dr ż. Konrad Jacek Dąbała ZAŁĄCZNIK 3 Autoreferat, przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych, w szczególności określonych w art. 16 ust. ustawy o stopniach i tytule
1. Imię i nazwisko Konrad Jacek Dąbała. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe Uzyskany tytuł zawodowy: Magister żynier Politechnika Warszawska w Warszawie, Wydział Elektryczny Zakres: Elektrotechnika Specjalność: Budowa maszyn i urządzeń elektrycznych Tytuł pracy magisterskiej dyplomowej: Maszyna MHD z twornikiem rtęciowym Opiekun pracy: dr ż. Grzegorz Kamiński Data uzyskania tytułu zawodowego: 198.07.14. Uzyskany stopień: Doktor nauk technicznych Instytut Elektrotechniki w Warszawie Tytuł pracy doktorskiej: Ograniczanie strat dodatkowych w rdzeniu silnika dukcyjnego o wirniku klatkowym Promotor: Prof. dr hab. ż. Mirosław Dąbrowski Recenzenci: Prof. dr ż. Tadeusz Śliwiński, Instytut Elektrotechniki Prof. dr hab. ż. Kazimierz Zakrzewski, Politechnika Łódzka Data uzyskania stopnia: 1998.1.03 - Uchwała Rady Naukowej Instytutu Elektrotechniki w Warszawie. 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Instytutu Elektrotechniki w Warszawie (Zakład Maszyn Elektrycznych): 198.09.0 198.1.0 stażysta, 198.1.1 1985.10.31 ż. elektryk, 1985.11.01 1999.01.05 st. asystent, 1999.01.01 obecnie adiunkt, 1999.0.01 1999.1.31 z-ca kierownika Zakładu Maszyn Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki w Warszawie, 003.0.01 014.11.30 kierownik Zakładu Maszyn Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki w Warszawie. 4. Wskazanie osiągnięcia naukowego, uzyskanego po otrzymaniu stopnia doktora, stanowiącego znaczny wkład w rozwój dyscyply elektrotechnika zgodnie z art. 16 ust. ustawy z dnia 14 marca 003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.). a) tytuł osiągnięcia naukowego. Osiągniecie naukowe to dzieło opublikowane w całości - monografia autorska: Konrad Jacek Dąbała Hybrydowa metoda wyznaczania sprawności silników dukcyjnych opublikowana w Pracach Instytutu Elektrotechniki, 71/015, Warszawa 015, s. 1-145, ISSN-003-616. c) omówienie celu naukowego w/w pracy i osiągniętych wyników, wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania.
Wstęp Zagadnienia związane ze sprawnością silników elektrycznych są obecnie jednym z elementów działań prowadzących do oszczędności energii przetwarzanej przez te silniki. Dotyczy to zarówno wymagań obligatoryjnych poziomów sprawności silników jak i metod wyznaczania ich sprawności. Autor monografii oszacował, że silniki dukcyjne trójfazowe o mocy 0,75 kw 375 kw zużywają ok. 6 % światowej energii elektrycznej dostarczonej odbiorcom, co stanowi ok. 57 % zużycia energii przez wszystkie silniki elektryczne na świecie. Wśród silników z tego przedziału największy udział w rynku mają silniki 4-biegunowe (ok. 60 %) i -biegunowe (ok. 5 %). Silniki dukcyjne trójfazowe o mocach z przedziału (0,75; 750> zużywają ok. 3 % światowej energii elektrycznej dostarczonej odbiorcom, co stanowi ok. 70 % zużycia energii przez wszystkie silniki elektryczne na świecie. Z tego też powodu autor monografii skoncentrował swoje zateresowanie na tej grupie silników. Cel naukowy pracy Celem naukowym monografii było opracowanie hybrydowej metody wyznaczania sprawności w silnikach dukcyjnych, tj. opracowanie systemu wyznaczania sprawności, w którym uwzględnia się wpływ warunków pomiaru określonych przez wybrane parametry według zaproponowanych algorytmów na sprawność silnika dukcyjnego klatkowego budowy zamkniętej. Nazwa hybrydowa jest uzasadniona tym, że w metodzie tej proces pomiarowy połączony jest z obliczeniami wymagającymi danych konstrukcyjnych i materiałowych silnika, i bazującymi na algorytmach zbliżonych do algorytmów projektowych, z uwzględnieniem jednak danych z pomiarów. Można wyróżnić następujące elementy orygalne metody: wprowadzenie pojęcia sprawności bezwarunkowej i warunkowej, opracowanie metodyki uwzględniania wpływu określonych czynników pomiarowych na sprawność, propozycja nowego modelu przepływu mocy i metod wyznaczania sprawności; zastosowanie arytmetyki terwałowej do wyznaczania błędu granicznego sprawności, propozycje zastosowań urządzeń i przyrządów pomiarowych używanych przy wyznaczaniu sprawności. Opis osiągniętych wyników Wprowadzenie pojęcia sprawności bezwarunkowej i warunkowej Podstawowym zagadnieniem w ustanawianiu standardowych metod wyznaczania sprawności jest jak największe zbliżenie uzyskiwanej sprawności konwencjonalnej (umownej) do rzeczywistej. W tym samym kierunku, tj. do zbliżenia sprawności obliczanej do rzeczywistej, zmierza doskonalenie metod projektowania maszyn elektrycznych. Szczególnie istotne w obliczeniach błędu wyznaczania sprawności jest rozróżnienie między: sprawnością bezwarunkową, tj. bez zadanych warunków pomiaru, albo sprawnością wyznaczaną przy założeniu, że zadane warunki zostały dokładnie spełnione, sprawnością warunkową, tj. wyznaczaną np. przy zadanej mocy wydawanej, zadanym napięciu zasilania, zadanej częstotliwości, temperaturze uzwojeń i nych zadanych parametrach. 3
