SKALKA, M. Analýza vlivu mechanického momentu asynchronního stroje na sycení magnetického obvodu [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2011.
Student zahájil doktorské studium v roce 2006 na Ústavu výkonové elektrotechniky. Během studia se podílel na výuce celé řady předmětů bakalářského a magisterského studia. Během studia byl zaměstnán v ABB, s.r.o. Brno a Siemens Electric Machines, s.r.o. Drásov. V Drásově vypracoval m.j. program pro tvarování cívek elektrických strojů výkonů do 50MW. Vypracoval disertační práci na téma "Analýza vlivu mechanického momentu asynchronního stroje na sycení magnetického obvodu". Je to téma, které plně odpovídá oboru disertace. Jde do hloubky teorie elektrických strojů a přínosem je především zjištění průběhu sycení magnetického obvodu asynchronního stroje pracujícího v generátorickém režimu. V současné době jsou asynchronní generátory stále více používány ve větrných elektrárnách a elektrocentrálách. Při jejich návrhu se většinou větší sycení v oblasti zubů nerespektuje. Disertační práce umožňuje zlepšit návrh asynchronního generátoru jak co do účinnosti, tak co do kvality vyráběné elektrické energie. Disertant pracoval po celou dobu studia samostatně a velmi usilovně, takže zvládl celé studium ve standardní době i přes poměrně značné výukové zatížení. Během studia se dále podílel na řadě projektů MPO. Důležité části práce byly publikovány v zahraničních i tuzemských konferencích a časopisech. Disertant má předpoklady pro vědeckou práci a pro Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky bude jistě přínosem.
Oponentní posudek disertační práce: Ing. Miroslav Skalka Analýza vlivu mechanického momentu asynchronního stroje na sycení magnetického obvodu. Předložená disertační práce se zabývá problematikou, která je v současné době velmi aktuální. Jde o to navrhnout asynchronní stroj s optimálními pracovními charakteristikami s maximální možnou účinností a omezit co nejvíce nepříznivé vlivy, které jsou způsobeny rozložením vinutí v drážkách a přesycováním některých částí magnetického obvodu stroje. Na zvyšování těchto parametrů jsou kladeny stále vyšší požadavky, což předpokládá podrobnou analýzu poměrů ve stroji jak po stránce teoretické, tak i experimentální. Proto je třeba uvítat zaměření disertační práce, která k dosažení cílů využívá moderní způsoby řešení.. Práce je rozdělena do deseti kapitol. Po úvodu následuje formulace problému a vytyčení hlavních cílů řešení. Z této části práce vyplývá, že daná problematika byla řešena pomocí metody konečných prvků s využitím programu ANSYS. Cílem bylo vytvořit vhodný výpočetní model stroje, určit parametry náhradního schématu potřebného ke stanovení rotorového proudu, vypočítat elektromagnetické pole a toto pole analyzovat zejména s ohledem na skluz stroje, použité magnetické materiály a danou geometrii magnetického obvodu. Jedním se základních cílů bylo stanovení průběhu indukce ve vzduchové mezeře mechanicky zatíženého stroje a určit vznikající elektromagnetický moment včetně jeho parazitních složek.V další kapitole je podrobně probrán současný stav řešené problematiky s odkazy na řadu publikací zejména s poslední doby. Konkrétní řešení se týká trojfázového asynchronního stroje s kotvou nakrátko, jehož důležité parametry a naměřené základní charakteristiky jsou uvedeny v další kapitole. Předností zvolené metody řešení je respektování vlivu rotorového proudu při řešení magnetického pole metodou konečných prvků, což je uskutečněno stanovením tohoto proudu pomocí náhradního schématu stroje. Parametry náhradního schématu byly určeny z měření naprázdno a nakrátko a