Control and Tracking Techniques for Switched Reluctance Machines

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Chapter 1. Brief Historical Overview of Switched Reluctance Machines

   Wesley Pacheco Calixto, Wanderson Rainer Hilário Araújo, Lucas Diniz Silva Morais, Marcio Rodrigues Cunha Reis

   Dieses Kapitel bietet eine eingehende Untersuchung der historischen Entwicklung und des technologischen Fortschritts geschalteter Widerstandsmaschinen (SRMs), wobei ihre Ursprünge bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgt werden und wichtige Meilensteine in ihrer Entwicklung hervorgehoben werden. Der Text geht auf die einzigartigen Vorteile von SRMs ein, wie ihre Einfachheit in der Konstruktion, niedrige Herstellungskosten und hohe Effizienz in einem breiten Geschwindigkeitsbereich, was sie ideal für verschiedene Industrie- und Energieanwendungen macht. Darin wird die bedeutende Rolle diskutiert, die Fortschritte in der Leistungselektronik und der Mikroprozessortechnologie bei der Wiederentdeckung und Weiterentwicklung von SRMs spielen und sie als wettbewerbsfähige Alternative zu konventionellen Elektromotoren etablieren. Das Kapitel untersucht auch die Herausforderungen, vor denen SRMs stehen, einschließlich akustischer Geräusche und Drehmomentwelligkeit, und die innovativen Lösungen, die entwickelt wurden, um diese Probleme abzumildern. Darüber hinaus werden die neuen Anwendungen von SRMs in der Erzeugung erneuerbarer Energien, Elektrofahrzeugen und hochpräzisen Industrieantrieben untersucht und als strategische Technologie für die Zukunft der Elektrifizierung und Nachhaltigkeit positioniert. Der Text schließt mit einer zukunftsorientierten Perspektive auf die Zukunft von SRM und betont die Notwendigkeit fortgesetzter Forschung und Entwicklung, um die verbleibenden Herausforderungen zu bewältigen und ihr Potenzial in verschiedenen Sektoren voll auszuschöpfen.

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3. Chapter 2. Switched Reluctance Machine

   Wesley Pacheco Calixto, Wanderson Rainer Hilário Araújo, Lucas Diniz Silva Morais, Marcio Rodrigues Cunha Reis

   Dieses Kapitel untersucht die historische Bedeutung und die modernen Anwendungen einer bahnbrechenden elektrischen Maschine und zeichnet ihre Reise von früher Prominenz bis hin zu zeitgenössischer Wiederauferstehung nach. Der Text geht auf die einfache, aber robuste Konstruktion der Maschine ein, die markante Pole sowohl am Rotor als auch am Stator enthält, und auf ihre Fähigkeit, sowohl im Motor- als auch im Generatormodus effizient zu arbeiten. Das Kapitel beleuchtet die Vielseitigkeit der Maschine und diskutiert ihren Einsatz in Hochgeschwindigkeitsanwendungen, Elektrofahrzeugen, Windturbinen und Luft- und Raumfahrtsystemen. Außerdem werden die technologischen Fortschritte untersucht, die die Leistung der Maschine verbessert haben, darunter die Entwicklung von Leistungselektronik und ausgeklügelten Steuerungsstrategien. Das Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über die Funktionsprinzipien, Konstruktionseigenschaften und Leistungswandlersysteme der Maschine und ist daher eine wichtige Lektüre für alle, die sich für die Zukunft elektrischer Maschinen und ihre Anwendungen in verschiedenen Branchen interessieren.

