dr hab. inż. Kazimierz Jagieła Częstochowa, r. profesor ATH Bielsko-Biała Wydział Budowy Maszyn i Informatyki

Transkrypt

1 dr hab. inż. Kazimierz Jagieła Częstochowa, r. profesor ATH Bielsko-Biała Wydział Budowy Maszyn i Informatyki RECENZJA pracy doktorskiej mgr inż. Michała GAJDZICY pt.: Procesy przejściowe w systemach zasilania niekonwencjonalnych odbiorników przemysłowych dla Rady Wydziału Energetyki i Paliw AGH im. St. Staszica w Krakowie Podstawa opracowania recenzji Przedmiotem opinii jest rozprawa doktorska mgr inż. Michała GAJDZICY doktoranta prof. dr hab. inż. Jurija Wareckiego jako promotora i dr inż. Ryszarda Klempki jako promotora pomocniczego, pt. Procesy przejściowe w systemach zasilania niekonwencjonalnych odbiorników przemysłowych zgodnie z uchwałą Rady Wydziału Energii i Paliw AGH w Krakowie z dnia r. oraz zleceniem Pana Dziekana Wydziału Energii i Paliw AGH w Krakowie prof. dr hab. inż. Wojciecha Suwały, z dnia r., nr WEiP/MŚ /67/16 w sprawie opracowania recenzji. 1. Aktualność tematyki pracy doktorskiej Tematyka pracy dotyczy bardzo aktualnych zagadnień naukowych i technicznych związanych z projektowaniem i eksploatacją układów zasilania nieliniowych urządzeń elektroenergetycznych, które powodują generację wyższych harmonicznych w pobieranych prądach fazowych, zaburzając jednocześnie trójfazowe napięcia w punkcie wspólnego przyłączenia do sieci. Ubocznym efektem, ale jakże ważnym z punktu widzenia zawartych umów dotyczących rozliczeń w obrocie energią elektryczną określonych w odpowiednich normach i Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia r., jest utrzymanie na poziomie nie większym od 0,4 współczynnika tgφ, co przekłada się na właściwą i odpowiedzialną gospodarkę elektroenergetyczną w zakresie pobieranej energii, wprowadzając konieczność kompensacji mocy biernej z jednoczesnym efektem polepszenia jakości pobieranej energii elektrycznej przez odbiorniki nieliniowe. Ciągły wzrost rangi problemu kompensacji mocy biernej wynika z dwóch powodów: dotrzymania warunków umów między dostawcą energii a jej odbiorcą oraz szeregiem problemów techniczno-ekonomicznych, mających bezpośrednie przełożenie na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne w zakresie obniżenia prądów biernych indukcyjnych a w szczególnych przypadkach prądów pojemnościowych poprzez dokonanie właściwego doboru urządzeń kompensujących w sieciach, w których występują wyższe 1

2 harmoniczne prądu generowane przez układy o nieliniowych charakterystykach napięciowoprądowych. W recenzowanej rozprawie Doktorant pod kątem występowania stanów nieustalonych i związanych z nimi przebiegów napięć i prądów analizuje szereg przemysłowych odbiorników nieliniowych takich jak: piec łukowy AC, spawarki dużej mocy, przekształtnikowe układy napędowe prądu stałego i przemiennego, elektrofiltry nazywając je niekonwencjonalnymi odbiornikami przemysłowymi - co jest częścią tytułu pracy. Zdaniem recenzenta, określenie to niezbyt trafnie zostało zapożyczone z niekonwencjonalnych źródeł energii. Odbiorniki rozpatrywane w rozprawie są typowymi urządzeniami elektrycznymi stosowanymi w procesach przemysłowych. Z uwagi na ich budowę i zastosowane elementy posiadają one charakter nieliniowy, często ich działanie wprowadza asymetrię w poborze prądów a także niespokojny charakter w poszczególnych etapach procesu produkcyjnego (np. piece łukowe AC). Ilość odbiorników nieliniowych o różnych mocach stosowanych w przemyśle, w trakcji oraz w gospodarstwach domowych stale rośnie powodując istotne przyczyny występowania poważnych awarii spowodowanych licznymi powodami, w tym również ze względu na występowanie częstych operacji łączeniowych. Umiejętność powiązania doświadczeń