Inovace a rozvoj měřicích simulačních a experimentálních metod

Základní informace

Grant SGS12/178/OHK2/3T/12

Cílem projektu je rozvoj měřicích, simulačních a experimentálních metod s využitím vysokorychlostního synchronního generátoru jako zdroje elektrické energie poháněného turbínou. Kromě mechanické konstrukce zařízení projekt pokrývá problematiku řízení generátoru, vyhodnocení polohy rotoru měřením, případně bezsenzorově a dále problematiku optimalizace provozu zdroje.

Vědecká závažnost a aktuálnost: V současné době dochází k neustálému zvyšování nákladů na klasické zdroje energie, zejména na vytápění a elektrickou energii. Velmi aktuální je proto výzkum a aplikace různých alternativních zdrojů energie, které by měly zmenšit náklady, ale také snížit zátěž životního prostředí. V návaznosti na předchozí řešené projekty se jako perspektivní alternativní zdroj jeví například vysokorychlostní generátor poháněný turbínou. Zařízení by mělo být kromě dostatečného elektrického výkonu (v řádu jednotek kW) schopné i výroby tepelné energie. Kromě dostatečného výkonu pro zásobování např. rodinného domu, může generátor pracovat jako záložní zdroj pro nouzové situace. V oblasti vysokorychlostních strojů , jejich konstrukce, řízení, měření s nimi a simulace se vyskytuje celá řada aktuálních problémů. Pokud pomineme mechanické problémy vlastní konstrukce motoru (který předpokládáme zakoupený hotový) je v této oblasti zejména problém připojení vhodné turbíny jako pohonu a zejména dostatečně kvalitního spojení obou strojů. Jako optimální řešení se jeví konstrukce obou strojů jako jednoho konstrukčního celku, nicméně vzhledem k velmi omezeným možnostem fakulty v této oblasti bude nutné generátor sestavit ze dvou původně oddělených zařízení. V této oblasti je tedy klíčovým aktuálním problémem kvalitní spojení obou strojů. Případný vlastní návrh kompletního soustrojí zvažujeme pro další pokračování projektu v dalších letech. Další aktuální problém leží v oblasti měření a řízení generátoru. Pro řízení je v současné době používán digitální signálový procesor (DSP). Výhodou jsou známé regulační algoritmy a relativně výkonný hardware, dostatečný pro střední rychlosti. Výpočetní výkon se nicméně ukazuje jako slabé místo pro vysokorychlostní motory (generátory). Jak ukazují naše zkušenosti s řízením motorů do cca 40 000 otáček/minutu, není již k dispozici dostatečný výkon pro realizaci řídicího algoritmu. Jedním z našich cílů je proto návrh regulátoru na bázi programovatelného hradlového pole, (FPGA), který se jeví jako perspektivní pro rychlejší provádění regulačních algoritmů. Další aktuální problém leží v oblasti měření. V současné době vybudované experimentální pracoviště disponuje synchronním motorem s permanentními magnety pro maximální rychlost 42 000 otáček/minutu. Pro správnou funkci regulačního algoritmu je nutná relativně přesná informace o rotoru stroje. V použitém stroji jako snímač polohy slouží resolver. Ten je jedním z faktorů limitujících maximální možnou rychlost stroje. Chtěli by jsme se proto také pokusit o nalezení algoritmu pro bezsenzorové vyhodnocení polohy rotoru a jeho případnou implementaci. Posledním aktuálním tématem, kterému bychom se chtěli věnovat, je řízení způsobu využití produkované energie.

Navrhované téma je v souladu s celkovou koncepcí a zaměřením Ústavu přístrojové a řídicí techniky, navazuje na předchozí projekt SGS Distribuovaný systém a řízení energetických spotřeb budov, Výzkumný záměr Rozvoj ekologicky šetrné decentralizované energetiky a práce vykonávané v rámci Výzkumného centra Josefa Božka.

V současné době je Ústavu přístrojové a řídicí techniky k dispozici experimentální pracoviště s vysokorychlostním synchronním motorem s permanentními magnety, vybudované v rámci předchozí činnosti. K jeho řízení byl vyvinut experimentální výkonový střídač, vytvořen a otestován řídicí algoritmus pro digitální signálový procesor. Vzhledem k obtížnosti mechanického spojení generátoru a turbíny byly testy prováděny pouze s nezatíženým strojem v motorickém režimu do rychlosti 42 000 otáček/min. Pro další rozvoj v oblasti vyšších rychlostí je třeba vyvinout a otestovat regulátor založený na programovatelném hradlovém poli FPGA, protože stávající řídicí systém je na hranici své rychlosti. Pro plné otestování sytému je třeba provést spojení generátoru a turbíny.

Navrhované řešení vychází ze stávajících technologií a existujícího vybavení pracoviště, které budou doplněny o nový hardware a software zajišťující vzájemnou spolupráci jednotlivých systémů.

Koncepce, způsob a metodika řešení: Po návrhu mechanického spojení generátoru a turbíny a výrobě komponentů bude následovat vyvážení statické a dynamické. Dále testy v nezatíženém a zatíženém stavu. Nezávisle na těchto krocích bude probíhat návrh a realizace regulátoru na bázi FPGA a rešerše algoritmů bezsenzorového řízení.