SIGMA-NOT - PORTAL INFORMACJI TECHNICZNEJ - Największa baza artykułów technicznych online

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY

Miesięcznik ISSN 0033-2097, e-ISSN 2449-9544 - rok powstania: 1919
Czasopismo Stowarzyszenia Elektryków Polskich (SEP)

Sterowanie bazujące na sprzężeniu od wektora zmiennych stanu z ograniczeniami serwonapędem z silnikiem PMSM
(ang. Constrained state feedback control of PMSM servo-drive)

DOI:10.15199/48.2018.03.19
Tomasz TARCZEWSKI Michał SKIWSKI Lech M. GRZESIAK Marek ZIELIŃSKI

Streszczenie
W artykule przedstawiono syntezę regulatora bazującego na sprzężeniu od wektora zmiennych stanu z ograniczeniami sterującego serwonapędem. Do wyznaczenia współczynników wzmocnień regulatora zastosowano algorytm optymalizacyjny sztucznej kolonii pszczół. Przedstawiono metodę wprowadzenia ograniczeń do regulatora bazującą na dyskretnych równaniach predykcyjnych. Opracowany algorytm regulacji zaimplementowano w prototypowym serwonapędzie z tranzystorami mocy SiC MOSFET i przeprowadzono testy na stanowisku laboratoryjnym.
Słowa kluczowe: regulator liniowo-kwadratowy, sterowanie z ograniczeniami, serwonapęd PMSM, autostrojenie.
Abstract
In this paper, synthesis of constrained state feedback controller for servo-drive is presented. Gain coefficients of the controller were obtained by using an artificial bee colony based optimization algorithm. Constraints handling method that is based on discrete predictive equations has been proposed. Designed control algorithm has been implemented in a prototype servo-drive with SiC MOSFET power transistors and experimentally verified.
Keywords: linear-quadratic regulator, constrained control, PMSM servo-drive, autotuning.
Serwonapędy z silnikami PMSM są powszechnie stosowane w aplikacjach wymagających dużej precyzji i dynamiki [1, 2]. Obserwowany w ostatnich latach rozwój w zakresie półprzewodnikowych elementów mocy powoduje, że możliwe jest zastosowanie wysokosprawnych tranzystorów SiC MOSFET do budowy wektorowego falownika zasilającego serwonapęd. Rozwiązanie to umożliwia uzyskanie wysokiej częstotliwości kluczowania i w rezultacie poprawę właściwości dynamicznych pętli regulacji składowych wektora przestrzennego prądu. Wzrost częstotliwości kluczowania powyżej 20 kHz jest szczególnie pożądany ze względu na minimalizację hałasu akustycznego, jednak wiąże się z koniecznością stosowania algorytmów regulacji charakteryzujących się relatywnie niską złożonością obliczeniową, ze względu na ograniczenia związane z czasem dysponowanym na wykonanie algorytmu regulacji. Zagadnienie regulacji położenia kątowego serwonapędu z silnikiem PMSM jest najczęściej realizowane przy pomocy kaskadowej struktury regulacji z regulatorami typu PID [3]. W celu uzyskania odporności na zmieniające się parametry serwonapędu (np. nieliniowe tarcie, moment bezwładności) oraz niemierzalny moment obciążenia stosowane są bardziej zaawansowane metody sterowania takie jak: sterowanie ślizgowe, sztuczne sieci neuronowe, sterowanie iteracyjne z uczeniem, sterowanie z modelem odniesienia [4]-[7]. Ze względu na dobrą kompensację zakłóceń, gwarantowaną odporność oraz tolerancję nieliniowości, alternatywę dla wymienionych algorytmów stanowić może sterowanie bazujące na sprzężeniu od wektora zmiennych stanu (ang. state feedback control) [8]-[10]. Jedną z zalet rozpatrywanego algorytmu jest niewielka złożoność obliczeniowa, co powoduje, że może być ono stosowane w układach o częstotliwości kluczowania przekraczającej 20 kHz [11]. Ze względu na konieczność wyznaczenia wszystkich wzmocnień regulatora bazującego na sprzężeniu od wektora zmiennych stanu w jednym kroku, jego synteza [...]

ZAKUP JEDNORAZOWY I DOSTĘP DO WIRTUALNEJ CZYTELNI
PRENUMERATA PAPIEROWA

Czytaj za darmo! »

Prenumerata

Szanowny Kliencie!
Zamów roczną prenumeratę w wersji PLUS a uzyskasz dostęp do archiwalnych publikacji tego czasopisma.
Nie zwlekaj - skorzystaj z tysięcy publikacji o najwyższym poziomie merytorycznym.

prenumerata papierowa roczna PLUS (z dostępem do archiwum e-publikacji) - tylko 780.00 zł
prenumerata papierowa roczna PLUS z 10% rabatem (umowa ciągła) - tylko 702.00 zł *)
prenumerata papierowa roczna - 690.00 zł
prenumerata papierowa półroczna - 345.00 zł
prenumerata papierowa kwartalna - 172.50 zł

okres prenumeraty:

*) Warunkiem uzyskania rabatu jest zawarcie umowy Prenumeraty Ciągłej (wzór formularza umowy do pobrania).
Po jego wydrukowaniu, wypełnieniu i podpisaniu prosimy o przesłanie umowy (w dwóch egzemplarzach) do Zakładu Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOT.

Zaprenumeruj także inne czasopisma Wydawnictwa "Sigma-NOT" - przejdź na stronę fomularza zbiorczego »

Bibliografia

[1] Jarzebowicz L., Errors of a linear current approximation in high speed PMSM drives, IEEE Trans. Power Electron., 32 (2017), n.11, 8254-8257
[2] Brock S., Łuczak D., Pajchrowski T., Zawirski K., Selected Methods for a Robust Control of Direct Drive with a Multi-mass Mechanical Load, Advanced Control of Electrical Drives and Power Electronic Converters, 75 (2017), 75-98
[3] Boldea I., Control issues in adjustable speed drives, IEEE Ind. Electron. Mag., 2 (2008), n.3, 32-50
[4] Brock S., Sliding mode control of a permanent magnet direct drive under non-linear friction, COMPEL, 30 (2011), n.3, 853- 863
[5] Pajchrowski T., Urbański K., Zawirski K., Artificial neural network based robust speed control of permanent magnet synchronous motors", COMPEL, 25 (2006), n.1, 220-234
[6] Mandra S., Gałkowski K., Aschemann H., Robust guaranteed cost ILC with dynamic feedforward and disturbance compensation for accurate PMSM position control, Control Eng. Pract., 65 (2017), 36-47
[7] Urbański, K., A new sensorless speed control structure for PMSM using reference model, Bull. Pol. Ac.: Tech., 65 (2017), n.4, 489-496
[8] Tarczewski T., Grzesiak L.M., Constrained state feedback speed control of PMSM based on model predictive approach, IEEE Trans. Ind. Electron., 63 (2016), n.6, 3867-3875
[9] Safonov M., Athans M., Gain and phase margin for multiloop LQG regulators, IEEE Trans. Autom. Control, 22 (1977), n.2, 173-179
[10] Brasel M., A gain-scheduled multivariable lqr controller for permanent magnet synchronous motor," in Proc. IEEE MMAR Conf., (2014), 722-725
[11] Tarczewski T., Niewiara Ł.J., Grzesiak L.M., Constrained state feedback control of DC-DC power converter based on model predictive approach, in Proc. Int. Symp. EFEA, (2016), 1-6
[12] Sarnowska A., Rąbkowski J., Hard and soft switching operation of the half-bridge based on 900V SiC MOSFETs, in Proc. IEEE IECON Conf., (2016), 7167-7172
[13] Grzesiak L.M., Tarczewski T., PMSM servo-drive control system with a state feedback and a load torque feedforward compensation, COMPEL, 32 (2013), n.1, 364-382
[14] Tarczewski T., Grzesiak L.M., Application of artificial bee colony algorithm to auto-tuning of linear-quadratic regulator for PMSM position control, Przegląd Elektrotechniczny, 92 (2016), n.6, 57-62
[15] Kazmierkowski M.P., Krishnan R., Blaabjerg F., Control in Power Electronics, Selected Problems, Academic Press, 2002
[16] Jezernik K., Rodic M., High precision motion control of servo drives, IEEE Trans. Ind. Electron., 56 (2009), n.10, 3810-3816
[17] Lee D.-C., Sul S.-K., Park M.-H., High performance current regulator for a field-oriented controlled induction motor drive, IEEE Trans. Ind. Appl., 30 (1994), n.5, 1247-1257
[18] Kamiński M., Zastosowanie algorytmu BAT w optymalizacji obliczeń adaptacyjnego regulatora stanu układu dwumasowego, Przegląd Elektrotechniczny, 93 (2017), n.1, 300-304
[19] Karaboga D., Basturk B., On the performance of artificial bee colony (ABC) algorithm, Appl. Soft. Comput., 8 (2008), n.1, 687-697
[20] Cortes P., Kazmierkowski M.P., Kennel R.M., Quevedo D.E., Rodriguez J., Predictive control in power electronics and drives, IEEE Trans. Ind. Electron., 55 (2008), n.12, 4312-4324
[21] Shin H.B., Park J.G., Anti-windup pid controller with integral state predictor for variable-speed motor drives, IEEE Trans. Ind. Electron., 59 (2012), n.3, 1509-1516

INNE PUBLIKACJE W TYM ZESZYCIE

Adaptacyjne zabezpieczenie nadprądowe linii napowietrznych - DOI:10.15199/48.2018.03.34

Łukasz STASZEWSKI Waldemar REBIZANT

Ze względu na fakt, iż skala uszkodzeń spowodowanych zwarciem zależy w dużym stopniu od czasu jego trwania, konieczne jest, aby zabezpieczenia elektroenergetyczne działały jak najszybciej. Jednakże, aby odizolować od systemu tylko te elementy, które zostały objęte zwarciem, muszą one działać również w sposób absolutnie selektywny. Dodatkowym wymogiem dla nowoczesnych zabezpieczeń jest ich niezawodność, tj. brak tendencji do niepotrzebnego działania w normalnych warunkach pracy oraz braku reakcji podczas zwarć. Ponieważ wymagania te są częściowo sprzeczne, znalezienie odpowiedniego kompromisu jest jednym z głównych wyzwań dla obsługujących je inżynierów. Wymagany krótki czas reakcji oraz wysoka selektywność działania jest często problemem powodującym niepożądane zadziałania, mogące w następstwie prowadzić do wielu problemów, a nawet do poważnych awarii wielkoobszarowych. Awarie wielkoobszarowe były w przeciągu ostatnich kilkunastu lat poważnym problemem w zakresie bezpieczeństwa pracy systemów elektroenergetycznych. Wystąpienie wielu z nich pociągnęło za sobą długotrwałe przerwy w dostawie energii i ogromną liczbę osób nimi dotkniętych (Tabela 1). Podczas analizy awarii wielkoobszarowych z ostatnich kilkunastu lat stwierdzono, że przeciążenia linii są jedną z głównych przyczyn powstawania i/lub dalszego rozwoju blackoutów. Skojarzone z przeciążeniami są dwa poważne problemy występujące w trakcie ich trwania: ze względu na wysokie wartości prądu zabezpieczenia nadprądowe mogą rozpoznać je jako zwarcia oraz istnieje niebezpieczeństwo przekroczenia dopuszczalnego zwisu przewodów ze względu na efekty termiczne towarzyszące przepływowi prądu znacznie przekraczającego wartość prądu znamionowego przewodów. Idealnym rozwiązaniem obu problemów wydaje się być wprowadzenie algorytmów opartych na dynamicznej obciążalności linii (DOL) do standardowych przekaźników nadprądowych. W następnym rozdziale niniejszego artykułu przedstawion więcej »

