Μελέτη και κατασκευή ηλεκτρονικού μετατροπέα με στόχο τον έλεγχο κινητήρα μονίμων μαγνητών για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί αφενός τη μελέτη του ελέγχου του συστήματος οδήγησης πρότυπου ηλεκτρικού οχήματος και αφετέρου την αξιολόγηση της απόδοσής του σύμφωνα με πειραματικές μετρήσεις μετά το σχεδιασμό και την κατασκευή του. Το σύστημα κίνησης σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε με στόχο τη συμμετοχή του οχήματος σε πανευρωπαϊκό διαγωνισμό εξοικονόμησης ενέργειας στην κατηγορία των αποκλειστικά ηλεκτρικών πρότυπων μονοθέσιων οχημάτων.

Αρχικά, παρουσιάζεται η δομή των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης οχημάτων και οι βασικές συνιστώσες τους. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι συνιστώσες του κυκλώματος ισχύος του κινητηρίου συστήματος που υλοποιήθηκε για τις ανάγκες του διαγωνισμού. Αφού αιτιολογηθεί η επιλογή του τύπου της μηχανής ως μηχανή μονίμων μαγνητών, γίνεται εκτενής αναφορά στο δυναμικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των προσομοιώσεων. Ο τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης είναι το είδος του μετατροπέα που υπαγορεύεται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Για αυτό το λόγο αναλύονται οι λειτουργίες τετραγωνικού παλμού και διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) του μετατροπέα αυτού. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη λειτουργία ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM) και στη διαμόρφωση εύρους παλμών με έλεγχο του ρεύματος σε ζώνη υστέρησης (HBCC). Παρουσιάζονται επίσης οι κυριότερες μεθοδολογίες βαθμωτού και διανυσματικού ελέγχου συστημάτων οδήγησης μηχανών μονίμων μαγνητών με αντιστροφέα πηγής τάσης. Ακολουθεί η μοντελοποίηση του κινητηρίου συστήματος, ώστε να προσομοιωθεί η συμπεριφορά του, χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες μεθοδολογίες ελέγχου σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Γίνεται αποτίμηση των αποτελεσμάτων και σύγκριση των μεθοδολογιών. Επιπλέον, διερευνάται η εφαρμογή μεθοδολογίας αλγορίθμου ελαχιστοποίησης απωλειών στο παρόν κινητήριο σύστημα. Κατόπιν, παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής του συστήματος οδήγησης, αλλά και ο υπολογισμός του βαθμού απόδοσής του με τη χρήση κατάλληλης πειραματικής διάταξης. Τέλος, παρουσιάζονται οι αποκρίσεις των βασικών μεγεθών του κινητηρίου συστήματος συγκριτικά με την προσομοίωση και αποτιμάται η ορθότητα του δυναμικού μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε.

This diploma thesis concerns both the study of a prototype electric vehicle drive control and the evaluation of its efficiency with the use of experimental measurements after its design and construction. The motion system was designed and constructed in order to participate in a European fuel saving competition in all electric prototype vehicles category.

Firstly, the structure of electric motion systems for vehicles and their components are presented. The power circuit components of the constructed motion system are also mentioned. After the selection of the machine as a synchronous permanent magnet machine (PMSM) is explained, an extended reference on the dynamic model used in the simulation is made. The three phase voltage source inverter (VSI) is the type of converter that proves to be suitable for this application. For this reason, the square wave and pulse width modulation (PWM) modes are presented. Special emphasis is given to the sinusoidal pulse width modulation (SPWM) and hysteresis band current control (HBCC) modes. Moreover, the fundamental scalar and vector control techniques for permanent magnet machine drives using voltage source inverters are presented. The modeling of the motion system is followed by simulation of its performance using the above mentioned control techniques for various operating conditions. Evaluation and comparison of the results is made. A loss minimization algorithm for permanent magnet machines is also applied. On the final section of this thesis, the design and construction of the drive, as well as the calculation of its efficiency using specific experimental setup, are presented. Finally, the experimental responses of the motion system variables are presented along with the simulation results and estimation is made to the propriety of the dynamic model that was used for this application.