GR1010204B - Προηγμενο συστημα οδηγησης ηλεκτρικων μηχανων διακοπτικης διεγερσης (switched reluctance machine, srm) - Google Patents

Abstract

Η εφεύρεση στηρίζεται σε ένα ενεργό φίλτρο σειράς, μέσω του οποίου ελέγχεται η ροή της ισχύος από/προς τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης. Το εν λόγω σύστημα είναι συμβατό με κάθε τύπο ηλεκτρικής μηχανής. Ωστόσο, η εφεύρεση εστιάζει στην εφαρμογή της στη μηχανή διακοπτικής διέγερσης (SRM) και συγκεκριμένα, για την εφαρμογή του εκκινητή/γεννήτριας (Starter/Generator, S/G) στα εξηλεκτρισμένα αεροσκάφη (Σχήμα 1). Η καινοτομία της εφεύρεσης, όσον αφορά τη χρήση της SRM, έγκειται στην επιβολή του επιθυμητού ρεύματος στην έξοδο της μηχανής (στη συγκεκριμένη εφαρμογή με αναφορά στο μικροδίκτυο υψηλής Σ.Τ. του εξηλεκτρισμένου αεροσκάφους), μέσω της εφαρμογής του κατάλληλου διανύσματος τάσης στο ενεργό φίλτρο σειράς (Σχήματα 2-4, Πίνακας 2). Ο έλεγχος είναι καθολικός/προσαρμοστικός στις συνθήκες/παραμέτρους του συστήματος, όπως είναι η ταχύτητα περιστροφής της μηχανής, το επίπεδο τάσης της παραγόμενης ενέργειας/ισχύος εξόδου (ήτοι του ζυγού διασύνδεσης), οι περιορισμοί των επιπέδων ρεύματος και τάσης των επιμέρους μονάδων (ονομαστικά στοιχεία της μηχανής, του ενεργού φίλτρου σειράς και του ζυγού), οι συνθήκες φόρτισης, με αποτέλεσμα την ικανότητα οδήγησης της σε μία ευρύτατη περιοχή λειτουργίας, καθώς και στη μετάβαση από λειτουργία κινητήρα σε λειτουργία γεννήτριας και αντίστροφα, υπό οποιαδήποτε ταχύτητα περιστροφής. Σε κάθε περίπτωση λειτουργίας, ο έλεγχος της ηλεκτρικής ισχύος πραγματοποιείται χωρίς την απαίτηση της επεξεργασίας των παραμέτρων της ηλεκτρικής μηχανής σε πραγματικό χρόνο (απεμπλοκή του ελέγχου της ισχύος της μηχανής από τον καθιερωμένο έλεγχο των γωνιών μαγνήτισης των φάσεων της), γεγονός που οδηγεί στη μείωση του υπολογιστικού φορτίου του συστήματος ελέγχου και αυξάνει τη συνολική αξιοπιστία του συστήματος. Επιπλέον, το εργαλείο σχεδιασμού του προτεινόμενου φίλτρου σειράς που αναπτύχθηκε (Σχήμα 5), διευκολύνει την προσαρμογή του ελέγχου στις απαιτήσεις του εκάστοτε υπό εξέταση συστήματος/μικροδικτύου και στα χαρακτηριστικά της χρησιμοποιούμενης ηλεκτρικής μηχανής. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η ελεγξιμότητα της μηχανής σε μία ευρύτατη περιοχή λειτουργίας, ο περιορισμός της διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα της μηχανής στη βασική συχνότητα περιστροφής της, που αποτελεί προϋπόθεση για την παραγωγή υψηλής ισχύος υπό υψηλό βαθμό απόδοσης, η δυνατότητα ενσωμάτωσης συστήματος διαχείρισης και αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας σε κατάλληλη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (με την αξιοποίηση του ενεργού φίλτρου σειράς), καθώς και η υψηλή αξιοπιστία της μηχανής υπό συνθήκες αυτόνομης λειτουργίας (stand alone) ή σύνδεσης σε μικροδίκτυα (π.χ συστήματα αεροσκαφών).

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

Τίτλος διπλώματος ευρεσιτεχνίας:

Προηγμένο σύστημα οδήγησης ηλεκτρικών μηχανών διακοπτικής διέγερσης (Switched Reluctance Machine, SRM)

Αποκάλυψη της εφεύρεσης/Καινοτομια της εφεύρεσης/Πεδίο εφαρμογής

Η παρούσα εφεύρεση αφορά την ανάπτυξη καινοτόμου μεθόδου ελέγχου της ροής της ισχύος από/προς τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης (1) - με ενσωματωμένο μετατροπέα (2) - που βρίσκεται συνδεδεμένη σε σειρά με το μικροδίκτυο συνεχούς τάσης (3), η οποία στηρίζεται στην ενσωμάτωση ενός ενεργού φίλτρου σειράς (4) - το οποίο υλοποιείται με τον συνδυασμό ενός πυκνωτή (5) και ενός κατάλληλου δικατευθυντήριου μετατροπέα ισχύος (6), σύμφωνα με το Σχήμα 1. Η καινοτομία της εφεύρεσης έγκειται στον έλεγχο του ρεύματος στην έξοδο της μηχανής διακοπτικής διέγερσης με τη χρήση του ενός ενεργού φίλτρου σειράς. Πιο αναλυτικά, η καινοτομία της εφεύρεσης συνίσταται στα ακόλουθα σημεία:

