در این پایان نامه مدلی برای کانال ضربه برگشت براساس تیوری آنتن ارایه شده است. در مدل جدید بجای مقاومت ثابت، مقاومت غیر خطی در کانال توزیع شده است . در این روش کانال به صورت یک آنتن مونوپل عمودی بر روی زمین ایده ال در نظر گرفته می شود و با حل معادله انتگرال میدان الکتریکی در حوزه زمان به روش ممان توزیع زمانی و مکانی جریان روی کانال بدست آورده و میدان های الکترومغناطیسی را در فواصل مختلف از پای کانال محاسبه کرده ایم و نتایج مدل جدید را با مدلهای قبلی تیوری آنتن مقایسه کرده ایم مدل جدید قادر است عبور از صفر را برای میدانهای راه دور ناشی از کانال که در اندازه گیری ها مشاهده شده پیش بینی کند و همچنین با استفاده از توانایی مدل جدید با اعمال المانهای غیر خطی نظیر برقگیر ولتاژالقایی را در حضور برقگیر روی خطوط انتقال محاسبه شده است.

کوره های قوس الکتریک که بیشترین سهم از تولید فولاد جهان را در اختیار دارند، از بارهای بسیار مهم شبکه قدرت محسوب می شوند که به رغم مزایای قابل توجهشان، معایب بزرگی نیز دارند. این کوره ها آثار مخربی را بر شبکه قدرت اعمال می کنند که با توجه به توان بالای این کوره ها می تواند بر سایر بارهای شبکه تاثیرگذار باشد. به علت مسایل گوناگون، بازده این کوره ها به 65-55% محدود می شود. در این پایان نامه ضمن محاسبه اندوکتانس سمت ولتاژ پایین کوره های قوس الکتریک در هر لحظه، به کمک مدلهای موجود برای قسمتهای مختلف کوره، تاثیر در نظر گرفتن تغییرات این اندوکتانس در بازده کوره بررسی می شود. شبیه سازی ها نشان می دهد که به کمک در نظر گرفتن این تغییرات می توان بازده کوره را افزایش داد. علاوه بر این شبیه سازی های انجام شده توسط مدل سه فاز نشان می دهد که در نظر گرفتن تغییرات اندوکتانس سمت ولتاژ پایین در شبیه سازی ها، تنها بر روی عدم تعادل فازها موثر است و بر روی میزان فلیکر و هارمونیک تولید شده توسط کوره قوس تاثیر چندانی ندارد. با توجه به زمان بر بودن محاسبه اندوکتانس، در نظر گرفتن تغییرات اندوکتانس کوره برای بررسی میزان فلیکر و هارمونیک تولید شده توسط کوره قوس الکتریک توصیه نمی شود.

با توجه به اهمیت مبحث سازگاری الکترومغناطیسی که در آن عملکرد متقابل ادوات الکترونیکی شامل دو بخش اساسی تداخل و تأثیر پذیری مورد بررسی و مطالعه قرار می گیرد، محفظه های شیلد دارای جایگاه ارزشمندی می باشند. محفظه های شیلد، محفظه هایی فلزی هستند که سیستم های الکترونیکی داخل آن ها قرار داده می شوند و به این ترتیب قسمت اعظم امواج تداخلگرِ خارج از محفظه، از روی بدنه شیلد منعکس شده و قسمت بسیار اندکی از درزها و روزنه ها وارد محفظه می شود. روزنه های روی بدنه شیلد معمولا برای تهویه و ایجاد قابلیت دید و دسترسی به درون محفظه ایجاد می شوند که نقش عمده ای در ورود و خروج امواج تداخلی در فرکانس های تشدید محفظه دارند. مساله ای که تاثیر آن در کارایی شیلد محفظه های فلزی کمتر مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته، اندازه ی ضخامت بدنه شیلد می باشد که به دلایل الکتریکی و مکانیکی غیر صفر است. در فرکانس های بالا که عمق نفوذ بسیار کوچک می باشد ضخامت دیواره های یکپارچه و بدون روزنه تأثیری در میزان کارایی شیلد ندارد در حالی که در محفظه های روزنه دار همانطور که در این رساله نشان داده می شود، مقدار ضخامت دیواره در محل روزنه در میزان عبور انرژی تداخلگر