Optimal Control of a High-Power Permanent Magnet Synchronous Motor fed by Compact Bidirectional Converter (Compact_PMSM)

Elektrifisering er i vinden som aldri før og teknologiutvikling gjør dette gjennomførbart for mange forskjellige bruksområder, men teknologien må videreutvikles for å komme videre. Tradisjonelt har vinsjer på skip i hovedsak vært basert på hydraulisk drift, men elektriske vinsjer har de siste årene tatt over mye av markedet. I tillegg til selve vinsjen, består et vinsjsystem av gir, elektromotorer, frekvensomformere og styreskap som tar betydelig plass og er arbeidskrevende å installere. Flekkefjord Elektro utvikler nå en ultrakompakt elektrisk vinsj der hele vinsjsystemet er integrert i selve vinsjtrommelen. En slik vinsj er enkel å montere på et skip fordi installasjonen kun består av montering av en komponent, som er selve vinsjen, og tilkobling av kabler til skipets strømforsyning. For å kunne få en vinsj så kompakt, må gir, elektromotor, frekvensomformer og styringselektronikk være optimalisert med tanke på høy virkningsgrad og kompakthet. Høy virkningsgrad og kompakthet henger sammen fordi høy virkningsgrad betyr redusert varmetap og redusert varmetap betyr at komponentenes fysiske størrelse kan reduseres i flere ledd. Redusering av komponentstørrelser gir igjen bedre virkningsgrad. Denne gode spiralen kan optimaliseres, men i hvor stor grad er blant annet begrenset av elektromotorens elektromagnetiske egenskaper og egenskapene til halvledermaterialet i transistorene i frekvensomformeren som styrer motoren og hvordan motor og frekvensomformer spiller sammen. Transistorer basert på Silisiumkarbid (SiC) som halvledermateriale er ganske nye på markedet og har egenskaper som gjør det mulig å oppnå langt bedre virkningsgrad enn de tradisjonelle silisiumtransistorene. Utfordringen er at det er svært krevende å styre SiC-transistorer for å kunne utnytte deres potensiale optimalt. I dette doktorgradsprosjektet studeres forskjellige aspekter av PMSM som designprosedyre, demagnetiseringsfenomener, effekttap. I tillegg er den numeriske FEM (finite element metoden) og analytiske modeller for maskinen og dens kontroll opprettet i MATLAB og COMSOL. Målet er å forbedre og optimalisere kontrollsystemet og SiC-transistormodulasjonen for å få en mer effektiv og pålitelig motordriver. I starten av prosjektet har det vært fokus på å lage egnede testoppsett for å kunne gjøre eksperimenter for å forske på hvordan vi kan optimalisere styringen av kompakte permanentmagnet elektromotorer. Prosjektet har nå bygd ett lite testoppsett med spenning 50V og ett større testoppsett med spenning 400V. I tidlig fase har de fleste eksperimentene blitt utført på det lille testoppsettet, men i senere tid har det større testoppsettet fått mer fokus. Simuleringsmodeller er laget og simuleringer er kjørt basert på eksperimentene. De største problemene så langt har vært knyttet til sanntidsstyring i det større testoppsettet og modifikasjoner har vært nødvendige for å få testoppsettet egnet for eksperimentene. Flekkefjord Elektro sitt FoU-miljø, FE create, har i et annet parallelt prosjekt laget et stort testoppsett med spenning opp til 1000VDC på Mechatronics Innovation Lab i Grimstad. I dette testoppsettet blir FE create sin prototype egenutviklede kompakte elektromotor med integrert frekvensomformer benyttet og dette testoppsettet benyttes også av dette Nærings-Phd prosjektet. Nærings-Phd prosjektet har i den forbindelse laget en simuleringsmodell av FE create sin prototype elektromotor og jobbet med den i forkant og parallelt. Nærings-Phd prosjektet avsluttes 31.12.2020 og arbeidet og resultatet så langt videreføres i nytt prosjekt hos Flekkefjord Elektro.

In an increasingly tougher competition, the Norwegian shipbuilding industry has to find new and effective technologies for ship equipment via research and development (R&D) activities. Development of high-tech components with convenient installation and easy commissioning on board is very crucial not only for the future of SIMEK AS but also for other Norwegian shipyards. By converting the production from time-consuming to high-tech, Norway and other high-cost countries will have a big advantage. To achieve this, in collaboration with Semcon Devotek AS and University of Agder (UiA), we aim to develop an ultra-compact electric winch in the ongoing R&D Project entitled "Electric Winch with Ultra Compact Drive for Demanding Dynamics" (RFFA Project 256846). The developed winch will be a high-power density and extremely integrated system which allows reducing significantly the winch size while enhancing dynamics, maintenance and installation convenience. Such a winch will be revolutionary and provide significantly space-saving because the entire winch system is integrated into the winch drum. The High-Power Permanent Magnet Synchronous Motor fed by a Compact Bidirectional Converter based on Silicon Carbide (SiC) semiconductors is a key component in this winch. For us, a success of the ultra-compact SiC converter is a key step to for our long-term product development. Based on our current knowledge, the SiC based converters are very promising for new applications. Given the potential of electric winches and SiC based converters to shipbuilding industry, they can produce great value for our business. The PhD project proposes new converter designs and control algorithms, and then brings together the state-of-the-art methods with the objective of improving the efficiency, dynamics, and reliability of integrated electric winches. The acquired knowledge from the project can be used and further extended for other high-power machineries in maritime and offshore industry.