wtorek, 19.11.2019 - tydzień (N)ieparzysty
logoPolSl2019 2logoRE100
Wydział Elektryczny

Przewody doktorskie prowadzone na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej

 
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 - recenzja 
dr hab. inż. Paweł Szcześniak - Uniwersytet Zielonogórski - recenzja 
Dziedzina nauk technicznych:
Elektrotechnika
Data obrony rozprawy:
12 września 2019 r.
Data nadania stopnia:
12 września 2019 r.
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:
23 czerwca 2019 r.
Data nadania stopnia:
23 czerwca 2019 r.
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:
 27 września 2019 r.
Data nadania stopnia:
 27 września 2019 r.
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.

 

m szymczak doktorat2
Tytuł:
Badanie właściwości tarczowych obwodów elektromagnetycznych silników indukcyjnych klatkowych z zastosowaniem zastępczych metod obliczeniowych.
Doktorant:
Tomasz Wolnik
Promotor:
dr hab. inż. Jakub Bernatt, prof. KOMEL
Promotor pomocniczy:
dr inż. Stanisław Gawron
Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Marian Łukaniszyn - Politechnika Opolska - recenzja 
prof. dr hab. inż. Grzegorz Kamiński - Politechnika Warszawska - recenzja 
Dziedzina nauk technicznych:
Elektrotechnika
Data obrony rozprawy:
27 czerwca 2019 r.
Data nadania stopnia:
27 czerwca 2019 r.
Streszczenie:

Rozprawa doktorska obejmuje autorskie metody obliczeniowe tarczowych silników indukcyjnych klatkowych, pozwalające na sprawne projektowanie i analizę wpływu zmian konstrukcyjnych na parametry eksploatacyjne tego rodzaju silników. Znane i stosowane metody obliczeń bazujące na modelach trójwymiarowych są bardzo czasochłonne i tym samym znacząco komplikują proces projektowy, a w niektórych przypadkach z uwagi na narzucone ramy czasowe dyskwalifikują możliwość zastosowania ich w praktyce.

 

Długość drogi magnetycznej głównego strumienia magnetycznego w silnikach tarczowych ulega zmianom wraz ze zmieniającym się promieniem tarcz wirnika i stojana . Z tego względu uznaje się, że wiarygodne obliczenia tarczowych obwodów elektromagnetycznych należy wykonywać korzystając z metody elementów skończonych na modelu trójwymiarowym. Można wówczas z dobrą precyzją analizować właściwości silnika w dowolnym stanie pracy oraz optymalizować kształt jego obwodu magnetycznego. Niestety tego rodzaju analiza obliczeniowa, nawet dla silników o stosunkowo niewielkich gabarytach jest bardzo czasochłonna i wymaga przeliczeń na stacjach roboczych o dużych mocach obliczeniowych. Czas obliczeń pojedynczych punktów pracy silnika liczony jest w dziesiątkach godzin, a wykonywanie obliczeń na zewnętrznych, komercyjnych stacjach roboczych o dużych mocach obliczeniowych wiąże się ze znacznymi kosztami.

 

Większość publikacji naukowych dotyczących tematyki silników tarczowych, jakie można spotkać w literaturze światowej, skupiona jest przede wszystkim na silnikach z magnesami trwałymi, w tym głównie magnesami neodymowymi. Kierunek rozwoju tego rodzaju maszyn jest oczywiście mocno uzasadniony, głównie względami technicznymi. Poza wszelkimi zaletami natury technicznej, silniki z magnesami trwałymi z domieszkami pierwiastków ziem rzadkich posiadają dwie  istotne wady - są stosunkowo drogie i uzależniają dostawę głównego podzespołu, tj. magnesów NdFeB od monopolisty światowego, którym są Chiny. W związku z tym, kontynuując prace związane z silnikami tarczowymi z magnesami trwałymi należy jednocześnie prowadzić prace badawcze mające na celu rozwój konstrukcji silników tarczowych indukcyjnych, oferujacych również szereg zalet dla określonego rodzaju aplikacji.

 

W monografii przedstawiono dwie autorskie metody obliczeniowe: analityczną oraz metodę elementów skończonych na modelu 2D. Opisane metody pozwalają na uzyskanie zbieżnych wyników obliczeń z wynikami badań na rzeczywistym modelu fizycznym.  Bezpośrednim obiektem badań przedstawionych w niniejszej monografii jest 3-fazowy tarczowy silnik indukcyjny klatkowy z jednym wirnikiem i jednym stojanem (AFIM11).