byly konfigurovány na základě měření při různých skluzech. Do řešení byl zahrnut i paralelní odpor k magnetizační reaktanci, který reprezentuje ztráty v železe. Uvedenou metodou byly získány proudy v jednotlivých drážkách statoru a rotoru stroje pro různé pracovní režimy, které bylo možno zadat jako vstupní veličiny pro numerické řešení elektromagnetických polí. Metodami těchto výpočtů především pomocí programu ANSYS se podrobně zabývá další část práce. Zde je ukázána zvolená magnetická analýza, metoda respektování složité geometrie stroje vhodnou výpočetní sítí, volba elementů této sítě co do tvaru i velikosti a stanovení příslušných okrajových podmínek řešení. Jsou probrána specifika řešení pomocí programu ANSYS včetně vhodného zobrazování dosažených výsledků. Problematice sycení magnetického obvodu je věnována další kapitola. Je sledován vliv laminování magnetického obvodu, vliv okamžité polohy rotoru vůči statoru, vliv elektromagnetického momentu, vliv případného použití magnetických klínů, vliv materiálu hřídele i vliv materiálu ze kterého je vlastní magnetický obvod složen. V následující kapitole je řešena problematika vzniku elektromagnetického momentu včetně jeho parazitních složek způsobených vyššími harmonickými pole ve vzduchové mezeře danými rozložením vinutí v drážkách (stupňové harmonické proudového rozložení) a drážkovými harmonickými. Za velmi zajímavé v této kapitole pokládám i výsledky měření okamžité hodnoty momentu během rozběhu stroje. Jako originální lze hodnotit řešení průběhu magnetické indukce podél vzduchové mezery při různých skluzech stroje pracujícího buď jako motor, nebo jako generátor. Spektrální analýza těchto průběhů pak udává řády harmonických pole podél vzduchové mezery včetně jejich velikostí. Následuje vyšetření vzniku pulzačního momentu při daném rozložení pole ve vzduchové mezeře jak pro generátorický, tak i pro motorický režim stroje. V poslední části práce jsou uvedeny závěry z nichž některé jsou zcela originální a mohou přispět k dokonalejšímu návrhu strojů, případně sloužit jako výchozí bod pro další výzkum v rámci řešené problematiky. Následuje velmi podrobný seznam použité literatury a dále seznam publikací z dané problematiky na nichž se doktorand podílel. Práce je doplněna řadou užitečných a zajímavých příloh. Lze konstatovat, že jde o práci, která řeší vysoce aktuální problematiku na patřičné teoretické i experimentální úrovni s použitím moderních metod řešení odpovídajících současnému stavu vědy. Uchazeč projevil znalost teorie elektrických strojů a schopnost řešit komplikovaný vědecko-technický problém za použití moderní výpočetní a měřící techniky. Vypracoval originální metodu řešení elektromagnetického pole ve stroji při respektování jeho zatížení. Výsledkem je stanovení průběhu indukce ve vzduchové mezeře stroje a z toho plynoucí průběh momentu v závislosti na skluzu. Použitá metoda umožňuje stanovit oblasti přesycení magnetického obvodu stroje v závislosti na jeho pracovním režimu. Je ukázáno, že k největšímu nasycení stroje dochází v případě, kdy stroj pracuje jako generátor s velmi malým záporným skluzem. Z práce plynou možnosti konstrukčních úprav stroje vedoucích k zvýšení jeho technických parametrů. Tyto uvedené poznatky považuji za původní přínos předložené práce. Lze konstatovat, že cíle práce byly splněny a v mnoha směrech i překročeny. Jádro práce bylo na potřebné mezinárodní úrovni publikováno. Kladem práce je i její přehlednost a formální úroveň, kde, až na některé překlepy a ne zcela přesné dílčí formulace, jsem neshledal žádné podstatné nedostatky. Ze seznamu vědecké činnost uchazeče vyplývá, že