У дисертацији је представљена синтеза нове структуре за оцену брзине обртања вратила асинхроне машине са кавезним ротором заснована на роторским жлебним хармоницима (РЖХ) присутним у струји статора. Структура за оцену брзине заснована на РЖХ, у наставку као естиматор, дизајнирана је са циљем да се употреби уместо давача на вратилу за потребе регулације брзине и струје високих перформанси. У дисертацији се рад регулатора брзине и векторског управљања заснива на излазима естиматора, а синтеза надређених регулационих петљи је извршена уважавањем статичког и динамичког понашања естиматора. Кроз аналитику, симулационе моделе и експериментална испитивања естиматора и sensorless регулационог система, остварени су следећи резултати:-тачност у оцени брзине од 0,1164% са кашњењем оцене од 50 ms при брзини обртања од 4% номиналне брзине;-тачност у оцени брзине од 0,041% са кашњењем оцене од 7 ms при номиналној брзини;-временски одзив естиматора у присуству одскочне промене брзине који не усложњава захтеве у погледу синтезе регулатора брзине;-излази естиматора су успешно искоришћени за потребе sensorless регулације брзине и векторског управљања;-остварен је пропусни опсег sensorless регулационе петље по брзини од 15 Hz;-експериментално је остварен поуздан рад sensorless система у присуству:oодскочне промене референце брзине од 1000 обр/мин;oпромене референце брзине са динамиком рампе стрмине 1400 обр/секунди;oпромене оптерећења на вратилу са динамиком рампе стрмине 3,75 Nm/ѕ;oодскочне промене оптерећења у вредности од 100% номиналног момента силе;-дефинисани су минимални услови и ограничења која морају бити остварена у погледу практичне примене решења;Према до сада публикованој литератури, методе засноване на РЖХ се доминантно користе за потребе надзора, дијагностике и адаптације параметара електричног погона. Највећи број до сада публикованих решења, заснованих на споменутој анизотропији, подразумевао је оцену брзине у устаљеном стању. Динамичко понашања метода заснованих на РЖХ и њихова употреба у sensorless регулационим системима углавном нису разматрани. Додатно, за потребе примене, решења углавном захтевају модификације над енергетским претварачем или електричном машином, употребу више процесорских јединица у једновременом раду, матрице података, додатни меморијски простор, познавање параметара машине и претварача, итд.Метода представљена у дисертацији нема захтеве у погледу практичне примене и није ограничена на специфичну апликацију. Представљени естиматор се може користити за потребе регулације, надзора и дијагностике система код било које асинхроне машине која има способност да генерише РЖХ. У погледу структуре естиматора, РЖХ се детектују у спектру струје статора користећи фазно спрегнуту петљу (ФСП). Како би се увећала робусност решења, пре процеса детекције мерена струја статора се пропушта кроз адаптивни дигитални филтар пропусника опсега (ПО) учестаности. На излаз ФСП постављен је адаптивни дигитални нискофреквентни (НФ) филтар. НФ филтар обезбеђује жељену тачност и кашњење у оцени брзине, као и потребну брзину адаптације централне учестаности улазног филтра ПО у погледу стабилности естиматора. Наведени елементи естиматора брзине су пројектовани према захтевима надређених регулационих петљи како би се обезбедило жељено понашање естиматора током прелазних процеса и у устаљеном стању. Овако направљен естиматор је у дисертацији коришћен за потребе синтезе регулације по брзини и векторског управљања.Регулатор брзине је дизајниран уважавајући динамику естиматора. Захваљујући прихватљивом динамичком одзиву естиматора за потребе регулације брзине је употребљенaпропорционално-интегрална (ПИ) структура регулатора. Да би се остварило квалитетно понашање и стабилност погона при сваком радном режиму, параметри регулатора и естиматора брзине се мењају заједно у функцији радног режима и максималног дозвољеног пропусног опсега регулационих петљи. На основу наведених аналитичких функција, изведени су линеарни модели естиматора брзине и регулационе петље по брзини. На основу линеарне анализе стабилности, симулационих и експерименталних испитивања система, понашање и стабилност представљеног sensorless регулационог система и естиматора брзине се могу гарантовати ако и само ако су у произвољном погону испуњена оба од два наредна услова:-да је РЖХ описан са минимум пет квантизационих нивоа аналогно-дигиталног конвертора;-да је брзина промене учестаности РЖХ у времену мања од 770 Hz/s.Анализама и испитивањима је показано да наведени услови нису искључиви. Естиматор и регулациони систем радиће и у случају да било који од наведених услова није испуњен, али се не може гарантовати наведено понашање система и стабилност. Показано је да наведени услови неће бити испуњени при нижим вршним вредностима РЖХ, тј. при малим брзинама, и у присуству одскочних промена оптерећења на вратилу машине велике јачине.