Μοντελοποίηση Και Βελτιστοποίηση Ελέγχου Βοηθητικών Προωστήριων Μηχανισμών Πλοίου

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται τα συστήματα ελέγχου των ασύγχρονων κινητήρων για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης με στόχο το σχεδιασμό βέλτιστης λειτουργίας συστήματος βοηθητικής πρόωσης πλοίου. Για το σκοπό αυτό εξετάζονται τόσο οι πιο πρόσφατες τάσεις όσο και οι κλασικές μεθοδολογίες στην ανάπτυξη των βασικών συνιστωσών του ελέγχου κινητήρων εναλλασσομένου ρεύματος. Επιπλέον, μοντελοποιείται και προσομοιώνεται το σύστημα ηλεκτρικής κίνησης περιλαμβάνοντας το σύστημα οδήγησης ασύγχρονου κινητήρα ισχύος 120kW εφαρμόζοντας τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες ελέγχου. Κύριος σκοπός των συγκεκριμένων μοντέλων είναι η άμεση, ευσταθής και ενεργειακά αποδοτικότερη λειτουργία των βοηθητικών προωστήριων μηχανισμών.Σε ένα πρώτο βήμα, εξετάζεται η λειτουργία των συστημάτων ηλεκτροπρόωσης πλοίων και αναλύονται οι βασικές συνιστώσες τους. Επιπλέον, αναλύεται το ηλεκτρικό δίκτυο του υπό μελέτη πλοίου, βάσει του οποίου έχει σχεδιασθεί και ο πρότυπος ασύχρονος κινητήρας 120kW για τα συστήματα βοηθητικής πρόωσης. Επιπλέον, στα πλαίσια της σχεδίασης του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος, αναλύονται η διαμόρφωση και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των μηχανών επαγωγής και διερευνώνται οι μεθοδολογίες οδήγησής τους. Στη συνέχεια, σχεδιάζονται και αναπτύσσονται τα μοντέλα ελέγχου για την οδήγηση του βοηθητικού προωστήριου μηχανισμού πλοίου. Συγκεκριμένα, στο πρώτο μοντέλο ελέγχου υλοποιείται η λογική του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στο πεδίο (Field Oriented Control, FOC), χρησιμοποιώντας εκτιμητή ροής βασισμένο στο μοντέλο ρεύματος. Η διάταξη του μετατροπέα αποτελείται από έναν τριφασικό ανορθωτή διόδων, έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης για τη ρύθμιση του ζυγού συνεχούς τάσης και έναν τριφασικό αντιστροφέα τύπου γέφυρας ενώ η τεχνική διαμόρφωσης του ρεύματος πραγματοποιείται μέσω ελέγχου σε ζώνη υστέρησης (Hysteresis Band Current Controller, HBCC). Στο δεύτερο μοντέλο ελέγχου χρησιμοποιείται επίσης η λογική του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στο πεδίο, η διάταξη των μετατροπέων διατηρείται ίδια, όμως ο εκτιμητής ροής βασίζεται στο μοντέλο τάσεων της μηχανής και η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών υλοποιείται μέσω διανυσμάτων κατάστασης του αντιστροφέα (Space Vector Modulation, SVM). Στο τρίτο μοντέλο ελέγχου εξετάζεται η κλασική τεχνική ελέγχου σταθερού λόγου V/F σε ανοικτό βρόχο χρησιμοποιώντας τοπολογία ανορθωτή με θυρίστορ, η οποία αποτελεί τυπική εφαρμογή σε συστήματα οδήγησης βοηθητικών προωστήριων μηχανισμών πλοίων. Τέλος, με τα μοντέλα οδήγησης ασύγχρονων κινητήρων που αναπτύχθηκαν πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας λογισμικό δυναμικής προσομοίωσης του κινητήρα επαγωγής. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αριθμητικά αποτελέσματα και συγκρίνονται οι μεθοδολογίες ελέγχου, ως προς τον βαθμό απόδοσης, τον συντελεστή ισχύος, την καταναλισκόμενη ενέργεια και την ποιότητα παρεχόμενης ισχύος στον κινητήρα σε λειτουργία εκκίνησης, κατά τη διάρκεια ελιγμών.