Bachelor's Thesis

Synchronous generators used in power engineering

Final Thesis 3.44 MB

Author of thesis: Dominik Heral

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Světlík

Reviewer: Ing. Jakub Rosendorf

Abstract:

This bachelor’s thesis deals with the description and analysis of synchronous generators and their indispensable role in electricity generation in modern power engineering. The main focus of this thesis is a comparison of the operational characteristics and design differences between two types of machines: the smooth-rotor generator and the salient-pole generator. The methodology of the thesis consists of a theoretical analysis of electromagnetic principles and the subsequent creation of a 2D transient model in the Ansys Maxwell simulation environment. Key simulation results confirm that the salient-pole design enables efficient operation at low speeds by utilizing the reluctance torque, while spectral analysis verifies the purity of the induced voltage when using a shortened-pitch winding. The correct choice of rotor design and accurate electromagnetic modeling are critical for the stability and efficiency of the entire power system, making the finite element method an indispensable tool for modern electrical engineering practice.

Keywords:

Synchronous generator, power engineering, non-salient pole rotor, salient pole rotor, excitation, synchronization, Ansys Maxwell, finite element method, torque ripple, harmonic analysis.

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval bakalářskou prácio na téma Synchronní generátory používané v energetice. Student prezentoval vytvoření 2D modelu a využití symetrie při výpočtu elektrického stroje. Dále popsal implementaci materiálových vlastností do modelu. Dále popsal diskretizaci modelu. Prezentoval dosažené výsledky a popsal je. Shrnul výsledky použití Fourierovy transformace. Vysvětlil průběh momentu modelovaného stroje. Shrnul výsledky práce. S mírnými obtížemi odpověděl na otázky oponenta a komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power Electrical and Electronic Engineering (BPC-SEE)

Composition of Committee

doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jan Bárta, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Petr Procházka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Bohuslav Bušov, CSc. (člen)
Ing. Petr Huták, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Světlík

Student Dominik Heral zpracoval bakalářskou práci na téma „Synchronní generátory používané v energetice“. V teoretické části provedl přehled elektrických točivých strojů a podrobněji se zaměřil na synchronní generátory, jejich konstrukční provedení, provozní vlastnosti a využití v energetice. Následně získané poznatky aplikoval při elektromagnetické analýze synchronního generátoru s vyniklými póly.

Praktická část práce byla realizována v prostředí Ansys Maxwell, kde student vytvořil 2D transientní model analyzovaného stroje a provedl výpočty rozložení magnetického pole, indukovaného napětí a elektromagnetického momentu.

Student při řešení postupoval samostatně, práci průběžně konzultoval a prokázal dobrou orientaci v problematice elektrických strojů i schopnost efektivně využívat moderní simulační nástroje, nicméně je nutné podotknout, že některé tvrzení v práci působí příliš rezolutně, což může částečně snižovat její kvalitu. Zadání práce bylo splněno v plném rozsahu a dosažené výsledky odpovídají požadavkům kladeným na bakalářskou práci. Points proposed by supervisor: 88

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Jakub Rosendorf

Tato bakalářská práce rozebírá synchronní stroje použité jako generátory v síti, s bližším zaměřením na synchronní generátor s vyniklými póly. Práce je rozdělena na úvod, pět kapitol a závěr. Její grafická a formální úprava je na dobré úrovni.
Autor čerpal celkem z 24 zdrojů, které jsou převážně v angličtině.

Struktura práce je sice logická, avšak některé pasáže se až příliš opakují. Autor kupříkladu v kapitole 3 popisuje typy strojů s hladkým rotorem a rotorem s vyniklými póly, přičemž téměř tytéž informace sděluje znovu v podkapitolách 3.4 a 3.5 a následně opět v kapitole 4.1.
Bylo by vhodnější, aby byly zdroje seřazeny podle pořadí výskytu v textu jako první citace jsou totiž uvedena čísla 20 a 21.

