Działalność naukowo-badawcza

DZIAŁALNOŚĆ NAUKOWO-BADAWCZA KATEDRY DIAGNOSTYKI MASZYN ELEKTRYCZNYCH

Główne kierunki prac naukowo-badawczych prowadzonych aktualnie w Katedrze Prace naukowo-badawcze Katedry Diagnostyki Maszyn Elektrycznych mieszczą się w ogólnym temacie „Modelowanie i badanie maszyn elektrycznych dla potrzeb ich konstrukcji, eksploatacji i diagnostyki”. W ramach tego tematu podejmowane są szczegółowe zadania, które można przypisać do następujących problemów.

METODYCZNE ASPEKTY MODELOWANIA MASZYN ELEKTRYCZNYCH I UKŁADÓW Z NIMI WSPÓŁPRACUJĄCYCH

Wraz z rozwojem nowych sposobów zasilania i sterowania wzrastają wymagania odnośnie dokładności modelowania zjawisk elektromagnetycznych w maszynach elektrycznych. Opracowywanie nowych metod tworzenia i rozwiązywania modeli matematycznych maszyn jest więc zadaniem stale aktualnym. W Katedrze Maszyn Elektrycznych prowadzone są prace o charakterze metodycznym w odniesieniu do tzw. obwodowych modeli maszyn elektrycznych operujących parametrami skupionymi (o całkowym charakterze). Bazą dla tych prac jest teoria elektromechanicznych przemian energii i systemów elektromechanicznych posługująca się formalizmami mechaniki analitycznej. Specyfika maszyn elektrycznych i układów z nimi współpracujących powoduje, że konieczna jest modyfikacja lub opracowanie nowych dróg formułowania równań tego typu obiektów oraz metod ich rozwiązywania.

W ostatnich latach, za reprezentatywne dla tych badań można uznać następujące publikacje:
1. Sobczyk T.J., An improved algorithm for steady-state modeling in AC machines, COMPEL – The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Publisher Emerald, 2010, Vol. 29, Bul.3, pp. 773-788.
2. Sobczyk T. J., Radzik M., Direct Determination of Currents Spectra of Synchronous Machines at Load Perturbations, Proc. of IEEE-SDEMPED’09, IEEE Catalog Number CFP09SDE-CDR, TF0019.
3. Sobczyk T.J.: Frequency analysis of faulty machines – possibilities and limitation, Proceedings of SDEMPED 2007, Cracow, 6-8.09.2007, pp.121-125, and CD IEEE Catalog No.07EX1706C, paper sf-0035, IEEE Xpolre.
4. Sobczyk T.J.: Extreme possibilities of circuital models of electric machines, Electrical Power Quality and Utilisation, Vol. XII, No. 2, 2006, pp. 103-112.
5. Sobczyk T.J.: Metodyczne aspekty modelowania matematycznego maszyn indukcyjnych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2004.
6. Sobczyk T.J.: O pewnej obwodowej reprezentacji magnetycznie sprzężonych cewek, Materiały Międzynarodowej Konferencji Seminarium Podstaw Elektrotechniki i Teorii Obwodów, IC- SPETO’2003, Niedzica, 28 – 31.05.2003, T.2, str. 493-496.
7. Sobczyk T.J., Drozdowski P., Weinreb K.: Modelowanie matematyczne maszyn prądu przemiennego dla potrzeb diagnostyki, Wybrane problemy elektrotechniki i automatyki. Politechnika Krakowska, Nr 4, Kraków 1995, str. 57-70.
ANALIZA STANÓW AWARYJNYCH I DIAGNOSTYKA MASZYN PRĄDU PRZEMIENNEGO

