Σχεδίαση και έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης (Switched Reluctance Machines – SRMs)

Abstract

This Ph.D. thesis, entitled "Design and Control of Switched Reluctance Machines - SRMs", constitutes an analytical and thorough study on the principles of operation and control of the SRMs. The main objective of this work is to highlight the potentials and drawbacks of SRM drive systems and to propose practical solutions that will improve and enhance their performance. The basis for this procedure lies in the profound analysis of the operation and the complex electromagnetic phenomena of the SRMs. The detailed finite element analysis (FEA) that was carried out for the electromagnetic field of the SRM, was an invaluable asset for the forthcoming steps. Based on the observations made and the collected data, a prototype 6/4 SRM was designed and fully constructed in the lab. An integrated drive system with asymmetric single phase inverters driven by a digital signal processor (DSP) was developed for the prototype SRM in order to experimentally validate the introduced control techniques. In this work, a novel nonlinear and high performance current control technique is developed for controlling the phase currents of an SRM, based on the sliding mode control theory. The introduced technique achieves precise current regulation and excellent dynamic performance with approximately constant switching frequency and uniform semiconductor utilization. The comparison with the established current control techniques for SRM drives as well as the experimental verification of the feasibility of the control scheme fully support the superiority of the introduced technique. Moreover, in this work a novel sensorless estimator for the accurate estimation of the rotor angular position and the produced electromagnetic torque of an SRM is introduced and analyzed. The proposed estimator is capable of obtaining an accurate estimation for the aforementioned quantities even in the cases where two SRM phases are conducting simultaneously. The operation of this estimator is based on the finite element analysis data collected for single phase excitation of the SRM in question. Finally, this thesis highlights many aspects that need a more thorough view and pinpoints some interesting issues that can be an initiative for further research. The forthcoming developments and enhancements will make it feasible for SRM drives to play a significant role in future applications.

Η προκειμένη διδακτορική διατριβή, που τιτλοφορείται «Σχεδίαση και Έλεγχος Ηλεκτρικών Μηχανών Μεταβλητής Μαγνητικής Αντίστασης (Switched Reluctance Machines - SRMs)», αποτελεί μια αναλυτική και ενδελεχή μελέτη επί της λειτουργίας και του ελέγχου των SRMs. Κύρια επιδίωξη της εργασίας αποτελεί η σκιαγράφηση των δυνατοτήτων αλλά και των αδυναμιών των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης με SRMs και η ανάπτυξη προτάσεων που θα βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά τους. Πρώτο βήμα στην πορεία αυτή είναι η ανάλυση της λειτουργίας των SRMs και των σύνθετων ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που συνδέονται με αυτή. Από τη λεπτομερή ανάλυση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEA), προέκυψαν σημαντικές παρατηρήσεις και ιδιαίτερα χρήσιμα δεδομένα, τα οποία αποτέλεσαν το εφαλτήριο για τη συνέχεια. Βάσει αυτών μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε εκ βάθρων πρότυπη 6/4 SRM, καθώς και η σχετική διάταξη οδήγησης με ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος που ελέγχονται από ψηφιακό επεξεργαστή σήματος (DSP). Η ανωτέρω πειραματική διάταξη χρησιμοποιείται για την πειραματική επιβεβαίωση των νέων προτεινόμενων τεχνικών ελέγχου. Στα πλαίσια της διατριβής, αναπτύχθηκε νέα μη γραμμική τεχνική για τον ακριβή έλεγχο του ρεύματος φάσεως μιας SRM, η οποία βασίζεται στην τεχνική ελέγχου με ολίσθηση επί επιφάνειας (sliding mode control). Η νέα τεχνική παρέχει ρύθμιση ρεύματος με εξαιρετική δυναμική συμπεριφορά και ακρίβεια, ενώ εξασφαλίζει περίπου σταθερή διακοπτική συχνότητα και ομοιόμορφη χρήση των ημιαγωγών. Η αντιπαραβολή της με τις καθιερωμένες τεχνικές ελέγχου και η πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων τεκμηριώνουν πλήρως την επιλογή της. Επιπλέον, αναλύθηκε και προτάθηκε κατάλληλος εκτιμητής άνευ αισθητήρα (sensorless) της γωνιακής θέσεως του δρομέα και της αναπτυσσόμενης ηλεκτρομαγνητικής ροπής, ο οποίος επιτρέπει την ακριβή εκτίμηση των εν λόγω μεγεθών, ακόμα και όταν περισσότερες της μιας φάσεις της SRM άγουν ταυτοχρόνως. Η λειτουργία του εκτιμητή βασίζεται στα δεδομένα που εξήχθησαν από την ανάλυση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που προηγήθηκε. Εν κατακλείδι, η παρούσα διατριβή δημιουργεί πάμπολλα εναύσματα για περεταίρω μελέτη και ανοίγει νέες ερευνητικές ατραπούς, οι οποίες θα ωθήσουν τα συστήματα ηλεκτρικής κίνησης με SRMs να λάβουν μια καίρια θέση στις εφαρμογές του μέλλοντος.