praktycznych potwierdzonych licznymi pomiarami z metodami badań symulacyjnych wykorzystujących środowisko MATLAB - SIMULINK wzbogaca analizę techniczną i daje nowe narzędzia do projektowania złożonych układów zasilania odbiorników nieliniowych. Należy zaznaczyć, że zarówno opis, analiza pomiarowa i obliczeniowa oraz metody poprawy jakości pobieranej energii elektrycznej należą do kategorii zagadnień trudnych i skomplikowanych. Podjęcie się badań z tego zakresu przez mgr inż. Michała Gajdzicę, który na co dzień boryka się z różnymi zagadnieniami eksploatacyjnymi występującymi w praktyce przemysłowej należy uznać za w pełni uzasadnione i celowe, bowiem stanowi to piękne połączenie praktyki inżynierskiej z dociekaniami naukowymi. 2. Charakterystyka i ocena merytoryczna rozprawy doktorskiej Rozprawa liczy 181 stron i podzielona została na sześć zasadniczych rozdziałów uzupełnionych dodatkiem z pięcioma załącznikami stanowiącymi rozdział siódmy oraz wykazem literatury. Cytowana literatura zamieszczona w spisie bibliograficznym zawiera 167 pozycji publikacji krajowych i zagranicznych, norm, przepisów prawnych oraz stron www, w tym 12 publikacji Doktoranta: współautorskich - 10 i samodzielnych - 2. Pierwsze trzy strony Autor poświęca wprowadzeniu do poruszanych zagadnień dotyczących analizy procesów łączeniowych występujących w systemach elektroenergetycznych wyposażonych w urządzenia do kompensacji mocy biernej i filtracji. W tej części swojej pracy Doktorant przedstawia tezę pracy, która zdaniem Recenzenta nie jest sformułowana precyzyjnie, pozostawiając dużo miejsca do jej interpretacji. 2

3 Rozdział pierwszy to Stany eksploatacyjne w układach przemysłowych, w którym Autor na podstawie literatury charakteryzuje typowe nieliniowe odbiorniki przemysłowe z uwzględnieniem procesów przejściowych dla różnych stanów eksploatacyjnych. W rozdziale tym na podstawie literatury opisuje cztery metody analizy procesów w układach elektroenergetycznych. Rozdział drugi zatytułowany Badania eksperymentalne przemysłowych układów zasilania, poświęcony został opisowi badań eksperymentalnych dla czterech obiektów przemysłowych z nieliniowymi odbiornikami o różnych mocach zastosowanych w układach zasilania: odpylacza elektrostatycznego elektrociepłowni, napędów prądu przemiennego cementowni, napędów prądu stałego kopalni oraz zakładu produkującego kable elektroenergetyczne. Dla każdego wymienionego odbioru na bazie pomiaru napięć i prądów dla stanu ustalonego określane są podstawowe wielkości parametrów elektroenergetycznych takich jak: moc czynna i bierna, wartości skuteczne oraz parametry jakościowe (widma harmonicznych napięć i prądów). Rozdział drugi zakończony jest wnioskami, które mają charakter podsumowania i nie stały się podstawą do sprecyzowania problemu, wokół którego realizowana byłaby przedmiotowa praca doktorska. Rozdział trzeci o tytule Modelowanie układów zasilania zawiera trzy podrozdziały. W pierwszym opisano metody numeryczne stosowane do analizy stanów nieustalonych oraz dostępne programy narzędziowe dla środowiska MATLAB - SIMULINK. Na bazie biblioteki programów MATLAB - SIMULINK, w drugim podrozdziale, Doktorant przedstawia implementację poszczególnych elementów układów zasilania i obwodów kompensacyjnych takich jak: modele transformatorów trójfazowych, modele wyłączników z uwzględnieniem specyfiki łączeniowej dla określonych urządzeń elektroenergetycznych i sposobu gaszenia łuku oraz modele układów do kompensacji mocy biernej i filtracji wyższych harmonicznych prądów. Trzeci podrozdział to wnioski, które są podsumowaniem opisywanych dwóch podrozdziałów. Zdaniem recenzenta zaprezentowane modele symulacyjne świadczą o dobrym przygotowaniu Doktoranta do