Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 1/2017 vyšlo
tiskem 18. 1. 2017. V elektronické verzi na webu od 17. 2. 2017. 

Téma: Elektrotechnologie; Materiály pro elektrotechniku; Nástroje a pomůcky; Značení

Hlavní článek
Analýza dat fotovoltaického systému během zatmění Slunce
Rizikovost zapojení biometrických identifikačních systémů

Aktuality

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze představí zájemcům o studium moderní techniku i její historii Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá v pátek 20. ledna od 8.30 hodin první…

Loňská výroba Temelína by stačila k pokrytí téměř roční spotřeby českých domácností Přesně 12,1 terawatthodin elektřiny (TWh) loni vyrobila Jaderná elektrárna Temelín. Je to…

Osmý ročník Robosoutěže Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze ovládli studenti Gymnázia Zlín V pátek 16. prosince se v Zengerově posluchárně Fakulty elektrotechnické ČVUT na Karlově…

Společnost ABF převzala značku projektu SVĚTLO V ARCHITEKTUŘE Specializovanou výstavu svítidel, designu a příslušenství s názvem SVĚTLO V ARCHITEKTUŘE…

Chytré lampy v Praze Do hlavního města Prahy vstoupily „chytré lampy“. Nová technologie je součástí chytrých…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze zve na finále ROBOSOUTĚŽE Zajímavá technické řešení a soutěžní napětí nabídne 16. prosince finále letošní…

Více aktualit

Vysokootáčkový elektrický generátor HFG 125T

Ing. Libor Neklapil, Ing. Roman Kolka,
PBS Velká Bíteš, a. s.
 

Úvod

 
Rostoucí ceny energií nejenom vedou k hledání dalších zdrojů, ale umožňují také vznik zařízení, jejichž provoz byl dříve z eko­nomického hlediska neefektivní. Proto mají značný potenciál malé lokální zdroje elektric­ké energie využívající biomasu nebo odpadní teplo z technologických procesů. Tyto zdroje mohou v malých a středních provozech zlep­šit celkovou bilanci spotřeby elektrické ener­gie, popř. mohou pracovat zcela na komerční bázi. Jde o malé kogenerační jednotky posta­vené na bázi mikroturbín. Vstupním médiem je zde ohřátý stlačený vzduch, výstupem elek­trická energie. Mezi hlavní výhody patří malé rozměry, vysoká úroveň spolehlivosti a malé požadavky na údržbu. Charakteristickým zna­kem mikroturbín jsou velké provozní otáčky, které v závislosti na výkonu mikroturbíny do­sahují hodnot od 30 000 do 100 000 min–1.
 
Standardní elektrický generátor s pracov­ními otáčkami 1 500 nebo 3 000 min–1je pro takovouto aplikaci v podstatě nepoužitelný. Jednak je nutné použít reduktor a jednak je třeba provozovat mikroturbínu na konstant­ních otáčkách, což je s ohledem na charak­ter zdroje tepelné energie a způsob regulace mikroturbín často nemožné. Rovněž rozmě­ry a hmotnost „třítisícového“ generátoru bu­dou několikanásobně převyšovat paramet­ry samotné mikroturbíny. Standardním tech­nickým řešením je proto přímé spojení rotoru mikroturbíny s vysokootáčkovým elektric­kým generátorem, který je zapojen do mě­niče frekvence zajišťujícího výstupní síťové napětí 3× 400 V/50 Hz.
 
První brněnská strojírna (PBS) Velká Bí­teš, a. s., dlouhodobě vyvíjí a vyrábí vyso­kootáčkové lopatkové stroje. Rozšíření výrobního sortimentu o mikroturbíny pro ener­getiku bylo odpovědí na požadavky trhu. Při vypracovávání návrhu mikroturbín bylo vy­užito osvědčené know-how, které firma využívá při výrobě leteckých pomocných ener­getických jednotek (APU – Auxiliary Power Unit). Výkonová hladina mikroturbín 100 kW byla zvolena s ohledem na konkurenci a po­žadavky zákazníků. K této vysokootáčkové pohonné jednotce nebylo možné získat sériově vyráběný a cenově dostupný elektrický ge­nerátor. Proto byl v PBS Velká Bíteš zahájen jeho vlastní vývoj, jehož výsledkem je vyso­kootáčkový elektrický generátor HFG 125T (základní parametry viz tabulka). Jde o syn­chronní generátor buzený permanentními magnety. Uvedený elektrický generátor byl vyvíjen za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programu IMPULS.
 

