان می دهد. اعمال یک سلف سری Lm بین طبقات ترارسانایی و سوئیچ برای جداکردن خازن های پارازیتی، با وارد کردن یک شبکه ی غیر فعال بـا مشخصـات پهـن بانـد صـورت میگیرد.

شکل (a) 11-3 مدل سیگنال کوچک یک تقویت کننده (b) شبکهی پسیو اضافه شده برای ایزوله کردن خازنهای
پارازیتی (c) پیاده سازی این شبکه با سلف
یک شبکه ی دو پورتی غیر فعال می تواند بین اجزاء ترانزیسـتور (R1,C1) و بـار (R2,C2) بـرای افزایش پهنای باند وارد شود(شکل .((b)11-3 اگر GBW1 شکل (a)11- 3 با رابطهی 27-3 بیان شود.
رابطهی 27-3

2

1 Gain-Bandwidth
43
GBW برای شکل (b)11-3 یا (c) که شبکه ی غیـر فعـال اعمـال شـده و در نتیجـه C1 تنهـا خازنی است که در پورت ورودی شبکه روی GBW اثر دارد، بنابراین برای این حالت GBW با رابطهی
28-3 محاسبه میشود .[17]
g
رابطهی GBW28-3
π
ملاحظه میشود که این تکنیک پهنای باند مدار را به طور قابل ملاحظهای افزایش میدهد.
5-3 مروری بر چند ساختار میکسر پهن باند ارایه شده
در این قسمت شماتیک مدار چندین ساختار میکسر پهن باند، که از بـه روزتـرین سـاختارها بـه شمار میروند، مرور شده است. در پایان بخش، این ساختارها از لحاظ فرکانس کار، بهـره ی تبـدیل، عـدد نویز و خطی بودن در یک جدول مقایسه شدهاند.
1-5-3 ساختار میکسر [18] 1
شماتیک مدار در شکل 12-3 دیده میشود. در طراحـی ایـن میکسـر از توپولـوژی توزیـع شـده استفاده شده و تعداد طبقات به طور دلخواه چهار انتخاب شده است. هر سلول یـک میکسـر تـک بـالانس است. ترانزیستورهای طبقه ی ترارسانایی (M31-M34) به طور یکسان تطبیق یافتـهانـد. در ایـن میکسـر خطوط انتقال مصنوعی در طول خطوط LO,RF وIF با شبکه ی نردبانی LC تحقق یافتهاند، که سلفها با استفاده از ماپیچهای داخل چیپ اجرا شدهاند و خازنها، خـازنهـای پـارازیتی ترانزیسـتورهای MOS
هستند که به خطوط تاخیر LC متصل شدهاند، امپدانس بار با امپدانس مشخصـه ی خطـوط تـاخیر LC
تطبیق یافتهاند.
پارامترهای بهره، عدد نویز، IIP3 این مدار در جدول 1-3 آمده است.

شکل 12-3 مدار میکسر ساختار 1
44
2-5-3 ساختار میکسر [12] 2
شماتیک مدار در شکل 13-3 دیده میشود. این میکسر با استفاده از توپولوژی توزیع شده ی غیر همسان طراحی شده، با ترکیب کردن طبقات سلف و خطوط انتقال مصنوعی با میکسـر گیلبـرت بهـره ی تبدیل بالا و تخت و نیز پهنای باند وسیع به دست می آید. در این سـاختار تزریـق جریـان بـرای افـزایش بهره ی تبدیل میکسر با تاثیر کمتر بـر خطـی بـودن آن بـه کـار رفتـه اسـت. همچنـین از تکنیـک هـای Degeneration خازنی و پیکینگ سلفی برای تقویت بهره و پهنای باند در فرکانس های بـالاتر اسـتفاده شده است.
پارامترهای بهره، عدد نویز، IIP3 این مدار در جدول 1-3 آمده است.

شکل 13-3 مدار میکسر ساختار 2
3-5-3 ساختار میکسر [19] 3
شماتیک مدار در شکل 14-3 دیده میشود. این میکسر با هسته ی سلول گیلبرت تحقـق یافتـه، سلول گیلبرت به دلیل داشتن ساختار دوبل بالانس که بهره ی تبـدیل بـالا و کـارایی مناسـب را در ابعـاد کوچک برای مجتمع سازی ارایه می دهد، انتخاب شده است. بـرای بهبـود پهنـای بانـد شـبکه ی تطبیـق امپدانس برای کاهش تلفات بازگشت سیگنال، با شبکه ی نردبانی LC که در مدارات توزیع شـده بـه کـار می رود در پورت های RF و LO به کار رفته است. این شبکه با خازن های Cgs ترانزیسـتورهای MOS و
سلف های مارپیچی، برای اجرای خطوط انتقال مصنوعی و دستیابی به پهنای باند بـالا اجـرا شـده و بـرای افزایش بهرهی تبدیل از روش تزریق جریان استفاده شده است.
پارامترهای بهره، عدد نویز، IIP3 این مدار در جدول 1-3 آمده است.

–29

3.1 جنبه های کاربردی منابع توان پالسی در پلاسما
4.1 مبانی عملکرد منابع توان پالسی پلاسما
1.4.1مشخصات پالس های قدرت بالا در منابع توان پالسی
2.4.1ذخیره سازی انرژی الکتریکی
1.2.4.1 بانک خازنی
2.2.4.1 مولد مارکس
3.4.1 اصول کلید زنی در پلاسما
4.4.1 شبکه های شکل دهی پالس (PEN)
5.4.1 خط انتقال بلوملین (BLUMLEIN)
5.1 اهداف مورد بررسی در این پژوهش
6.1 نتیجه گیری
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده درپلاسما
1.2 مقدمه
2.2 توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی پلاسما
1.2.2 توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس
2.2.2 توپولوژی مبتنی بر مبدل های dc - dc
1.2.2.2 مبدل باک (Buck)
2.2.2.2 مبدل بوست (Boost)
فهرست مطالب
عنوان 3.2.2.2 مبدل باک - بوست (Boost -Buck)
4.2.2.2 مبدل کاک (Cuk)
5.2.2.2 مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم
3.2.2 توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ
4.2.2 توپولوژی مولدهای پالس مبتنی بر اینورترها
3.2 روش های کنترلی مورد استفاده در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.3.2روش کنترلی منبع ولتاژ
2.3.2روش کنترلی منبع جریان
4.3.2 روش کنترلی پسماند
4.2 نتیجه گیری
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.3 مقدمه
2.3 طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت
1.2.3 آرایش مداری توپولوژی پیشنهادی
2.2.3 حالت های کلید زنی توپولوژی پیشنهادی
3.2.3 تحلیل مداری توپولوژی پیشنهادی
4.2.3 محاسبه مقدارdv/dt تولید شده ناشی از کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
3.1.3 محاسبه مقادیر المان های منابع توان پالسی پلاسما
2.3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده منابع توان پالسی پلاسما
3.3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده در حالت استفاده از خازن اضافی در منابع توان پالسی پلاسما
فهرست مطالب
عنوان 4.3 طراحی استراتژی کنترلی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
1.4.3 تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
2.4.3 طراحی و تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی پیشنهادی در حالت دو طبقه
5.3 نتیجه گیری
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.4 مقدمه
2.4 روند شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی برای منبع توان پالسی پلاسما
1.2.4 تعیین مقادیر المان و مولفه های اصلی منابع توان پالسی پلاسما
2.2.4 روش مدل سازی بار در توپولوژی پیشنهادی
3.2.4 شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
4.2.4 شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی در حالت دو طبقه
3.4 تخمین انرژی ذخیره شده در منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
4.4 شبیه سازی dv/dt تولید شده ناشی از کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
5.4 نتیجه گیری
فصل پنجم - بحث و نتیجه گیری
- نتیجه گیری
- مراجع
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل(1-1) نمایی از الکترودهای بکار رفته در پلاسما
شکل(1-2) منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
شکل (1-3) نمای کلی از ساختار منابع توان پالسی
شکل (1-4) منحنی مشخصات یک پالس تولید شده در منابع توان پالسی
شکل(1-5) نمونه ای از کمپرسور پالس مغناطیسی
شکل (1-6) نمونه ای از بانک خازنی بکار رفته در منابع توان پالسی
شکل(1-7) نمونه ای از مولد مارکس مورد استفاده در منابع توان پالسی
شکل (1-8) مدارهای اصلی مورد استفاده در منابع توان پالسی با المان های ذخیره ساز انرژی
شکل(1-9) نمونه ای از بانک خازنی با کلیدهای چندکاناله
شکل (1-10) آرایش مختلفی از شبکه نردبانی مورد استفاده در شبکه های شکل دهی پالس
شکل (1-11) آرایش خط انتقال بلوملین
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل (2-1) الف) نمونه ای از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس، ب) حالت شارژ مولد ، ج) حالت دشارژ شکل(2-2)مبدل باک (Buck) شکل(2-3)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل باک : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-4)مبدل بوست (Boost)
شکل(2-5)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-6)مبدل باک - بوست (Boost -Buck)
شکل(2-7) شکل موج های ولتاژ - جریان و مدارمعادل مبدل باک - بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-8) مبدل باک – بوست مثبت ( Positive Buck-Boost )
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-9) مبدل کاک (Cuk)
شکل (2-10)مدار معادل مبدل کاک در حالت های کلید زنی : الف) حالت وصل کلید ب) حالت قطع کلید
شکل (2-11) شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل کاک در حالت های کلید زنی
شکل (2-12) مبدل تشدید با کلیدزنی نرم
شکل (2-13)تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون
شکل (2-14) توپولوژی های کنترلی مورد استفاده در یک منبع توان پالسی پلاسما
شکل (2-15)روش کنترلی منبع ولتاژ در منابع توان پالسی پلاسما
شکل(2-16)روش کنترلی منبع جریان مورد استفاده در منابع توان پالسی پلاسما
شکل(2-17)روش کنترلی حلقه جریان پسماند برای کنترل جریان سلفی در منابع توان پالسی پلاسما
شکل (2-18) روش کنترلی پسماند برای منابع توان پالسی پلاسما
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل(3-1) شمای کلی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت منبع توان پالسی
شکل (3-2) منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی با یک مجموعه کلید- دیود- خازن
شکل (3-3) منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی با دو مجموعه کلید- دیود- خازن
شکل (3-4) مدل سازی توپولوژی پیشنهادی جهت تحلیل حالات کلیدزنی در منبع توان پالسی
شکل(3-5) حالت کلیدزنی شارژ شدن سلف در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-6) حالت کلیدزنی عبور جریان سلفی در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-7) حالت کلیدزنی شارژ همزمان خازن ها در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-8) حالت تامین بار در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-9) حالت کلید زنی شارژ جداگانه خازن ها در توپولوژی پیشنهادی
شکل (3-10) فلوچارت کنترلی پیشنهادی
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع
توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل (4-1) شبیه سازی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی – یک طبقه
شکل(4-2) شبیه سازی روش کنترلی منبع ولتاژ در توپولوژی پیشنهادی
شکل(4-3) مولفه ولتاژ توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه: (الف) کلید Ss (ب) کلید S1
شکل(4-4) مولفه جریان کلید بارSL توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
شکل (4-5) شبیه سازی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی – دو طبقه
شکل(4-6) مولفه ولتاژ توپولوژی پیشنهادی - دو طبقه درحالت کلید زنی همزمان: (الف) خازنC1 یا کلید S1 (ب) خازنC2 یا کلید S2 (ج) کلید SL
شکل(4-7) مولفه های اصلی توپولوژی پیشنهادی - دو طبقه درحالت کلید زنی جداگانه: (الف) ولتاژ خروجی (ب) جریان سلفی (ج) جریان خروجی(بار) IL (د) ولتاژ ورودی
شکل (4-8) شبیه سازی پیشنهادی جهت تخمین میزان انرژی ذخیره شده
شکل(4-9) تخمین انرژی ذخیره شده در توپولوژی پیشنهادی: (الف)انرژی ذخیره شده در سلف (ب) انرژی ذخیره شده درخازن (ج) انرژی ذخیره شده در بار
شکل(4-10) جریان خازنی در حالت کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
فهرست جدول ها
عنوان صفحه ه
فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول(1-1) شرح نواحی منحنی دشارژ گازی ولتاژ - جریان حالت dc پلاسما
جدول (1-2) خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی برای کاربردهای مختلف
جدول(1-3) دامنه پالس های تولید شده در منابع توان پالسی
جدول (1-4)مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری
جدول (1-5)مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733
جدول(1-6) کلیدهای نیمه هادی گازی در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول(2-1) شاخص های کلیدی مبدل های dc - dc
جدول(2-2) شاخص های کلیدی مبدل های تشدید با کلید زنی نرم
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول( 3-1) شاخص های کلیدی توپولوژی های مورد استفاه در منایع توان پالسی پلاسما
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول (4-1) مقادیرمولفه و المان های اصلی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
جدول(4-2) مقادیر dv/dt تولید شده در حالت کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
جدول(4-3) خلاصه ای از مقایسه بین دو آرایش مختلف توپولوژی پیشنهادی منبع توان پالسی پلاسما
2
2
3
5
5
6
8
10
11
14
15
17
18
18
19
20
20
20
22
22
23
25
صفحه
26
28
30
32
34
35
35
36
37
39
40
41
42
42
44
48
51
51
52
53
54
صفحه
55
55
56
58
59
60
61
61
62
62

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

63
65
67
69
70
72
73
76
3
4
6
8
8
9
9
10
11
16
17
22
23
24
25
26
27
28
28
29
29
30
31
34
35
36
37
38
38
42
43
43
44
45
46
47
47
48
57
63
64
64
65
65
66
67
68
69
70
4
6
7
13
13
15
32
32
41
62
70
71
لیست علایم و اختصارات
AC ) Alternating Current جریان متناوب (
BJT ) Bipolar Junction Transistorترانزیستور پیوند دو قطبی (
CCM ) Continuous-Conduction-Modeحالت هدایت پیوسته (
CDVM ( Capacitor-Diode Voltage Multiplier)تقویت کننده ولتاژ دیود و خازن
CSR ) Converter Series Resonanمبدل تشدید سری (
DC ) Direct Currentجریان مستقیم (
EMI ) Electromagnetic Interferenceتداخلات الکترومغناطیسی (
EMC ) Electromagnetic Compatibilityسازگاری الکترومغناطیسی (
HV ) High Voltageولتاژ بالا (
IGBT ) Insulated Gate Bipolar Transistorترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده (
MBL )Multistage Blumlein Linesخطوط بلوملین چند طبقه ای (
MFC ) Magnetic Flux Compressorکمپرسور شار مغناطیسی (
MG ) Marx Generatorمولد مارکس (
MOSEFET ) Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistorترانزیستورنیمه هادی اکسید فلزی با اثر میدان(
MPC )Magnetic Pulse Compressorکمپرسور پالس مغناطیسی (
MVM ) Multilevel Voltage تقویت کننده ولتاژ چند سطحی (
PEF ( Pulsed Electric Fieldمیدان الکتریکی پالسی (
PFC ) Power Factor Correctorsتنظیم کننده های ضریب قدرت (
PFN ) Pulse Forming Networkشبکه شکل دهی پالس (
SMPS (Switched-Mode Power Supply)روش کلید زنی منابع توان پالسی
ZCS )Zero Current Switchingکلید زنی جریان صفر (
ZVS ) Zero Voltage Switchingکلید زنی ولتاژ صفر (
فصل اول

آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما

1.1مقدمه
اساس فناوری سیستم توان پالسی بر پایه ذخیره انرژی زیاد در زمان نسبتا طولانی و آزاد کردن خیلی سریع آن می باشد که هدف از فرآیند آزاد سازی انرژی، افزایش توان لحظه ای آن است. از مشخصه های کلیدی منابع توان پالسی می توان به سطح ولتاژ و مدت زمان افزایش آن که بر مبنای مشخصات بار مورد نیاز تعیین می شود، اشاره کرد]1[. روش های سازگاری منابع توان پالسی با بارهای متفاوت توسط تکنولوژی موجود، یکی از بحث های کلیدی فناوری سیستم توان پالسی مورد استفاده در پلاسما می باشد. استفاده از دانش پیشرفته و رویکردهای اخیر در الکترونیک قدرت و نیمه هادی ها به حساب سطح نیازمندی صنعتی و علمی آن است که باعث پیشرفت سریع منابع توان پالسی در دهه اخیر شده است.از ویژگی های بارز منابع توان پالسی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان آن، پیچیدگی ها و ریزه کاری آن است]2[. کنترل بهینه روند تولید توان در منابع تولید توان پالسی یک روش مهم و حیاتی برای افزایش راندمان می باشد. از سوی دیگر استفاده از منابع توان پالسی با ولتاژ بالا نیازمند کلیدهای قدرت بالا می باشد که ولتاژ شکست و زمان کلید زنی آن محدودی است.
2.1 آشنایی با پلاسما
واژه "پلاسما" برای اولین بار در سال 1927 توسط ایروین لانگمویر برای یک توده خنثی از ذرات باردار به کار رفت]3[. پلاسما را می توان با ایجاد یک اختلاف پتانسیل بین دو الکترود در یک محیط گازی بوجود آورد. میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو الکترودهای آند و کاتد، باعث یونیزاسیون ذرات گاز خنثی و ایجاد مسیر هدایت می شود. در شکل(1-1) نمونه ای از الکترودها را نشان داده شده است. ساده ترین حالت، خطوط میدان الکتریکی بین آند و کاتد که در آن میدان الکتریکی تقریبا یکنواخت است، به اندازه و شکل الکترودها(دو الکترود مسطح با یک شکاف کوچک در میان شان است) بستگی دارد]4[.

شکل(1-1) نمایی از الکترودهای بکار رفته در پلاسما
1.2.1 منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان پلاسما
شکل (1-2) منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان الکترودها را در حالت dc نشان می دهد]5[. این منحنی دارای چند ناحیه می باشد که نام نواحی در جدول (1-1) به صورت خلاصه بیان شده است. ناحیه دشارژ تاریک پلاسما، که در آن دشارژ شروع می شود. هر چند که برای ایجاد حالت شکست، این دشارژ به صورت کافی ذرات را تحریک نمی کند. به این دشارژ تاریک می گویند زیرا که در این حالت دشارژ هیچ گونه انتقال انرژی به الکترون ها صورت نمی گیرد تا منجر به انتشار نور مرئی شود. در دشارژ تاریک با یونیزاسیون، یون ها والکترون ها به تنهایی اشعه های کیهانی و اشکال دیگری از آن (مانند اشعه یونیزه کننده طبیعی) که با افزایش ولتاژ همراه است، تولید می کند. در حالت اشباع با یونیزاسیون، تمام ذرات باردار حذف و الکترون ها به علت یونیزاسیون انرژی کافی ندارند. در حالت تاونزند با شروع یونیزاسیون، میدان الکتریکی ایجاد و جریان و ولتاژ به صورت نمایی افزایش می یابد]6[. بین حالت تاونزند و شکست در پلاسما، ممکن است تخلیه کرونا صورت گیرد که در نتیجه میدان الکتریکی بر روی لبه های تیز الکترود متمرکز می شود. تخلیه کرونا می تواند به صورت مرئی یا تیره باشد که به میزان جریان عبوری از آن بستگی دارد. ناحیه دشارژ تابشی با حالت شکست شروع می شود و با تشکیل قوس الکتریکی به پایان می رسد. به طور عمده فرآیندهایی که منجر به شکل گیری حالت شکست و دشارژ تابشی می شود را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد: (الف) فرآیندهای گازی پلاسما، که در آن یونیزاسیون از برخورد الکترون و یون صورت می گیرد. (ب) فرآیندهای کاتدی پلاسما، که در آن الکترون ها از کاتد آزاد می شوند. به این فرآیند، به علت ایجاد الکترون در آن، فرآیند ثانویه نیز می گویند]7[. با مطالعه مقالات منتشر شده در این مورد می توان دریافت که جنس کاتد تاثیر زیادی درایجاد حالت شکست دارد. توسط فرآیند ثانویه می توان انواع انرژی تابشی را بصورت فتوالکتریک که در آن انرژی نوری باعث آزاد شدن الکترون ها می شود انتشار داد. در این مورد می توان به حالت گرما یونی در پلاسما نیز اشاره کرد، که در آن انرژی حرارتی باعث ایجاد الکترون و منجر به تولید میدان الکتریکی می شود. جرقه های ناشی از دشارژ در این حالت بسیار شدید است و دارای درخشندگی و چگالی جریان زیادی می باشد. قوس های ناشی از دشارژ را می توان معادل چگالی جریان زیاد در حد کیلو آمپر در سانتیمتر مربع در نظر گرفت. هرچند که شدت طبیعی قوس می تواند عامل فرسایش سریع تر الکترودها شود]9،8[.

شکل(1-2)منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
جدول(1-1) شرح نواحی منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
شماره 1 2 3 4 5 6 7 8 9
نواحی دشارژ تاریک دشارژ تابشی حالت جرقه ای حالت یونیزاسیون حالت اشباع حالت کرونا حالت تاونزند حالت شکست حالت تابشی
شماره 10 11 12 13
نواحی حالت تابشی غیر عادی حالت انتقالی از تابشی به جرقه حالت حرارتی حالت حرارتی با جرقه
3.1 جنبه های کاربردی منابع توان پالسی در پلاسما
اولین کاربرد منابع توان پالسی در دهه 1960 در نیرو گاه های هسته ای و تسلیحات هسته ای برای تولید پالس های با ولتاژ مگاولت و توان های تراوات (1 تراوات، 1000 گیگاوات است) و عرض پالس های چند ده نانو ثانیه تا چند صد نانو ثانیه برای تحریک شتاب دهنده های الکترونی پلاسما بوده است]10[. محدودیت عناصر ذخیره کننده انرژی و نبود تکنولوژی کلیدزنی پالس قدرت، مانع از گسترش آن در حوزه های عمومی تر شده بود. اما هم اکنون با توسعه این منابع و بهبود تکنولوژی ساخت خازن ها، اندوکتانس ها و کلیدها، بسیاری از مشکلات در تولید پالس های قدرت، با انرژی بالا و قیمت مناسب برطرف شده است. اخیرا یکی از اهداف اصلی و کلیدی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان سیستم های توان پالسی ،استفاده مکرر از مولدهای توان پالسی باحداکثر توان در صنایع از جمله : صنعت مواد غذایی، معالجات پزشکی، آب و فاضلاب (تصفیه آب و...)، تولیدگازهای ازن ،بازیافت بتن ، سیستم احتراق ماشین بخار و کاشت یون در پلاسما می باشد]11[. رایج ترین موارد استفاده از منابع توان پالسی می توان به : مولد مارکس ، کمپرسورهای پالسی الکترومغناطیسی ، عایق کاری ، خطوط انتقال و شکل دهی پالس اشاره کرد. هر چندکه مولدهای توان پالسی نیز با حداکثر توان به صورت وسیعی در مصارف نظامی و گداخت هسته ای مورد بهره برداری قرار می گیرد. هم چنین میدان های الکتریکی پالسی کاربردهای مستقیم و غیر مستقیم بسیاری در صنعت دارند و اخیرا کاربرد این میدان ها در استریلیزه کردن مواد غذایی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است]12[. خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی مورد نیاز برای کاربردهای متفاوت در جدول(1-2) شرح داده است.
4.1مبانی عملکرد منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
اصول فناوری توان پالسی، از ذخیره سازی انرژی بیش از یک مدت زمان طولانی (معمولا ثانیه یا دقیقه) و سپس فرآیند تخلیه انرژی الکتریکی را در طول کوتاه تر از زمان ذخیره انرژی (معمولا میکروثانیه یا نانوثانیه)انجام پذیرد.
جدول (1-2) خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی برای کاربردهای مختلف
ردیف کاربردها انرژی الکتریکی طول پالس حداکثرتوان پالس توان متوسط
1 فیزیک پلاسما با چگالی انرژی بالا 20 مگا ژول 10 نانو ثانیه کمتر از ده ترا وات 5 گیگا وات
2 رادیو گرافی با پرتو الکترونی قوی 200 کیلو ژول 70 نانو ثانیه بیشتر از یک ترا وات 10 گیگا وات
3 مایکروویو توان بالا (باندباریک) 10 کیلو ژول 100 نانو ثانیه 100 گیگا وات 100 کیلو وات
4 مایکروویو توان بالا (باندخیلی پهن) 10 ژول 1 نانو ثانیه 10 گیگا وات 10 کیلو وات
5 تبدیل مواد با پرتو الکترونی 10 کیلو ژول 100 نانو ثانیه 30 گیگا وات اندک
6 بیو الکتریک 1 میلی ژول 100 نانو ثانیه 10 کیلو وات تا 100 مگا وات چند میلی وات تا چند وات

ساده ترین شکل سیستم های توان پالسی با توجه به شکل(1-3) شامل: یک منبع انرژی الکتریکی، ذخیره ساز میانی انرژی و بار است که مرحله تشکیل پالس بین آنها قرار دارد. سیستم توان پالسی در مرحله تشکیل پالس دارای یک کلید قدرت بالا است که می تواند انرژی ذخیره شده را به بار یا یک سیستم پیچیده تر (شامل شبکه ای از کلید های قدرت بالا) انتقال دهد.
بار
شکل دهنده پالس
ذخیره ساز میانی
منبع انرژی
کلیدکلید

شکل (1-3)نمای کلی از ساختار منابع توان پالسی
با بررسی مطالعاتی درباره تکنولوژی های به کار رفته در منابع توان پالسی پلاسما، می توان با توجه به عملکرد و کارایی، آنها را در 5 بخش اصلی خلاصه کرد که به شرح ذیل می باشد:
1.4.1مشخصات پالس های قدرت بالا در منابع توان پالسی
همان طور که می دانید هر سیستم توان پالسی متشکل از یک منبع، شبکه ذخیره کننده انرژی، تجهیزات شکل دهنده پالس، کلید و بار الکتریکی است. منبع انرژی را در برخی از کاربردها می توان باتری در نظر گرفت که به شبکه ذخیره کننده انرژی متصل و سپس در ارتباط با تجهیزات شکل دهنده پالس قرار می گیرد و پس از کلید زنی به صورت پالس ولتاژ بالا بر روی بار تخلیه می گردد]13[. با توجه به سطوح مختلف توان الکتریکی مورد نیاز، فناوری تولید توان پالسی به دو شاخه پالس های کم قدرت و قدرت بالا تقسیم می شود. پالس های قدرت بالا مرتبط با پالس هایی است که توانی در حد چند مگاوات یا بیشتر دارند که محدوده کمیت های فیزیکی این گونه پالس ها در جدول (1-3) به اختصار بیان شده است. تولید و کنترل پالس های قدرت بالا، نوعی فناوری پیشرفته و پیچیده به شمار می رود و به ابزارها و تکنیک های خاصی جهت انجام آزمایش ها نیازمند است. در سیستم های توان پالسی انرژی به صورت الکتریکی ذخیره و به بار درطی یک پالس و یا پالس های کوتاه با نرخ تکرار کنترل شده ای تخلیه می گردد. مقدار قدرت میدان الکتریکی، شکل پالس، مدت پالس و تعداد پالس ها و... بیشترین تاثیر را بر راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی دارد.
جدول(1- 3) دامنه پالس های تولید شده در منابع توان پالسی
ردیف کمیت فیزیکی محدوده کمیت فیزیکی
1 انرژی (ژول) 101 -107
2 توان (وات) 106 -1014
3 ولتاژ(ولت) 103 -107
4 جریان (آمپر) 103 -107
5 چگالی جریان (آمپر برمترمربع) 106 -1011
6 عرض پالس(ثانیه) 5-10 -10-10
با بالا و پایین رفتن شکل موج ولتاژ، طول مدت پالس بین چند نانوثانیه و یا چند میکرو ثانیه اندازه گرفته می شود. به عنوان نمونه در شکل (1-4) منحنی یک پالس قدرت بالا را نشان داده شده است. زمان صعودی پالس، مدت زمان لازم برای رسیدن ولتاژ از10% به 90% ( مقدار ماکزیمم) تعریف می شود و می توان زمان نزولی را به روشی مشابه تعریف کرد.که هر دو زمان (صعودی و نزولی) یک پالس قدرت بالا به امپدانس بار بستگی دارد]14[.
در چند دهه اخیر فناوری تولید پالس های ولتاژ بالا توسط کمپرسورهای پالس مغناطیسی با توجه به کاربردهای گوناگون آن در حوزه منابع توان پالسی بسیار حائز اهمیت است . شکل (1-5) یک نمونه رایج از این نوع کمپرسورها را نشان می دهد.

شکل (1-4) منحنی مشخصات یک پالس تولید شده در منابع توان پالسی
توپولوژی های مختلفی می توان برای منابع توان پالسی با توجه به ادوات الکترونیک قدرت، مولدهای پالسی و کمپرسورهای پالس مغناطیسی در نظر گرفت . که از جمله می توان به طراحی یک منبع توان پالسی مبتنی بر کمپرسور جریان مغناطیسی خطی و شبکه شکل دهی پالس بلوملین برای ادوات الکتریکی نظامی (از جمله : شوک دهنده ها) اشاره کرد]15[.

شکل(1-5) نمونه ای از کمپرسور پالس مغناطیسی
2.4.1ذخیره سازی انرژی الکتریکی
انرژی مورد نیاز منابع توان پالسی عموما از منابع انرژی کم توان جمع آوری و به مرور ذخیره می شود. متناسب با کاربردها و احتیاجات، ذخیره انرژی به شکل خازنی ، سلفی یا ترکیبی از این دو است. ذخیره سازی انرژی خازنی، معمولا توسط تعدادی از خازن های ولتاژ بالا که اتصال آنها به صورت موازی یا سری است ، تشکیل می شود. حالت اول را بانک خازنی که در شکل (1-6) و حالت بعدی را مولد مارکس می نامند.که در شکل (1-7) نمونه ای از مولد مارکس را نشان داده است]16[.

شکل (1-6) نمونه ای از بانک خازنی بکار رفته در منابع توان پالسی
در هر دو حالت، خازن ها به صورت موازی شارژ می شوند و معمولا به عنوان منبع جریان استفاده می شوند. مولدهای مارکس، ولتاژ و جریان بالا را فراهم می سازند بنابراین در منابع توان بالای پالسی پلاسما به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل(1-7) نمونه ای از مولد مارکس مورد استفاده در منابع توان پالسی
برای ذخیره سازی اندوکتیو انرژی از القاگرهای مغناطیسی استفاده می شود. بر خلاف حالت ذخیره سازی خازنی که انرژی مستقیما با بستن کلید به بار منتقل می شود در این حالت نخست انرژی از ذخیره ساز القایی (که در این حالت می تواند یک سیم پیچ باشد) عبور کرده و سپس به بار منتقل می شود. برای تحویل انرژی ذخیره شده سلفی به بار، با باز کردن یک کلید قدرت بالا که جریان مدار نیز از آن عبور می کند و با بار اتصال موازی دارد ، نیاز است. برای تحویل انرژی ذخیره شده خازنی به بار، با بستن یک کلید قدرت بالا که جریان مدار نیز از آن عبور می کند و اتصال سری با بار دارد ، نیاز است . شکل (1-8) مدارهای اصلی این دو حالت را نشان می دهد. برای بهبود پالس تولید شده می توان از این دو حالت به صورت ترکیبی در شرایط گوناگون با توجه به مشخصات بار مورد نیاز استفاده کرد.

شکل (1-8) مدارهای اصلی مورد استفاده در منابع توان پالسی با المان های ذخیره ساز انرژی
1.2.4.1 بانک خازنی
در بانک های خازنی برای تولید پالس های سریع، مطلوب است که میزان اندوکتانس مدار در وضعیت حداقل قرار گیرد. چندین راه برای کاهش اندوکتانس سیستم توان پالسی وجود دارد: برای مثال، می توان به استفاده از خازن های با ظرفیت کم، انتخاب ابعاد مناسب برای خطوط انتقال و سیم های رابط، استفاده از کلیدهای موازی چند کاناله و... اشاره کرد. مزیت استفاده از کلید چند کاناله این است که جریان عبوری از هر کلید به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و در نتیجه طول عمر کلید افزایش خواهد یافت لیکن هزینه ها افزایش می یابد. در این حالت، عملکرد هم زمان کلیدهای قدرت بالا سیستم توان پالسی پلاسما که به صورت موازی با هم اتصال دارند، ضروری است و در غیر این صورت ، سیستم به خوبی کار نخواهد کرد.برای حل این مشکل می توان از مدارکنترلی خارجی استفاده کرد به گونه ای که هریک از کلیدها از خارج سیستم فعال شوند که در شکل (1-9) نشان داده است.
به منظور دست یابی به ولتاژهای خروجی بالاتردر سیستم های توان پالسی پلاسما، بانک های خازنی اغلب به صورت دوقطبی شارژ می شوند که در آن نصف خازن ها به طور مثبت و نصف دیگر به صورت منفی شارژ و سپس به صورت متوالی دشارژ می شوند. در نتیجه ولتاژی بدست می آید که دو برابر ولتاژ ورودی سیستم است. در حالت شارژ دو قطبی، می توان از آرایش تک کلیدی یا چند کلیدی استفاده نمود. اما استفاده از آرایش چند کلیدی در شرایطی که عملکرد مکرر سیستم توان پالسی به صورت پیوسته مورد نیاز است، مفیدتر است.زیرا که در عملکرد مکرر سیستم اگر تمام جریان از یک کلید عبور کند ، خرابی الکترودهای آن مشکل آفرین خواهد بود]17[.

شکل(1-9) نمونه ای از بانک خازنی با کلیدهای چندکاناله
2.2.4.1 مولد مارکس
در حوزه پالس های قدرت بالا، تقاضا برای مولدهای مارکس زیاد است. این نوع ژنراتورها باید قادر به تامین ولتاژهای بالا و جریان های زیاد باشند. هم چنین شاخصه های کلیدی اجزای آن دارای قابلیت اطمینان و طول عمر بالا و در عین حال به صورت فشرده می باشد به گونه ای که بتوان مجموعه ای از مولدهای مارکس را بدون استفاده از فضای زیاد مورد استفاده قرار داد. در مولد مارکس مانند بانک های خازنی از خازن ها برای ذخیره سازی انرژی استفاده می گردد، اما در این حالت تمام خازن ها هنگام دشارژ به طور لحظه ای اتصال سری پیدا می کنند. بنابراین از مولد مارکس نه فقط به عنوان یک ذخیره ساز انرژی ، بلکه به صورت یک تقویت کننده ولتاژ نیز مورد استفاده قرار می گیرد]18[. اگر مولد مارکس متشکل از N طبقه باشد در این حالت ولتاژ خروجی N برابر ولتاژ ورودی می گردد. حال اگر تعداد زیادی طبقات برای افزایش ولتاژ استفاده شود، قابلیت اطمینان سیستم توان پالسی کاهش می یابد. هم چنین برای افزایش جریان ، از خازن های بزرگ نیز استفاده می شود، با توجه به فشردگی سیستم و طول عمر کلیدها با مشکلاتی در این زمینه روبرو خواهیم شد. تکنیک شارژ دوقطبی یک روش عملی است که امکان استفاده از طبقات زیاد را در شرایط کم حجم بودن سیستم فراهم می سازد. یک راه حلی که می توان برای افزایش قابلیت اطمینان مولد مارکس توان پالسی با توجه به تعداد زیاد طبقات آن ارائه داد، عبارت است از انتخاب α و β با توجه به رابطه (1-1)، به گونه ای که هر دو مقدار افزایش یابند و هم چنین استفاده از پالس کنترلی قدرتمند برای راه اندازی مدارات کنترلی هر یک از کلیدهای سیستم توان پالسی نیز موثر است.
(1-1)
*که در رابطه فوق ، Vsb : ولتاژشکست ، Vch : ولتاژشارژ، Vtr : ولتاژپالس کنترلی است.
انواع متفاوتی از مولدهای مارکس برای کاربردهای خاصی طراحی می شوند. یکی از آنها، مولدمارکس نواری است که برای ایجاد پالس های ولتاژ پایین طراحی می شود. در این نوع مولدهای مارکس، از خطوط انتقال نواری شکل به جای خازن های ذخیره ساز انرژی استفاده می گردد. یعنی خطوط انتقال نواری به صورت موازی شارژ و به صورت متوالی دشارژ می شوند. بنابراین هر خط انتقال برای تولید پالس های ولتاژی پله ای شکل می باشد و از این رو اتصال سری آنها به عنوان یک مولد پالس سریع عمل می کند. قابلیت تولید پالس سریع ، یکی از مزیت های اصلی این نوع مولدها به شمار می رود. اشکال عمده مولدهای مارکس نواری، ابعاد نسبتا بزرگ آنها است و به دلیل ساختار هندسی خاص، امکان فشرده سازی برای این نوع مولدها امکان پذیر نیست. در جدول (1-4) مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری به اختصار بیان شده است]19[.
نوع دیگری از مولد مارکس که قادر به تولید پالس سریع است، مولد مارکس قطعه ای نامیده می شود. که از تعدادی قطعات یکسان تشکیل گردیده است که به راحتی به یکدیگر متصل یا از هم جدا می شوند.
جدول (1-4)مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری
ردیف مشخصات مدلI مدلII
1 تعداد طبقات 50 100
2 ولتاژ پیک پالس(کیلوولت) 400 1000
3 جریان پیک پالس (کیلو آمپر) 4 4
4 پهنای پالس (نانو ثانیه) 40 40
5 امپدانس منبع(اهم) 125 250
این ویژگی امکان تنظیم تعداد طبقات مورد نیاز را برای کاربر فراهم می سازد. هر طبقه متشکل از تعدادی خازن سرامیکی است که به صورت موازی با یکدیگر اتصال پیدا می کنند تا اندوکتانس سیستم توان پالسی کاهش یابد. با توجه به ظرفیت کم خازن های سرامیکی، معمولا چنین مولدهایی به عنوان منابع جریان زیاد در سیستم توان پالسی عمل می کنند، اما امکان تنظیم ولتاژ خروجی را نیز فراهم می سازند. جدول (1-5) مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733 نشان داده است. ویژگی های اصلی مولد مارکس قطعه ای عبارت است از:
الف ) خازن ها در مرحله ذخیره سازی همگی به صورت موازی اتصال دارند به گونه ای که اندوکتانس در به حداقل می رسد.
ب) یک کلید خلا قدرت بالا با زمان کلیدزنی سریع برای کنترل پهنای پالس مورد استفاده قرار می گیرد ]20[.
جدول (1-5)مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733
ردیف مشخصات مدل A 43733
1 تعداد طبقات مستقل 12
2 ولتاژ شارژ(کیلوولت) 25
3 ولتاژ خروجی(کیلوولت) 300
4 جریان خروجی (کیلو آمپر) 5
5 پهنای پالس (نانو ثانیه) 30
6 راندمان ولتاژ (درصد) %50
3.4.1 اصول کلید زنی در پلاسما
در کاربردهای توان پالسی قدرت بالا به کلیدهایی نیاز است که توانایی تحمل توان تا حد تراوات و زمان شکست الکتریکی آن در گستره نانو ثانیه واقع شود. کلیدهای معمولی از قبیل نمونه هایی که در کاربردهای عادی ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می گیرند جهت برآورده کردن این نیازها مناسب نیستند. بنابراین توسعه انواع جدید کلیدها بر مبنای تکنولوژی انتقال انرژی در پلاسما اجتناب ناپذیر است. کلیدهای قدرت بالا به دو گروه کلیدهای باز و بسته تقسیم می شوند.
همان طور که در مقدمه ذکر شد، در سیستم های توان پالسی پلاسما مهم ترین المان در قسمت شکل گیری پالس، کلید قدرت بالا هستند. هم چنین برای انتقال مقادیر زیادی از انرژی ذخیره شده با دامنه بالا و طول پالس کوتاه به سر بار نیز استفاده می شود، بنابراین با توجه به مشخصات بار، این کلیدها باید دارای ویژگی کار با ولتاژ وجریان زیاد (با سطح ولتاژی بین 10 کیلوولت تا چند مگاولت) و دامنه زمان صعودی کوتاه( درحد نانو ثانیه تا چند میکرو ثانیه) را داشته باشند. برای چندین دهه است که کلیدهای پلاسمایی را با مشخصه انتقال انرژی خوب و قابلیت تحمل بالای ولتاژ آن می شناسند. از کلیدهای پلاسمایی نوع بسته را می توان به اسپارک گپ های گازی، ایگنترون ها،تایترون ها و... اشاره کرد که برای بررسی جزئیات بیشتر می توان به منابع مراجعه کرد]21,22[
استفاده از کلیدهای حالت جامد پلاسمایی به صورت کمپکت با تجهیزات جانبی(مدارات کنترلی و ...) با توجه به کارایی مطلوب آن در بازه زمانی طولانی ، دامنه کاری وسیع آن و عمر مفید بالای کلیدها با توجه به نرخ خرابی کم در این کلیدها که منجر به افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم های توان پالسی می شود، روبه افزایش است. با این حال قابلیت های فعلی این کلیدها از جمله : ولتاژ شکست و حداکثر جریان عبوری، هنوز هم قادر به تحمل پارامترهای کلیدی سیستم های توان پالسی بزرگ و پیچیده مورد استفاده در پلاسما نمی باشند. جدول (1-6) به طور خلاصه به برخی از پارامتر های اصلی کلیدهای گازی نوع بسته پلاسمایی مانند اسپارک گپ ها و ... هم چنین برای کلیدهای حالت جامد مانند تریستور، IGBT و ماسفت اشاره می شود.
ردیف
نوع کلید حداکثر جریان (کیلو آمپر) ولتاژ شکست
(کیلو ولت) افت ولتاژ مجاز
(ولت)
1 اسپارک گپ 1000-10 100 20
2 ایگنترون 10-1 30 150
3 تایترون 100-5 35 200
4 تریستور 50-1 5-1 2
5 IGBT 1 1 3
6 ماسفت 0.1 1 1
جدول(1-6) کلیدهای نیمه هادی با حالت گازی در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
در سیستم های توان پالسی بستن کلیدهای پلاسمایی که در حالت عادی باز هستند، برای تحریک مدار به کار می رود. شکل کلی این نوع کلیدها به صورت دو الکترود با یک عایق در میان آن می باشد. به طور کلی تحریک کلیدها با افزایش بار حامل عایق های میانی آن به نوع کلید و ساختار گوناگون آن بستگی دارد. با توجه عملکرد بار حامل در این کلیدها، حالت شکست یا عمل بسته شدن کلید انجام می پذیرد.
4.4.1 شبکه های شکل دهی پالس
در سیستم توان پالسی پلاسما دو هادی الکتریکی که بین آنها ولتاژ اعمال شود و بتواند جریان الکتریکی را انتقال دهد، به عنوان خط انتقال در نظر گرفته می شود. در بسیاری موارد هیچ تمایز مشخصی بین خط انتقال و یک مدار الکتریکی عادی وجود ندارد. که در این حالت دو عامل طول هادی ها و طول موج ولتاژ اعمالی تعیین کننده است. اگر طول موج ولتاژ اعمال شده در مقایسه با طول هادی ها بسیار بلند باشد می توان دو هادی را به عنوان یک مدار الکتریکی در نظر گرفت در غیر این صورت باید آنها را در قالب خط انتقال مورد تحلیل قرار داد. خطوط استاندارد انتقال در سیستم های توان پالسی، که به صورت تجاری تولید می شوند و معمولا از نوع هم محور هستند، دارای امپدانس 50 اهم هستند. البته دست یابی به دیگر امپدانس ها با ایجاد خطوط شکل دهی پالس نواری امکان پذیر است. اگر این خطوط در ولتاژ های بالایی قرارگیرند این روش، هزینه بر و مشکل است. مشکل دیگر مربوط به سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خطوط انتقال است. می دانیم که سرعت انتشار متناسب با نفوذپذیری نسبی یا ثابت دی الکتریک ماده ای است که برای عایق کاری بین دو رسانای سازنده خط به کار برده می شود. ماده ای که به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرد، نوعی پلاستیک پلیمر مانند پلی پروپیلن است که ثابت دی الکتریک آن تقریبا کوچک است. از این رو سرعت انتشار موج بر روی این خط در حدود 108*2 متر در ثانیه و معادل 20 سانتیمتر در هر نانو ثانیه است. بنابراین برای ایجاد یک پالس به طول یک میکرو ثانیه با استفاده از یک خط شکل دهنده پالس، به خط انتقالی معادل 100 متر نیاز خواهد بود. برای تولید پالس های طولانی استفاده از این روش امکان پذیر نیست مگر آن که از خط های نواری که با موادی با ثابت دی الکتریک بالا عایق بندی شده اند، استفاده گردد.
یکی از روش های تحلیل و بررسی شبکه های شکل دهی پالس، شبیه سازی خط با استفاده از شبکه نردبانی متشکل از سلف و خازن ها است که در شکل (1-10) نشان داده است. انرژی آزاد شده از این خط که ناشی از پالس های مربعی است معمولا در خازن های شبکه نردبانی ذخیره می شوند.این شبکه به عنوان یک شبکه تغذیه کننده ولتاژ نیز شناخته می شود. با توجه به امکان ذخیره سازی مغناطیسی انرژی در القاگر های شبکه، در این حالت به آن شبکه تغذیه کننده جریان نیز می گویند. اطلاعات بیشتر در مورد مشخصات امپدانسی، معادلات تبدیل و ویژگی های انتشار و... در یک شبکه نردبانی LC را می توان درمرجع ]23[ مشاهده کرد.

شکل (1-10)آرایش مختلفی از شبکه نردبانی مورد استفاده در شبکه های شکل دهی پالس
5.4.1 خط انتقال بلوملین
یک ایراد مهم شبکه های شکل دهی پالس در سیستم توان پالسی پلاسما آن است که در شرایط تطبیق امپدانس ، دامنه پالس روی بار الکتریکی برابر با نصف دامنه ولتاژ شارژ کننده است. این مشکل را می توان با استفاده از خط شکل دهنده پالس بلوملین برطرف کرد. یک خط انتقال بلوملین از دو خط انتقال ساده که به یکدیگر متصل شده اند، تشکیل می گردد. این دو خط به صورت موازی باردار و به صورت سری تخلیه می شوند. در صورت صحت اتصالات در ورودی و بار ، دامنه ولتاژ خروجی در آنها تا دو برابر سطح ولتاژ خروجی یک خط انتقال خواهد رسید. خط بلوملین را می توان به صورت استوانه ای یا به شکل صحفه ای موازی ساخت. در بیشتر کاربردهای پالس های قدرت بالا، فضای بین استوانه ها با نوعی دی الکتریک مایع ، نظیر روغن یا آب پر می شود. یک کلید در بین استوانه های میانی و داخلی برای کنترل ولتاژ خط وجود داردکه در شکل(1-11) نشان داده شده است. شعاع استوانه ها را به گونه ای انتخاب می شوند که امپدانس مشخصه در تمام طول خط یکنواخت باشد و ولتاژ مورد نیاز تامین گردد. معمولا بار الکتریکی بین استوانه های داخلی و خارجی متصل می شود و تغذیه ولتاژ ورودی از طریق استوانه میانی صورت می گیرد. به طور ایده آل خط بلوملین را به گونه ای طراحی می کنیم که دارای ولتاژ و جریان خروجی زیاد ،با راندمان انتقال انرژی وتوان نزدیک به یک باشدکه در نتیجه باعث افزایش قابلیت اطمینان و کاهش ابعاد آن می شود.

شکل (1-11) آرایش خط انتقال بلوملین
5.1 اهداف مورد بررسی در این پژوهش
بهبود قابلیت اطمینان و راندمان در منابع توان پالسی با توجه به کاربرد آن در پلاسما ارتباط اساسی با مشخصات سیستم های توان پالسی دارد. اخیرا با توجه به استفاده متعدد از منابع توان پالسی در حوزه های صنعتی و هسته ای ، تحقیقات و بررسی زیادی در مورد استفاده بهینه فناوری توان پالسی صورت گرفته است. با توجه به مطالعات صورت گرفته در این زمینه ، این پایان نامه، یک توپولوژی جدید مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت را پیشنهاد می کند که می توان با مدل کردن یک منبع جریان در منابع توان پالسی، امکان کنترل شدت جریان را در حالت تغذیه بارداشته باشیم. بخش اصلی در این آرایش استفاده از کلید های نیمه هادی با ولتاژ کاری مناسب برای تولید ولتاژ های بالا می باشد. در خروجی این توپولوژی تعداد مشخصی از کلید – دیود – خازن به منظور تبادل انرژی منبع جریان با توجه به نوع ولتاژ و تولید توان پالسی کافی با مقدار ولتاژی مناسب طراحی شده است. با شبیه سازی در محیط نرم افزاری MATLAB/SIMULINK، کارایی و قابلیت اجرا بودن این توپولوژی به اثبات رسیده است که بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منبع توان پالسی از مزایای کاربردی و مهم آن است
6.1 نتیجه گیری
در این فصل ابتدا به بررسی فناوری سیستم های توان پالسی و حوزه های کابردی آن پرداخته شد و سپس جهت آشنایی با محیط پلاسما منحنی ولتاژ- جریان مورد تحلیل قرار گرفت و در انتها تکنولوژی های به کار رفته در منابع توان پالسی پلاسما با توجه به آرایش ساختاری شان ارائه شد. با توجه به اهمیت بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی ، در فصل بعدی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی پلاسما مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد و توپولوژی پیشنهادی با توجه به تاثیر آن در افزایش قابلیت اطمینان و راندمان انتخاب می شود.

فصل دوم

بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما

1.2 مقدمه
استفاده از منابع توان پالسی در فرآیندهای مختلف پلاسما با توجه به ارتباط برقرار شده بین آنها رو به افزایش است. با توجه به تحقیقات به عمل آمده در این مورد، طراحی منابع توان پالسی با هدف کاهش تلفات و افزایش راندمان می تواند تاثیرات کلیدی درکاربردهای پلاسما (از جمله تصفیه سازی مایعات و...) بگذارد. برای درک بهتر از ماهیت منابع توان پالسی و اثرات متقابل آن برحوزه های توسعه یافته پلاسما، با طراحی یک منبع توان پالسی که متشکل از المان های الکترونیک قدرت می باشد می توان روند استفاده از منابع توان پالسی در پلاسما را ارتقا داد.
2.2 توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
تکنولوژی کلیدهای قدرت بالا با توجه به نوع کاربرد آن در منابع توان پالسی پلاسما و نسبت به تغییر و تحولات صورت گرفته در عرصه فناوری قطعات نیمه هادی الکترونیک قدرت، متفاوت و گوناگون هستند. تریستور IGBT,،ماسفت و ... نمونه ای از کلیدهای قدرتی هستند که به عنوان کلیدهای نیمه هادی حالت جامد شناخته می شوند. در منابع توان پالسی پلاسما برای داشتن dv/dt بالا، نیاز به کلید زنی سریع (کلیدزنی آن حالت گذرای کوچکی داشته باشد) است و این مشخصه ، نقش کلیدی در شکل گیری توپولوژی منابع توان پالسی پلاسما دارد. درکلیدهای قدرت بالا مورد استفاده در سیستم های توان پالسی، بازه زمانی کلید زنی با حالت گذرا و روند جابجایی و انتقال سیگنال عبوری آن از نانو ثانیه تا میکرو ثانیه است. کلیدزنی گذرا مستقیما برروی کارایی و قابلیت اطمینان سیستم های توان پالسی تاثیر می گذارد و از هدایت الکتریکی ادوات نیمه رسانا سیستم جلوگیری می کند. اکثر منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما مشخصات مقاومتی – خازنی دارند. بنابراین در توپولوژی پیشنهادی یک منبع جریان برای تامین بارها ضروری است. در این فصل به بررسی توپولوژی های موجود و روش های کنترلی آن می پردازیم :
1.2.2 توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس
معمولا ازکلیدهای گازی اسپارک گپ مغناطیسی در کلید زنی منابع توان پالسی پلاسما مورد استفاده قرار می گرفت اما اخیرا با توجه به استفاده گسترده از تکنولوژی حالت جامد در مولدهای مارکس توان پالسی، عملکرد سیستم را از لحاظ راندمان و قابلیت اطمینان بهبود بخشیده است. شکل (2-1) نمونه ای از مولد مارکس را در در حالت شارژ و دشارژ نشان داده است. برای آشنایی با کارایی این توپولوژی در پلاسما به چند مورد از کاربردهای آن با شرح توضیحات اشاره می شود. از مولد مارکس در این توپولوژی می توان به عنوان منبع تحریک در پلاسما استفاده کرد. مدار ارائه شده در این حالت از دو مولد مارکس حالت جامد با اتصال موازی با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی به عنوان کلید بسته استفاده می شود. در این توپولوژی زمان بازدهی ترانزیستورهای دوقطبی در حالت شکست بهمنی به صورت سریع افزایش می یابد. در این طراحی با توجه به پلارتیه مثبت و منفی پالس ها به راحتی می توان تغییراتی از جمله : افزایش مقدار بازدهی یا کاهش مقدار ولتاژ خروجی را داشته باشیم. در مطالعه دیگری، توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس، شامل یک مدولاتور مارکس متشکل از IGBT های مجزا و مدار تشدید پالس مغناطیسی است که برای فشرده سازی پالس خروجی مارکس و کاهش تاثیر نسبتا تدریجی فعالیت IGBT در مدولاتور مارکس است. استفاده از این توپولوژی درسطح ولتاژی مختلف برای منابع توان پالسی پلاسما دارای شاخصه های کلیدی است که به طور خلاصه می توان به آن اشاره کرد: در ولتاژ 1.3 کیلوولت، استفاده از یک تقویت کننده ولتاژ بالا به همراه مولد مارکس متشکل ازکلیدهای ماسفت الزامی است. در ولتاژ 2000 ولت، نیاز به مولد مارکس 20 طبقه است که در هر طبقه آن شامل مجموعه ای از IGBT و دیود و خازن است.
فناوری مولدهای مارکس را می توان با جایگزین کردن کلیدهای حالت جامد مانند IGBT ها و مجموعه های دیود و خازن متصل به آن ، به جای کلید های گازی اسپارک گپ در سیستم های توان پالسی پلاسما ارتقا بخشید که در نتیجه سیستم های توان پالسی ارائه شده دارای ویژگی هایی از قبیل سادگی و فشردگی ابعاد، قابلیت اطمینان بالا و عمر مفید طولانی می باشد. با توجه به مزایای زیاد استفاده از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس ، می توان بسیاری از کاربردهای ولتاژ بالای پلاسما را به این توپولوژی اختصاص داده شود]24[.

شکل (2-1) الف) نمونه ای از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس ،ب) حالت شارژ مولد ، ج) حالت دشارژ
2.2.2 توپولوژی مبتنی بر مبدل های Dc - Dc
در میان تمام توپولوژی های مورد استفاده در سیستم های توان پالسی پلاسما توسط ادوات الکترونیک قدرت، توپولوژی مبتنی بر مبدل هایdc-dc از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تغییرات سطح ولتاژی مناسب یکی از نیازهای اساسی در بسیاری از کاربردهای منابع توان پالسی پلاسما می باشد. برای بسیاری از دستگاه ها و مدارات کنترلی سیستم توان پالسی پلاسما یک ترانسفورماتور که عهده دار تبدیل ولتاژ سیستم می باشد، مورد نیاز است. استفاده از ترانسفورماتورها به همراه مبدل های dc-dc را می توان به عنوان یک روش عملی و موثر برای افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم های توان پالسی پلاسما ارائه کرد. حالت های کلید زنی منابع توان پالسی به عنوان یک روش کاربردی برای بارهای غیر خطی پلاسما شناخته شده است. از مبدل های dc-dc نیز می توان به عنوان رگولاتور در حالت کلیدزنی منابع توان پالسی استفاده کرد تا یک ولتاژ dc که معمولا به صورت تنظیم نشده است را به یک ولتاژ خروجیdc تنظیم شده تبدیل کند. عمل رگولاتوری درحالت کلیدزنی، توسط فناوری مدولاسیون پهنای پالس(PWM) در یک فرکانس ثابت انجام می شود و المان های کلیدزنی معمولا یک ترانزیستور دو قطبی یا ماسفت است. حالت کلیدزنی گذرا، اثرات زیان باری بر کیفیت توان و راندمان منابع توان پالسی دارد. برای سنجش کیفیت توان منابع توان پالسی که به یک شبکه توزیع شده پلاسما متصل است باید هارمونیک تزریقی جریان و توان راکتیو سیستم را درنظر گرفت. برای افزایش کیفیت توان و کاهش اثرات هارمونیک های جریان سیستم توان پالسی، می توان از تنظیم کننده های ضریب قدرت در انواع مختلف (اکتیو و راکتیو) استفاده نمود.
توپولوژی مبتنی بر مبدل هایdc-dc در منابع توان پالسی پلاسما، شامل مبدل های: باک، بوست، باک- بوست و کاک است که می تواند به صورت تک کاناله یا چند کاناله مورد استفاده قرار گیرد]25[. مشخصات این مبدل ها به صورت خلاصه به شرح ذیل می باشد:
1.2.2.2 مبدل باک
در یک مبدل باک، ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی است. شکل(2-2) مدار معادل آن را نشان می دهد. عمل مداری مبدل باک در دو مرحله کلیدزنی طراحی و بررسی می شود.

شکل(2-2)مبدل باک
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان ورودی که در حال افزایش است از داخل سلف (L) و خازن(C) و مقاومت بار (R) به جریان می افتد.
مرحله دوم: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=t1 قطع می شود. دیود هرزگرد(D) به دلیل انرژی ذخیره شده در سلف همچنان هدایت می کند و جریان سلفی از سلف، خازن، بار و دیود هرزگرد(D) می گذرد. با کاهش جریان سلفی، ترانزیستور SW مجددا در سیکل بعدی وصل می شود.
مبدل باک ساده بوده زیرا فقط به یک ترانزیستور احتیاج دارد و راندمان بالایی دارد. مقدار di/dt جریان بار توسط سلف (L) محدود می شود. اما جریان ورودی متغیر بوده و معمولا به یک فیلتر ورودی بالانس کننده احتیاج است. این فیلتر یک پلارتیه برای ولتاژ خروجی و جریان خروجی یکسو شده فراهم می کند. در وضعیتی که احتمال اتصال کوتاه شدن مسیر دیود وجود داشته باشد مدار حفاظت نیز لازم است. مدار معادل وضعیت مبدل باک در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان – ولتاژ آن در شکل (2-3) نشان داده شده است

شکل(2-3)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل باک : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
2.2.2.2 مبدل بوست
در یک مبدل بوست، ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی بیشتر است. شکل(2-4) مدار معادل آن را نشان می دهد.عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است.

شکل(2-4)مبدل بوست
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان ورودی شروع به زیاد شدن کرده و از سلف (L) و ترانزیستور SW می گذرد.
مرحله دوم: هنگامی آغاز می شودکه ترانزیستور SW درt=t1 قطع می شود. جریانی که تاکنون از ترانزیستور SW عبور می کرد، حال از سلف (L)، خازن (C)، دیود هرزگرد(D) و بار می گذرد. با کاهش جریان سلفی در سیکل بعدی ترانزیستور SW مجددا وصل می شود و انرژی ذخیره شده در سلف (L)، به بار منتقل می شود. مدار معادل وضعیت مبدل افزاینده در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان – ولتاژ آن در شکل (2-5) نشان داده شده است.
مبدل بوست می تواند ولتاژ خروجی را بدون کمک ترانسفورماتور افزایش دهد و چون در آن فقط یک ترانزیستور وجود دارد، راندمان بالایی دارد. جریان ورودی ، پیوسته است اما پیک جریان گذرنده از ترانزیستور قدرت، مقدار بزرگی دارد. ولتاژ خروجی نیز حساسیت زیادی نسبت به تغییرات سیکل کاری مبدل دارد و از این رو ممکن است پایدار ساختن مبدل، دشوار باشد. هم چنین ترانزیستور با بار موازی شده است ، حفاظت کردن از آن در هنگام اتصال کوتاه مشکلاتی دارد.
در حالت کلیدزنی منابع توان پالسی پلاسما، می توان از یک مبدل بوست بین پل یکسوساز و خازن های ورودی مدار استفاده کرد. این مبدل سعی می کند تا ولتاژ خروجیdc سیستم ثابت باشد، تا زمانی که فرکانس با ولتاژ خط متناسب است، جریان عبوری نیز پیوسته است.

شکل(2-5)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
در حالت دیگر، ارایه ولتاژ خروجی مطلوب با توجه به ولتاژ dc سیستم می باشد که این روش نیاز به افزودن کلیدهای نیمه هادی با روش های کنترلی مطلوب است که المان های آن در ابعاد کوچکتر و کمپکت ارائه می شود.
3.2.2.2 مبدل باک - بوست
مبدل باک – بوست، ولتاژ خروجی تولید می کند که می تواند کوچکتر یا بزرگتر از ولتاژ ورودی باشد. پلارتیه ولتاژ خروجی، مخالف پلارتیه ولتاژ ورودی می باشد. هم چنین این مبدل، به مبدل وارون ساز یا تغذیه معکوسنیز معروف است]26[.که شکل (2-6) مدار معادل آن را نشان می دهد. عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است:

شکل(2-6)مبدل باک - بوست
مرحله اول : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW وصل بوده و دیود هرزگرد(D) بایاس معکوس است. جریان ورودی که در حال افزایش است از سلف (L) و ترانزیستور SW می گذرد.
مرحله دوم : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW قطع است. جریانی که از ترانزیستورSWعبور می کرد، اکنون از سلف (L)، خازن (C)، دیود هرزگرد(D) و بار می گذرد. اکنون انرژی ذخیره شده در سلف (L)، به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد تا این که ترانزیستور SWدر سیکل بعد مجددا وصل شود. مدار معادل وضعیت مبدل باک - بوست در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان - ولتاژ آن در شکل (2-7) نشان داده شده است.
مبدل باک – بوست این امکان را می دهد که بدون در اختیار داشتن ترانسفورماتور، پلارتیه ولتاژخروجی معکوس شود، راندمان بالایی دارد و حفاظت خروجی در مقابل اتصال کوتاه نیز به سادگی امکان پذیر است اما جریان ورودی متغیر بوده و مقدار جریان عبوری از ترانزیستور مدار نیز مقدار بزرگی است. بر خلاف مبدل های باک و بوست ، این مبدل هنگامی که بدون ایزولاسیون مورد استفاده قرار گیرد در خروجی مبدل ولتاژی با پلارتیه منفی قرار می گیرد.
البته می توان یک توپولوژی جدید بر اساس مبدل باک – بوست با پلارتیه ولتاژی مثبت در خروجی را مطرح کرد. در شکل (2-8) مدار معادل مبدل باک – بوست مثبت نشان داده است. یک مبدل باک - بوست مثبت می تواند به صورت تک خروجی یا چند خروجی باشد که آرایش آن شامل مبدل های باک و بوست با اتصال طبقاتی است.

شکل(2-7)شکل موج های ولتاژ - جریان و مدارمعادل مبدل باک - بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید کلیدقطع

شکل(2-8) مبدل باک – بوست مثبت
4.2.2.2 مبدل کاک
آرایشی که شامل ترکیب مبدل باک– بوست با اتصال سری، که ولتاژ خروجی بزرگتر یا کوچکتر از ولتاژ ورودی است و پلارتیه ولتاژ خروجی مخالف ولتاژ ورودی است، به نام مبدل کاک شناخته می شود. که به نام مخترع خود از انیستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا نام گذاری شده است]27[. شکل (2-9) مدار معادل آن را نشان داده است. عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است:

شکل (2-9)مبدل کاک (Cuk)
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان عبوری از سلف (L1) افزایش می یابد در همان موقع ولتاژ خازن (C1)، دیود هرزگرد(D) را در حالت بایاس معکوس قرار داده و آن را قطع می کند. بنابراین انرژی خازن(C1) به مداری که توسط خازن (C2)، سلف (L2) و بار تشکیل شده تحویل داده می شود.
مرحله دوم : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=t1 قطع می شود. خازن (C1) از منبع ورودی شارژ شده و انرژی ذخیره شده در سلف (L2)، به بار منتقل می شود. دیود هرزگرد(D) در حالت بایاس مستقیم قرار می گیرد و همزمان با ترانزیستور SW در آن کلید زنی صورت می گیرد. شکل (2-10)مدار معادل حالت کلید زنی مبدل کاک را نشان داده است.

شکل (2-10)مدار معادل مبدل کاک در حالت های کلید زنی : الف) حالت وصل کلید ب) حالت قطع کلید
مبدل کاک بر اساس خاصیت انتقال انرژی خازنی ساخته شده، درنتیجه جریان ورودی پیوسته می باشد. تلفات کلیدزنی کم و راندمان زیادی دارد. درحالتی که کلید وصل است جریان هر دو سلف از آن عبور می کند که پیک جریان کلید را افزایش می دهد. شکل (2-11)، شکل موج های جریان – ولتاژ مبدل کاک را نشان داده است.

شکل (2-11) شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل کاک در حالت های کلید زنی
5.2.2.2 مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم
یک دسته جدید از مبدل های dc-dc درحوزه الکترونیک قدرت با نام مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم شناخته شده اند. کلیدزنی نرم بدین معنی است که در یک یا چند کلید به کار رفته در مبدلdc-dc، تلفات کلیدزنی در حالت قطع و وصل شدن کلید حذف شده است. نوع دیگری از کلیدزنی که مطرح می شود، کلیدزنی سخت است که در آن هم حالت قطع و وصل کلیدهای قدرت در سطوح ولتاژ و جریان بالا انجام می شود. بسیاری از تکنیک های کلیدزنی نرم برای اصلاح رفتار کلیدزنی مبدل های تشدیدی dc-dc وجود دارد. دو تکنیک مهم برای رسیدن به کلیدزنی نرم وجود دارد: کلید زنی جریان صفر و کلید زنی ولتاژ صفر.
در ساختار مبدل تشدیدی با کلید زنی نرم، یک شبکه تشدیدLC اضافه می گردد تا شکل موج جریان یا ولتاژ ادوات کلیدزنی را به صورت یک موج نیمه سینوسی شکل دهد تا یک شرط ولتاژ صفر یا جریان صفر را در مدار ایجاد کند. یک روش ایجاد نمودن یک پدیده تشدید کامل در این مبدل ها، استفاده از ترکیبات سری یا موازی عناصر تشدید می باشدکه برای dc-dc کردن آن از طریق یک طبقه اضافی یعنی طبقه تشدید، که در آن سیگنال dc به سیگنال ac فرکانس بالا تبدیل می گردد، انجام می گیرد. از نظر مداری، یک مبدل تشدید dc-dc را می توان با سه بلوک مداری شرح داد.که شکل(2-12) نشان داده است.
ولتاژ خروجی dc
ولتاژ ورودی dc
یکسوساز ac-dc
حالت تشدید
وارون ساز dc-ac

شکل (2-12) مبدل تشدید با کلیدزنی نرم
نوع وارون ساز در مبدل های تشدیدی با کلید زنی نرم، از انواع مختلف ساختار های شبکه کلیدزنی به دست می آید. حالت تشدید،که به عنوان یک بلوک میانی بین ورودی و خروجی مبدل به کار گرفته می شود، معمولا با یک شبکه دارای فیلتر فرکانس، ترکیب می گردد. علت استفاده از این شبکه، تنظیم نمودن جریان شبکه از منبع به بار است. از مبدل های تشدید با کلیدزنی نرم می توان در مشعل های پلاسما با سطح توانی بالاتر از 30 کیلووات، استفاده کرد. از مبدل های تشدید سری با کلیدزنی ولتاژ صفر نیز می توان در منابع توان پالسی ولتاژ بالا استفاده کرد. مزیت توپولوژی مبتنی بر مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم ، شامل کموتاسیون طبیعی کلیدهای قدرت پلاسمایی می باشد که منجر به کاهش تلفات قدرت کلیدزنی، افزایش راندمان و فرکانس کلیدزنی سیستم های توان پالسی می شود و در نتیجه کاهش اندازه ، وزن سیستم و کاهش احتمالی تداخلات الکترومغناطیسی را به دنبال دارد. عیب مهم تکنیک های کلید زنی ولتاژ یا جریان صفر در مبدل های تشدید آن است که برای تنظیم خروجی، نیاز به کنترل فرکانس متغیر است. که به واسطه آن مدار کنترلی پیچیده تر می شود و هارمونیک های ناشی از تداخلات الکترومغناطیسی ناخواسته که در تغییرات زیاد بار تولید می شود بسیار نامطلوب است.
با بررسی مقالات منتشر شده در مورد توپولوژی مبتنی بر مبدل های dc-dc توسط ادوات الکترونیک قدرت با توجه به انواع مبدل ها، در کاربردهای مختلف منابع توان پالسی پلاسما، می توان به نتایج جامعی در این باره دست یافت که چکیده آن در جدول های مقایسه ای (2-1) و (2-2) آمده است]28[.
جدول(2-1) شاخص های کلیدی مبدل های dc - dc
ردیف نوع مبدل
مبدل
باک
مبدل بوست
مبدل
باک- بوست
مبدل
باک- بوست مثبت مبدل
کاک
شاخصه ها 1 سطح ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ ورودی هر دو حالت
هردو حالت هر دو حالت
2 پلارتیه خروجی موافق ورودی موافق ورودی مخالف ورودی مخالف ورودی مخالف ورودی
3 سطح عایقی کم کم زیاد زیاد کم
5 کنترل اضافه جریان وجود ندارد وجود ندارد وجود دارد وجود دارد وجود دارد
6 قابلیت اطمینان کم متوسط متوسط بالا متوسط
7 راندمان متوسط متوسط بالا بالا متوسط
جدول(2-2) شاخص های کلیدی مبدل های تشدید با کلید زنی نرم
ردیف شاخصه ها حالت کلیدزنی اولیه حالت کلیدزنی ثانویه سطح ولتاژ خروجی راندمان
نوع مبدل وصل قطع وصل قطع کم زیاد کم باری بار کامل
1 مبدل تشدید NV ZVS ZVS ZVS di/dt- زیاد ___ * کم بالا
2 مبدل تشدید نیم پل ZVS ZVS ZVS ZCS ___ * متوسط بالا
3 مبدل تشدید دو برابر کننده جریان نیم پل سخت
ZCS ZVS ZVS زیاد
di/dt * __ متوسط بالا
4
مبدل تشدید دو برابر کننده جریان تمام پل ZVS
سخت
ZVS ZVS زیاد
di/dt * __ کم بالا
5 مبدل تشدیدی ترکیبی ZVZC با ترانسفورماتور پالسی ZVS
ZVS/ZCS ZVS ZCS __ * کم بالا
6 مبدل تشدید ZCS ZCS ZVS ZVS ZCS ___ * بالا کم
7 مبدل شبه تشدید ZCS ZVS ZVS ZCS ___ * کم بالا
3.2.2 توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ
اجزای اصلی توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ، خازن و دیود هستند. این توپولوژی با
کوک کرافت – والتون نقش قابل توجهی در افزایش ولتاژ درکاربردهای پلاسما و ارتباطات از قبیل: میکرو الکترونیک، دستگاه های گیرنده فرکانس های رادیویی و منابع توان پالسی و... دارد. شکل (2-13) نمونه ای از یک تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون را نشان داده است. از مشخصات مهم توپولوژی تقویت کننده ولتاژ که برای طراحی منابع توان پالسی پلاسما می توان در نظر گرفت، این است که سادگی وکاربردی بودن مدار تقویت کننده ولتاژ یکی از فاکتورهای کلیدی استفاده گسترده آن است. اجزای اصلی هر طبقه شامل تعدادی از خازن و دیود است که کوپل شده اند و این عمل باعث افزایش ولتاژ می شود. عملکرد هر طبقه از این تقویت کننده می تواند به عنوان روند تکمیلی و تحلیلی برای این توپولوژی باشد که افزایش ولتاژ خروجی را در پی دارد. بنابراین در این توپولوژی نیازی به استفاده از گیت قطع و وصل کلیدها و ترانزیستورها که همراه با مدارات کنترلی جانبی است، نمی باشد. روشن است این مدارات کنترلی، تنظیمات را سنگین تر، پیچیده تر و گران تر می کند و در نتیجه قابلیت اطمینان و راندمان سیستم کم می شود. از سوی دیگر، ورودی مدار توپولوژی قابلیت تغذیه از هر نوع شکل موج ورودی به جز شکل پالسی را دارد. بنابراین هیچ الزامی وجود ندارد که فقط شکل موج ورودی، سینوسی باشد. در این توپولوژی می توان ولتاژ را به مقدار زیادی با هرنوع شکل موج متناوبی از جمله سینوسی، ذوزنقه ای یا سینوسی هارمونیک دار که در ورودی داشته باشیم، افزایش داد. هم چنین شوک ولتاژی ناشی از dv/dt ایجاد شده که در ورودی این مدار وجود دارد را می توان با کنترل جریان نشتی عبوری از خازن ها کنترل کرد.
از مزایای عمده استفاده از تقویت کننده ولتاژ در پلاسما، دارای ابعاد کوچک و وزن کم هستند که راندمان وقابلیت اطمینان بالایی دارند. معایب اصلی آن نیز عبارتنداز: تاخیر زمانی بین ورودی و خروجی مدار، که مقدار آن بزرگ می باشد. بنابراین به ظرفیت مناسب خازنی نیاز است. این مقدار را می توان در محدوده قابل قبولی با افزایش فرکانس کاری تقویت کننده ها که از مبدل های AC-DC-AC در ورودی آن استفاده شود ، کاهش داد .