Adaptive Control of Two-Mass Drive System with Nonlinear Stiffness - DOI:10.15199/48.2018.03.09

Jacek KABZIŃSKI Przemysław MOSIOŁEK

Electric drive systems with elastic coupling between a motor and a load are common in various industrial applications: robotics, servo systems, paper- and textile machines, molding machines, and many others. It is well recognized that even the small coupling elasticity leads to mechanical resonances, and may cause failures and damages, that takes much time and cost to replace. The unnecessary shaft oscillations also destroy the control system dynamical performance and accuracy. Therefore the attenuation of torsional oscillations is the main problem for drives with an elastic coupling. Several control methods are used to design controllers for such drives: modifications of linear control techniques (PI, LQ, root locus, etc. - [1]), artificial neural networks [2], linear model predictive control [3-4], fuzzy controllers [5], nonlinear neural networks [6] and finally adaptive backstepping [7-9]. Despite different approaches, all these methods are based on the drive model which assumes that the torque transmitted by the shaft is proportional to the angle of torsion and the constant of proportionality, called “stiffness" is determined by the shaft material. The curve representing the torsion angle - transmitted torque characteristics, that will be called “a stiffness curve" is a straight line. This assumption is not correct in numerous drives if the shaft is constructed with the use of peculiar couplings. For example, if pneumatic couplings are used the stiffness curve is convex downward, strictly increasing [10-12]. In many drives, a flexible coupling with an elastic polymeric part is applied to compensate the axial eccentricity of the machines. In this case, the stiffness curve is concave downwards, strictly increasing as it is plotted in fig. 1 [13]. Actuators with nonlinear stiffness curve are common in numerous robotic applications [14-15]. Therefore, in this contribution, a nonlinear adaptive controller is pro więcej »

Analiza metod sterowania zasobnikiem superkondensatorowym pojazdu trakcyjnego w wybranych stanach pracy sieci trakcyjnej - DOI:10.15199/48.2018.03.15

Andrzej RADECKI Piotr CHUDZIK

Stosowanie zasobników energii w systemach zasilania pojazdów trakcyjnych pozwala na podniesienie efektywności energetycznej pojazdów (rozumianej jako zmniejszenie strat mocy na rezystancjach sieci i pojazdu) oraz umożliwia zmniejszenie maksymalnych wartości prądów występujących w sieci. Najczęściej jako magazyn energii wykorzystywane są baterie superkondensatorów. W bateryjnych pojazdach elektrycznych i hybrydowych zasobniki istotnie zwiększają efektywność energetyczną, szczególnie podczas rekuperacji energii podczas hamowania [1-3]. W pojazdach trakcyjnych zasobniki pozwalają również na obniżenie strat [4], pomimo iż w wielu sytuacjach istnieje możliwość zwrotu energii bezpośrednio do sieci trakcyjnej [5]. Istotne korzyści, wynikające ze stosowania lokalnych zasobników energii bezpośrednio na pojazdach, związane są z redukcją start energii dzięki ograniczeniu konieczności jej przesyłania na dalekich odcinkach [7, 8]. Ograniczenie szczytowych wartości prądów trakcyjnych wpływa nie tylko na ograniczenie strat przesyłowych w sieci trakcyjnej i obwodach wejściowych napędów trakcyjnych [9-11], ale również na przedłużenie żywotności urządzeń oraz zmniejsza podatność urządzeń w podstacjach na zakłócenia wynikające z tych prądów. Częstym, dodatkowym atutem pojazdów wyposażonych w zasobnik energii jest również ich zdolność do krótkotrwałej jazdy w sytuacjach braku napięcia w sieci trakcyjnej, która pozwala na przykład na opuszczenie skrzyżowania lub dojechanie do najbliższego przystanku. Określone korzyści z zastosowania zasobnika osiągalne są poprzez właściwy dobór metod sterowania zasobnikiem. Metody te mogą optymalizować chwilowe wartości prądu zasobnika lub ograniczać szczytowe wartości prądu pobieranego i oddawanego do sieci ale mogą również dbać o ewentualną gotowość pojazdu do jazdy bez zasilania zewnętrznego. W artykule przedstawiono wpływ wybranych metod sterowania zasobnikiem superkondensatorowym na straty energii zwią więcej »

Analytical model of single-phase AC circuit with inductance and bridge rectifier - DOI:10.15199/48.2018.03.24

Mirosław WCIŚLIK Paweł STRZĄBAŁA

Rectifiers are ones of the most used loads of the power system. They are used to supply electric and electronic DC devices from AC network. In many applications full-wave bridge rectifier with output capacitor is used as basic type of rectifying of mains voltage. In general case output load of rectifier can be consider as resistance, as shown in the figure 1. In practical solution, between capacitor C and load RL, usually DC/DC converter and linear voltage regulator are used. In the circuit under consideration, the bridge rectifier is supplied from a sinusoidal AC voltage source via series connected inductance Ls and resistance Rs, which also included equivalent impedance of the mains supply. For this circuit continuous and discontinuous working modes are possible [1],[2]. In continuous conduction mode a current Is has countable number of points of the zero crossing. This condition is not fulfilled for discontinuous operation mode. In continuous mode higher harmonics propagation to suppling mains is significantly lower than in discontinuous operation mode. Fig. 1. AC circuit with bridge rectifier with capacitor C and resistance load RL supplied through inductive impedance In [3],[4] single phase circuit with bridge rectifier loaded by RC parallel connection and ideal supply voltage source was analysed without taking into account series inductance and resistance. Series inductance was taking into account in [5],[6], but only for discontinuous operation mode and only computer simulation analysis were carried out. The discontinuous conduction mode is especially undesirable in view of higher harmonics generation to the mains, as opposed to continuous operation. Therefore, determining the limit terms of continuous operation and characteristics of such load will be useful. The continuous operation is occasionally analysed, probably because of inductance. Nowadays, wide range of inductance is available and analysis of the circuit więcej »

Application of additional grounded wires in high voltage overhead power lines to reduce the intensity of electric field generated by phase wires - DOI:10.15199/48.2018.03.32

Jacek GUMIELA Dariusz SZTAFROWSKI

Electric power lines are the source of electromagnetic field which, for safety reasons, should not exceed the values set out in relevant legislation [1]. In the design phase of new infrastructure these objects are located far from human settlements. However, there is often intensive development near existing overhead power lines. The impact zone designed according to the old criteria that are not in effect today may no longer meet the current permissible values of electric field intensity at various locations inhabited by people. Reconstruction of the power line in order to remove the conflict is, for many reasons, not always feasible. Such alteration may also be very expensive [2]. For this reason, power grid operators increasingly turn to the use of additional wires at the potential of the earth in order to shape the spatial distribution of the electric field and thus limit its value in the areas of interest [3,4]. Fig. 1. 110 kV lines with insulators placed between the live line and an additional grounded shielding line Near Wałbrzych, a technical solution was implemented that involves additional shielding conductors located below the lowest working overhead lines at a sufficient distance to provide electrical insulation. Typical 110 kV long-rod insulators were used for the installation of shielding conductors (model: LP75 / 31). The shielding cables are galvanically connected to both support structures, which, regardless of the electrical induction, provides the potential of the earth along the entire length of the additional conductor (Fig. 1). As can be seen, under the overhead line there are residential więcej »

Comparative analysis of DC-DC inverters as a means of protection against nanoseconds impulses - DOI:10.15199/48.2018.03.27

Konrad SOBOLEWSKI Michał WOJCIECHOWSKI

At present, many electronic devices, in order to perform their job properly, must be powered in a stable manner. For many years, power supplies were built on the basis of transformers that reduced the voltage from the 230 VAC power level to slightly higher than the required level (Figure 1). In addition, the conversion from AC to DC was performed, and this task was most often implemented by a set of semiconductor diodes connected in the Graetz bridge. The straightened voltage was still to be smoothed out, which was achieved by the parallel charging of the electrolytic capacitor. This traditional configuration of a power supply, also called a linear power supply, caused high energy losses, which translates into a relatively low efficiency of 40-60%. Most of this energy was lost in the transformer in the generated magnetic field and heat. In addition, such constructions were characterized by large dimensions and often the need to install additional cooling elements. Moreover, when working idle without load, the power supply also consumes more power - more or less depending on transformer parameters. Due to technological advances, the increasing demands for power supply efficiency and the increasing efficiency of the receivers, the power supply design has changed significantly in the direction of power supplies. Power suppliers The principle of operation of the impulse power supply (often called the converter) is somewhat similar to a linear power supply, but the biggest difference is the process of "processing" the voltage. Fig. 1 Linear power supply diagram. In the first place, it is rectified with semiconductor diodes (e.g. Graetz bridge) and then smoothed with a capacitor. In some cases, a passive filter (e.g. a gland seal) is also used here to reduce the emission of harmonics to the mains. The straightened voltage is then smoothed and więcej »

Comparison of three estimators used in a sensorless MPPT strategy for a wind energy conversion chain based on a PMSG - DOI:10.15199/48.2018.03.04

Amina ECHCHAACHOUAI Soumia EL HANI Ahmed HAMMOUCH

Wind energy is one of the prominent renewable energy sources on earth. The global trend of recent research in this field is to minimize the overall cost of the Wind Energy Conversion System (WECS) while improving the quality of the produced power. With this aim, several works have been carried out to avoid the use of the mechanical sensors which are expensive to buy and maintain. The principal role of the sensors is measuring the generator rotation speed as well as the angle of the rotor that are necessary for the control of the system and the search of the maximum points of the extractable power. Reliability of the variable speed wind turbine can be improved significantly using a directdrive Permanent Magnet Synchrounous Generator (PMSG) [1]. A sensorless Maximum Power Point Tracking (MPPT) strategy is proposed to control the pre-mentioned structure, it consists of two levels; the first is a power regulation loop generating the reference value of current iqref to the Field Oriented Control (FOC) [2] justified by a power maximization analysis. The second level is the extremum seeking method [3] generating the optimum value of the coefficient including turbine parameters in the expression of the turbine output power. The main objective of this paper is to compare three types of estimators used to build the sensorless MPPT. The first estimator is an Angle Tracking observer (ATO) [4], the second is the Extended Kalman Filter (EKF) [5] and the third is the Synchronous Reference Frame Phase Locked Loop (SRF-PLL) [6]. The global wind conversion chain is presented in Fig.1. Simulation results obtained using Matlab-Simulink and allowing the comparison of the three estimators can be found at the end of this paper. In the conclusion we evaluate performance of the three estimators and give their basic advantages and disadvantages. Global system modeling The wind conversion chain considered in this work is presented in Fig.1 consis więcej »

Distance Protection Analysis Applied for Distribution System with Distributed Generation - DOI:10.15199/48.2018.03.03

