Vector control of doubly-fed induction machine: robustness with respect to parameters variation

Electromechanical systems on the base of Doubly-Fed Induction Machine is an attractive solution for restricted speed range drives and energy generation applications. The concept of indirect stator flux orientation was introduced similarly to indirect rotor flux orientation. Line voltage amplitude, frequency and stator resistance have variations and cause torque errors. Robustness of the indirect flux oriented controller is studied in order to define the most critical variations

Phonon spectrum and vibrational characteristics of linear nanostructures in solid matrices

The atomic dynamics of linear chains embedded in a crystalline matrix or adsorbed on its surface is studied. A linear chain formed by substitutional impurities in a surface layer and at the same time offsetting from this layer was analyzed particularly. This system models the actively studied experimentally structures in which gas molecules are adsorbed on the walls of the bundles of carbon nanotubes located in certain medium. It is shown that the quasi-1D features are typical for the chains in which the interatomic interaction is higher than the interaction between the atoms of the chain and the atoms of the crystal matrix. On the local phonon density of atoms of the chain, the transition to quasi-one-dimensional behavior has the form of the kink. In other words, it is the first (lowest-frequency) van Hove singularity, which in 3D structures (the system under consideration is generally three-dimensional) corresponds to the transition from closed to open constant-frequency (quasi-plane) surfaces. The local phonon densities of atoms in the chain have one-dimensional character at frequencies higher than the frequency of the van Hove singularity. The rms-amplitude of embedded chains atoms vibrations is calculated and the behavior of the atomic vibrations contribution in the low-temperature heat capacity of the system is analyzed.Comment: 14 pages, 7 figure

Feedback linearizing field-oriented control of induction generator: theory and experiments

A novel field-oriented vector control for induction generators is presented. Design procedure is based on indirect field orientation concept and exploits output-feedback linearizing technique for voltage controller design. Proposed solution guarantees asymptotic rotor flux and DC-link voltage regulation together with linear nominal dynamics of the DC link voltage error. Decomposition into voltage and current-flux subsystems, based on the two-time scale separation, allows to use a simple controllers tuning procedure. Results of comparative experimental study with standard indirect field-oriented control, having linear PI voltage controller, are presented. It is shown that designed controller, in contrast to standard solutions, provides system performances stabilization when speed is varying. Proposed control algorithm is suitable for standalone and grid connected (via suitable inverter) energy generation systems with variable speed operation.Представлено нову систему векторного керування асинхронними генераторами. Процедура проектування базується на концепції непрямої орієнтації за вектором потокозчеплення ротора і використовує метод лінеаризації зворотнім зв’язком для проектування регулятора напруги. Запропоноване рішення гарантує асимптотичне регулювання потокозчеплення ротора і напруги в ланці постійного струму, забезпечуючи лінійну динаміку похибки регулювання напруги. Завдяки розділенню контурів регулювання в часі досягається декомпозиція на підсистему напруги і підсистему струму-потокозчеплення, що дозволяє використовувати просту процедуру налаштування регуляторів. У роботі представлені результати порівняльного експериментального дослідження запропонованого алгоритму і стандартного, який базується на алгоритмі з непрямою орієнтацією за потокозчепленням ротора і використовує лінійний ПІ регулятор напруги. Показано, що розроблений контролер, на відміну від стандартних рішень, забезпечує стабілізацію показників якості системи при зміні кутової швидкості ротора генератора. Запропонований алгоритм керування може застосовуватися в системах генерування зі змінною робочою швидкістю, які працюють в автономному режимі чи підключені до мережі через відповідний інвертор.Представлена новая система векторного управления асинхронными генераторами. Процедура проектирования базируется на концепции косвенной ориентации по вектору потокосцепления ротора и использует метод линеаризации обратной связью для проектирования регулятора напряжения. Предложенное решение гарантирует асимптотическое регулирование потокосцепления ротора и напряжения в звене постоянного тока, обеспечивая линейную динамику ошибки регулирования напряжения. Благодаря разделению контуров регулирования во времени достигается декомпозиция на подсистему напряжения и подсистему тока-потокосцепления, что позволяет использовать простую процедуру настройки регуляторов. В работе представлены результаты сравнительного экспериментального исследования предложенного алгоритма и стандартного, который основан на алгоритме с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора и использует линейный ПИ регулятор напряжения. Показано, что разработанный контроллер, в отличие от стандартных решений, обеспечивает стабилизацию показателей качества системы при изменении угловой скорости ротора генератора. Предложенный алгоритм управления может применяться в системах генерирования с переменной рабочей скоростью, которые работают в автономном режиме или подключены к сети через соответствующий инвертор