W tej drugiej sytuacji należy uwzględnić bowiem wpływ błędu pomiaru wielkości charakteryzujących warunki wyznaczania sprawności, na błąd samej sprawności. Błąd ten jest zawsze większy, niż błąd sprawności bezwarunkowej wyznaczanej w taki sam sposób. W obliczeniach błędu systematycznego granicznego wyznaczania sprawności bezwarunkowej można się ograniczyć tylko do uwzględniania błędów pomiaru wielkości pomocniczych, takich jak moc wejściowa P, moc wydawana P out, całkowite straty mocy P t k P l l= 1 lub składniki sumy strat, na podstawie których oblicza się sprawność. Natomiast w obliczeniach błędu wyznaczania sprawności warunkowej trzeba ponadto uwzględnić błąd nastawiania wielkości charakteryzujących wymagane warunki pomiaru wielkości pomocniczych wykorzystywanych w obliczaniu sprawności według wybranej metody. W tym celu trzeba znać fizykalne zależności między mierzonymi wielkościami pomocniczymi a wielkościami nastawianymi (lub występującymi podczas pomiaru) takimi jak: a) napięcie, b) częstotliwość, c) moc wydawana, d) współczynnik kształtu napięcia, e) asymetria napięć zasilających, f) temperatura powietrza chłodzącego silnik. Jeżeli warunki pomiaru są określone przez zbiór n wartości wielkości nastawianych 1 w, X w 1, X X n to w ogólnym przypadku trzeba znać funkcje: P f ( X1, X,... X n ) P fout ( X X,... X n ) X,... X,..., X = (1) out = 1, () P t = ft ( X1, X,... X n ) (3) k l= 1 ( X X X ) P l = f P 1,,... Na ich podstawie otrzymuje się, wg przyjętej metody obliczania sprawności, jej zależność od wielkości nastawianych: f ( X X,... ) η = η 1, X n (5) Błąd względny każdej wielkości określającej warunki pomiaru: X (6) i δ X i = X iw gdzie i = 1,..., n, oraz X i oznacza błąd bezwzględny pomiaru i-tej wielkości nastawianej, spowoduje błąd względny sprawności warunkowej: fη X iw δηi = δx i X (7) i ηw przy czym: f η X i X 1w, X w,..., X nw X X 1w, w,..., X nw n oznacza wartość pochodnej funkcji f η w punkcie określonym przez warunki pomiaru. Natomiast η w jest tzw. wartością poprawną sprawności, w takim nw (4) 4
stopniu przybliżoną do wartości rzeczywistej, że w obliczaniu błędu δ ηi różnicę między nimi można pomąć. Za wartość η w można przyjąć wyznaczoną sprawność warunkową. Przyjmując najbardziej niekorzystną sytuację oddziaływania wszystkich błędów nastawiania na błąd sprawności w tym samym kierunku, otrzymuje się następujące wyrażenie na błąd względny sprawności warunkowej wywołany błędami nastawiania warunków pomiaru: n fη X iw δ = w δx (8) η i i= 1 X i η X = X w i iw Trudność w obliczaniu błędu δ wynika z niemożliwości analitycznego wyrażenia ηw funkcji (1-4) oraz (5). Wartości tych funkcji oraz ich pochodnych występujących we wzorach (7) i (8) można obliczyć tylko za pomocą algorytmów, które pod względem złożoności są zbliżone do algorytmu projektowania maszyny. Przeprowadzono obliczenia ilustrujące wpływ trzech pierwszych parametrów a)-c) tj. napięcia, częstotliwości i mocy wydawanej na sprawność silnika dukcyjnego klatkowego budowy zamkniętej. Obliczenia wykonano wg algorytmów przedstawionych w monografii. Dotyczyły one wyznaczenia zarówno sprawności warunkowej jak i bezwarunkowej. Wybrano metodę bezpośrednią wyznaczania sprawności. Wyniki tych obliczeń przedstawiono na rysunkach 1 i. Błąd względny warunkowy δ ηwi maleje ze wzrostem wielkości silnika nawet ok. siedmiokrotnie. δηwi % 0,04 0,03 0,0 0,01 0,00 U f P out 90 L-4 11 M-4 160 L-4 5 S-4 80 M-4 typ silnika Rys. 1. Błędy względne warunkowe δ ηwi od poszczególnych wielkości nastawianych dla różnych silników Proporcje w udziale poszczególnych składników tego błędu są różne dla silników o różnej wielkości: w czterech pierwszych silnikach największy wpływ na ten błąd ma moc wydawana, w największym silniku napięcie. 5
δηw % 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,0 0,01 0,00 90 L-4 11 M-4 160 L-4 5 S-4 80 M-4 typ silnika P out f U Rys.. Błąd względny warunkowy całkowity δ ηw i jego składowe od poszczególnych wielkości nastawianych dla różnych silników η p.p. 0,60 0,50 0,40 0,30 0,0 0,10 0,00 η b η w 90 L-4 11 M-4 160 L-4 5 S-4 80 M-4 typ silnika Rys. 3. Błąd bezwzględny całkowity η i jego składowe: błąd bezwzględny warunkowy η w oraz błąd bezwzględny bezwarunkowy (systematyczny) η b dla różnych silników (p.p. oznacza punkt procentowy) Poza błędem warunkowym sprawności wyznaczono także błąd sprawności bezwarunkowej, tj. błąd systematyczny dla przyjętej metody bezpośredniej wyznaczania sprawności. Przyjmując δ T = 0,1 %, δ n, = 0,1 % oraz δ P = 0,3 % (odpowiednio błędy systematyczne momentu, prędkości obrotowej i mocy pobranej) otrzymuje się wartość tego błędu δ ηb = 0,5 %. Na rysunku 3 przedstawiono całkowity błąd bezwzględny (graniczny) η, który zawiera się w przedziale (0,44 p.p. 0,48 p.p.) (p.p. punkt procentowy) i jego składowe: błąd bezwzględny warunkowy η w przedział (0,05 p.p. 0,01 p.p.) oraz błąd bezwzględny bezwarunkowy (systematyczny) η b przedział (0,39 p.p. 0,47 p.p.) dla różnych silników. Natomiast na rysunku 4 jest przedstawiony udział błędu bezwzględnego warunkowego η w w całkowitym błędzie bezwzględnym η. Udział ten wynosi od ok. 1 % dla najmniejszego silnika do ok. 1,5 % dla silnika największego. 6