Návrh generátoru

 
Pro předběžný návrh generátoru se po­užívají iterační metody, kdy se ve výpočtu magnetického obvodu kombinují různé druhy materiálů magnetů, tvar magnetů, průměr a délka rotoru a variantní provedení stato­ru. Úvodní etapa návrhu generátoru předsta­vuje výběr topologie rotoru. V tomto pří­padě bylo posouzeno několik variant tvaru magnetů a jejich způsobu uchycení na ro­tor. Jako nejvhodnější byla zvolena varian­ta s tvarovanými segmenty magnetů, jejichž vnější tvar odpovídal průměru rotoru. Tato konfigurace dává velký magnetický výkon, má malou hodnotu celkového harmonického zkreslení (THD – Total Harmonic Distortion) a průběhu vlny zpětné elektromotorické síly (EMF – Electro Motive Force). Tvar segmen­tových magnetů je rovněž příznivý z hledis­ka silového působení magnetů na rotorovou bandáž; ta je jedním z klíčových prvků celé­ho generátoru.
 
Další optimalizační úlohu představoval výběr vhodného materiálu magnetů. Z vy­sokoenergetických magnetů je možné použít samarium-kobalt (SmCo) a neodym-železo--bor (NdFeB). Magnety SmCo mají sice mno­hem větší teplotní stabilitu než NdFeB, ale s ohledem na odolnost ostatních použitých materiálů byla zvolena alter­nativa magnetů NdFeB, kte­ré umožňují dosáhnout větší­ho výkonu.
 
Omezující rozměr při na­vrhování vysokootáčkového generátoru představuje prů­měr rotoru. Ten při zadaných otáčkách turbíny musí respek­tovat pevnost rotorové bandá­že, která zachycuje odstředivé síly permanentních magnetů. Vlastní rotorová bandáž je klíčovým prvkem vysokootáčkové­ho generátoru. Musí mít dostatečnou pevnost a zároveň co nejmenší výšku, aby byla mini­malizována vzduchová mezera mezi magnety a statorovým svazkem. Generátor HFG 125T je vysokofrekvenční elektrický stroj a tloušť­ka bandáže má zásadní vliv na složku ztrát, které vznikají vířivými proudy. Materiál ban­dáže musí být rovněž nemagnetický. Je třeba, aby bandáž měla určitou geometrickou přes­nost a tuhost pro zamezení radiálního posuvu magnetů za provozu v rámci pružné deforma­ce materiálu bandáže. Z předběžných výpočtů bylo zřejmé, že tyto požadavky mohou splnit pouze kompozitní materiály. PBS Velká Bíteš neměla s kompozity žádné zkušenosti, a pro­to navázala spolupráci se specializovanou fir­mou. Po uskutečnění upřesňujících výpočtů byla navržena rotorová bandáž z uhlíkových vláken s pevností min. 3 800 MPa. Na zku­šebním zařízení, které bylo k tomuto účelu navrženo, se na segmentu rotoru (jedna šes­tina skutečné délky rotoru) ověřovala pevnost vzorků bandáže za zvýšených teplot (150 °C) až do 90 000 min–1. Při těchto testech nikdy nedošlo k destrukci bandáže, pouze u někte­rých druhů návinu se vyskytovalo odmotá­ní vláken způsobené přerušením vláken při obrábění vnějšího tvaru bandáže. Dodavatel bandáže optimalizoval technologii návinu způsobem zaručujícím geometrickou přesnost bez nutnosti dalšího obrábění. Vlastní tech­nologie výroby bandáže představuje špičko­vé know-how v oboru. Obvodová rychlost ro­toru je 223 m·s–1. Výška bandáže je pouhých 3,6 mm, přičemž jenom odstředivá síla mag­netů dosahuje hodnoty 162 tun. Malá výška bandáže souvisí i s chlazením rotoru. Teplotu v rotoru zvyšují dva hlavní faktory – tře­ní vzduchu a ztráty vířivými proudy. Vzhle­dem k tomu, že bandáž z uh­líkových vláken funguje jako tepelný izolant, je rotor citli­vější na vliv vířivých proudů než rotory konvenčních strojů. Zajistit účinné chlazení roto­ru je proto velmi obtížné. Tep­lo z jádra rotoru lze odvést v podstatě pouze chlazením volných konců hřídele a ložiskových uzlů.
 

Uložení rotoru

 
Při vlastním konstrukčním řešení vysokootáčkového stro­je se vyskytují problémy, se kterými se u běžných strojů nelze setkat. Důležitou roli hraje dynamika celé soustavy rotoru generátoru připojené­ho spojkou k rotoru turbomo­toru. Správný návrh vyžaduje důkladnou analýzu dynamic­kého chování celé soustavy, tj. posouzení kritických otá­ček ve vazbě na vlastní frekvence. Jde o ná­vrh tzv. pružného rotoru, který je provozován v nadkritické oblasti otáček. Velká přesnost výroby všech rotačních dílů, dokonalé vyvá­žení a montáž jsou základní předpoklady za­jištění podmínek potřebných pro spolehlivou funkci ložisek.
 
