Przedmiotem rozprawy są wybrane układy quasi-zrównoważone do pomiaru składowych impedancji, a w szczególności problematyka związana z możliwością programowej realizacji ich działania. Bezpośrednią motywacją do napisania rozprawy była chęć zbadania grupy quasi-zerowych metod pomiaru impedancji, poznanie ich właściwości metrologicznych, możliwości programowego wspomagania ich działania, przy uwzględnieniu aktualnych możliwości techniki mikroprocesorowej i przyrządów wirtualnych oraz udoskonalenie istniejących rozwiązań.

W pracy uwzględniono aktualny stan zagadnień problematyki pracy, przedstawiony w literaturze, współczesne osiągnięcia cyfrowej techniki pomiarowej oraz własne doświadczenie w projektowaniu, badaniach i aplikacjach układów pomiarowych składowych impedancji.

W rozprawie zaprezentowano przykładowe modele matematyczne, metody syntezy, schematy oraz równania mostkowych, niemostkowych aktywnych oraz realizowanych w sposób programowy układów quasi‑zrównoważonych do pomiaru składowych impedancji w tym układów równoległych, z podwójnym quasi-równoważeniem oraz z odstrojeniem.

Metody quasi‑zerowe z detekcją kąta fazowego są metodami przemiennoprądowymi przeznaczonymi do pomiaru składowych impedancji. Posiadają cechy charakterystyczne zarówno dla metod zerowych, jaki i niezerowych. Stan wyróżniony quasi-zrównoważonych układów z detekcją kąta fazowego nie musi być stanem zerowym. Dla tego stanu jest określony kąt przesunięcia fazowego pomiędzy dwoma wybranymi sygnałami występującymi w układzie. Sprowadzenie układu do stanu quasi-równowagi osiąga się poprzez zmianę nastaw pojedynczego elementu regulacyjnego. W stanie wyróżnionym możliwy jest pomiar wyłącznie jednej wielkości związanej z mierzoną impedancją. Pomiar drugiej wielkości jest możliwy w quasi-zrównoważonych układach równoległych, z odstrojeniem lub z podwójnym quasi-równoważeniem.

Do badań wybrano algorytmy wykorzystujące pomiary w warunkach ustalonych, przy wymuszeniu sinusoidalnym. Z uwagi na powszechne zastosowanie pomiarów składowych impedancji w zakresie częstotliwości pasma akustycznego w pracy skupiono się właśnie na częstotliwościach z tego zakresu.

Przedstawiono cyfrowe algorytmy pomiaru kąta przesunięcia fazowego, które mogą być stosowane m.in. w układach quasi-zrównoważonych z detekcją fazy przeznaczonych do pomiaru składowych impedancji. Określono właściwości metrologiczne algorytmów oraz sprawdzono wpływ ich parametrów na wyniki pomiaru kąta przesunięcia fazowego. Opracowano przyrząd wirtualny (fazomierza/detektora fazy) umożliwiający badania różnych algorytmów pomiaru kąta przesunięcia fazowego. Wybrano optymalny algorytm (krótkookresowej transformaty Fouriera), mający zastosowanie jako detektor stanu quasi-równowagi oraz zbadano jego podstawowe właściwości.

Omówiono dwie opracowane koncepcje przesuwnika fazowego, zrealizowane w sposób programowy, przeznaczone do zastosowania w układach quasi-zrównoważonych, zbadano ich właściwości oraz wybrano optymalne rozwiązanie.

Zaprezentowano różne możliwości realizacji układu do pomiaru współczynnika strat dielektrycznych tgδ z wykorzystaniem metod quasi-zerowych oraz przedstawiono implementację algorytmu automatycznego quasi-równoważenia układu.

Omówiono podstawowe źródła niepewności pomiaru składowych impedancji w układach quasi-zrównoważonych realizowanych w postaci przyrządów wirtualnych oraz przedstawiono autorski sposób szacowania niepewności pomiaru, oparty na eksperymentalnym wyznaczeniu współczynników wrażliwości na niepewność wybranych wielkości wpływających.

W pracy przedstawiono realizację wirtualnego przyrządu pomiarowego wykorzystującego m.in. kartę akwizycji danych, służącego do pomiaru składowych impedancji, kąta przesunięcia fazowego oraz badania właściwości przesuwników fazowych zrealizowanych w sposób programowy. Opisano zbudowany prototypowy układ mikroprocesorowy umożliwiający zastąpienie karty pomiarowej. Pomiar składowych impedancji wykonywany jest w sposób algorytmiczny na cyfrowych próbkach sygnałów pomiarowych. Rozwiązanie takie umożliwia uproszczenie budowy przyrządu. Przetwarzanie programowe daje możliwość badania różnych algorytmów pomiarowych bez konieczności zmiany części sprzętowej układu. Wirtualne układy pomiarowe dają możliwość szybkiego wdrożenia konkretnego rozwiązania, ponieważ znacząca część procesu pomiarowego odbywa się programowo, a część sprzętowa jest ograniczona do niezbędnego minimum.

