Nové topologie elektrických pohonů s důrazem na trakční aplikace

Abstract

Tato disertační práce se zabývá problematikou modelování, řízení a identifikace parametrů synchronních strojů s vyniklými póly. Zkoumán je synchronní motor s vnitřními permanentními magnety na rotoru (IPMSM) a klasický synchronní motor s vinutým rotorem s vyjádřenými póly (WRSM). V první části je popsána motivace k výzkumu dané problematiky a je uveden současný stav poznání ve zkoumaných oblastech. Ve druhé kapitole jsou popsány matematické modely motoru a to jak ve stojících fázových souřadnicích a, b, c tak v rotujících d, q, ty jsou spjaty s polohou rotoru. Ve třetí kapitole jsou publikovány testované a navržené metody měření parametrů pro uvedené matematické modely. Hlavní pozornost je upřena k měření indukčnosti. Pro modely jak ve fázových tak v rotorových souřadnicích jsou použity přístupy s rotujícím a stojícím rotorem. Testované metody pro přesné určení indukčnosti využívají buď speciálních laboratorních zdrojů, nebo speciálního režimu provozu, kdy je matematický model celého měření redukován na problém nižšího řádu. Dále v kapitole čtvrté je uveden popis a návrh optimálního řízení jak pro WRSM tak pro IPMSM. Dané optimum je chápáno ve smyslu maximalizovat moment motoru stroje. Je provedena rozvaha nad momentovou rovnicí z pohledu všech možných pracovních bodů s tím, že v oblasti konstantního momentu je omezení pouze z pohledu maximálních proudů, naproti tomu v oblasti odbuzování je nutné zajistit i nutné odbuzení stroje. Pro WRSM optimální řízení vhodně rozvažuje nabuzení stroje pomocí rotorového a statorového proudu pro dosažení maximálního momentu. U IPMSM záporný proud v ose d zajišťuje přírůstek tzv. reluktanční složky momentu, která je využita na zvýšení momentu stroje vzhledem k vyšší statorové indukčnosti Lsq oproti Lsd. Pátá kapitola se z velké části věnuje bezsenzorovým metodám na principu detekce anizotro-pie stroje. Tyto metody jsou založeny na injektování testovacího signálu do rotorového (WRSM) nebo statorového vinutí (IPMSM), který způsobí proudovou odezvu statoru obsahující informaci o poloze rotoru a rotorové rychlosti. Pro WRSM je aplikována jednoduchá metoda na estimaci počáteční polohy rotoru. Na jejím teoretickém základu je postaveno poté celé bezsenzorové řízení s vyhodnocením pomocí fázového závěsu (PLL) nebo Kalmanovým filtrem. U IPMSM je implementován algoritmus tzv. pulzujících injektáží s obdélníkovým tvarem testovacího signálu, kde je ukázán vliv zatěžování motoru, který může nepříznivě ovlivnit výsledek estimace. V poslední části kapitoly je představen bezsenzorový estimátor s redukovaným Kalmanovým filtrem založeným na matematickém modelu ve fázových souřadnicích. Toto řešení umožňuje zahrnout nesymetrie a harmonické magnetického obvodu stroje pro zpřesnění estimace polohy natočení rotoru. Veškeré navržené a odsimulované algoritmy jsou podrobeny ověřovacím testům na postaveném laboratorním prototypu.