Concept of experimental research for electrical vehicle electromechanical systems with hybrid energy storages

In this paper, the concept of experimental investigations of electric vehicles electromechanical systems with hybrid energy storages is designed. Hybrid energy storage system is based on accumulators and super capacitors. The basic requirements to the functional capabilities of experimental installation have been formulated and installation structure has been developed. A novel DC-DC boost converter control algorithm is presented and experimentally verified. Results of experimental investigation induction motor speed-flux vector control algorithm are presented as well.The designed concept and unified experimental setup can be used to study a wide range of control algorithms used in electric vehicles, including those with battery or super capacitors suppl

SENSORLESS SPEED CONTROL OF THE DIRECT CURRENT MOTORS

In this paper, a new speed control algorithm for a permanent magnet DC motor which does not require implementation of the angular speed sensor is presented. Three steps are performed to develop the control system: design of speed tracking control algorithm assuming the speed measurement; design of speed observer; design of sensorless speed control algorithm based on the principle of separation. Information about speed is taken from the speed observer using the motor current value. The stability of the composite system dynamics consisting of three subsystems (the speed regulation loop, current regulation loop, and speed observer) is analyzed. The feedback gains tuning procedure for decoupling of three subsystems is given. The simulation results show that the dynamic performance of the designed system is similar to the performance of the system with angular speed measurement. The resulting closed-loop system has structural robustness properties with respect to parametric and coordinate disturbances. References 12, figures 2

Observer-based speed estimation for vector controlled induction motors

A speed observer for field-oriented controlled induction drives is presented. The proposed solution exploits the concept of the classic full-order flux observer which is adaptive to the rotor resistance variations. Due to the structural similarity of the rotor speed and active rotor resistance in motor model, the speed observer can be designed using similar structure. The observer guarantees local asymptotic estimation of the rotor fluxes, stator currents and rotor speed in all operating conditions, excluding DC stator excitation. The stability properties of the observer are studied using Lyapunov’s second method. It is experimentally shown that the observer provides an acceptable dynamics of the speed estimation if speed is slowly varying. The proposed observer is suitable for the applications with medium requirements for speed regulation performance

Метод визначення електричних параметрів явнополюсних синхронних двигунів

Пересада, С. М. Метод визначення електричних параметрів явнополюсних синхронних двигунів = Identification method of electrical parameters of the interior permanent magnets synchronous motors / С. М. Пересада, Є. О. Ніконенко, В. С. Решетник // Зб. наук. пр. НУК. – Миколаїв : НУК, 2019. – № 2 (476). – С. 14–21.Анотація. Робота присвячена питанням розробки та дослідження нового методу визначення статичних та інкрементальних індуктивностей, а також значення магнітного потоку постійних магнітів явнополюсних синхронних двигунів із постійними магнітами при самоналаштуванні. Обґрунтовано актуальність розробки методів ідентифікації електричних параметрів явнополюсних синхронних двигунів при самоналаштуванні синхронних електроприводів. Розроблений метод ідентифікації електричних параметрів явнополюсних синхронних двигунів базується на визначенні оцінених значень потокозчеплень двигуна в замкненій системі регулювання струмів із властивостями робастності до неідеальностей інвертора. Для верифікації методу розроблено, виготовлено та налаштовано експериментальну установку з явнополюсним синхронним двигуном із постійними магнітами, а також комплекс програм для дослідження методу ідентифікації індуктивностей і магнітного потоку постійних магнітів двигуна. Установка може застосовуватися для дослідження широкого спектру алгоритмів керування електромеханічними системами з явнополюсними синхронними двигунами з постійними магнітами. Проведене експериментальне дослідження показує, що представлений метод забезпечує визначення статичних та інкрементальних індуктивностей, а також значення магнітного потоку постійних магнітів в умовах самоналаштування явнополюсного синхронного двигуна. Алгоритм ідентифікації має типову структуру сучасних векторно-керованих електроприводів. Він може застосовуватися для підвищення динамічних показників у режимі керування моментом, швидкістю або положенням. Додатково оцінені значення потокозчеплення дають інформацію про насичення магнітної системи синхронного двигуна. З результатів експериментального дослідження випливає, що в досліджуваному явнополюсному синхронному двигуні вплив суміжного струму на потокозчеплення є несуттєвим. Також визначено, що насичення магнітної системи є незначним для робочого діапазону зміни струмів статора. Достовірність та обґрунтованість висновків і рекомендацій підтверджується збігом результатів математичного моделювання з експериментальними даними.Abstract. The paper is devoted to research and development of novel identification method of static and incremental inductances, as well as permanent magnets flux of interior permanent magnets synchronous motors. The relevance of the identification methods design for the synchronous motors electrical parameters during a selfcommissioning procedure is substantiated. The proposed method is based on the flux linkages estimation in a current-controlled closed-loop system with robustness properties with respect to inverter nonlinearities. The experimental installation with an interior permanent magnets synchronous motorwas developed, manufactured and configured for the verification of the proposed method. A set of programs was developed for the method testing as well. The installation can be used to investigate a wide range of control algorithms for electromechanical systems with interior permanent magnets synchronous motors. The experimental study demonstrates that the presented method guarantees the identification of static and incremental inductances, as well as permanent magnets flux of the interior permanent magnets synchronous motor. The identification algorithm has a typical structure of the modern vector-controlled electrical drives.It can be used to improve the dynamic performance and efficiency of vector-controlled interior permanent magnets synchronous motors in torque, speed or positions control modes. Additionally, the estimated fluxes provide the information about saturation of the synchronous motor magnetic system. From the results of the experimental study, it follows that the influence of the cross-coupling is insignificant for the investigated interior permanent magnets synchronous motor. It is shown that the saturation of the magnetic system is negligible for the working range of the stator currentsas well. The validity of the conclusions and recommendations are confirmed by the coincidence of the simulation study results with the experimental data

