CC BY
104
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ X
УДК 621.791.35
роль информационных технологий при создании новой техники
Л. И. Чубраева,
член-корр. РАН, доктор техн. наук В. Ф. Шишлаков,
доктор техн. наук, профессор
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Рассмотрены вопросы, связанные с применением информационных технологий при создании электроэнергетических устройств, систем и комплексов нового поколения, принцип действия которых основан на использовании явления высокотемпературной сверхпроводимости.
Ключевые слова — информационные технологии, высокотемпературная сверхпроводимость.
Введение
Созданный в 2005 г. Научно-исследовательский институт инновационных технологий в электромеханике и электроэнергетике Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (НИИ ИТЭЭ ГУП) уделяет большое внимание совершенствованию информационных технологий (ИТ), используемых при создании новой техники.
Основная часть научных исследований, выполняемых НИИ ИТЭЭ, относится к поисковым работам. Только за последние 3 года выполнено несколько НИР и ОКР, связанных с созданием и экспериментальными исследованиями уникальных электротехнических устройств, не имеющих аналогов в мировой практике.
1. Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования силовых регуляторов тока (сверхпроводниковых накопителей энергии (СПИН) и сверхпроводниковых ограничителей тока). Создан и экспериментально исследован СПИН энергоемкостью 4,5 МДж; дана оценка возможностей применения силовых регуляторов тока для повышения устойчивости и надежности электроэнергетических систем и комплексов со сверхпроводниковым оборудованием, использующим высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП).
2. Проведены экспериментальные исследования влияния высокочастотных электромагнитных полей, в том числе сложной конфигурации, на магнитные характеристики конструкцион-
ных наноматериалов (аморфных сплавов, ВТСП-массивов, ВТСП-лент, постоянных магнитов), применяемых при изготовлении сверхпроводниковых электроэнергетических устройств, а также экспериментальные исследования ВТСП СПИН с комбинированным преобразователем и накопителем энергии.
3. Сформирован научный подход к выработке критериев оптимизации ВТСП-устройств и комплексов, обеспечивающих энергосбережение на этапах разработки, изготовления и эксплуатации. Проведены экспериментальные исследования динамических режимов ВТСП-устройств на макетных образцах. Разработаны научные основы физического, электродинамического и математического моделирования ВТСП-систем по критериям энергосбережения. Разработан метод параметрической оптимизации ВТСП-устройств, обеспечивающих заданные критерии по энергосбережению, а также методики текущей и многокритериальной оптимизации процессов изготовления ВТСП-устройств с обеспечением ресурсо-и энергосбережения.
4. Совместно с Университетом Бен-Гуриона (Израиль) разработаны научные основы создания солнечно- и ветроэнергетической установки повышенной надежности и экологической безопасности за счет использования сверхпроводнико-вых устройств (рис. 1) [1].
5. Разработан проект ветрогенератора с ВТСП-обмотками мощностью 1 МВт, а также разработан, создан и испытан ВТСП синхронный ветро-генератор мощностью 50 кВт и высокомомент-
■ Рис. 1. Комбинированная солнечно- и ветроэнергетическая установка со сверхпроводнико-выми устройствами
ный синхронный двигатель с ВТСП-обмоткой статора.
Все это стало возможным благодаря широкому внедрению ИТ на всех этапах работ.
Информационные технологии на этапе выбора направления для научных исследований
На этапе выбора стратегии научных исследований работы с использованием ИТ проводятся по двум направлениям. С одной стороны, анализируются результаты выполненных научных разработок как в нашей стране, так и за рубежом. Это относится к изучению технической литературы и материалов российских и международных конференций. С другой — проводится расширенный патентный поиск, который позволяет определить изобретателей или компании, получившие патенты или другие охранные документы в области предполагаемых исследований, найти последние новые решения и оценить состояние рынка по данному направлению.
При выборе направлений разработки нового поколения электромеханических преобразователей энергии для общепромышленной и специальной энергетики, базирующихся на широком использовании наноматериалов и нанотехнологий, на основе анализа научно-технической литературы и патентного поиска было выявлено следующее. В настоящее время производство массивных ВТСП (рис. 2, а) имеет ограничения по размерам, и в большинстве случаев такие ВТСП не могут использоваться в качестве индукторов большинства синхронных электрических машин. Возможны применения составных ВТСП-массивов для гисте-резисных машин и систем магнитного подвеса, поскольку наведенные электрические токи замыкаются в пределах одного ВТСП-массива.
Поэтому стало ясно, что на данном этапе целесообразно для индукторов использовать высококоэрцитивные постоянные магниты на основе редкоземельных металлов. Это позволит в последующем, по мере совершенствования технологий, перейти к применению ВТСП-массивов.
