Report submitted to the Office of Energy R & D Policy, National Science Foundation

Report submitted to the Office of Energy R & D Policy, National Science Foundation

Report submitted to the Office of Energy R & D Policy, National Science Foundation

- / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και την υλοποίηση του διανυσματικού ελέγχου ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός μας είναι η μελέτη, η επιλογή και τελικά η υλοποίηση ενός συγκεκριμένου είδους διανυσματικού ελέγχου ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα μέσω της χρήσης ψηφιακού μικροελεγκτή . Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στα κινητήρια συστήματα και στην σημασία των ασύγχρονων κινητήρων σε ένα ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα καθώς και στον έλεγχο αυτών και δη το διανυσματικό. Στη συνέχεια, μελετώνται η βασική αρχή λειτουργίας, οι μαθηματικές εξισώσεις, τα μοντέλα λειτουργίας καθώς και τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των ασύγχρονων μηχανών αλλά και της μηχανής που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική μας διάταξη. Στο επόμενο βήμα, γίνεται μια πολύ σύντομη ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη του διανυσματικού ελέγχου , εισαγωγή και θεωρητική ανάλυση σε βάθος των αρχών αυτού και αναλυτική παρουσίαση όλων των ειδών του. Τέλος, καταλήγουμε στην επιλογή της μεθόδου που θα χρησιμοποιήσουμε. Συνεχίζοντας, κάνουμε μια εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος και αναλύουμε τον τριφασικό αντιστροφέα τάσης που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία. Επόμενο βήμα είναι η παρουσίαση και η περιγραφή του μικροεπεξεργαστή dsPIC30F4011 της εταιρίας Microchip ενώ περιγράφεται αναλυτικά και η διαδικασία ανάπτυξης του προγράμματος για την υλοποίηση του διανυσματικού ελέγχου. Τέλος, παρατίθενται οι κυματομορφές που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση του προγράμματος και του ελέγχου του. / This diploma thesis addresses the design and implementation of vector control of a three-phase asynchronous motor. The project was based at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. Our objective is the study, the choice and ultimately the implement of a specific type of vector controlfor a three-phase asynchronous motor using digital microcontroller. Initially, there is a reference to the electric drive systems and to the importance of an asynchronous motor in an electric drive system and to its control, especially the vector control. Following there is a theoretical analysis of the basic principle of operation,the mathematical equations, the models of operation and the construction of an asynchronous machine. The next step is a very brief historical reference to the development of vector control.There is also a theoretical analysis of the principles of this and detailed presentation of all the species. Finally, we conclude to the method we used. Our next step is to present the electronic power converters and to analyze the three-phase inverter which was used in this diploma thesis. Following, there is a presentation and description of the microprocessor dsPIC30F4011(Microchip).Just after that,we describe the process of program development for the implementation of vector control in a detailed analysis . Finally, we present the waveforms coming up from the experiments that we carried out after the completion of the process of vector control.