α) Στην επιβολή του επιθυμητού ρεύματος στην έξοδο της μηχανής, υπό διαφορετικές συνθήκες/παραμέτρους του συστήματος, όπως είναι η ταχύτητα περιστροφής της μηχανής, το επίπεδο τάσης της παραγόμενης ενέργειας/ισχύος, οι περιορισμοί των επιπέδων ρεύματος και τάσης των επιμέρους μονάδων του συστήματος/μικροδικτύου, οι συνθήκες φόρτισης, κ.ά., με αποτέλεσμα την ικανότητα οδήγησής της σε μεγάλο εύρος σημείων λειτουργίας, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

β) Στη μετάβαση από λειτουργία κινητήρα σε λειτουργία γεννήτριας και αντίστροφα, σε οποιαδήποτε ταχύτητα περιστροφής, με αποτέλεσμα την ικανότητα οδήγησής της σε μία ευρύτατη περιοχή λειτουργίας (ροπής-στροφών).

γ) Σε κάθε περίπτωση λειτουργίας, ο έλεγχος της ηλεκτρικής ισχύος πραγματοποιείται χωρίς την απαίτηση της επεξεργασίας των παραμέτρων της ηλεκτρικής μηχανής σε πραγματικό χρόνο (απεμπλοκή του ελέγχου της ισχύος της μηχανής από τον καθιερωμένο έλεγχο των γωνιών μαγνήτισης των φάσεών της) και με ελαχιστοποίηση των απαραίτητων μετρούμενων ηλεκτρικών μεγεθών σε πραγματικό χρόνο, γεγονός που οδηγεί στη μείωση του υπολογιστικού φορτίου του συστήματος ελέγχου και αυξάνει τη συνολική αξιοπιστία του συστήματος.

δ) Στη δυνατότητα ενσωμάτωσης ηλεκτρικού εξοπλισμού υψηλής αξιοπιστίας, όπως οι πυκνωτές τύπου φιλμ (Cfilm) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο ενεργό φίλτρο σειράς, που οδηγεί στη βελτίωση της αξιοπιστίας του συνολικού συστήματος.

Τα χαρακτηριστικά α), β), γ) και δ) καθιστούν τον συνδυασμό του καινοτόμου σχήματος οδήγησης και της μηχανής SRM εξαιρετικά αποδοτικό και ευέλικτο για την εφαρμογή του εκκινητή/γεννήτριας (Starter/Generator, S/G) στα αεροσκάφη.

Περιγραφή του προβληματος/Υφιστάμενη τεχνολογική στάθμη και αξιολόγηση αυτής

Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν πολλές δημοσιεύσεις για τη χρησιμοποίηση της συγκεκριμένης ηλεκτρικής μηχανής σε συστήματα υψηλής ισχύος, όπως είναι αυτά που χρησιμοποιούνται στα εξηλεκτρισμένα αεροσκάφη, εντούτοις δεν υπάρχουν εργασίες που να καταλήγουν σε μία λύση αξιόπιστη για τον έλεγχο της εν λόγω μηχανής χωρίς την επεξεργασία των παραμέτρων της σε πραγματικό χρόνο ή χωρίς τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων που στηρίζονται σε προϋπάρχουσες μετρήσεις των παραμέτρων της, για την ανάπτυξη σχημάτων ελέγχου με προσανατολισμό στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας της μηχανής, είτε ως γεννήτριας είτε ως κινητήρα. Επιπλέον, παρότι στη σύγχρονη βιβλιογραφία απαντάται πλήθος εργασιών που περιλαμβάνουν καινοτόμα σχήματα ελέγχου της SRM, δεν εστιάζουν στον έλεγχο για συστήματα υψηλής ισχύος και αξιοπιστίας, όπως είναι το μικροδίκτυο Σ.Τ. του εξηλεκτρισμένου αεροσκάφους, όπου οι απαιτήσεις για άμεση απόκριση του σχήματος ελέγχου της παραγόμενης ισχύος υπό συνθήκες πολλαπλών μεταβολών των φορτίων του μικροδικτύου, που προϋποθέτει την απρόσκοπτη λειτουργία της μηχανής ως γεννήτριας (ή και ως κινητήρας) σε πολλαπλά σημεία λειτουργίας, είναι επιτακτική. Επιπρόσθετα, σχήματα ελέγχου που χρησιμοποιούν τοπολογίες μετατροπέων ανύψωσης τάσης για τον άμεσο έλεγχο της παραγόμενης ισχύος της μηχανής που απαντώνται στην πρόσφατη σχετική βιβλιογραφία, αντιμετωπίζουν τα ακόλουθα πρακτικά προβλήματα: 1) περιορισμένο εύρος του λόγου ανύψωσης της τάσης σε πρακτικούς μετατροπείς ανύψωσης, που μειώνει την ευελιξία της ρύθμισης της τάσης μαγνήτισης της μηχανής, 2) περιορισμός του ονομαστικού επιπέδου ισχύος, λόγω απαιτήσεων ογκωδών πηνίων και πυκνωτών στην έξοδο του μετατροπέα, 3) μειωμένη ποιότητα ισχύος και προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής παρενόχλησης λόγω της διακοπτόμενης κυματομορφής του ρεύματος στην έξοδο, 4) πολυπλοκότητα του αλγόριθμου ελέγχου τόσο του μετατροπέα ανύψωσης, όσο και του μετατροπέα της μηχανής, 5) χαμηλή δυναμική απόκριση του μετατροπέα ανύψωσης υπό συνθήκες πολλαπλών μεταβολών των φορτίων και 6) η δυνατότητα συνέχισης της παραγωγής ενέργειας από τη μηχανή υπό συνθήκες βραχυπρόθεσμων σφαλμάτων, λόγου χάρη σε περίπτωση ανύψωσης/βύθισης της τάσης του μικροδικτύου (FRTC, Fault Ride-Through Capability), δεν είναι ούτε πρακτικά εφικτό ούτε και εγγενές στους εν λόγω μετατροπείς.