Алгоритми за оцену брзине, регулацију брзине, регулацију струје и векторско управљање реализовани су на јединственом процесору без додатних захтева у погледу хардвера или софтвера. Рад погона са sensorless регулацијом момента силе, флукса и брзине, као и естиматора брзине, демонстриран је над трофазном асинхроном машином снаге 2,2 kW у опсегу учестаности статорских струја од 2 Hz (60 обр/мин) до 50 Hz (1500 обр/мин), и од празног хода до номиналног оптерећења. Одзиви система су демонстрирани при променама референце брзине и у присуству оптерећења на вратилу, и то при различитим јачинама и динамикама поремећаја. Остварен је пропусни опсег sensorless регулације по брзини до 15 Hz и потискивање поремећаја од 100% вредности номиналног момента силе.У погледу естиматора, поуздан рад је остварен на веома малим брзинама, при учестаности струје статора од 2 Hz, у поређењу са великим бројем до сада публикованих решења која обезбеђују оцену брзине до учестаности од 5 Hz. Према најбољем сазнању аутора, до сада публиковане методе су на најнижим радним брзинама оствариле тачност не већу од 0,2%. Како су до сада публикована решења по природи фиксне структуре, тачност се није мењала са променом радних режима. У дисертацији представљено решење у најгорем случају, тј. при празном ходу и учестаности струје статора од 2 Hz, има тачност од 0,1164% са кашњењем у оцени брзине од 50 ms. Адаптивна природа представљеног естиматора пружа кашњење од 7 ms са тачношћу од 0,041% у празном ходу за учестаности струје статора веће од 40 Hz. Током испитивања је показано да са порастом оптерећења на вратилу тачност оцењене брзине знатно расте. Може се закључити да, у поређењу са претходно публикованим решењима, естиматор представљен у дисертацији пружа бољу тачност, ниже кашњење, реализацију без специфичних захтева, као и да је успешно употребљен за sensorless регулацију момента силе, флукса и брзине одличног квалитета понашања. Остварени квалитет понашања и стабилност система се могу гарантовати ако и само ако су испуњена два наведена услова у погледу вршне вредности и брзине промене учестаности РЖХ. The thesis presents the synthesis of a new structure to estimate the shaft rotation speed of an asynchronous machine with a cage rotor based on the rotor slot harmonics (RSH) comprised in the stator current. The RSH-based speed estimation structure, hereinafter referred to as estimator, is designed to be used in place of a speed sensor for high-performance speed and current regulation purposes. In the thesis, the operation of the speed regulator and vector control is based on the outputs of the estimator, and the synthesis of the control system was carried out taking into account the static and dynamic behavior of the estimator. Through analysis, simulation models and experimental tests of the estimator and sensorless regulation system, the following results were achieved:- speed estimation accuracy of 0,1164% with an estimation delay of 50 ms at a rotation speed of 4% of the nominal speed;- speed estimation accuracy of 0,041% with an estimation delay of 7 ms at the nominal speed;- the frequency and time response of the estimator that does not complicate the requirements for the synthesis of the speed regulator;- the outputs of the estimator were successfully used for the needs of sensorless speed regulation and vector control purposes;- the bandwidth of the speed sensorless control loop of 15 Hz was achieved;- reliable operation of the sensorless system was achieved experimentally in the presence of:ostep speed reference change of 1000 rpm;oramp speed reference change with a slope of 1400 rotations per seconds;oramp load change with a slope of 3,75 Nm/ѕ;ostep load change of 100% of the nominal torque;- the minimum conditions and limitations that must be met regarding the practical application of the solution are defined.In the literature, RSH-based methods are dominantly used for monitoring, diagnostics and adjustment of the electrical drive parameters. Most of the solutions published so far, based on the mentioned anisotropy, related to the estimation of the speed in the stationary conditions. The dynamic behavior of RSH-based methods and their use in sensorless control systems has usually not been considered. Further, for application purposes, the solutions generally require modifications of the power converter or electrical machine, the use of multiple processing units in simultaneous operation, look-up tables, additional memory space, information of the converter and machine parameters, etc.The method presented in the thesis has no requirements regarding practical application and is not limited to a specific application. The presented estimator can be used for system regulation, monitoring and diagnostic purposes of any asynchronous machine that can generate RSH. Regarding the structure of the estimator, RSHs are detected in the stator current spectrum using a phase-locked loop (PLL). To increase the robustness of the solution, prior to the detection process, the measured stator current passes through an adaptive digital frequency band-pass filter (BPF). An adaptive low-pass digital filter (LPF) is placed at the output of the PLL. The LPF provides the desired accuracy and estimation delay, as well as the required rate of adaptation of the center frequency of the BPF in terms of stability of the estimator. The mentioned elements of the speed estimator are designed