se jedná o perspektivního a pilného pracovníka s vysokou vědeckou erudicí, který uveřejnil, nebo se podílel na celé řadě vědeckých publikací v našich i zahraničních časopisech a ve sbornících renomovaných domácích i zahraničních konferencí. Byl hlavním řešitelem projektu 2618/2008 "Počítačová podpora výuky konstruování a měření v předmětu elektrické stroje" a spoluautorem prototypu synchronního generátoru 1FJ3904-12SB52, Siemens. Na základě uvedených skutečností jsem dospěl k závěru, že posuzovaná disertační práce vyhovuje všem požadavkům a doporučuji ji k obhajobě. Vzhledem k celkovému hodnocení vědecko-pedagogické práce Ing. Miroslava Skalky doporučuji, aby mu byl po úspěšné obhajobě disertační práce udělen akademický titul Ph,D. Ing. Jiří Bendl, DrSc., Dr.h.c. Ústav termomechaniky AV ČR v.v.i. Dolejšova 5 18200 Praha 8 V Praze dne 21. ledna 2011
Oponentní posudek doktorské disertační práce Ing. Miroslav Skalka: Analýza vlivu mechanického momentu asynchronního stroje na sycení magnetického obvodu Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Oponent: Doc. Ing. Petr Voženílek, CSc., Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze Asynchronní stroje jsou jedny z nejvíce rozšířených točivých elektrických strojů, jak v oblasti pohonů jako motory, tak jako asynchronních generátorů. Výhody asynchronních strojů autor v úvodu práce rozebírá a hodnotí. Zvláštní pozornost věnuje asynchronním strojům v generátorickém režimu pracujícím samostatně. Hlavním cílem předložené doktorské disertace je, jak název napovídá, analýza vlivu mechanického zatížení a z toho plynoucího nárůstu statorových a rotorových proudů asyn-chronního stroje na sycení magnetického obvodu a jeho vliv na vlastnosti stroje. Pro klasifikaci oblastí přesycení magnetického obvodu disertant použil metodu konečných prvků s využitím programu ANSYS. Základní problém disertace a cíle jeho řešení jsou jasně formulovány na str. 11 písemné zprávy. Podrobné analýze byl podroben vliv skluzu na průběh indukce ve vzduchové mezeře a parazitní jevy způsobené drážkováním statoru a rotoru a vliv přesycování částí magnetického obvodu stroje. Analýzu současného stavu řešené problematiky disertant poměrně podrobně zpracoval ve 3. kapitole předložené práce, z které je zřejmé, že je v dané oblasti dobře orientován, což mu vytvořilo kvalitní základ pro řešení úkolu disertace. Pro analýzu problematiky disertant zvolil trojfázový dvoupólový asynchronní motor s kotvou nakrátko o výkonu 1,1 kW v krytí IP 44. Podklady pro výpočet metodou konečných prvků byly získány z parametrů náhradního schématu analyzovaného motoru. Parametry byly vypočteny z výstupu měření naprázdno a nakrátko v laboratořích Ústavu termomechaniky AV ČR v Praze. Z vypočtených parametrů byly specifikovány proudy statoru a rotoru pro různé otáčky stroje. Disertant zařadil do textu zprávy obecnější pojednání o numerických metodách řešení elektromagnetických polí, což přispělo k ucelenějšímu obrazu o řešení daného problému. Popsané poznatky autor použil k vytvoření několika modelů analyzovaného stroje pro řešení metodou konečných prvků s užitím programu ANSYS. Vzhledem ke značné složitosti magne-tického obvodu motoru s toho plynoucího neúměrně vysokého požadavku na dobu výpočtů autor pro základní rozbor vlivu listění na rozložení magnetického pole použil jednoduchý tvar magnetického obvodu jednofázového transformátoru. Analýza potvrdila předpoklad, že vliv listění magnetického obvodu na rozložení indukce v magnetickém obvodu je nepatrný a tudíž pro další výpočty je možno použít pouze 2D modelu stroje, což logicky vede ke značnému zkrácení doby