Επιπλέον, υψίστης σημασίας για τη βελτίωση της αξιοπιστίας του συνολικού συστήματος είναι η χρήση ηλεκτρικού εξοπλισμού/μονάδων υψηλής αξιοπιστίας, όπως οι πυκνωτές τύπου φιλμ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο ενεργό φίλτρο σειράς (σε αντικατάσταση των ογκωδών ηλεκτρολυτικών πυκνωτών που χρησιμοποιούνται εν παραλλήλω στις υπό συζήτηση εφαρμογές) και φυσικά η ελαχιστοποίηση των απαραίτητων μετρούμενων ηλεκτρικών μεγεθών σε πραγματικό χρόνο.

Το θέμα αυτό το μελέτησαν διεξοδικά οι εφευρέτες και απέδειξαν (μέσω προσομοιώσεων σε κατάλληλο λογισμικό και επιβεβαίωση σε πραγματικό χρόνο μέσω εξωτερικού επεξεργαστή) ότι το προτεινόμενο σύστημα διαχείρισης της ενέργειας μπορεί να αυξήσει την αξιοπιστία και να μειώσει το υπολογιστικό φορτίο της συγκεκριμένης εφαρμογής.

Επομένως, η εφεύρεσή μας αντιμετωπίζει αξιόπιστα το ζήτημα της διαχείρισης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας σε μία από τις πλέον κατάλληλες ηλεκτρικές μηχανές για εφαρμογές εξηλεκτρισμένου αεροσκάφους, σε μεγάλο εύρος σημείων λειτουργίας. Ταυτόχρονα, αποτελεί εργαλείο απολύτως συμβατό με τον έλεγχο οποιασδήποτε υποψήφιας ηλεκτρικής μηχανής για ενσωμάτωση στο εν λόγω μικροδίκτυο Σ.Τ., καθώς και σε παρόμοια συστήματα που χρησιμοποιούν ηλεκτρικές μηχανές για τον ίδιο σκοπό.

Πλεονεκτήματα της εφεύρεσης

Τα πλεονεκτήματα του καινοτόμου σχήματος οδήγησης έγκεινται στα εξής:

α) Στην ελεγξιμότητα της μηχανής σε μία ευρύτατη περιοχή σημείων λειτουργίας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τούτο επιτυγχάνεται με τον ανεξάρτητο έλεγχο του ρεύματος μαγνήτισης των φάσεων της μηχανής από το ρεύμα του μικροδικτύου, χάρις στην ενσωμάτωση του φίλτρου σειράς- ο έλεγχος του ρεύματος μαγνήτισης, δε, εξυπηρετεί και τον έλεγχο/προσδιορισμό του επιθυμητού/ανεκτού επιπέδου τάσης του πυκνωτή του φίλτρου σειράς.

β) Στον περιορισμό της διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα της μηχανής (η οποία ελέγχεται από τον συμβατικό ασύμμετρο μετατροπέα ημιγέφυρας) στη βασική συχνότητα περιστροφής της, που αποτελεί προϋπόθεση για την παραγωγή υψηλής ισχύος υπό υψηλό βαθμό απόδοσης (περιορισμός των διακοπτικών απωλειών του μετατροπέα της μηχανής).

γ) Στη δυνατότητα ενσωμάτωσης κατάλληλης μονάδας διαχείρισης και αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας, με την ενσωμάτωση ηλεκτρικού εξοπλισμού υψηλής αξιοπιστίας (π.χ. πυκνωτές τύπου φιλμ, κ.ά.).

δ) Στην υψηλή αξιοπιστία της μηχανής υπό συνθήκες αυτόνομης λειτουργίας (stand-alone) ή σύνδεσης σε μικροδίκτυα (π.χ. συστήματα αεροσκαφών).

ε) Δεν απαιτείται η χρήση πρόσθετων παθητικών στοιχείων, όπως είναι πηνία και πυκνωτές, που επιφέρουν μείωση της αξιοπιστίας του συστήματος.

στ) Απλότητα του σχήματος ελέγχου. Ο μετατροπέας της μηχανής λειτουργεί στις δύο βασικές του καταστάσεις (ήτοι της μαγνήτισης μέσω των διακοπτών και της επιστροφής της ενέργειας μέσω των διόδων ελεύθερης διέλευσης) , ενώ ο έλεγχος εφαρμόζεται στο φίλτρο σειράς.