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4. Chapter 3. System, Modeling, Simulation, and Optimization

   Wesley Pacheco Calixto, Wanderson Rainer Hilário Araújo, Lucas Diniz Silva Morais, Marcio Rodrigues Cunha Reis

   Dieses Kapitel präsentiert eine gründliche Untersuchung von Systemen, Modellierung, Simulation und Optimierung, beginnend mit dem grundlegenden Konzept eines Systems als einer Reihe interagierender Elemente, die aufkommende Verhaltensweisen hervorbringen. Es untersucht die Klassifizierung von Systemen in drei Bereiche: Systeme in der Welt, Systeme im Kopf und Systeme in der Abstraktion, die jeweils ontologische, erkenntnistheoretische und mathematisch-symbolische Aspekte repräsentieren. Das Kapitel vertieft sich in den Prozess der Erstellung von Modellen als nützliche Weltkarten und betont die inhärente Unsicherheit und die Bedeutung von Vereinfachung, Trennung und Identifizierung. Darin werden die Prinzipien der Systemwissenschaft diskutiert, die darauf abzielt, Systeme so zu verstehen, wie sie sind, Kontinuitäten über Unterschiede hinweg zu identifizieren, anstatt sie in Gruppen einzuteilen. Das Kapitel behandelt auch die Eigenschaften von Systemen, darunter Ganzheit, Zusammensetzung, interne Organisation und externe Organisation, und wie diese Eigenschaften das Verhalten und die Interaktionen eines Systems definieren. Modellierung und Simulation werden als unverzichtbare Werkzeuge zur Untersuchung des Systemverhaltens untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den Schritten liegt, die im Modellierungs- und Simulationsprozess von der Problemformulierung bis zur Output-Analyse involviert sind. Das Kapitel beleuchtet den Einsatz von Optimierungstechniken zur Verbesserung der Systemleistung, diskutiert deterministische, heuristische und stochastische Methoden und ihre Anwendung bei der Lösung komplexer, realer Probleme. Es bietet auch eine detaillierte Fallstudie zu Windenergieerzeugungssystemen, die die Anwendung von Modellierungs-, Simulations- und Optimierungstechniken zur Verbesserung der Effizienz und Leistung von Windenergieanlagen veranschaulicht. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die zukünftigen Richtungen von Systemen, Modellierung, Simulation und Optimierung, wobei die Notwendigkeit interdisziplinärer Ansätze und der Integration neuer Technologien betont wird, um den Herausforderungen des 21. Jahrhunderts zu begegnen.

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5. Chapter 4. Parametric Regression and Sensitivity Analysis

   Wesley Pacheco Calixto, Wanderson Rainer Hilário Araújo, Lucas Diniz Silva Morais, Marcio Rodrigues Cunha Reis

   Dieses Kapitel untersucht die entscheidende Rolle von Regressionsmodellen bei der Darstellung physikalischer Systeme in verschiedenen Anwendungen, von der Konjunkturabschätzung bis hin zu elektrischen Antrieben. Er hebt die Herausforderungen und Lösungen hervor, die bei der Gewinnung kontinuierlicher mathematischer Funktionen aus diskreten Daten auftreten, und betont die Bedeutung von Pilotanlagentests und numerischen Rechenmodellen. Der Text geht auf die Optimierungsprozesse bei der Systemidentifikation ein, einschließlich der Auswahl mathematischer Modelle und der Parameteranpassung, und veranschaulicht diese Konzepte anhand detaillierter Flussdiagramme und Diagramme. Darüber hinaus bietet es einen umfassenden Überblick über Sensitivitätsanalysen und diskutiert Methoden und Anwendungen zur Quantifizierung des Einflusses von Eingangsvariablen auf die Systemausgänge. Das Kapitel behandelt auch verschiedene Sensitivitätsanalysetechniken wie visuelle, analytische und statistische Methoden und ihre praktischen Auswirkungen auf die Vereinfachung von Modellen, die Fehlererkennung und die Politikbewertung. Die Einbeziehung von Beispielen aus der realen Welt, wie der Parametrierung eines Gleichstrommotors, verbessert das Verständnis dieser komplexen Themen zusätzlich.

