[論文レビュー] Generic machine identification and maximum efficiency operation of induction machines

Julian Kullick, Christoph M. Hackl|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Electric Motor Design and Analysis参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、回帰磁束座標系における誘導機パラメータを特定する汎用的で実験ベースの手法を提示する。鉄損モデルを明示的に必要とせず、最大トルク当たり効率（MEPT）のルックアップテーブル作成が可能である。この手法は、定常状態測定を通じて飽和や鉄損といった非線形性を暗黙的に捉え、トルクセンサを必要とせず、V/Hz制御や標準的なフィールドオリエンテッド制御（FOC）を上回る効率を達成する。

ABSTRACT

This paper proposes an advanced machine identification method for inverter fed squirrel-cage induction machines, based on steady-state measurements in the rotor flux oriented dq-reference frame. The measured machine maps are used to extract maximum efficiency per torque (MEPT) look-up tables, which guarantee the maximum achievable efficiency in every operating point. Furthermore, it is shown, that comparable results can be achieved, even without a torque sensor. The main advantage of the described method is its generality, which implicitly covers magnetic saturation, iron losses and other nonlinear effects that are typically neglected or approximated by complex models. Finally, the efficiencies of V/Hz and field-oriented control (FOC) are calculated for different speeds and load torques, allowing for quantitative assessment and comparison of both methods.

研究の動機と目的

• 定常状態におけるdq座標系での誘導機パラメータ同定のための汎用的で測定ベースの手法を開発すること。
• すべての運転点で最適な効率を保証する最大トルク当たり効率（MEPT）のルックアップテーブルを抽出すること。
• 複雑な解析的鉄損モデルやトルクセンサに依存せずに、効率最適化を実現すること。
• さまざまな回転速度と負荷トルクにおけるV/Hz制御とフィールドオリエンテッド制御（FOC）の効率を定量的に比較すること。
• 理論的モデル化ではなく、実験データを通じて磁気的飽和や鉄損といった非線形効果を暗黙的に捉えること。

提案手法

• 回帰磁束座標系における定常状態測定を、巻線形誘導機を用いて実施。測定範囲をカバーするように、ステータ電流リファレンスの定期的グリッドを設定する。
• 各電流点で2秒間の保持を実施し、定常状態を確保。その間、電圧、電流、鎖交鎖、回転速度を記録する。
• デジタルローパassingフィルタリングと平均値計算を用いて定常状態データを抽出。その後、対称性に基づいて全4象限へ拡張する。
• MATLABでロエス曲線フィッティングを適用し、測定から得た3次元非線形鎖交鎖および効率マップを滑らかにする。
• 測定マップから、各トルクおよび回転速度点における損失を最小化する電流組み合わせを特定することで、MEPTルックアップテーブルを構築する。
• 可変速度運転を可能にするために、複数の回転速度で測定を繰り返し、多次元LUTを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解析的鉄損モデルに依存せずに、実験ベースの汎用的手法がdq座標系における誘導機パラメータを同定可能か。
• RQ2 磁気的飽和や鉄損といった非線形効果が、定常状態測定によってどれほど暗黙的に捉えられるか。
• RQ3 さまざまな回転速度と負荷トルクにおけるV/Hz制御の効率は、フィールドオリエンテッド制御（FOC）と定量的にどのように比較されるか。
• RQ4 トルクセンサを用いずに、ステータ電流と電圧の測定のみで最大トルク当たり効率（MEPT）制御が達成可能か。
• RQ5 従来のMTPAおよび定磁束FOC戦略に比べ、MEPT制御が実現可能な効率向上はどの程度か。

主な発見

• 提案手法は、明示的なモデル化を要せず、実験データによる測定を通じて磁気的飽和や鉄損といった非線形性を暗黙的に捉えることに成功した。
• 測定された鎖交鎖および効率マップからMEPTルックアップテーブルを生成し、すべての運転点で最適な電流リファレンスを実現した。
• トルクセンサがなくても同等の結果が得られ、センサレスなMEPT制御の実現可能性を示した。
• フィールドオリエンテッド制御（FOC）は、テストされたすべての回転速度および負荷条件において、V/Hz制御よりも顕著に高い効率を示した。
• 本研究は、V/Hz制御とFOCの効率を定量的に比較する初の試みであり、FOCの効率的優位性がしばしば見過ごされていることを明らかにした。
• 本手法は、速度依存の鉄損および飽和による主インダクタンスの変化を暗黙的に考慮しており、通常の制御モデルでは無視されがちな要因をカバーしている。