ζ) Σε περίπτωση σφάλματος (λόγου χάρη ανύψωσης/βύθισης της τάσης του μικροδικτύου), το φίλτρο σειράς εξυπηρετεί τη συνέχιση της παροχής ενέργειας από τη μηχανή στο μικροδίκτυο κατά τη διάρκεια του σφάλματος (εγγενής FRTC).

Ανάπτυξη του θεωρητικού υπόβαθρου της εφεύρεσης

Θεωρητική ανάλυση της εφαρμογής του διανυσματικού ελέγχου στο ενεργό φίλτρο σειράς

Η διαχείριση της ροής της ισχύος από/προς την ηλεκτρική μηχανή επιτυγχάνεται με το κατάλληλο σχήμα φόρτισης/εκφόρτισης του πυκνωτή του ενεργού φίλτρου σειράς, σύμφωνα με το Σχήμα 1, εφαρμόζοντας το διάνυσμα τάσης (ως διανύσματα τάσης αναφέρονται όλες οι πιθανές καταστάσεις των διακοπτών (7) και των διόδων (8) του μετατροπέα του εκάστοτε ενεργού φίλτρου σειράς, εν προκειμένω του μονοφασικού μετατροπέα πλήρους γέφυρας) το οποίο επιφέρει την επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας του κυκλώματος (Σχήμα 2, Κ1-Κ5), σύμφωνα με τον Πίνακα 2.

Η λειτουργία του ελέγχου στηρίζεται στην ανεξάρτητη μαγνήτιση και απομαγνήτιση (λειτουργία γεννήτριας) της κάθε φάσης της μηχανής μέσα στην ηλεκτρική περίοδο του ελέγχου, Tcontrol (η οποία ορίζεται από το πηλίκο των 360 (ή 2π rad) ηλεκτρικών μοιρών (θe) προς το γινόμενο του αριθμού των φάσεων (NPh) και της ηλεκτρικής γωνιακής ταχύτητας, ωe), Tcontrol=θe/(ωe<.>Nph), σύμφωνα με το Σχήμα 3. Συγκεκριμένα, η μαγνήτιση της κάθε φάσης ξεκινά στην ηλεκτρική γωνία της περιόδου όπου η αυτεπαγωγή λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της (Lal, Σχήμα 3) και ολοκληρώνεται όταν το ρεύμα στο μικροδίκτυο (idc) φτάσει την αναφορά του ρεύματος μαγνήτισης (Imag), μέσα σε χρονικό διάστημα Atm.Τα διανύσματα που επιτυγχάνουν τη λειτουργία αυτή είναι τα 1, 4 και 6, σύμφωνα με τον Πίνακα 2. Στη συνέχεια, η φάση περνάει σε λειτουργία γεννήτριας για το εναπομείναν διάστημα, Atg.Κατά το διάστημα της λειτουργίας γεννήτριας, ο έλεγχος του ρεύματος στη σταθερή τιμή αναφοράς του (Iref) υλοποιείται με την τεχνική ελέγχου μέσα σε σταθερή ζώνη υστέρησης (Η), σύμφωνα με το Σχήμα 4, με την εφαρμογή των διανυσμάτων 2, 3 ή 5 και 7, σύμφωνα με τον Πίνακα 2. Σημειώνεται ότι οι συνθήκες φόρτισης του συστήματος (υψηλό/χαμηλό επίπεδο ισχύος) είναι καθοριστικές για τη διαμόρφωση του προφίλ τόσο του idcόσο και της τάσης στον πυκνωτή του φίλτρου σειράς (vcap), όπως αποτυπώνεται στον Πίνακα 2 και στο Σχήμα 3 (Φ). Πιο συγκεκριμένα, υπό συνθήκες υψηλού φορτίου ή/και ταχύτητας, η μηχανή λειτουργεί στην Υπο-Μαγνήτιση (ΜΙ), ενώ υπό συνθήκες χαμηλού φορτίου ή/και ταχύτητας, η μηχανή λειτουργεί στην Υπέρ -Μαγνήτιση (M2), όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.

Ανάπτυξη του εργαλείου σχεδιασμού επιλογής των βέλτιστων παραμέτρων λειτουργίας του ενεργού φίλτρου σειράς

Η επιλογή των βέλτιστων παραμέτρων λειτουργίας του συνολικού συστήματος που περιλαμβάνει το μικροδίκτυο Σ.Τ., το ενεργό φίλτρο σειράς και τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης, μπορεί να γίνει βάσει των προδιαγραφών / περιορισμών του συστήματος, οι οποίες αφορούν το επίπεδο της παραγόμενης ισχύος (Idc, max), το μέγιστο επίπεδο τάσης του πυκνωτή του ενεργού φίλτρου σειράς (Vcap, max), τη μέγιστη αποδεκτή διακύμανση της τάσης του πυκνωτή (ΔVcap,max) και τη μέγιστη αποδεκτή τιμή των διακοπτικών απωλειών του φίλτρου σειράς (PSw,ioss„max)<.>αυτά με στη σειρά τους καθορίζουν τη μέγιστη τιμή αναφοράς του ρεύματος του μικροδικτύου (Iref,max), την ελάχιστη χωρητικότητα του πυκνωτή (Cmin ) και την ελάχιστη τιμή της ζώνης υστέρησης κατά τον έλεγχο ρεύματος (Hmin). Συνεπώς, το σύστημα σχεδιάζεται στο Μέγιστο Σημείο Λειτουργίας (ΜΣΛ), που χαρακτηρίζεται ως εξής: ΜΣΛ (Idc,max(A), Vcap, max(V)). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, που χρησιμοποιείται χωρητική μονάδα διαχείρισης της ενέργειας και ο έλεγχος ρεύματος υλοποιείται με σταθερή ζώνη υστέρησης, οι βέλτιστες παράμετροι λειτουργίας του ενεργού φίλτρου σειράς αφορούν την ελάχιστη χωρητικότητα του πυκνωτή, Cmin, ώστε να εξυπηρετείται η χρήση πυκνωτών τύπου φιλμ, καθώς και τη βέλτιστη τιμή της ζώνης υστέρησης κατά τον έλεγχο ρεύματος (Hmin), ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή διακύμανση του idc.

