Έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την προσομοίωση ενός συστήματος για τον έλεγχο σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Permanent Magnet Synchronous Motor-PMSM). Σκοπός είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας ελέγχου η οποία να μπορεί να προσαρμοσθεί σε ένα σύστημα πρόωσης ενός πλωτο...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2021
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/15439 |
| id |
nemertes-10889-15439 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Σύγχρονες μηχανές Έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών Synchronous machines Electrical machines control |
| spellingShingle |
Σύγχρονες μηχανές Έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών Synchronous machines Electrical machines control Νικητοπούλου, Ευαγγελία Έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες |
| description |
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την προσομοίωση ενός συστήματος για τον έλεγχο σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Permanent Magnet Synchronous Motor-PMSM). Σκοπός είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας ελέγχου η οποία να μπορεί να προσαρμοσθεί σε ένα σύστημα πρόωσης ενός πλωτού μέσου. Προκειμένου όμως η μέθοδος η οποία αναπτύσσεται να μπορεί να αξιοποιηθεί στην κατασκευή του συστήματος ελέγχου στο εργαστήριο, χρησιμοποιείται μια σύγχρονη μηχανή με μικρά χαρακτηριστικά μεγέθη.
Αρχικά, παρουσιάζονται οι τύποι μηχανών που αξιοποιούνται στα συστήματα πρόωσης πλωτών μέσων. Επίσης, θεμελιώνεται η ανάγκη για χρήση υβριδικών και ηλεκτρικών προωστήριων συστημάτων στα πλωτά μέσα μεγάλης ισχύος. Σε αυτή την κατεύθυνση περιγράφεται η λειτουργία του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη για αξιοποίηση σε ένα τέτοιο μέσο.
Ακολουθεί η θεωρητική ανάλυση τόσο της βασικής θεωρίας που αφορά τη λειτουργία των μόνιμων μαγνητών όσο και των μηχανών που τους περιέχουν ως δομικά στοιχεία. Αυτά αποτελούν βασικό υπόβαθρο προκειμένου να γίνει κατανοητή η λειτουργία της σύγχρονης μηχανής, αλλά και να εξηγηθεί το μοντέλο που την προσομοιώνει.
Αναλύεται η λειτουργία ενός κινητήριου συστήματος που περιλαμβάνει αφενός τον σύγχρονο κινητήρα και αφετέρου τον τριφασικό αντιστροφέα τάσης. Ο αντιστροφέας τάσης δέχεται κατάλληλα σήματα προκειμένου να τροφοδοτήσει τον στάτη της σύγχρονης μηχανής. Για την παραγωγή αυτών των σημάτων απαιτείται η χρήση κατάλληλης μεθόδου διανυσματικού ελέγχου, η οποίος με την σειρά της προϋποθέτει την ανίχνευση της θέσης του δρομέα. Το συνολικό σύστημα ολοκληρώνεται με τη μοντελοποίηση ενός παρατηρητή προκειμένου να εκτιμηθούν τα επιθυμητά σήματα, μέσω των μετρούμενων μεγεθών της μηχανής.
Στη συνέχεια ακολουθεί η παρουσίαση των διάφορων τεχνικών παλμοδότησης για τον αντιστροφέα αλλά και οι τεχνικές ελέγχου για ΣΜΜΜ. Τελικά επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί ο διανυσματικός έλεγχος με προσανατολισμό στο πεδίο του δρομέα. Απαραίτητο στοιχείο για την οδήγηση του εν λόγω κινητήρα είναι η γνώση της θέσης του δρομέα. Η λογική που υιοθετείται για τον υπολογισμό της θέσης είναι η εκτίμηση της γωνίας του δρομέα χωρίς τη χρήση αισθητήρων. Προς το σκοπό αυτό, μοντελοποιείται ένας παρατηρητής ο οποίος στηρίζεται στα σήματα εξόδου της μηχανής και μέσω αυτού εκτιμάται η τάση εξ επαγωγής και κατ’ επέκταση η γωνιακή θέση του δρομέα.