João T. L. S. CAMPOS Huilman S. SANCA Flavio B. COSTA Benemar A. de SOUZA

Traditionally, the distribution systems are designed to bring the electricity from substations to loads, in a one direc- tion power flow. For this reason, the protection system was designed with the assumption that the distribution system is single source and radial [1]. Fuses and instantaneous over- current relays are used for radial systems with one direction flow [2]. These devices are coordinated in a way that ensures correct identification and isolation of the faulted section. [3]. With the increase of the electricity consumption, more power plants and transmission lines are needed. However, the restriction to construct new power plants and transmission lines is high, since these projects have high costs and they have the society opposition. These issues are mitigated with the usage of distributed generation (DG). The DG, which are small generating units installed next to the centers of consumption, has gained strength due to the deregulation of the energy market, distribution system operation benefits, and due to environmental issues [4-6]. New technologies applied to DG increase the diversity of energy sources, reducing de- pendence on fossil fuels [7]. With the penetration of DG in the distribution system, a new paradigm of protection arises, specially in protection coordination [8-11] due to the power flow being on both sides, turning the distribution system in a meshed power system. The protection used in meshed power systems (transmission lines) is usually the distance and differential protection [12]. Distance protection is the main protection in transmission lines due to several factors such as easy coordination, directionality, and only depends on line impedance [13]. This type of protection is present in several manufacturers relays used in the protection of transmission lines [14-16] and it is a consolidated technology [17]. Despite distance protection being a mature technology used in transmission line pro więcej »

Electric properties of composite ZnO-based ceramics doped with Fe - DOI:10.15199/48.2018.03.39

.S. FEDOTOV A.V. PASHKEVICH L.A. BLIZNYUK J. KASIUK A.K. FEDOTOV N.A. BASOV I.A. SVITO M. BUDZYŃSKI M. WIERTEŁ P. ŻUKOWSKI

Nowadays special attention is paid to the search for new ceramic materials based on wide-gap oxides, as well as to the study of their structure and properties for the purpose of their application in various areas of the radioengineering, electronic and optoelectronic industries [1]. Analysis of the literature indicates that single crystals, polycrystalline films, nanostructured powders and wires based on ZnO have been studied in sufficient detail. At the same time, ZnO-based compositions, obtained by ceramic technologies, have not been studied so well. In particular, there is no many research dedicated to the effects of ZnO ceramics doping with magnetic impurities as well as influence synthesis technology and subsequent heat treatments on the chemical and phase compositions (including the magnetic states of phases and also the type of self-defects and complexes formed on their basis, and the mechanisms of electrical conductivity of ceramics. The aim of this work is to study the structure and electrical properties of ZnO-based ceramics doped with iron using various types of FexOy doping agents. Experimental The conventional ceramic technology was used to obtain the ZnO-based samples .The initial compounds for the preparation of the charge were high-purity powders of ZnO, and FexOy (FeO, Fe2O3, Fe3O4) oxides. For preparation of the investigated samples we used the compound (ZnO)90(FexOy)10, where the mass of the FexOy powders corresponded to 10 wt. %.The initial powders were milled for one hour in agate mortar with the addition of distilled water and then dried at room temperature. After this 3% (by weight) of PVA glue was added to the powder as a binder, then mixture were mixed and compacted into tablets with press. These tablets were subjecte więcej »

Falownik klasy E (30 MHz, 300 W) z niskostratnym drajwerem hybrydowym - DOI:10.15199/48.2018.03.13

Piotr LEGUTKO

Problematyka niniejszego artykułu związana jest z wybranymi zagadnieniami energoelektroniki i elektroniki przemysłowej. W szczególności dotyczy sterowników bramkowych (ang. Gate Driver) - drajwerów tranzystorów MOSFET, dedykowanych do zastosowań w wysokosprawnych falownikach rezonansowych. Falowniki tego typu są stosowane do przekształcania energii elektrycznej przy częstotliwościach z zakresu od kilku kiloherców (kHz) do kilkudziesięciu megaherców (MHz) [1], [2], [3], [4]. Aby zapewnić wysoką sprawność falownika, tranzystor wymaga stabilnego punktu pracy i optymalnego przełączania związanego z warunkami (ZVS, ZVC). Wraz ze wzrostem częstotliwości przełączeń tranzystora MOSFET narastają problemy związane m. in. z utrzymaniem optymalnego przełączania, pełnym i odpowiednio szybkim przeładowaniem wewnętrznej pojemności bramki oraz stratami mocy występującymi podczas przełączeń. W celu zminimalizowania wpływu częstotliwości na proces przełączania tranzystora MOSFET stosuje się dedykowane i wyspecjalizowane układy nazywane potocznie drajwerami (ang. Driver) lub sterownikami bramkowymi [1], [2], [3]. Układy te zapewniają możliwie efektywne przełączanie bramki tranzystora (zmniejszenie strat) z określoną (zadaną) częstotliwością i wypełnieniem zależnym od wymaganego punktu pracy tranzystora MOSFET. Drajwery powinny zapewniać również możliwie krótkie czasy przełączeń. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele gotowych drajwerów scalonych z szerokiego zakresu częstotliwości. Drajwery małej mocy, dedykowane do zastosowań z częstotliwościami sięgającymi kilkudziesięciu kiloherców (kHz), charakteryzują się co prawda krótkimi czasami przełączeń i czasami propagacji, ale nie nadają się do zastosowań powyżej kilkunastu MHz. Powodem tego jest zwykle zbyt mała wartość szczytowego prądu wyjściowego i dopuszczalnej mocy strat. Drajwery scalone dedykowane do częstotliwości powyżej kilkunastu MHz charakteryzują się znacznie wyższą wartością d więcej »

Field models of induction heating for industrial applications - DOI:10.15199/48.2018.03.01

Paolo DI BARBA Maria Evelina MOGNASCHI Marco BULLO Fabrizio DUGHIERO Michele FORZAN Sergio LUPI Elisabetta SIENI

In the community of computational electromagnetics, the set of benchmark problems proposed by the TEAM (Testing Electromagnetic Analysis Methods) series of workshop is a reference for testing numerical methods in a comparative way [1]-[2]. Nevertheless, there is a lack of problems specifically focused on induction heating devices, as far as numerical modelling is concerned. More generally, in the past some benchmarks of induction heating was proposed, but the attention was focused rather on the inverse problem [3]-[7] related to the optimal design of the power inductor than on the direct problem of field analysis [8], [9]. In fact, in computational induction heating, analysis problems are challenging because they involve different physical domains; therefore, the development of non-linear coupledfield models and the consequent choice of suitable solvers is mandatory [8]-[10]. Too often numerical solvers, like e.g. finite-element solvers which are commercially available, are used by designers as general-purpose black boxes. Moving from this background, it was proposed to define a benchmark of coupled-field analysis [5]; the problem is taken from industrial applications of induction heating: it deals with the transient thermal analysis of a steel-made cylindrical billet, subject to the changing magnetic field of a multi-turn winding. It is a clear example showing that stiff analysis problem can originate even in the case of very simple geometries. Benchmark description: the device The device under study is composed of an inductor winding and a cylindrical billet; winding and billet are coaxially located. A. Geometry The billet has a radius r and height h. The inductor is made of 20 hollow circular turns, connected in series; each of them has height hc and width wc, while their radial distance from Y axis is rc. The thickness of the copper of each hollow turn is tc. Numerical data about the geometry are summarized in Table więcej »

Jednofazowy mostkowy przekształtnik DC-AC z tranzystorami GaN GIT - DOI:10.15199/48.2018.03.21

Leszek WYDŹGOWSKI Łukasz J. NIEWIARA Tomasz TARCZEWSKI Lech M. GRZESIAK Marek ZIELIŃSKI

W ostatnich latach można zauważyć znaczny wzrost zainteresowania materiałami o tzw. szerokim paśmie wzbronionym (z ang. Wide Bandgap - WBG) pod kątem ich zastosowania w technologii półprzewodnikowych przyrządów mocy [1-3]. Tendencja ta wynika z właściwości przyrządów półprzewodnikowych wytworzonych na bazie węglika krzemu (SiC) oraz azotku galu (GaN). Analizując przebieg rozwoju energoelektroniki można zauważyć ważną tendencję obejmującą redukcję: gabarytów urządzeń, strat mocy przekształtników, a także minimalizacji niepożądanej interakcji na linii: źródło zasilania-przekształtnik i przekształtnik-odbiornik [4]. Redukcję gabarytów urządzeń można uzyskać poprzez: stosowanie mniejszych elementów pasywnych, układów chłodzenia, a także eliminację pasożytniczych parametrów obwodów takich jak np. pojemności oraz indukcyjności. Podejście takie wymusza konieczność odpowiedniego projektowania obwodów mocy oraz zastosowania zaawansowanych elementów elektronicznych. Chcąc uzyskać redukcję gabarytów układów chłodzenia konieczne jest zmniejszenie całkowitych strat mocy urządzenia, co wiąże się z ograniczeniem emisji ciepła pochodzącego z elementów obwodu mocy uczestniczących w procesie przetwarzania energii elektrycznej. Zastosowanie przyrządów półprzewodnikowych na bazie GaN pod tym względem wydaje się być jak najbardziej zasadne, zważywszy na ich bardzo dobre parametry dynamiczne oraz statyczne. Elementy te cechują się niewielkimi pojemnościami pasożytniczymi, bardzo krótkimi czasami przełączenia oraz dobrą przewodnością elektryczną - niewielka wartość rezystancji przewodzenia [1,2]. Kolejnym ich atutem jest bardzo mała energia załączania oraz wyłączania [5,6], co dodatkowo wpływa pozytywnie na redukcję generowanych strat mocy. Taki stan rzeczy pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności przekształtnika. Ze względu na bardzo krótkie czasy przełączeń oraz niewielką energię przełączenia możliwe jest uzyskanie bardzo wysokich częstot więcej »

Measurements and calculation of self inductance of testing coils used in physical transformer model construction and its frequency analysis - DOI:10.15199/48.2018.03.25

Włodzimierz KAŁAT Tadeusz DASZCZYŃSKI

The aim of the paper is to present calculations and measurements of self-inductance of the flat spiral coils with thin internal insulation used to build a physical transformer model and its frequency analysis. The exact knowledge of self-inductance was necessary for further use of the real model and its equivalent circuit diagram as well. The authors decided to use numerous formulas available in literature.. The measure of this accuracy is the comparison of the results with the value obtained in the direct measurement. Test coil To build the transformer physical model [6], 5 coils were made of 20 mm wide copper tape with a thickness of 0,5 mm. Each coil (Fig. 1) had 30 turns separated by a thin insulation tape, what gave a square with 0,02 x 0,02 m side in the cross section. Other parameters were as follows: internal diameter Dw = 0,295 m; external Dz = 0,335 m and the mean diameter D = 0,315 m. Fig. 1. The test coil on the measuring stand, sketch of its spiral and the cross-section with geometric size markings The coils were wound manually on a specially built machine. It helped to keep the circular shape of the coil, its dimensions (internal diameter) and ensured proper tension of the copper tape during winding. Review of methods and formulas for determining the inductance of current contours Inductance is a property of an electrical conductor which opposes a change in current. It does that by storing and releasing energy from a magnetic field surrounding the conductor when current flows, according to Faraday's law of induction. It is connected with the magnetic flux Φ and the current I by the formula: Φ = LI, which is most often used to calculate inductance as L= Φ/I. Therefore, the calculation of inductivity becomes mainly the task of determining the magnetic flux (Fig. 1) with the induction vector B, excited through the conductor 1, leading current I, therefore the fundamental formula might be used, [ więcej »

