Konkurs TRUMPF Huettinger: nagrody dla dyplomantów z PW

Po raz trzeci wręczono nagrody w konkursie TRUMPF Huettinger na najlepsze prace dyplomowe związane z elektroniką, elektrotechniką, automatyką i informatyką. W kategorii prac doktorskich nagrodzono Alvaro Carreno Henriqueza i Rafała Kopacza, a w kategorii prac magisterskich nagrodę zdobył Bartłomiej Olber.

• Pierwsze miejsce w kategorii prac doktorskich zajęła praca Alvaro Carreno Henriqueza pt. Control of a Hybrid Transformer to Improve the Power Quality in a Distribution Network. 

Promotorem pracy był prof. dr hab. inż. Mariusz Malinowski.  

Coraz więcej badań dotyczy integracji systemów energii odnawialnej, systemów magazynowania energii oraz wydajnych metod konwersji i poprawy jej jakości. Aby osiągnąć te cele, zaproponowano alternatywy dla konwencjonalnego transformatora dystrybucyjnego transformator półprzewodnikowy (SST), aby poradzić sobie z trudnymi warunkami narzuconymi przez rzeczywiste i nowoczesne systemy elektroenergetyczne. Niemniej jednak, SST jest daleki od bycia rzeczywistym i praktycznym rozwiązaniem ze względu na słabą niezawodność i niską moc zwarciową. Problemy te można rozwiązać poprzez zastosowanie rozwiązań hybrydowych, takich jak hybrydowy transformator dystrybucyjny (HDT).

Większość konfiguracji HDT składa się z przekształtnika szeregowego i przekształtnika równoległego, przy czym przekształtnik równoległy jest zwykle zintegrowany z głównym transformatorem dystrybucyjnym za pośrednictwem uzwojenia pomocniczego, a przekształtnik szeregowy jest podłączony do strony wtórnej tego transformatora. W takich konfiguracjach główny transformator dystrybucyjny nie jest chroniony przed zaburzeniami napięcia sieciowego i prądu obciążenia. Nawet podczas korzystania z przekształtnika równoległego w celu kompensacji nieliniowych prądów obciążenia i zapewnienia sinusoidalnych prądów po stronie średniego napięcia, prądy nieliniowe cyrkulują przez uzwojenie wtórne transformatora. Ponadto prądy nieliniowe wstrzykiwane przez przekształtnik równoległy przepływają przez uzwojenie pomocnicze głównego transformatora dystrybucyjnego. Z drugiej strony, w przypadku zaburzeń napięcia sieciowego, przekształtnik szeregowy kompensuje je, dostarczając do obciążenia napięcie sinusoidalne. Niemniej jednak, zaburzone i asymetryczne napięcia są nadal podawane na zaciski wejściowe transformatora. Takie warunki pracy mogą skrócić żywotność głównego transformatora, potencjalnie powodując jego uszkodzenie w dalszej perspektywie.

Aby rozwiązać problemy występujące w większości HDT, w pracy zaproponowano konfigurację HDT, w której przekształtnik szeregowy jest podłączony do strony pierwotnej, a przekształtnik równoległy jest podłączony bezpośrednio do uzwojenia strony wtórnej transformatora dystrybucyjnego. Taka konfiguracja poprawia jakość zasilania transformatora, zmniejszając THD prądu i napięcia na jego zaciskach, jednocześnie zapewniając regulowane napięcie dla odbiorników. Co więcej, taka modernizacja głównego transformatora dystrybucyjnego jest łatwa do realizacji. Zaprojektowano dyskretny regulator ze sprzężeniem zwrotnym dla przekształtników równoległego i szeregowego, w których głównym celem jest poprawa jakości energii w transformatorze, a także zapewnienie nominalnego napięcia dla odbiorników. HDT działa w niepewnych warunkach sieci i obciążenia. Dlatego też, w celu zachowania stabilności systemu, algorytm sterowania oparty jest na liniowym regulatorze kwadratowym (LQR). Chociaż proponowany HDT poprawia jakość zasilania systemu, do prawidłowego działania wymaga on cyrkulacyjnego przepływu mocy czynnej (CAPF). O ile w regulacji napięcia i prądu nie zostaną dopuszczone warunki nienominalne lub struktura HDT nie zostanie zmodyfikowana, CAPF jest nieunikniony. Dlatego też część pracy poświęcona jest jego analizie, wpływowi na warunki pracy i wydajność HDT. 

• Trzecie miejsce w kategorii prac doktorskich wywalczył Rafał Kopacz z pracą pt. Medium voltage power converters with SiC power devices. 