Przedstawiono wyniki pomiaru rezystancji R rezystorów, pojemności C kondensatorów rzeczywistych oraz współczynnika strat dielektrycznych tgδ. Pomiary współczynnika strat dielektrycznych tgδ przeprowadzono dla próbek drewna, dla których wyznaczono charakterystyki tego parametru w zależności od wilgotności próbki oraz dla papieru izolacyjnego. Zbadano także układ quasi-zrównoważony z odstrojeniem przeznaczony do pomiaru współczynnika strat dielektrycznych tgδ. Uzyskane wyniki pomiarów zostały porównane poprzez porównanie z wynikami uzyskanymi za pomocą przyrządów komercyjnych.

Przeprowadzone pomiary potwierdziły, że quasi-zerowe metody pomiaru składowych impedancji mają właściwości pozwalające na uznanie ich za uzupełnienie stosowanych dotychczas metod pomiaru składowych impedancji. Możliwe jest wyeliminowanie ich głównej wady, którą jest pomiar wyłącznie jednej składowej impedancji.

Wyniki pomiaru współczynnika strat dielektrycznych tgδ drewna otrzymane różnymi przyrządami pomiarowymi porównano wzajemnie i wykazano, że są one zależne od zawartości wilgoci w badanych próbkach drewna. Otrzymane wyniki potwierdzają przydatność prezentowanych rozwiązań do pomiaru elektrycznego współczynnika strat dielektrycznych i wilgotności drewna. Uzyskane wyniki są porównywalne z innymi systemami.

Przedstawione przykładowe realizacje quasi-zrównoważonych układów pomiarowych potwierdzają założony cel pracy. Programowa realizacja quasi-zrównoważonych metod pomiaru składowych impedancji umożliwiła obecnie wyznaczenie składowych impedancji z niepewnością poniżej 1%.

Synchroniczna maszyna reluktancyjna (SynRM) to typ bezszczotkowej maszyny synchronicznej, w której cały wytwarzany elektromagnetyczny moment siły jest momentem reluktancyjnym. Do zalet takiej maszyny można zaliczyć wysoką sprawność oraz dobry stosunek wytwarzanej mocy mechanicznej oraz wartości momentu elektromagnetycznego do jej masy. Jedną z wad maszyny jest nasycanie się jej magnetowodu nawet w warunkach pracy nominalnej, co utrudnia jej sterowanie.

Celem pracy było wykazanie, że system sterowania maszyny SynRM może być oparty na jej modelu matematycznym wyrażonym z użyciem formalizmu Hamiltona, w którym aproksymacja wektorowej funkcji nieliniowej wiążącej wartości prądów płynących w uzwojeniach silnika z wartościami sprzężonych z nimi strumieni magnetycznych, nazywanej charakterystyką strumieniowo-prądową (Rysunek), jest przeprowadzana z użyciem danych pomiarowych. W pracy wykorzystywano metodę zaniku prądu stałego do pomiaru wartości strumieni sprzężonych, a następnie przedstawiono oryginalne algorytmy przetwarzania zarejestrowanych wartości. Algorytmy są przygotowane tak, by umożliwiały odnalezienie tych obszarów przestrzeni prądów i strumieni sprzężonych, w których aproksymowana charakterystyka jest silnie zakrzywiona. W pracy przebadano również niepewności pomiarowe związane ze stosowaną procedurą oraz ich wpływ na dokładność uzyskiwanej aproksymacji. Następnie zaproponowano oryginalny algorytm sterowania maszyny SynRM oparty na jej modelu hamiltonowskim i otrzymanej aproksymacji charakterystyki strumieniowo-prądowej. Algorytm jest algorytmem bezpośredniej kontroli momentu elektromagnetycznego (DTC) i umożliwia szybkie zniwelowanie uchybu regulacji prędkości obrotowej maszyny. Algorytm przebadano symulacyjnie z użyciem komputerowych modeli matematycznych przykładowych maszyn SynRM. W ostatnim etapie badań opracowana procedura pomiarowa oraz algorytm sterowania zaimplementowano w prototypowym układzie napędowym silnika SynRM z wykorzystaniem karty procesorów sygnałowych, a pracę układu przebadano w warunkach zmiennego momentu obciążenia i nastaw prędkości obrotowej.