Pro omezení přetížení ložisek a rotoru při přechodu kritických otáček bylo navrženo a ověřeno několik typů pružných a tlumicích ložiskových podpor.
 
Vhodným řešením tlumení se odstraní vliv provozních vibrací nejenom na samotná ložis­ka, ale i na vlastní rotor s bandáží a magnety.
 
Vysokootáčkové rotory nelze ukládat na tuhé ložiskové podpory, jaké se používají u běžných točivých elektrických strojů. Vysokootáčkový rotor většinou není možné po­kládat za tuhé těleso, což přináší komplika­ce při navrhování uložení rotoru a při jeho vyvažování.
 
Za pružný je považován rotor, jehož kri­tické otáčky jsou menší než otáčky provoz­ní. Pružný rotor vyžaduje vyvažování při provozních otáčkách stroje. V případě skládané­ho rotoru, složeného z hřídele, permanentních magnetů a bandáže, vzniká při běžném způ­sobu výroby velká nevyváženost rotoru, kte­rou je nutné správně kompenzovat. Avšak ani provozním vyvažováním nelze zabránit změ­ně nevyváženosti za provozu vlivem odstře­divých sil a teplotních deformací.
 
Ložiskové podpory u vysokootáčkového stroje tak plní několik funkcí a musí zaručit spolehlivý provoz při přejezdu kritických otá­ček rotoru i při zvýšené nevyváženosti. Toho­to se dosahuje laděním ložiskových podpor. Vhodnou kombinací tuhosti a tlumení ložis­kových podpor lze zaručit široký rozsah pro­vozních otáček pružného rotoru.
 
Je-li poddajnost ložiskových podpor znač­ně větší než ohybová poddajnost rotoru, ro­tor krouží při svých prvních dvou kritických otáčkách jako tuhé těleso. Tyto kritické otáč­ky lze vhodným naladěním umístit pod volno­běžné otáčky stroje a jejich přejezd je mož­né účinně tlumit použitím hydrodynamických tlumičů v místech podpor rotoru.
 
Při vypracovávání návrhu elektrického ge­nerátoru bylo doporučeno a vyzkoušeno něko­lik různých typů pružného uložení rotoru. Prv­ním zkoušeným typem pružné podpory byl tzv. nosníčkový typ pružného pouzdra s možností hydraulického tlumení. Tato konstrukce se po­užívá k uložení leteckých turbínových motorů. Změnou rozměrů nosníčků bylo možné měnit tuhost ložiskových podpor a nalézt optimál­ní hodnoty tuhosti a tlumení. Avšak tato kon­strukce byla pro svou složitost nevhodná pro sériovou produkci. Proto byly nově navrženy ložiskové podpory, které jsou výrobně jedno­dušší a kompaktnější. Optimalizací jejich geometrie a použitím pryžových kroužků se po­dařilo vhodně naladit jejich tuhost a tlumení.
 
Rotor generátoru je uložen pomocí dvoji­ce velmi přesných bezklecových hybridních ložisek s kosoúhlým stykem. Pečlivým ná­vrhem bylo dosaženo optimálních provoz­ních podmínek ložisek, a tím byl vytvořen předpoklad pro jejich velkou spolehlivost a dlouhou životnost. Co se týče mazání loži­sek, byla zvolena osvědčená řešení využívaná u leteckých motorů. Vlastní ložiskový prostor byl utěsněn labyrintovými ucpávkami, kte­ré jsou pro jejich správné fungování zahlco­vány vzduchem přiváděným od kompresoru mikroturbíny. Olejový systém zajišťuje kro­mě mazání ložisek rovněž odvod ztrátového tepla z rotoru. Ložiskový prostor je odvětrá­ván přes odlučovač oleje, který tvoří nedílnou součást generátoru.
 

