Pięć faz i brak magnesów trwałych. Naukowcy z PG stworzyli nowy typ generatora

Zespół naukowców z Wydziału Elektrotechniki i Automatyki opracował prototyp innowacyjnego generatora wielofazowego. Gwarantuje on pracę maszyny, którą zasila podczas awarii jednej z faz, a do tego jego produkcja nie wymaga użycia magnesów trwałych, co uniezależnia potencjalnego producenta od rynku chińskiego.

Zespół naukowców z WEiA, pod kierownictwem dr inż. Rolanda Ryndzionka w składzie: dr inż. Krzysztof Blecharz, dr inż. Filip Kutt, dr inż. Grzegorz Kostro oraz dr inż. Michał Michna, opracował  prototyp nowego  generatora pięciofazowego. Jest to generator indukcyjny o wzbudzeniu wielofazowym do zastosowania w elektrowni wiatrowej, wodnej czy gazowej. Może też służyć na potrzeby wojska i być używany np. w czołgach bądź samochodach opancerzonych. Innowacyjne w prototypie jest zastosowanie pięciofazowego uzwojenia sterującego.

– Generatory z trójfazowym uzwojeniem sterującym są powszechnie dostępne na rynku, natomiast nie ma maszyn z uzwojeniem sterującym pięciofazowym. Jesteśmy pionierami w tym zakresie – podkreśla dr inż. Grzegorz Kostro – Dotychczas nie został opracowany taki prototyp, ponieważ problem polega na tym, by opracować takie uzwojenie sterujące, które nie będzie sprzęgało się z uzwojeniem mocy bezpośrednio, tylko poprzez zwarte uzwojenie wirnika oraz dołączyć do tego dedykowany układ sterowania. Nam się to udało.

Maszyny prądu przemiennego, a takim jest generator, do poprawnego funkcjonowania potrzebują pola magnetycznego o wirującym strumieniu. Warunkiem wytworzenia takiego rodzaju pola magnetycznego przy układzie nieruchomym, jest odpowiednie rozłożenie w przestrzeni uzwojeń (gdzie występują minimum 2 fazy). Utrata zasilania w przypadku uzwojeń dwufazowych lub trójfazowych w jednej z faz, od razu dyskwalifikuje działanie całego układu, ponieważ nie da się wtedy uzyskać pola magnetycznego o wirującym strumieniu. – Pięć faz w uzwojeniu sterującym powoduje, że generator może nadal pracować przy uszkodzeniach jednej z faz uzwojenia, bądź przy uszkodzeniu jednej gałęzi falownika. Powoduje to zwiększoną niezawodność generatora i zapewnia większe bezpieczeństwo –dodaje dr inż. Filip Kutt.

– Nasz generator dzięki pięciu fazom będzie w sytuacji awaryjnej nadal pracował, przy nieco zmniejszonej, na poziomie 10-15 procent, wydajności, ale wciąż na tyle mocno by urządzenie, które zasila nie przestało działać dopóki usterka nie zostanie naprawiona – wyjaśnia dr inż. Michał Michna – Trzeba zaznaczyć, że jesteśmy jedynym zespołem, który podjął się skonstruowania takie prototypu w Polsce. Nie spotkaliśmy się też z takimi badaniami na świecie.

Zespół przygotował już prototyp pięciofazowego generatora szczotkowego, a obecnie trwają prace nad modelem bezszczotkowym. Budowa kolejnego modelu powstaje dzięki dofinansowaniu w ramach Inkubatora Innowacyjności 4.0 w kwocie 99 200 zł.

Niezawodny i ekologiczny

– Obecnie stoimy w obliczu kryzysu energetycznego, a jedną z możliwości dywersyfikacji źródeł energii jest pozyskiwanie jej jak najczęściej ze źródeł ekologicznych, na przykład poprzez farmy wiatrowe. Nasz generator nie tylko daje większą gwarancję niezawodności, ale jest również ekologiczny. Do jego budowy nie używamy bowiem magnesów trwałych, powszechnie stosowanych w innych tego typu urządzeniach. Problemem jest ich pozyskanie na masową skalę, ponieważ rynek magnesów został zupełnie zmonopolizowany przez Chiny. Dzięki naszemu pomysłowi możemy uniezależnić się od rynków azjatyckich. Urządzenia bez magnesów trwałych są niezwykle pożądane, więc jesteśmy pewni, że nasz generator wzbudzi zainteresowanie, zwłaszcza na rynku europejskim – mówi dr inż. Roland Ryndzionek.

– By w pełni wykorzystać właściwości i możliwości opracowanego modelu generatora wielofazowego konieczne jest zastosowanie dedykowanego rozwiązania przekształtnika energoelektronicznego, którego nie ma na rynku. Zaproponowane przez nasz zespół rozwiązanie jest nowoczesne nie tylko pod względem konstrukcji generatora, ale również pod względem zastosowanej topologii dwukierunkowego przekształtnika napięcia. W konfiguracji wewnętrznej przekształtnika zastosowano połączenie obwodami pośredniczącymi napięcia stałego standardowego falownika trójfazowego od strony sieci zasilającej oraz pięciofazowego falownika od strony wirnika generatora. Tak opracowany i zbudowany model przekształtnika umożliwia realizację najnowszych rozwiązań algorytmów sterowania mocą generatora w normalnym stanie pracy oraz przy wystąpieniu awarii tranzystorów falownika pięciofazowego. Prace z zakresie zastosowanych rozwiązań energoelektronicznych oraz rozwoju układów sterowania są dla nas dodatkowym wyzwaniem – podkreśla dr inż. Krzysztof Blecharz.

Rozwiązanie zaproponowane przez naukowców z PG jest nowoczesne nie tylko pod względem konstrukcji generatora, ale również pod względem zastosowanej topologii dwukierunkowego przekształtnika napięcia. W konfiguracji wewnętrznej przekształtnika zastosowano połączenie obwodami pośredniczącymi napięcia stałego standardowego falownika trójfazowego od strony sieci zasilającej oraz pięciofazowego falownika od strony wirnika generatora. Tak opracowany i zbudowany model przekształtnika umożliwia realizację najnowszych rozwiązań algorytmów  sterowania mocą generatora w normalnym stanie pracy oraz przy wystąpieniu awarii tranzystorów falownika pięciofazowego. Pracami w zakresie rozwiązań energoelektronicznych oraz rozwoju układów sterowania zajmuje się dr inż. Krzysztof Blecharz.