Έλεγχος κινητήρα μονίμων μαγνητών για εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται τα συστήματα ελέγχου των σύγχρονων κινητήρων μονίμων μαγνητών για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης με στόχο το σχεδιασμό συστήματος ηλεκτρικής πρόωσης λεωφορείου μεταφοράς προσωπικού. Για το σκοπό αυτό εξετάζονται οι πιο πρόσφατες τάσεις στην ανάπτυξη των βασικών συνιστωσών του ελέγχου κινητήρων εναλλασσομένου ρεύματος, μοντελοποιείται και προσομοιώνεται το σύστημα ηλεκτρικής κίνησης περιλαμβάνοντας την οδήγηση κινητήρα ισχύος 100 kW εφαρμόζοντας διαφορετικές μεθοδολογίες ελέγχου και κατασκευάζεται πειραματική διάταξη κινητήρα – αντιστροφέα μικρότερης κλίμακας για την πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Σε ένα πρώτο βήμα, εξετάζεται η λειτουργία των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης και αναλύονται οι βασικές συνιστώσες τους. Στην συνέχεια, στα πλαίσια της σχεδίασης του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος, αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο της σύγχρονης μηχανής μονίμων μαγνητών (ΣΜΜΜ) που μελετάται και διερευνώνται οι σύγχρονες τοπολογίες μετατροπέων δύο αλλά και περισσοτέρων επιπέδων που χρησιμοποιούνται για την οδήγησή της. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών των μετατροπέων και ιδίως του αντιστροφέα πηγής τάσης για τον οποίο εξετάζεται η λειτουργία ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM), η διαμόρφωση μέσω διανύσματος χώρου (Space Vector Modulation, SVM) και η διαμόρφωση εύρους παλμών με χρήση ελεγκτή υστέρησης (Hysteresis Band Current Controller, HBCC). Οι διάφορες τοπολογίες και μέθοδοι διαμόρφωσης συγκρίνονται και τα αποτελέσματα της σύγκρισης οδηγούν σε συμπεράσματα για τη σκοπιμότητα ενσωμάτωσής τους και αντίστοιχα την καταλληλότητά τους στις συγκεκριμένες εφαρμογές ηλεκτροκίνησης. Στη συνέχεια προσομοιώνεται και συγκρίνεται η συμπεριφορά των δύο πιο διαδεδομένων μεθόδων ελέγχου κινητήρων μονίμων μαγνητών, του ελέγχου προσανατολισμένου πεδίου (Field Oriented Control, FOC) και του άμεσου ελέγχου ροπής με χρήση πίνακα επιλογής διανύσματος (Switching Table Direct Torque Control, ST-DTC) τόσο σε μεταβατική, όσο και σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Στα πλαίσια της διερεύνησής τους επιχειρήθηκε η προσαρμογή του άμεσου ελέγχου ροπής με την προσθήκη βρόχων ελέγχου ροής έτσι ώστε να ανταποκρίνεται καλύτερα σε υψηλότερες απαιτήσεις ροπής. Τέλος, κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη μικρότερης ισχύος για τις ανάγκες ηλεκτρικής πρόωσης πρότυπου οχήματος οικονομικής μετακίνησης και εξετάστηκε η λειτουργία του βαθμωτού ελέγχου ανοιχτού βρόχου (Open Loop Scalar Control) σε εφαρμογή πλήρους ηλεκτρικού συστήματος κίνησης, η οποία επιβεβαίωσε τη δυνατότητα ικανοποιητικής επίτευξης των στόχων που τέθηκαν αλλά ανέδειξε και τη σκοπιμότητα υλοποίησης των στρατηγικών ελέγχου ροπής κλειστού βρόχου.

Τhis diploma thesis analyzes permanent magnet synchronous motor drives for electric vehicle applications and in particular the design of the electrical propulsion system of a personnel transportation bus. Therefore, the most recent trends in the field of ac motors control are studied, while the electric drive of a 100 kW motor is modeled and simulated using various control methodologies. Finally, an experimental setup of an inverter driven permanent magnet synchronous motor is developed in order to validate experimentally the obtained simulation results. In a first step, electric drive systems operation is studied and the key components are analyzed. Moreover, the theoretical background for the analysis of the permanent magnet synchronous machine (PMSM), which is implemented in the electric bus, is presented, while modern multilevel converter topologies are examined. Particular emphasis is given to converter pulse width modulation techniques focusing on two-level voltage source inverters (VSI). Sinusoidal pulse width modulation (SPWM), space vector modulation (SVM) and hysteresis band current controller (HBCC) methods are compared in order to draw conclusions concerning their ability for integration and suitability for this class of electric drive applications. In a second step, the performance of two widely used methods for permanent magnet synchronous motor control are simulated and compared. Particularly, field oriented control (FOC) and switching table direct torque control (ST-DTC) characteristics are tested under steady state and transient operating conditions. In addition, an adaptation of direct torque control method is introduced, by adding convenient field control loops in order to achieve better responses in case of high torque demands. Finally, a smaller power experimental setup has been developed for an all-electric vehicle prototype with low energy consumption. The implemented Open Loop Scalar Control strategy demonstrated a sufficient compatibility with the specified targets, while it illustrated the feasibility for implementing closed-loop torque control strategies.