چكيده 1- مقدمه شبيهسازي ميپردازد. ميشود 8].[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,

Transcript

1 سال سوم/ شماره سوم/ پاي يز 188 بهبود پاسخ گشتاور و كاهش خطاي سرعت در كنترل مستقيم گشتاور موتور القايي با استفاده از منطق فازي 1 حميدرضا فخاريزاده بافقي محمدباقر منهاج عليرضا صديقي 1- مربي دانشگاه آزاد اسلامي واحد بافق hfakhaizade@yahoo.com - استاد دانشكده برق دانشگاه صنعتي اميركبير tmenhaj@ieee.og - استاديار دانشكده برق دانشگاه يزد sedighi@yazduni.ac.i چكيده در اين مقاله سرعت يك موتور القايي با استفاده از روش كنترل مستقيم گشتاور( (DTC 1 كنترل شده است كه در آن به منظور بهبود پاسخ گشتاور و كاهش خطاي سرعت از منطق فازي براي طراحي كنترلر سرعت استفاده گرديده است. روش كنترل مستقيم گشتاور داراي پاسخ گشتاور بسيار سريع ميباشد و با توجه به اينكه اين روش در مقابل تغييرات بار ناگهاني مقاوم عمل ميكند از آن استفاده شده است.همچنين با توجه به توانايي منطق فازي در حل مساي ل پيچيده و غيردقيق و بهمنظور بهبود عملكرد كنترل سرعت موتور القايي از منطق فازي نيز براي طراحي كنترلر سرعت بهره گرفته شده است. نتايج بهبود قابلملاحظهاي را در پاسخ گشتاور و كاهش خطاي سرعت نشان ميدهند. واژههاي كليدي شبيهسازي موتور القايي كنترل مستقيم گشتاور منطق فازي 1- مقدمه موتور القايي بهدليل ساختار ساده و هزينه تعميرات و نگهداري بسيار كم يكي از پركاربردترين محركههاي الكتريكي در صنعت ميباشد.كنترل سرعت و گشتاور جزء مباحث لاينفك موتورهاي القايي محسوب ميشود. يكي از روشهاي كنترل سرعت كنترل مستقيم گشتاور بوده كه داراي پاسخ گشتاور بسيار سريعي ميباشد و همچنين در برابر تغييرات بار ناگهاني نيز مقاوم است. در كنترل مستقيم گشتاور عموما از يك كنترلر PI براي كنترل سرعت استفاده ميشود 8].[1,,, 4, 5, 6, 7, در كنترلر PI افزايش و كاهش سرعت فرمان بايد بهصورت شيب به سيستم اعمال شود. در اين مقاله از يك كنترلر فازي براي بهبود كنترل سرعت استفاده شده است. كنترلر فازي خطاي سرعت را در تغييرات ناگهاني سرعت مرجع بهبود بخشيده است. همچنين پاسخ گشتاور نيز سريعتر شده است. خطاي سرعت و پاسخ گشتاور در سرعتها و بارهاي مختلف براي مقايسه دو كنترلر آورده شدهاند. در بخش بعد كنترل مستقيم گشتاور توضيح داده شده است. در بخش سوم منطق فازي بيان گرديده است. بخش چهارم به اراي ه نتايج شبيهسازي ميپردازد. - كنترل مستقيم گشتاور دركنترل مستقيم گشتاور شار و گشتاور محاسبه و ميزان خطاي آنها از مقدار مرجع به يك مقايسهكننده اعمال ميگردد. خروجي مقايسهكنندهها براي كليدزني اينورتر مورد نياز استفاده ميشود. در ادامه به شرح بيشتر ميپردازيم. 67

