GR1010204B

GR1010204B - Advanced driving scheme of the switched reluctance machine (srm)

Info

Publication number: GR1010204B
Application number: GR20210100362A
Authority: GR
Inventors: Παρθενα Αποστολιδου; Νικολαος Παπανικολαου
Original assignee: Δημοκριτειο Πανεπιστημιο Θρακης-Ειδικος Λογαριασμος Κονδυλιων Ερευνας,
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2022-03-21

Abstract

The invention is based on a series active filter (SAF), which is used for the active power flow control of the switched reluctance machine (SRM). This system is compatible with any type of electric machine. However, the invention focuses on the application of the SRM and, more specifically, on the Starter/Generator (S/G) application of the electrified aircrafts (Figure 1). The innovation of the invention, as far as the SRM is concerned, lies on the imposition of the desired SRM's output current (in the specific application the reference current regards the high voltage dc microgrid of the electrified aircraft), which is achieved with the application of the proper voltage vector in the SAF (Figures 2-4, Table 2). The control scheme is general/adaptable in various conditions/parameters of the system, such as the speed, the amounts of the produced energy/power (of the dc microgrid), current and voltage level restrictions (nominal values of the SRM, the SAF and the dc microgrid), load conditions, resulting in the capability of the machine drive in a wide operating point range (dispatchability feature), as well as the transition from the generator operation to motor operation and vice versa, under any speed. In any case, the power flow control is implemented without the need for real time processing of the electric machine parameters, (the SRM's power control is independent from the classic angle power control, APC), which leads to the reduction of the computational burden of the control system and enhances the total reliability of the system. Furthermore, the developed Design Tool of the proposed SAF (Figure 5), facilitates the adaptation of the control design to the requirements of the system/microgrid under study and the characteristics of the incorporated SRM. This way, the controllability of the SRM in a wide operating point range is ensured, the switching frequency of the SRM's integrated converter (AHBC) is limited to the base electric frequency (resulting from the rotational speed), which is a requirement for the production of high energy/power amounts with high efficiency, the incorporation of energy management/storage electric apparatus (with the use of the SAF) is facilitated, and last, but not least, the high reliability of the machine under both stand-alone and dc-microgrid connected operation (e.g., aircrafts' systems) is enhanced.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ DESCRIPTION

Τίτλος διπλώματος ευρεσιτεχνίας: Patent title:

Προηγμένο σύστημα οδήγησης ηλεκτρικών μηχανών διακοπτικής διέγερσης (Switched Reluctance Machine, SRM) Advanced Switched Reluctance Machine (SRM) drive system

Αποκάλυψη της εφεύρεσης/Καινοτομια της εφεύρεσης/Πεδίο εφαρμογής Disclosure of the invention/Novelties of the invention/Scope

Η παρούσα εφεύρεση αφορά την ανάπτυξη καινοτόμου μεθόδου ελέγχου της ροής της ισχύος από/προς τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης (1) - με ενσωματωμένο μετατροπέα (2) - που βρίσκεται συνδεδεμένη σε σειρά με το μικροδίκτυο συνεχούς τάσης (3), η οποία στηρίζεται στην ενσωμάτωση ενός ενεργού φίλτρου σειράς (4) - το οποίο υλοποιείται με τον συνδυασμό ενός πυκνωτή (5) και ενός κατάλληλου δικατευθυντήριου μετατροπέα ισχύος (6), σύμφωνα με το Σχήμα 1. Η καινοτομία της εφεύρεσης έγκειται στον έλεγχο του ρεύματος στην έξοδο της μηχανής διακοπτικής διέγερσης με τη χρήση του ενός ενεργού φίλτρου σειράς. Πιο αναλυτικά, η καινοτομία της εφεύρεσης συνίσταται στα ακόλουθα σημεία: The present invention concerns the development of an innovative method of controlling the flow of power from/to the switching excitation machine (1) - with an integrated converter (2) - which is connected in series with the DC microgrid (3), which is based on the integration an active series filter (4) - which is implemented by combining a capacitor (5) and a suitable bidirectional power converter (6), according to Figure 1. The innovation of the invention lies in the control of the current at the output of the switching excitation machine by using an active series filter. In more detail, the innovation of the invention consists in the following points:

α) Στην επιβολή του επιθυμητού ρεύματος στην έξοδο της μηχανής, υπό διαφορετικές συνθήκες/παραμέτρους του συστήματος, όπως είναι η ταχύτητα περιστροφής της μηχανής, το επίπεδο τάσης της παραγόμενης ενέργειας/ισχύος, οι περιορισμοί των επιπέδων ρεύματος και τάσης των επιμέρους μονάδων του συστήματος/μικροδικτύου, οι συνθήκες φόρτισης, κ.ά., με αποτέλεσμα την ικανότητα οδήγησής της σε μεγάλο εύρος σημείων λειτουργίας, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. a) In imposing the desired current at the output of the machine, under different conditions/parameters of the system, such as the rotation speed of the machine, the voltage level of the generated energy/power, the limitations of the current and voltage levels of the individual units of the system/ microgrid, the charging conditions, etc., resulting in the ability to drive it to a wide range of operating points, for the production of electricity.

β) Στη μετάβαση από λειτουργία κινητήρα σε λειτουργία γεννήτριας και αντίστροφα, σε οποιαδήποτε ταχύτητα περιστροφής, με αποτέλεσμα την ικανότητα οδήγησής της σε μία ευρύτατη περιοχή λειτουργίας (ροπής-στροφών). b) In the transition from engine mode to generator mode and vice versa, at any speed of rotation, resulting in the ability to drive it in a very wide range of operation (torque-revs).

γ) Σε κάθε περίπτωση λειτουργίας, ο έλεγχος της ηλεκτρικής ισχύος πραγματοποιείται χωρίς την απαίτηση της επεξεργασίας των παραμέτρων της ηλεκτρικής μηχανής σε πραγματικό χρόνο (απεμπλοκή του ελέγχου της ισχύος της μηχανής από τον καθιερωμένο έλεγχο των γωνιών μαγνήτισης των φάσεών της) και με ελαχιστοποίηση των απαραίτητων μετρούμενων ηλεκτρικών μεγεθών σε πραγματικό χρόνο, γεγονός που οδηγεί στη μείωση του υπολογιστικού φορτίου του συστήματος ελέγχου και αυξάνει τη συνολική αξιοπιστία του συστήματος. c) In any case of operation, the control of the electric power is carried out without the requirement of the processing of the parameters of the electric machine in real time (disengagement of the control of the power of the machine from the established control of the magnetization angles of its phases) and with a minimization of the necessary of measured electrical quantities in real time, which leads to the reduction of the computational load of the control system and increases the overall reliability of the system.

δ) Στη δυνατότητα ενσωμάτωσης ηλεκτρικού εξοπλισμού υψηλής αξιοπιστίας, όπως οι πυκνωτές τύπου φιλμ (Cfilm) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο ενεργό φίλτρο σειράς, που οδηγεί στη βελτίωση της αξιοπιστίας του συνολικού συστήματος. d) In the possibility of integrating high-reliability electrical equipment, such as film-type capacitors (Cfilm) that can be used in the active series filter, which leads to the improvement of the reliability of the overall system.