از روزنه بسیار موثر می باشد و این تاثیرگذاری با افزایش فرکانس به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. از طرف دیگر، اهمیت مطالعات آماریِ کارایی شیلد محفظه های فلزی و توزیع میدان درون آن ها در فرکانس های بالاتر از نخستین فرکانس تشدید با استفاده از تکنیک اتاق طنین، نیاز به یک روش جامع که علاوه بر کارایی و سرعت بالا قابلیت مدلسازی ضخامت بدنه ی محفظه را نیز داشته باشد به خوبی آشکار می سازد. با افزایش فرکانس، در نظر گرفتن مقدار ضخامت دیواره در محل روزنه منجر به دستیابی به نتایج دقیقتر و قابل اعتمادتری برای پیشبینی پارامتر کارایی شیلد می شود. در این رساله برای مدلسازی اثر ضخامت دیواره در محل روزنه ها در محفظه های مستطیلی، از روش ممان مُدی -که روشی برای تحلیل محفظه های با ضخامت صفر می باشد- استفاده شده است. در مطالعات آماریِ رفتار محفظه در فرکانس های بالا، این روش به علت کارایی زیاد آن برای محفظه های روزنه دار با ضخامت صفر مورد استفاده قرار می گیرد. در اینجا، برای مدلسازی اثر ضخامت دیواره روزنه دار در کارایی شیلد محفظه، روش مذکور تعمیم داده شده و معادلات انتگرالی به دست آمده از برقراری شرایط مرزی میدان های مغناطیسی در دو طرف روزنه ها توسط روش مُمان و با استفاده از توابع پایه تمام بازه حل می شوند. به این ترتیب روش ممان مُدی تعمیم یافته (gmmom) از حجم محاسباتی به مراتب کمتری نسبت به روش های عددی که کل محیط و یا سطح ساختار هادی را مشبندی می کنند برخوردار است. روش های عددیی که ضخامت دیواره محفظه را در محاسبه کارایی شیلد در نظر می گیرند به دلیل کوچک بودن ضخامت دیواره نسبت به ابعاد کلی محفظه، در حجم انجام محاسبات و حافظه ی لازم دچار مشکل شده و در مواردی که ابعاد دریچه ها و ضخامت آنها بسیار کوچک است زمان و حافظه بالایی را برای تحلیل مساله لازم دارند. با استفاده از روش ممان مُدی تعمیم یافته، محفظه روزنه دارِ ضخیم که در برابر تابش عمودیِ موج تداخلگر قرار می گیرد، مدلسازی و کارایی شیلد آن محاسبه می گردد. در این روش روزنه ها می توانند هم در دیواره ی در معرض تابش امواج بیرونی قرار داشته باشند و هم در دیواره مقابل آن. با توجه به نتایج به دست آمده از مدلسازی و تحلیل محفظه های شیلد، مشاهده می شود که با افزایش فرکانس اثر ضخامت دیواره غیر قابل صرفنظر شده و ضخامت دیواره به صورت کلی سبب بهبود کارایی شیلد محفظه می شود. در بخش پایانی رساله نتایج به دست آمده از روش ممان مُدی تعمیم یافته با نتایج اندازه گیری مقایسه می شود و در انتها برای محفظه هایی که در دیواره پشتی دارای روزنه ای بزرگ نسبت به ابعاد محفظه می باشند، روشی ارایه می شود که عدم دقت روش ممان مُدی تعمیم یافته را که ناشی از فرض بینهایت بودن دیواره جلویی است از بین می برد. در قسمت دیگری از این رساله -در کنار روش جامع ممان مُدی تعمیم یافته- حالت های خاصی از محفظه هایی با ضخامت صفر و غیر صفر و دارای تعداد زیادی روزنه دایروی یا مربعی با الگوی خاص توزیع مورد مطالعه قرار گرفته و کارایی شیلد این محفظه ها با استفاده از روش مدل خط انتقالی و تعمیم این روش برای تحلیل تعداد زیاد روزنه با احتساب تزویج متقابل روزنه ها محاسبه می شود. به این ترتیب کارایی شیلد یک ساختار پیچیده با استفاده از روش های پیشنهادی برای فرکانس های تا نخستین فرکانس تشدید محفظه با سرعت بسیار بالایی محاسبه می گردد.

