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[硕士论文] 刘亚东
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着配电网中电力电子设备和感性负载的广泛应用,电网系统无功不足的问题也日益突出,为解决这个问题,通常需要装设无功补偿装置。但是传统的硬件电子电路组成的补偿装置存在补偿精度低、补偿速度慢、投切方式不合理等问题。因此,研制智能化、高速度、可靠性高的智能无功补偿装置,对低压配电网的无功补偿具有十分重要的意义。
  本文以对配电网进行无功补偿、提高功率因数、改善电能质量为背景,设计了一种基于TMS320F28335的低压智能电容器。首先研究探讨了智能电容器的工作原理,主要包括电容器无功补偿原理、补偿容量的确定、过零投切技术、电容器投切控制方式以及电网参数计算方法等。然后根据智能电容器的设计规范与标准,在考虑经济性、可靠性的条件下,确定智能电容器的整体设计方案。在投切方式上,选择电压、无功十一域图投切控制方式,避免了电容器“投切振荡”现象的出现。为了满足信号监测实时性的要求,电网参数的计算采用滑动FFT算法。
  设计的内容主要包括硬件电路设计和软件程序设计两部分。其中硬件设计主要有信号的采样和调理电路,辅助电源电路,复合开关电路,人机接口界面,温度检测电路,CAN总线通信电路以及DSP的外围电路等。软件设计采用CCS3.3开发环境进行程序的编写,并通过模块化设计思想,使软件设计更加简单易懂、便于编写调试。软件设计主要包括系统主程序以及各个子程序的设计,并给出相应的流程图以及对其进行详细地说明。最后通过MATLAB/Simulink对智能电容器组成的无功补偿系统进行仿真验证。
[硕士论文] 梁宇
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着经济快速发展和传统能源不断枯竭,以太阳能为代表的新能源成为社会关注的重点。而储能装置是太阳能开发的过程中不可缺少的重要部分。超级电容器是一种新兴的储能装置,具有使用寿命长、制作材料环保、功率密度大等优势。因此,它成为储能领域内的宠儿。本文以光伏直流母线超级电容器储能系统为研究对象,对太阳能光伏发电板的最大功率点跟踪和超级电容器的充放电进行了详细的分析和研究,通过仿真软件验证了超级电容器储能系统对光伏直流母线稳压的效果。
  首先,根据太阳能电池的工作特性建立其通用的工程数学仿真模型,采用变步长扰动观测法控制策略控制Boost主电路实现对最大功率点的跟踪。
  其次,分析超级电容器的储能原理,建立适用于本研究的等效电路模型。选用多飞渡电容均压法进行仿真验证超级电容器均压电路的有效性,然后采用双向DC/DC变换器控制储能系统的充放电,实现能量的双向流动。设计储能系统的主电路参数,构建变换器的小信号传递函数,设计双闭环控制方法。并利用Matlab/Simulink仿真软件构建超级电容器储能系统的仿真模型,验证超级电容器储能系统对光伏直流母线的稳压效果。
  最后,为了实现系统功能设计硬件电路图和软件程序。硬件电路图包括电压采集电路、电流采集、电路驱动电路、辅助电源电路等。软件程序包括超级电容器储能系统的充放电控制算法主程序以及各个部分的子程序。
[硕士论文] 王叶
材料化学工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:聚苯胺(PANI)作为超级电容器电极材料具有很好的应用前景,其具有很高的理论比电容、制备工艺简单、合成原料便宜及绿色环保等优点引起了越来越多的关注,但其实际比容量偏小、电化学稳定性差、产率低等因素一直限制了其在实际中的应用。为此,本课题做了三个方面的内容:(1)用产率高的化学氧化法制备了HCl、HNO3和H2SO4掺杂PANI,研究了氧化剂的量、酸的种类、酸的浓度、合成温度及合成时间对PANI电导率的影响;(2)用还原氧化石墨烯(RGO)与高导电率的PANI进行原位复合,研究了不同比例的PANI/RGO的电容性能和循环稳定性;(3)用液相沉淀法制备了MnO2,再用原位合成法制备了PANI/MnO2复合材料,研究了不同比例的PANI/MnO2的电容性能和循环稳定性。
  研究表明:(1)用HCl作为掺杂酸制备的PANI在结晶性能上要稍优于HNO3和H28O4掺杂的PANI,且更易制备出纤维状的PANI。同时通过测试电导率发现当氧化剂与苯胺单体的摩尔比为1,掺杂酸的浓度为2mol/L,合成温度为0℃,合成时间为8h时,制备出的PANI导电率最高为10.23S/cm。(2)PANI与RGO原位复合后,材料的比电容和电化学稳定性得到了很大提升,当RGO与苯胺单体的质量比为1∶8时比容量最高,用1mol/L的H2SO4作为电解质溶液,在1A/g电流密度下的比电容可达546.75F/g,且循环1000次后仍能保留初始容量的78.65%,远高于纯PANI的比电容(326.27F/g)和循环稳定性(42.31%)。(3)液相沉淀法制备的MnO2属于γ-MnO2,其能很好的分散于PANI中,二种单一材料的阻抗都比较高,经原位复合后的PANI/MnO2的阻抗大大减小了,在MnO2的添加量与苯胺单体的摩尔比为1∶5时,用1mol/L的H2SO4作为电解质溶液,在1A/g电流密度下PANI/MnO2的比电容可高达483.39F/g,且循环稳定性好,充放电1000次后仍能保持初始容量的75.32%。
[硕士论文] 胡俊
应用化学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着储能器件的快速发展,超级电容器越来越受到人们的不断关注与研究。超级电容器具有可实现快速充放电、安全性能稳定、高能量密度与功率密度等特点。为了研制高性能的超级电容器器件,研究与开发具备有形貌独特,电化学性能优异的电极材料成为超级电容器的关键问题。镍基材料作为过渡金属化合物在超级电容器电极材料的应用十分广泛,具有高比电容量、性能稳定、形貌特征多样化等特点。本文从形貌、结构以及功能出发,设计并成功制备了以镍基材料为主的多种复合物电极材料。通过研究其结构、形貌、电化学性能等方面,阐述其材料的独特优点。主要研究内容可概括为以下几个方面:
