https://www.mdu.se/

Avhandlingen behandlar först och främst styrning av elmotordrifter, men vi tittar även på styrning av nätomriktare för stabil framdrivning av tåg.

Två industriprojekt är rapporterade i avhandlingen, i form av delrapporterna ”Sensorless Control of Electrically Excited Synchronous Machines”, ABB Corporate Research och ”Stable and Passive Traction”, Bombardier Transportation.

Beträffande styrning av elektriska motorer, speciellt synkrona växelströmsmotorer, är fokus på området sensorlös reglering. Med sensorlös reglering menas att motorn inte är beskaffad med någon vartalsgivare eller rotorvinkelgivare. Om man kan styra motorn på ett bra sett utan att montera en givare, kan man få ett mindre, billigare och ett mer robust drivsystem. Ökad robusthet erhålls eftersom man inte behöver lita på en givare som eventuellt kan ge felsignal eller i värsta gå sönder.

Algoritmen för estimering av rotorvinkel är en vidareutveckling av den så kallade spänningsmodellen; vi kallar den ”Statically Compensated Voltage Model” (SCVM). För drivsystem som innehåller permanentmagnetiserade synkronmotorer, bevisas garanterad synkronisering från godtycklig initialvinkel vid uppstart och dessutom vid reversering.

I delprojektet tillsammans med ABB Corporate Research skulle SCVM kunna användas som ett ”backup-system” då ett fel i den ordinarie varvtalsgivaren upptäcks. Detta skulle innebära att drivsystemet kan stoppas på ett lugnt och säkert sätt. I bästa fall skulle man kunna fortsätta köra drivsystemet som om inget hade hänt, utan istället byta varvtalsgivaren vid nästa servicetillfälle.

I delprojektet tillsammans med Bombardier Transportation är fokus på styrning av nätomriktare, som indirekt används för framdrivning av tåg. Undersökningen innefattar möjligheten att styra omriktaren på ett sådant sätt att omriktaren uppträder som en passiv komponent. Passivitet gäller då vinkeln mellan inkommande ström och spänning inte överstiger +90° eller understiger -90°. Är inte omriktaren ”passiv” kommer den att interferera med andra tågs omriktare. Nätet kan då bli instabilt och i värsta fall kollapsa. Med hjälp av en annan topologi av strömregulator så utvidgades frekvensområdet då omriktaren uppträder som en passiv komponent.

In this thesis we discuss and analyze aspects and methods for low-speed poeration, startup, and particularly rotational reversal for sensorless control of non-salient permanent-magnet synchronous motors (PMSMs), i.e., stabilization in the low-speed region. Furtermore, a speed and position estimation algorithm for speed-sensorless control of electrically excited synchronous machines (EESMs) with damper windings is developed. For EESM drives, an initial rotor position estimation algorithm is also developed. Regarding the PMSM drives, it is shown that the sensorless drive synchronizes from any initial rotor position, recovers from initial rotation in the wrong direction, and also reverses rotation without lockup or instability phenomena.

The result regarding sensorless control and preformance in the low-speed region are simulated and experimentally verified, which indicates that the proposed estimator is effective. An additional subject in this thesis is control traction converters. One major problem is that trains with pulse-width-modulation (PWM) converters have active input impedance; thus the phase shift between the input current and voltage is greater than +90 degrees or less than -90 degrees for a certain ferquency region. This may result in poor damping and in worst case unstable operation. Here, it is shown that via sophisticated current control and improved feed-forward, one may stabilize the system with respect to passivity.