Autoreferat przedstawiający opis osiągnięć naukowych

Transkrypt

1 Autoreferat przedstawiający opis osiągnięć naukowych Radom, dnia Imię i Nazwisko: Jerzy Ryszard Szymański 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej: 2a. Dyplom Magistra Inżyniera Elektroniki, specjalność: aparatura elektroniczna, Politechnika Warszawska, Wydział Elektroniki, 11 kwietnia 1979 roku. 2b. Dyplom Doktora Nauk Technicznych w dyscyplinie Elektrotechniki, Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, 10 luty 1988 roku, tytuł rozprawy doktorskiej: Minimalizacja strat tranzystorów mocy w układzie falownika napięcia o stałej częstotliwości wyjściowej 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych: Od Politechnika Radomska, przemianowana w roku 2012 na Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Instytut Systemów Transportowych i Elektrotechniki, Zakład Napędów Elektrycznych i Elektroniki Przemysłowej, obecnie adiunkt Centralny Ośrodek Badań i Rozwoju Techniki Kolejnictwa (obecna nazwa: Instytut Kolejnictwa) w Warszawie, na stanowisku asystenta. 4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.): Jako osiągnięcie naukowe dla przeprowadzenia procedury habilitacyjnej autor autoreferatu przedstawia monografię wydaną przez Uniwersytet Technologiczno- Humanistyczny w Radomiu w roku 2015, pt.: Napięcie zaburzeń wspólnych przemienników częstotliwości w układach kolejowych [54a numeracja pozycji literaturowej według dołączonego wykazu publikacji]. Zagadnienia naukowe analizowane w monografii dotyczą problematyki eksploatacji, zarówno technicznych elektronicznych środków transportu dalekiego (np. elektryczna trakcja kolejowa, tramwajowa, trolejbusowa), jak i elektronicznych środków transportu bliskiego, wewnątrz zakładowego (np. schody ruchome, windy, przenośniki poziome ludzi i towarów, gąsienicowe wozy kablowe, samojezdne roboty przemysłowe [53a]). 1

2 Przykładowe rozwiązania napędu jazdy pojazdów transportu bliskiego i dalekiego są omawiane w publikacjach naukowych [8a, 15a, 20a, 30a, 45a, 52a]. Głównymi celami naukowymi monografii są analiza i metody ograniczania negatywnych skutków zaburzeń pola elektromagnetycznego powodowanego binarną pracą półprzewodnikowych elementów mocy przekształtników energoelektronicznych stosowanych w systemach transportowych (transportowych systemach elektronicznych), w tym także w systemach transportu szynowego. Zjawiska elektromagnetyczne zachodzące w przekształtnikach oddziaływają negatywnie na miejscowy system transportowy (pojazdy trakcyjne) oraz na wrażliwe podzespoły systemu transportowego umieszczane w infrastrukturze (zwrotnice kolejowe). Zaburzenia elektromagnetyczne przenoszą się; drogą przewodową zaburzenia przewodzone oraz poprzez promieniowanie elektromagnetyczne zaburzenia o częstotliwościach fal radiowych. Autor skupia swoje badania na elektromagnetycznych zjawiskach pasożytniczych zachodzących w zespołach elektrycznych systemów transportowych. Autor bada zaburzenia doziemne o częstotliwościach w paśmie częstotliwości, poniżej pasma częstotliwości radiowych, które są wywoływane napięciem zaburzeń wspólnych przekształtników energoelektronicznych. Współczesne napędy jazdy środków transportowych są nasycone przekształtnikami energoelektronicznymi, które powodują zakłócenia prawidłowej pracy zabezpieczeń [48a] i sterowania środków transportu oraz prowadzą do zdarzeń katastroficznych [22a, 40a, 44a, 52a]. Ograniczenie zaburzeń doziemnych wywoływanych napięciem zaburzeń wspólnych przekształtników ma tutaj podstawowe znaczenie. Autor od ponad 10 lat bada wpływ napięcia zaburzeń wspólnych na eksploatację elektronicznych środków transportu zasilanych trakcją elektryczną, jak i zasianych bezpośrednio sieci elektroenergetycznej o układzie sieciowym TN i IT [3b, 4b numeracja według dołączonej informacji o współpracy z instytucjami, organizacjami i towarzystwami naukowymi]. Pasożytnicze napięcie zaburzeń wspólnych generowane przez energoelektroniczne falowniki napięciowe jest podstawową przyczyną występowania wysokoczęstotliwościowych zaburzeń w układach kolejowych i innych