  通过高温高压反应釜合成NiO/氮掺杂还原氧化石墨烯复合材料,该方法制备过程简单高效,避免通过高温煅烧还原氧化石墨烯纳米片的过程,同时在水热过程中,加入氨水既能够掺杂非金属氮元素,提高石墨烯的导电能力,又能够通过碱性条件下对石墨烯纳米片具有一定的裁剪作用,提高整体材料的比表面积,有利于复合材料在充放电过程中存储和释放电荷。复合材料在恒电流为1A·g-1的条件下,其放电比电容达到233F·g-1,且经过8000次循环寿命测试,依然能够容量保持率达到86%,其电化学稳定性高,可实现长时间的运行与操作。
  通过水热法合成纳米花状Ni8-Co-P-O电极材料,改变掺杂Co元素的质量比。利用Ni、Co两种金属在氧化还原反应过程中的协同作用,提高电化学性能。当Ni∶Co质量比为8∶1时,制备的纳米花状结构Ni8-Co-P-O电化学性能最佳,在恒电流测试电流密度为1A·g-1条件下,其材料赝电容比电容达到956F·g-1。同时为了更好的证明合成材料的商用价值,将其组装成混合型超级电容器,窗口电压高达1.8V。在恒电流密度为1A·g-1条件下,器件的比电容达到106F·g-1。
  通过化学沉积法在处理后的Ni foam上沉积纳米管状材料FeCo2O4,再通过电化学循环伏安法制备纳米片CoNi2S4负载在FeCo2O4管壁上。通过控制电镀反应时间,力求达到最佳的性能,并研究复合材料的形貌、结构,测试电极材料的电化学性能。SEM图能够清晰看到由于电镀时间的不同的区别。TEM图显示纳米片负载在管状材料的管壁上,并从中看到管状内径以及长度大小。在三电极体系下测量电镀10圈条件下的复合材料,测试结果表明,在恒电流密度为5mA·cm-2下,合成电极材料的比电容达到11.607F·cm-2。
[硕士论文] 辛兆鹏
材料科学与工程 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:碳质电极是最早进行工业化生产并一直沿用至今的超级电容器电极材料,其优势主要表现在高的比表面积和优良的循环稳定性方面。泡沫碳作为典型的3D网状分级多孔碳质材料,在超级电容器、锂离子电池等领域表现出极大的应用前景。但由于泡沫碳传统模板法制备技术的局限性,其孔尺寸分布范围较窄,多以微米级孔(100-200μm)为主,比表面积难以满足超级电容器的需求。因此,从泡沫碳的制备技术出发,改善其孔尺寸分布,并针对其微米孔进行修饰,提高比表面积,是实现分级多孔泡沫碳电极在超级电容器中应用的关键。基于此,本论文提出以本征具有多尺寸分布特征的液相泡沫为软模板,结合微波固化及冷冻固化技术制备分级多孔结构泡沫碳,并在泡沫碳的制备过程中,将催化剂前驱体和氧化石墨烯引入树脂体系,通过催化剂高温催化作用和水热技术于泡沫碳孔壁上原位生长碳纳米管和石墨烯气凝胶,实现泡沫碳微米级孔的修饰,提高比表面积。具体研究结果如下:
  (1)以液相泡沫为软模板,结合微波固化法和冷冻固化法制备出微波固化泡沫碳(W-CF)和冷冻固化泡沫碳(F-CF),系统研究了炭化温度对两种固化方式得到的泡沫碳的结构及电化学性能的影响。结果表明:经微波固化和冷冻固化处理,W-CF和F-CF试样均较好的保存了液相泡沫原有的多尺寸分布孔结构,且在泡沫碳微米孔内壁形成了一定量树脂裂解产生的纳米孔;随着炭化温度升高,两种泡沫碳试样的比表面积和比电容量均呈降低趋势;炭化温度为800℃时,W-CF和F-CF试样的比电容达到最大,在0.5A/g电流密度下比电容分别为135.5F/g和120.9F/g。
  (2)在(1)的基础上,引入催化剂前驱体,通过高温催化作用在泡沫碳孔壁上原位生长一维碳纳米管,对其孔结构进行修饰。结果表明:对于碳纳米管修饰微波固化泡沫碳,其仍然保持分级多孔结构。炭化温度升高时,泡沫碳的比表面积、平均孔径增大,比电容随之增大,内阻减小。当增加催化剂量时,泡沫碳中催化生长出的碳纳米管量增加,但比电容有所降低。在炭化温度为1200℃,催化剂量为1wt%时,碳纳米管修饰微波固化泡沫碳获得最大的比表面积及比电容,分别为277.4m2/g和53.1F/g。对于碳纳米管修饰冷冻固化泡沫碳,当升高炭化温度时,其比表面积、平均孔径等略有提升,但其比电容变小,内阻增大。当催化剂量增加时,泡沫碳的孔中催化生长出的碳纳米管增多,此时泡沫碳的比表面积、比电容均有所提升。在炭化温度为1000℃,催化剂加入量为2wt%时,碳纳米管修饰冷冻固化泡沫碳获得最大的比表面积及比电容,分别为160.5m2/g和66.1F/g。
  (3)在(1)中泡沫碳制备的基础上,分别采用模板法和溶胶-凝胶法制备石墨烯气凝胶修饰分级多孔泡沫碳,系统的研究两种方法制备出的泡沫碳的结构与性能。结果表明:在模板法制备的石墨烯气凝胶修饰泡沫碳(W-CF/GA1和F-CF/GA1)中,多孔结构的石墨烯气凝胶填充在泡沫碳的孔中,对泡沫碳的孔进行修饰,使泡沫碳的石墨化程度提高,表面积显著提升,最终使其电化学性能得到改善。模板法制备的两种泡沫碳的比表面积分别为559.7m2/g和981m2/g,比电容分别为0.5A/g下158F/g和178.5F/g。在溶胶-凝胶法制备的石墨烯气凝胶修饰泡沫碳(W-CF/GA2和F-CF/GA2)中,多孔结构的石墨烯气凝胶同样填充在泡沫碳的孔中与泡沫碳之间结合较为紧密,对泡沫碳的孔结构进行修饰改善,提高泡沫碳的石墨化程度,明显提高泡沫碳的比表面积及比电容,降低电极材料的内阻。溶胶-凝胶法制备的W-CF/GA2和F-CF/GA2的比表面积分别为785.8m2/g和737.6m2/g,比电容分别为0.5A/g下211F/g和210.5F/g。
[硕士论文] 龚志强
