Doğrudan moment kontrol yöntemi kullanılarak raylı sistem aracı elektrikli cer motor kontrolü ve simülasyonu
Electrical railway traction system control and simulation with using direct torque control
Yazar: FATİH TUNA CERRAH
Danışman: PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Ulaşım = Transportation

Özet:
Raylı sistem araçları için önemli olan kavramlar söylenmek istendiğinde ilk akla gelenler; güvenlik, konfor, hız ve verimliliktir. Güvenlik kavramı için aracı en kısa mesafede durdurma, aracın hareketi esnasında yolcu kapılarının sürekli takibi, kapıların açılması durumunda aracı durdurma, kapıların açık olduğu durumlarda aracı hareket ettirmeme v.b. önlemler alınır. Yolcuların konforu için frenleme ve hızlanma ivmesinin belli sınırların altında olması, araç cer motor hareketlerinin sarsıntıya neden olmaması ve kurplarda yolcuların minimum derecede sarsılmaları istenmektedir. Raylı sistem araçlarında hız kavramı, şehirler arası ulaşım için önemlidir. Şehir içi raylı sistem araçlarında belirlenmiş olan hız sınırları, metro araçlarında 80 km/h olarak belirlenmişken, tramvay araçları için ise 50 km/h olarak belirlenmiştir. 
Raylı sistem araçlarında verimlilik güvenlikten sonra gelir. Örneğin acil frenleme durumuna geçmiş bir araçta, rejeneratif frenleme ile kazanılan enerji katener hattındaki enerji durumu kontrol edilmeksizin fren rezistörlerinde yakılır. Bunun nedeni 1 saniyelik frenleme gecikmesi, maksimum hızda giden bir aracın normal durması gereken koşuldan yaklaşık 23 metre daha yol alması anlamına gelmektedir. Bunun engellenmesi için katener hattı izlenmeksizin elde edilen enerji fren rezistörlerinde yakılır. Elektrikli raylı sistem araçlarında enerji verimliliği, tam  makinist kullanımında tamamiyle makinistin aracı kullanma stiline bağlıyken, sürücüsüz raylı sistem araçlarında verimliliği arttırma üzerine bir algoritma ile araç kontrol edilmektedir. 
Raylı sistem araçlarının kullanılmaya başlamasından bu güne kadar geçen sürede verimlilik hızla önem kazanırken, gelecekte de verimliliğin ön planda olacağı aşikardır. Üretilen ilk raylı sistem araçlarında buharlı tahrik sistemi kullanılırken su ve suyun ısıtılması için kullanılacak olan yakıt (kömür, fuel oil v.b.) aracın içinde taşınılarak aracın ağırlaşmasına neden olmaktaydı. Bu nedenle araç verimliliği bir hayli düşmekteydi. Elektrik motorlarının kullanılmaya başlanması ile pantograf üzerinden alınan enerji direkt olarak motorlar da kullanılabilmektedir. Böylece araç içerisinde taşınan yakıta gerek duyulmaz, dönüşümler neticesinde oluşan enerji kayıpları minimize edilir ve rejeneratif frenleme neticesinde enerji kazanımı gerçekleştirilebilir.
Raylı sistem araçlarında elektrik motorun ilk kullanılmaya başladığı yıllardan 90'lı yıllara kadar süre gelen zaman diliminde doğru akım motorlarının sıklıkla kullanıldığı görülmektedir. 90'lı yıllarda yarı iletken teknolojisinin gelişmesi ile alternatif akım motorlarının raylı sistem araçlarında kullanımı yaygınlaşmıştır. Özellikle asenkron motorun gelişen teknoloji ile kolay kontrol edilebilir hale gelmesi demir yolu araçlarında doğru akım motor kullanımını sonlandırmıştır. Simülasyonda kullanılmak üzere seçmiş olduğumuz cer motorunun uygunluğunun tespiti için cer eğrisi oluşturularak İTA üzerinde kullanılan cer  motoru cer eğrisi üzerinden karşılaştırması yapıldı.