2 سال سوم/ شماره سوم/ پاي يز تخمين شار و گشتاور بهمنظور تخمين شار و گشتاور ابتدا از ولتاژ و جريان سهفاز استاتور نمونهبرداري شده و به قاب مرجع سپس شار استاتور از روابط زير تخمين زده ميشود []. ) (αβ تبديل ميگردد. ϕ + s = ( vs Rsis ) dt ϕ s0 φs = ϕ sα + ϕ sβ () كه در آن ϕ s0 شار استاتور ϕ s مقدار اوليه شار R s مقاومت استاتور و φ s دامنه شار است و v s = vsα + jvsβ و i s = isα + jisβ ميباشد. پس از محاسبه φ s با شار مرجع ) s φ )كه مقدار آن نزديك به شار نامي موتور است مقايسه ميشود و ميزان خطا به مقايسهكننده هيسترزيس دو سطحي اعمال ميگردد. Δφ = φ e φ e () گشتاور الكترومغناطيسي ) e T) نيزاز رابطه 4 محاسبه مي شود. P Te =. ( ϕ sα isβ ϕ sβ isα ) (4) گشتاور هم با گشتاور مرجع( T) e مقايسه و خطا به مقايسه كننده هيسترزيس سه سطحي اعمال مي شود. ΔT = T e T e (1) (5) - -كنترل سرعت سرعت چرخش موتور از رابطه 6 بدست مي آيد. ω m = ω s ω (6) ω s كه سرعت چرخش شار ميدان استاتور و چرخش شار رتور را مطابق روابط زير بيان مي دارند. ω سرعت ω s = d θ dt T e ω =.. R φ (7) (8) θ كه در آن موقعيت شار رتور φ دامنه شار رتور و R s (9) مقاومت رتور ميباشد. شار رتور( ϕ) و دامنه آن با روابط (9) و (10) نشان داده مي شود. Lm Ls L = is Lm ϕ + φ = ϕα + ϕ β L Lm ϕ (10) كه در آن L s L m و L بهترتيب اندوكتانس مغناطيسي اندوكتانس استاتور و اندوكتانس رتور ميباشند. وقتي سرعت موتور تخمين زده شد با سرعت مرجع مقايسه و ميزان خطاي آن به يك كنترلر PI اعمال ميشود سپس خروجي با عبور از يك محدودكننده بهعنوان گشتاور مرجع مورد استفاده قرار ميگيرد. اعمال ميشود. ميكند. در اين مقاله ميزان خطاي سرعت به يك كنترلر فازي خروجي اين كنترلر گشتاور مرجع را مشخص -- مقايسهكننده هيسترزيس در كنترل مستقيم گشتاور از دو مقايسهكننده هيسترزيس يكي براي كنترل شار و ديگري براي كنترل گشتاور استفاده ميشود. ورودي اين دو مقايسهكننده ميزان خطاي شار و گشتاور ميباشد. همچنان كه از شكل (1) مشخص است مقايسهكننده هيسترزيس مربوط به شار داراي دو سطح 1 و 0 بوده كه بهترتيب بيانگر افزايش و كاهش شار ميباشند. شكل 1- مقايسهكننده هيسترزيس مربوط به شار شكل - مقايسهكننده هيسترزيس مربوط به گشتاور با توجه به شكل () ملاحظه ميشود كه مقايسهكننده مربوط به گشتاور داراي سه سطح 0-1 و 1 بيانگرتغييرات مثبت صفر و منفي است. مقدار باندهاي هيسترزيس از فاكتورهاي مهم ميباشد كه بهترتيب DTC در ميباشد. كوچك بودن اين باندها شكل موج جريان را به يك موج سينوسي نزديكتر ميكند و باعث افزايش فركانس كليدزني اينورتر ميگردد. نتيجه اين امر تلفات كليدزني را بيشتر ميكند. 4- -اصول كليد زني اينورتر تغذيه موتور القايي از طريق يك اينورتر صورت ميپذيرد كه با انتخاب ولتاژ مناسب ميتوان شار وگشتاور را كنترل نمود.اگر a 68