η % / η w 14 1 10 8 6 4 0 90 L-4 11 M-4 160 L-4 5 S-4 80 M-4 typ silnika Rys. 4. Udział procentowy błędu bezwzględnego warunkowego η w w błędzie bezwzględnym całkowitym η dla różnych silników. Opracowanie metodyki uwzględniania wpływu określonych czynników pomiarowych na sprawność Metodyki te uwzględniają wpływ trzech pozostałych parametrów d)-f) tj. odkształcenie napięcia zasilającego, asymetrię napięcia zasilającego i temperaturę powietrza chłodzącego silnik na sprawność silnika dukcyjnego klatkowego budowy zamkniętej. Metodyka uwzględnienia wpływu kształtu napięcia zasilającego na sprawność Na podstawie kilku publikacji autor monografii przedstawił metodę uwzględniania wpływu kształtu napięcia zasilającego na sprawność silnika. Zastosowano rozkład napięcia i prądu w szereg Fouriera. Przy założeniu, że silnik jest symetryczny przyjęto schemat zastępczy jednej fazy silnika typu T, przy czym dla wyższych harmonicznych pomijana jest gałąź poprzeczna, ponieważ wartość jej jest znacznie większa niż impedancja rozproszenia wirnika. Z podobnego względu pomijane są rezystancje reprezentujące straty w rdzeniu i straty mechaniczne, zarówno dla podstawowej jak i wyższych harmonicznych. Przy tych założeniach obliczany jest prąd k-tej harmonicznej i całkowity prąd wyższych harmonicznych. Następnie obliczane są straty poszczególne od wyższych harmonicznych. Przedstawione w literaturze wyniki badań pracy silnika o mocy, kw zasilanego ze źródła o różnie odkształconym napięciu (harmoniczne od 1 do 13) dowodzą, że występuje znaczny wpływ wyższych harmonicznych na sprawność silnika. Największe różnice w sprawności występują dla -giej harmonicznej i są odpowiednio równe,1 p.p. (punktu procentowego), 3,48 p.p., 6,09 p.p. (odpowiednio dla VDF (Voltage Distortion Factor, VDF=U k /U 1 100 %) = 5, 10, 15 %). Nie zawsze rząd harmonicznej przesądza o wielkości dodatkowych strat przez nią spowodowanych. Na przykład dla VFD = 10 % porządek harmonicznych powodujących straty od największych do najmniejszych jest następujący:, 4, 5, 7, 3, 8, 6, 10, 11, 9, 1, 13. Widać także spory wpływ amplitudy harmonicznej na straty np. dla harmonicznej różnica między 5 a 15 % powoduje zmniejszenie sprawności aż o 3,97 p.p. Metodyka uwzględnienia wpływu asymetrii napięcia zasilającego na sprawność Na podstawie kilku publikacji oraz własnych propozycji autor monografii przedstawił metodę uwzględnienia wpływu asymetrii napięcia zasilającego na sprawność. Zastosowano metodę składowych symetrycznych oraz zaproponowano wzory dogodne do obliczeń wpływu asymetrii amplitudowej i fazowej na sprawność silnika. 7
Przedstawione w literaturze wyniki badań pracy silnika o mocy, kw zasilanego w różnych warunkach asymetrycznego zasilania pokazują, że maksymalna różnica w sprawności wynosząca 3,7 p.p. wystąpiła przy asymetrii wartości skutecznych obniżonych (w stosunku do znamionowych) we wszystkich fazach. Sprawność przy asymetriach wartości skutecznych obniżonych jest średnio o,8 p.p. niższa niż przy zasilaniu symetrycznym i średnio o 0,4 p.p. niższa przy asymetriach wartości skutecznych podwyższonych. Przy asymetrii fazowej jednej fazy tylko o 6,9º różnica w sprawności wynosi 0,76 p.p., natomiast przy asymetrii fazowej dwóch faz o 8,1º i o 4º aż 1,55 p.p.. Można więc wysnuć wniosek, że stosunkowo niewielka asymetria fazowa powoduje dość znaczne obniżenie sprawności silnika. Metodyka uwzględnienia wpływu temperatury powietrza chłodzącego na sprawność silnika Zaproponowano dwie metody wyznaczenia wpływu temperatury powietrza chłodzącego obiegu zewnętrznego silnika dukcyjnego klatkowego budowy zamkniętej na sprawność. Jedna nazywana metodą B wg normy amerykańskiej i kanadyjskiej oraz druga z wykorzystaniem Zastępczej Sieci Cieplnej (ZSC) silnika. W celu porównania wyników sprawności wyznaczanych różnymi metodami w zależności od temperatury otoczenia zostały przeprowadzone obliczenia dla silnika 13 M-4, P N = 7,5 kw, U N = 380 V, połączenie uzwojenia stojana w trójkąt. Straty zostały przyjęte z pomiarów. Z analizy wyników obliczeń wynika, że różnice między sprawnością obliczoną metodą B i metodą zastępczej sieci cieplnej zależne są od temperatury otoczenia i zmieniają się od 0,01 p.p. do 0,16 p.p. dla analizowanego silnika. Oznacza to, że np. przy ϑ o = 0 ºC (średnia temperatura występująca w laboratorium) nieuwzględnienie zmiany przyrostu temperatury w zależności od temperatury otoczenia (czyli niezastosowanie metody ZSC) prowadzi do zawyżenia sprawności analizowanego silnika o 0,06 p.p. Propozycja nowego modelu przepływu