Asenkron motorlarda moment dalgalanmalarının sinirsel bulanık ağlar ile azaltılması
Torque ripple reduction of asynchronous motors by neural-fuzzy networks
Yazar: AHMET GÜNDOĞDU
Danışman: DOÇ. DR. BEŞİR DANDIL ; YRD. DOÇ. DR. FİKRET ATA
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Asenkron motorlar matematiksel modeli itibariyle; parametreleri zamana ve hıza bağımlı doğrusal olmayan yüksek dereceli diferansiyel denklemler içeren karmaşık bir modele sahiptir. Bu karmaşık modele bağlı olarak asenkron motorda akı ve momentin oluşumu, motora uygulanan gerilim ve frekansın bir fonksiyonu olduğu için motor akımları ile akı ve moment arasında bir kenetleme etkisi vardır. Skaler denetim yöntemi ile denetlenen bir asenkron motorun hız ve moment cevabı bu kenetleme etkisinden dolayı düşüktür. Motor modeli üzerinde yapılan analitik çözümlemeler neticesinde, üç faz değişkenleri yerine iki eksene indirgenmiş uzay vektörleri ile temsil edilen motor modelinin geliştirilmesine bağlı olarak bu kenetleme etkisi ortadan kalkar ve böylece motorun akısı ile momentinin birbirinden bağımsız olarak denetimine olanak sağlanır. Vektör denetim olarak bilinen bu yöntemin geliştirilmesiyle, skaler denetim yöntemindeki bu düşük hız ve moment cevabının asenkron motorun yapısından kaynaklanmadığı dolayısı ile motora uygulanan denetim şeklinden kaynaklandığı anlaşılmıştır.Vektör denetim yöntemi stator, rotor veya hava aralığı akılarından herhangi birinin belirlenen referans eksen takımına yönlendirilmesiyle elde edilir ve farklı şekillerde isimlendirilir. Bunlar arasında, stator akısının kullanılarak stator manyetik alanının yönlendirildiği Doğrudan Moment Denetim (DMD) yöntemi diğerlerine göre en basit yapılı vektör denetim yöntemidir. Bu yöntemde akı hatası ile moment hatası, iki ayrı histerezis denetleyici tarafından işlenerek motorun akı ve momenti doğrudan denetlenir ve dolayısı ile hız ve moment başarımı yüksektir. Ancak histerezis denetimden dolayı özellikle motor momentinde yüksek dalgalanmalar görülür. Ayrıca evirici anahtarlama frekansı da motor hızına, yüke ve histerezis denetleyicilerin bant genişliklerine bağlı olarak değişkendir.Bu tez çalışmasında, DMD yöntemi ile denetlenen üç fazlı bir asenkron motorda histerezis denetimden dolayı oluşan yüksek moment dalgalanmalarının Sinirsel Bulanık Denetleyiciler (SBD) ile azaltılması ve değişken olan anahtarlama frekansının sabit tutulması amaçlanmıştır. Bu amaçla Sinirsel Bulanık Ağ (SBA) yapısının kullanıldığı, giriş değişkenleri moment hatası ile bu hatanın değişiminden oluşan iki girişli Sugeno tipi bir Sinirsel Bulanık Moment Denetleyici (SBMD) tasarlanmıştır. Tasarlanan SBMD'nin başarımını göstermek amacı ile hem histerezis tabanlı hem de SBMD tabanlı DMD yöntemleri ile asenkron motorun hız ve moment denetimi, aynı örnekleme periyodunda, aynı hız ve yük şartlarında deneysel olarak gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılan denetim algoritması, dSPACE DS1103 denetleyici kartı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Her iki denetim yöntemine ait denetleyici katsayıları, histerezis bant genişlikleri, örnekleme periyodu, referans hız ve referans akı ile kullanıcı girişleri Control Desk Developer (CDD) yazılımı ile denetim sistemine aktarılmıştır. Farklı hız ve yükler için, önerilen SBMD'nin dayanıklılığı incelenmiş ve elde edilen sonuçlardan motorun hem geçici hem de sürekli durumda hız ve moment başarımının yüksek olduğu gözlenmiştir. Ayrıca önerilen bu yapı ile evirici, sabit anahtarlama frekansı ile anahtarlanarak değişken olan anahtarlama frekansı problemi giderilmiştir. Önerilen SBMD ile motor momentindeki dalgalanma bandı, histerezis tabanlı yapıya göre yüksüz durum için yaklaşık olarak % 38.69, yüklü durum için ise yaklaşık olarak % 47.69 oranında azaltılmıştır. Ayrıca akı denetimi için kullanılan oransal akı denetleyicinin etkinliğine bağlı olarak akıdaki dalgalanmalar da, histerezis tabanlı yapıya göre yüksüz durum için yaklaşık olarak % 9.30, yüklü durum için ise yaklaşık olarak % 11.45 oranında azaltılmıştır.