analýzy. Po vytvoření parametrického výpočetního modelu, umožňujícího natáčení rotorové části magnetického obvodu, disertant analyzoval průběh magnetické indukce ve vzduchové mezeře a elektromagnetického momentu v rozsahu jedné drážkové rozteče, v závislosti na vzájemné poloze rotoru a statoru. Zároveň analyzoval rozložení magnetického pole v železných částech magnetického obvodu pro motorický i generátorický režim v předpokládaném pracovním rozsahu skluzů. V další etapě autor analyzoval vliv použití statorových drážkových klínů o různé permea-bilitě na velikost elektromagnetického momentu a na obsah harmonických složek indukce podél vzduchové mezery. Se zvyšováním permeability drážkových klínů se hlavy zubů statoru více přesycovaly, klesal moment, ale spektrální analýza průběhu pulzačního momentu ukázala i pokles pulsací v důsledku snížení obsahu drážkových harmonických magnetické indukce. Podobně disertant analyzoval vliv materiálu hřídele s výsledkem, že uvažování hřídele při elektromagnetickém výpočtu má své opodstatnění. Výpočet provedený v práci potvrdil, že s rostoucí permeabilitou hřídele roste i moment měrou zdaleka nezanedbatelnou. Analýze byl podroben rovněž materiál magnetického obvodu stroje, neboť ten nejvíce ovlivňuje rozložení elektromagnetického pole ve stroji, což rovněž potvrdily výpočty uvedené v disertaci. Ze čtyř porovnávaných materiálů plechů pro elektrotechniku autor vytipoval nej-vhodnější z hlediska rozložení pole a velikosti sycení magnetického obvodu tím i vlivu na velikost elektromagnetického momentu. Předložená doktorská disertace napovídá o velkém rozsahu znalostí disertanta i o velkém objemu práce na teoretické i experimentálně výpočtové části disertace. Formálně je písemná část disertace zpracována na vysoké grafické a stylistické úrovni a svědčí o pečlivosti uchazeče. Předloženou práci, její obsah, způsob zpracování, dosažené výsledky, aktivity disertanta a jeho osobnost hodnotím následovně: * námět práce odpovídá oboru disertace a je z hlediska současného stavu vědy a praktického využití aktuální. O jeho aktuálnosti svědčí soustavná snaha tuzemských i světových firem o co největší využití vlastností elektrických pohonů a jejich komponent při dosažení co nejvyšší účinnosti. * za původní originální přínos práce považuji zpracování metodiky analýzy vlivu zatížení na sycení magnetického obvodu stroje a nalezení možností konstrukčních a technologických úprav vedoucích ke zlepšení vlastností motorů a jejich účinnosti. Práce ukázala, že průběh magnetické indukce ve vzduchové mezeře je jedním z významných poznatků pro výpočet a návrh asynchronního stroje. * jádro disertace bylo na potřebné úrovni publikováno na 4 zahraničních a 10 mezinárodních tuzemských konferencích a ve 3 článcích v časopisech mezinárodního dosahu. * disertant je pracovník s vědeckou erudicí, s dobrými odbornými předpoklady k úspěšné vědecko-výzkumné práci, což dokresluje jeho přístup k řešení úkolu, k formálnímu zpraco-vání disertace, hloubka analýzy a rovněž forma a obsah publikací a dalších odborných aktivit. Disertant Ing. Miroslav Skalka osvědčil, že ovládá vědecké metody práce a má hluboké teoretické znalosti dané problematiky. V práci přinesl nové poznatky v oblasti elektrických strojů, které dosud nebyly příliš často publikovány. Uchazeč tím splnil nutné podmínky pro získání akademicko-vědeckého titulu Ph.D. pro obor Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika. Předloženou doktorskou disertační práci doporučuji k obhajobě. V Praze 17.01.2011 Doc. Ing. Petr Voženílek, CSc. Katedra elektrických pohonů a trakce FEL ČVUT v Praze
eVSKP id 34120