Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Využití moderních SiC prvků pro výkonové polovodičové měniče ve středofrekvenční oblasti

SP2013/80

null

prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.
prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.

01. 01. 2013 - 31. 12. 2013

Předmětem projektu je vývoj nové řady měničů středního výkonu, měničů s využitím moderních SiC polovodičových prvků a měničů se středofrekvenčním transformátorem pro užití v systémech akumulace a transformace elektrické energie, který zahrnuje realizaci prototypu měniče vhodného pro další výrobu a jeho ověření ve vybraných aplikacích s akumulací a transformací elektrické energie. V obecné rovině je akumulace a transformace elektrické energie historicky jedním ze základních technologických problémů energetických soustav. Aktuální problém současnosti spočívá v lokálním a časově neefektivním rozložení výkonů výroby a požadavků spotřeby. Intenzitu požadavků na akumulaci elektrické energie stupňuje i vzrůstající část instalovaného výkonu získaného z obnovitelných zdrojů. Transformace energie na bázi klasických 50Hz transformátorů je v energetice velice rozšířeným prvkem. Mezi nevýhody tohoto způsobu konverze energie patří velká hmotnost, objem, cena a účinnost 50Hz transformátorů. Návrh projektu výzkumu a vývoje výkonových polovodičových systémů pro akumulací a/nebo transformaci elektrické energie vzniknul z aktuálních a neustále se zvyšujících potřeb uplatnění reverzibilních měničů pro obousměrné řízení toku elektrické energie jak v dopravě, tak v energetice obnovitelných zdrojů. Pro řešení uvedené tématiky vedlo řešitelský tým několik základních skutečností: • využití výzkumného potenciálu řešitelského pracoviště uchazeče pro podporu řešení společensky aktuálního problému v souladu s energetickou koncepcí EU a ČR při snižování emisí a zvyšování podílu obnovitelných zdrojů, • využití moderních SiC polovodičových prvků a středofrekvenčních planárních transformátorů, • aktivní orientaci výzkumně vývojového potenciálu vysoké školy na výstupy vhodné pro využití v průmyslu s možností podpory vzniku výzkumného týmu mladých výzkumných pracovníků a doktorandů, • vytvoření nového výrobku pro technologie s vícenásobným užitím mezioborového charakteru, • zajištění aplikovatelnosti výsledků projektu na starší, nebo již provozovaná zařízení obnovitelných zdrojů, • vysoký exportní potenciál ověřeného řešení, nebo jeho částí.

Ing. Petr Vaculík, Ph.D.
Ing. Petr Vaculík, Ph.D.
Ing. Aleš Havel, Ph.D.
Ing. Michal Hromják
Ing. Miroslav Uchoč
Ing. Daniel Kalvar
Ing. Josef Opluštil
Ing. Roman Šprlák
Ing. Martin Tvrdoň, Ph.D.
Ing. Martin Borski
Ing. Jiří Špička
prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.
prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.

V odborné oblasti je projekt zaměřen na návrh systémového řešení akumulace a transformace energie s využitím polovodičových měničů v oblasti realizace si klade za cíl vývoj nového polovodičového měniče s využitím SiC polovodičových prvků a středofrekvenčním planárním transformátorem s vysokou účinností a dynamikou pro spojení stejnosměrných a střídavých soustav s akumulací a transformací elektrické energie, vytvoření prototypu měniče pro vybranou aplikaci, návrh variantních řešení.
Navržený projekt je časově rozložen do čtyř etap řešení:
• Provedení rešerší stávajícího stavu, studium parametrů a následný výběr SiC polovodičů a středofrekvenčních transformátorů, numerické simulace elektrických a tepelných dějů v hlavních součástech soustavy, návrh a dimenzování měniče se sdruženou funkcí pro transformaci energie, pohon vozidla i nabíjení akumulátoru, nebo příp. v aplikaci akumulačního systému malé fotovoltaické elektrárny, návrh konstrukčního řešení měniče a hlavních součástí soustavy a nákup hlavních komponentů pro realizaci.
• Realizace a stavba výkonové části měniče, návrh hardware a řídicího software měniče a jeho odladění, funkční a zatěžovací zkoušky měniče.
• Uvedení aplikace do provozu, laboratorní a provozní zkoušky.
• Finální odzkoušení systému akumulace, či transformace s novým typem polovodičového měniče a s vyhodnocením jeho vlastností, kompletace dokumentace a projekčních podkladů pro výrobu, vytvoření modulového řešení funkčního vzoru pro akumulaci energie ve stejnosměrných obvodech včetně modifikace řídicího software.

Hlavním cílem projektu je vývoj nového speciálního polovodičového měniče s moderními SiC polovodičovými prvky, středofrekvenčním transformátorem a s vysokou účinností a dynamikou středního výkonu pro využití v systémech akumulace a transformace elektrické energie. Doplňujícím cílem projektu je návrh a vývoj struktur pro akumulaci elektrické energie opírající se o navržený a realizovaný polovodičový měnič, resp. jeho zjednodušené varianty s uplatněním pokrokových technologií např. rekuperace energie, či ostrovní režim zdroje energie v souladu s požadavky energetické koncepce ČR a EU. Důraz je kladen na mezioborovou využitelnost výsledků projektu v oblasti elektroenergetiky, dopravy a udržitelného rozvoje obnovitelných zdrojů energie.
Mezi dominantní přínosy projektu patří zefektivnění provozu stacionárních měničů, vybraných elektrických silničních, nebo kolejových vozidel, omezení nepříznivých zpětných vlivů dosud užívaných nabíjecích zařízení velkokapacitních akumulátorových baterií na napájecí síť, snížení nerovnoměrnosti dodávek obnovitelných zdrojů středního výkonu, zejména fotovoltaických, do napájecí sítě. Přínos projektu lze spatřit i v možnosti dodatečné montáže k již stávajícím obnovitelným zdrojům. Cíle projektu jsou v souladu s dlouhodobým záměrem Vysoké školy báňské – technické univerzity v Ostravě.
Řešitelský tým se skládá z velmi kvalifikovaných pracovníků Fakulty elektrotechniky a informatiky, kteří mají dlouholeté zkušenosti jak z úspěšného řešení projektů národního i mezinárodního charakteru z oblasti přeměny elektrické energie v polovodičových měničích, její akumulace, návrhu a konstrukce polovodičových měničů i elektromagnetické kompatibility elektrických sítí v návaznosti na využívání polovodičových měničů, tak teoretické znalosti i odborné zkušenosti z řešené problematiky. Velmi významné jsou znalosti a zkušenosti účastníků projektu z praktických realizací průmyslových i trakčních zařízení a jejich prosazení při exportu do zahraničí.