A Speed Sensorless Indirect Field Oriented Control for Induction Motors based on High Gain Speed Estimation

The authors design a new speed sensorless output feedback control for the full-order model of induction motors with unknown constant load torque, which guarantees local asymptotic tracking of smooth speed and rotor flux modulus reference signals and local asymptotic field orientation, on the basis of stator current measurements only. The proposed nonlinear controller exploits the concept of indirect field orientation (no flux estimation is required) in combination with a new high-gain speed estimator based on the torque current tracking error. The estimates of unknown load torque and time-varying rotor speed converge to the corresponding true values under a persistency of excitation condition with a physically meaningful interpretation, basically equivalent to non-null synchronous frequency. Stability analysis of the overall dynamics has been performed exploiting the singular perturbation method. The proposed control algorithm is a ``true'' industrial sensorless solution since no simplifying assumptions (flux and load torque measurements) are required. Simulation and experimental tests show that the proposed controller is suitable for medium and high performance applications

Power Control of a Doubly-Fed Induction Machine via Output Feedback

A new output feedback control algorithm for a Doubly Fed Induction Machine (DFIM) is presented. The asymptotic regulation of active and reactive power is achieved by means of direct closed loop control of active and reactive components of the stator current vector, presented in a line-voltage oriented reference frame. To get the maximum generality of the solution, the usual assumption of negligible stator resistance is not made. A full order DFIM model is used for the control algorithm development. The proposed control system is robust with respect to bounded machine parameter variations and errors on rotor position measurement. In the paper it is also shown how the proposed current control algorithm can be modified in order to achieve asymptotic active current tracking and zero reactive current stabilization during steady state. An extension for the speed control objective and output EMF control during the excitation synchronization stage are also presented. Simulation and experimental tests demonstrate high dynamic performance and robustness of the control algorithm for typical operating conditions. The proposed controller is suitable for both energy generation and electrical drive application with restricted speed variation range

Intrinsic Speed-Sensorless Control of Induction Motor

A novel speed sensorless control technique for induction motors is presented. No “simplifying” assumption on the magnetic flux (such as known initial conditions, measurable rotor/stator fluxes) is considered and the load torque is assumed constant, but unknown, according to the usual industrial control problem. In the proposed solution, the natural stabilizing feedback between torque current and the mechanical dynamics is suitably “modulated” using adaptive control techniques. Main feature and novelty of the presented approach is that no explicit speed estimation is utilized to compensate for the load torque (in this sense, the solution is “intrinsic”). Local exponential stability of the resulting nonlinear time-varying tracking error dynamics is guaranteed, if a physically meaningful persistency of excitation condition is satisfied. Simulations results under significant operating conditions are provided