Σχεδιασμός και Υλοποίηση Εργαστηριακού Δυναμομέτρου για Συστήματα Ηλεκτρικής Κίνησης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τον σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός εργα στηριακού δυναμομέτρου που προορίζεται για τη μέτρηση και την ανάλυση των χαρακτηριστικών συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης. Το έργο περιλαμβάνει τη θεωρητική ανάλυση και τη πρακτι κή εφαρμογή των ηλεκτρονικών ισχύος και των ηλεκτρικών μηχανών κίνησης, καθώς και την ανάπτυξη και δοκιμή ελεγκτών για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους. Αρχικά, αναλύονται οι βασικές αρχές των ηλεκτρονικών ισχύος, εστιάζοντας στους DC-DC μετατροπείς πλήρους γέφυρας και στους τριφασικούς αντιστροφείς. Παρουσιάζονται οι αρχές λειτουργίας τους, οι τεχνικές διαμόρφωσης PWM και οι εφαρμογές τους σε συστήματα ελέγχου ταχύτητας ηλεκτρικών κινητήρων. Στην συνέχεια, εξετάζεται η αρχή λειτουργίας της μηχανής συνεχούς ρεύματος, το δυναμικό μοντέλο της και οι παράμετροι που την επηρεάζουν. Αναλύονται τα συστήματα ελέγχου, όπως οι ελεγκτές ρεύματος και ταχύτητας, και παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδίασης και υλοποίησης των ελεγκτών. Ακολουθεί η ανάλυση της λειτουργίας της επαγωγικής μηχανής, μια λεπτομερής περιγραφή του δυναμικού της μοντέλου και μια γενική αναφορά στα τριφασικά συστήματα ισχύος. Παρουσι άζεται η διανυσματική μέθοδος ελέγχου, η οποία επιτρέπει την ακριβή ρύθμιση της λειτουργίας της μηχανής. Με βάση όλα τα παραπάνω, επιτυγχάνεται ο σχεδιασμός του ηλεκτρικού δυναμομέτρου τόσο σε επίπεδο προσομοίωσης όσο και σε φυσικό σύστημα. Γίνεται περιγραφή της συνδεσμολογίας του συστήματος και οι απαιτήσεις για τη μέτρηση ροπής και ταχύτητας. Παρουσιάζονται οι ελεγκτές που χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση της ταχύτητας και της ροπής, καθώς και η διαδικασία εκκίνησης του συστήματος. Υπολογίζονται οι χάρτες λειτουργίας κάθε μηχανής, αλλά και του συνολικού συστήματος με βάση τον αλγόριθμο MTPV. Ακόμα, αναφέρεται το σύστημα επικοινωνίας CAN bus για τη λήψη της μέτρησης της ταχύτητας περιστροφής σε όλους τους ελεγκτές. Τέλος, περιγράφονται οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της απόδοσης του δυναμομέτρου. Αναλύονται οι μετρήσεις ταχύτητας και ρεύματος, καθώς και η δυναμική συμπεριφορά των μηχανών κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων, οι παρατηρήσεις σχετικά με τη συμπεριφορά των ελεγκτών και οι επιπτώσεις των απωλειών στο πραγματικό σύστημα. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν στο περιβάλλον Plecs, ενώ οι κυματομορφές που παρου σιάζονται, πραγματοποιήθηκαν σε προγραμματιστικό περιβάλλον python.