Elektronika mocy, falowniki, kondensatory, zakłócenia elektromagnetyczne czy naprężenia termiczne to ewidentnie nie hasła, które sprzedają przyszłość tak skutecznie jak “samolot bez emisji”. Tyle że bez nich ta przyszłość może po prostu nawet nie zbliżyć się do pasa startowego. Wspominałem o tym m.in. przy hybrydowo-elektrycznych układach napędowych, gdzie najciekawsze nie jest samo hasło “elektryfikacja”, lecz sposób zarządzania mocą, masą i niezawodnością.
ORNL pokazało coś, bez czego nowe samoloty mogą mieć problem
Oak Ridge National Laboratory pochwaliło się nową architekturą napędu elektrycznego dla systemów dużej mocy. Nie chodzi tutaj o kolejny “silnik przyszłości” w prostym sensie, ale o konstrukcję napędu silnikowego, która ma zmniejszać przegrzewanie, hałas elektryczny i zużycie elementów w bardzo wymagających zastosowaniach. Na celowniku są akurat samoloty, statki i ciężkie ciężarówki, czyli dokładnie te maszyny, w których napęd elektryczny musi działać długo i pod dużym obciążeniem.
Czytaj też: Największy samolot cargo świata ma jeden cel. Może połknąć nawet cztery myśliwce F-35
ORNL dotyka więc problemu, który zwykle wychodzi dopiero wtedy, gdy zaczyna się inżynieria eksploatacyjna. Elektryczny napęd w samolocie nie ma luksusu bycia delikatnym gadżetem. Nie wystarczy, że ruszy. Musi utrzymywać moc, znosić wahania obciążenia, nie gotować własnej elektroniki i nie niszczyć komponentów od środka. Właśnie dlatego liczby z ORNL robią wrażenie. Symulacje pokazały 90-procentowe zmniejszenie wahań napięcia punktu neutralnego oraz 43-procentowy spadek obciążenia prądowego kondensatorów. Druga wartość ma bardzo konkretny wymiar, bo mowa o zejściu ze 124,1 do 70,3 A RMS w kondensatorach łącza DC.
Jak moc staje się problemem?
W dużych napędach elektrycznych nie chodzi wyłącznie o to, żeby podać jak najwięcej energii na silnik. Równie ważne jest to, co dzieje się po drodze. Nowoczesne układy wysokiej mocy coraz częściej pracują przy wysokich napięciach łącza DC, a to zwiększa atrakcyjność wielopoziomowych falowników ANPC, czyli aktywnych falowników z zaciskanym punktem neutralnym. Ich zaletą jest między innymi lepszy rozkład strat i możliwość skalowania mocy, ale za tym idą problemy, które w samochodzie osobowym mogą być kłopotliwe, a w samolocie stają się znacznie poważniejsze.
Pierwszy problem to prąd punktu neutralnego. W uproszczeniu jest to niechciany prąd, który rozjeżdża napięcia na kondensatorach podzielonego łącza DC. Gdy napięcia zaczynają pływać, rośnie obciążenie kondensatorów, pojawia się więcej ciepła, a producenci muszą stosować większe, cięższe albo mocniej przewymiarowane komponenty. W lotnictwie każde takie “zróbmy większe, będzie bezpieczniej” ma swoją cenę, bo masa jest tam walutą równie ważną jak sama sprawność.
Czytaj też: Rakieta z kabiną, a nie myśliwiec. Świat nie bez powodu bał się tego samolotu, ale…
Drugi problem to napięcie wspólne, czyli pasożytnicze napięcie mogące powodować zakłócenia elektromagnetyczne i destrukcyjne prądy wewnętrzne. Potrafi to skracać życie komponentów, psuć kompatybilność elektromagnetyczną i dokładać kolejne warstwy zabezpieczeń. Im większa moc, tym mniej miejsca na przypadek.
Co dokładnie powstało na ORNL?
Podejście ORNL w praktyce zmienia architekturę samego napędu, stosując tak zwane Inverse Segmented Motor Drive. Ten wykorzystuje parę falowników ANPC pracujących w odwrotnej synchronizacji. Każdy z nich zasila osobny zestaw wielofazowych uzwojeń silnika, a jeden z tych zestawów jest fizycznie nawinięty w przeciwnym kierunku. Drugi falownik dostaje więc wektor napięcia odniesienia o przeciwnej polaryzacji względem pierwszego.
Efekt? Użyteczne strumienie magnetyczne nadal sumują się tak, żeby silnik generował normalny moment obrotowy, a niechciane prądy i napięcia zaczynają znosić się na poziomie całego systemu. W idealnych warunkach oznacza to zerowe całkowite napięcie wspólne i zerowy netto prąd punktu neutralnego. W praktyce jest to trochę jak projektowanie mostu, w którym część sił nie musi być brutalnie “wytrzymywana” przez coraz grubsze elementy, ponieważ geometria konstrukcji sprawia, że znoszą się wzajemnie.
Czytaj też: Nie wiem, czy to jeszcze rower XC, czy już mały samolot z amortyzatorem
Badacze przygotowali na dodatek strategię modulacji wektorowej opartą na nośnej, żeby sprawdzić, czy napęd da się prowadzić na platformach sterowania zbliżonych do przemysłowych. Pełne kasowanie niechcianych zjawisk uzyskali przez zestawienie odwróconego napięcia odniesienia z trójkątnym sygnałem nośnym dla drugiego falownika, odwróconym pionowo albo przesuniętym fazowo o 180 stopni względem nośnej pierwszego falownika. Wnioski są takie, że standardowy silnik przemysłowy można zaadaptować przez fizyczne odwrócenie kierunku nawinięcia jednego zestawu cewek w procesie produkcji, a nie przez dokładanie nowego osprzętu.
Elektryczne lotnictwo potrzebuje masy takich ulepszeń
Pełna elektryfikacja lotnictwa pasażerskiego nadal rozbija się o fizykę. Akumulatory są ciężkie, paliwo lotnicze ma znakomitą energię właściwą, a certyfikacja nowych układów napędowych trwa latami. Dlatego coraz bardziej przekonuje mnie nie wizja “jednej technologii, która zastąpi wszystko”, ale scenariusz stopniowego składania przyszłości z wielu mniej widowiskowych elementów. Dopiero taka układanka zaczyna mieć sens.
Dostajemy na to przykłady już dziś, co widać m.in. przy samolocie wodorowo-elektrycznym Beyond Aero, gdzie samo paliwo nie załatwia sprawy, bo dochodzą do tego zbiorniki, bezpieczeństwo, temperatura, masa i architektura napędu. Widać go też przy syntetycznej nafcie e-SAF, gdzie największą zaletą jest możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury i silników. Na tym tle praca ORNL wygląda więc jak bardzo potrzebny fragment większej układanki.
Źródła: Oak Ridge National Laboratory
