środa, 17.07.2019 - tydzień (N)ieparzysty
logoPolSl2019 2logoRE100
Wydział Elektryczny

Przewody doktorskie prowadzone na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej

 
Tytuł:
Wybrane aspekty energochłonności instalacji elektrycznych w pojazdach.
Doktorant:
Bartłomiej Tworek
Promotor:
dr hab. inż. Barbara Kulesz
Promotor pomocniczy:
dr inż. Rafał Setlak
Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Antoni Szumanowski - Politechnika Warszawska
dr hab. inż. Paweł Skruch - AGH w Krakowie
Dziedzina nauk technicznych:
Elektrotechnika
Data obrony rozprawy:
 
Data nadania stopnia:
 
Streszczenie:

Głównym celem pracy było opracowanie koncepcji rozbudowy instalacji elektrycznych i podzespołów współpracujących z systemem dystrybucji energii w pojazdach samochodowych, w szczególności idei zastosowania Sterownika Centralnej Dystrybucji Energii w połączeniu z szyną zasilającą. W początkowej fazie autor zbudował stanowisko pomiarowe oraz opracował program badań ukierunkowany na pomiar poziomu prądu w samochodowych obwodach elektrycznych. Doktorant opracował i zbudował oryginalny 10-kanałowy amperomierz, który został wykorzystany przy pracach pomiarowych.

Koncepcja decentralizacji źródeł zasilania obejmuje instalację elektryczną o dwóch podsystemach elektrycznych 12V i 48V. System ten powinien być zarządzany przez Sterownik Centralnej Dystrybucji Energii i korzystnie będzie, jeśli zostanie zastosowana szyna zasilająca montowana w płycie podłogowej jako główny tor dystrybucji energii. Rozwiązanie to jest zasadne pod kątem ograniczenia strat mocy oraz upraszcza topologię instalacji, przez co zwiększa niezawodność instalacji elektrycznej.

W ramach projektu autor opracował model Sterownika Centralnej Dystrybucji Energii. Stworzył specyfikację modularnej platformy, która może zostać dostosowana do instalacji o różnej konfiguracji w zależności od typów obwodów i współpracy z zewnętrznymi źródłami energii. Opracował także model oprogramowania dla sterownika zgodny z wielowarstwowym modelem AUTOSAR, który jest wykorzystywany dla systemów wbudowanych w przemyśle motoryzacyjnym.

Walidacja koncepcji została wykonana z wykorzystaniem metody wielokryterialnego rozwiązywania problemów decyzyjnych. Autor opracował model decyzyjny w oparciu o Analityczny Proces Sieciowy (ang. Analytic Network Process). Model ten oparł o hierarchiczną strukturę BOCR, w której są analizowane korzyści, możliwości, koszty i ryzyka podczas oceny nowej koncepcji instalacji elektrycznej. Podczas procesu oceny autor uwzględnił trzy typy instalacji elektrycznej: 12V, 12V/48V, 12V/48V z wykorzystaniem Sterownika Centralnej Dystrybucji Energii i szyny zasilającej. Korzystnym wariantem okazała się instalacja 12V/48V z integracją szyny zasilającej.

Tytuł:
Analiza i badania wysokoczęstotliwościowych falowników klasy DE z tranzystorami MOSFET na bazie SiC i GaN.
Doktorant:
Krzysztof Przybyła
Promotor:
dr hab. inż. Marcin Kasprzak, prof. PŚ
Promotor pomocniczy:
dr inż. Marcin Zygmanowski
Recenzenci:
dr hab. inż. Jacek Rąbkowski, prof. PW - Politechnika Warszawska
dr hab. inż. Paweł Szcześniak - Uniwersytet Zielonogórski
Dziedzina nauk technicznych:
Elektrotechnika
Data obrony rozprawy:
 
Data nadania stopnia:
 
Streszczenie:

W ramach rozprawy doktorskiej badano możliwości zastosowania tranzystorów MOSFET na bazie węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN) w wysokoczęstotliwościowym falowniku klasy DE. W Katedrze KENER prowadzone były badania nad falownikami klasy DE i E z pasma 13,56 MHz z tranzystorami Si MOSFET DE375-102N10A (1000 V/10 A) firmy IXYS. Sprawność energetyczna badanych falowników nie przekraczała 80%. W okresie prowadzenia tych badań wybór tranzystorów MOSFET na bazie SiC/GaN był ograniczony a parametry tych tranzystorów nie pozwalały na osiągnięcie częstotliwości kilkunastu MHz.