Metodyka wyznaczania transgranicznych zdolności przesyłowych krajowego systemu elektroenergetycznego, ze szczególnym uwzględnieniem połączeń asynchronicznych - DOI:10.15199/48.2018.03.35

Paweł TERLIKOWSKI Józef PASKA

Połączenia transgraniczne krajowego systemu elektroenergetycznego W strukturach stowarzyszenia ENTSO-E istnieje pięć obszarów synchronicznych: Europy kontynentalnej, Nordycki, Wielkiej Brytanii, Irlandii oraz Bałtycki (połączony z systemem rosyjskim UPS/IPS). Krajowy system elektroenergetyczny (KSE) funkcjonuje od 1995 roku w obszarze Europy kontynentalnej (RGCE - Regional Group Continental Europe). Schemat europejskich obszarów synchronicznych, połączonych pomiędzy sobą kablami lub wstawkami prądu stałego (z wyjątkiem izolowanych systemów Cypru i Islandii), przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Schemat obszarów synchronicznych w Europie Krajowy system elektroenergetyczny jest połączony z systemami elektroenergetycznymi Republiki Federalnej Niemiec, Republiki Czeskiej, Republiki Słowackiej, Litwy, Szwecji, a także Ukrainy i Białorusi. Schemat połączeń transgranicznych KSE przedstawiono na rysunku 2. Zmiennoprądowe połączenia z systemem niemieckim (operator 50Hertz), czeskim (operator ČEPS) i słowackim (operator SEPS) są synchroniczne, granice tych systemów funkcjonują w ramach regionu wyznaczania zdolności przesyłowych Core CCR (Capacity Calculation Region). Połączenie asynchroniczne ze Szwecją (operator SvK) jest realizowane za pomocą podmorskiego kabla SwePol Link (napięcie 450 kV DC, przepustowość max 600 MW, długość 254 km), wyprowadzonego ze stacji przekształtnikowej Słupsk-Wierzbięcino i funkcjonuje w Hansa CCR. Połączenie asynchroniczne z Litwą (operator Litgrid) LitPol Link działa od 2015 r. jako dwutorowa linia (napięcie 400 kV AC, przepustowość max 500 MW) ze stacji Ełk Bis do litewskiej stacji Alytus, gdzie znajduje się wstawka prądu stałego B2B (AC/DC/AC) i jest operowane w ramach Baltic CCR. Linia 220 kV na Białoruś (operator Biełenergo) Białystok-Roś jest w rozbiórce i nie została zaznaczona na mapie. Połączenie z Ukrainą (operator Ukrenergo) jest realizowane jednostronnie poprzez pracę promieniową linii 220 więcej »

Model of PV inverter in H4 and H5 topologies for power loss analysis - DOI:10.15199/48.2018.03.31

Dariusz SOBCZYŃSKI

In many applications of renewable energy high performance power electronics converters are desirable for coupling low voltage power supplies to loads operating at significantly higher voltage levels [1]-[2]. Low input voltages result in high currents flowing through the components of the inverter, resulting in increased power losses, proportional to the square of the current [3]. Energy losses can reduce system efficiency so much that achieving a target output power becomes impossible, so limiting losses often determines practical implementation of converter. There are topologies of inverters with and without galvanic isolation. Transformer converters increases the cost and the power losses, so the efficiency of the system is reduced [4]. Hence, transformer-less inverters are nowadays one of the most popular power electronic devices used to connect green energy sources to the electrical grid [5]-[6]. Many control mechanisms have been proposed to regulate the inverter output current that is injected into the utility grid [7]-[8]. This paper compares simulation results of two converters mainly in terms of power losses of semiconductor components. Compared topologies of H4 and H5 galvanic resistors were compared.Simulation results have been obtained by using PSIM software [9]. Power electronics semiconductor losses This part presents the models to find out the power losses of each presented power electronics converter. Power losses affect the efficiency of the inverter, the heat sink dimensions and cooling method. This note describes the theory behind the calculation and show how to calculate the power losses for the IGBT and Diode respectively. The modelling process will be detailed in the following. IGBT module total losses The considered power electronics module consists of an IGBT transistor and an anti-parallel diode. There are three kinds of losses in Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT transistor) and anti-parall więcej »

Nadmiarowy, odporny na awarie przekształtnik DC-DC dla nanosieci - DOI:10.15199/48.2018.03.14

Krzysztof OBRĘBSKI

Wiele prac prowadzonych w ostatnich latach przez wiele ośrodków badawczych skupia się wokół zagadnień związanych z nowymi układami elektroenergetycznych sieci transmisyjnych i dystrybucyjnych. Związane jest to z wieloma czynnikami, min.: - kończącymi się zasobami paliw kopalnych - wdrażaniem alternatywnych źródeł wytwarzania energii elektrycznej - potencjalnym ryzykiem dla zcentralizowanych systemów wytwarzających energię w przypadku działań zbrojnych, sabotażowych i innych - wysokimi kosztami dystrybucji energii elektrycznej na obszarach słabo zurbanizowanych - nowymi technologiami akumulatorów elektrochemicznych umożliwiające uzyskiwanie niespotykanych wcześniej gęstości energii elektrycznej przy spadającym koszcie jednostkowym magazynowanej energii elektrycznej - zyskującymi na popularności pojazdami z napędem elektrycznym - coraz szerzej rozwijanymi sieciami HVDC (szczególnie przy przesyle energii na dużych dystansach). Ponadto, analizując uproszczony schemat zastępczy większości, szczególnie domowych, odbiorników energii elektrycznej, okazuje się, że obwód wejściowy składa się zazwyczaj z prostownika napięcia przemiennego na napięcia stałe. Ze względu na prostotę aplikacji i koszty stosuje się zazwyczaj najprostsze układy bez aktywnej korekcji współczynnika mocy, które negatywnie wpływają na jakość energii elektrycznej. Z drugiej strony, naturalnym charakterem generowanej energii elektrycznej dla alternatywnych źródeł energii jest (lub może być) również napięcie stałe. Nie może więc szczególnie dziwić, że niektóre proponowane rozwiązania bazują na napięciu stałym jako na nowo proponowanym (po około 100 latach "zapomnienia") medium dla sieci elektroenergetycznej. Niektóre artykuły [1]-[5] proponują rozwiązanie hybrydowe: transmisja z wykorzystaniem istniejącej sieci napięcia przemiennego, natomiast do końcowego użytkownika trafia prąd o charakterze stałym. Przykła więcej »

Ocena stanu układu napędowego z silnikiem klatkowym przy nieznanej częstotliwości napięcia zasilającego - DOI:10.15199/48.2018.03.18

Adam SOŁBUT

Współczesne układy napędowe z silnikami klatkowymi wykorzystują do regulacji prędkości przekształtniki częstotliwości. sterowane przy wykorzystaniu różnorodnych algorytmów. Istotnym problemem, który nie jest obecnie rozwiązany w zadowalający sposób, jest ocena uszkodzeń silnika w czasie eksploatacji napędu. Znane algorytmy diagnostyki, oparte głównie o analizę przebiegu wartości chwilowej prądu silnika, nie są tu skuteczne [2, 6]. Wartość chwilowa prądu jest kształtowania na podstawie algorytmów wymuszających jego przebieg zależnie od kryteriów stosowanych w algorytmach sterujących. Układ regulacji prądu może powodować zmniejszenie lub nawet ukrycie efektów uszkodzeń silnika w przebiegu prądu fazowego. W takich przypadkach poszukuje się innych sygnałów, na podstawie których można wnioskować o stanie napędu. W literaturze dostępne są próby wykorzystania sygnałów mocy [9] lub momentu elektromagnetycznego silnika [6]. W przypadku dostępu do wielkości występujących w algorytmach sterowania, możliwe jest wykorzystanie sygnałów takich jak np. uchyb regulatora strumienia [6] czy też ocena zmian wskaźników diagnostycznych w czasie eksploatacji napędu [6, 7]. Algorytmy diagnostyki, stosowane w praktyce, wykorzystują fakt pojawienia się w przebiegu prądu stojana składników zależnych od typu uszkodzeń [4, 8]. Dużym problemem jest tu fakt nieznanej wartości częstotliwości napięcia zasilającego. Sygnałem dostępnym jest zadana (lub zmierzona) wartość prędkości obrotowej wirnika oraz wartości chwilowe prądów i napięć silnika. Składniki prądu silnika, wynikające z wybranych typów uszkodzeń, mają częstotliwości zależne od poślizgu i częstotliwości podstawowej harmonicznej napięcia zasilającego [4, 8]. Pojawia się więc konieczność identyfikacji częstotliwości podstawowej harmonicznej napięcia (lub prądu) stojana. Dzięki uzyskaniu tej informacji możliwe jest wskazanie wartości częstotliwości w przebiegach prądu, napięcia, mocy lub drgań ma więcej »

Optimal operation control of low voltage microgrids in rural areas functioning on the basis of centralized control logic - DOI:10.15199/48.2018.03.26

Mirosław PAROL Łukasz ROKICKI Rafał PAROL

Low voltage microgrid is the autonomous power generation and distribution micro-system [1], in which there are sources of electricity and heat (microsources - MS), electricity storage units (ES) and heat storage unites (HS), controllers (power electronics converters), heat recovery devices, as well as electricity loads and heat loads. Among electricity storage units we can distinguish: battery energy storages, super (ultra) capacitors and flywheels. Electricity loads can be divided into non-controllable loads (NCL) and controllable loads (CL). Most of MSs, ESs and CLs are integrated with microgrids via the specialized power electronics interfaces. The concept of the microgrid has been presented in many literature sources, among others in [1-6]. These micro-systems can operate in synchronous (parallel) mode with distribution grids of electricity utilities, as well as in island mode. In both modes, setting the operating points of MSs, ESs and CLs is one of essential problems of control. To solve this problem it is necessary to develop proper control algorithms (strategies) [7-11]. In island mode of microgrid operation it is necessary to ensure a balance between generated and consumed electricity within this micro-system. These issues have been described e.g. in [12]. In [5, 13] optimization of operating points of microsources in order to minimize microgrid operation costs has been discussed in detail. In [13] another criteria - minimization of total active power losses in microgrid has been also presented. In turn the problem of exchange of electricity between microgrid and distribution grid of electricity utility has been formulated and solved in [5, 6, 14]. The optimization task, optimum control algorithm and general considerations concerning implementation of control algorithm have been presented in the paper in detail. Description of Low Voltage Microgrids in Rural Areas Very good characteristics of different kinds of mi więcej »

Optymalna lokalizacja źródeł generacji rozproszonej w terenowej sieci średniego napięcia - DOI:10.15199/48.2018.03.30