شکل (2-13)تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون
4.2.2 توپولوژی مولدهای پالس مبتنی بر اینورترها

—d1174

جدول 4-4: ارتباط هزینه های زمان و سوخت دوگروه وسایل نقلیه.............................................. 109
جدول 4-5: نحوه محاسبه متوسط ارزش زمان سفر اتومبیل های شخصی ...................................109
جدول 4-6: ارزش زمان سفر اتومبیل ها در کشورهای اروپایی در هر کیلومتر ........................... 110
جدول 4-7: نتایج محاسباتی هزینه نهایی تراکم برخی از آزادراه های اروپا در سال 2001 ....... 110
جدول 5-1 : ارزش زمان سفر وسایل نقلیه در کشور ایران در سال 1387 بر حسب تومان ......... 133
جدول 5-2: ظرفیت هر خط عبور آزادراهها برحسب کیفیت ترافیک و سرعت طرح .................. 134
جدول 5-3 : مقدار ضرایب بهینه تابع تردد خودروها .................................................................... 138
جدول 5-4 : نتایج حاصل از طراحی شبکه ..................................................................................... 144
جدول 5-5 : خلاصه مدل رگرسیون خطی ...................................................................................... 147
جدول 5-6 : خلاصه نتایج آزمون فرضیات ......................................................................................148
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 2-1 : عملکرد هزینه های حمل و نقل ...................................................................................... 14
شکل 2-2 : روند تحلیلی هزینه های ثابت بر حسب میزان بهره برداری ........................................ 16
شکل 2-3: عملکرد هزینه های ثابت بر حسب تن-مسافت ............................................................ 17
شکل 2-4: هزینه های متغیر بر حسب عملکرد حمل و نقل ............................................................ 19
شکل 2-5: تعادل عرضه بنزین با احتساب هزینه های آلوده سازی محیط زیست ......................... 21
شکل 2-6: اجزای اصلی یک شبکه عصبی بیولوژیک ...................................................................... 27
شکل 2-7: مدل نرون تک ورودی ..................................................................................................... 33
شکل 2-8: توابع مورد استفاده در مدل سلول عصبی ..................................................................... 35
شکل 2-9: مدل چند ورودی یک نرون ............................................................................................. 36
شکل 2-10: فرم ساده شده نرون با R ورودی ................................................................................... 37
شکل 2-11: شبکه تک لایه با S نرون ................................................................................................ 38
شکل 2-12: شبکه پیشخور سه لایه ................................................................................................ 39
شکل 2-13: نرون شبکه پرسپترون .................................................................................................. 40
شکل 2-14: بلوک تاخیر زمانی .......................................................................................................... 41
شکل 2-15: شبکه تک لایه برگشتی .................................................................................................41
شکل 4-1 : نمودار سرعت بر حسب تراکم ........................................................................................ 79
شکل 4-2 : نمودار سرعت بر حسب جریان ...................................................................................... 80
شکل 4-3 : نمودار زمان سفر بر حسی تقاضا ....................................................................................82
شکل 4-4 : نمودار تقاضا بر حسب عرضه ......................................................................................... 89
عنوان صفحه
شکل 4-5: نمودار هزینه متوسط و جانبی ....................................................................................... 92
شکل 4-6 : جریان ترافیک در چند روز مختلف در طول شبانه روز ............................................... 96
شکل 4-7 : نحوه ارتباط سرعت، جریان و چگالی در توابع جریان ترافیک ................................... 100
شکل 4-8 : نمونه جریان ترافیک در بزرگراه ها .............................................................................. 101
شکل 4-9 : نمودار سرعت – تقاضا در مدل ویکری ........................................................................ 103

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

شکل 4-10 : نمودار هزینه حاشیه ای و هزینه تراکم ....................................................................... 104
شکل 4-11 : ساختار مدل پیشنهادی برای پیش بینی جریان ترافیک .......................................... 117
شکل 4-12 مراحل ساخت مدل پیش بینی حجم ترافیک ............................................................. 118
شکل 4-13: رگرسیون خطی ساده .................................................................................................. 121
شکل 5-1: انواع هزینه های حمل و نقل .......................................................................................... 131
شکل 5-2 : نمودار ترافیک عبوری خودروها را در بازه زمانی یک ساعت .....................................137
شکل 5-3 : نمودار ترافیک عبوری خودروها ...................................................................................137
شکل 5-4 : نمودار مبلغ تراکم در ساعت های مختلف ....................................................................139
شکل 5-5: ارتباط مابین تقاضا، عرضه و حجم ترافیک ...................................................................139
شکل 5-6: مدل چهار مرحلهای برنامه ریزی حمل ونقل ............................................................... 140
شکل 5-7 : خروجی Train شبکه عصبی ........................................................................................144
شکل 5-8: خروجی مربوط به اعتبار سنجی شبکه عصبی .............................................................144
شکل 5-9 : خروجی مربوط به آزمایش شبکه عصبی ......................................................................145
شکل 5-10: تعداد epochهای مورد استفاده توسط الگوریتم یادگیری شبکه .............................145
شکل5-11 : مقایسه خروجی شبکه عصبی با اطلاعات موجود ........................................................146
شکل5-12 : مقایسه خروجی مدل رگرسیون با اطلاعات موجود ....................................................151

فهرست نشانه های اختصاری
TDNN = Time delay neural network
BOT = Build-operate-transfer
PCI = Pavement Condition Index
PSI = Present Serviceability Index
MLF = Multi-layer feed forward
TTI = Texas Transportation Institute
BPR = Bureau of Public Roads
VOTT = Value of Travel Time
HCM = Highway Capacity Manual
BP = Back Propagation
فصل اول
مقدمه و طرح مسئله
1- مقدمه1-1- مقدمهبخش حمل ونقل نیز به عنوان یکی شاهرگ اصلی اقتصاد، نقش بسزایی در شکوفایی و توسعه جامعه ایفا می کند. در کشور ما تاکنون این بخش نتوانسته به جایگاه واقعی خود دست یابد. شاید به جرأت بتوان گفت که امروزه ملاک توسعه یافتگی کشورها پس از صنعت، مربوط به توسعه ارتباطات ریلی، جاده ای، هوایی و دریایی است. بنابراین حمل و نقل را می توان به شریانی تشبیه کرد که موجب پویایی و شکوفایی اقتصاد کشورها می شود.
اگر امروز در جهان از خدمات حمل ونقل تحت عنوان صنعت یاد می شود بخاطر گستردگی و اهمیت این خدمات به عنوان حلقه اتصال صنایع با یکدیگر و عامل ارتباط میان بازارهای تولید و مصرف است . بدین خاطر است که بین نظام حمل ونقل و فرآیند توسعه اقتصادی و اجتماعی جوامع همبستگی شدیدی وجود دارد و اقتصاد دانان، صنعت حمل ونقل را به عنوان نیروی محرکه توسعه می دانند و کارآمدی و توانمندی آن را زمینه ساز توسعه پایدار می شناسند. لذا چنانچه این بخش از اقتصاد، مورد بی مهری و بی توجهی برنامه ریزان اقتصادی قرار گیرد یا به دلیل سیاستگذاری های نامناسب کارایی لازم را نداشته باشد، خواسته یا ناخواسته اقتصاد کشورها را با مشکلات جدی مواجه خواهد کرد.
کشور ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی و دسترسی به آبهای آزاد، از موقعیت ویژه ای در حمل ونقل منطقه برخوردار است. اینکه ایران موقعیت طلایی برای ترانزیت و عبور کالا را دارد بر کسی پوشیده نیست ولی متأسفانه طی دهه اخیر، علیرغم گنجاندن این مهم در راهبردهای اقتصادی و برنامه های توسعه کشور، عملاً شاهد تحقق بهره برداری از این پتانسیل نبوده ایم. یکی از مهم ترین عوامل زیربنایی برای توسعه هر کشوری، وجود یک شبکه کارا و مناسب جهت رفع نیازهای حمل ونقلی آن است. بطور کلی حمل ونقل به جهت رفع نیازهای مختلف اقتصادی، اجتماعی و دسترسی صورت می گیرد و تقاضای آن ناشی از تقاضا برای سایر بخش ها است (صفارزاده،هدایتی،1378).
بین صنعت حمل ونقل و سایر بخش های صنعتی از منظر اقتصاد تفاوت هایی وجود دارد . فعالیت های حمل ونقل دارای هزینه ثابت بسیار بالا هستند که بیشتر صرف زیرساخت های حمل ونقل می شود و برای ساخت زیرساخت های حمل ونقل نیاز به سرمایه گذاری بلند مدت است. این دو خصیصه از جمله ویژگی های بارزی هستند که حمل ونقل را از نظر اقتصادی، از دیگر صنایع جدا می کند. بر همین اساس تامین منابع مالی و جذب سرمایه گذاری در این بخش در مقایسه با دیگر بخش های اقتصادی با مشکلات بیشتری همراه است.
حمل ونقل جاده ای به دلیل خصوصیات ویژه ای که داراست (از جمله انعطاف پذیری در انتخاب مسیر، میزان بار، زمان سفر، دسترسی به نقاط مختلف، عدم نیاز به تجهیزات بارگیری و تخلیه) به عنوان متداول ترین شیوه حمل ونقل در کشورهای مختلف محسوب می شود. در ایران نیز علاوه بر ویژگی های خاص حمل ونقل جاده ای، موقعیت ویژه جغرافیایی، عدم پوشش گسترده شبکه ریلی در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفی حمل ونقل جاده ای همچون مسائل زیست محیطی، سبب گشته تا درصد بسیار بالایی از حمل ونقل کالا و مسافر توسط این زیربخش صورت گیرد، بطوریکه هم اکنون بیش از 90 % کل حمل بار و مسافر در کشور توسط جاده انجام می شود(سازمان راهداری و حمل و نقل جاده ای، 1383).
در حالیکه فعالیت های حمل و نقل بیش از 9% از تولید ناخالص ملی کشور را در بر می گیرد و در حدود 5/7 میلیون نفر از شاغلان کشور در این حوزه فعالیت می کنند و همچنین بر اساس برآوردهای کارشناسان در صورتی که تمام فعالیتهای مستقیم و غیر مستقیم حمل ونقل به حساب این بخش منظور شود، ارزش افزوده آن بالغ بر 20 % از تولید ناخالص داخلی را تشکیل خواهد داد (سایت اینترنتی بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران، 1389).
ضرورت توجه به حمل ونقل در کشور دو چندان نمایان می شود. در برنامه چهارم توسعه و در ماده 28 آن بطور مشخص اقداماتی در این خصوص پیش بینی شده است که بر اساس آن دولت موظف شده است اقداماتی را به منظور تقویت اقتصاد حمل و نقل، بهره برداری مناسب از موقعیت جغرافیایی کشور، افزایش ایمنی و سهولت حمل ونقل بار و مسافر انجام دهد.
علاوه بر این موارد، افزایش جمعیت، روند رو به رشد اقتصاد کشور و گذر از درحال توسعه به توسعه یافته و استعداد ترانزیت بین المللی، لزوم توسعه و ساخت هر چه بیشتر زیرساخت های حمل ونقل را بیشتر نمایان می کند. اما محدودیت منابع مالی و سرمایه، اکثر کشورهای جهان و ازجمله ایران را به فکر یافتن راه حلی جهت تامین سرمایه مورد نیاز توسعه زیرساخت های حمل ونقل انداخته است . کشورهای مختلف خط مشی های متنوعی برای تامین سرمایه در پروژه های راهسازی در پیش گرفته اند. از روش های متداول اتخاذ شده از سوی دولت ها می توان به وضع مالیات بر سوخت و سایر کالاهای مرتبط با حمل ونقل، مالیات بر خودرو و دریافت عوارض از رانندگان وسایل نقلیه اشاره نمود. معمولاً هزینه های دوره بهره برداری زیربناها نیز از محل اخذ عوارض از کاربران راهها تامین می شود (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
در دهه های 80 و 90 میلادی، در سطح دنیا تمایل بسوی ساخت زیربناهای حمل ونقل با مشارکت بخش غیردولتی به جای زیربناهایی عمومی و رایگان صددرصد دولتی، بسیار افزایش یافت . ساخت و توسعه راهها از طریق مشارکت بخش غیردولتی به دلیل استحصال فواید و نتایج مطلوبی همچون کمک به جبران کمبود بودجه عمومی جهت ساخت و نگهداری راهها، پاسخگویی به رشد تقاضا و نیز ارتقا کیفیت و مطلوبیت خدمات حمل ونقل فراگیر شده است. همچنین قیمت گذاری راهها به عنوان فرآیندی مناسب جهت بازگشت سرمایه و هزینه های مدیریت و نگهداری راهها، از سوی کشورها پذیرفته شده و در بیشتر آنها به اجرا درآمده است (Heggie,1995).
بنابراین باید اذعان داشت که امروزه قیمت گذاری راهها به یکی از اولویت های کاری در رئوس سیاست های حمل ونقل در سراسر جهان تبدیل شده است . بیشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنین سیاست مداران متقاعد شده اند که قیمت گذاری راه، و هزینه های جانبی مربوط به آنها، راهکار مؤثری برای کسب و جذب منابع مالی جهت توسعه و بهبود سیستم های حمل ونقل و همچنین مدیریت تقاضا و کنترل ازدحام روی راهها است.
در مجموع با بررسی اجمالی وضعیت خدمات راهسازی و راهداری در ایران می توان گفت: کشور ایران از نظر توسعه زیرساخت ها و بهبود شبکه راههای خود دارای نیاز زیادی است. تامین منابع مالی و سرمایه از مشکلات اصلی کنونی برای رفع نیازهای زیرساختی است. همچنین در صورت عدم ایجاد فضای منطقی و هدفمند برای ساخت آزادراهها با مشارکت بخش غیردولتی، مشکلات تقاضای برآورده نشده دوچندان شده و آثار نامناسبی بر اقتصاد خواهد گذاشت. علاوه براین، در صورتیکه حتی بخش غیر دولتی نیز به مشارکت بخش دولتی بیاید اما ساز و کار مناسب برای بازگشت سرمایه به سرمایه گذاران در نظر گرفته نشود، مشکلات بیشتری به دولت و سیستم حمل ونقل وارد شده و بار مالی زیادی به بودجه عمومی وارد می شود.
قیمت گذاری راه مفهوم جدیدی نیست. عوارض روی جاده ها و پلها از اواخر قرن هیجدهم یعنی سال 1790 میلادی در آمریکا رایج بوده است. این دوران با شکوفایی اقتصاد آمریکا مقارن بود . در آن موقع حمل ونقل بهتر به معنی آزادراههای بهتر بود. ایالت ها و دولت های محلی بودجه و منابع مالی محدودی در اختیار داشتند که پاسخگوی نیازهای حمل ونقل نبود . بهمین دلیل آزادراههای خصوصی با فاینانس شرکت های سهامی احداث شد و سهام آن در بازارهای بورس معامله می شد. صاحبان سهام از محل دریافت عوارض و مالیات های بزرگراهها، سود سهام خود را دریافت می کردند (Durenberger,1981).
به این طریق راههای خصوصی و سیستم عوارضی در این راهها تا اواسط قرن نوزدهم ادامه داشت و در آن سا لها به اوج خود رسید. توسعه ریل رقابت شدیدی را بین ریل و جاده به وجود آورد که منجر به کم رنگ شدن اهمیت جاده شد. در نتیجه بیشتر بزرگراهها یا به دولت واگذار شدند یا به صورت نیمه دولتی درآمدند. از آن زمان یعنی اواسط قرن نوزدهم تا اواسط قرن بیستم مردم آمریکا رغبت چندانی به قیمت گذاری راهها نشان داده و با آن مخالفت ورزیده اند . از اوایل سال های 1960 سیستم عوارض سنتی برچیده شد و بجای آن سیستم پرداخت فوری جایگزین شد و در دهه های60، 70 و 80 میلادی مورد استفاده قرار گرفت (پژوهشکده حمل و نقل، 1389).
در کشور انگلیس از سال 1964 تاکنون با هدف کم کردن بار ترافیکی راهها و کمک به تامین اعتبارات برای ساخت و توسعه راهها، استراتژی های مختلفی برای قیمت گذاری راهها اجرا شده است. از سال 2003 به بعد در شهر لندن سیاست های سخت گیرانه تر و همراه با نرخ های بالاتر با هدف کاهش هرچه بشتر بارترافیک اعمال شده است.
یکی از موفق ترین تجربه های قیمت گذاری راهها را کشورهای هنگ کنگ(Ison, Rye,2005) و سنگاپور(Goh,2002) از اواسط دهه 70 میلادی تا کنون داشته اند. هنگ کنگ در خلال سال های 80 و 90 میلادی علیرغم رشد جمعیت و تقاضای حمل و نقل توانست 20 % از بارترافیکی درون پایتخت بکاهد. همچنین سنگاپور نیز در مدیریت ترافیک توفیق زیادی داشته و دو دهه است اخذ الکترونیکی عوارض را تجربه می کند.
در کشور نروژ از سال 1930 تا 1980 5% کل بودجه ساخت و توسعه زیرساخت های حمل ونقل از ، محل قیمت گذاری راهها تامین شده است . اما در دو دهه 80 و 90 میلادی تحولات زیادی در سیستم قیمت گذاری راهها به وجود آمد و در نتیجه 26 % کل بودجه ساخت زیربناهای حمل ونقل کشور نروژ در دو دهه مذکور از محل قیمت گذاری راهها تامین گردید. در سال 1997 تعداد پروژه های راهسازی با استفاده از درآمد های حاصل از قیمت گذاری راهها به 30 پروژه رسید(Odeck, Bråthen,1997).
در کشور ایران تا کنون قیمت گذاری سیستماتیک و جامعی روی شبکه راههای کشور انجام نشده است و تنها در چند آزادراه کشور سیستم اخذ عوارض سنتی وجود دارد که البته بیشتر درآمدهای آن صرف پوشش هزینه های ساخت آزادراههای مذکور می شود. در واقع این آزادراهها با سرمایه بخش خصوصی یا بانک ها ساخته شده و در قالب قراردادهای ساخت-عملیات-واگذاری احداث شده اند و تا دوره ی مشخصی با نظارت دولت مجازند کابران این راهها را شارژ کنند.
بطور کلی در بیشتر کشورهای دنیا در سه دهه اخیر، قیمت گذاری راهها به عنوان منبعی مکمل جهت تامین اعتبارات و منابع مالی بخش حمل ونقل، همچنین مشوقی جهت همکاری و تعامل توأم بخش خصوصی و دولتی برای ساخت و توسعه راههای جدید، مدیریت تقاضا و کنترل ترافیک روی شبکه راهها، مورد نگاهی ویژه قرار گرفته است(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
1-2- اهداف قیمت گذاری راههااهدافی زیادی برای قیمت گذاری راهها ذکر شده است. در اینجا به ۴ هدف اشاره می شود که در زیرآمده اند.
1. از مشهورترین و مهمترین اهداف قیمت گذاری راهها، هدف مالی و سرمای های است.قیمت گذاری راهها به عنوان منبعی برای کسب درآمد جهت بهسازی و توسعه زیر ساخت های حمل ونقل عمل می کند. شکاف موجود بین نیازهای زیرساختی حمل ونقل و درآمدهای موجود یکی از محرک های اصلی قیمت گذاری است. جمع آوری منابع مالی از این طریق برای پوشش دادن و جبران هزینه های ساخت راه، توسعه راههای فعلی و ساخت زیرساخت های جدید حمل ونقل صورت می گیرد. در بیشتر کشورهای دنیا بخش زیادی از این منابع از محل مالیات بر سوخت، مالیات بر وسائل نقلیه تامین می گردد. با توجه به تحولات تکنولوژیکی و ورود وسائل نقلیه با سوخت های نوین مانند باطری های خورشیدی، پیل های سوختی و امثالهم، که جایگزین وسایل با سوخت فسیلی می شوند ، انتظار می رود بخش حمل ونقل با کاهش مالیات بر سوخت و در نتیجه کاهش منابع مالی مواجه شود. لذا اهمیت قیمت گذاری راهها به عنوان محلی برای تامین منابع مالی مذکور بیشتر می شود . البته به دلیل اینکه در کشور ایران مالیات بر سوخت گرفته نمی شود، این نگرانی بدین صورت برای کشور ما وجود ندارد؛ بلکه بیشتر کمبود منابع مالی برای ساخت و توسعه شبکه راهها دغدغه اصلی محسوب میشود. قابل ذکر است این هدف بیشتر در قیمت گذاری راههای بین شهری در کشور ما و نیز دیگر کشورها دنبال میشود. (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
2. هدف دوم ارائه مکانیزمی برای مدیریت تقاضای حمل ونقل است. با تغییر تعرفه ها در طول شبانه روز (که گاهی قیمت گذاری تراکم یا قیمت گذاری ارزش نامیده می شود ) استفاده کنندگان بگونه ای ترغیب می شوند که در طول ساعات شلوغ و پرتردد از سفر پرهیز کنند و سفرهای خود را در ساعات کم تردد انجام دهند. بدین طریق جریان ترافیک تعدیل شده و تقاضای سفر بگونه ای در طول ساعات روز توزیع می شود که کمتر بار ترافیکی شدید به وجود آید. علاوه بر توزیع تقاضا در ساعات مختلف، با تقسیم شبکه راهها به بخش های مختلف و تخصیص تعرفه های متفاوت به هر کدام به توزیع مناسب تقاضا روی کل شبکه پرداخته و از ترافیک شدید جلوگیری می کنند. طبیعی است با کاهش ترافیک، شاخص دسترسی پذیری افزایش یافته و کارایی حمل ونقل بهبود می یابد(May,1992). البته این هدف، بیشتر در مناطق شهری و درون شهرها مدنظر قرار می گیرد. امروزه در بیشتر شهرهای بزرگ و شلوغ دنیا از جمله شهر تهران این هدف دنبال می شود.
3. هدف سوم کاهش آثار زیان آور زیست محیطی است. معمولاً فعالیت های حمل ونقل اعم ازاحداث راهها و حرکت وسایل نقلیه، موجب وارد شدن آسیب هایی به محیط زیست می شو ند. هزینه های محیط زیستی مربوط به زیرساخت های حمل و نقل، شامل مواردی چون تصرف زمین و اراضی، تغییر مناظر و زیباییهای طبیعی، تخریب زیست گاههای وحوش، آسیب رسانی به منابع و ذخایر زمینی، آلاینده های جوی و غیره است(بیضایی،1382). لذا قیمت گذاری بگونه ای انجام می شود که بخشی از قیمت صرف جبران خسارات وارده به محیط زیست شود.
4. هدف چهارم که بیشتر در مناطق خارج از شهر و روستایی دنبال می شود، شارژ مستقیم کسانی است که از راهها، استفاده های مخاطره آمیز می کنند. مثلاً، ادوات سنگین کشاورزی و عمرانی، ممکن است سبب وارد کردن خساراتی به راهها شوند. تصادفات جاده ای نیز به دلیل تحمیل هزینه به اجتماع و البته بخش حمل ونقل، می تواند شامل این مورد باشد که در این صورت، شرکت های بیمه ای باید هزینه ها و عوارض مربوطه را بپردازند . علاوه بر این موارد، استفاده از وسایل غیراستاندارد و فرسوده که بیش از وسایل استاندارد به راهها آسیب می رسانند، مشمول این نوع قیمت گذاری می شوند. در کشور ایران، فرسود گی زیاد ناوگان حمل ونقل از جمله عوامل فرساینده راه بشمار رفته و اصولاً این دسته از وسایل حمل ونقل باید قیمت بیشتری را بابت استفاده ار راهها بپردازند. پیگیری این هدف می تواند به بهبودی وضع ناوگان و کاهش فرسودگی کمک کند(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
برحسب اهداف در نظر گرفته شده برای قیمت گذاری راهها، استراتژی های قیمت گذاری نیز متفاوت خواهد بود. بطور مثال، قیمت گذاری در شهرهای کشورهای سنگاپور و هنگ کنگ بیشتر با هدف کاهش تراکم و مدیریت تقاضا است (Olszewski, Xie,2005) و در شهر لندن این کار بیشتر با هدف کاهش آلودگی های زیست محیطی و البته کاهش تراکم صورت می گیرد(Mitchell,2005) در حالیکه در کشور نروژ قیمت گذاری راه با هدف اصلی ساخت و توسعه شبکه راهها انجام می شود(Odeck, Bråthen,2002). در حوزه فعالیت وزارت راه و ترابری در کشور ایران، قیمت گذاری راهها، بیش از آنکه برای کاهش بار ترافیکی مورد نظر باشد، با هدف ساخت و توسعه شبکه راهها و جبران هزینه های ساخت راههای موجود، انجام می گیرد.
1-3- جمع بندی و نتیجه گیریحمل ونقل جاده ای به دلیل خصوصیات ویژه ای که داراست (از جمله انعطاف پذیری در انتخاب مسیر، میزان بار، زمان سفر، دسترسی به نقاط مختلف، عدم نیاز به تجهیزات بارگیری و تخلیه) به عنوان متداول ترین شیوه حمل ونقل در کشورهای مختلف محسوب می شود. در ایران نیز علاوه بر ویژگی های خاص حمل ونقل جاده ای، موقعیت ویژه جغرافیایی، عدم پوشش گسترده شبکه ریلی در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفی حمل ونقل جاده ای همچون مسائل زیست محیطی، سبب گشته تا درصد بسیار بالایی از حمل ونقل کالا و مسافر توسط این زیربخش صورت گیرد. بنابراین باید اذعان داشت که امروزه قیمت گذاری راهها به یکی از اولویت های کاری در رئوس سیاست های حمل ونقل در سراسر جهان تبدیل شده است . بیشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنین سیاست مداران متقاعد شده اند که قیمت گذاری راه، و هزینه های جانبی مربوط به آنها، راهکار مؤثری برای کسب و جذب منابع مالی جهت توسعه و بهبود سیستم های حمل ونقل و همچنین مدیریت تقاضا و کنترل ازدحام روی راهها است.

فصل دوم
مبانی نظری
2- مبانی نظری تحقیق2-1- مقدمهحمل و نقل یا جابجایی انسان و کالا از نقطه ای به نقطه دیگر، از جمله خصایص ذاتی و کهن ماندگار انسان ها است. در جوامع ابتدایی به فرم معیشتی نیز، حرکت جزو اساسی ترین الزامات روزانه به شمار می رود و برای تولطد و یا جابجایی هر محصول غیر اقتصادی لازم است حجم معینی از حرکات از محل تولید تا مصرف صورت پذیرد تا کالای مورد نیاز به مصرف کننده برسد.
چنین فرایندی از حرکت از حرکت در یک جامعه توسعه یافته مبادلاتی، ابعاد وسیع تری دارد و اشکال مختلفی از حرکت و جابجایی را پدید می آورد. بنابراین حرکت و جابجایی یکی از عمده الزامات انسانی است که نتایج اقتصادی به دنبال دارد. در علم اقتصاد، مجموعه خدماتی که سبب انتقال و جابجایی منابع تولید می گردد دارای ارزش اقتصادی است و بخشی از جریان تولید محسوب می شود. از این رو حمل و نقل از جمله ضروریات اقتصادی است و تقاضا برای حمل و نقل مشتق از سایر فعالیت های اقتصادی و اجتماعی است و لذا محصول حمل و نقل در عین حال که یک تولید پیچیده و مرکب است، تابع تغییرات تقاضا در نقاط و یا بخش های دیگر اقتصاد نیز می باشد(محمودی،1389)
حمل و نقل به گونه سایر فعالیت های اقتصادی بدون هزینه نیست و حرکت در ابعاد فضایی، همانند هر تولید دیگری دارای هزینه می باشد. تفاوت های ساختاری در عملکرد هزینه های انواع مختلف حمل و نقل میدان کاربری وسیعی را برای برنامه ریزی حمل و نقل فراهم می آورد.
روند توسعه در افزایش تسهیلات حمل و نقل جهانی مبین یک روند فزاینده در تقاضا برای سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل می باشد و به همین دلیل است که سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل اهمیت یافته و جزو لاینفک برنامه های توسعه ملی گردیده است. در بسیاری از کشورهای توسعه یافته تامین مالی حمل و نقل بخصوص از این جهت اهمیت دارد که حمل و نقل بزرگترین جزء سرمایه گذاری این کشورها را تشکیل می دهد.
به دلیل بالا بودن هزینه های اجرایی طرح های زیر بنایی حمل و نقل و همچنین به خاطر مسئولیت های مالی دولت ها و ضرورت های توزیع در سطح ملی لازم است دولت ها به سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل توجه عمده ای مبذول دارند.
2-2- هزینه های حمل ونقلعملکردهای زیانبخش فاصله و محدود ساختن ابعاد حرکت در واقع ناشی از هزینه های حرکت است که بر اثر غلبه بر فاصله به وجود می آید. زیرا عملا هر مصرف کننده ای در حرکت بسوی گردآوری منابع مورد نیاز و یا بمنظور مبادله مقداری از درآمد خود با کالا و خدمات، ضرورتا مقادیر مشخصی از منابع کمیاب (پول، وقت و انرژی فیزیکی ) را به مصرف می رساند تا هزینه مسافت را از میان بردارد. بنابراین وقتی از موانع ناشی از مسافت و سنجش آن با واحدهای پولی صحبت می کنیم، در واقع اشاره به عملکرد خدمات حمل و نقل در غلبه بر مسافت و ساخت هزینه های حرکت و بهای مربوط به آن است که بر پایه ذخایر مالی قرار دارد.
ولی روند غلبه بر هزینه های مسافت همیشه بر اساس مبادلات پولی استوار نیست. مثلا قدم زدن تا فروشگاه برای خرید کالای مورد نیاز، پرداخت هزینه ای را شامل می شود که صرفا جنبه فعالیت بدنی داشته و می توان آنرا از طریق محاسبه واحد کالری مصرفی اندازه گیری نمود. در حالی که استفاده از وسایل ارتباطی محتاج مبادله پولی است و روند چنین مبادله ای بر اساس میزان سرمایه گذاری، نوع خدمات و هزینه های ناشی از آن بسیار متنوع است.
از این رو، برای تجزیه و تحلیل هزینه های حمل و نقل ضرورتا باید شناخت وسیعی از ماهیت هزینه های حمل و نقل داشت.حمل و نقل نوع ویژه ای از تولید است که بر خلاف اصول جاری در تولید کالاهای اقتصادی، در یک نقطه مشخص مکانی مستقر نیست ، بلکه عوامل تولید در چنین شیوه ای در طول یک خط معین و یا در امتداد مسیرهای مختلف ترکیب یافته وشکل می گیرند. بنابراین، از لحاظ اقتصادی، ساخت موقعیتی حمل و نقل با موضوعات مورد مطالعه در سایر فعالیت های اساسی دارد. این وضع زاییده اختلاف های بنیادی بین اهمیت و نقش تولیدی خطوط و گذرگاه ها در مقایسه با سایر فعالیت های اقتصادی است که خود مسائل ویژه ای را در موقعیت مکانی پدیده های تولید مطرح می کند. اهمیت بنادر، ایستگاه های راه آهن و سایر ترمینال ها به عنوان کانون فعالیت های حمل و نقل در واقع نتیجه مستقیم ارتباط های زنجیره ای این نقاط با پاره ای از نقاط دیگر است که هرگز به تنهایی حاوی ارزش های اقتصادی بالقوه ای نیستند. ارزش و اعتبار چنین مراکزی یا بر اساس شاخص هایی مانند تعداد مسافران و وزن کالاهای حمل شده و درآمدهای حاصله از آن تعیین می شود و یا ارزیابی آن ها بر پایه معیارهای فیزیکی دیگری قرار دارد. در هر حال، وسایل حمل و نقل و موسسات مربوط به آن عملا کالاهایی را عرضه نمی کنند و درآمد آن ها ناشی از خدماتی است که در مقطع زمانی و مکانی مشخصی ارائه شده است(محمودی،1389).
در هندسه فرض بر این است که هر خطی از به هم پیوستن بی انقطاع مجموعه ای از نقاط هندسی تشکیل می شود که عملکرد هر یک از نقاط مفروض در ساخت این خط برابر و یکسان است. خطوط ارتباطی را از بسیاری جهات همانند عملکرد نقاط در تشکیل خط می توان فرض کرد و ثابت کرد که تولید در طول چنین خطوطی و بر سر هر نقطه ای می تواند احتمال وقوع داشته باشد. بنابراین، سهمی که هر یک از این نقاط در حرکت دادن مسافر . کالا دارند از طریق محاسبه ای ساده (نرخ کالا هنگام صدور از مبدا منهای ارزش آن در زمان ورود به مقصد) می توان تعیین کرد. ولی کیفیت این گونه استدلال ها انسان را متقاعد می سازد که این نوع محاسبات تقریبا غیر عملی است و کمتر با واقعیت های موجود در حمل یک کالا مطابقت دارد. زیرا حمل و نقل هر محموله ای از ایستگاه مبدا علاوه بر هزینه های خدماتی عملا متضمن پاره ای هزینه های سرمایه ای نیز هست. بنابراین ، اگر از تطبیق این فرضیه که قسمت های مختلف یک خط را نقاط هندسی تشکیل می دهند صرف نظر کنیم و حرکت فرضی یک کالا را با ابعاد محدودتر، در طول یک راه آهن در نظر بگیریم در زمینه ترکیب هزینه های حمل و نقل به نتایج بهتری دست خواهیم یافت.
هزینه هایی که در طول راه آهن خیالی ما به واسطه انتقال کالاهای فرضی پدید می آید، نتیجه محاسبه و جمع زدن هزینه هایی مانند دستمزد، اجاره بها، بهره و غیره است. بسیاری از این هزینه ها به خدمات انجام شده در ادارات مرکزی متعلق می گیرد و برخی دیگر به خدمات انجام شده در ایستگاه های بین راه مربوط است و سایر هزینه ها به طول مسیر طی شده مربوط می شود. بدین ترتیب، سود حاصله از این خدمات برخی به بخش های ویژه ای از دارایی راه آهن و برخی دیگر به قسمت های واقع در طول راه مربوط خواهد بود.
حسابداران و متخصصان نرخ گذاری در بررسی توزیع درآمدهای حاصله، روش های ویژه ای دارند که بر حسب این روش ها، نخست هزینه های اداره مرکزی و سایر اقلام مربوط به آن معین می شود، سپس دستمزدها و هزینه های عملیاتی شهرهایی که ایستگاه ها در آنجا واقع شده اند و در آخر، بخش های ویژه ای از مسیر که به طریقی به نظام ارتباطی مربوط اند تعیین می شوند. چنین روشی را در مورد حمل و نقل های زمینی، دریایی و هوایی نیز می توان تعمیم داد و به کار بست. ولی یک اصل عمده در چنین شیوه ای از برنامه ریزی این است که حجم عمده ای از درآمد تقریبا در ترمینال ها جای گرفته و چنین به نظر می رسد که راه هایی که این ترمینال ها را به هم متصل می کنند بدون هزینه نگهداری می شوند، در حالی که چنین نیست و در واقع ساخت هزینه ها در انواع مختلف حمل و نقل سبب و نتیجه عملکرد هزینه های ثابت و هزینه های متغیر است که از سرمایه گذاری در طول مسیر حاصل آمده است. شکل (2-1) توجیه ساده ای از این مطلب است.

شکل 2-1 : عملکرد هزینه های حمل و نقل
به این ترتیب، حمل و نقل نوعی تولید است که در یک فرایند فضایی شکل یافته و در مقایسه با سایر تولیدات اقتصادی غیر قابل ذخیره است و مصرف آتی دارد. مهم تر از همه آنکه تولید حمل و نقل نسبت به مقیاس دارای بازده صعودی است و با افزایش بهره برداری «طول مسیر، وسایط نقلیه، زمان بهره برداری» ، مقدار تولید افزایش می یاید و از این رو عملکرد هزینه ها « ثابت، متغیر» در تولید تسهیلات حمل و نقل دارای وجوه ویژه ای است.
2-2-1- هزینه های ثابتهزینه های ثابت عبارت است از هزینه هایی که در اثر استهلاک فنی سرمایه های اولیه وسایط نقلیه، مخارج ساخت و نگه داری ترمینال ها و راه ها ، پرداخت مالیات های مختلف و عوارض گمرکی پدید می آید. هزینه های ثابت را معمولا غیر مستقیم، هزینه های مکمل، هزینه های اضافی و یا هزینه های سربار می نامند که تابع آن را به شکل زیر می توان نوشت.
TFX=k=0npi viدر رابطه فوق Vi مقادیر عوامل تولید ثابت و Pi قیمت های آن ها فرض شده است.
کوپر هزینه های ثابت را بر حسب کیفیت آن ها به دو قسمت تقسیم می کند. نخست، هزینه های ثابت سرمایه ای که خود شامل سرمایه گذاری مجدد و هزینه های استهلاک و فرسودگی وسایل نقلیه و ساختمان های مربوط به آن می شود و دوم، هزینه های ثابت روزمره که مشتمل بر دستمزدها، هزینه های انبارداری، گمرکات، بازرسی، مدیریت و غیره است. در هر حال، تاثیر پذیری چنین هزینه هایی در ساخت هزینه های کلی حمل و نقل تا حدودی ثابت است. زیرا این هزینه ها نه تنها ارتباط مستقیمی با سطوح مختلف حرکت ندارند، بلکه به آسانی نیز می توان آن ها را به مصرف کنندگان ویژه ای تحمیل کرد، مگر آنکه افزایش استفاده از تسهیلات ترمینال ها و تجهیزات اصلی آنها، مانند کامیون ها، قطارها و خودروها، موجب تقلیل حد متوسط هزینه های ثابت شود. مثلا در خصوص ارتباط دو نقطه از طریق یک سیستم مجهز راه آهن که در آن میلیارها ریال سرمایه گذاری شده است، تاثیر هزینه های ثابت در بهای تمام شده نرخ حمل و نقل به میزان بهره برداری از آن بستگی خواهد داشت. اگر میزان بهره برداری تا حد مشخصی افزایش یابد، سهم هزینه های ثابت در نرخ حمل و نقل به همان نسبت تقلیل می یابد و منحنی آن مانند شکل(2-2) می باشد. بدین ترتیب، اگر شبکه ارتباطی oq که هزینه های ثابت معینی در ساختمان آن به کار رفته است، در فاصله زمانی مشخص، Z مرتبه بهره برداری شود، تاثیر هزینه های ثابت در بهای تمام شده حمل و نقل، به مراتب کمتر از میزان بهره برداری به مقادیر x و y خواهد بود.
اگر چنانکه هزینه های ثابت بر حسب هر تن کالای حمل شده در طول مسافت بیان شود، فرم عمومی عملکرد هزینه های ثابت به گونه ای خواهد بود که با افزایش عملکرد، هزینه های ثابت به ازای هر تن در مسافت طی شده کاهش خواهد یافت و نتیجتا به کاهش نسبی هزینه های متوسط کل منجر خواهد شد (شکل 2-2).

شکل 2-2 : روند تحلیلی هزینه های ثابت بر حسب میزان بهره برداری

شکل 2-3: عملکرد هزینه های ثابت بر حسب تن-مسافت
معمولا هزینه های نیروی کار و تاسیسات ترمینال ها بخش مهمی از هزینه های ثابت حمل و نقل را تشکیل می دهند و در ترمینال های راه آهن و بنادر کشتیرانی، شاخص بهره دهی بر حسب رابطه بین این هزینه ها به ازای هر تن کالای حمل شده ارزیابی می شود.
برآورد میزان واقعی هزینه های ثابت و نحوه عملکرد آن در ساخت کلی هزینه های حمل و نقل همیشه براحتی میسر نیست و بر حسب میزان سرمایه گذاری، از سیستمی به سیستم دیگر تغییر می کند. معمولا هزینه واقعی عمل حمل و نقل بیش از مبلغی است که از ضریب نرخ باربری در تن – کیلومتر به دست می آید. زیرا در غالب کشورها بخش مهمی از هزینه های ثابت به اقتصاد عمومی تحمیل می شود و دولت به منظور تقلیل هزینه های حمل و نقل برای مصرف کننده مقداری از هزینه های ثابت را به صورت کمک های مالی مستقیم و یا غیر مستقیم تعهد می کند. بوریر به نقل از پرفسور پیرات نشان داده است که در کشور آلمان استفاده مجانی از راهها بویژه در سالهای گذشته برای کامیون ها حداقل به منزله کمک مالی معادل 15 الی 20 درصد بهای تمام شده حمل و نقل بوده است. رساندن چنین کمک های مالی و اعتباری از عمده ترین دلایل علاقمندی دولت ها به تشویق تخصص های منطقه ای و ایجاد رفاه و اشتغال در سطح ملی است. البته بازگشت چنین هزینه های از طرف دولت معمولا از طریق اخذ عوارض و مالیات های مختلف بر سوخت و تاسیسات تامین می شود.
بنابراین در هر شرایطی هدف اساسی سیاست دولت از کمک به حمل و نقل عمومی انجام یکسری خدمات در سطح ملی و تسریع فرایند مبادلات به ویژه توزیع مکانی واحدهای تولیدی است تا از تمرکز فعالیت های اقتصادی در قطب های مشخص جلوگیری به عمل آید و استعدادهای نهفته در نقاط دیگر به کار گرفته شوند.
2-2-2- هزینه های جاری یا متغیرهزینه های جاری یا خدماتی مشتمل بر مجموع هزینه هایی است که در ترمینال ها و یا ضمن حرکت در طول مسیر از انجام خدمات لازم پدید می آید. هزینه های متغیر را گاهی هزینه های دسته اول و یا هزینه های مستقیم می خوانند و تابع آن را به شکل زیر می توان نوشت :
Tvc=i=1npj vjدر رابطه فوق Vj مقادیر عوامل متغیر تولید و Pj قیمت آن ها است.
این گونه هزینه ها اصولا بر حسب کیفیت ساختمانی کالا و سیستم حمل و نقل تغییر می کند و به تناسب ظرفیت وسیله نقلیه و ترمینال ها متفاوت است. در هر حال عملکرد آن تابع مجموع هزینه هایی است که از ایستگاه مبدا تا مقصد صرف می شود. اصولا مخارج استاندارد و بسته بندی کالا در نظام های مختلف حمل و نقل متفاوت اند و غالبا میزان آن در حمل و نقل های درازمدت مانند حمل و نقل دریایی بیش از مبالغی است که در حمل و نقل های کوتاه مدت نظیر حمل و نقل هوایی وجود دارد. نرخ بیمه نیز معمولا در حمل و نقل های درازمدت زمینی و دریایی به جهت طول زمانی حمل و نقل و آسیب پذیری کالا بیش از حمل و نقل هوایی است.
علاوه بر هزینه های بارگیری و تخلیه در ایستگاههای مبدا و مقصد هزینه های بارگیری مجدد بین راه را نیز می توان از جمله هزینه های جاری و یا متغیر به حساب آورد. گاهی ممکن است کالایی پیش از حرکت از ایستگاه مبدا و قبل از رسیدن به ایستگاه مقصد چندین مرحله جابجایی را به همراه داشته باشند که هر یک از آنها هزینه های متفاوتی را بر سطح هزینه های خدماتی وارد می کنند.
در مواردی ممکن است انتقال کالا از یک نوع وسیله نقلیه به نوع دیگر، علاوه بر هزینه های فنی و بارگیری مجدد، مخارج انبارداری و احیانا ایجاد ضایعات و گاهی تاخیر زمانی تحویل کالا را به همراه آورد که هر یک در نوع خود متضمن هزینه های متغیر است.
به هر حال هزینه های متغیر را بر حسب نوع آنها در دو گروه مشخص می توان طبقه بندی کرد.
الف) هزینه های متغیر که بطور مطلق با مسافت طی شده رابطه نسبی دارند
ب) هزینه های متغیری که رابطه مطلق با مسافت طی شده ندارند. مانند پرداخت عوارض گمرکی و هزینه استفاده از ترمینال ها (شکل 2-4)

شکل 2-4: هزینه های متغیر بر حسب عملکرد حمل و نقل
هزینه های متغیر به طور کلی بسیار متنوعند و از یک نوع حمل و نقل به نوع دیگر دارای تفاوت های زیادی می باشند. به همین دلیل گاهی اوقات تفکیک کردن هزینه ها کار بسیار پیچیده ای می باشد. با این حال در اقتصاد حمل و نقل ضرورت دارد که کار تحلیل هزینه ها به دقت انجام پذیرد(محمودی،1389).
2-2-3- هزینه های خارجیهزینه هایی که از عملکرد بنگاه حمل و نقل به محیط زیست تحمیل شده است ولی بابت آن مبلغی پرداخت نمی شود هزینه های خارجی یا در مواردی هزینه های چرخه حیات نامیده می شوند. در مدل تعادل عمومی چنین فرایندی دارای پیامد خارجی است و اثرات زیانباری را از طریق عملکرد یک بنگاه اقتصادی بر منافع یا هزینه های فرد و یا بنگاه دیگری اعمال می کند.
از نظر اقتصاد دانان، آلودگی در محیط زیست ابعاد وسیع تری را شامل می شود و اثرات آن زنجیره وسیعی را در چرخه حیات تحت تاثیر خود قرار می دهد. کلیه هزینه های تباهی و خسارت پذیری محیط زیست چه در قالب هزینه های بازسازی و چه بصورت هزینه های اجتناب از خسارت از آثار تخریب و آلودگی محیط زیست به شمار می روند.
بازتاب تخریب در حوزه حمل و نقل بسیار وسیع است. نتایج مطالعات انجام شده(محمودی،1383) مشخصا به چهار نوع از انواع هزینه های خارجی که بر عملکرد سیستم های مختلف حمل و نقل تاثیر می گذارند اشاره دارد. این نوع هزینه ها در ساده ترین شکل خود عبارتند از هزینه های خارجی ناشی از :
آلودگی صدا
آلودگی هوا
اثرات هزینه ای ناشی از تراکم
هزینه های حاصل از تصادفات
نتایج مطالعات انجام شده در سال 1991 در هفده کشور اروپایی نشان می دهد که 92 درصد هزینه های خارجی مربوط به حمل و نقل جاده ای، 9/5 درصد مربوط به حمل و نقل هوایی، 7/1 درصد مربوط به راهآهن و فقط 3/0 درصد آن به حمل و نقل آبی تعلق دارد.
یک مثال ساده برای شناخت نحوه عملکرد این هزینه ها وضعیت موجود در ترافیک شهری است که مترادف با حجم بالایی از آلاینده ها می باشد. مطالعات موردی نشان داده است که مصرف بنزین و سایر سوخت های فسیلی، مواد آلاینده ای از نوع منو اکسید کربن،هیدرو کربورها، اکسیدهای ازت و غیره را به مقدار زیادی در محیط های شهری پراکنده می کند، در حالی که هزینه های تخریب آن عملا پرداخت نمی شود.
بنابراین لازم است رانندگان شهری علاوه بر پرداخت بهای بنزین هزینه ای نیز بابت تخریب حاصل از مصرف آن که در قیمت بنزین مستتر شده است را پرداخت نمایند. این عمل در نوع خود سبب خواهد شد مصرف بنزین با کاهش قابل ملاحظه ای مواجه شود.

شکل 2-5: تعادل عرضه بنزین با احتساب هزینه های آلوده سازی محیط زیست
در نمودار فوق منحنی تقاضا PP و منحنی عرضه SS است. قیمت بنزین در نقطه تلاقی این دو منحنی یعنی EM به قیمت PM می باشد. با افزایش هزینه های خارجی ناشی از مصرف بنزین منحنی عرضه SS به S’S’ انتقال پیدا کرده است که این منحنی تابع تقاضا را در نقطه E’ قطع می کند. در چنین شرایطی اگر چه بنزین در مقدار کمتری عرضه می شود ولی بدلیل اینکه با قیمت بیشتری بفروش می رسد موجبات کاهش مصرف را فراهم می آورد. همچنین در نمودار فوق تفاضل PM’ و PM نشان دهنده هزینه های خارجی هستند که مصرف کنندگان از پرداخت آن خودداری می کنند.
روش داخلی کردن هزینه های خارجی اگرچه در موارد بسیاری ممکن نیست، ولی برای پیشگیری از اثرات نامطلوب زیست محیطی، لازم است با ایجاد ضوابط و مقرراتی روش هایی برای پرداخت اینگونه هرینه ها اعمال گردند.
2-3- قیمت گذاری حمل ونقلدر تئوری اقتصاد، قیمت ها دارای دو نقش اساسی هستند. نخست تخصیص بهینه خدمات و کالاها میان مصرف کنندگان و دوم انگیزه برای تولید کنندگان و حفظ منافع آنان. هدف یک گرداننده حمل و نقل در سیاست قیمت گذاری به حداکثر رساندن درآمد است. این کار به دو طریق ممکن می شود(محمودی،1389) :
گسترش اندازه بازار
جذب مشتریان جدید و افزایش سهم خود در بازار
یکی از مسائلی که در قیمت گذاری حمل و نقل می بایست مد نظر قرار داده شود هزینه های خارجی است که از مهمترین آنها هزینه تراکم ناشی از سنگینی ترافیک می باشد، که اغلب از سوی افراد و یا شرکت های حمل و نقل در نظر گرفته نمی شوند.
2-4- قیمت گذاری بر اساس هزینه خارجیاگرچه اصول قیمت گذاری بخش عمومی و وضع مالیات و عوارض امر شناخته شده ای است ولی به هر حال طرح و اجرای آن در مسائل حمل و نقل بخصوص در حمل و نقل جاده ای مشکلات و ویژگی های خاص خود را دارد. اصولا به دلیل مشکلات گردآوری عوارض از استفاده کنندگان محلی جاده های برون شهری، مخارج مستقیم مربوط به استفاده از این تاسیسات، پایه مهمی برای تامین مالی این زیر ساخت ها نمی باشد. از سوی دیگر هزینه های جانبی ناشی از استفاده از این تاسیسات، بسط و توسعه عملیات حمل و نقل بر روی آنها نیز به دلیل ضعیف بودن بنیان مالیاتی و یا به دلیل توسعه نیافتگی سیستم های مالی دارای عملکرد درستی نبوده و توزیع بهینه خدمات را با مشکل مواجه می کند.
به منظور ایجاد یک پیوند مفید اقتصادی و محیطی لازم است هزینه های مصرف کنندگان تاسیسات حمل و نقل در رابطه با افزایش درآمد طوری تنظیم شود که اولا از ظرفیت موجود استفاده موثر به عمل آید و ثانیا تامین هزینه های جانبی آنها فراهم شود.
مساله کارایی را می توان از طریق انتخاب بهینه در وسایط نقلیه و سوخت، افزایش کارایی میان قسمت های مختلف حمل و نقل و اعمال سیاست های مناسب در نگاه داری و مدیریت زیر ساخت های حمل و نقل تعمیم داد. امروزه با استفاده از روش های مختلف اخذ عوارض و مالیات که معمولا از طریق نصب باجه های مخصوص در محل های معین صورت می گیرد، موجب پیدایش یک درآمد دائمی شده و در نهایت موجب بوجود آمدن تشویق کننده ای برای استفاده کنندگان و متصدیان امور حمل و نقل گردیده است. افزایش کارایی منابع به خدمت گرفته شده در زیر ساخت های حمل و نقل و همچنین تخصیص بهینه منابع میان اشکال مختلف حمل و نقل نتایج مستقیم اینگونه تصمیمات می باشد. اینگونه اقدامات که سیاست های قیمت گذاری خاصی را می طبید، در نوع خود می تواند هزینه ها را کاراتر سازد و اساس و بنیان مالی بهتری را برای تدارک و نگاه داری تاسیسات حمل و نقل بوجود بیاورد.
در محتوای بهینه سازی هزینه ها این حقیقت وجود دارد که رفت و آمد در جاده ها چندین نوع آثار بیرونی از جمله ایجاد تراکم، آلوده سازی محیط زیست، تخریب سطوح جاده و غیره را به دنبال دارد که هر یک در نوع خود متضمن هزینه های جانبی است.
اثرات خارجی این عوامل و سطح اصطکاک آن در جاده ها به مقدار و نوع سوخت مصرفی وفناوری که در کاربرد این مواد انتخاب شده بستگی دارد. امروزه اخذ عوارض در محدوده نواحی پرتراکم جاده ها موجب شده است بخشی از هزینه های فوق تامین شود. گزارش بانک جهانی حاکی از آن است که اعمال این سیستم در بازگرداندن بخشی از هزینه های جانبی در سنگاپور بسیار موثر بوده است.
اخذ مالیات بابت بنزین و سایر سوخت های فسیلی به علت قابلیت آن در کاربردهای مختلف جانشین مناسبی برای کنترل آلوده سازی محیط زیست بشمار می رود. البته علیرغم آنکه مالیات بر بنزین نقش چندان مهمی را نمی تواند در محدود ساختن تراکم اعمال نماید ولی در بسیاری از کشورها تنها ابزاری است که به منظور رعایت کنترل ترافیک بکار برده می شود.
برای ایجاد فرایندی در فرموله کردن قیمت ابتدا لازم است اجزای تشکیل دهنده قیمت به خوبی شناخته شوند و سپس با استفاده از تجربیات جهانی و در نظر گرفتن قوانین، ضوایط قیمت تعیین شود. در مورد سوخت های فسیلی جامعه جهانی تقریبا به رعایت اصول فوق توافق دارد :
هزینه های منابع سوخت در حد قیمت های جهانی تعیین شود
هزینه های خارجی ناشی از مصرف سوخت در کلیه سطوح اعمال شود
هرگونه مالیات و یا عوارض برای مصرف و یا تعدیل مخارج باید بگونه ای تنظیم شود که تغییر در الگوی مصرف را به حداقل برساند.
تاکید دستور العمل فوق این است که هر گاه هزینه های جانبی و مخارج استفاده از تاسیسات زیربنایی حمل و نقل به طور مستقیم تامین نمی شود، مالیات بر سوخت و اخذ هزینه های خارجی می تواند هزینه های مربوط به زیر ساخت های حمل و نقل و برخی از هزینه های محیطی را بپوشاند. هر چند قیمت سوخت یک جانشین خیلی ضعیف برای تامین هزینه های حمل و نقل به شمار می رود ولی در شرایطی که حمل و نقل به طور سیستماتیک در طول روز جریان دارد می تواند به عنوان بهترین جانشین انتخاب شود. به دنبال تمهیدات فوق انتخاب یک روش مناسب برای قیمت گذاری خدمات حمل و نقل با مشکلاتی همراه می باشد زیرا اکثر منازعات بر سر قیمت به تخصیص هزینه های مشترک کل مربوط می شود. بنابراین بهتر است ابتدا یک محاسبه کلی از هزینه های زیر بنایی و همچنین هزینه های خارجی به عمل آورده و سپس در قیمت تعمیم داده شود.
بهترین مثال در چگونگی انجام این امر شامل مطالعاتی است که توسط گرانائو در سال 1994 و وینوبری در سال 1988 در کشورهای غنا، زیمباوه و تونس برای بانک جهانی انجام شده است. در این مطالعات چنین راهکار مناسب برای هزینه یابی و اعمال سیاست های مالیاتی در سیستم قیمت گذاری حمل و نقل نشان داده شده است. اساسی ترین نکته این مطالعات تاکید بر روی هزینه های جانبی است که از طریق تخریب جاده ها و افزایش تراکم توسط وسایل نقلیه سنگین و اتوبوسها ایجاد می شود.اگر چه بخش عمده از این خرابی ها به شرایط جغرافیایی مناطق مربوط می شود ولی نقش عمده وسایل نقلیه سنگین را نمی توان از نظر دور داشت. توصیه لازم در این زمینه این است که اولا هزینه های سرمایه ای در حساب مخارج گنجاند شود ثانیا مالیات سوخت بر حسب مسافت و میزان بارگیری اخذ شود. به طور مثال در برخی از کشورها مالیات سالانه برای وسایط نقلیه سنگین و خودروهای سواری با توجه به نوع خودرو متفاوت می باشد. مقدار مالیات در این شرایط به طور قابل ملاحظه ای به ظرفیت های بارگیری وسایل نقلیه بستگی دارد. این مسئله موجب برطرف شدن تخصیص هزینه های خارجی و توزیع آنها نمی شود ولی تاثیر بسزایی در بهبود آنها ایجاد می کند. الیته باید توجه داشت در انتخاب سیستهای اخذ مالیات و عوارض اولا باید بسیار محتاطانه عمل کرد و از اتخاذ روشهای نا معقول که ممکن است به آشفتگی بازار بینجامد اجتناب نمود، ثانیا افزایش درآمد عاملی برای توسعه دادن عرضه بشمار می رود و از این رو لازم است درآمدهای حاصله از منابع فوق به بهبود ساختار حمل و نقل اختصاص داده شود.
2-5- پیش بینی حجم ترافیکطی دهه اخیر پیشرفت و گسترش شناسگرهای ترافیکی، امکانات جدیدی را برای مدیریت ترافیک و شبکه معابر فراهم کرده است. شناسگرهای ترافیکی در سطح شبکه معابر نصب شده و به صورت لحظه ای پارامترهای ترافیکی را برداشت می کنند. اطلاعات برداشت شده توسط شناسگرها به کمک بستر مخابراطی به مرکز کنترل ترافیک – مرکز شهری و یا جاده ای – منتقل می شوند. یکی از وظایف مرکز کنترل ترافیک استفاده بهنگام از این اطلاعات برای مدیریت ترافیک است. مدل پیش بینی حجم ترافیک در کوتاه مدت یکی از بخش هایی است که از این اطلاعات استفاده می کند. این مدل با بکارگیری اطلاعات شناسگرهای ترافیکی هر معبر، حجم عبوری از یک معبر در لحظات پیش رو را پیش بینی می کند. از این اطلاعات برای مدیریت پیشگیرانه ترافیک استفاده می شود (افندی زاده، کیانفر،1387).
مدل های مرسوم پیش بینی، مقدار حجم ترافیک را برای سال های آینده و یا برای سناریوهای مختلف پیش بینی می کنند. این پیش بینی با استفاده از مدل های آینده و یا برای سناریوهای مختلف پیش بینی می کنند. این پیش بینی با استفاده از مدل های چهار مرحله ای و یا مدل های مستقیم انجام می شود. نتایج حاصل از این پیش بینی در حوزه برنامه ریزی حمل و نقل بکار گرفته می شود.
شبکه های عصبی از اجزای هوش مصنوعی هستند که در حوزه های کاربردی مختلف با موفقیت استفاده شده اند. یکی از روش پیشنهادی در اینجا، بکارگیری تکنیک های هوش مصنوعی می باشد.در ادامه از روش آماری رگراسیون جهت پیش بینی حجم تردد استفاده گردیده است و در انتها به مقایسه دو روش می پردازیم.
2-6- کلیات شبکههای عصبی مصنوعی تفاوت انسان با سایر موجودات زنده دیگر در توانایی تصمیمگیری و اراده اوست که به ساختار پیچیده مغز و سلسله اعصاب او بر می گردد. از دیرباز دانشمندان و محققین زیادی علاقمند به شناخت ساختمان مغز انسان و چگونگی انجام محاسبات و پردازشها در آن بودهاند آنچه باعث توجه گسترده به این موضوع شده اموری است که مغز آنها را در کسری از ثانیه انجام میدهد (مثل شناسایی چهره آشنا) در حالی که رایانههای دیجیتال برای انجام آنها نیاز به زمان زیادی دارند، بنابراین مغز برای محاسبات خود اساسا از ساختاری کاملا مغایر با ساختار رایانههای متداول برخوردار میباشد.
احساس نیاز بشر برای دستیابی به هوش مصنوعی به منظور نزدیکتر کردن ارتباط انسان و ماشین و دستیابی به ماشینهای هوشمندی که بتواند از عهده وظایف پیچیدهتر برآیند انگیزه اصلی تحقیقات گسترده بر روی سیستم عصبی انسان و دیگر موجودات زنده و تلاش در جهت شبیهسازی مصنوعی آن بوده است. شبکه عصبی مصنوعی (ANN)  ایدهای است برای پردازش اطلاعات که از سیستم عصبی زیستی الهام گرفته شده و مانند مغز به پردازش اطلاعات میپردازد . عنصر کلیدی این ایده ، ساختار جدید سیستم پردازش اطلاعات است.
2-7- نرون بیولوژیکی
همانطورکه گفته شد شبکههای عصبی مصنوعی الهام گرفته از سیستمهای بیولوژیکی هستند. اما اختلافهای عمدهای بین معماری و قابلیت شبکههای عصبی مصنوعی و طبیعی وجود دارد.
مغز انسان به عنوان یک سیستم پردزاش اطلاعاتی با ساختار موازی از 100 تریلیون (1011) نرونهای به هم مرتبط با تعداد کل (1016) ارتباط میباشد که این نرونها از طریق شبکهای از آکسونها و سیناپسها با چگالی تقریبی10 هزار سیناپس در هر نرون ، با هم ارتباط دارند.
محیط عملکرد این نرونها یک محیط شیمیایی است. گیرندههای حسی تحریکات را هم از محیط و هم از داخل بدن دریافت میکند. این تحریکات که به صورت ایمپالسهای الکتریکی هستند اطلاعات را به شبکه نرون ها وارد میکنند. سیستم عصبی مرکزی، اطلاعات دریافتی را پردازش میکند و با کنترل انگیزندهها پاسخ انسان را به صورتهای مختلف بروز میکند.

شکل 2-6: اجزای اصلی یک شبکه عصبی بیولوژیکسلول عصبی یا نرون که عنصر اساسی شبکه عصبی است در شکل 2-6 نشان داده شده است اجزا این سلول عبارتند از : بدنه سلول ، اکسون ، دندریت ، سیناپس
2-8- شبکههای عصبی مصنوعیشبکههای عصبی، نظیر انسانها، با مثال یاد میگیرند . یک ANN برای انجام وظیفههای مشخص، مانند شناسایی الگوها و دستهبندی اطلاعات، در طول یک پروسه یادگیری، تنظیم میشود . در سیستمهای زیستی یادگیری با تنظیماتی در اتصالات سیناپسی که بین اعصاب قرار دارد همراه است. این روش آموزش ANN ها نیز میباشد.
در این قسمت شبکههای عصبی را بر اساس ساختار شبکههای عصبی بیولوژیکی که مطرح شد معرفی میکنیم. اما قبل از آن شباهتهای بین این دو شبکه را عنوان میکنیم.
بلوکهای ساختاری در هر شبکه دستگاههای محاسباتی خیلی سادهای هستند و مضاف بر این نرونهای مصنوعی از سادگی بیشتری برخوردار میباشند.
ارتباطات بین نرونها عملکرد شبکه را تعیین میکند.
اما با وجود اینکه نرونهای بیولوژیکی از نرونهای مصنوعی که توسط مدارات الکتریکی ساخته میشوند بسیار کندتر هستند (یک میلیون بار)، عملکرد مغز خیلی سریعتر از عملکرد یک رایانه معمولی است. علت این پدیده بیشتر به دلیل ساختار کاملا موازی نرونها میباشد و این یعنی اینکه همه نرونها معمولا به طور همزمان کار میکنند و پاسخ میدهند از آنجائی که شبکههای عصبی مصنوعی هم دارای ساختار موازی هستند اما توسط رایانههای سری پیادهسازی میشوند و این مسأله باعث افت سرعت شدید در این شبکهها میشود.
با وجود این که شبکههای عصبی مصنوعی با سیستم عصبی طبیعی قابل مقایسه نیستند ویژگیهایی دارند که آنها را در بعضی از کاربردها مانند تفکیک الگو ، رباتیک ، کنترل و به طور کلی در هر جا که نیاز به یادگیری یک نگاشت خطی یا غیر خطی باشد ممتاز مینمایند. این ویژگی ها به شرح زیر هستند:
قابلیت یادگیری: استخراج نتایج تحلیلی از نگاشت غیر خطی که با چند مثال مشخص شده کار ساهای نیست. چون میدانیم که یک نرون یک دستگاه غیر خطی است در نتیجه یک شبکه عصبی که از اجتماع این نرونها تشکیل میشود هم یک سیستم کاملا پیچیده و غیرخطی خواهد بود. به علاوه خاصیت غیرخطی عناصر پردازش در کل شبکه توزیع می گردد هنگام پیاده سازی این نتایج با یک الگوریتم معمولی وبدون قابلیت یادگیری نیاز به دقت و مراقبت زیادی دارد درچنین حالتی سیستمی که بتواند خود این رابطه را استخراج کند بسیار سودمند به نظر میرسد . خصوصاً اینکه افزودن مثالهای اجتماعی در آینده به یک سیستم با قابلیت یادگیری، به مراتب آسانتر از انجام آن در یک سیستم بدون چنین قابلیتی است.
قابلیت یادگیری یعنی توانایی تنظیم پارمترهای شبکه (وزنهای سیناپتیکی) در مسیر زمان که محیط شبکه تغییر میکند و شبکه شرایط جدید را تجربه میکند، با این هدف که اگر شبکه برای یک وضعیت خاص آموزش دید و تغییر کوچکی در شریط محیطی شبکه رخ داد، شبکه بتواند با آموزش مختصر برای شریط جدید نیز کارآمد باشد. دیگر اینکه اطلاعات در شبکههای عصبی در سیناپسها ذخیره و هر نرون در شبکه، به صورت بالقوه ازکل فعالیت سایر نرونها متأثر میشود. در نتیجه، اطلاعات از نوع مجزا از هم نبوده، بلکه متأثر از کل شبکه میباشد.

user8307

شکل 2-10: فرم ساده شده نرون با R ورودی ................................................................................... 37
شکل 2-11: شبکه تک لایه با S نرون ................................................................................................ 38
شکل 2-12: شبکه پیشخور سه لایه ................................................................................................ 39
شکل 2-13: نرون شبکه پرسپترون .................................................................................................. 40
شکل 2-14: بلوک تاخیر زمانی .......................................................................................................... 41
شکل 2-15: شبکه تک لایه برگشتی .................................................................................................41
شکل 4-1 : نمودار سرعت بر حسب تراکم ........................................................................................ 79
شکل 4-2 : نمودار سرعت بر حسب جریان ...................................................................................... 80
شکل 4-3 : نمودار زمان سفر بر حسی تقاضا ....................................................................................82
شکل 4-4 : نمودار تقاضا بر حسب عرضه ......................................................................................... 89
عنوان صفحه
شکل 4-5: نمودار هزینه متوسط و جانبی ....................................................................................... 92
شکل 4-6 : جریان ترافیک در چند روز مختلف در طول شبانه روز ............................................... 96
شکل 4-7 : نحوه ارتباط سرعت، جریان و چگالی در توابع جریان ترافیک ................................... 100
شکل 4-8 : نمونه جریان ترافیک در بزرگراه ها .............................................................................. 101
شکل 4-9 : نمودار سرعت – تقاضا در مدل ویکری ........................................................................ 103
شکل 4-10 : نمودار هزینه حاشیه ای و هزینه تراکم ....................................................................... 104
شکل 4-11 : ساختار مدل پیشنهادی برای پیش بینی جریان ترافیک .......................................... 117
شکل 4-12 مراحل ساخت مدل پیش بینی حجم ترافیک ............................................................. 118
شکل 4-13: رگرسیون خطی ساده .................................................................................................. 121
شکل 5-1: انواع هزینه های حمل و نقل .......................................................................................... 131
شکل 5-2 : نمودار ترافیک عبوری خودروها را در بازه زمانی یک ساعت .....................................137
شکل 5-3 : نمودار ترافیک عبوری خودروها ...................................................................................137
شکل 5-4 : نمودار مبلغ تراکم در ساعت های مختلف ....................................................................139
شکل 5-5: ارتباط مابین تقاضا، عرضه و حجم ترافیک ...................................................................139
شکل 5-6: مدل چهار مرحلهای برنامه ریزی حمل ونقل ............................................................... 140
شکل 5-7 : خروجی Train شبکه عصبی ........................................................................................144
شکل 5-8: خروجی مربوط به اعتبار سنجی شبکه عصبی .............................................................144
شکل 5-9 : خروجی مربوط به آزمایش شبکه عصبی ......................................................................145
شکل 5-10: تعداد epochهای مورد استفاده توسط الگوریتم یادگیری شبکه .............................145
شکل5-11 : مقایسه خروجی شبکه عصبی با اطلاعات موجود ........................................................146
شکل5-12 : مقایسه خروجی مدل رگرسیون با اطلاعات موجود ....................................................151

فهرست نشانه های اختصاری
TDNN = Time delay neural network
BOT = Build-operate-transfer
PCI = Pavement Condition Index
PSI = Present Serviceability Index
MLF = Multi-layer feed forward
TTI = Texas Transportation Institute
BPR = Bureau of Public Roads
VOTT = Value of Travel Time
HCM = Highway Capacity Manual
BP = Back Propagation
فصل اول
مقدمه و طرح مسئله
1- مقدمه1-1- مقدمهبخش حمل ونقل نیز به عنوان یکی شاهرگ اصلی اقتصاد، نقش بسزایی در شکوفایی و توسعه جامعه ایفا می کند. در کشور ما تاکنون این بخش نتوانسته به جایگاه واقعی خود دست یابد. شاید به جرأت بتوان گفت که امروزه ملاک توسعه یافتگی کشورها پس از صنعت، مربوط به توسعه ارتباطات ریلی، جاده ای، هوایی و دریایی است. بنابراین حمل و نقل را می توان به شریانی تشبیه کرد که موجب پویایی و شکوفایی اقتصاد کشورها می شود.
اگر امروز در جهان از خدمات حمل ونقل تحت عنوان صنعت یاد می شود بخاطر گستردگی و اهمیت این خدمات به عنوان حلقه اتصال صنایع با یکدیگر و عامل ارتباط میان بازارهای تولید و مصرف است . بدین خاطر است که بین نظام حمل ونقل و فرآیند توسعه اقتصادی و اجتماعی جوامع همبستگی شدیدی وجود دارد و اقتصاد دانان، صنعت حمل ونقل را به عنوان نیروی محرکه توسعه می دانند و کارآمدی و توانمندی آن را زمینه ساز توسعه پایدار می شناسند. لذا چنانچه این بخش از اقتصاد، مورد بی مهری و بی توجهی برنامه ریزان اقتصادی قرار گیرد یا به دلیل سیاستگذاری های نامناسب کارایی لازم را نداشته باشد، خواسته یا ناخواسته اقتصاد کشورها را با مشکلات جدی مواجه خواهد کرد.
کشور ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی و دسترسی به آبهای آزاد، از موقعیت ویژه ای در حمل ونقل منطقه برخوردار است. اینکه ایران موقعیت طلایی برای ترانزیت و عبور کالا را دارد بر کسی پوشیده نیست ولی متأسفانه طی دهه اخیر، علیرغم گنجاندن این مهم در راهبردهای اقتصادی و برنامه های توسعه کشور، عملاً شاهد تحقق بهره برداری از این پتانسیل نبوده ایم. یکی از مهم ترین عوامل زیربنایی برای توسعه هر کشوری، وجود یک شبکه کارا و مناسب جهت رفع نیازهای حمل ونقلی آن است. بطور کلی حمل ونقل به جهت رفع نیازهای مختلف اقتصادی، اجتماعی و دسترسی صورت می گیرد و تقاضای آن ناشی از تقاضا برای سایر بخش ها است (صفارزاده،هدایتی،1378).
بین صنعت حمل ونقل و سایر بخش های صنعتی از منظر اقتصاد تفاوت هایی وجود دارد . فعالیت های حمل ونقل دارای هزینه ثابت بسیار بالا هستند که بیشتر صرف زیرساخت های حمل ونقل می شود و برای ساخت زیرساخت های حمل ونقل نیاز به سرمایه گذاری بلند مدت است. این دو خصیصه از جمله ویژگی های بارزی هستند که حمل ونقل را از نظر اقتصادی، از دیگر صنایع جدا می کند. بر همین اساس تامین منابع مالی و جذب سرمایه گذاری در این بخش در مقایسه با دیگر بخش های اقتصادی با مشکلات بیشتری همراه است.
حمل ونقل جاده ای به دلیل خصوصیات ویژه ای که داراست (از جمله انعطاف پذیری در انتخاب مسیر، میزان بار، زمان سفر، دسترسی به نقاط مختلف، عدم نیاز به تجهیزات بارگیری و تخلیه) به عنوان متداول ترین شیوه حمل ونقل در کشورهای مختلف محسوب می شود. در ایران نیز علاوه بر ویژگی های خاص حمل ونقل جاده ای، موقعیت ویژه جغرافیایی، عدم پوشش گسترده شبکه ریلی در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفی حمل ونقل جاده ای همچون مسائل زیست محیطی، سبب گشته تا درصد بسیار بالایی از حمل ونقل کالا و مسافر توسط این زیربخش صورت گیرد، بطوریکه هم اکنون بیش از 90 % کل حمل بار و مسافر در کشور توسط جاده انجام می شود(سازمان راهداری و حمل و نقل جاده ای، 1383).
در حالیکه فعالیت های حمل و نقل بیش از 9% از تولید ناخالص ملی کشور را در بر می گیرد و در حدود 5/7 میلیون نفر از شاغلان کشور در این حوزه فعالیت می کنند و همچنین بر اساس برآوردهای کارشناسان در صورتی که تمام فعالیتهای مستقیم و غیر مستقیم حمل ونقل به حساب این بخش منظور شود، ارزش افزوده آن بالغ بر 20 % از تولید ناخالص داخلی را تشکیل خواهد داد (سایت اینترنتی بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران، 1389).
ضرورت توجه به حمل ونقل در کشور دو چندان نمایان می شود. در برنامه چهارم توسعه و در ماده 28 آن بطور مشخص اقداماتی در این خصوص پیش بینی شده است که بر اساس آن دولت موظف شده است اقداماتی را به منظور تقویت اقتصاد حمل و نقل، بهره برداری مناسب از موقعیت جغرافیایی کشور، افزایش ایمنی و سهولت حمل ونقل بار و مسافر انجام دهد.
علاوه بر این موارد، افزایش جمعیت، روند رو به رشد اقتصاد کشور و گذر از درحال توسعه به توسعه یافته و استعداد ترانزیت بین المللی، لزوم توسعه و ساخت هر چه بیشتر زیرساخت های حمل ونقل را بیشتر نمایان می کند. اما محدودیت منابع مالی و سرمایه، اکثر کشورهای جهان و ازجمله ایران را به فکر یافتن راه حلی جهت تامین سرمایه مورد نیاز توسعه زیرساخت های حمل ونقل انداخته است . کشورهای مختلف خط مشی های متنوعی برای تامین سرمایه در پروژه های راهسازی در پیش گرفته اند. از روش های متداول اتخاذ شده از سوی دولت ها می توان به وضع مالیات بر سوخت و سایر کالاهای مرتبط با حمل ونقل، مالیات بر خودرو و دریافت عوارض از رانندگان وسایل نقلیه اشاره نمود. معمولاً هزینه های دوره بهره برداری زیربناها نیز از محل اخذ عوارض از کاربران راهها تامین می شود (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
در دهه های 80 و 90 میلادی، در سطح دنیا تمایل بسوی ساخت زیربناهای حمل ونقل با مشارکت بخش غیردولتی به جای زیربناهایی عمومی و رایگان صددرصد دولتی، بسیار افزایش یافت . ساخت و توسعه راهها از طریق مشارکت بخش غیردولتی به دلیل استحصال فواید و نتایج مطلوبی همچون کمک به جبران کمبود بودجه عمومی جهت ساخت و نگهداری راهها، پاسخگویی به رشد تقاضا و نیز ارتقا کیفیت و مطلوبیت خدمات حمل ونقل فراگیر شده است. همچنین قیمت گذاری راهها به عنوان فرآیندی مناسب جهت بازگشت سرمایه و هزینه های مدیریت و نگهداری راهها، از سوی کشورها پذیرفته شده و در بیشتر آنها به اجرا درآمده است (Heggie,1995).
بنابراین باید اذعان داشت که امروزه قیمت گذاری راهها به یکی از اولویت های کاری در رئوس سیاست های حمل ونقل در سراسر جهان تبدیل شده است . بیشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنین سیاست مداران متقاعد شده اند که قیمت گذاری راه، و هزینه های جانبی مربوط به آنها، راهکار مؤثری برای کسب و جذب منابع مالی جهت توسعه و بهبود سیستم های حمل ونقل و همچنین مدیریت تقاضا و کنترل ازدحام روی راهها است.
در مجموع با بررسی اجمالی وضعیت خدمات راهسازی و راهداری در ایران می توان گفت: کشور ایران از نظر توسعه زیرساخت ها و بهبود شبکه راههای خود دارای نیاز زیادی است. تامین منابع مالی و سرمایه از مشکلات اصلی کنونی برای رفع نیازهای زیرساختی است. همچنین در صورت عدم ایجاد فضای منطقی و هدفمند برای ساخت آزادراهها با مشارکت بخش غیردولتی، مشکلات تقاضای برآورده نشده دوچندان شده و آثار نامناسبی بر اقتصاد خواهد گذاشت. علاوه براین، در صورتیکه حتی بخش غیر دولتی نیز به مشارکت بخش دولتی بیاید اما ساز و کار مناسب برای بازگشت سرمایه به سرمایه گذاران در نظر گرفته نشود، مشکلات بیشتری به دولت و سیستم حمل ونقل وارد شده و بار مالی زیادی به بودجه عمومی وارد می شود.
قیمت گذاری راه مفهوم جدیدی نیست. عوارض روی جاده ها و پلها از اواخر قرن هیجدهم یعنی سال 1790 میلادی در آمریکا رایج بوده است. این دوران با شکوفایی اقتصاد آمریکا مقارن بود . در آن موقع حمل ونقل بهتر به معنی آزادراههای بهتر بود. ایالت ها و دولت های محلی بودجه و منابع مالی محدودی در اختیار داشتند که پاسخگوی نیازهای حمل ونقل نبود . بهمین دلیل آزادراههای خصوصی با فاینانس شرکت های سهامی احداث شد و سهام آن در بازارهای بورس معامله می شد. صاحبان سهام از محل دریافت عوارض و مالیات های بزرگراهها، سود سهام خود را دریافت می کردند (Durenberger,1981).
به این طریق راههای خصوصی و سیستم عوارضی در این راهها تا اواسط قرن نوزدهم ادامه داشت و در آن سا لها به اوج خود رسید. توسعه ریل رقابت شدیدی را بین ریل و جاده به وجود آورد که منجر به کم رنگ شدن اهمیت جاده شد. در نتیجه بیشتر بزرگراهها یا به دولت واگذار شدند یا به صورت نیمه دولتی درآمدند. از آن زمان یعنی اواسط قرن نوزدهم تا اواسط قرن بیستم مردم آمریکا رغبت چندانی به قیمت گذاری راهها نشان داده و با آن مخالفت ورزیده اند . از اوایل سال های 1960 سیستم عوارض سنتی برچیده شد و بجای آن سیستم پرداخت فوری جایگزین شد و در دهه های60، 70 و 80 میلادی مورد استفاده قرار گرفت (پژوهشکده حمل و نقل، 1389).
در کشور انگلیس از سال 1964 تاکنون با هدف کم کردن بار ترافیکی راهها و کمک به تامین اعتبارات برای ساخت و توسعه راهها، استراتژی های مختلفی برای قیمت گذاری راهها اجرا شده است. از سال 2003 به بعد در شهر لندن سیاست های سخت گیرانه تر و همراه با نرخ های بالاتر با هدف کاهش هرچه بشتر بارترافیک اعمال شده است.
یکی از موفق ترین تجربه های قیمت گذاری راهها را کشورهای هنگ کنگ(Ison, Rye,2005) و سنگاپور(Goh,2002) از اواسط دهه 70 میلادی تا کنون داشته اند. هنگ کنگ در خلال سال های 80 و 90 میلادی علیرغم رشد جمعیت و تقاضای حمل و نقل توانست 20 % از بارترافیکی درون پایتخت بکاهد. همچنین سنگاپور نیز در مدیریت ترافیک توفیق زیادی داشته و دو دهه است اخذ الکترونیکی عوارض را تجربه می کند.
در کشور نروژ از سال 1930 تا 1980 5% کل بودجه ساخت و توسعه زیرساخت های حمل ونقل از ، محل قیمت گذاری راهها تامین شده است . اما در دو دهه 80 و 90 میلادی تحولات زیادی در سیستم قیمت گذاری راهها به وجود آمد و در نتیجه 26 % کل بودجه ساخت زیربناهای حمل ونقل کشور نروژ در دو دهه مذکور از محل قیمت گذاری راهها تامین گردید. در سال 1997 تعداد پروژه های راهسازی با استفاده از درآمد های حاصل از قیمت گذاری راهها به 30 پروژه رسید(Odeck, Bråthen,1997).
در کشور ایران تا کنون قیمت گذاری سیستماتیک و جامعی روی شبکه راههای کشور انجام نشده است و تنها در چند آزادراه کشور سیستم اخذ عوارض سنتی وجود دارد که البته بیشتر درآمدهای آن صرف پوشش هزینه های ساخت آزادراههای مذکور می شود. در واقع این آزادراهها با سرمایه بخش خصوصی یا بانک ها ساخته شده و در قالب قراردادهای ساخت-عملیات-واگذاری احداث شده اند و تا دوره ی مشخصی با نظارت دولت مجازند کابران این راهها را شارژ کنند.
بطور کلی در بیشتر کشورهای دنیا در سه دهه اخیر، قیمت گذاری راهها به عنوان منبعی مکمل جهت تامین اعتبارات و منابع مالی بخش حمل ونقل، همچنین مشوقی جهت همکاری و تعامل توأم بخش خصوصی و دولتی برای ساخت و توسعه راههای جدید، مدیریت تقاضا و کنترل ترافیک روی شبکه راهها، مورد نگاهی ویژه قرار گرفته است(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
1-2- اهداف قیمت گذاری راههااهدافی زیادی برای قیمت گذاری راهها ذکر شده است. در اینجا به ۴ هدف اشاره می شود که در زیرآمده اند.
1. از مشهورترین و مهمترین اهداف قیمت گذاری راهها، هدف مالی و سرمای های است.قیمت گذاری راهها به عنوان منبعی برای کسب درآمد جهت بهسازی و توسعه زیر ساخت های حمل ونقل عمل می کند. شکاف موجود بین نیازهای زیرساختی حمل ونقل و درآمدهای موجود یکی از محرک های اصلی قیمت گذاری است. جمع آوری منابع مالی از این طریق برای پوشش دادن و جبران هزینه های ساخت راه، توسعه راههای فعلی و ساخت زیرساخت های جدید حمل ونقل صورت می گیرد. در بیشتر کشورهای دنیا بخش زیادی از این منابع از محل مالیات بر سوخت، مالیات بر وسائل نقلیه تامین می گردد. با توجه به تحولات تکنولوژیکی و ورود وسائل نقلیه با سوخت های نوین مانند باطری های خورشیدی، پیل های سوختی و امثالهم، که جایگزین وسایل با سوخت فسیلی می شوند ، انتظار می رود بخش حمل ونقل با کاهش مالیات بر سوخت و در نتیجه کاهش منابع مالی مواجه شود. لذا اهمیت قیمت گذاری راهها به عنوان محلی برای تامین منابع مالی مذکور بیشتر می شود . البته به دلیل اینکه در کشور ایران مالیات بر سوخت گرفته نمی شود، این نگرانی بدین صورت برای کشور ما وجود ندارد؛ بلکه بیشتر کمبود منابع مالی برای ساخت و توسعه شبکه راهها دغدغه اصلی محسوب میشود. قابل ذکر است این هدف بیشتر در قیمت گذاری راههای بین شهری در کشور ما و نیز دیگر کشورها دنبال میشود. (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
2. هدف دوم ارائه مکانیزمی برای مدیریت تقاضای حمل ونقل است. با تغییر تعرفه ها در طول شبانه روز (که گاهی قیمت گذاری تراکم یا قیمت گذاری ارزش نامیده می شود ) استفاده کنندگان بگونه ای ترغیب می شوند که در طول ساعات شلوغ و پرتردد از سفر پرهیز کنند و سفرهای خود را در ساعات کم تردد انجام دهند. بدین طریق جریان ترافیک تعدیل شده و تقاضای سفر بگونه ای در طول ساعات روز توزیع می شود که کمتر بار ترافیکی شدید به وجود آید. علاوه بر توزیع تقاضا در ساعات مختلف، با تقسیم شبکه راهها به بخش های مختلف و تخصیص تعرفه های متفاوت به هر کدام به توزیع مناسب تقاضا روی کل شبکه پرداخته و از ترافیک شدید جلوگیری می کنند. طبیعی است با کاهش ترافیک، شاخص دسترسی پذیری افزایش یافته و کارایی حمل ونقل بهبود می یابد(May,1992). البته این هدف، بیشتر در مناطق شهری و درون شهرها مدنظر قرار می گیرد. امروزه در بیشتر شهرهای بزرگ و شلوغ دنیا از جمله شهر تهران این هدف دنبال می شود.
3. هدف سوم کاهش آثار زیان آور زیست محیطی است. معمولاً فعالیت های حمل ونقل اعم ازاحداث راهها و حرکت وسایل نقلیه، موجب وارد شدن آسیب هایی به محیط زیست می شو ند. هزینه های محیط زیستی مربوط به زیرساخت های حمل و نقل، شامل مواردی چون تصرف زمین و اراضی، تغییر مناظر و زیباییهای طبیعی، تخریب زیست گاههای وحوش، آسیب رسانی به منابع و ذخایر زمینی، آلاینده های جوی و غیره است(بیضایی،1382). لذا قیمت گذاری بگونه ای انجام می شود که بخشی از قیمت صرف جبران خسارات وارده به محیط زیست شود.
4. هدف چهارم که بیشتر در مناطق خارج از شهر و روستایی دنبال می شود، شارژ مستقیم کسانی است که از راهها، استفاده های مخاطره آمیز می کنند. مثلاً، ادوات سنگین کشاورزی و عمرانی، ممکن است سبب وارد کردن خساراتی به راهها شوند. تصادفات جاده ای نیز به دلیل تحمیل هزینه به اجتماع و البته بخش حمل ونقل، می تواند شامل این مورد باشد که در این صورت، شرکت های بیمه ای باید هزینه ها و عوارض مربوطه را بپردازند . علاوه بر این موارد، استفاده از وسایل غیراستاندارد و فرسوده که بیش از وسایل استاندارد به راهها آسیب می رسانند، مشمول این نوع قیمت گذاری می شوند. در کشور ایران، فرسود گی زیاد ناوگان حمل ونقل از جمله عوامل فرساینده راه بشمار رفته و اصولاً این دسته از وسایل حمل ونقل باید قیمت بیشتری را بابت استفاده ار راهها بپردازند. پیگیری این هدف می تواند به بهبودی وضع ناوگان و کاهش فرسودگی کمک کند(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
برحسب اهداف در نظر گرفته شده برای قیمت گذاری راهها، استراتژی های قیمت گذاری نیز متفاوت خواهد بود. بطور مثال، قیمت گذاری در شهرهای کشورهای سنگاپور و هنگ کنگ بیشتر با هدف کاهش تراکم و مدیریت تقاضا است (Olszewski, Xie,2005) و در شهر لندن این کار بیشتر با هدف کاهش آلودگی های زیست محیطی و البته کاهش تراکم صورت می گیرد(Mitchell,2005) در حالیکه در کشور نروژ قیمت گذاری راه با هدف اصلی ساخت و توسعه شبکه راهها انجام می شود(Odeck, Bråthen,2002). در حوزه فعالیت وزارت راه و ترابری در کشور ایران، قیمت گذاری راهها، بیش از آنکه برای کاهش بار ترافیکی مورد نظر باشد، با هدف ساخت و توسعه شبکه راهها و جبران هزینه های ساخت راههای موجود، انجام می گیرد.
1-3- جمع بندی و نتیجه گیریحمل ونقل جاده ای به دلیل خصوصیات ویژه ای که داراست (از جمله انعطاف پذیری در انتخاب مسیر، میزان بار، زمان سفر، دسترسی به نقاط مختلف، عدم نیاز به تجهیزات بارگیری و تخلیه) به عنوان متداول ترین شیوه حمل ونقل در کشورهای مختلف محسوب می شود. در ایران نیز علاوه بر ویژگی های خاص حمل ونقل جاده ای، موقعیت ویژه جغرافیایی، عدم پوشش گسترده شبکه ریلی در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفی حمل ونقل جاده ای همچون مسائل زیست محیطی، سبب گشته تا درصد بسیار بالایی از حمل ونقل کالا و مسافر توسط این زیربخش صورت گیرد. بنابراین باید اذعان داشت که امروزه قیمت گذاری راهها به یکی از اولویت های کاری در رئوس سیاست های حمل ونقل در سراسر جهان تبدیل شده است . بیشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنین سیاست مداران متقاعد شده اند که قیمت گذاری راه، و هزینه های جانبی مربوط به آنها، راهکار مؤثری برای کسب و جذب منابع مالی جهت توسعه و بهبود سیستم های حمل ونقل و همچنین مدیریت تقاضا و کنترل ازدحام روی راهها است.