Τα χαρακτηριστικά α), β), γ) και δ) καθιστούν τον συνδυασμό του καινοτόμου σχήματος οδήγησης και της μηχανής SRM εξαιρετικά αποδοτικό και ευέλικτο για την εφαρμογή του εκκινητή/γεννήτριας (Starter/Generator, S/G) στα αεροσκάφη. Features a), b), c) and d) make the combination of the innovative drive scheme and the SRM engine extremely efficient and versatile for the application of the Starter/Generator (S/G) in aircraft.

Περιγραφή του προβληματος/Υφιστάμενη τεχνολογική στάθμη και αξιολόγηση αυτής Description of the problem/Existing technological level and its evaluation

Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν πολλές δημοσιεύσεις για τη χρησιμοποίηση της συγκεκριμένης ηλεκτρικής μηχανής σε συστήματα υψηλής ισχύος, όπως είναι αυτά που χρησιμοποιούνται στα εξηλεκτρισμένα αεροσκάφη, εντούτοις δεν υπάρχουν εργασίες που να καταλήγουν σε μία λύση αξιόπιστη για τον έλεγχο της εν λόγω μηχανής χωρίς την επεξεργασία των παραμέτρων της σε πραγματικό χρόνο ή χωρίς τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων που στηρίζονται σε προϋπάρχουσες μετρήσεις των παραμέτρων της, για την ανάπτυξη σχημάτων ελέγχου με προσανατολισμό στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας της μηχανής, είτε ως γεννήτριας είτε ως κινητήρα. Επιπλέον, παρότι στη σύγχρονη βιβλιογραφία απαντάται πλήθος εργασιών που περιλαμβάνουν καινοτόμα σχήματα ελέγχου της SRM, δεν εστιάζουν στον έλεγχο για συστήματα υψηλής ισχύος και αξιοπιστίας, όπως είναι το μικροδίκτυο Σ.Τ. του εξηλεκτρισμένου αεροσκάφους, όπου οι απαιτήσεις για άμεση απόκριση του σχήματος ελέγχου της παραγόμενης ισχύος υπό συνθήκες πολλαπλών μεταβολών των φορτίων του μικροδικτύου, που προϋποθέτει την απρόσκοπτη λειτουργία της μηχανής ως γεννήτριας (ή και ως κινητήρας) σε πολλαπλά σημεία λειτουργίας, είναι επιτακτική. Επιπρόσθετα, σχήματα ελέγχου που χρησιμοποιούν τοπολογίες μετατροπέων ανύψωσης τάσης για τον άμεσο έλεγχο της παραγόμενης ισχύος της μηχανής που απαντώνται στην πρόσφατη σχετική βιβλιογραφία, αντιμετωπίζουν τα ακόλουθα πρακτικά προβλήματα: 1) περιορισμένο εύρος του λόγου ανύψωσης της τάσης σε πρακτικούς μετατροπείς ανύψωσης, που μειώνει την ευελιξία της ρύθμισης της τάσης μαγνήτισης της μηχανής, 2) περιορισμός του ονομαστικού επιπέδου ισχύος, λόγω απαιτήσεων ογκωδών πηνίων και πυκνωτών στην έξοδο του μετατροπέα, 3) μειωμένη ποιότητα ισχύος και προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής παρενόχλησης λόγω της διακοπτόμενης κυματομορφής του ρεύματος στην έξοδο, 4) πολυπλοκότητα του αλγόριθμου ελέγχου τόσο του μετατροπέα ανύψωσης, όσο και του μετατροπέα της μηχανής, 5) χαμηλή δυναμική απόκριση του μετατροπέα ανύψωσης υπό συνθήκες πολλαπλών μεταβολών των φορτίων και 6) η δυνατότητα συνέχισης της παραγωγής ενέργειας από τη μηχανή υπό συνθήκες βραχυπρόθεσμων σφαλμάτων, λόγου χάρη σε περίπτωση ανύψωσης/βύθισης της τάσης του μικροδικτύου (FRTC, Fault Ride-Through Capability), δεν είναι ούτε πρακτικά εφικτό ούτε και εγγενές στους εν λόγω μετατροπείς. Despite the fact that there are many publications on the use of this electric motor in high-power systems, such as those used in electrified aircraft, however, there are no works that result in a reliable solution for controlling this motor without processing the of its parameters in real time or without the use of computational methods based on pre-existing measurements of its parameters, to develop control schemes oriented to the optimum operating point of the machine, either as a generator or as a motor. Moreover, although there are many works in the modern literature that include innovative SRM control schemes, they do not focus on control for high power and reliability systems, such as the S.T. microgrid. of the electrified aircraft, where the requirements for an immediate response of the control scheme of the generated power under conditions of multiple changes in the loads of the microgrid, which presupposes the uninterrupted operation of the machine as a generator (or even as an engine) in multiple operating points, is imperative. In addition, control schemes using step-up converter topologies for direct control of machine output power found in recent related literature face the following practical problems: 1) limited range of voltage step-up ratio in practical step-up converters, which reduces flexibility of the magnetizing voltage regulation of the machine, 2) limitation of the nominal power level, due to the requirements of bulky coils and capacitors at the output of the inverter, 3) reduced power quality and electromagnetic interference problems due to the intermittent current waveform at the output, 4) complexity of the algorithm control of both the lift converter and the engine converter, 5) low dynamic response of the lift converter under conditions of multiple load changes, and 6) the ability to continue generating power from the engine under short-term fault conditions, for example in case of lift/ draft of the microgrid voltage (FRTC, Fault Ride-Through Capability), is neither practically feasible nor inherent in these converters.

Επιπλέον, υψίστης σημασίας για τη βελτίωση της αξιοπιστίας του συνολικού συστήματος είναι η χρήση ηλεκτρικού εξοπλισμού/μονάδων υψηλής αξιοπιστίας, όπως οι πυκνωτές τύπου φιλμ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο ενεργό φίλτρο σειράς (σε αντικατάσταση των ογκωδών ηλεκτρολυτικών πυκνωτών που χρησιμοποιούνται εν παραλλήλω στις υπό συζήτηση εφαρμογές) και φυσικά η ελαχιστοποίηση των απαραίτητων μετρούμενων ηλεκτρικών μεγεθών σε πραγματικό χρόνο. Furthermore, of utmost importance to improve the reliability of the overall system is the use of high reliability electrical equipment/modules such as film type capacitors that can be used in the active series filter (in place of the bulky electrolytic capacitors used in parallel in the applications under discussion ) and of course the minimization of the necessary measured electrical quantities in real time.

Το θέμα αυτό το μελέτησαν διεξοδικά οι εφευρέτες και απέδειξαν (μέσω προσομοιώσεων σε κατάλληλο λογισμικό και επιβεβαίωση σε πραγματικό χρόνο μέσω εξωτερικού επεξεργαστή) ότι το προτεινόμενο σύστημα διαχείρισης της ενέργειας μπορεί να αυξήσει την αξιοπιστία και να μειώσει το υπολογιστικό φορτίο της συγκεκριμένης εφαρμογής. This issue was thoroughly studied by the inventors and proved (through simulations in appropriate software and real-time confirmation through an external processor) that the proposed power management system can increase the reliability and reduce the computational load of the specific application.

