Μελέτη και κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα για ηλεκτρικό αγωνιστικό μονοθέσιο όχημα

Σύρπας, Παναγιώτης

Design and implementation of a three phase inverter for electric racing vehicle

Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών σε συνεργασία με το Εργαστήριο Συστημάτων Παραγωγής και Αυτοματισμού (LMS) του τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών . Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα, για τον έλεγχο τριφασικού κινητήρα μόνιμου μαγνήτη μέγιστης ισχύος 35kW, που χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικό αγωνιστικό μονοθέσιο Formula Student. Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα του μονοθέσιου προς μελέτη αποτελείται από τέσσερεις κινητήρες, καθένας από τους οποίους δίνει κίνηση σε κάθε τροχό ανεξάρτητα. Αρχικά γίνεται μία σύντομη περιγραφή του διαγωνισμού Formula Student και της φοιτητικής ομάδας του Πανεπιστημίου Πατρών, UoP Racing Team. Ακολουθεί μία ανάλυση των διαφορετικών τοπολογιών ηλεκτροκινητήριων συστημάτων ενώ διευκρινίζονται οι περιορισμοί βάσει των κανονισμών του διαγωνισμού. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά των διαφορετικών τύπων σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη, των εξισώσεων που διέπουν τη λειτουργία τους καθώς και το ισοδύναμο κύκλωμα τους. Αναφέρονται επίσης τα χαρακτηριστικά του κινητήρα προς μελέτη. Γίνεται ανάλυση του αντιστροφέα και των διαφορετικών μεθόδων παλμοδότησης του με έμφαση στη διαμόρφωση εύρους παλμών με χρήση διανύσματος στο χώρο (SVPWM). Το επόμενο βήμα περιλαμβάνει την ανάπτυξη του αλγορίθμου Μέγιστης ροπής ανά αμπέρ (MTPA) . Στο περιβάλλον Simulink γίνεται προσομοίωση του κλειστού βρόχου ελέγχου προσανατολισμένου στο πεδίο με αισθητήρα θέσης (FOC) χρησιμοποιώντας τις αναφορές ρευμάτων του αλγορίθμου MTPA υπό τη μορφή πινάκων. Ακολουθεί λεπτομερής αναφορά των κυκλωμάτων που σχεδιάστηκαν για τη λειτουργία του αντιστροφέα και υλοποιήθηκαν σε τρεις διαφορετικές πλακέτες. Γίνεται επίσης αναφορά του τρόπου υλοποίησης του κλειστού βρόχου ελέγχου σε μικροελεγκτή. Σημαντική επίσης είναι και η μελέτη για τον υπολογισμό των απωλειών των ημιαγωγικών στοιχείων που επηρέασαν τον σχεδιασμό και κατασκευή της ψυκτικής πλάκας. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξήχθησαν, τα συμπεράσματα που προέκυψαν και προτάσεις μελλοντικής βελτίωσης του αντιστροφέα.

This diploma thesis was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering with the collaboration of Laboratory for Manufacturing Systems & Automation (LMS) of the Department of Mechanical and Aeronautical Engineering at the University of Patras. The purpose of this diploma thesis is to study and build a three-phase inverter to control a three-phase permanent magnet motor of 35kW maximum power that is used in an electric Formula Student racing car. The electromechanical system of the racing vehicle to be studied, consists of four motors, each of which moves each wheel independently. In the beginning, the Formula Student competition is briefly descripted along with the UoP Racing Team of the University of Patras. Then follows an analysis of the different electromechanical systems topologies. Sequentially, different types of permanent magnet synchronous motors, the equations governing their operation and their equivalent circuit are explained. Also, the characteristics of the engine to be studied are referred. An analysis of the inverter and its different Pulse Width Modulation (PWM) schemes is made focusing on SVPWM which implemented in the designed inverter. The next step involves the development of the Maximum Torque per Amperity (MTPA) algorithm. In the Simulink environment, the Field Oriented Control (FOC) with position sensor in closed loop was simulated using the MTPA reference currents in the form of Look Up Tables. Different switching frequencies were simulated and evaluated, using PI current controllers with antiwindup and feed-forward control. The next chapter includes a detailed report of the circuits designed and implemented on three different PCBs, for the operation of the inverter. The PCBs are separated on power PCB, the IGBT driver and the microcontroller with its peripherals. Reference is also made on how to implement the closed control loop on a microcontroller. It is also important to refer the calculation of losses of semiconductor devices. After the calculation of power losses, a cooling plate was simulated and manufactured to keep the IGBT module inside its temperature operating limits. Finally, the results of the experiments carried out, the conclusions reached and proposals for future improvement of the inverter are presented.