Taajuusmuuttajan lähtösuodattimella varustettujen vaihtovirtakäyttöjen anturiton ohjaus

In this thesis, new sensorless control methods are developed for AC motor drives equipped with an inverter output filter. A three-phase LC filter with a cut-off frequency well below the switching frequency of the inverter enables nearly sinusoidal supply voltage for the motor. Induction motors and permanent magnet synchronous motors are typically connected directly to the frequency converter. In some applications, however, it is necessary to add a filter between the inverter and the motor in order to mitigate the harmful effects of the pulse-width modulated (PWM) voltage. The control methods proposed in this thesis take an LC filter into account. Besides the conventional stator current control, two nested control loops are added to control the stator voltage and the inverter output current. A full-order observer of the motor dynamics is augmented with the filter dynamics. The observer enables the vector control without any additional current or voltage measurements. Furthermore, the drive should preferably work without a speed sensor. A speed adaptation mechanism is added to the observer enabling the speed-sensorless operation. The selection of the observer gain and adaptation parameters is based on the linearization analysis of the system. Speed-sensorless control methods are known to have stability problems at low speeds. Similar problems occur when the inverter output filter is used. To enhance the stability at low speeds, the speed-adaptive observer is augmented with a high-frequency signal injection method for permanent magnet synchronous motor drives equipped with an LC filter. The signal injection enables sustained operation even at zero speed under load changes. Field-weakening methods are also developed for AC motor drives equipped with an inverter output filter. Computer simulations and experiments validate the performance of the proposed control methods in wide speed and load ranges. In addition, the influence of the inverter output filter on the selection of the PWM method is investigated. If a common-mode filter is used, discontinuous PWM methods may cause excessive vibration in the common-mode current. A conventional space vector PWM is suitable method, because it does not generate significant harmonics near the resonance frequency of the common-mode filter. The cost-effective filter design is also considered. Filtering requirements and the limitation caused by the vector control are taken into account in the filter design.Väitöskirjassa kehitetään uusia anturittomia säätömenetelmiä vaihtovirtamoottoreille, kun taajuusmuuttajan lähtöjännitettä parannetaan suodattimella. Kolmivaiheinen LC-suodatin, jonka rajataajuus on pienempi kuin taajuusmuuttajan kytkentätaajuus, mahdollistaa lähes sinimuotoisen moottorin syöttöjännitteen. Oikosulkumoottorit ja kestomagneettitahtimoottorit kytketään tavallisesti suoraan taajuusmuuttajan lähtöön. Joissakin tapauksissa on kuitenkin välttämätöntä käyttää suodatinta taajuusmuuttajan ja moottorin välissä, jotta päästäisiin eroon pulssinleveysmoduloidun jännitteen aiheuttamista haitallisista ilmiöistä. Väitöskirjassa ehdotetut säätömenetelmät ottavat LC-suodattimen huomioon. Staattorin virtasäätöön lisätään kaksi sisäkkäistä säätösilmukkaa staattorin jännitteelle ja vaihtosuuntaajan lähtövirralle. Moottorin täyden kertaluvun tilahavaitsijaan lisätään suodattimen dynaaminen malli, jolloin vektorisäätö on mahdollista ilman lisämittauksia järjestelmän virroista tai jännitteistä. Käytön pitäisi toimia myös ilman nopeusanturia. Kun tilahavaitsijaan lisätään nopeuden adaptointi, liikeanturiton säätö on mahdollista. Tilahavaitsijan ja adaptoinnin parametrit voidaan valita käyttäen apuna järjestelmän linearisointianalyysiä. Nopeusanturittomilla säätömenetelmillä on tunnetusti stabiiliusongelmia pienillä nopeuksilla. Samanlaisia ongelmia esiintyy myös lähtösuodattimella varustetuissa käytöissä. Kestomagneettitahtimoottoreiden tapauksessa adaptointimekanismiin liitetään suurtaajuussignaali-injektiomenetelmä, joka mahdollistaa stabiilin toiminnan jopa nollanopeudella kuormamomentin vaihdellessa. Myös kentänheikennysmenetelmiä kehitetään lähtösuodattimella varustetuille käytöille. Tietokonesimuloinnit ja laboratoriokokeet osoittavat ehdotettujen menetelmien suorituskyvyn laajalla toiminta-alueella nopeuden ja kuormituksen vaihdellessa. Lisäksi tutkitaan lähtösuodattimen vaikutusta modulointimenetelmän valintaan. Jos käytetään yhteismuotosuodatinta, kaksivaihemodulointimenetelmät voivat aiheuttaa liiallista yhteismuotovirran värähtelyä. Tavallinen symmetrinen modulointimenetelmä on sopiva, koska se ei tuota merkittäviä jännitteen yliaaltoja yhteismuotosuodattimen resonanssitaajuuden lähellä. Väitöskirjassa käsitellään myös suodatinsuunnittelua. LC-suodattimen hinta pyritään minimoimaan siten, että suodatusvaatimukset toteutuvat ja liikeanturiton vektorisäätö toimii.reviewe