Για τον προσδιορισμό των προαναφερθέντων παραμέτρων, χρειάζεται να ληφθεί υπόψιν η μη γραμμική συμπεριφορά της μηχανής διακοπτικής διέγερσης υπό συνθήκες κορεσμού (λόγω του υψηλού επίπεδου ισχύος της εφαρμογής που εξετάζεται), με τη χρησιμοποίηση των διαθέσιμων αξιόπιστων μοντέλων, της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Analysis, FEA) ή/και τη χρήση μετρήσεων σε πραγματικές μηχανές. Το προτεινόμενο εργαλείου σχεδιασμού (11, σύμφωνα με το Σχήμα 5β), καθώς και το ανεπτυγμένο μοντέλο προσομοίωσης (12, σύμφωνα με το Σχήμα 5β) αποτυπώνονται στο Σχήμα 5. Συγκεντρωτικά, το εργαλείο σχεδιασμού (βάσει του Σχήματος 5α) των βέλτιστων παραμέτρων λειτουργίας του συστήματος με προδιαγραφές συστήματος (13) την ταχύτητα περιστροφής της μηχανής (RPM), το επίπεδο της τάσης του μικροδικτύου Σ.Τ. (Vbus) και τα στοιχεία της μηχανής SRG (θe, NPh, Tcontrol), δέχεται ως εισόδους το ΜΣΛ (Idc,max(A), Vcap,max(V)) (E1), το ΔVcap,max(E2) και το Psw,loss„max(E3), καθώς και τις αρχικές τιμές των παραμέτρων Iref(Ε4),C (Ε5) και Η (Ε6), και αλληλοεπιδρώντας με το ανεπτυγμένο μοντέλο προσομοίωσης (ακολουθώντας τα Βήματα Β1-Β5, σύμφωνα με το Σχήμα 5β), καταλήγει στις επιθυμητές εξόδους, ήτοι στις τιμές των Iref,max(01), στην ελάχιστη τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή, Cmin(02), καθώς και στη βέλτιστη τιμή Η, Hmin(03). Στο Σχήμα 5β, το 9 αντιστοιχεί στη μονάδα εφαρμογής του διανυσματικού ελέγχου (εφαρμογή διανύσματος τάσης) και το 10 αντιστοιχεί στη μονάδα ελέγχου του μετατροπέα της μηχανής (AHBC).

Η καινοτόμος μέθοδος υλοποιείται με τον ακόλουθο τρόπο (αποτυπώνεται στο Σχήμα 5β. με τη βοήθεια των Σχημάτων 1-4):

α) Λαμβάνεται ανατροφοδότηση της ηλεκτρικής γωνίας της μηχανής (θe) και του στιγμιαίου ρεύματος εξόδου του μετατροπέα (idc).

β) Η απαραίτητη μαγνήτιση της κάθε φάσης της μηχανής εξασφαλίζεται με την εφαρμογή του κατάλληλου χρονικού διαστήματος (ήτοι ηλεκτρικές μοίρες μαγνήτισης ανά φάση, Atm, ως σημείο έναρξης του οποίου λογίζεται η ηλεκτρική γωνία στην οποία η εκάστοτε υπό μαγνήτιση φάση βρίσκεται σε θέση πλήρους ευθυγράμμισης με τον έκτυπο πόλο του δρομέα - aligned position, Lal- και διαμορφώνεται ανάλογα με την εκάστοτε ηλεκτρική περίοδο) κατά το οποίο η συγκεκριμένη φάση απορροφά ενέργεια από το σύστημα (είτε από τις υπόλοιπες φάσεις είτε από το μικροδίκτυο, ανάλογα με τη διαθέσιμη ενέργεια μαγνήτισης), μέσω της εφαρμογής του κατάλληλου διανύσματος τάσης στον μετατροπέα ισχύος.

γ) Η λειτουργία γεννήτριας επιτυγχάνεται για κάθε φάση ξεχωριστά, για το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από το πέρας της μαγνήτισής της, μέχρι το χρονικό σημείο έναρξης της μαγνήτιση της επόμενης φάσης (Atg). Ο έλεγχος του ρεύματος μέσα σε μία σταθερή ζώνη υστέρησης (Η) κατά τη λειτουργία της γεννήτριας εξασφαλίζεται μέσω της επιβολής του κατάλληλου διανύσματος τάσης στο ενεργό φίλτρο σειράς.

