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Short Primary Linear Drive Designed for Synchronous and Induction Operation Mode with On-Board Energy Storage

Fernandes Neto, Tobias Rafael :
Short Primary Linear Drive Designed for Synchronous and Induction Operation Mode with On-Board Energy Storage.
Institut für Stromrichtertechnik und Antriebsregelung / FB 18, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Short Primary Linear Drive Designed for Synchronous and Induction Operation Mode with On-Board Energy Storage
Language: English
Abstract:

The idea of a flexible industrial manufacturing system for the transfer of material, tooling, processing/filling, etc., in which several vehicles can travel with high speed, high degree of independency and high precision is proposed in this thesis. Such flexible systems show a meaningful economic potential for modern manufacturing systems. The basic concept is that a linear motor has the secondary part fixed to the track while the primary (moving winding) travels along the track (short primary topology). The same principle can work in the other way around, arranging the primary in segments and letting the secondary (carrier) to move from segment to segment (long primary topology). The concept's implementation involves technical issues, such as: the position measurement, the energy and information transfer, the individual position and speed control of the vehicle in which varying speeds increase the possibility of collision, and the smooth transition between segments or different types of the secondary. Finally, multiple vehicles traveling at high speed, high positioning repeatability and rapid acceleration rates increase the production throughout and the reliability compared to conventional manufacturing conveyor systems. As an example, a transporting and processing system based on linear drives is a continuous and closed structure with multiple loops, which permits the safe transport of fragile loads. Although such solutions often need higher investment costs, the lack of mechanical coupling parts and wearing elements in these motors greatly increases their reliability. The long primary topology allows a passive and lightweight vehicle (secondary), avoiding brushes and cables to transfer energy and information. For long distances, the primary is arranged in several electrical independent segments. On the other hand, the short primary configuration uses the winding mounted on the moving part (active vehicle) to produce the traveling wave, the secondary as guide way (induction rail or stationary magnets), and the energy and information should be transmitted contactless to the active vehicle. Regarding the features of the material handling application, the short or long primary topology can be used. Short primary linear drives on passive track are advantageous in material handling applications, where high precision, moderate dynamic, very long track and closed paths are required. Nevertheless, depending on the requirements of the section, the costs can be reduced considerably by using a simple induction rail at the long transporting sections, instead of permanent magnets on the track. Therefore, in this thesis a combined operation of permanent magnet linear synchronous motor (PMLSM) and linear induction motor (LIM) is applied to operate the short primary as vehicle, avoiding adjustment or releasing of the material during the drive cycle. In summary, the passive track will consist of two section types: a high thrust force section (processing station) with PMLSM and a low thrust force section with LIM (transporting section). To the author's knowledge, using two operation modes (PMLSM / LIM) in the same drive is a new approach. A theoretical and experimental study was conducted to assess the feasibility of employing the short primary linear motor for a flexible manufacturing system, in which a contactless energy transmission provides the basic power and an ultracapacitor (UC) storage system provides the peak power. The system uses a bidirectional DC-DC converter between the ultracapacitor bank and the DC-link, to make sure that the ultracapacitor can store the braking energy and supply the peak power demanded by the active vehicle. A control strategy has been developed for controlling the ultracapacitor to deliver the peak of power, to charge, to protect against overvoltage and to recover the energy generated when the vehicle is braking. A control strategy for the transition between the two operation modes (PMLSM / LIM) has been developed to provide a low speed drop, a sufficient thrust force, an optimal dynamic performance and a low power consumption, when it moves between the permanent magnets and the induction rail sections and considering that the linear scale is installed along the whole track. Moreover, a sensorless transition control strategy was implemented in sections where no fast speed changes are necessary (transporting section). Then, a suitable motion strategy is necessary, especially during the transition between synchronous to induction motor operation (or vice versa) and between sensor based and sensorless sections of the track. The classic MRAS (Model Reference Adaptive System) speed and flux estimators are only activated in the sensorless induction motor operation mode. Surely, the costs can be reduced installing the position sensing system only within the processing station and its surrounding. An experimental setup composed by software and hardware, was developed and implemented for the proposed system to perform a smooth transition between the different secondaries, and between sensor based and sensorless sections of the track. Finally, the obtained experimental data confirm the feasibility of the presented approach.