Jerzy MARZECKI

Podmioty należące do III-V grupy przyłączeniowej są to odbiorcy, których urządzenia i instalacje bezpośrednio przyłączone zostały do sieci dystrybucyjnej średniego lub niskiego napięcia. Najczęściej sieci dystrybucyjne pracują w układach jednostronnie zasilanych (rzadziej w układach zamkniętych), w których największe odchylenia napięć występują w końcowych węzłach sieci. Stale zwiększające się potrzeby odbiorców wpływające na wydłużanie ciągów liniowych oraz zwiększone ich obciążenia mogą przyczynić się do przekroczenia dopuszczalnych wartości odchyleń napięcia przekraczając granice określone w systemowym rozporządzeniu [4] . Istnieje kilka sposobów, które mają na celu zapobiec takiej sytuacji. Wśród popularnych rozwiązań można wymienić: wykorzystanie możliwości regulacyjnych transformatorów zasilających, instalowanie transformatorów dodawczych lub prowadzenie odpowiedniej gospodarki mocą bierną [1, 2, 7]. Poza tymi tradycyjnymi metodami sieciowymi warto wskazać możliwości związane z nowymi formami rozwoju elektroenergetyki. W tej grupie alternatywą dla rozwiązań sieciowych jest rozwój generacji rozproszonej. Generacja rozproszona jest pojęciem szerokim i nie posiada jednej powszechnie stosowanej definicji. Niemniej jednak, bez wątpienia można jej przypisać pewne cechy charakterystyczne [3]:  maksymalna moc źródła nie przekracza wartości kilkudziesięciu MW,  źródła są przyłączone do sieci dystrybucyjnej,  źródła rozproszone nie podlegają centralnemu planowaniu i sterowaniu. Przyłączanie źródła rozproszonego do sieci Źródła rozproszone można przyłączyć do szyn zbiorczych w stacji zasilającej sieć lub do węzła odbiorczego położonego w głębi sieci niskiego lub średniego napięcia. Przyłączenie źródła zmienia warunki napięciowe panujące w danym układzie sieci. Celem zaprezentowania wpływu źródła rozproszonego na odchylenie napięcia w sieci rozpatrzono przykład sieci jednostronnie zasilanej (rys. 1). więcej »

Pomiar i ocena wybranych parametrów bezkierunkowych lamp do użytku domowego - DOI:10.15199/48.2018.03.37

Małgorzata ZALESIŃSKA Julita ZABŁOCKA Krzysztof WANDACHOWICZ

Ze względu na zmiany klimatyczne, powodowane między innymi przez emisję do atmosfery gazów cieplarnianych, koniecznością ostatnich lat stało się dążenie do ograniczenia zużycia energii elektrycznej. Ograniczenie to jest realizowane przede wszystkim poprzez opracowanie i wprowadzenie do użytku nowych, energooszczędnych urządzeń i produktów. Proces ten wyraźnie można zaobserwować w obszarze oświetlenia gospodarstw domowych. Począwszy od 1 września 2009 w krajach Unii Europejskiej rozpoczęto wycofywania z rynku mało efektywnych energetycznie źródeł żarowych. Jako pierwsze wycofano żarówki tradycyjne - żarówki głównego szeregu [1]. W dalszej kolejności przewiduje się wycofanie także żarówek halogenowych [2]. Obecnie, w miejsce żarówek tradycyjnych użytkownik oświetlenia domowego ma możliwość zastosowania żarówek halogenowych, świetlówek kompaktowych oraz lamp LED. Oferta handlowa jest bardzo szeroka i zróżnicowana, zarówno, co do rodzajów lamp, jak i ich ceny. Zwykle użytkownik, podczas zakupu lampy, kieruje się ceną oraz parametrami podanymi na opakowaniu. Niestety wszystkie parametry znajdujące się na opakowaniu produktu są deklaracją producenta i nie zawsze odpowiadają parametrom rzeczywistym. Z jednej strony, fakt ten wynika z naturalnego zjawiska, jakim jest rozrzut produkcji, i jeżeli parametry mieszczą się w wymaganych zakresach, to jest to dopuszczalne, a z drugiej strony, może to być spowodowane brakiem wiedzy lub nierzetelnością producentów lub importerów. Podstawowe wymagania fotometryczne, kolorymetryczne, elektryczne oraz użytkowe, jakie muszą spełniać lampy do użytku domowego, oraz informacje jakie powinny znaleźć się na opakowaniu produktu, a także sposób ich weryfikacji, zawarte są w rozporządzeniach Komisji Wspólnoty Europejskiej [1, 2, 3, 4]. Niektóre wymagania opisane są także w normach przedmiotowych [5, 6, 7, 8]. Obecnie obowiązujące wymagania [1, 3], w zakresie analizowanych w trakcie badań parametrów więcej »

Poprawny pomiar prądu nieciągłego w przekształtniku DC/DC typu BOOST - DOI:10.15199/48.2018.03.23

Marcin ZYGMANOWSKI Jarosław MICHALAK Michał JELEŃ

Przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie typu BOOST jest powszechnie stosowany od wielu lat zarówno w odbiornikach domowych i instalacjach przemysłowych [1], [2] (rys. 1.a). W ostatnich latach nastąpił wzrost zainteresowania tego typu przekształtnikiem w związku z rozwojem układów przeznaczonych do współpracy ze źródłami OZE jak i wykorzystaniem tego typu przekształtnika w aktywnych układach korekcji współczynnika mocy PFC (Power Factor Correction) [3]. W przekształtnikach współpracujących ze źródłami OZE wyznaczanie poprawnej wartości średniej prądu jest krytyczne ze względu na potrzebę wyznaczania mocy źródła jak i ze względu na stosowanie algorytmu poszukiwania punktu maksymalnej mocy ogniwa MPPT (Maximum Power Point Tracking), który bazuje na pomiarach napięcia i prądu na wejściu przekształtnika. W przypadku stosowania mikroprocesorowych układów sterowania pomiar prądu wejściowego iin, który także jest prądem dławika L, odbywa się w ściśle określonej chwili tj, w połowie czasu trwania załączenia tranzystora T (rys. 1.b). W układach energoelektronicznych jest to związane z ograniczaniem wpływu przepięć komutacyjnych w przekształtniku na wykonywane pomiary. Jedynie w przypadku gdy prąd dławika iL jest ciągły, to zmierzony prąd dławika IP równy jest wartości średniej tego prądu Iin. Inaczej jest gdy prąd dławika jest nieciągły. Wtedy zmierzony prąd dławika IP jest większy od wartości średniej Iin. Powstające różnice można korygować na podstawie pomiarów napięcia wejściowego Vin i wyjściowego VO, wypełnienia sygnału sterującego D i zmierzonej wartości prądu wejściowego. W przypadku, gdy przekształtnik pracuje w różnych warunkach, np. gdy współpracuje ze źródłami OZE, to często pracuje on z prądem nieciągłym i brak stosowania korekcji pomiaru prądu może prowadzić do niepoprawnego działania algorytmu MPPT [4]. Korzystne właściwości w wielu zastosowaniach uzyskuje się także dzięki przekształtnikowi typu BOOST o topologi więcej »

Porównanie falowników klasy D-ZVS 300 kHz do nagrzewania indukcyjnego z tranzystorami MOSFET na bazie Si oraz SiC - DOI:10.15199/48.2018.03.11

Marcin KASPRZAK Krzysztof PRZYBYŁA

Tematyka artykułu dotyczy falowników rezonansowych klasy D-ZVS [1],[2],[3],[5], napięciowych, z szeregowym obwodem rezonansowym przeznaczonych m.in. do nagrzewania indukcyjnego. Na rysunku 1 pokazano schemat przekształtnika z falownikiem klasy D, o strukturze półmostka z pojemnościowym dzielnikiem napięcia zasilania Cd. Wzbudnik ze wsadem reprezentowany jest dwójnikiem RwLw, który do wyjścia falownika (zaciski A, B) przyłączony jest za pośrednictwem układu dopasowania typu L-LC, składającego się z transformatora dopasowującego Td, kondensatora rezonansowego Cr i dławika szeregowego LS. Falownik z takim układem obciążenia, w literaturze klasyfikowany jest jako Hybrid SPL-SRI (Series-Parallel Loaded Series Resonant Inverter) [6],[7],[8]. Falowniki jak na rysunku 1, przeznaczone do nagrzewania indukcyjnego np. przed procesem hartowania, mają moc wyjściową co najmniej 20 kW a częstotliwość wyjściowa mieści się w zakresie od ok. 250 kHz do ok. 430 kHz. Falowniki takie budowane są z wykorzystaniem tranzystorów Si MOSFET (na bazie krzemu), przy czym w celu uzyskania wymaganej mocy wyjściowej konieczne jest równoległe łączenie kilku tranzystorów Si MOSFET. Takie łączenie tranzystorów jest niekorzystne z kilku powodów: - sumują się pojemności wyjściowe COSS tranzystorów, co skutkuje wydłużeniem czasu ich przeładowania i zmniejszeniem mocy wyjściowej, - sumują się pojemności i ładunki bramkowe (CGS i QG) tranzystorów, co powoduje zwiększenie mocy zasilania sterowników bramkowych (drajwerów) i zwykle wydłużenie czasów przełączania tranzystorów, - występuje problem nierównomiernego obciążenia prądowego tranzystorów. Postęp technologiczny w zakresie tranzystorów SiC MOSFET (na bazie węglika krzemu) o klasie prądowej przewyższającej tranzystory Si MOSFET, pozwala zastąpić kilka Si MOSFET jednym tranzystorem SiC MOSFET. Chociaż zysk z zastosowania jednego SiC MOSFET wydaje się oczywisty i potwierdzony, to autorzy nie znaleźli w lite więcej »

Predykcyjna regulacja momentu i strumienia silnika indukcyjnego - dobór współczynnika wagowego - DOI:10.15199/48.2018.03.06

Piotr FALKOWSKI

Główną cechą sterowania predykcyjnego jest używanie modelu obiektu do przewidywania przyszłych zmian wartości wielkości regulowanych. Wybór optymalnego sterowania dokonywany jest na podstawie określonego kryterium optymalizacji. Klasyfikację rodziny sterowania predykcyjnego, które jest bardzo szerokim określeniem, przedstawiono w pracy [1]. Jedną z pierwszych metod regulacji predykcyjnej, która została zastosowana w energoelektronice w latach 80 tych, opisano w pracy [2]. Sterowanie to zostało przeznaczone do regulacji prądów przekształtnika DC/AC, zasilającego silnik indukcyjny dużej mocy. Głównym kryterium optymalizacji była minimalizacja częstotliwości łączeń tranzystorów przy określonym obszarze uchybu prądu. W tym przypadku minimalizacja częstotliwości łączeń polegała na szukaniu wektora napięcia przekształtnika, zapewniającego najdłuższy czas do kolejnego przełączenia, biorąc pod uwagę w ilu gałęziach przekształtnika wymagane będzie przełączenie na optymalny wektor napięcia. Sterowanie to zostało zaliczone do kategorii hysteresis based predictive control. Wraz z rozwojem mocy obliczeniowej procesorów sygnałowych, znacznie wzrosło zainteresowanie sterowaniem predykcyjnym z grupy MPC (Model Predictive Control) [3], [4]. Metody predykcyjne, bazujące na modelu obiektu, można podzielić na dwie zasadnicze grupy: metody z nieskończoną liczbą sterowań CCS-MPC (Continuous Control Set Model Predictive Control) oraz metody ze skończoną liczbą sterowań FCS-MPC (Finite Control Set Model Predictive Control). W metodach z pierwszej grupy (z nieskończoną liczbą sterowań), na podstawie modelu i przewidywanych wartości składowych uchybu kontrolowanych wielkości, obliczane są współrzędne wypadkowego wektora napięcia przekształtnika, który zapewnia całkowitą kompensację uchybu regulacji po określonym czasie. Wyznaczony wektor napięcia jest odtwarzany przez modulator SVM. Opracowano algorytmy typu CCS-MPC do sterowania przekształtniki więcej »