Τα βηματα του αλγόριθμου του Σχηματος 5α είναι τα εξης:

1) Στο πρώτο βήμα (Β1), προσδιορίζονται οι τιμές των Idc, max, Vcap,max, AVcap ,maxand Psw, loss, max, βάσει των προδιαγραφών του υπό μελέτη συστήματος. Επιπρόσθετα, επιλέγονται οι αρχικές τιμές των μεγεθών Iref, C and Η<.>συγκεκριμένα, Iref=Idc,max, ενώ η τιμή C-επιλέγεται αρχικά υψηλή ώστε να περιορίζεται η διακύμανση της τάσης τους πυκνωτή (εξασφαλίζοντας έτσι τη σταθερότητα του ελέγχου στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας). Τελικά, η Η τίθεται αρχικά σε μία τιμή που οδηγεί στη βέλτιστη/επιθυμητή διακύμανση του ρεύματος του μικροδικτύου.

2) Στο δεύτερο βήμα (Β2), καθορίζεται το Atm(συνεπώς και το Imag), με τη χρήση του εργαλείου προσομοίωσης (Σχήμα 5β), για την επιθυμητή τιμή Vcap,max·

3) Στο τρίτο βήμα (Β3), η αρχική τιμή Irefαυξάνεται μέχρι η τιμή Idcνα γίνει ίση με την επιθυμητή τιμή Idc,max, σύμφωνα με την ανάλυση του Σχήματος 3. Στο τέλος της επαναληπτικής

διαδικασίας του Β3, προσδιορίζεται η τιμή Iref,max.

4) Στο τέταρτο βήμα (Β4), η αρχικά υψηλή τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή, C,

επαναπροσδιορίζεται σύμφωνα με την τιμή ΔVcap, η οποία υπολογίζεται από την τιμή ΔQm, ήτοι:

ΔVcap= ΔQm/C (1)

, σύμφωνα με τις ακόλουθες εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία/συμπεριφορά του συστήματος:

Σημειώνεται πως οι ( 1 )— (3 ) επιλύονται αριθμητικά (και όχι αναλυτικά, όπως έχει ήδη

επισημανθεί), σύμφωνα με το Σχήμα 5β. Τελικά, ο προσδιορισμός της τιμής Cmin

πραγματοποιείται έτσι ώστε ΔVcap≤ ΔVcap,max.

5) Στο πέμπτο βήμα (Β5), η τιμή Η προσδιορίζεται σύμφωνα με τον υπολογισμό των

διακοπτικών απωλειών του φίλτρου σειράς, ως αποτέλεσμα των τιμών που έχουν επιλεγεί στα

Β1-Β4. Πιο συγκεκριμένα, η παράμετρος Psw,ioss για μία συγκεκριμένη μονάδα ηλεκτρονικού

μετατροπέα ισχύος μπορεί να υπολογιστεί στη διάρκεια του ελέγχου ρεύματος μέσα σε σταθερή

ζώνη υστέρησης (Δtg2), θεωρώντας ότι το idcείναι κοντά στην τιμή Iref(η οποία έχει προσδιορισθεί

στο Β3) κατά τη διάρκεια του διαστήματος Δtg2.Συνεπώς, οι διακοπτικές απώλειες υπολογίζονται

(με τη χρήση των παραμέτρων που δίδονται στο τεχνικό φυλλάδιο κάθε συγκεκριμένης μονάδας

μετατροπέα) και συγκρίνονται με την τιμή εισόδου (στο Β1) Psw, loss, max. Στην περίπτωση που

Psw, loss≥ Psw, loss, max, η τιμή Η θα πρέπει να αυξηθεί. Στην περίπτωση που Psw, loss≤ Psw, loss, max,

εξάγεται η τιμή Hmin- Τελικά, οι έξοδοι του εργαλείου σχεδιασμού για το ΜΣΛ είναι οι τιμές των

Iref, max, Cminand Hmin.

Τα ανωτέρω βήματα (Β1-Β5) της καινοτόμου μεθόδου αποτελούν τον αλγόριθμο που

εφαρμόζεται τόσο στο αναπτυγμένο μοντέλο του λογισμικού προσομοίωσης (Matlab/Simulink),

όσο και στις προσομοιώσεις του συστήματος σε πραγματικό χρόνο, με χρήση εξωτερικού

επεξεργαστή, με τη μέθοδο hardware-in-the-loop testing. Οι τελευταίες αποτελούν και την

επιβεβαίωση της υλοποίησης της καινοτόμου μεθόδου σε ρεαλιστικές συνθήκες (μέσω των

προσομοιώσεων σε πραγματικό χρόνο). Η βελτίωση της αξιοπιστίας του συνολικού συστήματος

προκύπτει από την εφαρμογή της καινοτόμου μεθόδου, όπως αυτή περιγράφεται, συγκριτικά με

το επίπεδο της υφιστάμενης τεχνολογικής στάθμης στο εν λόγω πεδίο εφαρμογής. Σύμφωνα με τα

προαναφερθέντα, στα Σχήματα 5-9 παρουσιάζονται ενδεικτικά αποτελέσματα από την ανάπτυξη

των κατάλληλων μοντέλων τόσο σε περιβάλλον προσομοίωσης (Matlab/Simulink) για την

επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης του προτεινόμενου σχήματος ελέγχου όσο και σε δοκιμών

σε πραγματικό χρόνο με τη μέθοδο hardware-in-the-loop testing, με χρήση κατάλληλης

πλατφόρμας (MicroLabBox, DS1202) και εξωτερικού επεξεργαστή (dsPIC30F4011).

