Inovace a rozvoj měřicích simulačních a experimentálních metod

O PROJEKTU

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.

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.

Řešitel: Doc. Ing. Martin Novák Ph.D.

CÍLE PROJEKTU

kompletace experimentálního pracoviště generátor-turbína
testy generátoru v zatíženém stavu
návrh regulátoru na bázi FPGA
rešerše algoritmů bezsenzorového řízení

Předpokládané výstupy řešení:

Funkční pracoviště vysokorychlostního stroje (generátor + turbína)
Regulátor generátoru na bázi FPGA
Rešerše algoritmů bezsenzorového řízení

Upřesnění cílů pro druhý rok řešení:

měření magnetických vlastností práškových jader pro konstrukci prototypu vysokorychlostního motoru (M.Novák, Z. Novák)
konstrukce prototypu vysokorychlostního motoru (M.Novák, Z. Novák)
měření vlastností SiC spínacího prvku v režimu chopper (M.Novák, Z. Novák)
návrh 3 fázového měniče s SiC prvky (M.Novák, Z. Novák)
systém pro automatické odstavení střídače při překročení úrovně vibrací (A. Kouba)
rešerše diagnostických metod pro kogenerační jednotky (A. Kouba)

IDENTIFIKACE

SGS12/178/OHK2/3T/12

VÝSLEDKY

Construction of a high speed motor protorype (M.Novák, Z. Novák) – startup to 100 000 RPM

First high speed motor startup about 30 000 RPM

Video from experiments

Stability analysis based on computational time delays in the controller system

Experiments in loaded state with compressed air

Own generator design testing with compressed air

Generator testing with compressed air

Shaft position sensor for a high speed motor(V. Skála, T. Koudelka)

High frequency SiC based inverter (M. Novák, O.Sivkov)

LabView FPGA based drive controller (Z. Novák)

Experiments in loaded state with compressed air

Passive magnetic bearing prototype and testing (G. Merabishvili)

Own generator design testing with compressed air

Testing of magnetic properties of toroidal cores for a high speed motor prototype (M.Novák, Z. Novák)

Graphical user interface for Matlab FPGA motor controller (A.Minano)

Design of SiC based frequency inverter(M. Novák, O. Sivkov)

Design of SiC based frequency inverter(M. Novák, O. Sivkov)

PUBLIKACE

2012:

Do, M. – Novák, M. – Uhlíř, I.: Vapor Phase Soldering Device and Checking Solder Joints. In Proceedings of the 10th International Conference Process Control 2012 [CD-ROM]. Pardubice: University of Pardubice, Faculty of Chemical Technology, 2012, p. C040c-1-C040c-9. ISBN 9788073955007.
Chyský, J. – Novák, J. – Novák, M. – Novák, Z.: Determination of Losses in Ferromagnetic Circuit of a Sinusoidal Filter Powered with Frequency Inverter. In Proceedings of 15th Mechatronika 2012 [CD-ROM]. Praha: Czech Technical University in Prague, 2012, p. 251–256. ISBN 978–80–01–04985–3.
Chyský, J. – Novák, J. – Novák, M.: Control of High-speed Permanent Magnet Synchronous Machine. In Proceedings of IECON 2012 – 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society and 2012 6th IEEE International Conference on E-Learning in Industrial Electronics (ICELIE). Montreal: IEEE, 2012, p. 4466–4470. ISBN 978–1–4673–2420–5.
Kavale, L. – Novák, M.: Datalogger pro dlouhodobý záznam analogových a digitálních vstupů. [Funkční vzorek]. 2012.
Novák, M. – Novák, J. – Chyský, J.: Advanced FPGA Controller for High-speed Permanent Magnet Motor. In Proceedings of the 10th International Conference Process Control 2012 [CD-ROM]. Pardubice: University of Pardubice, Faculty of Chemical Technology, 2012, p. C040a-1-C040a-10. ISBN 9788073955007.
Novák, M. – Novák, J. – Chyský, J.: Experimental Micro-turbine Power Generator. In Proceedings of the First International Conference on Renewable Energies and Vehicular Technology REVET2012 [CD-ROM]. Tunis: IEEE – Tunisia, 2012, p. 1–6. ISBN 978–1–4673–1170–0.
Novák, M. – Novák, J. – Chyský, J.: Experimental Verification of High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor Model. In Proceedings of the XXth International Conference on Electrical Machines ICEM2012. Marseille: IEEE, 2012, p. 2433–2438. ISBN 978–1–4673–0141–1.
Novák, M. – Novák, J. – Chyský, J.: Specifics of Modeling High-speed PM Synchronous Motor. In Proceedings of the 10th International Conference Process Control 2012 [CD-ROM]. Pardubice: University of Pardubice, Faculty of Chemical Technology, 2012, p. C040b-1-C040b-10. ISBN 9788073955007.
Novák, M.: FPGA Based Controller for High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor. In Proceedings of the annular meeting New Methods and Procedures in Automatic Control, Instrumentation and Informatics. Praha: Ústav přístrojové a řídicí techniky FS ČVUT, 2012, p. 16–21. ISBN 978–80–01–05061–3.
Novák, M.: Modelling of High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor. In Proceedings of the annular meeting New Methods and Procedures in Automatic Control, Instrumentation and Informatics. Praha: Ústav přístrojové a řídicí techniky FS ČVUT, 2012, p. 6–10. ISBN 978–80–01–05061–3.
Novák, Z. – Hofreiter, M.: Mendocino Motor and a Different Approaches to its Control. In Proceedings of 15th Mechatronika 2012 [CD-ROM]. Praha: Czech Technical University in Prague, 2012, p. 257–262. ISBN 978–80–01–04985–3.