Επομένως, η εφεύρεσή μας αντιμετωπίζει αξιόπιστα το ζήτημα της διαχείρισης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας σε μία από τις πλέον κατάλληλες ηλεκτρικές μηχανές για εφαρμογές εξηλεκτρισμένου αεροσκάφους, σε μεγάλο εύρος σημείων λειτουργίας. Ταυτόχρονα, αποτελεί εργαλείο απολύτως συμβατό με τον έλεγχο οποιασδήποτε υποψήφιας ηλεκτρικής μηχανής για ενσωμάτωση στο εν λόγω μικροδίκτυο Σ.Τ., καθώς και σε παρόμοια συστήματα που χρησιμοποιούν ηλεκτρικές μηχανές για τον ίδιο σκοπό. Therefore, our invention reliably addresses the issue of managing the generated electrical energy in one of the most suitable electric motors for electrified aircraft applications, over a wide range of operating points. At the same time, it is a tool fully compatible with the control of any candidate electric machine for integration in the said microgrid S.T., as well as in similar systems that use electric machines for the same purpose.

Πλεονεκτήματα της εφεύρεσης Advantages of the invention

Τα πλεονεκτήματα του καινοτόμου σχήματος οδήγησης έγκεινται στα εξής: The advantages of the innovative driving scheme are:

α) Στην ελεγξιμότητα της μηχανής σε μία ευρύτατη περιοχή σημείων λειτουργίας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τούτο επιτυγχάνεται με τον ανεξάρτητο έλεγχο του ρεύματος μαγνήτισης των φάσεων της μηχανής από το ρεύμα του μικροδικτύου, χάρις στην ενσωμάτωση του φίλτρου σειράς- ο έλεγχος του ρεύματος μαγνήτισης, δε, εξυπηρετεί και τον έλεγχο/προσδιορισμό του επιθυμητού/ανεκτού επιπέδου τάσης του πυκνωτή του φίλτρου σειράς. a) In the controllability of the machine in a very wide area of operating points for the production of electricity. This is achieved by the independent control of the magnetizing current of the machine phases from the microgrid current, thanks to the integration of the series filter - the control of the magnetizing current also serves to control/determine the desired/tolerable voltage level of the filter capacitor series.

β) Στον περιορισμό της διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα της μηχανής (η οποία ελέγχεται από τον συμβατικό ασύμμετρο μετατροπέα ημιγέφυρας) στη βασική συχνότητα περιστροφής της, που αποτελεί προϋπόθεση για την παραγωγή υψηλής ισχύος υπό υψηλό βαθμό απόδοσης (περιορισμός των διακοπτικών απωλειών του μετατροπέα της μηχανής). b) In limiting the switching frequency of operation of the machine converter (which is controlled by the conventional asymmetric half-bridge converter) to its basic rotation frequency, which is a condition for the production of high power under a high degree of efficiency (restriction of the switching losses of the machine converter ).

γ) Στη δυνατότητα ενσωμάτωσης κατάλληλης μονάδας διαχείρισης και αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας, με την ενσωμάτωση ηλεκτρικού εξοπλισμού υψηλής αξιοπιστίας (π.χ. πυκνωτές τύπου φιλμ, κ.ά.). c) The possibility of integrating a suitable management and storage unit for the energy produced, with the integration of highly reliable electrical equipment (e.g. film type capacitors, etc.).

δ) Στην υψηλή αξιοπιστία της μηχανής υπό συνθήκες αυτόνομης λειτουργίας (stand-alone) ή σύνδεσης σε μικροδίκτυα (π.χ. συστήματα αεροσκαφών). d) The high reliability of the machine under conditions of stand-alone operation (stand-alone) or connection to micro-grids (e.g. aircraft systems).

ε) Δεν απαιτείται η χρήση πρόσθετων παθητικών στοιχείων, όπως είναι πηνία και πυκνωτές, που επιφέρουν μείωση της αξιοπιστίας του συστήματος. e) It is not required to use additional passive elements, such as coils and capacitors, which reduce the reliability of the system.

στ) Απλότητα του σχήματος ελέγχου. Ο μετατροπέας της μηχανής λειτουργεί στις δύο βασικές του καταστάσεις (ήτοι της μαγνήτισης μέσω των διακοπτών και της επιστροφής της ενέργειας μέσω των διόδων ελεύθερης διέλευσης) , ενώ ο έλεγχος εφαρμόζεται στο φίλτρο σειράς. f) Simplicity of the control scheme. The machine converter operates in its two basic states (ie magnetizing through switches and returning energy through free-pass diodes), while control is applied to the series filter.

ζ) Σε περίπτωση σφάλματος (λόγου χάρη ανύψωσης/βύθισης της τάσης του μικροδικτύου), το φίλτρο σειράς εξυπηρετεί τη συνέχιση της παροχής ενέργειας από τη μηχανή στο μικροδίκτυο κατά τη διάρκεια του σφάλματος (εγγενής FRTC). g) In the event of a fault (eg rise/sag of the microgrid voltage), the series filter serves to continue powering the machine to the microgrid during the fault (intrinsic FRTC).

Ανάπτυξη του θεωρητικού υπόβαθρου της εφεύρεσης Development of the theoretical background of the invention

Θεωρητική ανάλυση της εφαρμογής του διανυσματικού ελέγχου στο ενεργό φίλτρο σειράς Theoretical analysis of the application of vector control to the active series filter

Η διαχείριση της ροής της ισχύος από/προς την ηλεκτρική μηχανή επιτυγχάνεται με το κατάλληλο σχήμα φόρτισης/εκφόρτισης του πυκνωτή του ενεργού φίλτρου σειράς, σύμφωνα με το Σχήμα 1, εφαρμόζοντας το διάνυσμα τάσης (ως διανύσματα τάσης αναφέρονται όλες οι πιθανές καταστάσεις των διακοπτών (7) και των διόδων (8) του μετατροπέα του εκάστοτε ενεργού φίλτρου σειράς, εν προκειμένω του μονοφασικού μετατροπέα πλήρους γέφυρας) το οποίο επιφέρει την επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας του κυκλώματος (Σχήμα 2, Κ1-Κ5), σύμφωνα με τον Πίνακα 2. The management of the power flow from/to the electric machine is achieved by the appropriate charging/discharging scheme of the capacitor of the active series filter, according to Figure 1, applying the voltage vector (as voltage vectors all possible states of the switches (7 ) and the diodes (8) of the converter of the respective active series filter, in this case the single-phase full-bridge converter) which brings about the desired operating state of the circuit (Figure 2, K1-K5), according to Table 2.