فصل دوم
مبانی نظری
2- مبانی نظری تحقیق2-1- مقدمهحمل و نقل یا جابجایی انسان و کالا از نقطه ای به نقطه دیگر، از جمله خصایص ذاتی و کهن ماندگار انسان ها است. در جوامع ابتدایی به فرم معیشتی نیز، حرکت جزو اساسی ترین الزامات روزانه به شمار می رود و برای تولطد و یا جابجایی هر محصول غیر اقتصادی لازم است حجم معینی از حرکات از محل تولید تا مصرف صورت پذیرد تا کالای مورد نیاز به مصرف کننده برسد.
چنین فرایندی از حرکت از حرکت در یک جامعه توسعه یافته مبادلاتی، ابعاد وسیع تری دارد و اشکال مختلفی از حرکت و جابجایی را پدید می آورد. بنابراین حرکت و جابجایی یکی از عمده الزامات انسانی است که نتایج اقتصادی به دنبال دارد. در علم اقتصاد، مجموعه خدماتی که سبب انتقال و جابجایی منابع تولید می گردد دارای ارزش اقتصادی است و بخشی از جریان تولید محسوب می شود. از این رو حمل و نقل از جمله ضروریات اقتصادی است و تقاضا برای حمل و نقل مشتق از سایر فعالیت های اقتصادی و اجتماعی است و لذا محصول حمل و نقل در عین حال که یک تولید پیچیده و مرکب است، تابع تغییرات تقاضا در نقاط و یا بخش های دیگر اقتصاد نیز می باشد(محمودی،1389)
حمل و نقل به گونه سایر فعالیت های اقتصادی بدون هزینه نیست و حرکت در ابعاد فضایی، همانند هر تولید دیگری دارای هزینه می باشد. تفاوت های ساختاری در عملکرد هزینه های انواع مختلف حمل و نقل میدان کاربری وسیعی را برای برنامه ریزی حمل و نقل فراهم می آورد.
روند توسعه در افزایش تسهیلات حمل و نقل جهانی مبین یک روند فزاینده در تقاضا برای سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل می باشد و به همین دلیل است که سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل اهمیت یافته و جزو لاینفک برنامه های توسعه ملی گردیده است. در بسیاری از کشورهای توسعه یافته تامین مالی حمل و نقل بخصوص از این جهت اهمیت دارد که حمل و نقل بزرگترین جزء سرمایه گذاری این کشورها را تشکیل می دهد.
به دلیل بالا بودن هزینه های اجرایی طرح های زیر بنایی حمل و نقل و همچنین به خاطر مسئولیت های مالی دولت ها و ضرورت های توزیع در سطح ملی لازم است دولت ها به سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل توجه عمده ای مبذول دارند.
2-2- هزینه های حمل ونقلعملکردهای زیانبخش فاصله و محدود ساختن ابعاد حرکت در واقع ناشی از هزینه های حرکت است که بر اثر غلبه بر فاصله به وجود می آید. زیرا عملا هر مصرف کننده ای در حرکت بسوی گردآوری منابع مورد نیاز و یا بمنظور مبادله مقداری از درآمد خود با کالا و خدمات، ضرورتا مقادیر مشخصی از منابع کمیاب (پول، وقت و انرژی فیزیکی ) را به مصرف می رساند تا هزینه مسافت را از میان بردارد. بنابراین وقتی از موانع ناشی از مسافت و سنجش آن با واحدهای پولی صحبت می کنیم، در واقع اشاره به عملکرد خدمات حمل و نقل در غلبه بر مسافت و ساخت هزینه های حرکت و بهای مربوط به آن است که بر پایه ذخایر مالی قرار دارد.
ولی روند غلبه بر هزینه های مسافت همیشه بر اساس مبادلات پولی استوار نیست. مثلا قدم زدن تا فروشگاه برای خرید کالای مورد نیاز، پرداخت هزینه ای را شامل می شود که صرفا جنبه فعالیت بدنی داشته و می توان آنرا از طریق محاسبه واحد کالری مصرفی اندازه گیری نمود. در حالی که استفاده از وسایل ارتباطی محتاج مبادله پولی است و روند چنین مبادله ای بر اساس میزان سرمایه گذاری، نوع خدمات و هزینه های ناشی از آن بسیار متنوع است.
از این رو، برای تجزیه و تحلیل هزینه های حمل و نقل ضرورتا باید شناخت وسیعی از ماهیت هزینه های حمل و نقل داشت.حمل و نقل نوع ویژه ای از تولید است که بر خلاف اصول جاری در تولید کالاهای اقتصادی، در یک نقطه مشخص مکانی مستقر نیست ، بلکه عوامل تولید در چنین شیوه ای در طول یک خط معین و یا در امتداد مسیرهای مختلف ترکیب یافته وشکل می گیرند. بنابراین، از لحاظ اقتصادی، ساخت موقعیتی حمل و نقل با موضوعات مورد مطالعه در سایر فعالیت های اساسی دارد. این وضع زاییده اختلاف های بنیادی بین اهمیت و نقش تولیدی خطوط و گذرگاه ها در مقایسه با سایر فعالیت های اقتصادی است که خود مسائل ویژه ای را در موقعیت مکانی پدیده های تولید مطرح می کند. اهمیت بنادر، ایستگاه های راه آهن و سایر ترمینال ها به عنوان کانون فعالیت های حمل و نقل در واقع نتیجه مستقیم ارتباط های زنجیره ای این نقاط با پاره ای از نقاط دیگر است که هرگز به تنهایی حاوی ارزش های اقتصادی بالقوه ای نیستند. ارزش و اعتبار چنین مراکزی یا بر اساس شاخص هایی مانند تعداد مسافران و وزن کالاهای حمل شده و درآمدهای حاصله از آن تعیین می شود و یا ارزیابی آن ها بر پایه معیارهای فیزیکی دیگری قرار دارد. در هر حال، وسایل حمل و نقل و موسسات مربوط به آن عملا کالاهایی را عرضه نمی کنند و درآمد آن ها ناشی از خدماتی است که در مقطع زمانی و مکانی مشخصی ارائه شده است(محمودی،1389).
در هندسه فرض بر این است که هر خطی از به هم پیوستن بی انقطاع مجموعه ای از نقاط هندسی تشکیل می شود که عملکرد هر یک از نقاط مفروض در ساخت این خط برابر و یکسان است. خطوط ارتباطی را از بسیاری جهات همانند عملکرد نقاط در تشکیل خط می توان فرض کرد و ثابت کرد که تولید در طول چنین خطوطی و بر سر هر نقطه ای می تواند احتمال وقوع داشته باشد. بنابراین، سهمی که هر یک از این نقاط در حرکت دادن مسافر . کالا دارند از طریق محاسبه ای ساده (نرخ کالا هنگام صدور از مبدا منهای ارزش آن در زمان ورود به مقصد) می توان تعیین کرد. ولی کیفیت این گونه استدلال ها انسان را متقاعد می سازد که این نوع محاسبات تقریبا غیر عملی است و کمتر با واقعیت های موجود در حمل یک کالا مطابقت دارد. زیرا حمل و نقل هر محموله ای از ایستگاه مبدا علاوه بر هزینه های خدماتی عملا متضمن پاره ای هزینه های سرمایه ای نیز هست. بنابراین ، اگر از تطبیق این فرضیه که قسمت های مختلف یک خط را نقاط هندسی تشکیل می دهند صرف نظر کنیم و حرکت فرضی یک کالا را با ابعاد محدودتر، در طول یک راه آهن در نظر بگیریم در زمینه ترکیب هزینه های حمل و نقل به نتایج بهتری دست خواهیم یافت.
هزینه هایی که در طول راه آهن خیالی ما به واسطه انتقال کالاهای فرضی پدید می آید، نتیجه محاسبه و جمع زدن هزینه هایی مانند دستمزد، اجاره بها، بهره و غیره است. بسیاری از این هزینه ها به خدمات انجام شده در ادارات مرکزی متعلق می گیرد و برخی دیگر به خدمات انجام شده در ایستگاه های بین راه مربوط است و سایر هزینه ها به طول مسیر طی شده مربوط می شود. بدین ترتیب، سود حاصله از این خدمات برخی به بخش های ویژه ای از دارایی راه آهن و برخی دیگر به قسمت های واقع در طول راه مربوط خواهد بود.
حسابداران و متخصصان نرخ گذاری در بررسی توزیع درآمدهای حاصله، روش های ویژه ای دارند که بر حسب این روش ها، نخست هزینه های اداره مرکزی و سایر اقلام مربوط به آن معین می شود، سپس دستمزدها و هزینه های عملیاتی شهرهایی که ایستگاه ها در آنجا واقع شده اند و در آخر، بخش های ویژه ای از مسیر که به طریقی به نظام ارتباطی مربوط اند تعیین می شوند. چنین روشی را در مورد حمل و نقل های زمینی، دریایی و هوایی نیز می توان تعمیم داد و به کار بست. ولی یک اصل عمده در چنین شیوه ای از برنامه ریزی این است که حجم عمده ای از درآمد تقریبا در ترمینال ها جای گرفته و چنین به نظر می رسد که راه هایی که این ترمینال ها را به هم متصل می کنند بدون هزینه نگهداری می شوند، در حالی که چنین نیست و در واقع ساخت هزینه ها در انواع مختلف حمل و نقل سبب و نتیجه عملکرد هزینه های ثابت و هزینه های متغیر است که از سرمایه گذاری در طول مسیر حاصل آمده است. شکل (2-1) توجیه ساده ای از این مطلب است.

شکل 2-1 : عملکرد هزینه های حمل و نقل
به این ترتیب، حمل و نقل نوعی تولید است که در یک فرایند فضایی شکل یافته و در مقایسه با سایر تولیدات اقتصادی غیر قابل ذخیره است و مصرف آتی دارد. مهم تر از همه آنکه تولید حمل و نقل نسبت به مقیاس دارای بازده صعودی است و با افزایش بهره برداری «طول مسیر، وسایط نقلیه، زمان بهره برداری» ، مقدار تولید افزایش می یاید و از این رو عملکرد هزینه ها « ثابت، متغیر» در تولید تسهیلات حمل و نقل دارای وجوه ویژه ای است.
2-2-1- هزینه های ثابتهزینه های ثابت عبارت است از هزینه هایی که در اثر استهلاک فنی سرمایه های اولیه وسایط نقلیه، مخارج ساخت و نگه داری ترمینال ها و راه ها ، پرداخت مالیات های مختلف و عوارض گمرکی پدید می آید. هزینه های ثابت را معمولا غیر مستقیم، هزینه های مکمل، هزینه های اضافی و یا هزینه های سربار می نامند که تابع آن را به شکل زیر می توان نوشت.
TFX=k=0npi viدر رابطه فوق Vi مقادیر عوامل تولید ثابت و Pi قیمت های آن ها فرض شده است.
کوپر هزینه های ثابت را بر حسب کیفیت آن ها به دو قسمت تقسیم می کند. نخست، هزینه های ثابت سرمایه ای که خود شامل سرمایه گذاری مجدد و هزینه های استهلاک و فرسودگی وسایل نقلیه و ساختمان های مربوط به آن می شود و دوم، هزینه های ثابت روزمره که مشتمل بر دستمزدها، هزینه های انبارداری، گمرکات، بازرسی، مدیریت و غیره است. در هر حال، تاثیر پذیری چنین هزینه هایی در ساخت هزینه های کلی حمل و نقل تا حدودی ثابت است. زیرا این هزینه ها نه تنها ارتباط مستقیمی با سطوح مختلف حرکت ندارند، بلکه به آسانی نیز می توان آن ها را به مصرف کنندگان ویژه ای تحمیل کرد، مگر آنکه افزایش استفاده از تسهیلات ترمینال ها و تجهیزات اصلی آنها، مانند کامیون ها، قطارها و خودروها، موجب تقلیل حد متوسط هزینه های ثابت شود. مثلا در خصوص ارتباط دو نقطه از طریق یک سیستم مجهز راه آهن که در آن میلیارها ریال سرمایه گذاری شده است، تاثیر هزینه های ثابت در بهای تمام شده نرخ حمل و نقل به میزان بهره برداری از آن بستگی خواهد داشت. اگر میزان بهره برداری تا حد مشخصی افزایش یابد، سهم هزینه های ثابت در نرخ حمل و نقل به همان نسبت تقلیل می یابد و منحنی آن مانند شکل(2-2) می باشد. بدین ترتیب، اگر شبکه ارتباطی oq که هزینه های ثابت معینی در ساختمان آن به کار رفته است، در فاصله زمانی مشخص، Z مرتبه بهره برداری شود، تاثیر هزینه های ثابت در بهای تمام شده حمل و نقل، به مراتب کمتر از میزان بهره برداری به مقادیر x و y خواهد بود.
اگر چنانکه هزینه های ثابت بر حسب هر تن کالای حمل شده در طول مسافت بیان شود، فرم عمومی عملکرد هزینه های ثابت به گونه ای خواهد بود که با افزایش عملکرد، هزینه های ثابت به ازای هر تن در مسافت طی شده کاهش خواهد یافت و نتیجتا به کاهش نسبی هزینه های متوسط کل منجر خواهد شد (شکل 2-2).

شکل 2-2 : روند تحلیلی هزینه های ثابت بر حسب میزان بهره برداری

شکل 2-3: عملکرد هزینه های ثابت بر حسب تن-مسافت
معمولا هزینه های نیروی کار و تاسیسات ترمینال ها بخش مهمی از هزینه های ثابت حمل و نقل را تشکیل می دهند و در ترمینال های راه آهن و بنادر کشتیرانی، شاخص بهره دهی بر حسب رابطه بین این هزینه ها به ازای هر تن کالای حمل شده ارزیابی می شود.
برآورد میزان واقعی هزینه های ثابت و نحوه عملکرد آن در ساخت کلی هزینه های حمل و نقل همیشه براحتی میسر نیست و بر حسب میزان سرمایه گذاری، از سیستمی به سیستم دیگر تغییر می کند. معمولا هزینه واقعی عمل حمل و نقل بیش از مبلغی است که از ضریب نرخ باربری در تن – کیلومتر به دست می آید. زیرا در غالب کشورها بخش مهمی از هزینه های ثابت به اقتصاد عمومی تحمیل می شود و دولت به منظور تقلیل هزینه های حمل و نقل برای مصرف کننده مقداری از هزینه های ثابت را به صورت کمک های مالی مستقیم و یا غیر مستقیم تعهد می کند. بوریر به نقل از پرفسور پیرات نشان داده است که در کشور آلمان استفاده مجانی از راهها بویژه در سالهای گذشته برای کامیون ها حداقل به منزله کمک مالی معادل 15 الی 20 درصد بهای تمام شده حمل و نقل بوده است. رساندن چنین کمک های مالی و اعتباری از عمده ترین دلایل علاقمندی دولت ها به تشویق تخصص های منطقه ای و ایجاد رفاه و اشتغال در سطح ملی است. البته بازگشت چنین هزینه های از طرف دولت معمولا از طریق اخذ عوارض و مالیات های مختلف بر سوخت و تاسیسات تامین می شود.
بنابراین در هر شرایطی هدف اساسی سیاست دولت از کمک به حمل و نقل عمومی انجام یکسری خدمات در سطح ملی و تسریع فرایند مبادلات به ویژه توزیع مکانی واحدهای تولیدی است تا از تمرکز فعالیت های اقتصادی در قطب های مشخص جلوگیری به عمل آید و استعدادهای نهفته در نقاط دیگر به کار گرفته شوند.
2-2-2- هزینه های جاری یا متغیرهزینه های جاری یا خدماتی مشتمل بر مجموع هزینه هایی است که در ترمینال ها و یا ضمن حرکت در طول مسیر از انجام خدمات لازم پدید می آید. هزینه های متغیر را گاهی هزینه های دسته اول و یا هزینه های مستقیم می خوانند و تابع آن را به شکل زیر می توان نوشت :
Tvc=i=1npj vjدر رابطه فوق Vj مقادیر عوامل متغیر تولید و Pj قیمت آن ها است.
این گونه هزینه ها اصولا بر حسب کیفیت ساختمانی کالا و سیستم حمل و نقل تغییر می کند و به تناسب ظرفیت وسیله نقلیه و ترمینال ها متفاوت است. در هر حال عملکرد آن تابع مجموع هزینه هایی است که از ایستگاه مبدا تا مقصد صرف می شود. اصولا مخارج استاندارد و بسته بندی کالا در نظام های مختلف حمل و نقل متفاوت اند و غالبا میزان آن در حمل و نقل های درازمدت مانند حمل و نقل دریایی بیش از مبالغی است که در حمل و نقل های کوتاه مدت نظیر حمل و نقل هوایی وجود دارد. نرخ بیمه نیز معمولا در حمل و نقل های درازمدت زمینی و دریایی به جهت طول زمانی حمل و نقل و آسیب پذیری کالا بیش از حمل و نقل هوایی است.
علاوه بر هزینه های بارگیری و تخلیه در ایستگاههای مبدا و مقصد هزینه های بارگیری مجدد بین راه را نیز می توان از جمله هزینه های جاری و یا متغیر به حساب آورد. گاهی ممکن است کالایی پیش از حرکت از ایستگاه مبدا و قبل از رسیدن به ایستگاه مقصد چندین مرحله جابجایی را به همراه داشته باشند که هر یک از آنها هزینه های متفاوتی را بر سطح هزینه های خدماتی وارد می کنند.
در مواردی ممکن است انتقال کالا از یک نوع وسیله نقلیه به نوع دیگر، علاوه بر هزینه های فنی و بارگیری مجدد، مخارج انبارداری و احیانا ایجاد ضایعات و گاهی تاخیر زمانی تحویل کالا را به همراه آورد که هر یک در نوع خود متضمن هزینه های متغیر است.
به هر حال هزینه های متغیر را بر حسب نوع آنها در دو گروه مشخص می توان طبقه بندی کرد.
الف) هزینه های متغیر که بطور مطلق با مسافت طی شده رابطه نسبی دارند
ب) هزینه های متغیری که رابطه مطلق با مسافت طی شده ندارند. مانند پرداخت عوارض گمرکی و هزینه استفاده از ترمینال ها (شکل 2-4)

شکل 2-4: هزینه های متغیر بر حسب عملکرد حمل و نقل
هزینه های متغیر به طور کلی بسیار متنوعند و از یک نوع حمل و نقل به نوع دیگر دارای تفاوت های زیادی می باشند. به همین دلیل گاهی اوقات تفکیک کردن هزینه ها کار بسیار پیچیده ای می باشد. با این حال در اقتصاد حمل و نقل ضرورت دارد که کار تحلیل هزینه ها به دقت انجام پذیرد(محمودی،1389).
2-2-3- هزینه های خارجیهزینه هایی که از عملکرد بنگاه حمل و نقل به محیط زیست تحمیل شده است ولی بابت آن مبلغی پرداخت نمی شود هزینه های خارجی یا در مواردی هزینه های چرخه حیات نامیده می شوند. در مدل تعادل عمومی چنین فرایندی دارای پیامد خارجی است و اثرات زیانباری را از طریق عملکرد یک بنگاه اقتصادی بر منافع یا هزینه های فرد و یا بنگاه دیگری اعمال می کند.
از نظر اقتصاد دانان، آلودگی در محیط زیست ابعاد وسیع تری را شامل می شود و اثرات آن زنجیره وسیعی را در چرخه حیات تحت تاثیر خود قرار می دهد. کلیه هزینه های تباهی و خسارت پذیری محیط زیست چه در قالب هزینه های بازسازی و چه بصورت هزینه های اجتناب از خسارت از آثار تخریب و آلودگی محیط زیست به شمار می روند.
بازتاب تخریب در حوزه حمل و نقل بسیار وسیع است. نتایج مطالعات انجام شده(محمودی،1383) مشخصا به چهار نوع از انواع هزینه های خارجی که بر عملکرد سیستم های مختلف حمل و نقل تاثیر می گذارند اشاره دارد. این نوع هزینه ها در ساده ترین شکل خود عبارتند از هزینه های خارجی ناشی از :
آلودگی صدا
آلودگی هوا
اثرات هزینه ای ناشی از تراکم
هزینه های حاصل از تصادفات
نتایج مطالعات انجام شده در سال 1991 در هفده کشور اروپایی نشان می دهد که 92 درصد هزینه های خارجی مربوط به حمل و نقل جاده ای، 9/5 درصد مربوط به حمل و نقل هوایی، 7/1 درصد مربوط به راهآهن و فقط 3/0 درصد آن به حمل و نقل آبی تعلق دارد.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

یک مثال ساده برای شناخت نحوه عملکرد این هزینه ها وضعیت موجود در ترافیک شهری است که مترادف با حجم بالایی از آلاینده ها می باشد. مطالعات موردی نشان داده است که مصرف بنزین و سایر سوخت های فسیلی، مواد آلاینده ای از نوع منو اکسید کربن،هیدرو کربورها، اکسیدهای ازت و غیره را به مقدار زیادی در محیط های شهری پراکنده می کند، در حالی که هزینه های تخریب آن عملا پرداخت نمی شود.
بنابراین لازم است رانندگان شهری علاوه بر پرداخت بهای بنزین هزینه ای نیز بابت تخریب حاصل از مصرف آن که در قیمت بنزین مستتر شده است را پرداخت نمایند. این عمل در نوع خود سبب خواهد شد مصرف بنزین با کاهش قابل ملاحظه ای مواجه شود.

شکل 2-5: تعادل عرضه بنزین با احتساب هزینه های آلوده سازی محیط زیست
در نمودار فوق منحنی تقاضا PP و منحنی عرضه SS است. قیمت بنزین در نقطه تلاقی این دو منحنی یعنی EM به قیمت PM می باشد. با افزایش هزینه های خارجی ناشی از مصرف بنزین منحنی عرضه SS به S’S’ انتقال پیدا کرده است که این منحنی تابع تقاضا را در نقطه E’ قطع می کند. در چنین شرایطی اگر چه بنزین در مقدار کمتری عرضه می شود ولی بدلیل اینکه با قیمت بیشتری بفروش می رسد موجبات کاهش مصرف را فراهم می آورد. همچنین در نمودار فوق تفاضل PM’ و PM نشان دهنده هزینه های خارجی هستند که مصرف کنندگان از پرداخت آن خودداری می کنند.
روش داخلی کردن هزینه های خارجی اگرچه در موارد بسیاری ممکن نیست، ولی برای پیشگیری از اثرات نامطلوب زیست محیطی، لازم است با ایجاد ضوابط و مقرراتی روش هایی برای پرداخت اینگونه هرینه ها اعمال گردند.
2-3- قیمت گذاری حمل ونقلدر تئوری اقتصاد، قیمت ها دارای دو نقش اساسی هستند. نخست تخصیص بهینه خدمات و کالاها میان مصرف کنندگان و دوم انگیزه برای تولید کنندگان و حفظ منافع آنان. هدف یک گرداننده حمل و نقل در سیاست قیمت گذاری به حداکثر رساندن درآمد است. این کار به دو طریق ممکن می شود(محمودی،1389) :
گسترش اندازه بازار
جذب مشتریان جدید و افزایش سهم خود در بازار
یکی از مسائلی که در قیمت گذاری حمل و نقل می بایست مد نظر قرار داده شود هزینه های خارجی است که از مهمترین آنها هزینه تراکم ناشی از سنگینی ترافیک می باشد، که اغلب از سوی افراد و یا شرکت های حمل و نقل در نظر گرفته نمی شوند.
2-4- قیمت گذاری بر اساس هزینه خارجیاگرچه اصول قیمت گذاری بخش عمومی و وضع مالیات و عوارض امر شناخته شده ای است ولی به هر حال طرح و اجرای آن در مسائل حمل و نقل بخصوص در حمل و نقل جاده ای مشکلات و ویژگی های خاص خود را دارد. اصولا به دلیل مشکلات گردآوری عوارض از استفاده کنندگان محلی جاده های برون شهری، مخارج مستقیم مربوط به استفاده از این تاسیسات، پایه مهمی برای تامین مالی این زیر ساخت ها نمی باشد. از سوی دیگر هزینه های جانبی ناشی از استفاده از این تاسیسات، بسط و توسعه عملیات حمل و نقل بر روی آنها نیز به دلیل ضعیف بودن بنیان مالیاتی و یا به دلیل توسعه نیافتگی سیستم های مالی دارای عملکرد درستی نبوده و توزیع بهینه خدمات را با مشکل مواجه می کند.
به منظور ایجاد یک پیوند مفید اقتصادی و محیطی لازم است هزینه های مصرف کنندگان تاسیسات حمل و نقل در رابطه با افزایش درآمد طوری تنظیم شود که اولا از ظرفیت موجود استفاده موثر به عمل آید و ثانیا تامین هزینه های جانبی آنها فراهم شود.
مساله کارایی را می توان از طریق انتخاب بهینه در وسایط نقلیه و سوخت، افزایش کارایی میان قسمت های مختلف حمل و نقل و اعمال سیاست های مناسب در نگاه داری و مدیریت زیر ساخت های حمل و نقل تعمیم داد. امروزه با استفاده از روش های مختلف اخذ عوارض و مالیات که معمولا از طریق نصب باجه های مخصوص در محل های معین صورت می گیرد، موجب پیدایش یک درآمد دائمی شده و در نهایت موجب بوجود آمدن تشویق کننده ای برای استفاده کنندگان و متصدیان امور حمل و نقل گردیده است. افزایش کارایی منابع به خدمت گرفته شده در زیر ساخت های حمل و نقل و همچنین تخصیص بهینه منابع میان اشکال مختلف حمل و نقل نتایج مستقیم اینگونه تصمیمات می باشد. اینگونه اقدامات که سیاست های قیمت گذاری خاصی را می طبید، در نوع خود می تواند هزینه ها را کاراتر سازد و اساس و بنیان مالی بهتری را برای تدارک و نگاه داری تاسیسات حمل و نقل بوجود بیاورد.
در محتوای بهینه سازی هزینه ها این حقیقت وجود دارد که رفت و آمد در جاده ها چندین نوع آثار بیرونی از جمله ایجاد تراکم، آلوده سازی محیط زیست، تخریب سطوح جاده و غیره را به دنبال دارد که هر یک در نوع خود متضمن هزینه های جانبی است.
اثرات خارجی این عوامل و سطح اصطکاک آن در جاده ها به مقدار و نوع سوخت مصرفی وفناوری که در کاربرد این مواد انتخاب شده بستگی دارد. امروزه اخذ عوارض در محدوده نواحی پرتراکم جاده ها موجب شده است بخشی از هزینه های فوق تامین شود. گزارش بانک جهانی حاکی از آن است که اعمال این سیستم در بازگرداندن بخشی از هزینه های جانبی در سنگاپور بسیار موثر بوده است.
اخذ مالیات بابت بنزین و سایر سوخت های فسیلی به علت قابلیت آن در کاربردهای مختلف جانشین مناسبی برای کنترل آلوده سازی محیط زیست بشمار می رود. البته علیرغم آنکه مالیات بر بنزین نقش چندان مهمی را نمی تواند در محدود ساختن تراکم اعمال نماید ولی در بسیاری از کشورها تنها ابزاری است که به منظور رعایت کنترل ترافیک بکار برده می شود.
برای ایجاد فرایندی در فرموله کردن قیمت ابتدا لازم است اجزای تشکیل دهنده قیمت به خوبی شناخته شوند و سپس با استفاده از تجربیات جهانی و در نظر گرفتن قوانین، ضوایط قیمت تعیین شود. در مورد سوخت های فسیلی جامعه جهانی تقریبا به رعایت اصول فوق توافق دارد :
هزینه های منابع سوخت در حد قیمت های جهانی تعیین شود
هزینه های خارجی ناشی از مصرف سوخت در کلیه سطوح اعمال شود
هرگونه مالیات و یا عوارض برای مصرف و یا تعدیل مخارج باید بگونه ای تنظیم شود که تغییر در الگوی مصرف را به حداقل برساند.
تاکید دستور العمل فوق این است که هر گاه هزینه های جانبی و مخارج استفاده از تاسیسات زیربنایی حمل و نقل به طور مستقیم تامین نمی شود، مالیات بر سوخت و اخذ هزینه های خارجی می تواند هزینه های مربوط به زیر ساخت های حمل و نقل و برخی از هزینه های محیطی را بپوشاند. هر چند قیمت سوخت یک جانشین خیلی ضعیف برای تامین هزینه های حمل و نقل به شمار می رود ولی در شرایطی که حمل و نقل به طور سیستماتیک در طول روز جریان دارد می تواند به عنوان بهترین جانشین انتخاب شود. به دنبال تمهیدات فوق انتخاب یک روش مناسب برای قیمت گذاری خدمات حمل و نقل با مشکلاتی همراه می باشد زیرا اکثر منازعات بر سر قیمت به تخصیص هزینه های مشترک کل مربوط می شود. بنابراین بهتر است ابتدا یک محاسبه کلی از هزینه های زیر بنایی و همچنین هزینه های خارجی به عمل آورده و سپس در قیمت تعمیم داده شود.
بهترین مثال در چگونگی انجام این امر شامل مطالعاتی است که توسط گرانائو در سال 1994 و وینوبری در سال 1988 در کشورهای غنا، زیمباوه و تونس برای بانک جهانی انجام شده است. در این مطالعات چنین راهکار مناسب برای هزینه یابی و اعمال سیاست های مالیاتی در سیستم قیمت گذاری حمل و نقل نشان داده شده است. اساسی ترین نکته این مطالعات تاکید بر روی هزینه های جانبی است که از طریق تخریب جاده ها و افزایش تراکم توسط وسایل نقلیه سنگین و اتوبوسها ایجاد می شود.اگر چه بخش عمده از این خرابی ها به شرایط جغرافیایی مناطق مربوط می شود ولی نقش عمده وسایل نقلیه سنگین را نمی توان از نظر دور داشت. توصیه لازم در این زمینه این است که اولا هزینه های سرمایه ای در حساب مخارج گنجاند شود ثانیا مالیات سوخت بر حسب مسافت و میزان بارگیری اخذ شود. به طور مثال در برخی از کشورها مالیات سالانه برای وسایط نقلیه سنگین و خودروهای سواری با توجه به نوع خودرو متفاوت می باشد. مقدار مالیات در این شرایط به طور قابل ملاحظه ای به ظرفیت های بارگیری وسایل نقلیه بستگی دارد. این مسئله موجب برطرف شدن تخصیص هزینه های خارجی و توزیع آنها نمی شود ولی تاثیر بسزایی در بهبود آنها ایجاد می کند. الیته باید توجه داشت در انتخاب سیستهای اخذ مالیات و عوارض اولا باید بسیار محتاطانه عمل کرد و از اتخاذ روشهای نا معقول که ممکن است به آشفتگی بازار بینجامد اجتناب نمود، ثانیا افزایش درآمد عاملی برای توسعه دادن عرضه بشمار می رود و از این رو لازم است درآمدهای حاصله از منابع فوق به بهبود ساختار حمل و نقل اختصاص داده شود.
2-5- پیش بینی حجم ترافیکطی دهه اخیر پیشرفت و گسترش شناسگرهای ترافیکی، امکانات جدیدی را برای مدیریت ترافیک و شبکه معابر فراهم کرده است. شناسگرهای ترافیکی در سطح شبکه معابر نصب شده و به صورت لحظه ای پارامترهای ترافیکی را برداشت می کنند. اطلاعات برداشت شده توسط شناسگرها به کمک بستر مخابراطی به مرکز کنترل ترافیک – مرکز شهری و یا جاده ای – منتقل می شوند. یکی از وظایف مرکز کنترل ترافیک استفاده بهنگام از این اطلاعات برای مدیریت ترافیک است. مدل پیش بینی حجم ترافیک در کوتاه مدت یکی از بخش هایی است که از این اطلاعات استفاده می کند. این مدل با بکارگیری اطلاعات شناسگرهای ترافیکی هر معبر، حجم عبوری از یک معبر در لحظات پیش رو را پیش بینی می کند. از این اطلاعات برای مدیریت پیشگیرانه ترافیک استفاده می شود (افندی زاده، کیانفر،1387).
مدل های مرسوم پیش بینی، مقدار حجم ترافیک را برای سال های آینده و یا برای سناریوهای مختلف پیش بینی می کنند. این پیش بینی با استفاده از مدل های آینده و یا برای سناریوهای مختلف پیش بینی می کنند. این پیش بینی با استفاده از مدل های چهار مرحله ای و یا مدل های مستقیم انجام می شود. نتایج حاصل از این پیش بینی در حوزه برنامه ریزی حمل و نقل بکار گرفته می شود.
شبکه های عصبی از اجزای هوش مصنوعی هستند که در حوزه های کاربردی مختلف با موفقیت استفاده شده اند. یکی از روش پیشنهادی در اینجا، بکارگیری تکنیک های هوش مصنوعی می باشد.در ادامه از روش آماری رگراسیون جهت پیش بینی حجم تردد استفاده گردیده است و در انتها به مقایسه دو روش می پردازیم.
2-6- کلیات شبکههای عصبی مصنوعی تفاوت انسان با سایر موجودات زنده دیگر در توانایی تصمیمگیری و اراده اوست که به ساختار پیچیده مغز و سلسله اعصاب او بر می گردد. از دیرباز دانشمندان و محققین زیادی علاقمند به شناخت ساختمان مغز انسان و چگونگی انجام محاسبات و پردازشها در آن بودهاند آنچه باعث توجه گسترده به این موضوع شده اموری است که مغز آنها را در کسری از ثانیه انجام میدهد (مثل شناسایی چهره آشنا) در حالی که رایانههای دیجیتال برای انجام آنها نیاز به زمان زیادی دارند، بنابراین مغز برای محاسبات خود اساسا از ساختاری کاملا مغایر با ساختار رایانههای متداول برخوردار میباشد.
احساس نیاز بشر برای دستیابی به هوش مصنوعی به منظور نزدیکتر کردن ارتباط انسان و ماشین و دستیابی به ماشینهای هوشمندی که بتواند از عهده وظایف پیچیدهتر برآیند انگیزه اصلی تحقیقات گسترده بر روی سیستم عصبی انسان و دیگر موجودات زنده و تلاش در جهت شبیهسازی مصنوعی آن بوده است. شبکه عصبی مصنوعی (ANN)  ایدهای است برای پردازش اطلاعات که از سیستم عصبی زیستی الهام گرفته شده و مانند مغز به پردازش اطلاعات میپردازد . عنصر کلیدی این ایده ، ساختار جدید سیستم پردازش اطلاعات است.
2-7- نرون بیولوژیکی
همانطورکه گفته شد شبکههای عصبی مصنوعی الهام گرفته از سیستمهای بیولوژیکی هستند. اما اختلافهای عمدهای بین معماری و قابلیت شبکههای عصبی مصنوعی و طبیعی وجود دارد.
مغز انسان به عنوان یک سیستم پردزاش اطلاعاتی با ساختار موازی از 100 تریلیون (1011) نرونهای به هم مرتبط با تعداد کل (1016) ارتباط میباشد که این نرونها از طریق شبکهای از آکسونها و سیناپسها با چگالی تقریبی10 هزار سیناپس در هر نرون ، با هم ارتباط دارند.
محیط عملکرد این نرونها یک محیط شیمیایی است. گیرندههای حسی تحریکات را هم از محیط و هم از داخل بدن دریافت میکند. این تحریکات که به صورت ایمپالسهای الکتریکی هستند اطلاعات را به شبکه نرون ها وارد میکنند. سیستم عصبی مرکزی، اطلاعات دریافتی را پردازش میکند و با کنترل انگیزندهها پاسخ انسان را به صورتهای مختلف بروز میکند.

شکل 2-6: اجزای اصلی یک شبکه عصبی بیولوژیکسلول عصبی یا نرون که عنصر اساسی شبکه عصبی است در شکل 2-6 نشان داده شده است اجزا این سلول عبارتند از : بدنه سلول ، اکسون ، دندریت ، سیناپس
2-8- شبکههای عصبی مصنوعیشبکههای عصبی، نظیر انسانها، با مثال یاد میگیرند . یک ANN برای انجام وظیفههای مشخص، مانند شناسایی الگوها و دستهبندی اطلاعات، در طول یک پروسه یادگیری، تنظیم میشود . در سیستمهای زیستی یادگیری با تنظیماتی در اتصالات سیناپسی که بین اعصاب قرار دارد همراه است. این روش آموزش ANN ها نیز میباشد.
در این قسمت شبکههای عصبی را بر اساس ساختار شبکههای عصبی بیولوژیکی که مطرح شد معرفی میکنیم. اما قبل از آن شباهتهای بین این دو شبکه را عنوان میکنیم.
بلوکهای ساختاری در هر شبکه دستگاههای محاسباتی خیلی سادهای هستند و مضاف بر این نرونهای مصنوعی از سادگی بیشتری برخوردار میباشند.
ارتباطات بین نرونها عملکرد شبکه را تعیین میکند.
اما با وجود اینکه نرونهای بیولوژیکی از نرونهای مصنوعی که توسط مدارات الکتریکی ساخته میشوند بسیار کندتر هستند (یک میلیون بار)، عملکرد مغز خیلی سریعتر از عملکرد یک رایانه معمولی است. علت این پدیده بیشتر به دلیل ساختار کاملا موازی نرونها میباشد و این یعنی اینکه همه نرونها معمولا به طور همزمان کار میکنند و پاسخ میدهند از آنجائی که شبکههای عصبی مصنوعی هم دارای ساختار موازی هستند اما توسط رایانههای سری پیادهسازی میشوند و این مسأله باعث افت سرعت شدید در این شبکهها میشود.
با وجود این که شبکههای عصبی مصنوعی با سیستم عصبی طبیعی قابل مقایسه نیستند ویژگیهایی دارند که آنها را در بعضی از کاربردها مانند تفکیک الگو ، رباتیک ، کنترل و به طور کلی در هر جا که نیاز به یادگیری یک نگاشت خطی یا غیر خطی باشد ممتاز مینمایند. این ویژگی ها به شرح زیر هستند:
قابلیت یادگیری: استخراج نتایج تحلیلی از نگاشت غیر خطی که با چند مثال مشخص شده کار ساهای نیست. چون میدانیم که یک نرون یک دستگاه غیر خطی است در نتیجه یک شبکه عصبی که از اجتماع این نرونها تشکیل میشود هم یک سیستم کاملا پیچیده و غیرخطی خواهد بود. به علاوه خاصیت غیرخطی عناصر پردازش در کل شبکه توزیع می گردد هنگام پیاده سازی این نتایج با یک الگوریتم معمولی وبدون قابلیت یادگیری نیاز به دقت و مراقبت زیادی دارد درچنین حالتی سیستمی که بتواند خود این رابطه را استخراج کند بسیار سودمند به نظر میرسد . خصوصاً اینکه افزودن مثالهای اجتماعی در آینده به یک سیستم با قابلیت یادگیری، به مراتب آسانتر از انجام آن در یک سیستم بدون چنین قابلیتی است.
قابلیت یادگیری یعنی توانایی تنظیم پارمترهای شبکه (وزنهای سیناپتیکی) در مسیر زمان که محیط شبکه تغییر میکند و شبکه شرایط جدید را تجربه میکند، با این هدف که اگر شبکه برای یک وضعیت خاص آموزش دید و تغییر کوچکی در شریط محیطی شبکه رخ داد، شبکه بتواند با آموزش مختصر برای شریط جدید نیز کارآمد باشد. دیگر اینکه اطلاعات در شبکههای عصبی در سیناپسها ذخیره و هر نرون در شبکه، به صورت بالقوه ازکل فعالیت سایر نرونها متأثر میشود. در نتیجه، اطلاعات از نوع مجزا از هم نبوده، بلکه متأثر از کل شبکه میباشد.
2- پراکندگی اطلاعات: آنچه که شبکه فرا میگیرد و یا به عبارت دیگراطلاعات یا دانش، در وزنهای سیناپسی مستتر میباشد و رابطه یک به یک بین ورودیها و وزنهای سیناپتیکی وجود ندارد. میتوان گفت که هر وزن سیناپسی مربوط به همه ورودیها است ولی به هیج یک از آنها به طور منفرد مربوط نیست به عبارت دیگر هر نرون در شبکه از کل فعالیت سایر نرونها متأثر میباشد در نتیجه اطلاعات به صورت زمینهای توسط شبکههای عصبی پردازش میشود.
3- قابلیت تعمیم: پس از آنکه مثالهای اولیه به شبکه آموزش داده شد شبکه می تواند در مقابل یک ورودی آموزش داده نشده قرار می گیرد و یک خروجی مناسب ارائه نماید. این خروجی بر اساس مکانسیم تعیمم که همانا چیزی جز پروسه درونیابی نیست بدست می آید.
4- پردازش موازی: هنگامیکه شبکه عصبی در قالب سخت افزار پیاده می شود سلول هایی که در یک تراز قرار می گیرند میتواننند به طور همزمان به ورودی های ان تراز پاسخ دهند. این ویژگی باعث افزایش سرعت پردازش می شود در واقع در چنین سیستمی ، وظیفه کلی پردازش ، بین پردازنده های کوچکتر مستقل از یکدیگر توزیع می گردد.
5- مقاوم بودن: در یک شبکه عصبی ، هر سلول به طور مستقل عمل می کند و رفتار کلی شبکه برآیند رفتارهای محلی سلول های متعددی است. این ویژگی باعث می شود تا خطاهای محلی از چشم خروجی نهایی دور بمانند. به عبارت دیگر سلول ها در یک روند همکاری، خطاهای محلی یکدیگر را تصحیح می کنند این خصوصیت باعث افزایش قابلیت مقاوم بودن در سیستم می گردد.
2-9- تاریخچه شبکههای عصبی مصنوعی
گرچه برخی از پیش زمینههای شبکههای عصبی در اوائل قرن بیستم و اواخر قرن نوزدهم در فیزیک، روانشناسی و نروفیزیولوژی مطرح گردید، ولی دیدگاه جدید شبکههای عصبی در دهه 40 قرن بیستم شروع شد. در سال 1943 اولین مدل نرون بر مبنای ساختمان نرون بیولوژیکی توسط McCulloch و Pitts ارائه شد که به نرون M-P مشهور است . در این نرون وزنها به دو دسته تحریک (1+) و بازدارنده (1-) تقسیم میشوند. ورودیها و خروجی نرون تنها میتواند مقادیر باینری صفر و یک را بگیرند. نرون وقتی فعال است که میزان کلی تحریک از یک مقدار یا حد آستانه بیشتر شود. با این مدل میتوان عملیات منطقی نظیر AND ، OR و NOT را انجام داد.
در سال 1949، اولین قانون یادگیری به نام قانون یادگیری Hebb ارائه شد. هب در کتاب مشهور خود بیان کرد که ارتباط بین نرونهای مغز همراه با یادگیری تغییر میکند. بر طبق نظریه هب، تحریک مکرر یک نرون توسط نرونی دیگر از طریق یک ارتباط خاص، هدایت آن ارتباط را افزایش میدهد. در سال 1958، Rosenblat یک شبکه عصبی موسوم به پرسپترون را معرفی کرد که شبکهای متشکل از نرون های M-P بود. پرسپترون متشکل از یک لایه ورودی بود که به وسیله وزنهایی قابل تنظیم به نرونها متصل میشد. قاعده یادگیری پرسپترون بر مبنای تحصیح وزن در یک روش تکراری است که قویتر از قاعده یادگیری هب است.
در اوایل دهه 60 Widrow و شاگردش Hoff یک قاعده یادگیری که به نام ویدرو – هوف یا قاعده دلتا نامیده میشود، ارائه دادند که مشابه قاعده یادگیری پرسپترون بود.

user8309

قراردادهای دوجانبه نیز مابین یک تولیدکننده و یک مصرف کننده منعقد می شوند به طوری که تنها از شبکه برق سراسری برای انتقال انرژی استفاده می کنند و مابه ازای این استفاده، هزینه ای را به عنوان هزینه ترانزیت می پردازند. قراردادهای فروش برق برون مرزی با کسب مجوز های لازم از وزارت نیرو با متقاضیان برق در خارج از مرزهای کشور عزیزمان بسته شده و به نوعی صادر می گردند. همچنین قرارداد های تبدیل انرژی نیز فی مابین برخی از نیروگاه ها و وزارت نیرو منعقد شده و نیروگاه صرف نظر از بهای برق تولیدی و هزینه سوخت مصرفی و یک سری هزینه های مورد توافق، تنها وتنها درآمدی را به ازای تبدیل سوخت مصرفی به برق تولیدی دارا خواهد شد.
موضوع اصلی مورد بحث در این پایان نامه ساختار بازار رقابتی برق ایران و چگونگی شکل گیری رقابت در فضای بازار می باشد. با عنایت به راه اندازی بازار عمده فروشی برق در کشورمان از آبان ماه سال 1382 تحت نظارت هیئت تنظیم بازار برق ایران و قوانین مصوب این هیئت، موضوع پیشنهاد قیمت بهینه برای فروش برق توسط تولیدکنندگان(نیروگاه ها) و همچنین خریداران(شرکت های برق منطقه ای) اهمیت ویژه ای مخصوصاً در سال های اخیر پیدا کرده است.
موضوع بدین ترتیب می باشد که یک حداکثر قیمت(383 ریال برای هر کیلووات در حال حاضر) و حداقل قیمت(235 ریال برای هر کیلووات در حال حاضر) برای فروش برق نیروگاه ها توسط هیئت تنظیم بازار برق ایران در نظر گرفته شده است و نیروگاه ها در نرم افزاری که توسط بازار ارائه شده است هر روزه، قیمت سه روز آتی را پیش بینی می کنند و ابراز آمادگی جهت حضور در مدار شبکه می نمایند.
بعد از ابراز آمادگی نیروگاه ها و ظرفیت مگاوات اعلام شده از سوی آن ها برای حضور در مدار، نرم افزار بازار اجرا شده و متناسب با مصرف احتمالی کل کشور و به تفکیک نقاط مختلف و بر اساس پیشنهادهای خریداران و فروشندگان(بازیگران بازار)، آرایش تولید برای نیروگاه ها در روزهای آتی اعلام می گردد، نیروگاه هایی که قیمت آن ها مناسب نباشد بازنده شده و برق آنها در صورت نیاز شبکه به قیمت های بسیار نازل خریداری می گردد.
شکل 1-1 معرف خوبی از فرآیند مشارکت نیروگاه ها در بازار برق ایران و چگونگی برنده و بازنده شدن نیروگاهها را نشان می دهد. منطق بازار مینیمم کردن هزینه های خرید برق، انتقال و تلفات شبکه سراسری برق می باشد به طوری که قیمت های پیشنهادی نیروگاه ها از کم به زیاد مرتب می گردد و پیشنهاد نیروگاه ها طبعاً تا جایی پذیرفته خواهد بود که مصرف برق کشور بر اساس اعلام نیاز برق های منطقه ای تامین گردد بنابراین برنده شدن و بازنده شدن معنا پیدا می کند.
با توجه به گرایش نسبت به خصوصی سازی در صنعت برق، تمایل برای کسب سود بیشتر در ازای ریسک بالاتر افزایش یافته است و بازیگران بازار برق به دنبال کشف نقطه تسویه بازار می باشند. در بخش 1-2 ، این نقطه بسیار مهم بیشتر معرفی می شود.

شکل SEQ شکل * ARABIC 1-1: منحنی عرضه و تقاضا و نقطه تسویه بازارفاکتورهای زیادی بر پیچیده شدن مسئله دخالت دارند و بدست آوردن یک قیمت بهینه را دشوار می سازند. موقعیت جغرافیایی که نیروگاه ها و شرکت های برق منطقه ای در آن قرار دارند، قیمت های پیشنهادی دیگر بازیگران بازار برق، قیمت سوخت مصرفی تعیین شده بر اساس مصوبات، ساعات روز، روزهای هفته، تعطیلی های رسمی کشور(به طور مثال مینیمم مصرف سال کشورمان در روزهای عاشورا و تاسوعا اتفاق می افتد)، الگوی مصرف مردم که به مرور زمان تغییر می کند، محدودیت هایی که به لحاظ فنی برای نیروگاه ها وجود دارند(مانند: ظرفیت ترانس نیروگاه ها، محدودیت آب پشت سد یک نیروگاه آبی، پست مشترک ورودی برق به شبکه برای چند نیروگاه) و ... از جمله این موارد می باشند.
یکی از سختی های حل این مسئله چگونگی مدل سازی و استخراج معادلات و روابط ریاضی، از این مفاهیم انتزاعی است که با توجه به وجود درس هایی همچون برنامه ریزی ریاضی پیشرفته، تحلیل سیستم های انرژی، مبانی اقتصاد که در رشته مهندسی سیستم های انرژی وجود دارند پایه و اساس انجام چنین پژوهش هایی در این رشته تحصیلی قابل توجیه می باشد.
با توجه به اینکه یکی از ارتباطات رشته تحصیلی مهندسی سیستم های انرژی به این موضوع، مدل سازی صحیح این بازار، استخراج تابع هدف مناسب و معقول که نتایج خروجی از تابع هدف مورد نظر انتظارات لازم را برآورده کند، می باشد لذا ارتباط موضوع پایان نامه با رشته تحصیلی کاملاً مشهود می باشد. به همین علت ذکر نام دروسی که در مدل سازی و فراهم آوردن شرایط بهینه سازی و فضای حاکم بر مسئله تاثیر زیادی داشته اند، ضروری است:
درس مبانی اقتصاد: شناخت مفاهیم بازار و تاثیرگذاری عرضه و تقاضا بر روی ارائه کالای مورد نظر(برق)
درس تحلیل سیستم های انرژی: تحلیل کلی از بازار برق ایران و شناخت این سیستم پیچیده
درس برنامه ریزی ریاضی پیشرفته: تبدیل اطلاعات موجود در کشور به معادلات حاکم بر مسئله جهت حل مسئله، و همچنین بدست آوردن تابع هدف مناسب با تعریف صحیح از فضای حل که یکی از ورودی های الگوریتم ژنتیک جهت نیل به هدف بهینه سازی می باشد.
درس قابلیت اطمینان و تحلیل ریسک: از مهمترین و پیچیده ترین فاکتورهای دخیل در طرح این پروژه آنالیز ریسک و وابستگی قیمت ها به میزان ریسک می باشد، هرچه میزان ریسک بالاتر باشد و بازیگر برنده گردد، سود ماکزیمم می شود.
بازار برق دنیا و اصول پیشنهاد قیمت در بازار برق ایرانبا شروع به کار بازار برق ایران، مساله پیشنهاد قیمت برای شرکت‌های فروشنده برق دارای اهمیت بسیار بوده و فاکتور مهمی جهت کسب درآمد و سودآوری برای این شرکت‌ها محسوب می‌شود. همراه با تغییر در ساختار اقتصادی صنعت برق ایران و راه‌اندازی بازار برق، مسأله تنظیم و تامین هزینه‌های سالیانه شرکت‌های برق منطقه ای با چالش‌ها و مشکلات ویژه‌ای مواجه شد. بهترین دلیل برای این وضعیت وجود عدم قطعیت‌های مختلف تأثیرگذار بر درآمدها و هزینه‌های این شرکت‌ها در فرایند فروش انرژی به بازار برق می باشد.
با راه‌اندازی بازار برق ایران در سطح عمده فروشی و در سمت فروشندگان در آبان‌ماه سال 1382، درآمد شرکت‌های برق منطقه‌ای به نحوه قیمت دهی وابسته شده است. بنابراین بازاربرق، در شرکت‌های آب و برق منطقه‌ای تولید کننده انرژی الکتریکی، انگیزه مضاعفی جهت پیشنهاد قیمت بهینه ایجاد نموده است. محدودیت‌هایی در بازار برق ایران نظیر محدودیت‌های انتقال، عدم خروج واحدهای سیکل ترکیبی و بخاری بزرگ و... موجود است.
مسأله تنظیم و تامین هزینه متوسط و برنامه‌ریزی جهت تحقق آن از جمله مهمترین مسائل مطرح در افق زمانی میان مدت برای هر بنگاه اقتصادی است. حل دقیق این مسأله، نقشی کلیدی در جهت نیل به اهداف مورد نظر بنگاه اقتصادی و رشد و توسعه اقتصادی آن دارد. در فضای سنتی صنعت برق، حل مسأله برنامه‌ریزی هزینه‌ها با توجه به عدم قطعیت نه‌چندان قابل توجه موجود در درآمدها و هزینه ها، با مشکل چندانی مواجه نبود، اما با ایجاد فضای رقابتی در صنعت برق و جداسازی بخش‌های تولید، انتقال و توزیع و در نتیجه تصمیم‌گیری مستقل بنگاه‌های اقتصادی، مسأله تخمین هزینه درفضای سنتی به مسأله کنترل هزینه‌ها و درآمدهای بنگاه‌های اقتصادی تغییر یافت. از طرف دیگر مسأله تخمین و تنظیم درآمدها و هزینه‌های بنگاه‌های اقتصادی به علت تغییر رفتار بازیگران بازار با توجه به اطلاعات ناقصشان از محیط بازار برق دارای عدم قطعیت محسوسی می‌باشد. همچنین تخمین درآمدها و هزینه‌های هر بنگاه اقتصادی در افق زمانی میان‌مدت باید به گونه‌ای صورت گیرد که اهداف موجود دراستراتژی قیمت‌دهی را نیز برآورده سازد و بالعکس. حل مسائل برنامه‌ریزی میان مدت مستلزم مدل سازی عدم قطعیت‌های موجود در متغیرهای مسأله و بکارگیری روش‌های بهینه‌سازی است. آشنایی با برخی تحقیقات انجام‌شده در این زمینه لازم است.
در مرجع [1] رفتار بهینه مصرف‌کننده‌ها جهت خرید انرژی از بازار برق با توجه به قید بودجه آن‌ها که محدودکننده میزان هزینه خرید انرژی می‌باشد تعیین شده است. استراتژی تعیین میزان تعرفه توسط بهره‌بردار شبکه انتقال بلژیک برای مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگانی که از خدمات آن بهره می‌گیرند با در نظر گرفتن قید هزینه بهره بردار تنظیم می‌گردد [2]. قید بودجه به گونه‌ای عمل می‌کند که سود بهره‌بردار ناشی از ارائه خدمات انتقال و هزینه سرمایه‌گذاری آن از حد معینی بیشتر باشد. در این شرایط نیاز به روشی کارا جهت مدل‌سازی عدم قطعیت‌های موجود در مسأله تخمین درآمدها و هزینه‌ها در افق زمانی میان مدت و هماهنگ با استراتژی‌های قیمت‌دهی و با در نظرگرفتن اهداف و قیود بنگاه اقتصادی ضروری به نظر می‌رسد.
در مرجع [3] مدلی جهت مدیریت ریسک ناشی از قیمت سوخت، تقاضا، دبی آب و قیمت برق که نیروگاه‌های آبی یا حرارتی در بازار برق با آن‌ها مواجه هستند ارائه شده است. در مرجع [4] از درخت تصمیم به منظور مینیمم کردن هزینه‌های بهره‌برداری هفتگی واحدهای تولیدی با توجه به عدم قطعیت تقاضا استفاده شده است. در مرجع [5] مدلی ریاضی به منظور بهره‌برداری بهینه برای سیستم تولید که از واحدهای آبی و حرارتی تشکیل شده، ارائه شده است. در این مرجع عدم قطعیت‌های جریان آب ورودی به سد برای واحد آبی و قیمت سوخت در مورد نیروگاه حرارتی درنظر گرفته شده‌است. در مرجع [6] با استفاده از درخت تصمیم، مدلی به منظور ماکزیمم کردن درآمد با توجه به وجود قراردادهای میان مدت برای واحدهای آبی ارائه شده‌است.
به علت عدم قطعیت‌های موجود در بازار برق، شناسایی و مدل‌سازی عدم قطعیت‌ها در درآمدها و هزینه‌های شرکت برق منطقه‌ای در افق زمانی میان مدت امری ضروری است. با توجه به اینکه عدم قطعیت‌ها در افق زمانی میان‌مدت مدل‌سازی می‌شوند و به علت اینرسی بالای قیمت سوخت درایران از عدم قطعیت موجود در قیمت سوخت صرف‌نظر می‌شود. بنابراین تنها، نیاز به مدل‌سازی رفتار قیمت تسویه بازار به‌طور ماهانه می‌باشد. البته می‌توان عدم قطعیت ناشی از وقوع پیش‌آمدهای اتفاقی در سیستم قدرت و تغییرات تقاضا را نیز جهت مدل‌سازی دقیق‌تر مسأله در نظر گرفت. با جمع‌آوری اطلاعات قیمت تسویه بازار برق برای هر ماه در سال‌های گذشته و انتخاب بازه‌های تغییر قیمت تسویه بازار (تعیین بازه‌های پیشامدهای قیمت پایین، متوسط و بالا) و بهره‌گیری از مدل فرکانسی، احتمال وقوع پیشامدهای مختلف برای مقدار قیمت تسویه بازار در هر ماه تعیین می‌گردد[7].
تولیدکنندگان با ارائه مقدار تولید و قیمت پیشنهادی در بازار برق شرکت می‌کنند. بهره‌بردار بازار نیز پیشنهاد برنده را مشخص می‌کند. در مبادلات قراردادی مانند قراردادهای دوطرفه روند مناظره و بحث بین دو طرف لازم است. البته شایان ذکر است که قیمت دهی درطرف مصرف هم به مرور زمان و با توسعه بازار در سمت خرید برق، دارای اهمیت خواهد شد.
مسأله پیشنهاد قیمت در بازارهای برق به مبادلات حراج مربوط است و تولیدکنندگان با ارائه پیشنهاد قیمت و مقدار تولید به بهره بردار بازار، در آن شرکت می‌کنند و بهره‌بردار بازار، برندگان و مقدار پول تخصیص یافته به آنان را مشخص می‌کند.
قوانین تخصیص پول به شرکت کنندگان نیز عبارتند از:
پرداخت به میزان پیشنهاد (PAB)
تخصیص یکنواخت (UP)
به طور خیلی خلاصه می توان گفت که در بازار PAB ، نیروگاه ها بر اساس قیمتی که می دهند و در سامانه مربوطه ثبت می کنند، در صورتی که در بازار برنده شوند مبلغی را که به ازای هر کیلووات ساعت برق اعلام داشته اند دریافت می نمایند. در این بازار ها انگیزه ای در جهت پیشنهاد قیمت بهینه(قیمتی که سود را بیشینه گرداند تا جایی که بازیگر بازنده و متضرر نشود) به وجود می آید و استراتژی پیش روی نیروگاه ها کشف و یا به عبارت دیگر حدس قیمت سایر بازیگران بازار می باشد. در نوع دیگر اجرای بازار یعنی به روش UP ، آخرین قیمت پذیرفته شده در بازار(بعد از این قیمت سایر بازیگران بازنده اعلام می شوند) مبنای پرداخت به تمام نیروگاه های برنده شده ماقبل قرار می گیرد یعنی پرداخت به ازای حاصلضرب ظرفیت برنده شده هر نیروگاه برنده در آخرین قیمت برنده شده در بازار انجام می شود. در نظر اول کمی ظالمانه به نظر می رسد اما در بسیاری از کشورهای پیشرفته از این روش استفاده می گردد، چرا؟
پاسخ به این سوال بسیار راحت می باشد! در واقع منطق اصلی از اجرای این بازار ها بیشینه کردن سود به وسیله بیشینه کردن درآمد حاصل از فروش نیست بلکه نیروگاه ها را تشویق به کاهش هزینه های تولید خود می کند. یعنی ارزش قیمت هر کیلووات برق در هر روز بازار مشخص می گردد و از همه بازیگران برنده به آن قیمت مشخص برق خریداری می گردد و رقابتی بین نیروگاه ها در جهت کاهش هزینه ها، کاهش آلاینده ها، افزایش راندمان سیکل های تولید، کاهش هزینه های بهره برداری از نیروگاه و همچنین کاهش هزینه های ساخت و احداث اولیه نیروگاه ها شکل می گیرد و این موضوع درنهایت به نفع کل کشور خواهد بود.
مساله پیشنهاد قیمت به طور کلی به صورت یافتن قیمت بهینه و تعیین استراتژی مناسب جهت رقابت با فروشندگان دیگر تعریف می‌شود. مساله مدنظر ما شرکت در حراج می‌باشد که به صورت مناقصه اجرا می‌شود. به بیان دیگر مساله پیشنهاد قیمت عبارت خواهد بود از تعیین قیمت‌های بهینه در افق زمانی بهره‌برداری از بازارهای بلادرنگ (از چند دقیقه در بازارگرفته تا چندین ساعت در بازارهای روزانه) به‌طوری‌که عوامل موثر بر پارامترهای مورد توجه فروشنده (مانند سود، درآمد، ریسک و ...) در نظر گرفته‌شود.
با توجه به مطالعات انجام شده عواملی که فروشنده باید درهنگام پیشنهاد قیمت در مناقصه‌های انرژی لحاظ کند در زیرخلاصه شده اند:
عدم قطعیت‌ها
نحوه بستن بازار و پرداخت پول به برندگان بازار
ساختار و قوانین بازار
هزینه تولید
قیود حاکم بر ژنراتور و قیود شبکه انتقال
لحاظ کردن سود بلندمدت
نحوه قیمت‌دهی طرف مصرف
قراردادهای دوطرفه
وجود بازارهای مختلف و تأثیر آنها بر یکدیگر
البته دو مورد آخر پس از توسعه بازار برق ایران و راه‌اندازی بازارهای مختلف و قراردادهای دوجانبه در مساله قیمت‌دهی دخیل خواهند بود. مطالعات انجام‌شده در زمینه مساله پیشنهاد قیمت به دو بخش قابل تقسیم‌اند: PAB و UP.
بدیهی است که نحوه مدل‌سازی و فرمول‌بندی مساله در بازارهای مختلف به دلیل تفاوت قوانین کاملا متفاوت است. مدیریت بازار برق ایران به صورت حراج PAB است. مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که به مساله پیشنهاد قیمت به صورت جدی در بازارهای PABپرداخته نشده است. دلیل این امر شاید این باشد که حراج PAB در بسیاری از بازارهای دنیا به‌کار گرفته نمی‌شود و اکثر بازارهای دنیا بر مبنای حراج UP می‌باشد. به علاوه بازارهایی که حراج PAB مبناست، حجم کمی از معاملات را به خود اختصاص داده است. از آن ‌جا که حراج بازار برق ایران بر مبنای حراج PAB است نیاز به تحقیقات جدی در این زمینه احساس می‌شود.
بررسی مساله پیشنهاد قیمت از دید یک تولیدکننده انرژی در ابتدای راه است. در حراج PAB به این دلیل که پول تخصیص یافته بابت هر مگاوات انرژی برابر با قیمت پیشنهادی ارائه شده ازسوی فروشنده می‌باشد، مساله پیشنهاد قیمت از اهمیت دسته از قیود در محیط سنتی وجود نداشته ولی درمحیط جدید باید لحاظ شوند.
قید درآمد، قیدی است که یک شرکت به واسطه سیاست‌های مالی خود لحاظ می‌کند. به‌طور مثال از سیاست‌های کلی شرکت این نتیجه به‌دست آمده که در آمد شرکت در طول یک دوره پیشنهاد قیمت از یک مقدار خاص نباید کمتر باشد. این مساله در فرآیند پیشنهاد قیمت باید لحاظ شود.
قید حداقل فروش، قیدی است که برای اجتناب از جریمه پیشنهاد قیمت لحاظ می‌شود زیرا اگر قیمت واحدهای بخاری یا سیکل ترکیبی برنده نشوند دچار جریمه 0,9 حداقل قیمت می‌شوند. بنابراین حداقل تولید مجاز واحدهای بخاری به ‌فروش خواهد رسید. پس قیمت این واحدها باید به‌گونه‌ای ارائه شود تا تولید موجب ضرر نشود و از طرفی دچار جریمه نیز نگردد. در فرآیند حل مساله پیشنهاد قیمت، جهت دستیابی به ‌روش‌های کارا جهت حل مساله باید پارامترهایی که بر پاسخ مساله و قیمت بهینه تاثیر می‌گذارند، استخراج گردند. این پارامترها بسته به قوانین بازار، شرایط شبکه انتقال و موقعیت جغرافیایی تغییر می‌کنند. بنابراین برای هر شرکتی باید پارامترهای موثر به صورت جداگانه استخراج شوند.
تشکیل بازار برق ایران و خصوصی سازی صنعت برقشاید نتوان کشوری را یافت که متاثر از موج تحولات یک دهه اخیر صنعت برق نباشد. این تحولات در قالب بحث تجدید ساختار باعث شفافیت و تفکیک وظایف بخشهای مختلف گردیده که به تدریج باعث ایجاد بازار برق در سطح عمده فروشی و به دنبال آن در سطح خرده فروشی شده است. موفقیت این برنامه‌ها متاثر از عوامل مختلفی نظیر اجرای صحیح برنامه‌های تجدید ساختار و تقویت نتایج تجدید ساختار با اجرای برنامه خصوصی‌سازی در صنعت برق می باشد. در این میان اجرای برنامه آزادسازی به موقع مشترکین، پیشگیری از شکل گیری پدیده قدرت بازار، باز بینی منظم بازار، ایجاد فضایی منصفانه برای دستیابی همه علاقمندان به فعالیت در صنعت برق، تدوین تعرفه خدمات انتقال و توزیع، تعریف خدمات پشتیبان و تدوین تعرفه متناسب برای آنها و غیره از جمله مطالب مهمی هستند که اهمیت بسزایی در موفقیت یا شکست برنامه تجدید ساختار و بازار برق دارند.
تلاش برای تحقق بخشیدن به تئوری های اقتصادی و تشکیل آرمان شهر بازار رقابت کامل اگر چه(به شکل کامل) هیچ گاه از لای صفحات و متون اقتصادی فراتر نرفته اما این حسن بزرگ را داشته که بهبود قابل توجهی در سامان دهی به بازار را باعث شود. گر چه صنعت برق در ابتدا و با احداث واحدهای کوچک و خصوصی تولید برق حیات خود را آغاز کرد اما به تدریج و با درک اهمیت این صنعت روند دولتی شدن(و بنابراین انحصاری شدن) آن آغاز شد. بنابراین صنعت برق به عنوان یک صنعت یکپارچه و کاملا انحصاری در اذهان شکل گرفت که هر کسی توان ورود به این عرصه و انجام فعالیت در آن را نداشت. با همین ذهنیت بود که دولت ها(به طور عام) کنترل صنعت برق را در دست گرفتند. به تدریج و با بروز مشکلاتی در اداره دولتی صنعت برق، همانند ناتوانی دولت در تامین مالی مناسب برای این صنعت، ناکارایی سرمایه گذاری و بهره برداری و… این سئوال شکل گرفت که به چه نحوی می توان از پتانسیل بخش خصوصی در این صنعت استفاده کرد؟ پاسخ به این سئوال همزاد شکستن ائتلاف عمودی این صنعت و ورود تدریجی بخش خصوصی به حوزه های مختلف فعالیت آن است. اولین نتایج این موضوع تفکیک بخشهای تولید، شبکه و عرضه بود. بنابراین با تفکیک انجام شده این امکان فراهم شد تا برخی متخصصان اقتصاد صنعت برق به امکان ایجاد رقابت در بخش تولید فکر کنند و این در واقع زمینه تشکیل بازار عمده فروشی برق بود. تحولات بعدی صنعت برق را باید مدیون این جسارت و تجربه قلمداد کرد.
ساختار جدید بازار برق و عمده فروشیهمان طور که اشاره شد بروز مشکلات ناشی از ساختار سابق صنعت برق باعث گردید سیاستگزاران و تصمیم گیرندگان این صنعت تجدید نظری اساسی در نوع نگاه به این صنعت و چگونگی اداره آن صورت دهند. جدای از مشکلاتی که دلیل اصلی تجدید ساختار بود، تلاش برای ایجاد فضایی جدید که انعطاف پذیری بیشتری داشته و با اهداف کلان اقتصادی نیز هماهنگ باشد، به طور مضاعفی اجرای برنامه های تجدید ساختار را تجویز می کرد. بنابراین به طور کلی اهداف تجدید ساختار را می توان به صورت زیر ذکر کرد:
الف- بهبود فضا و قاعده بازی برای ارتقای کارایی
ب- ایجاد فرصت های شغلی بیشتر
ج- شفاف نمودن و تفکیک بخشهای مختلف از هم
د- ایجاد فضای مناسب برای محوری نمودن علائم اقتصادی در تصمیم سازی
ه- جایگزینی تفکر بنگاهی در صنعت برق به جای تلقی خدمت عمومی از برق
اما نکته قابل توجه اینکه بحث تجدید ساختار و خصوصی سازی دو مقوله متفاوت از هم هستند. در واقع تجدید ساختار می تواند زمینه های خصوصی سازی صحیح را فراهم کند. اهداف خصوصی سازی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
الف- کاهش تصدی دولت و تقویت بعد نظارتی آن با واگذاری امور به بخش خصوصی
ب- کاهش بار مالی دولت و انتقال آن به بخش خصوصی
سایر اهداف ریز را می توان در موارد فوق خلاصه کرد. در واقع این موارد باعث شد مجموعه اقداماتی در صنعت برق صورت پذیرد که به طور کلی باعث تغییر نوع نگاه به کالای برق شدند.
تغییر تفکر و نوع نگاه به برقدر واقع برای درک انگیزه های تجدید ساختار و تشکیل بازار برق باید توجه داشت که مدتهای مدیدی این تصور در میان سیاستگزاران و متخصصان صنعت برق کشورهای مختلف نهادینه شده بود که صنعت برق از یک انحصار ذاتی برخوردار است و قابلیت و انعطاف پذیری لازم جهت رقابتی شدن را ندارد. تاسیسات هزینه برآن باید در تملک دولت باشد و بخش خصوصی در این زمینه نه علاقمندی خواهد داشت و نه حضورآن نتیجه مثبتی ! این عقیده در اوایل دهه 90 میلادی با تحرکات اولیه صنعت برق کشورانگلستان متزلزل شد[8] و اکنون تقریبا به فرضیه ای فراموش شده تبدیل گردیده است. اگر صنعت برق را به چهار بخش عمده تولید، انتقال، توزیع و عرضه(خدمات مشترکین)‌ تقسیم کنیم،‌ تجربه بسیاری از کشورها نشان می دهد دو بخش تولید و عرضه(خدمات مشترکین) انعطاف پذیری کافی برای رقابتی شدن را دارند. به همین خاطر و همان طور که در بخش مربوط به ساختارهای صنعت برق ملاحظه خواهد شد تمرکز زدایی اولین اقدام در اجرای تغییرات ساختاری این صنعت بود بلکه زمینه برای تفکیک بخشهای دارای پتانسیل رقابتی از سایر بخش ها فراهم گردد. سپس در بخش تولید با فراهم کردن زمینه برای مشارکت بخش خصوصی و احداث نیروگاه توسط سرمایه گذاران داخلی و خارجی و یا واگذاری ظرفیت های نصب شده موجود، فراهم سازی زمینه رقابت(با افزایش تولید کنندگان) و ایجاد شرایطی برای رقابت درکاهش هزینه ها و فروش برق به مدیر شبکه، سعی در جایگزینی فضای رقابتی بجای شرایط انحصار گردیده که در بسیاری از کشورها این امر موفقیت آمیز بوده است. اما بخش انتقال با توجه به ماهیتی که دارد و این واقعیت که نمی توان دو یا چند شبکه موازی درکنار هم تاسیس کرد تا برای انتقال برق با هم رقابت نمایند، تقریبا هنوز هم به شکل انحصاری اداره شده و به عنوان شبکه ملی باقی مانده است.
در بخش توزیع نیز که کلیه فعالیتها از نقطه دریافت برق از شبکه انتقال تا تحویل به مصرف کنده نهایی انحصاری بود، ابتدا بخش خطوط‌ از بخش مشترکین تفکیک شده سپس این بخش یا در تملک دولت باقی مانده و یا در برخی کشورها تجهیزات توزیع به بخش خصوصی واگذار شده اند[9]. هرچند تجربه و مطالعات انجام شده نشان از عدم تفاوت معنی دار کارایی و کاهش هزینه در واگذاری این شرکت ها به بخش خصوصی دارد اما حسن این کار فراهم سازی زمینه رقابتی شدن است که معمولاً افزایش کارایی را به دنبال داشته است. در بخش خدمات مشترکین نیز کلیه امور از درخواست مشترک برای اتصال به شبکه برق تا صدور صورتحساب و وصول مطالبات و … توسط شرکت های خرده فروشی انجام می گردد. از آنجایی که این بخش از شرایطی متفاوت با بخشهای انتقال و توزیع برخوردار می باشد، فعالیتهای این بخش از خاصیت انحصاری برخوردار نبوده و بنابراین شرکت های خرده فروش همزمان می توانند برای جلب رضایت مشتری با هم رقابت نمایند که به بهبود کیفیت و کاهش هزینه ها منتهی خواهدشد. لذا واگذاری امور به بخش خصوصی وایجاد زمینه مناسب برای رقابتی کردن این بخش نتایج مثبت قابل توجهی به همراه داشته است.
در واقع آنچه در صنعت برق در طی دهه اخیر اتفاق افتاده بر یک محور اساسی استوار است بدین معنی که به تدریج نگاه کالایی به برق جایگزین تفکر تلقی برق به عنوان یک خدمت عمومی شده است[10]. در واقع در فضای بازار این ایده مورد تاکید قرار گرفته که هر علاقمندی که محدودیت ها و استانداردهای شبکه را رعایت نماید می تواند از شبکه(همانند جاده ها) استفاده و برق تولیدی خود را به مشتری تحویل دهد. این نگاه را می توان اساس تحولات نوین صنعت برق قلمداد کرد.
شکل گیری بازار برق در ایراندر ایران نیز از چند سال قبل برنامه هایی برای اجرای فرایند تجدید ساختار و ایجاد بازار برق تدارک دیده شده است. لیکن پیشنهاد تشکیل بازار برق در ایران به تغییراتی برمی گردد که در سال 1382 در ساختار برق کشور(تشکیل شرکتهای مادر تخصصی، پیش بینی تشکیل شرکت مدیریت بازار(مدیریت شبکه برق ایران)، تغییر نظام مبادلات و بودجه ای شرکتها، حذف یارانه بین بنگاهی و…) پیش بینی شده بود. در همین راستا دستورالعملی برای خرید و فروش رقابتی برق توسط هیات تنظیم بازار برق ایران تهیه شد که مقدمه ای برای تشکیل بازار برق در ایران است[11]. اولین جلسه هیات تنظیم در تاریخ 09/07/1382 تشکیل و اصول ایجاد یک بازار رقابتی در فضایی منطقی پایه گذاری گردید[12]. گرچه این دستورالعمل محتاط عمل کرده و قیمت ها در آن تنها در یک بازه معین(با تعریف یک نرخ پایه و تعریف ضرایبی برای اوقات مختلف و انحراف پیشنهاد نرخ خریداران و فروشندگان در یک بازه معین) شکل خواهند گرفت، اما به هر حال زمینه ای برای ایجاد بازار برق در ایران محسوب می شود. در شرایط فعلی اکثر واحدهای تولید و عرضه دولتی بوده و به نظر نمی رسد مکانیزم پیشنهادی در کوتاه مدت تحولی در صنعت برق به وجود بیاورد اما مقدمه مناسبی در کشور فراهم شده است که می تواند زمینه را برای تحولات آینده فراهم نماید. در این دستورالعمل بهای پرداختی به تولید کنندگان بر اساس قیمت پیشنهادی و قدرت تحویلی آنان خواهد بود که با اعمال قیمت نهایی بازار و پرداخت بها بر اساس آن به همه تولید کنندگان در یک ساعت معین(نظامی که اکثر کشورها هم اکنون آن را پیاده می کنند) تفاوت دارد[13].

موانع شکل گیری و یا انحراف بازار رقابتی برقایجاد بازار رقابتی صحیح در بخش برق علی رغم نتایج بسیار ارزشمند آن می تواند بسیار شکننده بوده و از سوی دیگر نتایج آن(با فرض عدم پیش بینی و برنامه ریزی صحیح، عدم نظارت مناسب و عدم ایجاد شرایط مساعد برای ورود بخش خصوصی به بازار) می تواند عقیم و یا حتی مخرب باشد. ایالت کالیفرنیا نمونه ای از شکست بازار و مخرب بودن طراحی نامناسب بازار می باشد. در زیر به مواردی که می تواند باعث انحراف یا شکست بازار شود اشاره می شود[10].
ذینفع بودن بهره بردار مستقل سیستم و بازار از مبادلاتدر واقع در ابتدای امر لازم است نهادهایی(شرکت هایی) مسئولیت هماهنگی عرضه کنندگان و تقاضا کنندگان(خریداران و فروشندگان عمده) را به عهده داشته باشند. حال اگر این نهادها نتوانند بی طرفی خود را حفظ کنند، عملاً ممکن است توسعه پتانسیل تولید و شبکه و بهره برداری بهینه از منابع موجود بر اساس عملکرد بازار صورت نگیرد.
قدرت بازاردر واقع در صورتی که هر یک از تقاضا کنندگان و عرضه کنندگان بازار سهم بزرگی از بازار را به خود اختصاص دهند(در برخی کشورها سهم فوق 15% می باشد) به طوری که بتوانند بر عملکرد بازار اثر گذاشته و باعث تغییر و انحراف قیمت های بازار شوند، این موضوع می تواند به شکست بازار منتهی شود.
ذخیره تولیددر صورتی که در بخش تولید(عرضه)به اندازه کافی ذخیره تولید وجود نداشته باشد این امر می تواند به انحراف و شکست بازار منتهی شود.
نیروگاههای خاصبرخی نیروگاهها (حتی گاهی اوقات یک نیروگاه کوچک)به واسطه موقعیت خاص خود می توانند در پایداری شبکه نقش بسیار مهمی ایفا نمایند، حال اگر این نیروگاهها در اختیار بخش خصوصی قرار گیرند و مرکز کنترل نتواند اختیار تعیین زمان ورود و خروج آنها را داشته باشد،صاحب این قدرت می تواند از این موقعیت برای انحراف قیمت های بازار استفاده نماید.
تبانیاین موضوع که به شکل گیری قدرت بازار برای گروه خاصی منتهی می گردد می تواند باعث انحراف و حتی شکست بازار منتهی گردد.
دسترسی منصفانه به شبکهیکی از ویژگی های هر بازار رقابت کامل امکان ورود و خروج فعالان به این بازار است.در صنعت برق این موضوع باید با تهیه دستورالعمل معینی برای دسترسی بیطرفانه علاقمندان به شبکه دنبال شود. زیرا عدم تهیه یک دستورالعمل منسجم می تواند به ایجاد تبعیض میان فعالان صنعت منتهی گردد.
تعرفه های استفاده از خدمات انتقال و توزیعتدوین تعرفه های استفاده از خدمات انتقال و توزیع می تواند باعث شفاف شدن مبادلات شده و تولیدکنندگان و عرضه کنندگان می دانند در صورت استفاده از بخشهای انتقال و توزیع برای جابجایی انرژی و قدرت مورد نیاز چه مبلغی باید به شبکه بپردازند.این موضوع در تصمیم گیری خریداران برای انتخاب فروشنده برق بسیار حائز اهمیت است.
بازبینی مستمر بر عملکرد بازارطبیعی است در صورتی که مکانیزم بازار به طور مستقیم و دقیق دنبال نشود تشخیص یک مشکل تنها می تواند پس از فروپاشی بازار صورت گیرد.
البته نکات دیگری را نیز می توان ذکر کرد که مواد فوق از اهم آنها انتخاب شده اند.
فصل دوممدل سازی با استفاده از شبکه عصبی
معرفی شبکه عصبی مصنوعیقدرت و سرعت کامپیوترهای امروزی به راستی شگفتانگیز است؛ زیرا کامپیوترهای قدرتمند می‌توانند میلیون‌ها عملیات را در کمتر از یک ثانیه انجام دهند. شاید آرزوی بسیاری از ما انسان‌ها این باشد که ای کاش می‌شد ما نیز مانند این دستگاه‌ها کارهای خود را با آن سرعت انجام می‌دادیم، ولی این نکته را نباید نادیده بگیریم که کارهایی هستند که ما می‌توانیم آن‌ها را به آسانی و در کمترین زمان ممکن انجام دهیم، ولی قوی‌ترین کامپیوترهای امروزی نیز نمی‌توانند آن‌ها را انجام دهند و آن قدرت تفکری است که مغز ما انسان‌ها دارد. حال تصور کنید که دستگاهی وجود داشته باشد که علا‌وه بر قدرت محاسبه و انجام کارهای فراوان در مدت زمان کوتاه، قدرت تفکر نیز داشته باشد یا به قول معروف هوشمند باشد! این تصور در حقیقت هدف فناوری هوش مصنوعی یا به اختصار AI است[14].
یکی از راه‌حل‌های تحقق این هدف، شبکه‌های عصبی است. شبکه‌های عصبی در واقع از شبکه‌های عصبی و سیستم عصبی انسان الگوبرداری می‌کنند. برخی از محققان براین باورند که هوش مصنوعی و شبکه‌های عصبی دو راه‌حل متفاوت و در دو جهت مختلف هستند، ولی این باور را نمی‌توان کاملاً صحیح دانست؛ چرا که در حقیقت علم شبکه‌های عصبی و هوش‌مصنوعی وابسته به هم هستند. بدین‌معنا که قبل از این‌که Symbolها بتوانند توسط هوش مصنوعی شناسایی شوند، باید مراحلی طی شود. مثلاً تصور کنید که Symbol هایی مانند خانه، انسان یا میز وجود دارند. قبل از این که AI بتواند هر کدام از این Symbol ها را شناسایی کند، باید از توانایی‌ها و صفات هر کدام از این‌ها اطلاع کامل حاصل کند. مثلاً تصور کنید که یک روبات که هوش مصنوعی دارد، یک انسان را می‌بیند، ولی از کجا می‌فهمد که این جسم یک انسان است؟ مثلاً بر اساس مشخصاتی مثل داشتن دو پا، دست، صورت، دهان و قدرت تکلم. اما شما وقتی یک انسان دیگر را می‌بینید، نیازی ندارید که اول تعداد پاهای او را بشمارید و بعد بگویید که این جسم، انسان است. مغز انسان‌ها می‌تواند با دیدن یک جسم فقط برای یک بار یاد بگیرد و اگر مجدداً آن جسم را مشاهده کرد، می‌تواند سریع تشخیص دهد و قسمت‌های مختلف مغز می‌توانند به صورت همزمان فعالیت کنند و از اطلاعات درون مغز استفاده نمایند. شبکه‌های عصبی در بسیاری از پروژه‌های هوش مصنوعی به کار گرفته می‌شود. مثلاً برای برنامه‌های تشخیص و الگوبرداری، شناسایی تصویر و کاراکتر، روبات‌ها و برنامه‌های فیلترینگ اطلاعات. این شبکه‌ها امروزه حتی در اتومبیل‌های بی‌سرنشین نیز کاربرد دارد. به طوری‌که با دیدن و بررسی رانندگی انسان‌ها، می‌توانند رانندگی کنند.
شبکه های عصبی نسبت به کامپیوتر های معمولی مسیر متفاوتی را برای حل مسئله طی می کنند. کامپیوتر های معمولی یک مسیر الگوریتمی را استفاده می کنند به این معنی که کامپیوتر یک مجموعه از دستور العمل ها را به قصد حل مسئله پی می گیرد. بدون اینکه قدم های مخصوصی که کامپیوتر نیاز به طی کردن دارد شناخته شده باشند، کامپیوتر قادر به حل مسئله نیست. این حقیقت قابلیت حل مسئله ی کامپیوتر های معمولی را به مسائلی محدود می کند که ما قادر به درک آنها هستیم و می دانیم چگونه حل می شوند. اما اگر کامپیوتر ها می توانستند کار هایی را انجام دهند که ما دقیقا نمی دانیم چگونه انجام دهیم، خیلی پر فایده تر بودند.
شبکه های عصبی اطلاعات را به روشی مشابه با کاری که مغز انسان انجام می دهد پردازش می کنند. آنها از تعداد زیادی از عناصر پردازشی(سلول عصبی) که فوق العاده بهم پیوسته اند تشکیل شده است که این عناصر به صورت موازی باهم برای حل یک مسئله مشخص کار می کنند. شبکه های عصبی با مثال کار می کنند و نمی توان آنها را برای انجام یک وظیفه خاص برنامه ریزی کرد. مثال ها می بایست با دقت انتخاب شوند در غیر این صورت زمان سودمند، تلف می شود و یا حتی بدتر از این، شبکه ممکن است نادرست کار کند. امتیاز شبکه عصبی این است که خودش کشف می کند که چگونه مسئله را حل کند، عملکرد آن غیر قابل پیش گویی است.
از طرف دیگر کامپیوتر های معمولی از یک مسیر مشخص برای حل یک مسئله استفاده می کنند. راه حلی که مسئله از آن طریق حل می شود باید از قبل شناخته شود و به صورت دستورات کوتاه و غیر مبهمی شرح داده شود. این دستورات سپس به زبان های برنامه نویسی سطح بالا برگردانده می شود و بعد از آن به کدهایی که کامپیوتر قادر به درک آنها است تبدیل می شود. به طور کلی این ماشین ها قابل پیش گویی هستند و اگر چیزی به خطا انجام شود به یک اشتباه سخت افزاری یا نرم افزاری بر می گردد.
شبکه های عصبی و کامپیوتر های معمولی با هم در حال رقابت نیستند بلکه کامل کننده یکدیگرند. وظایفی وجود دارد که بیشتر مناسب روش های الگوریتمی هستند نظیر عملیات محاسباتی و وظایفی نیز وجود دارد که بیشتر مناسب شبکه های عصبی هستند. حتی فراتر از این، مسائلی وجود دارد که نیازمند به سیستمی است که از ترکیب هر دو روش بدست می آید(به طور معمول کامپیوتر های معمولی برای نظارت بر شبکه های عصبی به کار گرفته می شوند) به این قصد که بیشترین کارایی بدست آید.
شبکه های عصبی معجزه نمی کنند اما اگر خردمندانه به کار گرفته شوند نتایج شگفت آوری را خلق می کنند.