Motywacją do podjęcia badań był niewystarczający stan literatury na temat możliwości zastosowania tranzystorów MOSFET na bazie SiC i GaN w falownikach klasy DE wysokiej częstotliwości (f>10 MHz). Ponadto postęp technologiczny tranzystorów SiC i GaN umożliwił ich zastosowanie przy tak wysokiej częstotliwości.

Rozprawa składa się z trzech zasadniczych części. Część pierwsza (rozdz. 1-2) stanowi wprowadzenie do tematyki rozprawy, wstęp formalny (motywacja, cel rozprawy, zakres, założenia) i przegląd literatury. Część druga (rozdz. 3-6) zawiera podstawy teoretyczne, na podstawie których zaprojektowano i wykonano cztery wersje falowników klasy DE z tranzystorami MOSFET na bazie SiC (2 wersje) i GaN (2 wersje). W rozdziale szóstym znajduje się opis modelu komputerowego falownika klasy DE zaproponowany przez autora. W trzeciej części (rozdz. 7-9) zamieszczono wyniki badań laboratoryjnych wraz z opisem kolejnych wersji falowników i niezbędnych elementów składowych falownika, takich jak: układ sterowania, obwód dopasowania falownika do obciążenia, drajwer uniwersalny. Badania wykazały, że w przypadku falowników z tranzystorami GaN MOSFET możliwe jest uzyskanie sprawności energetycznej powyżej 90%. W rozdziale 8 zamieszczono wyniki obliczeń modelu komputerowego falownika. Rozdział 9 zawiera podsumowanie i propozycję dalszych badań.

 

Tytuł:
Rezonansowe kaskady cewek sprzężonych magnetycznie w bezprzewodowym przesyle energii elektrycznej
Doktorant:
Krystian Frania
Promotor:
dr hab. inż. Zbigniew Kaczmarczyk, prof. PŚ
Promotor pomocniczy:
dr inż. Krzysztof Bodzek
Recenzenci:
dr hab. inż. Jan Mućko, prof. UTP - Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy - recenzja 
dr hab. inż. Marek Jasiński, prof. PW - Politechnika Warszawska - recenzja 
Dziedzina nauk technicznych:
Elektrotechnika
Data obrony rozprawy:
 
Data nadania stopnia:
 
Streszczenie:

W ramach rozprawy doktorskiej kompleksowo przeanalizowano problematykę bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej na względnie duże odległości za pomocą cewek sprzężonych magnetycznie. Analiza dotyczyła właściwości i parametrów rezonansowych kaskad cewek sprzężonych magnetycznie, modeli układu bezprzewodowego przesyłu oraz ich weryfikacji i szczegółowych badań laboratoryjnych.

W części rozprawy poświęconej analizie właściwości rezonansowej kaskady cewek sprzężonych magnetycznie skoncentrowano się na określeniu najkorzystniejszych parametrów jakimi powinny charakteryzować się cewki. Powinny one zapewnić uzyskanie możliwie dużych wartości współczynnika sprzężenia magnetycznego oraz dobroci własnej, co ma bezpośredni wpływ na sprawność kaskady. Ustalono, że maksimum iloczynu kQ, który determinuje sprawność kaskady, jest zależne od współczynnika wypełnienia uzwojeń, względnej odległości pomiędzy cewkami i częstotliwości pracy układu. Preferowana wartość współczynnika wypełnienia uzwojenia cewki zawiera się w zakresie 0,5…0,8.

Na potrzeby prowadzonej w rozprawie analizy właściwości układów bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej z rezonansowymi kaskadami cewek sprzężonych magnetycznie opracowane zostały modele uproszczony i złożony. W obu przypadkach opracowano macierzowe modele bezwzględne układu, które po wprowadzeniu odpowiednich wielkości odniesienia sprowadzono do modeli względnych. Model uproszczony uzyskano wykorzystując metodę symboliczną, sprowadzając układ bezprzewodowego przesyłu do obwodu AC/AC. Możliwość wystąpienia wyższych harmonicznych napięć i prądów jest w tym przypadku całkowicie pomijana. Źródłem wyższych harmonicznych w układzie bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej jest falownik na wejściu kaskady oraz prostownik na jej wyjściu. Model złożony rozpatruje przypadek, w którym źródłem wyższych harmonicznych jest wyłącznie prostownik mostkowy dołączony do wyjścia kaskady cewek. Opracowując model złożony wykorzystano zasadę superpozycji pierwszej i wyższych harmonicznych.

Zaprezentowany został ogólny algorytm projektowania układu bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej, na podstawie którego wyznaczono uogólnione charakterystyki projektowe, które umożliwiają projektowanie układów bezprzewodowego przesyłu, bez konieczności przeprowadzania numerycznej optymalizacji. Parametry kaskady dla danych założeń projektowych, odczytywane są z względnych charakterystyk oraz odpowiednio przeliczane, uwzględniając wielkości odniesienia.