3 ه ب فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي برق مجلسي سال سوم/ شماره سوم/ پاي يز 188 b و c مقادير لحظهاي ولتاژهاي فاز در خروجي اينورتر باشند فازور ولتاژ s در خروجي سهفاز بهصورت زير است. π 4 j j π ( s = a + be + ce ) (11) اين ولتاژها داراي دو حالت 0 و 1 است كه حالت 0 بهمعناي قطع كليد و حالت 1 بهمعناي وصل بودن كليد است. پس با استفاده از اينورتر و با توجه به رابطه (11) به شش بردار ولتاژ غير صفر و دو بردار ولتاژ صفر دست مييابيم كه در شكل () نشان داده شدهاند. در هر ناحيه جهت كنترل شار بايد از دو برداري كه سريعتر كليدزني را ممكن ميسازد استفاده كنيم كه يكي باعث افزايش شار و ديگري باعث كاهش شار ميشود. همچنين با توجه به رابطه (14) در مييابيم كه گشتاور متناسب با شار رتور شار استاتور و زاويه بين آنها δ است. T = K ϕ. ϕ.sin( δ ) e s (14) بنابراين با تغيير دامنه شار استاتور و زاويه δ ميتوان گشتاور را كنترل كرد. با توجه به خروجيهاي مقايسهكنندهها و همچنين ناحيهاي كه شار استاتور در آن قرار دارد از جدول (1) براي كليدزني اينورتر استفاده شده است. جدول 1 - جدول كليدزني اينورتر شكل - بردارهاي ولتاژ در قاب مرجع αβ اين بردارها را مي توان با استفاده از كليدهاي بهصورت زير نشان داد. S b S a و S c π 4 j j π ( s = dc Sa + Sbe + Sce ) (1) كه در آن dc ولتاژ تغذيه اينورتر ميباشد. با قرار دادن 0 و 1 جاي كليدها به بردارهاي زير ميرسيم. داريم. 0 4 (000) (011) (100) 1 5 (001) 6 (110) (101) 7 (010) (111) حال با توجه به معادله (1) و صرفنظر كردن از مقاومت استاتور ϕ s = s (1) كه اين عبارت بيانگر اين است كه ولتاژ تغذيه استاتور تعيينكننده جهت بردار شار استاتور است.حال براي كنترل دامنه شار و نگه داشتن آن در يك باند هيسترزيس معين بايد بردار ولتاژ مناسبي را انتخاب كنيم. براي اين منظور صفحه αβ را به شش ناحيه مساوي 60 درجه اي تقسيم ميكنيم كه از 0- درجه شروع ميشود و هر بردار ولتاژ نيمساز اين نواحي ميباشد. شايان ذكر است براي بدست آوردن ناحيههاي كه شار در آن واقع شده از فرمول زير استفاده ميگردد. 1 ϕ sβ θ = tan ϕ sα (15) - منطق فازي منطق فازي سالهاست كه بهعنوان روشي مناسب در حل مساي ل پيچيده مورد استفاده است. جهت طراحي كنترلر سرعت استفاده شده است. در اين مقاله از منطق فازي 1-- مجموعههاي فازي خطاي سرعت (ميزان خطاي سرعت موتور از سرعت مرجع) و گشتاور بار بهعنوان ورودي هاي كنترلر فازي درنظر گرفته شدهاند. خروجي اين كنترلكننده گشتاور مرجع است. خطاي سرعت شامل 5 تابع عضويت مثلثي شكل ميباشد. شكل (4) اين توابع عضويت را نشان ميدهد. گشتاور بار نيز شامل يك تابع عضويت ذوذنقهاي ميباشد. 69

4 ب( ب( فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي برق مجلسي سال سوم/ شماره سوم/ پاي يز پايگاه قوانين در پايگاه قوانين از 5 شكل 4 - توابع عضويت خطاي سرعت قانون اگر و آنگاه براي فرمولبندي روابط استفاده شده است. اين قوانين بهصورت زير بيان ميگردد. 1) اگر خطاي سرعت P آنگاه گشتاور مرجع TMP است. ) اگر خطاي سرعتZP آنگاه گشتاور مرجع TLM است. ) اگر خطاي سرعت Z آنگاه گشتاور مرجع TLM است. 4) اگر خطاي سرعت ZN آنگاه گشتاور مرجع TLL است. 5) اگر خطاي سرعت N آنگاه گشتاور مرجع TMN است. بايد توجه داشت متغير گشتاور بار بهمنظور تعيين خروجي مورد استفاده قرار گرفته است. براي استنتاج و غيرفازيكردن مقادير خروجي از مدل سوگنو استفاده شده است. در مدل سوگنو خروجي كنترلكننده بهصورت تابعي از وروديها ميباشد. TMP و TMN بهترتيب گشتاور ماكزيمم مثبت و منفي ميباشند. TLM و TLL نيز بهترتيب مفهوم بيشتر و كمتر از گشتاور بار را بيان ميدارند. 