Πιο συγκεκριμένα, στο Σχήμα 6 παρουσιάζεται η μόνιμη κατάσταση λειτουργίας στο ΜΣΛ (160Α, 810 V): (α) Κυματομορφές ρευμάτων στο μικροδίκτυο Σ.Τ. και στην ηλεκτρική μηχανή, (β) Κυματομορφή τάσης στον πυκνωτή φίλτρου σειράς, ενώ στο Σχήμα 7 παρουσιάζεται η δυναμική απόκριση του συστήματος σε βηματικές μεταβολές της αναφοράς του ρεύματος, στο περιβάλλον προσομοίωσης: (α) Κυματομορφή ρεύματος στο μικροδίκτυο Σ.Τ., (β) Κυματομορφές ρεύματος μαγνήτισης και τάσης στον πυκνωτή φίλτρου σειράς. Αντίστοιχα, στο Σχήμα 8 παρουσιάζεται η μόνιμη κατάσταση λειτουργίας στο ΜΣΛ (100 Α, 48 V): (α) Κυματομορφές ρευμάτων στο μικροδίκτυο Σ.Τ. και στην ηλεκτρική μηχανή, (β) Κυματομορφή τάσης στον πυκνωτή φίλτρου σειράς, ενώ στο Σχήμα 9 παρουσιάζεται η δυναμική απόκριση του συστήματος σε βηματικές μεταβολές της αναφοράς του ρεύματος: (α) Κυματομορφή ρεύματος στο μικροδίκτυο Σ.Τ., (β) Κυματομορφές ρεύματος μαγνήτισης και τάσης στον πυκνωτή φίλτρου σειράς, με τη μέθοδο hardware-in-the-loop testing.

Συμπεράσματα

Το προηγμένο σύστημα οδήγησης ηλεκτρικών μηχανών διακοπτικής διέγερσης επιτυγχάνει τον άμεσο έλεγχο της παραγόμενης ισχύος, μέσω της επιβολής του επιθυμητού ρεύματος στην έξοδο της μηχανής, χωρίς την απαίτηση της επεξεργασίας των παραμέτρων της μηχανής σε πραγματικό χρόνο, με μέτρηση των ελάχιστων απαιτούμενων ηλεκτρικών μεγεθών σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, το καινοτόμο σχήμα ελέγχου προσδίδει τη δυνατότητα λειτουργίας της γεννήτριας σε μία ευρεία περιοχή λειτουργίας, σύμφωνα με τις απαιτήσεις των εφαρμογών υψηλής ισχύος και αξιοπιστίας, όπως το μικροδίκτυο Σ.Τ. του εξηλεκτρισμένου αεροσκάφους. Επιπροσθέτως, η υλοποίηση του σχήματος ελέγχου με τη χρήση ενεργού φίλτρου σειράς δίδει το πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης ηλεκτρικού εξοπλισμού/μονάδων αποθήκευσης και διαχείρισης της παραγόμενης ενέργειας υψηλής αξιοπιστίας, που οδηγεί στη βελτίωση της αξιοπιστίας του συνολικού συστήματος. Τέλος, μέσω της ανάπτυξης των κατάλληλων μοντέλων προσομοίωσης τόσο σε λογισμικό περιβάλλον όσο και σε πραγματικό χρόνο μέσω εξωτερικού επεξεργαστή, επιβεβαιώθηκαν η λειτουργία και τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα του καινοτόμου σχήματος ελέγχου.

Claims (10)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. (Κύρια ανεξάρτητη αξίωση) Ενεργό φίλτρο σειράς (4), σύμφωνα με το Σχήμα 1, που υλοποιείται με μονοφασικό δικατευθυντήριο ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος (6), ο οποίος περιλαμβάνει έναν πυκνωτή (5) στην είσοδό του, τέσσερις ηλεκτρονικούς διακόπτες ισχύος (7) -τύπου IGBT, MOSFET ή αντίστοιχου τύπου διακόπτες ισχύος, και τέσσερις διόδους ισχύος (8).

2. (Κύρια ανεξάρτητη αξίωση) Κατάλληλο εργαλείο σχεδιασμού (11) σύμφωνα με το Σχήμα 5α, μέσω του οποίου επιλέγονται οι βέλτιστες παράμετροι που αφορούν στην υλοποίηση του ενεργού φίλτρου σειράς (4), σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά και τους περιορισμούς του υπό εξέταση συστήματος (Σχήμα 1).

3. (Κύρια ανεξάρτητη αξίωση) Σύστημα αποτελούμενο από ενεργό φίλτρο σειράς (4), μικροδίκτυο Σ.Τ. (3) και μηχανή διακοπτικής διέγερσης (1), μαζί με τον κλασικό ηλεκτρονικό μετατροπέα της (2), σύμφωνα με το Σχήμα 1.

4. (Κύρια ανεξάρτητη αξίωση) Μέθοδος ελέγχου της ροής της ισχύος από/προς τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης (1) με την ενσωμάτωση του ενεργού φίλτρου σειράς (4), σύμφωνα με το Σχήμα 1.

5. (Εξαρτημένη αξίωση) Ενεργό φίλτρο σειράς (4) σύμφωνα με την αξίωση 1, στο οποίο ως μονάδα αποθήκευσης/διαχείρισης της παραγόμενης ενέργειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε αντίστοιχη μονάδα εναλλακτικά του πυκνωτή (5), λόγου χάρη ένας συσσωρευτής με κατάλληλα χαρακτηριστικά.

6. (Εξαρτημένη αξίωση) Ενεργό φίλτρο σειράς (4) σύμφωνα με την αξίωση 1, στο οποίο ως ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος (6) μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοσδήποτε δικατευθυντήριος μετατροπέας, λόγου χάρη ένας μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων. Τα διανύσματα τάσης που χρησιμοποιούνται σύμφωνα με τον Πίνακα 2 είναι αυτά που είναι διαθέσιμα για τον επιλεγμένο ηλεκτρονικό μετατροπέα και εξυπηρετούν τη βέλτιστη δυναμική απόκριση του σχήματος ελέγχου (9), σύμφωνα με το Σχήμα 5β.

7. (Εξαρτημένη αξίωση) Κατάλληλο εργαλείο σχεδιασμού (11) σύμφωνα με την αξίωση 2, το οποίο υλοποιείται μέσω του αλγόριθμου του Σχήματος 5α, από το οποίο καθίσταται δυνατή η επιλογή του κατάλληλου επιπέδου τάσης του πυκνωτή (5) του φίλτρου σειράς (4), σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά και τους περιορισμούς του υπό εξέταση συστήματος (Σχήμα 1), ως ακολούθως:

α) Ταχύτητα περιστροφής της μηχανής (RPM).

β) Επίπεδο τάσης του μικροδικτύου Σ.Τ./Σ.Τ (Vbus)·

γ) Ανεκτά επίπεδα τάσης (vcap) του πυκνωτή φίλτρου σειράς και του ρεύματος (idc) στο μικροδίκτυο Σ.Τ./Σ.Τ.

δ) Ονομαστικό ρεύμα λειτουργίας (Idc) και χαρακτηριστικά της μηχανής διακοπτικής διέγερσης (SRG).

8. (Εξαρτημένη αξίωση) Κατάλληλο εργαλείο σχεδιασμού (11) του φίλτρου σειράς (4) σύμφωνα με την αξίωση 2 και το Σχήμα 5α, το οποίο υλοποιείται με τη βοήθεια του κατάλληλου μοντέλου προσομοίωσης της μηχανής διακοπτικής διέγερσης (Σχήμα 5β), προκειμένου να ληφθούν ρεαλιστικά αποτελέσματα/λύσεις των μη γραμμικών συνήθων διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη συμπεριφορά της (βάσει των εξισώσεων (1)-(3), όπως αυτές δίδονται στην Περιγραφή) υπό συνθήκες κορεσμού και υψηλής μη γραμμικότητας στις μεταβολές του ρεύματος και της μαγνητικής ροής συναρτήσει της γωνιακής θέσης των ενεργών της φάσεων (σχετική θέση μεταξύ των έκτυπων πόλων του στάτη όπου βρίσκονται τα τυλίγματα μαγνήτισης της μηχανής και των έκτυπων πόλων του δρομέα).

9. (Εξαρτημένη αξίωση) Η μέθοδος ελέγχου της ροής της ισχύος στο σύστημα που περιγράφει η αξίωση 3 είναι γενική και η χρήση της μπορεί να επεκταθεί με κατάλληλη προσαρμογή σε κάθε τύπου ηλεκτρική μηχανή, οποιουδήποτε NPh.Συνεπώς, τα στοιχεία 1 και 2 στο Σχήμα 1 διαμορφώνονται κατά περίπτωση.

10. (Εξαρτημένη αξίωση) Μέθοδος ελέγχου της ροής της ισχύος από/προς τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης (1) σύμφωνα με την αξίωση 4 - αποτελεί το τεχνικό πρόβλημα που επιλύει η μέθοδος ελέγχου, η οποία περιλαμβάνει τον έλεγχο του ενεργού φίλτρου σειράς και πραγματοποιείται εφαρμόζοντας έλεγχο ρεύματος (εν προκειμένω έλεγχο ρεύματος μέσα σε σταθερή ζώνη υστέρησης, σύμφωνα με το Σχήμα 4) στον μετατροπέα φίλτρου σειράς (μονοφασικός μετατροπέας πλήρους γέφυρας) για τη φόρτιση/εκφόρτιση του πυκνωτή (5), ώστε να εξασφαλίζεται τόσο η απαραίτητη μαγνήτιση των φάσεων της μηχανής, όσο και η λειτουργία της μηχανής ως γεννήτρια, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά και τους περιορισμούς του υπό εξέταση συστήματος. Ο έλεγχος ρεύματος στο ενεργό φίλτρο σειράς, μπορεί να υλοποιηθεί με οποιαδήποτε τεχνική ελέγχου ρεύματος εναλλακτικά του ελέγχου ρεύματος σταθερής ζώνης υστέρησης, όπως για παράδειγμα είναι ο έλεγχος μεγίστου ρεύματος κ.ά. Συνεπώς, οι βέλτιστες παράμετροι εξόδου του εργαλείου σχεδιασμού σύμφωνα με το Σχήμα 5α διαμορφώνονται ανάλογα.