elektronicznych środkach transportu dalekiego oraz bliskiego. Rozpoznanie właściwości napięcia zaburzeń wspólnych falowników napięciowych, z wykorzystaniem opisu matematycznego modulacji szerokościowej MSI falowników i analizy widmowej Fouriera, umożliwiło wyjaśnienie złożonego wpływu napięcia zaburzeń wspólnych falowników na zburzenia doziemne występujące w systemach transportowych z przekształtnikami energoelektronicznymi. Napięcie zaburzeń wspólnych energoelektronicznych falowników wywołuje pasożytniczy prąd upływu doziemnego we wszystkich elektronicznych środkach transportowych. W trakcji elektrycznej napięcia stałego prąd upływu doziemnego płynie w postaci przemiennego wysokoczęstotliwościowego prądu błądzącego. W monografii [54a] analizowane są obwody elektryczne przepływu prądów pasożytniczych przy pomocy zbudowanych przez autora autoreferatu modeli elektronicznych podzespołów systemu transportowego. Zastosowana linearyzacja pracujących dwustanowo elementów mocy umożliwiła budowę trójfazowych modeli podzespołów systemu transportowego z wykorzystaniem elementów elektrycznych, pasywnych i aktywnych, klasy SLS. Zaproponowane przez autora modele podzespołów elektronicznego systemu transportowego są opisane matematycznie za pomocą zwyczajnych równań różniczkowych pierwszego i drugiego rzędu. Równania różniczkowe opisujące obwody elektryczne systemu transportowego 2

3 z przekształtnikami energoelektronicznymi są rozwiązywane w oparciu o metodę operatorową Laplace a rozwiązywania równań i układów równań różniczkowych oraz analizę Fouriera. Do rozwiązywania równań różniczkowych obwodowych modeli elektrycznych autor stosuje specjalistyczne oprogramowanie komputerowe, które umożliwia tworzenie opisu matematycznego elektronicznych modeli systemu transportowego na podstawie schematów elektrycznych z elementami klasy SLS. Rozwiązania różniczkowych równań obwodowych, dla napięć i prądów przy zadanych warunków brzegowych, przedstawiane są w dziedzinie czasu i częstotliwości. Falowniki i prostowniki są podstawowymi podzespołami elektronicznych systemów transportowych, także stosowane są w układach kolejowych i umiejscowione pojazdach szynowych oraz infrastrukturze. Zastosowane przez autora autoreferatu nowe metody ograniczania negatywnych skutków zaburzeń pola elektromagnetycznego, powodowanego binarną (dwustanową) pracą elektronicznych podzespołów systemu transportowego, umożliwiły wydajne ograniczenie prądu pojemnościowego upływu doziemnego a przez to poprawę kompatybilności elektromagnetycznej wewnętrznej i zewnętrznej systemu transportowego. W oparciu o zaproponowane przez autora metody minimalizowania skutków zaburzeń pola elektromagnetycznego zbudowano i opatentowano filtry, które eliminują skutki oddziaływania napięcia zaburzeń wspólnych na podzespoły systemu transportowego [56a, 57a]. W rezultacie wydajnego ograniczania pasożytniczego napięcia zaburzeń wspólnych w podzespołach elektronicznego systemu transportowego wyeliminowano pasożytniczy wysokoczęstotliwościowy prąd upływu doziemnego z systemu transportowego, np. z infrastruktury kolejowej, w tym także z systemu ochrony przeciwporażeniowej. Eliminacja wysokoczęstotliwościowego przemiennego prądu upływu doziemnego z systemu zasilania trakcji napięcia stałego i przemiennego, poprawia jakość napięcia zasilania i tym samym wpływa na zwiększenie niezawodności elektronicznych podzespołów systemu transportowego oraz zwiększa niezawodność układów sterowania (SSK) i zabezpieczenia ruchu kolejowego (ZRK). Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej w elektronicznych systemach transportowych, w związku ze zwiększonym nasyceniem pojazdów transportowych i infrastruktury transportowej w przekształtniki energoelektroniczne, zyskują obecnie pierwszorzędne znaczenie w badaniach nad bezpieczeństwem transportu, w tym określenia poziomu bezpieczeństwa i poziomu niezakłóconej pracy transportowego systemu elektronicznego. Zastosowane w monografii matematyczne modele elektronicznych podzespołów systemu transportowego i metody analizy zaburzeń elektromagnetycznych, można stosować dla elektronicznych podzespołów środków systemu transportu bliskiego i środków transportu dalekiego. 