Nagy fordulatszámú villamos hajtások irányítási kérdései  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
124913
típus FK
Vezető kutató Stumpf Péter Pál
magyar cím Nagy fordulatszámú villamos hajtások irányítási kérdései
Angol cím Investigation of control technqiues applied in high speed electric drive systems
magyar kulcsszavak Villamos gép, Teljesítményelektronikai konverterek, Impulzusszélesség moduláció, szenzornélküli szabályozás
angol kulcsszavak Electric machines, Power electronic converter, Pulse Width Modulation, sensorless control
megadott besorolás
Elektrotechnika (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)75 %
Ortelius tudományág: Alkalmazott elektronika
Automatizálás és Számítástechnika (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)25 %
Ortelius tudományág: Automatizálás
zsűri Informatikai–Villamosmérnöki
Kutatóhely Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
projekt kezdete 2017-09-01
projekt vége 2021-02-28
aktuális összeg (MFt) 11.551
FTE (kutatóév egyenérték) 2.45
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Napjainkban egyre nagyobb figyelmet fordítanak a nagy fordulatszámú villamos motorokra. Ezen típus megjelenése komoly kihívást jelent a digitális hajtástechnikában és a teljesítményelektronikában is. Még a legújabb digitális eszközök alkalmazásakor is, zárt hurkú működés esetén a mintavételi frekvencia értéke korlátozott több okból, emiatt a mintavételi és a villamos frekvencia aránya a motor névleges sebessége körül alacsony, mely stabilitási problémákat okoz. Ez a probléma fennáll elektromos vagy hibrid járművekben használt nagy pólusszámú motorok esetén is.
A PD kutatás egyik célja újfajta módszerek és stratégiák vizsgálata nagy fordulatszámú hajtásrendszerek esetén a dinamikai viselkedés hatékonyságának növeléséhez, a stabil tartomány kibővítéséhez. Ehhez kapcsolódóan nyílt és zárt hurkú megfigyelő és becslő algoritmusok vizsgálatára, fejlesztésére kerül sor. Továbbá a széles körben alkalmazott hajtásszabályozási módszerek (FOC,DTC) továbbfejlesztése, például kompenzációs eljárásokkal, módosított szabályozó struktúrával, illetve a DB-DTFC szabályozási módszer alkalmazhatóságának vizsgálatára kerülne sor. Fontos cél az optimalizált ISZM technikák zárt hurkú implementálása, a nagy fordulatszámú hajtásokra jellemző alacsony frekvencia arányra. A pályázat másik célja nagy fordulatszámú indukciós gépes hajtások öngerjesztésének, és ezáltal a motorok sziget üzemmódban generátorként való alkalmazhatóságának a vizsgálata és újszerű szabályozási módszerek kidolgozása folytatva az eddigi kutatásokat. Az ISZM moduláció segítségével kapcsolt kapacitások és/vagy induktivitásokból álló újfajta topológiák alkalmazása komoly lehetőségeket jelenthet az energiahasznosításban.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatási tervben részletezett módon az FK kutatás nagy fordulatszámú hajtások, akár motoros, akár generátoros üzemben történő irányítási kérdéseire keresi a válaszokat és a megoldási lehetőségeket. A nagyfordulatszámú hajtások speciális tulajdonságai, mint például a mintavételi frekvencia és a villamos frekvencia alacsony F aránya a motor névleges sebessége körül vagy a nehézkes fordulatszámmérés, új kihívásokat jelentenek a kutatóknak. Az FK pályázat célja a nagy fordulatszámú digitálisan szabályozott hajtásrendszerek vizsgálata több szempontból. Egyik szempont, hogy miként lehet a kisebb fordulatszámú hajtások esetén széles körben alkalmazott megfigyelő és becslő algoritmusok eljárásokat nagy fordulatszámú gépekre továbbfejleszteni. Különösen fontos lehet a mechanikai fordulatszám pontos becslése és így a megbízható szenzornélküli hajtás kialakítása, hiszen a fordulatszámmérés ilyen nagy sebességeknél nehézkes. Az FK pályázat arra a kérdésre keresné a választ, hogy a gyakran alkalmazott szabályozási stratégiákat milyen módon lehetne módosítani, például kompenzációs eljárással vagy összetettebb szabályozó alkalmazásával, hogy az alacsony F érték miatt kritikus holtidő hatását csökkenteni lehessen. További kérdés, hogy miként lehet megvalósítani és hogyan lehet ezáltal a hajtás minőségét javítani optimalizált ISZM technikával zárt hurkú működés esetén, ha a frekvencia arány alacsony. Az FK továbbá arra a kérdésre is keresi a választ, hogy miként lehet a nagy fordulatszámú motorok zárt hurkú öngerjesztésénél alkalmazott szabályozási módszert a teljes frekvenciatartományra kibővíteni.