а)
■ Рис. 2. Образцы массивных (а) и ленточных (б) ВТСП
Производство ленточных ВТСП-проводов как 1-го, так и 2-го поколения (рис. 2, б) пока основано на изготовлении длинномерных лент со сравнительно небольшой величиной тока (с точки зрения экономически эффективных сверхпровод-никовых электрических машин) на уровне 150250 А. Производство транспонированных ВТСП-проводов на большие токи находится пока в стадии разработки. В то же время развитие техники требует создания опытных образцов ВТСП-устройств в целях определения направлений их дальнейшего использования.
В результате были выбраны два направления создания опытных образцов сравнительно большой мощности, в которых могут быть получены большие рабочие токи (рис. 3, а, б).
Основная часть отечественных и зарубежных разработок основана на применении ВТСП-мате-риалов для индукторов электрических машин, по аналогии с устройствами из низкотемпературных сверхпроводников. Однако ВТСП-материалы отличает высокая анизотропия во внешних магнитных полях (рис. 4, а, б). Это особенно заметно при рабочих температурах на уровне жидкого азота. В результате разработчики идут на применение в качестве хладагента жидкого неона, что сокращает объем потенциального рынка и вызывает сомнения в перспективности общепромышленного использования по ряду причин, в частности, из-за высокой стоимости неона по сравнению с азотом.
Поэтому разработчиками ВТСП-устройств, специалистами НИИ ИТЭЭ, было принято решение
б)
3,5
и 3
и р п 2,5
а и
2
90 К 1,5
77 К
66 К 1
50 К
40 К 0,5
30 К
20 К
4 К 0
Перпендикулярно (^В)
В(Т)
2 4 6 8 10
- перпендикулярно поверхности ленты
■ Рис. 4. Характеристики ВТСП-материалов в продольном (а) и поперечном (б) магнитном поле при различных температурах
0
о применении ВТСП-лент для обмоток статоров, а не для обмоток роторов. Но для окончательной разработки такого типа электромеханических преобразователей энергии потребовалось математическое моделирование электромагнитных и тепловых полей.
Информационные технологии на этапе проектирования инновационных устройств
Моделирование электромагнитных полей с использованием программного обеспечения wxFEMAG показало правильность выбранного технического решения, поскольку удалось предложить конструктивные и технологические решения, обеспечившие необходимое распределение
электромагнитных полей относительно ВТСП-лент: рабочий магнитный поток направлен перпендикулярно узкой, а не широкой стороне ленты (рис. 5) в многодисковой синхронной машине с аксиальным магнитным потоком. В машине с радиальным магнитным потоком седлообразные катушки обмотки статора уложены в пазы, которые защищают ВТСП-материал от рабочего магнитного потока, и потери наводятся только небольшим по величине собственным потоком рассеяния. Такие конструкции могут применяться в электрических генераторах, двигателях и синхронных компенсаторах.
Работы по созданию электрических трансформаторов показали целесообразность возврата к трансформаторам броневой конструкции, осо-
бенно в устройствах сравнительно небольшой мощности. В отличие от предыдущего поколения броневых трансформаторов, одним из основных недостатков которого является трудность проведения ремонтных работ, предложенная конструкция обеспечивает полную ремонтопригодность с одновременным снижением доли ручного труда. При этом, как и в других типах электрических машин, обеспечивается наиболее благоприятное распределение магнитных полей относительно ВТСП-обмоток.
Последующий этап компьютерного проектирования производится из условия обеспечения ресурсо- и энергосбережения, снижения массогабаритных показателей и упрощения процесса изготовления за счет снижения доли ручного труда и замены последовательных дорожных карт производства картами с максимальным количеством параллельных участков. Используются компьютеризированные средства многокритериальных задач оптимизации и многофакторного математического моделирования.
Для проверки работоспособности проектируемого устройства в реальных условиях эксплуатации моделируются режимы наброса и сброса нагрузки, регулирования активной и реактивной мощности, переходных процессов при синхронизации с энергосистемой бесконечной мощности или с аналогичными по мощности устройствами автономной энергетики, переходных процессов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях и др.
Большая роль на этапе проектирования отводится визуализации процессов изготовления и сборки разрабатываемых устройств с помощью специальных компьютерных программ. В результате имеется возможность не только демонстрировать заказчику весь ход работ, но и посто-
янно вносить корректировки как в конструкцию, так и в технологию изготовления устройства в целях его совершенствования.
Информационные технологии и физическое моделирование
Информационные технологии позволяют минимизировать затраты времени на физическое моделирование за счет многокритериальной оценки достоверности математических моделей, начиная с постановки задачи, принятых упрощений и граничных условий. После этого начинается процесс разработки и изготовления достоверной физической модели с использованием компьютерных технологий.
Так, например, при изготовлении ВТСП-об-мотки статора одного из устройств было принято решение о моделировании различных технологий процесса создания электрических соединений отдельных ВТСП-катушек (рис. 6) [2]. Этот
■ Рис. б. Моделирование электрических соединений ВТСП-лент
элемент имеет большое значение для работоспособности обмотки и устройства в целом, поскольку при неправильном его выполнении возможна потеря сверхпроводящего состояния с сохранением обмоткой только резистивных режимов работы. Математическое моделирование этого элемента невозможно даже при многокритериальном подходе, учитывающем электрические, магнитные и теплофизические характеристики.
