SUPERVISOR
Sayed Morteza Saghaian nejad esfahani
سیدمرتضی سقائیان نژاداصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Amirhossein Malekipour
امیرحسین مالکی پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Vibration Reduction of Switched Reluctance Motors With Converter Control-Based Methods
Simplicity of structure, low manufacturing cost,high reliability, high torque density, and wide operational range have made Switched Reluctance Motor the appropriate choice in many applications including home appliances, HEVs, and even aeronautics industry. The most obvious drawback of SRM application is due to its high amount of vibration which has restrained SRM usage in wide scopes. SRM has a doubly-salient structure which leads to the formation of radial forces in the air gap. Radial forces are known to be the principal cause for vibration occurrence in SRM. Stude of this phenomenon and adopting methods for vibration reduction while SRM is operating have become the centre of attentions around SRM application. SRM operation, due to its highly non-linear characteristics, is dependent to the working point motor is running at and SRM operation can be devided into three instances of Magnetization, Current chopping, and Demagnetization. The Demagnetization instance plays the most dominant role in vibration of SRM, so proposing of new methods capable of controlling voltage and current of each phase in this instance leads to the vibration alleviation. In order to alleviate the vibration, voltage and current and accordingly, radial forces must be controlled in such a way that their harmonic components do not interfere with natural frequencies of stator. Based on the equations, mean value and slope of the imposed phase voltage both in the onset and during the Demagnetization instance have the most impact on how the vibration waveform is going to shape. On the other hand, in addition to the radial forces, their first and second order time derivatives are also important in determination of the vibration waveform. So, three methods controlling the Demagnetization voltage are introduced and their efficacy is validated through simulation and practical test. The first method, Dynamic Demagnetization Average Voltage Control, is based on simultaneously calculation of the average imposed voltage of Current chopping instance by the microprocessor. Calculated values are being utilized in the Demagnetization instance to control the switching duty cycle and as the result, the imposed voltage in Demagnetization instance will have the same average value compared to the Current chopping’s. In the second and the third methods, according to the rotation speed, reference current, and the DC link voltage, the control algorithm implement a variable duty cycle to control the lower switch of each phase so the average imposed voltage in the Demagnetization instance will have a waveform of exponential-like and inverse exponential-like shape. In the two latter proposed methods, both the slope and the average of imposed voltage can be controlled simultaneously. Proposed algorithms are implemented and simulated for a given SRM in a finite element-based software package and based on the waveform of voltage and current of each phase, generated radial forces are calculated. Then, these forces are being mapped to stator’s teeth and so the vibration waveform is ready to be calculated. Finally, proposed methods are implemented on a test rig and practical results are evaluated and proven to be sufficient enough to reduce the vibration intensity. Keywords: 1-Switched Reluctance Motor,2-Vibration, 3-Resonance, 4-Voltage Control