معمولا آنتن‏های سیمی دارای عناصری نظیر، مدارات مجتمع، محدود‏کننده‏های ولتاژ، دیودها و ترانزیستورها می‏باشند که همگی دارای مشخصه غیر‏خطی جریان- ولتاژ هستند. اغلب، این عناصر غیرخطی برای خنثی‏سازی اثرات مخرب میدان‏های الکترومغناطیسی ناشی از پالس‏های الکترومغناطیسی صاعقه و یا پالس‏های الکترومغناطیسی هسته‏ای استفاده می‏شوند. بنابراین، آنالیز سیستم‏های الکترومغناطیسی مانند آنتن‏ها و پراکنده‏گرها شامل عناصر غیرخطی از نقطه‏نظر عملی حایز اهمیت می‏باشد. در این پایان‏نامه به آنالیز حوزه فرکانس ساختارهای سیمی با المان‏های غیرخطی در مجاورت زمین تلفاتی پرداخته شده است. این آنالیز را می‏توان به دو مرحله تقسیم کرد. در مرحله اول برای ساختار سیمی مورد بررسی مدار معادل نورتن مایکروویوی آن به کمک روش ممان استخراج می‏شود. لازم به ذکر است اثر زمین تلفاتی در این مرحله به کمک تقریب انتگرال‏های سامرفلد در روش ممان لحاظ می‏گردد. سپس در مرحله دوم با استفاده از روش عملگرهای محاسباتی بهبود یافته که در زمره روش‏های توازن طیفی قرار می‏گیرد به تحلیل مدار مایکروویو بدست آمده از مرحله قبل به علاوه بار غیر خطی می‏پردازیم. به دلیل زمان‏بر بودن مرحله تشکیل جدول نگاشت طیفی در روش عملگرهای محاسباتی، این روش قادر به بررسی مدارات مایکروویو غیرخطی با تعداد فرکانس‏های ورودی بالا نمی‏باشد. از طرف دیگر بنا به نیاز این پروژه به تعداد فرکانس ورودی بالا جهت آنالیز، این روش را برای تحلیل تعداد فرکانس‏های ورودی بالا گسترش داده و روش عملگرهای محاسباتی بهبود یافته را عرضه می‏نماییم. در پایان از روش ارایه شده در این پایان‏نامه برای آنالیز ساختارهای سیمی گوناگون در مجاورت زمین تلفاتی استفاده می‏کنیم.

بمنظور استفاده از روش های هوشمند در مکان یابی، فراهم آوردن بانک داده های آموزشی و آزمایشی و محدود کردن خطای مکان یابی از نکات کلیدی است. بر این اساس، رساله ی حاضر بر سه محورِ مدل سازی، اندازه گیری میدان های الکترومغناطیسی و مکان یابی هوشمند صاعقه، بنا شده است. در این رساله، در محورِ مدل سازی، جهت مدل سازی کانال ضربه برگشت صاعقه ی از نوع ابر به زمین، مدل جدیدی ارائه شده است. در این مدل، کانال صاعقه به صورت یک آنتن مونوپل عمودی با بارگذاری اهمی-سلفی بر روی زمین تلفاتی در نظر گرفته می شود. با حل عددی معادله ی انتگرال میدان الکتریکی در رژیم فرکانسی، توزیع جریان در طول کانال بدست می آید. حل معادله، با استفاده از روش ممان با شرایط مرزی مناسب با مسئله، صورت می گیرد. مدل جدید دو ویژگی مهم را با هم در نظر گرفته که شامل سرعت متغیر انتشار موج جریان در کانال صاعقه و تلفاتی بودن زمین است. این مدل نیازی به استفاده از گذر دهی نسبی محیط اطراف کانال به مقدار بزرگتر از یک را ندارد و امکان تغییر سرعت درطول کانال صاعقه از طریق اعمال بارهای توزیعی سلفی دلخواه را فراهم می کند. این ویژگی به سرعت های متفاوت موج جریان بر روی کانال صاعقه منجر می شود. در مورد ویژگی دوم این نکته قابل توجه است که چون در سایر مدل ها اغلب زمین ایده ال درنظر گرفته می شود، بدیهی است در این حالت، مولّفه افقی میدان الکتریکی وجود ندارد و قابل استخراج نیست در حالی که در مدل جدید با فرض زمین