Zespół badawczy:

• prof. dr hab. inż. Teresa Orłowska-Kowalska (kierownik projektu),
• dr hab. inż. Mateusz Dybkowski,
• dr hab. inż. Grzegorz Tarchała,
• prof. dr hab. inż. Czesław T. Kowalski,
• dr hab. inż. Marcin Wolkiewicz,
• mgr inż. Piotr Sobański,
• mgr inż. Kamil Klimkowski.

Tematyka projektu związana była z nowoczesnymi napędami elektrycznymi z silnikami indukcyjnymi, które stanowią integralne części złożonych procesów przemysłowych oraz seryjnie produkowanych urządzeń mechatronicznych. Przed takimi podsystemami stawiane są bardzo duże wymagania dotyczące ich właściwości dynamicznych i statycznych, niezawodności i przewidywalności działania, a ostatnio również podwyższonego stopnia bezpieczeństwa w instalacjach odpowiedzialnych za zdrowie i życie ludzkie, np. napędy trakcyjne, samochodowe, elektryczne układy napędowe w lotnictwie, górnictwie czy energetyce atomowej. Napędy takie muszą posiadać odpowiednie zabezpieczenia systemowe i programowe związane z możliwością wystąpienia uszkodzeń ich elementów, w tym przekształtnika, silnika oraz czujników. Istotna jest również możliwość detekcji i lokalizacji uszkodzeń (FDI, ang. Fault Detection and Isolation) w początkowej fazie ich wystąpienia, tak aby układ zasilania i sterowania mógł ulec odpowiedniej rekonfiguracji i dalej pracować (FTC, ang. Fault Tolerant Control) lub – w uzasadnionych przypadkach – doprowadzić napęd złożonego urządzenia do bezpiecznego zatrzymania przed wystąpieniem wyłączenia awaryjnego. Ponadto, dla pewnych rodzajów uszkodzeń, algorytm sterowania wektorowego takim układem napędowym może skompensować wpływ awarii poprzez wykorzystanie redundantnych informacji z estymatorów zmiennych stanu lub poprzez rekonfigurację układu i zastosowanie innych struktur sterowania, takich jak sterowanie skalarne, bez pomiaru prędkości (speed-sensorless) lub sterowanie momentowe. W przypadku, gdy system diagnostyczny oceni typ uszkodzenia jako zagrażający poprawnej pracy napędu, układ musi zostać zatrzymany w sposób bezpieczny dla sterowanego procesu, a uszkodzenie powinno zostać usunięte zgodnie z przyjętymi procedurami.

Głównym celem projektu było opracowanie oraz przetestowanie – w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych – nowych metod detekcji, izolacji oraz kompensacji uszkodzeń typu elektrycznego i mechanicznego w układach napędowych z silnikami indukcyjnymi. Analizowano uszkodzenia łączników energoelektronicznych przemiennika częstotliwości, uszkodzenia czujników pomiarowych wielkości elektrycznych i mechanicznych (prądu, napięcia, prędkości/położenia) oraz początkowe uszkodzenia uzwojeń silnika (zwarcia zwojowe uzwojenia stojana i pęknięcia prętów lub pierścienia klatki wirnika). Zbadano wpływ wybranych uszkodzeń na pracę napędu sterowanego metodami wektorowymi (DRFOC i DTC-SVM), zarówno z pomiarem prędkości kątowej, jak i w trybie bezczujnikowym. Wytypowano również sygnały diagnostyczne umożliwiające nie tylko detekcję wybranych uszkodzeń, ale także różnicowanie uszkodzeń powodujących podobne symptomy.

Na podstawie tych sygnałów opracowano algorytmy detekcji i diagnostyki uszkodzeń oparte na metodach algorytmicznych i sztucznej inteligencji, realizowane przy użyciu narzędzi programowych. Stworzono oryginalne algorytmy diagnostyczne do detekcji uszkodzeń tranzystorów dwupoziomowego falownika napięcia, charakteryzujące się bardzo krótkim czasem działania (poniżej jednego okresu prądu zasilającego uzwojenie stojana silnika) oraz prostą implementacją. Wykazano, że są one odporne na inne rodzaje uszkodzeń, np. zwarcia zwojowe stojana silnika indukcyjnego. Zaproponowana metoda rekonfiguracji obwodu falownika napięcia wraz z autorską metodą modulacji zapewnia dalszą prawidłową pracę układu napędowego po wystąpieniu awarii tranzystora w mostku falownika.

W przypadku awarii czujników pomiarowych prądu i prędkości w układzie typu FTC zaproponowano wykorzystanie estymatora zmiennych stanu (typu MRAS) do odtwarzania prędkości kątowej, o zwiększonej odporności na zmiany parametrów silnika indukcyjnego. Opracowano również detektory algorytmiczne i neuronowe do wykrywania uszkodzeń wspomnianych czujników pomiarowych w strukturach sterowania wektorowego silnikiem indukcyjnym. Metody kompensacji awarii czujników opracowano z wykorzystaniem sterowania bezczujnikowego, redundancji sprzętowej i analitycznej oraz poprzez zmianę topologii układu sterowania. Stworzono kompletny system diagnostyczny umożliwiający wykrycie i kompensację awarii wszystkich analizowanych czujników w jednym cyklu pracy napędu, co pozwala na jego dalszą eksploatację.

W zakresie awarii obwodów elektrycznych silnika indukcyjnego opracowano metody detekcji uszkodzeń uzwojeń stojana (we wczesnym stadium zwarcia zwojowego) oraz wirnika (pęknięcie jednego lub dwóch prętów klatki wirnika) przy wykorzystaniu analizy widmowej sygnałów dostępnych w wewnętrznej strukturze sterowania wektorowego napędem. Wszystkie opracowane metody detekcji i kompensacji uszkodzeń falownika napięcia, czujników pomiarowych oraz uzwojeń silnika indukcyjnego zostały przetestowane na opracowanych i zrealizowanych stanowiskach badawczych ze zmiennoprzecinkowym procesorem sygnałowym sterującym napędem w strukturze DRFOC i DTC-SVM.

Wyniki prac zostały przedstawione na konferencjach o zasięgu międzynarodowym (ICIT, IECON, ISIE, PEMC, ELECTRIMACS, CPE-POWERENG, EPNC) oraz krajowym (SENE, SME). Najbardziej wartościowe wyniki opublikowano w czasopismach o zasięgu międzynarodowym (IEEE Transactions on Industrial Electronics, Automatika, Mathematics and Computers in Simulation, Archives of Electrical Engineering) oraz w monografii Advanced Control of Electrical Drives and Power Electronic Converters (Elsevier). Część wyników badań zrealizowanych w ramach projektu została wykorzystana w rozprawach doktorskich stypendystów projektu: Piotra Sobańskiego – „Metody diagnostyki i sterowania w napędach z silnikami indukcyjnymi w stanach awaryjnych dwupoziomowego przemiennika częstotliwości” (2017) oraz Kamila Klimkowskiego – „Analiza układów napędowych z silnikami indukcyjnymi odpornych na uszkodzenia czujników pomiarowych” (2017).