Η λειτουργία του ελέγχου στηρίζεται στην ανεξάρτητη μαγνήτιση και απομαγνήτιση (λειτουργία γεννήτριας) της κάθε φάσης της μηχανής μέσα στην ηλεκτρική περίοδο του ελέγχου, Tcontrol (η οποία ορίζεται από το πηλίκο των 360 (ή 2π rad) ηλεκτρικών μοιρών (θe) προς το γινόμενο του αριθμού των φάσεων (NPh) και της ηλεκτρικής γωνιακής ταχύτητας, ωe), Tcontrol=θe/(ωe<.>Nph), σύμφωνα με το Σχήμα 3. Συγκεκριμένα, η μαγνήτιση της κάθε φάσης ξεκινά στην ηλεκτρική γωνία της περιόδου όπου η αυτεπαγωγή λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της (Lal, Σχήμα 3) και ολοκληρώνεται όταν το ρεύμα στο μικροδίκτυο (idc) φτάσει την αναφορά του ρεύματος μαγνήτισης (Imag), μέσα σε χρονικό διάστημα Atm.Τα διανύσματα που επιτυγχάνουν τη λειτουργία αυτή είναι τα 1, 4 και 6, σύμφωνα με τον Πίνακα 2. Στη συνέχεια, η φάση περνάει σε λειτουργία γεννήτριας για το εναπομείναν διάστημα, Atg.Κατά το διάστημα της λειτουργίας γεννήτριας, ο έλεγχος του ρεύματος στη σταθερή τιμή αναφοράς του (Iref) υλοποιείται με την τεχνική ελέγχου μέσα σε σταθερή ζώνη υστέρησης (Η), σύμφωνα με το Σχήμα 4, με την εφαρμογή των διανυσμάτων 2, 3 ή 5 και 7, σύμφωνα με τον Πίνακα 2. Σημειώνεται ότι οι συνθήκες φόρτισης του συστήματος (υψηλό/χαμηλό επίπεδο ισχύος) είναι καθοριστικές για τη διαμόρφωση του προφίλ τόσο του idcόσο και της τάσης στον πυκνωτή του φίλτρου σειράς (vcap), όπως αποτυπώνεται στον Πίνακα 2 και στο Σχήμα 3 (Φ). Πιο συγκεκριμένα, υπό συνθήκες υψηλού φορτίου ή/και ταχύτητας, η μηχανή λειτουργεί στην Υπο-Μαγνήτιση (ΜΙ), ενώ υπό συνθήκες χαμηλού φορτίου ή/και ταχύτητας, η μηχανή λειτουργεί στην Υπέρ -Μαγνήτιση (M2), όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. The operation of the control is based on the independent magnetization and demagnetization (generator operation) of each phase of the machine within the electrical period of the control, Tcontrol (which is defined by the quotient of 360 (or 2π rad) electrical degrees (θ) to the product of of the number of phases (NPh) and the electrical angular velocity, ωe), Tcontrol=θe/(ωe<.>Nph), according to Figure 3. Specifically, the magnetization of each phase starts at the electrical angle of the period where the inductance takes its maximum value (Lal, Figure 3) and is completed when the current in the microgrid (idc) reaches the magnetizing current reference (Imag), within a time interval Atm. The vectors that achieve this function are 1, 4 and 6 , according to Table 2. Then, the phase switches to generator mode for the remaining interval, Atg. During the generator mode interval, the control of the current to its constant reference value (Iref) is implemented by the control technique within constant hysteresis zone (H), according to Figure 4, by applying vectors 2, 3 or 5 and 7, according to Table 2. It is noted that the system loading conditions (high/low power level) are decisive for the profiling of both the idcos and the voltage across the series filter capacitor (vcap), as depicted in Table 2 and Figure 3 (Φ). More specifically, under conditions of high load and/or speed, the engine operates in Under-Magnetization (MI), while under conditions of low load and/or speed, the engine operates in Over-Magnetization (M2), as shown in Figure 3.

Ανάπτυξη του εργαλείου σχεδιασμού επιλογής των βέλτιστων παραμέτρων λειτουργίας του ενεργού φίλτρου σειράς Development of the design tool for selecting the optimal operating parameters of the active series filter

Η επιλογή των βέλτιστων παραμέτρων λειτουργίας του συνολικού συστήματος που περιλαμβάνει το μικροδίκτυο Σ.Τ., το ενεργό φίλτρο σειράς και τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης, μπορεί να γίνει βάσει των προδιαγραφών / περιορισμών του συστήματος, οι οποίες αφορούν το επίπεδο της παραγόμενης ισχύος (Idc, max), το μέγιστο επίπεδο τάσης του πυκνωτή του ενεργού φίλτρου σειράς (Vcap, max), τη μέγιστη αποδεκτή διακύμανση της τάσης του πυκνωτή (ΔVcap,max) και τη μέγιστη αποδεκτή τιμή των διακοπτικών απωλειών του φίλτρου σειράς (PSw,ioss„max)<.>αυτά με στη σειρά τους καθορίζουν τη μέγιστη τιμή αναφοράς του ρεύματος του μικροδικτύου (Iref,max), την ελάχιστη χωρητικότητα του πυκνωτή (Cmin ) και την ελάχιστη τιμή της ζώνης υστέρησης κατά τον έλεγχο ρεύματος (Hmin). Συνεπώς, το σύστημα σχεδιάζεται στο Μέγιστο Σημείο Λειτουργίας (ΜΣΛ), που χαρακτηρίζεται ως εξής: ΜΣΛ (Idc,max(A), Vcap, max(V)). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, που χρησιμοποιείται χωρητική μονάδα διαχείρισης της ενέργειας και ο έλεγχος ρεύματος υλοποιείται με σταθερή ζώνη υστέρησης, οι βέλτιστες παράμετροι λειτουργίας του ενεργού φίλτρου σειράς αφορούν την ελάχιστη χωρητικότητα του πυκνωτή, Cmin, ώστε να εξυπηρετείται η χρήση πυκνωτών τύπου φιλμ, καθώς και τη βέλτιστη τιμή της ζώνης υστέρησης κατά τον έλεγχο ρεύματος (Hmin), ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή διακύμανση του idc. The selection of the optimal operating parameters of the overall system, which includes the PV microgrid, the active series filter and the DC motor, can be made based on the system specifications / constraints, which concern the level of the generated power (Idc, max), the maximum voltage level of the capacitor of the active series filter (Vcap,max), the maximum acceptable variation of the capacitor voltage (ΔVcap,max) and the maximum acceptable value of the switching losses of the series filter (PSw,ioss„max) <.>these in turn define the maximum reference value of the microgrid current (Iref,max), the minimum capacitance of the capacitor (Cmin ) and the minimum value of the hysteresis band during current control (Hmin). Therefore, the system is designed at the Maximum Operating Point (MSP), characterized as follows: MSP (Idc,max(A), Vcap, max(V)). In the specific case, where a capacitive power management unit is used and the current control is implemented with a fixed hysteresis band, the optimal operating parameters of the active series filter concern the minimum capacitance of the capacitor, Cmin, in order to accommodate the use of film-type capacitors, as well as the optimum value of the hysteresis band during current control (Hmin) to achieve the desired variation of idc.