Abstract:
Induction motors have complex mathematical models with high degree of nonlinear differential equations including speed and time dependent parameters. Depending on this complex model, there is a coupling effect between the flux and torque of the motor because formation of the flux and torque is a function of the voltage and frequency applied to the motor. The speed and torque response of an induction motor controlled by scalar control methods is poor due to the effect of this coupling. For the control of the motor, mathematical model represented by three phase axis variables is reduced to a model which is represented by two axis variables after some analytical analysis. Using the two axis mathematical model of the motor, the flux and torque can be easily decoupled to make the motor?s flux and torque control possible. With the development of Vector Control (VC) method, it has been noticed that the poor response of the scalar control method does not stem from the structure of the motor. Performance of the motor depends on the control method applied to the drive system.VC method is achieved by aligning any of the stator, rotor or airgap flux with a predetermined two axis reference frame, and therefore this control method is called in various ways depending on which flux of the motor is oriented. Among these various approaches, orientation of the stator flux which is called Direct Torque Control (DTC) has the simplest structure. In the DTC method, the flux and torque of the motor are controlled directly using the flux and torque errors which are processed in two different hysteresis controllers. Therefore by using the DTC method, high performance is obtained by means of the speed and torque. However, because of the hysteresis control, high ripples exist especially in the torque of the motor. Besides that, the switching frequency of the inverter is variable depending on the speed, load and bandwidth of the hysteresis controllers.In the study of this thesis, it is a aimed to reduce the high torque ripples of a direct torque controlled three phase induction motor caused by the hysteresis control using a Neural-Fuzzy Controller (NFC) and keep the switching frequency constant. For this purpose, two-input Sugeno type Neural-Fuzzy Torque Controller (NFTC) is designed using Neural-Fuzzy Network (NFN). The input variables of this controller consists of the torque error and change of the error. Speed and torque control of the induction motor were carried out experimentally using hysteresis based DTC and NFTC based DTC methods at the same sampling period, under the same operating conditions to demonstrate performance of the NFTC. The obtained experimental results are presented comparatively. The control algorithm used in this experimental study were realized by using the controller card, dSPACE DS1103.Parameters of the control system for methods such as the hysteresis bandwidths, sampling period, reference speed and reference flux and the user inputs are introduced into the control system via the software, Control Desk Developer (CDD). For different speed and load conditions, robustness of the NFTC was examined, and based on the obtained results, high performance were observed for both transient and steady states. In addition with this proposed control structure switching frequency of the inverter was kept constant and therefore the problem, varying switching frequency was removed. In the proposed NFTC, bandwidth of the torque ripples of the motor was reduced about % 38.69 and % 47.69 under no load and load conditions respectively, compared to hysteresis based control structure. Also, depending on the effectiveness of the proportional flux controller used for flux control, bandwidth of the flux ripples of the motor was reduced about % 9.30 and % 11.45 under no load and load conditions respectively, compared to hysteresis based control structure.