控制理论与控制工程 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:电力系统是一个强非线性、多维、动态大系统。如果电力系统一旦发生稳定性故障,处理不当可能很快影响全系统的稳定性,往往造成大范围、较长时间停电,给国民经济和人民生活造成巨大损失和严重灾害。因此,设计更加先进的控制器来提高电力系统的稳定性已成为当今重要的研究课题之一。
  本文针对电力系统非线性特性,结合哈密顿函数、无源性、耗散性等理论,提出了哈密顿方法控制器,并且应用在电力系统之中,主要内容包含如下几个方面:
  首先将提出的哈密顿方法鲁棒控制器运用到带静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)单机无穷大电力系统之中。在整个控制器的设计过程中可以看出控制律对系统起到了增加阻尼的作用,能够维持系统的暂态稳定,最后仿真结果也验证了所设计控制器的有效性;
  其次是将哈密顿方法鲁棒控制器应用到带有晶闸管控制串联补偿器(Thyristor controlled series compensator,TCSC)单机无穷大电力系统之中。由于该系统模型并不满足哈密顿系统的结构形式,因此需要加入一个预置反馈,使其满足哈密顿系统的基本结构。另外在控制器的设计过程之中可以看出控制律同样起到了增加系统的阻尼作用,从而了维持系统的暂态稳定。
  最后是将该方法应用到带有汽门开度的单机无穷大电力系统之中。首先是将发电机汽门控制系统转化为哈密顿系统的结构形式,然后再设计控制器,从控制器的设计过程之中可以看出系统的阻尼特性得到改善,从而达到维持系统暂态稳定的目的。
  在上述三个应用之中,无论是在系统的转换过程,还是在控制器的设计过程,都没有对系统进行线性化处理,从而保留了系统的非线性特性,这样就使得所设计的结果更加符合实际的需要。
[硕士论文] 胡伟
化学工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:化石能源枯竭和全球气候变暖使人们对可再生能源的利用日益重视,大力发展清洁能源汽车也成为不可逆转的趋势。高效的能量储存和转换技术是可再生能源利用和发展电动汽车的关键技术之一。超级电容器(supercapacitors)也称电化学电容器。由于具有功率密度高、循环寿命长、能瞬间大电流快速充放电、安全、无污染等特点,超级电容器引起了国内外研究者的广泛关注,成为当前化学电源领域的研究热点之一。本论文主要利用模板炭化法制备多孔纳米炭材料,深入考察了炭化温度和氢气的平衡关系对炭材料性能的影响。利用多功能模板剂控制合成分级多孔炭材料,并通过引入一系列不同的氧化还原添加剂进一步提高超级电容器的电化学性能,对其机理进行深入研究。具体内容如下:
  1.通过模板炭化法合成氮掺杂片状炭材料,其中二苯氨基脲和MgCl2·6H2O分别作为碳源和模板。合成出的氮掺杂炭材料是非晶的炭材料,并且炭材料拥有高比表面积和孔容。更重要的是,向1mol L-1H2SO4电解液中加入氧化还原添加剂对羟基苯甲酸(HBA)、3,4-二羟基苯甲酸(DHBA)、3,4,5-三羟基苯甲酸(THBA)时,超级电容器的比电容和能量密度都有很大的提高。和传统的H2SO4电解液相比,加入HBA后,超级电容器的比电容提高了1.57倍。另外,和H2SO4电解液相比,加入DHBA后,超级电容器的比电容提高了3.18倍。这是因为HBA和DHBA在电解液中发生了可逆的氧化还原反应,在氧化和还原的过程中分别得失一对电子质子和两对电子质子。但和HBA以及DHBA相比,THBA的氧化还原反应是不可逆的。除此之外,HBA和DHBA的氧化还原过程均属于扩散控制。
  2.孔隙率和石墨化程度之间的平衡关系对电极材料的电容性能方面有着至关重要的作用。通过调整炭化温度和用氢气处理的方法,这一问题得到了解决。结果表明,在氢气的环境下,炭化温度为800℃时是获得具有较高表面性能和低石墨化程度炭材料的最佳条件。此外,通过分析炭材料的表面性能可以发现氢气和高温的共同作用能够导致炭材料表面的含氧官能团明显下降。但在氢气的环境下,炭化温度为800℃时,炭材料的电化学性能得到了提高。在氢气的环境下,炭化温度为800℃下得到的炭材料的比电容为171Fg-1,在氮气环境下,炭化温度为800℃下得到的炭材料的比电容为145Fg-1,这可能是由于比表面积和孔容的增大以及阻抗的减小导致的。与此同时,氢气的环境下,炭化温度为800℃下得到的炭材料具有更高的循环稳定性(循环5000次后比电容衰减3.7%)和能量密度(8.36Wh kg-1)。
[硕士论文] 孙晓娜
应用化学 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:超级电容器作为一种新型的储能装置,因其具有高功率密度、长循环寿命、高倍率性能等优点而引起了科研工作者的广泛关注。然而,超级电容器具有能量密度较低的缺点,在一定程度上限制了其发展。因此,为了进一步提高超级电容器的能量密度,大量研究工作集中在设计电极材料和电解液体系上。本论文研究中,首先呈现了一种直接有效的模板炭化法来制备高性能的炭基电极材料,其次通过添加少量的氧化还原添加剂到电解液中进一步来提高超级电容器的电容性能,并对其反应机理进行详细的研究。论文的主要内容如下:
  1.采用模板炭化法制备高比表面积(2208m2g-1)的二维纳米多孔炭材料。其中,葡萄糖作为碳源,硝酸锌为模板。此外,提出一种新型的氧化还原介质硫酸亚铁铵(简称为FAS)添加到酸性电解液H2SO4中并调节二电极体系中的电压窗口可以极大地提高超级电容器的电容和能量密度。而且,把FAS作为添加剂加到传统的H2SO4到电解液,到目前为止还没有相关的研究。当超级电容器的电压窗口调节为-0.5~0.5V,将0.39mol L-1的FAS添加到1mol L-1H2SO4电解液中,在电流密度为10Ag-1时超电容产生1499Fg-1的超高比电容,几乎是没有添加FAS的空白样品比电容值(53Fg-1)的28倍,其增加的倍数远远高于之前的相关文献报道。而且令人惊奇的是,其最大能量密度可高达58.70Wh kg-1。该样品性能的显著提高不仅与电解液添加剂FAS发生法拉第氧化还原反应而产生额外的赝电容有关,而且与边缘活性炭原子对Fe2+/Fe3+,NH4+等离子表现出优异的电吸附也有关。另外,调节电压窗口也对超级电容器的电容性能起着至关重要的作用。在本节实验中结果表明:当超级电容器的电压窗口调节为-0.5~0.5V,其电容性能和能量效率达到最佳。