Wykonane badania wykazały zasadność postawionej tezy. Mimo tego, że w algorytmie sterowania wykorzystywano aproksymację, której błąd względny można oceniać na ok. 9%, a dane, na której była ona oparta obarczone były względną niepewnością pomiarową równa ok. 8%, jakość regulacji prędkości obrotowej w stanach dynamicznych można oceniać jako zadowalającą. Pokazano też, że zmniejszanie błędu aproksymacji poniżej wspomnianej wartości nie skutkuje znaczącą zmianą w pracy układu napędowego. W stanie ustalonym osiągany punkt pracy maszyny był nieoptymalny pod względem sprawności, co można traktować jako wadę przedstawionego algorytmu sterowania. Poprawa pracy algorytmu w stanie ustalonym może być przedmiotem dalszych badań.

Diagnostyka drganiowa bazuje głównie na pomiarach przy użyciu dedykowanej do tego celu skomplikowanej i kosztownej aparatury. Przy drganiach przekraczających wartości dopuszczalne według norm i instrukcji eksploatacji zarejestrowany sygnał drganiowy należy rozłożyć na składowe w celu zidentyfikowania przyczyny powstałych drgań. Mierząc drgania trzeba zwracać uwagę na poprawne zamontowanie czujnika do maszyny, co często stwarza problemy, gdyż maszyna fabrycznie jest rzadko do tego celu przystosowana. Sposób montażu czujnika pomiarowego wpływa na zakres przenoszonego pasma częstotliwości sygnału pomiarowego. Dodatkowo należy zwracać szczególną uwagę na separację obwodu pomiarowego od wszelkiego rodzaju zakłóceń, które mogą spowodować nieprawidłowe wskazania aparatury pomiarowej. Napędy, w skład których wchodzą maszyny z magnesami trwałymi, są często zamontowane w miejscach trudno dostępnych dla diagnosty (elektrownie wiatrowe, małe elektrownie wodne, silniki pojazdów elektrycznych) i bezpośredni pomiar drgań czujnikami elektromechanicznymi jest często niemożliwy. Zachodzi, więc potrzeba użycia innego sposobu oceny drgań tych maszyn bez konieczności stosowania czujników elektromechanicznych.
Podstawowym celem pracy było opracowanie metody diagnostyki drganiowej napędów z maszynami wzbudzanymi magnesami trwałymi, której założeniem jest wykorzystanie sygnałów własnych maszyny (natężenie prądu, napięcie) jako sygnał diagnostyczny oraz wyeliminowanie czujnika drgań i aparatury drganiowej w aplikacjach przemysłowych i laboratoryjnych.
Na podstawie analizy tematu stwierdzono podobieństwo budowy maszyny z magnesami trwałymi (PM) do budowy czujnika elektrodynamicznego, służącego do pomiaru drgań. Na podstawie badań z wykorzystaniem stołu wibracyjnego autor udowodnił, że istnieje możliwość wykorzystania maszyny z magnesami trwałymi jako czujnik drgań do analizy problemów, z którymi można się spotkać w normalnej eksploatacji napędów elektrycznych. Praca zawiera analizę kilku przypadków zaburzeń pracy maszyn z magnesami trwałymi spotykanych podczas ich normalnej eksploatacji:
•    asymetria obciążenia generatora PM,
•    asymetria zasilania silnika PM,
•    asymetria szczeliny powietrznej w pracy generatorowej oraz silnikowej maszyny PM,
•    niewyważenie generatora oraz silnika PM.

    Symulacje komputerowe zostały wykonane przy pomocy programu Ansys Maxwell na dwuwymiarowych modelach polowo – obwodowych wykorzystując Metodę Elementów Skończonych (MES). Ich wyniki są zbieżne z wynikami badań laboratoryjnych przeprowadzonych na specjalnie do tego celu zbudowanym stanowisku. Wyniki obliczeń oraz badań przedstawiono dla 5 różnych maszyn z magnesami trwałymi.
Uzyskane rezultaty pozwoliły na opracowanie autorskiej metody wykrywania zwiększonego poziomu wibracji w maszynach z magnesami trwałymi, która bazuje na analizie częstotliwościowej sygnałów własnych maszyny. Opracowane zostały również markery częstotliwościowe dla poszczególnych rozpatrywanych stanów zaburzeniowych w maszynach z magnesami trwałymi.