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A kutatási időszak végére a vezető kutató újfajta, analitikus számításokkal, számítógépes és HIL alapú szimulációval illetve laboratóriumi mérésekkel alátámasztott módszerek és eljárások kifejlesztését várja, melyek hozzájárulnak a nagy fordulatszámú hajtások hatékonyságának növeléséhez és a stabil működési tartományának kibővítéséhez. Az elért eredmények hasznosíthatóságát az a tény biztosítja, hogy nagy fordulatszámú hajtásokat egyre szélesebb körben alkalmaznak, kezdve a megújuló energiaforrások hasznosításától és az elektromos és hibrid járművektől, az ipari robotokon és ipari rendszereken keresztül egészen a orvosi segédeszközökig és a háztartási berendezésekig. Szinte minden korszerű elektronikai rendszerben a teljesítményszinttől függetlenül. Az új eredmények lehetőséget nyújthatnak a nagy fordulatszámú vagy nagy póluspárú hajtások további elterjedésének és alkalmazásuknak még szélesebb körben. Összességében az alapkutatási eredmények jobb és megbízhatóbb eszközök tervezésére adnak lehetőséget.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Digitális szabályozott villamos hajtásrendszerek egyre nagyobb szerepet játszanak a korszerű műszaki berendezésekben, a szerszámgépektől kezdve az ipari robotokon át a megújuló energiaforrásokat hasznosító rendszerekig, mivel velük költséghatékonyan megvalósítható a villamos és mechanikai energia oda-vissza történő alakítása. Az elmúlt évtizedben a nagy fordulatszámú, akár százezer percenkénti fordulatszámú, villamos motorok előtérbe kerültek, számos új kihívást jelentve a kutatók számára. Ezek a kihívások nem csak nagy fordulatszámú, hanem nagy pólusszámú motoroknál is megjelennek, amelyeket újabban elektromos és hibrid autókban alkalmaznak. A kutatás célja, folytatva a vezető kutató korábbi kutatásait, a nagy fordulatszámú hajtások esetén fellépő problémák megértése, magyarázata és ennek alapján új módszerek kidolgozása a nagy fordulatszámú hajtás hatékonyságának, megbízhatóságának és így a teljes rendszer hatásfokának növeléséhez. Összességében az alapkutatási eredmények jobb és megbízhatóbb eszközök tervezésére adnak lehetőséget.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Recently increasing attention has been paid to high speed induction and synchronous machine drives. It poses many challenges in the field of digital control techniques and power electronics. Even with the up-to-date high performance digital devices the sampling frequency in closed loop application is limited. Its consequence is that the ratio of the sampling frequency and the actual synchronous frequency around the maximum speed of a high speed motor is low, resulting in stability problems in the regulation loop. It appears also in high-pole count motors, used widely for hybrid and electric vehicles.
One of the main goals of the FK research project is to seeking novel approaches and techniques to improve the quality, the dynamic performance and expand the stability range of closed loop controlled high speed drives. Within the frame of the FK project open-loop and closed-loop observer algorithms will be investigated and modified for high speed drive application. Furthermore different methods, like stabilizing loops, compensation methods, will be analysed to improve the performance of classical control methods (like FOC,DTC) even at high speed drives. Furthermore a loss optimized PWM techniques will be implemented and studied in closed loop for very low frequency ratios.