prowadzenia badań z wykorzystaniem nowoczesnych metod komputerowych wspomagających projektowanie złożonych układów elektroenergetycznych. Rozdział czwarty nosi tytuł Procesy przejściowe w kompensowanych układach przemysłowych, w którym Doktorant prezentuje wyniki badań symulacyjnych układu zasilania pieca łukowego AC, w którym zastosowano układ SVC (ang. Static Var Compensation) złożony z układu TCR (ang. Thyristor Controlled Reactor) oraz pasywnych filtrów wyższych harmonicznych (drugiej, trzeciej i piątej harmonicznej) zrealizowanych w dwóch wersjach: typu LC oraz typu C dla filtra drugiej harmonicznej i LC dla trzeciej i piątej harmonicznej. Dla tak określonej topologii zasilania przedstawiono szereg wykresów zawierających przebiegi napięć i prądów podczas załączania i wyłączania poszczególnych elementów instalacji pieca łukowego AC. Wyniki badań symulacyjnych obejmują analizę procesów przejściowych pod kątem określenia wartości amplitud prądów i napięć, wraz z wystąpieniem przepięć dla różnych wartości stopnia dostrojenia układów 3

4 filtrujących. Na podstawie przeprowadzonych badań symulacyjnych określono krytyczne parametry pozwalające na właściwy dobór urządzeń kompensacyjnych. W rozdziale piątym o tytule Kompensacyjno - filtrujące układy dla odbiorników niekonwencjonalnych Autor przedstawia zasady doboru parametrów dla układów spełniających jednocześnie funkcje kompensacyjne i filtrujące typu LC i C z uwzględnieniem częstości występowania procesów łączeniowych w stanach przejściowych i ustalonych. Zaproponowana metodologia do prawidłowego doboru elementów układu kompensacyjno - filtrującego bazuje na obliczaniach ekwiwalentnych maksymalnych wartości skutecznych z wykorzystaniem współczynników uwzględniających wartości amplitud i częstości łączeń. Zdaniem recenzenta, można uznać, iż w tym rozdziale postawiony cel pracy został osiągnięty, poprzez podanie zasad doboru parametrów technicznych dla urządzeń w układach kompensacyjno - filtrujących z uwzględnieniem odpowiednich wskaźników minimalizujących ryzyko wystąpienia awarii na skutek przepięć i przetężeń prądowych dla stanów przejściowych. Rozdział szósty to wnioski końcowe, na które składa się podsumowanie dotyczące zrealizowanych zagadnień będących przedmiotem pracy oraz dodatkowe trzy wnioski Doktoranta traktowane jako kierunki dalszych rozważań z zakresu badań eksperymentalnych połączonych z modelowaniem komputerowym. 3. Ocena strony redakcyjnej pracy Jak zaznaczono na początku punktu drugiego niniejszej recenzji przedstawiona rozprawa doktorska należy do kategorii prac objętościowo obszernych, w których występują wielokrotne powtórzenia powodujące, iż nie czyta się jej w sposób płynny. Autor niestety nie zachował właściwego kompromisu pomiędzy ścisłością i poglądowością w opisie skomplikowanych zagadnień, używa identycznych symboli i określeń dla różnych ich znaczeń, co utrudnia czytelnikowi zrozumienie poszczególnych fragmentów pracy. W pracy występuje wiele błędów gramatycznych z zakresu właściwej budowy zdań, używania potocznego stylu z niepoprawną składnią. Dobrą ocenę można wystawić szacie graficznej pracy, wszystkie rysunki i oscylogramy są opracowane bardzo dokładnie i czytelnie. 4. Oryginalny dorobek Autora oraz przydatność rozprawy dla nauk technicznych Reasumując należy uznać, że zarówno wartość merytoryczna rozprawy, jak i jej kompozycja potwierdza walory techniczne i naukowe wykonanych analiz, badań i symulacji komputerowych. W świetle powyższego za oryginalne osiągnięcia naukowe opiniowanej pracy doktorskiej uważam: 1. Opracowanie modelu zasilania pieca łukowego AC (rys. 4.2) wraz z kompensacją SVC złożoną z układów TCR oraz filtrów wyższych harmonicznych o różnych charakterystykach impedancyjnych z uwzględnieniem zasadniczych i pasożytniczych parametrów elementów filtrów; 4