سابقه تاریخیبه نظر میآید شبیهسازیهای شبکه عصبی یکی از پیشرفتهای اخیر باشد. اگرچه این موضوع پیش از ظهور کامپیوترها بنیانگذاری شده و حداقل یک مانع بزرگ تاریخی و چندین دوره مختلف را پشت سر گذاشته است.
خیلی از پیشرفتهای مهم با تقلیدها و شبیهسازیهای ساده و ارزان کامپیوتری بدست آمده است. در پی یک دوره ابتدائی اشتیاق و فعالیت در این زمینه، یک دورهی بیمیلی و بدنامی را هم پشت سرگذاشته است. در طول این دوره سرمایه گذاری و پشتیبانی حرفهای از این موضوع در پایینترین حد خود بود، پیشرفتهای مهمی به نسبت تحقیقات محدود در این زمینه صورت گرفت که بدین وسیله پیشگامان قادر شدند تا به گسترش تکنولوژی متقاعدکنندهای بپردازند که خیلی برجستهتر از محدودیتهایی بود که توسط Minsky و Papert شناسانده شد. Minsky وPapert کتابی را در سال 1969 منتشر کردند که در آن عقیده عمومی راجع به میزان محرومیت شبکههای عصبی را در میان محققان معین کرده بود و بدین صورت این عقیده بدون تجزبه و تحلیلهای بیشتر پذیرفته شد. هماکنون، زمینه تحقیق شبکههای عصبی از تجدید حیات علایق و متناظر با آن افزایش سرمایهگذاری لذت میبرد.
اولین سلول عصبی مصنوعی در سال 1943 بهوسیله یک neurophysiologist به نامWarren McCulloch و یک منطق دان به نام Walter Pits ساخته شد اما محدودیتهای تکنولوژی در آن زمان اجازه کار بیشتر به آنها نداد.
ساختار شبکه های عصبی مصنوعیشبکه های عصبی مصنوعی جز آن دسته از سیستمهای دینامیکی قرار دارند که با پردازش روی دادههای تجربی، دانش یا قانون نهفته در ورای دادهها را به ساختار شبکه منتقل میکنند. به همین خاطر به این سیستمها هوشمند میگویند، چرا که بر اساس محاسبات روی دادههای عددی یا مثالها، قوانین کلی را یاد می گیرند. برای نخستین بار شخصی به نام سگال اعلام کرد که مغز از عناصر اصلی ساختاری به نام نرون تشکیل شده است و هر نرون بیولوژیکی به عنوان اجتماعی از مواد آلی، اگر چه دارای پیچیدگی یک میکروپروسسور است، ولی دارای سرعت محاسباتی برابر با یک میکروپروسسور نیست. دانشمندان علم بیولوژی دریافتهاند که عملکرد نرونهای بیولوژیکی از قبیل ذخیرهسازی و حفظ اطلاعات، در خود نرونها و ارتباطات بین نرونها نهفته است. گرچه همه نرونها کارکرد یکسانی دارند، ولی اندازه و شکل آنها بستگی به محل استقرارشان در سیستم عصبی دارد.
با وجود این همه تنوع، بیشتر نرونها از سه قسمت اساسی تشکیل شدهاند:
بدنه سلول (که شامل هسته و قسمت های حفاظتی دیگر است)
دندریت
اکسون
دو قسمت آخر، عناصر ارتباطی نرون را تشکیل می دهند. شکل 2-1 ساختمان سلول عصبی را نشان میدهند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 1: ساختمان سلول عصبینرون ها بر اساس ساختارهایی که بین آنها پیامها هدایت میشوند به سه دسته تقسیم میگردند:
نرونهای حسی که اطلاعات را از ارگانهای حسی به مغز و نخاع می فرستند.
نرونهای محرک که سیگنالهای فرمان را از مغز و نخاع به ماهیچهها و غدد هدایت میکنند.
نرونهای ارتباطی که نرونها را به هم متصل میکنند.
روابط بین نرونهای ارتباطی موجبات انجام کارهای پیچیده را از قبیل تفکر، احساسات، ادراک و محفوظات فراهم میآورد. با توجه به مقدمات فوق، میتوان گفت که با تمام اغراقها در مورد شبکههای عصبی مصنوعی، این شبکهها اصلا سعی در حفظ پیچیدگی مغز ندارند. از جمله شباهت این دو سیستم میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
بلوکهای ساختاری در هر دو شبکه مصنوعی و بیولوژیکی، دستگاههای محاسباتی خیلی ساده هستند و علاوه بر این، نرونهای مصنوعی از سادگی بیشتری برخوردار هستند.
ارتباطهای بین نرونها، عملکرد شبکه را تعیین میکند اگر چه نرونهای بیولوژیکی از نرونهای مصنوعی که توسط مدارهای الکتریکی ساخته میشوند، بسیار کندتر هستند(یک میلیون بار)، اما عملکرد مغز، خیلی سریعتر از عملکرد یک کامپیوتر معمولی است. علت این پدیده بیشتر به خاطر ساختار کاملا موازی نرونها است و این یعنی همه نرونها معمولا به طور همزمان کار میکنند و پاسخ میدهند.
شبکههای عصبی مصنوعی هم دارای ساختار کاملا موازی هستند. اگرچه بیشتر شبکههای عصبی مصنوعی هم اکنون توسط کامپیوترهای سریع پیادهسازی میشوند، اما ساختار موازی شبکههای عصبی، این امکان را فراهم میآورد که به طور سختافزاری، توسط پردازشگرهای موازی، سیستمهای نوری و تکنولوژی پیاده سازی شوند.
شبکههای عصبی مصنوعی با وجود این که با سیستم عصبی طبیعی قابل مقایسه نیستند ویژگیهایی دارند که آنها را در بعضی از کاربردها مانند تفکیک الگو، رباتیک، کنترل و به طور کلی در هرجا که نیاز به یادگیری یک نگاشت خطی و یا غیرخطی باشد، ممتاز مینماید. این ویژگی ها به شرح زیر هستند:
قابلیت یادگیری: استخراج نتایج تحلیلی از یک نگاشت غیرخطی که با چند مثال مشخص شده، کار سادهای نیست. زیرا نرون یک دستگاه غیرخطی است و در نتیجه یک شبکه عصبی که از اجتماع این نرونها تشکیل میشود نیز یک سیستم کاملا پیچیده و غیرخطی خواهد بود. بهعلاوه، خاصیت غیرخطی عناصر پردازش، در کل شبکه توزیع میگردد. پیادهسازی این نتایج با یک الگوریتم معمولی و بدون قابلیت یادگیری، نیاز به دقت و مراقبت زیادی دارد. در چنین حالتی سیستمی که بتواند خود این رابطه را استخراج کند، بسیار سودمند بهنظر میرسد. خصوصا افزودن مثالهای احتمالی در آینده به یک سیستم با قابلیت یادگیری، به مراتب آسانتر از انجام آن در یک سیستم بدون چنین قابلیتی است، چراکه در سیستم اخیر، افزودن یک مثال جدید به منزله تعویض کلیه کارهای انجام شده قبلی است. قابلیت یادگیری یعنی توانایی تنظیم پارامترهای شبکه(وزنهای سیناپتیکی) در مسیر زمان که محیط شبکه تغییر میکند و شبکه شرایط جدید را تجربه میکند، با این هدف که اگر شبکه برای یک وضعیت خاص آموزش دید و تغییر کوچکی در شرایط محیطی آن(وضعیت خاص) رخ داد، شبکه بتواند با آموزش مختصر برای شرایط جدید نیز کارآمد باشد.
پراکندگی پردازش اطلاعات بهصورت متن: آنچه شبکه فرا میگیرد(اطلاعات یا دانش) در وزنهای سیناپسی مستتر میباشد. رابطه یکبهیک بین ورودیها و وزنهای سیناپتیکی وجود ندارد. میتوان گفت که هر وزن سیناپسی مربوط به همه ورودیها است ولی به هیچیک از آنها به طور منفرد و مجزا مربوط نیست. بهعبارت دیگر هر نرون در شبکه، از کل فعالیت سایر نرونها متاثر است. در نتیجه، اطلاعات بهصورت متن توسط شبکههای عصبی پردازش میشوند. بر این اساس چنانچه بخشی از سلولهای شبکه حذف شوند و یا عملکرد غلط داشته باشند باز هم احتمال رسیدن به پاسخ صحیح وجود دارد. اگر چه این احتمال برای تمام ورودیها کاهش یافته ولی برای هیچ یک از بین نرفته است.
قابلیت تعمیم: پس از آنکه مثالهای اولیه به شبکه آموزش داده شد، شبکه میتواند درمقابل یک ورودی آموزش داده نشده قرار گیرد و یک خروجی مناسب ارائه کند. این خروجی بر اساس مکانیزم تعمیم، که همانا چیزی جز فرایند درونیابی نیست به دست میآید. به عبارت روشنتر، شبکه، تابع را یاد میگیرد، الگوریتم را میآموزد یا رابطه تحلیلی مناسبی را برای تعدادی نقاط در فضا به دست میآورد.
پردازش موازی: هنگامیکه شبکه عصبی در قالب سختافزار پیاده میشود، سلولهایی که در یک تراز قرار میگیرند میتوانند بهطور همزمان به ورودیهای آن تراز پاسخ دهند. این ویژگی باعث افزایش سرعت پردازش میشود. در واقع در چنین سیستمی، وظیفه کلی پردازش بین پردازندههای کوچکتر مستقل از یکدیگر توزیع میگردد.
مقاوم بودن: در یک شبکه عصبی هر سلول به طور مستقل عمل میکند و رفتار کلی شبکه، برآیند رفتارهای محلی سلولهای متعدد است؛ این ویژگی باعث می شود تا خطاهای محلی از چشم خروجی نهایی دور بمانند.
مبانی محاسباتی شبکه های عصبی مصنوعیدر شکل های 2-2 و 2-3 الگوی کلی یک شبکه عصبی مصنوعی نشان داده شده است. در الگوی نشان داده شده در شکل 2-2، سه لایه قابل تشخیص است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 2: الگوی کلی از یک شبکه عصبیلایه ورودیلایه ورودی: یک لایه از نرونها که اطلاعات را از منابع بیرونی دریافت میکنند و آنها را به شبکه منتقل میکنند.
لایه پنهانیلایه پنهانی: یک لایه از نرونها که اطلاعات را از لایه ورودی دریافت میکنند و آنها را به صورت مخفی پردازش می کنند.
لایه خروجیلایه خروجی:لایهای از نرونها که اطلاعات پردازششده را دریافت میکنند و آنها را به سیستم میفرستند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 3: شماتیک ارتباطات بین لایه ها و وزن های سیناپتیکی در شبکه عصبیبایاس: مانند یک افست روی سیستم عمل میکند. عمل بایاس به اینگونه است که یک سرآغاز برای فعال سازی نرون ایجاد میکند. بایاس روی لایه مخفی و لایه خروجی عمل میکند.
تناظر بین شبکه عصبی و شبکه عصبی مصنوعی در شکل 2-4 قابل مشاهده است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 4: تناظر بین شبکه عصبی و شبکه عصبی مصنوعیتعداد نرونهای ورودیها به تعداد متغیر ورودی و تعداد نرونهای خروجی به تعداد متغیرهای پاسخ بستگی دارد. تعداد نرونهای لایه مخفی هم به کاربرد شبکه بستگی دارد. مهمترین عنصر شبکههای عصبی، نرون است. نرونها شامل عناصر محاسباتی هستند که عمل یک شبکه عصبی را انجام می دهند. شکل 2-5 یک نرون از شبکه عصبی را نشان میدهد.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 5: نمای شماتیک یک نرونعناصر محاسباتی یک نرونورودیها و خروجیها: ورودیها باan ، a2 ، a1 و خروجیها با bj نمایش داده شدهاند.
وزن ها: این متغیرها باwnj ،w2j و w1j نمایش داده میشوند که هر کدام به یک ورودی مرتبط هستند. این متغیرها همانند سیناپسها در سلولهای عصبی واقعی هستند. آنها ضرایب تطبیقپذیری در شبکه هستند که شدت سیگنال ورودی را معین میکنند. هر ورودی با وزن مربوطهاش ضرب شده و نرون از حاصلجمع این حاصلضربها استفاده میکند. اگر علامت وزن مثبت باشد، حاصلضرب وزن در ورودی اثر نرون را تقویت میکند و اگر منفی باشد، اثر نرون را کم میکند. در یک شبکه عصبی مقدار وزنها با توجه به یک توزیع آماری مشخص میشوند و سپس در طول آموزش شبکه این مقادیر تغییر کرده و به مقدار ثابتی خواهند رسید.
بایاس ورودی: ورودی دیگر به نرون، T است که به سرآغاز یا بایاس معروف است.
بایاس یک مقدار تصادفی است که به صورت زیر در معادله نرون وارد می شود:
(2-1) Total Activation= xi= i=1n(wij ai)- Tj Total Activation به اندازه بایاس ورودی بستگی دارد. اگر بایاسی به نرون وارد نشود، بایاس صفر فرض می شود.
در شکل 2-6 اجزای یک نرون بیولوژیکی و مصنوعی مقایسه شده است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 6: شبیه سازی یک نرون بیولوژیکی و مصنوعیتابعانتقال، برروی Total Activation عمل کرده وخروجی نرون مشخص میشود. تابع انتقال میتواند به صورت خطی یا غیرخطی عمل کند. تعدادی از توابع انتقال بهصورت شکل 2-7 میباشند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 7: برخی از توابع انتقال غیرخطی قابل استفاده در شبکه عصبی
معرفی برخی از توابع انتقال خطی و غیرخطی قابل استفاده در شبکه عصبیاز توابع انتقال دیگر رایج در شبکه عصبی می توان توابع زیر را نام برد:
تابع انتقال Hard limitاین تابع انتقال در صورتی که n<0 باشد خروجی 0 (صفر) و در صورتی که n≥0 باشد خروجی 1 می دهد. منحنی این تابع در شکل 2-8 قابل مشاهده است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 8: تابع انتقال Hard limitتابع انتقال خطیاین تابع همان مقدار ورودی را به عنوان خروجی چاپ می کند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 9: تابع انتقال خطی
تابع انتقال Log sigmoidاین تابع انتقال مقادیر ورودی را در محدوده ی ∞- تا ∞ دریافت و خروجی بین 0 و 1 تولید می نماید.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 10: تابع انتقال Log sigmoidتابع انتقال Radial basis
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 11: تابع انتقال Radial basisتابع انتقال Tan sigmoid
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 12: تابع انتقال Tan sigmoidنحوه عملکرد شبکه عصبیهمان‌طور که در شکل 2-13 مشاهده می‌کنید، نرون‌ها به صورت گروهی لایه‌بندی می‌شوند. وقتی سیگنال یا پالسی  به یک لایه ارسال می‌شود، این سیگنال از لایه بالایی شروع به فعالیت می‌کند و توسط نرون‌های آن لایه بررسی و اصلاح می‌گردد. در حقیقت هر نورون قدرت سیگنال را بالا می‌برد و آن پالس را به لایه بعدی انتقال می‌دهد.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 13: نمایش لایه ای از شبکه عصبیهمان‌طور که در شکل 2-14 مشاهده می‌کنید، این شبکه دارای سه لایه است. لایه 1 یا لایه بالایی این شبکه که در حقیقت لایه ورودی است، پارامترهای پالس را تنظیم می‌کند و این مقادیر را همراه سیگنال یا پالس به لایه‌های بعدی پاس می‌دهد، ولی نرون‌های لایه 3 یا لایه خروجی‌ که در پایین‌ترین سطح شبکه قرار دارد، هیچ سیگنالی را به لایه دیگری نمی‌فرستند و در واقع فقط خروجی دارند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 14: نمایش شبکه عصبی سه لایه ایحال قسمت اصلی کار شبکه فرا می‌رسد؛ یعنی آموختن به شبکه عصبی.
برای این‌که به شبکه عصبی موجود توانایی آموختن بدهیم، بعد از این‌که سیگنال از لایه اول شبکه به لایه پایینی شبکه می‌رود، باید اطلاعات هر نورون را که روی سیگنال ما اثر می‌گذارد، بروزآوری و اصلاح کنیم. این رویه را به اصطلاح BP یا Back Propagation می‌گویند.
در حقیقت با این کار یعنی مقایسه خروجی‌ای که خودمان محاسبه کرده‌ایم با خروجی شبکه، می‌توانیم مقدار اشتباهاتی که شبکه ما انجام می‌دهد را به دست آوریم. مثلاً تصور کنید که در یک سلول نورون در لایه آخر شبکه یا لایه خروجی اشتباهی داریم، هر نورون در واقع رکورد تمامی نرون‌هایی که سیگنال از آن عبور می‌کند را نگهداری می‌نماید و می‌داند که کدام یک از نرون‌های قبلی یا به اصطلاح نرون‌های والد باعث این اشتباه می‌شوند. همچنین می‌دانیم که هر کدام از این نرون‌های شبکه یک مقدار اشتباه را محاسبه کرده‌اند و از این طریق شبکه ما می‌تواند یاد بگیرد و اگر مقدار دیگری نیز به آن داده شد، می‌تواند توانایی محاسبه داشته باشد.
توابع آموزشدر نرم افزار MATLAB 7.8(2009a) هر یک از توابع موجود در جدول 2-1 را به عنوان تابع آموزش شبکه می توان استفاده نمود.
جدول 2- SEQ جدول_2- * ARABIC 1: انواع توابع آموزشآموزش به روش پس انتشار شبه نیوتن trainbfg
آموزش به روش پس انتشار شیب به روش Powell-Beale traincgb
آموزش به روش پس انتشار شیب به روش Fletcher-Powell traincgf
آموزش به روش پس انتشار شیب به روش Polak-Ribiere traincgp
آموزش به روش پس انتشارکاهش شیب traingd
آموزش به روش الگوریتم کاهش شیب پس انتشار به وسیله ی قاعده ی آموزش سازگار traingda
آموزش به روش الگوریتم کاهش شیب پس انتشار مومنتوم و پس انتشار آموزش سازگار traingdx
آموزش به روش پس انتشار شیب Levenberg-Marquardt trainlm
آموزش به روش پس انتشار Resilient trainrp
آموزش به روش پس انتشار گرادیان مقیاس بندی شده trainscg
فصل سومبهینه سازی مدل با استفاده از الگوریتم ژنتیک
مقدمه ای بر الگوریتم ژنتیکالگوریتم ژنتیک از دسته الگوریتم های بهینه سازی تکاملی و برگرفته از نظریه تکامل زیستی داروین (١٨۵٩) است. این الگوریتم اول بار توسط جان هولند معرفی شد الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی مسائل پیچیده به ویژه در مسائلی که اطلاعات کافی در مورد فضای جستجو در دسترس نیست بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه الگوریتم ژنتیک تضمین نمی کند که بهترین جواب ممکن را تولید کند اما معمولا در زمان کوتاهی با تقریب مناسب جواب بهینه را تولید خواهد کرد. برای حل هر مسئله به کمک الگوریتم ژنتیک، مجموعه ای از جواب های ممکن برای مسئله، با جمعیتی از کروموزوم ها مدل می شود. به هر کروموزوم بر اساس میزان برآورده کردن مطلوبات مورد نظر یک ضریب تناسب نسبت می دهیم. با اعمال عملگرهای الگوریتم ژنتیک مانند تولید مثل ژنتیکی ، جهش ژنتیکی و انتخاب گونه های قوی تر بر این جمعیت، به تدریج مجموعه جواب به سمت جواب های بهینه پیش می رود. در زیر برخی از این عملگرهای ژنتیکی توضیح داده شده اند:
انتخاب گونه های قوی تر: در هر نسل کروموزوم هایی که جواب های مناسب تر را مدل می کنند برای تولید نسل جدید انتخاب می شوند و گونه های ضعیف تر به تدریج حذف می شوند.
تولید مثل ژنتیکی: ژن های دو کروموزوم انتخاب شده برای تولید مثل به صورت تصادفی با هم ترکیب می شوند و کروموزوم های جدیدی تولید می شود.
جهش ژنتیکی: به صورت تصادفی تغییراتی در برخی ژن های موجود در تعدادی از کروموزوم ها ایجاد می کنند که منجر به تولید کروموزوم های جهش یافته می شود.
نکات مهم در الگوریتم های ژنتیکالف- شرایط جمعیت اولیه می‌تواند در سرعت رسیدن به جواب بسیار تأثیرگذار باشد. یعنی اگر جمعیت اولیه مناسب‌تر باشد، بسیار سریع‌تر به جواب می‌رسیم. بنابراین گاهی در بعضی از مسئله‌ها به جای آن که جمعیت اولیه به صورت تصادفی ایجاد شود، از اعمال شرایط خاص مسئله به جمعیت اولیه نیز استفاده می‌شود.
ب- با توجه به وجود پارامترهای تصادفی در الگوریتم مسئله حتی در صورت استفاده از جمعیت اولیه یکسان ممکن است در اجراهای مختلف الزاماً جواب های یکسان به دست نیاید و البته در صورت استفاده از جمعیت اولیه متناوت این پدیده ملموس تر خواهد بود.
ج- تابع هدف در این‌گونه از الگوریتم‌ها از اهمیت بسزایی برخوردار است؛ چرا که معمولاً در اکثر مسائل در اثر ترکیب، حالت‌هایی رخ می‌دهد که منطبق بر شرایط مسئله نیست و حتی فاقد معنی و مفهوم است. بنابراین تابع ارزش باید به گونه‌ای طراحی شود که به ازای این حالات مقادیر بسیار کمی برگرداند و از طرفی باید برای نزدیک شدن به هدف بسیار خوب تخمین بزند(این همان نکته ای است که در مدل سازی با استفاده از شبکه عصبی و همچنین استخراج یک تایع هدف مناسب در فصل قبل به آن پرداخته شده است که نتایج کار را در فصل های آتی مشاهده خواهد شد).

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

د- یکی از پدیده‌های جالب این است که ممکن است در نسل‌های میانی نمونه‌هایی بروز کنند که از نظر تابع ارزش و خوب بودن بسیار مناسب باشند. یک روش این است که اینگونه موارد را شناسایی کنیم و در نسل بعدی نیز از آن‌ها استفاده کنیم. به این تکنیک نخبه‌گرایی می‌گویند که عملاً تأثیر بسزایی در رسیدن به جواب مسئله دارد[15].
مفاهیم اولیه در الگوریتم ژنتیکاصول پایه
الگوریتم های ژنتیکی براساس تئوری تکاملی داروین می باشند و جواب مساله ای که از طریق الگوریتم ژنتیک حل می شود مرتباً بهبود می یابد. الگوریتم ژنتیک با یک مجموعه از جواب ها که از طریق کرموزومها نشان داده می شوند شروع می شود. این مجموعه جواب ها جمعیت اولیه نام دارند. در این الگوریتم جواب های حاصل از یک جمعیت برای تولید جمعیت بعدی استفاده می شوند. در این فرایند امید است که جمعیت جدید نسبت به جمعیت قبلی بهتر باشد. انتخاب بعضی از جواب ها از میان کل جواب ها(والدین) به منظور ایجاد جواب های جدید یا همان فرزندان بر اساس میزان مطلوبیت آن ها می باشد. طبیعی است که جواب های مناسب تر شانس بیشتری برای تولید مجدد داشته باشند. این فرایند تا برقراری شرطی که از پیش تعیین شده است مانند تعداد جمعیت ها یا میزان بهبود جواب ادامه می یابد.
شمای کلی الگوریتم ژنتیک
١) تولید جمعیت تصادفی شامل n کروموزوم
٢) بررسی تابع هدف (x) f هر کروموزوم در جمعیت
٣) ایجاد یک جمعیت جدید بر اساس تکرار قدم های زیر:
3-١) انتخاب دو کروموزوم والد از یک جمعیت بر اساس میزان مطلوبیت آن ها
3-٢) درنظر گرفتن مقدار مشخصی برای احتمال اعمال عملگر تقاطعی
وسپس انجام عملیات ترکیب بر روی والدین به منظور ایجاد فرزندان. اگر هیچ ترکیب جدیدی صورت نگیرد، فرزندان همان والدین خواهند بود.
٣-3) در نظر گرفتن احتمال جهش وسپس تغییرفرزندان با اعمال عملگرجهشی
3-۴) جایگزینی فرزندان جدید در جمعیت جدید
۴) استفاده از جمعیت جدید برای اجراهای بعدی الگوریتم
5) توقف اجرای الگوریتم در صورت مشاهده شرایط توقف و برگرداندن بهترین جواب در جمعیت فعلی
۶) رفتن به قدم ٢
همانطور که مشاهده می شود، اصول پایه ای الگوریتم ژنتیک بسیار عمومی است. بنابراین برای مسائل مختلف فاکتورهای مختلف زیادی وجود دارد که باید مورد بررسی قرار گیرد. اولین سؤال این است که ایجاد یک کروموزوم چگونه است؟ یا اینکه چه نوعی از کدینگ انتخاب شود؟
دوعملگر بسیار مهم و پایه ای الگوریتم ژنتیک عملگرهای تقاطعی وجهشی می باشند. سؤال بعدی این است که برای ترکیب والدین به منظور ایجاد فرزندان جدید چگونه والدین را انتخاب کنیم. این کار به طرق مختلف می تواند صورت بگیرد، اما ایده اصلی در تمامی آن ها این است که والدین بهتر انتخاب شوند، به این امید که والدین بهتر باعث ایجاد فرزندان بهتر شوند. مساله ای که ممکن است در اینجا مورد سؤال باشد این است که اگر جمعیت جدید تنها از طریق فرزندان جدید ایجاد شود، این فرایند منجر به حذف بهترین کرموزوم های نسل قبل می گردد. برای جلوگیری از این پیشامد، همیشه بهترین جواب نسل قبل را بدون هیچ تغییری به نسل جدید منتقل می کنیم.
کد کردنالگوریتم ژنتیک بجای اینکه بر روی پارامترها یا متغیرهای مساله کارکند، با شکل کد شده آن ها بطور مناسب سر و کار دارد. روش های کدگذاری متداول در الگوریتم ژنتیک عبارتند از کدینگ باینری، کدینگ درختی، کدینگ ارزشی و کدینگ جهشی. تعداد بیت هایی که برای کدگذاری متغیرها استفاده می شود وابسته به دقت مورد نظر برای جواب ها، محدوده تغییرات پارامترها و رابطه بین متغیرها می باشد.
انواع کدینگکدینگ به دو صورت کلی می باشد :
کدینگ مستقیم
در این روش کل یک جواب به عنوان یک کروموزوم در نظر گرفته می شود. برای مسائل پیچیده چنین روشی مناسب نیست، زیرا عملگرهای ژنتیکی بخاطرگستردگی زیاد فرزندان، غیرکاربردی می شوند و در نتیجه منجر به جواب های غیرقابل قبول و غیرقانونی می شوند.
کدینگ غیرمستقیم
در این روش تنها قسمتی از یک جواب بصورت یک کروموزوم کد می شود.
روش های کدینگکدینگ باینریاین نوع کدینگ، متداولترین نوع کدینگ می باشد. در این روش کدگذاری، هر کروموزوم یک رشته از بیت های شامل ٠و ١ می باشد. کدینگ باینری می تواند حالت های زیادی را پوشش دهد.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 1: کدینگ باینریاز طرف دیگر این نوع کدینگ برای خیلی از مسائل حالت طبیعی ندارد و اغلب اوقات لازم است که بعد از تقاطع و جهش اصلاحاتی صورت بگیرد.
کدینگ جهشیاین نوع کدینگ می تواند در مسائل ترتیبی نظیر مساله فروشنده دوره گرد یا مساله ترتیب کارها بکار رود. در کدینگ جهشی، هر کروموزوم یک رشته از اعداد می باشد. شکل زیر نمونه ای از این نوع کدینگ را نشان می دهد.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 2: کدینگ جهشیکدینگ جهشی تنها برای مسائل ترتیبی مفید است حتی برای همین مسائل نیز گاهی اوقات باید تقاطع ها و جهش های اصلاحی به منظور ایجاد کروموزوم های سازگار و مناسب انجام شود.
کدینگ ارزشیاین نوع کدینگ درمسائلی که در آن ها مقادیر پیچیده نظیر اعداد حقیقی بکارمی روند استفاده می شود. استفاده از کدینگ باینری برای چنین مسائلی بسیار سخت می باشد. در کدینگ ارزشی هر ژن یک کروموزوم ارزش خاصی دارد. این پارامتر باارزش می تواند عدد، حرف یا کلمه باشد. در این نوع کدینگ نیاز به توسعه عملگرهای جابجایی و جهش جدیدی برای مسائل خاص می باشد.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 3: کدینگ ارزشیکدینگ درختیکدینگ درختی در برنامه های تکاملی به منظور برنامه ریزی تکاملی بکار می رود. در کدینگ درختی هرکروموزوم یک درخت از اشیائی نظیر توابع یا دستورها در زبان برنامه نویسی می باشد. شکل زیر دو نمونه از این کروموزوم ها را نشان می دهد. این نوع کدینگ برای برنامه های تکاملی بسیار عالی است. اغلب از این نوع کدینگ استفاده می شود و این بدین علت است که برنامه LISP زبان برنامه نویسی های آن به این فرم نمایش داده می شوند و می توانند براحتی مورد تجزیه قرار بگیرند. بنابراین عمل تقاطع و جهش نیز به همان نسبت راحت انجام می شوند.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 4: کدینگ درختیمسائل مربوط به کدینگنکته ای که در انتهای این قسمت باید به آن توجه کرد این است که در الگوریتم های ژنتیکی کدینگ یک رابطه بین فضای کدینگ و فضای جواب ها می باشد بطوریکه الگوریتم ژنتیک عملیات تکاملی را بطور متناوب در این دو فضا انجام می دهد(شکل3-5). انتخاب طبیعی نیز به عنوان یک رابطه بین کروموزوم ها و عملکرد جواب های کد شده آن ها می باشد.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 5: فضای کدینگ و فضای جوابهمانطور که ذکر شد، نحوه کدینگ یک جواب به صورت یک کروموزوم یک موضوع کلیدی در الگوریتم ژنتیک می باشد. در کدینگ های غیر رشته ای سه موضوع بسیار مهم مطرح است که عبارتند از:
قابل قبول بودن کروموزوم

user8310

2-5-2- سیستم‌های دومرحله‌ای 21
فصل سوم-تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر 23
3-1- استفاده از توربوشارژر برای موتور گازسوز 24
3-2- تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر 24
3-3- کاهش مشکلات توربوشارژینگ 25
3-3-1- جلوگیری از تولید کوبش 25
3-3-1-1- روش های جلوگیری از تولید کوبش 26
3-3-2- کنترل افزایش فشار در توربوشارژر 28
3-3-3- زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی 30
3-3-6- تأثیر توربوشارژر بر آلودگی خروجی 30
فصل چهارم- انطباق توربوشارژر 31
4-1- انطباق موتور و توربوشارژر 32
4-2- تعیین پارامترهای توربین و کمپرسور 32
4-3- انتخاب توربوشارژر 34
4-4 نواحی کاری کمپرسور 35
4-5- دریچه کنترل توربین 37
4-6- تاخیر در عملکرد توربوشارژر 37
4-7 تغییر در شرایط ورودی 38
4-8- فصل پنجم-مدلسازی موتور 40
5-1- مقدمه 41
5-2- تحلیل جریان در راهگاههای موتور با استفاده از رفتار موج فشاری 41
5--3 محاسبه پارامترهای عملکردی موتور 43
5-3- 1- فشار موثر متوسط اندیکاتوری و ترمزی 43
5-3-2- توان و مصرف سوخت ویژه 44
5-4- مدلسازی بازده حجمی 44
5-5- مدلسازی اصطکاک موتور 45
5-6- مدل اصطکاک جریان سیال 46
5-7-محاسبه ضریب جریان 47
5-8- محاسبه دبی جریان عبوری از سوپاپ 48
5-9-مدل انتقال حرارت بین سیال و راهگاههای جریان 49
5-10-مدلسازی انتقال حرارت در داخل سیلندر 49
5-11- مدلسازی پرخورانی موتور با استفاده از عملکرد پرخوران
5-11-1- انتخاب کمپرسور
5-11-2-انتخاب توربین 51
51
52
فصل شش - مدلسازی موتور EF7 با استفاده از نرم افزار GT-POWER 54
6-1- مدلسازی پورت های ورودی و خروجی 55
6-2- مدلسازی منیفولد و دریچه گاز 55
6-3- مدلسازی انژکتور 58
6-4- مشخصات سیلندر 59
6-5- مدلسازی توربوشارژر 60
6-6- مدلسازی خنک کن میانی 60
6-7- مدلسازی کاتالیست 61
6-8- مدلسازی احتراق 61
فصل هفت- نتایج توربوشارژ کردن موتور EF7 63
7-1- تغییرات اعمال شده به موتور تنفس طبیعی 64
7-2- تعیین هدف 66
7-3- نکاتی در مورد انتخاب توربوشارژر 67
7-4- مشخصات توربوشارژرهای انتخابی 68
7-5- اصطکاک موتورEF7 69
7-6- انتقال حرارت در داخل سیلندر 70
7-7- کالیبراسیون مدل موتور پرخورانی شده 70
7-8- پارامترهای عملکردی موتورEF7 در حالت بار کامل 84
7-9- مقایسه عملکرد دو توربوشارژر با استفاده از نتایج مدل 80
7-10- تعیین بهینه پارامترهای طراحی موتور پرخوران شده با استفاده از مدل 85
(فصل)هشتم-آنالیز حساسیت موتور EF7 95
8-1- آنالیز حساسیت 96
8-1-1- فشار موثر متوسط ترمزی 98
8-1-2-مصرف مخصوص ترمزی سوخت 99
8-1-3- راندمان حجمی 101
8-1-4-سرعت توربین 102
8-1-5- راندمان کمپرسور 104
8-1-6- فشار در پائین دست کمپرسور 105
8-1-7-جریان هوا 107
8-1-8- جریان سوخت 108
8-1-9- گشتاور ترمزی موتور 110
8-1-10- دمای پائین دست کمپرسور 111
8-1-11- دمای پائین دست خنک کن 113
8-1-12- دمای منیفولد 114
8-1-13- فشار منیفولد 116
8-1-14- فشار ورودی توربین 117
8-1-15- فشار خروجی توربین 119
8-1-16- دمای ورودی توربین 120
8-1-17- دمای خروجی از توربین 122
8-1-18- راندمان توربین 123
8-1-19- راندمان اندیکاتوری موتور 125
8-1-20- توان مصرفی کمپرسور 126
8-1-21- فشار موثر متوسط اندیکاتوری 128
8-1-22- ماکزیمم فشار سیلندر 129
8-1-23- درجه ماکزیمم فشار سیلندر 130
8-1-24- ماکزیمم دمای سیلندر 132
8-1-25- فشار ورودی به سیلندر 134
8-1-26- دمای ورودی به سیلندر 135
8-1-27- فشار خروجی از سیلندر 137
8-1-28- دمای خروجی از سیلندر 138
فصل نهم-سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده 140
9-1- هدف از سوپرتوربوشارژ کردن 141
9-2- سوپرشارژر روتز
9-3- مدلسلزی و نتایج سوپر شارژینگ 142
143
پیشنهادات
لیست مقالات ارائه شده 151
151
نتایج 152
ضمیمه 156
مراجع 161
چکیده انگلیسی 166
فهرست جداول
جدول(2-1) مقایسه یک موتور توربوشارژری و تنفس طبیعی با گشتاور و توان حداکثر برابر
جدول (5-1) توضیح پارامترهای معادله (5-18)
جدول (6-1) مشخصات هندسی سیلندر موتور تنفس طبیعی
جدول (7-1) مشخصات هندسی سیلندر موتور پرخوران شده
جدول (7-2) مقادیر ثابت فشار موثر متوسط اصطکاکی در دورهای مختلف
جدول(8-1) جدول تعریف متغیرها و مقدار آنها
جدول (8-2) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار موثر متوسط ترمزی
جدول (8-3) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی مصرف مخصوص ترمزی سوخت
جدول (8-4) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان حجمی
جدول (8-5) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی سرعت توربین
جدول (8-6) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان کمپرسور
جدول (8-7) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار در پائین دست کمپرسور
جدول (8-8) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی جریان هوا
جدول (8-9) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی جریان سوخت
جدول (8-10) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی گشتاور موتور
جدول (8-11) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای پائین دست کمپرسور
جدول (8-12) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای پائین دست خنک کن
جدول (8-13) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای منیفولد
جدول (8-14) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار منیفولد
جدول (8-15) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار ورودی توربین
جدول (8-16) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار خروجی توربین
جدول (8-17) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای ورودی توربین
جدول (8-18) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای خروجی از توربین
جدول (8-19) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان توربین
جدول (8-20) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان اندیکاتوری موتور
جدول (8-21) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان توربین
جدول (8-22) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار موثر متوسط اندیکاتوری
جدول (8-23) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی ماکزیمم فشار سیلندر
جدول (8-24) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی درجه مربوط به ماکزیمم فشار
جدول (8-25) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی ماکزیمم دمای سیلندر
جدول (8-26) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار ورودی به سیلندر
جدول (8-27) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای ورودی به سیلندر
جدول (8-28) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار خروجی از سیلندر
جدول (8-29) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای خروجی از سیلندر
جدولA-1 نام های توربین و کمپرسور دو توربوشارژر
جدول A-2 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر1
جدول A-3 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر 2
جدول(A-4 ) مشخصات عملکردی توربین
فهرست اشکال
شکل (2-1) یک نمونه سوپرشارژ
شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتیک
شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
شکل(3-1) رابطه بین نسبت تراکم و افزایش فشار ورودی موتور
شکل (4-1) نقشه عملکرد یک کمپرسور
شکل (4-2) مشخصه یک توربین جریان محوری
شکل(5-1) المان در نظر گرفته شده
شکل (6-1) طرحواره پورت های ورودی و خروجی
شکل (6-2) مدل سازی منیفولد توسط چند انشعاب
شکل (6-3) قرار دادن دستگاه مختصات در مرکز انشعاب
شکل (6-4) دریچه گاز
شکل (6-5) مشخصات هندسی سیلندر
شکل(6-6) زمانبندی جرقه در دورهای مختلف(TDC=0)
شکل (7-1) منحنی لیفت و زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی برای دو موتور تنفس طبیعی و پرخوران شده EF7
شکل (7-2 ) مقدار افزایش مورد نظر درگشتاور موتور در حالت تمام بار
شکل (7-3) مقادیر بیشینیه فشار سیلندر در دورهای مختلف برای یک موتور پرخورانی شده مشابه با موتورEF7 در حالت تمام بار
شکل (7-4) فشار موثر متوسط اصطکاک در دورهای مختلف در حالت بار کامل
شکل (7-5) بازده اندیکه در دورهای مختلف در حالت بار کامل
شکل(7-6) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 1500
شکل(7-7) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2000
شکل(7-8) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2500
شکل(7-9) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 3500
شکل(7-10) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 4800
شکل(7-11) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 5000
شکل(7-12) نتایج کالیبراسیون فشار بعد از کمپرسور برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-13) نتایج کالیبراسیون دبی هوا در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-14) نتایج کالیبراسیون بازده حجمی در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-15) نتایج کالیبراسیون گشتاور موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-16) نتایج کالیبراسیون فشار موثر متوسط ترمزی موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-17) نتایج کالیبراسیون جریان سوخت موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-18) نتایج کالیبراسیون فشار بعد از خنک کن موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-19) نتایج کالیبراسیون فشار گازهای خروجی قبل از توربین موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-20) نتایج کالیبراسیون فشار گازهای خروجی بعد از توربین موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-21) بازده ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-22) گشتاور اندیکه در دورهای مختلف
شکل(7-23) گشتاور ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-24) مصرف سوخت ویژه ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-25) فشار مؤثر متوسط پمپاژ در دورهای مختلف
شکل(7-26) دمای خروجی از خنک کن میانی در دورهای مختلف
شکل(7-27) مقادیر گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (1)برای پرخورانی استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شکل(7-28) مقادیر گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (2)برای پرخورانی استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شکل(7-29) مقایسه بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهای مختلف و در حالت تمام بار
شکل(7-30) مقادیر گشتاور خروجی موتور حاصل از مدل در ارتفاع ۲۰۰۰ متر از سطح دریا
شکل(7-31) بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهای مختلف موتور در حالت بار کامل
شکل(7-32) دور توربوشارژر در مقابل دور موتور در حالت بار کامل
شکل(7-33) مقادیر فشار بیشینه داخل سیلندر در مقابل دور موتور قبل از اصلاح در پارامترهای طراحی
شکل(7-34) زمانبندی جرقه موتور در دورهای مختلف برای دو حالت تنفس طبیعی( (NAو پرخوران شده) (TC
شکل(7-35) دمای گازهای ورودی به توربین در دورهای مختلف برای زمانبندی جرقه جدید برای موتور TC
شکل(7-36) فشار بیشینه داخل سیلندر در دورهای مختلف برای زمانبندی جرقه جدید برای موتور TC
شکل(7-37) فشار بیشینه داخل سیلندر موتور پورخوران شده در مقابل دور با زمانبندی جرقه جدید و نسبت تراکم 9.8
شکل(7-38) تعیین بهترین زمان باز شدن سوپاپ ورودی در دورrpm1500
شکل(7-39) شکل(7-43) منحنی سوپاپ ورودی و خروجی موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخوران شده
شکل(7-40) مقادیر بازده حجمی موتور پرخوران شده با دو منحنی سوپاپ مختلف در مقابل دور موتور
شکل(7-41) نقاط کارکردی موتور بر روی منحنی عملکردی کمپرسور در حالت بار کامل
شکل(7-42) نقاط کارکردی موتور بر روی منحنی عملکردی توربین در حالت بار کامل
شکل(7-43) مقدار دبی جرمی عبوری از دریچه کنترل توربین در دورهای مختلف
شکل(7-44) بازده حجمی موتور EF7 در مقابل دور موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-45) مقادیر گشتاور ترمزی در مقابل دور موتور برای موتور EF7 در حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-46) مقادیر فشار بیشینه سیلندر در دورهای مختلف موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-47) دمای گازهای حاصل از احتراق در خروجی منیفولد خروجی در موتورEF7 برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-48) ماکزیمم فشار سیلندر
شکل(7-49) سرعت گردشی کمپرسور
شکل(7-50) شکل BMEP موتور EF7 مدل شده
نمودار (8-1) آنالیز حساسیت فشار موثر متوسط ترمزی
نمودار (8-2) متوسط مقادیر مطلق فشار موثر متوسط ترمزی در سرعت های مختلف
نمودار (8-3) نتایج آنالیز حساسیت برای مصرف مخصوص ترمزی سوخت
نمودار (8-4) متوسط مقادیر مصرف مخصوص ترمزی سوخت در سرعت های مختلف
نمودار (8-5) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان حجمی
نمودار (8-6) متوسط مقادیر راندمان حجمی در سرعت های مختلف
نمودار (8-7) نتایج آنالیز حساسیت برای سرعت توربین
نمودار (8-8) متوسط مقادیر سرعت توربین در سرعت های مختلف موتور
نمودار (8-9) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان کمپرسور
نمودار (8-10) متوسط مقادیر راندمان کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-11) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار در پائین دست کمپرسور
نمودار (8-12) متوسط مقادیر فشار در پائین دست کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-13) نتایج آنالیز حساسیت برای جریان هوا
نمودار (8-14) متوسط مقادیر جریان هوا در سرعت های مختلف
نمودار (8-15) نتایج آنالیز حساسیت برای جریان سوخت
نمودار (8-16) متوسط مقادیر جریان سوخت در سرعت های مختلف
نمودار (8-17) نتایج آنالیز حساسیت برای گشتاور ترمزی موتور
نمودار (8-18) متوسط مقادیر گشتاور موتور در سرعت های مختلف
نمودار (8-19) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای پائین دست کمپرسور
نمودار (8-20) متوسط مقادیر دمای پائین دست کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-21) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای پائین دست خنک کن
نمودار (8-22) متوسط مقادیر دمای پائین دست خنک کن در سرعت های مختلف
نمودار (8-23) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای منیفولد
نمودار (8-24) متوسط مقادیر دمای منیفولد در سرعت های مختلف
نمودار (8-25) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار منیفولد
نمودار (8-26) متوسط مقادیر فشار منیفولد در سرعت های مختلف
نمودار (8-27) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار ورودی توربین
نمودار (8-28) متوسط مقادیر فشار ورودی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-29) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار خروجی توربین
نمودار (8-30) متوسط مقادیر فشار خروجی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-31) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای ورودی توربین
نمودار (8-32) متوسط مقادیر دمای ورودی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-33) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای خروجی از توربین
نمودار (8-34) متوسط مقادیر دمای خروجی از توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-35) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان توربین
نمودار (8-36) متوسط مقادیر راندمان توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-37) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان اندیکاتوری موتور
نمودار (8-38) متوسط مقادیر راندمان اندیکاتوری موتور در سرعت های مختلف
نمودار (8-39) نتایج آنالیز حساسیت برای توان مصرفی کمپرسور
نمودار (8-40) متوسط مقادیر راندمان توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-41) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار موثر متوسط اندیکاتوری
نمودار (8-42) متوسط مقادیر فشار موثر متوسط اندیکاتوری در سرعت های مختلف
نمودار (8-43) نتایج آنالیز حساسیت برای ماکزیمم فشار سیلندر
نمودار (8-44) متوسط مقادیر ماکزیمم فشار سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-45) نتایج آنالیز حساسیت برای درجه ماکزیمم فشار سیلندر
نمودار (8-46) متوسط مقادیر درجه مربوط به ماکزیمم فشار در سرعت های مختلف
نمودار (8-47) نتایج آنالیز حساسیت برای ماکزیمم دمای سیلندر
نمودار (8-48) متوسط مقادیر ماکزیمم دمای سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-49) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار ورودی به سیلندر
نمودار (8-50) متوسط مقادیر فشار ورودی به سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-51) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای ورودی به سیلندر
نمودار (8-52) متوسط مقادیر دمای ورودی به سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-53) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار خروجی از سیلندر
نمودار (8-54) متوسط مقادیر فشار خروجی از سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-55) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای خروجی از سیلندر
نمودار (8-56) متوسط مقادیر دمای خروجی از سیلندر در سرعت های مختلف
شکل(9-1) منحنی عملکرد موتور توربوشارژ شده و تنفس طبیعی در حالت بار کامل
شکل(9-2) مسیر جریان هوا در کمپرسور روتز
شکل(9-3) طریقه اتصال توربوشارژ و سوپرشارژ به موتور
شکل(9-4) نحوه قرار گیری سوپرشارژ و توربوشارژ در مدل
شکل(9-5) انطباق ناصحیح موتور و یک سوپرشارژ روتز
شکل(9-6) نقشه عملکرد کمپرسور همراه نقاط عملکردی موتور در حالت بار کامل
شکل(9-7) فشار داخل سیلندر با نسبت دنده5.1 در حالت بار کامل
شکل(9-8) دمای گازهای ورودی به توربین در حالت بار کامل
شکل(9-9) مقایسه توان ترمزی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-10) مقایسه گشتاور ترمزی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-11) مقایسه راندمان حجمی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-12) میزان گشودگی دریچه میان گذر
شکل(9-13) میزان افزایش گشتاور توسط سوپرشارژ بعد از رعایت حد کوبش
شکل(9-14) میزان افزایش راندمان حجمی توسط سوپرشارژ بعد از رعایت حد کوبش
فهرست علائم
دما
فشار
دور N
قطر D
شعاع R
دبی جرمی
ظرفیت گرمایی ویژه گاز
حجم جاروب شده
فشار منیفولد
دمای منیفولد
سطح
سرعت صوت
سرعت صوت بی بعد
طول
ضریب تخلیه جریان
سطح موثر
عدد پرانتل
نرخ جریان سوخت انژکتور(g/s)
سرعت موتور(rpm)
حجم جابجایی(liter)
نسبت سوخت به هوا
تعداد سیلندرها
مدت تزریق(بر حسب زاویه لنگ)
مقدمه
متوسط غلظت آلاینده هائی مانند منواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته و اکسیدهای نیتروژن در بسیاری از نقاط شهر تهران بیشتر از حد مجاز توصیه شده توسط سازمان بهداشت جهانی می‌باشد. با توجه به رشد سریع ترافیک، وضعیت در آینده بدتر خواهد شد.
با توجه به اینکه 89 درصد از منابع آلوده کننده هوای تهران مربوط به خودروها است جایگزینی سوختهای پاکتر که هم از نظر اقتصادی با صرفه تر و هم از لحاظ اثرات زیست محیطی آلودگی کمتری داشته باشند مورد توجه قرار گرفته و بصورت یک ضرورت اجتماعی مطرح گردیده است[1].
گاز سوختی ارزان با آلودگی کمتر است و در صورت فراهم شدن امکان دسترسی بیشتر، یکی از بهترین سوختهای جایگزین بنزین و گازوئیل می‌باشد. با گازسوز کردن خودروها، منواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته، دی اکسید گوگرد و ذرات معلق حاصل از احتراق به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می‌یابند. علاوه براین سرب بعنوان یکی از زیانبارترین آلوده کننده ها به کلی حذف می‌شود و همچنین از سروصدای موتور نیز کاسته می‌شود.
در مقایسه موتورهای گازسوز با موتورهای بنزینی، توان حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد کاسته می‌شود. دو علت عمده این کاهش یکی حالت گازی سوخت CNGدر هنگام تزریق به موتور می‌باشد که مقداری از فضای هوای ورودی به موتور را اشغال می‌نماید و باعث افت راندمان حجمی می‌گردد، دلیل دیگر بالابودن نسبت هوا به سوخت در شرایط استوکیومتری گاز نسبت به بنزین می‌باشد که برای گاز این رقم در حدود 17.2 به یک می‌باشد و برای بنزین 14.7 به یک می‌باشد. این عامل نیاز بیشتر موتور گازسوز به هوا را نسبت به موتور بنزینی معلوم می سازد یعنی به زبان دیگر اگر بتوان آن مقدار گازی را وارد موتور نماییم که مقدار انرژی آزاد شده آن معادل مقدار بنزین وارد شده به موتور باشد، می‌بایست هوای بیشتری نسبت به حالت بنزینی وارد موتور گردد.
چون مقدار هوای ورودی به موتور در حالت گازی حتی کمتر از مقدار آن درحالت بنزینی می‌باشد بنابراین در موتورهای گازسوز برای بهبود عملکرد نیاز به هوای بیشتری می‌باشد. با توجه به مقاومت گاز طبیعی در مقابل خوداشتعالی می‌توان توان کاسته شده را توسط روشهای مختلفی جبران کرد. اگر خواستار تشویق مردم برای استفاده از گاز طبیعی هستیم کاهش توان در زمان استفاده از گاز طبیعی قابل قبول نیست. روشی که در این نوشتار برای بدست آوردن قدرت بیشتر ارائه می‌شود، عبارت است از بکارگیری توربوشارژر به منظور افزایش دبی جرمی هوا و متعاقب آن افزایش راندمان حجمی و قدرت موتور. همچنین با استفاده از پرخورانی می‌توان برخی از آلاینده های موتور را با هوادهی بیشتر یا اصطلاحا فقیرسوز کردن موتور درحد پائین تری نگه داشت.
فصل اول
مقدمه و مرور بر تحقیقات انجام شده در گذشته
1-1- تاریخچه
توربوشارژینگ موتورهای احتراق داخلی ایده ای بود که به فاصله کمی از اختراع موتورهای احتراق داخلی مطرح گردید. در سال 1885 دایملر پروژه - ریسرچای درباره استفاده از یک فن یا کمپرسور برای اضافه کردن هوای ورودی به موتور دریافت کرد. در سال 1902 لوییس رنو برای اولین بار توربوشارژری از نوع سانتریفیوژ ساخت و بر روی موتور نمونه ای نصب کرد. این توربوشارژر توسط تسمه به میل لنگ متصل می‌گشت و با پنج برابر سرعت آن دوران می‌کرد. اولین سوپرشارژ متحرک با دود اگزوز (توربوشارژ) بین سال های 1909 و 1912 توسط دکتر آلفرد بوچی سوئیسی ساخته شد. اولین نمونه موتور دیزل مجهز به توربوشاژر را او در سال 1915 ارائه کرد[2]. در توربوشارژر ساخت بوچی توربین و کمپرسور هر دو از نوع جریان محوری بودند که توسط اتصال مکانیکی به میل لنگ موتور متصل می شدند. امروزه به این نوع موتور، موتور مرکب اتلاق می‌شود. بعد از چند سال بوچی مدل اصلاح شده ای را مطرح کرد که در آن اتصال مکانیکی بین موتور و توربوشارژر برداشته شده بود، ولی اتصال مکانیکی بین توربین و کمپرسور کماکان پابرجا بود. اولین توربوشارژر ساخت بوچی از نوع جریان یکنواخت بود که با موفقیت و اقبال روبرو نگردید. در سال 1925 بوچی سیستم موفق توربوشارژ ضربه ای ارائه کرد، که به مدل بوچی معروف می‌باشد. رونق بیشتر توربوشارژینگ زمانی آغاز شد که توربوشارژرها بر روی موتورهای سیلندر و پیستونی هواپیماها نصب گردید و میزان سقف پرواز را افزایش داد. زیرا در این هواپیما این مشکل وجود داشت که با اوج گرفتن هواپیما به علت کاهش فشار، قدرت خروجی موتور شدیدا کاهش می‌یافت و این امر سقف پرواز را محدود می‌کرد. با بکارگیری توربوشارژرها و افزایش فشار ورودی کمک زیادی به افزایش ارتفاع پرواز شد. تا زمان جنگ جهانی دوم صنعت توربوشارژر توسعه زیادی یافت. بکارگیری توربوشارژر بر روی موتور دیزلی بهترین روش برای کاهش هزینه های مصرف سوخت، کاهش جای مورد نیاز برای موتور و کاهش وزن موتور، افزایش راندمان و کاهش صدا بود. در دهه هفتاد میلادی استفاده از توربوشارژر برای موتورهای بنزینی بسیار رواج پیدا کرد و کمپانیها خودروهای اسپرتی خود را با موتورهای توربوشارژری ارائه کردند ولی به دلیل تاخیر عملکرد توربوشارژر این موتورها با استقبال مصرف کنندگان روبرو نشدند. توفیق توربوشارژینگ در صنعت خودروهای سواری از زمان ارائه توربو دیزل هایی بود که می‌توانستند با حجم مساوی با موتورهای بنزینی برابری کنند و از لحاظ آلودگی در سطح پائین تری نسبت به موتورهای بنزینی قرار بگیرند[3].1-2- تجربیات انجام شده در زمینه موتور گازسوز
فعالیت های انجام شده را می‌توان به دو دسته کلی مدل سازی موتورها و انطباق تقسیم بندی نمود. تا به امروز، بیشتر تلاشها به مدل سازی موتورهای احتراق داخلی محدود بوده است. از اینرو در ابتدا به تاریخچه مدل سازی موتور می پردازیم.
نخستین قدم جدی در این راه توسط بنسون و آناند برداشته شد[4]. این دو دانشمند مدل شبیه سازی تحلیلی موتور را پایه گذاری کردند. در این مدل هر فرآیند به چند مدل ساده ریاضی تبدیل می شد که برای هر یک از این مدل ها فرم های خاصی از معادلات بقا صادق بود. این زیر مجموعه ها در نهایت به یکدیگر مرتبط می شدند. این مدل سازی علیرغم محدودیت زیاد به علت سادگی و دقت مناسب هنوز از روش های متداول و معتبر به حساب می‌آید.
چند سال بعد این روش بهبود یافت. بنسون و بورا[5] با در نظر گرفتن مدل احتراق دو ناحیه ای با کمک روش عددی رانگ کوتا توانستند به نتایجی بسیار نزدیک به اندازه گیری های تجربی دست یابند. امروزه این روش به دلیل سادگی و جامع بودن یکی از معتبرترین روش های تحلیلی برای آنالیز موتور به حساب می‌آید.
با افزایش بهای بنزین و بحران جهانی سوخت در دهه 1970 مطالعات بنیادی روی سوخت های جایگزین از جمله گاز طبیعی رونق یافت. این روند بار دیگر در دهه 1990 و به منظور غلبه بر مشکل آلودگی محیط زیست احیا گردید. برای شناخت بیشتر و بهتر خواص موتورهای گاز طبیعی ویکس وموسکوا[6] به روش تجربی و با کمک یک دستگاه اندازه گیری فشار غیرخطی، نرخ گذرای هوای عبوری از موتور را در حالات مختلف کاری اندازه گیری کردند.
ویزینسکی و واگنر[7] از دانشگاه بیرمنگام تحقیقات مفصلی بر روی نوع خاصی از سیستم EGR انجام دادند. با استفاده از گازهای خروجی از موتور که سرشار از هیدروژن می‌باشد، توانستند راندمان احتراق را به نحو قابل توجهی افزایش دهند.
در کنار این تحلیل ها تلاش های زیادی برای تعیین استانداردها و دسته بندی مزایا و معایب این موتورها به عمل آمد. از آن جمله وگزین و گوروویچ [8] مزایا و معایب گاز طبیعی مایع شده را برای اتوبوسها و کامیونها بررسی نمودند.
همزمان با تحقیقات انجام شده در زمینه های احتراق داخلی و انتقال حرارت، سیستم های کنترلی مورد استفاده نیز تحت بررسی قرار گرفتند تا با بهینه سازی آن ها آلودگی محیط کاهش و راندمان موتورها افزایش یابد. از جمله این فعالیتها و تحقیقات می‌توان به تلاش مالم و کیست [9] اشاره کرد. آنها با اندازه گیری بار و دور موتور در محدوده وسیع دما و ترکیب آن ها با اندازه گیری دینامیکی فشار و ارتعاش سیلندر سیستم های کنترلی را تحت بررسی قراردادند.
در همین زمان تحقیقات مفصلی نیز بر روی انطباق موتور و توربوشارژر انجام شد. پنج دانشمند ژاپنی به نامهای فوکوزاوا، شیمادو، کاکوهوما، اندو و تاناکا تغییرات راندمان حرارتی موتور گازسوز شش سیلندر را نسبت به پارامترهای نسبت تراکم، شکل محفظه احتراق، اثر سوپاپها و خود توربوشارژر مورد برسی قراردادند[10].
در لابراتوار ملی ماشین های گازی NGML یک سری آزمایش توسط چپمن از دانشگاه کانزاس برای تطابق توربوشارژر و موتور گاز طبیعی دو زمانه صورت گرفت[11] تا اثر این تطابق روی راندمان این مجموعه و میزان تولید NOx مورد بررسی قرارگیرد.
پلکمنس، دوکوکلیر، و لنارس اتوبوسها و کامیونهای با سوخت دیزل را با گاز طبیعی از لحاظ میزان سوخت توان و میزان ایجاد آلاینده ها مورد مقایسه قرار دادند[12].
همچنین با استفاده از مدلسازی یکبعدی بسیاری از مهندسان فعالیت هایی در زمینه بهینه سازی عملکرد موتور انجام داده اند که از آن جمله می‌توان به انتخاب توربوشارژر متناسب با یک موتور مشخص اشاره نمود.[13]
در کشور ما در سال های اخیر چند پروژه تحقیقاتی نیز به ثبت رسیده است که در آنها با مدلسازی یک موتور تغذیه طبیعی، رفتار کاری موتور توربوشارژری را پیش بینی می‌نماید[14].
1-3- اقدامات انجام شده برای نصب توربوشارژر
اقدامات فراوانی برای نصب توربوشارژر بر روی خودروها و بهینه سازی آن صورت گرفته است. در یک تحقیق تاثیر تغییرات زمان بندی سوپاپ ها بر روی قدرت و کاهش مصرف سوخت موتورهای توربوشارژری بررسی شده است[15]. در این پروژه - ریسرچبیان شده است که برای کاهش مصرف سوخت احتیاج به افزایش نسبت تراکم می‌باشد و برای جلوگیری از تولید کوبش، بازخوراند گاز اگزوز در حالت بار کامل راهکار مناسبی است. در عین حال بیان می‌دارد چهار سوپاپه بودن این موتور قدرت آن را تا 20% افزایش می‌دهد.
در تحقیق دیگر موتور 6 سیلندر جگوار با حجم 4 لیتر به سوپرشارژر و خنک کن هوا مجهز گردیده است[16]. هدف اصلی این پروژه افزایش گشتاور این موتور در دورهای پائین و کاهش آلایندگی بوده است. پس از انجام تمامی تغییرات و نصب سوپرشارژر این نتیجه حاصل شد که در حالت دریچه کاملا باز خروجی موتور بسیار مطلوب است و از قدرت خروجی موتور 12 سیلندر جگوار پیشی می‌گیرد و افزایش قدرتی بین 35 تا 50% با موتور 6 سیلندر اولیه حاصل می‌شود. در نهایت جگوار توانسته است با انتخاب مناسب سوپرشارژر میزان قدرت موتور چهار لیتری خود را به موتور 6 لیتری تنفس طبیعی برساند، در حالیکه مصرف سوخت آن در حد موتور چهار لیتری تنفس طبیعی می‌باشد.
طی یک تحقیق توسط اسپیندلر، اقدام به نصب توربوشارژر بر روی یک موتور بنزینی(با حداکثر قدرت 70 کیلو وات) با هدف افزایش قدرت، کاهش مصرف ویژه سوخت و کاهش آلودگی، شده است[17]. بعد از آزمایش تعداد زیادی توربوشارژر با سطح مقطع های مختلف، این نتیجه حاصل شد که هر چه سطح مقطع کوچک تر باشد، میزان گشتاور در سرعت های پائینتر افزایش می‌یابد ولی میزان فشار خروجی موتور در سرعت های بالاتر زیاد خواهد بود. لذا لازم است شرایط بهینه ای بین این دو مسئله انتخاب گردد. آزمایشها نشان داده است استفاده از توربین هایی با دو ورودی حائز ارجحیت می‌باشد[17]. در نهایت روش بهینه ای که انتخاب گردیده است روش ضربانی به همراه توربینی با دو ورودی می‌باشد. نتیجه این تغییرات افزایش قدرت موتور تا 120 اسب بخار با منحنی گشتاوری مشابه موتور تنفس طبیعی با همان قدرت با مزیت کوچکی ابعاد و کمی وزن (150 کیلوگرم در مقابل 185 کیلوگرم) و نیز کم بودن آلاینده های گاز اگزوز می‌باشد.
در تحقیق دیگر موتورهای هینو که بر روی کامیون ها کاربرد دارد با هدف بهینه سازی مصرف سوخت و کاهش آلودگی ها بخصوص اکسیدهای نیتروژن به توربوشارژر مجهز گردیده است[18]. در نتیجه بهبود مصرف سوخت، افزایش گشتاور در سرعت های بالا و ثابت ماندن میزان تولید NOx حاصل شده است. به عنوان یک نتیجه گیری در این پروژه - ریسرچذکر شده است که در انتخاب توربوشارژر اگر هدف افزایش شتاب اولیه و قدرت در سرعت پائین باشد، استفاده از یک توربوشارژر با اندازه کوچک و دریچه فرار مناسب می‌باشد. در صورتیکه هدف کاهش مصرف سوخت در سرعت های بالای موتور باشد، استفاده از یک توربوشارژر با اندازه بزرگ توصیه می‌گردد.
فیلیپی در سال 1994 انطباق توربوشارژر با موتور را به صورت میانیابی در نقشه عملکرد توربوشارژر انجام داد9]1 .[در این تحقیق سه مدل برای سطح سوپاپ در نظر گرفته شد و سعی شده است تا برای به دست آوردن راندمان بیشتر، بهترین مدل سوپاپ به دست آید. در این تحقیق از فناوری سطح متغیر سوپاپ و از مدل صفر بعدی (مدل ترمودینامیکی) برای موتور استفاده شد. برای احتراق مدل شعله دو ناحیه‌ای در نظر گرفته شد که بدین ترتیب شکل محفظه احتراق در محاسبات تأثیر خواهد داشت.
واتسون در بررسی انطباق موتور به توربوشارژر به انطباق موتور لیلاند با چند توربوشارژر متفاوت پرداخت[20]، او عملیات انطباق را توافقی بین گشتاور، توان خروجی موتور، محدوده سرعت موتور، محدودیت دما ، فشار و آلودگی موتور دانست. وی استفاده از توربوشارژرهای هندسه متغیر را بهترین راه توربوشارژرینگ دانست اما در عین حال این نوع توربوشارژرها را از نظر قیمت و قابلیت اطمینان مناسب نمی‌دانست.
اینوال و یوهانسون در سال 1997 روی موتور گاز طبیعی سوز توربورشارژر شده Volvo TD 102 شش نوع پیستون مختلف با محفظه احتراق متفاوت را آزمایش کردند و سرعت متوسط و توربولانس را با سرعت‌سنج لیزری اندازه‌گیری نمودند[21]. آنها علاوه بر موارد فوق، انتقال حرارت، فشار، بازده و آلودگی را اندازه‌گیری کردند. بیشترین توربولانس در محفظه کوارتت در نزدیکی نقطه مرگ بالا مشاهده شد. اندازه‌گیری فشار و انتقال حرارت نیز نشان می‌دهد که این محفظه احتراق سریعی دارد. در عین حال، این محفظه احتراق بیشترین محدوده لاندا را بین کوبش و عدم اشتعال دارد. همچنین کمترین میزان NOx و HCرا دارا می‌باشد و بهترین حالت پایداری احتراق را دارا می‌باشد. دو محفظه احتراق توربین و نبولا نسبت به حالت قبل احتراق نامناسب‌تری دارند. محفظه‌های احتراق دیگر شرایط بدتری را نشان می‌دهد.
گوارنی و سندال[22] در سال 2002 موتور احتراق جرقه‌ای را به صورت یک بعدی مدل کردند و نتایج آن را با نتایج تجربی مقایسه کردند و مدل خود را برای پیش‌بینی راندمان منیفولد و طراحی آن و زمان‌بندی سوپاپ‌ها بسیار کاربردی دانستند و دقت مدل خود را با بررسی تجربی روی موتور نشان دادند.
1-4- معرفی پروژه حاضر
در بخش اول این پروژه تاریخچه ابداع و اقدامات انجام شده برای نصب توربوشارژر مرور می‌شود. در بخش دوم هدف استفاده از توربوشارژینگ و روش های آن توضیح داده می‌شود. بخش سوم تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر، مشکلات توربوشارژینگ و روش های کاهش آن را بیان می‌کند. در بخش چهارم به معادلات حاکم بر توربوشارژر، انتخاب و انطباق توربوشارژر مناسب پرداخته می‌شود. بخش پنجم معادلات و روش مدلسازی موتور و توربوشارژر در نرم افزار GT POWER توضیح داده می‌شود. بخش هفتم مدلسازی موتورEF7 توربوشارژ شده گاز سوز ارائه می‌شود، سپس برای اطمینان از صحت عملکرد این مدل نتایج بدست آمده از مدلسازی در حالت تمام بار و بار جزیی در زمانی که میزان فشردگی دریچه گاز 25 درصد است، روش کالیبراسیون و مقایسه نتایج آن با نتایج تست های تجربی آورده می‌شود. در بخش هشتم آنالیز حساسیت موتور توربوشارژ شده برای بسیاری از پارامترهای عملکردی موتور و توربوشارژر و دما و فشار اکثر نقاط نسبت به شرایط هوای ورودی، تایمینگ سوپاپ ها، زمان جرقه، نسبت تراکم و تغییر هندسه سیستم مکش و تخلیه انجام می‌شود. در بخش نهم سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده به منظور افزایش فشار تقویتی در دورهای پائین موتور که توربوشارژ قادر به تامین آن به دلیل سرعت پائین خود، نمی‌باشد توضیح داده می‌شود و به دنبال آن نتایج سوپرتوربوشارژ کردن موتور EF7 گازسوز نشان داده می‌شود. در آخر نتایج به دست آمده از انجام پژوهش بیان شده است.

فصل دوم
توربوشارژ کردن موتورهای احتراق داخلی
2-1- هدف توربوشارژینگ
بطور کلی توربوشارژرها را به دو منظور عمده در موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار می دهند.
استفاده از توربوشارژر به جهت بالا بردن توان و عملکرد بهتر موتور، دراین حالت می‌توان با افزایش فشار و چگالی هوای ورودی و اضافه کردن مقدار پاشش سوخت توان یک موتور را تا دو برابر افزایش داد. بنابراین با طراحی مناسب قطعاتی مانند پیستونها، شاتونها، یاتاقانها و سایر اجزا موتور برای شرایط توربوشارژرینگ می‌توان مقدار قدرت به وزن موتور را بالا برد و بجای استفاده از موتورهایی با حجم بالا و قدرت بالا، موتورهای کم حجم تر و مجهز به توربوشارژر با راندمان و قدرت بالا استفاده نمود.
استفاده از توربوشارژر جهت کاهش آلایندگی موتور، هرگاه با ثابت نگه داشتن مقدار سوخت وارد شده به موتور مقدار هوای ورودی را افزایش دهیم می‌توانیم مقدار آلایندگی موتور را کاهش دهیم این روش عمدتًا در موتورهای دیزلی که مخلوط شدن سوخت و هوا بسیار مهم و کیفیت احتراق بسته به این موضوع می‌باشد بسیار حائز اهمیت می‌باشد. واردکردن هوای فشرده با ثابت نگه داشتن سوخت باعث بهبود احتراق و کاهش آلایندگی بدلیل بالا رفتن میزان نسبت هوا به سوخت در موتور می‌گردد.
در بعضی موارد هر دو روش را در یک موتور انجام می‌دهند یعنی با بالا بردن نسبتًا زیاد فشار هوای ورودی و افزایش کم سوخت نسبت به موتور معمولی می‌توان هم توان یک موتور را بالا برد هم مقدار آلایندگی موتور را کاهش داد .[23]
2-2- روشهای پرخورانی
دو روش کلی برای پرخورانی در موتورهای احتراق داخلی وجود دارد:
پرخورانی توسط سوپرشارژها
سوپرشارژها پرخورانهایی می‌باشند که تنها از یک کمپرسور تشکیل شده اند. این کمپرسور توسط تسمه یا چرخ دنده از میل لنگ موتور نیرو گرفته و باعث افزایش فشار هوای ورودی به موتور می‌گردد. از مزایای سوپرشارژها، می‌توان به عکس العمل سریع پرخوران در دورهای پائین موتور اشاره نمود که بدلیل متصل بودن سوپرشارژها توسط تسمه یا چرخ دنده به میل لنگ موتور، این امکان فراهم می‌گردد. بنابراین با افزایش سریع دور موتور، پرخوران به سرعت فعال می‌گردد. از معایب سوپرشارژها توان گرفته شده از میل لنگ موتور است که در حدود ۳۰ درصد از توان افزایش یافته توسط سوپرشارژر است که می‌بایست صرف خود سوپرشارژر گردد. در شکل (2-1) یک نمونه سوپرشارژ نشان داده شده است.

شکل(2-1) یک نمونه سوپرشارژر
پرخورانی توسط توربوشارژرها
توربوشارژرها، پرخورانهایی هستند که از یک توربین و یک کمپرسور با شافت مشترک تشکیل شده اند. در این پرخورانها قسمت ورودی توربین به فلانچ خروجی چند راهه دود متصل می‌گردد و قسمت خروجی توربین به مسیر اگزوز متصل می‌شود. در هنگام خروج محصولات احتراق از چندراهه خروجی، گازهای گرم با سرعت بالا به پره های توربین نیرو وارد می‌نماید و باعث چرخش آن می‌شود و پس از انتقال انرژی خود به پره ها از توربین خارج می گردد. شفت متصل به این چرخ توربین از سمت دیگر به چرخ پره کمپرسور متصل می‌باشد که با چرخش و سرعت بالای خود سیال ورودی(هوا) را از ورودی کمپرسور که به مسیر صافی هوا متصل می‌باشد به داخل کمپرسور شعاعی یا گریز از مرکز کشیده و با عبور از صدا خفه کن وارد چرخ‌گردان کمپرسور می‌شود و پس از انتقال انرژی از پره‌های چرخ‌گردان به این هوا، موجب شتاب گرفتن و به تبع افزایش سرعت آن می‌شود، سپس به درون دیفیوزر هدایت می‌شود. در درون دیفیوزر انرژی جنبشی هوا به انرژی فشاری تبدیل شده و با فشار زیاد وارد خروجی کمپرسور که به مسیر چند راهه ورودی متصل می‌باشد می‌گردد. از طرفی دیگر بالا رفتن فشار هوا منجر به گرم شدن آن می‌گردد. افزایش دما در شروع تراکم موجب مشکلات خود اشتعالی و کوبش در قسمت انتهای مرحله تراکم و یا در طی احتراق می‌گردد. به این دلیل کمپرسورها می‌توانند به یک پس‌خنک‌کن مجهز گردند تا دمای هوای متراکم شده ورودی را کاهش دهند. پس‌خنک‌کن، مبدل های گرما هستند که اغلب از هوای بیرون به عنوان سیال خنک کننده استفاده می‌کنند. همچنین بسیاری از توربوشارژرها دارای یک میان‌بر هستند که در صورت عدم نیاز به افزایش فشار هوای ورودی، گازهای خروجی می‌توانند توربوشارژر را دور بزنند. توربین‌های پیشرفته امروزی دارای هندسه تغییر سطح مقطع ورودی از طریق پره های راهنمای ورودی توربین می‌باشند، به طوریکه با نقاط عملیاتی مختلف موتور، حداکثر بازده حاصل گردد. برای مثال هنگامی که موتور با سرعت پائین در حال فعالیت است، جریان سطح مقطع با بسته شدن این پره‌های راهنما کاهش می‌یابد. توربوشارژرها ممکن است به یک تانک روغن اضطراری نیز مجهز باشند که اگر سیستم روغن‌کاری اصلی موتور از کار افتاد، این سیستم رزرو بتواند روغن‌کاری روتورهای دوار در میان دو یاتاقان صفحه‌ای شعاعی را انجام دهد. توربوشارژرها را وسیعتر ازسوپرشارژرها مورد استفاده قرار می‌دهند. توربوشارژرها بخشی از انرژی جنبشی گازهای خروجی اگزوز را که در موتورهای معمولی تلف می‌گردد را به کار تبدیل کرده و به موتور باز می گرداند، همچنین بالا بودن فشار هوای ورودی و مخلوط شدن بهتر سوخت و هوا باعث بهتر شدن کیفیت احتراق می‌گردد. بنابراین راندمان حرارتی در موتورهای توربوشارژ شده نسبت به موتورهای معمولی بالاتر می‌باشد. در شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر نشان داده شده است.

شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتیک
2-3- مقایسه موتورهای توربوشارژ شده و تنفس طبیعی
یکی از اهدافی که در استفاده از توربوشارژر مطرح است، جایگزین کردن یک موتور تنفس طبیعی با یک موتور توربوشارژ شده کوچکتر که مصرف سوخت آن کمتر است می‌باشد. در این جایگزینی نباید تغییرات منفی در مشخصات رفتاری موتور نظیر قدرت، گشتاور و آلاینده‌ها بوجود آید. همچنین با توجه به اینکه موتور توربوشارژ شده گرانتر از موتور تنفس طبیعی است باید کاهش مصرف سوخت موتور توربوشارژ شده این اختلاف قیمت را جبران ‌نماید. جدول(2-1) به مقایسه موتور توربوشارژ شده و تنفس طبیعی در حالتی که حداکثر گشتاور و قدرت یکسانی دارد می‌پردازد.
جدول(2-1) مقایسه یک موتور توربوشارژری و تنفس طبیعی با گشتاور و توان حداکثر برابر
مزایا معایب
کاهش تلفات سوخت کاهش نسبت تراکم
کاهش افت اصطکاکی عمل بد دریچه کنترل سوخت در حالت گذرا
کاهش افت پمپاژ در دورهای پائین افزایش تنشهای حرارتی
کاهش آلودگیهای HC,CO افزایش آلودگیهای ناشی از NOx *
کاهش وزن موتور ( افزایش توان ویژه) نیاز به روانکاری پیشرفته‌
کاهش اثرات تغییر شرایط محیط بر موتور افزایش هزینه تولید
کاهش ابعاد موتور نیاز به خنک کن میانی
افزایش بازده گشتاور نامناسب در دور پائین **
* با اضافه نمودن خنک کن میانی NOX از حالت تنفس طبیعی هم کمتر می‌گردد.
** با توربوشارژر هندسه متغیر این اشکال رفع می‌شود.
2-5- انواع سیستمهای توربوشارژری
براساس نحوه ورود گازهای اگزوز به توربین توربوشارژر و ثبات یا نوسان جریان ورودی به توربین از دو نوع سیستم مختلف توربوشارژ کردن استفاده می‌شود.
2-5-1- توربوشارژر فشار ثابت
یک موتور رفت و برگشتی ذاتاً یک وسیله با جریان غیردائم است. گازهای خروجی از سیلندر یک جریان غیر‌دائمی را به وجود می‌آورد. از طرفی، توربو ماشینها برای جریان دائمی طراحی و ساخته می‌شوند. البته توربینها می‌توانند تحت شرایط غیر دائم کار کنند ولی بازده شان در مقایسه با شرایط دائم بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت. بنابراین ترکیب موتور و توربین عمل مشکلی خواهد بود. بوچی (مبتکر سوئیسی توربوشارژر) از یک محفظه با حجم مناسب برای کنترل و ثابت کردن جریان گاز غیردائمی خروجی از سیلندر استفاده کرد. بنابراین بدین گونه جریان ورودی به توربین یکنواخت و فشار ثابت گردید. حجم منیفولد دود یا حجم مخزن، وابسته به فرکانس ضربان گازهای خروجی است که به تناوب از هر سیلندر خارج می‌شود. شدت ضربان گازهای خروجی تابعی از بار موتور، زمانبندی سوپاپ دود، سطح ورودی توربین و حجم منیفولد است. معمولا نسبت حجم منیفولد دود به حجم موتور برای تبدیل نوسانات به فشار ثابت بزرگتر از یک می‌باشد. این نسبت برای موتورهای با تعداد سیلندر بیشتر، در مقایسه با موتورها با تعداد سیلندر کمتر، کوچکتر است. قاعده خاصی را نمی‌توان برای این امر بیان نمود ولی بازه آن ما بین 4/1 تا 6 در تغییر است. یکی از مشکلات ایجاد فشار ثابت در ورودی توربین این است که در صورت تغییر ناگهانی بار یا دور موتور، فشار در مخزن بصورت آرام تغییر کرده و بنابراین انرژی گازهای ورودی به توربین بتدریج زیاد می‌شود که این امر باعث ایجاد تأخیر در پاسخ موتور است. بنابراین اگر تغییر سریع دور یا بار موتور مورد نظر باشد، سیستم فشار ثابت مناسب نخواهد بود. شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور را نشان می‌دهد.

شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
حجم بزرگ چندراهه ورودی ما را از ثابت ماندن فشار در ورودی توربوشارژ مطمئن می سازد .برای دستیابی به نسبت فشارهای بالاتر از یک، توربوشارژ باید دارای راندمان بالای 45 درصد باشد،پس با داشتن یک توربوشارژر با راندمان بالای 45 درصد فشار ورودی از فشار خروجی بیشتر می‌شود. بنابراین هنگامی که سوپاپ های ورودی و خروجی با هم باز باشند(قیچی سوپاپ ها در زمان تخلیه) مقداری هوای تازه وارد سیلندر می‌شود که باعث تخلیه کامل گازهای سوخته از داخل سیلندر خواهد شد.
2-5-2- توربوشارژینگ با سیستم ضربانی
نقطه ضعف سیستم فشار ثابت این است که بطور کامل از انرژی جنبشی گازهائی خروجی استفاده نمی‌کند. زمانی که گاز با فشار زیاد از سطح نیمه باز سوپاپ تخلیه عبور می‌کند سرعتش به طور محسوس افزایش می‌یابد ولی این گازهای سرعت بالا بطور ناگهانی وارد محفظه تخلیه با حجم وسیع می‌شود و با گاز سرعت پائین برخورد می‌کند و بدلیل پدیده مخلوط شدن اتلافات اصطکاکی بوجود می‌آید و تمام انرژی جنبشی گاز به انرژی فشاری تبدیل نمی‌شود و بخشی از آن به هدر می‌رود. با استفاده از توربوشارژینگ ضربانی می‌توان بخش عمده ای از انرژی گازهای خروجی را به توربین منتقل نمود. برای رسیدن به این منظور بهتر است تلفات ناشی از خفانش جریان در هنگام عبور از سوپاپ خروجی را کاهش داد. بنابراین هر چقدر سوپاپ دود سریعتر باز شود، این تلفات کمتر می‌شود. تلفات ناشی از خفانش وقتی اتفاق می‌افتد که مدت زمان اندکی از باز شدن سوپاپ دود گذشته و سطح جریان گذرنده از اطراف سوپاپ بسیار کم است. در این حالت سرعت سیال به سرعت صوت می‌رسد و هنگامی که سیال به پورت خروجی می‌رسد ناگهان بدلیل افزایش سطح مقطع منبسط می‌شود که این امر باعث تلفات خفانشی می‌گردد. بنابراین هر چه سوپاپ خروجی سریعتر باز شود و همچنین هرچه نسبت سطح گلوگاه سوپاپ به سطح پورت خروجی به مقدار ۱ میل کند تلفات خفانشی کمتر می‌شود.
از مزیت های پرخورانی ضربانی این است که می‌توان با طراحی مناسب، فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی به نحو مطلوبی کمتر از فشار سیلندر و فشار منیفولد ورودی(در لحظه ای که سوپاپ ورودی و خروجی هر دو باز است) رساند. اما در پرخورانی با فشار ثابت فشار در مخزن و رانرهای خروجی برابر است. بنابراین نمی‌توان فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی کاهش داد. در طراحی منیفولد خروجی یک موتور پرخورانی شده طول رانرهای خروجی را باید نسبتًا طولانی در نظر گرفت تا امواج فشاری منعکس شده از توربین به سوپاپ خروجی در حالیکه باز می‌باشد نرسد. ولی معمولا طول رانرهای خروجی را کوتاه تر در نظر می‌گیرند تا انرژی گازهای خروجی از سیلندر کاهش نیابد در عوض همان طور که بیان شد زمان باز ماندن سوپاپ خروجی را کاهش می‌دهند تا امواج فشاری منعکس شده به داخل سیلندر راه نیابند[24]. همچنین انتخاب منیفولد خروجی کوچک باعث خواهد شد که فشار در منیفولد خروجی در لحظه ای که سوپاپ دود باز می‌شود سریعتر افزایش یابد و در نتیجه سرعت پاسخ نیز بیشتر شود.
یکی از بزرگترین مزایای پرخورانی ضربانی نسبت به پرخورانی فشار ثابت این است که می‌توان انرژی بیشتری از گازهای خروجی را که قابلیت تبدیل شدن به کار مفید را دارند در اختیار توربین قرار داد. اما نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که ناپایا بودن جریان باعث می‌شود که توربین در ناحیه ای با بازده پائین کار کند. زیرا در پورخورانی ضربانی وقتی که فشار گازهای خروجی بالا می‌رود، این امر باعث شتاب گرفتن پره های توربین می‌شود و وقتی که فشار پائین می‌آید حرکت پره های توربین نیز کند می‌شود. بنابراین مقداری از انرژی همیشه صرف شتاب دهی به پره های توربین می‌شود و این امر باعث کاهش کارایی توربین می‌گردد[24].
اگر در این سیستم از توربین با کارایی بالا استفاده نشود تمام انرژی هایی که از سیستم فشار ثابت، بیشتر جذب می‌شود از بین می‌رود و این سیستم دیگر مزیتی نسبت به سیستم فشار ثابت ندارد چون راندمان توربین مستقیما بر راندمان موتور تاثیر می‌گذارد[17]. برای بالا بردن راندمان توربین باید فواصل بین گازرسانی به توربین را کاهش داد و در ضمن از قیچی سوپاپ ها استفاده کنیم، با این حال راندمان توربین از حالتی که جریان پایا داریم کمتر است. اگر دو سیلندر به ورودی توربین متصل باشد، بازدهی توربین به دلیل فاصله هوایی ایجاد شده، کاهش می‌یابد. به همین دلیل سیستم ضربه ای هنگامی مناسب می‌باشد که تعداد سیلندرهای ورودی به توربین حداقل سه عدد باشند.
2-6- سیستم‌های تک توربوشارژری
رفتار یک سیستم تک توربوشارژری همگام با پیشرفت توربوشارژرها بهبود می‌یابد که این توسعه برای کامل شدن نیازمند زمان است. توربین های در دسترس با یا بدون دریچه فرار، بازده کافی برای تأمین توان مورد نیاز کمپرسور جهت تولید فشار کافی در سرعت‌های پائین و در حالت گذرا را ندارند. علاوه براین، تغییرات دبی در یک کمپرسور جریان شعاعی یک پارامتر محدودکننده دیگر است[25]. محدوده جریان با افزایش نسبت فشار کاهش می‌یابد، اگر توان کافی برای رساندن کمپرسور به حالت خفگی یا سرج در جریان موجود باشد، این موضوع می‌تواند مشکل ایجاد کند. همچنین در نسبت فشارهای بالاتر دستیابی به محدوده قابل استفاده بسیار سخت تر می‌شود.
در سال 1990، محققان پورشه طی یک بررسی موتور مدل 944 چهار سیلندر پورشه را با چهار سیستم مختلف توربو را مورد آزمایش قرار دادند. آنها سیستم استاندارد را که حجم منیفولد زیادی داشت به یک سیستم کوچکتر شده تغییر دادند و به این منیفولد کوچک شده یک توربوشارژر تک ورودی با دریچه فرار، یک توربوشارژر با ورودی دوگانه (ولی با یک دریچه فرار) و یک توربوشارژر با هندسه متغیر(VTG) متصل کردند و برای به دست آوردن رفتار حالت گذرا آزمایشاتی انجام دادند. شبیه‌سازی وسیله نقلیه را روی دنده دوم و با 2000rpm و فشار متوسط مؤثر ترمزی bar2 آغاز کردند و حالت گذرا را با تغییر دور تا فشار متوسط مؤثر ترمزی bar15 مورد بررسی قرار دادند[33].
با توربورشارژرVTG عکس‌العمل توربوشارژر حدود60% بهبودی داشت برای ورودی دوگانه 24% و برای حالت تک ورودی با کاهش اندازه منیفولد این بهبودی حدود 22% بود. بهبود زیاد در حالت هندسه متغیر، نه فقط به خاطر تغییرات رفتار جریان در توربین بلکه به خاطر کاهش شصت درصدی در اینرسی روتور بود. قابلیت تغییر هندسه در این توربوشارژر اجازه انتخاب پره توربینی که 18% کوچکتر باشد، را می‌دهد. در نهایت آنها به این نتیجه رسیدند که بازده کلی یک توربوشارژر با ممان اینرسی روتور آن متناسب است. در این زمینه مقالات متعددی به چاپ رسیده است. مؤثرترین تکنولوژی موجود (VGT) است که به خاطر دمای بالای موتورهای احتراق جرقه‌ای نیازمند طراحی پیشرفته است[25]. تکنولوژی دیگر که در آن عرض نازل توربین تغییر می‌کند (VNT) است[26].
ویلاند تحقیقاتی را برای کاهش زمان عکس‌العمل توربورشارژر انجام داد. با استفاده از پره توربین از جنس SiN (نیترید سیلیسم) اینرسی (فقط اینرسی پره توربین) 64% کاهش داشت و با جنسTiAl این کاهش به 50% نسبت به حالت استاندارد رسید[27]. راه‌حل دیگر برای بهبود عکس‌العمل توربوشارژر کاهش اصطکاک در یاتاقان‌هاست. ویلاند نشان داد که در سرعت‌های پائین توانی که صرف مقابله با اصطکاک می‌شود یک سوم کل توان توربین است. با تغییر در بلبرینگ، توان لازم برای مقابله با اصطکاک به 50% کاهش می‌یابد. در شرایطی که توان توربین در سرعت‌های پائین و به تبع آن در دبی جرمی پائین، بالا می‌رود کمپرسور می‌تواند به حالت سرج برسد. برای جلوگیری از سرج، کمپرسور باید محدوده وسیع‌تری را تحت پوشش قرار دهد[28].
2-7- سیستم‌های ترتیبی
نوع دیگر مورد استفاده در توربوشارژرهای با هندسه متغیر استفاده از سیستم‌های ترتیبی است. به این صورت که به جای تغییر در هندسه یک توربوشارژر تعداد توربوشارژرها افزایش یابد. دلیل استفاده از این سیستم ازدیاد دامنه تغییرات جریان برای تأمین فشار مورد نیاز است.
محققین ولوو آزمایش‌هایی در زمینه سیستم‌های ترتیبی در سال 1991 انجام دادند]39[. آنها روی موتور 6 سیلندر با فشار نهایی کمی کمتر از 2barتحقیقات خود را انجام دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که اینرسی یک سیستم توربوشارژری موازی30% پائین‌تر از یک سیستم تک توربوشارژری با همان مشخصات نهایی است و به علت کمی اینرسی، عکس‌العمل بهتری نشان خواهد داد. آنها به این نتیجه رسیدند که سیستم ترتیبی سری مزایای بیشتری از سیستم ترتیبی موازی دارد. دلیل آن این است که رسیدن به حالت گذرای یکنواخت برای حالت موازی مشکل‌تر است. سیستم سری محدوده جریان را باریکتر می‌سازد، زیرا جریان باید از دو کمپرسور عبور کند بنابراین اجازه رسیدن به فشارهای بالاتر را می‌دهد. این سیستم شامل یک توربوشارژر فشار پائین و یک توربوشارژر فشار بالا است که توربین فشار پائین می‌تواند با یک شیر پروانه‌ای از مسیر خارج شود. شیر دیگر می‌تواند کمپرسور را از حالت سری به موازی تبدیل کند. کارخانه‌های پورشه و مزدا از این سیستم‌های برای موتورهای خود استفاده می‌کنند. در این سیستم از توربوشارژرهای یکسان استفاده می‌شود.
2-8- سیستم‌های دومرحله‌ای
معمولاً این سیستم برای فشارهای بالای 2bar است. محققین کارخانه kkk سیستم دو مرحله‌ای را برای فشار مطلق 3bar برای موتور دیزل در نظر گرفتند. این سیستم شامل دو توربوشارژر با سایزهای متفاوت به همراه دریچه فرار در قسمت فشار بالا و نیز خنک‌کن میانی برای هر مرحله است. این سیستم برای یک موتور 12 لیتری دیزلی استفاده شد. مقدار افزایش در قسمت فشار بالا و پائین نسبت به حالت استاندارد تک توربوشارژری 85% و 112% گردید[30].
فصل سوم
تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر
3-1- استفاده از توربوشارژر برای موتور گازسوز
معمولا موتورهایی که تبدیل به گازسوز می‌شوند از ابتدا برای سوخت بنزین و بدون استفاده از پرخوران طراحی شده اند لذا در هنگام استفاده از پرخوران برای این موتورها می‌بایست به این نکته توجه نمود که فشارهای دینامیکی، ارتعاشات و نیروهای وارده به قطعات موتور نباید بیش از آنچه که در موتور معمولی است باشد. بنابراین دراستفاده از پرخوران برای یک موتور گازسوز باید سعی نمود تا با در نظر گرفتن محدودیت های تعیین شده برای موتور بنزینی بدون پرخوران نسبت به بهبود عملکرد آن اقدام گردد. اضافه کردن توان در این موتورها می‌بایست با بررسی بیشتر قطعات و مشخص نمودن حد دوام آن ها صورت پذیرد.
3-2- تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر
از آنجاییکه هدف از نصب توربوشارژر علاوه بر افزایش قدرت، افزایش بازده موتور و نیز احتمالا کاهش آلودگی می‌باشد، بر روی قسمت های دیگر موتور نیز لازم است تغییراتی انجام گیرد. برای مثال سیستم پاشش سوخت باید طوری تغییر کند که میزان افزایش سوخت مورد نیاز موتور را با توجه به جرم افزوده هوا تامین کند. همینطور در منیفولدها باید تغییراتی داده شود تا هم امکان نصب توربوشارژر میسر گردد و هم امکان حداکثر استفاده از انرژی ضربه ای موجود در منیفولد میسر گردد. از سوی دیگر با توجه به ایجاد اختلاف فشار مثبت فشار بین منیفولد ورودی و خروجی احتیاج به تغییر زمان بندی سوپاپ ها و همچنین میزان همپوشانی سوپاپ ها می‌باشد. علاوه بر این تغییر زمانبندی سیستم جرقه احتمال دارد موجب بهبود عملکرد موتور گردد که تغییرات احتمالی آن از طریق انجام مدلسازی و نیز از طریق انجام آزمون قابل بررسی می‌باشد.
مباحثی که در زمینه تغییرات لازم موتور ذکر گردید مطالب مربوطه به تصحیح عملکرد موتور از لحاظ بازده و توان خروجی می‌باشد. لازم به ذکر است که تغییراتی نیز در مورد سیستم های جانبی موتور لازم الاجرا هستند. از قبیل تغییر در سیستم های خنک کاری و روغن کاری. با توجه به افزوده شدن دما و فشار در موتور توربوشارژری میزان حرارت تحویلی به بدنه موتور نیز افزایش می‌یابد. اگر سیستم خنک کاری جوابگوی این مازاد حرارت نباشد دمای سطح داخلی موتور افزایش می‌یابد، که این امر موجب اختلال در کیفیت روغن و کاهش گرانروی و عملکرد نامناسب آن می‌گردد. لذا عملکرد سیستم خنک کاری باید مورد بررسی قرار گیرد. در مورد سیستم روغن کاری نیز افزایش روغن مصرفی توربوشارژر برای روغن کاری یاتاقان ها موجب بازنگری بر روی سیستم روغنکاری می‌گردد که در صورت کافی نبودن ظرفیت سیستم پمپاژ روغن موتور باید تمهیداتی برای رفع این نقیصه به کار گرفته شود.
نوع دیگر از ملاحظات در نصب توربوشارژر بر روی موتورهای تنفس طبیعی تحلیل مقاومت بدنه موتور در برابر تنش های مکانیکی و حرارتی القا شده در اثر افزایش فشار و دما توسط توربوشارژر می‌باشد. بنابر ادعای واتسون[24] اگر میزان افزایش قدرت موتور تا حدود 50 درصد قدرت موتور تنفس طبیعی باشد موتور قابلیت تحمل تنش های ناشی از نصب توربوشارژر را خواهد داشت، ولی اگر افزایش قدرت خروجی مورد نظر بیش از این مقدار باشد، طراحی مجدد بعضی از قطعات موتور لازم می‌باشد.
3-3- کاهش مشکلات توربوشارژینگ
3-3-1- جلوگیری از تولید کوبش
در مرحله احتراق پس از جرقه زدن شمع شعله اولیه تشکیل می‌شود که به آن شعله جلویی گفته می‌شود. این شعله شروع به پیشروی در میان مخلوط نسوخته می‌کند و با گذشت زمان در مرحله احتراق حجم گازهای نسوخته کمتر و کمتر می‌شود و این موجب می‌گردد تا دمای مخلوط انتهایی افزایش یابد تا حدی که ممکن است مخلوط به دمای اشتعال برسد. یعنی قبل از رسیدن شعله جلویی مخلوط یا گازهای انتهایی خودبخود مشتعل می‌شوند. این اشتعال خودبخودی بسیار سریع و لحظه ای می‌باشد و موجب ایجاد موج های فشاری در داخل محفظه احتراق می‌شود. از این پدیده بنام پدیده ناک یا کوبش تعبیر می‌شود. کوبش موجب خرابی در سر سیلندر و پیستون و نیز باعث کاهش بازده و افزایش آلاینده هایی نظیر منوکسید کربن می‌شود.
3-3-1-1- روش های جلوگیری از تولید کوبش
کاهش نسبت تراکم. کاهش نسبت تراکم باعث کاهش فشار و دما در انتهای مرحله تراکم می‌شود و این کاهش احتمال خود اشتعالی را کمتر می‌کند. اکثر موتورهای اشتعال جرقه ای توربوشارژ شده در مقایسه با موتورهای تنفس طبیعی نسبت تراکم کمتری دارند. به عنوان مثال طبق شکل(3-1) برای یک موتور تنفس طبیعی با نسبت تراکم 9 اگر بخواهیم فشار تقویتی را 0.5 بار اضافه کنیم باید برای جلوگیری از کوبش، نسبت تراکم را به 6.7 برسانیم[24].

شکل(3-1) رابطه بین نسبت تراکم و افزایش فشار ورودی موتور [24]
البته کاهش نسبت تراکم باعث کاهش راندمان موتور می‌شود ولی این کاهش در راندمان در مقایسه با افزایش بر اثر توربوشارژ کردن چندان زیاد نیست. کاهش در نسبت تراکم باید تا حدامکان کم باشد تا هم راندمان کاهش زیادی نداشته باشد و هم از محدوده خود اشتعالی فاصله گرفته شود. به طور کلی نسبت افزایش فشار در توربوشارژر مناسب با افزایش قدرت مورد نظر انجام می‌گیرد و سپس میزان نسبت تراکم برای حصول حاشیه امنیتی نسبت به تولید کوبش به طور تجربی بدست می‌آید. متاسفانه روش کلی برای انتخاب نسبت تراکم قابل ارائه نمی‌باشد زیرا شروع کوبش شدیدا وابسته به اندازه های موتور، کنترل فشار توربوشارژر و خواص سوخت می‌باشد. اگر روشی برای تعیین میزان کاهش نسبت تراکم موجود نباشد، کاهش دو واحدی نسبت تراکم میانگین مناسبی می‌باشد[24]. مهمترین نکته برای جلوگیری از کوبش پائین نگه داشتن دمای هوای ورودی به موتور می‌باشد.
ریتارد کردن جرقه. به تاخیر انداختن جرقه باعث کاهش دمای احتراق می‌شود. ریتارد جرقه باعث کاهش دما و فشار مخلوط هوا و سوختی که در دورترین فاصله به شعله واقع هستند شده و این امر باعث کاهش احتمال بروز کوبش یا خودسوزی و یا شدت آن می‌شود. ریتاردکردن زاویه جرقه با توجه به اینکه باعث کاهش فشار در مرحله انبساط می‌شود در نتیجه موجب کاهش بازده موتور نیز می‌شود ولی تاثیر آن کمتر از کاهش بازده موتور به دلیل کاهش نسبت تراکم است .[24]البته به تاخیر انداختن زاویه جرقه در حالت بار کامل کاربرد دارد و در حالت بار جزئی نیاز به ریتاردکردن زاویه جرقه نداریم و زاویه جرقه در همان حالت آوانس باقی می ماند. زیرا درحالت بار جزئی مسئله ناک نداریم و به تاخیر انداختن زاویه جرقه که منجر به کاهش بازده می‌شود مناسب نیست. به دلیل اینکه تغییر نسبت تراکم موتور جهت کنترل ناک و فشار و دمای بیشینه سیلندر بسیار سخت و مقرون به صرفه نمی‌باشد، معمولا نسبت تراکم موتور را تا حد ممکن بالا در نظر می‌گیرند و یا ثابت نگه می دارند و با استفاده از تنظیم زاویه جرقه کوبش و دما و فشار بیشینه داخل سیلندر را کنترل می‌کنند. تغییر و تنظیم زمانبندی جرقه به مراتب راحتتر و آسانتر از تغییر نسبت تراکم در موتور می‌باشد. از نکات منفی به تاخیر انداختن زاویه جرقه به هدر رفتن مقدار بیشتری از انرژی در مرحله تخلیه و افزایش دمای گازهای خروجی است که ممکن است به توربین آسیب برساند و این یک مشکل جدی برای سازندگان توربوشارژر می‌باشد.
کاهش حداکثر فاصله مخلوط سوخت و هوا از شمع. برای دستیابی به این امر محفظه احتراق باید طوری طراحی گردد که دورترین نقطه از شمع در فاصله قابل قبولی باشد و جبهه احتراق به سرعت و قبل از جذب حرارت اضافی به این منطقه برسد.
خنک کاری هوای ورودی به موتور. افزایش دمای هوا در کمپرسور و تأثیر آن بر ضربه را می‌توان با استفاده از خنک میانی کاهش داد. با استفاده از خنک کن میانی و کاهش دمای محیط امکان کوبش کاهش می‌یابد و نیاز به تاخیر در زمان جرقه کم می‌شود و می‌توانیم از نسبت تراکم بالاتری نسبت به موتورهای پرخورانی شده بدون خنک کن میانی استفاده کنیم. همچنین خنک کن میانی باعث افزایش بازده حجمی می‌شود زیرا با کاهش دمای هوای ورودی چگالی هوا نیز افزایش می‌یابد و باعث می‌شود که جرم بیشتری از مخلوط هوا و سوخت وارد سیلندر شود. نقاط ضعف این سیستم افزایش حجم منیفولد ورودی و به تبع آن کاهش سرعت پاسخگویی موتور و قیمت بالای آن می‌باشد. چون این خنک‌کن بین کمپرسور و موتور قرار دارد به آن خنک میانی نیز می‌گویند. عبور از خنک‌کن میانی مقداری افت فشار را برای گاز در پی دارد، ولی به علت افزایش چگالی گاز پس از خنک کاری و افزایش قدرت به دنبال آن، این افت فشار قابل اغماض است.
در موتور دارای خنک‌کن میانی، به دلیل افزایش جریان هوا، نسبت سوخت به هوا ضعیف می‌شود و در پی آن دمای ورودی به توربین کم می‌شود در نتیجه انرژی قابل دستیابی در توربین کم می‌شود و در نهایت فشار در سیلندر کاهش پیدا می‌کند ولی اثر افزایش چگالی از اثر کاهش فشار بیشتر است. استفاده از خنک‌کن میانی باعث افزایش قدرت خروجی موتور بدون افزایش یافتن بار حرارتی خواهد شد، مصرف سوخت کم شده و به دلیل مخلوط سوخت به هوای ضعیف، تولید دود نیز کم خواهد شد. مزایای استفاده از خنک‌کن میانی بر همگان روشن است ولی شرایط استفاده از آن بستگی به وجود مایع خنک‌کننده با دمای مناسب و ملاحظات اقتصادی دارد.
با توجه به اینکه سازندگان موتور برای موتورهایشان نسبت به کوبش حاشیه امنیتی در نظر می‌گیرند، می‌توان موتورها را به ملایمت توربوشارژ کرد بدون اینکه کوبش اتفاق بیفتد.
3-3-2- کنترل افزایش فشار در توربوشارژر
کنترل فشار در توربوشارژر شامل کنترل افزایش فشار در کمپرسور می‌باشد. این کنترل می‌تواند به چند طریق صورت پذیرد. اول آنکه در انتخاب توربوشارژر تا حد امکان باید تلاش شود که توربوشارژری که برای موتور انتخاب می‌شود افزایش فشار هوای ورودی موردنظر را تامین نماید. یعنی توان موتور با انتخاب توربوشارژر مناسب تا حد موردنظر افزایش یابد و کمتر و یا بیش از توان موردنظر نشود. اگر از توربین بزرگتر استفاده شود مقدار افزایش فشار هوا و درنهایت توان موتور در دورهای پائین کمتر از حد موردنظر و در دورهای بالا بیش از حد موردنظر خواهد بود. همچنین موجب کاهش در سرعت پاسخ توربوشارژر می‌شود. اگر توربین یک توربوشارژر کوچکتر از حد ایده آل انتخاب شود آنگاه افزایش فشار ورودی هوا و درنهایت توان موتور در دورهای پائین بیش از حد مجاز و در دورهای بالا کمتر از حد مجاز خواهد بود. بنابراین انتخاب توربوشارژر مناسب برای موتور جهت دسترسی به توان و افزایش فشار هوای ورودی خود عاملی مهم در کنترل افزایش فشار خواهد بود.
یک روش دیگر برای کنترل فشار هوای ورودی به داخل موتور استفاده از یک شیر در منیفولد ورودی می‌باشد ولی این روش مناسب نیست زیرا این عمل باعث می‌شود که مقداری از کار تولیدی در توربین به هدر رود و همچنین باعث افزایش تلفات پمپاژ می‌شود. روش دیگری که اکثرا برای کنترل افزایش فشار در توربوشارژر استفاده می‌شود، استفاده از یک شیر در ورودی توربین می‌باشد، که به دریچه کنترل توربین معروف است. اگر فشار گازهای حاصل از احتراق از حد مجاز بالا رود این شیر باز شده و مقداری از گازهای ورودی به توربین را منحرف کرده و به خروجی توربین منتقل می‌کند. در حقیقت این عمل دور زدن گازهای ورودی به توربین است.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

با بازشدن این شیر از ورود قسمتی از گازهای حاصل از احتراق به داخل توربین جلوگیری می‌شود. در نتیجه انرژی وارد شده به توربین کاهش می‌یابد و موجب می‌گردد که کار تولیدی توربین و کار منتقل شده به کمپرسور کاهش یابد. پس در نتیجه افزایش فشار در کمپرسور نیز کاهش یافته و به این ترتیب فشار هوای ورودی به داخل موتور کاهش می‌یابد و در نتیجه فشار و دمای بیشینه سیلندر کنترل می‌شود.
یکی دیگر از راههای کنترل افزایش فشار در توربوشارژر استفاده از یک نازل در ورودی توربین می‌باشد که سطح مقطع آن متغیر است. در دورهای پائین سطح مقطع نازل کوچکتر و در دورهای بالا سطح مقطع آن بزرگتر می‌شود تا انرژی مورد نیاز برای توربین مهیا شود. با کنترل انرژی ورودی به داخل توربین با استفاده از این روش می‌توان افزایش فشار در توربوشارژر را کنترل نمود. روش دیگر برای کنترل توربوشارژر استفاده از یک نازل در خروجی توربین است و این نازل باعث افزایش افت فشار در حالتی که دبی گازهای ورودی به توربین بیشتر از حد مجاز باشد می‌شود. بنابراین این عمل باعث می‌شود که در توربین فشار پائین دست ایجاد شود و نسبت فشار در توربین کاهش یابد.
3-3-3- زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی
در دورهای پائین و به بخصوص در دورهای کمتر از 2000rpm انرژی گازهای خروجی کم است و بنابراین برای افزایش توان در این دورها توسط توربوشارژر با مشکل مواجه می شویم. چون در دورهای بالا مشکل افزایش توان نداریم طراحی زمانبندی و منحنی لیفت سوپاپ ها به گونه ای است که بهترین بازده حجمی را در دورهای پائین و بخصوص کمتر از2000rpm داشته باشیم.
به طور کلی کمترکردن مقدار برخاستگی سوپاپ ورودی و کاهش دادن مدت زمان باز بودن آن در دورهای کمتر از 2400rpm نسبت به دورهای بالا، موجب افزایش بازده حجمی می‌شود. تغییر دیگری نیز در طراحی سوپاپ موتور پرخورانی شده انجام می‌پذیرد و آن کاهش زمانی است که هر ۲ سوپاپ ورودی و خروجی باز هستند. زیرا وقتی در پورت ورودی به دلیل افزایش نسبت فشاری که در کمپرسور صورت می‌گیرد فشار بالا می‌رود، مقداری از مخلوط به راهگاه خروجی راه می‌یابد. در این صورت با افزایش آلاینده ها نظیر هیدروکربن های نسوخته و همچنین کاهش بازده موتور روبرو می شویم. یا ممکن است بدلیل ایجاد فشار پائین دست توسط توربین مقداری از گازهای حاصل از احتراق به داخل راهگاه ورودی وارد شود که این امر نیز خطرناک است زیرا دمای گازهای حاصل از احتراق بالا می‌باشد و ممکن است که مخلوط هوا و سوخت داخل منیفولد مشتعل شود.[24]
3-4- تأثیر توربوشارژر بر آلودگی خروجی
موتور توربوشارژ شده به علت اینکه مقدار و دمای هوای ورودی آن نسبت به موتور تنفس طبیعی بیشتر است آلودگی مونواکسیدکربن و هیدروکربن نسوخته آن کمتر می‌شود. اما به علت دمای بالا و افزایش فشار متوسط ترمزی میزان اکسیدهای نیتروژن آن افزایش می‌یابد[31]. البته باید تأثیر خنک‌کن میانی بر آلودگی اکسیدهای نیتروژن مورد توجه قرار گیرد.
فصل چهارم
انطباق توربوشارژر
4-1- انطباق موتور و توربوشارژر
هدف کلی از انطباق توربوشارژر به موتور احتراق داخلی این است که توربوشارژری با حداکثر پارامترهای مناسب را به یک موتور به منظور بدست آوردن بهترین کارائی وصل کنیم. از طرفی، توربوشارژر در تمام محدوده کارکرد موتور در راندمان بالا کار نخواهد کرد. در اصل توربوشارژر را به طور دقیق می‌توان فقط برای یک نقطه کارکرد موتور طراحی کرد. اگر قرار است که موتور در محدوده وسیعی از بار و سرعت کار کند، آنگاه یک محدوده قابل قبول برای اتصال توربوشارژر باید رعایت شود[24]. در انتخاب توربوشارژر انتخاب مناسب کمپرسور اهمیت بیشتری نسبت به توربین دارد زیرا توربین ها قادرند در محدوده وسیع تری نسبت به کمپرسورها کار کنند[34].

4-2- تعیین پارامترهای توربین و کمپرسور
رفتار یک توربوشارژر را می‌توان بصورت پارامترهایی که شامل متغیرهای مربوط به توربوشارژر می‌باشد نشان داد[32].
با ترسیمP02P01 در مقابل پارامتر دبی جرمیmT01P01 به اندازه مقادیر NT01 (خطوط سرعت ثابت) مشخصات کامل نقشه کمپرسور بدست می‌آید که به آن نقشه می گویند که نمونه ای از آن در شکل(4-1) نشان داده شده است[24].

Text of Final Project -فایل پروژه - ریسرچ-.Pdf)

-3-2 توصیف ریاضی ماشین سنکرون 23..............................
-1-3-2 معادلات ریاضی حاکم بر ماشین سنکرون 23...............
-2-3-2 معادلات حرکت 28...................................................................................................
-4-2 پارامترهای ماشین سنکرون 29....................................................................
-1-4-2 پارامترهای اساسی29
-2-4-2 پارامترهای عملیاتی 30........................................
-3-4-2 پارامترهای دینامیکی31
-5-2 محاسبه پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون بر اساس پارامترهای اساسی
ماشین31
-1-5-2 محاسبه راکتانسهای ماشین 33..................................................................................
-2-5-2 محاسبه ثابت زمانی های ماشین35
5
-6-2 مراتب مختلف مدلهای ماشین سنکرون بر اساس مدل دو محوری پارک37
فصل سوم: بررسی روشهای شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون..39
-1-3 مروری بر پیشینه شناسایی پارامترهای ژنراتورهای سنکرون 40..............................
-2-3 انواع روشهای تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون 42................................
-1-2-3 روشهای کلاسیک اندازه گیری پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای شبکه42
-2-2-3 روشهای جدید تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون43
فصل چهارم: شناسایی بلادرنگ پارامترهای ژنراتور سنکرون با استفاده از شبکه عصبی
مصنوعی ....45
-1-4 کلیات و اصول کارشبکه های عصبی 46....................................
-2-4 اصول کار شبکه عصبی تخمین گر پارامترها46
-1-2-4 دادههای آموزشی و آموزش شبکه عصبی.48
-2-2-4 تست شبکه عصبی تخمینگر50
-3-4 نتایج 51...................................................................
-1-3-4 نمونههایی از نتایج شبکه عصبی تخمینگر53
-2-3-4 بررسی تحلیلی نتایج .89
فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات ...97
ضمیمهها100
ضمیمهالف- طرحهای بکار گرفته شده برای شبیهسازی ژنراتور سنکرون101
ضمیمهب- نمودار پارامترهای بکار گرفته شده در شبیهسازی ژنراتور سنکرون..105
منابع و ماخذ.110
6
فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه
1-2 : مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون 24
1-4 : فهرست پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون 38
2-4 : نتایج شبکه عصبی در دوره آموزش و تست از دیدگاه فراوانی خطا 81
3-4 : نتایج شبکه عصبی در دوره آموزش و تست از دیدگاه دامنه خطا 82

7
فهرست شکلها
عنوان شماره صفحه
: 1-1 نمای کلی فرایند ارزیابی و بهبود سیستمهای قدرت 3
: 1-2 مدارهای استاتور و روتور ماشین سنکرون 9
:2-2 مدار معادل ماشین بر اساس تئوری پارک 13
:3-2 توزیع شار در ماشین سنکرون طی دورههای زیرگذرا، گذرا و ماندگار 18
:4-2 مدار معادل ژنراتور سنکرون در حالت ماندگار 19
:5-2 مدار معادل ماشین سنکرون در دوره گذرا 20
:6-2 مدار معادل ماشین سنکرون طی دوره زیر گذرا 20
:7-2 مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های گذرای مدار باز 21
: 8-2 مدارمعادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز 22
: :1-4 طرح کلی سلول عصبی انسان 32
:2-4 شکل کلی سلول عصبی مصنوعی 33
:3-4 ساختار شبکه عصبی توسعه یافته 33
:4-4 شکل کلی روش تهیه اطلاعات بهرهبرداری ژنراتورهای سنکرون 35
:5-4 آلگوریتم آموزش شبکه عصبی 36
:6-4 طرح کلی روش تست و بهرهبرداری از شبکه عصبی 37
:7-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xd" 39
:8-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 39
:9-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 40
:10-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 40
:11-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 41
:12-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 41
:13-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd" 42

8
:14-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 42
:15-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 43
:16-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 43
:17-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 44
:18-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 44
:19-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd" 45
:20-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 45
:21-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 46
:22-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 46
:23-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 47
:24-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 47
:25-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xq" 48
:26-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 48
:27-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 49
:28-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq" 49
:29-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 50
:30-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 50
:31-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq" 51
:32-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 51
:33-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 52
:34-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین xq" 52
:35-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 53
:36-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 53
:37-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq" 54
:38-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 54
:39-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 55
9
:40-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq" 55
:41-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 56
:42-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 56
:43-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند برای تخمین Td" 57
:44-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 57
:45-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 58
:46-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 58
:47-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 59
:48-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 59
:49-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td" 60
:50-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 60
:51-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 61
:52-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 61
:53-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 62
:54-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 62
:55-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td" 63
:56-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 63
:57-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 64
:58-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 64
:59-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 65
:60-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 65
:61-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین Tq" 66
:62-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 66
:63-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 67
:64-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq" 67
:65-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 68
10
:66-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 68 :67-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq" 69 :68-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 69 :69-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 70 :70-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین Tq" 70 :71-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 71 :72-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 71 :73-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq" 72 :74-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 72 :75-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 73 :76-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq" 73 :77-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 74 :78-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 74 ض-:1 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متصل به شین بینهایت با اغتشاش تغییر 88 ناگهانی تحریک ض-:2 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متـصل بـه شـین بینهایـت بـا اغنـشاش 89 اتصالکوتاه درترمینال ژنراتور ض-:3 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متصل به شین بینهایت با اغتشاش تغییر 90 ناگهانی توان ورودی ض-:4 تغییرات مقادیر Xd بکار گرفته شده 92 ض-:5 تغییرات مقادیر Xd' بکار گرفته شده 92 ض-:6 تغییرات مقادیر Xd" بکار گرفته شده 92 ض-:7 تغییرات مقادیر Xq بکار گرفته شده 93 ض-:8 تغییرات مقادیر Xq" بکار گرفته شده 93 ض-:9 تغییرات مقادیر Xl بکار گرفته شده 93 ض-:10 تغییرات مقادیر Td' بکار گرفته شده 94 ض-:11 تغییرات مقادیر Td" بکار گرفته شده 94 11
ض-:12 تغییرات مقادیر Tq" بکار گرفته شده 94
ض-:13 تغییرات مقادیر Rs بکار گرفته شده 95
ض-:14 تغییرات مقادیر WR بکار گرفته شده 95
ض-:15 تغییرات مقادیر H بکار گرفته شده 95
12
چکیده پایاننامه:
این پروژه روشی نو را برای بکارگیری رؤیتگرهای شبکه عـصبی در جهـت شناسـایی و تعیـین پارامترهـای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با استفاده از اطلاعات بهرهبرداری ارائه کرده است. اطلاعات بهـرهبـرداری از طریق اندازهگیریهای بلادرنگ بعمل آمده در قبال اغتشاشات حوزه بهرهبرداری فراهم مـیشـود. دادههـای آموزشی مورد نیاز شبکه عصبی از طریق شبیهسازیهای غیرهمزمـان بهـرهبـرداری از ژنراتـور سـنکرون در محیط یک ماشین متصل به شین بینهایت فراهم شده است. مقـادیر نمونـه ژنراتورهـای سـنکرون در مـدل مذکور بکار گرفته شدهاند. شبکه آموزش دیده در قبال اندازهگیریهای بلادرنگ شبیهسازی شـده در جهـت تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون تست شده است. مجموعه نتایج بدست آمده نشان دهنـده قابلیتهای نوید بخش شبکه عصبی مصنوعی در حوزه تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهـای سـنکرون، بصورت بلادرنگ و با استفاده از اطلاعات بهرهبرداری میباشد. اگرچه برای دست یـابی بـه خطـای تخمـین قابل قبول در مسیر شناسایی کلیه پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون، پارهای اصلاحات ضروری بـه نظر میرسد. در نگاه کلّی این اقدامات تکامل بخش را میتوان به دو مجموعه: پیشنهادات مربوط به اصـلاح شبکه عصبی رؤیتگر در حوزه شبیهسازی و آموزش و بخش دیگر را به عنوان گامهای تکاملی تلقی نمود، که سازماندهی این گامها در مبادی ورودی و خروجی شبکه عصبی، زمینه مناسبتـری را بـرای بهـرهگیـری از قابلیتهای آن فراهم خواهد کرد.
کلید واژه:
ژنراتور سـنکرون، پارامترهـای دینـامیکی، شناسـایی بلادرنـگ، شـبکههـای عـصبی مـصنوعی، اطلاعـات بهرهبرداری
13
14
مقدمه:
در سالهای اخیر با پیشرفت سیستمهای کامپیوتری, سیستمهای هوش مصنوعی نیز متولد شده و رشد کرده است. یکی از سیستمهای هوش مصنوعی, شبکه های عصبی مصنوعی هستند. این شبکه ها به علت عواملی چون قطعیت در پاسخ, سادگی در اجرا, قابلیت انعطاف بالا و .... جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده اند. با توجه به ساختار و کارکرد شبکه های عصبی مصنوعی و اهمیت تعیین پارامترهای دینامیکی اجزاء سیستمهای قدرت از جمله ژنراتورهای سنکرون, بهره گیری از شبکه های عصبی مصنوعی در این حوزه قابل طرح است. از طرف دیگی نتایج ارائه شده از بکار گیری این شبکه ها در حوزه های مشابه, کارکردهای نوید بخشی را نشان می دهد. با توجه به مراتب فوق این پروژه بر آنست تا با طراحی و اجرای طرح شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با استفاده از شیکه عصبی مصنوعی, قابلیت های این سیستم را در حوزه شناسایی بلادرنگ پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون نیز بیازماید.
15
فصلاول:

کلیات
16
سیستم های قدرت متشکلند از مجموعه ای از مراکز تولید(نیروگاهها) که توسط شبکه های انتقال و توزیع و تجهیزات حفاظتی و کنترل آن به مراکز مصرف متصل می گردند. وظیفه اصلی یک سیستم قـدرت تولیـد و تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کنندگان با حفظ شرایط سه گانه:
-1 ارزانی قیمت انرژی
-2 کیفیت بالا
-3 امنیت تامین انرژی میباشد. مراد از امنیت، پیوستگی و تداوم در تولید و تامین انرژی می باشد. عوامل مؤثر در امنیـت عبارتنـد از:
-1 سرمایه گذاری اولیه (تجهیزات سیستم ) -2 روشها و امکانات نگهداری و تعمیرات سیستم قدرت.
همانگونه که در کلیه وسایل و سیستم های غیرالکتریکی همواره دو ویژگی ارزانـی و بـالا بـودن کیفیـت-
امنیت با یکدیگر متعارض و متقابل می باشند در مقوله انرژی الکتریکی و سیستم هـای قـدرت نیـز بهمـان گونه خواهد بود. امنیت یک سیستم قدرت در حقیقت درجه و میدان توانایی آن سیستم در مواجهه با حـوادث
اغتشاشات می باشد . امنیت کلی یک سیستم به دو زیر شاخه:
امنیت دینامیکی
امنیت استاتیکی
قابل تقسیم است. از توانایی سیستم قدرت برای حفظ و نگهداری خود در دوره وقوع اختلال (که خود از سـه دامنه فوق گذرا-گذرا-دینامیک تشکیل شده است) با عنوان امنیت دینامیکی تعبیر مـی گـردد. بـا توجـه بـه اهمیت بسیار زیاد امنیت سیستمهای قدرت، فرایند ارزیابی وبهبود آن همواره مورد توجه مهندسـین طـراح و بهرهبردار بوده، به قسمی که عملیات ارزیابی و بهبود امنیت سیستم های قدرت یکی از وظایف بسیار مهـم و اساسی مراکز کنترل و بهره برداری شبکه های قدرت می باشد. شکل کلی فرایند ارزیـابی و بهبـود سیـستم های قدرت در شکل1-1 بیان شده است. باتوجه به اهمیت امنیت در سیستم های قدرت و همچنین تغییرات مستمری که در حین عملیات بهره برداری 24 ساعته در شبکه اتفاق می افتد ضرورت دارد که دائماً از طرف بهره بردار، عملیات بهره برداری به شکلهای مختلف بر روی سیستم های قدرت اعمال گردد،اما با توجه بـه ویژگی بالا بودن امنیت نباید این عملیات بگونه ای باشدکه سبب بروز اغتشاش در رفتار سیستم و در نتیجـه نقض غرض گردد. از طرفی سیستم قدرت هر کشور منحصر بفرد بوده به قسمی که نمونه دومی نمی تـوان برای آن ایجاد نمود. بنابر این با توجه به ویژگی منحصر بفرد بودن سیستمهای قدرت و ضـرورت اجتنـاب از عملیات بهره برداری بررسی نشده، برای ارزیابی اولیه از نتایج عملیات بهره برداری و یا طراحی ضرورتاً مـی باید از یک نمونه مشابه سیستم قدرت استفاده نمود تا بتوان ابتداً نتایج مانورهای طراحی یا بهـره بـرداری را برآن آزمایش و در صورت اطمینان از بی خطر بودن، نتایج آن مانورها را بر شبکه واقعی اعمال نمود.
17

نمونه مشابه سیستم قدرت را شبیه ساز1 و عملیات آزمایشی بـرروی نمونـه مـشابه را محاسـبات و مطالعـات شبیه سازی2 گویند. فرایند شبیه سازی سیستمهای قدرت فارغ از اینکه دیجیتال باشد یـا آنـالوگ از مراحلـی بدین ترتیب تشکیل شده است:
_1 شناسایی اجزاء سیستم قدرت
_2 ساخت و یا استخراج معادلات حاکم بر اجزاء
_3 ترکیب اجزاء و یا معادلات آنها
_4 حل معادلات با روشهای ریاضی بوسیلهکامپیوتر
_5 استخراج نتایج که در این میان مدلسازی اجزاء سیستم قدرت که همان شناسایی و استخراج معـادلات حـاکم بـر اجـزاء آن
است یکی از قدم های اصلی این فرایند بشمار میرود. به بیان دیگر یک متخـصص شـبکه در روش کـاری خود اولویت بندی هایی دارد که اولین آنها رساندن انرژی الکتریکی تولیدی به مصرف کننده است، در مرحله
دوم به تامین امنیت شبکه اهتمام می ورزد. و نهایتاً تلاش خویش را در جهت بهبود هر چـه بیـشتر کیفیـت انرژی که به مصرف کننده تحویل داده می شود مصروف می دارد. اگر چه بسیاری از اقداماتی که در جهـت امنیت سیستم های قدرت انجام می شود کیفیت توان را نیز ارتقاء می دهد. تامین امنیت سیستم خود شـامل مراحل و اولویتهایی است که اولین گام آن را مقاوم سازی و پایدار سازی شبکه در حالت های گذرا می باشد

1-simulator 2-simulation
18
و دومین گام شامل پایدار سازی دینامیکی شبکه می شود. از دیدگاه فرکانسی می توان حالت هـای گـذرا در شبکه را با نوسانات فرکانس بالا و حالت های دینامیکی آن را با نوسانات فرکانس پایین معرفی کرد. در اکثر شبکه های دنیا خاصه با پیچیده شدن شبکه ها پدیده نوسانات فرکانس پایین مشاهده شده است. ژنراتورهـا به عنوان تولید کننده نقش اصلی در ارتباط با این نوسانات دارند. اینها از نوع نوسان در پارامترها هستند و با اغتشاشات حالتهای گذرا متفاوتند. گاه این اغتشاشات بدون رخ دادن هیچ واقعهای در طی کار معمول شـبکه بوجود می آیند مثلاً با تغییر تپ ترانس درکم باری و مواردی از این قبیل. اگرچه در مرحله بعد از حالت هـای گذرای شبکه (از دیدگاه زمانی) نیز چنین بحثی مطرح می شود. بایـد توجـه داشـت کـه ایـن نوسـانات را در مقایسه با فرکانس شبکه، فرکانس پایین نام نهاده اند. دامنه فرکانسی مطرح از کسر یک تا چند هرتـز اسـت که بطور معمول بازه 0.5-2.5HZ را در بر می گیرند و در موارد حدی 0.1-4HZ می باشد. این نوسانات را به انواع :
-1 محلی
-2 بین ناحیه ای تقسیم کرده اند. که نوسانات یک ماشین نسبت به شبکه بزرگ یا شین بی نهایت متّصل به آن را محلّی نـام
نهاده اند. نوسانات بین ناحیه ای نمونه هایی مانند دو ژنراتور که با خطوطی به هم متصل هستند یا مجموعه دو ناحیه با یکدیگر را در برمی گیرد. از دیدگاه فرکانسی نیز این دو نوع نوسانات دینامیکی باهم تفاوت دارند.
ثابت می شود عامل این نوسانات، مد مکانیکی توربوژنراتور است. همانگونه کـه پـیشتـر توضـیح داده شـد تامین امنیت سیستم های قدرت در برابر نوسانات دینامیکی مانند سایر شاخه ها نیازمند شبیه سازی شبکه از این زاویه دید میباشد. مقادیر پارامترهای دینامیکی اجزاء در این شبیه سازی دارای نقش کلیدی هـستند. بـا توجه به نقش ژنراتور در میان اجزاء شبکه از دیدگاه نوسانات دینامیکی تعیین پارامترهـای آن بـسیار مهـم و تعیین کننده خواهد بود. صحت و دقّت تعیین این پارامترها وابسته است به روش بکار گرفته شده برای بـرای تعیین آنها . این مطالب موجب پیدایش روشهای گوناگون برای تعیین این پارامترها شده است. از طرف دیگـر این پارامترها برای هر ژنراتور مقدار ثابتی نیستند و بخـاطر عـواملی چـون پیرشـدن ژنراتـور، ایجـاد بعـضی خطاهای داخلی و ..... تغییر می کنند. این شرایط موجـب طـرح روشـهای بلادرنـگ1 در تعیـین پارامترهـای دینامیکی ژنراتور سنکرون شده است. از جهت دیگر روش بکارگیری و تبعات عملی یک تکنیک شناسـایی و ملزومات آن نیز حائز اهمیت است. گروهی از این روشها اگر چه نتایج نسبتاً دقیق و قابل اعتمادی نیز فراهم می آورند لیکن به علت خطر های ناشـی از تـست هـای مطـرح در آنهـا (ماننـد آزمـایش اتـصال کوتـاه2 و
باربرداری( 3 و یا ملزوماتشان چون جداسازی ژنراتور از شبکه چندان مطلـوب نیـستند. بعـضی از اجـزاء ایـن گروه روشها به مرور مطرود شده اند. مقالات جدید ارائه شده در سایر اجزاء این گروه با هـدف بهبـود آنهـا و حذف مشکلات مذکور شکل گرفتهاند. دسته دیگر این روشها نمونههـایی هـستند کـه بـا چنـین مـشکلاتی

3-On-Line 4-Short Circuit 5-Load Rejection
19
مواجه نیستند(مانند استفاده از تخمینگر شبکه عصبی مصنوعی.(1 کارهای انجام شده درباره ایـن روشـها در راستای بهبود هرچه بیشتر آنها و یا اطمینان از نتایج حاصله توسط آنها شکل گرفته اند. با توجه بـه مقدمـه ذکر شده ابتداً لازم است کلیات روشهای مدل سازی ژنراتور سنکرون مورد بررسی قرارگیـرد تـا درگـام بعـد نسبت به بررسی روشهای شناسایی پارامترهای آن اقدام شود.

6- Artificial-Neural Network
20
فصل دوم:

مدل سازی ماشین سنکرون
21
-1-2 پیشگفتار:
شبیه سازی رفتار ژنراتورهای سنکرون برای انجام مطالعات گوناگون دینامیکی در سیستمهای قدرت، مستلزم انتخاب یک مدل مناسب جهت مدلسازی ماشین میباشد. مدل ارائه شده برای هر سیستم شامل یک ساختار و تعدادی پارامتر میباشد که جهت پیشگویی رفتار آن سیستم در حالتهای مورد نظر بکار گرفته میشود. مدل مورد استفاده برای یک سیستم باید به سادگی قابل فهم بوده، بکارگیری آن سهل باشد و در عین حال بتواند رفتار سیستم را با دقت و صحت قابل قبولی برای یک محدوده مشخص پیشگویی نماید.
بعبارت بهتر رفتار پیشبینی شده سیستم بواسطه شبیهسازی براساس مدل ارائه شده تا حد قابل قبولی به رفتار واقعی سیستم نزدیک باشد. هر چند این دو خاصیت از مدل یعنی سادگی و واقعی بودن همواره در تضاد با یکدیگر هستند، (یعنی مدلهای واقعی به ندرت ساده هستند و مدلهای ساده به ندرت میتوانند واقعی باشند)، اما میتوان جهت رسیدن به پاسخ دلخواه مصالحهای منطقی مابین این دو خاصیت برقرار کرد. مدل دو محوری پارک از معمولترین و پذیرفتهترین مدلهای ماشین سنکرون میباشد. در این فصل ابتدا اصول مدلسازی ماشین سنکرون براساس تئوری دو محوری پارک به اختصار بررسی میشود، سپس پارامترهای ماشین سنکرون معرفی شده و نحوه محاسبه پارامترها براساس مدل دو محوری پارک و همچنین نحوه مدلسازی ماشین با داشتن پارامترهای آن بررسی میگردد. همچنین در این فصل ارتباط میان مرتبههای مختلف مدل پارک با نوع ژنراتور و نوع مطالعه مورد نظر تشریح میشود.
-2-2 ساختار فیزیکی ماشین سنکرون:
-1-2-2 ساختار روتور و استاتور:
بزرگترین و شاید متداولترین ماشین های الکتریکی که با سرعت سنکرون می چرخند، ماشین های سنکرون سه فاز میباشند. اگرچه ساخت ماشین های سنکرون سه فاز پر هزینه میباشد، اما بازده بالای این ماشینها در قدرتهای بالا بزرگترین مزیت آنها میباشد.
استاتور ماشینهای سنکرون معمولاً متشکل از یک هسته مورق فرومغناطیس با شیارهایی جهت قرار گیری سیم پیچیهای سه فاز گسترده میباشد. روتور ماشین نیز میتواند بصورت قطب برجسته یا قطب صاف ساخته شود. ماشینهای قطب برجسته اغلب به عنوان ژنراتورهای آبی جهت تطبیق سرعت پائین توربین-
های آبی با سرعت سنکرون استفاده میشوند. قطبهای روتور این نوع ماشین به صورت جداگانه ساخته شده و سپس بر روی یک استوانه سوار میشوند. ساختار روتور گرد یا قطب صاف نیز برای کاربردهای سرعت بالا مناسب است. ماشینهای سنکرون با روتور گرد با دو یا چهار قطب به عنوان ژنراتورهای واحدهای بخاری جهت تطابق با سرعت بالای توربین به کار میروند. همچنین در این ماشینها میتوان نسبت قطر به طول روتور را به منظور محدود کردن تنش های مکانیکی ناشی از نیروهای گریز از مرکز کوچک گرفت.
22
-2-2-2 سیمبندیهای ماشین
ماشین سنکرون سه فاز معمولاً متشکل از یک سیم پیچی سه فاز به عنوان آرمیچر و یک سیم پیچی تحریک میباشد که بنام سیم پیچی میدان نیز نامیده میشود. سیمپیچی آرمیچر معمولاً در ولتاژی بسیار بالاتر از ولتاژ تحریک کار میکند و از این رو نیازمند فضایی بیشتر برای عایقبندی مناسب میباشد.
همچنین با توجه به اینکه جریانهای گذرای شدیدی از این سیمپیچیها عبور می کند، باید قدرت مکانیکی کافی داشته باشند. از این رو معمول است که سیمپیچی آرمیچر را بر روی استاتور ماشین قرار دهند. از نظر فضایی سیمپیچیهای سه فاز آرمیچر، 120º با یکدیگر اختلاف مکان دارند و این موضوع سبب میشود که با چرخش یکنواخت روتور و به تبع آن چرخش یکنواخت میدان تحریک، در این سیمپیچیها ولتاژهایی القا شود که از نظر زمانی 120º با یکدیگر اختلاف فاز دارند. سیم پیچی تحریک یا میدان معمولاً بر روی روتور قرار داده میشود. در ماشینهای قطب برجسته معمولاً میله های مسی یا برنجی در سطح قطب جای می-
گیرند که عموماً این میلهها در دوانتها به وسیله حلقههایی به یکدیگر متصل میشوند تا یک قفس سنجابی شبیه آنچه در یک موتور القایی وجود دارد، ساخته شود. مجموعه این میلهها و حلقهها به عنوان سیم پیچی میراکننده میباشند.
روتور ژنراتورهای قطب صاف بصورت استوانهای است که از فولاد یکپارچه ساخته میشود. سیم پیچیهای میدان در این گونه روتورها بصورت یکنواخت در شکافهای بدنه روتور توزیع شدهاند که معمولاً به کمک گوههایی در جای خود محکم میشوند. اغلب در چنین ماشینهایی سیم پیچی میراکننده وجود ندارد، زیرا که روتور یکپارچه فلزی اجازه عبور جریانهای گردابی را فراهم می آورد که تاثیری مشابه جریانهای سیمپیچی-
های میراکننده دارد. برخی از سازندگان تاثیر میرایی بیشتر و قابلیت عبور جریان مولفه منفی را با استفاده از گوههای فلزی مستقر در شکافهای سیمپیچی تحریک (که در انتها به یکدیگر متصل شدهاند) یا با استفاده از میلههای مسی مستقل زیر گوههای نگه دارنده، فراهم میآورند.
-3-2 توصیف ریاضی ماشین سنکرون
-1-3-2 معادلات ریاضی حاکم بر ماشین سنکرون
در این قسمت مدل ریاضی ماشین سنکرون بر اساس تئوری دو محوری بصورت خلاصه پارک تشریح می-
شود. شکل (1-2) مدارهای در نظر گرفته شده برای استاتور و روتور ماشین را نشان میدهد. مدار استاتور شامل یک سیم پیچی سه فاز است و روتور نیز یک سیم پیچی تحریک و یک سیمپیچی میراکننده بر روی محور d و دو سیم پیچی میراکننده بر روی محور q دارد. تعداد سیم پیچیهای میراکننده در نظرگرفته شده به عوامل متعددی از جمله نوع ژنراتور بستگی دارد که در قسمتهای بعدی به آن اشاره خواهد شد. مدل نشان داده شده در شکل (1-2) مدل 2-2 براساس استاندارد IEEE Std 1110 میباشد.
23
i fd d ωr a e fd q ib i1d ikq Ψb Ψa θ eb i1q b a ia ea ec
c

Ψc
ic

شکل :(1-2) مدارهای استاتور و روتور ماشین سنکرون
:c , b, a سیم پیچی های سه فاز استاتور : fd سیم پیچی تحریک

: 1d سیم پیچی میرا کننده محور d

1q و : 2q سیم پیچی های میراکننده محور q : ωr سرعت زاویه ای روتور برحسب رادیان بر ثانیه
: θ زاویه مابین محور مغناطیسی روتور و محور مرجع (محور مغناطیسی فاز (a
در بدست آوردن معادلات ماشین سنکرون برای ساده سازی فرضیات زیر درنظر گرفته میشود:
الف ) شکافهای موجود بر روی سطح داخلی استاتور تاثیر قابل توجهی بر اندوکتانسهای روتور درحال حرکت ندارند.
) پسماند مغناطیسی آهن استاتور و روتور قابل صرف نظر کردن است.
) از نظر تاثیر متقابل استاتور و روتور، سیم پیچیهای استاتور بصورت سینوسی در امتداد فاصله هوایی
توزیع شدهاند.
هر چند در مدل ارائه شده اثر اشباع مستقیماً منظور نشدهاست، اما با تصحیح راکتانسهای دو محور با استفاده از ضرایب اشباع و یا با داخل کردن مولفههای جبرانکننده درتحریک میدان اصلی، پدیده اشباع نیز لحاظ میشود.
با فرض حالت ژنراتوری معادلات ولتاژ مربوط به سیم بندی های استاتور و روتور را میتوان به شکل روابط
(1-2) و (2-2) نوشت.
Ψs d vs  −is Rs  dt (1-2) d vr  −ir Rr  Ψr dt که در آن :
24
vs  v a vb vc t vr  v f v1d v1q v2q t is  i a ib ic t ir  i f i1d i1q i2q t Ys  Ya Yb Yc t Yr  Y f Y1d Y1q Y2q t Ra 0 0 0 Rb Rs  0 0 0 Rc Rf 0 0 0 R1d Rr  0 0 0 0 0 R1q 0 0 0 0 R2q :درک نایب ریز لکش هب ناوت یم ار روتور و روتاتسا یاهرودراش تلاداعم Ψs  Lssis  Lsrir (2-2) Ψ  Lt .i  L i r sr srr r : نآ رد هک
Lss  − −

Lls  L0 − Lms cos 2θr 1 L0 − Lms cos 2(θr − π 1 L0 − Lms cos 2(θr  π − 3 ) − 3 ) 2 2 1 π 2π 1 2 L0 − Lms cos 2(θr − 3 ) Lls  L0 − Lms cos 2(θr − 3 ) − 2 L0 − Lms cos 2(θr −π) 1 L0 − Lms cos 2(θr  π 1 L0 − Lms cos 2(θr  π) Lls  L0 − Lms cos 2(θr  2π ) − ) 2 3 2 3 25
0 0 L f 1d Llf  L f 0 0 L L L  L 1d l1d 1df L1q 2q Ll1q  L1q 0 0 rr Ll 2q  L2q L2q1q 0 0 Ls 2q cosθr Ls1q cosθr 2π Ls 2q cos(θr − 2π ) ( cos(θr − 3 3 2π Ls 2q cos(θr  2π ) 3 ( 3 cos(θr 
s1q
s1q

L L

Ls1d sin θr
Ls1d sin(θr − 23π )

Ls1d sin(θr  23π )

Lsf sin θr 2π t ( − r sin(θ sf L  rs L sr L 3 ( 2π sin(θr  Lsf 3 با استفاده از دسته معادلات (2-1) و((2-2 میتوان بطور کامل ماشین سنکرون را بررسی نمود. اما همچنانکه در این معادلات نیز دیده میشود، معادلات دارای عباراتی هستند که با θ تغییر میکنند. با توجه به اینکه θ نیز تابعی از زمان میباشد، این موضوع سبب پیچیدهتر شدن تحلیل ماشینهای سنکرون می-
شود. میتوان با تبدیل مناسبی متغیرهای استاتور را به شکل سادهتری درآورد. این تبدیل به نام تبدیل پارک معروف است. تبدیل پارک به صورت رابطه (3-2) میباشد.
2π cos(θ  Sa ) 3 (3-2) Sb ) 2π −sin(θ  3 1 Sc 2
( 2π − cos(θ cosθ 3 2 2π 3 ) −sin(θ − 3 −sinθ 1 1 2 2
Sd
Sq S0
که S میتواند هر کدام از متغیرهای ولتاژ، جریان یا شاردور ماشین باشد. عکس تبدیل پارک نیز بصورت رابطه (4-2) بیان میشود.
1 −sinθ Sd 2 (4-2) Sq 1 ( 2π −sin(θ − 2 3 S0 1 ( 2π −sin(θ  2 3
cosθ 2π 2 ( cos(θ − 3 3 ( 2π cos(θ  3
Sa
Sb Sc
با اعمال تبدیل، معادلات حاکم بر ماشین و متغیرهای متناظر بسیار ساده میشوند. این ساده شدن در دو مفهوم کلیدی زیر ریشه دارد:
الف: با اعمال این تبدیل در شرایط بهرهبرداری عادی و حالت ماندگار تمامی جریانها و شارهای سیم-
پیچیهای استاتور و روتور دارای مقدار ثابتی خواهند بود.
26
ب: با انتخاب دو محور d و q که 90درجه اختلاف فاز دارند، شارهای تولید شده توسط جریانها بر روی یک محور هیچ پیوندی با شارهای محور دیگر نخواهند داشت. بنابراین دو دسته متغیر متعامد بدست خواهد آمد که این موضوع باعث ساده سازی بسیاری خواهد شد، زیرا هم باعث ساده سازی مقادیر راکتانسها میشود و هم می توان مدار معادل ماشین را بصورت دو مدار مستقل از هم در نظر گرفت.
معادلات نهایی پریونیت شده در دستگاه مرجع روتور به شکل روابط (5-2) و (6-2) میباشند. جزئیات بدست آوردن این معادلات در مراجع مختلف تشریح شدهاست و در اینجا از تکرار مجدد آن خودداری می-
شود. باداشتن روابط فوق، رفتار الکتریکی ماشین شبیه سازی می شود.
(5-2)
(6-2)

Yd 1 d Yq + wr V d = - i d Ra - w0 dt w0 Y d 1 Y + wr + a R q = - i q V q w0 dt d w0 Yfd 1 d efd = i fd Rfd + w0 dt Y d 1 + 1d R 1d 0 = i 1d w0 dt Y d 1 + 1q R 1q 0 = i 1q w0 dt Y2q d 1 0 = i 2q R 2q + w0 dt id Xad Xad Xl  Xad 1 Yd i fd Xad Xlf  Xad Xad  Yfd Xad Xad W0 Xl1q  Xad i1d Y1d i Xaq Xaq Xl  Xaq Yq i q Xaq Xl1q  Xaq Xaq 1  Y1q W 1q Xaq Xaq 0 Xl2q  Xaq i2q Y 2q x 0i 0 1 Y0 = - w0 براساس روابط ولتاژ و شار ارائه شده میتوان مدار معادل ماشین سنکرون را بدست آورد. این مدار درشکل
(2-2) نشان داده شده است.
27

الف: محور طولی،

ب: محور عرضی، q
xl i 0 R0
+
V 0
ج: محور صفر

-
شکل :(2-2) مدار معادل ماشین بر اساس تئوری پارک
-2-3-2 معادلات حرکت
معادلات حرکت معادلاتی هستند که اهمیت اساسی در مطالعات پایداری سیستمهای قدرت دارند. این معادلات که بعنوان معادلات لختی چرخشی نیز نامیده میشوند، تاثیر عدم تعادل بین گشتاور الکترومغناطیسی و گشتاور مکانیکی ماشین سنکرون را بیان مینمایند. در این بخش نیز معادلات حاکم بدون ذکر جزئیات بیان میشوند که برای دسترسی به جزئیات کامل میتوان به مراجع مختلف موجود مراجعه نمود.
زمانی که عدم تعادل بین گشتاورهای اعمال شده بر روی روتور وجود داشته باشد، گشتاور خالص اعمال شده، باعث شتاب گرفتن (یا کندشدن حرکت) روتور میشود. این گشتاور برابر است با:
Ta  Tm −Te(5-2)
: Ta گشتاور شتاب دهنده برحسب N.m
28
: Tm گشتاور شتاب مکانیکی برحسبN.m : Te گشتاور الکترومغناطیسی برحسب N.m معادله حرکت نیز به صورت رابطه (6 - 2) میباشد: (6-2) TaTm−Te dωr J dt در شبیه سازیهای ماشین سنکرون معمولاً شارها به عنوان متغیرهای حالت فرض میشوند. در این صورت توان الکتریکی ماشین در مبنای واحد به شکل رابطه (7-2) خواهد بود.
Pe ωr (ψd iq −ψqid )(7-2)
با تقسیم رابطه توان الکتریکی بر سرعت مکانیکی روتور، رابطه گشتاور الکترومغناطیسی به شکل رابطه -2) (7 در میآید :
Te ψd iq −ψqid(8-2)
-4-2 پارامترهای ماشین سنکرون
در معادلات حاکم بر ماشین سنکرون که در قسمت 3-2 ارائه شد، اندوکتانسها و مقاومتهای مدارهای استاتور و روتور به صورت پارامتر ظاهر شدند. این پارامترها موسوم به پارامترهای اصلی یا اساسی ماشین هستند و بصورت اجزای مدارهای معادل دو محور d و q در شکل (2-2) قابل تشخیص هستند. هر چند این پارامترها بطور کامل مشخصههای الکتریکی ماشین را بیان میکنند، اما آنها را نمیتوان از عکسالعملهای قابل اندازهگیری ماشین مستقیماً بدست آورد. از اینرو، روش مرسوم در تعیین اطلاعات ماشین این است که آنها را برحسب پارامترهایی بیان میکنند که از رفتار قابل مشاهده ماشین در پایانههای آن قابل تشخیص بوده و تحت آزمایشهای مناسب، قابل اندازهگیری هستند. در این قسمت انواع پارامترهای ماشین و ارتباط آن با پارامترهای اساسی مورد بررسی قرار میگیرد.
-1-4-2 پارامترهای اساسی ماشین
پارامترهای اساسی ماشین یا پارامترهای مدار معادل، از اعمال تبدیل پارک بر روی معادلات حوزه زمان ماشین سنکرون بدست میآیند و مشخص کننده عناصر مدارهای معادل محورهای طولی و عرضی ماشین هستند. تعداد این پارامترها با مرتبه مدل تغییر میکنند. از مشکلات عمده کار با این پارامترها، مشخص نبودن دقیق مقدار همگی آنها است. بعبارت دیگر روشی برای تعیین مقادیر دقیق این پارامترها بصورت یک-
جا وجود ندارد و روشهای موجود همگی مقادیر تقریبی مربوط به این پارامترها را بدست می دهند.
29
بعنوان نمونه اگر مدل 2-2 استاندارد IEEE Std1110 که در شکل (1-2) نشان داده شدهاست را درنظر بگیریم، کلیه عناصر مداری که در شکل نشان داده شدهاند، پارامترهای مدار معادل بوده و به راحتی قابل محاسبه و اندازهگیری نمیباشند. حتی بعضی از آنها مخصوصاً بعضی از پارامترهای برخی از شاخههای مدار محور q وجود فیزیکی خارجی نداشته و صرفاً جهت مدل سازی رفتار ماشین در نظر گرفته میشوند.
-2-4-2 پارامترهای عملیاتی
همانگونه که از نام این پارامترها پیداست، پارامترهای عملیاتی، ماشین سنکرون را از دید سیستمی بیان می-
کنند و معین کننده رابطه ورودی و خروجی ماشین سنکرون هستند. در این حالت تغییرات شار محور طولی و عرضی، تغییرات جریان محورهای طولی و عرضی و تغییرات ولتاژ سیستم تحریک بعنوان ورودی یا خروجیهای سیستم در نظرگرفته شده و با استفاده از پارامترهای عملیاتی این ورودیها و خروجیها به یکدیگر مرتبط میشوند.
در شکل عملیاتی, معادلات روتور را میتوان به صورت سیستمی با پارامترهای گسترده محسوب کرد. این پارامترها را می توان از طریق محاسبات طراحی و یا آسانتر از طریق آزمایش پاسخ فرکانسی بدست آورد.
زمانیکه تعداد محدودی مدار برای روتور در نظر گرفته شود، می توان این پارامترها را بصورت نسبت دو چند جملهای برحسب S (عملگر لاپلاس) بیان نمود. درجه چند جملهای مخرج حداکثر برابر تعداد مدارهای فرض شده بر روی روتور است. پارامترهای عملیاتی نسبت به پارامترهای مدار معادل کاربرد بیشتری داشته و به ماشین وجهه سیستمی میدهند. این پارامترها درحقیقت مشخصههای فرکانسی ماشین سنکرون هستند و عبارتند از یک دسته منحنیهای مشخصه یا روابط تحلیلی که رابطه بین امپدانس مختلط (یا عکس آن) را نسبت به لغزش در فرکانس نامی مشخص مینمایند. در زیر سه مشخصه فرکانسی مهم ماشین معرفی می شوند .
الف ) امپدانس عملیاتی محور طولی ( ( Zd(s)
این مشخصه بصورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی و ماندگار ولتاژ آرمیچر (ناشی از مولفه محور طولی جریان آرمیچر) به دامنه مولفه اصلی و مختلط این جریان که بصورت تابعی از فرکانس بیان میشود، تعریف شده و آن را Zd(s) مینامند. این مشخصه را در حالتی که سیم بندی میدان اتصال کوتاه گردیده است، برای فرکانسهای مختلف اندازهگیری مینمایند.
ب) امپدانس عملیاتی محور عرضی ( ( Zq(s)
این مشخصه بصورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی ولتاژ آرمیچر تولید شده توسط شار مغناطیسی محور عرضی ناشی از مولفه جریان آرمیچر در جهت محور عرضی به دامنه مولفه اصلی این جریان تعریف شده و بر حسب تابعی از فرکانس(لغزش) بیان میگردد.
ج) مشخصه فرکانسی G(s) بین سیم بندی میدان و آرمیچر
30
این مشخصه به صورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی ولتاژ آرمیچر ناشی از جریان سیمبندی میدان در فرکانسهای مختلف به دامنه مولفه اصلی ولتاژ اعمالی در سیم بندی میدان تعریف میگردد.
-3-4-2 پارامترهای دینامیکی
این پارامترها به لحاظ سابقه، اهمیت و کاربرد فراوان آنها پارامترهای استاندارد ماشین نامیده میشوند، اما از آنجائیکه بیشتر حالتهای گذرا و دینامیکی ژنراتور را مدنظر دارند، به آنها پارامترهای دینامیکی نیز اطلاق می شود. یکی از دلایل اهمیت این پارامترها، قابلیت تشخیص و اندازهگیری آنها میباشد. این پارامترها را میتوان با استفاده از آزمایشهای خاصی که بعضی استانداردها نیز به آن اشاره دارند، مستقیماً بدست آورد. با استفاده از این پارامترها میتوان ژنراتور سنکرون را بویژه در حالات گذرا و دینامیکی تحلیل نمود. آزمایشات مربوط به استخراج این پارامترها سابقه نسبتاً زیادی دارد. تقسیم بندی این پارامترها که شامل اندوکتانسها و ثابت زمانیها هستند، به صورت پارامترهای دینامیکی محور طولی،محور عرضی همچنین پارامترهای
تندگذر و کندگذر میباشند که بسته به نوع تحلیل، جهت بررسی یک پدیده، پارامترهای مورد نیاز متفاوت
خواهد بود. این پارامترها بطور خلاصه شامل راکتانسهای سنکرون ( X q , X d )، راکتانسهای تندگذر و کندگذر محورهای طولی و عرضی( ( X ′q′, X ′d′, X ′q , X ′d ثابت زمانیهای کندگذر و تندگذر مدار باز محورهای طولی و عرضی ( ( T ′′qo ,T ′′do ,T ′qo ,T ′do و ثابت زمانیهای کندگذر و تندگذر اتصال کوتاه محورهای طولی و عرضی ( ( Tq′′,Td′′,Tq′,Td′ می باشند.
-5-2 محاسبه پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون بر اساس پارامترهای
اساسی ماشین
در محاسبه مقادیر اولیه شارهای گذرا در مدارهای تزویج شده از تئوری ثابت بودن شار دور استفاده میشود.
این تئوری بطور خلاصه عبارتست از اینکه شاردور مدار القائی با مقاومت و emf کوچک نمیتواند بطور لحظهای تغییر یابد. در حقیقت اگر emf یا مقاومتی در مدار موجود نباشد، شاردور آن ثابت خواهد ماند. این تئوری را میتوان در محاسبه جریانها بلافاصله بعد از تغییر شرایط مدار برحسب جریانهای قبل از تغییر استفاده کرد. هنگامی که یک اغتشاش همانند اتصال کوتاه در سمت استاتور ماشین اتفاق میافتد، شار استاتور تغییر میکند. پاسخ ماشین به اغتشاش براساس نحوه تغییرات جریانها و شارها عموماً به سه دوره زیرگذرا، دوره گذرا و ماندگار تقسیم میشود. در دوره زیرگذرا تغییر در جریان سیمپیچیهای میراکننده مانع از نفوذ شار ایجاد شده توسط استاتور به روتور میگردد. با کاهش جریان سیم پیچیهای میراکننده، دوره گذرا آغاز میشود که در آن تغییر جریانهای سیمپیچی میدان همان اثر را، اما ضعیفتر خواهد داشت. در نهایت در حالت ماندگار شار ایجاد شده استاتور به داخل روتور نفوذ خواهد کرد. شکل (3-2) توزیع شار در دورههای زیر گذرا، گذرا و ماندگار ماشین پس از وقوع یک اغتشاش سمت استاتور را نشان میدهد که بر اساس مسیر شار در هر یک از این حالتها میتوان راکتانسهای سنکرون، گذرا و زیرگذرای ماشین را تعریف کرد.
31

دوره زیرگذرا

دوره گذرا

حالت ماندگار

25%

25%

90 9090

90 9090

25%
25%
شکل (3-2) توزیع شار در ماشین سنکرون طی دورههای زیرگذرا، گذرا و ماندگار
در این قسمت نحوه محاسبه پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون برحسب پارامترهای اساسی یا همان پارامترهای مدار معادل ماشین تشریح میشود. همچنین مدار معادل ماشین برای هر یک حالتهای ماندگار، گذرا و زیرگذرا ارائه میشود. مدل در نظر گرفته شده برای ژنراتور بر اساس استاندارد IEEE Std1110،
32
مدل 2-2 میباشد. در صورت استفاده از مدلهایی با مرتبه متفاوت، رابطه پارامترهای دینامیکی تغییر یافته اما نحوه محاسبه آنها بصورت مشابه میباشد.
-1-5-2 محاسبه راکتانسهای ماشین
الف – راکتانسهای سنکرون
معمولاً اندوکتانس را به عنوان نسبت شاردور به جریان تعریف می کنند. وقتی که قله mmf گردان در امتداد محور d قرار گرفت، نسبت شاردور استاتور به جریان استاتور اندوکتانس محور (Ld) d نامیده میشود.
با بدست آمدن اندوکتانسها بدیهی است که راکتانسهای متناظر نیز به سادگی قابل محاسبه هستند.
همچنین وقتی قله mmf گردان در امتداد محور q قرار بگیرد، نسبت شاردور استاتور به جریان آن، اندوکتانس سنکرون محور (Lq) q خواهد بود. شکل (4-2) مدار معادل ماشین در شرایط حالت ماندگار را نشان می دهد.
x fd xl x1q xl i fd i1q  0 x1d X d → x2q X q → xad xaq 0 i i2q  0 1d الف-مدار معادل محور d ب-مدار معادل محورq شکل :(4-2) مدار معادل ژنراتور سنکرون در حالت ماندگار
در حالت ماندگار، راکتانسهای سنکرون محور d و q به ترتیب با توجه به شکل (4-2) محاسبه می شوند.
مقادیر این راکتانس ها در روابط (9-2) و (10-2) ارائه شده است.
(9-2) X d  xl  xad
(10-2) X q  xl  xaq
ب- راکتانسهای گذرا
برای محور مستقیم، با توجه به اینکه مقاومت سیمپیچیهای میراکننده معمولاً بزرگتر از مقاومت سیم بندی میدان میباشد، جریان القایی در این سیم پیچیها بسیار سریعتر از جریانهای القایی در سیم بندی میدان میرا میشود. برای دوره گذرا فرض میشود که حالت گذرای میراکننده با میرایی فوقالعاده زیاد تمام شده است، در حالیکه جریانهای القایی در سیم بندی میدان هنوز برای مخالفت با تغییر شاردور ناشی از جریان-

های استاتور تغییر میکنند. مدارهای معادل ماشین در دوره گذرا مطابق شکل (5-2) می باشد. مدار معادل محور q نیز به طریق مشابه قابل توجیه است.

33
x fd xl Vfd x1d X ′d → xad i1d  0 الف-مدار معادل محور d ب-مدار معادل محورq
شکل :(5-2) مدار معادل ماشین سنکرون در دوره گذرا
براساس مدارهای معادل بدست آمده، راکتانس های گذرای محورهای d و q به شکل روابط (11-2) و(-2 (12 محاسبه می گردند.
(11-2) xad x fd x fd xl  X ′d  xl  xad xad  x fd (12-2) xaq x1q x1q xl  X ′q  xl  xaq x aq x 1q ج-راکتانس های زیر گذرا
در دوره زیرگذرا، جریانهای گذرای القا شده در سیم بندیهای روتور سعی دارند تا شاردور هر یک از مدارهای روتور را در ابتدا ثابت نگه دارند. براین اساس مدارهای معادل محورهای d و q ماشین سنکرون در این حالت مطابق شکل (6-2) میباشد.

الف-مدار معادل محور dب-مدار معادل محورq
شکل :(6-2) مدار معادل ماشین سنکرون طی دوره زیر گذرا
در این حالت برای محور d راکتانس دیده شده معادل سه راکتانس موازی xad ، x fd و x1d میباشد که با xl سری شده است. راکتانس زیر گذرای مدار باز محور q نیز مشابه محور d محاسبه میشود. براساس مدار معادل های ارائه شده، این راکتانس ها طبق روابط (13-2) و (14-2) محاسبه میشوند.
(13-2) xad x fd x1d xl x fd  x1d X ′d′  xl  xad xad x fd  xad x1d  x fd x1d 34
(14-2) xad x fd x1d xl x1d x fd  X ′d′  xl  xad x x x ad x fd x ad x fd 1d 1d -2-5-2 محاسبه ثابت های زمانی ماشین

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

حضور دو مجموعه سیم بندی برروی روتور، دو مجموعه ثابت زمانی مختلف را سبب شدهاست. مجموعه با مقادیر بزرگتر مربوط به ثابت زمانیهای گذرا و مجموعه با مقادیر کوچکتر مربوط به ثابت زمانیهای زیرگذرا هستند. معمولاً سیم بندیهای میراکننده که مقاومت بیشتری نسبت به سیم بندیهای میدان دارند، با ثابت زمانیهای زیرگذرا متناظرند.
ثابت زمانیهای گذرا و زیرگذرا بر روی محورهای d و q معمولاً در دو حالت تعریف میشوند. در یک حالت که استاتور مدار باز است و ثابت زمانیهای مدار باز تعریف میشود، ( ( T ′′qo ,T ′′do ,T ′qo ,T ′do، و درحالت دیگرسیم پیچی استارتور بصورت اتصال کوتاه فرض می شود( .( Tq′′,Td′′,Tq′,Td′ میتوان نشان داد که نسبت ثابت زمانی گذرای محور d با استاتور اتصال کوتاه به ثابت زمانی گذرای محور d با استاتور مدار باز برابر است با نسبت راکتانس ظاهری که جریان استاتور با سیم بندی میدان اتصال کوتاه شده می بیند، به راکتانسی که جریان استاتور با سیم بندی میدان مدار باز میبیند.
الف -ثابت زمانی های گذرا
مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانیهای گذرای مدار باز محور d و q در شکل (7-2) نمایش داده شدهاست.

Rfd
′ T do ← R1d
i1q=0
xfd
Rsxl
x1d
xad
الف :
محور dب: محورq
شکل :(7-2) مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های گذرای مدار باز
براساس فرضیات فوق و مدارمعادل شکل (7-2) ثابت زمانیهای مدارباز ماشین بصورت روابط (15-2) و
(16-2) بدست می آیند. (15-2) xfdxad 1 T ′do  ω0 R fd (16-2) x1qxaq 1 T ′qo  R ω 0 1q 35
همچنین مقادیر ثابت زمانیهای گذرا با استاتور اتصال کوتاه شده بر اساس روابط (17-2) و (18-2) محاسبه میشوند.
(17-2) x′d  Td′ xd T ′do (18-2) x′q  Tq′ xq T ′qo ب- ثابت زمانیهای زیر گذرا
ثابت زمانی زیرگذرای مدار باز محور d عبارتست از زمان لازم برای کاهش مولفه d جریان به مقدار 1e ام مقدار اولیه خود، هنگامی که در ترمینال ماشینی که با سرعت نامی می چرخد، بطور ناگهانی اتصال کوتاهی رخ دهد. بعبارت دیگر این ثابت زمانی عبارتست از ثابت زمانی جریان سیمبندی میراکننده d وقتی سیمبندی میدان اتصال کوتاه شده و سیمبندیهای استاتور مدار باز باشند. از مقاومت سیم بندی میدان در این دوره کاهش ولتاژ صرف نظر میشود. ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز محور q نیز به طریق مشابه تعریف میشوند. مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانیهای زیرگذرای مدار باز مطابق شکل (8-2) میباشد.

براساس فرضیات فوق و مدار معادلهای ماشین در دوره زیرگذرا و ثابت زمانیهای زیرگذرای مدار باز ماشین بر اساس روابط (19-2) و (20-2) محاسبه میگردند.

الف : محورdب:محورq
شکل :(8-2) مدارمعادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز
(19-2)
(20-2)

 x fd xad x fd  xad x1q xaq  aq x x 1q
1 1 ′′ xad  ω x1dxfd x1d R R 0 Tdo  ω 1d 0 1d 1 1 ′′ xaq  ω x2qx1q x2q 2q R 0 R 0 Tqo  ω 2q 36
-6-2 مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون براساس مدل دو محوری پارک
روابط ارائه شده در قسمت (3-2) تا حدود قابل قبولی عملکرد الکتریکی دینامیکی یک ماشین سنکرون را بیان می کنند. اما گاهی این روابط را نمی توان بطور مستقیم برای مطالعات سیستمهای قدرت بزرگ بکار برد. از طرفی برخی از اوقات نیز لازم است رفتار ماشین سنکرون با جزئیات بیشتری مدل شود. در مدل دو محوری پارک همانگونه که قبلاً هم تشریح شد، مقادیر استاتور به دو سری مقادیر در دو جهت تبدیل می-
شوند که یکی در راستای محور مغناطیسی سیم پیچی میدان بوده (محور (d و دیگری با 90 درجه اختلاف با محور d عمود بر محور مغناطیسی سیم پیچی میدان میباشد (محور .(q محور d روتور شامل سیم پیچی میدان و سیم پیچیهای میراکننده میباشد. محور q نیز شامل سیم پیچیهای میراکننده این محور است.
باتوجه به تعداد سیم پیچیهای درنظر گرفته شده برای محور d و q روتور، مراتب مختلفی برای مدل ژنراتور سنکرون متصور است. براساس استاندارد IEEE Std 1110، مدل ژنراتور بایک شماره دورقمی Model AB مشخص میشود که A تعداد سیم پیچیهای درنظر گرفته شده برای محور d روتور و B

تعداد سیمپیچیهای منظور شده برای محور q روتور میباشد. جدول (1-2) مراتب مختلف ژنراتور سنکرون را نشان میدهد. نوع مدل انتخاب شده برای ژنراتور سنکرون وابسته به پارامترهای مختلفی از جمله نوع ژنراتور و ساختار فیزیکی روتور و انواع مطالعه مورد نظر است که در قسمتهای بعدی تشریح میشود.
37
جدول :(1-2) مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون

فصل سوم:

بررسی روشهای شناسایی پارامترهای
دینامیکی ژنراتورهای سنکرون
39
-1-3 مروری بر پیشینه شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
بحث پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون و یا به عبارت دیگر این مطلب کـه بـرای بیـان رفتـار ماشـین سنکرون در حالتهای گذرا از راکتانسهای مربوط به حالت دائم نمیتوان استفاده کرد، برای اولین بار در سـال
1920 با طرح مفهوم راکتانس اتصال کوتاه مطرح گردید. بعدها این ایده بعنوان پایه و اسـاس اولیـه تئـوری
"ثابت بودن شاردور در برگیرنده" قرار گرفت و در مقالاتی توسط دوهرتی1 درسال 1923 و بیـولی2 در سـال
1929 دوباره عنوان گردید.
آقای کری3 این مطلب را به این صورت طرح کرد که در هر مدار بسته بلافاصله بعد از هر تغییر بوجود آمـده در جریان، ولتاژ ویا موقعیت فیزیکی این مدار نسبت به موقعیت مدارات دیگـر کـه بـا آن بطـور مغناطیـسی درگیر میباشند، شار دور در برگیرنده ثابت باقی خواهد ماند . با توجه به مقاومت موجود در سیم پیچی میدان و دیگر سیم پیچیهای روتور (دمپرها) و در نتیجه تغییرات حاصله در شاردور در بر گیرنده در طی مدت زمان بعد از وقوع تغییرات ناگهانی، لزوم معرفی ثابت زمانیهای گوناگون ماشین نیز بعدها بـرای تحلیـل دقیـق تـر مورد ملاحظه قرار گرفت.
بر این اساس پارک4 و روبیرتسون5 در سال 1928 راکتانسهای دیگری از قبیل راکتانسها و ثابـت زمانیهـای محور عرضی و محور طولی را برای رژیم های تندگذر و کندگذر و به همین صورت مفاهیم دیگری همچون حالات کندگذر و تندگذر را در شارها، ولتاژها و جریانها نیز مطرح نمودند. گام بعدی در همین رونـد معرفـی مدار معادل ماشین بود. بسط منطقی این طریقه تحلیـل رفتـار ماشـین (بعـد از هـر تغییـر ناگهـانی) معرفـی مدارهای مربوط به محورهای طولی و عرضی ماشین با این فرض بود که بتوان یک اندوکتانس متقابل بـین سیم بندیهای موجود در روتور و استاتور تعریف نمود. بدین ترتیب و با در نظر گرفتن یک اندوکتانس متقابـل برای کوپلاژ بین سیم بندیهای روتور و استاتور و همچنین انتساب یک اندوکتانس پراکندگی به هـر کـدام از سیم بندیها (استاتور، میدان وبدنه روتور) مدار معادل مربوط به محور طولی ماشین. در سال 1931،کیلگوری6
در طی یک پروژه - ریسرچفاکتورهای مؤثر در محاسبات مربوط به بدست آوردن راکتانسهای ماشین سـنکرون را کـه مبنای خواص فیزیکی و ابعاد هندسی ماشین(استاتور، روتور و سیم پیچی میدان) میباشند بیان نمود. در ایـن مسیر در سال 1929، پارک نیز ایده محورهای طولی و عرضی برای ماشین را که قبلا توسط خـود او مطـرح شده بود به تبدیلات d-q که طی آن کمیات مربوط به سه فاز به متغیرهای q-d مرتبط می گردیـد بـسط داده و به این ترتیب پایه معادلات ماشین بر مبنای تئوری دو محوری بنا نهاده شد.