Aracın basit modelinin oluşturulabilmesi için gerekli olan ray-teker ilişkisi incelendi. Ray teker ilişkisi demir yolu araçlarında önem arz etmektedir. Bunun nedeni düşük sürtünme nedeni ile çekiş gücünün ve frenleme kuvvetinin raylara tam aktarılamaması, bunun neticesinde kayma kızaklama denilen problemlerin yaşanmasıdır. Ayrıca aracın basit modelinde kullanılmak üzere aracın üzerine etkiyen direnç kuvvetleri bu tezde incelendi. Aracın modelinin oluşturulması bu araç için farklı hatlardaki davranışlarının gözlemlenebilirliğini bize sunmaktadır.
Asenkron motor kontrol yöntemlerinden skalar kontrol yöntemi, doğrudan vektör kontrol yöntemi ve doğrudan moment kontrol yöntemi incelendi. Bu yöntemler arasında doğrudan moment kontrol yöntemi üzerinde duruldu. Matlab/Simulink ortamında basit raylı sistem araç modeli ile doğrudan moment kontrol yöntemi kullanılarak cer motoru kontrol simülasyonu gerçekleştirildi. 
Doğrudan kontrol yönteminin simülasyonda kullanılmasındaki nedenlerden biri motor parametrelerinin sisteme olan etkisinin azaltılmak istenmesiyken bir diğer neden ise moment ve akı hatasında oluşabilecek değişimler eviricilerdeki anahtarlama dizisi sayesinde anında düzeltilerek, hızlı bir moment cevabının elde edilebilmesidir.
Simülasyonda gerçeğe çok yakın eğim ve kurp değerleri kullanılarak sadece tek motora sahip bir şaftın hareket ettirilmesi simüle edilmeye çalışılmıştır. Bu nedenle hattın eğim ve kurp değerlerinin yüksek olduğu bölümler simülasyon için seçilmiştir. Referans hızın seçilmesinde makinist davranışları göz önünde bulundurularak grafik oluşturulmuştur.  
Simülasyonun gerçekleştirilmesi sonucunda, referans rotor hız grafiği ile simülasyonda görülen rotor hız grafiği karşılaştırılması yapılmış, moment-zaman grafiğinde yolun ve referans hızın etkisi incelenmiş, katener geriliminin hızlanma ve frenleme ile değişimleri görülmüştür. Ayrıca rotor akımı - zaman grafiği ve akı-zaman grafiği oluşturulmuştur. 
Simülasyon için kullanılan yol modeli gerçek bir yol modeline çok benzemesi ve referans hızın makinist hareketlerini göz önüne alarak oluşturulması nedeni ile harcanan enerji değerlerinin gerçeğe yakın çıkabileceği düşünülmektedir. Simülasyon sonuçları ile gerçekte araç üzerinden alınan sonuçlar karşılaştırılıp simülasyon değerlerinin araç üzeri değerler ile örtüştürülmesi sağlanabilir.

Abstract:
In the railway industry, there are four important topic which are safety, comfort, speed and efficiency. For safety, there are many precautions. Some of this precautions are ability of stopping at suitable distance in the international standard, monitoring vehicle doors when vehicle moving and stopping when one of the door open, blocing the moving when doors open etc. 
For comfort, moving acceleration and braking acceleration should be under the limit which is writing in the international standard. Vehicle traction should work smooth and shouldn't jerk passenger. When getting curve, as traction behavior, vehicle shouldn't jerk passenger. All comfort issues are for passenger.
Speed is important for intercity trains on the other hand urban trains have speed limits because of safety issues so speed isn't important for urban rail transportation. This limits can be change for different lines but generally on the underground lines have 80 km/h maximum speed limitation and on the tram lines have 50 km/h maximum speed limitaion. 