Για τον προσδιορισμό των προαναφερθέντων παραμέτρων, χρειάζεται να ληφθεί υπόψιν η μη γραμμική συμπεριφορά της μηχανής διακοπτικής διέγερσης υπό συνθήκες κορεσμού (λόγω του υψηλού επίπεδου ισχύος της εφαρμογής που εξετάζεται), με τη χρησιμοποίηση των διαθέσιμων αξιόπιστων μοντέλων, της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Analysis, FEA) ή/και τη χρήση μετρήσεων σε πραγματικές μηχανές. Το προτεινόμενο εργαλείου σχεδιασμού (11, σύμφωνα με το Σχήμα 5β), καθώς και το ανεπτυγμένο μοντέλο προσομοίωσης (12, σύμφωνα με το Σχήμα 5β) αποτυπώνονται στο Σχήμα 5. Συγκεντρωτικά, το εργαλείο σχεδιασμού (βάσει του Σχήματος 5α) των βέλτιστων παραμέτρων λειτουργίας του συστήματος με προδιαγραφές συστήματος (13) την ταχύτητα περιστροφής της μηχανής (RPM), το επίπεδο της τάσης του μικροδικτύου Σ.Τ. (Vbus) και τα στοιχεία της μηχανής SRG (θe, NPh, Tcontrol), δέχεται ως εισόδους το ΜΣΛ (Idc,max(A), Vcap,max(V)) (E1), το ΔVcap,max(E2) και το Psw,loss„max(E3), καθώς και τις αρχικές τιμές των παραμέτρων Iref(Ε4),C (Ε5) και Η (Ε6), και αλληλοεπιδρώντας με το ανεπτυγμένο μοντέλο προσομοίωσης (ακολουθώντας τα Βήματα Β1-Β5, σύμφωνα με το Σχήμα 5β), καταλήγει στις επιθυμητές εξόδους, ήτοι στις τιμές των Iref,max(01), στην ελάχιστη τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή, Cmin(02), καθώς και στη βέλτιστη τιμή Η, Hmin(03). Στο Σχήμα 5β, το 9 αντιστοιχεί στη μονάδα εφαρμογής του διανυσματικού ελέγχου (εφαρμογή διανύσματος τάσης) και το 10 αντιστοιχεί στη μονάδα ελέγχου του μετατροπέα της μηχανής (AHBC). To determine the aforementioned parameters, it is necessary to take into account the non-linear behavior of the switching excitation machine under saturation conditions (due to the high power level of the application under consideration), using the available reliable models, Finite Element Analysis , FEA) and/or using measurements on real machines. The proposed design tool (11, according to Figure 5b) as well as the developed simulation model (12, according to Figure 5b) are depicted in Figure 5. Collectively, the design tool (based on Figure 5a) of the optimal operating parameters of system with system specifications (13) the motor rotation speed (RPM), the microgrid voltage level S.T. (Vbus) and the elements of the SRG engine (θe, NPh, Tcontrol), accepts as inputs the MSL (Idc,max(A), Vcap,max(V)) (E1), the ΔVcap,max(E2) and the Psw,loss„max(E3), as well as the initial values of the parameters Iref(E4),C (E5) and H (E6), and interacting with the developed simulation model (following Steps B1-B5, according to Fig. 5b), results in the desired outputs, namely the values of Iref,max(01), the minimum value of the capacitor capacity, Cmin(02), as well as the optimal value of H, Hmin(03). In Figure 5b, 9 corresponds to the vector control application unit (voltage vector application) and 10 corresponds to the machine inverter control (AHBC) unit.

Η καινοτόμος μέθοδος υλοποιείται με τον ακόλουθο τρόπο (αποτυπώνεται στο Σχήμα 5β. με τη βοήθεια των Σχημάτων 1-4): The innovative method is implemented in the following way (illustrated in Figure 5b with the help of Figures 1-4):

α) Λαμβάνεται ανατροφοδότηση της ηλεκτρικής γωνίας της μηχανής (θe) και του στιγμιαίου ρεύματος εξόδου του μετατροπέα (idc). a) Feedback of motor electric angle (θe) and instantaneous inverter output current (idc) is obtained.

β) Η απαραίτητη μαγνήτιση της κάθε φάσης της μηχανής εξασφαλίζεται με την εφαρμογή του κατάλληλου χρονικού διαστήματος (ήτοι ηλεκτρικές μοίρες μαγνήτισης ανά φάση, Atm, ως σημείο έναρξης του οποίου λογίζεται η ηλεκτρική γωνία στην οποία η εκάστοτε υπό μαγνήτιση φάση βρίσκεται σε θέση πλήρους ευθυγράμμισης με τον έκτυπο πόλο του δρομέα - aligned position, Lal- και διαμορφώνεται ανάλογα με την εκάστοτε ηλεκτρική περίοδο) κατά το οποίο η συγκεκριμένη φάση απορροφά ενέργεια από το σύστημα (είτε από τις υπόλοιπες φάσεις είτε από το μικροδίκτυο, ανάλογα με τη διαθέσιμη ενέργεια μαγνήτισης), μέσω της εφαρμογής του κατάλληλου διανύσματος τάσης στον μετατροπέα ισχύος. b) The necessary magnetization of each phase of the machine is ensured by the application of the appropriate time interval (i.e. electric degrees of magnetization per phase, Atm, as the starting point of which is calculated the electric angle at which the respective magnetized phase is in a position of full alignment with the printed pole of the rotor - aligned position, Lal- and is configured according to the current electrical period) during which the specific phase absorbs energy from the system (either from the other phases or from the microgrid, depending on the available magnetizing energy), by applying the appropriate voltage vector to the power converter.

γ) Η λειτουργία γεννήτριας επιτυγχάνεται για κάθε φάση ξεχωριστά, για το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από το πέρας της μαγνήτισής της, μέχρι το χρονικό σημείο έναρξης της μαγνήτιση της επόμενης φάσης (Atg). Ο έλεγχος του ρεύματος μέσα σε μία σταθερή ζώνη υστέρησης (Η) κατά τη λειτουργία της γεννήτριας εξασφαλίζεται μέσω της επιβολής του κατάλληλου διανύσματος τάσης στο ενεργό φίλτρο σειράς. c) The generator operation is achieved for each phase separately, for the time interval that elapses from the end of its magnetization, until the time point of start of the magnetization of the next phase (Atg). Current control within a fixed hysteresis band (H) during generator operation is achieved by imposing the appropriate voltage vector on the active series filter.

Τα βηματα του αλγόριθμου του Σχηματος 5α είναι τα εξης: The steps of the algorithm of Figure 5a are as follows:

1) Στο πρώτο βήμα (Β1), προσδιορίζονται οι τιμές των Idc, max, Vcap,max, AVcap ,maxand Psw, loss, max, βάσει των προδιαγραφών του υπό μελέτη συστήματος. Επιπρόσθετα, επιλέγονται οι αρχικές τιμές των μεγεθών Iref, C and Η<.>συγκεκριμένα, Iref=Idc,max, ενώ η τιμή C-επιλέγεται αρχικά υψηλή ώστε να περιορίζεται η διακύμανση της τάσης τους πυκνωτή (εξασφαλίζοντας έτσι τη σταθερότητα του ελέγχου στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας). Τελικά, η Η τίθεται αρχικά σε μία τιμή που οδηγεί στη βέλτιστη/επιθυμητή διακύμανση του ρεύματος του μικροδικτύου. 1) In the first step (B1), the values of Idc, max, Vcap, max, AVcap, max and Psw, loss, max are determined based on the specifications of the system under study. In addition, the initial values of the quantities Iref, C and H<.>specifically, Iref=Idc,max are chosen, while the C-value is initially chosen high to limit the variation of the capacitor voltage (thus ensuring the stability of the control in the permanent operating status). Finally, H is initially set to a value that leads to the optimal/desired microgrid current variation.

