فهرست مطالب

مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران - سال شانزدهم شماره 1 (پیاپی 46، بهار 1397)

نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران
سال شانزدهم شماره 1 (پیاپی 46، بهار 1397)

  • الف - مهندسی برق
  • تاریخ انتشار: 1397/03/30
  • تعداد عناوین: 9
|
  • مسعود ایوبی، رحمت الله هوشمند *، مهدی ترابیان اصفهانی صفحه 1
    یکی از مهم ترین مشکلات موجود در شبکه های قدرت، وجود رزونانس در نقاطی از شبکه می باشد که باعث افزایش ناخواسته ولتاژ و جریان و بروز خسارت به تجهیزات می شود. با توجه به این که با نصب بانک خازنی در شبکه، مشخصه فرکانسی سیستم تغییر کرده و امکان رزونانس افزایش می آید، لازم است این نکته در تخصیص خازن ها در شبکه در نظر گرفته شود. در این مقاله، شاخص جدیدی برای ارزیابی وجود رزونانس ارائه شده و با استفاده از شاخص رزونانس پیشنهادی، روش جدیدی برای جایابی بهینه خازن ها در محیط هارمونیکی ارائه می شود. در روش پیشنهادی، ابتدا از آنالیز حساسیت استفاده شده تا شینه هایی که بیشترین تاثیر را بر تلفات و افت ولتاژ شبکه دارند، کاندید خازن گذاری شوند. پس از آن، خازن گذاری بر اساس سطوح بار مختلف و با استفاده از تابع شایستگی معرفی شده انجام می شود. در تابع شایستگی، از توابع عضویت فازی مربوط به صرفه جویی اقتصادی، انحراف ولتاژ، THD و قید رزونانس استفاده شده است. روش پیشنهادی با الگوریتم MSPSO، در شبکه 18شینه IEEE پیاده سازی شده است. نتایج به دست آمده، کارامدی این روش را در مقایسه با روش های دیگر نشان می دهد.
    کلیدواژگان: الگوریتم MSPSO، جایابی خازن ها، رزونانس، فازی سازی، هارمونیک
  • محمدصادق عرفی یگانه، نوید غفارزاده *، محمد سروی صفحه 12
    با بهره گیری از روش های کلیدزنی رایج در صنعت، این مقاله دو روش کلیدزنی جدید چندحامله (بر مبنای موج حامل) را برای بهبود مشخصه های ولتاژ خروجی در یک اینورتر یازده سطحی دیود- کلمپ ارائه داده است. هارمونیک های زوج و مولفه DC در روش های پیشنهادی COOD و VFCBOD، با اعمال شیفت فازی در موج حامل، حذف گردیده اند و در نتیجه مقدار اعوجاج هارمونیکی کل و ریپل گشتاور کاهش یافته است. با استفاده از دو روش پیشنهادی، تعداد متوسط کلیدزنی ها در یک دوره تناوب به طور برابر بین کلیدها توزیع می گردد و طول عمر کلیدها افزایش می یابد. در این مقاله یک اینورتر پل کامل به هر فاز اینورتر یازده سطحی دیود- کلمپ برای ایجاد تغییر در پلاریته ولتاژ سری گردیده است تا بتوان الگوهای کلیدزنی بیشتری را برای تولید سطوح معین ولتاژ به کار گرفت. سپس با تعیین صحیح الگوی کلیدزنی ها می توان اینورتر را در صورت خرابی کلیدها با الگوی کلیدزنی جایگزینی راه اندازی کرد و قابلیت اطمینان را افزایش داد.
    کلیدواژگان: اعوجاج هارمونیکی کل، اینورتر چندسطحی، بر مبنای موج حامل، پهنای پالس مدولاسیون چندحامله
  • حسین شفاییه هیق، رضا محبوبی اسفنجانی *، محمد هجری صفحه 21
    در مبدل های چندسطحی چندبخشی با افزایش تعداد سطوح ولتاژ، کیفیت شکل موج خروجی بهبود می یابد و کلیدهای نیمه هادی قدرت، ولتاژ کمتری را تحمل می کنند؛ اما با افزایش تعداد اجزای مدار، تعیین استراتژی کلیدزنی بسیار پیچیده می شود. در این مقاله، در چارچوب روش کنترل پیش بین با مجموعه کنترل متناهی، یک روش کارا برای تنظیم جریان بار، تعادل ولتاژ خازن ها و همچنین کنترل جریان گردشی در مبدل های چندسطحی ارائه می شود که از الگوریتم رمزگشایی کروی برای انجام محاسبات بهینه سازی استفاده می کند. ویژگی مهم رویکرد مورد استفاده، کاهش قابل توجه حجم محاسبات لازم در الگوریتم کنترل است که امکان استفاده از آن را برای مبدل های چندبخشی با تعداد سطوح ولتاژ بالا و برای افق های پیش بینی طولانی فراهم می کند. روش پیشنهادی بر روی یک نوع مبدل سه سطحی، شبیه سازی و مزایای آن در مقایسه با روش های موجود نشان داده می شود.