Ακολούθως, η προσομοιώνεται το συνολικό σύστημα σε περιβάλλον Matlab-Simulink, μέσω του οποίου επιβεβαιώνεται η ορθότητα της λειτουργίας του συστήματος. Για τις προσομοιώσεις αξιοποιήθηκαν τα ισοδύναμα διακριτού χρόνου όσον αφορά τον παρατηρητή και ελήφθησαν υπόψιν οι πραγματικοί χρόνοι του συστήματος. Με αυτόν τον τρόπο, τα αποτελέσματα προσεγγίζουν όσο το δυνατόν τις πραγματικές τιμές ενός υλοποιήσιμου συστήματος αναλύεται η λειτουργία της μεθοδολογίας ελέγχου. Προκειμένου να ελεγχθεί η ορθή λειτουργία του συνολικού συστήματος, παρατηρητή και ελέγχου, η προσομοίωση δοκιμάζεται σε διαφορετικές τιμές της ταχύτητας αναφοράς, με μικρή ή μεγάλη απόκλιση από την ονομαστική τιμή. Τέλος, επιβεβαιώνεται ότι η σύγχρονη μηχανή είναι λειτουργική ακόμα και σε μεταβολές ορισμένων παραμέτρων (RS) λόγω εξωτερικών παραγόντων (π.χ. θερμοκρασία) κυρίως σε υψηλότερες στροφές αναφοράς. |
| author2 |
Nikitopoulou, Evangelia |
| author_facet |
Nikitopoulou, Evangelia Νικητοπούλου, Ευαγγελία |
| author |
Νικητοπούλου, Ευαγγελία |
| author_sort |
Νικητοπούλου, Ευαγγελία |
| title |
Έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες |
| title_short |
Έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες |
| title_full |
Έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες |
| title_fullStr |
Έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες |
| title_full_unstemmed |
Έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες |
| title_sort |
έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες |
| publishDate |
2021 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/15439 |
| work_keys_str_mv |
AT nikētopouloueuangelia elenchossynchronēsmēchanēsmemonimousmagnētes AT nikētopouloueuangelia fieldorientedcontrolofpermanentmagnetsynchronousmachine |
| _version_ |
1771297174874750976 |
| spelling |
nemertes-10889-154392022-09-05T06:58:17Z Έλεγχος σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες Field oriented control of permanent magnet synchronous machine Νικητοπούλου, Ευαγγελία Nikitopoulou, Evangelia Σύγχρονες μηχανές Έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών Synchronous machines Electrical machines control Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την προσομοίωση ενός συστήματος για τον έλεγχο σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Permanent Magnet Synchronous Motor-PMSM). Σκοπός είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας ελέγχου η οποία να μπορεί να προσαρμοσθεί σε ένα σύστημα πρόωσης ενός πλωτού μέσου. Προκειμένου όμως η μέθοδος η οποία αναπτύσσεται να μπορεί να αξιοποιηθεί στην κατασκευή του συστήματος ελέγχου στο εργαστήριο, χρησιμοποιείται μια σύγχρονη μηχανή με μικρά χαρακτηριστικά μεγέθη. Αρχικά, παρουσιάζονται οι τύποι μηχανών που αξιοποιούνται στα συστήματα πρόωσης πλωτών μέσων. Επίσης, θεμελιώνεται η ανάγκη για χρήση υβριδικών και ηλεκτρικών προωστήριων συστημάτων στα πλωτά μέσα μεγάλης ισχύος. Σε αυτή την κατεύθυνση περιγράφεται η λειτουργία του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη για αξιοποίηση σε ένα τέτοιο μέσο. Ακολουθεί η θεωρητική ανάλυση τόσο της βασικής θεωρίας που αφορά τη λειτουργία των μόνιμων μαγνητών όσο και των μηχανών που τους περιέχουν ως δομικά στοιχεία. Αυτά αποτελούν βασικό υπόβαθρο προκειμένου να γίνει κατανοητή η λειτουργία της σύγχρονης μηχανής, αλλά και να εξηγηθεί το μοντέλο που την προσομοιώνει. Αναλύεται η λειτουργία ενός κινητήριου συστήματος που περιλαμβάνει αφενός τον σύγχρονο κινητήρα και αφετέρου τον τριφασικό αντιστροφέα τάσης. Ο αντιστροφέας τάσης δέχεται κατάλληλα σήματα προκειμένου να τροφοδοτήσει τον στάτη της σύγχρονης μηχανής. Για την παραγωγή αυτών των σημάτων απαιτείται η χρήση κατάλληλης μεθόδου διανυσματικού ελέγχου, η οποίος με την σειρά της προϋποθέτει την ανίχνευση της θέσης του δρομέα. Το συνολικό σύστημα ολοκληρώνεται με τη μοντελοποίηση ενός παρατηρητή προκειμένου να εκτιμηθούν τα επιθυμητά σήματα, μέσω των μετρούμενων μεγεθών της μηχανής. Στη συνέχεια ακολουθεί η παρουσίαση των διάφορων τεχνικών παλμοδότησης για τον αντιστροφέα αλλά και οι τεχνικές ελέγχου για ΣΜΜΜ. Τελικά επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί ο διανυσματικός έλεγχος με προσανατολισμό στο πεδίο του δρομέα. Απαραίτητο στοιχείο