Autoreferat - Uniwersytet Technologiczno

Radom, dnia 2015-10-01
Autoreferat
przedstawiający opis osiągnięć naukowych
1. 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 1980 - 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.
1979 – 1980 - 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 TechnologicznoHumanistyczny 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
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
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
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
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
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
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
50
279
Referaty wygłoszone na konferencjach naukowych
32
---
Zgłoszenia patentowe
3
6
Patenty
2
50
RAZEM:
90
Publikacje indeksowane na liście
filadelfijskiej
Liczba
Artykuły w czasopismach
naukowych [indeksacja: WoS,
Scopus]
7
7
H -współczynnik
Hirsha
rwos, Scopus]
H=l
358
Cytowana - bez
cytowań autorskich
6 - (WoS, Scopus)
9 - (inne bazy)