Konstrukce statoru

 
Důležitým hlediskem při navrhování sta­toru je volba pólů. S ohledem na rostoucí ztráty, které souvisejí s vysokými frekvencemi, byl zvolen čtyřpólový stator, přestože stroj se dvěma póly by měl poloviční hodno­tu frekvence. Důvodem bylo snížení reakč­ního vlivu kotvy na permanentní magnety, kdy magnety mohou mít ve srovnání s dvou­pólovým statorem menší výšku, a tím men­ší hmotnost, což snižuje požadavky na roto­rovou bandáž. Čtyřpólová koncepce statoru rovněž přispívá ke kratšímu „převisu“ vinutí na konci statorového svazku, což umožňuje generátor celkově zkrátit. Vlastní statorové plechy jsou s ohledem na minimalizaci ztrát vířivými proudy vyrobeny ze speciálních ple­chů o tloušťce 0,2 mm. Pracovní vinutí je třífázové, zapojené do dvojité hvězdy. Počátky vinutí jsou spojeny do dvou galvanicky od­dělených samostatných uzlů. Uvnitř statoru jsou na vývody vinutí připojeny propojovací vodiče v délce 5 m, které ze statoru vystupu­jí přes průchodky. Vinutí je navrženo pro za­pojení do dvojitého třífázového usměrňovače. Přestože výkonový měnič se používá ke změ­ně napětí i frekvence na parametry sítě, bylo důležité navrhnout generátor tak, aby splňo­val povolené rozmezí výstupního napětí. Jde o omezení dané konstrukcí použitého výko­nového měniče. Velikost indukovaného napětí je dána velikostí magnetického toku odpoví­dajícího počtu závitů a otáčkám. Magnetický tok je určen přímo permanentními magnety, a to jejich vlastnostmi a uspořádáním. Vyso­kootáčkové stroje mají velmi malý počet zá­vitů (obvykle dva až čtyři), z čehož vyplývá velmi malý činný odpor vinutí a velmi malá indukčnost. S rostoucím zatížením generátoru roste i úbytek napětí. Ten je způsoben průcho­dem proudu činným odporem vinutí, rozpty­lovou reaktancí a ponejvíce reaktancí reakce kotvy. Velikost výstupního napětí dále kolísá s ohledem na chlazení a teplotu generátoru. S rostoucí teplotou permanentních magnetů klesá jejich remanentní indukce i koercitivní síla. Elektrický generátor musí být přizpůso­ben použitému výkonovému měniči a naopak. Bylo velmi obtížné najít vhodné pracovní roz­mezí pro turbínový motor, elektrický generá­tor a výkonový měnič.
 

Chlazení

 
Vzhledem k malému objemu generátoru bylo nutné zajistit spolehlivé odvedení ztrá­tového výkonu v podobě tepla. Největší podíl ztrát mají elektromagnetické ztráty ve statoru (70 až 75 %), ztráty rotoru třením o vzduch (15 až 20 %) a ztráty v ložiskách (10 %). Ztrá­tové teplo ze statoru a část tepla vzniklého třením o vzduch se odvádějí vnějším pláš­těm chlazeným kapalinou, do kterého je na­lisován statorový paket. Chladič byl navržen a podroben analýze CFD v programu Fluent a termální analýze v programu Pro/Mechani­ca. U vysokootáčkového generátoru je velmi důležité, aby chladič odváděl teplo rovnoměr­ně, tj. aby na plášti nikde nevznikala teplejší a chladnější místa. Teplotní nerovnoměrnost pláště generátoru by v důsledku teplotní roz­tažnosti způsobila deformaci pláště generáto­ru. Ztrátové teplo z ložisek a rotoru se odvádí prostřednictvím mazacího oleje a zahlcovací­ho vzduchu labyrintových ucpávek.
 

Ochranné funkce

 
Pro zajištění spolehlivého provozu generá­toru jsou ve statorovém vinutí a u ložisek in­stalovány snímače teploty. Tyto snímače jsou vyvedeny do konektoru na plášti generátoru. Řídicí systém mikroturbíny sleduje kromě tep­lot v generátoru ještě teplotu a minimální prů­tok chladicí vody. Překročí-li kterákoliv sledo­vaná hodnota stanovenou mez, řídicí systém indikuje danou poruchu a jednotku odstaví.
 

Použití

 
Generátor HFG 125 T je součástí mikro­turbínové jednotky TGU 100 B, která je vyrá­běna v PBS Velká Bíteš. Jednotka TGU 100 B představuje zařízení, které pracuje na prin­cipu tzv. nepřímého ohřevu, při němž spali­ny neprocházejí turbínou, ale přes výměník ohřívají pracovní médium. Funkce jednotky je znázorněna na obr. 3.
 
U dosavadních instalací jednotky TGU 100 B je nejčastěji používaným palivem dřevní štěpka nebo různé formy dřevního odpadu. Jednotku je možné rovněž použít ve všech provozech, kde se vyskytuje dosta­tečné množství odpadního tepla, které zajistí ohřev pracovního média – vzduchu alespoň na 750 °C při množství 1,15 kg/s. V úvahu přicházejí teplárny, popř. chemické nebo me­talurgické provozy.
 
 
Obr. 1. Generátor HFG 125T
Obr. 2. Rotor generátoru HFG 125T
Obr. 3. Schéma nepřímého ohřevu
Obr. 4. Generátor HFG 125T
Obr. 5. Použití TGU 100 B
 

Tab. 1. Základní parametry generátoru HFG 125 T