2) Στο δεύτερο βήμα (Β2), καθορίζεται το Atm(συνεπώς και το Imag), με τη χρήση του εργαλείου προσομοίωσης (Σχήμα 5β), για την επιθυμητή τιμή Vcap,max· 2) In the second step (B2), Atm (and consequently Imag) is determined, using the simulation tool (Figure 5b), for the desired value Vcap,max;

3) Στο τρίτο βήμα (Β3), η αρχική τιμή Irefαυξάνεται μέχρι η τιμή Idcνα γίνει ίση με την επιθυμητή τιμή Idc,max, σύμφωνα με την ανάλυση του Σχήματος 3. Στο τέλος της επαναληπτικής 3) In the third step (B3), the initial Iref value is increased until the Idc value becomes equal to the desired Idc,max value, according to the analysis of Figure 3. At the end of the iterative

διαδικασίας του Β3, προσδιορίζεται η τιμή Iref,max. process of B3, the value Iref,max is determined.

4) Στο τέταρτο βήμα (Β4), η αρχικά υψηλή τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή, C, 4) In the fourth step (B4), the initially high value of the capacitor capacitance, C,

επαναπροσδιορίζεται σύμφωνα με την τιμή ΔVcap, η οποία υπολογίζεται από την τιμή ΔQm, ήτοι: is redefined according to the ΔVcap value, which is calculated from the ΔQm value, i.e.:

ΔVcap= ΔQm/C (1) ΔVcap= ΔQm/C (1)

, σύμφωνα με τις ακόλουθες εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία/συμπεριφορά του συστήματος: , according to the following equations governing the operation/behavior of the system:

Σημειώνεται πως οι ( 1 )— (3 ) επιλύονται αριθμητικά (και όχι αναλυτικά, όπως έχει ήδη It is noted that (1)-(3) are solved numerically (and not analytically, as already

επισημανθεί), σύμφωνα με το Σχήμα 5β. Τελικά, ο προσδιορισμός της τιμής Cminhighlighted), according to Figure 5b. Finally, the determination of the value Cmin

πραγματοποιείται έτσι ώστε ΔVcap≤ ΔVcap,max. is carried out so that ΔVcap≤ ΔVcap,max.

5) Στο πέμπτο βήμα (Β5), η τιμή Η προσδιορίζεται σύμφωνα με τον υπολογισμό των 5) In the fifth step (B5), the H value is determined according to the calculation of

διακοπτικών απωλειών του φίλτρου σειράς, ως αποτέλεσμα των τιμών που έχουν επιλεγεί στα switching losses of the series filter, as a result of the values selected in

Β1-Β4. Πιο συγκεκριμένα, η παράμετρος Psw,ioss για μία συγκεκριμένη μονάδα ηλεκτρονικού B1-B4. More specifically, the Psw,ioss parameter for a specific electronic unit

μετατροπέα ισχύος μπορεί να υπολογιστεί στη διάρκεια του ελέγχου ρεύματος μέσα σε σταθερή power converter can be calculated during current control within constant

ζώνη υστέρησης (Δtg2), θεωρώντας ότι το idcείναι κοντά στην τιμή Iref(η οποία έχει προσδιορισθεί hysteresis zone (Δtg2), considering that idc is close to the Iref value (which has been determined

στο Β3) κατά τη διάρκεια του διαστήματος Δtg2.Συνεπώς, οι διακοπτικές απώλειες υπολογίζονται in B3) during the interval Δtg2. Consequently, the switching losses are calculated

(με τη χρήση των παραμέτρων που δίδονται στο τεχνικό φυλλάδιο κάθε συγκεκριμένης μονάδας (using the parameters given in the technical brochure of each specific unit

μετατροπέα) και συγκρίνονται με την τιμή εισόδου (στο Β1) Psw, loss, max. Στην περίπτωση που converter) and are compared with the input value (in B1) Psw, loss, max. In case

Psw, loss≥ Psw, loss, max, η τιμή Η θα πρέπει να αυξηθεί. Στην περίπτωση που Psw, loss≤ Psw, loss, max, Psw, loss≥ Psw, loss, max, H value should increase. In the case that Psw, loss≤ Psw, loss, max,

εξάγεται η τιμή Hmin- Τελικά, οι έξοδοι του εργαλείου σχεδιασμού για το ΜΣΛ είναι οι τιμές των the Hmin value is output- Finally, the outputs of the design tool for the MSL are the values of

Iref, max, Cminand Hmin. Iref, max, Cmin and Hmin.

Τα ανωτέρω βήματα (Β1-Β5) της καινοτόμου μεθόδου αποτελούν τον αλγόριθμο που The above steps (B1-B5) of the innovative method constitute the algorithm that

εφαρμόζεται τόσο στο αναπτυγμένο μοντέλο του λογισμικού προσομοίωσης (Matlab/Simulink), applied both to the developed model of the simulation software (Matlab/Simulink),

όσο και στις προσομοιώσεις του συστήματος σε πραγματικό χρόνο, με χρήση εξωτερικού as well as in the simulations of the system in real time, using external

επεξεργαστή, με τη μέθοδο hardware-in-the-loop testing. Οι τελευταίες αποτελούν και την processor, with the hardware-in-the-loop testing method. The latter also constitute the

επιβεβαίωση της υλοποίησης της καινοτόμου μεθόδου σε ρεαλιστικές συνθήκες (μέσω των confirmation of the implementation of the innovative method in realistic conditions (through

προσομοιώσεων σε πραγματικό χρόνο). Η βελτίωση της αξιοπιστίας του συνολικού συστήματος real-time simulations). Improving the reliability of the overall system

προκύπτει από την εφαρμογή της καινοτόμου μεθόδου, όπως αυτή περιγράφεται, συγκριτικά με results from the application of the innovative method, as it is described, compared to

το επίπεδο της υφιστάμενης τεχνολογικής στάθμης στο εν λόγω πεδίο εφαρμογής. Σύμφωνα με τα the level of the existing technology in the field in question. According to the

προαναφερθέντα, στα Σχήματα 5-9 παρουσιάζονται ενδεικτικά αποτελέσματα από την ανάπτυξη aforementioned, Figures 5-9 show indicative results from the development

των κατάλληλων μοντέλων τόσο σε περιβάλλον προσομοίωσης (Matlab/Simulink) για την of the appropriate models both in a simulation environment (Matlab/Simulink) for the

επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης του προτεινόμενου σχήματος ελέγχου όσο και σε δοκιμών confirmation of the theoretical analysis of the proposed control scheme as well as in tests

σε πραγματικό χρόνο με τη μέθοδο hardware-in-the-loop testing, με χρήση κατάλληλης in real time with the hardware-in-the-loop testing method, using an appropriate

πλατφόρμας (MicroLabBox, DS1202) και εξωτερικού επεξεργαστή (dsPIC30F4011). platform (MicroLabBox, DS1202) and external processor (dsPIC30F4011).