according to the requirements of the control system to ensure the desired behavior of the estimator during steady-state and transient processes. The estimator designed in this way was further used in the dissertation for the needs of the synthesis of sensorless speed regulation and vector control.The speed regulator is designed considering the dynamics of the estimator. Acceptable dynamic response of the estimator provides the proportional-integral (PI) structure of the regulator to be used for speed regulation. The parameters of the regulator and the estimator are adapting together as a function of the operating regime and the maximum allowed bandwidth of the control loops, to achieve high performance and stability of the electrical drive in each operating regime. Linear models of thespeed estimator and speed control loop were derived based on these analytical functions. Based on the linear stability analysis, simulation and experimental tests of the system, the performance and stability of the presented sensorless control system and speed estimator can be guaranteed if and only if the following two conditions are met in arbitrary electrical drive:- that RSH is described with a minimum of five quantization levels of the analog-digital converter;- that the rate of change of the RSH frequency is less than 770 Hz/s.Analysis and experimental tests have shown that the indicated conditions are not exclusive. The estimator and regulation system will operate even if any of the stated conditions are not met, but the stated system performance and stability cannot be guaranteed. It is shown that the indicated conditions will not be met with lower amplitudes of the RSH, i.e. at low speeds, and in the presence of higher values of step load change on the motor shaft.Algorithms for speed estimation, speed regulation, current regulation, and vector control are implemented on a single processor with no additional hardware or software requirements. The operation of the electrical drive with sensorless torque, flux and speed regulation, as well as the speed estimator, was demonstrated on a 2,2 kW three-phase asynchronous machine in the frequency range of stator currents from 2 Hz (60rpm) up to 50 Hz (1500 rpm) and from idle to nominal load. The system responses are demonstrated during changes in speed reference and in the presence of shaft loads, with different disturbance intensities and dynamics. The sensorless speed regulation bandwidth of up to 15 Hz and disturbance suppression of 100% of the nominal torque value were achieved.As for the estimator, reliable operation was achieved at very low speeds, at a stator current frequency of 2 Hz, compared to many solutions published so far that provide speed estimation up to a frequency of 5 Hz. To the best of the author's knowledge, methods published so far achieved an accuracy of no more than 0,2% at the lowest operating speeds. As the solutions published so far have a fixed structure, the accuracy did not change with the change of operating regimes. In the worst case for the solution presented in the dissertation, i.e. at idle-state and with a stator current frequency of 2 Hz, it has a speed estimation accuracy of 0,1164% with an estimation delay of 50 ms. The adaptive nature of the presented estimator provides a delay of 7 ms with an accuracy of 0,041% at stator current frequencies above 40 Hz. It is shown, during the experimental tests, that the accuracy of the estimated speed increases significantly with increasing load on the shaft. It can be concluded that, compared to previously published solutions, the estimator presented in the dissertation provides higher accuracy, lower delay, realization without specific requirements and that it was successfully used within the high-performance sensorless regulation of the torque, flux and speed. The achieved performance and stability can be guaranteed if and only if the two stated conditions, regarding the amplitude value and the rate of change of the RSH frequency, are met. Електротехника - Енергетски претварачи и погони / Electrical engineering - Power converters and drives Datum odbrane: 27.08.2024. info:eu-repo/semantics/bachelorThesis https://phaidrabg.bg.ac.rs/o:39432 cobiss:197894409 thesis:10469 Управљање асинхроним машинама на основу роторских жлебних хармоника присутних у струји статора : докторска дисертација 204 стр. 10741826 bytes OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Električne mašine. Transformatori. Ispravljači OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Električne mašine. Transformatori. Ispravljači асинхрона машина, роторски жлебни хармоници, sensorless управљање, векторско управљање, дигитални филтри, регулација брзине, фазно спрегнута петља, електрични погон Induction machines, Rotor Slot Harmonics, Sensorless control, Machine vector control, Digital Filter, Speed control, Phase-Locked Loop, Electrical Drive 2024 Vukosavić, Slobodan, 1962- Mihić, Dragan, 1984- Šekara, Tomislav, 1965- Janda, Žarko, 1960- Bebić, Milan, 1967- Stojanović, Zoran, 1979- srp Milić, Aleksandar R., 1993- http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode