کنترل سرعت هوشمند موتور القایی سحر محمدي علیرضا صدیقی انارکی دانشگاه یزد E-ail:ohaai_505@yahoo.co seighi@yazuni.ac.i چکیده از آنجاییکه موتورهاي القایی از نظر هزینه و سادگی ساخت نسبت به ماشینهاي جریان مستقیم ارجحیت دارند,به طور وسیعی در صنعت مورد استفاده قرار گرفته اند,لذا کنترل این نوع موتورها از اهمیت خاصی برخوردار می باشد.در این مقاله سرعت یک موتور القایی سه فاز با استفاده از منطق فازي کنترل شده است.روش استفاده شده کنترل برداري می باشد که الهام گرفته از مفهوم کنترل سرعت در موتورهاي جریان مستقیم می باشد.اثر تغییرات بار و سرعت مرجع در این کنترل کننده مد نظر قرار گرفته است.ویژگی روش پیشنهادي کنترل هوشمند در حین کار کردن موتور و مقاوم بودن پاسخها نسبت به تغییرات ممان اینرسی( J ),اصطکاك( B ) و گشتاور بار می باشد.روش پیشنهادي با استفاده از اطلاعات یک ماشین القایی توسط نرم افزار مطلب در محیط سیمولینک شبیه سازي شده است.نتایج نشان می دهند که بواسطه استفاده از روش پیشنهادي نوسانی در پاسخ ها مشاهده نمی شود و زمان رسیدن به سرعت مطلوب بسیار کم می باشد. کلید واژه- کنترل سرعت,کنترل هوشمند,منطق فازي,موتور القایی 1 -مقدمه با توجه به اینکه موتورهاي القاي ی از لحاظ اندازه وزن اینرسی حداکثر سرعت راندمان و هزینه نسبت به ماشین ه يا جریان مستقیم برتري دارند,اما بکار گیري کنترل ساده موتورهاي جریان مستقیم براي آنها ممکن نیست.زیرا موتور القاي ی ساختار و کنترل چند متغیره وابسته و غیرخطی دارد. برعکس یک موتور جریان مستقیم تحریک مستقل داراي ساختار کنترلی ایزوله(ناوابسته بین متغیرها)است که می توان در آن گشتاور و شار را بصورت مستقل کنترل نمود.روش کنترل برداري هم براي ماشین ه يا القاي ی و هم براي ماشین هاي سنکرون قابل پیاده سازي می باشد و اساسا" ساختار دینامیکی ماشین جریان متناوب را بدل به کند.[ 1 ] موتور جریان مستقیم تحریک مستقل می هدف این مقاله اراي ه روشی جهت کنترل هوشمند سرعت موتور القایی, با استفاده از منطق فازي می باشد.در ادامه و در بخش دوم مدل موتور القایی عنوان شده است.بخش سوم به توضیح پیرامون منطق فازي می پردازد.روش پیشنهادي در بخش چهارم توضیح داده شده است ونتایج در بخش پنجم آمده اند. 1

و 2 2 -کنترل برداري موتور القایی 1-2- مدلسازي موتور القایی مدل موتور القاي ی در مختصات_q به صورت شکل (1) می باشد[ 3]. شکل 1 :مدل موتور القایی در مختصات [3]-q و روابط الکتریکی حاکم بر این موتور عبارتند از: q s = R i s = R i = R i q = R i T e s s = 1. 5P ϕ t t t t q ϕ ωϕ ϕ s ωϕ s ( ω ω ) ϕ ϕ ( ω ω ) ϕ q ϕ ( ϕ i ϕ i ) s = i i s s q ϕs = sis i ϕ q = i q i ϕ = i is s = ls = l (10) (11) (6) (7) (8) (9) (1) (2) (5) و روابط مکانیکی آن به صورت زیر می باشد: t ω 1 = e ω 2H t ( T B T ) θ = ω (13) (12) که در این روابط پارامترها به صورت جدول (1) تعریف می شوند:[ 3 ] پارامتر جدول 1 :پارامترهاي بکار رفته در مدلسازي تعریف اندوکتانس پراکندگی و مقاومت استاتور اندوکتانس پراکندگی و مقاومت روتور اندوکتانس متقابل کل اندوکتانس هاي روتور و کل اندوکتانس هاي استاتور جریان و ولتاژ استاتور روي محور q جریان و ولتاژ روتور روي محور q جریان و ولتاژ استاتور روي محور جریان و ولتاژ روتور روي محور شار استاتور روي محور وq شار روتور روي محور وq سرعت زاویه اي روتور موقعیت زاویه اي روتور تعداد جفت قطب ها سرعت زاویه اي الکتریکی موقعیت زاویه اي الکتریکی گشتاور الکترومغناطیسی گشتاور مکانیکی محور R s, ls R, l s,, i q, i q s, i s, ϕ, i ϕ s ϕ q, ϕ ω θ P ω θ T e T ضریب لختی بار J ثابت لختی بار H ضریب اصطکاك بار B مشخصات و پارامترهاي موتور القایی شبیه سازي ( s) شده به شرح زیر می باشد: n = 460,50HP.60Hz, Rs = 0.087Ω, ls = 0.8H 2 R = 0.228Ω, l = 0.8H, = 34.7H. J = 1.662kg. B = 0.1, P = 2 2-2 -کنترل برداري موتور القایی همان طور که می دانیم در ماشین هاي جریان مستقیم در صورتیکه از اشباع صرفنظر شود می توان گشتاور تولید شده را بر حسب جریان آرمیچر و شار تحریک T = Kψ i e به صورت زیر بیان کرد: f a (14) که در آن K یک عدد ثابت و ψ f, i a به ترتیب اندازه فازورهاي فضایی تحریک و جریان آرمیچر می باشند. (3) (4) 2

و 4 وψ و 5 شکل 2 :راه اندازبرداري موتور القایی در ماشین DC جریان آرمیچر و توزیع شار در فضا ثابت هستند و گشتاور با کنترل مستقل شار و جریان آرمیچر کنترل می شود و در ضمن به علت عمود بودن دو بردار همیشه گشتاور ماکزیمم تولید می شود.در ماشین هاي جریان متناوب کنترل مانند ماشین هايDC ساده نمی باشد زیرا متغیرهاي فوق(شار استاتور و جریان روتور) زا یکدیگر مجزا نمی باشند و هر کدام نسبت به استاتور یا روتور ساکن می باشند و همچنین به دامنه فرکانس و زاویه فاز جریان هاي استاتور بستگی دارند و نهایتا" اینکه در ماشین هاي القاي ی با روتور قفسه سنجابی دسترسی به جریان هاي روتور به راحتی امکان پذیر نمی باشد.تحقیق در مورد کنترل ماشین هاي القاي ی به فرم ماشین هاي جریان مستقیم سر انجام مبحث کنترل برداري را پیشنهاد می کند.در این روش با استفاده از دو مو لفه مستقل جریان یکی تولید کننده شار تحریک و دیگري تولید کننده گشتاور انجام می پذیرد. گشتاور لحظه اي در ماشین هاي AC سه فاز متقارن با فاصله هوایی یکنواخت می تواند به صورت زیر باشد: T e =ψ s i (15) i s به جاي یکه تحت شرایط مغناطیسی خطی ترتیب فازورهاي فضاي ی شار استاتور و جریان روتور در مختصات ساکن می باشند. براي اینکه معادلات روتور و گشتاور را از یکدیگر تفکیک نماي یم از چارچوب مرجع قرار داده شده روي روتور استفاده می نماي یم در شکل (2) یک راه انداز میدان گراي موتور القاي ی نشان داده شده است[ 5 و 6 و 7 ]. موتور القاي ی توسط یک اینورترPWM که به عنوان یک منبع جریان سه فاز سینوسی عمل می کند کنترل می T سرعت e موتور ω با شود.به منظور کنترل گشتاور سرعت مرجع ω مقایسه می شود و توسط کنترل کننده سرعت خطاي سرعت پردازش می شود. همان طور که در شکل( 2 )می بینیم شار روتور و گشتاور می توانند به طور مجزا توسط که i i s و کنترل شوند.جریان مرجع محور i با استفاده از گشتاور مرجع عمود بر استاتور رابطه( 16 )محاسبه می شود[ 6 و 7 ]. T e از i 2 =. 3 2. P e T. ψ est اندوکتانس روتور (16) ψ est اندوکتانس متقابل و شار پیوندي تخمین زده شده روتور می باشد که از رابطه( 17 )محاسبه می گردد: مرجع که ψ i est = 1 τ s S (17) = R τ ثابت زمانی روتور می باشد. جریان (18) به i s از مقادیر شار مرجع روتور طبق رابطه دست می آید: لغزش s i ψ = (18) ωو فرکانس θ از e سرعت روتور موقعیت شار روتور ω sl طبق رابطه (19) به دست می آید: θe = ( ω ωsl )t (19) 3

i و فرکانس لغزش از جریان مرجع استاتور پارامترهاي روتور بنابر رابطه ( 20 )محاسبه می گردد.[ 2 ] ω sl = ψ R.. i est (20) جریان هاي مرجع i s براي رگولاتور جریان i و i c تبدیل می i b و i a و به جریان هاي مرجع سه فاز شوند.رگولاتور ها جریان هاي اندازه گیري شده و مرجع را پردازش می نمایند تا سیگنال هاي با قطع متناوب براي اینورتر تولید نمایند. 3 -منطق فازي تفکر فازي براي اولین بار در سال 1965 توسط پروفسور لطفی زاده استاد ایرانی الاصل دانشگاه برکلی کالیفرنیا در مقاله اي با عنوان ((مجموعه هاي فازي)) اراي ه گردیدد.این مقاله جرقه اولیه اي از پرتو یک جهان بینی جدید در عرصه ریاضیات و علوم و اولین قدم در معرفی نو و واقع گرایانه از جهان در قالب مفاهیمی کام لا" بدیع اما سازگار با طبیعت انسان بود [8]. منطق فازي یک تکنولوژي بر پایه مهندسی تجربه و مشاهدات است.در منطق فازي از متغیر هاي زبانی براي تعریف رفتار سیستم استفاده شده است به همین دلیل به مدل ریاضی کام لا" صحیح نیاز نمی باشد..برخی از مشک لا ت,همچون پایداري در هردو کنترلر فازي و مرسوم وجود دارند.بر خ لا ف طراحی کنترلر مرسوم که از مدل هاي ریاضی براي حل این مشکلات استفاده می کند,طراحی کنترل کننده فازي شامل قوانین اگر-آنگاه تعریف شده توسط یک متخصص براي رویارویی با این مشکلات می باشد. [9] به طور کلی کنترل کننده هاي فازي از چهار قسمت تشکیل شده اند,فازي ساز,مکانیسم استنباط,پایگاه قوانین,غیرفازي ساز. شکل( 3 ) قسمت هاي مختلف یک کنترل کننده فازي را نشان می دهد. [6] شکل 3 : ق: سمت هاي مختلف یک کنترل کننده فازي[ 6 ] در مرحله استنتاج دو روش وجود دارد:روش ممدانی و سوگنو.سیستم هاي ممدانی در سال 1975 ابداع شده و.سیستم هاي سوگنو براي اولین بار در سال 1985 معرفی گردید.شیوه فازي سازي متغیرهاي ورودي در این دو نوع سیستم مشابه و تفاوت آنها در شیوه تعریف متغیرهاي خروجی و در نتیجه در روش غیرفازي سازي است. 4 -روش پیشنهادي هدف از طراحی یک کنترل کننده افزایش پایداري و کاهش زمان رسیدن به حالت مطلوب در برابر اعمال یک اغتشاش,در یک پروسه می باشد.در این مقاله از کنترل PI کننده,جهت مقایسه نتایج آن با روش پیشنهادي,استفاده شده است.این کنترل کننده در مسیر سیگنال خطاي شکل (3) قرار می گیرد و با رابطه (21) نشان داده می شود. U( S) = K E( S) P K S I (21) که در آن K P بهره تناسبی و K I بهره انتگرالی می باشد.که با نتظیم پا رامترهاي فوق می توان خطاي حالت داي م و نوسانات خروجی را در پاسخ به ورودي پله کنترل نمود.عمده اشکال این نوع کنترل کننده,علاوه بر دشواري تنظیم پارامترها براي داشتن پاسخ مطلوب,نیاز به اص لاح آنها بواسطه تغییر شرایط کارکرد موتور می باشد که عملا"تنظیم مجدد پارامترها در حین کار کردن موتور امکان پذیر نیست.جهت بر طرف کردن این مشکل روشهاي هوشمند پیشنهاد می گردند.کنترل کننده فازي بعنوان یک کنترلر هوشمند معرفی می گردد. شکل( 2 ) چگونگی استفاده از این کنترل کننده را براي کنترل سرعت موتور القایی نشان می دهد. 4

در این کنترل کننده ورودي ها خطاي سرعت و تغییرات خطاي سرعت, و خروجی مرجع گشتاور می باشد.براي هر کدام از ورودي ها و خروجی از هفت تابع عضویت استفاده شده است.شکل( 4 ) توابع عضویت پیشنهادي را نشان می دهد. 5 -نتایج در این بخش نتایج روش پیشنهادي در شرایط مختلف کارکرد موتور بررسی شده است. الف)ابتدا موتور را بدون بار راه اندازي و سرعت a مرجع را بر روي = 120 ωef تنظیم می کنیم.همان s گونه که در شکل( 5 ) ملاحظه می شود موتور در t 0.4= sec بدون هیچ بالازدگی و یا پایین زدگی به سرعت مطلوب می رسد و در همان سرعت باقی می ماند. شکل 5 : نتایج شبیه سازي با استفاده از کنترل کننده فازي شکل 4 :توابع عضویت پیشنهادي در ادامه قواعد فازي بیان می شوند که در این روش از چهل و نه قاعده مطابق جدول( 2 ) استفاده شده است که در آن: اگر به جاي کنترل کننده فازي از کنترل کننده PIپس از تنظیم پارامترها, =13 P K و = 26 I, K ودر شرایط یکسان استفاده می شد,همانگونه که در شکل( 6 )نشان داده شده است سرعت موتور بعد از t 1.62= sec به سرعت مطلوب می رسد.