Efficiency comes after safety in railway vehicles. For example when rail vehicle is doing emergency brake, vehicle doesn't send regain energy to catenary line. This energy burn in the brake resistance even if there is lack of energy on the catenary line. Tram vehicles are driven by machinist who controls the energy efficiency. But unattended vehicles doesn't need someone so their energy efficiencies is controled by algorithm which control online catenary line energy and other vehicles location. Thus, energy saving is provided.    
Energy efficiency is getting important from the beginning of the using electric motors of railway vehicles to this day and it is not hard to guess that it will continue to getting important. Because reaching energy won't find easy in the future. 
First rail vehicles had steam engine which needed a lot of water and fuel for heating water. Fuel and water were carried separately on tank by vehicle. This load made heavier the vehicle. For this reason, energy efficiency got low. With the introduction of using electrical motors for railway vehicle, energy have been coming direct to vehicle over pantograph. So that, vehicles with electric motor don't need to carring fuel, energy loses decrease and regenerative braking can be use.
DC motors mostly had been using from begininig of the using electrical motor in the rail vehicle to 90's. With the evolution of semiconducting technology, AC motors was begun to use for rail vehicles. Especially induction motor can be controled easly by this way using DC motor decrased. 
There are few things prefering AC motors to DC motors. First of all maintainability of AC motors is easy than DC motor. The other one, AC motors are cheaper than DC motors. 
Correlation of rail-wheel and resistance which is effect to the vehicle are studied at this thesis for using basic model in the Matlab/Simulink simulation. Resistive effect which can be said as air resistance, roll resistance, curve resistance, grade resistance and accelaration resistance, isn't same all condution. They are changeable for different condutions. Railway construction is important for resistive effects.
 Traction effort curve have been created for finding suitability of using traction motor and we have comparisoned real motor traction effort curve and simulating motor effort curve.
 There are many control technique for induction machine. In this thesis, scalar control, direct vector control and direct torque control techniques are studied. Direct torque control technique was choosen to dwell because of some advantages. Rail vehicle simulation was used with direct torque control of induction motor in the Matlab/Simulink. 
Direct torque control technique was used for simulation because effect of the specific motor parameters were wanted to decrease in the system. The other cause for using direct torque control technique is decreasing to effect of rapid changing torque and flux error. Thus, sudden torque control response is used for induction motor. This can be possible in the inverter switching positions. 
Real curve and grade parameters were used and shaft with a motor moved in this line in the simulation. High curve and high grade points of line were choosen for moving the shaft because of seeing the performance of induction motor. Creating the reference speed curve comes from rail vehicle drives behavior. All drivers have different drive style but speed limits don't permit this behavior. Reference speed curve was created in general purpose.
As a result of simulation, graph of reference rotor speed compared with result of simulation rotor speed. Graph of motor torque-time was studied in a line condition as curve, grade and in a condition of acceleration. Overflow conditions were decreased by tuning the control parameter. 
Catanery voltage was monitored with changing the front acceleration and braking acceleration. When braking position, regenerative effect can be seen clearly. In addition graph of flux-time was drawn and field weakening place was seen easly. It should be done for reaching high speed in induction motors. The other drawing graph is rotor current – time graph.   
In simulation, using line modal and using speed reference are like real line and vehicle speed. Therefore we can think that vehicle spent same energy in real life and in simulation. Generally we have to compare with real results and simulation results. Even if simulation not same exactly real, can be closed. If it is close, we can work for simulation like real but it must be acceptable. 
Rail vehicle traction motors are open for new developing side. Especially energy efficiency of rail vehicle can be improve. Control techniques can be develop for efficiency, different control techniques can be used for same time for efficiency or for different line different control techniques can be used.  
Like in the other industries, future of railway industry is unattended in an other word driverless system. Driver will be algorithm in unattended systems. In this algorithm will have different control techniques which will work with traction control techniques. For this reasons energy efficiency control will be getting easier rather than with driver system.
Our simulation can be developed for different techniques or six car 144 meter metro vehicle and we can use this simulation for developing to unattended rail vehicle algorithm.