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertation präsentiert den Gedanken einer flexiblen industriellen Fertigungsanlage für den Materialtransport, die Bereitstellung von Werkzeugen sowie die Verarbeitung/Abfüllung etc., in der sich mehrere Fahrzeuge mit hoher Geschwindigkeit, einem hohen Grad der Unabhängigkeit und großer Präzision bewegen können. Derartige flexible Anlagen weisen ein bedeutendes wirtschaftliches Potential für moderne Produktionsstätten auf. Das grundlegende Konzept besteht darin, dass der Sekundärteil eines Linearmotors an dem Fahrweg befestigt ist, während der Primärteil (bewegte Wicklung) sich entlang dem Fahrweg bewegt (Kurz-Primärteil Topologie). Dasselbe Prinzip kann auf umgekehrte Weise funktionieren, wobei der Primärteil (Fahrzeug) in Segmenten angeordnet wird und es dem Sekundärteil gestattet, sich von Segment zu Segment zu bewegen (Langstator Topologie). Die Implementierung des Konzepts involviert technische Fragen, wie etwa: Lagemessungen, die Energie- und Signalübertragung ebenso wie die individuelle Position und Geschwindigkeitsregelung des Fahrzeugs, wobei variable Geschwindigkeiten die Möglichkeit von Zusammenstößen erhöhen, sowie die glatte Bewegung zwischen Segmenten oder verschiedene Typen von Sekundärteilen. Zu guter Letzt steigern multiple Fahrzeuge, die sich mit hoher Geschwindigkeit, einem hohen Grad der Wiederholgenauigkeit bei der Positionierung und hohen Beschleunigungswerten bewegen, im Vergleich zum herkömmlichen Transportband die Produktivität ebenso wie die Zuverlässigkeit. So stellt zum Beispiel ein Transport- und Verarbeitungssystem, das auf linearen Antrieben beruht, eine kontinuierliche und in sich geschlossene Struktur mit zahlreichen Regelkreisen dar, was den sicheren Transport von zerbrechlichem Ladegut gestattet. Auch wenn derartige Lösungen oft höhere Investitionskosten erforderlich machen, steigert der Verzicht auf mechanische Kupplungs- und Verschleißteile in diesen Motoren ihre Zuverlässigkeit. Die Langstator-Topologie lässt ein passives Fahrzeug (Sekundärteil) mit geringem Gewicht zu, wodurch sich Bürsten und Kabel für die Übertragung von Energie und Information erübrigen. Für große Entfernungen wird der Primärteil in mehreren, elektrisch unabhängigen Segmenten realisiert. Auf der anderen Seite setzt die Kurzstator-Topologie die auf dem beweglichen Teil (aktives Fahrzeug) montierte Wicklung zur Erzeugung der Wanderwelle ein. Beim Sekundärteil als Führungsbahn (Induktionsschiene oder stationäre Magneten) sollen Energie und Information berührungslos an das aktive Fahrzeug übertragen werden. Im Hinblick auf die Eigenschaften der Anwendung für den Materialtransport können die Kurz- oder die Langstator - Topologie genutzt werden. Der Kurzstator auf einem passiven Fahrweg ist für Anwendungen beim Materialtransport von Vorteil, wenn hohe Präzision, geringe Dynamik, ein sehr langer Fahrweg und geschlossene Bahnen gefordert sind. Dennoch können die Kosten je nach den Anforderungen des Abschnitts durch den Einsatz einer einfachen Induktionsschiene an den langen Transportabschnitten anstelle von Permanentmagneten entlang des Fahrweges beträchtlich gesenkt werden. Daher wird der kombinierte Einsatz eines Permanentmagnet-Linear-Synchronmotors (PMLSM) und eines Induktion-Linearmotors (LIM) für den Betrieb des Kurzstator-Fahrzeuges genutzt, wobei die Justierung oder die Freigabe des Materials im Verlauf des Fahrzyklus vermieden wird. Der passive Fahrweg besteht also aus zwei Abschnitten: einem hohen Schubkraft-Abschnitt mit PMLSM (Verarbeitungsstation) und einem niedrigen Schubkraft-Abschnitt (Transportabschnitt). Zur Einschätzung der Machbarkeit dieses Konzepts für ein flexibles Produktionssystem wurde eine theoretische und experimentelle Studie durchgeführt, bei der eine berührungslose Energieübertragung den Mittelwert der Antriebsenergie liefert und ein Speichersystem mit Ultrakondensatoren die Spitzenleistung abdeckt. Die Anlage setzt einen Zweiquadrantensteller zwischen der Ultrakondensatorbank und dem Zwischenkreis ein, um sicherzustellen, dass der Ultrakondensator die Bremsenergie speichern und die Spitzenleistung bringen kann, die von dem aktiven Fahrzeug gefordert wird. Zur Steuerung des Ultrakondensators wurde eine Kontrollstrategie für die Abgabe der Spitzenleistung, zum Aufladen, zum Schutz vor Überspannung und für die Wiedergewinnung der beim Bremsen des Fahrzeugs erzeugten Energie entwickelt. Zur Steuerung des aktiven Fahrzeugs wurde eine Übergangssteuerung-Strategie für einen geringeren Geschwindigkeitsabfall, eine ausreichende Schubkraft, eine optimale dynamische Leistung und geringeren Stromverbrauch entwickelt, wenn es sich zwischen den Permanentmagneten und den Abschnitten mit Induktionsschienen bewegt, wobei angenommen wird, dass der Linearmaßstab entlang des gesamten Fahrweges installiert ist. Darüber hinaus wurde eine sensorlose Übergangssteuerung in Abschnitten implementiert, in denen keine schnellen Geschwindigkeitsveränderungen erforderlich sind (Transportabschnitt). Deshalb wird eine Bewegungsstrategie notwendig, dies vor allem während des Übergangs vom Betrieb mit Synchronmotor zum Betrieb mit Induktionsmotor (oder umgekehrt), sowie zwischen den mit Sensoren versehenen und den sensorlosen Abschnitten des Fahrweges. Die Geschwindigkeits- und Flussschätzung werden nur beim sensorlosen Induktionsmotor-Betrieb aktiviert. Mit Sicherheit lassen sich die Kosten reduzieren, wenn der Positionssensor nur innerhalb der relativ kurzen Verarbeitungsstationen und ihrer Umgebung installiert wird. Für die vorgeschlagene Anlage wurde ein Versuchsaufbau mit Software und Hardware entwickelt und implementiert, um eine glatte Bewegung zwischen den verschiedenen Sekundärteilen sowie zwischen den mit Sensoren versehenen und sensorlosen Abschnitten des Fahrweges zu vollziehen. Letztendlich bestätigen die resultierenden Daten die Durchführbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Linear motoren, Feld Orientierte Regelung elektrischer Antrieben, DC-DC Wandler.
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Linear motor, Field Oriented Control of Electrical Drives, DC-DC convertersEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Leistungselektronik und Antriebsregelung
Date Deposited: 06 Jul 2012 08:59
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30266
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Mutschler, Prof. Dr. Peter and Orlik, Prof. Dr. Bernd
Refereed: 28 June 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3026
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