Jest to w dalszym ciągu dominująca tematyka badań prowadzonych w Katedrze. Początkowo przeważały prace dotyczące stanów awaryjnych w maszynach elektrycznych oraz różnych efektów ubocznych towarzyszących normalnej pracy maszyn, lecz stopniowo ich ciężar przesuwał się w stronę zagadnień diagnostycznych, które obecnie dominują. Aktualnie badania koncentrują się na zagadnieniach monitoringu i diagnostyki maszyn prądu przemiennego z wykorzystaniem Internetu. Większość badań dotyczy wykrywania ekscentryczności oraz uszkodzeń klatek wirników silników indukcyjnych, lecz zbiór cech podlegających rozpoznawaniu jest stale rozszerzany. Przedmiotem badań jest tworzenie wzorów diagnostycznych przy użyciu wyspecjalizowanych modeli matematycznych maszyn indukcyjnych klatkowych oraz opracowywanie algorytmów diagnostycznych bazujących na metodach sztucznej inteligencji, w tym szczególnie rozpoznawania wzorców oraz sztucznych sieci neuronowych. Wykorzystywane są przy tym zaawansowane techniki przetwarzania sygnałów oraz najnowsze techniki informacyjne do kondycjonowania i akwizycji.
Badania te były w znaczącym stopniu realizowane w ramach projektów badawczych finansowanych przez Komitet Badań Naukowych. W latach 1996-1999 zrealizowano projekt badawczy "Zastosowanie technik rozpoznawania obrazów dla diagnostyki maszyn elektrycznych prądu przemiennego bazującej na prądach pomiarowo dostępnych" (nr 8 T10 A 033 11). W latach 2001- 2003 zrealizowano projekt badawczy "Bazy danych dla zastosowania metod sztucznej inteligencji w bezinwazyjnej diagnostyce wirników silników klatkowych” (PB 1696/ T10/201/21), a w latach 2005-2007 projekt badawczy finansowany przez Ministerstwo Nauki i Informatyzacji "Rozproszony system diagnostyczny silników asynchronicznych dużych mocy" (nr 3 T10A 007 28).
Badania w zakresie diagnostyki stanowią także podstawę dla rozwoju naukowego pracowników Katedry. W roku 2005 dr inż. Maciej Sułowicz obronił doktorat pt. "Diagnostyka silników indukcyjnych metodami sztucznej inteligencji" (promotor - prof. dr hab. Tadeusz Sobczyk), zrealizowaną przy wsparciu finansowym Komitetu Badań Naukowych w ramach projektu promotorskiego "Diagnostyka silników indukcyjnych metodami sztucznej inteligencji” (nr 4 T10A 047 24). Dr inż. Konrad Weinreb przygotował monografię pt. „Diagnostyka uszkodzeń wirnika maszyny asynchronicznej w oparciu o analizę widma prądów stojana” (w języku rosyjskim).
Wyniki badań są wykorzystywane w różnego rodzaju ekspertyzach diagnostycznych dla przemysłu i poszukuje się partnerów, zainteresowanych opracowaniem specjalistycznych systemów do diagnostyki wirników maszyn indukcyjnych. Diagnostyka wirników maszyn indukcyjnych jest najważniejszą ofertą kierowaną dla przemysłu przez Katedrę.

W ostatnich latach, za reprezentatywne dla tych badań można uznać następujące publikacje:
1. Sułowicz M., Borkowski D., Węgiel T., Weinreb K.: Specialized diagnostic system for induction motors, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), R. 86. No. 4/ 2010, pp.285-291.
2. Węgiel T., Weinreb K., Sułowicz M.: Main inductances of induction motor for diagnostically specialized mathematical models, Archives of Electrical Engineering, ISSN 0004-0746, Volume 59, Number 1 - 2 / SEPTEMBER 2010,str. 51-66.
3. Weinreb K., Sułowicz M.: Skuteczne wykrywanie ekscentryczności dynamicznej w silniku asynchronicznym, Zeszyty Problemowe BOBRME Katowice, Nr 83/2009, str.207-212.
4. T.J. Sobczyk, W. Maciołek, „On Uniqueness of Diagnosis of Induction Motor Cage Faults”, Przegląd Elektrotechniczny, Pub. Sigma-NOT, vol. 85, No.1, pp. 140-146, Jan 2009.
5. Вейнреб К.: Обнаружение динамического эксцентриситета и обрыва стержней клетки в асинхронном двигателе методом спектрального анализа тока статора, Научно-технические ведомости СПбГПУ - Основной выпуск, №1(53)2008, C.119-126.
6. Weinreb K., Sułowicz M.: Nieinwazyjna diagnostyka wewnętrznych niesymetrii uzwojeń maszyny synchronicznej, Zeszyty Problemowe BOBRME Katowice, Nr 77/2007, str.59-64.
7. Wegiel T., Sułowicz M., Borkowski D.: A Distributed System of Signal Acquisition for Induction Motors Diagnostic, Proceedings of SDEMPED 2007, Cracow, 6-8.09.2007, pp.261-265, and CD – paper sf-0021, IEEE Xpolre.
MODELOWANIE NIELINIOWOŚCI MAGNETYCZNEJ W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH PRZY PODEJŚCIU OBWODOWYM