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6. Chapter 5. Design and Development of the Experimental Platform

   Wesley Pacheco Calixto, Wanderson Rainer Hilário Araújo, Lucas Diniz Silva Morais, Marcio Rodrigues Cunha Reis

   Das Kapitel präsentiert eine sorgfältig konzipierte Experimentierplattform zur umfassenden Analyse von Schaltverzögerungsmaschinen (SRMs), die als Motoren und Generatoren arbeiten. Die Plattform integriert eine dreiphasige Induktionsmaschine (IM), die als elektromagnetische Bremse fungiert, in Verbindung mit einem SRM mit sechs Stator- und vier Rotorstangen. Dieser Aufbau ermöglicht die Anwendung mechanischen Drehmoments auf die SRM-Welle, was die Bewertung ihrer Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen erleichtert. Die Plattform umfasst ein ausgeklügeltes Stromwandlersystem, insbesondere einen aktiven Hybridbrückenwandler (AHB), der ohne Hardwaremodifikationen für den Motor- oder Generatorbetrieb umgerüstet werden kann. Das Kapitel beschreibt auch den Aufbau eines AC-DC-Wandlers zur Erzeugung von Anregungsspannung, der für die Steuerung des SRM-Verhaltens unverzichtbar ist. Darüber hinaus umfasst es die Integration eines Reglers zur Aktivierung und Steuerung des SRM, der ein präzises Schalten der AHB- und AC-DC-Wandler ermöglicht. Der Versuchsaufbau ist so konzipiert, dass er eine einfache Wartung und den Austausch des SRM ermöglicht und Flexibilität und Anpassungsfähigkeit für unterschiedliche Forschungsszenarien gewährleistet. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Entwicklung eines Berechnungsmodells für den SRM, wobei die Bedeutung einer genauen Darstellung der Induktivität betont wird. Dieses Modell ist entscheidend für die Implementierung von Optimierungstechniken in der SRM-Steuerung und stellt sicher, dass die Berechnungsergebnisse eng mit den experimentellen Daten übereinstimmen. Die detaillierten Einsichten in die Konstruktion und den Betrieb dieses Kapitels machen es zu einer unverzichtbaren Lektüre für alle, die sich mit fortschrittlicher elektrotechnischer Forschung und Entwicklung befassen.

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7. Chapter 6. Optimization and Validation of Switched Reluctance Generator Models

   Wesley Pacheco Calixto, Wanderson Rainer Hilário Araújo, Lucas Diniz Silva Morais, Marcio Rodrigues Cunha Reis

   Dieses Kapitel stellt eine detaillierte Untersuchung der Optimierung und Validierung von Berechnungsmodellen für geschaltete Reluktanzgeneratoren (SRGs) dar. Zunächst werden die anfänglichen Parameter und Charakteristika der SRG skizziert und die Voraussetzungen für eine gründliche Analyse der Darstellung der Induktivität geschaffen. Der Text geht auf die Simulation der SRG-Leistung unter verschiedenen Bedingungen ein und betont die Bedeutung einer genauen Modellierung der Induktivität. Es vergleicht verschiedene Modelle zur Darstellung der Induktivität, einschließlich linearer, nichtlinearer und parametrischer Regressionsmethoden, um den genauesten und effizientesten Ansatz zu ermitteln. Das Kapitel diskutiert auch die Validierung dieser Modelle durch experimentelle Daten, um die Zuverlässigkeit der Berechnungssimulationen zu gewährleisten. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt auf der Optimierung des Abschaltwinkels, um die Effizienz des SRG unabhängig von der angewandten Anregungsspannung zu steigern. Der Text bietet einen umfassenden Überblick über die Leistungsdynamik innerhalb der SRG, einschließlich der Input- und Output-Leistungen und deren Auswirkungen auf die Gesamteffizienz. Darüber hinaus wird die Konzeption und Konstruktion eines indirekten Drehmomenterkennungssystems untersucht, das für die Überwachung und Optimierung der Leistung der SRG von entscheidender Bedeutung ist. Das Kapitel schließt mit einer eingehenden Analyse der Sensitivität der SRG gegenüber verschiedenen Betriebsparametern, die Einblicke in den Einfluss dieser Faktoren auf die Effizienz und Leistung des Generators bietet. Diese detaillierte Untersuchung der Optimierung und Validierung von SRG bietet eine einzigartige Perspektive zur Verbesserung der Generatorleistung durch fortschrittliche Computer- und Experimentaltechniken.