5 2. Wykonanie serii badań symulacyjnych pozwalających określić krytyczne stany z punktu widzenia klasy napięciowej i prądowej podczas różnych procesów łączeniowych występujących w czasie eksploatacji pieca łukowego AC; 3. Propozycja nowatorskiej próby doboru elementów układu kompensacyjno - filtrującego bazującej na obliczaniach ekwiwalentnych maksymalnych wartości skutecznych z wykorzystaniem współczynników uwzględniających wartości amplitud i częstości łączeń. Rozprawa doktorska świadczy pozytywnie o ugruntowanej wiedzy teoretycznej Autora i opanowaniu przez Niego warsztatu naukowego wspomaganego praktycznym doświadczeniem zawodowym. Wykonane badania eksperymentalne na wielu obiektach przemysłowych oraz opracowanie modeli symulacyjnych z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi komputerowych potwierdzają Jego przygotowanie do rozwiązywania trudnych zadań projektowych o charakterze innowacyjnym. Na uwagę zasługuje podjęcie ambitnego tematu, inspirowanego potrzebami eksploatacyjnymi rzeczywistych instalacji elektroenergetycznych zasilających nieliniowe, niespokojne odbiorniki energii elektrycznej. 5. Krytyczne uwagi ogólne i szczegółowe W trakcie czytania pracy nasunęło się szereg uwag i wątpliwości, które wymagają wyjaśnień i uzupełnień Doktoranta. Te uchybienia i niedostatki można podzielić na dwie grupy: pierwsza to uwagi krytyczne wymagające wyjaśnień Autora w trakcie publicznej obrony, oraz druga to błędy redakcyjne zauważone w tekście rozprawy. GRUPA I. Uwagi dyskusyjne 1. Autor rozprawy na stronie 10 we wprowadzeniu nie wyjaśnił explicite tezy swojej pracy, aczkolwiek próbuje później przedstawić i zdefiniować zasadnicze cele pracy. Recenzent wnioskuje o bardziej przejrzyste sformułowanie zasadniczych tez rozprawy, które pozwolą w końcowym etapie na jednoznaczne potwierdzenie ich udowodnienia. 2. Proszę o analizę przebiegów napięć i prądów przedstawionych na rys (s. 27). 3. Proszę o wyjaśnienie zjawisk: komutacji i procesu łączeniowego. Jakie procesy zdaniem Doktoranta zachodzić będą w czasie pracy układu SVC? 4. Doktorant bardzo często używa określeń związanych z komutacją np. stan komutacyjny pracy pieca łukowego (s. 14), komutacje technologiczne (s. 16, s. 41), zachodzące komutacje w systemach przemysłowych z napędami prądu przemiennego (s. 27), komutacje a więc cykle włączeń oraz wyłączeń technologicznych (s. 31), komutacje poszczególnych stopni baterii kondensatorów (s. 43, s. 50), stany przejściowe wymuszają potrzebę częstych komutacji układu kompensacyjnego (s. 53), w przypadku komutacji 2. członu (s. 62), częste komutacje filtrów wyższych harmonicznych (s. 63), komutacja układu kompensacji do sieci skutkuje (s. 63), podrozdział Modelowanie procesów komutacji (s. 66), wielokrotne komutacje technologiczne (s. 75), liczby 5

6 komutacji (s. 144). Proszę o ustosunkowanie się do przyjętego nazewnictwa w świetle obowiązujących zasad zgodnych z literaturą. 5. Jak dzielimy grupy przyłączeniowe ze względu na wartość napięcia, zgodnie z RMG (Dz.U. Nr 93 poz.623) - czy stwierdzenia z chwilą załączenia baterii kondensatorów wysokiego napięcia do sieci 6 kv (s. 52), na szynach wysokiego napięcia 6 kv (s. 54), rozdzielnia wysokiego napięcia 6 kv (s. 59), odbiorników wysokiego oraz niskiego napięcia (s. 63) są poprawne? 6. Czy opisy na rys (s. 54) są właściwe i zgodne z tabelą 2.7, czy przebiegi napięcia U C i prądu I C na rys (s. 54) są poprawne? 7. Brak podpisu napięcia (jakie?) na oscylogramach rys. 2.13, rys (s. 57, s. 58), czego dotyczą wykresy zaprezentowane kolorem czarnym i kolorem niebieskim? 