Σχεδίαση ελάχιστου λειτουργικού - κατασκευαστικού κόστους και δυναμικός έλεγχος απωλειών κινητήρων για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η διδακτορική έρευνα συνεισφέρει στη σχεδίαση ελάχιστου λειτουργικού και τεχνικού κόστους κινητήρων με την αναδιατύπωση της κλασσικής συνάρτησης βελτιστοποίησης επίδοσης, μέσω προσθήκης όρων εκθετικού αναπτύγματος, για τη μοντελοποίηση επιμέρους κατανομών κατασκευαστικού κόστους συναρτήσει των μεταβλητών βελτιστοποίησης. Η προτεινόμενη συνάρτηση κόστους έχει συνδεθεί με αλγόριθμο αναζήτησης μηδενικής τάξεως, κατά Rosenbrock και έχει εφαρμοστεί στη σχεδίαση σύγχρονων κινητήρων επιφανειακών μονίμων μαγνητών τυλίγματος πλήρους και κλασματικού βήματος επιτρέποντας την αξιολόγηση επιμέρους σχεδιάσεων στη βάση κοινών, συνδυαστικών κριτηρίων. Η σύγκριση των ολικά βέλτιστων σχεδιάσεων αναδεικνύει τεχνικά πλεονεκτήματα των συγκεντρωμένων τυλιγμάτων κλασματικού βήματος και ειδικά των τυλιγμάτων απλής στρώσης, ενώ η σύγκριση στη βάση της συνολικής λειτουργικής-κατασκευαστικής βελτιστοποίησης δείχνει ότι η αύξηση των προδιαγραφών επίδοσης μπορεί εν γένει να υποσκελίσει τα κριτήρια κόστους κατασκευής, οδηγώντας σε σχεδιάσεις ενδιάμεσου κατασκευαστικού κόστους.

Επίσης, η διδακτορική έρευνα συνεισφέρει στις τεχνικές δυναμικού ελέγχου των απωλειών πολλών σταδίων με την προτεινόμενη τεχνική προεπεξεργασίας των αναδράσεων ελεγκτών αναζήτησης ασαφούς λογικής, βάσει τροποποιημένης παραβολικής προσέγγισης της χαρακτηριστικής απόδοσης κινητήρα σε πραγματικό χρόνο, για την πρόβλεψη της μέγιστης απόδοσης. Η προτεινόμενη τεχνική συνδυάζεται με βελτιωμένο κυκλωματικό μοντέλο απωλειών 8ης τάξεως, το οποίο αξιοποιείται σε πραγματικό χρόνο, ως εκτιμητής απόδοσης. Ο προκύπτων υβριδικός ελεγκτής ενσωματώνεται σε ρυθμιστή τριών σταδίων αναζήτησης της βέλτιστης μαγνητικής ροής δρομέα και αυτός τέλος συνδέεται με τον κυρίως αλγόριθμο διανυσματικού ελέγχου. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική έχει προσομοιωθεί σε σύστημα κίνησης ηλεκτρικού οχήματος πόλης με ασύγχρονο κινητήρα, το οποίο μοντελοποιείται και εν συνεχεία εξομοιώνεται στο εργαστήριο υπό κλίμακα ισχύος. Ο προτεινόμενος ρυθμιστής συγκρίνεται με τους ρυθμιστές μαγνητικής ροής δύο σταδίων της βιβλιογραφίας, στη βάση τόσο της δυναμικής απόκρισης σε βηματικές μεταβολές όσο και της ενεργειακής κατανάλωσης κατά τον προτυποποιημένο κύκλο οδήγησης Extra-Urban Low-Powered (EULP). Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και η πειραματική τους επιβεβαίωση αναδεικνύουν βελτίωση του χρόνου σύγκλισης σε μεγάλες βηματικές μειώσεις του φορτίου και μειώσεις στην κατανάλωση της τάξεως του 3.5% για τον κύκλο EULP.

Η παραπάνω εξειδίκευση των ερευνητικών δράσεων σχεδιασμού και ελέγχου ηλεκτροκινητήρων υποστηρίχθηκε μέσω της ανάπτυξης εργαλείων λογισμικού και υλικού. Αφενός αναπτύχθηκε κώδικας παραμετρικής σχεδίασης και επίλυσης γεωμετρίας με χρήση πεπερασμένων στοιχείων και αφετέρου σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε πρότυπη πειραματική διάταξη έλεγχου και μετρήσεων ηλεκτροκινητήρων. Ταυτόχρονα, διερευνήθηκε η δυνατότητα συζευγμένου υπολογισμού παραμέτρων σχεδίασης και ελέγχου κινητήρων, με στόχο την μεταφορά της πολυκριτηριακής βάσης υπολογισμού από το επίπεδο των συνιστωσών σε επίπεδο συστήματος κίνησης. Η θεώρηση της προτεινόμενης σύζευξης εμπλέκει υψηλό υπολογιστικό κόστος, το οποίο σε εφαρμογές κίνησης υψηλών προδιαγραφών δύναται να αντισταθμιστεί από τα πρακτικά οφέλη.

The scientific research contributes to the electric motor design methodologies which are based on operational and manufacturing cost minimization. Specific reconfiguration of the performance optimization function has been proposed by introducing exponential series terms, for the representation of individual manufacturing cost distributions as a function of the optimization variables. The resulting cost function is coupled to a 0th order Rosenbrock - based search algorithm and has been applied for the design of synchronous permanent magnet motors with full and fractional pitch concentrated windings. The algorithm allowed for the evaluation of different geometrical configurations on the basis of common and combinative criteria. The comparison of the global optimum design illustrates the technical superiority of the concentrated fractional slot single layer windings. Additionally, the comparison on the common operational and technical basis shows that the high performance specifications can override the introduced manufacturing cost terms leading to optimal configurations with intermediate manufacturing cost.

Moreover, the research contributes to the dynamic loss minimization control techniques which utilize multistep search procedures. Specifically, a novel technique for the preprocessing of the fuzzy logic based search controller feedback has been introduced, incorporating modified real – time parabolic projection of the motor optimal efficiency. The parabolic projection technique is linked to an improved 8th order loss model circuit representation, which is used in order to estimate system efficiency at real time. The resulting hybrid controller is then coupled to a three step magnetic flux regulator, the latter configured as an external loop low priority controller with regard to the main vector control algorithm. The proposed architecture is used in order to control the drive train of a scaled city electric vehicle. The operation of the scaled drive train is then emulated by the laboratory setup. The proposed regulator is compared to the two - step flux regulators of the recent literature on the basis both of step response and energy consumption during the standardized Extra - Urban Low - Powered (EULP) driving cycle. The simulation and experimental results verify the improvement of the dynamic response in case of large load drops leading to 3.5% reduction of energy consumption during EULP, with regard to the two - steps optimizer.

The proposed research activities on motor design and control are supported by the development of software and hardware tools. On the one hand, motor design parameterization and analysis software based on finite element computations has been developed. On the other hand, a prototype motor control and measurements laboratory setup has been designed and implemented. Finally, the potentials for coupled computation of design and control parameters of traction motors have been investigated, in order to reposition the traditional multicriterial computation basis from the components level, to the drive system level. The introduction of the proposed coupling involves increased computational cost. The latter can be compensated by the practical benefits in the case of high performance traction system applications.