Generalized Harmonic Injection Strategy for Dynamic Pole Reconfiguration of a Multiphase Induction Machine

QC 20250513

Abstract

Den snabba utvecklingen av elektrifiering inom olika industrier kräver elektriska maskiner som kombinerar hög effektivitet, anpassningsförmåga och ett stort driftområde. Traditionella (IM), begränsade av fasta lindningskonfigurationer och statiska driftkarakteristiker, har svårt att möta dessa dynamiska krav över det bredare driftområde som applikationen kräver. Denna avhandling tar itu med dessa begränsningar genom att introducera dynamic pole reconfiguration i multiphase induction machine (IM), och utnyttjar styrningsramverk och modelleringsmetoder för att frigöra flexibilitet och prestanda. 

Centralt i denna avhandling är den matematiska vector space decomposition (VSD), som delar upp maskiners elektriska variabler i ortogonala vektorrum, vilket möjliggör separering av rymdharmoniska komponenter. Dessa oberoende vektorrum möjliggör dynamisk kontroll av magnetiska polpar genom teorin om magnetic pole pair transition (MPT). Denna kapabilitet gör att en enda maskin kan fungera som en ”virtuell växellåda och omvandla sitt moment-hastighetsförhållande från en polparskonfiguration till en annan i realtid utan att kräva fysisk lindningsomkonfiguration. Till exempel kan en nio-fasig flerfasig IM växla från en enpolsparskonfiguration för hög hastighet till en trepolsparskonfiguration för hög momentkrav, vilket utökar moment-hastighetsområdet för att passa olika applikationer. 

En kritisk insats i detta arbete är dess robusta metod för parameteridentifiering. Traditionella metoder är beroende av tidskrävande finite element analysis (FEA) och statiska laboratorietester. Avhandlingen introducerar en metodologi för att övers ätta ekvivalenta kretsparametrar hos den multiphase IM i en känd polparslindningskonfiguration till en målad polparskonfiguration. Dessutom tar forskningen itu med praktiska utmaningar såsom omvandlarnonlineariteter, och föreslår en identifieringsoch kompensationsalgoritm för omvandlarparametrar som minskar spänningsfallfel, vilket s äkerställer tillförlitlig kontroll under praktiska driftförhållanden. 

En av hörnstenarna i denna avhandling är generalized harmonic injection (GHI), en banbrytande styrningsstrategi utvecklad inom detta arbete. GHI optimerar momenttäthet genom att strategiskt injicera harmoniska strömmar i flera delrum samtidigt som deras statorfrekvenser synkroniseras för att mildra de negativa effekterna av inter-plane cross-coupling (IPXC), vilket annars skulle kunna orsaka svängningar med slagfrekvens och därigenom stora momentvariationer. Detta möjliggör även förlustreducering genom att minimera statorströmmen vid varje givet driftläge för den multiphase IM. Dessutom utvidgar smooth reference frame transition (SRFT) GHI för att uppnå ripple-free pole pair transition (RFPT). Synkroniseringsstrategin som föreslås i denna avhandling undertrycker dessa slagfrekvenssvängningar och momentvariationer, vilket förbättrar prestandan hos den multiphase IM under polparstransition. Experimentell validering på en nio-fasig testbänk visade effekten av GHI, och resultaten visar en betydande minskning av uppmätta momentvariationer. 

Resultaten av denna forskning har långtgående effekter inom olika industrier. Inom elektrisk mobilitet möjliggör RFPT att fordon sömlöst kan växla mellan högt moment för stadskörning och hög effektivitet för motorvägskörning, vilket förbättrar fordonets energieffektivitet. Förnybara energisystem, såsom vindkraftverk, utnyttjar anpassningsbara polparsnivåer för att optimera elproduktionen över varierande vindhastigheter. När industrier över hela världen övergår till grönare teknologier kan de metoder och insikter som presenteras här utgöra en grundsten för framtidens elektriska maskiner. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363279