Development of a power hardware in the loop set-up for testing of electrical machines

This thesis focuses on the design and construction of a mechanical interface for mechanical hardware in the loop testing of electrical machines. In particular, Hardware In the Loop, Power Hardware In the Loop and Mechanical Hardware In the Loop real time simulation techniques are introduced and their general applications and advantages considered. The choice of the electrical machine, a Permanent Magnet Synchronous Machine, is the starting point for the design process which consists in the realization, implementation and control of a back-to-back converter composed of forced commutating rectifier (active front end) and inverter working with pulse width modulation. The AFE is interfaced to the grid achieving a unitary power factor, while a Field Oriented Control is implemented to drive the motor as desired by the user. The study, analysis and simulation of the two controls is carried out in MATLAB-Simulink environment. Simulations supported by a strong theoretical approach allow the design of active and passive components needed for the realization of the interface. The study, tuning and digitalization of current, voltage and speed controllers, as (deadbeat) and (PI), required for the desired behavior of the system assumed an important role in this work. A signal analysis, necessary for the proper operation of the interface, is performed and sensors are chosen. An adaptive Printed Circuit Board is designed to process input and output signals and connect the system to the main board available on which is installed the embedded processor. The description of the hardware construction of the interface occupies the first part of the thesis. A description of the process of control digitalization of the control and the setting of the Digital Signal Processor configuration lead to the testing phase of the system. Test results are shown and analyzed.

La tesi si focalizza sulla progettazione e costruzione di un’interfaccia meccanica per test di macchine elettriche per simulazioni di tipo Mechanical Hardware In the Loop. In particolare le tecniche di simulazione in tempo reale Hardware In the Loop, Power Hardware In the Loop and Mechanical Hardware In the Loop sono introdotte e i loro vantaggi ed applicazioni generali descritti. La scelta della macchina elettrica, un motore sincrono a magneti permanenti, è il punto di partenza dell’intero progetto che consiste nella realizzazione, controllo e implementazione dello stesso, per un convertitore di tipo back-to-back, composto da un raddrizzatore (Active Front End, AFE) e da un inverter formato da componenti a commutazione forzata che lavorano con modulazione a larghezza d’impulso. L`AFE si interfaccia alla rete imponendo un fattore di potenza unitario mentre un controllo ad orientamento di campo è implementato per consentire all’utilizzatore pieno controllo della macchina. Lo studio, l`analisi e la simulazione dei controlli è stata effettuata in ambiente Simulink-MATLAB. Le simulazioni effettuate, supportate da un approccio teorico, consentono il dimensionamento dei componenti attivi e passivi necessari alla realizzazione dell’intera interfaccia. Ruolo fondamentale all’interno di questo lavoro per consentire un corretto funzionamento dell’interfaccia è costituito dallo studio e la messa a punto dei controllori di corrente, tensione e velocità, quali deadbeat e PI. Successivamente, un’analisi dei segnali necessari per un corretto funzionamento del sistema di controllo porta alla scelta della sensoristica impiegata. Una PCB di connessione, di cui la realizzazione è mostrata passo per passo, è progettata per elaborare i segnali in ingresso ed uscita ed interfacciare in maniera adeguata il sistema alla scheda di controllo principale. La descrizione dell’hardware costruito occupa la prima parte della tesi, mentre la descrizione della digitalizzazione del controllo e dell’implementazione all’interno del processore portano alla fase finale di validazione del sistema e analisi dei risultati.