  2.如何大规模生产二维炭材料仍然是一个有趣的问题,在本节工作中,通过简单的模板炭化法,已经制备出了具有大比表面积为1229m2g-1和高孔容为1.66cm3g-1的二维纳米炭材料。其中,采用硬脂酸钠和镁粉分别作为碳源和模板。更为重要的是,我们展示了由KI和蒽醌-2-磺酸钠(AQS)组成的二元氧化还原添加剂以提高超级电容器的比电容。迄今为止,在正负两极上同时发生氧化还原反应的机理,特别是二元氧化还原添加剂的反应机理尚不清楚。因此,进一步探索和理解这一类型的反应机理对于超级电容器的实际应用是非常必要的。此外,采用中性电解液KNO3可以扩宽炭基超级电容器的工作电压窗口。结果表明:KI和AQS分别在正极和负极发生氧化还原反应,而且呈现的工作电压窗口高达1.8V,远远大于水的理论分解电压(1.23V)。当二元氧化还原添加剂KI和AQS添加到KNO3电解液中,当功率密度为1000W kg-1时,超级电容器的能量密度高达33.81Wh kg-1,其值远远高于没有任何添加剂的空白样品的能量密度(在相同功率密度下,其值为9.40Wh kg-1)。此外,该超级电容器还具有较低的自放电和优异的循环稳定性。
[硕士论文] 许冬
化学工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着人们对能量储存效率要求的提高,近年来超级电容器被作为一种高效率的储能器件而被人们广泛的研究。所以,本论文是以围绕如何优化超级电容器电化学性能为中心而展开。首先,利用模板炭化法制备性能良好的电极材料;其次引入两种氧化还原添加剂到超级电容器中来提高其电化学性能。同时,通过对比两种氧化还原添加剂的电化学特征,两种添加剂之间的协同效应也被分析。最后,利用各个样品的电化学数据分析结果,探讨了几个重要因素对超级电容器性能的影响。其具体的分析结果如下:
  为了提高超级电容器的电容,二元氧化还原添加剂体系已经被广泛的运用(如将一定量的钼酸钠和碘化钾添加到硫酸溶液中组成二元体系)。这主要是因为两种不同的添加剂在相同的电压区间可能会产生协同效应。并且这种协同效应主要是归因于在氧化还原过程中形成了一种复合物(MoxIyO4x)n-Cz,而这种复合物能够在电极材料和电解液界面之间促进Mo离子和I离子的氧化还原反应。在另一方面,这种协同效应还受到许多因素的影响,如两种氧化还原添加剂的摩尔比、添加剂各自的浓度和工作的电压窗口。并且,在二电极体系和电流密度为3A g-1的情况下,同时引入0.1mol L-1钼酸钠和0.1mol L-1碘化钾到1mol L-1硫酸当中,可以发现超级电容器的比电容得到了明显的提高(其比电容是没有添加任何添加剂样品的17.4倍)。并且,在合适的电压窗口(0~1V)下,相对应的能量密度约高达65Wh kg-1。此外,这些多种氧化还原添加剂之间的协同可以被广泛的推广到其他体系,用来来提高超级电容器的电化学性能。
  其次,在本论文中,利用对称二苯硫脲和Mg(OH)2粉体分别作为炭前驱体和模板剂,来制备一种新型高比表面积的二维纳米炭材料。然后,基于两种有效的氧化还原添加剂1,4-二羟基蒽醌(DQ)和对苯二酚(HQ)分别在电极材料和电解液(H2SO4)界面之间的合作效应,来显著地提升超级电容器的电容性能。更为重要的是,这种合作效应是来源于发生在电极炭材料中DQ和H2SO4电解液里HQ两种物质连续的氧化还原反应过程。此外,DQ和HQ氧化还原添加剂的用量对超级电容器的电化学性能起着决定性的作用。因此,通过一系列的实验数据对比发现,能够确定最佳的实验条件是:在固体电极中DQ物质的质量和多孔炭材料的质量比为1∶1;同时在1mol L-1H2SO4电解液中:HQ物质的浓度为20mmol L-1。结果表明,在最优的实验参数下,当电流密度为3Ag-1时,超级电容器最大比电容能够达到239Fg-1,并且相应的最大能量密度达到21.1Wh kg-1,而这是没有引入任何氧化还原添加剂样品能量密度的3.5倍。
[硕士论文] 胡小品
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:离子聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是一种极具应用潜力的柔性智能材料,这种材料在低于10V的电压驱动下,可以产生较大的末端输出位移,在柔性机器人、航天航空、生物医疗等诸多领域都展现了丰富的应用前景。IPMC材料的主要缺点是有很严重的非线性特性。非线性特性的存在会影响材料在应用过程中的稳定性。因此对IPMC的建模及其控制显得至关重要。
  本文首先通过手工刻蚀法分别制备了两片和三片电极结构IPMC阵列式驱动器样片,然后分别对其进行了不同直流电压组合下的测试,研究了其变形特征。然后通过实验测量IPMC悬臂梁在直流电压下的响应,提出了针对IPMC松弛效应的控制策略,即模糊PID控制IPMC弯曲变形。以IPMC位移的误差及误差变化率作为模糊PID控制器的输入,PID控制器的参数增量作为模糊PID控制器的输出,实现了对PID控制器的参数自校正。利用Matlab/Simulink分别对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行仿真,仿真结果表明:模糊PID控制系统对比常规PID控制系统,响应时间领先1.3s,最大超调量相降低了74.5%,稳态误差降低了65.6%。并采用STC51单片机对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行了IPMC末端输出位移控制实验,实验结果表明:模糊PID控制系统对比常规PID控制系统,响应时间领先8s,最大超调量相降低了77%,稳态误差降低了49%。验证了模糊PID控制系统对IPMC末端输出位移的控制效果具有一定的优势。最后尝试IPMC自传感的方法对IPMC阵列式驱动器进行弯曲控制,即通过建立IPMC末端输出电压和IPMC弯曲曲率之间的关系,利用单片机采集IPMC自身末端输出电压作为反馈信号实现对IPMC阵列式驱动器的弯曲曲率控制,验证了该方法的可行性。