5. Oryginalne osiągnięcia autora uzyskane w czasie realizacji prac naukowo-badawczych i wdrożeniowych: Autor kierował lub był uczestnikiem prac badawczo-wdrożeniowych nad opracowaniem metod sterowania częstotliwościowego wielosilnikowych zespołów napędu jazdy pojazdów szynowych i gąsienicowych transportu bliskiego, stosowanych w zakładach odkrywkowej eksploatacji złóż [5b, 6b, 7b]. Opracowane przez habilitanta metody i algorytmy sterowania częstotliwościowego napędami jazdy wielosilnikowych pojazdów transportu bliskiego można 3

4 także stosować w napędach pojazdów kolejowych, w szczególności do sterowania częstotliwościowego silnikami lokomotyw elektrycznych i tramwajów (transport daleki, dalej opisana metoda sterowania (3) i algorytm (4)), a także w różnych odmianach środków elektronicznego transportu kołowego (dalej opisana metoda sterowania (1) i algorytm (2)). Szynowe i gąsienicowe pojazdy przemysłowe transportu bliskiego wykorzystywane do transportu minerałów pracują w szczególnie trudnych warunkach terenowych, przy dużych obciążeniach i w trybie pracy ciągłej. Pojazdy te są zwykle podzespołami ciągów transportowych przenoszących minerały na odległości od kilku do kilkudziesięciu kilometrów, od wyrobiska do miejsca zrzutu (składowiska). Zagadnienia logistyczne i eksploatacyjne technicznych środków transportu bliskiego, z zastosowaniem opracowanych przez autor, nowych metod i algorytmów sterowania częstotliwościowego napędami jazdy są omawiane [30a, 33a]. Oryginalnymi osiągnięciami naukowymi autora autoreferatu uzyskanymi przy realizacji prac badawczo-wdrożeniowych [5b, 6b, 7b] mających na celu poprawę warunków eksploatacji elektronicznych środków transportu bliskiego z szynowym i gąsienicowym lub kołowym układem jazdy są; (1). Opis matematyczny metody sterowania częstotliwościowego z regulatorem adaptacyjnym napędu jazdy pojazdu transportowego, z wielosilnikowym zespołem napędowym, o silnikach sztywno sprzężonych z konstrukcją mechaniczną pojazdu (podwoziem), z nieskrętną lub skrętną belką napędu czołowego. (2). Nowy algorytm komputerowego sterowania częstotliwościowego, z regulatorem adaptacyjnym do realizacji korekcji częstotliwości napięcia zasilania silników, wielosilnikowego zespołu napędu jazdy pojazdu transportowego o silnikach sztywno sprzężonych z konstrukcją mechaniczną pojazdu (podwoziem), oraz z nieskrętną lub skrętną belką napędu czołowego. Według metody sterowania z regulatorem adaptacyjnym (1) i algorytmem komputerowego sterowania (2), który realizuje ciągłe w czasie, ale dyskretne w stanach, zmiany wartości częstotliwości napięcia zasilania silników, zbudowano napędy jazdy wielosilnikowych pojazdów transportowych. W napędach jazdy zastosowane jest indywidualnie sterowanie każdym elementem napędu (koło, gąsienica jezdna). W metodzie sterowania (1) wykonywana jest analiza geometrii zdanego toru jazdy poszczególnych napędów pojazdu przy skrętach. Metodę sterowania (1) i algorytm (2) można stosować w napędach jazdy samochodów eklektycznych z indywidualnym napędem kół, samojezdnych robotów kołowych i gąsienicowych. Obliczenia toru jazdy, wykorzystywane do sterowania pojazdami gąsienicowymi o różnych konstrukcjach mechanicznych, są przedstawione w publikacjach [19a, 20a, 27a]. (3). Opis matematyczny metody sterowania częstotliwościowego wielosilnikowym zespołem napędu jazdy pojazdu, z silnikami elastycznie sprzężonymi z konstrukcją mechaniczną (podwoziem), o układzie funkcjonalnym silników napędu jazdy typu Master Slave. (4). Nowy algorytm komputerowego sterowania częstotliwościowego wielosilnikowym zespołem napędu jazdy pojazdu, z silnikami elastycznie sprzężonymi z konstrukcją mechaniczną (podwoziem), o układzie funkcjonalnym silników napędu jazdy typu Master Slave. 4