پاسخ داراي فراجهش نیز می باشد. NB=Negative Big, PB=Positive Big, NM=NegativeMeiu, PM=Positive Meiu, NS=Negative Sall, PS=Positive Sall, ZE=Zeo جدول 2 :قواعد فازي در این کنترل کننده از روش ممدانی براي فازي سازي و از روش lo براي غیرفازي سازي استفاده شده است. شکل 6 : نتایج شبیه سازي با استفاده از کنترل کننده PI ب)به منظور بررسی تغیرات سرعت مرجع و گشتاور بار آنها را مطابق شکل( 7 ) تغییر می دهیم ضمنا" تغییرات %10 براي اصطکاك و ممان اینرسی نیز در نظر گرفته شده است..همان گونه که در شکل( 8 )نشان داده شده است در مدت 0.8sec موتور به سرعت مرجع می رسد و پس a ازافزایش سرعت مرجع در لحظهt=2 به = 130 ωef s موتور در کمتر از 0.1 تغییرات sec سرعت را دنبال میکند.پس از آن با کاهش سرعت مرجع در لحظهt=4 a به = 100 ωef موتور در کمتر از 0.1secبه سرعت s مطلوب می رسد.همانگونه که در شکل( 8 )نشان داده شده 5

است تغییرات گشتاور بار اثري بر روي سرعت موتور ندارد. مراجع [1]Pete as,((vecto contol of AC achines)),oxfo univesity pess,1992. شکل 7 :(الف)تغییرات گشتاور بار ) ب) تغییرات سرعت مرجع [2] ((تحلیل ماشین هاي الکتریکی))تالیف کراز ترجمه سقاي یان نژاد و م. نیک خواجوي ی چاپ اول انتشارات [3] راهنماي نرم افزار مطلب دانشگاه صنعتی اصفهان,سال 1376. [ 4 ]((الکترونیک قدرت,مدارها-عناصر و کاربردها))تالیف ه.رشید,ترجمه ا.افجعی وم.مهاجر,انتشارات نوپردازان,چاپ چهارم,سال. 1382 [5]eonha,w.,((Contol of Electical Dives)),Spinge-elag,Belin,1996. [6]Muphy,J.M.D.,an Tunbull,F.G.,((Powe Electonic Contol of AC Motos)),Pegeon Pess,Oxfo,1985. [7] Bose,B.K.,((Powe Electonics an AC Dives)),Pentice-Hall,Englewoo Cliffs,N.J.,1986. شکل 8 : نتایج شبیه سازي با استفاده از کنترل کننده فازي اگر از کنترل کننده PI استفاده کنیم در شرایط یکسان و با اعمال تغییرات بالا موتور قادر به دنبال کردن سرعت مرجع نمی باشد.به همین علت در این حالت فقط سرعت مرجع را مطابق شکل( 7 ) تغییر دادیم که نتایج در شکل( 9 ) جهت مقایسه آورده شده اند. شکل 9 :نتایج شبیه سازي با استفاده از کنترل کننده PI 6 -نتیجه گیري در این مقاله سرعت یک موتور القایی با استفاده از کنترل کننده فازي,کنترل شده است.ویژگی روش پیشنهادي کنترل هوشمند در حین کارکرد موتور و مقاوم بودن پاسخ ها نسبت به تغییرات ممان اینرسی و اصطکاك و گشتاور بار می باشد.حال آنکه در کنترل کننده PI,علاوه بر دشواري تنظیم پارامترها براي داشتن پاسخ مطلوب,نیاز به اصلاح آنها بواسطه تغییر شرایط موتور می باشد که عم لا" تنظیم مجدد این پارامترها در حین کارکرد موتور امکان پذیر نمی باشد.روش پیشنهادي جهت کنترل سرعت توانایی حذف فراجهش و کاهش زمان رسیدن به سرعت مطلوب را دارا می باشد. [8] ((سیستم هاي فازي و کنترل فازي))تالیف ل.وانگ ترجمه م.تشنه لب ون.صفارپور و د.افیونی انتشارات دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی مهرماه. 1380 [9]Hu B,Mann GKI,Gosine RG,((New ethoology fo analytical an optial esign of fuzzy PID contolles)).ieee Tans Fuzzy Syst 1999;7(5):521-39. [10]EhanAkln,Mehet kaya,mehet Kaakose,((A obust integato algoith with genetic base fuzzy contolle feeback fo iect vecto contol)).coputes an Electical Engineeing 29(2003) 379-394. 6