Problematyka komutacji nieoptymalnych w pojedynczym szeregowym dwuczęstotliwościowym jednoczesnym falowniku do nagrzewania indukcyjnego - DOI:10.15199/48.2018.03.12

Kamil KIEREPKA Piotr LEGUTKO Marcin KASPRZAK

Artykuł jest kontynuacją tematyki związanej z występowaniem komutacji twardej D→sT przy pracy falownika dwuczęstotliwościowego do nagrzewania indukcyjnego. Falownik taki ma typową strukturę pełnego mostka a sterowanie składowych prądu (MF i HF) odbywa się metodą modulacji naturalnej PWM z częstotliwością nośną (200- 400) kHz [1], [2], [3]. W ramach niniejszego opracowania wykonano układ testowy (rys.1) do badania gałęzi falownika przy komutacji twardej D→sT. Taki stan pracy osiągnięto sterując tranzystorami z częstotliwością mniejszą niż częstotliwość rezonansowa obwodu obciążenia (rys.2) [4]. Przedstawiona analiza ma na celu ocenę pracy tranzystorów pod kątem: maksymalnego prądu wstecznego IRRM diody - zapewnienie bezpiecznego poziomu nie powodującego uszkodzenia tranzystora (przekroczenia SOA), oraz określenie mocy strat i sprawności przy pracy z występowaniem komutacji twardej D→sT. W ramach badań skonstruowano sterowniki bramkowe (drajwery SiC) o niesymetrycznym napięciu sterowania +22 V/-6 V wraz z przetwornicami napięcia, przystosowane do sterowania tranzystorów mocy SiC MOSFET. Następnie wykonano drukowany obwód mocy falownika wraz z blokiem wodnym pełniącym rolę radiatora dla tranzystorów mocy. Ostatnim etapem prac była konstrukcja transformatora dopasowującego wraz z silnoprądowym szeregowym obwodem rezonansowym RLC. Przeprowadzono serię pomiarów dla reprezentatywnej grupy trzech tranzystorów o zbliżonych parametrach prądowo-napięciowych osadzonych w obudowach TO-247. Tabela 1 przedstawia zestawienie wybranych parametrów dla wytypowanych tranzystorów. Tabela 1. Zestawienie stosowanych tranzystorów mocy [5] Symbol ID, A UDS, V RDS(on), mΩ trr, ns IRRM, A Warunki pomiaru STM STW65N80K5 (Si) 46 800 80 650 60 IF=46 A, VDD=60 V, di/dt=100 A/μs STM SCT30N120 (SiC) 45 1200 90 140 2 IF= 20 A, VDD=800 V, di/dt=100 A/μs ROHM SCH2080KE (SiC+SBD) 40 1200 80 37 2,4 I więcej »

Quasi - rezonansowy dwufazowy przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie - DOI:10.15199/48.2018.03.22

Piotr ZIMOCH

Upowszechnianie się źródeł fotowoltaicznych prowadzi do rozwoju technologii z nimi związanych, w tym układów przekształtnikowych niezbędnych do przyłączenia ich do sieci elektroenergetycznej. W tego typu instalacji generacyjnej konieczne jest stosowanie układów podwyższających napięcie wyjściowe z ogniw fotowoltaicznych, które jest zbyt niskie do dalszego przekształcania (zazwyczaj poprzez falownik) [1]. Ze wzrostem wartości przetwarzanej mocy rodzi się konieczność równoległego łączenia przekształtników. Zastosowanie wielofazowych przekształtników podwyższających napięcie jest uzasadnione ze względu na związane z tym zalety, takie jak zmniejszenie tętnień prądu wejściowego przekształtnika i ograniczenie wartości prądów płynących przez poszczególne zawory energoelektroniczne, co zmniejsza straty przewodzenia [1, 2]. Jednakże twarde komutacje powodują występowanie strat przełączania oraz zaburzeń elektromagnetycznych [2]. Ograniczenie tych strat możliwe jest poprzez zastosowanie metod przełączania w zerze prądu (ang. Zero Current Switching - ZCS) i przełączania w zerze napięcia (ang. Zero Voltage Switching - ZVS). Jak wykazali autorzy [3] możliwe jest całkowite zniwelowanie mocy strat, zarówno podczas załączania, jak wyłączania tranzystorów. Opracowano różnorodne topologie pozwalające na uzyskanie ZCS i ZVS w wielofazowych układach podwyższających napięcie stałe. Najprostsza topologia została opracowana przez [4] i pozwala na uzyskanie ZVS podczas załączania tranzystorów. Została ona przedstawiona na rysunku 1. Inne, bardziej złożone topologie [5], [6], [7], pozwalają na przełączanie w zerze napięcia lub zerze prądu zarówno podczas załączania, jak wyłączania zaworów energoelektronicznych. U0 T1 R E i0 i iL1 iL2 D1 D2 sT1 sT2 T2 L1 L2 C C1 C2 iD1 iD2 uC1 uC2 iT1 iT2 iC1 iC2 Rys.1. Badana topologia quasi - rezonansowego, dwufazowego przekształtnika podwyższającego napięcie Oprócz ograniczenia moc więcej »

Secure cloud services - extended cryptographic model of data storage - DOI:10.15199/48.2018.03.33

Anna GROCHOLEWSKA-CZURYŁO Marek RETINGER

Cloud storage services are getting more and more popular. Many people use it for storing private files such as photos, videos, text documents or confidential data. What is obvious, the most important parameters for them are capacity, performance and availability. Performance of cloud services is a subject of many researches. We can find documents with information about cloud storage services efficiency and performance in general [16] or in particular context [10]. In 2012 and 2014, the most popular cloud storage services were Microsoft SkyDrive (now OneDrive), Dropbox, iCloud and Google Drive. We have not found any official document describing the services market share after 2014. Unofficial sources — mainly technology portals — give different information depending on target groups. We averaged the data and extended the group of providers above by Amazon S3 service, which nowadays became very popular. We have not included price as “parameter", which is also very important, due to the fact that there are many free solutions on the market and they are sufficient for most users. We aggregated basic information about the services in table 1. Table 1. Common cloud storage services comparison. OneDrive Dropbox iCloud Google Drive Amazon S3 Free plan Yes Yes Yes1 Yes Yes2 Free storage 5 GB 2 GB 5 GB 15 GB 5 GB File size limitation 10 GB3 20 GB4 50 GB 5 TB 5 TB File extension limitation No No Yes Yes No Paid plan(s) available Yes Yes Yes Yes Yes In the document, we have not presented the paid plans — each provider offers several different payment models de- 1Requires at least one Apple device. 212 months trial. 3There are no limits for files send with dedicated software. 4See footnote 3. pending on customer needs. The models can be modified without notice. Cloud storage security is a less popular subject than “performance". Providers share just a little bit information about system/data sec więcej »

Single switch quasi-resonant ZVS converter with tapped inductor - DOI:10.15199/48.2018.03.08

Michał HARASIMCZUK Adam BORCHERT

In recent years, boost converters have been used in many areas of industry. They are used in renewable energy systems, in the operating of photovoltaic panels, in uninterruptible power supply, in discharge lamps, in electric and hybrid vehicles, and in telecommunications. An increased interest in boost converters can also be observed in literature [1]. An important problematic issue with these converters is how to obtain a high voltage gain. In the case of a basic boost converter, this is not possible for several reasons. Firstly, in order to achieve a high gain, the converter transistor must be operated at a high duty cycle, which increases power losses in the transistor and parasitic resistances in the converter. Secondly, a high output voltage requires the use of a transistor with a high resistance RDS(on), which increases conduction losses in the transistor. Thirdly, in a plain boost converter, transistor switching losses and the reverse recovery time of the output diode put a limit on the transistor switching frequency. One of the ways to achieve a high voltage gain is by using a tapped inductor. However, this solution is problematic due to the need to suppress overvoltage caused by the current changes in leakage inductance to which the transistor is exposed. Literature describes many passive methods to reduce voltage stress of transistor [2 - 8]. One popular method is to use an additional diode connected in series with the output inductor and a capacitor for storing energy form leakage inductance [2, 3, 6]. An additional diode introduced into the main current loop of a converter adversely affects efficiency, due to reverse recovery current. Another method is to utilize a capacitor connected in series with the output inductance of the tapped inductor and add to the converter a circuit located outside the main current loop, responsible for reduced voltage stress [3, 4, 6, 7]. In converters modified in this way, the oper więcej »

Skutki gospodarcze niedostarczenia energii elektrycznej do odbiorców komunalno-bytowych - DOI:10.15199/48.2018.03.36

Kornelia BANASIK Andrzej Ł. CHOJNACKI

Produkt pracy ludzkiej przeznaczony na sprzedaż staje się towarem. Energia elektryczna jest zatem towarem, który został wytworzony (elektrownia), przetransportowany (sieci przesyłowe i dystrybucyjne), sprzedany (spółki obrotu) oraz kupiony (odbiorca) [7, 8]. Dobro może wystąpić jako towar tylko wtedy, gdy odpowiada zapotrzebowaniu społeczeństwa, czyli gdy jest w stanie zaspokoić określone jego potrzeby [7]. Aby odbiorcy mogli w pełni korzystać z energii elektrycznej, musi ona (jako towar) posiadać odpowiednie cechy jakościowe. Jakość zasilania odbiorców w energię elektryczną można podzielić na [13]:  jakość dostarczanej energii elektrycznej (jakość napięcia),  niezawodność dostawy energii elektrycznej (niezawodność zasilania),  jakość obsługi odbiorcy (klienta). Parametry jakościowe energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom w poszczególnych grupach przyłączeniowych określone są w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 20 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci (Dz. U. 2005 Nr 2, poz. 6) [15]. Doprecyzowano je w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz. U. Nr 93, poz. 623) [16]. Parametry określające jakość energii elektrycznej zawarto z kolei w Polskiej Normie PN-EN 50160:1998 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych, stanowiącej implementację Normy Europejskiej EN 50160:1994 [14]. Niezawodność dostaw energii do odbiorców obejmuje zagadnienia przerw w zasilaniu oraz ich skutków. Wreszcie jakość obsługi odbiorców to wszelkie zależności handlowe, ale także interpersonalne między dostawcą energii, a jej odbiorcą, obejmujące uwarunkowania prawne, ekonomiczne, a także społeczne, decydujące o bieżących standardach obsługi odbiorców i praktykach załatwiania skarg i reklama więcej »

Sterowanie ślizgowe przetwornicy DC-DC ze słabo tłumionym filtrem wejściowym LC - DOI:10.15199/48.2018.03.20

Karol TATAR Piotr LEŚNIEWSKI Piotr CHUDZIK

Powszechnie stosowany we współczesnych układach przetwarzania energii, wejściowy filtr LC, jest odpowiedzialny za ograniczenie niekorzystnych oddziaływań urządzeń energoelektronicznych na sieć zasilającą. Zapewnia również stałe napięcie, które jest niezbędnym elementem w procesie przetwarzania większości przetwornic DC-DC, o różnych topologiach. Sam filtr, jako praktycznie bezstratny element drugiego rzędu, jest niestety elementem skłonnym do oscylacji. W przypadku realizacji algorytmów sterowania zakładających pracę przetwornicy w roli stabilizatora napięcia wyjściowego, część przetwarzająca odbiera z filtru, niezależnie od wartości napięcia wejściowego, moc o stałej wartości. Taki charakter obciążenia filtru LC powoduje pojawienie się ujemnej, dynamicznej impedancji wejściowej powodującej pojawienie się skłonności układu do oscylacji, która ostatecznie prowadzi do niestabilności całej struktury sterowania [3]-[7]. Przeprowadzono i opublikowano wiele prac badawczych opisujących to zjawisko. Najczęściej układy sterowania przetwornic pracujących jako stabilizatory napięcia przyjmują postać regulatora kaskadowego, w którym pętla wewnętrzna jest pętlą regulacji prądu, a zewnętrzna pętlą regulacji napięcia [3]. Do zapewnienia stabilności pracy urządzenia używa się zarówno układów tłumiących o charakterze pasywnym [1][2] jak i aktywnym [11]. Stabilizatory pasywne wykonywane są w postaci dodatkowej gałęzi RC. Na temat doboru parametrów elementów pasywnego stabilizatora powstało szereg prac, w których uwzględnia się zarówno strukturę dynamiczną układu jak i zapewnienie odpowiedniej jakości tłumienia [1]- [2]. Zastosowanie tego typu rozwiązania niesie za sobą zwiększenie strat mocy w układzie oraz zwiększenie jego wagi i rozmiarów. Stabilizatory aktywne to nic innego jak odpowiednia strategia sterowania umożliwiająca dodanie do sygnału sterującego odpowiedniego sygnału kompensatora. Tutaj również najczęściej sygnał kompensujący więcej »

Sterownik dwukierunkowego wielomodułowego przekształtnika DC//DC zrealizowany na platformie FPGA - DOI:10.15199/48.2018.03.07

Piotr GRZEJSZCZAK Marek SZYMCZAK Roman BARLIK

Rosnące zapotrzebowanie na "czystą" energię elektryczną, wymaga zmiany tradycyjnego sposobu jej przetwarzania i zarządzania. Integracja odnawialnych źródeł energii (OZE) z systemem elektroenergetycznym, opartym głównie na konwencjonalnych źródłach energii niesie za sobą konieczność stosowania dodatkowych pośrednich stopni jej przetwarzania, w celu zapewnienia najwyższego stopnia niezawodności całego systemu. Nowa wizja systemu elektroenergetycznego przewiduje zastosowanie inteligentnych mikrosieci (w literaturze anglojęzycznej określanych jako smart grids i microgrids) skupiających lokalnie rozproszone źródła, magazyny i odbiorców energii elektrycznej [1]. W obecnej fazie prowadzonych prac badawczych, szczególnie ciekawa i obiecująca jest koncepcja rozwoju mikrosieci prądu stałego, której centralną magistralę stanowi linia prądu stałego charakteryzująca się średnim napięciem [2]. Do linii tej dołączone są zarówno źródła OZE jak również stacjonarne magazyny energii i jej odbiorcy. Mikrosieci DC (rys.1), wyposażone w nowoczesne przekształtniki energoelektroniczne oraz inteligentne czujniki mogą zapewnić wysoki stopień niezawodności, łatwość rekonfiguracji i rozbudowy oraz wygodne zarządzanie przepływem tej energii, dopasowanym do aktualnego zapotrzebowania [1]. Ze względu na konieczność zapewnienia sprzęgu DC//DC o odpowiednio dużej przekładni napięciowej i dużej mocy, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej częstotliwości łączeń tranzystorów, przy obecnej technologii łączników półprzewodnikowych, uzasadnione jest stosowanie układów modułowych [3]. Przekształtniki wielomodułowe mogą występować w różnych konfiguracjach połączeń (rys. 2), dzięki czemu mogą być łatwo dopasowywane do różnych potrzeb, bez konieczności zmiany parametrów pojedynczego modułu. Główne korzyści płynące z modułowej struktury sprzęgu to: zwiększenie mocy układu, możliwość zwielokrotnienia przekładni napięciowej oraz wzrost niezawodności np. przez zasto więcej »

Straty mocy i rezystancja zastępcza związane z przeładowywaniem nieliniowej pojemności wyjściowej tranzystora MOSFET - DOI:10.15199/48.2018.03.10

Zbigniew KACZMARCZYK Michał ZELLNER Krystian FRANIA

Ze względu na krótkie czasy przełączeń tranzystory MOSFET predysponowane są do zastosowań w wysokoczęstotliwościowych przekształtnikach energoelektronicznych. W falownikach rezonansowych pracujących w zakresie częstotliwości kilkunastu i kilkudziesięciu megaherców pojemności wyjściowe tranzystorów MOSFET nabierają szczególnie istotnego znaczenia. Ich wartości są bowiem niepomijalne dla zachodzących procesów rezonansowych a przepływające przez nie prądy są na poziomie prądów innych elementów obwodu głównego. Rezultatem dużej wartości prądu przepływającego przez pojemność wyjściową tranzystora MOSFET są straty mocy i jego dodatkowe nagrzewanie się. Problematyka dotycząca pojemności wyjściowej tranzystora MOSFET, w szczególności strat mocy i rezystancji zastępczej związanych z jej przeładowywaniem jest przedmiotem niniejszej pracy. Projektowanie i optymalizacja właściwości falowników rezonansowych z uwzględnieniem nieliniowej pojemności wyjściowej tranzystorów MOSFET przedstawiona została w kilku pracach, np. [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7] i [8]. W części z tych opracowań ([1], [5], [6], [7] i [8]) rozważano straty mocy związane z przeładowywaniem tej pojemności, przy czym jedynie w pracy [1] zaproponowano metodę wyznaczenia tych strat, natomiast w pozostałych pracach problematyka ta została pominięta. Karty katalogowe tranzystorów MOSFET nie podają żadnych informacji umożliwiających oszacowanie strat mocy towarzyszących przeładowywaniu ich pojemności wyjściowej. W ramach niniejszej pracy przedstawiono nową i efektywniejszą metodę wyznaczania strat mocy i rezystancji zastępczej tranzystora MOSFET w stanie wyłączenia - strat mocy i rezystancji związanych z przeładowywaniem nieliniowej pojemności wyjściowej. W porównaniu z metodą opisaną w pracy [1] zaproponowana metoda różni się umiejscowieniem w układzie pomiarowym tranzystora badanego, który pierwotnie przyłączony równolegle do tranzystora roboczego przeniesiony został d więcej »

Systematic measurement errors of local B-coils due to holes - DOI:10.15199/48.2018.03.02

Stan ZUREK

Magnetic properties of soft magnetic materials like electrical steels are measured with the help of induction coils (also referred to as B-coils or search coils [1-10]) which detect flux density B averaged over the active crosssection area of the coil (Fig. 1). According to Faraday's law, voltage induced in the coil is proportional to the number of turns n of the coil, the active cross-section area A, and the rate of change of B with respect to time t but averaged over A. The information about time variation of spatially-averaged B is thus obtained by integration of the function: (1) V = n·A·dB/dt (V) It should be noted if equation (1) is to define the measured voltage across a B-coil then there is no minus on the right-hand-side. This minus appears only for the induced electromotive force. Fig.1. Concept of B-coil Sometimes it is desirable to measure localised properties, which requires the use of the needle probes [1, 5, 8-10], or localised B-coils for which appropriate holes must be drilled in the sample under test [1-3, 5, 6-9]. The performance of needle probes can be severely affected by asymmetrical magnetisation [1, 9]. This can lead to indication of non-physical values of B, even significantly larger than the saturation of the material; results up to 4 T were reported in the literature [10]. B-coils are more immune to such problems and hence also used extensively for localised measurement [5]. However, the method is more destructive because holes must be drilled in the sample under test (Fig. 2). The holes represent non-magnetic discontinuity and severely distort distribution of B in the immediate vicinity of holes. Qualitatively such effects are indeed well known and documented in the literature with both finite element modelling (FEM) [3] as well as surface scanning measurements [11]. However, from the viewpoint of uncertainty analysis these effects do not seem to be quantified sufficiently well in t więcej »

The delay line with a surface acoustic wave for an oscillator of electric signals in some sensors - DOI:10.15199/48.2018.03.38

Milan ŠIMKO Milan ŠEBOK Milan CHUPÁČ Daniel KORENČIAK Miroslav GUTTEN Katarzyna PIOTROWSKA Pawel ZUKOWSKI Tomasz N. KOLTUNOWICZ

As selective elements of oscillators of harmonic vibration besides the band-pass filters are also used delay lines (DL) and resonators as a perspective a coustic-electric components based on surface acoustic waves (SAW). From the stability point of view we can classify these oscillators among the ones with volume acoustic waves and LC oscillators. In the article, the DL with SAW for single - mode oscillators. The oscillator with delay line The basic principle of function of oscillator with delay line is represented on the next figure (Fig. 1). The delay line (4) with SAW plugged in the feedback of amplifier (2) is a basic element. Circuits (1, 3) serve to match impedance of the abovementioned to the impedance of the electronic circuitry. Fig.1. Bloc diagram of oscillator. Because the previous signal from the input to the output of DL is delayed, examined oscillators are ones with delayed feedback. The theory of these oscillators is well known in the literature [1]. Different situation is in the case of DL with SAW, where DL themselves have narrow transmission band and their parameters differ fundamentally in this range. Physical distinctiveness of functioning of listed components which are related with phenomena of excitation, extension and reflection of SAW cause that in addition to delay, the DL´s have specific frequency dependencies of input and output admittances. Their replacement with the lumped elements RLC circuit or broad - band DL with outer selective LC is mentioned only very general. The oscillator with mismatched delay line The used delay line with SAW as a selective element of oscillator can be symmetrical or non-symmetrical. Symmetrical DL is characterized by the same input and output IDT while non-symmetrical DL has the input IDT with small number of electrodes (broadband) and output IDT with big number of electrodes (narrowband). In the contribution we will only deal with the symmetrical DL. For simpl więcej »

Wizualizacja procesów fizycznych w procesie elektrodynamicznego ściskania metali - DOI:10.15199/48.2018.03.29