mocy i metod wyznaczania sprawności Na rys. 5 przedstawiono propozycję autora monografii nowego schematu przepływu mocy w silniku dukcyjnym klatkowym z uwzględnieniem rozdziału strat w rdzeniu na podstawowe i dodatkowe jałowe oraz rozdziału strat dodatkowych obciążeniowych na stojan i wirnik. Schematowi temu odpowiada układ równań: P = P ws P Fep P als P i P i = P wr P a0 P alr P m P out P m = P mbe P mv Przy czym: P Fep straty mocy w rdzeniu podstawowe, P als straty dodatkowe obciążeniowe w stojanie, P a0 straty dodatkowe jałowe, straty dodatkowe obciążeniowe w wirniku. P alr Propozycja 1 nowej metody wyznaczania sprawności silników dukcyjnych klatkowych polega na przyjęciu schematu rozpływu mocy z rys. 5. Różnice w stosunku do metody 1 z IEC 6197 polegają na: - Rozdzieleniu strat w rdzeniu P Fe na straty podstawowe P Fep ulokowane w stojanie i straty dodatkowe jałowe P a0 ulokowane w wirniku. Rozdział strat w rdzeniu z biegu jałowego P Fe na te dwa składniki można przyjąć (na podstawie wyników badań własnych autora monografii) jako P Fep / P Fe = 0,6 oraz P a0 / P Fe = 0,4. 8
- Rozdzieleniu strat dodatkowych obciążeniowych P al na stojan i wirnik w stosunku 1:1. Z danych literaturowych wynika, że rozkład tych strat pomiędzy stojan P als i wirnik P alr zależy od cech konstrukcyjnych, materiałowych i technologicznych silnika, np. w silniku o 8 żłobkach wirnika P als / P alr = 0 % / 80 %, a w silniku o 44 żłobkach wirnika P als /P alr =65 % /35 %. Z obliczeń autora monografii dla silnika 160 L-4 o 8 żłobkach wirnika P als / P alr = 60 % / 40 %. Wobec powyższych faktów zdecydowano, że przyjęcie P als / P alr = 50 % / 50 % będzie rozwiązaniem kompromisowym. Pozostałe punkty algorytmu są takie same jak w metodzie 1 z IEC 6197. Odmianą Propozycji 1 jest metoda, w której proporcje rozdziału strat zarówno dodatkowych jałowych P a0 jak i obciążeniowych P al nie są przyjmowane a obliczane. Autor monografii jest współautorem algorytmu obliczania strat dodatkowych jak również analiz porównawczych wyników obliczeń i badań tych składników strat. P =16735 W P ws =593 W P Fep =194 W P i =15776 W P als =17 W P wr =47 W P a0 =119 W P im =15058 W P alr =17 W P m =58 W P out =15000 W Rys. 5. Propozycja nowego schematu przepływu mocy w silniku dukcyjnym klatkowym w znamionowym stanie obciążenia (silnik 160 L-4 o mocy znamionowej 15 kw, p = 4, η = 89,6 % (metoda Propozycja 1)). Szerokość strumieni jest proporcjonalna do poszczególnych mocy Podobnie jak w Propozycji 1 schemat rozpływu mocy w Propozycji jest ten sam (wg rys. 5). Różnice w stosunku do Propozycji 1 polegają na: - uwzględnieniu spadku napięcia podczas obciążenia nie tylko na rezystancji uzwojenia stojana ale także jego reaktancji Na rys. 6 przedstawiono sposób wyprowadzenia napięcia zredukowanego, przy uwzględnieniu obu wielkości. 9
U ph U ph jx ph I ph U bph ϕ ϕ R ph I ph ϕ I ph U aph ϕ U iph Rys. 6. Wykres fazorowy (jednej fazy) dla obciążenia znamionowego silnika dukcyjnego klatkowego U aph U bph = U I R cosϕ I X s ϕ ph ph ph ph ph = I X cosϕ I R sϕ ph ph ph ph U = U U iph aph bph 3 3 3 3 U = cos s cos s U IR ϕ IX ϕ IX ϕ IR ϕ i przy czym: U (U ph ) U i (U iph ) U aph U bph U r I (I ph ) cos ϕ R (R ph ) X (X ph ) j napięcie międzyfazowe (fazowe), siła elektromotoryczna międzyfazowa (fazowa), napięcia fazowe pomocnicze, napięcie zredukowane, prąd liowy (fazowy), współczynnik mocy, rezystancja uzwojenia stojana międzyprzewodowa (fazowa), impedancja uzwojenia stojana międzyprzewodowa (fazowa), jednostka urojona. - straty mechaniczne zostały uzależnione od poślizgu s podczas obciążenia wg wzoru P ms = P m (1-s) lub P ms = P m (1-s),5, lub gdy znane są straty tarcia w łożyskach P mbe i straty wentylacyjne P mv : P ms = P mbe (1-s) P mv (1-s) 3. Pozostałe punkty algorytmu są takie same jak w metodzie 1 z IEC 6197 i Propozycji 1. Zastosowanie arytmetyki terwałowej do wyznaczania błędu granicznego sprawności Autor monografii zaproponował zastosowanie terwałów do wyznaczania błędu granicznego sprawności. 10
Na podstawie literatury można stwierdzić, że: środek terwału odpowiada wynikowi pomiaru, zaś promień terwału odpowiada błędowi granicznemu. Jednak wielkości wynikowe otrzymywane po obliczeniach na podstawie określonej funkcji przetwarzania metodą terwałową i klasyczną nie muszą być tożsame. W dalszej części opisu autor monografii przeprowadził analizę tych zależności. W przypadku metody bezpośredniej wyznaczania sprawności wartość środkowa terwału η mid wynosi η mid = 0,105 T n P T n P = 1 0,105 P T n P T n P P zaś w metodzie klasycznej wynik pomiaru wynosi η = 0,105 T T n n P P 1 T n = 0,105 T n P T n P T n gdzie: T, T, n, n, P, P krańce terwałów odpowiednio: momentu [T], prędkości obrotowej [n], mocy pobranej [P ], które w są także ± błędami granicznymi tych wielkości. Autor monografii udowodnił w swojej publikacji, że współczynnik k (11) będący ilorazem wartości środkowej terwału (9) i