ساختار ساده، هزینه ی ساخت مناسب، قابلیت اطمینان بالا در حین عملکرد، چگالی گشتاور تولیدی بالا و توانایی عملکرد در محدوده ی وسیع سرعت باعث شده است که از موتور سوئیچ رلاکتانس در محدوده ی وسیعی از کاربردها از لوازم خانگی تا خودروهای الکتریکی وحتی صنایع هوانوردی استفاده گردد. بزرگترین مشکل موتور سوئیچ رلاکتانس، لرزش ایجاد شده در حین عملکرد در ساختار استاتور است که در کاربردهای حساس به لرزش، استفاده از این موتور را محدود می سازد. موتور سوئیچ رلاکتانس ساختاری با برجستگی دوگانه قطب بر روی روتور و استاتور دارد که باعث ایجاد نیرو های شعاعی در فاصله ی هوایی می شود. نیروهای شعاعی ایجاد شده به عنوان عامل اصلی ایجاد کننده ی لرزش در ساختار موتور سوئیچ رلاکتانس شناخته می شوند. همین موضوع باعث می شود که بررسی لرزش و ارائه ی راه کارهایی به منظور کاهش آن از جمله موضوعات بسیار مهم در کاربرد موتورهای سوئیچ رلاکتانس به شمار آید. عملکرد موتور سوئیچ رلاکتانس به دلیل خصایص غیرخطی موتور کاملا وابسته به نقطه ی کاری مورد نظر است ولی به طور کلی، عملکرد این موتور به سه بازه مغناطیس شوندگی، مغناطیس زدایی و بازه ی کنترل جریان تقسیم بندی می گردد. مهم ترین بازه که باعث ایجاد بیشترین سهم در لرزش ایجاد شده می شود، بازه ی مغناطیس زدایی است و به همین دلیل ارائه ی راهکارهایی به منظور کنترل ولتاژ و جریان موتور در این بازه می تواند منجر به کاهش لرزش ایجاد شده در ساختار موتور گردد. به منظور کاهش لرزش ایجاد شده در ساختار موتور بایستی ولتاژ و جریان و به طبع آنها، نیروهای شعاعی وارد شونده بر ساختار موتور به نحوی کنترل گردند که مولفه های هارمونیکی شان با فرکانس های رزونانس ساختار موتور تداخل نداشته باشد. به کمک روابط حاکم بر موتور سوئیچ رلاکتانس، ثابت می شود که متوسط ولتاژ و شیب تغییرات ولتاژ در شروع و در طی بازه ی مغناطیس زدایی تاثیر به سزایی در نحوه ی شکل گیری شکل موج لرزش در ساختار استاتور دارند. از طرفی، علاوه بر نیروهای شعاعی، گرادیان این نیروها و مشتق دوم نیروهای شعاعی نیز در لرزشایجاد شده نقش خواهند داشت. به همین منظور، سه روش کنترلی به منظور کنترل ولتاژ اعمال شده به سیم پیچ فاز در بازه ی مغناطیس زدایی ارائه می گردند و توسط شبیه سازی و آزمون آزمایشگاهی، موفقیت روش های ارائه شده به اثبات می رسند. روش اول، موسوم به کنترل پویای متوسط ولتاژ مغناطیس زدایی است که در این روش، الگوریتم کنترلی به صورت هم زمان، متوسط ولتاژ اعمال شده به سیم پیچ در بازه ی کنترل جریان را محاسبه می کند و در بازه ی مغناطیس زدایی، با کنترل نرخ وظیفه ی سوئیچینگ، اقدام به اعمال ولتاژی با متوسط برابر با مقدار محاسبه شده خواهد کرد. در روش های دوم و سوم، به توجه به سرعت چرخش، جریان مرجع و ولتاژ لینک مبدل، الگوریتم کنترلی اقدام به کنترل سوئیچ های مبدل با نرخ وظیفه ی متغیر خواهد کرد به نحوی که متوسطولتاژ اعمال شده به سیم پیچ در بازه ی مغناطیس زدایی شکل موجی نمایی و نمایی معکوس داشته باشد. با این روش، می توان به صورت هم زمان، شیب تغییرات و متوسط ولتاژ اعمالی به سیم پیچ را کنترل کرد. الگوریتم های کنترلی ارائه شده در نرم افزارهای شبیه سازی مبتنی بر المان محدود، بر روی یک موتور سوئیچ رلاکتانس نمونه پیاده سازی می شوند و سپس با توجه به شکل موج های ولتاژ و جریان هر فاز، نیروهای شعاعی وارد شونده بر ساختار استاتور محاسبه می گردند و سپس لرزش ایجاد شده ناشی از اعمال نیروهای شعاعی، محاسبه می گردد. به منظور ارزیابی نهایی، الگوریتم های پیشنهادی، در آزمون آزمایشگاهی بر روی موتور سوئیچ رلاکتانس مورد آزمایش قرار می گیرند و توسط سنسور شتاب سنج، لرزش ایجاد شده در ساختار استاتور سنجیده می شود و توسط نتایج عملی با اثبات می رسد که الگوریتم های ارائه شده می توانند تا میزان زیادی در کاهش لرزش ایجاد شده در ساختار استاتور موثر واقع گردند. کلمات کلیدی: 1 - موتور سوئیچ رلاکتانس،2- لرزش، 3-رزونانس،4- کنترل ولتاژ