Autor taktéž ne vždy dodržuje zavedené názvosloví. Kupříkladu u popisu asynchronního stroje uvádí pojem „startovací proud“, přičemž standardně by měl být použit pojem „záběrný proud“. Podobně neobratný je termín „reluktivita železa“.

Kvalitě práce by prospělo, kdyby autor využíval vhodnější formy citování. V kapitole 3 například uvádí všechny zdroje hromadně jen na jejím začátku a následně již nerozlišuje, které části náleží konkrétnímu zdroji a které jsou jeho originálním přínosem. Taktéž formulace typu: „Při zpracování této podkapitoly se vychází především z [5], [12], [15].“, kterou autor zvolil v podkapitole 3.2.2, je nevhodná, neboť naznačuje, že bylo čerpáno z více zdrojů, než kolik jich je uvedeno.

Některé věty jsou formulovány neobratně nebo nejsou dostatečně podloženy. V podkapitole 2.1.1 autor začíná větou: „Při používání asynchronních generátorů v energetice je podle [13], [16], [20] podstatné dodržet podmínky, při kterých tento stroj vyrábí elektrickou energii.“ Jelikož zmíněné podmínky nejsou dále jasně specifikovány, věta ve výsledku působí cyklicky, jako by říkala, že „asynchronní generátor musí být provozován jako generátor“.

Autor v rešeršní části uvádí razantní, avšak zpochybnitelná tvrzení. U popisu asynchronního stroje píše: „Otáčky rotoru jsou vždy nižší než otáčky synchronní.“ To však neplatí v generátorickém režimu, který přitom autor na hned další straně zobrazuje na obrázku 2.2. V kapitole 3.1 pak rozebírá reluktanční stroj, přičemž jeho tvrzení jsou nejen příliš kategorická, ale v uvedeném kontextu i nesmyslná. O reluktančním rotoru tvrdí: „Typicky bývá vyroben z laminované křemíkové oceli, přičemž počet pólů rotoru je menší než počet pólů statoru…“ Následně se však odkazuje na obrázek reluktančního stroje napájeného harmonickým napětím, pro který je toto tvrzení nepravdivé.

Student v práci úspěšně využil metodu konečných prvků (MKP), na jejímž základě vyvozuje výsledky. Některé závěry jsou však málo podložené. Autor například tvrdí: „Simulace v programu Ansys Maxwell prokázaly, že geometrická nesymetrie rotoru s vyniklými póly, vyjádřená rozdílem reaktancí v podélné a příčné ose, generuje přídavný reluktanční moment.“ Neposkytuje však výsledky, ze kterých by bylo toto tvrzení jednoznačně patrné. Taktéž nedostatečně hodnotí kvalitu výstupů z MKP - uvádí maximální indukci 2,38 T, což se ale na základě zobrazené B-H charakteristiky jeví spíše jako numerická chyba simulace.

Celkově práci hodnotím kladně (75 b.). Text je psán srozumitelně a až na zmíněné výhrady má dobrou strukturu. Autor ukázal porozumění jádru řešené problematiky, nicméně ne zcela prokázal pochopení všech v práci uvedených poznatků. Zadání student splnil a práci doporučuji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. V práci je uvedeno mnoho výhod MKP. Jaké jsou však její hlavní nevýhody a omezení?
  2. V textu je zmíněno, že byly použity okrajové podmínky rotační symetrie. Jaká podmínka však byla definována pro vnější hranici modelu?
  3. V práci je uvedeno, že byla zanedbána synchronní reaktance. Bude mít tato reaktance dopad na účinnost, jak byla účinnost určena? Je tato reaktance skutečně zcela zanedbána? Jak je v MKP modelu určena indukčnost vinutí?
  4. V práci je uvedeno, že rozdílná reluktance v osách d a q generuje přídavný moment. Jaké typické poměry Xd / Xq bychom mohli u takovéhoto stroje očekávat?
  5. V textu se píše, že MKP dovoluje určit rozložení ztrát na jednotlivé složky. Jak jsou u řešeného modelu ztráty rozloženy?
Points proposed by reviewer: 75

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová