Ανάπτυξη βελτιωμένων τεχνικών ελέγχου ταχύτητας και εξοικονόμησης ενέργειας σε συστήματα ηλεκτρικής κίνησης

Abstract

In this PhD dissertation, a new control strategy has been developed that improves the performance of the speed control and the energy efficiency of electric motor drives which utilize energy storage systems (ESS) of either supercapacitors or batteries. The new control strategy has capability for generalized applicability, since it can be applied to both induction and permanent magnet synchronous motor drives. It consists of a combined scheme of two control techniques for the motor speed and ESS control that jointly contribute to the improvement of the performance and efficiency of the whole electric motor drive. The first technique can online and automatically estimate and fine-tune the parameters of a discrete-time model predictive controller for providing high performance speed control in three phase electric machine drives. The suggested control system combines the model reference adaptive (MRA) method with the fuzzy-logic technique and its operation can be automatically initiated without requiring any human intervention or the knowledge of the motor drive parameters. Therefore, no extra work by the user is needed to adjust the controller parameters according to the operating conditions and also, high performance is attained because any variations of the system model can be considered through a fine-tuning procedure. The auto-adaptive discrete-time model predictive control (ADMPC) scheme can be easily applied in a motor drive, since no additional hardware is required but only the replacement of the firmware of the motor drive. The proposed ADMPC strategy has been developed for both induction and permanent magnet synchronous motor drives by properly changing the mathematical methodology. Therefore, it has generalized applicability. Several simulation and experimental results for various operating conditions have been presented to validate the feasibility and effectiveness of the proposed ADMPC strategy.The second technique provides maximum exploitation and protection of the operating lifetime of the ESS through two jointly operated control schemes and therefore efficiency increase of the motor drive is accomplished. The first control scheme consists of two fuzzy-logic controllers (FLC) and provides a satisfactory balance between the increase in energy saving and the reduction of the ESS current ripple by online adjusting the dc-link voltage according to the motor drive operating conditions and ac-grid voltage variations. The second control scheme (power control and energy management, PC&EM) provides a satisfactory balance between the objectives of energy and power requirements by online adjusting the reference rotor speed profile according to the motor drive and ESS operating conditions. The combined control scheme includes the FLC and PC&EM controllers and it can be easily installed without requiring modifications of the motor drive and without needing the knowledge of the system parameters. Thus, the proposed control technique for the ESS can be easily applied to any motor drive system, even in existing installations. Selective experimental results from a real application have been presented in order to validate the effectiveness and the resulting operational improvements of the proposed control scheme. A motor drive in an elevator application has been selected for the experimental verification.

Η βελτίωση της ταχύτητας και ποιότητας απόκρισης καθώς και η αύξηση της απόδοσης ενός ελεγχόμενου ηλεκτροκινητήριου συστήματος είναι ιδιαίτερα επίκαιρα θέματα. Αν και οι παραπάνω στόχοι έχουν ερευνηθεί εκτενώς από την επιστημονική κοινότητα, η ανάπτυξη μιας γενικευμένης τεχνικής ελέγχου για όλες τις εναλλασσόμενου ρεύματος ηλεκτρικές μηχανές που θα επιτυγχάνει αυξημένη απόδοση και βελτιωμένη απόκριση ταχύτητας παραμένει ακόμη ένα ανοικτό ερευνητικό πεδίο. Έτσι, ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι διττός και μπορεί να επιμεριστεί σε δύο ανεξάρτητες ως προς την υλοποίηση, αλλά και άρρηκτα συνδεδεμένες ως προς τη βελτιστοποίηση του ελεγχόμενου ηλεκτροκινητήριου συστήματος ερευνητικές κατευθύνσεις. Ειδικότερα: Ο πρώτος στόχος είναι η μελέτη της απόκρισης των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης και η ανάπτυξη μιας γενικευμένης τεχνικής ελέγχου ταχύτητας, η οποία θα είναι αυτορρυθμιζόμενη ως προς τις παραμέτρους της και θα μπορεί να εφαρμόζεται σε κάθε τύπο τριφασικής μηχανής εναλλασσόμενου ρεύματος (επαγωγικές και σύγχρονες μηχανές). Ο δεύτερος στόχος είναι η μελέτη των συστημάτων ανάκτησης/αποθήκευσης ενέργειας (εφεξής Συστήματα Ανάκτησης/Αποθήκευσης Ενέργειας-ΣΑ/ΑΕ) για βελτίωση της απόδοσης των ελεγχόμενων συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης. Ειδικότερα, στόχος είναι η ανάπτυξη μιας τεχνικής ελέγχου που θα επιτυγχάνει βέλτιστη εκμετάλλευση της ενέργειας πέδησης, μέσω της μέγιστης αξιοποίησης του αποθηκευτικού μέσου και αύξησης της διάρκειας ζωής του (χρησιμοποιώντας την τοπολογία του αμφίδρομου DC/DC μετατροπέα ισχύος, συνδεδεμένο στο dc-δίαυλο του συστήματος οδήγησης). Συνεπώς, ο τελικός στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός συνδυασμένου συστήματος οδήγησης και ανάκτησης ενέργειας πέδησης με βελτιωμένη απόκριση, αυτόματη ρύθμιση των παραμέτρων του ελεγκτή ταχύτητας, αυξημένο βαθμό απόδοσης μέσω μέγιστης εκμετάλλευσης της ενέργειας πέδησης και του αποθηκευτικού υλικού και αύξηση της διάρκειας ζωής του. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων ως προς την υλοποίηση και την επίτευξη των παραπάνω στόχων θα επιβεβαιώνεται μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης και πειραματικών αποτελεσμάτων σε επίπεδο εργαστηριακής εξομοίωσης συστήματος ηλεκτρικής κίνησης καθώς και σε μια πραγματική εφαρμογή συστήματος ηλεκτρικής κίνησης. Ως τέτοια εφαρμογή επιλέχθηκε ο ανελκυστήρας.