1-Doherty 2- Biowly 3- Cary 4- Park 5- Robertson 6- Kilgore
40
در سال 1931، شروین1 روابط لازم جهت بدست آوردن پارامترهای ماشین سنکرون را بـرای حالـت دائـم و گذرا، از طریق نتایج آزمایش ارائه نمود و این در حقیقت اولین روش پذیرفته شده بطور عام برای آزمایشهای ماشین سنکرون بود.که در سال 1945 میلادی توسط کمیته مربوط به ماشین سنکرون AIEE چاپ گردید.
از لحاظ تاریخی کمیته ماشینهای الکتریکی و استاندارد شماره 115 مربوط به IEEE ماحصل همان کمیتـه و همان روش آزمایشی ارائه شده در طی سالهای بعدی می باشد.
در طی اوائل دهه 60 میلادی به همان صورت که ابزار و تکنیکهای محاسباتی کـه در تحلیـل سیـستمهای قدرت بکار می رفت از لحاظ ابعاد و سرعت با روند رو به رشدی روبرو بود نیاز به مـدلهای دقیـقتـر ماشـین سنکرون جهت مطالعات پایداری نیز محسوس شده و بـرای ایـن خـاطر روشـهای کلاسـیک بدسـت آوردن پارامترهای ماشین سنکرون نیز دوباره مورد توجه بیشتر و دقیقتر قرار گرفت. در طی ایـن سـالها عـلاوه بـر مقالات متعددی که در این رابطه به چاپ رسید، استانداردهایی نظیر اسـتانداردBS, IEC, IEEE مربـوط به بخش ماشین نیز به دفعات متعدد چاپ و مورد تجدید نظر قـرار گرفتنـد. ایـن اسـتانداردها از میـان انـواع روشهای متفاوت و گوناگونی که ارائه میگردیدند و با توجه به رعایت نکات عملی و تکنیکهای انـدازهگیـری در طی جلسات متعدد کمیتههای ماشینهای الکتریکی، آنهایی را که تا حدی قابل قبول تشخیص مـی دادنـد انتخاب کرده و در استانداردها به عنوان روشهای کلاسیک مطرح و مورد تایید قرار می دادنـد. از مشخـصات مهم آزمایشات کلاسیک مربوط به قبل از دهه 80 تاکید روی آزمایش اتصال کوتاه سه فاز ناگهـانی و سـعی در بدست آوردن پارامترهای ماشین بـا اسـتفاده از چنـین آزمایـشی بـود کـه در حـال حاضـر هنـوز هـم در مشخصات ارائه شده در نیروگاهها نتایج حاصل از آزمایش اتصال کوتاه ناگهانی ارائه می گردد.
از جمله نکات محدودکننده اینگونه آزمایشها عدم دسترسی به پارامترهای مربـوط بـه محـور عرضـی، عـدم صرفه اقتصادی و قابلیت انجام آن در محل نیروگاهها و در تحت ولتاژ نامی بود. در حقیقت تـا قبـل از سـال
1983 روشهای دسترسی به پارامترهای مربوط به محور q در استانداردها مسکوت گذارده شده بود.
در طی سالهای 1960 الـی 1980 آزمایـشات گونـاگونی جهـت پاسـخگویی بـه سـؤالاتی از قبیـل اهمیـت پارامترهای مربوط به محور عرضی و همچنین درجه دقّت مورد لزوم برای پارامترهای ماشین و یا درجه مدل بکار رفته برای ماشین مطرح شده است. آزمایشات نیروگاه نورث فلیت2 در سال 1969 و تحقیقات انجام شده مؤسساتی چون EPRI, NPCC & Ontario-Hydro از این دسـتهانـد. ایـن مجموعـه فعالیـتهـا نتایجی از این قبیل را به همراه داشت:
در شبیه سازی دینامیکی رفتار ماشینهای الکتریکی، اطلاع دقیـق از پارامترهـای ماشـین بـه انـدازه درجه مدل انتخابی اهمیت دارد. این اهمیت در باب پارامترهای محور عرضی بارزتر است.
در تعیین پارامترهای ماشین همواره آزمایشاتی که منجر به تغییرات کوچک(بزرگ) در مقادیر ولتاژ و جریانهای ماشین گردند، اطلاعات مناسبی از پارامترها برای مطالعات مربوط بـه اغتـشاشات بـزرگ (کوچک) را در اختیار قرار نمیدهد.

7- Shervin 8- North Fleet
41
با توجه به این نکته پارامترها باید بسته به نوع مطالعه تصحیح و بهینه سازی شوند.
ارزش پارامترهای محور عرضی در شبیه سازی رفتار توربوژنراتورهای با روتـور یکپارچـه بـه حـدی است که انجام آزمایشهای جداگانه در این جهت راتوجیه میکند.
بدین ترتیب در سالهای بعد از 1980 آزمایشهای جدیدتری چون میرائی شار1 جایگاه ویژهای در حوزه تعیـین پارامترهای دینامیکی ماشینهای سنکرون پیدا کردند.
-2-3 انواع روشهای تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
به طور کلی آزمایشهای موجود در حوزه تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون را می توان به دو دسته :
روشهای کلاسیک
روشهای جدید
تقسیم بندی کرد. روشهای کلاسیک، آزمایشهایی محدود را تشکیل میدهند که عموماَ از نظر زمانی نیز، بـر روشهای جدید تقدم دارند. مهمترین معیارهای مطرح در انتخاب روشهای مورد استفاده عبارتنداز:
انجام آزمایش در آن کشور ممکن باشد و به ابزار پیچیده نیاز نداشته باشد.
استانداردهای معتبر آن را تایید کند.
با بکارگیری آن تعداد بیشتری از کمیتها را بتوان شناسایی کرد.
آن روش قادر به اندازهگیری پارامترهای محور عرضی نیز باشد.
-1-2-3 روشهای کلاسیک اندازهگیری پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
روشهای کلاسیک روشهایی محدود هستند که عموما قبل از دهه 80 میلادی ابداع شدهاند و بـا انجـام آنهـا تنها یک یا چند پارامتر شناسایی میشود. این روشها برروی هر ژنراتـوری قابـل اجـرا بـوده و بـه تجهیـزات پیشرفته و پیچیده نیاز ندارد. تغییرات این روشها در خلال این سالها عموما از جنس اصلاح روابط محاسـباتی میباشد. اغلب آنها استاندارد شدهاند، ولی متاسفانه با انجام هر یک از این آزمایشها تنهـا تعـداد محـدودی از پارامترها بدست میآیند. از نقاط ضعف این روشها مساله تعیین پارامترهای محور q اسـت. از معایـب عمـده دیگر بعضی از این روشها مخرب بودن آنهاست. با این شرایط مجوز استفاده از این روشها علیرغم اسـتاندارد بودن آنها صادر نمیگردد.
به عنوان نمونه آزمایش اتصال کوتاه سهفاز اگر چه نتایج خوبی را از جهت تعیین پارامترها در بر داشته باشد، به علت آثار مخرب الکتریکی و مکانیکی جبران ناپذیر آن چندان مورد توجـه نیـست. اغلـب کمیتهـایی کـه توسط آزمایشهای کلاسیک تعیین میشود بر پایه مدل استاندارد IEEE تبیین شـدهانـد بـا یـک سـیمپـیچ میرایی محور طولی و عرضی. بسیاری از این روشها در تعیین پارامترها برای مدلهایی از مرتبـه بـالاتر ناکـام خواهند بود.

9- dc decay
42
-2-2-3 روشهای جدید در تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون:
همگام با رشد سیستمهای کـامپیوتری، توسـعه تجهیـزات انـدارهگیـری و پدیـد آمـدن سیـستمهای هـوش مصنوعی، مجموعه جدیدی از روشها برای شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون پدیـد آمدنـد.
بطور کلی در این روشها با اعمال ورودیهای مناسب در وضعیتهای متفاوت روتور(ایـستا یـا متحـرک) و ثبـت خروجیها، توابع انتقال ماشین شناسایی شده است. سپس با فرض یک مدل خاص بـرای ماشـین مـیتـوان پارامترهای ماشین را با روشهای مناسبی تخمین زد. اخیرا مدلهایی با مرتبه بالاتر نیز در اسـتانداردها مطـرح شدهاند. شناسایی پارامترهای دیگری که همگام با رشد درجه مدل مطرح شدهاند را صرفا میتوان با اسـتفاده از روشهای جدید تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون شناسایی کرد، اگر چه توانایی روشهای مذکور در تعیین این پارامترها متفاوت است. در مجموع روشهای جدید را میتوان تلاشـهایی بـرای دسـتیـابی بـه اهداف زیر دانست:
أ- دستیابی به روشهای بلادرنگ در تخمین پارامترها ب- استفاده از اطلاعات بهره برداری برای شناسایی پارامترها ت- شناسایی پارامترها با دقت هرچه بیشتر ث- تلاش در سادهسازی مکانیزم تخمین
به عنوان نمونه از مهمترین روشهای مطرح در این دسته به موارد زیر میتوان اشاره کرد: (1 روشهای بنا شده برپایه سیستمهای هوش مصنوعی:
(a تخمین پارامترهای دینامیکی با استفاده از شبکه عصبی (b تخمین پارامترهای دینامیکی با استفاده از الگوریتم ژنتیک
(2 روشهای بنا شده بر پایه تکنیکهای معادلات معادلات جزئی: (a تعیین پارامترها با استفاده از تکنیک اجزاء محدود
(3 شناسایی پارامترها ماشین سنکرون با استفاده از تست پاسخ فرکانسی
(4 شناسایی پارامترها با استفاده از دامنه وسیع تحریک
(5 شناسایی پارامترها با استفاده از اطلاعات تست باربرداری
(6 شناسایی پارامترها با استفاده از اطلاعات میرایی شار
(7 شناسایی پارامترها با اطلاعات بدست آمده از اغتشاشات بهره برداری (a تخمین پارامترها با استفاده از اغتشاشات بزرگ بهره برداری (b تخمین پارامترها با استفاده از اغتشاشات کوچک بهره برداری
عموم این روشها غیر مخرب بوده و نتایج خوبی را در تخمین پارامترها نشان داده اند. از نکات قابـل توجـه در این روشها توانایی آنها در تعیین پارامترهای محور عرضی علاوه بر محور طولی و همچنـین امکـان تخمـین پارامترها، متناظر مدلهایی با درجههای مختلف است. البته این به معنی توانایی برابر این روشها برای تخمین
43
و شناسایی پارامترها در جهات مختلف نیست. البته همه این روشـها در حـال تکامـل و بهبـود مـیباشـند و
بسیاری از آنها هنوز استاندارد نشدهاند.
44
فصل چهارم:

شناسایی بلادرنگ پارامترهای
دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با
استفاده از رویتگر شبکه عصبی
45
-1-4 اصول کار شبکه های عصبی:
یکی از روشهای مشهور در حوزه هوش مصنوعی شبکه عصبی مصنوعی است. شبکههای عصبی مـصنوعی الهام گرفته از شبکه عصبی انسان هستند که توانایی بالایی در تقلید رفتار توابـع غیـر خطـی از خـود نـشان دادهاند. انسان با استفاده از تجربیاتی که از وقایع پیرامون خود دارد و ارتباطی که بین آن وقایع و عوامل مؤثر بر آنها برقرار میکند، نسبت به تخمین وقایع آتی بر پایه وضـعیت عوامـل مـؤثر اقـدام مـینمایـد. براسـاس تحلیلهای موجود شبکه عصبی مغز انسان از لایههای مختلفی تشکیل شده که لایه خـارجی آن(کـورتکس)
متصل به مجاری ورودی است. این ورودیها در انسان حواس او هستند. تجربیات ما به صورت تفاوت قوت و ضعف نقاط اتصال سلولهای عصبی به یکدیگر(سیناپسها) بروز مـیکنـد. هـر یـک از نـرونهـا پیونـدهای متعددی با سلولهای لایه بعد دارند.

شکل:1-4 طرح کلی سلول عصبی انسان
مسلم است که هرچه تعداد پیوندهای عرضی بیشتر باشد شبکه توانایی بیشتری در آموزش رفتـار توابـع غیـر خطی خواهد داشت.
-2-4 اصول کار شبکه عصبی تخمین گر پارامترها:
با درنظر گرفتن مبادی ذکر شده، مراحل شبیهسازی شبکههای عصبی بدین صورت خواهد بود:
ساخت نرون مصنوعی
ساختاربندی آن در قالب لایههای مختلف
تهیه بانک اطلاعات لازم برای آموزش شبکه عصبی
آموزش شبکه عصبی
تست شبکه
46

شکل :2-4 شکل کلی سلول عصبی مصنوعی
لایههای شبکه عصبی را به سه دسته لایه ورودی، لایه خروجی، و لایه (لایههای) مخفی تقسیم مـیکننـد.
تعداد عناصر لایه ورودی و خروجی باید برابر تعداد ورودی، خروجیهای در نظـر گرفتـه شـده بـرای شـبکه باشند. افزایش تعداد لایههای مخفی در شبکه عصبی دو اثر متضاد را به همراه دارد. از یک طرف تقلیـد هـر چه بهتر رفتار هر تابع غیر خطی را امکان پذیر می سـازد و از طـرف دیگـر مـشکلات شـبیه سـازی و مـدت آموزش را افزایش میدهد. در عمل باید بسته به شرایط، بین این دو عامل بهینهسازی شود. در عمل در طـی تحقیقات متعدد انجام شده شبکه عصبی با یک لایه مخفی به عنوان حالت بهینه مطرح شده است.

شکل:3-4 ساختار شبکه عصبی توسعه یافته
همانگونه که پیشتر مطرح شد تعداد نرونهای لایه خروجی شبکه عصبی برابـر تعـداد خروجـیهـای در نظـر گرفته شده برای آن شبکه است. در این طرح، شبکه عصبی با یک خروجی در نظر گرفته شده است. بنابراین برای تخمین هر یک از پارامترهای مورد نظر باید یک شبکه مستقل تـشکیل شـده، آمـوزش دیـده و مـورد استفاده قرار گیرد. این روش اگرچه مشکلاتی را در تشکیل و آموزش شبکههای متعدد به همـراه دارد لـیکن گامی در جهت دستیابی به حداکثر قابلیت شبکههای عصبی در تخمین پارامترهـای دینـامیکی ژنراتورهـای سنکرون بر اساس دادههای بهرهبرداری است. همانگونه که همواره بهینهسازیهای تک هدفه نتایج بهتـری از جهت دستیابی به نتیجه مورد نظر دارند، با توجه به تشابه ساختاری این معنی در باب شـبکههـای عـصبی نیز صادق است. تعداد نرونهای لایه ورودی نیز برابر تعداد ورودیهای در نظر گرفته شده برای شبکه عـصبی
47
است. تعداد شش ورودی برای شبکه مورد نظر در نظر گرفته شده است. تعداد ورودیها در این طرح با توجه به مجموعه پارامترهای قابل اندازهگیری در خروجی ژنراتورهای سنکرون انتخاب شده است. البته انتخـاب و ترتیب آرایش این پارامترها برپایه رؤیت پذیری پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون در رفتار دینـامیکی آن شکل گرفته است. این بحث در طی مطالعات پیشین انجام شـده در مرکـز مطالعـات دینامیـک ایـران مـورد بررسی قرار گرفته است.
-1-2-4 دادههای آموزشی و آموزش شبکه عصبی تخمینگر:
از نکات بسیار مهم در تشکیل شبکه عصبی مـصنوعی، بانـک اطلاعـات آموزشـی مـورد اسـتفاده اسـت. در تجربیات گذشته که در حوزه استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی مطرح است، گاه اصلاح مکانیزم تهیـه و تغییر دامنه دادههای آموزشی، یک شبکه عصبی با نتایج ضعیف را به شبکهای بـا نتـایج قابـل قبـول تبـدیل کرده است. شاید بتوان مهمترین نکته در گردآوری اطلاعات آموزشـی را شـمول و فراگیـری آن نـسبت بـه حالتهای مختلف رفتاری مطرح در حوزه مورد نظر دانست. اگرچه این شمول را نباید با بزرگی ابعـاد اشـتباه گرفت. عامل مهم نگاه ریشهای و بنیادین به حالات مطرح در آن حوزه است. از آنجا که این شبکه بر آنـست تا بر پایه اطلاعات بهرهبرداری نسبت به تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون اقدام نماید، لـذا بایـد بانک اطلاعات لازم برای آموزش شبکه عصبی در این حوزه فراهم شود. مجموعه اغتـشاشاتی کـه در طـی بهرهبرداری از ژنراتورها رخ میدهد را میتوان به سه دسته عمده تقسیم کرد:
اغتشاشاتی که در حوزه تحریک رخ می دهند
اغتشاشاتی که در حوزه توان ورودی رخ میدهند
اغتشاشاتی که در شبکه تحت تغذیه رخ میدهند
بدین ترتیب از هر یک از این حوزههای سهگانه یک نمونه شایع به عنوان نماینده آن گروه بـدین ترتیـب در
نظر گرفته شده است:
تغییر ناگهانی %10 در تحریک ژنراتور
تغییر ناگهانی %10 در توان ورودی ژنراتور
وقوع اتصال کوتاه سهفاز 10-5)میلی ثانیه) در خروجی ژنراتور
48

شکل :4-4 شکل کلی روش تهیه اطلاعات بهرهبرداری ژنراتورهای سنکرون
(برای آموزش و تست شبکه عصبی)
60 مجموعه از مقادیر نمونه پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون به عنوان مقـادیر پایـه در تـشکیل بانـک اطلاعات آموزشی شبکه عصبی در نظر گرفته شده است. این مجموعه از دادههایی مربوط به:
واحدهای بخاری- فسیلی
واحدهای بخاری-فسیلی با پیوند عرضی
واحدهای بخاری- هستهای
واحدهای آبی
واحدهای با توربین احتراقی
تشکیل شده است. برای هر مجموعه از این پارامترها دو گام افزایشی و دو مرحله کاهش در نظر گرفته شده
است. هر یک از این مراحل تغییرات %10 پارامترها را بهمراه خواهد داشت. مجموعه نهایی دربرگیرنـده 225
مجموعه از مقادیر نمونه پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون میباشد. مجموعه یک ژنراتور متصل به شین
بینهایت برای شبیه سازی رفتار ژنراتور سنکرون در نظر گرفته شده است. برای این که آثـار تفـاوت سـاختار
شبکه در رفتار ژنراتور نیز لحاظ شده باشد در هر مرحله از شبیهسازی بصورت همگام با تغییرات پارامترهـای
ژنراتور، تغییراتی در حوزه پارامترهای شبکه نیز در نظر گرفته شده است. در هر دوره شبیه سازی از خروجـی
ژنراتور 1000 نمونهگیری با فاصله زمانیهایی برابر0,01 ثانیه بعمل آمده است. 20 نمونه از اندازهگیری های
انجام شده و پارامترهای متناظر با آن به عنـوان مجموعـه اطلاعـات آموزشـی در نظـر گرفتـه شـده اسـت.
نمونههای منتخب از میان اندازهگیریهای انجام شده با گامهای متغیر و قابل کنترل گزینش شـدهانـد، ایـن
رویکرد امکان تهیه تصویری بهتر از رفتار دینامیکی ژنراتور سنکرون در قبال یک اغتـشاش را بـا رعایـت دو
مشخصه حداقل حجم اطلاعات و حفظ حداکثر مشخصات رفتاری فراهم میآورد.
49

شکل:5-4 آلگوریتم آموزش شبکه عصبی
آموزش شبکه بر پایه الگوریتم پسانتشار و با استفاده از راهبرد مارکوئیس_لونبرگ انجام شده است. برای هر یک از انواع سهگانه اغتشاشات ذکر شده بانک اطلاعات آموزشی مستقلی در نظـر گرفتـه شـده اسـت. ایـن روش امکان مقایسه بین نتایج اخذ شده در قبال هر یک از انواع اغتشاشات را فـراهم مـیآورد. ایـن راهبـرد امکان مقایسه درجه قابلیت اطمینان نتایج حاصل از تخمین پارامترهای گوناگون در قبال اغتشاشات مختلـف را نیز فراهم میĤورد.
-2-2-4 تست شبکه عصبی تخمینگر:
تست شبکه عصبی با استفاده از اطلاعات بهره برداری که در مجموعه آموزشی لحـاظ نـشده، شـکل گرفتـه است. بدین ترتیب تصویر واقعگرایانهتری از قابلیتهای شبکه مذکور خواهیم داشت. برای تحقق این معنـی اطلاعات مربوط به 75 ژنراتور سنکرون متفاوت با نمونه های مطـرح شـده در مجموعـه آموزشـی، دادههـای حاصل از اندازهگیریهای بعمل آمده در قبال رفتار دینامیکی آنهـا و مقـادیر حقیقـی پارامترهـای دینـامیکی متناظر با آن به عنوان مجموعه دادههای تست شبکه عصبی در نظر گرفته شده است. طرح کلی روش تست و بهرهبرداری شبکه عصبی مذکور در شکل4-6 بیان شده است. هریک از مراحـل آمـوزش و تـست شـبکه عصبی تخمینگر با مشخصات ذکر شده در قبال سه اغتشاش نمونه مطرح در نظر گرفته شده است.
50

شکل:6-4 طرح کلی روش تست و بهرهبرداری از شبکه عصبی
-3-4 نتایج:
مجموعه نتایج در سه بخش سازماندهی شده است. هربخش در برگیرنده نتایج آموزش و تست شبکه عصبی بر پایه یکی از انواع سهگانه اغتشاش میباشد. این طریقه بررسی امکان مقایسه بهتر نتایج را فراهم سـاخته، شاهدی بر رؤیت پذیری پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون در ازای اغتشاشات مختلف مـیباشـد. از طرف دیگر بررسی مقایسهای نتایج درجه دقـت شـبکه عـصبی در تخمـین پارامترهـای دینـامیکی بـر پایـه اطلاعات مختلف بهرهبرداری را نیز بیان میکند. برداشتهای مقایسهای امکان تعیین بهتر قابلیتهای شبکه عصبی را بدور از آثار ناشی از الگوی آموزشی فراهم میآورد، زیرا ابعاد و مکانیزم تشکیل مجموعـه آموزشـی در تخمین همه این پارامترها مشابه بوده است.
برای بررسی رفتار هر شبکه عصبی دو معیار اصلی دامنه و توزیع فراوانی خطا در نظر گرفتـه شـده اسـت. در تحلیل بر اساس توزیع فراوانی خطا، درصد فراوانی غالب و دامنه خطای متناظر با آن بیان شدهاند. با توجه به حجم زیاد مجموعه نتایج، چند نمونه از شبکههای تخمینگر و دادههای بدست آمده از طریق آنها در مرحلـه آموزش و تست ارائه شده است. این مجموعه به سه حوزه آموزش و تست بر اساس اطلاعـات بهـرهبـرداری شکل گرفته برپایه تغییر ناگهانی تحریک، تغییر ناگهانی تـوان ورودی و اغتـشاش حـوزه شـبکه متـصل بـه ژنراتور تقسیم شده است. برای فراهم سازی امکان مقایسه بیشتر، نتایج متناظر هر پارامترکه با استفاده از هر یک از بانکهای اطلاعاتی سهگانه مذکور بدست آمده اسـت در اختیـار خواننـده محتـرم قـرار گرفتـه اسـت.
پارامترهای دینامیکی مطرح برای ژنراتورهای سنکرون _در نگاه اشتراکی بین انواع مختلف آن _کـه مـا بـه تخمین آنها همت گماشته ایم مجموعهای بدین صورت را تشکیل خواهد داد:
51
جدول( (1-4 ردیف نام پارامتر مشخصه واحد
1 راکتانس سنکرون محور d Xd pu
2 راکتانس حالت گذرا محور d Xd' Pu
3 راکتانس فوق گذرا محور d Xd" Pu
4 راکتانس سنکرون محور q Xq pu
5 راکتانس فوق گذرا محور q Xq" Pu
6 راکتانس پوتیه Xl pu
7 ثابت زمانی محور d در دوره گذرا Td' s
8 ثابت زمانی محور d در دوره فوق گذرا Td" s
9 ثابت زمانی محور q در دوره فوق گذرا Tq" s
10 ثابت اینرسی H s
52
-1-3-4 نمونههایی از نتایج شبکه عصبی تخمینگر:
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :7-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل :8-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
53

شکل :9-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :10-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
54

شکل :11-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :12-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
55
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :13-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل :14-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
56

شکل :15-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :16-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
57

شکل :17-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :18-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
58
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :19-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل:20-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
59

شکل:21-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :22-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
60

شکل :23-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:24-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
61
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :25-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :26-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
62

شکل :27-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :28-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq"
63

شکل :29-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :30-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
64
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :31-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :32-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
65

شکل :33-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :34-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین xq"
66

شکل :35-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :36-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
67
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :37-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :38-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
68

شکل :39-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :40-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq"
69

شکل :41-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:42-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
70
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :43-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند برای تخمین Td"

شکل :44-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
71

شکل :45-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :46-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
72

شکل :47-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :48-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
73
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :49-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td"

شکل:50-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
74

شکل:51-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :52-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
75

شکل :53-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :54-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
76
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :55-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td"

شکل :56-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
77

شکل :57-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :58-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
78

شکل :59-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:60-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
79
پارامتر مورد تخمین: T"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :61-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین Tq"

شکل :62-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
80

شکل :63-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :64-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq"
81

شکل :65-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :66-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
82
پارامتر مورد تخمین: T"q
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :67-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq"

.
شکل:68-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
83

شکل:69-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :70-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین Tq"
84

شکل :71-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :72-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
85
پارامتر مورد تخمین: T"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :73-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq"

شکل :74-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
86

شکل :75-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :76-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq"
87

شکل :77-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:78-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
88
-2-3-4 بررسی تحلیلی نتایج:
در طی این پروژه، شبیه سازیهای مربوطه در جهت تخمین کلیه پارامترهای مذکور انجام شده و بـر اسـاس اغتشاش بکار گرفته شده در تهیه دادههای بهرهبرداری تقسیم بندی و مقایسه شـده اسـت. بررسـی تحلیلـی نتایج در قالب شاخصبندیهای زیر ارائه شده است:
.1 بررسی مقایسهای رفتار شبکه عصبی تخمینگر در دوره آموزش:
.A تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه توزیع فراوانی خطا:
این بررسی بر پایه توزیع فراوانی خطای شبکه عصبی تخمینگر در مرحلـه آمـوزش، شـکل گرفتـه است. در مسیر تخمین هر یک از پارامترها نتایج سهگانه بدست آمده به ترتیب بر اساس برازندگی از دیدگاه حداقل خطا مرتب شده است. این نتایج برپایه اغتشاش متناظر با آنها نام گذاری و در جـدول
2-4 جای گرفتهاند.
.B تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه حداکثر دامنه خطا:
نتایج سهگانه بدست آمده در تخمین هریک از پارامترها بر اساس شـاخص حـداکثر خطـا ارزیـابی و اولویت بندی شدهاند. نتایج این تحلیل به ترتیب بیان شده در گام قبل نامگذاری و در قالـب جـدول
3-4 در اختیار قرار گرفته است.
.2 بررسی مقایسهای رفتار شبکه عصبی تخمینگر در دوره تست:
.A تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه توزیع فراوانی خطا:
این بررسی بر پایه توزیع فراوانی خطای شبکه عصبی تخمینگر در مرحله تست، شکل گرفته است.
در مسیر تخمین هر یک از پارامترها، نتایج سهگانه بدست آمده بر اساس برازندگی از دیدگاه حداقل خطا ترتیب یافته است. این نتایج برپایه اغتشاش متناظر با آنها نام گـذاری و در جـدول 2-4 جـای گرفتهاند. به علّت اهمیت خاص نتایج حاصل در این بخش، علاوه بر تحلیلهای فوق شاخص خطای متناظر با فراوانی غالب و درصد فراوانی مربوطه در بهترین حالت نیز ارزیابی و در جدول 2-4 ارائـه شده است.
.B تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه حداکثر دامنه خطا:
89
نتایج سهگانه بدست آمده در تخمین هریک از پارامترها بر اساس شاخص حداکثر خطا ارزیابی و بـر اساس برازندگی مرتب شده است. نتایج این تحلیل به همان صورت نامگذاری و در جدول 3-4 ارائه شده است.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :Xd
با مقایسه نتایج بدست آمده با استفاده اغتشاشات مختلف هیستوگرام خطای شبکه در مرحله آموزش بهتـرین توزیع فراوانی را در وقوع قبال اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور نشان میدهـد نتـایج حاصـله بـر پایـه تغییـر ناگهانی تحریک و تغییر توان ورودی در مراتب بعدی قرار میگیرند.
از نظر دامنه خطا نیز در این مرحله بهترین نتایج به ترتیب در قبال نتایج حاصله از وقوع اتصال کوتاه, تغییـر توان ورودی و تغییر ناگهانی تحریک شکل گرفته اند.
در مرحله تست بهترین توزیع فراوانی در مرحله اول مربوط به نتـایج حاصـل از تغییـر ناگهـانی تحریـک، در مرحله دوم مربوط به نتایج حاصله بر پایه وقوع اتصال کوتاه و نهایتًا از تغییر توان ورودی بدست میآید.
کمترین دامنه خطا به ترتیب متعلق به تخمین برپایه نتایج حاصل از وقوع اتصال کوتاه، تغییر تـوان ورودی و نهایتًا تغییر تحریک میباشد.
در مرحله تست محدودترین دامنه خطا مربوط به وقوع اتصال کوتاه است. نتایج حاصل از تغییر تـوان ورودی و تغییر ناگهانی تحریک در مراتب بعدی قرار دارند.
%73,3 از نتایج دارای خطای کمتر از %9,2 دامنه تغییرات Xd هستند.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :X'd
هیستوگرام خطای شبکه در مرحله آموزش نتایجی بدین ترتیب را در بر داشته است: در مرحلـه اول بهتـرین نتایج همراستا با تغییر ناگهانی تحریک شکل گرفته است، در مرحله دوم با تغییـر تـوان ورودی و در مرحلـه سوم با استفاده از وقوع اتصال کوتاه در خروجی ژنراتور.
کمتریم دامنه خطا در مرحله آموزش مربوط به وقوع اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور و در مرحله دوم و سـوم
مربوط به تغییر ناگهانی تحریک و توان ورودی ژنراتور میباشد.
در مرحله تست نمودار خطای شبکه نتایج مشابهی را در قبال اغتشاشهای سهگانه بجای گذاشته است و بـه سختی میتوان بین آنها تمایز قائل شد. شاید بتوان نتایج مربوط به تغییر توان ورودی، و در گامهـای بعـدی مربوط به تغییر ناگهانی تحریک و وقوع اتصال کوتاه در خروجی ژنراتور دانست.
90
کمترین دامنه خطا در این مرحله بترتیب مربوط به تغییر ناگهانی تحریک، وقوع اتصال کوتـاه و تغییـر تـوان ورودی میباشد.
%70 نتایج دارای خطای کمتر از %8,9 دامنه تغییرات X'd میباشند.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :X"d
نمودارهای بدست آمده در مرحله آموزش از دیدگاه توزیع فراوانی خطا بهترین نتایج را متناظر با وقوع اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور و در مراحل بعدی همراستا با تغییر توان ورودی و تغییر تحریک، نـشان مـیدهنـد.

Payan name 2013

معیارهای مناسب جهت تشخیص کنتور خراب چیست؟
کدام ساختار برای شبکه عصبی پیشنهادی مناسبتر است؟
مدل حاصله چگونه آموزش داده میشود؟

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

آیا میتوان احتمال خرابی یک کنتور را با مدل تصمیم گیری ارائه شده با دقت قابل قبول تشخیص داد؟
1-6 فرضیه‌هادر این پروژه موارد زیر به عنوان فرضیه جهت حل مسأله و پاسخ به سوالات پروژه در نظر گرفته شده است:
الگوریتم ترکیبی از درخت تصمبم و شبکه عصبی راهکار مناسبی برای حل مسأله است.
معیارها و فاکتورهای ارزیابی خرابی کنتور در جریان اجرای الگوریتم از پایگاه دادهها قابل دسترسی و محاسبه است.
تعداد ورودیها بستگی به تعداد متغیرها داشته و نتیجهی حاصله شامل کنتورهای خراب میباشد. پس ساختار مورد استفاده شامل چندین ورودی و یک خروجی میباشد.
اگر بنا بر دسته بندی کنتورهای خراب در چندین دسته مانند کنتورهای خراب، کنتورهایی با احتمال بالای خرابی، کنتورهایی با احتمال پایین خرابی و... شبکه دارای چندین خروجی خواهد شد.
با استفاده از دادههایی که از شناسایی یکسری محدود دادههای کنتورهای سالم و همچنین یکسری محدود دادههای کنتورهای خراب، شبکه آموزش داده میشود.
اختلافات بوجود آمده بین دادههای یک مشترک در طول زمان و استمرار آن را میتوان دلیل بر خرابی کنتور دانست.
1-7 راهکار ارائه شدهبا توجه به حساسیت این شرکت بر روی دادهها قبلا مجوز دسترسی به فیلدهای مربوطه گرفته شده است و منبع دادهها پایگاه داده شرکت ملی گاز کرمانشاه است. الگوریتمهای داده کاوی را از یک دید کلی بر اساس نوع میتوان به 2 گروه تقسیم کرد که عبارتند از دسته بندی و خوشه بندی. دسته بندی شامل بررسی ویژگیهای یک شی جدید و تخصیص آن به یکی ازمجموعههای از قبل تعریف شده میباشد ولی خوشه بندی به عمل تقسیم ناهمگن به تعدادی از زیر مجموعهها یا خوشههای همگن گفته میشود]3[. با توجه به تعاریف، نوع استفاده شده در این پروژه دسته بندی میباشد. با توجه به گسسته بودن اطلاعات روشی مشتمل بر شبکه عصبی و درخت تصمیم برای حل مساله مطرح شده طراحی میشود. با استفاده از پرسشنامه جهت دستیابی به تجارب مسئولین مرتبط با هدف پروژه، معیارهایی برای تعریف کنتور سالم و کنتور خراب از دیدگاه شرکت مشخص خواهد شد. نتیجه این پرسشنامه که ویژگیهای کنتور خراب را از دید مسئولین مشخص خواهد کرد که در تشخیص معیارهای ارزیابی کمک خواهد نمود. با توجه به معیارهای بدست آمده و ترکیب آنها با معیارهای مهندسی شده درمورد ساختار شبکه عصبی تصمیم گرفته خواهد شد و همچنین معیارهای مقایسه در درخت تصمیم مورد نظر بدست میآید. دادههای ارزیابی شده به عنوان مجموعه اعتبارسنجی انتخاب میشود که جدای از دادههای آموزش شبکه میباشد. بعد از آموزش شبکه عصبی و درخت تصمیم نسبت به ارزیابی و اعتبار سنجی آنها با مناسبترین الگوریتم از بین الگوریتمهای نام برده شده در شرح مسأله اقدام خواهد شد. بعد از اتمام طراحی و اعتبار سنجی روش حاصل توسط ابزارهای داده کاوی تست و اجرا میشوند و در صورت بروز مشکل یا احتمال خطا با توجه به تکرارپذیر بودن داده کاوی مراحل گفته شده دوباره تا حصول بهترین نتیجه تکرار خواهند شد. بعد از اتمام کلی و نهایی شدن طراحی، روش حاصله توسط ابزارهای داده کاوی تست و اجرا گشته و در نهایت نتایج جهت کمینه کردن هزینهی پروژهی مذکور در شرکت ملی گاز کرمانشاه به آن شرکت ارائه خواهد گردید.
روند داده کاوی نیز طبق متودلوژی CRISP-DM ]6[ پیش خواهد رفت که در شکل 1 میتوان آن را مشاهده نمود.

شکل 1- مدل فرآیند CRISP-DM برای کاربردهای داده کاوی]6[با توجه به اینکه داده کاوی یک فرآیند تکرارشونده است این مراحل تا حصول یک نتیجه قابل قبول تکرار خواهند شد.
تکنیکهای داده کاوی را میتوان به منظور ساخت سه نوع مدل، برای سه نوع فعالیت بکار برد که عبارتند از نمایه سازی توصیفی، نمایه سازی هدایت شده و پیش بینی]3[ که پروژه حاضر از نوع نمایه سازی هدایت شده میباشد.
با توجه به استفاده از درخت تصمیم و شبکه عصبی در این پروژه مراحل انجام طراحی برای هر قسمت جداگانه در ادامه توضیح داده خواهد شد.
الگوریتمهای درخت تصمیم در دسته بندی دادههای جدید بهترین عملکرد را ندارد. میتوان اینگونه گفت که درخت، الگوهای کلی را در گرههای بزرگ و الگوهای خاص را در گرههای کوچکتر مییابد. به عبارتی، درخت بر مجموعه آموزشی محاط شده که نتیجه آن یک درخت بیثبات و ناتوان در پیش بینیهای مناسب میباشد. علاج کار، حذف تقسیمات ناپایدار از طریق ادغام برگهای کوچکتر توسط فرآیندی است که هرس کردن نام دارد]10[. برای هرس کردن یکی از الگوریتمهای موجود مانند هرس کارت ]11[، هرس C5 ]11[، هرس ثبات محور ]10[ استفاده خواهد شد.
برای اندازه گیری خلوص ارزیابی تقسیمات در متغیرهای تابع هدف درخت تصمیم با توجه به دستهای یا عددی بودن آن از روشهای رایج مانند جینی ( پراکندگی جمعیت)]12[، آنتروپی (بهره اطلاعاتی)]13[، نسبت بهره اطلاعاتی که بیشترین کارایی را دارد استفاده شده است]10[.
برای طراحی شبکه عصبی در راستای اهداف پروژه مراحل زیر دنبال خواهد شد]10[:
تشخیص مشخصههای ورودی و خروجی
تبدیل ورودیها و خروجیها به نحوی که در یک بازه کوچک قرار گیرند.
ایجاد شبکه با یک ساختار مناسب
آموزش دادن شبکه به کمک مجموعه دادههای آموزشی
استفاده از مجموعه اعتبار سنجی، جهت انتخاب مجموعه اوزانی که خطا را به حداقل میرساند
ارزیابی شبکه با استفاده از مجموعه آزمون به منظور بررسی کیفیت عملکرد آن
به کار گرفتن مدل ساخته شده توسط شبکه جهت پیش بینی نتایج متناظر با ورودیهای نامعلوم
بعد از طراحی شبکه عصبی توسط مراحل گفته شده میتوان به سوالات زیر پاسخ داد:
تابع فعال سازی چیست؟
ساختار شبکه چگونه است؟
شبکه چگونه آموزش داده میشود؟
ساختار شبک دارای حداقل دو لایه پنهان است. بر روی یالهای شبکه اوزانی با استفاده از روش پس انتشار خطا برای تنظیم و تشخیص ورودیها در نظر گرفتیم. در نهایت بعد از طراحی، مدل را ساخته و در نرم افزار Rapid Miner 5 تست و اجرا کردیم و اشکالات را یافته و با تکرار مراحل طراحی آنها را رفع کردیم تا در نهایت مدل طراحی شده بتواند به مسأله مطرح شده پاسخ قابل قبولی را ارائه دهد.
1-8 ساختار پایان‌نامهدر ادامهی متن پایان نامه، ساختار کلی فصول مختلف به صورت زیر خواهند بود:
فصل دوم: این فصل مروری بر ادبیات و پیشینه پروژه میباشد که در آن به معرفی اولیه الگوریتمها و روشهای اجرا شده در پروژه اشاره میکنیم.
فصل سوم: در این فصل فرآیند داده کاوی انجام شده و روشها تست و ارزیابی میشوند و در نهایت روش ترکیبی از بهترین نتایج بدست آمده را تشکیل داده و معرفی میکنیم.
فصل چهارم: این فصل به نتیجه نهایی پروژه و معرفی راهکارهای آینده اشاره میکند.
فصل دوم
مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق

2-1 داده کاوی چیست؟بنا بر اعلام دانشگاه MIT دانش نوین داده کاوی یکی از ده دانش در حال توسعه‌ای است که دهه آینده را با انقلاب تکنولوژیکی مواجه می‌سازد. این تکنولوژی امروزه دارای کاربرد بسیار وسیعی در حوزه‌های مختلف است، به گونه‌ای که امروزه حد و مرزی برای کاربرد این دانش در نظر نگرفته‌اند [14].
داده کاوی، تحلیل داده و کشف الگوهای پنهان با استفاده از ابزارهای خودکار و یا نیمه خودکار است و هم چنین فرآیندی پیچیده جهت شناسایی الگوها و مدل های صحیح، جدید و به صورت بالقوه مفید در حجم وسیعی از داده می‌باشد، به طریقی که این الگوها و مدلها برای انسان‌ها قابل‌درک باشند. جمع‌آوری داده‌ها سبب شده سازمان‌ها منابع داده غنی و دانش ناچیزی داشته باشند. حجم این مجموعه داده‌ها به سرعت افزایش می‌یابد و باعث محدود شدن استفاده کاربردی از داده‌های ذخیره‌شده می‌شود. هدف اصلی داده کاوی استخراج الگوها از داده‌های موجود، افزایش ارزش ذاتی‌شان و تبدیل داده به دانش است [14].
با گسترش سیستمهای پایگاهی و حجم بالای داده‌های ذخیره‌شده در این سیستمها، به ابزاری نیاز است تا بتوان این داده‌ها را پردازش کرد و اطلاعات حاصل از آن را در اختیار کاربران قرارداد. معمولاً کاربران پس از طرح فرضیه‌ای بر اساس گزارشات مشاهده‌شده به اثبات یا رد آن می‌پردازند درحالی‌که امروزه به روش‌هایی نیاز داریم که به کشف دانش می‌پردازند، یعنی روش‌هایی که با کمترین دخالت کاربر و به صورت خودکار الگوها و رابطه‌های منطقی را پیدا کرده و بیان نماید.
امروزه، بیش‌ترین کاربرد داده کاوی در بانک‌ها، مراکز صنعتی و کارخانجات بزرگ، مراکز درمانی و بیمارستان‌ها، مراکز تحقیقاتی، بازاریابی هوشمند می‌باشد. داده کاوی فرآیند اکتشاف اطلاعات و روندهای نهفته از درون حجم بسیار زیاد داده‌هایی است که در قالب پایگاه‌های داده‌ای، انباره های داده‌ای و یا هر نوع انباره اطلاعاتی ذخیره می‌شود. داده کاوی اطلاعات موجود در انبار داده‌ها را استخراج و داده‌ها را به دانشی حیاتی و مهم در ارتباط با کسب و کار تبدیل می‌نماید [15]. از طریق داده کاوی و دانش جدیدی که در اختیار قرار می‌دهد، افراد می‌توانند از داده‌ها به عنوان اهرمی جهت خلق فرصت‌ها یا ارزش‌های جدید در سازمان خود استفاده کنند و همچنین برای مسائل طبقه‌بندی و رگرسیون بکار گرفته شود. در مسائل طبقه‌بندی، دسته‌ای از اشیاء که در داخل یک طبقه‌ای قرار دارند پیش‌بینی می‌شوند و در مسائل رگرسیون، یکسری از اعداد، پیش‌بینی می‌گردند.
در حال حاضر، داده کاوی مهم‌ترین فناوری جهت بهره‌برداری موثر از داده‌های حجیم است و اهمیت آن رو به فزونی است [16]. به طوری که تخمین زده شده است که مقدار داده‌ها در جهان هر 20 ماه به حدود دو برابر برسد. در یک تحقیق که بر روی گروه‌های تجاری بسیار بزرگ در جمع‌آوری داده‌ها صورت گرفت مشخص گردید که 19 درصد از این گروه‌ها دارای پایگاه داده‌هایی با سطح بیشتر از 50 گیگابایت می‌باشند و 59 درصد از آن‌ها انتظار دارند که در آینده‌ای نزدیک در چنین سطحی قرار گیرند [16].
2-2 تعاریف متنوعی از داده کاوی
در زیر به تعاریف داده کاوی از دیدگاههای مختلف میپردازیم:
داده کاوی کشف دانش از پایگاه داده‌ها نامیده می‌شود) نشانگر فرآیند جالب استخراج دانش از قبل ناشناخته (الگو از داده است [17].
فرآیند کشف الگوهای مفید از داده‌ها را داده کاوی می‌گویند [16].
فرآیند انتخاب، کاوش و مدل کردن داده‌های حجیم، جهت کشف روابط نهفته باهدف به دست آوردن نتایج واضح و مفید، برای مالک پایگاه داده‌ها را، داده کاوی گویند [17].
"فاید"، داده کاوی را این‌گونه تعریف کرد، یک فرایند استخراج از اطلاعات ضمنی ناشناخته و مفید از داده‌های ذخیره‌شده در پایگاه داده‌هاست [18].
"گودیچی"، نیز داده کاوی را فرایند انتخاب، اکتشاف ومدل سازی مقادیر زیادی از داده‌ها برای به دست آوردن نتایج روشن و مفید برای پایگاه داده‌ها تعریف می‌کند [18].
اما تعریفی که در اکثر مراجع به اشتراک ذکرشده عبارت است از: "استخراج اطلاعات و دانش و کشف الگوهای پنهان از یک پایگاه داده‌های بسیار بزرگ و پیچیده"[17].
داده کاوی یک متدلوژی بسیار قوی و با پتانسیل بالا می‌باشد که به سازمان‌ها کمک می‌کند که بر روی مهم‌ترین اطلاعات از مخزن داده‌های خود تمرکز نمایند [19].
ابزارهای داده کاوی الگوهای پنهانی را کشف و پیش‌بینی می‌کنند که متخصصان ممکن است به دلیل اینکه این اطلاعات و الگوها خارج از انتظار آن‌ها باشد، آن‌ها را مدنظر قرار ندهند و به آن‌ها دست نیابند [19].
2-3 آیا داده کاوی سودمند است؟داده کاوی به دو دلیل سودآور است:
داده کاوی منجر به تصمیمات واقع‌بینانه می‌شود.
داده کاوی منجر به تکرار تصمیمات سودآور اتفاق افتاده در گذشته می‌شود.
با استفاده از داده کاوی تصمیمات احساسی کنار گذاشته میشوند و بر اساس واقعیت‌ها تصمیمات گرفته میشوند. بنابراین ضررهای ناشی از ناآگاهی مدیران حذف می‌شود. داده کاوی همچنین فضای سال‌های گذشته‌ی شرکت شما را بازبینی می‌کند و در نهایت نشان می‌دهد کدام تصمیمات منجر به سود شده است درحالی‌که شما از آن تصمیمات اطلاعی ندارید. شرکت‌ها و سازمان‌ها هر لحظه در حال اتخاذ تصمیمات جدیدی هستند که منجر به سود یا زیان آن مجموعه می‌شود. بسیاری از تصمیمات بر اساس واقعیات موجود گرفته نمی‌شود و عواملی چون «فراموشی»، «تخلفات و تقلبات»، «اشکالات خط تولید»، «منافع شخصی» و «سیاست‌های اعمال نفوذ شده از جاهای دیگر» منجر به اتخاذ تصمیمات غیر شفاف و در نتیجه زیانبار می‌شود[20].
اما داده کاوی فضای حاکم بر کسب‌ وکار شما را شفاف می‌کند و شما را ملزم می‌کند واقع‌بینانه تصمیم بگیرید. تصمیم‌گیری واقع‌بینانه کلید از بین بردن تصمیمات احساسی و در نتیجه از بین بردن بهره‌وری پایین و ضررهای ناشی از ناآگاهی است. به طور کلی فضای تصمیم‌گیری در یک کسب‌ و کار شباهت بسیار زیادی به فضاهای تصمیم‌گیری اتفاق افتاده در 10 سال گذشته‌ی آن مجموعه دارد. این شباهت در یاد تصمیم‌گیرندگان آن کسب‌ و کار باقی نمی‌ماند و اغلب آشکار نیز نمی‌شود. داده کاوی فضای سال‌های گذشته‌ی کسب‌ و کار شما را بازخوانی می‌کند و به شما می‌گوید کدام تصمیمات منجر به سود شده است و کدام تصمیمات منجر به زیان کسب‌ و کار شده است. بنابراین داده کاوی باعث می‌شود تصمیمات زیان ده کسب و کارتان در گذشته را تکرار نکنید ولی تصمیمات سودآور اتفاق افتاده در گذشته را دوباره تکرار کنید. به لحاظ فنی، داده کاوی عبارت از فرآیندی است که در میان حوزه‌های گوناگون بانک‌های اطلاعاتی ارتباطی بزرگ، همبستگی‌ها یا الگوهایی را پیدا می‌کند [21].
2-4 آمار و داده کاویتلاش برای الگوهای موجود در دادهها مدت زمان طولانی در بسیاری از زمینه ها، از جمله آمار، الگوشناسی ، و تجزیه و تحلیل دادههای اکتشافی مورد مطالعه قرار گرفته شده است]4[. داده کاوی اساساً یک رشته کاربردی است و یک داده کاوی باید از روش‌های آماری درک خوبی داشته باشد. در داده کاوی تلاش می‌شود بین آمار و علوم رایانه‌ای رابطه‌ای برقرار گردد. برقراری این ارتباط به دلیل وجود یک سلسله از فرضیات ضمنی و غیر واضح و دشوار بودن تبدیل مفاهیم نظری به الگوریتم‌های رایانه‌ای در ادبیات آماری و به دلیل وجود الگوریتم‌های فراوان در ادبیات رایانه‌ای دشوار است. لذا داشتن درکی درست از مدل‌سازی و الگوریتم‌های محاسباتی برای کارهای داده کاوی ضروری است.
روابط در داده کاوی غالباً به صورت الگوها و مدلهایی از قبیل معادلات رگرسیونی، سری‌های زمانی، خوشه‌ها، رده‌بندی‌ها، گراف‌ها و غیره ارائه می‌شوند. در داده کاوی نیز همانند آمار غالباً داده‌هایی که تحلیل می‌شوند، نمونه‌ای از جامعه هستند که به تبع بزرگ بودن جامعه با نمونه‌ای حجیم مواجه هستیم. در هنگام کار با مجموعه داده‌های حجیم مشکلات تازه‌ای بروز می‌کند. برخی از این مشکلات به نحوه ذخیره‌سازی یا فراخوانی داده‌ها مربوط می‌شود و برخی دیگر مربوط به مسائلی مانند نحوه تحلیل داده‌ها در زمانی مناسب و استخراج الگوها و مدلهای حاکم بر داده‌ها است [22]. به طور کلی فرآیند کاوش الگوها، مدل ها و روابط مطلوب در یک مجموعه داده شامل مراحل زیر است:
معین ساختن طبیعت و ساختار مورد نظر
تصمیم‌گیری در مورد میزان برازش نمایش‌های متفاوت به داده‌ها، یعنی انتخاب یک تابع امتیاز
اتخاذ یک فرآیند الگوریتمی برای بهینه‌سازی تابع امتیاز
تصمیم‌گیری در مورد اصول مدیریت داده‌ها برای اجرای موثر الگوریتم
با توجه به اینکه مدلها و الگوها، توابع امتیاز، روش‌های بهینه‌سازی و راهکارهای مدیریت داده‌ها چهار مؤلفه اصلی الگوریتم‌های داده کاوی را تشکیل می‌دهند، با توجه به اینکه ماهیت داده‌ها در آمار با داده کاوی متفاوت است، داده کاوی به برخی از روش‌های آماری که دارای ویژگی‌های خاصی می‌باشند توجه بیشتری نشان می‌دهد.
یکی از ویژگی‌های مورد توجه روش‌های آماری در داده کاوی، سادگی تعبیر آن‌ها است. از این رو به استفاده از مدلهای نسبتاً ساده و قابل تعبیر مانند گراف‌ها گرایش زیادی وجود دارد. در داده کاوی مواردی که در آن‌ها با تعداد بسیار زیادی متغیر، مدل و یا فرضیه مواجه هستیم، فراوان است. از طرفی داده کاوی یک فرآیند اکتشافی و تکراری است به این معنی که در خلال تحلیل داده‌ها اطلاعات جدید کشف می‌شوند و فرضیه‌های قبلی اصلاح و فرضیه‌های جدید ارائه می‌شوند و این کار ممکن است با داده‌های زیاد، بارها تکرار شود. لذا از دیدگاه آمار روش‌هایی با کارایی محاسباتی بالا، تحلیل‌های محاسباتی و تحلیل‌های تقریبی، مورد توجه خاص داده کاوی هستند. تاکید بیشتر داده کاوی بر بعضی روش‌های آماری، به معنی عدم استفاده از سایر روش‌های آماری نیست و در عمل از طیف گسترده‌ای از روش‌های آماری برای تحلیل داده‌ها استفاده می‌شود.
آمار و داده کاوی هر دو با روش‌های تحلیل و مدل بندی داده‌ها مرتبط می‌باشند. بنابراین اشتراک زیادی بین این دو رشته وجود دارد. به عنوان یک شوخی، یکی از نویسندگان در پاسخ سؤال اینکه "داده کاوی چیست؟ بیان می‌کند که "همان آمار است، اما با یک نام خیلی بهتر" البته این ویژگی به معنای یکسان دانستن داده کاوی وآنالیزآماری نیست، در جدول زیر این تفاوت‌ها آورده شده است [23،21].
جدول (2-1): مقایسه آنالیز آماری و داده کاوی [22]آنالیز آماری داده کاوی
آمار شناسان همیشه با یک فرضیه شروع به کار می‌کنند. به فرضیه احتیاجی ندارد.
آمار شناسان باید رابطه‌هایی را ایجاد کنند که به فرضیه آن‌ها مربوط شود الگوریتم‌های داده کاوی در ابزارها به طور اتوماتیک روابط را ایجاد می‌کنند
آن‌ها از داده‌های عددی استفاده می‌کنند. ابزارهای داده کاوی از انواع مختلف داده و نه فقط عددی می‌توانند استفاده کنند.
آن‌ها می‌توانند داده‌های نابجا و نادرست را در طول آنالیز تشخیص دهند داده کاوی به داده‌های صحیح و درست طبقه‌بندی شده بستگی دارد.
آن‌ها می‌توانند نتایج کار خود را تفسیر کنند و برای مدیران بیان کنند. نتایج داده کاوی آسان نیست و همچنان به متخصصان آمار برای تحلیل آن‌ها و بیان آن‌ها به مدیران نیاز است.
2-5 پیچیدگی و هزینه زمانیتحلیلگران دریافتهاند که پیچیدگی و زمانبر بودن دسترسی به حجم زیاد دادههای مورد نیاز و پردازش آن‌ها توسط بعضی ابزارهای داده کاوی، استفاده از این ابزارها را در هر نقطه از زمان و مکان غیرممکن ساخته است.
وزارت امنیت داخلی ایالات‌متحده آمریکا در آگوست 2006، به 12 تلاش داده کاوی دست زد که یکی از آن‌ها سیستم TVIS بود. این سیستم به منظور ایجاد و بهبود اشتراک دانش از خطرات تروریستی بالقوه، به روشی واحد دادههای زنده تولیدشده به وسیله خلبانان را ترکیب میکرد. نتایج تحلیلها نشانداد که اگرچه این سیستم در یک دوره تناوب دو ساعته کار می‌کند، کاربران قادر به استفاده روزانه از آن نبوده و فقط دو تحلیلگر امکان استفاده همزمان از آن را دارند. این منجر به اتلاف وقت تحلیلگران در زمان جستجو در پایگاه دادههای مضاعف شد. مشکل پیچیدگی و هزینه زمانی بعضی تکنیکهای داده کاوی، موجب کاهش پذیرش استفاده زمان واقعی از این سیستمها توسط افراد و روی آوردن به سیستمهایی با عملکرد ضعیفتر میشود [24].
2-6 محرمانگی دادههابا وجود تکنیکهای داده کاوی و اشتراک اطلاعات، توجه بسیاری از تحلیلگران به پیادهسازی محرمانگی و امنیت دادهها معطوفشدهاست. بعضی کارشناسان پیشنهاد کرده‌اند که بعضی کاربردهای ضد تروریسمی داده کاوی میتواند برای یافتن الگوهای تبهکارانه و مقابله با انواع جرمها مفید باشد. تا کنون، با وجود دیدگاه‌های متضاد بحث شده، توافق کمی درباره اینکه داده کاوی به چه صورت باید اجرا شود وجود دارد. بعضی مخالف سبک سنگینی برای ایجاد محرمانگی و تأمین امنیت هستند. بعضی ناظران نیز پیشنهاد کرده‌اند که قوانین و مقررات مربوط به حمایت از محرمانگی کافی هستند و هیچ تهدیدی برای محرمانگی وجود ندارد. هنوز ناسازگاریهایی در باب این مسئله وجود دارد که باید برطرفشوند. به موازات پیشرفت‌های داده کاوی، سؤالات متنوعی افزایش مییابند شامل اینکه نهادهای شهری و دولتی تا چه اندازه می‌بایست دادههای تجاری را با دادههای دولتی استفاده و ترکیب کنند، آیا منابع داده به منظورهایی غیر از هدف اصلی طراحی میشوند و کاربردهای ممکن از اعمال محرمانگی چیست؟ [25]
2-7 محدودیت‌های داده کاوی "گـرچه داده کاوی پیشرفت شگرفی در نوع ابزارهای تحلیلی موجود به وجود آورده است، لکن محدودیت‌هایی نیز درباره کاربردپذیری آن وجود دارد. یکی از محدودیت‌ها این است که ابزارهای داده کاوی هنوز استانداردسازی نشده‌اند و از نظـر تأثیرگذاری اختـلاف فـاحشـی با یکـدیگـر دارنـد. محدودیت دیگر آن است که گــرچــه داده کـاوی می‌تواند بـه آشکـارسـازی انگاره‌ها و رابطه‌ها کمک کند اما نمی‌تواند ارزش یا اهمیت این انگاره‌ها را به کاربر بگوید. بـنــابــرایــن، خــود کــاربـر بـایـد ایـن اطـلاعـات را مشخـص کنـد. محـدودیـت دیگـر این است که گرچه داده کاوی می‌تواند روابط بین رفتارها یا متغیرها را شناسایی کند، اما لزوما نمی‌تواند یک رابطه تصادفی را شناسایی کند"[26].
2-8 مراحل داده کاویچرخهی داده کاوی شامل روشها و مراحل مختلفی میباشد که ما در این پروژه از متدولوژی CRIDP-DM استفاده میکنیم. مراحل متدولوژی نام برده به ترتیب زیر است:
درک کسب و کار: در اولین قدم بایستی یک تعریف مناسب از مسأله و فضایی که قرار است پروژه در آن اجرا شود، داشت.
درک دادهها: در دومین قدم بایستی تمامی دادهها جمع آوری شود و مورد بررسی قرار گیرند. در این مرحله دادهها تعریف و یک دید از هرکدام از دادهها ارائه میشود.
آماده سازی دادهها: در این بخش دادههای مورد نیاز تشخیص داده شده و یا دادههای جدید از ترکیب دادههای قبلی تولید میشوند.
ساخت مدل: در این مرحله بایستی با استفاده از دادههای موجود مدلی برای حل مسأله ساخته شود. این مدل میتواند با هر یک از روشهای داده کاوی در راستای هدف تعریف شده ساخته شود.
تست و ارزیابی: در این مرحله مدل ساخته شده با دادههای مشخص بایستی مورد تست و ارزیابی قرار بگیرند. در این ارزیابی بنا به تعریف مسأله میتوان معیارهایی مانند دقت و یا سرعت مدل را مورد بررسی قرار داد.
ارائه مناسب از مدل و نتایج: در آخرین مرحله از این فرآیند بایستی روشی مناسب برای ارائه مدل و نتایج حاصل از اجرا و تست و ارزیابی پروژه انتخاب نمود.
باید توجه داشت که جمع‌آوری و محافظت از داده‌ها نکته بسیار مهمی می‌باشد. اصولاً چون قالب و نوع داده‌ها در طول زمان تغییر می‌کند ممکن است بسیاری از داده‌های موجود در قالب‌های متفاوت باشند و همچنین بسیاری از داده‌های قدیمی از بین رفته و دور ریخته شوند. درحالی‌که ممکن است اهمیت این داده‌ها از داده‌های جدید به هیچ‌وجه کمتر نباشد. همچنین به علت اینکه داده‌ها از منابع مختلف داخلی و خارجی مانند کارکنان شرکت، مدیران، مشتریان، کارفرمایان، پیمانکاران باشند باز هم ممکن است قالب داده‌ها باهم یکسان نباشد. به همین دلیل انتخاب داده‌های درست و یکپارچه‌سازی قالب آن‌ها به منظور استفاده در داده کاوی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می‌باشد[27].
2-9 وظایف و تکنیک های داده کاویکلاس‌بندی
تخمین
پیش‌بینی
گروه‌بندی وابستگی‌ها
خوشه‌بندی
نمایه‌سازی توصیفی
2-9-1 کلاس‌بندیکلاس‌بندی به معنای یادگیری تابع نگاشت ترکیب مقادیر خصایص به دسته‌های مختلف و تعیین کلاس از یک شی پایه بر اساس ویژگی‌هایش می‌باشد. هر شی‌ای که کلاس‌بندی می‌شود به صورت عمومی توسط رکوردهایی در جدول یک پایگاه داده یا در یک فایل بیان می‌گردد و عمل کلاس‌بندی با اضافه نمودن یک ستون جدید به همراه کد کلاس انجام می‌شود. وظیفه کلاس‌بندی به خوبی توسط تعریف کلاس‌ها و یک مجموعه آموزشی شامل نمونه‌های کلاسه‌ای از پیش تعریف‌شده مشخص می‌گردد .و در نهایت مدلی ساخته می‌شود که می‌توان داده‌های غیر کلاس‌بندی به این کلاس‌ها تخصیص داد [28].
2-9-2 تخمین
برآورد کردن با مقادیر خروجی پیوسته سروکار دارد .به صورت تجربی برآورد کردن اغلب قبل از کلاس‌بندی استفاده می‌شود. از مزایای رویکرد برآورد این است که رکودهای منحصربه‌فرد می‌توانند مطابق با برآورد رتبه ترتیبی اتخاذ نمایند [28].
2-9-3 پیش‌بینیپیش‌بینی همانند کلاس‌بندی است و انتظار می‌رود رکودهایی که کلاس‌بندی شده‌اند بر طبق بعضی از ویژگی‌های کلاس‌ها بتوانند پیش‌بینی‌های رفتارهای آینده به همراه تخمین ارزش‌های آینده باشند. در پیش‌بینی تنها راهی که مشخص می‌کند کلاس‌بندی ما صحیح بوده این است که منتظر بمانیم و ببینیم. داده‌های تاریخی برای ساخت مدلهای مفید هستند که رفتار مشاهدات جاری را توصیف نمایند و زمانی که مدل پیش‌بینی برای ورودی‌های جاری بکار برده می‌شود ،حاصلش این است که رفتارهای آینده را پیش‌بینی می‌نماید [28].
2-9-4 قواعد وابستگی یا گروه‌بندی پیوستگی‌هاقواعد انجمنی قابلیتی برای یافتن روابط ناشناخته موجود در اطلاعات است. این روابط مواردی از قبیل اینکه حضور مجموعه‌ای از مقولات اشاره به این دارند که مجموعه مقولات دیگری نیز احتمالاً وجود دارند را شامل می‌شود. این قواعد و وابستگی‌ها برای مشخص کردن چیزهایی است که باهم هستند .این وظیفه قلب تحلیل سبد بازار است و رویکردی ساده برای تولید قاعده دار داده می‌باشد[28].
2-9-5 خوشه‌بندیاین وظیفه برای بخش‌بندی جمعیت ناهمگن به زیرمجموعه‌های همگن یا همان خوشه‌ها می‌باشد. تفاوت عمده خوشه‌بندی با کلاس‌بندی در این است که بر اساس کلاس‌های از پیش تعریف‌شده عمل نمی‌نماید. در کلاس‌بندی هر رکورد به کلاس‌های از پیش تعریف‌شده‌ای که بر پایه توسعه مدل یادگیری می‌باشند، تخصیص داده می‌شود درحالی‌که در خوشه‌بندی کلاس‌های از پیش تعریف‌شده وجود ندارد و رکوردها بر پایه شباهت‌هایشان، گروه‌بندی می‌شوند [28].
2-9-6 نمایه‌سازی توصیفیبعضی اوقات هدف از داده کاوی ساده‌سازی توصیف و اینکه در پایگاه داده‌های پیچیده از چه طریقی می‌توان با شناخت افراد، میزان عرضه و تقاضای محصولات را افزایش داد. درخت تصمیم‌گیری ابزار قدرتمندی برای پروفایل نمودن مشتری می‌باشد [28].
2-10 معماری سیستم مبتنی بر داده کاویمعماری سیستم مبتنی بر داده کاوی از اجزای زیر تشکیل شده است :
پایگاه داده، انباره داده تحلیلی، سایر مخزن‌های اطلاعاتی که شامل یک یا مجموعه‌ای از پایگاه داده، انباره داده‌های تحلیلی، صفحات گسترده است و تکنیک های پالایش و تجمیع روی این داده‌ها انجام می‌گردد. سرویس‌دهنده پایگاه داده یا انبار داده تحلیلی که مسئول واکشی داده‌های مرتبط با درخواست‌های داده کاوی کاربران می‌باشد.
بانک دانش: دامنه دانشی است که به منظور راهنمای تحقیق و یا ارزیابی نتایج جالب‌توجه الگوها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
موتور داده کاوی :از اجزای اصلی سیستم های داده کاوی است و مشتمل بر مجموعه‌ای از توابع برای وظایف داده کاوی می‌باشد .
الگوها: دانش به دست آمده در قالب الگوهایی ارائه و توسط توابعی صحت و دقت آن‌ها ارزیابی می‌شود .
واسط کاربر: به عنوان ارتباط‌دهنده‌ی میان کاربر و سیستم داده کاوی می‌باشد و ابزاری است برای بصری سازی الگوهای کاوشی در فرم های متفاوت [28].

شکل (2-1): معماری سیستم مبتنی بر داده کاوی [28].2-11 روش‌های داده کاوی
اهداف داده کاوی شامل پیش‌بینی و توصیف یا ترکیبی از آن‌هاست. هدف پیش‌بینی تمرکز بر روی دقت در توانایی پیش‌بینی بوده و توصیف بر درک فرآیند تولید داد ه ها تمرکز دارد. در پیش‌بینی تا زمانی که مدل قدرت پیش‌بینی دارد، کاربر توجهی به این ندارد که مدل انعکاس دهنده واقعیت است. به هر ترتیب، اهداف داده کاوی با استفاده از روش‌های داده کاوی، محقق می‌شوند. اصطلاح روش‌های داده کاوی در واقع بیانگر جمع کثیری از الگوریتم‌ها و فنون است که از علومی مانند آمار، یادگیری ماشین، پایگاه داده وتجسم سازی، استنتاج شده‌اند. روش‌های داده کاوی مشهوری که در این پژوهش معرفی خواهند شد شامل شبکه‌های عصبی، درختان تصمیم می‌باشد که در ادامه این روش ها را شرح می دهیم و همچنین دو روش ترکیبی جدید از روشهای گفته شده برای حل مسأله تشخیص کنتور خراب معرفی و بررسی خواهیم کرد.
2-12 درخت تصمیم‌گیریدرخت تصمیم‌گیری از نسل جدید تکنیک های داده کاوی بشمار می‌آید که در دو دهه اخیر توسعه زیادی یافته است. از این تکنیک هم می‌توان برای کشف و استخراج دانش از یک پایگاه داده و هم برای ایجاد مدل های پیش‌بینی استفاده نمود. درخت تصمیم‌گیری یکی از ابزارهای قوی و متداول برای دسته‌بندی و پیش‌بینی می‌باشد که قادر به تولید توصیفات قابل‌درک برای انسان، از روابط موجود در یک مجموعه داده‌ای است. ساختار تصمیم‌گیری می‌تواند به شکل تکنیک های ریاضی و محاسباتی که به توصیف، دسته‌بندی و عام سازی یک مجموعه از داده‌ها کمک می‌کنند نیز معرفی شوند.
درخت تصمیم، شیوه منحصر به فردی از ارائه یک سیستم است، که تصمیم‌گیری‌های آتی را تسهیل و سیستم را به نحو مناسبی تعریف می‌کند. با توجه به اینکه اکثر سیستم های مهندسی، اجرایی و محاسباتی را می‌توان در قالب یک سری داده (ویژگی یا ویژگی‌ها و خروجی منطبق با آن‌ها) تعریف کرد، می‌توان با استفاده از یک الگوریتم، (ایجاد درخت) ویژگی‌ها و خروجی‌ها را آنالیز کرد و سیستم را بر اساس این داده‌ها در قالب یک درخت تصمیم ارائه کرد [29]. درخت تصمیم‌گیری، ساختاری بازگشتی برای بیان یک فرآیند طبقه‌بندی متناوب می‌باشد که به وسیله مجموع‌های از صفات تشریح گردیده و یک وضعیت را به مجموع‌های گسسته از طبقات تخصیص می‌دهد [23].
هر برگ درخت تصمیم‌گیری، نماینده یک طبقه می‌باشد. درخت تصمیم روش کارآمد ویژه‌ای برای ایجاد دسته‌بندی کننده‌ها از داده‌ها است. مهم‌ترین خصوصیت درخت‌های تصمیم، قابلیت آن‌ها در شکستن فرآیند پیچیده تصمیم‌گیری به مجموع‌های از تصمیمات ساده‌تر است که به راحتی قابل تفسیر هستند [31،30].
نواحی تصمیم پیچیده سراسری (خصوصاً در فضاهایی با ابعاد زیاد) می‌توانند با اجتماع نواحی تصمیم محلی ساده‌تر در سطوح مختلف درخت تقریب زده شوند. برخلاف دسته‌بندی کننده‌های تک مرحله‌ای رایج که هر نمونه، روی تمام دسته‌ها امتحان می‌شود، در یک دسته‌بندی کننده درخت، یک نمونه روی زیرمجموعه‌های خاصی از دسته‌ها امتحان شده و محاسبات غیر لازم حذف می‌شوند. در دسته‌بندی کننده تک مرحله‌ای، فقط از زیر مجموعه‌های از صفات، برای روش بین دسته‌ها استفاده می‌شود که معمولاً با یک معیار بهینه سراسری انتخاب می‌شود. در دسته‌بندی کننده درخت، انعطاف‌پذیری انتخاب زیرمجموعه‌های مختلفی از صفات در گروه‌های داخلی مختلف درخت وجود دارد، به شکلی که زیرمجموعه انتخاب‌شده به شکل بهینه بین دسته‌های این گروه را تفکیک می‌کند. این انعطاف‌پذیری ممکن است بهبودی در کارایی را نسبت به دسته‌بندی کننده‌های تک مرحله‌ای ایجاد کند [31،23].
2-13 نقاط قوت درخت تصمیم‌گیریفهم مدل ایجادشده توسط درخت تصمیم‌گیری آسان می‌باشد. به عبارت دیگر با اینکه ممکن است الگوریتم‌هایی که درخت را ایجاد می‌کنند چندان ساده نباشد ولی فهم نتایج آن آسان می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[33].
درخت تصمیم‌گیری این توانایی را دارد که پیش‌بینی‌های خود را در قالب یک سری قوانین ارائه دهد.
نیاز به محاسبات خیلی پیچیده‌ای برای دسته‌بندی داده‌ها ندارد.
برای انواع مختلف داده‌ها قابل‌استفاده می‌باشد.
درخت تصمیم‌گیری نشان می‌دهد کدام فیلد یا متغیرها تأثیرات مهمی در پیش‌بینی و دسته‌بندی دارند.
سادگی در تحلیل و قابلیت تحلیل ساختار در مواقع پیچیدهتر و در حضور داده‌های ناقص نیز وجود دارد.
در صورت نیاز می‌توان به سادگی با نتایج روش‌های دیگر ترکیب‌شده و مدل را گسترش داد.
این ساختار قادر به کار کردن با مقادیر غیر عددی بوده و تعامل بهتری با اطلاعاتی با ماهیت غیر عددی دارد.
2-14 معایب درختان تصمیم در مقابل این مزیت‌ها میتوان به معایبی از جمله عدم تطابق با ویژگی‌های پیوسته در این درخت نیز اشاره نمود، این ساختار تنها قادر به کار کردن با ویژگی‌های است که مقادیر گسسته (با تعداد محدود) را در بر بگیرند. برای غلبه بر این مشکل، روشهای بسیاری پیشنهادشده تا مقادیر پیوسته به تعدادی خوشه‌های کوچک‌تر تقسیم شوند و به جای استفاده از مقادیر پیوسته هر ویژگی، مشخصه خوشه‌ای که این مقدار را در بر می‌گیرد در تصمیم‌گیری ساختار درخت تصمیم مورد استفاده قرار گیرد. برای این کار میتوان از روشهای خوشه‌بندی و یادگیری بدون ناظر استفاده نمود. همان طور که در بخشهای بعدی توضیح داده خواهد شد، در این پژوهش برای حل چنین مشکل‌هایی از الگوریتم خوشه‌بندی K-means استفاده ‌شده که در بخش مربوطه توضیح داده خواهد شد.
از دیگر مشکلات درخت تصمیم، نحوه ساختن یک درخت بهینه با کمترین میزان خطا و تا حد ممکن ساده است. فرآیند ساخت درخت، یک فرآیند واحد نمیباشد. متأسفانه، مشکل پیدا کردن کوچک‌ترین درخت تصمیم از روی یک نمونه دادهای، مسئله NP-Complete است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[34]. به همین دلیل، اکثراً روش‌هایی بر پایه روشهای ساخت درخت غیر عقبگرد و به صورت حریصانه عمل مینمایند.
از معایب دیگر آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
در مواردی که هدف از یادگیری، تخمین تابعی با مقادیر پیوسته است مناسب نیستند.
در موارد با تعداد دسته‌های زیاد و نمونه آموزشی کم، احتمال خطا بالاست.
تولید درخت تصمیم‌گیری، هزینه محاسباتی بالا دارد.
هرس کردن درخت هزینه بالایی دارد.
در مسائلی که دسته‌های ورودی با نواحی مکعبی به خوبی جدا نشوند و دسته‌ها همپوشانی داشته باشند، خوب عمل نمی‌کنند.
در صورت همپوشانی گره‌ها تعداد گره‌های پایانی زیاد می‌شود.
در صورتی که درخت بزرگ باشد امکان است خطاها از سطحی به سطحی دیگر جمع شوند (انباشته شدن خطای لایه‌ها بر روی یکدیگر) [35].
طراحی درخت تصمیم‌گیری بهینه، دشوار است. کارایی یک درخت دسته‌بندی کننده به چگونگی طراحی خوب آن بستگی دارد.
احتمال تولید روابط نادرست وجود دارد.
بازنمایی درخت تصمیم دشوار است.
وقتی تعداد دسته‌ها زیاد است، می‌تواند باعث شود که تعداد گره‌های پایانی بیشتر از تعداد دسته‌های واقعی بوده و بنابراین زمان جستجو و فضای حافظه را افزایش می‌دهد.
این الگوریتم به حافظه زیادی نیاز دارد [35].
2-15 آنتروپیدر نظریه اطلاعات آنتروپی میزان خلوص (بی‌نظمی یا عدم خالص بودن) مجموعه‌ای از مثال‌ها را مشخص می‌کند. اگر مجموعه S شامل مثال‌های مختلف با کلاس‌های مشخص 1و 2و .. وn باشد و pi نشان‌دهنده نسبت تعداد اعضای کلاس i به کل داده‌های موجود باشد، در این صورت داریم:
EntropyS= -1log⁡(n) i-1npilog⁡(pi) (1-2)
با توجه به تعریف آنتروپی هر چقدر که نسبت کلاس‌ها به کل نمونه‌های موجود به همدیگر نزدیک‌تر باشد، آنتروپی مقدار بیشتری به خود می‌گیرد و در واقع زمانی که همه کلاس‌ها دقیقاً به یک اندازه باشند، میزان آنتروپی به بیش‌ترین مقدار خود یعنی 1 خواهد رسید:
∀i: pi= 1n ⟹ EntropyS=1 (2-2)
و وقتی که همه نمونه‌ها متعلق به یکی از کلاس‌ها باشند و باقی کلاس‌ها هیچ عضوی نداشته باشند در این صورت میزان آنتروپی به کمترین مقدار خود، یعنی صفر خواهد رسید. شکل زیر نحوه تغییر میزان آنتروپی را برای مجموعه‌ای با دو کلاس نشان می‌دهد. در این شکل، میزان فراوانی کلاس اول با P1 (که در نتیجه مقدار فراوانی کلاس دیگر برابر خواهد بود با 1- P1 ) بر روی محور افقی نمایش داده‌شده و محور عمودی آنتروپی مجموعه S را بر اساس این پراکندگی نشان می‌دهد [36]:

شکل (2-2): تغییر میزان آنتروپی را برای مجموعه‌ای با دو کلاساز روی مفهوم آنتروپی می‌توان، مفهوم بهره اطلاعاتی مجموعه نمونه S برای ویژگی A را به صورت زیر تعریف نمود:
GainS,A= EntropyS- v∈Values(A)SvS EntropySv (3-2)
که Values(A) مجموعه تمام مقادیری است که ویژگی A به خود می‌گیرد و همچنین Sv نیز نشان‌دهنده زیرمجموعه‌ای از S است که در آن‌ها ویژگی A مقدار v را به خود گرفته است. در هر مرحله از شاخه زنی درخت تصمیم (انتخاب یک ویژگی برای رأس‌های میانی)، ویژگی انتخاب خواهد شد که بهره اطلاعاتی بیشتری داشته باشد و به عبارت دیگر با انتخاب این ویژگی، میزان آنتروپی نسبت به حالت قبل از شاخه زنی بیش‌ترین کاهش را داشته باشد. الگوریتم درخت تصمیم از گره ریشه شروع به شاخه زنی و تقسیم مجموعه نمونه‌ها به زیرمجموعه‌های کوچک‌تر کرده و سپس این کار را به صورت بازگشتی بر روی زیرمجموعه‌های به وجود آمده از این شاخه زنی نیز تکرار میکند و این کار را تا جای ممکن ادامه میدهد:
در گره n، که شامل مجموعه نمونه‌های S است، ویژگی A را طوری انتخاب کن که بیش‌ترین بهره اطلاعاتی را برای مجموعه S داشته باشد، در صورتی که شاخه زنی ممکن نباشد، الگوریتم تمام شده است [36].

Payannameh

الهی دستم گیر که دست آویز ندارم و عذرم بپذیر که پای گریز ندارم.
الهی عذر ما را بپذیر و بر عیب های ما خرده مگیر.
الهی دانایی ده که از راه نیافتیم و بینایی ده که در چاه نیافتیم.
الهی بساز کار من و منگر به کردار من.
الهی تو ساز که دیگران ندانند تو نواز که دیگران نتوانند.
یارب دل ما را تو به رهها جان ده درد همه را به صابری درمان ده
این بنده چه داند که چه می باید حبست دانند تویی هر آنچه دانی آن ده
» خواجه عبداالله انصاری «
فهرست مطالب
عنوانصفحه

چکیده1
مقدمه2
فصل اول: شبکه های عصبی
.1-1سیستمهای عصبی طبیعی5
.1-1-1 نورون بیولوژیک..6
.2-1مقدمه ای بر شبکه های عصبی مصنوعی9
.3-1اهمیت استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی10
.4-1مدل سازی نورون درشبکه های عصبی مصنوعی.11
.5-1انواع شبکه های عصبی مصنوعی12…
.6-1یادگیری در شبکه های عصبی مصنوعی14…
.7-1شبکه های عصبی پیش رو15…
.8-1شبکه های عصبی پس انتشار17
.1-8-1روش آموزش پس انتشار18…
.9-1شبکه های عصبی انعطاف پذیر21…
فصل دوم:تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT درکاهش انگلهای دامی با استفاده از شبکه های عصبی
.1-2موضوع27
.2-2شیوه ها28
.3-2نتایج آزما یش های بالینی30
.4-2تحقیق پرسشنامه ای34
.5-2پیاده سازی داده های جمع آوری شده با استفاده از شبکه های عصبی36
فصل سوم: روش پیاده سازی شبکه های عصبی با استفاده از FPGA
.1-3 مقدمه ای بر 43..…FPGA
.2-3روش پیاده سازی شبکه های عصبی با استفاده از 48FPGA
فصل چهارم:
نتیجه گیری و پیشنهادات69
پروژه - ریسرچارائه شده در پجمین کنفرانس بین المللی سیستم های هوشمند WSEASکشور اسپانیا (مادرید 73(2006
چکیده انگلیسی77
فهرست جدول ها
عنوانصفحه
.1-1جدول: : توابع مهم قابل استفاده در شبکه های عصبی 12..................................................
.1-2 جدول : سطح آماری گروههای تحت درمان و کنترل 31..................................................................................................
.2-2جدول: درصدلارو آلوده در 38 دسته از گروههای تحت کنترل و بررسی 33................................................
.3-2جدول: نشان دهنده درصد وجود انگلهادر دامهای موردا زمایش 382
.4-2جدول: نتایج شبیه سازی برای داده های تست 41...........
فهرست شکل ها عنوان صفحه
.1-1شکل: جریان اطلاعات در سیستم عصبی انسان 7
.2-1شکل: مدل سازی یک نورون مصنوعی 11
.3-1شکل: شبکه عصبی با طراحی پیش رو سه لایه 15
.4-1شکل: ساختار شبکه عصبی با طراحی پس انتشار سه لایه 17
.5-1شکل: منحنی تغییرات تابع انعطاف پذیر تک قطبی نسبت به پارامتر a 23
.6-1شکل: منحنی تغییرات تابع انعطاف پذیر دو قطبی نسبت به پارامتر a ٢٣
.1-2شکل: ساختار شبکه عصبی طراحی شده 39
.2-2شکل: کاهش خطا در حین شبیه سازی 40
.1-3شکل: ساختار آرایه ای یک PLA 45
.2-3شکل: ساختار آرایه ای یکSPLD 46
.3-3شکل: یک ساختار LUTچهار ورودی که عمل AND را انجام می دهد 47
.4-3شکل: شمای کلی شبکه پیاده سازی شده با FPGA 50
.5-3شکل: پیاده سازی تابع فعالیت برای نورون های ورودی 52
.6-3شکل: پیاده سازی تابع فعالیت برای نورون های خروجی 53
.7-3شکل: پیاده سازی تابع مجموع حاصل ضرب 54
.8-3شکل: جمع کننده 16 بیتی 55
.9-3شکل: جمع کننده 32 بیتی 56
.10-3شکل: مقایسه تابع سیگموئید و بسط مک لورن تا جمله X 11 58
.11-3شکل: پیاده سازی تابع سیگموئید 61
.12-3شکل: شمارنده 16 بیتی 62
.13-3شکل: T Flip Flop 63
.14-3شکل: مالتی پلکسر دو به یک 63
.15-3شکل: شیفت رجیستر 64
.16-3شکل: لچ 16 بیتی 65
.17-3شکل: شیفت دهنده به چپ و راست 66
.18-3شکل:مقایسه کننده 32 بیتی 67
چکیده :
شبکه های عصبی با توجه به توان بالا درپـردازش موازی،قابلیـت یـادگیری، تعمـیم، طبقـه بندی، قدرت تقریب، به خاطر سپردن و به خـاطر آوردن الگوهـا، خیـزش وسـیعی در زمینـه هـای مختلف هوش مصنوعی ایجاد کرده اند. از این رو به دلیل عملکرد خوب شبکه های عصبی مصنوعی برای شناسایی الگو، در این پایان نامه از شبکه های عصبی چنـد لایـه جهـت پیـاده سـازی سـخت افزاری سیستم استفاده شده است و روش جدیدی برای پیاده سازی شـبکه هـای عـصبی بـر روی
FPGA ارائه شده است . برای پیاده سـازی شـبکه عـصبی از داده هـای آمـاری اداره دامپزشـکی منطقه مغان استان اردبیل به عنوان مثال کاربردی استفاده شده است .
ضرایب وزن و بایاس شبکه عصبی MLP که از شبیه سازی توسط MATLAB بـه دسـت آمـده
است، برای پیاده سازی برروی FPGA، از سری XC 4000 استفاده شده است. برای پیاده سازی
برروی FPGA، از نرم افزار Foundation 4,1 بهره جستیم وتمام مدارات منطقی توسط این نـرم
افزار طراحی شده است . نتایج به دست آمده گویای این مطلب است که FPGA به دلیـل داشـتن
انعطاف پذیری و گیت های منطقی زیاد، برای پیاده سازی شبکه های عصبی ،IC مناسبی است .
١
مقدمه

مقدمه:
شبکه های عصبی با توجه به توان بالا درپردازش موازی،قابلیت یادگیری، تعمیم، طبقه بندی، قدرت تقریب، به خاطر سپردن و به خاطر آوردن الگوها، خیزش وسیعی در زمینه های مختلف هوش مصنوعی ایجاد کرده اند.از این رو به دلیل عملکرد خوب شبکه های عصبی مصنوعی برای شناسایی الگو، در این پایان نامه از شبکه های عصبی چند لایه جهت پیاده سازی سخت افزاری سیستم استفاده شده است. با توجه به طراحی سیستم های هوشمند و کوچکی که در لوازم روزمره امروزی کاربرد دارند، و از طرفی امکان ارتباط آنها به کا مپیوتر وجود ندارد نیاز به پیاده سازی سخت افزاری شبکه های عصبی در حجم کوچک احساس می شود و با توجه به این که آی
سی های FPGA بسیار انعطاف پذیر می باشند و به صورت نرم افزاری تمام طرح های سخت افزاری را می توان پیاده نمود لذا گزینه مناسبی جهت پیاده سازی سخت افزاری شبکه های عصبی می باشد.
در این پروژه یک روش برای پیاده سازی شبکه عصبی بر روی FPGA ارائه شده است .
برای پیاده سازی شبکه عصبی از داده های آماری اداره دامپزشکی منطقه مغان استان اردبیل استفاده شده است .
هدف از جمع آوری این داده های آماری تشخیص و شناسایی یک الگو جهت پیاده سازی در یک
شبکه عصبی از نوع چند لایهMLP است .
برای آموزش شبکه عصبی از روش پس انتشار خطا با 300 بار آموزش برای رسیدن به
حداقل خطای مورد نظر استفاده شده است.
ضرایب وزن و بایاس های به دست آمده از آموزش شبکه عصبی در مرحله بعد برای پیاده سازی آن
روی FPGA استفاده می شود.
2
مقدمه

تعداد داده های آماری در این پروژه 38 داده می باشد که هر یک دارای سه ورودی و یک خروجی است و به عنوان داده ورودی و خروجی برای آموزش شبکه مورد نظر استفاده شده است .
از این 38 داده 34 داده برای آموزش شبکه و 4 داده به عنوان داده تست انتخاب شدند. بعد از
تعیین ضرایب وزنی و بایاس جهت پیاده سازی آن بر روی FPGA سری XC4000 از نرم افزار
Foundation 4,1 برای طراحی مدارات مربوطه استفاده شده است . FPGA, IC سری
XC4000 دارای حجم گیت های منطقی زیاد و انعطاف پذیری خیلی بالا برای پیاده سازی سخت افزاری شبکه های عصبی است. به دلیل استفاده از داده های ثابت در پیاده سازی شبکه بر
روی FPGA، شبکه ، دوباره قابل آموزش نیست.
با توجه به مراحل مختلف به کار گرفته شده در این پروژه جمع بندی و شکل دهی پایان نامه در 4
فصل مورد مطالعه قرار گرفته است .
در فصل اول سیستم های عصبی , انواع شبکه های عصبی , مدل سازی و انواع روشهای آموزش شبکه عصبی مورد بررسی قرار گرفته است .
در فصل دوم روش جمع آوری داده های دامپزشکی بر اساس در صد وجود انگل در گله های
دامی و روش از بین بردن این انگلها بر اساس تزریق داروئی BZD در پیش بینی میزان موفقیت این دارو و در کاهش انگلهای دامی به عنوان داده برای شبکه عصبی انتخاب و توضیح داده شده است.
در فصل سوم روش پیاده سازی سخت افزاری شبکه عصبی بر روی FPGA سری
XC4000 با نرم افزار Foundation 4,1 همراه با مدارهای طراحی شده توضیح داده شده است .
ودر نهایت در فصل چهارم نتیجه گیری کار های انجام شده و پیشنهادات لازم برای افزایش کارائی پژوهش مورد نظر، ارائه شده است.
3
فصل اولشبکههای عصبی

فصل اول
شبکه های عصبی
۴
فصل اولشبکههای عصبی

پیشگفتار
در این فصل ابتدا به معرفی شبکه های عصبی طبیعی و سپس اهمیت اسـتفاده از شـبکه هـای عصبی مصنوعی و در ادامه به معرفی مدلهای مختلف انواع شبکه های عصبی مصنوعی می پـردازیم.
همچنین روش های آموزش شبکه های عصبی، موضوع مورد بحث این فصل قرار گرفته است.
(1-1 سیستم های عصبی طبیعی
مغزانسان از واحدهای پردازنده ای به نام نورون تشکیل شده اسـت. ایـن نورونهـا از طریـق یـک
شبکه به هم پیوسته از اکسون1 وسیناپس2 با چگالی تقریبی 104 سیناپس در نورون با هم ارتبـاط دارند.در مدل سازی سیستم عصبی طبیعی، فرض بر این است که نورونها با استفاده ازسیگنال هـای الکتریکی با هم ارتباط برقرار می کنند.
عملکرد نورونها در یک محیط شیمیایی صورت می گیرد، ازاین رو می تـوان مغـز را بـه صـورت شبکه ای از سوئیچ های الکتریکی با چگالی زیاد در نظر گرفـت کـه بـه طـور قابـل ملاحظـه ای از
فرایندهای شیمیایی تأثیرمی پذیرد. شبکه عصبی ساختار پیچیده ای از نورونهای بـه هـم پیوسـته
دارد.ورودی شبکه از طریق گیرنده های حسی تأمین می شود.
این گیرنده ها تحریکی را از داخل بدن و همچنین از اندامهای حسی (هنگامی کـه تحریکـی از دنیای خارج انجام گیرد) دریافت می کنند. تحریک ها، اطلاعات را به شکل ضربه های الکتریکی بـه شبکه نورون ها انتقال می دهند. در اثر پردازش اطلاعات، واکنش صورت می گیرد.

-Axons -Synapse

1
2
۵
فصل اولشبکههای عصبی

بنابراین برای کنترل اندام ها و اعمال آنها یک سیـستم سـه مرحلـه ای وجـود دارد کـه شـامل گیرنده ها، شبکه عصبی و انگیزنده هاست. درشـکل 1-1 یـک طـرح تقریبـی از جریـان اطلاعـات نمایش داده شده است.
( 1 - 1 - 1 نورون بیولوژیک[1]
نورون، اساسی ترین جزء تشکیل دهنده شبکه عصبی طبیعی می باشـد. طـرح تقریبـی از آن در شکل 1-1 نمایش داده شده است.
یک سلول از سه ناحیه تشکیل شده است :
بدنه سلول –که سوما1 نیز خوانده می شود – اکسون و دندریتها.2 دندریتها که در حکـم ورودی های شبکه می باشد یک درخت دندریتی تشکیل می دهند که توده های بسیار کوچک از فیبرهـای نازک در اطراف بدنه نورون است. دندریتها اطلاعات را از طریق اکسونها که در حکم خروجـی هـای شبکه می باشد دریافت می کنند. قسمت انتهایی اکسون،به یک شـبکه ریـز منتهـی مـی شـود کـه هریک از شاخه های آن به یک حباب انتهایی کوچک ختم می شـود. ایـن حبـاب را کـه تقریبـا در تماس با نورونهای همسایه است،وزن سیناپس می نامند. سیگنالهایی که به سـیناپس مـی رسـند و توسط دندریتها دریافت می شوند، به صورت ضربه های الکتریکی هستند. انتقال بین نورونی گـاهی
اوقات الکتریکی است ولی معمولا تحت تأثیر آزاد شدن حاملهای شـیمیای در سـیناپس قـرار مـی
گیرد.

-Soma -Dendrites

1
2
۶
فصل اولشبکههای عصبی

شکل 1-1 جریان اطلاعات در سیستم عصبی انسان
نورون می تواند به حاصل جمع ورودی های خود که طی یک بازه زمانی کوچک با یکدیگر جمع
می شوند،پاسخ دهد که این بازه زمانی را "زمـان انباشـتگی پنهـان"1 مـی نامنـد. پاسـخ نـورون در صورتی تولید می شود که پتانسیل غشای آن به حد معینی برسد. تنها هنگامی که شرایط لازم برای آتش کردن فراهم شود نورون یک پالس تولید می کند و آن را به اکسون می فرستد.
ضربه های ورودی به دو صورت بر نورون تأثیـر مـی گذارنـد:تحریـک2 و بازدارنـدگی– 3سـاکن
کنندگی- اگر ضربه ورودی سبب آتش شدن نورون گردد به آن "محرک" می گویند و اگـر از آتـش
شدن نورون جلوگیری کند،"بازدارنده" نامیده می شود. به عبـارت دیگـر بـرای آتـش شـدن، بایـد تحریک به اندازه مقدار آستانه،بیشتر از بازدارندگی باشد. این مقـدار آسـتانه حـدود 40 میلـی ولـت است.ازآنجا که پیوند سیناپسی سبب تحریک یا بازدارندگی در نورون گیرنده می شود، مقادیر وزنی واحد مثبت یا منفی به تحریک یا بازدارندگی نسبت داده می شود. به این ترتیب امکان بررسی بهتر

-Period of latent Summation -Excitation -In hibiation

1
2
3
٧
فصل اولشبکههای عصبی

آتش شدن نورون فراهم می شود. از این رو هنگامی که مجموع وزنهایی که ضربه دریافت می کننـد طی زمان انباشتگی پنهان، از مقدار آستانه فراتر رود،نورون آتش خواهد کرد.
ضــربه هــای ورودی بــه نــورون از نورونهــای همــسایه و همچنــین از خــود نــورون تأمــین می شود. معمولا نورون مقصد برای آتش شدن به تعداد معینی ضربه ورودی نیاز دارد. اگر ضربه ها فاصله زمانی کمی داشته باشندو همگی همزمان سر برسند، احتمال آتش شدن نورون بیشتر است.
طبق مشاهدات انجام شده شبکه هـای طبیعـی بـر روی سـیگنالهای ورودی، عمـل جمـع بنـدی و انتگرال گیری زمانی را انجام می دهند.
پردازش زمانی–مکانی1 انجام شده، توسط شبکه های عصبی طبیعی فراینـدی پیچیـده و بـسیار بیشتر از محاسبات دیجیتال سازمان یافته است. ضربه های عصبی از نظر زمانی همزمـان نیـستند و این با نظام محاسبات دیجیتال منافات دارد. مشخصه طبیعی نورون بیولوژیک این است کـه انـدازه سیگنالهای تولید شده،اختلاف قابل ملاحظه ای با هم ندارند.از این رو سـیگنالهای موجـود در فیبـر عصبی یا ناچیز است یا دربیشترین حدخود قرار دارد.به بیان دیگر اطلاعات بـه صـورت سـیگنالهای دودویی میان سلولها ی عصبی انتقال می یابد.
پس از انتقال پالس، فیبرآکسون برای مدت زمـانی کـه "زمـان ممنـوع"2 خوانـده مـی شـود در وضعیت تحریک ناپذیری قرار می گیرد. به عبارت دیگر در طی این مدت، شدت تحریک هر انـدازه باشد، عصب هیچ سیگنالی را هدایت نمی کند.بنابراین می توان مقیاس زمانی را به بازه های پـی در پی تقسیم نمود که هر کدام برابر طول زمان ممنوع می باشند.
واحد زمانی برای مدل کردن نورونهای بیولوژیک از مرتبه هزارم ثانیه فرض می شـود، هـر چنـد زمان ممنوع نورونها یکسان نیست. به علاوه انواع مختلف نورون و روشهای متفاوت پیوند میـان آنهـا وجود دارد.بنابراین ماهیت واقعی شبکه های عصبی بسیار پیچیده تر از آن چیزی اسـت کـه بتـوان

1 -Spatio-termporal 2 -Retractor Period
٨
فصل اولشبکههای عصبی

تصور نمود. در واقع شبکه ای فشرده از نورونهای به هم پیوسته وجود دارد که سیگنالهای آسنکرون تولید می کنند.این سیگنالها هم به نورونهای بعد از خود و هم به نورونهای تولید کننده خود اعمـال می شود. بحث بالا از دیدگاه عصب شناسی بسیار ساده تلقی می شود ولی با وجـود ایـن بـرای ورود به دنیای محاسبه بیولوژیک بسیار ارزشمند است.شبکه های محاسـبه گـر مـورد اسـتفاده از مـشابه بیولوژیک خود بسیار ساده می باشند.
(2-1 مقدمه ای بر شبکه های عصبی مصنوعی
بررسی نحوه تفکر بشر، سالیان سال اندیشه محققان و اندیشمندان را به خود مشغول کرده است.
پژوهــشگران بــرای تحلیــل و تبیــین عملکــرد مغــز، مــدلهای زیــادی را ارائــه کــرده انــد ولــی هیچ کدام از این مدلها را نمی توان برای شـناخت مغـز انـسان کـافی دانـست. شـاید بتـوان گفـت
پیدایش علمی به نام شبکه عصبی مصنوعی نتیجه چنین کوشش هایی است.[1]
از عملکرد های مهم وحیرت انگیز مغز انسان می توان عمل شناسایی را نام بـرد کـه بـی تردیـد یکی از مهمترین ویژگیهای این عضو بوده ودر موارد مختلف، چگونگی و جزئیات عملکرد شناسایی و مورد مطالعه قرار گرفته است.
البته تئوری های مختلف وگاهی پیشرفته ای جهت حل این مسائل ابداع شده است که هـر یـک از این تئوری ها توجیه کننده یک یا چند عملکرد از رفتارهای مهم سلول های مغز می باشند. ولـی
به دلیل پیچیدگی زیاد مغز این تئوری ها کامل نخواهند بود .[1,2,14]
در عین حال می توان بر اساس یک یا چند پیچیدگی مهم مغز انسان، مدلهایی را ارائه نمـود. در برخی موارد خاص، عملکرد این مدلها مشابهت هایی با رفتار های مختلف سلول های بیولوژیکی مغز انسان پیدا می کند.تجمع این مدلها همراه با الگوریتم هایی که بر اسـاس آنهـا آمـوزش مـی بیننـد
شبکه های عصبی مصنوعی 1 ANNsرا به وجود می آورند.

1 -Artificial Neural Network
٩
فصل اولشبکههای عصبی

امروزه شبکه های عـصبی کاربردهـای گـسترده ای در زمینـه هـای پـردازش صـوت و تـصویر، روباتیک، شناسایی،پیش بینی، سیستمهای کنترل، عیب یـابی، تـشخیص هـای پزشـکی و مـصارف نظامی دارند.
در چند دهه اخیر،شبکه های عصبی مصنوعی به دلیل توانایی هـا و قابلیـت هـای بـالا بـه طـور گسترده ای در زمینه های شناسایی، پیشگویی و کنترل به کار گرفته شده است. از این رو به دلیـل عملکرد خوب شبکه های عصبی مصنوعی جهت شناسایی الگو، در ایـن پایـان نامـه از شـبکه هـای
عصبی چند لایه جهت پیاده سازی سخت افزاری سیستم استفاده شده است .[1,2,14]
(3 - 1 اهمیت استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی[1,2,14]
یکی از مهمترین موضوعات تحقیقاتی دهه اخیر که بسیاری از شاخه های مهندسـی، خـود را بـا آن در ارتباط می بینند،شبکه های عصبی می باشـد. شـبکه هـای عـصبی بـا توجـه بـه تـوان بـالا درپردازش موازی، قابلیت یادگیری، تعمیم، طبقه بندی، قدرت تقریب، به خاطر سپردن و به خـاطر آوردن الگوها، خیزش وسیعی در زمینه های مختلف هوش مصنوعی ایجاد کرده اسـت. یـک شـبکه عصبی سعی دارد با استفاده از عناصر محاسباتی ساده غیر خطی که معرف نورونها بوده و در ارتبـاط موازی شدید با یکدیگر هستندبه قابلیت های ذکر شده ، دسترسی پیدا کنـد.عناصـر محاسـباتی بـه وسیله ارتباطاتی که وزن نامیده می شوند به یکدیگر مرتبط هستند. عمل یادگیری و آموزش تعمیم و به خاطر آوردن الگوها با استفاده از وزنهای تطبیقی که قابل تنظیم هستند، انجام می شود.
شبکه های عصبی دارای ساختار موازی می باشند که کلیه عملیاتها را بـه صـورت مـوازی انجـام می دهند. به این ترتیب می توان گفت که عبارت شـبکه هـای عـصبی بـرای توصـیف سـاختارهای متعددی از المانهای ساده پردازشگر که روش دیگری را در جهت محاسبات معرفی می کند،بـه کـار می رود.
١٠
فصل اولشبکههای عصبی

هدف از تحقیقات شبکه های عصبی، ایجاد ماشین هایی است که در محدوده هـایی کـه انـسان بهتر و کاملتر از کامپیوترهاعمل می کند، به کار گرفته شوند.بدین ترتیب شبکه های عصبی وسـایل کمکی کامپیوترهای مرسوم امروزی هستند و نه جایگزین آنها.
(4-1 مدل سازی نورون در شبکه های عصبی مصنوعی[2,3,4]
با توجه به رفتارهای یک نورون طبیعی می توان نورون مصنوعی را با استفاده از ابزارهای ریاضی به صورت زیر و مطابق شکل (1-1) معرفی نمود.

شکل 2-1 مدل سازی یک نورون مصنوعی
سیگنال ورودی به نورون بردار X بوده که از طریق بـردار وزن W وارد یـک تـابع بـه نـام تـابع
فعالیت شده و سپس تحریک و در نتیجه سیگنال خروجی نورون – j ام را تشکیل می دهد.
(1-1) w1.x1 n f(Net) O j  f (W .X )  f ∑ i 1 که W و X به ترتیب بردارهای وزنی و ورودی اند و به صورت زیر می باشند:
(2-1) ... wn  W  w1 w2 T ... x 2 x X  x n 1 در این روابط f، تابع فعالیت یا تحریک نورون است که عامل اصلی در تعیین سیگنالهای خروجی
نورون می باشد. دامنه این تابع Net مدل نورون اسـت از ایـن رو گـاهی آن را بـه صـورت f(Net)
نمایش می دهند.متغیر Net به صورت ضرب اسکالر بردارهای ورودی و وزن تعریف می شود:
(3-1) n∑ wi xi Net W .X 
i1 ١١
فصل اولشبکههای عصبی

مسیر خروجی هر نورون به مسیرهای دیگر نورونهای شبکه از طریق وزنهای اتـصال مـرتبط مـی گردد. چون هر اتصال، وزن خاص خود را دارد بنابراین سیگنالها قبل از این که وارد یک نورون شوند مقادیرشان توسط این وزنها تصحیح می گردد.
توابع تحریک با توجه به نیاز از انواع مختلفی انتخاب شده اند که مهمتـرین آنهـا در جـدول زیـر آمده است.
جدول :1-1 توابع مهم قابل استفاده در شبکه های عصبی تابع فعالیت نوع تابع فعالیت f (net)  net خطی 1 f (net)  سیگموئید تک قطبی (l exp(−net)) (l −exp(−net)) f (net)  سیگموئید دو قطبی (l exp(−net)) 1,if net0 حد آستانه ای دو قطبی −1, otherwise f (net)  1, if net  0 f (net)  حد آستانه ای تک قطبی 0, otherwise (5-1 انواع شبکه های عصبی مصنوعی [4]
به طور کلی شبکه های عصبی را می توان از سه جهت مورد بررسی قرار داد: -1 نوع نورون و عملکرد آن
-2 ساختار و نحوه ارتباط بین نورونها
-3 نوع آموزش نورونها از نظر نوع و نحوه عملکرد به نورونهای مشتق پـذیر، پیوسـته، افزایـشی و انعطـاف پـذیر
تقسیم می شوند. در ساختار شبکه عصبی مصنوعی با آموزش گرادیان نزولی، از توابع پیوسته،مشتق
١٢
فصل اولشبکههای عصبی

پذیر و افزایشی استفاده می شود. مناسب ترین توابع برای این منظور، توابع سیگموئید می باشند که به عملکرد نورون بیولوژیک نزدیک می باشند. همچنین از خاصیت مشتق افزایـشی آن مـی تـوان از الگوریتم پس انتشار خطا استفاده نمود که در فصل های بعد توضیح داده می شود.
از نظر ساختار، چگونگی ارتباط میان نورونها و طراحی الگوریتم دو نوع فعالیت در شـبکه وجـود دارد:
شبکه با فعالیت پیش رو
شبکه با فعالیت پس خور
در شبکه های پیش رو، نورونها به صورت لایه به لایه در کنار هم قرار گرفته انـد. شـبکه شـامل یک لایه ورودی، یک لایه خروجی و به تعداد مورد نیاز لایه میانی است. در این شبکه ها، اطلاعـات به سمت جلو هدایت می شوند تا خروجی های شبکه به دست آینـد بـه طـوری کـه هـیچ برگـشت اطلاعاتی وجود ندارد و داده ها از لایه ورودی از طریق لایه میانی به لایه خروجی می رسند.
در شبکه های پس خور، بر خلاف شبکه های پیش رو هر نورون علاوه بر ارتباط با نورون هـای لایه قبل که در شبکه پیش رو نیز وجود دارد، می تواند با نورونهای لایه های دیگر شبکه نیز ارتباط داشته باشد. در این شبکه ها تا زمانی که شبکه به شرایط همگرایی معینی نرسد، اطلاعـات در بـین لایه های شبکه نوسان می کنند و پس از رسیدن به همگرایی مورد نظر شـبکه ، اطلاعـات بـه لایـه خروجی راه می یابند. به عبارت دیگر در این شبکه ها اطلاعات علاوه بر حرکت رو بـه جلـو ، جهـت تصحیح وزن ارتباطی بین نورونها از طریق شبکه، حرکت رو به عقب- پس انتشار- هم دارند.
به طور کلی در شبکه های عصبی با توجه به نحوه یادگیری، روش هـای آمـوزش بـه دو صـورت تقسیم می شود:
آموزش با مربی
آموزش بدون مربی
١٣
فصل اولشبکههای عصبی

در روش آموزش با مربی، یک الگو یا سیگنال مطلوب در اختیار شبکه قرار داده می شود و شبکه با استفاده از قوانین یادگیری، خود را با الگوی مورد نظر تطبیـق مـی دهـد. بـه بیـان دیگـر شـبکه پارامترها را طوری تنظیم می کند تا خروجی به الگوی مطلوب نزدیک تر شود.
در روش آموزش بدون مربی در واقع شبکه الگوی خاصی را در اختیار ندارد بلکـه بـا اسـتفاده از قواعدی که از ورودی ها استخراج می کند، وزن های اتصال را تنظیم می کند تا خروجـی اسـتخراج شده به دست آید. به بیان دیگر در روش آموزش با مربی پارامترهای شبکه بر اساس ورودی و الگوی مطلوب تنظیم می شوند در حالی که در آموزش بدون مربی، پارامترها بر اسـاس ورودی و خروجـی تغییر می کنند.
(6-1 یادگیری در شبکه های عصبی مصنوعی
بر خلاف سیستم های خبره مرسوم که شناسـایی را در شـکل قواعـد مـدل سـازی مـی کنند، شبکه های عصبی از طریق یادگیری که از ویژگی های مهم آنها می باشـد، توسـط مثالهـای ارائه شده، قواعد خود را تولید می نمایند. یادگیری از طریق یک قاعده یادگیری صورت مـی پـذیرد.
شبکه های عصبی دارای این توانایی هستند که از گذشته و محیط بیاموزند و رفتار خود را در حـین آموزش بهبود بخشند. قاعده یادگیری، وزنهای اتصالات شبکه را در پاسخ بـه ورودی هـای شـبکه و تولید خروجی مورد نظر برای آن ورودی ها، تغییر خواهد داد.
برای این منظور الگوریتم های یادگیری متعددی وجود دارد که شامل موارد زیر می باشد:
-1 قانون یادگیری هب: 1
این قانون بیانگر یک شبکه کاملاً پیش رو و بدون مربی است. در این روش یک وزن اتصالی روی یک مسیر ورودی به یک نورون ، زمانی افزایش می یابد که ورودی و خروجی هر دو بـالا باشـد. بـه بیان دیگر اگر حاصل ضرب ورودی و خروجی مثبت باشد، وزن افزایش می یابد.

1 - Hebbian Learning Rule
١۴
فصل اولشبکههای عصبی

-1 یادگیری با قانون رقابتی:1
در این روش بین نورونها رقابت وجود دارد و نورونی که قوی ترین پاسخ را به ورودی ارائه دهـد، خود را در جهت شبیه شدن بیشتر به ورودی تصحیح می کند.
-2 یادگیری با قانون دلتا:2
در این روش توسط تصحیح پارامترها، خطای خروجی واقعی یک نورون و خروجی مورد نظـر بـا روش گرادیان نزولی کاهش می یابد.
(7-1 شبکه های عصبی پیش رو .[3,4]
در این شبکه ها، خروجی های لایه قبلـی فقـط بـه ورودی لایـه جلـویی خـود از طریـق اتصالات وزنی مرتبط می شوند. بدین ترتیب هیچ گونـه برگـشت اطلاعـاتی وجـود نـدارد. بنـابراین استفاده از آنها در کنترل سیستم های دینامیک دار امکان ندارد. شکل (3-2) نشان دهنده این نـوع ساختار می باشد.

شکل :(3-1 شبکه عصبی با طراحی پیش رو سه لایه (با در نظر گرفتن لایه ورودی)
با اعمال بردار ورودی x به شبکه با ماتریسهای وزنـی W و V بـردار خروجـی O را مـی تـوان
محاسبه کرد. مراحل محاسبه بدین صورت می باشد که در ابتدا با اعمال بـردار ورودی X بـه لایـه ورودی به علت خطی بودن این لایه، بردار ورودی بدون تغییر در خروجی این لایه ظاهر مـی شـود.

1 - Competition Learning Rule 2 - Delta Learning Rule
١۵

. ...
. ...
. ...
... w2i
... w1i
فصل اولشبکههای عصبی

بردار خروجی لایه ورودی در ماتریس وزنی W ضرب می شود و بردار مقدار کل ورودی عصب هـای لایه میانی ساخته شده و با اعمال تابع انتقال لایه میانی بر هـر یـک از ایـن مقـادیر، خروجـی لایـه میانی به دست می آید. به همین ترتیب بردار خروجی لایه خروجی نیـز محاسـبه مـی گـردد. ایـن محاسبه به صورت ماتریسی در زیر آورده شده است.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

x1x2...xnT

X
(4-1)
... wni

w12
w22
.
.
.
wn2

w11
w21
.
.
. wn1

W
و بردار ورودی های وزن دار لایه میانی عبارت است از:
Net1 W T .XNet1i×1Wi×n.Xn×1(5-1)
آنگاه مقدار خروجی از لایه میانی به صورت زیر خواهد بود که به منزله ورودی لایـه بعـدی مـی باشد:
(7-1) خروجی های لایه اول
H  F (Net1 )
(6-1)
(7-1)

h2 ... hi T
v12 ... v1k v22 ... v2k
. ... .
. ... .
. ... .
vi 2 ... vik

H  h1
v11
v21
V  .
.
. vi1
و همچنین بردار ورودی های وزن دار لایه خروجی عبارت است از:
Net 2 V T .H,Net2k×1Vk×i.Hi×1(8-1)
١۶
فصل اولشبکههای عصبی

و بردار خروجی شبکه به صورت زیر محاسبه می شود:
(9-1) O  F (net 2 ) , O  o1 o2 ... ok T
که در آن: :n تعداد عصب های ورودی : k تعداد عصب های لایه خروجی
:i تعداد عصب های لایه میانی T معرف اپراتور ترانهاده می باشد.
(8-1 شبکه های عصبی پس انتشار1
تفاوت شبکه های عصبی پس انتشار با شبکه های عصبی پیش رو در حلقه فیدبک آنهـا مـی باشد. در این شبکه ها، اطلاعات علاوه بر حرکت به جلو، جهت تصحیح پارامترهای اتصالات از طریق شبکه، حرکت به عقب (پس انتشار) نیز دارند. شکل (4-1) نشان دهنده این نوع ساختار می باشد.

شکل :(4-1 ساختار شبکه عصبی با طراحی پس انتشار سه لایه (با در نظر گرفتن لایه ورودی)

1 - Back-Propagation
١٧
فصل اولشبکههای عصبی

(1-8-1 روش آموزش پس انتشار خطا [3,4]
آنچه تاکنون گفته شد این است که شبکه های عصبی به عنوان سیستم هـای آمـوزش پذیر، دارای توانایی می باشند که از گذشته و محیط بیاموزند و رفتار خود را در حین آموزش بهبود بخشند. مهمترین مسأله در ارتباط با شبکه های عصبی، مسأله یادگیری است. همـان گونـه کـه در قسمت های قبلی این فصل اشاره شد، دو نوع روش یادگیری برای شبکه های عصبی وجود دارد که یکی از این روش ها، یادگیری با مربی و دیگری روش یادگیری بدون مربی می باشد.
در روش یادگیری با مربی، نمونه های ورودی و خروجی مطلوب هر دو در دسترس مـی باشـند، الگوریتم کار در این روش دارای مراحل زیر می باشد:
-1 تعیین ساختار برنامه (تعداد لایه ها و نورونها) و نوع روش آموزش
-2 مقداردهی متغیرهای اولیه با توجه به نوع شبکه
-3 اعمال ورودی به شبکه و تعیین خروجی با توجه به نوع شبکه و پارامترهای اولیه
-4 مقایسه ورودی ساخته شده و خروجی های مطلوب و مقایسه این اختلاف با مقـدار خطای تعریف شده
-5 تغییر متغیرهای برنامه با اسـتفاده از الگـوریتم تکـرار روش آموزشـی تـا رسـیدن اختلاف مقادیر خروجی شبکه با خروجی مطلوب به مقدار خطای تعریف شده روش های مختلفی جهت آمـوزش پارامترهـا، پیـشنهاد گردیـده اسـت کـه مهمتـرین آن روش
یادگیری پس انتشار خطا1 است. الگوریتم پس انتشار خطا در زمان، یکی از ابزارهای قدرتمنـد بـوده که برای تشخیص الگو، به دست آوردن مدل های دینامیکی و کنترل سیستم هـا مفیـد مـی باشـد.
تنها چیزی که استفاده از این روش را در کنترل محدود می کند محدودیتهای معـادلات سیـستم می باشد. برای استفاده از این الگوریتم باید معادلات سیستم تحـت کنتـرل، کـاملاً شـناخته شـده،

1 - Back -Propagation of Error
١٨
فصل اولشبکههای عصبی

پیوسته و مشتق پذیر باشد. در صورتی که معادلات سیستم ناشناخته باشد، می توان از یـک شـبکه عصبی شبیه ساز استفاده نمود و رفتار سیستم را به خوبی به آن آموخت.
الگوریتم پس انتشار خطا از روش های آموزش با مربی اسـت کـه بـرای آمـوزش شـبکه هـای عصبی چند لایه به کار می رود. در این شبکه ها که اصطلاحاً شبکه عصبی پس انتشار نامیـده مـی شود پارامتر های شبکه با استفاده از روش بهینه سازی گرادیان نزولی که بر اساس روش زنجیره ای برای هر لایه می باشد به گونه ای تغییر می یابند تا اختلاف خروجی سیستم با خروجی مطلوب بـه حد قابل قبولی برسد. در این روش هدف این است که با به دست آوردن گرادیان تابع خطا نسبت به بردار پارامتر ها، تابع خطا حداقل گردد. لازم به ذکر است که در این روش ازآموزش با مربی استفاده شده است. تابع خطا به صورت زیر تعریف می شود:
(10-1) k∑ e(n)2 1 (d (n) − o(n))2  k∑ 1 E  2 n1 2 n1 که d (n) خروجی مطلوب و o(n) خروجی واقعی سیستم است کـه در روابـط زیـر نـشان داده
شده است.
... dk  D  d1 d2 حال با استفاده از روش گرادیان نزولی به این صورت عمل می شود. o2 ...ok  Output o (n) o1 (11-1) ∂E ∆W s  −η s ∂W که در آن η  O نرخ یادگیری1 می باشد.
از آنجاکه در این پایان نامه تمام ساختارهای به کار رفته سه لایه ای مـی باشـند (دو لایـه در ورودی و خروجی و یک لایه مخفی و چنانچه لایه ورودی به عنوان یک لایه در نظر گرفته نشود بـه عبارتی فقط لایه های وزن داری که مقادیر وزنی آن آموزش داده می شوند در نظر گرفته شـوند در آن صورت شبکه از نوع دو لایه ای خواهد بود) تمامی محاسـبات بـرای چهـار لایـه در نظـر گرفتـه

1 - Training Rate
١٩
فصل اولشبکههای عصبی

می شود. بنابراین مقادیر وزنی w1 در لایه اول و w2 در لایه دوم بایستی آموزش ببیند. در ایـن جـا
از قاعده زنجیری در اینجا استفاده می شود:
(12-1) به ازای S=2 روابط به این صورت است:
(12-1) ∂Net2 . ∂O2 . ∂E  ∂E ∂W 2 ∂Net2 ∂O2 ∂W 2 با توجه به شکل (4-1) و روابط شبکه سه لایه: (13-1) o1 ∂Net2 ، o2 ∂o2 ، ( با توجه به رابطه (10-1 −(D−o2) ∂E ∂w 2 ∂Net 2 ∂o 2 که در آن o2′ معرف بردار مشتق تابع خروجی نسبت به ورودی وزن دار ایـن لایـه یـا Net2 و o′
معرف بردار خروجی لایه میانی که ورودی لایه بعدی لایه آخر است، می باشد.
با توجه به روابط (11-1) و (12-1) و :(13-1)
∂E ∆w2  −η (14-1) ∂w2 ∆w2 η(c − o2 ) . o2′ . o1 به همین ترتیب برای ماتریس وزنیw1 (لایه اول) نیز به این صورت محاسبه می شود: (15-1) ∂Net ∂o1 ∂Net2 ∂o2 ∂E ∂E . . . .  ∂w1 ∂Net ∂o1 ∂Net 2 ∂o2 ∂w1 (16-1) ∆w η(D − o 2 ).o 2′.w2 .o1′.x که در آن x مقادیر ورودی به شبکه و o1′مشتق خروجی لایه اول به Net1 می باشـد. تـا اینجـا محاسبات به صورت پیش رو انجام شده است و با رابطه زیر به صورت پس خور خواهد بود.
در نتیجه مقادیر جدید وزنها از رابطه زیر محاسبه می گردد.
wiNew  wiold  Awii 1, 2 , 3(17-1)
لازم به ذکر است که توابع تحریک مورد استفاده در این روش می تواند از دو نوع باشـد کـه ایـن دو مدل در زیر توضیح داده می شود:
٢٠
فصل اولشبکههای عصبی

تابع تک قطبی(USF) 1
(18-1) 1 F ( X )  −x 1  e که برای این تابع مشتق نسبت به ورودی به صورت (( F ′( X )  F (X )(1− F (X خواهد شد.
تابع دو قطبی(BSF) 2
−x (19-1) 1 − e F ( X )  −x 1  e و برای این تابع نیز مشتق نسبت به ورودی توسـط رابطـه F ′( X )  12 1 − F (X )2  تعیـین

میشود.
(9-1 شبکه های عصبی انعطاف پذیر[4] 3
آنچه تا کنون در رابطه با شبکه عصبی مورد مطالعه قرار گرفته است شبکه هـایی اسـت که در آنها وزن بین لایه های شبکه، آموزش می بیند. به عبارت دیگر آموزش یافتن وزنها به مفهـوم حداقل نمودن گرادیان خطا خواهد بود. اما گاهی اوقات به دلیـل بزرگـی دامنـه تغییـرات سـیگنال ورودی شبکه تابع، فعالیت برخی از نورونها به اشـباع مـی رود و در نتیجـه، خروجـی ایـن دسـته از نورونها در مقدار اشباع خود قرار می گیرد و می تواند برای نورونهای لایه بعدی وضع مشابهی ایجـاد کند. با ادامه یافتن این وضع، شبکه در یک حالت پایدار قرار می گیرد که در چنین حالتی به دلیـل ثابت ماندن خروجی نورونها ، ادامه دادن آموزش فایده ای ندارد به عبارت دیگر در این حالت شـبکه گرفتار یک مینیمم محلی می شود. در چنین حالتی می توان شیب تابع فعالیـت نورونهـا را هماننـد

1 - Unipolar Sigmoid Function 2 - Bipolar Sigmoid Function Flexible Neural Networks -٣
٢١
فصل اولشبکههای عصبی

وزن پیوندها آموزش داد این عمل منجر به خاصیت جدیدی به نام" انعطاف پذیری" می گـردد کـه
در سال 1993 معرفی و امکان مدل سازی نورون مصنوعی بر اساس این ایده ارائه شد .[2]
این عمل باعث می گردد که تعداد دفعات آموزش شبکه به میزان قابل توجهی کاهش یابـد و بـه عبارت دیگر علاوه بر وزنها با آموزش شـیب تـابع ، سـرعت یـادگیری افـزایش مـی یابـد. همچنـین
نورونهایی که از اهمیت کمتری در شبکه برخوردارند،شیب تابع تبدیل بیـشتری را دارا م ی باش ند و
خروجی آنها سریعتر و با دامنه بیشتری از تغییرات همراه است، در نتیجه خطا سریع کاهش یافته و
خروجی شبکه با سرعت بیشتری به خروجی مطلوب نزدیک می شود.
همچنین می توان با آموزش وزنها و پارامترها در شبکه عصبی، انعطاف پذیری شـبکه را افـزایش داده و تعداد نورونها کمتری نسبت به حالت کلاسیک که در آن از توابـع سـیگموئید اسـتفاده شـده است، به دست آورد و بتوان نورونهایی را که پارامتر آنها بعد از یک دوره کامل آموزش خیلی کوچک شده است، حذف کرد و به تعداد کمتری نورون در لایه پنهان رسید و در نتیجه سرعت برنامـه بـالا خواهد بود.
توابع فعالیت مورد استفاده در این نوع شبکه به دو نوع زیر می باشند:
الف) تابع انعطاف پذیر تک قطبی(1(FUSF
(مقدارa به خاطر یک سویه بودن تابع تبدیل، بایستی مثبت باشد)
(20-1) a 2 f (x, a)  ( x a (1  e−2 که در آن ) x یا همان (net ورودی تابع و a، شیب منحنی تـابع، تغییـر مـی کنـد. فـضای تغییرات این تابع همیشه مثبت بوده و درجه غیر خطی بودن تابع به ازای x ≥ 0 توسـط مقـدار a مشخص میشود.
1 - Flexibility Unipolar Sigmoid Function
٢٢
فصل اولشبکههای عصبی

شکل 5-1 منحنی تغییرات تابع انعطاف پذیر تک قطبی نسبت به پارامتر a
ب- تابع انعطاف پذیر دو قطبی(FBSF) 1
(21-1) −2ax 1 − e g(x, a)  ( −2ax a(1  e این تابع همانند تابع تک قطبی، تغییرات a، باعث تغییرات نمودار تابع می گـردد، کـه بـه ازای
مقادیر a در محدوده a1 و− a1 به صورت غیر خطی تغییر خواهد یافت و به ازای سایر مقـادیر a بـه

سمت یک تابع خطی میل خواهد نمود. شکل 5-1 گویای این مطلب است.

شکل 6-1منحنی تغییرات تابع انعطاف پذیرد و قطبی نسبت به پارامتر a
ایده اصلی در شبکه عصبی انعطاف پذیر، آموزش پارامتر a موجود در توابع فعالیت نورونها عـلاوه
بر آموزش وزنها می باشد. روش آموزش وزنهـا مـشابه روش قبلـی مـی باشـد. بـا اسـتفاده از روش
گرادیان منفی در جهت حداقل نمودن تابع هزینه، نحوه آموزش پارامتر a به صورت زیر خواهد بـود.

1 - Flexibility Bipolar Sigmoid Function
٢٣
فصل اولشبکههای عصبی

تابع خطا یا هزینه در زیر آمده است. در این روش مانند روش قبلی ابتدا محاسبات الگـوریتم پـیش رو و سپس پس خور محاسبه خواهد شد.
2 1 (22-1) k∑(d(n) − o(n)) J  2 n1 تغییر پارامتر به صورت زیر توصیف خواهد شد: (23-1) ∂.J ∆a 3  −η 3 ∂a که در آن η  0 نرخ آموزش می باشد. 3 3 ∂J ∂.J (24-1) 03 ∂O −(D−O3), ∂J , ∂O .  3 3 3 3 3 ∂a ∂O ∂a ∂O ∂a که در آن o3 بیانگر بردار مشتق تابع خروجی نسبت به a 3 می باشد با توجه به روابط((23-1و (24-1) می توان رابطه زیر را نتیجه گرفت: (25-1) ∆a 3  η(D − O3 ).O3 به این ترتیب تغییر پارامتر a در لایه های دیگر به صورت زیر توصیف می شود: (26-1) ∂J ∆a 2  −η 2 ∂a (27-1) ∂O2 ∂net3 ∂O3 ∂J  ∂J . . . ∂a 2 ∂O2 ∂net3 ∂O3 ∂a2 (28-1) −(D−O3).O3.W3.O2 ∂J 2 ∂a که در آن O2 بیانگر بردار مشتق تابع خروجی لایه دوم نسبت به پارامتر a 2وO3 بیـانگر بـردار
مشتق تابع خروجی نسبت به ورودی آن لایه یا همان net3 می باشد.
با توجه به روابط بالا ∆a 2 به این صورت محاسبه می گردد:
∆a 2  η(D − O3 ).O3 .W3 .O2(29-1)
برای لایه اول می توان رابطه زیر را بیان نمود:
٢۴
فصل اولشبکههای عصبی

(30-1) ∂J ∆a 2  −η 1 ∂a مشابه روابط بالا این بار برای لایه اول، روابط به شکل زیر خواهند بود .
(31-1) ∂O1 ∂net 2 ∂O2 ∂net3 ∂O3 ∂J  ∂J . . . . . ∂a1 ∂O1 ∂net 2 ∂O2 ∂net3 ∂O3 ∂a1 در رابطه بالا O2 برابر با مشتق خروجی لایه دوم نـسبت بـه ورودی وزن دار آن لایـه یـا همـان
net2 و O1 ، مشتق خروجی لایه اول نسبت به پارامترa1 می باشد.
در نهایت مقدار ∆a1 به صورت زیر محاسبه می شود:
∆a1  η(D − O3 ).O3 .W3 .O2 .W 2 .O10(32-1)
بنابراین با توجه به این محاسبات تنظیم پارامترهـا در لایـه خروجـی و لایـه هـای پنهـان بـه
صورت زیر است:
ainew  aiold  ∆ai i 1,2,3(33-1)
در روابط بالا دقت شود که خروجی های دو لایه آخر نسبت به دو متغیر a و net مشتق گرفتـه شده است.
شبکه های عصبی طراحی شده در این پایان نامه، شبکه عصبی سه لایه MLP می باشد که در آن از روش آموزش پس انتشار خطا استفاده شده است ، که در فصل بعد روش طراحـی و همچنـین آموزش آن ارائه خواهد شد.
دامنه شبکه های عصبی مصنوعی بسیار متنوع شده است و هر یک در زمینه های خاصی کاربرد دارند. شبکه های عصبی که در حال حاضر بیشترین تحقیق بر روی آنها صورت می گیرد.
٢۵
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

فصل دوم
تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در
کاهش انگلهای دامی با استفاده از شبکههای
عصبی
٢۶
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

پیشگفتار:
در این فصل با استفاده از شبکه عصبی بر روی داده های آماری اداره دامپزشکی منطقه مغان استان اردبیل میزان موفقیت داروها قبل از تزریق داروی انگل کش به دامها بر اساس درصد وجود انگلها در دامها مورد بررسی قرار می گیرد.
1-2 )موضوع
مقاومت در مقابل انگل کش ها (AR) یک موضوع بسیار مهم درکشورهای پرورش
دهنده گوسفند، درجهان تلقی می شود.مطالعات در این زمینه به وسیله آزمایشهای
بالینی(کلینیکی) انجام می شود. شناسایی انگلهای مقاوم در مقابل انگل کشها بدون انجام آزمایشهای بالینی می تواند به دامداران کمک کند تا از درمانهای غیر موثر اجتناب کنند.
کنترل آلودگی گوسفندان به کرم روده ای نماتود در استان اردبیل عمدتا برمبنای استفاده از
انگل کش ها (AH) قرار دارد.[5] وضعیت AR دردشت مغان واقع در استان اردبیل به طرز بسیار ضعیفی مورد مطالعه قرار گرفته است. فقط دو مورد اساسی وجود دارد که نشان دهنده
حضور نماتودهای مقاوم در برابر بنزیمیدازول (BZD) می باشند.[6] مطالعه نتایجی ازنمونه مدفوع سه گله از گوسفندان به دست آمده است که دو گله از گوسفندان در دشت مغان، که
توسط تکنیک های ویتر، مورد مطالعه قرار گرفتند، و میزان AR ثبت شد. استفاده مکرر از
AH مستلزم اطلاعات لازم در زمینه خاصیت گروههای مختلف دارویی می باشد، هدف این
آزمایش، تعیین میزان شیوع نماتودهای مقاوم در برابر BZD از طریق کاهش شمار تخم
مدفوع((FECRT می باشد. دشت مغان درشمال غربی استان اردبیل واقع شده است. این
استان دارای آب و هوای نیمه مرطوب همراه با میزان بارش سالانه بین 415 و 1290 میلی-
متر با توجه به نوع منطقه، می باشد. پایین ترین حد دمای سالانه 26/6 سانتیگراد بوده
ومیزان رطوبت نسبی (PH) از 65 به %100 متغیر است (پایین ترین حد رطوبت نسبی %80
٢٧
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

است ) . دشت مغان به سه ناحیه تقسیم می شود، شمال غربی، جنوب و شرق. این سه منطقه دردشت مغان انتخاب شدند. چون این مناطق به طور مشترک 80 درصد از مجموع جمعیت گوسفندان استان اردبیل را درخود جای داده اند، به علاوه درصد قابل توجهی ازگله ها دراین نواحی 40) درصد ) دارای بیش از 40 راس گوسفند می باشند. وسرانجام ،60 درصد از گله
هایی که گوسفندان تحت آزمایش با AH را دراستان اردبیل در بر می گیرند درهمان سه
منطقه واقع شدهاند .[5]
شمارگله ها که با بیش از 40 رأس گوسفند درناحیه مطالعاتی گزارش شده از سوی انجمن پرورش دهندگان گوسفند ، 38 رأس بود. به همین منظور، این تصمیم اتخاذ گردید که همه
گله های با بیش از 40 رأس گوسفند درناحیه تحقیقاتی، مورد مطالعه قرار گیرند .[ 7]
(2-2 شیوه ها
شیوه ای که برای یافتن نماتودهای مقاوم در برابر AH دراین آزمایش اعمال شده،
تست کاهش شمار تخم مدفوع (FECRT)، می باشد. به همان روش که از سوی انجمن
جهانی توسعه انگل شناسی دامی (WAAVP) ارائه شده است .[15]
هیچ یک ازحیوانات آزمایش شده به مدت حداقل 8 هفته قبل از شروع مطالعه مورد درمان
AH قرار نگرفتند. درهر گله 40 رأس گوسفند (نر یا ماده )، با بیش از 6 ماه سن، از ناحیه
پشت، نمونه برداری ازنوع مدفوع می شوند. نمونه ها، با استفاده از تکنیک تغییریافته مک-
ماستر مورد آزمایش قرار می گیرند، که درآن یک تخم شمرده شده معادل 50 تخم برای
هرگرم از مدفوع به شمار می رود .(EPG) حیواناتی که بیش از EPG 150 نماتود تریکوسترونژیل می باشند، به طور راندوم به دو گروه 14 تا 15 راس تقسیم می شوند. روز بعد، حیوانات موجود درگروه 1، آلبندازول را از ناحیه دهان، درحدود 5 میلی گرم / کیلوگرم وزن بدن دریافت می کنند. گروه 2 به عنوان کنترل درمان نشده باقی می مانند. در هر مزرعه
٢٨
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

نمونه گیری شده، حیوانات در داخل آغل به مدت 16 ساعت قبل از درمان نگه داشته می شوند، در طول دوره درمان، هیچ غذایی به حیوانات داده نمی شود، این وضعیتی می باشد که کشاورزان جهت مشارکت دراین آزمایش به آن نیاز دارند.مقداری از نمونه مدفوع به دست آمده از هر دو گروه درمان شده و کنترل، به مدت 7 روز در دمای بالا و با هدف تولید لاروای عفونی تریکو سترونژیل، نگهداری می شوند. بعداز آن، لاروا با استفاده از تکنیک کوریچلی لای از مدفوع جدا می شود و تعیین لاروا برای هر پرورش حجیم، اعمال می شود.ده روز پس
ازاجرای درمان AH، نمونه های مدفوع هرگوسفند ازهمه حیوانات به دست می آید و برای
شمارش تخم مدفوع (FEC) با بهره گیری ازتکنیک مک ماستر مورد پردازش قرار می گیرد.
پایین ترین سطح FEC برای هرگروه درمان (EPGT) تعیین می شود و باگروه کنترل
درهمان گله مقایسه می گردد. کاهش درصد (R(%)) با استفاده از فرمول زیر تعیین می شود:
R(%)=[1-(EPGT/EPGC)]*100
میزان مقاومت طبق راهنمایی های WAAVP اعلام می شود.
(a هنگامی که (%) R بود، 95 بزرگتر است.
(b هنگامی که حد پایین فاصله اطمینان ( CI %95) %95 بود،%90 بزرگتر است.
فقط وجود یکی از این معیارها کافی است تا گله، مشکوک به مقاومت دربرابر بنزیمیدازول
باشد. گسترش گله های گوسفند با درصد زیادی از نماتودهای مقاوم در برابر BID و %95 CI
دراین نوع شیوع، برمبنای فرمولی که دربالا به آن اشاره شد محاسبه می گردد.
تحقیقات پرسشنامه ای درمیان صاحبان گله یا مدیران گله،درهنگام دومین نمونه گیری مدفوع از گوسفندان اعمال شده ،سپس اطلاعات زیر از این تحقیقات به دست می آید:
AH مورد استفاده قرار گرفته، فاصله مصرف، معیارهای انتخاب داروی AH، مایع HA و
چرخه آن.
٢٩
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

(3-2نتایج آزمایشهای بالینی
در این بخش از نتایج آمارهای موجود در اداره دامپزشکی منطقه مغان استان اردبیل
استفاده شد .[7]
تعداد مزرعه های بیش از 40 راس دام که خصوصیات مورد نیاز برای آزمایش درسه منطقه مذکور را داشتند به شرح زیر است: 13 مزرعه در پارس آباد دشت مغان، 22 مزرعه در بیله سوار دشت مغان و3 مزرعه در جعفر آباد دشت مغان.
جدول 1-2 پایین ترین سطح آماری EPG مربوط به گروه های درمان شده و کنترل و
همین طور R(%) و فواصل اطمینان (%95) را درگله های مورد تحقیق نشان می دهد.[7]
شیوع مقاومت دربرابر BZD در مزرعه های مورد مطالعه، % 15/8 (مزرعه + 11/6 %) ( n =6
95 CI %)، ونسبت مزرعه های مشکوک %23/7 (مزرعه (% 95 CI = + 13/3%) ( n = بود.
همه گلههایی که دارای گوسفندان دو رگه (سوفولک + پلی بی ) بودند یا مقاوم به BZD
تشخیص داده شدند یامشکوک به مقاومت دربرابر آن، وقتی که AR به حیوانات تزریق شد،
هامونکوس (Haemonchus) تنها ژنم GIN موجود در مدفوع گروههای مورد درمان بود.
پرورش مدفوع گروه های کنترل در آن گله های مقاوم،آمیخته ای از هامونکوس، تریکوسترونژیلوس و اروسوفاگوستوموم بود (جدول.(1-2 میانگین تخم برگرم فاسد شده،
درصد کاهش EPG و %95 فاصله زمانی قابل اعتماد بعد از درمان با دوز (5mg/kg) در 38
دسته در دشت مغان، اردبیل انجام شده است.
٣٠
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

جدول: 1-2 سطح آماری EPG گروههای تحت درمان و کنترل
Status 95%CI(%) EPG TREATED EPG CONTROLN FLOCK
reduction EPG N (%) susceptible 91-100 98 13 15 667 15 1
suspect 88-89 98 33 15 1373 15 2
resistant 84-98 94 55 14 885 13 3
resistant 04-91 71 214 14 747 15 4
resistant 33-99 92 100 15 1260 15 5
susceptible 100-100 100 0 15 1380 15 6
resistant 71-96 90 100 14 979 14 7
susceptible 97-100 100 7 15 1967 15 8
susceptible 100-100 100 0 15 467 15 9
susceptible 90-100 99 7 15 540 15 10
susceptible 100-100 100 0 15 607 15 11
resistant 77-88 93 53 15 786 14 12
suspect 87-99 97 20 15 733 15 13
suspect 83-99 96 20 15 553 15 14
suspect 78-100 97 13 15 493 15 15
susceptible 100-100 100 0 15 693 14 16
resistant 73-99 94 13 15 214 14 17
susceptible 100-100 100 0 14 2536 14 18
٣١
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی ادامه جدول 1-2 susceptible 97-100 100 7 15 2120 15 19 susceptible 97-100 99 13 15 2154 14 20 susceptible 97-100 100 7 15 1900 15 21 susceptible 92-100 99 7 15 720 15 22 suspect 87-99 97 20 15 740 15 23 suspect 87-100 98 13 15 827 15 24 susceptible 94-100 99 14 14 1057 14 25 susceptible 92-100 98 20 15 1213 15 26 susceptible 93-100 99 13 15 1520 15 27 susceptible 92-100 99 7 15 713 15 28 susceptible 94-100 99 7 15 853 15 29 susceptible 94-100 99 13 15 1007 15 30 susceptible 93-100 99 7 15 787 15 31 susceptible 95-100 99 7 15 1067 15 32 suspect 82-99 96 20 15 533 15 33 susceptible 90-100 99 7 14 593 14 34 susceptible 95-100 99 7 15 1027 15 35 suspect 86-100 98 13 15 767 15 36 suspect 80-100 98 20 15 827 15 37 susceptible 94-100 99 13 15 1027 15 38 ٣٢
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

جدول 2-2درصدلارو آلوده در 38 دسته از گروههای کنترل و تحت بررسی در دشت مغان اردبیل
Status Treated(%) Control FLOCK
O T H O T H SUS - - 100 16 22 62 1
SUS - 27.28 72.72 28 - 72 2
RES - - 100 16 14 80 3
RES - - 100 14 16 70 4
RES - - 100 4 28 68 5
SUS - - 100 6 22 72 6
RES - - 100 - - 100 7
SUS - - 100 - 22 78 8
SUS - 27.28 72072 - 14 86 9
SUS - - NL - 34.79 65021 10
SUS - 50 50 12 4 84 11
RES - - 100 10 4 86 12
S - - NL 2 6 92 13
S - - 100 6.68 6.66 96.66 14
S - - NL 5.89 11.76 82.35 15
SUS - 100 - - 40.48 59.52 16
RES - - 100 - 9.53 90.47 17
SUS - - NL 19.57 17.39 63.04 18
SUS - - 100 16 - 84 19
SUS - 33.34 66.66 16 20 64 20
SUS - - NL 7.70 - 92.30 21
SUS - - NL - 24 76 22
S - - 100 10 4 86 23
S - - 100 4.47 19.04 76.19 24
٣٣
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

ادامه جدول 2-2 SUS - - NL 18 20 62 25
SUS - - NL - 22 78 26
SUS - - 100 15.22 - 84.78 27
SUS - - NL 5 2.50 72.50 28
SUS - - NL 24 - 76 29
SUS - - NL 28 16 56 30
SUS - - 100 - 27.59 72.41 31
SUS - 33.34 66.66 12 24 64 32
S - - 100 2 20 78 33
SUS - - NL 11.12 5.55 83.33 34
SUS - - 100 - 8 92 35
S - - NL 12 24 64 36
S - - 100 10 24 66 37
SUS - 40 60 26 12 62 38
4-2 )تحقیق پرسشنامه ای [8]
تحقیق پرسشنامه ای که برای اولین بار تشریح شد، شامل فعالیت های مدیریتی AH
است که صاحبان گله دشت مغان دررابطه با حیوانات خود اعمال می کنند. اکثریت گله های
گوسفند که دراین تحقیق مورد بررسی قرار گرفتند (%89/5) از سوی صاحبان خود به عنوان نوع دوم فعالیت های تولید دام تلقی می شوند. کمتر از %10 مزرعه داران ، گوسفندان را به عنوان منبع اصلی در آمد دامداران مورد نظر قرار می دهند. اندازه متوسط گله درمزارع
٣۴
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

مورد تحقیق 75/7 راس گوسفند بود. همه گله ها دارای نر و ماده های تازه متولد شده یا گوسفندان درحال رشد، در شرایط و مزارع مشابه بودند. درصد زیادی از مزرعه داران 73/7) )گوسفندان خود را تحت شرایط خاصی غذا داده و شب ها در آغل نگه می داشتند. و درصد زیاد دیگر نیز حیوانات خود را با سیستم های طولانی مدت، تولید و نگه داری می کردند.
%81/7 ازگله های مورد مطالعه متشکل از گوسفندان پلی بوی (گوسفند پشمی ) و %18/3
از گوسفندان دورگه (پلی بوی ×سوفولک )بودند.
صاحبان گله، استفاده ازچهار گروه از AH را چنین گزارش دادند: لاکتونهای چرخ
بلند (%47/4) (ML)، (%39/5) BZD، اوامیزول (%10/5) و کلو سانتل (سلی سیلانیلید) .(%2/6) از 38 گله مورد مطالعه، 20 مزرعه دار (%52/6) در فواصل متغیر، 1 مزرعه دار
(% 2/6) با بهره گیری از زمان از قبل تعیین شده و 17 مزرعه دار (%44/8) برمبنای علائم
بالینی (حیواناتی با موی پرپشت، بدنی لاغر) گوسفندان خود را تحت درمان قراردادند. و AH
عمدتا برمبنای سهولت اجرای آنها %57/9) )، سپس برمبنای قیمت (%26/3) ودر آ خر بر
مبنای توصیه دامپزشک (%15/8) انتخاب می شد. داروهای AH بیشتر از طریق سنجش بینائی محاسبه می گردید . (%97/4 ) وزن حقیقی بود. فقط %13/2 از صاحبان گله هر دو ماه یکبار و % 2/6 هرسه ماه یکبار دارو رابه حیوان تزریق می کردند. اکثریت دامداران (%71)
هر6 ماه یکبار %7/9 دامداران هر 8 ماه یکبار دارو را به حیوان می خوراندند. چرخه دارو هر
12 ماه یکبار و در 31/6 درصد ازاین گله ها اعمال می شد. اما تعداد زیادی از دامداران
( %52/6) داروی AH را بین 24 تا 36 ماه تغییر می دادند. (یعنی نوع داروی AH را عوض
کردند. ) فقط یک کشاورز گروه داروی AH رادر هردوره درمان عوض می کرد و %13/2از
دامداران نشان دادند که هرگز گروه دارویی AH را عوض نمی کنند.
٣۵
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

5-2 )پیاده سازی داده های جمع آوری شده با استفاده از شبکه عصبی
شبکه های عصبی به عنوان شبکه های تخمین گر جهانی می توانند برای مدل سازی رفتار های طبیعی به کار روند. همچنین شبکه های عصبی در دسته بندی داده ها کاربرد وسیعی دارند.
به دلایلی شبکه های عصبی را به عنوان ابزاری برای کار خود انتخاب کردیم.در این پایان نامه یک
شبکه عصبی سه لایه MLP برای آشکار سازی انگلهای مقاوم در برابر انگل کشها ارائه شده است.
ما می خواهیم با استفاده از آزمایش اول بالینی، طبق جدول 2-2 ، با استفاده از شبکه عصبی،
پیش بینی کنیم که آیا تزریق دارو روی دام مورد نظر موثر خواهد بود یا نه ؟ که در این صورت
اگر توانستیم پیش بینی کنیم، اولا به تزریق بیهوده دست نخواهیم زد ثانیا به آزمایش دوم نیاز
نخواهیم داشت.
داده های جمع آوری شده:
-1سه نوع لارو (تخم انگل ) به نامهای H,T,O
-2 نسبت کاهش EPG
جدول شماره 3-3 تمام داده هایی که از طریق آزمایش بالینی (از آزمایش اول) یک گروه دام ها در منطقه مغان به دست آمده است نشان می دهد.لازم به ذکر است در تکمیل جدول ارائه شده توسط دامپزشکان، مراحل انجام کار به این صورت بوده که باید مطمئن شویم در 8
هفته قبل به دامها AH داده نشده است. در هر گله N گوسفند انتخاب می کنیم که بیش از
6 ماه سن دارند.دام ها با بیش از EPG 150 (تخم بر گرم)به طور رندم به دو گروه تقسیم
می شود. داروی BZD به گروه یک تزریق می شود ولی گروه دو بدون تزریق باقی می ماند.
بعد از هفت روز از هر دو گروه دوباره نمونه گیری می شود و سپس شمارش تخم ها روی آنها
انجام می گیرد. داده های ثبت شده در اینجا با استفاده از آزمایش FECRT به دست
٣۶
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

آمده اند که توسط انجمن جهانی دامپزشکان (WAAVP) تایید شده است و بر مبنای
استانداردهای (WAAVP عدد بزرگتر از (R) 98که در قسمت EPG reduction می باشد و به معنی پاسخ به داروست. که ارزش تزریق به دام مورد نظر را دارد و کوچکتر از مقدار فوق به معنی پیش بینی برای عدم تزریق می باشد. در شبکه عصبی پاسخ به دارو1، و عدم پاسخ، خروجی صفر دارد.
٣٧
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

جدول : 3-2 نشان دهنده درصد وجود انگلهای H,T,O در دامهای مورد آزمایش قبل از
طزریق دارو و همچنین بعد از طزریق دارو
٣٨
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

شبکه عصبی مورد استفاده در این پایان نامه یک شبکه عـصبی سـه لایـهMLP پـیش رو می باشد که یک لایه در ورودی و یک لایه میانی و یک لایه در خروجی قرار گرفتـه اسـت به طوری که چهار نورون در لایه میانی و یک نورون در پایه خروجی قـرار دارد .شـکل 1-2
ساختاراین شبکه را نشان می دهد.

شکل :1-2 ساختارشبکه عصبی طراحی شده
در آموزش این شبکه ازداده های جدول شماره 3-2 به عنوان ورودی و خروجـی کـه بـا استفاده از آزمایش بالینی به دست آمده است استفاده کـردیم.بـرای شـبیه سـازی شـبکه عصبی از مطلب 6,5 بهره جسته ایم که روش آمـوزش از نـوع پـس انتـشار خطـا بـوده و
برای-یادگیری شبکه عصبی از دستور یادگیری newff استفاده شده است . [9]
34 ردیف از 38 ردیف این جدول را به عنوان داده های آموزش استفاده نمودیم تـا ضـرایب وزن و بایاس را پیدا کرده و از ضرایب وزن و بایاس به دست آمده برای تست چهار ردیـف از داده هایی که به عنوان داده های تـست در آمـوزش شـبکه از آنهـا اسـتفاده نکـردیم ، از شبکه جواب قابل قبول گرفته شد.این شبکه با روش آمـوزش پـس انتـشار خطـا وبـا انتخـاب
تعداد دفعات آموزش 300 بار epoch آموزش دیده شده است و خطا بـه حـداقل رسـیده است.
٣٩
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

نتایج این شبیه سازی برای این شبکه طبق شکل شماره 2-2 برای 300 بار تعداد دفعـات آموزش آمده است

شکل 2-2 کاهش خطا در حین شبیه سازی بعد از این که شبکه کا ملا آموزش داده شد، ضرایب وزن و بایـاس بـه صـورت زیـر حاصـل گردید :
W=[20/8274
17/6941 -25/3639 -4/8856 30/6564 -118/1918 -65/5309 43/8998 -60/2949
۴٠
فصل دوم تشخیص میزان موفقیت داروهای HPT در کاهش انگل های دامی با استفاده از شبکههای عصبی

145/4259
106/9770
-15/0551
-20/7781
5/2695
29/3341
-0/9800]:
U=[117/1778 142/0364 106/856982/6105 92/8707];
بعد از تعیین ضرایب وزن و بایاس برای اطمینان از کارکرد شبکه ، چهار ردیف آخر جدول 3-2 را که به عنوان داده های تست در نظر گرفته بودیم در شبکه تست نمودیم و نتایج تست طبق جدول زیر به دست آمد، و این صحت کارکرد شبکه را با حداقل خطا به ما نشان می دهد.
جدول 4-2 نتایج شبیه سازی برای داده های تست

0.0000
چگونگی پیاده سازی سخت افزاری شبکه طراحی شده، با استفاده از FPGA در فصل بعد به تفصیل ارایه می گردد.
۴١
فصل سومروش پیاده سازی شبکه عصبی با استفاده از FPGA

فصل سوم
روش پیاده سازی شبکه عصبی با
استفاده از FPGA
۴٢
فصل سومروش پیاده سازی شبکه عصبی با استفاده از FPGA

پیشگفتار:
در این فصل ابتدا مقدمه ای از FPGA بیان شده و در آن ساختار کلی FPGA تشریح شده است و امتیاز آن با سایر آی سی های دیجیتالی ، مورد بحث قرار گرفته و در ادامه روش پیاده
سازی شبکه عصبی طراحی و آموزش دیده شده در فصل پیش، روی FPGA ارائه شده است.
(1-3 مقدمه ای بر [10,11, 16,17] FPGA
طراحی مدارات دیجیتال با استفاده آی سی های 1 SSI و مدارهای مجتمع به صورت
MSI انجام می شد. این آسی ها بر روی یک برد قرار می گیرند و اتصالات بین آنها با استفاده
ازسیمهای تک رشته ای صورت می گیرد. همچنین سوئیچ ها و LED ها و دیگر قطعات جانبی به ورودی ها و خروجی ها متصل می شوند و برای اطمینان از صحت کارکرد مدار تست می شوند. اما در این نوع طراحی ها همواره مشکلات زیر به چشم می خورد.
- 1 احتمال اشتباه در بستن مدار و اتصال سیم ها زیاد است و این امر موجب می شود که
مدار مجددا بررسی گردد.
-2 از آنجا که دامنه عملکرد هر قطعه ای محدود می باشد بنابراین در یک مدار تعداد زیادی از این قطعات استفاده می شود و این امر موجب هزینه بر شدن و افزایش احتمال خطا در
مدار می گردد.
-3 دسترسی به تمام انواع آی سی ها مشکل و هزینه براست.

MS Thesis

فهرست مطالب

عنوان مطالبشماره صفحه
-1-6-3 تاثیر مقدار امپدانس موازی 41................................
-2-6-3 تاثیر بو شینگهای فشار قوی 43................................
-3-6-3 تاثیر اتصال نقطه خنثی سیم پیچ فشار قوی 44................................
-4-6-3 تاثیر سیمهای رابط اندازه گیری 45................................
-7-3 دقت پردازش سیگنال در روش زمانی 47................................
-1-7-3 فرکانس نمونه برداری 47................................
-2-7-3 مدت زمان نمونه برداری 48................................
-3-7-3 تبدیل آنالوگ به دیجیتال 50................................
-4 انواع روشهای مدلسازی ترانسفورماتورها51
-1-4 روشهای مدلسازی جعبه سیاه52
-2-4 بررسی روشهای مدلسازی فیزیکی53
-1-2-4 مدل خط انتقال چند فازه54
-2-2-4 مدل مشروح 55................................
-1-2-2-4 مدلسازی براساس اندوکتانسهای خودی و متقابل 56................................
-3-4 مدل هایبرید 62................................
-4-4 انتخاب مدل مناسب برای مانیتورینگ63
-5 مدل فرکانس بالای سیم پیچ ترانسفور ماتور65
-1-5 مدل ترانسفور ماتوربر پایه ساختار فیزیکی سیم پیچ 66................................
-2-5 مدل مشروح ترانسفور ماتور68
-1-2-5 محاسبه ظرفیتهای الکتریکی 69................................
-1-1-2-5 تخمین ظرفیت طولی یک سیمپیچ بشقابی واژگون71
-2-1-2-5 تخمین ظرفیت الکتریکی بین دو سیمپیچ و یا بین یک سیمپیچ و زمین 74................................
-2-2-5 محاسبه اندوکتانسهای خودی و متقابل75
-1-2-2-5 محاسبه اندوکتانس متقابل 76................................
-2-2-2-5 محاسبه اندوکتانس خودی77
-3-2-5 محاسبه مقاومتهای عایقی موازی78
-4-2-5 محاسبه مقاومتهای اهمی سری79
فهرست مطالب

عنوان مطالبشماره صفحه
-6 نتایج شبیه سازی انواع عیوب ترانسفور ماتور81
-1-6 بررسی جابجائی محوری سیم پیچها نسبت بهم83
-2-6 نتایج آنالیز حساسیت توابع تبدیل نسبت به تغییر شکل شعاعی 88..................................
-3-6 تاثیر اتصال کوتاه بین حلقه ها روی پارمترهای مدل مشروح92
-7 تشخیص نوع عیوب ترانسفورماتوربه کمک شبکه عصبی95
-1-7 استخراج ویژگیها97
-2-7 شبکه های عصبی مصنوعی98
-1-2-7 ساختار شبکه های عصبی 99................................
-2-2-7 شبکه های عصبی پرسپترون چند لایه100
-3-7 بکار گیری شبکه عصبی جهت شناسائی نوع عیب ترانسفور ماتور102
-8 نتیجهگیری و پیشنهادات108
منابع111
چکیده انگلیسی116
فهرست جداول

عنوانشماره صفحه
جدول -1-3 فرکانس fmax که در آن طیف یک ولتاژ ضربه صاعقه استاندارد در نویز لبریز میشود، به
صورت تابعی از تفکیکپذیری مبدل 50(A/D)
جدول -1-6 تغییرات فرکانسهای تشدید در اثر جابجائی محوری سیمپیچ87
جدول -2-6 تغییرات فرکانسهای تشدید در اثر تغییر شکل شعاعی سیمپیچ91
جدول -1-7 انواع حالتهای خطا و کد خروجی شبکه برای آن نوع خطا 103................................
جدول -2-7 بردار ورودی متناسب با نوع خطای مربوطه جهت آزمایش103
جدول -3-7 داده های خروجی شبکه و کد خطای مربوطه103
جدول 4-7 بردار ورودی 3 ×16 متناظر بانوع خطای مربوطه جهت آزمایش 105.................................
جدول -5-7 بردار خروجی شبکه ونوع خطای مربوطه 106................................
فهرست شکلها

عنوانشماره صفحه
شکل -1-2 ارتباط بخشهای مختلف یک سیستم پایش18
شکل -2-2 ساختار مدیریت بهربرداری19
شکل -3-2 نتایج آماری از انواع عیبهای مرسوم در ترانسفورماتور23
شکل -1-3 ترانسفورماتور بصورت شبکه دو قطبی خطی27
شکل -2-3 اندازه گیری تابع انتقال در حوزه فرکانس29
شکل -3-3 اندازه گیری تابع انتقال در حوزه زمان29
شکل -4-3 مدار اندازه گیری تابع انتقال در روش جاروی فرکانس30
شکل -5-3 روشهای مختلف مقایسه توابع انتقال33
شکل -6-3 مقایسه بین فازها برای ترانسفورماتور34
شکل -7-3 مقایسه بین فازها برای ترانسفورماتور با ثانویه زیگزاگ35
شکل -8-3 اثر مقاومت شنت روی پاسخ فرکانسی تا 4210MHZ
شکل -9-3 اندازه گیریهای FRAدر بالا وپایین بوشینگ44
شکل -10-3 اثر وضعیت نقطه خنثی در اندازه گیریها( دردو حالت شناور و زمین شده).45
شکل -11-3 مقایسه اثرسیمهای رابط کوتاه و بلند در اندازه گیریها تا 4610MHZ
شکل -1-4 نمایش ترانسفورماتور به صورت یک چهار قطبی52
شکل -2-4 مدل یک ترانسفورماتور تشکیل شده از یک سیمپیچ بشقابی و یک سیمپیچ لایهای
براساس اندوکتانسهای خودی و متقابل58
شکل -1-5 ساختار فیزیکی سیم پیچی دیسکی ترانسفورماتور ومدل هر دیسک از آن67
شکل -2-5 مدل مداری معادل هر دیسک RLC) معادل).. 68
شکل (a -3-5 زوج دیسک واژگون، (b زوج دیسک درهم70
شکل -4-5 نمایش ظرفیتهای بین بشقابها و پتانسیل زمین و یا سیمپیچ مجاور71
شکل -5-5 توزیع ظرفیتهای الکتریکی در یک سیمپیچ بشقابی واژگون71
شکل -6-5 لایه های مختلف عایقی بین دو سیمپیچ75
شکل -7-5 دو حلقه موازی76
شکل -8-5 تعریف پارامترهای یک حلقه77
فهرست شکلها

عنوانشماره صفحه
شکل -1-6 مدار بررسی شده با شرایط پایانههای سیمپیچ فشارقوی و سیمپیچ فشارضعیف84
شکل -2-6 تأثیرات تغییرات جابجائی محوری سیمپیچها روی پارامترهای مدل مشروح84
شکل -3-6 مقایسه نتایج شبیه سازی حالت سالم و معیوب توابع تبدیل ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ
ورودی در حوزه زمان ، به منظور بررسی توابع تبدیل نسبت به جابجائی محوری85
شکل -4-6 مقایسه نتایج شبیه سازی حالت سالم و معیوب توابع تبدیل ولتاژخروجی نسبت به ولتاژ
ورودی در حوزه فرکانس ، به منظور بررسی حساسیت نسبت به جابجائی محوری86
شکل -5-6 نما از بالای سیمپیچ فشارقوی (HV) تغییر شکل یافته و سیمپیچ فشارضعیف((LV در اثر
نیروی مکانیکی شعاعی در چهار جهت88
شکل -6-6 تأثیرات تغییرات مکانیکی سیمپیچها روی پارامترهای مدل مشروح دررابطه با تغییر شکل
مکانیکی89
شکل -7-6 اثر ماتریس اندوکتانس روی توابع تبدیل جریان زمین نسبت به ولتاژ ورودی در خصوص
تغییر شکل شعاعی89
شکل -8-6 مقایسه نتایج محاسبات توابع تبدیل ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی در حوزه زمان، به
منظور بررسی حساسیت توابع تبدیل نسبت به تغییر شکل مکانیکی شعاعی سیم پیچ90
شکل -9-6 مقایسه نتایج محاسبات توابع تبدیل ولتاژ انتقالی حوزه فرکانس در ، به منظور بررسی
حساسیت توابع تبدیل نسبت به تغییر شکل مکانیکی شعاعی سیم پیچ90
شکل -10-6 درنظرگرفتن اتصال کوتاه بین حلقهها در مدل مشروح93
شکل -11-6 تابع تبدیل ولتاژ انتقالی برای یک اتصال کوتاه بین انشعابهای 22و9323
شکل -12-6 تأثیر اتصال کوتاه بین حلقههای73 و 74 سیمپیچ روی تابع تبدیل ولتاژ انتقالی94
شکل -1-7 مراحل عیب یابی ترانسفورماتور96
شکل -2-7 مراحل محاسبه ویژگی زمانی98
شکل -3-7 ساختار و ارتباطات نرون99
شکل -4-7 فرم ساده شبکه پرسپترون با دو لایه میانی 101................................
شکل -5-7 نمودار دو بعدی کلاسهای تشخیص داده شده توسط شبکه 104................................
شکل -6-7 متوسط مجذور خطا برای داده های آموزشی106
چکیده
ترانسفورماتورها به تعداد زیاد در شبکههـای بـرق بـرای انتقـال و توزیـع انـرژی الکتریکـی در
مسافتهای طولانی مورد استفادهقرارمیگیرند.قابلیت اطمینان ترانسفوماتورها در این میان نقشی اساسی
در تغذیه مطمئن انرژی برق بازی میکند. بنابراین شناسائی هر چه سریعترعیبهای رخ داده در داخـل
یک ترانسفورماتورضروری به نظر می رسد.یکیازچنین عیبهائی که به سختی قابـل تـشخیص اسـت،
تغییرات مکانیکی در ساختار سیمپیچهای ترانسفورماتور است. اندازهگیـری تـابع تبـدیل تنهـا روش
کارامدی است که در حال حاضـر بـرای شناسـائی ایـن عیـب معرفـی شـده و بحـث روز محققـین
میباشد.استفاده روش مذکور با محدودیتها و مشکلاتی روبرو می باشـد کـه تـشخیص انـواع عیـوب
مختلف را به روشهای متداول و مرسوم محدود ساخته اسـت.از ایـن رو امـروزه تحقیقـات بـر روی
استفاده از الگوریتمها و روشهای هوشمندی متمرکز شده است که بتواند یـک تفکیـک پـذیری نـسبتا
خوبی بین انـواع عیـوب و صـدمات وارده بـه ترانـسفورماتور را فـراهم سـازد. در ایـن پایـان نامـه
سیمپیچهای ترانسفورماتور به منظورپایش با روش تابع تبدیل مطالعه و شبیهسازی شدهاند. برای ایـن
کار مدل مشروح سیمپیچها مورد استفاده قرار گرفته و نشان داده شده که این مدل قادر به شبیهسـازی
عیبهائی (اتصال کوتاه بین حلقهها، جابجائی محوری وتغییر شکل شعاعی) است که توسط روش تابع
تبدیل قابل شناسائی میباشند. شبیهسازیهای مربوطه توسط مدل مشروح نشان میدهند که بـه کمـک
این مدل میتوان به طور رضایتبخش توابع تبدیل محاسبه شده در محدوده از چند کیلـوهرتز تـا یـک
١
مگاهرتز را ارائه نمود. این مدل مشخصههای اساسی توابع تبدیل (فرکانسهای تـشدید و دامنـههـا در
فرکانسهای تشدید) را به طور صحیح نتیجه میدهد. مقادیر عناصر مدار معادل از روی ابعـاد هندسـی
سیمپیچها و ساختار عایقی مجموعه محاسبه میشوند. با محاسبه و تخمین این مقادیر در حالتهائی که
تغییراتی در ساختار سیمپیچ بوجود آمده اند، اثرات عیبهای مکانیکی در مـدل درنظرگرفتـه شـدهانـد.
دقت مدل مشروح علاوه بر تعداد عناصر آن به دقت محاسبات پارامترهای آن نیز بستگی دارد. ارتباط
بین عیبهای بررسی شده (اتصال کوتاه بین حلقـههـا، جابجـائی محـوری و تغییـر شـکل شـعاعی) و
تغییرات ناشی از آنها در توابع تبدیل به خوبی توسـط مـدل نتیجـه مـیشـوند. تغییـر نـسبی مقـادیر
فرکانسهای تشدید در حوزه فرکانس وزمان فرونشست1 درحوزه زمان در یک تابع تبـدیل بـه عنـوان
معیار تغییرات در تابع تبدیل در اثر یک عیب مورد اسـتفاده قـرار گرفتـهانـد. ارزیـابی توابـع تبـدیل
محاسبه شده برای شناسایی عیب، به کمک توابع تبدیل گوناگون تعریف شـده درمقـالات مختلـف ،
منجر به حصول نتایج زیر شدهاند:
•نتایج محاسبات تغییرات یکسانی را در توابع تبدیل در اثر هر کدام از عیبهای فوقالذکر نشان
میدهند.
•نتایج محاسبات در خصوص آنالیز حساسیت جابجائی محوری نشان میدهد که اثـر جابجـائی
محوری روی تابع تبدیل در محدوده فرکانسی بالاتر از 100 کیلوهرتز به طورواضح بیشتر ازمحـدوده
کمتر از 100 کیلوهرتز میباشد.

