Entwicklung eines Phasenschiebers zur Ansteuerung einer Schwingungsanregung im Ringgitterprüfstand Göttingen (RPG)

Abstract

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Systems zur Phasenverschiebung von magneterregten Ringgitterschaufeln des Ringgitterprüfstandes Göttingen. Dabei sollen die Schaufeln in einem bestimmten Frequenzbereich schwingen, um aeroelastische Versuche an verschiedenen Turbinenschaufelprofilen durchzuführen. Die Ringgitterschaufeln werden zueinander phasenverschoben erregt, die Phasenverschiebung soll einstellbar sein. Der Fokus liegt auf einer hohen Präzision der Phasenverschiebung, die Einstellgeschwindigkeit kann als zweitrangig betrachtet werden. Das Signal soll möglichst analog erzeugt werden, um Diskretisierungen zu vermeiden. Das System besteht aus der Magneterregung an der jeweiligen Ringgitterschaufel, einer Leistungselektronik für jede Schaufel und einer Schaltung zur Regelung der Phasenverschiebung. Gesteuert wird die Phasenverschiebung über einen Arduino. Die gewünschten Einstellungen werden über eine Desktopanwendung vorgenommen. Die Desktopanwendung stellt eine serielle Verbindung per USB mit dem Arduino her und übermittelt darüber die eingestellten Daten. Der Arduino ist über einen SPI-Bus mit den verschiedenen Digitalpotentiometern verbunden. Die Phasenverschiebung wird durch die Addition von vier trigonometrischen Teilschwingungen erstellt und kommt durch die Änderung der Amplitude der Teilschwingungen zustande. Die Veränderung der Amplitude wird durch Operationsverstärker vorgenommen und demnach wird das Widerstandsverhältnis zwischen einem Digitalpotentiometer und einem konstanten ohmschen Widerstand dafür verwendet. Desweiteren kann auch die Amplitude des Gesamtsignals mit einem Digitalpotentiometer nach dem gleichen Prinzip gesteuert werden. Mittels dieser Methodik kann ein analoges Signal erzeugt werden, welches nur beim Wechsel der Phasenverschiebung einen Sprung aufweist. Anschließend wird das Signal durch einen Leistungsverstärker verstärkt, sodass letztendlich die Magneterregung stattfinden kann. Der Arduino enthält eine Regelung mittels eines P-Reglers mit dem Verstärkungsfaktor Eins und gleicht so Phasenabweichungen aus. Die Funktionsweise des Systems wurde auch theoretisch im Rahmen dieser Arbeit getestet. Es konnte eine erfolgreiche Signalerzeugung und ein theoretisches Regelungskonzept aufgezeigt werden. Eine praktische Umsetzung war auf Grund von Lieferproblemen der Leistungselektronik nicht möglich. Es wurden Verbesserungsmöglichkeiten des Systems identifiziert, welche im letzten Abschnitt der Arbeit aufgeführt und mögliche Lösungalternativen präsentiert wurden.