Optimal controller design for the active magnetic bearings of a flywheel energy storage system

การออกแบบตัวควบคุมเหมาะที่สุดสําหรับแบริ่งแม่เหล็กแบบแอคทีฟในระบบกักเก็บพลังงานแบบล้อช่วยแรง

Name: Tinnawat Hongphan

ThaSH: Mechanical engineering

ThaSH: Bearings (Machinery)

Abstract: Flywheel energy storage systems (FESS) can offer improvements in power density, cost per kW of power, maintenance needs, operating life, and use of hazardous materials, compared with alternative energy storage technologies. In high-speed flywheels, magnetic bearings are used to suspend the flywheel rotor in vacuum conditions, thereby reducing energy losses from friction. This thesis considers the problem of feedback controller design for the active magnetic bearings (AMBs) in a small-scale FESS by using optimal control approach. The study is based on a prototype flywheel system incorporating a 6 kg steel rotor with potential storage capacity up to 70 Wh. H-infinity optimal controllers are designed that incorporate frequency domain specifications for stability and energy consumption. The controller design weighting functions are chosen to produce notch-filter characteristics in the feedback controller that minimize the RMS current within the AMBs coils. In this way, stand-by energy consumption of the system can be reduced, and overall efficiency improved. The controller design is divided into four major controllers, based on practical design requirements and experimentation. The first controller is a basic H-infinity that can effectively control the rotor levitation at zero speed. Secondly, a notch filter characteristic was added to this controller to reduce AMB current components caused by rotor vibration excitation from the motor poles. In the experiment, this case has a stability problem that causes it to become unstable at low speeds. To improve stability at low speeds the design concept that includes a PD controller in the system's plant is considered to assist in maintaining precession mode stability at low speeds. According to test findings, the system can operate with stable rotor and also reduce AMB power usage by 10 % (from 2.40 Watts to 2.16 Watts). The fourth controller design included an additional notch filter to reduce the effect of rotor unbalance excitation on the AMB coil currents. Experimental tests confirmed that the H-infinity controller provides stable suspension and can reduce power consumption of the AMBs by 40 % (from 2.40 Watts to 1.44 Watts) in comparison with a conventional PD feedback control method. Moreover, the H-infinity controller can prevent vibrational instability of the rotor nutation mode, which is prone to occur when operating with rotational frequency above 30 Hz.

Abstract: ระบบกักเก็บพลังงานแบบล้อช่วยแรงของแบริ่งแม่เหล็กแบบแอคที่ฟ (Flywheel energy storage: FESS) มีข้อได้เปรียบทางเรื่องของความหนาแน่นของกำลังงาน (Power density) ราคาต่อหน่วยกำลัง งาน (Cost/kW) ความจำเป็นในการบำรุงรักษา (Maintenance needed) อายุการใช้งาน (Operating life) และมลภาวะจากวัสดุ (Hazardous materials) โดยเทียบกับเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานทางเลือกอื่น ที่ความเร็วรอบสูงของระบบแบบล้อช่วยแรง แบริ่งแม่เหล็กถูกใช้ควบคุมการลอยตัวของตัวหมุน (Rotor) ภายใต้สภาวะความดันสูญญากาศ ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียพลังงาน จากแรงเสียดทาน วิทยานิพนธ์นี้จึงพิจารณาถึงปัญหาของการออกแบบตัวควบคุมป้อนกลับ (Feedback controller) สำหรับแบริ่งแม่เหล็กแบบแอกที่ฟ (AMB) ในระบบกักก็บพลังงานแบบล้อช่วยแรงขนาดเล็กโดยใช้ ระบบควบคุมที่เหมาะสมที่สุด ในกรณีศึกษานี้ใช้ต้นแบบระบบล้อช่วยแรงใช้ตัวหมุนเหล็กกล้า (Stainless steel) ที่มีมวลขนาด 6 กก,. และมีความจุพลังงานสูงถึง 70 วัตต์ชั่วโมง ตัวควบคุมคงทนที่ เหมาะสมที่สุด (H-infinity optimal controllers) ถูกออกแบบในขอบเขตของความถี่เฉพาะเพื่อรักษา ความเสถียรและการใช้บริ โภคพลังงาน การออกแบบการทำงานของการถ่างน้ำหนักในตัวควบคุมถูก เลือกใช้เพื่อลดการใช้กระแสในขดลวดของแบริ่งแม่เหล็กแบบแอกทีฟจากคุณลักษณะของตัวกรอง นอท์ช (Notch-filter) ด้วยวิธีนี้จะทำให้การสำร้องการบริโภคพลังงานสามารถลดลงและทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบเพิ่มสูงขึ้นด้วย การออกแบบตัวควบคุมแบ่งออกเป็นสี่ตัวควบคุมหลัก ตามการออกแบบและการทดลอง คอนโทรลเลอร์ตัวแรกคือตัวควบคุมคงทนพื้นฐานที่สามารถ ควบคุมการลอยตัวของตัวหมุนได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความเร็วรอบศูนย์ ประการที่สองมีการเพิ่มตัว กรองนอท์ชในตัวควบคุมนี้เพื่อป้องกันการกระตุ้นของขั้วมอเตอร์ (Pole motor) กรณีนี้มีปัญหาเรื่อง ความไม่เสถียรที่ความเร็วต่ำจากการทดลอง เพื่อที่จะเพิ่มความเสถียร ที่ความเร็วต่ำ แนวคิดการ ออกแบบประกอบด้วยตัวควบคุมพีดีในแบบจำลองของระบบถูกพิจารณา เพื่อช่วยในการรักษาเสถียรภาพที่ความร็วต่ำ จากผลการทดสอบ ระบบสามารถทำงาน โดยตัวหมุนเสถียร และลดการใช้ กำลังไฟฟ้าของแบริ่งแม่เหล็กแบบแอกทีฟถึงร้อยละ 10 (จาก 2.40 วัตต์เป็น 2.16 วัตต์) ประการที่สี่ตัว ควบคุมได้เพิ่มตัวกรองนอท์ชเพื่อขจัดการกระตุ้นตัวหมุนที่ไม่สมดุล (Rotor unbalanced) ที่กระแส ขดลวดของแบริ่งแม่เหล็กแบบแอกที่ฟ จากผลการ ทดสอบสามารถยืนยันได้ว่าตัวควบคุมคงทน สามารถรักษาเสถียรภาพของลอยตัวได้และยังสามารถลดการใช้กำลังไฟฟ้าของแบริ่งแบบแอคทีฟถึง ร้อยละ 40 (จาก 2.40 วัดด์ เป็น 1.44 วัตต์) ซึ่งข้อสรุปนี้เทียบผลการทดลองของตัวควบคุมแบบคงทน กับตัวควบคุมแบบป้อนกลับพีดีแบบเดิม (PD feedback controller) นอกจากนี้ตัวควบคุมแบบคงทนนี้ ยังสามารถป้องกันความไม่เสถียรของตัวหมุนจากการสั่นสะเทือนในรูปแบบนูเตชั้น (Nutation mode) ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นขณะที่กำลังทำงานด้วยความถี่รอบในการหมุนสูงกว่า 30 เฮิรตช์

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Matthew O.T. Cole

Role: Advisor

Created: 2021

Modified: 2023-09-07

Issued: 2023-09-07

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Master of Engineering

Level: Master's Degree

Descipline: Mechanical Engineering

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	620631094.pdf	3.02 MB	1	2024-05-13 19:49:15

ใช้เวลา

0.020422 วินาที