[硕士论文] 朱子豪
化学工艺 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:本论文通过多种方法制备尖晶石结构过渡金属氧化物、硫化物及其复合物。通过场发射扫描电镜、高分辨透射电镜、X射线光电子能谱、X射线衍射和拉曼光谱对复合物的结构和形貌进行表征。另外,还利用电化学工作站测试循环伏安、充放电和交流阻抗等数据来探索它们的电化学性能。具体研究内容主要分为三个部分:
  1.通过乙酸镍、乙酸锰与草酸共沉淀法制备草酸盐前驱体。通过改变溶液体系中乙醇与水比例对前驱体形貌进行控制,在V乙醇/V水=4/1时获得一维棒状结构。将前驱体在空气中煅烧获得NiMn2O4,并探究最佳煅烧温度。通过在共沉淀过程中加入氧化石墨烯悬浮液制备草酸盐前驱体/氧化石墨烯复合物,将其在最佳温度下煅烧获得NiMn2O4/还原氧化石墨烯复合物,通过改变氧化石墨烯加入量探究不同复合量对电化学性能的影响。
  2.将乙酸锌、乙酸锰与1,3,5-苯三甲酸反应制备前驱体。通过改变溶液体系组成对前驱体形貌进行控制,在V乙醇/V水=1/1时获得最佳的一维棒状结构前驱体。通过在不同氛围下煅烧获得不同产物。将前驱体在空气中450℃煅烧获得ZnMn2O4。将前驱体在氮气中500℃煅烧后再于空气中300℃煅烧获得ZnMn2O4/多孔碳复合物。此类ZnMn2O4/多孔碳复合材料比表面积高达143m2g-1,作为超级电容器电极材料展现出良好的电化学性能。
  3.以硝酸铜、硝酸钴、1,3-苯二甲酸反应制备配位聚合物微球作为前驱体。将前驱体在乙醇溶液中与硫代乙酰胺于120℃通过溶剂热反应4h硫化获得核-壳结构Cu0.5Co2.5S4,随后将其置于N2氛围中350℃煅烧30mm以提高结晶性。随后,对材料电化学性能进行探究,实验结果表明材料作为超级电容电极材料有着优异的表现。值得一提的是,实验结果表明核-壳结构Cu0.5Co2.5S4作为尖晶石结构金属硫化物,也表现出优异的OER催化性能。
[博士论文] 郭凯凯
电气工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:磁通反向直线旋转永磁作动器(Flux reversal linear and rotary permanent magnet actuator,FR-LRPMA)是一种将磁通反向原理与直线旋转永磁作动器结合的新型电磁执行机构,可实现旋转、直线或螺旋运动。在工业驱动领域诸如数控机床、医疗设备、机器人以及航天航空等方面有很强的应用需求。因此,开展该类作动器的设计、分析和驱动控制具有重要的理论意义和实际的工业应用价值。
  本文对直线旋转作动器的设计及驱动控制系统的研究现状进行了综合分析,总结了典型结构的特点及其性能特征。提出了FR-LRPMA拓扑结构,对其工作原理以及主要电磁参数计算进行了研究,建立了理想线性模型以计算其电感、磁链特性等参数,并用三维有限元对其进行了验证。
  采用三维解析法计算FR-LRPMA的空载气隙磁场。假设定子和动子为无槽结构,将管状结构等效成平面模型,在笛卡尔坐标系下计算平面模型的三维解析磁场,进而计算曲率系数,减小平面解析磁场与圆柱型解析磁场之间的误差,通过计算气隙相对比磁导,分析由于定子永磁极和铁极磁导不同对气隙磁场的影响,以及定子槽和动子槽对气隙磁场的影响,推导了空载情况下的气隙磁场解析公式。基于Maxwell应力张量法和虚功法,推导了作动器的齿槽转矩、直线定位力、转矩和直线推力的解析公式,并以齿槽转矩、直线定位力和转矩脉动的幅值最小化,转矩最大化为目标,对结构进行了优化。
  通过对永磁体发生不可逆退磁的机理、退磁模型的研究,分析了影响FR-LRPMA永磁体退磁的主要因素,为了降低永磁体发生不可逆退磁的风险,提出了可以将永磁体厚度、温度、动子旋转位置和电流等因素考虑在内的拟合公式,来确定永磁体的最小工作点,综合分析得到永磁体厚度的最优值和额定条件下允许的最大电流值。
  分析了磁通反向型电机与传统永磁同步电机控制模型的区别,推导了FR-LRPMA的九相定子坐标系下及双dq动子坐标系下的数学模型,在Matlab/Simulink中建立了基于空间矢量脉宽调制算法(Space vector pulse width modulation,SVPWM)控制系统的仿真模型,并进行了仿真分析,实现了直线、旋转或螺旋运动。
  根据设计分析和控制仿真结果,制作了FR-LRPMA原理样机。搭建了以DSP芯片为核心的实验系统。采用双dq变换及SVPWM对样机的主要性能参数进行控制测试,实现了FR-LRPMA的解耦控制,验证了样机设计、解析计算方法、控制策略的正确性,为FR-LRPMA的工程应用奠定良好的理论基础。
[硕士论文] 付彦冰
电气工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,我国电网的发展开始向大容量、超(特)高压方向迈进,基于周期的传统设备检修模式已渐渐显现其局限性,如时效性较差,按固定周期进行例行试验,不能及时发现电气设备潜在的绝缘缺陷;其次有效性较差,设备实际运行电压下的温度、状态参数等与停电时存在明显差异。正因为电气设备的绝缘损坏具有潜在性及突发性,迫切需求研究、探索一种新的检修管理模式来提高运行设备的可靠性,使检修工作更具针对性,同时兼顾电网安全、环境、效益等多方面因素。带电检测因具有投资少、测试时间灵活、易于维护等优点,从而有较广阔的发展前景。