تلفاتی، امکان استخراج همه ی مولّفه های میدان الکتریکی وجود دارد و مقدار آن به علت واقعی تر بودن سرعت انتشار موج جریان در کانال به مقدار واقعی نزدیک تر است که منجر به خطای کمتر در شبیه سازی می شود. بمنظور ارزیابی مدل پیشنهادی، توزیع جریان در طول کانال صاعقه و میدان های الکترومغناطیسی ناشی از آن در فواصل مختلف تولید شده و با نتایج بدست آمده با دو مدل مبتنی بر تئوری آنتن مقایسه شده است. مقایسه ی نتایج بدست آمده نشانگر اعتبار مدل پیشنهادی است. ضمناً نشان داده شده است که بر خلاف مدل های موجود، مدل پیشنهادی قادر به پیش بینی "عبور از صفر" میدان های الکترومغناطیسی راه دور است که در اندازه گیری ها نیز دیده می شود. به کمک این بخش بانک داده های آموزشی فراهم می آید. در محورِ اندازه گیری میدان های الکترومغناطیسی، از یک شبکه ی باند باریک مکان یابی صاعقه با استفاده از میدان های تشعشعی از کانال ضربه ی برگشت صاعقه ی ابر به زمین، استفاده شده است این شبکه از سه ایستگاه اندازه گیری تشکیل شده که مکان هر یک، در راس های یک مثلت است که منطقه ی مورد نظر را پوشش می دهد . ایستگاه ها با هم شبکه ای کم هزینه را تشکیل می دهند که در آنها تبادل داده ها با خط تلفن انجام می شود. هر ایستگاه با الگوریتم های فشرده سازی بر اساس تبدیل موجک ضمن حذف نویز، اطلاعات هر ضربه ی صاعقه را ذخیره می کند همچنین زمان ورود، جهت ورود، پلاریته، مقادیر پیک میدان های الکترومغناطیسی و ضربه ی اول یا ضربه ی ثانویه بودنِ ضربه ی برگشت را استخراج می کند.به منظور مکان یابی صاعقه ی ابر به زمین از روش اختلاف زمان ورود استفاده می شود. با استفاده از داده های ذخیره شده در این بخش، زاویه ی ورود و داده های آزمایشی و ارزیابی سیستم مکان یابی فراهم می آید. در محورِ مکان یابی هوشمند صاعقه، جهت تخمین مکان برخورد به دو پارامتر زاویه ی ورود و فاصله از ایستگاه نیاز است. زاویه ی ورود از نسبت مولّفه های افقی میدان مغناطیسی اندازه گیری شده استخراج و تعیین فاصله با استفاده از سیگنال میدان الکتریکی، انجام می شود. در انجام تخمین فاصله از سه روش الگوریتم تکراری، الگوریتم شبکه ی عصبی پرسپترون و الگوریتم شبکه ی ویولت، استفاده شده است. با استفاده از داده های فراهم شده در مدل سازی و سامانه ی اندازه گیری و بکارگیری آنها در آموزش و آزمایش الگوریتم های مورد اشاره، نتایج حاصله نشان می دهد که روش تکراری قادر به تخمین فاصله بوده اما سرعت آن به دلیل حل تکراری کند است. از طرف دیگر در استفاده از شبکه های عصبی، اگرچه از ابتدا زمان قابل توجهی جهت آموزش لازم است، اما پس از آموزش، بدست آوردن جواب سریع است. لذا این روش برای کاربردهای بی وقفه مناسب تر خواهد بود. در نتایج حاصل از شبکه ی ویولت مزیتی نسبت به شبکه ی عصبی پرسپترون مشاهده نشد ضمن این که در شبکه ی ویولت، سرعت همگرایی کندتر از شبکه ی عصبی پرسپترون است. در بکارگیری دو ایستگاه با روش هوشمند، ارتباط خطا با حالت تک ایستگاهی بررسی گردید و مشخص شد که در این ساختار، خطا ی مکان یابی شامل خطای جهت یابی و فاصله یابی است. در 10 نمونه ی آزمایشی خطای دو ایستگاهی و تک ایستگاهی مقایسه گردید و مشخص شد که خطا در حالت دو ایستگاهی، حدود 3% کمتر است.