wyniku pomiaru (10) jest równy lub większy od 1, co oznacza, że wartość środkowa terwału jest dla metody bezpośredniej zawsze równa lub większa niż wynik pomiaru. P k = P P T n P P P P T n P T n T n P P P T n T n P P T P n T n Promień terwału dla metody bezpośredniej można przedstawić jako rad([ η]) = η mid δ δ δ n T P 1 δ δ δ δ n P T P zaś błąd bezwzględny graniczny sprawności = η δ δ δ ) (13) η ( T n P Z porównania wzorów (1) i (13) wynika, że promień terwału dla metody bezpośredniej jest większy niż błąd graniczny, ponieważ błąd względny wyznaczany dla terwału jest większy i wartość środkowa terwału jest większa niż wynik pomiaru. Warto zauważyć, że pomijając w (1) iloczyn błędów granicznych i kwadrat błędu granicznego mocy pobranej, jako pomijalnie małych, otrzymuje się wyrażenie na błąd względny graniczny sprawności takie same jak (13). Autor monografii wykonał przykładowe obliczenia wg obu metod dla silnika o mocy znamionowej P N = 75 kw: - promień terwału = 0,586148 % - błąd graniczny = 0,586147 % - wartość środkowa terwału = 95,063998 % - wynik pomiaru = 95,063364 %. (9) (10) (11) (1) 11
Można zauważyć, że promień terwału jest większy niż błąd graniczny, a wartość środkowa terwału jest większa niż wynik pomiaru. Praktycznie, wynik wyznaczania sprawności otrzymywany wg obu metod jest taki sam i wynosi 95,1 ± 0,6 %. Propozycje zastosowań urządzeń i przyrządów pomiarowych używanych przy wyznaczaniu sprawności Przy wyznaczaniu sprawności silników dukcyjnych mierzy się wielkości elektryczne (np. moc pobieraną) oraz wielkości mechaniczne takie jak moment na wale silnika i prędkość obrotową. Jednym z podstawowych wymagań w czasie pomiarów jest zapewnienie jednoczesności pomiaru tych wielkości. Cyfrowe analizatory mocy jakie współcześnie są używane w laboratoriach, wyznaczają moc na podstawie jej deficji tzn. całkują w określonym czasie iloczyn wartości chwilowych napięcia i prądu silnika. Ten czas to zwykle ok. 0,5 sekundy. Aby zapewnić jednoczesność pomiaru w tym czasie należy utrzymać stałe obciążenie. Stabilność obciążenia może zapewnić odpowiednia hamownica. Z doświadczenia autora monografii wynika, że drugim problemem jest pomiar momentu na wale dotyczy to zarówno samego przyrządu pomiarowego (momentomierza) o odpowiedniej konstrukcji i klasie jak również sposobu jego sprzęgnięcia, tak aby wykluczyć momenty zakłócające pomiar wielkości mierzonej. Dlatego w Zakładzie Maszyn Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki w latach 004-005 została opracowana i wykonana hamownica prądu stałego o mocy 15 kw wraz z układem energoelektronicznym zapewniającym zwrot energii do sieci. W roku 006 opracowano i wykonano drugą hamownicę także o mocy znamionowej 15 kw, ale tym razem prądu przemiennego również z układem energoelektronicznym zapewniającym zwrot energii do sieci oraz dodatkowo z pomiarem momentu reakcji stojana. Używając obu hamownic przeprowadzono badania trzech silników dukcyjnych klatkowych o różnej ilości biegunów i takiej mocy, że ich moment znamionowy był zbliżony. Pomiar momentu wykonano za pomocą trzech mierników: momentomierzem (wałkiem skrętnym), czujnikiem siły (pomiar reakcji stojana), wagą elektroniczną (pomiar reakcji stojana). Z przeprowadzonych badań i ich analizy wynika, że najbardziej odpowiednim miernikiem do pomiaru momentu (który ma kluczowe znaczenie przy wyznaczaniu sprawności) jest momentomierz (wałek skrętny) i pomiar momentu bezpośrednio na wale silnika. Obecnie na rynku oferowane są momentomierze nawet klasy 0,1 odporne na momenty pasożytnicze (np. od sprzęgnięcia). Z punktu widzenia jakości pomiarów przeważa hamownica prądu stałego. Wynika to: - z większych wartości współczynników korelacji, gdyż prawie we wszystkich pomiarach są znacząco większe dla tej właśnie hamownicy, co świadczy o mniejszym rozrzucie strat resztkowych w funkcji kwadratu momentu, - z faktu, że w układzie pomiarowym z hamownicą prądu stałego występują 3- krotnie mniejsze wahania mocy pobieranej przez silnik badany niż w układzie z hamownicą prądu przemiennego. Przykładowe wyniki hybrydowej metody wyznaczania sprawności Na rys. 7 przedstawiono przykładowe wyniki wyznaczania sprawności silnika o przyjętej mocy znamionowej kw metodą klasyczną i hybrydową. Różnica w tym przypadku wynosi 1,35 p.p. i nie wpływa na stratę klasy sprawności silnika IE (IE International Efficiency), ale może się zdarzyć, że badany przez nas silnik może stracić klasę IE tylko z powodu niesprzyjających warunków w czasie pomiarów, co jest krzywdzące dla producenta silnika. Świadczy to o potrzebie stosowania hybrydowej metody wyznaczania sprawności silnika dukcyjnego. 1