Borys BOROWIK

W przypadku kształtowania przewodzącego wsadu rurowego impulsowe pole magnetyczne jest polem zewnętrznym w stosunku do rury ma jedną składową wzdłuż osi z (rys.1) i określa się je następującym wzorem: (1) H ( t ) H zew( t ) z z zew  1 , w którym składowa natężenia pola magnetycznego wzdłuż osi z (2) e H (t ) H0 sin( t ) zew t z      gdzie: H0 - amplituda pola magnetycznego przy braku tłumienia w A·m-1, ω - pulsacja drgań własnych układu kształtowany element - głowica robocza - bateria kondensatorów w rad·s-1, η - współczynnik tłumienia pola magnetycznego w s-1 , ψ - faza początkowa natężenia pola magnetycznego w rad. Przy kształtowaniu metali impulsowym polem magnetycznym i obliczaniu odkształcenia zasadniczym problemem jest wyznaczenie rozkładu czasowo - przestrzennego natężenia pola magnetycznego HIII(r,t) w kształtowanym elemencie. Umożliwi nam to obliczenie sił działających na wsad, a w konsekwencji wyliczenie wielkości odkształcenia detalu. [1-4] Pole elektryczne i magnetyczne we wsadzie rurowym W przypadku nieskończenie długiej rury przewodzącej w zewnętrznym podłużnym polu magnetycznym (rys.1) wielkości charakteryzujące pole elektromagnetyczne, ze względu na symetrię układu, zależą tylko od współrzędnej r walcowego układu współrzędnych. Chodzi zatem o zagadnienie jednowymiarowe ze stałą przenikalnością magnetyczną walca μ=μ0 i jego stałą konduktywnością γ. Poszukiwane natężenie pola magnetycznego H III ( r,t ) z spełnia skalarne równanie falowe we współrzędnych walcowych: [5-6] (3) 0 1 2 0 3 2          t H ( r,t ) r H ( r,t ) r r H ( r,t ) III z III z III z   natomiast pole elektryczne: θ 1 θ Rys.1. Przewodzący wsad rurowy z matrycą przewodzącą umieszczony w polu magnetycznym o charakterze sinuso więcej »

Wpływ obudowy tranzystora SiC MOSFET na sprawność energetyczną falownika klasy DE z pasma 13,56 MHz - DOI:10.15199/48.2018.03.16

Krzysztof PRZYBYŁA Marcin KASPRZAK

Falowniki klasy DE o częstotliwości pracy kilkanaście MHz (najczęściej 13,56 MHz) stosowane są w niektórych procesach przemysłowych. Przykładem może być bezprzewodowy przesył energii elektrycznej [1] lub nakładanie cienkich warstw materiałów na podłoże (metoda PECVD, Plasma-enhanced chemical vapor deposition) [2]. Schemat falownika klasy DE zamieszczono na rysunku 1. E DRV DRV Cd C1=225 pF Cd L=1,2 uH R=50 Ω i uDS uGS COSS C2=450 pF W POUT IDC Rys.1. Schemat falownika klasy DE z dzielnikiem napięcia Cd Ze względu na wysoką częstotliwość pracy i szybkość przełączania tranzystorów (kilka ns), pojawia się szereg czynników ograniczających sprawność falownika klasy DE. Pierwszym najistotniejszym czynnikiem są tranzystory mocy. Zastosowane tranzystory muszą charakteryzować się krótkimi czasami przełączeń (nanosekundy) i niskimi wartościami pojemności pasożytniczych (CISS, COSS, CRSS). Korzystne jest również wysokie dopuszczalne napięcie drenu UDSmax, ze względu na cykliczne przepięcia występujące podczas przełączania tranzystora. Na rynku dostępne są tranzystory Si MOSFET dedykowane do zastosowań w.cz [8], [9] - charakteryzują się one specjalną obudową o zminimalizowanej indukcyjności doprowadzeń. Drugim istotnym czynnikiem wpływającym na sprawność jest drajwer, czyli obwód sterujący bramką tranzystora. Drajwer musi charakteryzować się niską impedancją wyjściową (głównie indukcyjność pasożytnicza), krótkimi czasami przełączeń i niskim poborem mocy. Kolejnym czynnikiem wpływającym na sprawność falownika są kondensatory filtrujące obwodu DC oraz kondensatory dzielnika Cd. Najlepiej nadają się kondensatory mikowe, które mają wyższą obciążalność prądową w stosunku do ceramicznych [10], [11]. W literaturze dostępnych jest wiele informacji na temat falowników klasy DE z tranzystorami Si MOSFET o częstotliwości pracy f>10 MHz. Przykładowo, sprawność takich falowników wynosi zwykle między 70% a 90% [3], [4], [5]. Nato więcej »

Wybór parametrów dla optymalnej strategii sterowania silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi - DOI:10.15199/48.2018.03.17

Tomasz SOBIERAJ

Silniki z magnesami trwałymi ze względu na ich szereg zalet, takich jak wysoka sprawność, i bezawaryjność, znajdują coraz szersze możliwości zastosowań we współczesnych układach napędowych. Są one wykorzystywane w wielu przemysłowych aplikacjach mając opinię maszyn pozwalających na uzyskanie niezakłóconego przebiegu momentu. Jednak większość algorytmów sterowania tego typu silnikami wykorzystuje model silnika. Skuteczność działania algorytmu będzie więc zależała od dokładności wyznaczenia wszystkich parametrów modelu. Większość metod służących do wyznaczania parametrów silnika spotykanych w literaturze np. [1], [2] wykorzystuje skomplikowane algorytmy. Badania eksperymentalne potwierdzają, że niektóre parametry (ogólnie w literaturze przyjmowane jako stałe) mogą zależeć np. od prądu płynącego przez uzwojenia silnika. W klasycznych układach sterowania pracą silnika (np. w metodzie bezpośredniego sterowania momentem ang. DTC) strumień i moment elektromagnetyczny silnika mogą być regulowane niezależnie od siebie na drodze odpwiedniego wyboru współrzędnych wektora przestrzennego napięcia zasilającego. Bardzo ważnym zagadnieniem jest właściwy wybór wartości zadanych momentu i strumienia. Wartość zadana momentu jest zwykle wprowadzana do algorytmu bezpośrednio (tylko z ograniczeniem co do wartości znamionowych lub dopuszczalnych, przeciążeniowych) lub wypracowywana przez regulator prędkości. Wartość zadana strumienia jest zwykle przyjmowana na poziomie strumienia od magnesów trwałych. Z tym, że przy takim sterowaniu często nie można wykorzystać w pełni możliwości silnika. Przy założeniu, że indukcyjności Lq jest większa od indukcyjności Ld można zaproponować taki algorytm wyboru prądów iq oraz id, przy którym wykorzystując moment reluktancyjny uda się zwiększyć całkowity moment silnika zachowując moduł prądu na tym samym poziomie. Metoda MTPA (ang. Maximum Torque Per Ampere) jest ogólnie znana i opisywana w literaturze np. w więcej »

Zastosowanie aktywnych filtrów EMI do redukcji zaburzeń przewodzonych generowanych przez falownik - DOI:10.15199/48.2018.03.28

Marian PASKO Marek SZYMCZAK

Rozwój nowoczesnych przekształtników, działających na wysokich częstotliwościach, paradoksalnie doprowadził do tego, że waga i rozmiar filtrów EMI w nich użytych, mogą być większe niż sam przekształtnik [1, 2]. W związku z tym od kilkunastu lat prowadzi się badania nad możliwością zastosowania rozwiązań aktywnych do tłumienia zaburzeń przewodzonych, zastępując filtry pasywne lub znacznie poprawiając ich właściwości [3, 4, 5, 6]. Dzięki układom aktywnym możliwe jest zredukowanie rozmiaru, wagi i ceny filtrów. We wcześniejszym artykule [7] zostały przeanalizowane podstawowe struktury filtrów aktywnych ze wskazaniem ich wad i zalet oraz warunków poprawnej pracy. Kolejna publikacja [8] przedstawiała wyniki badań eksperymentalnych dwóch z sześciu możliwych konfiguracji filtrów, prezentując ich charakterystyki tłumienności wtrąceniowej oraz potwierdzając kryteria doboru odpowiedniej struktury do danych warunków pracy. Niniejszy artykuł natomiast omawia wyniki badań z zastosowania dwóch typów filtrów (typ III - detekcja napięcia i usuwanie prądu zaburzeń i typ IV - detekcja i usuwanie napięcia zaburzeń) oraz ich kaskadowego połączenia, do tłumienia zaburzeń wspólnych CM (common mode), generowanych przez falownik DC/AC. Filtry aktywne EMI Rys.1. Schemat zastępczy z filtrem przeciwzaburzeniowym Zadaniem filtru jest detekcja i redukcja zaburzeń generowanych przez źródło (odbiornik), tak aby nie przedostawały się one do sieci zasilającej (rys. 1). Filtry aktywne można podzielić ze względu na typ sprzężenia oraz sposób detekcji i kompensacji zaburzeń. Zgodnie z tym, ze względu na zastosowane sprzężenie można wyróżnić dwie grupy filtrów: ze sprzężeniem zwrotnym (feedback-type) oraz bez sprzężenia (feedforward-type). Współczynnikiem określającym stopień redukcji zaburzeń EMI przez filtr jest tłumienność wtrąceniowa IL (oznaczana też α) i definiowana (w skali decybelowej) jako (1) stosunek wartości skutecznej napięcia na zaciskac więcej »

Zastosowanie metod diagnostyki awarii tranzystorów w przekształtnikach sieciowych AC/DC - DOI:10.15199/48.2018.03.05

Piotr SOBAŃSKI

Awarie układów energoelektronicznych w systemach napędowych powodują znaczne obniżenie funkcjonalności napędów, prowadząc tym samym do strat finansowych spowodowanych zatrzymaniem wykonywanych procesów przemysłowych. Na rys.1 przedstawiono statystykę uszkodzeń występujących w napędach elektrycznych, również tych, które zasilane są z prostowników aktywnych [1]. Przerwy bądź zwarcia łączników półprzewodnikowych stanowią 12% spośród wszystkich uszkodzeń i są wynikiem intensywnej eksploatacji napędu oraz efektem starzenia się tranzystorów [2]. Zarówno w przypadku układów falownikowych, służących do zasilania silników prądu przemiennego, jak i prostowników aktywnych, prowadzone są prace mające na celu zaprojektowanie skutecznych algorytmów diagnostyki awarii modułów mocy. Algorytmy diagnostyki awarii falowników napięcia można podzielić na, tzw. pośrednie metody diagnostyki, które polegają na analizie: - średnich wartości błędów regulacji prądów fazowych silnika [3], - średnich wartości błędów estymacji prądów fazowych silnika [4], - średnich wartości błędów estymacji napięć fazowych silnika [5], Podobnie w przypadku algorytmów bezpośrednich, które polegają na przetwarzaniu estymowanych bądź mierzonych sygnałów, we większości przypadków wykorzystuje się sygnały prądowe. Spośród nich wyróżnia się: - metody wykorzystujące hodografy zmiennych diagnostycznych [6], - proste operacje arytmetyczne oraz złożone obliczeniowo techniki sztucznej inteligencji [7]. Niezależnie od wykorzystywanego sygnału diagnostycznego, do najszybszych należą systemy diagnostyczne, w których użyto dodatkowe przetworniki pomiarowe. Niemniej jednak metody te są bardziej kosztowne od algorytmów typowo programowych, których idea polega na stosowaniu jedynie zmiennych stanu dostępnych pomiarowo z uwagi na przyjętą metodę sterowania wektorowego napędem. W ich przypadku czas potrzebny na diagnozę jest zwykle nie dłuższy niż jeden okres podstawowej harmonicz więcej »

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY

Sterowanie bazujące na sprzężeniu od wektora zmiennych stanu z ograniczeniami serwonapędem z silnikiem PMSM (ang. Constrained state feedback control of PMSM servo-drive)

Prenumerata

INNE PUBLIKACJE W TYM ZESZYCIE

Sterowanie bazujące na sprzężeniu od wektora zmiennych stanu z ograniczeniami serwonapędem z silnikiem PMSM
(ang. Constrained state feedback control of PMSM servo-drive)