Badania w tym zakresie prowadzone są równolegle z pozostałymi tematami. Problem modelowania nieliniowości magnetycznej należy do najtrudniejszych w maszynach elektrycznych i ciągle jest przedmiotem zainteresowania wielu ośrodków. W Katedrze tą tematyką zajmują się prof. dr hab. inż. Tadeusz Sobczyk oraz dr inż. Adam Warzecha. Kluczowym problemem jest jakościowe i ilościowe określenie nieliniowych charakterystyk uzwojeń maszyn elektrycznych, gdyż prawidłowe ich modelowanie i aproksymowanie jest warunkiem koniecznym poprawnego modelowania nieliniowości magnetycznej. Badania te były w latach 1993-1996 finansowane przez Komitet Badań Naukowych w ramach projektu badawczego „Nieliniowe charakterystyki magnesowania maszyn elektrycznych prądu zmiennego” (nr 0300/P4/93/04).
Prowadzone są także badania nad tzw. energetycznym podejściem do modelowania nieliniowości w maszynach. Bazuje ono na badaniu właściwości funkcji koenergii dla maszyn prądu przemiennego z nieliniowym obwodem magnetycznym, a następnie stosowaniu formalizmu Lagrange’a do tworzenia równań, które uwzględniają nieliniowość obwodu magnetycznego maszyn. W wyniku tego następuje istotna modyfikacja ogólnych równań, które mają jednolitą postać zarówno dla liniowego i nieliniowego obwodu magnetycznego. Są to równania o stałych skupionych operujące nieliniowymi indukcyjnościami dynamicznymi i statycznymi, które są aproksymowane przez wielowymiarowe skorelowane funkcje prądów i współrzędnej mechanicznej. Praktycznie użyteczne uproszenia funkcji aproksymujących otrzymuje się w wyniku dekompozycji globalnego pola magnetycznego. Parametry tych funkcji są wyznaczane na podstawie obliczeń rozkładu pola w obwodzie magnetycznym maszyny. Prowadzone badania wskazują, że dokładność modelowania maszyn elektrycznych z wykorzystaniem tak sformułowanych modeli jest porównywalna z dokładnością modelowania w ujęciu polowo-obwodowym, jeśli nie uwzględnia się przewodników masywnych i zjawiska histerezy magnetycznej.

W ostatnich latach za reprezentatywne dla tych badań można uznać następujące publikacje:
1. A.Warzecha, W.Mazgaj, Identification techniques of functions approximating magnetization characteristics of synchronous machines, COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering Vol. 32 No. 4, 2013, pp. 1267-1277.
2. W.Mazgaj, A. Warzecha, Influence of electrical steel sheet textures on their magnetization curves, Archives of Electrical Engineering Vol. 62(3), pp. 425-437 (2013)
3. Warzecha A., Wielowymiarowe charakterystyki magnesowania w modelach obwodowych maszyn elektrycznych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Monografia nr 381, Kraków, 2010.
4. Sobczyk T.J., Application of higher order forms for description of electromechanical energy converters, Proc. of EPNC, 2010, pp.19-20.
5. Sobczyk T. J., Inductanceless model of salient-pole synchronous machines, Proceedings of Int. Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation & Motion (SPEEDAM 2008), Ischia, 11-13.06.2008, paper MEM 193, IEEE Explore.
6. Sobczyk T.J., Weinreb K., Sułowicz M.,Węgiel T., Warzecha A., : Slot harmonics in cage motors due to saturation of a main magnetic circuit, COMPEL, Vol..25, No.1, 2006, Emerald, pp.128-139.
7. Warzecha A., Węgiel T., Weinreb K., Sułowicz M., Non-linear permeance function of magnetic circuit in asynchronous motor with rotor eccentricity, Czasopismo Techniczne, seria Elektrotechnika, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, z.5-E/2005, s. 87-99.
8. Warzecha A., Nieliniowe charakterystyki uzwojeń maszyny synchronicznej z wydatnobiegunowym wirnikiem, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 10, rok 2005. s. 90-94.
UKŁADY GENERACJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ DLA ROZPROSZONYCH LOKALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII ODNAWIALNYCH