4- شبيهسازي شبيهسازي توسط نرمافزار MATLAB انجام شده است. براي اين منظور از يك موتور القايي با مشخصات (جدول ()) استفاده كردهايم. شكل (5) شماتيك بلوك دياگرام DTC موتور القايي كه در آن از كنترلر فازي استفاده شده را نشان ميدهد. (7) و (6) شكلهاي تغييرات سرعت را در بار ثابت نشان ميدهد. شكل (6) نتايج شبيهسازي مربوط به كنترلر PI و شكل (7) نتايج شبيهسازي مربوط به كنترلر فازي ميباشد. در اين شكل- ها قسمت (الف ) سرعت موتور ميباشد. همچنانكه از شكل مشخص است سرعت مرجع از لحظه 0=t تا 1=t (pm) 400 از لحظهt=1 تا =t (pm) 00 و براي <t (pm) 600 در نظر گرفته شده است. همچنين گشتاور بار 10(Nm) ميباشد. قسمت ( و (ج) نيز بهترتيب خطاي سرعت و گشتاور الكترومغناطيسي را نشان ميدهد..9Ω جدول - پارامترهاي موتورالقايي P R s R 4KW Ω 1.05Ω x m x s x Poles 1.7Ω 1.7Ω 4 در شكلهاي (8) و (9) تغييرات بار در سرعت ثابت (pm) 400 آورده شده است. مقدار گشتاور بار از لحظهt=0 تا 1=t 10(Nm) از لحظهt=1 تا =t 1/5 5(Nm) و از لحظه =t 1/5 تا 15(Nm) t= و در نظر گرفته شده است. نتايج (8) شكل شبيهسازي مربوطبه كنترلر PI و شكل (9) نتايج شبيهسازي مربوط به كنترلر فازي را نشان ميدهد. در اين دو شكل قسمت (ج) ( (الف ) بهترتيب بيانگر سرعت خطاي سرعت و گشتاور الكترومغناطيسي ميباشند. گشتاور مربوط به كنترلر 11 و 10 شكلهاي PI و فازي را نشان بهترتيب پاسخ ميدهند. مقايسه شكلها بهبود پاسخ گشتاور در كنترلر فازي را بهخوبي مشخص ميكند. بايد توجه داشت اين دو شكل قسمت (ج) از شكلهاي (8) و (9) است كه براي بيان دقيقتر در بازه زماني [1/51 1/50] آورده شدهاند. شكل 5 شماتيك بلوك دياگرام DTC موتور القايي كنترل شده با منطق فازي 70

5 سال سوم/ شماره سوم/ پاي يز 188 شكل 6 - نتايج شبيهسازي مربوط به كنترلر PI در بار ثابت الف- سرعت موتور ب- خطاي سرعت ج- گشتاورالكترومغناطيسي شكل 8 - نتايج شبيهسازي مربوط به كنترلر PI در سرعت ثابت الف- سرعت موتور ب- خطاي سرعت ج- گشتاور الكترومغناطيسي شكل 7 - نتايج شبيهسازي مربوط به كنترلر فازي در بار ثابت الف-سرعت موتور ب-خطاي سرعت ج-گشتاورالكترومغناطيسي شكل 9 - نتايج شبيهسازي مربوط به كنترلر فازي در سرعت ثابت الف- سرعت موتور ب- خطاي سرعت ج- گشتاور الكترومغناطيسي 71

