Speed control system of synchronous machine based on deterministic observers and feedback linearization method.

Tema ovog istraživanja je upravljanje sinkronim strojem, jednom od najvažnijih komponenti u elektroenergetici. U novije vrijeme se sinkroni strojevi osobito koriste i u motornim režimima rada. Zbog toga su u uvodu navedene osnovne značajke motornih pogona sinkronim strojem te su opisani razlozi korištenja motornih pogona u jedinicama za proizvodnju električne energije. Obavljena je klasifikacija pretvarača koji se pritom mogu koristiti te je odabran pretvarač s utisnutim naponom. Kod izrade klasičnog sustava upravljanja tipično se sustav upravljanja matematički modelira uz određena zanemarenja. Zbog složenosti matematičkog modela sinkronog stroja (nelinearnost, svezanost varijabli) te zbog korištenja zanemarenja, klasičnim pristupom nije moguće realizirati razdvojeno upravljanje po brzini (elektromagnetskom momentu) i magnetskom toku. Nelinearnim pristupom se može, bez korištenja zanemarenja, izvesti zakon upravljanja prema kojem se postiže razdvojeno (neovisno) upravljanje brzinom i magnetskim tokom. Za realizaciju navedenog nelinearnog upravljanja, potrebno je izraditi observere stanja stroja. Ostvarivanjem razdvojenog upravljanja po brzini (elektromagnetskom momentu) i magnetskom toku, predviđaju se bolje dinamičke karakteristike u usporedbi s upravljanjem u klasičnom smislu. Obavljeni su matematički zapisi sinkronog stroja pomoću strujnog modela te pomoću modela s tokovima prigušnih namota. Iz modela su izvedeni observeri struja odnosno tokova prigušnih namota. Iz modela s tokovima prigušnog namota su izvedeni puni, reducirani te observer sa adaptacijom otpora. Obavljene su analize osmotrivosti te su izvedeni dokazi stabilnosti observera prema Lyapunovu. Uz observere su u matematičkom smislu opisane i mogućnosti za estimaciju momenta opterećenja. U izradi sustava upravljanja korištena je metoda linearizacije u povratnoj vezi. Provjerom je utvrđeno da nije moguće obaviti potpunu linearizaciju tako da je zakon upravljana realiziran parcijalnom, odnosno ulazno-izlaznom linearizacijom. Iz zakona upravljanja je vidljivo da je ostvareno razdvojeno upravljanje po elektromagnetskom momentu i magnetskom toku. Stabilnost zakona upravljanja je dokazana prema Lyapunovu. Modeliranje energetskog dijela i pripadnog sustava upravljanja obavljeno je u programskom paketu Matlab/Simulink. Izvedene su jednadžbe pogodne za simuliranje, a sustav je simuliran na dva stroja: SM1 (manje snage) i SM2 (veće snage). Uz simulacijske provjere izvedenog sustava upravljanja izrađena je i studija usporedbe izvedenog i klasičnog upravljanja. Obavljeni su pokusi zaleta bez opterećenja, zaleta s opterećenjem, te pokusi skokovite promjene momenta opterećenja na oba stroja. Usporedba linearnog i nelinearnog sustava upravljanja pokazuje da nelinearno upravljanje daje bolja dinamička svojstva. Pri uvjetima bez opterećenja nelinearni sustav upravljanja ima nešto manje oscilacije. Prednost nelinearnog upravljanja dolazi još više do izražaja pri skokovitim promjenama momenta opterećenja. Kod linearnog upravljanja, pri skokovitim promjenama elektromagnetski moment ulazi u određenu dinamiku prije nego postigne stabilno stanje. Nelinearnim upravljanjem je takva dinamika izbjegnuta. Jedini nedostatak nelinearnog upravljanja je stacionarna trajna pogreška malog iznosa, koja nastupa zbog nepostojanja integralnog člana u regulacijskom sustavu. Za izradu nelinearnog sustava upravljanja, nužno je poznavanje momenta tereta. Budući da je mehaničko opterećenje često nepoznata veličina, obavljena je i estimacija momenta tereta. Obavljeni su i pokusi koji pokazuju rad sustava upravljanja uz estimaciju momenta opterećenja. Završno je obavljeno i ispitivanje s procesorom u petlji (PiL). Objašnjena je eksperimentalna realizacija sustava koji uključuje kontrolnu karticu C2834x s procesorskom jedinicom TMS320C2000. Opisano je povezivanje procesora s Matlab/Simulinkom te Code Composer Studiom te su obavljena ispitivanja s procesorom u zatvorenoj petlji za oba stroja.This work is on synchronous machine control system. The synchronous machine is one of the most important components in a power system. Recently it is rather used in motor operation regimes. Due to this, main characteristics of the synchronous machine have been given in the introduction. Reasons for the use of electric drive systems in power generation units are also given. Frequency converter classification is given and voltage source inverter configuration is chosen. Classical linear control system use many approximations. Due to complexity of the synchronous machine mathematical model (nonlinearity, coupling) these approximation disables classical control to achieve decoupled control of rotor speed (electromagnetic torque) and magnetic flux. To make it applicable, damper winding state observers should be made. Using decoupled control, better dynamical performance in comparison with classical control system is expected. Using damper winding currents and damper winding fluxes, synchronous machine mathematical models are given. Using these models, observers for damper winding currents and fluxes are obtained. From the model with magnetic fluxes, full order observer, resistance adaptive observer and reduced order observer are obtained. Observability analysis is done and stability of observers are proved according to Lyapunov. Except from that, several mathematical proposals for the load torque estimation have been given. To obtain the control, nonlinear technique of feedback linearization is used. It is shown that full state feedback linearization is not possible to apply, so the control low is obtained by partial input-output linearization. From the control law expression it is easy to see that decoupled control system is achieved. Stability of the control law is proved by Lyapunov. Modeling of energetic and control part is done in Matlab Simulink program package. Equations suitable for simulations have been derived and simulations for two machines: SM1 (lower power) and SM2 (higher power) are done. Simulation testing of the novel control as well as comparison of the novel control with classical control system has been done. Experiments of unloaded starting, loaded starting and load torque step changes have been done for both machines. Results show better dynamical performance of nonlinear control. During no load condition, oscillations for nonlinear control are lower. Even more advatages of the nonlinear control system appear during load torque step changes. During the step change, linear control makes some oscillations. Nonlinear control does not make any oscillations. The only disadvantage of nonlinear control is small stationary error that occurs due to lack of integral part. To obtain nonlinear control system it is necessary to know the load torque. The value of the load torque is usually unknown, so the load torque estimation is accomplished and control system testing with load torque estimation is also done. Finally, processor in the loop testing has been done. Its experimental setup with C2834x control card and TMS320C2000 docking station has been explained. Closed loop testing for both machines has been done