Πιο συγκεκριμένα, στο Σχήμα 6 παρουσιάζεται η μόνιμη κατάσταση λειτουργίας στο ΜΣΛ (160Α, 810 V): (α) Κυματομορφές ρευμάτων στο μικροδίκτυο Σ.Τ. και στην ηλεκτρική μηχανή, (β) Κυματομορφή τάσης στον πυκνωτή φίλτρου σειράς, ενώ στο Σχήμα 7 παρουσιάζεται η δυναμική απόκριση του συστήματος σε βηματικές μεταβολές της αναφοράς του ρεύματος, στο περιβάλλον προσομοίωσης: (α) Κυματομορφή ρεύματος στο μικροδίκτυο Σ.Τ., (β) Κυματομορφές ρεύματος μαγνήτισης και τάσης στον πυκνωτή φίλτρου σειράς. Αντίστοιχα, στο Σχήμα 8 παρουσιάζεται η μόνιμη κατάσταση λειτουργίας στο ΜΣΛ (100 Α, 48 V): (α) Κυματομορφές ρευμάτων στο μικροδίκτυο Σ.Τ. και στην ηλεκτρική μηχανή, (β) Κυματομορφή τάσης στον πυκνωτή φίλτρου σειράς, ενώ στο Σχήμα 9 παρουσιάζεται η δυναμική απόκριση του συστήματος σε βηματικές μεταβολές της αναφοράς του ρεύματος: (α) Κυματομορφή ρεύματος στο μικροδίκτυο Σ.Τ., (β) Κυματομορφές ρεύματος μαγνήτισης και τάσης στον πυκνωτή φίλτρου σειράς, με τη μέθοδο hardware-in-the-loop testing. More specifically, Figure 6 shows the permanent state of operation at the MSL (160A, 810 V): (a) Current waveforms in the S.T. microgrid. and in the electric machine, (b) Voltage waveform in the series filter capacitor, while Figure 7 shows the dynamic response of the system to step changes in the current reference, in the simulation environment: (a) Current waveform in the S.T. microgrid, ( b) Magnetizing current and voltage waveforms across the series filter capacitor. Correspondingly, Figure 8 shows the permanent operating condition in the MSL (100 A, 48 V): (a) Current waveforms in the S.T. microgrid. and in the electric machine, (b) Voltage waveform across the series filter capacitor, while Figure 9 shows the dynamic response of the system to step changes in the current reference: (a) Current waveform in the PV microgrid, (b) Current waveforms magnetization and voltage across the series filter capacitor, using the hardware-in-the-loop testing method.

Συμπεράσματα Conclusions

Το προηγμένο σύστημα οδήγησης ηλεκτρικών μηχανών διακοπτικής διέγερσης επιτυγχάνει τον άμεσο έλεγχο της παραγόμενης ισχύος, μέσω της επιβολής του επιθυμητού ρεύματος στην έξοδο της μηχανής, χωρίς την απαίτηση της επεξεργασίας των παραμέτρων της μηχανής σε πραγματικό χρόνο, με μέτρηση των ελάχιστων απαιτούμενων ηλεκτρικών μεγεθών σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, το καινοτόμο σχήμα ελέγχου προσδίδει τη δυνατότητα λειτουργίας της γεννήτριας σε μία ευρεία περιοχή λειτουργίας, σύμφωνα με τις απαιτήσεις των εφαρμογών υψηλής ισχύος και αξιοπιστίας, όπως το μικροδίκτυο Σ.Τ. του εξηλεκτρισμένου αεροσκάφους. Επιπροσθέτως, η υλοποίηση του σχήματος ελέγχου με τη χρήση ενεργού φίλτρου σειράς δίδει το πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης ηλεκτρικού εξοπλισμού/μονάδων αποθήκευσης και διαχείρισης της παραγόμενης ενέργειας υψηλής αξιοπιστίας, που οδηγεί στη βελτίωση της αξιοπιστίας του συνολικού συστήματος. Τέλος, μέσω της ανάπτυξης των κατάλληλων μοντέλων προσομοίωσης τόσο σε λογισμικό περιβάλλον όσο και σε πραγματικό χρόνο μέσω εξωτερικού επεξεργαστή, επιβεβαιώθηκαν η λειτουργία και τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα του καινοτόμου σχήματος ελέγχου. The advanced switching excitation electric motor drive system achieves direct control of the generated power, by imposing the desired current at the motor output, without the requirement of processing the machine parameters in real time, by measuring the minimum required electrical quantities in real time . In addition, the innovative control scheme enables the generator to operate in a wide operating range, in accordance with the requirements of high power and reliability applications, such as the S.T. microgrid. of the electrified aircraft. In addition, the implementation of the control scheme using an active series filter gives the advantage of using highly reliable electrical equipment/storage units and management of the produced energy, which leads to the improvement of the reliability of the overall system. Finally, through the development of the appropriate simulation models both in a software environment and in real time through an external processor, the operation and the aforementioned advantages of the innovative control scheme were confirmed.

Claims

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. (Κύρια ανεξάρτητη αξίωση) Ενεργό φίλτρο σειράς (4), σύμφωνα με το Σχήμα 1, που υλοποιείται με μονοφασικό δικατευθυντήριο ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος (6), ο οποίος περιλαμβάνει έναν πυκνωτή (5) στην είσοδό του, τέσσερις ηλεκτρονικούς διακόπτες ισχύος (7) -τύπου IGBT, MOSFET ή αντίστοιχου τύπου διακόπτες ισχύος, και τέσσερις διόδους ισχύος (8).1. (Main independent claim) Active series filter (4), according to Figure 1, implemented with a single-phase bidirectional electronic power converter (6), which includes a capacitor (5) at its input, four electronic power switches (7 ) -type IGBT, MOSFET or equivalent power switches, and four power diodes (8).

2. (Κύρια ανεξάρτητη αξίωση) Κατάλληλο εργαλείο σχεδιασμού (11) σύμφωνα με το Σχήμα 5α, μέσω του οποίου επιλέγονται οι βέλτιστες παράμετροι που αφορούν στην υλοποίηση του ενεργού φίλτρου σειράς (4), σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά και τους περιορισμούς του υπό εξέταση συστήματος (Σχήμα 1).2. (Main independent claim) Suitable design tool (11) according to Figure 5a, through which the optimal parameters concerning the implementation of the active series filter (4) are selected, according to the characteristics and limitations of the system under consideration ( Figure 1).

3. (Κύρια ανεξάρτητη αξίωση) Σύστημα αποτελούμενο από ενεργό φίλτρο σειράς (4), μικροδίκτυο Σ.Τ. (3) και μηχανή διακοπτικής διέγερσης (1), μαζί με τον κλασικό ηλεκτρονικό μετατροπέα της (2), σύμφωνα με το Σχήμα 1.3. (Main independent claim) System consisting of active series filter (4), microgrid S.T. (3) and switching excitation machine (1), together with its classic electronic converter (2), according to Figure 1.

4. (Κύρια ανεξάρτητη αξίωση) Μέθοδος ελέγχου της ροής της ισχύος από/προς τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης (1) με την ενσωμάτωση του ενεργού φίλτρου σειράς (4), σύμφωνα με το Σχήμα 1.4. (Main independent claim) A method of controlling the flow of power from/to the switching excitation machine (1) by incorporating the active series filter (4), according to Figure 1.

5. (Εξαρτημένη αξίωση) Ενεργό φίλτρο σειράς (4) σύμφωνα με την αξίωση 1, στο οποίο ως μονάδα αποθήκευσης/διαχείρισης της παραγόμενης ενέργειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε αντίστοιχη μονάδα εναλλακτικά του πυκνωτή (5), λόγου χάρη ένας συσσωρευτής με κατάλληλα χαρακτηριστικά.5. (Dependent claim) Active series filter (4) according to claim 1, in which as a storage/management unit of the produced energy any corresponding unit can be used instead of the capacitor (5), for example an accumulator with suitable characteristics.