Another goal of the project is to study self-excited high speed induction generators, which can be used to generate electric energy. By continuing the previous research work the project will focus on novel closed loop techniques to expand the operation range to the whole frequency range and to increase the performance and reliability of the system.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

As it is described in the research plan the FK reasearch looking for novel solutions to control high speed electric machines both in motoring and generating mode. The special properties of the high speed drives, like the ratio of the sampling frequency and the electrical frequency F is low or it is hard to measure the mechanical speed with good accuracy, pose many challenges to the researchers. The high speed drives will be investigated from control techniques and power electronics point of view. In the first case the FK project is try to find solution, how the open and closed loop observer and estimator algorithms can be used for high speed drives. The proper estimation of the mechanical speed is very important as the speed sensorless drive can be a viable solution for high speed drives. Furthermore, the FK research project try to realize different methods, like using additional stabilizing loops, compensation methods or complex controller, to improve the performance of FOC or DTC method even at high speed drives, where the low number of F has a crucial effect on the performance. Digital implementation of optimized PWM techniques in closed loop systems poses many challenges, like the proper timing of the current sampling or the fast online calculations techniques for the optimal switching angles. The FK project tries to find techniques and solution how optimized PWM techniques can be implemented in closed loop for low frequency ratios. Furthermore, the FK investigate a novel switched capacitor topology and a control method based on space vector theory.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

By the end of PD research project the principal investigator expects the development of novel approaches, techniques and strategies verified by analytical calculations, computer and HIL based simulation and laboratory measurements to improve the performance and extend the stable range of closed loop controlled high speed drives. The practical importance is demonstrated by the fact that in large number of applications high speed electric drives already play important roles like in renewable energies, hybrid and electric vehicles, robots, machine tools, medical equipment, industrial and consumer electronics, in lighting, etc., in general in most advanced electric and electronic products independent on their power. The novel scientific results can provide that, the high speed or high pole-count drives appear more widely in different applications. Furthermore, the possible contribution of the FK project is novel methods to design higher performance and more reliable closed loop drive systems.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Digitally controlled drive systems play important role in up-do-date high-performance engineering systems, from milling machines via robotics through to the utilization of renewable energies, as they enable the efficient conversion of electric power to mechanical power and vice versa. Recently increasing attention has been paid to high speed, up to 100 000 revolution per minute, drives, which poses may challenges for the researchers. These challenges appear in high-pole count motors, used widely for hybrid and electric vehicles. The main goal of the PD research project, by continuing the previous work of the principal investigator, is the comprehension and explanation of the problems of the high speed drives and the development of novel strategies to improve the performance, the reliability of the drive system, therefore increase the overall efficiency of the system. In summary the results of the research can provide methods to design higher performance and more reliable systems.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A pályázat keretén belül kidolgozásra és megvalósításra kerültek veszteség optimalizált impulzusszélesség modulációs (ISZM) technikák két, illetve többszintű inverterekre, melyeket a nagy fordulatszámú hajtások táplálásához lehet használni. Az optimális ISZM segítségével megfelelő hajtás tulajdonságokat lehet elérni még a nagy fordulatszámú hajtásokra jellemző alacsony kapcsolási és alapfrekvencia arány mellett is. A módszer nyílt és zárt hurokban történő alkalmazása is kidolgozásra került. Az elmúlt évtizedben modell prediktív szabályozási (MPC) módszereket egyre szélesebb körben kezdtek alkalmazni összetett teljesítményelektronikai rendszerekben és villamos hajtásokban. A pályázat keretén belül kidolgozásra került egy olyan, MPC algoritmusokhoz használható párhuzamosan futtatható szálakat is tartalmazó újszerű rendezési algoritmus, melynek végrehajtási ideje jelentősen kisebb, mint az irodalomban fellelhető eljárásoké. A módszer nem csak villamos hajtások, hanem egyéb, MPC algoritmust használó rendszerek szabályozásához is alkalmazható. Továbbá, kidolgozásra került egy szinkronizált MPC módszer mellyel jobb hajtásminőség érhető el alacsony, nagy fordulatszámú hajtásokra jellemző, mintavételi és alapfrekvencia arány mellett is. Emellett a pályázat nyílt és zárt hurkú fordulatszám és fluxus becslő algoritmusok vizsgálatával és továbbfejlesztésével is foglalkozott. A kutatás során az elméleti és szimulációs eredmények laboratóriumi mérésekkel lettek alátámasztva.
kutatási eredmények (angolul)