για την οδήγηση του εν λόγω κινητήρα είναι η γνώση της θέσης του δρομέα. Η λογική που υιοθετείται για τον υπολογισμό της θέσης είναι η εκτίμηση της γωνίας του δρομέα χωρίς τη χρήση αισθητήρων. Προς το σκοπό αυτό, μοντελοποιείται ένας παρατηρητής ο οποίος στηρίζεται στα σήματα εξόδου της μηχανής και μέσω αυτού εκτιμάται η τάση εξ επαγωγής και κατ’ επέκταση η γωνιακή θέση του δρομέα. Ακολούθως, η προσομοιώνεται το συνολικό σύστημα σε περιβάλλον Matlab-Simulink, μέσω του οποίου επιβεβαιώνεται η ορθότητα της λειτουργίας του συστήματος. Για τις προσομοιώσεις αξιοποιήθηκαν τα ισοδύναμα διακριτού χρόνου όσον αφορά τον παρατηρητή και ελήφθησαν υπόψιν οι πραγματικοί χρόνοι του συστήματος. Με αυτόν τον τρόπο, τα αποτελέσματα προσεγγίζουν όσο το δυνατόν τις πραγματικές τιμές ενός υλοποιήσιμου συστήματος αναλύεται η λειτουργία της μεθοδολογίας ελέγχου. Προκειμένου να ελεγχθεί η ορθή λειτουργία του συνολικού συστήματος, παρατηρητή και ελέγχου, η προσομοίωση δοκιμάζεται σε διαφορετικές τιμές της ταχύτητας αναφοράς, με μικρή ή μεγάλη απόκλιση από την ονομαστική τιμή. Τέλος, επιβεβαιώνεται ότι η σύγχρονη μηχανή είναι λειτουργική ακόμα και σε μεταβολές ορισμένων παραμέτρων (RS) λόγω εξωτερικών παραγόντων (π.χ. θερμοκρασία) κυρίως σε υψηλότερες στροφές αναφοράς. This diploma thesis focuses on the study and simulation of a control system for a Permanent Magnet Synchronous Motor-PMSM. The aim is to develop a control strategy that can be used in a propulsion system of a vessel. However, in order for the method to be directly utilized and implemented in a small-scale Laboratory prototype, a synchronous motor with smaller output power is used. Initially, the types of machines used in marine propulsion systems are presented. Also, the need for the use of hybrid and electric propulsion systems in marine vessels with high demands of power is established. Considering this need, the operation of the modern permanent magnet motor for utilization in such vessels is described. The next step is analyzing the basic theory that describes the fundamentals of magnets and the operating principles of permanent magnet machines. This is the basic background, which is needed in order to understand the operation of the permanent magnet synchronous machine, but it also helps to explain the simulation model. The next step is the analysis of a system which includes on the one hand the motor and on the other hand the three-phase voltage inverter. The voltage inverter receives appropriate signals in order to supply the stator of the synchronous motor. In order to produce the driving pulses, an appropriate vector control method is required, which presupposes the detection of the rotor speed. The whole system is completed by modeling an observer, in order to estimate the desired signals, through the measured sizes of the motor. Then, the presentation of the various pulse modulation techniques for the inverter are presented among with the different control techniques for the PMSM. Finally, a field-oriented control method is proposed. A necessary information for driving this motor is the position of the rotor. Hence, a method of calculating the estimated angle is proposed. Particularly, a Luenberger observer is modeled, based on the output signals of the motor and through it, the inductive voltage is evaluated and consequently the angular position of the rotor. Afterwards, the overall system is simulated in a Matlab-Simulink environment, confirming the correct operation of the system. For the simulations, the equations derived from the equivalent discrete time model, were taken into account. In this way, the results are as close as possible to the actual values of a real system that can be implemented using this analysis. In order to evaluate the correct operation of the overall technique, consisting of the observer and the control system, the simulation is tested among different values of the reference speed Finally, it is confirmed that the synchronous motor is functional even in changes of certain parameters (RS) due to external factors (e.g. temperature) especially in higher reference speeds. 2021-10-25T05:28:27Z 2021-10-25T05:28:27Z 2021-10-20 http://hdl.handle.net/10889/15439 gr application/pdf |