Rys. 7. Wyniki sprawności wyznaczone metodą klasyczna i hybrydową Podsumowanie Na podstawie 15 publikacji autorskich, 9 publikacji współautorskich, jednej pracy współautorskiej niepublikowanej, bezpośrednio związanych z tematyką monografii oraz prac własnych niepublikowanych zamieszczonych w monografii, autor przedstawił hybrydową metodę wyznaczania sprawności silników dukcyjnych. Hybrydowa metoda wyznaczania sprawności silnika dukcyjnego oznacza system wyznaczania sprawności, w którym uwzględnia się wpływ warunków pomiaru określonych przez wybrane parametry według zaproponowanych algorytmów na sprawność silnika dukcyjnego klatkowego budowy zamkniętej. Nazwa hybrydowa jest uzasadniona tym, że w metodzie tej proces pomiarowy połączony jest z obliczeniami wymagającymi danych konstrukcyjnych i materiałowych silnika, i bazującymi na algorytmach zbliżonych do algorytmów projektowych, z uwzględnieniem jednak danych z pomiarów. Metoda ta ma duże znaczenie praktyczne, ponieważ potrzebne są metody służące do weryfikacji wartości sprawności silników, które zapewniają użytkownikom silników sprawdzenie sprawności deklarowanych przez producentów silników i zapewniająca warunek, aby wyznaczana sprawność miała wartość jak najbardziej zbliżoną do sprawności rzeczywistej, ponieważ użytkownicy silników dukcyjnych trójfazowych zateresowani są konkretnymi korzyściami z zaoszczędzonej energii. Stosowanie tej metody jest także korzystne dla producentów silników, ponieważ np. niedostateczne uwzględnianie warunków pomiaru (chociaż zgodne z normami) prowadzi do obniżenia sprawności badanego silnika. Stąd potrzeba rozwijania i udoskonalania metod wyznaczania sprawności tej grupy silników elektrycznych. Monografia ma charakter terdyscyplarny. Wykorzystane są następujące dyscyply nauki: teoria maszyn elektrycznych, badania maszyn elektrycznych, metrologia elektryczna, elektrotechnika teoretyczna, algebra abstrakcyjna, teoria terwałów, 13
aplikacje bazodanowe, programowanie w języku Delphi. Monografia, oprócz opisanych metod, metodyki oraz sposobów obliczeń, została wzbogacona o przykłady wyników badań laboratoryjnych i obliczeń konkretnych, istniejących silników. Do obliczeń tych zostały napisane aplikacje lub użyte komercyjne oprogramowanie. Do orygalnych osiągnięć autora monografii można zaliczyć: oszacowanie ilości energii elektrycznej dostarczonej odbiorcom zużywanej przez silniki dukcyjne trójfazowe; Na podstawie analizy danych oszacowano, że silniki dukcyjne trójfazowe o mocy 0,75 kw 375 kw zużywają ok. 6 % światowej energii elektrycznej dostarczonej odbiorcom, co stanowi ok. 57 % zużycia energii przez wszystkie silniki elektryczne na świecie, natomiast silniki dukcyjne trójfazowe o mocach z przedziału (0,75; 750> kw zużywają ok. 3 % światowej energii elektrycznej dostarczonej odbiorcom, co stanowi ok. 70 % zużycia energii przez wszystkie silniki elektryczne na świecie. Oszacowanie to dowiodło, że silniki dukcyjne trójfazowe stanowią największą grupę odbiorów. Dlatego zagadnienia związane ze zwiększaniem sprawności tych silników niosą największy potencjał prowadzący do oszczędności energii. wprowadzenie pojęcia sprawności bezwarunkowej i warunkowej; Zdefiowano pojęcie sprawności warunkowej oraz określono sposób wyznaczania błędu tej sprawności. Różnica między sprawnością bezwarunkową a warunkową polega na tym, że trzeba przy jej wyznaczaniu dodatkowo uwzględnić błąd nastawiania wielkości charakteryzujących wymagane warunki pomiaru wielkości pomocniczych wykorzystywanych w obliczaniu sprawności według wybranej metody. W tym celu trzeba znać fizykalne zależności między mierzonymi wielkościami pomocniczymi a wielkościami nastawianymi (lub występującymi podczas pomiaru). Trudność w obliczaniu błędu sprawności warunkowej wynika z niemożliwości analitycznego wyrażenia funkcji mocy i strat oraz ich pochodnych zależnych od wielkości nastawianych. Wartości tych funkcji oraz ich pochodnych można obliczyć tylko za pomocą algorytmów, które pod względem złożoności są zbliżone do algorytmu projektowania maszyny. Takie algorytmy zostały także opracowane i przedstawione w monografii. opracowanie metodyki uwzględniania wpływu określonych czynników pomiarowych na sprawność; Opracowano i przedstawiono metody pozwalające na wyznaczenie wpływu takich wielkości występujących podczas pomiaru jak: a) napięcie, b) częstotliwość, c) moc wydawana, d) kształt napięcia, e) asymetria napięć zasilających, f) temperatura powietrza chłodzącego silnik na sprawność warunkową. nowy model przepływu mocy i metody wyznaczania sprawności; Opracowano i przedstawiono nowy model przepływu mocy w silniku, modyfikacje strat w rdzeniu i strat mechanicznych oraz związane z tym nowe metody wyznaczania sprawności. Odzwierciedlają one zjawiska fizyczne występujące w silniku w sposób bardziej poprawny od dotychczas używanych metod. zastosowanie arytmetyki terwałowej do wyznaczania błędu granicznego sprawności; 14
Po raz pierwszy zaproponowano użycie terwałów do wyznaczenia błędu granicznego sprawności. Zaletą stosowania algebry terwałowej do wyznaczania błędu granicznego sprawności silników dukcyjnych klatkowych w stosunku do metody klasycznej jest brak konieczności wyznaczania pochodnych. Poza tym może ona służyć do weryfikacji poprawności wyników otrzymanych z metody klasycznej. propositions of applyg of devices and measurement struments usg efficiency determation. Na podstawie wyników przeprowadzonych badań laboratoryjnych silników o zbliżonym momencie znamionowym i o różnej liczbie par biegunów, obciążanych dwoma rodzajami hamownic, z pomiarem momentu w trzech układach określono, że z punktu widzenia wyznaczania sprawności najodpowiedniejszą hamownicą jest hamownica prądu stałego. Charakteryzuje się ona bowiem 3-krotnie mniejszymi wahaniami mocy. Drugim bardzo ważnym elementem w układzie pomiarowym jest zapewnienie jednoczesności pomiaru wielkości elektrycznych i mechanicznych, co jest realizowane za pomocą cyfrowych analizatorów mocy. Trzecim wymaganiem jest stosowanie do pomiaru momentu momentomierzy jak najmniej wrażliwych na zakłócenia pochodzące od sprzęgnięcia silnika z momentomierzem i hamownicą. Publikacje autorskie i współautorskie związane bezpośrednio z tematyką rozprawy pochodzą z okresu kilkunastu lat. W tym czasie niektóre elementy metody hybrydowej, prezentowane przez autora monografii np. na konferencjach międzynarodowych zostały wprowadzone do norm. Przykładem może być uwzględnianie spadku napięcia na rezystancji stojana do wyznaczenia strat w rdzeniu podczas obciążenia (chociaż nadal nie uwzględnia się spadku napięcia na impedancji stojana), a z ostatniego okresu (luty 015 rok) uwzględnienie (w sposób uproszczony) zmniejszenia strat mechanicznych podczas obciążenia na skutek zmniejszenia prędkości kątowej silnika w tym stanie. Fakty te potwierdzają zasadność prac badawczo-rozwojowych związanych z tą tematyką, stanowią bowiem one podstawę do wprowadzania nowych metod lub ich modyfikacji do praktyki laboratoryjnej poprzez zatwierdzanie ich w dokumentach normalizacyjnych. 5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych wnioskodawcy W 198 roku ukończyłem Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej w Warszawie, a za moją pracę magisterską pt. Maszyna MHD z twornikiem rtęciowym otrzymałem I nagrodę (ex aequo) w konkursie na najlepszą pracę dyplomową (magisterską) wykonaną na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej w roku akademickim 1981/8 (skan zaświadczenia w załączniku 8). W roku 198 rozpocząłem pracę w Zakładzie Maszyn Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki w Warszawie, gdzie w początkowym okresie zajmowałem się zagadnieniami cieplno-wentylacyjnymi w silnikach dukcyjnych, a następnie zjawiskami pasożytniczymi w tych maszynach. W 1998 roku uzyskałem stopień doktora nauk technicznych. W mojej pracy na stopień doktora pt. Ograniczanie strat dodatkowych w rdzeniu silnika dukcyjnego o wirniku klatkowym m.. przedstawiłem wyniki badań, które dowodziły, że za pomocą odpowiednich zabiegów konstrukcyjno-technologicznych można znacznie zmniejszyć straty dodatkowe w silniku dukcyjnym o wirniku klatkowym zarówno jałowe jak i obciążeniowe zwiększając w ten sposób sprawność silnika bez zwiększania masy jego materiałów czynnych. Promotorem pracy był pan prof. dr hab. ż. Mirosław Dąbrowski. Po doktoracie moje zateresowania koncentrują się głównie na badaniach doświadczalnych i modelowych składników strat oraz metodach wyznaczania sprawności w silnikach dukcyjnych niskiego napięcia, a w ostatnich latach również na zagadnieniach metod projektowania i konstrukcji maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi, a w 15
szczególności na silnikach do napędu bezpośredniego pojazdów elektrycznych (tzw. silnik w kole ) oraz prądnic do zastosowań w odnawialnych źródłach energii. Doświadczenia i wiedza zdobyta w czasie realizacji tej tematyki umożliwiła mi udział a w ostatnich latach także kierowanie wieloma projektami, zarówno celowymi z fabrykami maszyn elektrycznych, jak i badawczymi i rozwojowymi. W tabeli 1 zestawiłem formacje dotyczące tej działalności. Szczegółowe formacje dotyczące zrealizowanych projektów są przedstawione w Załączniku 5 Wykaz opublikowanych prac naukowych.... Tab. 1. Projekty zrealizowane przez habilitanta Rodzaj projektu Ilość projektów Charakter udziału Projekt celowy Kierownik Projekt celowy 5 Wykonawca Projekt badawczy 1 Kierownik Projekt badawczy 3 Wykonawca Projekt rozwojowy 1 Kierownik Projekt rozwojowy 1 Wykonawca Należy podkreślić wdrożeniowy charakter zrealizowanych projektów celowych. Wiele opracowanych w ramach tych projektów typów i odmian silników dukcyjnych klatkowych są produkowane do dziś. Za wdrożenia nowych odmian silników dukcyjnych w przemyśle w 006 roku otrzymałem Brązowy Krzyż Zasługi (skan w Załączniku 8)). Wśród odmian silników dukcyjnych klatkowych są silniki o wysokiej sprawności. Realizowałem prace dotyczące podwyższenia sprawności w tych silnikach, jak również dotyczące metod wyznaczania sprawności silników. Jednym z efektów tych prac było opracowane w 014 roku zgłoszenie patentowe nr P.407145 pt. Zamknięcie