  本文首先阐述了开展电气设备带电检测的目的、意义以及国内外的应用情况。重力研究避雷器泄漏电流及电流互感器电容量及介损因素等运行参数的带电测试,设计实现了氧化锌避雷器带电检测装置和电流互感器的带电检测装置。避雷器带电检测装置采用阻性电流法,利用压变二次法获取电压信号,结合GPS和无线通信技术,通过隔离器和主机实现了电压信号的无线传输,包括数据采集模块、GPS授时模块、无线通讯模块。电流互感器带电检测装置采用取样电阻取电流法,采用PT二次端间接与控制表计室内直接读取运行相电压两种方式获取电压信号,包括接地漏电流测量模块、设备运行相电压测量模块和实行逻辑运算执行功能模块。最后,根据现场实际结合仪器参数,编制了两项装置的带电检测细则,进一步规范带电检测作业流程,提高测试过程的安全性以及测试数据的准确性。
[硕士论文] 徐晓冬
电气工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:统一潮流控制器(UPFC)是FACTS家族中功能最强大的装置,能对相角、阻抗以及电压同步进行控制,做到提升系统的输送容量与稳定性。近几年来,已经逐步发展成电力系统研究对象中的热点问题。
  本文先是对统一潮流控制器的发展和使用情况做了介绍,接着分析讨论了UPFC的运作方式和工作原理,并在其基础上,利用功率注入法制定出了UPFC的数学模型,通过PSASP程序建立潮流控制的UPFC模型。根据UPFC所呈现出的动态过程,按照UPFC的控制目标,在d-q变换的基础上,对含UPFC装置的系统进行解耦研究,针对串联侧和并联侧进行功率与电压的PI解耦控制,根据等效电路便能获得UPFC的动态模型,可在PSASP中建立出动态模型进行分析。通过IEEE-14节点系统对模型所做的仿真计算,利用结果能验证模型的有效性,同时验证UPFC有着效果显著的潮流调节功能,同时能提高暂态稳定性。
  根据灵敏度算法对UPFC的选址深入分析,按照江苏电网的特点落实UPFC装置能适用的安置点。由于江苏电网有着潮流分布不均、特高压直流“N-1”故障后苏南部分断面线路越稳定限额、输送容量受到限制的问题,采用UPFC模型对江苏电网做进一步仿真,结合适当的参数,便能得到科学有效的潮流结果,以期达到解决苏州南部重要输电线路潮流分布不均问题的目的,同时,进一步提升相关重载线路的输送容量。
[硕士论文] 曲文韬
电气工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:SF6气体绝缘全封闭组合电器(以下简称GIS),将多种电器设备组合在一起,大大减少了土地占用面积、受外界环境影响较少,具有更高的运行可靠性、日常维护方便、检修周期叫传统电力设备更长等优点,成为电力系统高压电气设备最常用的使用方式。自20世纪80年代,GIS设备在中国进入高速发展期。但当GIS运行一定年限之后,其存在的问题也逐步暴露出来:GIS内部存在设备隐患不易被发现,待隐患发生成为故障后,故障位置和原因的判断以及设备检修相当困难,需要对处理故障时停电范围比常规敞开式电器设备要大,需要对设备解体检查,检修时间跨度较大。因此,迫切需要对GIS设备内部常见故障进行研究,分析故障原理及特征,提高预防手段和处理流程。
  本论文首先对SF6气体的绝缘特性进行了研究,明确了影响其绝缘特性的主要因素。SF6气体具有优良的绝缘性能,然而其绝缘强度受到很多因素的影响。例如,电极表面状态、气体中的导电杂质等。因此,当外施电场强度高达10-20kV/mm时,均匀电场中SF6气体的击穿电压值开始偏离巴申定律。为了消除电极表面微小毛刺及气体中导电微粒对SF6气体击穿强度的影响,对SF6气体绝缘系统实行“净化”处理。
  然后对局部放电的机理和常用的带电检测技术进行研究分析,介绍了常见的GIS内部故障种类,指出内部放电是引发内部故障的重要因素之一。分析GIS在制造、运输及安装过程中,由于制造工艺、碰撞损伤以及人员安装、检查不到位等因素,造成部件损伤或内部留有杂质,容易造成设备在运行中发生局部放电,甚至引起设备击穿。并对常见的几种内部放电型式的放电过程及危害进行了分析。
  组合电器内部放电故障常见于温度升高、绝缘损坏及金属部件损坏产生,基于以上原理,在组合电器故障处理领域国内外学者作了多方面研究,提出了多种解决方案,但是仍存在各项不足,因此文章在带电检测方法的基础上提出了多种手段联合运用、质量监控关口前移的思路,对组合电器故障进行实时监测及事故预警,以及时发现故障,避免故障的进一步扩大。
  本文通过分析内部放电故障发生的原因,从设备运行和维护方面提出了预防措施,为GIS内部故障处理及风险预控提出了新的思路,具有广泛适用性。
[硕士论文] 王维杰
电气工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:变电站汇控箱、端子箱等电力箱体是变电站中连接一二次设备的重要部件,其良好的设备状态直接关系到变电站的安全运行。
  目前,由于安装工艺和产品质量等原因,变电站内很多开关柜及端子箱内的驱潮加热装置除潮效果较差,导致汇控箱及端子箱内湿度过大,易产生凝露形成水珠,引起端子排锈蚀严重、绝缘降低、直流系统频繁告警等异常情况,从而引发直流系统接地、设备短路、故障跳闸等事故。因此,彻底解决变电站开关柜和端子箱内湿度过大问题对促进变电站安全稳定运行有着极其重要的作用。
  本文通过对目前国内外电力箱体除湿设备原理的对比分析,研发了一款基于冷凝除湿原理的智能除湿装置,并采用半导体制冷的方式进行除湿装置的制作。半导体制冷是一种利用直流电流引起半导体材料中的热量输送而制成的一种简单方便的新型制冷器。这种新型制冷器无噪音、寿命长、安装容易、没有污染源、不需要任何制冷剂,可连续工作,除湿效果令人满意。
