Βελτιστοποίηση της λειτουργίας κινητήρων μαγνητικής αντίστασης διακοπτικής τάσης διέγερσης και κατασκευή πρότυπης βέλτιστης διάταξης ελέγχου

Abstract

Το αντικείμενο του ερευνητικού προγράμματος είναι η μελέτη και η διερεύνηση του προβλήματος της ελαχιστοποίησης των απωλειών και της μείωσης των διακυμάνσεων της ροπής στους κινητήρες μαγνητικής αντίστασης διακοπτικής τάσης διέγερσης (switched reluctance motors), σ’ όλη την περιοχή ταχυτήτων. Ως αποτέλεσμα του προγράμματος αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι, για τις υψηλές και τις χαμηλές ταχύτητες αντίστοιχα, οι οποίες προσδιορίζουν on-line τις γωνίες έναυσης και σβέσης των παλμών της τάσης τροφοδοσίας, καθώς και το μέγεθος του ρεύματος κάθε φάσης, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η βέλτιστη λειτουργία του κινητήρα. Τα θεωρητικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με την κατασκευή ενός βέλτιστου κινητήριου συστήματος με μηχανή ισχύος 1hp, 4-φάσεων, 8/6 πόλων, χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία ελέγχου της μέσης ροπής. Απαραίτητη προϋπόθεση στη μελέτη ενός κινητήρα switched reluctance είναι η γνώση των καμπύλων μαγνήτισης. Οι καμπύλες μαγνήτισης του διαθέσιμου κινητήρα switched reluctance 1hp μετρήθηκαν σε μια από τις τέσσερις φάσεις του, καθώς ο κινητήρας είναι συμμετρικός, σε διάφορες θέσεις των πόλων του δρομέα μεταξύ της γωνίας ευθυγράμμισης και της γωνίας μη ευθυγράμμισης, ως προς τους αντίστοιχους πόλους του στάτη. Στη μέτρηση των καμπύλων μαγνήτισης κατασκευάστηκε ένας στοιχειώδης μετατροπέας ισχύος, ο οποίος παρέχει τους παλμούς τάσης στη μια φάση του κινητήρα. Ακόμη, υλοποιήθηκε η διάταξη μέτρησης των παλμών τάσης και του αντίστοιχου φασικού ρεύματος με γαλβανική απομόνωση και το πρόγραμμα επεξεργασίας των δεδομένων, με τη χρήση του λογισμικού Labview, για τη λήψη των καμπύλων μαγνήτισης. Χρησιμοποιώντας το εξειδικευμένο λογισμικό επίλυσης διαφορικών εξισώσεων για εφαρμογές ελέγχου Simnon, έγινε η προσομοίωση του πλήρους κινητήριου συστήματος με τη μηχανή switched reluctance. Στην προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε μια αναλυτική αριθμητική μέθοδος, η οποία προσεγγίζει τις καμπύλες μαγνήτισης του κινητήρα με μια περιοδική συνάρτηση, ως προς τη γωνία περιστροφής του δρομέα. Με την αναλυτική μέθοδο ο χρόνος της κάθε προσομοίωσης ήταν μόλις μερικές 10δες δευτερόλεπτα, σε αντίθεση με άλλες μεθόδους προσομοίωσης οι οποίες απαιτούν εξαιρετικά μεγαλύτερο χρόνο. Η προσομοίωση του κινητήριου συστήματος έγινε με ανοικτό και με κλειστό βρόχο ταχύτητας. Έτσι, μελετήθηκε η δυναμική συμπεριφορά του κινητήρα, η διακύμανση της ροπής και οι απώλειες ισχύος σε διάφορες τιμές των μεταβλητών ελέγχου, δηλαδή των γωνιών έναυσης και σβέσης και του πλάτους του φασικού ρεύματος. Με αναφορά τα δεδομένα από την προσομοίωση του κινητήριου συστήματος, σχεδιάστηκαν οι δύο βέλτιστοι