سیستم های قدرت معمولا در معرض حالت های گذرای زیادی هستند. از جمله بخش های این سیستم ها خطوط انتقال قدرت از اهمّیّت خاصّی برخوردارند زیرا عناصر گسترده و طویلی هستند و در انتقال توان از نقطه ای به نقطه ی دیگر نقش اساسی دارند. بنابراین طبیعی است که در مدل سازی این عناصر که رفتاری غیرخطّی دارند بحث و مطالعات زیادی انجام شده باشد. در مدل های مرسوم در سیستم های قدرت معمولاً از اثر زمین صرف نظر می گردد. از آنجایی که بازه ی فرکانسی مورد نظر و همچنین میزان رسانایی خاک در نتایج به دست آمده اثر قابل توجّهی دارند، در این پایان نامه به این موضوع پرداخته شده است. لازم به ذکر است که برای توصیف یک خطّ انتقال نیازمند دو پارامتر به نام های «ثابت انتشار» و «امپدانس مشخّصه» هستیم. ثابت انتشار عبارت است از سرعت انتشار امواج سیّار بر روی خطّ انتقال. این سرعت در حالت ایده آل برابر با سرعت نور است ولی در فرکانس های «بسیار بالا» که دیگر نمی توان از اثر جریان های جابه جایی صرف نظر کرد، این سرعت کاهش می یابد. هر چند در این نوشتار و در کاربردهای مورد نظر، ثابت انتشار برابر با سرعت نور انتخاب گردیده است. دیگر پارامتر مورد اهمّیّت امپدانس مشخّصه است که در توصیف خط نقشی اساسی ایفا می کند. در این پایان نامه هدف یافتن امپدانس مشخّصه در فرکانس های مختلف و رسانایی های مختلف است. بررسی در برخی روش های قبل نشان می دهد که این روش ها در فرکانس های بالا و/یا هنگامی که زمین هدایت ضعیفی دارد، با مشکل روبه رو می شوند. این مشکل به مرور در روش های بعدی اصلاح شده است. روش مورد استفاده در این پایان نامه رویکردی جدید به مسأله دارد و با استفاده از تکنیک مطرح شده سعی در حلّ مسأله دارد. در این تکنیک با استفاده از روش میدانی و روش تصویر اصلاح شده معادلات دیفرانسیلی تشکیل می گردد که با روش عددی ممان حل می شود و توزیع میدان و جریان را در سازه ی مورد نظر به دست می دهد. بنابر تعریف، هنگامی که امپدانس انتهای خط برابر با امپدانس مشخّصه گردد، خط به نظر طویل رسیده، انعکاسی نخواهیم داشت. در این پایان نامه نیز با استفاده از این ترفند اقدام به حلّ مسأله شده است.

یکی از روش‏های شبیه‏سازی مسائل پیچیده الکترومغناطیسی استفاده از روش‏های ترکیبی است. زمانی که یک آنتن، بویژه آنتن سیمی در مجاورت یک محیط چند لایه در حال تشعشع است، می‏توان از روش ترکیبی ممان و تفاضل محدود برای شبیه‏سازی استفاده نمود. در این روش قسمت آنتن توسط روش ممان و محیط چند لایه توسط روش تفاضل محدود حوزه زمان حل می‏شود. اگر در محیط چند لایه ساختاری وجود داشته باشد که در مقایسه با مینیمم طول‏موج موجود در محیط خیلی کوچکتر باشد، شرط پایداری موسوم به شرط "کورانت" در روش تفاضل محدود مرسوم ما را مجبور می‏کند؛ برای اینکه روش تفاضل محدود پایدار بماند، بازه زمانی را نیز کوچک فرض کنیم. کوچک کردن بازه زمانی مترادف با افزایش زمان شبیه‏سازی است. در حقیقت مشکلی که در این پایان‏نامه سعی بر حل آن داریم کاهش زمان شبیه‏سازی روش ترکیبی ممان وتفاضل محدود مرسوم است. نوع ویژه‏ای از روش تفاضل محدود که آن را "روش تفاضل محدود نیمه‏ضمنی" نامیده‏ایم را جایگزین روش تفاضل محدود مرسوم در روش ترکیبی ممان و تفاضل محدود کردیم. روش تفاضل محدود نیمه‏ضمنی معادلات "ماکسول" را به گونه نیمه‏ضمنی تقریب می‏زند. همین تقریب نیمه‏ضمنی است که موجب می‏شود شرط "کورانت" از روش تفاضل محدود نیمه‏ضمنی حذف شود و بتوان بازه زمانی را بزرگتر در نظر گرفت تا زمان شبیه‏سازی کاهش یابد. آن ساختار ریز در فضای مسأله را که موجب افزایش زمان شبیه‏سازی می‏شود، یک شکاف فرض کرده و مسأله شکاف را توسط هر دو روش ترکیبی ممان با تفاضل محدود مرسوم و ممان با روش تفاضل محدود نیمه‏ضمنی شبیه‏سازی نمودیم. نتایج بدست آمده حاکی از کاهش زمان شبیه‏سازی توسط روش نیمه‏ضمنی بود.