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται εξομοίωση ενός κινητήρα τύπου ultrasonic με χρήση του προγράμματος simulink του matlab. Αρχικά αφού συγκεντρώθηκε όλη η απαραίτητη βιβλιογραφία σχετικά με τους Πιεζοηλεκτρικούς κινητήρες, γίνεται αναφορά στους προδρόμους του ultrasonic και μελετάται συγκεκριμένα ο πιεζοηλεκτρικός κινητήρας οδεύοντος κύματος τύπου ultrasonic (TWUM). Αναλύεται λεπτομερώς η δομή και η αρχή λειτουργίας του, καθώς και τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει. Η συμπεριφορά του, η λειτουργία του και οι εξισώσεις που τη διέπουν, αποτελούν το αντικείμενο της παραπάνω εξομοίωσης. Παρουσιάζονται λεπτομερώς τα αποτελέσματα της εξομοίωσης, τα οποία και πιστοποιούν το γεγονός ότι το μοντέλο που δημιουργήθηκε προσομοιώνει τη συμπεριφορά του κινητήρα σε μόνιμη και μεταβατική κατάσταση. Κατόπιν κατασκευάζεται πειραματική διάταξη όπου χρησιμοποιείται μία μηχανή συνεχούς ρεύματος ως φορτίο στον ultrasonic και λαμβάνονται μετρήσεις όταν το ηλεκτροκινητήριο σύστημα βρισκόταν σε μόνιμη και σε μεταβατική κατάσταση. Τέλος γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων των παραπάνω μετρήσεων, αυτών που προέκυψαν από την εξομοίωση και των πειραματικών μετρήσεων. Διαπιστώνεται σύγκλιση μεταξύ τους, πράγμα που πιστοποιεί την επίτευξη του στόχου της παρούσας διπλωματικής εργασίας. / The aim of this thesis is the simulation of an ultrasonic motor using the simulink matlab program. Firstly, after selecting all the necessary bibliography on piezoelectric motors, reference was made to the precursors. The specific type of piezoelectric motor studied was a travelling wave ultrasonic motor one. A detailed analysis of the structure and the principle operation was undertaken. Moreover, this TWUM comes with a multitude of andvantages. Its behavior, its function and the equations that govern it were covered by the above simulation. Then, the results werw analyzed in detail.These testify to the fact that the model was createdto simulate the motor's behavior not only in steady state but also in transient. Next, an experimental device was constructed in which a DC motor was used as a load to the USM.Measurements were taken and finally, a comparison between the two sets of measurements was made. Those obtained by the simulation and the experimental measurements. A common pattern was observed between them which certifies the success of this thesis.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της βελτιστοποίησης της σχεδίασης μιας ασύγχρονης μηχανής. Αρχικά έγινε o σχεδιασμός ενός μοντέλου ασύγχρονης μηχανής με τη χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design. Το μοντέλο σχεδιάστηκε με βάση τα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός τετραπολικού τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα κλωβού, ισχύος 4 KW, με 36 αυλακώσεις στο δρομέα και 28 στο στάτη. Η σχεδίαση του μοντέλου έγινε με χρήση κώδικα, ούτως ώστε το μοντέλο να είναι παραμετροποιημένο. Αυτό μας επιτρέπει να έχουμε τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής σαν μεταβλητές, το οποίο είναι απαραίτητο για να εφαρμοστεί η διαδικασία της βελτιστοποίησης. Στην συνέχεια προχωρήσαμε στη διαδικασία της βελτιστοποίησης. Η εύρεση του βέλτιστου μοντέλου δεν είναι μοναδική, αλλά εξαρτάται κάθε φορά από τα κριτήρια που έχουμε θέσει. Για παράδειγμα μπορούμε να επιτύχουμε βελτιστοποίηση ως προς το κόστος κατασκευής του κινητήρα, ως προς τη ροπή εκκίνησης, ως προς το συντελεστή ισχύος, ως προς το βαθμό απόδοσης κ.ο.κ. Βλέπουμε επομένως, ότι ο στόχος σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, δηλαδή η αντικειμενική συνάρτηση, δεν είναι μοναδικός αλλά εξαρτάται από την εφαρμογή στην οποία θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την μηχανή μας. Κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήσαμε πέντε διαφορετικές βελτιστοποιήσεις, χρησιμοποιώντας κάθε φορά διαφορετική αντικειμενική συνάρτηση και διαφορετικές σχεδιαστικές μεταβλητές (παραμέτρους). Για τις βελτιστοποιήσεις χρησιμοποιήσαμε τον Optimizer της Όπερα. Στις δύο πρώτες βελτιστοποιήσεις που κάναμε είχαμε σαν παράμετρο μόνο το βάθος της μπάρας του δρομέα. Αυτό το κάναμε διότι θέλαμε να μελετήσουμε την επίδραση του βάθους της μπάρας στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη συμπεριφορά της μηχανής. Στην πρώτη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή εκκίνησης, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί, ενώ στη δεύτερη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης της μηχανής στις ονομαστικές στροφές, τον οποίο ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στις επόμενες βελτιστοποιήσεις είχαμε σαν παραμέτρους όλα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μπάρας του δρομέα και κάθε φορά αλλάζαμε την αντικειμενική συνάρτηση του προβλήματος. Αρχικά ζητήσαμε να μας μεγιστοποιήσει τη ροπή εκκίνησης. Στη συνέχεια είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή που αποδίδει το μοντέλο στις ονομαστικές στροφές, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στην τελευταία βελτιστοποίηση που κάναμε είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης του μοντέλου στις ονομαστικές στροφές και ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Σε κάθε μία από τις βελτιστοποιήσεις που έγιναν, προέκυψε ένα βέλτιστο μοντέλο το οποίο αναλύσαμε και συγκρίναμε με το αρχικό μοντέλο. / We made an optimization of an asynchronous motor. First we design the motor in the programma Opera. The model of the motor is a 4-pole, asynchronous motor, 4 KW with 28 rotor slots and 36 stator slots. Then we madw the optimization using the Optimizer of Opera vectorfields. We made 5 types of optimizations, each time using different objective function and design variables. The best models each time analized and compares to the first one.

Pages 6-12 missing. / Thesis (MScEng)--University of Stellenbosch, 2005. / ENGLISH ABSTRACT: The transverse flux machine (TFM) offers the opportunity of high torque to volume ratios which makes it an excellent candidate for direct wheel drives and low speed generator applications. TFMs have a three dimensional flux path which eliminates iron laminates as a viable core material. Soft magnetic composites have been adopted in these machines due to their isotropic nature. There are three main variants of TFMs, namely, active rotor (with magnets on the rotor), passive rotor (with magnets on the stator), and reluctance (with no magnets). As a relatively recent development in electrical machines, the TFM still has many hurdles facing its adoption in industry. Some of these hurdles are high cogging torque, a difficult construction, and expensive materials. This thesis focuses on the design of a three phase 50 kW passive rotor machine. Finite element simulation is used to determine the optimal configuration, and the final machine is analysed in detail. The construction process and associated problems are also detailed. The completed machine did not perform to the desired specification, but much knowledge was gleaned about the TFM, the construction caveats, and future potential directions. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die transversale-vloed masjien (TFM) met sy hoe draaimoment tot volume verhouding, is 'n uitstekende kandidaat vir direkte wiel aandrywing en lae spoed generator toepassings. Die vioed pad van die masjiene is drie-dimensioneel, wat yster laminasies as kern materiaal elimineer. "Soft magnetic composites" kan gebruik word vir hierdie masjiene as gevolg van hulle isotropiese eienskappe. Daar bestaan drie hoof variante van die TFM, naamlik, die aktiewe rotor (met magnete op die rotor), passiewe rotor (met magnete op to stator), en reluktansie (sonder magnete). Die TFM is 'n redelike nuwe tipe masjien en daar is nog probleme wat opgelos moet word voordat die industrie sal begin om dit te gebruik. Van hierdie probleme is "cogging" draaimoment, 'n moeilike konstruksie en duur materiale. Die fokus van hierie tesis is op die ontwerp van 'n 50 kW drie-fase passiewe rotor masjien. Eindige element simulasie is gebruik om die optimale konfigurasie te kry, en 'n analise is gedoen op die finale masjien. Die konstruksie proses en die probleme wat daarmeer saam gaan is ook beskryf. Die prototipe masjien wat gebou is het nie aan sy oorspronklike spesifikasie voldoen nie, maar baie kennis is opgedoen oor die TFM, die konstruksie proses, en potensiele toekomende toepassings.