żłobka w maszynie elektrycznej. Rozwiązanie zaproponowane w tym zgłoszeniu podwyższa sprawność silnika bez zwiększania jego masy. W latach 1997-013 prowadziłem nadzór merytoryczny i wykonawczy nad wyznaczaniem sprawności silników dukcyjnych wg normy kanadyjskiej CSA 390, pod nadzorem CSA (Canadian Standard Association), (w latach 009-01 po uzyskaniu certyfikatu CSA wg normy ISO/IEC 1705:005 (skan w Załączniku 8)). Wyznaczono w ten sposób sprawność w 161 silnikach. Ekspertyzy te umożliwiły weryfikację założeń konstrukcyjnych i wykonawczych silników o wysokiej sprawności oraz eksport tych silników przez nasze fabryki maszyn elektrycznych do Kanady i USA. Doświadczenia zdobyte m.. w czasie przeprowadzania tak dużej ilości ekspertyz zaowocowały opracowaniem hybrydowej metody wyznaczania sprawności w silnikach dukcyjnych, która została przedstawiona w monografii autorskiej. Jestem współautorem 5 zrealizowanych orygalnych osiągnięć projektowych i konstrukcyjnych dotyczących: hamownic prądu stałego i przemiennego z możliwością oddawania energii do sieci, prądnicy o małej prędkości obrotowej przeznaczonej do stosowania w odnawialnych źródłach energii, pojazdu elektrycznego z napędem bezpośrednim oraz elektronicznego wyłącznika kondensatora rozruchowego silnika jednofazowego. Jestem także współautorem koncepcji prądnicy zawartej w otrzymanym w 009 roku patencie nr P.389970 pt. Prądnica synchroniczna bezszczotkowa z niezależnie wirującymi biegunami. Jednym z efektów tych opracowań były 4 medale (w tym 1 złoty), dyplomy i list gratulacyjny otrzymane na międzynarodowych wystawach wynalazków (skany w Załączniku 8). Podstawą prowadzenia prac badawczych (przed i po doktoracie) były przede wszystkim prace prowadzone w ramach działalności statutowej., oprócz tego w Resortowym Programie Badań Podstawowych i projekcie badawczym. Powstały 3 takie prace, a 10 z 16
nich uzyskały nagrody lub wyróżnienia w Konkursie na najlepszą pracę naukową - badawczą opracowaną w Instytucie Elektrotechniki. Były one także podstawą do publikacji. W tabeli zestawiono ilość publikacji po doktoracie, a w tab. 3 moje wskaźniki bibliometryczne. Tab.. Zestawienie publikacji po doktoracie Typ publikacji Liczba publikacji w tym publikacji autorskich Publikacje naukowe w czasopismach z bazy Journal Citation Reports (JCR) 1 1 Monografie, publikacje naukowe w 1 6 czasopismach nych niż znajdujące się w bazie JCR Opracowania zbiorowe, dokumentacja prac badawczych 18 8 Referaty na międzynarodowych lub 5 5 krajowych konferencjach tematycznych Referaty na krajowych konferencjach 9 6 tematycznych Razem 54 6 Opracowania zbiorowe ekspertyz 98 0 Razem 15 6 Tab. 3. Zestawienie wskaźników bibliometrycznych Wskaźnik Liczba Sumaryczny impact factor według listy Journal Citation Reports (JCR), zgodnie z rokiem opublikowania 0,914 Liczba cytowań publikacji według bazy Web of Science (WoS) brak Liczba cytowań publikacji według bazy wg Google Scholar (bez autocytowań) 18 Liczba cytowań publikacji według bazy wg Microsoft Academic Search (bez autocytowań) Liczba cytowań (bez autocytowań), których nie ma w żadnej bazie, a które wyszukał habilitant 11 Indeks Hirscha według bazy Web of Science (WoS) Indeks Hirscha wg Google Scholar Indeks Hirscha wg Microsoft Academic Search brak 3 1 Moja współpraca z ośrodkami zagranicznymi polegała na realizacji projektów w ramach Centrum Doskonałości ( wyjazdy, 003, 005, Flandia, Włochy) oraz współpracy dwustronnej (8 wyjazdów, 1985-011, Czechosłowacja, Bułgaria, Jugosławia, Chy, Czechy) Pełnię funkcję przewodniczącego Komitetu Technicznego Polskiego Komitetu Normalizacyjnego nr 56 ds. Maszyn Elektrycznych Wirujących oraz Narzędzi Ręcznych i Przenośnych o Napędzie Elektrycznym (od 011 roku) oraz brałem lub biorę udział w 8 komisjach i zespołach powołanych przez dyrektora Instytutu Elektrotechniki. 17
Recenzowałem publikacje w czasopismach krajowych przedstawionych w tab. 4. Tab. 4. Recenzje [1] Przegląd Elektrotechniczny, 015 r., 1 manuskrypt publikacji [] Prace Instytutu Elektrotechniki, 014-015, manuskrypty publikacji [3] Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, 014-015, 4 manuskrypty publikacji W latach 008-015 byłem członkiem Rady Naukowej Instytutu Elektrotechniki XVI i XVII kadencji. Od 003 roku do 014 roku pełniłem funkcję kierownika Zakładu Maszyn Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki. Od 014 roku jestem prezesem koła nr 601 Stowarzyszenia Elektryków Polskich przy Instytucie Elektrotechniki. W latach 005-007 odbyłem szkolenia z zakresu niepewności pomiaru, zarządzania procesami ISO 9001:000, oznakowania CE wyrobów elektrotechnicznych wykonywanych w IEl dla klientów zewnętrznych, oraz studia podyplomowe związane z zarządzaniem w jednostkach badawczo rozwojowych. Szczegółowe dane przedstawione w powyższym punkcie 5 autoreferatu znajdują się w załączniku 5, zaś skany dokumentów, dyplomów itp. w załączniku 8. podpis wnioskodawcy 18