Modeling and Parameter Estimation of Electrical Multiphase Machines in Traction Applications

The public defense is broadcast online. A link to the registration follows: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_6uOecoRNTGyRWn4ELR-7Ag

QC 20240911

Abstract

Denna avhandling undersöker modelleringen och parameterestimeringenav elektriska flerfasiga maskiner (MPM:er) samt feltoleranta drivsystem för permanentmagnetiserade maskiner (PMSM:er) i framdrivningstillämpingar. Dessa drivsystem kräver vanligtvis ett brett hastighetsomfång med konstanteffekt, betydande överbelastningskapacitet och hög verkningsgrad samtidigt som de ska uppvisa hög driftsäkerhet.

En klass av MPM:er kända som variabla fas-pol-maskiner (VPPM:er) har identifierats som magnetfria kandidater för att uppfylla dessa krav. Dock är forskningen kring deras modellering och efterföljande parameterestimering knapphändig. Vanliga modeller såsom vektorrumsdekompositionen (VSD) antar ett fixerat antal faser och halvvågssymmetri hos statorströmfördelningen. Därför föreslår första delen av denna avhandling en alternativ modellering medelst övertonsplandekomposition (HPD). Genom att använda HPD:n åstadkoms olika icke-triviala fas-pol-konfigurationer med lämpliga val av strömreferenser för rotorfältorienterad strömreglering. Vi ger också exempel på en strategi för att växla mellan dem. Genom en förlustminimering med bivillkor visas det också att VPPM:er fördelaktigt kan tillämpas för att förbättra överbelastningsförmågan och minska förlusterna jämfört med en identisk maskinsom tillämpar ett fixerat fas-pol-tal. Avhandlingens andra del identifierar HPD-parametrarna hos en VPPM genom standardtester utförda på en reducerad uppsättning övertonsplan med enbart en trefas sinusoidal spänningskälla. Denna del visar att en optimaltviktad minsta-kvadrat-estimering av maskinparametrarna noggrant kan bestämma hela omfånget av rotorresistanser och omättade magnetiseringsinduktanser samtidigt som den separerar rotor- och statorläckage. En nyckel till detta är att inkludera en regulariseringsterm.

Avhandlingens tredje del fortsätter med att studera korsmättnad mellan övertonsplan. Fenomenet uppstår eftersom de exciterade rumsövertonerna av det magnetiska fältet delar samma magnetiska flödesbanor genom maskinens stål. Som lösning föreslår vi en avancerad Γ-modell med mättnadsbara rotorbryggor och statorinduktanser som använder bryggornas och luftgapets magnetiska flödestätheter som indata för respektive mättnadsfunktion. Resultatet är mättnadsmodeller med en enda inmatningsvariabel som implicit tar hänsyn till fasförskjutningen och de olika amplituderna av de magnetiska rumsövertonsfälten.

Avhandlingens fjärde del undersöker ett felfall hos PMSM:er, benämndaktiv kortslutning, där maskinterminalerna aktivt ansluts till antingen positiv eller negativ DC-bus. Den resulterande transienten kan orsaka irreversibel demagnetisering av permanentmagneterna installerade i rotorn och åsamkar ett plötsligt och avesvärt bromsmoment på maskinaxeln. Från de icke-linjära flödeskartorna av en PMSM härleder vi intitalvilkoren som undgår att demagnetisera permanentmagneterna och respekterar en användardefinierad vridmomentbegränsning. Modellen används för att utarbeta en strategi baserad på direkt flödesvektorreglering för att styra tillståndsvariablerna till det säkra operationsområdet innan den aktiva kortslutningen tillämpas. Strategin använder de tilldelade spänningsresurserna optimalt för att minska statorflödet till en acceptabel nivå inom en förutsägbar tid. Experiment demonstrerar hur strategin följaktligen skyddar maskinen från en skadlig transient.

Denna avhandling visar att en lämplig VPPM-modell möjliggör effektivanvändning av tillgänglig effekt och kan utvidga arbetsområdet för kontinuerlig drift. Modellen är också en förutsättning för verkningsfull styrning avstatorströmmen. Ehuru experimentell parameterestimering av HPD-modellen kan förenklas och göras mer robust genom att använda regulariserade estimatorer, utgör hanteringen av magnetisk korsmättnad en utmaning när konstantoch noggrant vridmoment krävs under polbyten och övertonsinjektion. För närvarande är PMSM:er vanliga inom traktionstillämpningar. Åtgärder för att förbättra motståndskraften mot fel till följd av aktiva kortslutningar hos dessa maskiner föreslås i denna avhandling, vilket bemöter ett problem inom fordonsapplikationer som behöver efterleva funktionella säkerhetsstandarder såsom ISO 26262.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-352806