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8. Chapter 7. Applications in Control and Energy Efficiency with Switched Reluctance Motors

   Wesley Pacheco Calixto, Wanderson Rainer Hilário Araújo, Lucas Diniz Silva Morais, Marcio Rodrigues Cunha Reis

   Dieses Kapitel präsentiert eine eingehende Analyse der Drehzahlregelung und Energieeffizienz von geschalteten Reluktanzmotoren (SRMs), wobei der Schwerpunkt auf drei unterschiedlichen Steuerungsstrategien liegt: festen Schaltwinkeln, fester Anregungsspannung und dynamischen Schaltwinkeln. Bei der ersten Strategie wird ein klassischer proportional-integraler-derivativer (PID) Regler mit festen Schaltwinkeln eingesetzt, um eine Geschwindigkeitsregelung zu erreichen, wobei ein durch parametrische Regression entwickeltes Rechenmodell verwendet wird. Die zweite Strategie beinhaltet die Steuerung des Abschaltwinkels der Halbbrückenkonverter bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer festen Anregungsspannung, um Stromwelligkeiten und Vibrationen zu minimieren. Die dritte Strategie führt dynamische Schaltwinkel und eine Regelung der Erregungsspannung ein, um die Energieeffizienz zu maximieren und die Regelleistung über einen bestimmten Betriebsbereich hinweg zu verbessern. Jede Strategie wird durch detaillierte Fallstudien bewertet, in denen Drehzahlreaktion, Phasenstrom, Drehmomenterzeugung und Energieeffizienz verglichen werden. Das Kapitel behandelt auch die Validierung dieser Kontrolltechniken auf einem Prüfstand und liefert experimentelle Daten, die die Simulationsergebnisse bestätigen. Der Einsatz hybrider Optimierungsalgorithmen und parametrischer Regressionsmethoden wird als Schlüsselfaktor für die Erreichung einer überlegenen Steuerungsleistung und Energieeffizienz bei SRMs hervorgehoben. Die vergleichende Analyse der drei Strategien bietet wertvolle Einsichten in die Zielkonflikte zwischen Steuerungskomplexität, Energieeffizienz und Motorleistung, was dieses Kapitel zu einer entscheidenden Ressource für diejenigen macht, die SRM-Anwendungen in verschiedenen Industrie- und Automobilumgebungen optimieren wollen.

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9. Chapter 8. Applications in Control and Generation with Switched Reluctance Machines

   Wesley Pacheco Calixto, Wanderson Rainer Hilário Araújo, Lucas Diniz Silva Morais, Marcio Rodrigues Cunha Reis

   Dieses Kapitel untersucht die praktischen Anwendungsmöglichkeiten von Switched Reluctance Machines (SRMs), wobei der Schwerpunkt auf der Validierung eines indirekten Drehmomenterkennungssystems und der Optimierung der Generatoreffizienz liegt. Die Autoren stellen eine detaillierte Methodik zur Validierung des Berechnungsmodells des SRM vor, indem sie parametrische Regression zur Darstellung von Induktivitäten verwenden und experimentelle Daten mit simulierten Ergebnissen vergleichen. Das Kapitel hebt die Wirksamkeit des indirekten Drehmomentdetektionssystems unter stationären Bedingungen hervor, trotz Abweichungen im transienten Verhalten aufgrund des Ausschlusses der Generatorträgheit im Rechenmodell. Darüber hinaus vertieft sich der Text in die Sensitivitätsanalyse von SRM-Parametern und zeigt den signifikanten Einfluss der Anregungsspannung auf Energieerzeugung und -effizienz auf. Die Autoren diskutieren auch die Optimierung eines PID-Controllers zur Spannungsregelung und vergleichen die Verwendung von Anregungsspannung und Abschaltwinkel als manipulierte Variablen. Das Kapitel schließt mit der Untersuchung einer Nachverfolgungstechnologie, die darauf ausgelegt ist, die Effizienz des SRM bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Spannungskontrolle zu steigern, was das Potenzial für eine verbesserte Leistung bei der Windenergieerzeugung aufzeigt. Im Verlauf des Kapitels liefern die Autoren eine Fülle experimenteller Daten und Simulationen und bieten einen umfassenden Überblick über die Methoden und Analysen, die während ihrer Forschungen durchgeführt wurden.

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10. Backmatter