Within the framework of the research project loss optimized Pulse Width Modulation schemes are investigated and developed for two and multilevel voltage source inverters, which can be used to supply high-speed drives. The optimal PWM algorithms allow proper operating conditions even at low switching to fundamental frequency ratios, which is typical for high-speed drives. The use of the optimal PWM technique for open as well as for closed loop is investigated. Model Predictive Control has become a very promising and versatile technique for the control of complex power electronic converters and electric drives. Within the framework of the FK research project a novel sorting algorithm is developed, which can be used for MPC algorithm to find the optimal control action. The execution time of the algorithm is shorter, then other methods available in the literature. The sorting algorithm can be effectively applied not only to electrical drives, but also other systems using MPC algorithm. PI also introduced a novel MPC scheme, where the sampling frequency is synchronized to the fundamental frequency. The method can improve the performance of the control algorithm for very low sampling to fundamental frequency ratio, which is typical for high-speed drives. The research project also investigated and further developed open and closed loop speed and flux estimator algorithms. During the research the theoretical and simulation results were verified by experimental tests as well.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124913
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Stumpf Péter, Halász Sándor: Optimization of PWM for Overmodulation Region of Two-level Inverters, IEEE T IND APPL 54: (4) pp. 3393-3404., 2018
Stumpf Péter Pál, Halász Sándor: Space Vector based Investigation of Overmodulation Region of Inverter Fed Multiphase AC Drives, 2020 IEEE 19th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2021
Bandy Kristof, Stumpf Peter: Model Predictive Torque Control for Multilevel Inverter fed Induction Machines Using Sorting Networks, IEEE ACCESS 9: pp. 13800-13813., 2021
Litváni Lilla, Hamar János, Sütő Zoltán and Stumpf Péter Pál: Asymmetrical Load Resistance Operation of Four Channel DC-DC Buck-Boost Converter, 2020 IEEE 19th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2021
Halász Sándor, Stumpf Péter Pál: Az inverteres villamos hajtások fejlődési irányai, ELEKTROTECHNIKA 111: (12) p. 11., 2018
Stumpf Péter, Halász Sándor: Comparison of optimized PWM techniques for overmodulation region of two-level inverters, In: I Braslavskiy (szerk.) (szerk.) International Ural Conference of Alternating Current Electric Drives (ACED 2018). Seattle (WA): IEEE, 2018. pp. ., 2018
Stumpf Péter, Halász Sándor: Optimized PWM technique for Overmodulation Region in Vector Controlled High Speed Drives, In: Leo Lorenz (szerk.) (szerk.) PCIM Europe Conference 2018. Nürnberg: VDE Verlag GmbH, 2018. pp. 1536-1543., 2018
Stumpf Péter, Halász Sándor: Optimal PWM for Two-level Inverter fed High Speed Induction Machines, In: Proceedings of the 2018 IEEE 18th International Conference on Power Electronics and Motion Control (PEMC) . Budapest, Magyarország, 2018
Stumpf Péter, Halász Sándor: Optimal PWM for Three-Level Inverter fed High Speed Drives, In: Proceedings of conference 13th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems, (2019) p. 51., 2019
Stumpf Péter, Váradi Lajos Ádám: Investigation of Estimator Algorithms for High Speed Drive Systems, In: Proceedings of the 2018 18th International Conference on Mechatronics – Mechatronika (ME) pp. 243-250., 2018
Stumpf Peter, Bara Istvan: Model Predictive Torque Control with Synchronized Sampling Frequency for High Frequency Induction Machine Drives, In: 2020 IEEE 29th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), (2020) pp. 332-338., 2020
Stumpf Péter Pál, Bándy Kristóf, Halász Sándor: Space Vector based Investigation of Overmodulation Region of Inverter Fed Multiphase AC Drives, 2020 IEEE 19th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2021
Stumpf Péter, Halász Sándor: Optimal PWM for Three-Level Inverter fed High Speed Drives, In: Proceedings of conference 13th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems, (2019) p. 51., 2019
Stumpf Peter, Bara Istvan: Model Predictive Torque Control with Synchronized Sampling Frequency for High Frequency Induction Machine Drives, In: 2020 IEEE 29th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), (2020) pp. 332-338., 2020
Halász Sándor, Stumpf Péter Pál: Az inverteres villamos hajtások fejlődési irányai, ELEKTROTECHNIKA 111: (12) p. 11., 2018
Stumpf Péter, Váradi Lajos Ádám: Investigation of Estimator Algorithms for High Speed Drive Systems, In: Dusan, Maga; Alexandr, Stefek; Tomas, Brezina (szerk.) Proceedings of the 2018 18th International Conference on Mechatronics – Mechatronika (ME), Brno University of Technology (2018) pp. 243-250., 2018
Stumpf Péter, Halász Sándor: Optimal PWM for Two-level Inverter fed High Speed Induction Machines, In: Pavol Bauer, Péter Korondi, Mihai Cernat Razvan-Ioan Dinita, Mihai Cernat, Lia Elena Aciu (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 2018 IEEE 18th International Conference on Power Electronics and Motion Control (PEMC) . Budapest, Magyarország, 2018.08.26-2018.08.29. Kiadvány: IEEE, 2018. pp. 1, 2018
Stumpf Péter, Halász Sándor: Optimization of PWM for Overmodulation Region of Two-level Inverters, IEEE T IND APPL 54: (4) pp. 3393-3404., 2018
Stumpf Péter, Halász Sándor: Comparison of optimized PWM techniques for overmodulation region of two-level inverters, In: I Braslavskiy (szerk.) (szerk.) International Ural Conference of Alternating Current Electric Drives (ACED 2018). Seattle (WA): IEEE, 2018. pp. ., 2018
Stumpf Péter, Halász Sándor: Optimized PWM technique for Overmodulation Region in Vector Controlled High Speed Drives, In: Leo Lorenz (szerk.) (szerk.) PCIM Europe Conference 2018. Nürnberg: VDE Verlag GmbH, 2018. pp. 1536-1543., 2018




vissza »