6 سال سوم/ شماره سوم/ پاي يز 188 در اين مقاله از يك كنترلر فازي جهت بهبود خطاي سرعت و پاسخ گشتاور استفاده شده و نتايج براي بارها و سرعتهاي مختلف بررسي گرديده است. نتايج نشان ميدهد براي كارهاي بسيار سريع و دقيق استفاده از كنترلر فازي مطلوبتر ميباشد. 6- مراجع [1] I. Takahashi, T. Noguchi. A New Quick Response and High Efficiency Contol Stategies of an Induction Moto. IEEE Tans Ind Appl, ol., No. 5, pp. 80 7, [] I. Takahashi, Y. Ohmoi; High Pefomance Diect Toque Contol of an Induction Moto, IEEE Tans. Ind. Appl. ol. 5, No., pp , [] J. Faiz, M.B.B. Shaifian; Compaison of Diffeent Switching Pat-tens in Diect Toque Contol Technique of Induction Motos. Electic Powe Systems Reseach, ol. 60, pp. 6 75, 001. [4] P. as; Sensoless ecto and Diect Toque Contol. Oxfod Univesity Pess, [5] R. Otega, N. Baabanov, G. Escoba; Diect Toque Contol of Induction Motos: Stability Analysis and Pefomance Impovement, IEEE Tans. Automat. Cont., ol. 46, No. 1. pp.109-1, August [6] H. Baghga Bostan Abad, Ali Yazdian ajani, Tahei. Using Fuzzy Contolle in Induction Moto Speed Contol with Constant Flux. Tansactions on engineeing,computing and technology ol. 5, ISSN, pp , Apill 005. [7] Y. Kumsuwan,S. Pemudeepeechachan, H.A. Toliyat. Modified Diect Toque Contol Method fo Induction Moto Dives Based on Amplitude and Angle Contol of Stato Flux. Electic Powe Systems Reseach, ol. 78, pp , 008. [8] S.M. Gadoue, D. Giaouis, J.W. Finch. Atificial Intelligence-based Speed Contol of DTC Induction Moto Dives A Compaative Study. Electic Powe Systems Reseach, ol. 79, pp , Diect Toeque Contol 7- پينوشتها شكل 10 - پاسخ گشتاور مربوط به كنترلر PI شكل 11 - پاسخ گشتاور مربوط به كنترلر فازي مقايسه شكلهاي (6) و (8) ضعف كنترلر PI در سرعتهاي پلهاي را نشان ميدهد. در كنترلر PI براي داشتن كنترل مطلوب بايد سرعت فرمان بهصورت شيب به سيستم اعمال شيب شود. سرعت فرمان بستگي به نوع موتور و مقدار گشتاور بار دارد. براي رفع اين مشكل از يك كنترلر فازي استفاده شده است. چنانكه از شكلهاي (6) و (7) مشخص است در كنترلر فازي پس از رسيدن بهسرعت مطلوب خطا در حد صفر نگه داشته شده ولي در كنترلر PI خطا شروع به زياد شدن تا حد (pm) 150 و دوباره شروع به كم شدن ميكند. كنترلر فازي در مقابل تغيير بار ناگهاني نيز مقاومتر از PI است. شكلهاي (8) و (9) مقاومتر بودن كنترلر فازي را نشان ميدهد چنانكه هنگام رسيدن به سرعت (pm) 400 خطا در كنترلر فازي صفر ميشود و در 1=t كه ميزان بار كمتر ميشود باز خطا صفر ميماند و در 1/5=t كه بار بيشتر ميشود خطا در حد 0/5(pm) ميباشد كه سريعا صفر ميشود. ولي در كنترلر PI هنگام رسيدن بهسرعت 400(pm) خطا 6(pm) و در 1=t كه ميزان بار كمتر شده خطا كه هنوز به صفر نرسيده (pm) ميشود و در 1/5=t كه بار بيشتر ميشود خطا (pm) تغيير ميكند و بهكندي بهسمت صفر ميل ميكند. در شكل (8) از سرعت فرمان شيبدار استفاده شده تا در سرعت مطلوب به بررسي تغيير بار بپردازيم. 5- نتيجهگيري است. منطق فازي در حل مساي ل پيچيده سالهاست كه مورد استفاده موتورهاي القايي نيز بهعنوان يكي از پر كاربردترين محركههاي الكتريكي نقش بسيار مهمي را در صنايع بهعهده دارند. 7