Zaprojektowano, skonstruowano i przebadano laboratoryjny układ bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej z rezonansową kaskadą cewek sprzężonych magnetycznie. Szczegółowo opisano poszczególne podzespoły układu laboratoryjnego oraz przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych, które posłużyły do pozytywnego zweryfikowania uogólnionej metody projektowania tego typu układów. Zaprojektowany i skonstruowany układ można scharakteryzować następująco: 16 płaskich cewek o średnicy zewnętrznej 15 cm, odległość przesyłu 1 m, częstotliwość 350 kHz, moc wyjściowa 100 W, sprawność 80,31(36)%. Sprawność samej kaskady cewek wyniosła 85,3% i była mniejsza w przybliżeniu o 0,9% w porównaniu z wartością obliczoną.

Przedstawiono koncepcję systemu realizującego ładowanie zasobnika energii elektrycznej (np. baterii kondensatorów lub superkondensatorów). Zaprojektowano, skonstruowano i przebadano system bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej z rezonansową kaskadą cewek sprzężonych magnetycznie. System laboratoryjny zawierał dodatkowy przekształtnik DC/DC typu SEPIC wraz z układem pomiarowo-sterującym, którego zadaniem była stabilizacja obciążenia kaskady. Sprawność systemu wyniosła 74,70(34)%.

 

Tytuł:
Optymalizacja nastaw przesuwników fazowych instalowanych w liniach transgranicznych połączonego systemu elektroenergetycznego w stanach ustalonych.
Doktorant:
Robert Owczarek
Promotor:
dr hab. inż. Roman Korab, prof. PŚ
Promotor pomocniczy:
dr inż. Marcin Połomski
Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Piotr Kacejko - Politechnika Lubelska - recenzja 
dr hab. inż. Henryk Majchrzak - Politechnika Opolska - recenzja 
Dziedzina nauk technicznych:
Elektrotechnika
Data obrony rozprawy:
 
Data nadania stopnia:
 
Streszczenie:

Rozprawa dotyczy zagadnienia doboru optymalnych nastaw przekładni poprzecznych przesuwników fazowych (PF) instalowanych w liniach transgranicznych połączonego systemu elektroenergetycznego (SEE) w stanach ustalonych.

W ostatnich latach coraz większa liczba europejskich operatorów systemów przesyłowych wyposaża swoje systemy w tzw. przesuwniki fazowe (PF), czyli specjalne transformatory, które są instalowane w sieciach elektroenergetycznych, najczęściej w liniach transgranicznych, i umożliwiają regulację kąta obciążenia gałęzi sieci (różnicy argumentów napięć węzłowych na początku i końcu gałęzi) poprzez regulację nastaw przekładni poprzecznych tych transformatorów. W wyniku regulacji PF następuje zmiana przepływów mocy w sieci SEE. Jednakże w przypadku zastosowania kilku PF zainstalowanych elektrycznie blisko siebie, które wzajemnie oddziałują na sieć elektroenergetyczną, zachodzi potrzeba optymalizacji doboru ich nastaw przekładni poprzecznych celem uzyskania pożądanych efektów regulacyjnych.

 W rozprawie zaproponowano wielowariantową metodę rojowej optymalizacji nastaw przekładni poprzecznych PF zainstalowanych w sieci SEE, w tym w liniach transgranicznych. Metoda ta bazuje na połączeniu zmiennoprądowego algorytmu rozpływowego (metody Newtona-Raphsona) z algorytmem optymalizacji rojem cząstek (ang. Particle Swarm Optimization). W metodzie tej nastawy przekładni poprzecznych PF są reprezentowane przez zmienne o charakterze dyskretnym. Opracowana metoda pozwala na dobór takich nastaw przekładni poprzecznych PF, które minimalizacją przepływ nieplanowy lub/i straty mocy czynnej w sieci SEE. Umożliwia także włączenie do zadania optymalizacji ograniczeń związanych z dopuszczalnymi przepływami mocy w gałęziach sieci SEE. Zaproponowana metoda została zaimplementowana w środowisku Matlab i pozytywnie zweryfikowana przy wykorzystaniu 118-węzłowego modelu testowego SEE, wchodzącego w skład sieci testowych rekomendowanych przez IEEE, oraz modelu systemu połączonego regionu Europy Środkowo-Wschodniej, odwzorowującego szczyt letni w roku 2014. Obliczenia optymalizacyjne wykonano dla różnej liczby PF zainstalowanych w liniach transgranicznych oraz różnych obszarów połączonego SEE.