ελεγκτές. Οι ελεγκτές εξασφαλίζουν τη λειτουργία του κινητήρα με τον ιδανικό συνδυασμό απωλειών ισχύος και ταλαντώσεων στη ροπή. Οι ελεγκτές βασίζονται σε αναλυτικές μαθηματικές σχέσεις, για τον υπολογισμό των γωνιών έναυσης και σβέσης στις υψηλές ταχύτητες και επιπλέον του πλάτους του φασικού ρεύματος στις χαμηλές ταχύτητες. Με τη χρήση των αναλυτικών σχέσεων στην υλοποίηση των βέλτιστων ελεγκτών, δεν απαιτείται η γνώση των καμπύλων μαγνήτισης του κινητήρα, οι οποίες είναι δύσκολο και δαπανηρό να μετρηθούν σε πολλές εφαρμογές. Επιπλέον, οι ελεγκτές υλοποιούνται εύκολα σε γλώσσα μηχανής στο μικροεπεξεργαστή και παρέχουν ταχεία απόκριση στο κινητήριο σύστημα. Οι ελεγκτές που αναπτύχθηκαν ικανοποιούν τον κύριο στόχο του ερευνητικού προγράμματος, ο οποίος είναι η εύκολη υλοποίησή τους, έτσι ώστε να μην αυξάνεται η πολυπλοκότητα και το κόστος της μονάδας οδήγησης. Επομένως, το πλήρες σύστημα κινητήρας-μονάδα οδήγησης είναι χαμηλού κόστους, προκειμένου να είναι ανταγωνιστικό των κινητήριων συστημάτων μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγικούς κινητήρες και κινητήρες μόνιμου μαγνήτη. Η αποτελεσματικότητα των βέλτιστων ελεγκτών στις χαμηλές και τις υψηλές ταχύτητες λειτουργίας του κινητήρα, επιβεβαιώθηκε με την κατασκευή ενός πειραματικού κινητήριου συστήματος με μηχανή switched reluctance ισχύος 1hp, 4-φάσεων, με 8 πόλους στο στάτη και 6 πόλους στο δρομέα. Η διάταξη ισχύος του μετατροπέα τύπου 4m, αποτελείται από δύο διακόπτες τύπου IGBT και δύο διόδους σε κάθε μια από τις τέσσερις φάσεις. Τα σήματα έναυσης των οκτώ συνολικά διακοπτών ισχύος παρέχονται από ένα κύκλωμα οδήγησης, το οποίο έχει υλοποιηθεί με διακριτά αναλογικά και ψηφιακά στοιχεία. Οι δύο βέλτιστοι ελεγκτές υλοποιήθηκαν μέσω ενός ειδικού ισχυρού μικροεπεξεργαστή των 32bits. Στον ίδιο μικροεπεξεργαστή ενσωματώθηκαν οι λειτουργίες ομαλής εκκίνησης και στάσης του κινητήρα, πρόσθετες διαδικασίες ασφαλούς λειτουργίας του κινητήρα και αλγόριθμοι για τη μέτρηση με ακρίβεια των κρίσιμων λειτουργικών παραμέτρων, όπως η ταχύτητα, η ροπή, η ισχύς απωλειών, τα φασικά ρεύματα. Ένα μεγάλο πλήθος μετρήσεων έχει ληφθεί από το κινητήριο σύστημα σε διάφορες καταστάσεις λειτουργίας. Στις στατικές συνθήκες λειτουργίας, όπου η ταχύτητα και η ροπή του κινητήρα είναι σταθερές, η λήψη και η επεξεργασία των μετρήσεων γίνεται μέσω του μικροεπεξεργαστή. Στις μεταβατικές καταστάσεις λειτουργίας, όπου η ταχύτητα είτε η ροπή μεταβάλλονται βηματικά, η καταγραφή της συμπεριφοράς του κινητήριου συστήματος γίνεται με τη χρήση ενός ψηφιακού παλμογράφου. Σ’ όλες τις περιπτώσεις λειτουργίας, οι απώλειες του κινητήριου συστήματος και η διακύμανση της ροπής ήταν σημαντικά μειωμένες με τη χρήση των βέλτιστων ελεγκτών, σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους ελέγχου του κινητήρα, χωρίς αρνητική επίπτωση στη μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος.