Μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση ελέγχου βοηθητικών προωστήριων μηχανισμών πλοίου

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται τα συστήματα ελέγχου των ασύγχρονων κινητήρων για εφαρμογές ηλεκτροκίνησηςμε στόχο το σχεδιασμό βέλτιστης λειτουργίας συστήματος βοηθητικής πρόωσης πλοίου. Για το σκοπό αυτό εξετάζονται τόσο οι πιο πρόσφατες τάσεις όσο και οι κλασικές μεθοδολογίες στην ανάπτυξη των βασικών συνιστωσών του ελέγχου κινητήρων εναλλασσομένου ρεύματος. Επιπλέον, μοντελοποιείται και προσομοιώνεται το σύστημα ηλεκτρικής κίνησης περιλαμβάνοντας το σύστημα οδήγησης ασύγχρονου κινητήρα ισχύος 120 kW εφαρμόζοντας τρεις διαφορετικές τεχνικές ελέγχου. Κύριος σκοπός των συγκεκριμένων μοντέλων είναι η άμεση, ευσταθής και ενεργειακά αποδοτικότερη λειτοργία των βοηθητικών προωστήριων μηχανισμών. Σε ένα πρώτο βήμα, εξετάζεται η λειτουργία των συστημάτων ηλεκτροπρόωσης πλοίων και αναλύονται οι βασικές συνιστώσες τους. Επιπλέον, αναλύεται το ηλεκτρικό δίκτυο του υπό μελέτη πλοίου, βάσει του οποίου έχει σχεδιασθεί και ο πρότυπος ασύχρονος κινητήρας 120kW για τα συστήματα βοηθητικής πρόωσης. Επιπλέον, στα πλαίσια της σχεδίασης του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος, αναλύονται η διαμόρφωση και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των μηχανών επαγωγής και διερευνώνται οι μεθοδολογίες οδήγησής τους. Στη συνέχεια, σχεδιάζονται και αναπτύσσονται τα μοντέλα ελέγχου για την οδήγηση του βοηθητικού προωστήριου μηχανισμού πλοίου. Συγκεκριμένα, στο πρώτο μοντέλο ελέγχου υλοποιείται η λογική του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στο πεδίο (Field Oriented Control, FOC), χρησιμοποιώντας εκτιμητή ροής βασισμένο στο μοντέλο ρεύματος. Η διάταξη του μετατροπέα αποτελείται από έναν τριφασικό ανορθωτή διόδων, έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης για τη ρύθμιση του ζυγού συνεχούς τάσης και έναν τριφασικό αντιστροφέα τύπου γέφυρας ενώ η τεχνική διαμόρφωσης του ρεύματος πραγματοποιείται μέσω ελέγχου σε ζώνη υστέρησης (Hysteresis Band Current Controller, HBCC). Στο δεύτερο μοντέλο ελέγχου χρησιμοποιείται επίσης η λογική του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στο πεδίο, η διάταξη των μετατροπέων διατηρείται ίδια, όμως ο εκτιμητής ροής βασίζεται στο μοντέλο τάσεων της μηχανής και η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών υλοποιείται μέσω διανυσμάτων κατάστασης του αντιστροφέα (Space Vector Modulation, SVM). Στο τρίτο μοντέλο ελέγχου εξετάζεται η κλασική τεχνική ελέγχου σταθερού λόγου V/F σε ανοικτό βρόχο χρησιμοποιώντας τοπολογία ανορθωτή με θυρίστορ, η οποία αποτελεί τυπική εφαρμογή σε συστήματα οδήγησης βοηθητικών προωστήριων μηχανισμών πλοίων. Τέλος, με τα μοντέλα οδήγησης ασύγχρονων κινητήρων που αναπτύχθηκαν πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας λογισμικό δυναμικής προσομοίωσης του κινητήρα επαγωγής. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αριθμητικά αποτελέσματα και συγκρίνονται οι μεθοδολογίες ελέγχου, ως προς τον βαθμό απόδοσης, τον συντελεστή ισχύος, την καταναλισκόμενη ενέργεια και την ποιότητα παρεχόμενης ισχύος στον κινητήρα σε λειτουργία εκκίνησης, κατά τη διάρκεια ελιγμών.

This thesis studies the control systems of asynchronous electric motors in applications of auxiliary propulsion systems for ships. For this purpose, both the recent trends as well as the classic methodologies in the development of the main components for AC motor control are examined. Furthermore, an electric drive system of 120kW induction motor has been modeled and simulated, applying different control methodologies. The main target of these models is the direct, stable and energy efficient operation of the auxiliary propulsion mechanisms. Initially, the operation of the ship’s electric propulsion systems is examined and their main components are analyzed. Furthermore, the electric network of the case-study ship is analyzed, where a prototype 120kW thruster has been considered. In order to proceed with the design of the electric drive system, the structure and operating characteristics of induction machines are analyzed and their driving methodologies are investigated. In a next step, the control models are designed and implemented in the drive system of bow and stern thrusters. More specifically, the first control model developed is based on vector – field oriented control (Field Oriented Control-FOC) technique, using a current model flux estimator. The converter topology is consisted of a three-phase diode rectifier, a DC-DC voltage converter for adjusting the DC bus voltage and a full bridge three-phase inverter, while the current control is realized by using hysteresis band technique (Hysteresis Band Current Controller, HBCC). In the second model, the vector - field oriented control technique is equally implemented, the converters topology remains the same, but a voltage model flux estimator and Space Vector Modulation (SVM) technique have been adopted. In the third control model developed, a classical fix V/F ratio control is used in open loop using a thyristor rectifier topology, which is a typical application in the steering of auxiliary propulsion mechanisms. Finally, the developed drive system models, implementing various control techniques, are used in simulations by means of dynamic motor model. The respective results are presented and the control methodologies are evaluated in terms of motor’s efficiency, power factor, energy consumption and power quality at starting operation, during ship’s maneuvering.