Promotorem pracy był prof. dr hab. inż. Jacek Rąbkowski

W rozprawie przedstawiono rozważania dotyczące układów energoelektronicznych dedykowanych do pracy w zakresie średnich napięć i wykonanych z wykorzystaniem półprzewodnikowych elementów mocy z węglika krzemu. Praca zawiera opis modelowania przyrządów mocy pracujących w przekształtnikach średniego napięcia z elementami z węglika krzemu, skupiając się na metodzie charakteryzacji pojemności wyjściowej tranzystora, wykorzystywanej do dokładnego określania strat łączeniowych; metodzie estymacji strat mocy w elementach przekształtnika opartej o prosty układ eksperymentalny; studium porównawcze oparte o modele eksperymentalne dla różnych rozwiązań przekształtnikowych dedykowanych dla energoelektroniki średniego napięcia z uwzględnieniem wykorzystania tranzystorów mocy obejmujących układy dwupoziomowe, wielopoziomowe, a także o szeregowe łączenie i metodę quasi-dwupoziomową; oraz nowatorskie rozwiązania przekształtników prądu stałego łączące techniki miękkiego przełączania i sterowania quasi-dwupoziomowego, mające na celu poprawę jego sprawności i gęstości mocy. 

Rozprawa składa się z pięciu głównych publikacji, które poprzedzone są wstępem krótko opisującym tematykę, główną motywację przedstawianych koncepcji, przeglądem dotychczasowych dokonań z literatury naukowej, a także zaakcentowanie kluczowych osiągnięć w artykułach. Mimo że elementy półprzewodnikowe z węglika krzemu są badane już od kilku lat, to nadal istnieją istotne ograniczenia, takie jak nieprecyzyjne modelowanie półprzewodników, niedokładne określanie strat mocy, czy wybór odpowiedniej topologii przekształtnika. Podsumowując, wykazano, że zastosowanie przyrządów mocy z SiC w zastosowaniach energoelektroniki średniego napięcia umożliwia m.in.: poprawę sprawności i/lub uzyskanie wyższej gęstości mocy, przewyższając parametry uzyskiwane przez układy zbudowane z elementów mocy wykonanych w technologii krzemowej.

• Bartłomiej Olber zajął trzecie miejsce w kategorii prac magisterskich za pracę pt. Detecting Out-of-Distribution Samples Using Neuron Activation Patterns. 

Praca powstała pod kierunkiem dr. inż. Krystiana Radlaka. 

Algorytmy rozpoznawania obrazów i detekcji obiektów są nieodzownymi elementami wielu systemów wizji maszynowej. W dzisiejszych czasach te algorytmy najczęściej oparte są na splotowych sieciach neuronowych, których sposób działania zakłada analizę obrazu pod kątem istotnych cech. Podczas uczenia sieć splotowa znajduje zależności pomiędzy różnorakimi cechami obrazu a odpowiedzią, której się od niej oczekuje, tak aby podczas fazy testowej, widząc obraz o analogicznych cechach, odpowiedzieć zgodnie z przypadkiem uczącym.

Jednak w zastosowaniach rzeczywistych zdarza się, że model przetwarza dane niepodobne do tych widzianych podczas treningu. Wówczas wynik działania modelu jest trudny do przewidzenia, zazwyczaj błędny. Co gorsza, sieć ma tendencję przypisywać wysokie prawdopodobieństwo przynależności do niewłaściwej klasy, co uniemożliwia skuteczną identyfikację wystąpienia błędu modelu na podstawie wynikowego wektora prawdopodobieństw. Dlatego potrzebne są algorytmy wykrywania próbek nieznanych, odstających od danych uczących. 

W ostatnich latach powstało wiele metod identyfikacji próbek odstających dla zadania rozpoznawania obrazów, oraz bardzo niewiele dla zadania detekcji obiektów. Nagrodzona praca prezentuje algorytm NAP (ang. Neuron Activation Patterns), czyli algorytm wyliczania niepewności odpowiedzi modelu na podstawie analizy binarnych wzorców aktywacji warstw ukrytych sieci konwolucyjnej. Oszacowana w ten sposób niepewność stanowi podstawę do automatycznego podejmowania decyzji czy odpowiedzi modelu można ufać. Algorytm NAP został zaprojektowany dla zadania klasyfikacji obrazów, na czym skupia się pierwsza część pracy. W drugiej części został zaprezentowany algorytm NAPTRON (ang. Neuron Activation PaTteRns for out-of-distribution samples detection in Object detectioN), będący adaptacją metody wzorców aktywacji w zadaniu detekcji obiektów.