8. Proszę o wyjaśnienie poprawności danych przedstawionych w tabeli 2.10 (s. 60) w kontekście rysunku 2.16 (s. 59) wraz z tytułem podrozdziału Analiza harmoniczna systemu zasilania (s. 60). 9. Proszę o omówienie działania rzeczywistego układu SVC współpracującego z piecem łukowym AC. 10. Na stronie 87 brak jest oznaczenia współczynnika podanego wzorem (3.29), co oznacza h r w kontekście objaśnień wzorów (3.30, 3.31, 3.32) - (s. 90)? Proszę o wyprowadzenie zależności podanej wzorem (3.30). 11. Na podstawie jakich założeń uzyskano przebiegi dla drugiej, trzeciej, czwartej i piątej harmonicznej prądu załączenia transformatora - rys. 4.7 (s. 103)? 12. Proszę o skomentowanie wykresów przedstawionych na rys (s. 128). 13. Błędny opis rysunku 5.2 (s. 144), czy ten rysunek pochodzi ze źródeł literaturowych, czy jest własnym opracowaniem Autora? Nie ma przeciążenia napięciowego (s. 144). 14. Proszę podać źródło pochodzenia wartości podanych w tabelach: 5.2 (s. 145), 5.3 (s. 151). Czy są one zaczerpnięte z norm IEEE? 15. Dla jakiego etapu pracy pieca łukowego podane są wartości średnie harmonicznych prądów układu zasilania (tabela s. 152)? GRUPA II. Błędy redakcyjne 1. Co oznacza: Układ przemysłowy wyposażony jest w napęd prądu stałego (s. 53)? 2. Pisownia oznaczeń jednostek (np. s. 56) zob. artykuł dr inż. Edwarda Musiała Pisownia oraz wymowa nazw i oznaczeń jednostek miar Wiadomości Elektrotechniczne nr 11/ Co oznacza stwierdzenie Montaż baterii kondensatorów do szyn zakładu przemysłowego (s. 59)? 6

7 4. Co to jest: zaostrzenie stanów przejściowych (s. 63), obostrzenie przejściowe prądów i napięć (s. 64), zdolność do przenoszenia mocy napędu w szerokim zakresie pracy (s. 63)? 5. THD to współczynnik odkształcenia wyższymi harmonicznymi (s. 73) - definicja! 6. Wartości normatywne wskaźników odkształcenia odnoszą się do kwantyli 95% z okresów tygodniowych (RMG Dz.U. Nr 93 poz. 623) a nie jak Doktorant podaje to na stronie 33 w podrozdziale W odniesieniu do układu SVC to FC oznacza Fixed Capacitor a nie Filter Circuit (s. 86). 8. Co to są samotne baterie kondensatorów (s. 86)? 9. Stosuje się określenie mocy zwarciowej systemu elektroenergetycznego (s. 111) a nie mocy zwarcia systemu elektroenergetycznego (s.16). 10. Co oznacza pojęcie najbliższego otoczenia punktu przyłączenia filtru (s. 139)? Wyszczególnione w wyżej wymienionych grupach uwagi i błędy zauważone podczas lektury rozprawy nie mają większego znaczenia dla wartości merytorycznej pracy, nie mniej wymaga się od autorów rozpraw wnikliwej korekty tekstu pod względem językowym. 6. Konkluzja Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska wnosi znaczący wkład do obliczeń w zakresie projektowania układów kompensacyjno - filtrujących dla odbiorów nieliniowych generujących wyższe harmoniczne prądu. Cel pracy został osiągnięty. Biorąc pod uwagę wartość naukową i poznawczą rozprawy uważam, że w pracy doktorskiej pt. Procesy przejściowe w systemach zasilania niekonwencjonalnych odbiorników przemysłowych mgr inż. Michał Gajdzica samodzielnie rozwiązał bardzo ważny problem z zakresu elektrotechniki oraz wykazał się umiejętnościami wymaganymi, dla uzyskania stopnia doktora nauk technicznych. Stwierdzam, że w świetle obowiązujących przepisów: Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. z 2003 r. nr 65, poz. 595 z późn. zm.) oraz Rozporządzenia Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 22 września 2011 r. w sprawie szczegółowego trybu i warunków przeprowadzania czynności w przewodach doktorskich, w postępowaniu habilitacyjnym oraz w postępowaniu o nadanie tytułu profesora (Dz. U. z 2011 r. nr 204, poz. 1200) praca spełnia wymagania stawiane rozprawom doktorskim i wnioskuję o dopuszczenie jej do publicznej obrony. 7