    کلیدواژگان: بهینه سازی رمزگشایی کروی، کنترل پیش بین، مبدل چندسطحی چندبخشی
  • امید صفدرزاده *، حسین ترکمن، محمد مهدوی فخر صفحه 29
    طراحی بهینه موتورهای الکتریکی به دلیل وجود پارامترهای طراحی مکانیکی، الکتریکی و مغناطیسی یک مساله پیچیده بهینه سازی تلقی می شود، اگرچه اخیرا به واسطه به کارگیری روش های بهینه سازی هوشمند قابل حصول شده است. در این مقاله طراحی بهینه موتور آهن ربای دایم بدون جاروبک رتور خارجی برای کاربرد در ذخیره ساز فلایویل با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات (PSO) به منظور دستیابی به چگالی گشتاور بیشینه در یک بازه سرعت انجام گرفته است. ابتدا معادلات طراحی موتور که مورد استفاده توابع ارزیابی الگوریتم می باشند ارائه شده اند و سپس روند پیاده سازی الگوریتم برای بهینه سازی موتور با تابع هدف چگالی گشتاور تشریح شده است. روند بهینه سازی تابع به همراه تعریف محدودیت های طراحی و مقادیر اولیه پارامترهای موتور به طراحی بهینه ابعاد آن منجر شده است. نتایج طراحی و بهینه سازی با استفاده از روش آنالیز المان محدود (FEA) مورد ارزیابی قرار گرفته و پارامترهای عملکردی ماشین محاسبه و تحلیل شده اند. در نهایت مدل ساخته شده موتور به همراه نتایج عملی ارائه شده که نشان دهنده کاربردی بودن الگوریتم پیشنهادشده می باشد.
    کلیدواژگان: طراحی موتور آهن ربای دایم، بهینه سازی، الگوریتم ازدحام ذرات، تحلیل المان محدود، چگالی گشتاور بیشینه
  • سروناز کلانتری، مهدی وادی زاده * صفحه 37
    مقیاس بندی طول کانال، جریان نشتی افزاره بدون پیوند دوگیتی (DGJL-FET) را افزایش می دهد و در نتیجه توان مصرفی افزاره در حالت خاموش افزایش می یابد. در این مقاله، ساختار نوینی برای کاهش جریان نشتی افزاره DGJL-FET پیشنهاد شده که Modified DGJL-FET نامیده می شود. در ساختار Modified DGJL-FET آلایش کانال در زیر گیت با آلایش سورس و درین یکسان، اما بیشتر از میانه کانال است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد با کاهش ضخامت لایه آلاییده زیر گیت، D، جریان نشتی کاهش می یابد. برای افزاره پیشنهادشده با طول کانال nm 10 جریان خاموشی دو دهه بزرگی کمتر از افزاره Regular DGJL-FET است. عملکرد افزاره Regular DGJL-FET و Modified DGJL-FET برای طول کانال های مختلف بر حسب نسبت جریان حالت روشنی به جریان حالت خاموشی (ION/IOFF)، شیب زیر آستانه (SS) و تاخیر ذاتی گیت مقایسه شده است. برای افزاره Modified DGJL-FET، D و آلایش میانه کانال به عنوان پارامترهای اضافی برای بهبود عملکرد افزاره در رژیم نانومتر در نظر گرفته شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد در افزاره پیشنهادشده با طول کانال nm 15، SS و ION/IOFF نسبت به افزارهRegular DGJL-FET به ترتیب 14% و 6e10 دهه بزرگی بهبود یافته است.
