Teoria układów wytwarzania energii elektrycznej z generatorami o regulowanej prędkości

Generatory synchroniczne napędzane turbinami parowymi lub gazowymi, dla wytworzenia napięcia 50 Hz, pracują ze stałą prędkością 3000 obr/min, zaś napędzane silnikiem Diesla z prędkością 1500 obr/min. Wymagania stałej i stosunkowo niskiej prędkości generatora nie pozwalają na postęp w budowie turbin i silników spalinowych, na zmniejszenie masy zespołów prądotwórczych oraz na zmniejszenia zużycia energii pierwotnej. Generator synchroniczny spełnia dwie funkcje. W pierwszej jest przetwornikiem energii mechanicznej na elektryczną a w drugiej zapewnia wymaganą jakość napięcia. W generatorze synchronicznym przebieg czasowy napięcia jest wynikiem ruchu wirnika i strumienia skojarzonego ze stojanem a regulacja wartości skutecznej napięcia jest powolna. Badania źródeł energii poprzez analizę, syntezę zespołów prądotwórczych wykorzystujących technikę statycznego przekształcania energii elektrycznej umożliwiają pracę generatorów z regulowaną i niekonwencjonalną prędkością, której wybór wynika z dążności do oszczędności paliw, materiałów oraz zwiększenia żywotności urządzeń. Idea podejścia do wytwarzania energii elektrycznej jest oparta na hipotezie w której klasyczny generator synchroniczny jest zastąpiony dwoma urządzeniami realizującymi funkcje wytwarzania energii elektrycznej. Rozdzielenie funkcji przetwornika energii mechanicznej na elektryczną od wytwarzania napięcia oznacza wprowadzenie dodatkowego stopnia swobody. Zgodnie z hipotezą zadaniem generatora jest tylko przetwarzanie energii mechanicznej na elektryczną natomiast rolę zapewnienia jakości napięcia realizuje przekształtnik energoelektroniczny. Odsprzężenie napięcia wyjściowego od ruchu generatora uniezależnia napięcie wyjściowe od położenia wirnika oraz umożliwia wykorzystanie energii kinetycznej zmagazynowanej w wirujących masach. Układ przekształcający zmienne napięcie generatora na napięcie o zadanych parametrach, charakteryzuje się dużą szybkością działania. Oznacza to możliwość regulacji chwilowego napięcia. Badania dotyczą czterech obszarów. Pierwszy to analiza układów napędowych z silnikami o spalaniu wewnętrznym oraz turbin (turbin dużej mocy i mikroturbin) w zakresie zmiennej lub niekonwencjonalnej prędkości w celu określenia zakresów pracy charakteryzujących się wysoką sprawnością oraz możliwością redukcji gabarytów. Drugi obszar dotyczy przetworników energii mechanicznej na elektryczną w odniesieniu do regulowanej prędkości oraz problemów wzbudzenia. Rozważone będą generatory z magnesami trwałymi oraz synchroniczne o uzwojonym wirniku i o podwyższonej częstotliwości. W trzecim będą rozwijane przekształtniki energoelektroniczne w zakresie pracy autonomicznej i sieciowej. Będą to przekształtniki z pośrednim obwodem napięcia stałego w których przekształtnik od strony generatora reguluje moment oporowy generatora oraz napięcie obwodu pośredniego a przekształtnik wyjściowy, w przypadku pracy autonomicznej, wytwarza napięcie sinusoidalne a przy pracy na sieć wytwarza prąd sinusoidalny o zadanej fazie i amplitudzie. Stosownie do amplitudy napięcia wyjściowego będą rozwijane przekształtniki dwu lub wielopoziomowe. Zaproponowane będą metody i układy integracji zespołów prądotwórczych z magazynami energii, źródłami energii odnawialnej oraz z ogniwami paliwowymi czyli układy hybrydowe. Analiza i synteza układów regulacji wytwarzania energii elektrycznej, przy wykorzystaniu zespołów o zmiennej, regulowanej i niekonwencjonalnej prędkości generatora będzie realizowana w obszarze czwartym. Rozważane będą strategie regulacji prędkości.