2013

Berka, O. – Dub, M. – Kanaval, J.: Návrh mechanické koncepce vývojového pracoviště pro vysokorychlostní synchronní stroje. [Technická zpráva]. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, 2013. 13 s.
Flah, A. – Novák, M. – Lassaad, S. – Novák, J.: Online PMSM parameters estimation for 32000rpm. In Proceedings of International Conference on Control, Engineering & Information Technology CEIT 2013. Sousse: International Publisher & C.O, 2013, p. 148–152. ISSN 2356–5608.
Kouba, A.: Control of small gasoline genset. In Konference STČ 2013. Prague: CTU, Faculty of Mechanical Engineering, 2013, vol. 1, ISBN 978–80–01–04796–5.
Kouba, A.: In-cylinder Pressure Based Control Overview. In Proceedings of the annual meeting New Methods and Procedures in Automatic Control, Instrumentation and Informatics. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, 2013, vol. 1, p. 18–20. ISBN 978–80–01–05257–0.
Novák, M. – Novák, Z. – Novák, J. – Novák, L.: Progress on Construction of High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machine. In Proceedings of the annual meeting New Methods and Procedures in Automatic Control, Instrumentation and Informatics. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, 2013, p. 36–39. ISBN 978–80–01–05257–0.
Novák, M. – Novák, Z.: Construction of High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machine. In 17th International Conference on Electrical Drives and Power Electronics. Dubrovnik: KoREMA, 2013, p. 216–220. ISSN 1339–3944. ISBN 978–953–56937–8–9.
Novák, M. – Novák, Z.: Stability Issues of High-Speed PMSM Feedback Control Systems. In Proceedings of the 15th European Conference on Power Electronics and Applications. Lille: Ecole Centrale Lille, 2013, p. 1–9. ISBN 978–1–4799–0116–6.
Novák, M. – Novák, Z.: Vysokorychlostní synchronní motor s permanentními magnety s malým výkonem. [Funkční vzorek]. 2013.
Novák, M.: Magnetická pružina. Patentová přihláška Úřad průmyslového vlastnictví,
Novák, M.: Magnetická pružina. Užitný vzor Úřad průmyslového vlastnictví, 25603. 2013–07–01.
Novák, M.: Vývoj elektročásti mikroturbín na ČVUT. [Nepublikovaná přednáška]. Asociace mikroturbín, o.s. 2013–10–10.
Novák, M.: Vývoj elektročásti mikroturbín na ČVUT. [Nepublikovaná přednáška]. Asociace Mikroturbín. 2013–10–10.
Novák, Z. – Novák, M. – Chyský, J.: Bezsenzorové řízení synchronních motorů s permanentními magnety. In Automatizace, regulace a procesy 2013. Praha: Dimart, s.r.o., 2013, s. 55–62. ISBN 978–80–903844–5–3.
Novák, Z. – Novák, M. – Chyský, J.: Measuring Hysteresis Loop and Optimization of the Stator Tooth Width in the Permanent Magnet Synchronous Machine. Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava. Mechanical Series . 2013, vol. LIX, no. 2, art. no. 1968, p. 147–153. ISSN 1210–0471.
Novák, Z. – Novák, M. – Chyský, J.: Optimization of the Stator Tooth Width in a PMSM Using Lua Scripting Engine in the FEMM Software. In Proceedings of the annual meeting New Methods and Procedures in Automatic Control, Instrumentation and Informatics. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, 2013, p. 40–42. ISBN 978–80–01–05257–0.

2014

Flah, A. – Novák, M. – Lassaad, S – Novák, J.: Estimation of motor parameters for an electrical vehicle application. International Journal of Modelling, Identification and Control. 2014, vol. 22, no. 2, p. 150–158. ISSN 1746–6172.
Novák, M. – Flah, A. – Novák, J. – Lassaad, S.: Online High-Speed PMSM Parameters Estimation and Stability Analysis. Acta Polytechnica Hungarrica. 2014, vol. 11, no. 9, p. 75–94. ISSN 1785–8860.
Novák, M. – Novák, J. – Schmirler, M.: Combined-Heat and Power Generator with High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machine. In Proceedings of the 2014 International Conference on Electrical Machines (ICEM). Berlin: IEEE, 2014, p. 2519–2524. ISBN 978–1–4799–4775–1.
Novák, M. – Novák, Z.: Construction of a 3kW, 250 kRPM Permanent Magnet Synchronous Machine for a Combined Heat and Power Unit. In Proceedings of the 17th International Conference on Electrical Machines and Systems. Hangzhou: Zhejiang University, 2014, p. 3515–3519. ISBN 978–1–4799–5161–1.
Novák, M.: Vývoj vysokootáčkového generátoru a výkonové elektroniky. [Nepublikovaná přednáška]. Asociace Mikroturbín. 2014–04–08.
Novák, Z. – Chyský, J. – Novák, M.: FPGA-Based V/F Control Of Permanent Magnet Synchronous Motor. In Mezinárodní konference učitelů elektrotechniky SEKEL 2014, sborník příspěvků. Prague: Czech University of Agriculture, 2014, p. 54–59. ISBN 978–80–213–2480–0.
Sivkov, O. – Novák, M.: Implementation of SiC inverter for high frequency, medium voltage applications. In 16th Mechatronika 2014. Brno: Brno University of Technology, 2014, p. 477–483. ISBN 978–80–214–4817–9.