  智能除湿装置中微处理器的数据采样和处理能力决定了系统的稳定性和可靠性。通过比较,最终选取了全周期傅里叶级数算法,此种算法运算简单且有很强的抑制直流分量和谐波分量的能力,符合对单片机功能的需求。
  考虑到现场的具体应用情况,硬件的选择与电路的设计除了符合国家的设计标准和设计规范外,还需要拥有防潮、防雷等能力以应付复杂的使用环境。为此进行了大量的抗干扰实验来验证智能除湿装置的抗干扰性能,以保证智能除湿装置能够在现场可靠运行。
  装置研发完成并经性能和抗干扰测试后,在国网德州供电公司进行了为期一年的推广应用。应用结果表明,该装置除湿速度快,除湿效果好,工作稳定可靠,很好地达到了预期设计要求,获得变电运维人员的高度认可。
[硕士论文] 王琼
电气工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:无论是对于电能质量,还是对于电网系统稳定,平衡无功功率都是关键因素。在数十年深入研发的基础上,无功补偿装置不但走上了先进化,而且已经日益多样化。学术界广泛关注的一种装置是SVG,也就是静止无功发生器,这类装置静止运行、动态快速,同时极为稳定,上述优势使得SVG在无功补偿领域迅速得到广泛应用。
  文章首先对无功功率的基本概念进行了介绍,并对其研究无功补偿价值进行了阐述,之后对各类无功补偿装置分类及比较,突出了静止式无功发生器的优势和应用前景。接着论述了SVG的拓扑结构分类,在SVG的主电路拓扑结构中,级联式多电平主电路结构是SVG所采用的发展潜力最大的拓扑形式,无论是研究意义,还是研究价值都是极大的。无功电流检测作为动态无功补偿最基础的技术,先介绍了传统的检测方法,然后介绍了应用较为广泛的p-q检测法,ip-iq检测法,id-iq检测法,比较分析了它们的特点,最后发现,还是选择具有高精准性与快速控制功能的id-iq检测法。针对有良好应用前景的级联式多电平电路结构,文章分别从下面的几个方面来论述:H桥级联三角星形接线法,工作原理,SVG级联数学模型以及控制法。通过实施SVG的控制方法,结合采用了电流直接控制法和直流侧电压平衡控制法。
  本文确定研究的重点为级联式SVG,研究的基础是对级联式SVG的数学模型进行推导,借此对SVG的完整控制系统做出设计,对控制参数进行计算。基于对级联式SVG的相关性能展开的直观验证这一目的考量,论文于高度仿真的环境中对SVG系统所对应的模型进行搭建,对相关器件进行设置,对控制参数进行确定,对仿真数据开展分析,结果证实级联式SVG不但具有较为突出的动态补偿性能,而且高度可靠。
  根据双闭环控制论,级联结构中直流侧电压控制难以实现,基于此,本研究所给出的策略是分层对直流侧电压进行控制:对单相总体电压实现了分相控制,同时用调制波信号对单元电压(单功率的)进行独立的控制。
[硕士论文] 程美明
电子与通信工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:由于高压储能电容具有存储电量大、可塑造性好、充电速度快、使用时不易损坏和维护简单等优点,我国工业与信息化部把其定为重点发展的新型元器件。但是由于国内很多储能电容器生产企业在电容检测方面缺少可靠的测试装置,有些指标不得不用落后的检测设备测量,脉冲电容器可调频率下寿命试验目前生产厂家尚不能进行,而进口设备又价格昂贵,少数科研单位根据各自的条件仅进行有限的性能试验,而这些不能代表高压储能电容的实际性能,这严重制约了新型电容器的研究和开发。本设计所研制的测量平台正是为解决对高压储能电容的性能测试需求而提出的。
  本课题所设计的高压储能电容测试平台,可以针对不同容量的储能电容器进行不同电压和不同频率下的重复充放电试验,并同时能够精确测量瞬变大电流和试验频率。
  本设计采用恒流充电的方式对电容进行充电,并采用FPGA技术进行设计,从而减小系统核心电路板的规模,增强系统的可靠性。测试平台采取模块化设计,各模块之间具有相对独立性,便于测试平台的控制系统根据产品的规格升级改造。
  该测试平台根据要求能够实现对高压储能电容的充电电压8kV,放电电流8kA,8-10s/次,连续5000次的质量测试,也能够实现对高压储能电容1.5倍工作电压,历时1min耐压测试。同时还可以根据企业特殊需求实现各类脉冲电容产品测试平台的快速定制,将有助于提高我国民品脉冲电容器的技术档次,促进民族产业振兴。该测试平台已在某电容生产厂投入使用,使用效果良好。
[硕士论文] 徐继任
化学工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:超级电容器,又名电化学电容器,是一种介于电池与传统静电电容器之间的新型能量储存元件。因其功率密度高、循环寿命长且能够快速充放电,可将其应用于军事、航天电子及新能源汽车等相关领域。所以,超级电容器具有良好的发展前景。作为超级电容器研究核心的电极材料,主要分为碳材料、过渡金属氧化物材料和导电聚合物材料。其中,在过渡金属氧化物材料中,二氧化锰(MnO2)具有高的理论比容量且对环境友好并且在自然界中含量丰富、价格低廉,被认为是最有前景的电极材料之一。但是,MnO2的导电性较差且容易团聚,这使得MnO2的实际比容量较小。我们将MnO2复合在碳基载体上,借助碳材料大的比表面积和优良的导电性能来提高MnO2电容的实际利用率。
  本文以聚丙烯腈(PAN)作为静电纺丝的前驱体,制备了一系列的碳纳米纤维;包括实心碳纳米纤维(CNFs),中空碳纳米纤维(HCNFs)和多孔中空碳纳米纤维(PHCNFs)。然后,将MnO2通过水热处理引入碳纤维,分别制备了不同水热温度下MnO2包覆实心碳纳米纤维(CNF@MnO2)复合材料和不同水浴温度下MnO2包覆中空碳纳米纤维(HCNF@MnO2)复合材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)及N2吸附-脱附等测试技术对制备的材料进行了表征分析。通过压片将材料制成电极,采用循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)和交流阻抗(EIS)对其进行了电化学测试。
  本文主要得出以下结论:
  (1)通过静电纺丝和硬模板法结合制备出一维HCNFs; XRD分析表明其为无定型石墨结构;在电流密度1 A·g-1下,HCNFs的比电容(Csp)可达124 F·g-1,明显高于CNFs(31 F·g-1)。
  (2)活化时间对于PHCNFs的影响:随着活化时间的增加,PHCNFs的BET比表面积(S BET)先增加后减小,其中样品PHCNFs-60具有最大的Csp(147 F·g-1),对应的SBET(1117 m2·g-1)。
  (3)对纺丝得到的CNFs进行水热处理,制备了不同微观形态的MnO2包覆下的CNFs复合材料(CNF@MnO2)。结果表明,随着水热温度的增加,MnO2的晶型由K-Birnessite型转变为α型,其形貌先由纳米棒变为纳米片,进而变为纳米线;样品CNF@MnO2-170在电流密度0.5 A·g-1下表现出最大的Csp(331 F·g-1);稳定性实验表明,在恒流充放电循环800次之后,其初始比电容保持率仍可达80%。
  (4)通过水浴法制备了MnO2包覆下的HCNFs复合材料(HCNF@MnO2)。结果表明,不同水浴温度下,MnO2的晶型恒为K-Birnessite型;且随着水浴温度的增加,HCNF@MnO2上MnO2的负载量逐渐增加,并致使样品的Csp随之增加;样品HCNF@MnO2-90在电流密度0.5 A·g-1下表现出最大的Csp(267 F·g-1);稳定性实验表明,在恒流充放电循环800次之后,其初始比电容保持率仍可达80%。
[硕士论文] 管兵
化学工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:超级电容器又称为电化学电容器,因其具有比常规电容器优异的能量密度,比蓄电池高的功率密度,而受到人们的广泛关注。超级电容器具有的这些优势使其在备份能源系统、混合动力电车及便携式电子设备等领域得到了实际应用。众所周知,超级电容器的电容性能很大程度上取决于电活性材料的形貌及结构。由于硫元素的电负性比氧元素低,相比于过渡金属氧化物,过渡金属硫化物具有更为灵活的结构及更高的电导率。在众多的过渡金属硫化物中,Ni硫化物及Co硫化物因其理论比电容高、原料丰富、环境友好及安全等优势,有望满足超级电容器电极材料的储能需求。
  本研究工作中,首先,在一步共沉淀法制备NiS2/CoS2复合材料过程中,通过逐步增加Ni的含量,复合物的粒径尺寸逐渐变大,并且空心球结构更加明显。同时,通过控制Ni与Co的比例调节复合材料的电容性能。其次,以Ni(OH)2·0.75H2O作为前驱体,合成微米花状的NiS。所得NiS微米花样品由纳米片组成,且具有比比前驱体更粗糙的比表面积及更高的电容性能。最后,通过牺牲模板法,考察不同硫化时间(分别为12、18及24 h)对制得NiS微米花比表面积、表面粗糙度及电容性能的影响,进而得出硫化时间为18h时样品有着最大的比表面积及最高的电容性能。本文研究内容及结论如下:
  (1) NiS2/CoS2复合物的制备及超电容行为研究。
  采用一步水热共沉淀法合成不同Ni Co摩尔比例的复合硫化物。随着Ni含量的增加,样品颗粒的尺寸逐渐增大,且空心球结构表现地越发明显。通过对样品进行电化学性能测试表明:Ni Co复合硫化物具有高的比电容,优良的循环稳定性及倍率特性。尤其Ni/Co/S-1在1 A·g-1时表现出了最大的比电容954.3 F·g-1,当电流密度增大至20 A·g-1时比电容仍然达到309.5 F·g-1,在电流密度为5A·g-1的条件下恒流充放电(GCD)1000次之后仍然保留着99.9%的初始比电容。将Ni/Co/S-1与活性炭分别作为阳极与阴极,组装得到非对称超级电容器,在功率密度为0.7 kW·kg-1时能量密度达到29.3 Wh·kg-1,1000次GCD之后仍然保留着99.1%的比电容。
  (2)分层微米花状NiS的制备及超电容行为研究。
  通过以Ni(OH)2前驱体,再对前驱体进一步硫化制得N1S。SEM分析结果表明,NiS是由分层纳米片组成的微米花状结构,硫化后的NiS表面比前驱体更加粗糙。电化学测试表明:NiS纳米片在3 M KOH电解液中表现出优异的电容性能(电流密度为1 A·g-1时,比电容达到1122.7 F·g-1)以及高的循环稳定性(10 A·g-1的电流密度下GCD1000次后,电容保持率为97.8%)。以NiS作为阳极,活性炭作为阴极,组装成非对称超级电容器,在开路电压为1.8V的前提下,功率密度为0.9 kW·kg-1时,能量密度能达到31 Wh·kg-1。
  (3)硫化时间对NiS结构及电容行为的影响。
  通过牺牲模板法,先制备微米花状的Ni(OH)2前驱体,并制备了不同硫化时间下制得了NiS。SEM分析结果显示,随着硫化时间的延长,NiS的形貌逐渐由微米花状向多孔球状过渡。硫化时间为18h时,NiS-18具有最为粗糙的表面及最大的比表面积(20.5 m2·g-1)。电化学测试结果显示,NiS-18表现出了最高的比电容(在1 A·g-1的电流密度下,比电容达到1315.4 F·g-1)及循环稳定性(在电流密度为10 A·g-1的条件下GCD5000次之后仍然保留着89.2%的初始比电容)。以NiS-18与活性炭分别作为阳极与阴极,组装成非对称超级电容器(NiS//AC)。NiS//AC在功率密度为0.8 kW·kg-1时,能量密度能达到33.4 Wh·kg-1·;在5A·g-1的电流密度下进行5000次GCD测试,电容保持率达到了87.3%,库伦效率接近100%。
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