1 Setteling Time
٢
نتایج محاسبات برای آنالیز تغییر شکل شعاعی سیم پیچ نشان می دهد که تغییر شکل شعاعی روی کل محدوده فرکانسی تابع تبدیل تأثیر تقریباً یکسانی می گذارد.
بعضی از فرکانسهای تشدید در یک تابع تبدیل درمقایسه با سایر فرکانـسهای تـشدید در اثـر
بروز یک عیب حساستر میباشند.
برای بدست آوردن نتایج بیشتر در مورد وابستگیهای بین مدل مشروح و تغییرات محاسـبه شـده
در توابع در اثریک عیب، اثرات پارامترهای مدل روی توابع تبدیل بـه طـور مجـزا بررسـی و تحلیـل
شدهاند. این تحلیلها نشان میدهند که:
تغییرات ظرفیتهای خازنی بـین دو سـیمپـیچ در اثـر جابجـائی محـوری قابـل چـشم پوشـی میباشند.
تغییرات توابع تبدیل در اثر تغییر شکل شعاعی عمدتاً از تغییرات ظرفیتهـا ناشـی مـیشـوند. درنظرگرفتن تغییرات اندوکتانسها در اینحالت ضروری نمیباشند.
چشم پوشیهای فوق باعث کاهش قابل ملاحظهای در زمان محاسـباتی مـیشـوند و اعمـال آنهـا
درپایش ترانسفورماتورها مفید است.
٣
مقدمه
از آنجائیکه قدرت شبکههای برق همواره در حال افزایش بوده و بایـستی تاحـد ممکـن تغذیـه
انرژی برق مطمئن انجام شود، بالا بودن قابلیت اطمینان، طول عمروکیفیت تکتک عناصر وتجهیزات
موجود در شبکه ضروری است. ترانسفورماتورهای مـرتبط کننـده سـطوح ولتـاژمختلف درشـبکه از
مهمترین عناصر شبکهاند که خروج از مدار آنها به قابلیت اطمینان توزیـع انـرژی آسـیب جـدی وارد
کردهو باعثهدررفتن هزینه زیادی میشود. برای افزایش قابلیت اطمینان تغذیه انرژی برق، شناسـایی
سریع عیبهای رخ داده در ترانسفورماتورها الزامی میباشد. بر این اساس در پا یان نامـه مـذکور ابتـدا
مقدمه ای بر روشهای مختلف عیب یابی وپایش ترانسفورماتورهای قدرت بیان شده است.در ادامه در
فصل سوم،روش آنالیز پاسخ فرکانسی به عنوان روش جدید در عیبیابی ترانسفورماتورهـا معرفـی و
اصول و مبانی آن تشریح میگردد.به منظور تحلیل انواع عیوب متداول وارده به ترانسفور مـاتور (کـه
معمولا در حالت کار عادی برای ترانسفور ماتور قدرت اتفاق می افتد)سـیم پـیچترانـسفور مـاتور بـا
روش تابع تبدیل مطالعه و شبیه سـازی شـده اسـت.ایـن مطالعـه بـا تمرکـز بـر روی مـدل مـشروح
ترانسفورماتور انجام پذیرفته است که جزئیات آن در فصول چهارو پنج ارائـه شـده انـد.فـصل شـش
نتایج حاصل از شبیه سازی یک ترانسفورماتور قدرت30MVA, 63/20 kV را نشان مـی دهـد و
حالتهای مختلف صدمات فیزیکی ترانسفورماتور و اثرات آن بر روی تابع انتقال را مورد بررسی قـرار
میدهد. نتایج حاصل از شبیه سازیها ، این امکان را فراهم ساخته است تا الگوهای مناسبی متنـاظر بـا
۴
خطاها و عیوب مختلف ترانسفورماتور استخراج گـردد. نهایتـا در فـصل هفـت یـک شـبکه عـصبی
هوشمند ارائه شده است که می تواند با استفاده از الگوهـای اسـتخراج شـده مـذکور ، یـک راهکـار
مناسب برای تشخیص دقیق و مطمئن از خطای وارد شده بدست دهد.
۵
فصل 1
کلیات
۶
-1-1 پیشینه موضوع
وظیفه یک سیستم تشخیص عیب مدرن این است کـه بـا تعیـین وضـعیت کـار ترانـسفورماتور،
استفاده بهینه آنرا با درنظرگرفتن قدرت انتقالی و مدت کارکرد تضمین کند، بدون آنکه قابلیت اطمینان
ترانسفورماتور تحت تأثیر قرار گیرد. برای انجام این کـار روشـهای مختلفـی همچونپـایش حرارتـی،
تجزیه و تحلیل گازهای حل شده در روغن، اندازهگیریهای تخلیه جزئی (الکتریکی، صـوتی)، تحلیـل
تابع تبدیل، اندازهگیری ولتاژ بازگشتی و غیره مورد بررسی و تحقیق قرار گرفتهاند. هـر کـدام از ایـن
روشها دارای خواص خصوص به خود بوده و قادر به شناسائی نوع به خصوصی از عیب مـیباشـند.
روش تابع تبدیل امروزه برای تشخیص تغییرات مکانیکی در سیمپیچ مورد بحث میباشد. تحقیقـات
عملی نشان میدهند که جابجائی محوری و تغییر شکل شعاعی سیمپیچها روی توابع تبدیل تأثیر مـی
گذارند .[4] بایستی با انجام تحقیقات بیشتر مشخص کرد که تا چه اندازهای میتوان چنین عیبهائی را
تشخیص داده و محل بروز آنهارا تخمین زد. روش تابع تبـدیل یـک روش مقایـسهای اسـت، یعنـی
اندازهگیریهای جدید را باید با اندازهگیریهای مرجعی در کنار هم قرار داد. کنتـرل مـنظم تـابع تبـدیل
پایش2 پیوستهای را امکان پذیر میسازد که میتوان به تغییرات بوجود آمده در کارکرد ترانـسفورماتور
به موقع پی برد. اگر انحرافات قابل ملاحظهای در نتایج اندازهگیریها مشاهده شد، باید این انحرافـات
را مورد بررسی و تحلیل قرار داد که آیا ممکن است عیبی رخ داده باشد. همچنین اگر عیبی روی داده
است، آیا میتوان نوع و محل آنرا برآورد کرد.

2 Monitoring
٧
-2-1 وضعیت کنونی موضوع
تا به امروز روش تابع تبدیل برای ترانسفورماتورها در حالت کلی به کمـک نتـایج انـدازهگیـری
انجام شده است. به منظور تقویت روشهای اندازهگیری توصیف شده و تحقیق نظـری رفتارفرکانـسی
ترانسفوماتورها، شبیهسازی سیمپیچهای ترانسفورماتور ضروری است.
مدلسازی ساختار پیچیدهای مثل قسمت فعال ترانسفورماتورها یک مصالحه بین هزینه محاسبات
و دقت آنها را میطلبد. تعداد عناصر قابل تعریف در مدل و لذا دقت مدلسازی محدود است. درمیان
روشهای زیاد مدلسازی، مدلهای زیر بیشتر مطرح میباشند:
مدلهای جعبه سیاه (Black-Box)
مدلهای فیزیکی:
(1 مدل خط انتقال n فازه
(2 مدل مشروح:
الف) مدلسازی بر پایه اندوکتانسهای خودی و متقابل
ب) مدلسازی بر اساس اندوکتانسهای نشتی
ج) مدلسازی به کمک اصل دوگانی
د) مدلسازی با استفاده از تحلیل میدانهای الکترومغناطیسی
- مدل هایبرید:
٨
ترکیبی از مدلهای فیزیکی و جعبه سیاه
برای مدلسازی تغییرات بوجود آمده در سیمپیچها، مدلهای جعبه سیاه مناسـب نمـیباشـند. زیـرا
برای چنین مدلسازی بایستی وابستگی بین قطبها و صفرهای سیستم و ساختار سیمپیچ ترانسفورماتور
معلوم باشد. در حالی که مدل جعبه سیاه از روی نتایج اندازهگیری شده در پایانههای ترانـسفورماتور
ساخته میشود.
در مدلسازی فیزیکی، ابعاد هندسی سیمپیچهـا بـرای توصـیف محاسـباتی ترانـسفورماتور مـورد
استفاده قرارمیگیرند. مدلهای فیزیکی که به صورت مدار معادل میباشـند، در محـدوده مشخـصی از
حوزه فرکانسی معتبر میباشند .[5]
با مدلسازی سیمپیچها به صورت یک مدار RLCM (مدل مشروح) مـیتـوان مقـادیر جریانهـا و
ولتاژها را توسط نرم افزارهای مرسوم برای حل مدارهای الکتریکی (به عنوان مثـال 3ATP، Pspice،
...) محاسبه کرد. بر خلاف مدل خط انتقال چند فازه، میتوان توسط مدل مـشروح پدیـدههـای غیـر
خطی (هیسترزیس، اشباع) و وابسته به فرکـانس (تلفـات جریانهـای فوکـو، تلفـات عـایقی) را وارد
محاسبه کرد. علاوه بر این بهکارگیری مدل مشروح نـشان داده اسـت کـه سـاختارهای سـیمپیچهـای
پیچیدهتر با تعداد سیمپیچهای بیشتر را میتوان تا حد قابل قبولی شبیهسازی نمود.
با توجه به مطالعات انجام شده در [6] دیده میشود که از میان مدلهای مشروح ذکر شـده، مـدل
متکی براندوکتانسهای خودی و متقابل سادهتر و مفیدتر میباشد. گرچه ممکن است نتوان عناصر مدار

3 Alternative Transients Program
٩
معادل را کاملاً دقیـق تعیـین کـرد، بیـشتر شـبیهسـازیهای انجـام شـده توسـط ایـن مـدل محاسـبات
رضایتبخشی را نتیجه دادهاند. بنابراین مدل مشروح متکی براندوکتانـسهای خـودی و متقابـل در ایـن
پایان نامه مورد توجه قرار گرفته است.
-3-1 هدف پروژه
نیاز روز افزون به انرژی برق ساخت ترانسفورماتورهای با قدرت و ولتاژ بالاتر را ایجاب میکند.
مسائل مربوط به چنـین ترانـسفورماتورهائی همچـون اطمینـان کـارکرد، وزن بـالای حمـل ونقـل و
نیازمنـدی بـه مـواد بیـشتر یکپـایش کامـل از ترانـسفوماتورها را ضـروری مـیکنـد تـا بتـوان ایـن
ترانسفورماتورهای گران قیمت را از بروز صدمات شدید محافظت کرده و هزینههای ناشی از آنهـا را
تاحد ممکن پائین نگاه داشت. به ویژه اینکه میتوان صدمات وارد برسـیمپیچهـای ترانـسفورماتور را
بوسیله روش تابع تبدیل شناسائی کرد. برای اینکه از آزمایشهای عملی پرهزینه اجتناب شود میتـوان
از نتایج شبیهسازیهای کامپیوتری برای بدسـت آوردن اطلاعـات مـوردنظر لازم اسـتفاده نمـود. ایـن
اطلاعات را میتوان برای هر کدام از اهداف زیر مورد استفاده قرار داد:
• اگر هیچگونه نتیجه اندازهگیری از ترانسفورماتور در حالت سالم موجـود نباشـد، مـیتـوان
نتایج محاسباتی را به عنوان مرجع برای مقایسه با نتایج اندازهگیری جدید مورد اسـتفاده قـرار
داد.
١٠
• میتوان اثرات عیبهای شناخته شده روی توابـع تبـدیل را بـه کمـک شـبیهسـازیها بررسـی
وتحلیل کرد.
• با استفاده از آموزش شبکه عصبی هوشمند میتوان نوع عیب را در یک ترانسفورماتور
معیوب تعیین کرد.
برای حصول این اهداف، کارهای زیر به ترتیب انجام داده شدهاند:
شبیهسازی سیمپیچهای ترانسفورماتور درحالت سالم برای ارزیابی دقت مدل.
مدلسازی یک سیمپیچ که بین چند حلقه آن اتصال کوتاه شده، به منظـور تعیـین تغییـرات ناشی از اتصال کوتاه.
محاسبه توابع تبدیل یک ترانسفورماتور که دو سیمپیچ آن را مـیتـوان نـسبت بـه هـم در جهت محوری جابجا کرد. بوسیله این محاسبات حساسیت اثر جابجائی محوری روی توابـع تبدیل مورد تحلیل قرار گرفته و همچنین تغییرات توابع تبدیل و پارامترهـای مـدل مطالعـه و بررسی شدهاند.
تعیین اثرات تغییر شکل شعاعی روی توابـع تبـدیل و پارامترهـای مـدل بـه کمـک نتـایج شبیهسازیها.
استخراج ویژگیها و پارامترهای مناسب و مرتبط با عیوب مختلف به منظور آمـوزش شـبکه عصبی هوشمند
١١
فصل 2
مفاهیم کلی عیب یابی و حفاظت
ترانسفورماتور
١٢
ترانسفورماتورهای بزرگ به عنوان عناصر ارتباطی بین نیروگاهها وشبکههای توزیع انرژی یا بین
شبکهها با سطوح ولتاژمختلف مورد استفاده قرارمیگیرند تا انرژی الکتریکی به طور اقتصادی توزیـع
شود. لذا همواره در دسترس و سالم بودن آنها پایه و اساس یک توزیع انرژی مطمئن میباشد.
با افزایش تواناییهای سیستمهای اندازهگیری و کامپیوترها و پیـشرفت نـرم افزارهـای کـامپیوتری
بهبود روشهای تشخیص عیب نیز امکان پذیر میشود. به عنوان نمونهای از آن میتوان بـه محاسـبه و
تحلیل تابع تبدیل از روی سیگنالهای گذرائی کـه در طـول بهـرهبـرداری و عملکـرد ترانـسفورماتور
اندازهگیری میشوند اشاره کرد. این تابع تبدیل دربرگیرنده اطلاعاتی از وضعیت داخل ترانسفورماتور
میباشد. وجود اختلاف بین توابع تبدیل اندازهگیری شده در زمانهـای مختلـف نـشان دهنـده وجـود
تغییراتی در ساختار ترانسفورماتور میباشد که میتوانند باعث عملکرد نامطلوب ترانسفورماتورشوند.
در حال حاضر روش قابل اطمینانی وجود ندارد که بتوان توسط آن خطاهای مکانیکی و تغییـرات در
ساختار سیمپیچهای ترانسفورماتور را تشخیص داد. چنین خطاهایی میتوانند بـه عنـوان مثـال تغییـر
شکل مکانیکی و جابجائی سیمپیچها باشند کـه در اثـر نیروهـای وارده بـر سـیمپـیچ در اثـر اتـصال
کوتاههای رخ داده در نزدیکی ترانسفورماتور ایجاد میشوند. تغییر شکل و یـا جابجـائی سـیمپیچهـا
باعث تغییر در ظرفیتها واندوکتانسهای ترانسفورماتور میشود. بنابراین محاسبات تـابع تبـدیل روش
مناسبی برای شناسایی چنین عیبهایی میباشد. با ترکیب نتـایج حاصـل از روشـهای تـشخیص عیـب
١٣
گوناگون میتوان قابلیت اطمینان سیستمهای پایش1 ترانسفورماتورها(عیـب یـابی) را بـه میـزان قابـل
توجهی افزایش داد.
-1-2 اهداف کلی پایش ترانسفورماتورها
پایش ترانسفورماتورها با گذشت زمان تکامل یافته و با پیشرفت صنعت وتکنولوژی انتظارات از
سیستمهای پایش نیز افزایش یافتهاند. با مطالعات انجام یافته میتوان اهداف زیر را برای یک سیـستم
تشخیص عیب نتیجه گیری کرد :[7]
اهداف اجتماعی:
کاهش خطرات و صدمات در محیط زیست با شناخت به موقع عیبهایی که خود به خود به وجود آمده اند،
بدست آوردن اطلاعات فنی با انجام عملیات آگاهانه برای پیشگیری ازافزایش عیب،
افزایش ایمنی کارکنان سیستم،
کاهش اضطراب ونگرانی کارکنان سیستم.
اهداف اقتصادی:
کاهش هزینههای کارکرد توسط مراقبت منظم و دقیق،
کاهش تعداد کارکنان مراقبت،

1 Monitoring
١۴
کاهش هزینههای خروج از مدار با برنامهریزی بهتر قطع مدار برای مراقبت،
برنامهریزی صحیح برای جایگزینی عنصر نو با توجه به شناخت وضعیت عنصر موجود در شبکه (تخمین میزان عمر باقیمانده عنصر موجود).
اهداف فنی:
بهینهسازی عملکرد عنصر و سیستم با توجه به شناخت بارگذاریهای موجود روی عنـصر و شبکه،
بدست آوردن رفتار عیبهای مختلف به طور مجزا از طریق سیستم تشخیص عیب پیوسته،
بدست آوردن اطلاعات کمی در مورد نحوه تغییر ورفتار کمیتهای قابل اندازهگیری مشخص
مشخص کردن وابستگیهای بین کمیات قابل انـدازهگیـری و فواصـل زمـانی مناسـب بـین اندازهگیریها.
در حقیقت وظیفه اصلی سیستم پایش ترانسفورماتور ها،آشکار سـازی علائـم اولیـه یـک عیـب
جدید به وجود آمده در ترانسفورماتور می باشد. لذا چنین سیستمی مانع توسـعه عیبهـای کوچـک و
ایجاد عیبهای بزرگ شده و به افزایش عمر ترانسفورماتور کمک می نماید. یک خطا یـا عیـب بـزرگ
ممکن است باعث انفجار یا آتش سوزی شده و منجر به صدمات جانی و مالی جبران ناپذیری گردد.
همچنین با بکارگیری یک سیستم تشخیص عیب،خروج از مدارهای مربوط به حفاظت ،غیر ضروری
شده و لذا دسترس پذیری ترانسفورماتور افزایش می یابد. گذشته از اینها تشخیص عمـر باقیمانـده و
برنامه ریزی مناسب بارگذاری ونیز امکان اضافه بارگذاری ترانسفورماتور میسر می شود.
١۵
یک سیستم تشخیص عیب و پایش ترانسفورماتورها باید بتواند پارامترهای مهم و مشخص برای
توصیف رفتار حرارتی، الکتریکی و مکانیکی را ثبت کرده و با دادههای معمولی همچون مـدت زمـان
عملکرد، منحنی بار بر حسب زمان، وضعیت تپ چنجر، دامنههای جریانهـای اتـصال کوتـاه و غیـره
ارتباط دهد. علاوه بر این انتظار می رود که توسط یک سیستم پایش بتوان عملکـرد ترانـسفورماتوررا
از نظر اقتصادی بهبود داد. برای تحلیل اقتـصادی بایـستی هزینـه کـل طـول عمـر ترانـسفورماتور را
درنظرگرفت. هزینه کل طول عمر ترانسفورماتور مجموعی از هزینههای زیر میباشد :[2]
هزینههای تهیه و نصب
هزینههای مراقبتهای برنامهریزی شده
هزینههای تعمیر
هزینههای معمولی بهرهبرداری
هزینههای خروج از مدار
هزینههای مربوط به دور انداختن ترانسفورماتور از کارافتاده در محیط زیست
با تدابیر مختلفی تلاش میشود که این هزینهها بهینه شود. به خصوص در ارتباط با تجهیزاتی که
روی آنها سرمایه گذاری زیاد انجام میشود، پایش و ارزیابی عایقی میتواند بیشتر مثمر ثمر باشد.
– 2-2 ساختار کلی سیستم پایش
همانطور که ذکر شد با سیستم تشخیص وضعیت داخلی ترانسفورماتور مـی تـوان دسـترس پـذیری و عمـر
ترانسفورماتور را افزایش داد، خروج از مدار آن را کاهش داد، از تعمیر های گران قیمت پرهیز کرد و ایمنـی
١۶
کارکنان را افزایش داد. جمع آوری و ثبت پیوسته کمیات و سیگنالهای مهم می تواند به دو صـورت همزمـان
با بهره برداری و یا موقع خروج از مدار انجام شود. در روش همزمان بـا بهـره بـرداری، ترانـسفورماتور در
حین بهره برداری در پست و نیروگاه مورد آزمایش قرار می گیرد و با دسترسی به اطلاعات لازم بـه بررسـی
وضعیت ترانسفورماتور بدون اختلال در انتقال انرژی صورت می گیرد، ایـن روش در حـال حاضـر جایگـاه
ویژه ای پیدا کرده است. در حالیکه منظور از روش پایش موقـع خـروج از مـدار، انـدازه گیـری و آزمـایش
ترانسفورماتور و اجزاء آن در هنگام عدم اتصال آن به شبکه از نظر الکتریکی است. این نوع آزمـایش ممکـن
است در آزمایشگاه یا در سایت به هنگام خارج بودن ترانسفورماتور از سرویس انجام شود. بـا توجـه بـه در
دسترس بودن کلیه پایانه های ترانسفورماتور و عدم بروز خطرات فشار قوی پیاده سازی این روش ساده تـر
است. از مرحله جمع آوری و ثبت کمیات تا مرحله ارزیابی و تخمین وضعیت داخلـی ترانـسفورماتور و در
نهایت تصمیم گیری برای انجام عملیات مناسب، ممکن است مراحل میانی مختلفی لازم شود. جزئیات کلیـه
این مراحل ونیز جوانب و روشهای تشخیص عیب امروزه با علاقه زیادی از طرف محققین مطالعه و بررسـی
می شوند.[8] در بیشتر قسمتهای یک سیستم عیب یابی تجربه نقش بسیار مهمی را بـازی مـی کنـد. تحلیـل
داده های ثبت شده و حصول یک تصمیم مناسب نیازمند یک سری داده های تجربی از عملیات پیشین است.
شکل( (1-2 قسمتهای مختلف یک سیستم پایش را نشان میدهد. ابتدا بایستی کلیه داده ها و سیگنالهای قابل
اندازه گیری و دسترس پذیر جمع آوری شوند. این داده ها عمدتا توسـط مـدلهای مناسـب بـه پارامترهـایی
تبدیل می شوند که تحلیل آنها و ابراز نظر در خصوص آنها راحتترمی باشد. این پارامترها بـه همـراه مقـادیر
مرزی و آستانه ای کمیاب و نیز اطلاعات جمع آوری شده از شرایط کار عادی ترانسفورماتور در طول بهـره
برداری، برای تجزیه و تحلیل وضعیت داخلی ترانسفورماتور لازم می باشند. بعـد از تکمیـل کلیـه اطلاعـات
١٧
ممکن قابل حصول، ارزیابی حالت و وضعیت کیفی دستگاه به کمک روشهای هوشمند همچون شبکه عصبی
و بررسی تغییرات به وجود آمده در کمیات انجام می شود. سپس بـا لحـاظ کـردن اولویـت هـای مـد نظـر
اپراتور، محدودیت های موجود در شبکه قدرت و پیش آمد خطرات محتمل سعی می شود که یـک تـصمیم
نهایی اتخاذ گردد.

شکل (1-2) ارتباط بخشهای مختلف یک سیستم پایش [9]
از آنجاییکه همواره داده های زیادی جمع آوری میشوند، به عنوان مثال حتی وضعیت موجودی انبار، ذخیره
کردن همه داده های مربوط به یک عنصر در یک بانک داده در فواصل زمانی مـشخص ضـروری مـیباشـد.
شکل((2-2 طرحی از مدیریت بهره برداری را نشان میدهد. همانگونه که از این شکل بر میآیـد، داده هـای
حاصل از پایش به صورت همزمان با بهره برداری مهم میباشند، در مدیریت بهـرهبـرداری نقـش بـازی مـی
کنند. بسته به میزان اهمیت یک کمیت یا سیگنال بخصوص در تـشخیص وضـعیت ترانـسفورماتور و هزینـه
١٨
های مربوط به پایش به صورت همزمان با بهره برداری و موقع خروج از مدار مـی تـوان در خـصوص نـوع
جمعآوری داده ها تصمیم گرفت. به عنوان مثال امروزه پایش حرارتی، به صورت همزمان با بهـره بـرداری و
تـشخیص عیـب سـیمپـیچ هـا بـا اسـتفاده از تـابع تبـدیل، موقـع خـروج از مـدار تـرجیح داده مـیشـوند.

شکل (2-2) ساختار مدیریت بهرهبرداری
لازم به ذکر است که علاوه بر تقسیم بندی سیستم پایش به دو نوع به صورت همزمان با بهره برداری و موقع
خروج از مدار، محققین یک نوع تقسیم بندی دیگر را نیز برای سیستم تشخیص عیب عنـوان مـیکننـد. ایـن
نوع تقسیمبندی در حقیقت به اجزاء مختلف سیستم پایش ارتباط داشته و بـر اسـاس ماهیـت سـیگنال و یـا
کمیت اندازه گیری تنظیم میگردد.
١٩
3-2 روشهای مختلف تشخیص عیب
از آنجاییکه داخل یک ترانسفورماتور قدرت مواد مختلف با خواص کاملا متفـاوتی همچـون آهـن، روغـن،
کاغذ، مس و ... وجود داشته و متعلقات گوناگونی مثل تپ چنجر، بوشـینگ و ... بـه آن اضـافه مـیشـوند،
پدیده های مختلفی از جمله مکانیکی، الکتریکی،شیمیایی، حرارتی و مغناطیسی در عملکرد آن نقش داشته و
در نتیجه امکان وقوع انواع مختلفی از عیوب در ترانسفورماتور وجود دارد. یـک سیـستم پـایش جـامع بایـد
بتواند این عیوب با ماهیت های مختلف را جداگانه تشخیص داده و حتـی میـزان عیـب را مـشخص نمایـد.
روش تشخیص هر نوع عیب به ماهیت آن عیب بستگی داشته و لذا روشهای مختلفی در سیستم پایش وجود
دارندکه از ترکیب آنها یک سیستم جامع تشخیص عیب حاصـل مـی شـود. گرچـه ایـن روشـها کـه توسـط
محققین توسعه یافتهاند، کاملا متنوع میباشند[10]،ولی آنها را می توان به صورت زیر در شش روش جا داد:

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

-1 اندازه گیری و آنالیز پاسخ فرکانسی2
-2 اندازه گیری و آنالیز تخلیه جزئی3
-3 تجزیهو تحلیل گازهای حل شده در روغن4
-4 اندازهگیری حرارتی5
-5 تحلیل پاسخ دی الکتریک6
-6 پایش متعلقات ترانسفورماتور7

2 . Frequency response analysis 3 . Partial discharge analysis 4 . Dissolved gas in oil analysis 5 .Thermal measuring 6 .Dielectric response analysis 7 .Accessories monitoring
٢٠
در هر کدام از این روشها، جهت حصول نتایج مناسب، ابزار نظری و عملی مختلفـی همچـون سیـستم هـای
خبره، شبکه های عصبی و مدلسازی مورد استفاده قرار گرفته اند. در حقیقت روشهای هوشمند نقش مـوثری
در تکمیل سیستم پایش داشته و روز به روز بر اهمیت آنها در سیستم تشخیص عیب افزوده میشود.
لازم به ذکر است که بعضی از روشهای تشخیص وضعیت ترانسفورماتور میتوانند هم بـه طـور همزمـان بـا
بهره برداری و هم موقع خروج از مدار انجام شوند. در این صورت هـر چنـد مـدار آزمـایش در دو حالـت
متفاوت است اما اصول اندازه گیری مشترک است. با رشد و پیشرفت تکنولـوژی بـالاخص در زمینـه پـایش
کامپیوتری پارامترهای زیادی از ترانسفورماتور، امکانپذیر است. ولی هزینه بالای چنین پایشی را باید در نظر
گرفت. لذا انجام یک مصالحه و تعادل بین عملیات مورد نظر سیستم پایش و هزینه ومیزان قابلیـت اطمینـان
آن ضروری میباشد. انجام چنین مصالحهای بایستی بـر اسـاس آمـار عیبهـای روی داده و ترانـسفورماتورها
ونتیجه نهایی این عیوب باشد.
4-2 عیوب مرسوم در ترانسفورماتورها
اگر بخواهیم یک تقسیم بندی ساده از عیوب ممکن ترانسفورماتورها داشته باشیم، می توانیم آنهـا را بـا سـه
نوع زیر ذکر کنیم: [9]
-1 عیوبی کهدر اثر هر نوع شکست الکتریکی بین قسمتهای مختلف داخلترانسفورماتور نتیجه میشوند.
-2 عیوبی که در اثر هر گونه افزایش دمای داخلی بوجود میایند.
-3 عیوبی که در اثر هر نوع تنش مکانیکی روی میدهند.
در واقع میتوان گفت که امکان ممانعت از رشد عیب برای دو نوع اول عیـوب فـوق الـذکر همـواره وجـود
داشتهوباپایش صحیح می توان از گسترش عیب جلوگیری کرد. در حالیکه وجود عیب نوع سوم ممکن است
٢١
پایان عمرترانسفورماتور تلقی شود.تقسیم بندی ظریفتر عیوب توسط محققین مختلف انجام شده اسـت.از آن
جمله میتوان به تقسیم بندی زیر اشاره کرد: [10]
-1 عیب هسته
-2 عیب سیم پیچها
-3 نقص در عملکرد تپ چنجر
-4 اشکال در مخزن و روغن
-5 عیب در پایانه ها
-6 نقص در متعلقات
برای حصول یک سیستم تشخیص عیب با هزینه کم درنظرگرفتن نتایج آماری عیبهای مرسوم در
ترانسفورماتورها مفید خواهد بود. شکل (3-2) یکی از چنین نتایجی را در مورد میزان انواع عیبها در
ترانسفورماتور نشان میدهد. دیده میشودکه در حدود %41 عیبها در تپ چنجر ترانـسفورماتور روی
میدهند. درصورتیکه تپ چنجر جزءمتعلقات ترانسفورماتور محـسوب مـیشـود، عیـب مربـوط بـه
متعلقات %53 خواهـد شـد.در حالیکـه عیبهـایی کـه در سـیمپیچهـا روی مـیدهنـد در حـدود %19
میباشند.بر اساس این نتایج آماری می توان عنوان کرد که مهمترین قسمتهای که باید مـانیتور شـوند،
سیمپیچ ها، عایقاصلی و تپچنجر میباشند. این نتایج در انتخاب پارامترهای مؤثر در سیـستم پـایش
قابل استفاده می باشند.
٢٢
نصب وراهاندازی
%12

تجهیزات جانبی
%12
تپ چنجر
%41
تانک و روغن
%13
هسته
%3

پیچها
%19
شکل -3-2 نتیجه آماری از انواع عیبهای مرسوم درترانسفورماتور[10]
در یک کار تحقیقاتی دیگر [12] چند نوع عیب در ترانسفورماتورهایی کـه ولتاژشـان بـین 88 و
765 کیلوولت و قدرتشان بین 20 و 800 مگاولـت آمپـر قـرار دارنـد مـورد بررسـی و مطالعـه قـرار
گرفتهاند. تحلیل نتایج نشان میدهد که عیبهای رخ داده در ترانـسفورماتورهای کوچـک بـا پیرشـدن
ترانسفورماتور در ارتباط میباشند. در ترانسفورماتورهای متوسط اغلـب عیبهـا در تـپ چنجـر روی
میدهند. در ترانسفورماتورهای بزرگ ناهماهنگی عایقی دلیل اصلی عیبهایی است که در اولـین سـال
کارکرد ترانسفورماتور رخ میدهند.تقسیم بندی عیوب به همراه میزان بروز آنهـا ،در ایـن مرجـع بـه
صورت زیر می باشد:
-1 خطاهای حاصله در اثر ولتاژهای صاعقه وکلید زنی،%12
-2 عیوب مربوط به هسته،%16
-3 نقص تپ چنجر،%23
٢٣
-4 خطاهای حاصله در اثر اتصال کوتاه های مختلف،%8
-5 عیوب ناشی از پیری ترانسفورماتور،%30
-6 سایر عیوب،%11
بر اساس این نتایج، پیری ترانسفورماتورو تپ چنجر مهمتـرین عیـوب بـوده و خطـای هـسته و
عیوب ناشی از ولتاژهای بالا در رده دوم قرار دارند.
٢۴
فصل 3
اصول ومبانی روش آنالیز پاسخ فرکانسی
25
از یک ترانسفورماتور ممکن است در طول بهره برداری جریان های اتصال کوتاه شدیدی ناشی از خطا هـای
مختلف شبکه قدرت عبور نماید. نیروهای ناشی از این جریان ها بسته به شدت خطا قادر به جابجـایی و یـا
تغییرشکل مکانیکی سیمپیچها میباشند.درعمل استحکام مکانیکی عایق هـا افـزایش مـییابـد. حمـل و نقـل
ترانسفورماتور نیز عامل دیگر ایجاد خطاهای مکانیکی در داخل آن می باشد.[13]با این وجود در بیشتر حالت
ها جابجایی و یا تغییـر شـکل مکـانیکی سـیم پیچهـا مـانع انتقـال انـرژی نـشده و باعـث خـروج از مـدار
ترانسفورماتور نمیشود. اما این خطر وجود خواهد داشت که ضربه مکانیکی وارده به عایق سیم پـیچ باعـث
فشردگی یا سـاییدگی آن شـده و در نهایـت باعـث یـک شکـست عـایقی در اثـر اضـافه ولتاژهـای بعـدی
گردد.بنابراین شناسایی جابجاییو خطاهای مختلف سیم پیچها به کمک آزمایـشهای مناسـب اهمیـت زیـادی
دارد. با انجام چنین آزمایشهایی نیاز به باز کردن ترانسفورماتور و بازرسی داخل آن (که پر هزینه و زمـان بـر
است) نمیباشد. معروفترین این آزمایشها روش اندازهگیـری و تحلیـل پاسـخ فرکانـسی (FRA) کـه روش
اندازه گیری تابع تبدیل (TF) نیز نامیده می شود، میباشد. جزئیات کامل این روش در این فصل مورد بحث
و بررسی قرار میگیرد.
1-3 روشهای مختلف شناسایی عیبهای مکانیکی
همانگونه که ذکر شد، استحکام مکانیکی ترانسفورماتورها مخصوصا موقع حمل و نقل و یا به وقوع پیوستن
اتصال کوتاه کاهش مییابد.برای تشخیص عیب تغییر شکل و یا جابجایی سیمپیچها ونیز اتـصال کوتـاه بـین
حلقه ها در سیم پیچها ، به صورت همزمان با بهرهبرداری و یا موقع خروج از مدار ترانسفورماتور روشـهای
مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند. از مهمترین این روشها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
26
-1 اندازه گیری تغییرات امپدانس در فرکانس قدرت
-2 اندازه گیری نسبت تبدیل
-3 آزمایش ضربه فشار ضعیف((LVI
-4 اندازهگیری و ارزیابی تابع تبدیل
کار تحقیقاتی مرجع [14] نشان می دهد کـه روش تـابع تبـدیل حـساسترین روش بـرای تـشخیص عیبهـای
مکانیکی در سیمپیچ بوده و روشهای اندازه گیری دیگر حـساسیت کـافی بـرای آشـکارسـازی جابجاییهـای
کوچک سیمپیچرا ندارد.از اینرو تابع تبدیل از میان روشهای فوق جایگاه ویـژه ای در سیـستم پـایش جهـت
تشخیص عیوب مکانیکی پیدا کرده است.
-2-3 تئوری روش آنالیز پاسخ فرکانسی[15]
اساس روش transfer function، تئوری شبکه دو قطبی میباشد.

شکل(.(1-3ترانسفور ماتور بصورت شبکه دو قطبی خطی
دراین مدل، ترانسفورماتورها بصورت یک شبکه خطی، مختلط وپسیو میباشند. این تئوری، امکان
اعمال یک ورودی و بدست آوردن خروجیهای متفاوت را میدهد. (شکل(.((1-3هرسیگنال خروجی تعریف
شده (ولتاژهای خروجی UAV وجریانهای خروجی IAV و(V=1..n یک تابع بصورت زیر تولید میکند:
27
(1-3) A,u ( f ) U : توابع انتقال ولتاژ Au,V ( f )  TF E ( f ) U (2-3) A,u ( f ) I Ai,V ( f )  TF :توابع ادمیتانس E ( f ) U FFT1ولتاژهای خروجی : UAV(f) FFT جریانهای خروجی : IA,v(f) FFT ولتاژ ورودی : UE (f) نکته قابل توجه آن است که حساسیت توابع تبدیل بـه تغییـرات وعیـوب واقـع شـده در ترانـسفورماتورهـا
متفاوت می باشد و برخی از آنها نسبت به دیگری قابلیتهای آشکار سازی بیشتری دارند.
3-3 روش اندازهگیری تابع انتقال درترانسفورماتورها [15]
بدست آوردن تابع انتقال ترانسفورماتور هم با اعمال پالس ضربه وانـدازه گیـری خروجـی وهـم بـا اعمـال
ورودیهای سینوسی با فرکانسهای مختلف، امکانپذیر است. تعیین تابع انتقال با اعمـال سینوسـی هـای تـک
فرکانس، بصورتی که در شکل (2-3) مشاهده میشـود، انجـام مـیگیـرد. فرکـانس ولتـاژ ورودی سینوسـی
میتواند در یک رنج وسیع فرکانسی تغییرکند. با اندازهگیری خروجی میتوان تابع انتقـال مخـتلط را بدسـت
آورد. (بصورت دامنه و فاز). این روش، "روش جاروی فرکانسی" نامیده می شود.
بااعمال یک تک پالس واندازه گیری خروجی هم میتوان تابع انتقال را مطابق آنچـه در شـکل (3-3) نـشان
داده شده است، بدست آورد. بدین صورت که ترانسفورماتور بوسیله یک ولتاژ ضربه (معمـولا بـین 100 تـا
2000 ولت) تحریک میشود. سپس ورودیهاوخروجیهای گذرا اندازهگیری شده و آنالیز میشوند. طیف

1 .Fast Fourier Transform
28

شکل((2-3اندازه گیری تابع انتقال در حوزه فرکانس
فرکانسی سیگنالهای اندازهگیری شده درحوزه زمـان، بوسـیله FFT محاسـبه شـده و از تقـسیم خروجـی بـر
ورودی، تابع انتقال درحوزه فرکانس بدست میآید. معمولاً ایـن روش،"ولتاژضـربه پـایین" نـام دارد.شـرح
کاملتر روشهای فوق در اندازه گیری تابع انتقال ، در ادامه بیان شده است.

شکل((3-3اندازه گیری تابع انتقال در حوزه زمان
29
-1-3-3 روش جاروی فرکانسی( SFM) 2
دراین روش که به آن روش جاروی فرکانسی نیز گفته میشود، یک موج سینوسی با فرکانس مشخص در
رنج وسیعی از فرکانس که قبلا تنظیم شده، توسط دستگاهی به نامNetwork Analyzer به سیمپیچ اعمـال و
خروجی حاصل از آن اندازه گیری میشود.به علت ساختار دستگاه، در هر بار اندازهگیری فقط یک تابع انتقال
قابل محاسبه میباشد. مدار اندازهگیری دراین روش، درشکل((4-3 نشان داده شده اسـت.S سـیگنال ترزیـق
شده ،R وT به ترتیب اندازهگیریهای مرجع و تست میباشند. Zs امپدانس منبع و ZT امپدانس سیمپیچ تحـت
تست است که امپدانس منبع Network Analyzer معمولاً 50Ω می باشد. مدت زمانی کـه Analyzer بـرای
جاروی فرکانس در رنج فرکانسی مورد نظر نیاز دارد، به میزان فیلترینگ اعمال شده بستگی دارد. معمولاً این
زمان ازکمی کمتر از یک دقیقه تا حدود چند دقیقه متغیراست. در این حالت، نتیجـه انـدازهگیـری بـصورت
دامنه یا فاز قابل بیان میباشد. باتوجه به شکل (4-3) دامنه و فاز بصورت زیر بیان میگردند.

شکل((4-3مدار اندازه گیری تابع انتقال در روش جاروی فرکانس (3-3) K  20log10 (T / R) ϕ  tan−1(T R)
2 .Sweep Frequency Method
30
در رابطه (3-3) ، K و ϕ بترتیب معرف دامنه و فاز تابع تبدیل می باشند.همچنین T وR نیز بترتیـب بیـانگر
سیگنال اندازه گیری شده و سیگنال ورودی اعمال شده می باشند.[4]
-2-3-3 روش ولتاژ ضربه(LVI) 3
در این روش یک ولتاژ ضربه با مشخصات مناسب، بطوریکه بتواند در یـک محـدوده وسـیع فرکـانس،
قطبهای سیستم را به نوسان وادارد، به یکی از ترمینالهای ترانسفورماتور اعمـال مـیگـردد. همزمـان، جریـان
عبوری از این ترمینال یا ولتاژ ترمینال دیگر و یا جریان هر سیمپیچدیگری بـه عنـوان خروجـی انـدازهگیـری
میشود. در اندازهگیریهای ولتاژ کم، دامنه ضربه معمولاً بین 100-2000 ولت میباشد. پهنای باند ورودی هم
تا حد ممکن باید بزرگ باشد. مقادیر متداول برای ضربه ورودی، زمان پیـشانی 200ns تـا 1μs و نـیم زمـان
پشت 40μs تا 200μs میباشند.[16] سیگنالهای اندازهگیری شده در حوزه زمـان، بعـداز فیلترشـدن ونمونـه
برداری به صورت دادههایی در حوزه زمان ذخیره میشوند. سپس به حوزه فرکانس منتقل شده ،تـابع انتقـال
ترانسفورماتور محاسبه میگردد.
-3-3-3 مزایا و معایب روشهای LVI وSFM
روش LVI دارای معایب زیر میباشد[17]
دقت فرکانسی ثابت.این امر موجب مشکل شدن آشکارسازی خطاها در فرکانسهای پایین میشود.
فیلتر کردن نویز سفید مشکل است.
تجهیزات اندازهگیری متعدد موردنیاز است (فانکشن ژنراتور،اسکوپ دیجیتال).

3 . Low Voltage Impulse
31
روش LVI دارای مزایای مهمی میباشد.
توابع انتقال مختلف (تابع ادمیتانس،تابع ولتاژ و... )میتوانند بطور همزمان اندازهگیری شوند.
زمان مورد نیاز برای هر بار اندازهگیری حدود یک دقیقه میباشد.
روش SFM دارای معایب اساسی زیر است
در هر بار اندازهگیری، فقط یک تابع انتقال قابل اندازهگیری است.
زمان موردنیاز برای هر بار اندازهگیری معمولاً چند دقیقه به طول می انجامد.
روش SFM دارای مزایای زیر میباشد.
نسبت سیگنال به نویز بالا( بخاطر فیلترینگ نویز سفید بوسیله .(Network Analyzer
یک محدوده وسیع فرکانسی میتواند اسکن شود.
دقت فرکانسی خوب در فرکانسهای پایین. همچنین دقت فرکانس میتواند متناسب با محدوده فرکانس
اندازهگیری تغییر کند.
+ فقط یک دستگاه اندازهگیری مورد نیاز است(.(Network Analyzer
-4-3 انـــواع روشـــها بـــرای مقایـــسه نتـــایج حاصـــل از
اندازهگیریها[18]
پس از اندازهگیری و انجام محاسبات، نهایتا تابع انتقال بصورت دامنه یا فاز بـر حـسب فرکـانس نمـایش
داده میشود. از آنجا که فاز تابع انتقال هیچگونه اطلاعات اضافیتـری نـسبت بـه دامنـه تـابع انتقـال نـدارد،
استفاده از دامنه تابع انتقال، معمولا برحسب لگاریتم ، مرسوم می باشد. اساس روش تابع انتقال، مقایسه تـابع
32
انتقال اندازهگیری شده فعلی با یک تابع انتقال مبنا می باشد. بر این اسـاس سـه روش شـناخته شـده، بـرای
مقایسه بین نتایج حاصل ازاندازه گیری توابع انتقال وجود دارد.
-1 مقایسه مبتنی بر زمان4
-2 مقایسه مبتنی بر ساختارترانسفورماتور5
-3 مقایسه مبتنی بر نوع ترانسفورماتور6
شکل((5-3 اساس این مقایسهها را نشان میدهد. روش time based از بهترین دقت برخوردار اسـت. در
این روش، اطلاعات اندازهگیری شده بـا اطلاعـات قبلـی کـه درمـورد ترانـسفورماتور وجـود دارد، مقایـسه
میگردد. (البته در شرایط تست کاملاً یکسان). این روش در مورد انواع ترانسفورماتورها کاربرد دارد. معمولاً
این اطلاعات قبلی، هنگام ساخت ترانسفورماتور و در شرایط مـشخص بدسـت مـیآیـد. هرگونـه تغییـر در
مقایسه نتایج، دال بروجود مشکلی در ترانسفورماتور میباشد. اما ازآنجا که اطلاعات مربوط به اندازهگیریهای
قبلی، برای بسیاری از ترانسفورماتورهای درحال کار وجود ندارد، باید روش مناسب دیگـری بـرای مقایـسه
بکارگرفته شود.

شکل(.(5-3 روشهای مختلف مقایسه توابع انتقال

4. Time Based 5 . Construction Based 6 . Type Based
33
یکی از این روشها، استفاده از خاصیت تقارن بکار رفته در طراحی وساخت ترانسفورماتور میباشد. این
روش Construction based نام دارد.

شکل(.(6-3 مقایسه بین فازها یا construction based برای ترانسفورماتور . (150MVA ,220/110/10 kv)
a )دامنه تابع انتقال ادمیتانسb )دامنه تابع انتقال ولتاژ
این روش وسیلهای برای مقایسه توابع انتقال بدست آمده در فازهای مختلف ترانسفورماتور میباشـد. بـرای
هر سه فاز، یک رفتار انتقالی شبیه به هم وجود دارد. تست جداگانه فازها نشان میدهد که برای فرکانـسهای
34
تقریباً بالاتر از 10KHZ ، مشخصات فرکانسی فازهای ترانسفورماتور کاملاً یکسان است. یک نمونه مقایـسه
انجام شده در فازهای ترانسفورماتور در شکل((6-3 نشان داده شده است.[18]

شکل .(7-3) مقایسه بین فازها یا construction based برای ترانس با ثانویه زیگزاگی . (150KVA ,10kv/ 400V)
a )دامنه تابع انتقال ادمیتانسb )دامنه تابع انتقال ولتاژ
دو محدودیت در استفاده از این روش مقایسه وجود دارد. یکی اینکه این روش فقط برای ترانسفورماتورهای
سه فاز ویا بانک ترانسفورماتوری کاربرد دارد. دیگری آنکه، نتایج اندازهگیریهای متعـدد نـشان مـیدهـد کـه
استفاده از این روش درفازهای با سیمپیچیزیگزاگی، برای انجام مقایسه به منظور تـشخیص عیـب ، مناسـب
35
نیست. یک نمونه از این اندازهگیریها در شکل (7-3) نشان داده شده است. روش سوم بـرای مقایـسه type
based نام دارد. در این روش نتایج بدست آمده از ترانسفورماتورهای با ساختار یکسان(معمولاً محصول یک
سازنده هستند)، مبنای مقایسه مـی باشـد. اصـطلاحاً بـه ایـن ترانـسفورماتورها، ترانـسفورماتورهای خـواهر
میگویند. تابع انتقال برای این ترانسفورماتورها، دارای تغییرات خیلی کمـی نـسبت بـه یکـدیگر مـیباشـند.
بنابراین میتواند به عنوان مبنا، برای اندازهگیریهای انجام شده، در نظر گرفته شود.البته با توجه به اینکه هـیچ
دو ترانسفورماتوری ازنظر جزئیات ساخت کاملا یکسان نیستند، این روش ممکن است عیـب یـابی را دچـار
اشکال کند.
-5-3 مراحل پیشرفت روش تابع تبدیل برای پایش
ترانسفورماتورها
تبدیل فوریه پاسخ ضربه یک سیستم خطی نامتغیر با زمان تابع تبدیل یا پاسخ فرکانـسی سیـستم
نامیده میشود. با استفاده از سیگنال تحریک و یا به عبارت دیگـر سـیگنال ورودی و سـیگنال پاسـخ
مربوط به آن میتوان تابع تبدیل را محاسبه کرد. تابع تبـدیل همـراه بـا آزمـایش ترانـسفورماتورهای
بزرگ و نیز به عنوان روشی برای پایش ترانسفورماتورها مورد استفاده قرار میگیرد.
-1-5-3 تابع تبدیل برای آزمایش ترانسفورماتورهای بزرگ
سالهای زیادی است که توابع تبدیل همراه با صنعت آزمـایش ترانـسفورماتورها مـورد اسـتفاده قـرار
میگیرند و با روشهای آزمایش مختلف از نتایج اندازهگیریها تعیین شده و به عنوان وسیلهای برای
36
کنترل کیفیت و نیز تعیین مشخصههای مهم ترانسفورماتور به کار گرفته میشوند.
برای نشان دادن استحکام مکانیکی سـاختار سـیمپیچهـای ترانـسفورماتور مـیتـوان آزمایـشهای
ضربهای را روی آنها انجام داد. به خاطر هزینههای بالای چنین آزمایشهایی تنهـا در برخـی حالتهـای
نادر و یا درصورت درخواست مشتری این گونه آزمایشها انجام داده میشوند. برای تعیین تغییر شکل
مکانیکی سیمپیچها مشخصههای نوسانی بین اندازهگیریهـای قبـل و بعـد از آزمایـشهای ضـربهای بـا
همدیگر مقایسه میشوند. یکی از چنین روشهایی که مدتهای طولانی است مـورد اسـتفاده قـرار مـی
گیرد روش آزمایش ضربه فشارضعیف (LVI) میباشد .[19] در این روش ترانسفورماتور قبل و بعـد
از آزمایش توسط یک ضربه ولتاژ پایین تحریک میشود. مقایسه سیگنال پاسخ ثبت شده قبل و بعد از
آزمایش تغییرات مکانیکی احتمالی در ساختار سیمپیچ را مشخص میکند. یـک روش دیگـر تحلیـل
پاسخ فرکانسی( FRA) 7 میباشد. در اینحالت پاسخ فرکانسی قبل و بعـد از آزمـایش تعیـین میـشود.
پاسخ فرکانسی را میتوان توسط یک آنالایزر شبکه8 مستقیماً در حوزه فرکانس اندازهگیری کرد و یـا
به کمک تبدیل فوریه سریع( FFT) 9 از نتایج اندازهگیریها در حوزه زمان محاسبه کرد (جزئیات مربوط
به روشهای بدست آوردن پاسخ فرکانسی در بخش (2-3) داده شدهاند).
تابع تبدیل یک مدار الکتریکی خطی تغییر ناپذیر با زمان ، یک توصیف کـاملی از مـدار را ارائـه
کرده و به طور نظری مستقل از سیگنال تحریک میباشد. برای حالتهای گذرای ناشی از ضربه صاعقه

7 Frequency Response Analyse 8 Network Analyser 9 Fast Fourier Transformation
37
میتوان ترانسفورماتورها را خطی درنظرگرفت. بنابراین تغییر شکل ولتاژ ضربه تحریـک، حـداقل بـه
طور نظری، تأثیری روی تابع تبدیل نـدارد. بنـابراین بایـستی مقایـسه توابـع تبـدیل بدسـت آمـده از
ولتاژهای ضربه کامل و بریده به عنوان تحریک امکان پذیر باشد .[20]
-2-5-3 تابع تبدیل برای پایش
برای سازندههای ترانسفورماتورها شناخت شکستها و عیبهای عایقی کـه در ترانـسفورماتورها در
اثر ولتاژهای گذرا روی میدهند دارای اهمیت میباشد، چرا که این شناخت برای تعیین ابعاد عـایقی
سیمپیچها لازم است. به همین دلیل در گذشته همواره ولتاژهای کلیـد زنـی در شـبکه انتقـال انـرژی
اندازهگیری شدهاند .[21]
میتوان سیگنالهای گذرایی را که در اثر کلید زنی ترانسفورماتورها و کلیدزنیها در جاهای دیگری
از شبکه ایجاد شده و بر روی ولتاژها و جریانهای کار عادی ترانـسفورماتور سـوار مـیشـوند، بـرای
محاسبه یک تابع تبدیل مورد استفاده قرار داد. با مقایسه توابع تبدیل انـدازهگیـری شـده در زمانهـای
مختلف میتوان وجود تغییر احتمالی در وضعیت عایقی ترانسفورماتور را تشخیص داد. اگر تغییراتـی
در تابع تبدیل مشاهده شوند میتوان وجود یک تغییر ولذا یک عیب را در ترانـسفورماتوراحتمال داد.
اگر توابع تبدیل اندازهگیری شده در زمانهای مختلف یکسان باشند، میتوان نتیجه گرفت که وضعیت
و حالت ترانسفورماتور در فاصله زمانی بین دواندازهگیری هیچگونه تغییری نداشته است.
38
-1-2-5-3 تابع تبدیل برای پایش به صورت همزمان با
بهرهبرداری و در حالت خروج از مدار
پایش وضعیت عایقی ترانسفورماتورها در محل نصب را میتوان اساساً در وضعیت خارج بـودن
از مدار و یا به صورت همزمان با بهرهبرداری انجام داد .[22] برای پایش در وضعیت خارج بـودن از
مدار، طرف ولتاژ بالای ترانسفورماتور از شبکه جدا میشـود تـا انـدازهگیریهـای لازم انجـام شـوند.
درحالیکه در پایش به صورت همزمان با بهرهبرداری، سیگنالهای گذرایی مورد استفاده قرار میگیرنـد
که در طول عملکرد ترانسفورماتور در اثرکلیـدزنیهای ضـروری درشـبکه بـرق ایجـاد مـیشـوند. بـا
اندازهگیریهای در وضعیت خارج بودن از مدار همواره میتوان براحتی آزمایشها را تکرار کرد، چونکه
کلید قدرت تکتک فازها همزمان قطع و وصل نمیشود و شرایط حاکم بعد از کلید زنی کاملاً پایدار
است. با پایش به صورت همزمان با بهرهبرداری، ترانسفورماتور در ارتباط با سایر تجهیزات شـبکه در
حال کار میباشد و به دلیل تزویج الکترومغناطیسی در سیستم سهفاز، یک تحریک گـذرا همـواره بـه
صورت همزمان به تمام پایانههای یک مجموعه از سیمپیچها اعمال میشود.
-2-2-5-3 تـابع تبـدیل بـه عنـوان یـک روش تـشخیص عیـب
مقایسهای
39
در دیدگاه اولیه، روش تابع تبدیل برای پایش ترانسفورماتور یک روش مقایسهای میباشـد. اگـر
اندازهگیریهایی روی یک ترانسفورماتور انجام میگیرند، بایستی نتایج این اندازهگیریها با نتایج مرجعی
مقایسه شوند. برای مقایسه نتایج اندازهگیریها در مرجع [23] سه روش پیشنهاد شده اند:
نتایج اندازهگیریها در زمانهای مختلف، مشخصههای متـشابه سـاقههـای ترانـسفورماتور و نتـایج
اندازهگیریهای ترانسفورماتورهای یکسان طرح شده.
در روش مقایسه نتایج اندازهگیریها در زمانهای مختلف، نتایج جدید با نتایج حاصله در زمانهـای
قبل مقایسه میشوند .[24] چنین نتایج ثبت شده در زمانهای پـیش اغلـب موجـود نمـیباشـند و یـا
نمیتوان شرایط و یا نحوه آزمایش زمانهای قبل را مجدداً تکرار کرد. لذا این روش را میتوان تنها در
مورد ترانسفورماتورهای محدودی بکار برد. تغییرات مکانیکی قاعدتاً همزمان و به یک میزان در تمام
سـتونهای ترانـسفورماتور روی نمـیدهنـد. لـذا مـیتـوان بـه طـور متـوالی فازهـای T, S, R یـک
ترانسفورماتور سهفازه را مورد اندازهگیری قرار داده و نتایج حاصله از فازهای مختلف را با همـدیگر
مقایسه نمود. بسته به ساختمان قسمت فعال ترانسفورماتور، تشابه بین توابع تبدیل اندازهگیری شده از
سه ستون ترانسفورماتور متفاوت میباشد. لذا آشکارسازی تغییر مکانیکی احتمالی همیـشه نمـیتوانـد
حاصل شود. روش مقایسهای سوم که امکان پذیر است مرجـع قـرار دادن نتـایج انـدازهگیـری یـک
ترانسفورماتور هم نوع و هم طرح میباشد. این روش مقایـسهای نـشان مـیدهـد کـه توابـع تبـدیل
ترانسفورماتورهای یکسان در اغلب موارد مشابه میباشند. این مطلب بـه خـصوص در مـواردی کـه
سازنده و سال ساخت یکسان میباشند کاملاً معتبر است.[25]
40
-6-3 عوامل کلیدی موثر بر اندازه گیریهای [17] FRA
نتایج تست FRA فقط به شرایط سیمپیچ ترانسفورماتور بستگی ندارد و از سیستمهای اندازهگیری نیـز بـه
شدت تاثیر میپذیرد. عواملی نظیرمقدارامپدانس موازی، ترکیب سیمهای رابط(طول ونحـوه اتـصال) وغیـره
میتواند اندازهگیریها را تحت تاثیر قرار دهد که در ادامه مورد بحث قرار میگیرد.
1-6-3 تاثیر مقدار امپدانس موازی
در اندازه گیریهـای FRA ، بـرای انـدازهگیـری جریـان پاسـخ از یـک مقاومـت شـنت اسـتفاده میـشود.
اندازهگیریها در یک رنج وسیع فرکانسی انجام میشود که در آن اندازهگیریهای مرتبط با جابجاییهای خیلـی
کوچک سیمپیچ ،که در فرکانسهای بـالاتر((>1MHz آشـکار مـیگـردد، اهمیـت خاصـی پیـدا مـیکنـد. در
فرکانسهای کمتر امپدانس موازی (معمولاً 50 اهم) در مقایسه با امپدانس ترانسفورماتور چندان مهـم نیـست.
اما در فرکانسهای خیلی بالاتر، امپدانس موازی نسبت به امپدانس ترانسفورماتور قابل ملاحظه خواهد بود. در
FRA-S امپدانس موازی معمولاً 50 Ω میباشد که امپدانس ورودی اسپکتروم آنالایزر می باشد. برای ارزیابی
اثر امپدانس شنت روی اندازهگیری های FRA تحقیقات روی یـک ترانـسفورماتور توزیـع و بـا سـه مقـدار
مقاومت موازی 50و10و1 اهم انجام شده است. دو مقدار اول، مقادیر معمول برای تستهایFRA مـیباشـند.
شکل (8-3) اثرات مقاومت موازی را در محدوده فرکانسی 1-10MHz نشان میدهد. واضح است که بـرای
جابجاییهای کوچکتر در سیمپیچ، منحنیهای تابع ادمیتانس با مقاومت موازی کوچکتر، بیشتر تغییر میکنـد.
البته حساسیت نسبی آشکارسازی به اندازه و نوع ترانسفورماتور نیز بـستگی دارد. باتوجـه بـه شـکل (8-3)،
تابع ادمیتانس ورودی در محدوده 2-10MHz فرکانسهای رزونانس مختلفی دارد که این با برخی از مدلهای
41

شکل(.(8-3 اثر مقاومت شنت روی پاسخ فرکانسی تا [17]10MHZ
فرکانس بالای ترانسفورماتور که بصورت خالص خازنی است ، درتعارض میباشد. دریک اندازهگیری عملی
FRA ، تابع انتقال اندازهگیری شده، نه تنها شامل تابع شبکه ترانسفورماتور بلکـه شـامل مقاومـت مـوازی و
امپدانسهای سیمها نیز میباشد. به عبارتی مقاومت موازی علاوه بر اینکه حـساسیت انـدازهگیـری را کـاهش
میدهد، رزونانسهای مدار را نیز فرو مینشاند. این اثر میتواند خیلی مهـم باشـد. ایـن تـاثیر همچنـین بـه
)Qضریب کیفیت) مدار بستگی دارد. شبکهای با Q بالاتر، حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات سیمپیچ دارد.
هنگامیکه جریان مقاومت موازی کوچک است، مقدار Q مدار نسبتاً بالاست کـه ایـن مـورد در شـکل (8-3)
دیده میشود. بنابراین، میتوان نتیجه گرفت که حساسیت آشکارسـازی FRA، بـا افـزایش مقاومـت مـوازی
بطور قابل ملاحظهای کاهش مییابد و ماکزیمم محدوده فرکانسی که به تغییرات سیم پیچ حـساس اسـت بـا
کاهش مقاومت موازی افزایش مییابد.
42
-2-6-3 تاثیر بوشینگ فشار قوی
یک ترانسفورماتور توزیع،که بوشینگ اصلی آن با یک بوشینگ از نوع کاغذ روغنـی 27 KV جـایگزین
شده است، برای مطالعه اثر بوشینگ روی نتایج تستهای FRA بکارگرفته شده است. انـدازهگیـری در بـالای
بوشینگ (top) به مفهوم اندازهگیریهای FRA در ترمینال ورودی بوشینگ میباشـد. در انـدازهگیـری پـایین
(Bottom) ، اندازهگیریهای FRA مستقیماً در سرسیمپیچ فشار قوی درون ترانسفورماتور انجام مـیشـود. در
هر دوحالت پالس ورودی به بالای بوشینگ فشار قوی اعمال میشود. جریان کوپل شده به سیمپیچ ثانویه نیز
بوسیله یک مقاومت شنت اندازهگیری میشود. تنها تفاوت در نقطه اندازهگیری ولتاژ است که یکی در بـالای
بوشینگ ودیگری در پایین بوشینگ انجام میشود. تابع تبدیل ادمیتانس در دو حالـت در شـکل (9-3) آمـده
است. نتایج نشان میدهد که ادمیتانس اندازهگیری شده در سرسـیمپـیچ فـشار قـوی((Bottom ، کـوچکتر از
اندازهگیری در ترمینال بالای بوشینگ (top) است. در فرکانسهای بالاتر از 3MHz اندوکتانس سیم بوشـینگ،
ولتاژ خازن معادل سیمپیچ را کاهش میدهد. بنابراین ادمیتانس اندازهگیری شده در بـالای بوشـینگ بزرگتـر
میشود.
I/V(top)>I/V(Bottom):V(top)<3MHz<9MHz
ادمیتانـسهای انـدازهگیـری شـده تـا فرکـانس 3MHz ، تقریبـاً یکـسان هـستند. بـرای بـالاتر از 3MHz
اندازهگیریهای top با Bottom بطور قابل ملاحظهای تفاوت مییابند. این امر نشان میدهد که نتایج به شرایط
تست از قبیل مکان اندازهگیری و ترکیب سیمهای رابط بستگی دارد. نکته بسیار مهم اینجاست که همـه ایـن
اندازهگیریها با سیمهای رابط خیلی کوتاه انجام شدهاند. درحالیکه در یک اندازه گیری on site مخـصوصاً در
ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ، ابعاد فیزیکی مساله ساز میگردد. برای یک بوشینگ فشار قوی که
43

شکل(.(9-3اندازه گیریهای FRAدر بالا وپایین بوشینگ[17]
5 متر طول دارد سیگنالهای اعمالی باید این طول سیمرا طی کرده تا به بوشـینگ و سـپس بـه سـیمپـیچ
اعمال شوند. مولفههای فرکانس بالای سیگنال منبع بوسـیله خازنهـای بوشـینگ زمـین مـیشـوند. همچنـین
اندوکتانسهای سیم و بوشینگ درمقایسه با امپـدانس ترانـسفورماتور در فرکانـسهای بـالا قابـل ملاحظـه مـی
گردند. این بدان معناست که امپدانس سیمو بوشینگ میتواند تغییرات مورد انتظار در امپدانس ترانسفورماتور
را بپوشاند.بنابراین میتوان نتیجه گرفت که اندازهگیریهـای FRA تـا حـدود فرکـانس 3 MHz تحـت تـاثیر
بوشینگ فشار قوی و سیمرابط نیست اما در فرکانسهای بالاتر از 3 MHz این امپدانسها شروع به اثر گـذاری
کرده و در فرکانسهای بالای 4 MHz این اثرات قابل ملاحظه می گردند.
-3-6-3 تاثیر اتصال نقطه خنثای سیمپیچ فشار قوی
44
چگونگی اتصال نقطه خنثای ترانسفورماتور فشار قـوی، مـیتوانـد روی نتـایج انـدازهگیریهـای FRA تـاثیر
بگذارد. نتیجه تست انجام شده روی یک ترانسفورماتور توزیـع در دو حالـت در شـکل (11-3) نـشان داده
شده است. دریک حالت نقطه نوترال سیمپیچ فشار قوی معلق میباشد. درحالت دیگرنیـز بـه تانـک تـرانس
متصل شده است (زمین شده است). ولتاژ ورودی به یک سربوشینگ اعمـال شـده و جریـان کوپـل شـده از
طریق یک مقاومت شنت 1Ω که بین سیم پیچ فشار ضعیف و تانک قرار دارد، انـدازهگیـری شـده اسـت. بـا
توجه به شکل((10-3، می توان گفت که نتایج از نوع اتصال نوترال تاثیرپذیر است. برای فرکانسهای کمتر از
1/5 MHz این تاثیر اصلاًمهم نیست ونتایج در دو حالت کـاملاً یکـسان اسـت. امـا در فرکانـسهای بـالاتر از
2 MHz ، مقداری تفاوت وجوددارد. بنابراین در تست برای آشکارسازی تغییرات کوچک در سـیمپـیچ ایـن
نکته حائز اهمیت است که در مقایسه منحنیهای تابع انتقال ، شرایط اتصال زمین باید کاملاً یکسان باشد.
-4-6-3 تاثیر سیمهای رابط اندازهگیری

شکل(.(10-3 اثر وضعیت نقطه خنثی در اندازه گیریها( دردو حالت شناور و زمین شده) .[17]
45
اثرات سیمهای رابط فشار قوی و زمین با استفاده از دو سری از کابلهای کواکسیال مختلف بررسی
مـیگــردد. یکـی ســیمهای رابـط اسـتاندارد بــا طولهـای مناســب کـه بـرای انــدازهگیریهــای FRA در
ترانسفورماتورهای قدرت میباشد. و دیگری سیمهای رابـط خیلـی کوتـاه کـه در مـورد ترانـسفورماتورهای
توزیع به کار میرود. درشکل (11-3) تابع انتقال ادمیتانس یک ترانسفورماتور توزیع برای دو نوع سیم رابـط
کوتاه واستاندارد نشان داده است. این سیمها شامل سیمهای زمین پروب وسیگنال ژنراتـور و سـیمهای رابـط
بین بوشینگ و وسیله اندازهگیری بودهاند. این نکته قابل توجه است که دوتابع ادمیتـانس در رنـج فرکانـسی
0- 0/4MHz تقریباً یکسان هستند. بین 0/4MHzتا 2MHz ادمیتانـسها کمـی اخـتلاف دارنـد. ولـی بـرای
فرکانسهای بالای 2MHz اختلاف زیاد میگردد. این امر بیانگر آن است که پیکربندی بـا سـیمهای کوتـاه، در
مقایسه با سیمهای استاندارد امپدانس خیلی کوچکتری(درفرکانسهای بالاتر از (2MHz از خود نشان میدهد.
بنابراین پیکربندی با سیمهای کوتاه ،حساسیت خیلی بیشتری نسبت به تغییرات فرکـانس بـالای سـیم پیچـی
ترانسفورماتور از خودنشان میدهد. همچنین هنگام استفاده از سیمهای بلند برای فرکانسهای بالاتر از

شکل(.(11-3 مقایسه اثرسیمهای رابط کوتاه و بلند در اندازه گیریها تا 10MHZ
46
0/5MHz ادمیتانس اندازهگیری شده قابل مقایسه با ادمیتانس سیمرابط است. لـذا حـساسیت نـسبت بـه
تغییرات در سیمپیچ ترانسفورماتور به شدت کاهش مییابد.
بنابرایندر یک دستهبندی میتوان گفت که اندازهگیریهای با سیمهای بلند تـا فرکـانس 0/5MHz وانـدازه
گیریهای با سیمهای استاندارد تا فرکانس 2/3MHz تا حدود زیادی معتبرند.[26]عوامل متعدد دیگـری ماننـد
موقعیــت تــپ چنجر،دمــا، الگــوریتم نــرم افــزاری بکــار گرفتــه شــده، پیــری عــایق و... روی نتــایج اثــر
گذارند.توضیحات بیشتر در این زمینه در مرجع[27]آمده است.
-7-3 دقت پردازش سیگنال در روش زمانی
برای یک سیستم اندازهگیری دیجیتال ، فرکانس نمونهبرداری، مدت زمان نمونهبرداری وتفکیـک پـذیری10
مبـدل آنـالوگ بـه دیجیتـال، پارامترهـای بـسیار مهـم و تعیـین کننـدهای بـرای بدسـت آوردن تـابع تبـدیل
ترانسفورماتور میباشند.
-1-7-3 فرکانس نمونهبرداری
هیچکدام از طیفهای فرکانسی سیگنال نمونـهبـرداری شـده نبایـد در اثـر نمونـهبـرداری، در آن محـدوده
فرکانسی که مورد استفاده قرار میگیرند روی هـم بیفتنـد. بنـابراین طبـق تئـوری نایکوئیـست11 ، مـاکزیمم
فرکانس معتبری از اطلاعات که میتواند ذخیره شود، برابراست با fNyquist که:
(4-3) f sample f Nyquist  2 فرکانسهای بالاتر از fNyquist ، در هنگام باز تولید سیگنال، دارای مولفههای کذایی خواهند بود.

Resolution ١٠ 11 .Nyquist Theory
47
معمولا در اندازهگیریها به منظور حذف اثر نویزها و مولفه های فرکـانس بـالای غیرضـروری، سـیگنال از
یک فیلتر پایین گذر عبور داده می شود.حداقل فرکانس نمونه برداری لازم fmin را میتـوان بـا توجـه بـه بـه
کمک فرکانسهایf0 وfD به صورت زیر محاسبه کرد:
fmin= fD+ f0( 5-3)
که f0 فرکانسی است که طیف مورد نظر تا آن فرکانس محاسـبه مـی گـردد و fD فرکـانس قطـع فیلتـر
پائینگذر میباشد. با اینحال برای تضمین اجتناب از تداخل فرکانسی بایـستی فرکـانس نمونـهبـرداری از دو
برابر فرکانسfD بیشتر باشد.
fmin ≥ 2 fD(6-3)
با انتخاب یک فرکانس نمونهبرداری بالاتر (f2) از فرکانس نمونهبرداری لازمی که شرط رابطـه (6-3)
را برآورده میکند، (f1)، میتوان نویز کوانتیزهکردن12 را کاهش داد. انتخـاب چنـین فرکـانس نمونـهبـرداری
بالاتر، باعث بهبود در نسبت سیگنال به نویز به میزان زیر میشود.[16]
(7-3)

SNR 10 log f2 f1

-2-7-3مدت زمان نمونهبرداری
مدت زمان نمونهبرداری از سیگنالهای اندازه گیری شونده باید بگونـه ای باشـد کـه تفکیـکپـذیری
فرکانسی طیف محاسبه شده توسط FFT مناسب بوده وافزایش انرژی نویز کوانتیزه نیز در نظر گرفته شود که
در ادامه به آنها اشاره می شود.

12 .Quantization
48
با انتقال سیگنالهای اندازه گیری شده به حوزه فرکانس، تفکیکپذیری فرکانس از رابطـه زیـر و بوسـیله
مدت زمان نمونهبرداری T تعیین میشود.
(8-3) 1 f  T برای اینکه بتوان فرکانسهای تشدید و دامنهها در فرکانسهای تشدید یک تابع تبـدیل را تـا حـد ممکـن
صحیح محاسبه کرد، بایستی تفکیکپذیری فرکانس بهتر از ده کیلوهرتز باشد. درنتیجه حـداقل مـدت زمـان
نمونهبرداری باید 100 μs باشد. همچنین با توجه به سیگنالهای میـرا شـوندهای کـه از ضـربه ورودی ظـاهر
میشوند، میتوان یک انرژی سیگنال تعریف و محاسـبه کـرد. متوسـط انـرژی نـویز بـا ضـرب پـراش نـویز
کوانتیزهکننده که مقداری ثابت میباشد در مدت زمان نمونهبرداری حاصل میشود. بنـابراین متوسـط انـرژی
نویز، هم با افزایش مدت زمان نمونهبرداری و هم با افزایش سطح کوانتیزهکردن q مطابق رابطه زیـر افـزایش
می یابد.
(9-3) 2 q Eqf 12 T انتخاب یک مدت زمان نمونهبرداری بیشتر T2 درمقایسه با T1 نیز موجب کاهش نـسبت سـیگنال بـه
نویز با رابطه زیر میشود:
(10-3) T1 SNR 10 log T2 برای اینکه بتوان اثر نویز کوانتیزهکردن را تا حد ممکن کوچک نگه داشت، بایستی وقتی که سـیگنالها
تا اندازه کافی تضعیف شدند ثبت سیگنالها متوقف شود. از طرف دیگر اگر محاسبه صحیح دامنه فرکانـسهای
مشخصی، حتی آنهایی که در محدوده چند کیلوهرتز قرار دارند، مد نظر میباشـد، بایـستی ثبـت سـیگنال تـا
49
میرائی کامل این فرکانسها ادامه یابد. به عنوان یک مصالحه خوب مقدار مدت زمان نمونـهبـرداری برابـر μs
200 انتخاب میشود.[28]
-3-7-3 تبدیل آنالوگ به دیجیتال
تبدیل یک سیگنال زمان پیوسته به صورت دنبالهای از کلمات باینری رمزشده عـددی بـا اسـتفاده از
مبدل آنالوگ به دیجیتال صورت میپذیرد. فرآیند نمـایش یـک متغیـر بـا دسـتهای از مقـادیر متمـایز را نیـز
کوانتیزهکردن مینامند. به دلیل محدود بودن مقادیر کوانتیزهشده خطایی تحت عنوان خطای کوانتیزهکردن رخ
میدهد. این خطا خـود را تحـت عنـوان نـویز کـوانتیزهکـردن در حـوزه فرکـانس نـشان مـیدهـد. خطـای
کوانتیزهکردن به ظرافت سطح کوانتیزهکردن، یعنی به تفکیکپذیری مبـدل A/D بـستگی دارد. اگـر k تعـداد
بیتهای ADC13 باشد ، دقت دامنه سیگنال بصورت زیر تعریف میشود.
a  2−k 1(11-3)
با افزایش تعداد بیتهای ADC نسبت سیگنال به نویز افزایش پیدا کرده و ماکزیمم فرکانسی که به ازای آن
طیف سیگنال در نویزوارد می شود ، افزایش می یابد.جدول((1-3 مقایسه بین دو مبدل 8 و 10 بیتی را برای
ولتاژ ضربه صاعقه استاندارد نشان میدهد.[28]
جدول(fmax.(1-3 که در آن طیف یک ولتاژ ضربه صاعقه استاندارد در نویز لبریز میشود، به صورت تابعی از تفکیکپذیری مبدل (A/D)

13 .Analog to Digital Convertor
50
فصل 4
انــــــواع روشــــــهای مدلــــــسازی
ترانسفورماتورها
51
یـک ترانـسفورماتور را مـیتـوان بـه صـورت چهـار قطبـی نـشان داده شـده در شـکل (1-4)
درنظرگرفت. برای این چهار قطبی باید مدار معادلی بدست آورد که به عنوان مثال رفتار فرکانسی آن
براساس نتایج اندازهگیری شده باشد. پارامترهای چنین مدار معادلی را میتوان به طرق مختلف تعیین
کرد. یک روش ممکن محاسبه پارامترها، بر پایه ابعاد هندسی ساختمان ترانسفورماتور میباشد. روش
ممکن دیگر روش تحلیلمـدال اسـت کـه در آن پارامترهـای تعریـف شـده در مـدل از روی نتـایج
اندازهگیریهای انجام شده روی ترانسفورماتور محاسبه میشوند.
I2(t)

U2(t) ترانسفورماتور

I1( t)
(U1(t
شکل-1-4 نمایش ترانسفورماتور به صورت یک چهار قطبی
بنابراین میتوان یک ترانسفورماتور را بـسته بـه اینکـه رفتـار ترانـسفورماتور در پایانـههـای آن
موردنظر باشد و یا توزیع ولتاژ و رفتار فرکانسی داخلی آن مورد علاقه باشد مدلسازی کرد. روشهای
مدلسازی را میتوان در سه گروه عمده تقسیم بندی کرد که در زیر توضیح داده میشوند.
-1-4 روشهای مدلسازی جعبه سیاه
اگر تأثیرات متقابل ترانسفورماتور و شبکه تغذیه کننـده مـورد علاقـه باشـد، ترانـسفورماتور بـه
صورت یک جعبه سیاه درنظرگرفته میشود. این مدل وقتی مورد استفاده قرار میگیـرد کـه حالتهـای
گذرا و اضافه ولتاژها در شبکه قدرت مطالعه و تحقیق میشوند.
52
هدف مدلسازی جعبه سیاه این است کـه از مـدل غیرپـارامتری ترانـسفورماتور، بـه فـرم پاسـخ
فرکانسی آن، به یک مدل پارامتری به شکل یک تابع تبدیل و یا به شکل یک مدار معادل [29] برسد.
با توجه به رفتار خطی ترانسفورماتور برای فرکانسهای بزرگتر از 10 kHz میتوان آن را یـک سیـستم
خطی نامتغیر با زمان( LTI) 1 دانست و روند مذکور برآن اعمال نمود. این روش میتواند هم بر مبنای
اندازهگیریهای حوزه فرکانس باشد و هم بر مبنای اندازهگیریهای حوزه زمـان . پاسـخ پلـه یـا ضـربه
اندازهگیری شده و همچنین تحریک ورودی در حوزه زمان به کمک FFT بـه حـوزه فرکـانس منتقـل
میگردند و نهایتاً از آنها تابع تبدیل سیستم مشتق میگردد. تابع تبدیل حاصله مـیتوانـد بـه صـورت
قسمتهای حقیقی و موهومی و یا به صورت تابع دامنه و تابع فاز بیان شود.
تعداد فرکانسهای تشدید در مورد ترانسفورماتورها بسیار متغیر است و میتواند بیش از 20 عـدد
نیز گردد. درنتیجه، روشهای مدلسازی با ساختار ثابت به عنوان یـک مـدل جعبـه سـیاه، آنچنـان در
مدلسازی در حوزه فرکانسی گسترده موفق نخواهند بود. بنابراین بیشتر باید روشهایی موردنظر باشـند
که دارای ساختار متغیراند.
-2-4 بررسی روشهای مدلسازی فیزیکی
در این دیدگاه، موضوع اصلی، رفتار نوسانی ترانسفورماتور و تنشهای الکتریکی بوجود آمـده در
داخل سیمپیچهاست. این روش مشاهده مربوط به مهندس طراح ترانسفورماتور است. مهندس طراح

1 Linear Time-Invariant Sys--
53
باید در مرحله طراحی در مورد عایق بندی سیمپیچها تصمیم بگیرد .[30] این تصمیمگیری بر مبنـای
شبیهسازیهای انجام شده برروی مدلهای فیزیکی است. ساختاراین مدل به صورت یک مدار است کـه
حتی الامکان باید مفاهیم فیزیکی اساسی ترانسفورماتور را دربربگیرد.
در داخل سیمپیچ امکان بروز حالتهای گذرای سریع و خیلی سریع همیشه مطرح است. علت این
پدیده میتواند برخورد صاعقه به خطوط انتقال، کلیدزنی و اغتشاشات دیگر در شـبکه ماننـد اتـصال
کوتاه یا اتصال ترانسفورماتورهای بیبار باشد . در صورت تطابق یکی از فرکانسهای تحریک با یکـی
ازفرکانسهای طبیعی ترانسفورماتور امکان بروز پدیده تشدید در داخل سیمپیچ فراهم مـیگـردد. ایـن
پدیده میتواند عایق سیمپیچ را به طور موضعی تحت تنش الکتریکی قرار دهـد و باعـث خرابـی آن
گردد. البته حفاظتهای معمول ترانسفورماتور مانند برقگیر در جلوگیری از بروز ایـن پدیـده بـیتـأثیر
نیستند. برای اینکه بتوان اضافه ولتاژهای داخلی سیمپـیچ را مطالعـه کـرده و براسـاس آن همـاهنگی
عایقی داخل ترانسفورماتور را درست طراحی کرد بایستی سیمپیچ را به کمک یک مدل پـارامتری بـه
صورت فیزیکی مورد تحلیل و ارزیابی قرار داد. در رابطه با این موضوع دو روش جهت مدلـسازی و
بررسی وجود دارد که در زیر مورد بحث قرار خواهند گرفت.
-1-2-4 مدل خط انتقال چند فازه
درنظرگیری سیمپیچ به عنوان یک خط انتقـال همگـن بـا پارامترهـای گـسترده مـیتوانـد نتـایج
ارضاکنندهای را در مورد سیمپیچ لایهای وهمگن ارائه دهد. مدلسازی سـیمپـیچ بـه صـورت خطـوط
54
انتقال سری شده که از لحاظ مکانی با یکدیگر موازی هستند بر اساس تئوری خط انتقـال چنـد فـازه
n)فازه) است. این تئوری بر ماشینهای الکتریکی و ترانسفورماتورها اعمال شده است. در این روش
پارامترهای سیمپیچ بصورت گسترده درنظرگرفته میشوند و رفتار سیمپیچ توسط معادلات خط انتقال
توصیف میگردد.
-2-2-4 مدل مشروح
مدل مشروح یک مدل RLC برای مطالعه و تحقیق رفتار فرکانسی یک سیمپـیچ ترانـسفورماتور
بنا میشود. در روش مدلسازی مشروح کوچکترین عنصر فضایی در سیمپیچ یک حلقه و یا گروهـی