Аналогичная роль отводилась модели для исследования потерь на трение в многодисковой машине погружного исполнения [3].
Использование ИТ при разработке методологии экспериментальных исследований, оптимизации процессов измерений и обработке полученной информации позволяет оптимизировать исследуемые процессы по требуемым критериям и получить научно обоснованные рекомендации.
Информационные технологии
на этапе разработки математической теории
планирования эксперимента
Основной задачей этапа является разработка рациональных методик испытаний отдельных узлов перед сборкой устройства в целом и устройства после его сборки. На основании этой инфор-
мации производится разработка схемы размещения датчиков, определение необходимой контрольно-измерительной аппаратуры, а также разработка автоматизированной системы управления экспериментом. Разработка многофакторного эксперимента, каким является экспериментальное исследование криогенных электротехнических устройств, представляет собой исключительно сложную научную и техническую задачу. Кроме традиционных электрических, электромагнитных и механических измерений необходимы исследования, контролирующие сверхпроводящее состояние токоведущих элементов; исследования, связанные с функционированием криогенной техники, и др. Все это может быть решено только на основе современных компьютерных технологий с постоянным совершенствованием экспериментальной базы и технологии получения информации и ее обработки.
В качестве примера приведем результаты некоторых разработок.
Методы исследования характеристик конструкционных наноматериалов и сверхпроводников с помощью зондовой микроскопии (рис. 7 и 8, а, б) обеспечивают проведение исследований характеристик и свойств наноматериалов (в том числе ВТСП) с поддержкой ряда измерительных мето-
■ Рис. 7. Сканирующий зондовый микроскоп с сольвером
■ Рис. 9. Общий вид измерительного комплекса:
1 — стойка с приборами; 2 — персональный компьютер; 3 — электрический шкаф управления; 4 — ЛАТР; 5 — датчик положения ротора; 6 — синхронный ВТСП-двигатель в криостате; 7 — сосуды Дюара с жидким азотом
дик. К ним относятся контактная и резонансная атомно-силовая микроскопия, микроскопия латеральных сил, метод отображения фазы, метод модуляции силы, изображение силы агдезии, отображение сопротивления растекания, сканирующая емкостная микроскопия, метод зонда Кельвина, магнитно-силовая микроскопия, электронно-силовая микроскопия. Исследовательский комплекс включает атомно-силовой микроскоп, рабочую станцию управления атомно-силовым микроскопом, лазер, набор зондовых датчиков, платформу установки и перемещения образцов, а также сканер-анализатор магнитного поля.
Универсальная компьютерная система комплексного контроля и регистрации параметров работы оборудования (рис. 9) предназначена для контроля, регистрации и последующей обработки результатов испытаний опытного образца электроэнергетической установки. Система включает блок измерителей, позволяющий получать информацию о величинах фазных и линейных напряжений и токов, температуре ВТСП-устройств и магнитной индукции генератора и двигателя. Измерения производятся с помощью специализированных датчиков, обеспечивающих точное
измерение параметров установки и ее гальваническую развязку с системой обработки информации. Кроме того, в ее состав входят усилительный блок, предназначенный для согласования по напряжению и нормировки сигналов датчиков; блок аналого-цифровых преобразователей на базе модулей АЦП-ЦАП 16/16 SigmaUSB, позволяющих подключать и обрабатывать разнородные источники сигналов с различными частотными диапазонами и проводить сравнительный анализ. Цифровой вход/выход может использоваться для контроля и управления дискретными элементами: реле, переключателями, концевыми датчиками. Модуль может быть использован автономно в качестве контроллера для систем обработки сигналов и управления различными устройствами и исполнительными механизмами.
Заключение
Таким образом, только использование новейших достижений информационных технологий на всех этапах создания инновационной техники — от выбора направления работ до приемо-сдаточных экспериментальных исследований готовых изделий — позволяет выполнять исследования на высоком научно-техническом уровне, в короткие сроки и на уровне лучших мировых образцов.
Литература
1. Chubraeva L., Sokolovsky V., Meerovich V. Investigation of inductive FCL with a split winding and SMES with magnetic core intended for operation in superconducting complexes // Сверхпроводимость: исследования и разработки. 2010. № 1. С. 23-31.
2. Чубраева Л. И., Шишлаков В. Ф. и др. Физическое моделирование процессов в ВТСП проводах и изделиях // Информационно-управляющие системы. 2011. № 4. С. 47-52.
3. Чубраева Л. И., Шишлаков В. Ф. и др. Физическое моделирование потерь на трение в режиме холостого хода синхронного ВТСП двигателя // Информа-ционно-управляющие системы. 2011. № 3. С. 34-46.
йй^ 15