Thesis (MScEng)--University of Stellenbosch, 2005. / ENGLISH ABSTRACT: The thesis describes the optimum rotor design and performance of a 110kW Permanent-Magnet assisted (PM-assisted) Reluctance Synchronous traction Machine (RSM) using bonded permanent magnet sheets. Particular attention is given to the performance of the machine drive in the flux-weakening speed region. A detail explanation is given of the finite-element design optimisation, the basic principles of operation and the control-design of the PM-assisted RSM drive. A theoretical torque comparison of the PM-assisted RSM, the standard RSM and the induction machine is also done. The measured and calculated results of the different drives are presented and analysed in detail. It is concluded that the performance of the PM-assisted RSM in terms of torque, voltage and power factor compares favourably well with that of the induction machine in both the constant torque and flux-weakening speed regions. Furthermore, it is shown that the temperature rise of the stator winding of the PMassisted RSM is lower than that of the RSM with both machines at the same load. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die tesis beskryf die optimum rotor ontwerp en vermoë van 'n 110 kW Permanent- Pagnet-ondersteunde (PM-ondersteunde) Reluktansie Sinchroon Masjien (RSM) trekkrag aandryfstelsel. Spesifieke aandag word gegee aan die vermoë van die aandryfstelsel in die vloedverswakking spoedgebied. 'n Volledige verduideliking word gegee van die eindige-element ontwerp optimering, die basiese beginses van werking en die beheer-ontwerp van die PM-ondersteunde RSM aandryfstelsel. 'n Teoretiese vergelyking van die draaiumoment-vergelyking van die PM-ondersteunde RSM, die standard RSM en die induksmasjien word gedoen. Die berekende en gemete resultate van die verskillende aandryfstelsels word in detail aangebied en ge-analiseer. Dit is gevind dat die vermoë van die PM-ondersteunde RSM in terne van draairnoment, spanning en arbeidsfaktor gunstig vergelyk met dit van die induksiemasjien in beide die konstante draairnoment en vloedverswakking spoedgebiede. Verder word getoon dat die temperatuur-styging van die statorwinding van die PM-ondersteunde RSM laer is as die van die RSM, met deide masjiene by die selfde las

Thesis (MScEng)--University of Stellenbosch, 2003. / ENGLISH ABSTRACT: Two distinct simulation methods have been developed to simulate the single and the multi-phase excited current waveforms of the switched reluctance machine (SRM) under single pulse mode operation. These simulation methods are explained and evaluated in this thesis. A non-commercial finite element package that takes the SRM's nonlinear magnetic property into account is used in this regard. The simulation program uses the finite element solution directly during the simulation. Both simulation methods have been investigated in terms of result and total simulation time. In this investigation it is shown how feasible the simulation methods will be with the next generation of fast computers. The factors affecting the simulated current waveforms of the SRM under single pulse mode operation are investigated in detail in this thesis. With these factors taken into account, the measured and simulated multi-phase current waveforms are compared with each other and discussed. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Twee verskillende simulasie metodes is ontwikkel om die enkel- en multi-fase stroomgolfvorms van die geskakelde reluktansiemasjien (GRM) onder enkelpulsmodus-werking te simuleer. In hierdie tesis word hierdie simulasie metodes verduidelik en geëvalueer. 'n Nie-kommersiële eindige element pakket wat die nielinieêre magnetiese eienskap van die GRM in ag neem is in hierdie verband gebruik. Die simulasie program gebruik die eindige-element oplossing direk gedurende die simulasie. Beide simulasie metodes is ondersoek in terme van resultaat en simulasietyd. In hierdie ondersoek word getoon hoe uitvoerbaar hierdie tipe simulasie metodes gaan wees met die volgende hoë spoed generasie rekenaars. Die faktore wat die gesimuleerde stroomgolfvorms van die GRM onder enkelpulsmodus-werking beïnvloed word deeglik in hierdie tesis ondersoek. Met hierdie faktore in ag geneem word die gemete en gesimuleerde multi-fase stroomgolfvorms met mekaar vergelyk en bespreek.