Fakulta elektrotechnická Západočeské univerzity v Plzni získala na podzim loňského roku nový patent v oblasti bezkontaktního přenosu elektrické energie. Unikátní technologii lze využít zejména v online diagnostice točivých elektrických strojů.
„Tímto způsobem můžeme například bezdrátově napájet měřicí elektroniku umístěnou na rotoru stroje, a monitorovat tak jeho technický stav," vysvětlují spoluautoři patentu Vladimír Kindl a Tomáš Kavalír a hned na začátek doplňují, že na projektu spolupracovali se svými kolegy Pavlem Turjanicou, Martinem Zavřelem, Lukášem Pušmanem, Luďkem Elisem, Michalem Křížkem a Pavlem Drábkem.
Technologie pro bezdrátový přenos elektrické energie jsou známy a v posledních 10 letech se už také intenzivněji používají. V čem je tedy váš patent výjimečný?
Tomáš Kavalír: Bezdrátovými technologiemi přenosu elektrické energie se na ZČU zabýváme od roku 2013 a jedním z málo probádaných směrů byl dynamický přenos elektrické energie na pohybující se části strojů. Na rozdíl od konvenčních systémů, které využívají velmi těsnou magnetickou vazbu, náš systém dokáže pracovat i na relativně velké vzdálenosti až desítek centimetrů. Například bezdrátové napájení mobilních telefonů funguje jen na vzdálenosti několika mm.
Máme patentována dvě řešení: axiální a radiální. V axiálním případě jde o dva disky orientované proti sobě (vysílací a přijímací), které jsou umístěny v ose hřídele. V radiálním případě se naopak jedná o pásek geometricky optimalizovaných antén, kde každá z nich je připojena k vysokofrekvenčnímu usměrňovači s impedančním přizpůsobením. Všechny usměrňovače jsou vzájemně propojeny stejnosměrnou sběrnicí, ze které je napájena měřicí elektronika. Vysílací anténa je připojena k výkonovému zesilovači s modulátorem. Pásky lze nastříhat podle průměru nosné struktury zařízení a použít je prakticky na jakékoliv zařízení.
Systém je primárně určen k napájení senzorů umístěných na rotujících zařízení a pracuje v ISM pásmu 27 MHz; proč?
Vladimír Kindl: Náš patent nevyužívá klasické těsné magnetické vazby, ale tzv. dynamické vazby pracující v rezonanci a na vysokém kmitočtu v pásmu ISM (Industrial, Scientific and Medical). V tomto relativně úzkém kmitočtovém pásmu jsou příznivější limity z hlediska vyzařování elektromagnetického pole.Funguje zde například i lékařská elektronika, svářečky plastů nebo třeba bezlicenční komunikace (občanské radiostanice).
Jaká je účinnost přenosu elektrické energie u vámi patentovaného řešení?
Tomáš Kavalír: Moderní výkonové systémy pro bezdrátový přenos elektrické energie s potenciálním využitím v oblasti elektromobility dnes dosahují velmi vysoké celkové účinnosti včetně uvažované výkonové elektroniky (střídač, usměrňovač a další) až na hranici 97 %.
Primárním cílem námi vyvinutého řešení je však dodávka elektrické energie pro potřeby napájení nízkoodběrové elektroniky (umístěné například na rotoru), jejíž příkon je v řádu jednotek wattů, proto zde nevadí ani nižší celková přenosová účinnost inovativního vysokofrekvenčního systému v řádu nižších desítek procent. Nižší účinnost je zde způsobena zejména relativně volnou dynamickou vazbou soustavy antén, kompromisním nastavením impedančního přizpůsobení a pracovní třídou vysokofrekvenčního zesilovače (vysílače).
Kde se s vaším systémem můžeme setkat?
Vladimír Kindl: Náš patent se dá aplikovat v oblasti točivých elektrických strojů pro napájení měřicí elektroniky určené k online monitoringu a dlouhodobého sběru dat z rotoru, tedy například teplot, mechanického namáhání a mnoho dalších elektrických i neelektrických veličin.
Ze změřených dat se dá vypozorovat zhoršující se technický stav sledovaného zařízení a predikovat tím blížící se poruchu klíčových uzlů systému. Je tak možné plánovat včasný servisní zásah a šetřit náklady při řešení odstávky systému vlivem neočekávané poruchy.Další možné využití našeho patentu může být v oblasti obnovitelných zdrojů elektrické energie (větrné elektrárny), kde je přínosné sledovat pomocí optovláknových senzorů mechanické pnutí lopatek, což umožní včas odhalit skryté provozní vady kompozitních konstrukcí.
(Celý článek naleznete v tištěném vydání Technického týdeníku.)