    کلیدواژگان: ترانزیستورهای اثر میدان بدون پیوند دوگیتی، تاخیر ذاتی گیت، شیب زیر آستانه، مهندسی آلایش، نسبت جریان حالت روشن به جریان حالت خاموش
  • طاهره براتی کاشانتویی، سعید روشنی * صفحه 43
    در این مقاله، طرحی نو برای کوچک سازی و بهبود پارامترهای پراکندگی تزویج کننده شاخه ای آمده است. تزویج کننده طراحی شده قابلیت حذف هارمونیک دوم را با سطح تضعیف dB 55/38 دارا می باشد و پاسخ های پراکندگی بهبودیافته مدار پیشنهادی برابر dB 67/67- S11=، dB 09/3- S13=، dB 95/2- S12= و dB 78/49- S14= است. در روند طراحی تزویج کننده پیشنهادی از ساختار خطوط خم شده و استاب های اتصال باز استفاده شده است. تزویج کننده پیشنهادی تنها 6/54 درصد از فضای تزویج کننده مرسوم را اشغال می کند که کاهش سایز قابل ملاحظه ای را نشان می دهد. کوپلر ارائه شده برای کار در فرکانس 4/2 گیگاهرتز، بر روی زیرلایه 5880 RT/Duroid با ثابت دی الکتریک 2/2 ، ضخامت زیرلایه mil 31 H= و تانژانت تلفات 0009/0 طراحی و ساخته شده است.
    کلیدواژگان: تزویج کننده مایکرواستریپی، حذف هارمونیک، ساختار خم، استاب های اتصال باز
  • سعید سبزه بین *، فرید کربلایی صفحه 49
    به دلیل کمبود اندازه گیری در سیستم های توزیع، تخمین حالت در این سیستم ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. روش های مختلفی برای تخمین حالت در سیستم های توزیع ارائه شده است تا دقت حالت شبکه را با این اندازه گیری های محدود بهبود بخشند. در این مقاله، یک تخمین گر جدید حالت در سیستم های توزیع ارائه شده که این تخمین گر بر مبنای پخش بار پیشرو- پسرو است که در هر مرحله با تنظیم بارهای مصرفی، حالت شبکه را تخمین می زند. ورودی های این تخمین گر اندازه گیری ولتاژ در شین مرجع، بارهای مصرفی در شین های بار و اندازه گیری های تزریق صفر در شین های بدون بار می باشند. این تخمین گر با تخمین گر حداقل مربعات وزن دار مقایسه و نتایج آن نشان داده شده است. همچنین در محاسبه اندازه ولتاژ شین ها دارای خطای کمتر و سرعت بیشتری نسبت به تخمین گر حداقل مربعات وزن دار می باشد. شبکه مورد آزمایش در این مقاله، شبکه 85شینه توزیع است.
    کلیدواژگان: پخش بار پیشرو، پسرو، تخمین حالت، تخمین گر حداقل مربعات وزن دار، مکان یابی تجهیزات اندازه گیری، سیستم های توزیع
  • مهدی اره پناهی * صفحه 55
    یکی از مشکلات بزرگ یکسوکننده های سه فاز آلودگی هارمونیکی جریان منابع ولتاژ ورودی و افت شدید ضریب توان است. در این مقاله با استفاده از ترکیب روش کنترل یک پریود و یکسوکننده سه فاز چهارسیمه این مشکلات برطرف شده است. با استفاده از روش کنترل یک پریود یکسوکننده همواره تحت ضریب توان واحد بهره برداری می شود. برای بررسی کارایی روش کنترل یک پریود تزریق هارمونیک و اعمال بار نامتعادل سه فاز سمت منابع ولتاژ در نظر گرفته شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که تلفیق ساختار یکسوکننده سه فاز چهارسیمه و کنترل یک پریود پاسخ های بسیار خوبی در بهبود ضریب توان و کاهش آلودگی هارمونیکی جریان منابع سه فاز حتی هنگام اعمال بار غیر خطی و نامتعادل سمت منابع سه فاز در مقایسه با روش های مرسوم دارد.