5 Opracowana metoda sterowania (3) poprawia właściwości eksploatacyjne napędu jazdy pojazdów szynowych poprzez zautomatyzowane dopasowywanie momentów napędowych we wszystkich silnikach napędu jazdy do zadanej wartości. Opracowana metoda (3) i algorytm komputerowego sterowania (4) napędu jazdy umożliwia wyeliminowanie powstawania poślizgu koło szyna w pojeździe szynowym (lokomotywa elektryczna). Elekt ten autor uzyskał poprzez zastosowanie metody (3) zapewniającej jednakowe momenty napędowe wszystkich silników zespołu napędy jazdy, z ograniczeniem maksymalnej wartości. Zastosowany algorytm sterowania silnikami wyróżnia się możliwością automatycznego wyrównywania momentów napędowych silników, pracujących w układzie funkcjonalnym typu Master-Slave. Autorska metoda (3) i algorytm sterowania napędem jazdy (4), na przykładzie napędu taśmy przenośnika są opisane w publikacjach [7a, 21a]. Istotną zaletą eksploatacyjną, wdrożonych przez autora metod i algorytmów sterowania częstotliwościowego wielosilnikowymi zespołami napędów jazdy, dla omawianych w autoreferacie środków transportu bliskiego i dalekiego, jest wyeliminowanie wad tradycyjnych napędów jazdy pojazdów transportowych bazujących głównie na elektrycznych silnikach prądu stałego. W rezultacie zastosowania omawianych metod (1), (3) i algorytmów (2), (4) sterowania zespołami napędów jazdy z silnikami indukcyjnymi prądu przemiennego następuje poprawienie warunków eksploatacji (monitoring i automatyzacja sterowania napędami jazdy), zwiększenie manewrowości pojazdów transportowych, pracujących w trudnych warunkach terenowych (niezależne sterowanie prędkościami gąsienic jezdnych) oraz zmniejszenie energochłonności transportu. Opracowane metody i algorytmy sterowania napędami jazdy maszyn transportowych umożliwiają polepszenie warunków eksploatacji tych maszyn, poprzez zautomatyzowanie i zdalny monitoring ciągów technologicznych z środkami transportu bliskiego i dalekiego. System napędowy z częstotliwościowym sterowaniem prędkości obrotowej silników, zapewnia płynność procesu rozruchowego pojazdu, stabilizację prędkości jazdy, zadawanie wartości czasu rozruchu i hamowania pojazdu transportowego oraz ogranicza energochłonność transportu [18a]. Zapewnienie niezawodności w nowych, sterowanych częstotliwościowo, napędów jazdy pojazdów transportowych, na poziomie nie niższym niż przy stosowaniu tradycyjnych rozwiązań wykorzystujących silniki prądu stałego lub indukcyjne silniki pierścieniowe, jest podstawowym wymaganiem eksploatacyjnym. Zapewnienie niezawodności nowych napędów jazdy spełniono w efekcie opracowanych przez autora metod i algorytmów sterowania częstotliwościowego wielosilnikowymi zespołami napędu jazdy z silnikami indukcyjnymi prądu przemiennego oraz przez ograniczenie zaburzeń elektromagnetycznych. Wyeliminowanie szkodliwego oddziaływania napięcia zaburzeń wspólnych energoelektronicznych falowników na powstawanie prądu upływu doziemnego ma podstawowe znacznie dla ograniczenia zaburzeń elektromagnetycznych w elektronicznych środkach transportowych. Zastosowane przez autora autoreferatu metody i algorytmy sterowania napędów jazdy pojazdów transportowych, umożliwiły uzyskanie napędów jazdy o dużej sprawności i w pełni akceptowanych przez użytkowników właściwościach trakcyjnych. Przykładowo, praca manewrowa gąsienicowych pojazdów transportowych z napędami jazdy opartymi na sterowaniu częstotliwościowym silników indukcyjnych prądu przemiennego i wykonanym według metody (1), cechuje się dużą sprawnością, wskutek wykorzystania w czasie skrętów pojazdu, energii generatorowej przez silniki hamujące gąsienice z jednej strony pojazdu (o krótszym promieniu 5

6 skrętu) i przekazywania tej energii do silników napędzających gąsienice pojazdu po stronie przeciwnej (o krótszym promieniu skrętu) [27a, 5b]. Fizycznym efektem finalnym wykonanych przy udziale autora prac naukowo-badawczych [5b, 6b, 7b] było wdrożenie w Polsce pierwszego zespołu pojazdów gąsienicowych do transportu węgla i nadkładu, w nowej odkrywce węgla brunatnego Drzewce w KWB Konin, oddanej do eksploatacji w 2006 roku. Nowe metody sterowania prędkością jazdy (1), (3) pojazdów transportu wewnątrz zakładowego z zastosowaniem częstotliwościowego sterowania prędkością obrotową wałów napędowych silników indukcyjnych prądu przemiennego ze zwartą klatką, zapewniły zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o blisko 50%, w stosunku do tradycyjnych metod sterowania napędami jazdy [30a, 33a]. Pozytywne rezultaty eksploatacyjne szynowych i gąsienicowych pojazdów transportu bliskiego z opracowanymi przez autora metodami (1), (3) i algorytmami sterowania (2), (4) napędami jazdy pojazdów transportu bliskiego zostały także wdrożone w kolejnych zakładach przemysłowych (Odkrywka Węgla Brunatnego Tomisławice KWB Konin, Odkrywka Szczerców KWB Bełchatów, Elektrownia Kozienice). Opracowane i wdrożone przez autora autoreferatu metody i algorytmy sterowania zespołami jazdy pojazdów transportowych przyczyniły się do znaczącego zmniejszenia zużycia energii elektrycznej na potrzeby transportowania minerałów w kopalniach odkrywkowych. Podczas uruchamiania zespołów napędu jazdy pojazdów transportu wewnątrz zakładowego z przekształtnikami energoelektronicznymi, zasilanych z sieci elektroenergetycznej, o układzie sieciowym transformatora typu IT, wystąpiły problemy z zapewnieniem wysokiej niezawodności napędów sterowanych przekształtnikami energoelektronicznymi. Napięcie zaburzeń wspólnych wytwarzane przez falowniki, powodowało odkształcania napięć w sieci zasilania. Przeprowadzone przez autora badania symulacyjne i laboratoryjne [26a, 28a, 35a] pozwoliły zidentyfikować zjawiska i opracować metody ograniczania odkształceń napięć w sieci elektroenergetycznej, z której są zasilane elektroniczne pojazdy transportu bliskiego. Odkształcenia napięć w sieci zasilania tupu IT były wynikiem szkodliwego oddziaływania napięcia zaburzeń wspólnych przekształtników energoelektronicznych. Autor opracował nowe metody eliminowania zaburzeń doziemnych wywoływanych napięciem zaburzeń wspólnych przekształtników, przez co wzrosła niezawodność napędów jazdy pojazdów transportowych [12a, 25a, 42a]. Doświadczenia autora autoreferatu z analizy negatywnego oddziaływania napięcia zaburzeń wspólnych przemienników częstotliwości zasilanych z przemysłowych sieci elektroenergetycznych, o układzie sieciowym transformatora typu IT, zastały wykorzystane w badaniach i analizie szkodliwego oddziaływania napięcia zaburzeń wspólnych w układach kolejowych. Zbudowane przez autora matematyczne modele obwodowe przekształtów energoelektronicznych i modele obwodów elektrycznych rozpływu prądu zaburzeń doziemnych w sieci trakcyjnej i sieci elektroenergetycznej o układzie sieciowym transformatora typu TN i IT, umożliwiły pełną identyfikację przyczyn powstawania prądów zaburzeń doziemnych. Przeprowadzone badania skutków występowania napięcia zaburzeń wspólnych falowników na modelach systemów zasilania przekształtników w elektronicznych kolejowych systemach transportowych, doprowadziły do opracowania metod umożliwiających wyeliminowanie prądów zaburzeń doziemnych z sieci trakcyjnej i z systemu ochrony przeciwporażeniowej [48a, 49a]. Urządzania transportu kolejowego, także te umieszczone 6

7 w infrastrukturze kolejowej (np. zwrotnice kolejowe) można chronić przez zastosowanie opatentowanych przez autora filtrów [43a, 45a, 56a, 57a]. Badania negatywnego odziaływania napięcia zaburzeń wspólnych przekształtników w układach kolejowych są przedstawione w monografii autora wskazanej jako osiągnięcie naukowe dla przeprowadzenia procedury habilitacyjnej [54a]. Habilitant jest autorem lub współautorem 50 publikacji naukowych (w tym 7 publikacji indeksowanych w bazie CJR - lista filadelfij ska), 3 zgłoszeń patentowych, 2 patentów i 3 monografii. Habilitant wygłaszał referaty naukowe i uczestniczył w 34 konferencjach naukowych, w tym 13 krajowych i 21 międzynarodowych. Podsumowanie publikacji naukowych: Rodzaj publikacji naukowych ogółem Liczba Punkty [MNiSzW] Monografie 1 12 Rozdziały w monografiach 2 11 Artykuły w recenzowanych czasopismach naukowych Referaty wygłoszone na konferencjach naukowych Zgłoszenia patentowe 3 6 Patenty 2 50 RAZEM: Publikacje indeksowane na liście Liczba H -współczynnik Cytowana - bez filadelfijskiej Hirsha rwos, Scopus] cytowań autorskich Artykuły w czasopismach 7 H=l 6 - (WoS, Scopus) naukowych [indeksacja: WoS, Scopus] 9 - (inne bazy) 7