Generacja energii elektrycznej bazująca na lokalnych źródłach energii odnawialnych wymaga właściwego zaprojektowania całego toru wytwarzanie energii, zarówno generatora jak i - w wielu wypadkach niezbędnego - układu energoelektronicznego łączącego generator z siecią elektroenergetyczną.
W Katedrze prowadzone są prace nad tego typu małymi siłowniami wykorzystującymi energię wody. W układach takich są wykorzystywane generatory wzbudzane magnesami trwałymi zintegrowane z śmigłową turbiną wodną pracujące ze zmienną prędkością obrotową.
Modele maszyn z magnesami trwałymi tworzone są na bazie równań Lagrange'a wykorzystując zmodyfikowaną funkcję koenergii magnetycznej. W latach 1995-1996 badania te były częściowo finansowane przez Komitet Badań Naukowych w ramach projektu badawczego promotorskiego (nr 8 T10 A 014), sfinalizowanego pracą doktorską dr inż. Tomasza Węgla pt. "Modelowanie maszyn synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi"
Badania przekształtników energoelektronicznych AC/DC/AC są realizowane przy współpracy z firmą TWERD wykonującą tego typu układy. Analizowane są różne możliwości sterowania przekształtnikiem oraz jego wpływ na inne elementy toru przetwarzania energii.
W ostatnich latach prowadzone są w Katedrze intensywne badania nad tego typu rozwiązaniami przy współpracy z norweską firmą Turbinova S.A., specjalizującą się w energetyce wodnej. Zrealizowany projekt rozwojowy „Układ do wytwarzania energii elektrycznej dla małych elektrowni wodnych z generatorem wzbudzanym magnesami trwałymi pracującym przy zmiennej prędkości obrotowej” umożliwił utworzenie stanowiska laboratoryjnego do badania nowatorskich rozwiązań toru wytwarzania energii elektrycznej dla małych elektrowniach wodnych.
Kontynuacją tematu jest analiza zastosowania omawianego toru przewarzania energii dla odzysku energii z redukcji ciśnień w systemach sieci wodnych (wodociągi oraz centralne ogrzewanie). Rezultatem tych badań jest stanowisko laboratoryjne znajdujące się w rzeczywistym systemie MPEC Kraków.

Za reprezentatywne dla tych badań można uznać następujące publikacje:
1. Borkowski D., Węgiel T.: Small Hydropower Plant with Integrated Turbine-Generators Working at Variable Speed. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 28, No. 2, June 2013, pp. 452-459.
2. Borkowski D.: Laboratory model of small hydropower plant with variable speed operation. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2013 (100), pp. 27-32.
3. Węgiel T., Borkowski D., Łopata S.: Eko-Reduktor do odzysku nadwyżek energii wody sieciowej. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99), pp. 199-205.
4. Sobczyk T., Mazgaj W., Wegiel T., Szular Z.: Power electronic unit for small water plants with variable speed PM generator, Proc. of XXI Symposium EPNC
5. Węgiel T.: Model matematyczny maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi dla zastosowań diagnostycznych; PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 12/2008, str. 107-110.
6. Sobczyk T. J.: Problemy modelowania matematycznego prądnic synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi, Prace Instytutu Elektrotechniki, 2007, Z. 231, pp. 99-123.
7. Pawluk K., Sobczyk T. J.: Wyznaczanie prądów granicznych dla maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi umieszczonymi powierzchniowo, Proc. of Int. Conf. SME 2006, Kraków, 3-6.07.2006, pp. 143-146.