    کلیدواژگان: ضریب توان، یکسوکننده سه فاز چهارسیمه، کنترل یک پریود و بار نامتعادل
  • بهروز رضایی علم *، مرتضی میخک بیرانوند صفحه 61
    تاثیرگذارترین عامل در پدیده فرورزونانس برای ترانسفورماتور، اشباع شدید هسته مغناطیسی و ورود به ناحیه غیر خطی است که باعث غیر سینوسی شدن جریان و ولتاژ می شود. از این رو چالش مهم در بررسی فرورزونانس، مدل سازی رفتار غیر خطی هسته مغناطیسی می باشد. در این مقاله برای نخستین بار با لحاظ کردن حلقه هیسترزیس هسته، پدیده فرورزونانس در مد پایه با کمک روش المان محدود مورد بررسی قرار گرفته شده است. برای مدل کردن حلقه هیسترزیس هسته از مدل برداری معکوس J-A استفاده گردیده که باعث ارائه مدل دقیق رفتار غیر خطی هسته تراسفورماتور می شود. با سری کردن خازن های مختلف با ترانسفورماتور مدل شده در حالت بدون بار، وقوع فرورزونانس در حالت ماندگار مورد تحلیل قرار گرفته و نتایج دقیقی از حلقه هیسترزیس، شکل موج ولتاژ، شکل موج جریان، اشباع هسته، تلفات مسی و تلفات آهنی به عنوان مشخصات مهم ترانسفورماتور در این شرایط، استخراج شده است. مقایسه بین نتایج حاصل از شبیه سازی و اندازه گیری، اعتبار مباحث مطرح شده را مورد تایید قرار داده است.
    کلیدواژگان: المان محدود، ترانسفورماتور، فرورزونانس، مدل هیسترزیس برداری معکوس J، A، هسته غیر خطی
|
  • M. Ayoubi, R. Hooshmand *, M. Torabian Esfahani Page 1
    One of the most important problems in power networks is the presence of resonance at some of the buses which leads to an unwanted increase in voltage and current and damage to equipment. Since with installing a capacitor bank in the network, frequency characteristic of the system is changed and resonance is increased, it is necessary to consider this point in allocation of capacitors in the network. In this paper, a new index for evaluating the resonance is presented. Applying the proposed resonance index, a new two-step method for optimal placement of capacitors in a harmonic system is provided. In the first step, a sensitivity analysis is used, then in the second step, the objective function considering technical constraints is optimized using a fuzzy technique. The proposed method is implemented with the MSPSO algorithm on the IEEE 18-bus network. The results show the efficiency of this method in comparison with other methods.
    Keywords: Capacitor placement, harmonics, resonance, MSPSO algorithm
  • M. S. Orfi Yegane, N.Ghaffarzadeh *, M. Sarvi Page 12
    By using usual industrial switching methods, two new multicarrier PWM (MCPWM) methods are proposed in this paper to improve the output voltage characteristics for eleven levels diode-clamped inverter. DC component and Even harmonic orders of the output voltage are totally eliminated in the proposed VFCBOD and COOD methods by applying the phase shift in the carrier wave (carrier-based); so total harmonic distortion (THD) and torque ripple are reduced. By using the both proposed methods, the number of pulses per cycle equally are distributed and increased the lifetime of the switches. In this paper, a full bridge has been series with each phase of eleven levels diode-clamped inverter to change the polarity of the voltage to produce more switching patterns to generate the specified voltage levels. Then, by determining suitable switching patterns, the inverter can be driven with the least of switches when there is a failure and finally increased the reliability of the whole system.
    Keywords: Carrier-based, multicarrier pulse width modulation (MCPWM), multilevel inverter (MLI), total harmonic distortion (THD)
  • H. Shafaiyeh Hiag, R. Mahboobi Esfanjani *, M. Hejri Page 21
    Modular Multilevel Converters, by increasing the number of voltage levels the quality of output waveform is improved and the semiconductor switches tolerate low voltage values. However, design of switching strategy in these complicated circuits is challenging. In this paper, based on sphere decoding algorithm, a predictive controller with finite control set is proposed to regulate load current while minimizing both capacitor voltage variations and circulating currents. The suggested scheme decreases the computational burden of optimization stage which is considerable for long prediction horizons and modular converters with high number of voltage levels. The suggested scheme is simulated for a practical modular multilevel converter to demonstrate its performance compared to some rival methods.
    Keywords: Sphere decoding algorithm, predictive controller, modular multilevel converters
  • O. Safdarzadeh *, H. Torkaman, M. Mahdavy Fakhr Page 29
    Optimum design of electrical motors may be considered as a complex optimization problem due to the wide variety of mechanical, electrical, electromagnetics parameters, although recently it can be accomplished utilizing heuristic optimization algorithms. In this paper optimum design of an out-runner PM BLDC motor for flywheel energy storage applications is performed. The optimization utilized particle swarm optimization (PSO) algorithm to achieve maximum torque density. Accordingly, the motor design equations are employed in the fitness function of the algorithm. Based on the random initial values and respecting the designs constraints, the optimum design is achieved. Effectiveness of the algorithm results are verified by finite element analysis (FEA) and motor operating parameters are obtained and analyzed. Finally, the prototype of the motor is fabricated and experimental results are demonstrated to show the applicability of the model and analysis.