6. (Εξαρτημένη αξίωση) Ενεργό φίλτρο σειράς (4) σύμφωνα με την αξίωση 1, στο οποίο ως ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος (6) μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοσδήποτε δικατευθυντήριος μετατροπέας, λόγου χάρη ένας μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων. Τα διανύσματα τάσης που χρησιμοποιούνται σύμφωνα με τον Πίνακα 2 είναι αυτά που είναι διαθέσιμα για τον επιλεγμένο ηλεκτρονικό μετατροπέα και εξυπηρετούν τη βέλτιστη δυναμική απόκριση του σχήματος ελέγχου (9), σύμφωνα με το Σχήμα 5β.6. (Dependent claim) Active series filter (4) according to claim 1, in which any bidirectional converter, for example a multi-level converter, can be used as the electronic power converter (6). The voltage vectors used according to Table 2 are those available for the selected electronic converter and serve the optimal dynamic response of the control scheme (9), according to Figure 5b.

7. (Εξαρτημένη αξίωση) Κατάλληλο εργαλείο σχεδιασμού (11) σύμφωνα με την αξίωση 2, το οποίο υλοποιείται μέσω του αλγόριθμου του Σχήματος 5α, από το οποίο καθίσταται δυνατή η επιλογή του κατάλληλου επιπέδου τάσης του πυκνωτή (5) του φίλτρου σειράς (4), σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά και τους περιορισμούς του υπό εξέταση συστήματος (Σχήμα 1), ως ακολούθως:7. (Dependent claim) Suitable design tool (11) according to claim 2, which is implemented by means of the algorithm of Figure 5a, from which it becomes possible to select the appropriate voltage level of the capacitor (5) of the series filter (4). , according to the characteristics and limitations of the system under consideration (Figure 1), as follows:

α) Ταχύτητα περιστροφής της μηχανής (RPM).a) Engine rotation speed (RPM).

β) Επίπεδο τάσης του μικροδικτύου Σ.Τ./Σ.Τ (Vbus)·b) Voltage level of the S.T./S.T microgrid (Vbus);

γ) Ανεκτά επίπεδα τάσης (vcap) του πυκνωτή φίλτρου σειράς και του ρεύματος (idc) στο μικροδίκτυο Σ.Τ./Σ.Τ.c) Tolerable levels of voltage (vcap) of the series filter capacitor and current (idc) in the S.T./S.T. microgrid.

δ) Ονομαστικό ρεύμα λειτουργίας (Idc) και χαρακτηριστικά της μηχανής διακοπτικής διέγερσης (SRG).d) Rated operating current (Idc) and characteristics of the switching excitation machine (SRG).

8. (Εξαρτημένη αξίωση) Κατάλληλο εργαλείο σχεδιασμού (11) του φίλτρου σειράς (4) σύμφωνα με την αξίωση 2 και το Σχήμα 5α, το οποίο υλοποιείται με τη βοήθεια του κατάλληλου μοντέλου προσομοίωσης της μηχανής διακοπτικής διέγερσης (Σχήμα 5β), προκειμένου να ληφθούν ρεαλιστικά αποτελέσματα/λύσεις των μη γραμμικών συνήθων διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη συμπεριφορά της (βάσει των εξισώσεων (1)-(3), όπως αυτές δίδονται στην Περιγραφή) υπό συνθήκες κορεσμού και υψηλής μη γραμμικότητας στις μεταβολές του ρεύματος και της μαγνητικής ροής συναρτήσει της γωνιακής θέσης των ενεργών της φάσεων (σχετική θέση μεταξύ των έκτυπων πόλων του στάτη όπου βρίσκονται τα τυλίγματα μαγνήτισης της μηχανής και των έκτυπων πόλων του δρομέα).8. (Dependent claim) Suitable design tool (11) of the series filter (4) according to claim 2 and Figure 5a, which is implemented with the help of the appropriate simulation model of the switching excitation machine (Figure 5b), in order to obtain realistic results/solutions of the nonlinear ordinary differential equations describing its behavior (based on equations (1)-(3), as given in the Description) under conditions of saturation and high nonlinearity in the changes of current and magnetic flux as a function of angular position of its active phases (relative position between the printed poles of the stator where the magnetizing windings of the machine are located and the printed poles of the rotor).

9. (Εξαρτημένη αξίωση) Η μέθοδος ελέγχου της ροής της ισχύος στο σύστημα που περιγράφει η αξίωση 3 είναι γενική και η χρήση της μπορεί να επεκταθεί με κατάλληλη προσαρμογή σε κάθε τύπου ηλεκτρική μηχανή, οποιουδήποτε NPh.Συνεπώς, τα στοιχεία 1 και 2 στο Σχήμα 1 διαμορφώνονται κατά περίπτωση.9. (Dependent claim) The method of controlling the flow of power in the system described in claim 3 is general and its use can be extended by suitable adaptation to any type of electric machine, any NPh. Accordingly, elements 1 and 2 in Fig. 1 are configured on a case-by-case basis.

10. (Εξαρτημένη αξίωση) Μέθοδος ελέγχου της ροής της ισχύος από/προς τη μηχανή διακοπτικής διέγερσης (1) σύμφωνα με την αξίωση 4 - αποτελεί το τεχνικό πρόβλημα που επιλύει η μέθοδος ελέγχου, η οποία περιλαμβάνει τον έλεγχο του ενεργού φίλτρου σειράς και πραγματοποιείται εφαρμόζοντας έλεγχο ρεύματος (εν προκειμένω έλεγχο ρεύματος μέσα σε σταθερή ζώνη υστέρησης, σύμφωνα με το Σχήμα 4) στον μετατροπέα φίλτρου σειράς (μονοφασικός μετατροπέας πλήρους γέφυρας) για τη φόρτιση/εκφόρτιση του πυκνωτή (5), ώστε να εξασφαλίζεται τόσο η απαραίτητη μαγνήτιση των φάσεων της μηχανής, όσο και η λειτουργία της μηχανής ως γεννήτρια, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά και τους περιορισμούς του υπό εξέταση συστήματος. Ο έλεγχος ρεύματος στο ενεργό φίλτρο σειράς, μπορεί να υλοποιηθεί με οποιαδήποτε τεχνική ελέγχου ρεύματος εναλλακτικά του ελέγχου ρεύματος σταθερής ζώνης υστέρησης, όπως για παράδειγμα είναι ο έλεγχος μεγίστου ρεύματος κ.ά. Συνεπώς, οι βέλτιστες παράμετροι εξόδου του εργαλείου σχεδιασμού σύμφωνα με το Σχήμα 5α διαμορφώνονται ανάλογα.10. (Dependent claim) A method of controlling the flow of power from/to the switching excitation machine (1) according to claim 4 - is the technical problem solved by the control method, which includes the control of the active series filter and is carried out by applying current control (in this case current control within a fixed hysteresis zone, according to Figure 4) in the series filter converter (single-phase full-bridge converter) to charge/discharge the capacitor (5) so as to ensure both the necessary magnetization of the phases of engine, as well as the operation of the engine as a generator, according to the characteristics and limitations of the system under consideration. The current control in the active series filter can be implemented with any current control technique as an alternative to the constant hysteresis band current control, such as maximum current control, etc. Therefore, the optimal output parameters of the design tool according to Figure 5a are configured accordingly.