    Keywords: Permanent magnet motor design, particle swarm algorithm, optimization, FEA, maximum torque density
  • S. Kalantari, M. Vadizadeh * Page 37
    Scaling the channel length leads to the increased leakage current of double gate junctionless field effect transistor (DGJL-FET) and, as a result, the increased power consumption in OFF-state. The present paper proposes a new structure for reducing the leakage current in DGJL-FET, which is called modified DGJL-FET. In this structure, the channel doping under the gate is the same as the drain and source doping but higher than the mid-channel doping. The simulation results indicated that reducing the thickness of the doped layer under the gate, D, resulted in the reduced OFF-state current. For the proposed device with 10 nm channel length, the OFF-state current is less than that in the regular DGJL-FET by two orders of magnitude. Performance of the regular DGJL-FET and modified DGL-FET for different channel lengths is compared based on the IOFF/ION ratio, sub-threshold slope (SS), and intrinsic gate delay. For modified DGJL-FET, the mid-channel doping and Dare considered as additional parameters for improving the device’s performance in nanometer regime. The simulation results indicated that in the proposed device with channel length of 15 nm, values of SS and IOFF/ION ratio are improved compared to the regular DGJL-FET by 14% and 106 orders of magnitude, respectively.
    Keywords: Double-gate junctionless field effect transistor (DGJL-FET), gate delay, sub-threshold slope, doping engineering, IOFF, ION ratio
  • T. Barati Kashantoui, S. Roshani * Page 43
    In this paper a novel branch line coupler (BLC) with size reduction and performance improvement at 2.4 GHz is proposed. The proposed branch line coupler suppresses the second harmonic with 38.55 dB attenuation level. The scattering parameters of the proposed BLC are given as follows: S11= -67.67 dB, S12= -2.95 dB, S13= -3.09 dB and S14= -49.78 dB. The bended line structures and open-ended stubs are used in design process. The proposed BLC has 45.4% size reduction compare to the conventional one. The proposed device fabricated on RT/Duroid 5880 substrate.
    Keywords: Branch line coupler, microstrip line, size reduction, harmonic suppression, open ended stub
  • S. Sabzebin *, F. Karbalaei Page 49
    Due to the lack of measurement in distribution systems, state estimation has particular importance. Different methods are presented to improve the accuracy of system state with limited measurements. In this paper a new state estimator in distribution systems are offered. This estimator bases on backward forward load flow estimates system state with adjusting load consumption at each step. Voltage measurements in slack bus, loads and zero injection measurements are inputs of estimator. This estimator is compared with weight least square estimator and its results are shown. The estimator calculates voltage magnitude with less error and also faster than WLS estimator. 85-bus system is presented in this paper.
    Keywords: Backward-forward load flow, state estimation, weight least square estimator, meter placement, distribution systems
  • M. Arehpanahi * Page 55
    Harmonic pollution of source currents and poor power factor are the main challenges of rectifiers. In this paper using one cycle control strategy, rectifiers can be operated at unity power factor. For performance analysis of this method harmonic injection and unbalanced load applied to the source side considered. Simulation results show that combination of three phase four leg rectifier with one cycle control can be improved power factor and harmonic pollution reduction especially in nonlinear and unbalanced loads in the source side.
    Keywords: Power factor, three phase four leg rectifier, one cycle control, unbalanced load
  • B. Rezaeealam *, M. Mikhak Beyranvand Page 61
    Severe saturation of the magnetic core is the most influential factor in ferroresonance that leads to distorted currents and voltages. , modeling the nonlinear behavior of the magnetic core is the most important challenge in ferroresonance study. In this paper, finite element method in conjunction with the inverse Jiles-Atherton (JA) hysteresis model of the steel core, is employed for modeling of a single-phase transformer accurately. Then, ferroresonance is studied by inserting different capacitors in series with the unloaded transformer, and the corresponding variation of copper losses and iron losses are obtained and discussed. Ferroresonance affects the shape of the hysteresis loop that necessitates the retuning of the parameters of the JA hysteresis model. The numerical results agree well with the experimental ones.
    Keywords: Ferroresonance, finite element method, transformers, Jiles-Atherton (JA) vector model