3 #$˙ % &’ (˚ ) ˝ 6 % ˆ˙ ˝ # B ˚4 ˘2% +#...
6
274 - ! "#$ % &’ () . +# () , -" .% /) " " % 012 . % 3 -" (4 5$ ’ -2% % ."6 . / / % # / % 3 -" . # 07% -" ) 8& + % % 7% 9 :1; / % . 2% /$# -" -< % # - ) 8 6 / = 2% >; ? /) &@ % A . B 42% C" 3 -" D # # .E ? -2% % # 07% % &’ F)B 2% >; ? ’ GH 42% . # -2% / I %5 % JA2 K" /A) 3 -" . -LM A> A D &’ /A6 JA2 M&’ . : !" # $%& ’( )* 1 - /# + ), ) $-.-& / 01 23 24 5( 63 +.7 ! (* ) 8 !3 ) $-.-& . : ;* $.& /.) 3 ;"1 )< ) /)* . ) )(1 )* $& 5= ! $-. ’( )< ) $.& $-.-& /.) ) ; )1 $ ] 1 .[ A = BCD ’( )* E ) $ )! C)D )= . $< 5= 8 ;* 53F G ; )) )H = 5H 3) I4 . ) )< = 5H E . * = JF ) ; & C)D ! #3 !3 .) ! 1 J.H & = 1 $ )! )= . 8 ;* !3 E . )) K!C !3 5 )3 ] 1 .[ ) ’5 ;&L( M ;* (4 = # ) ’ 58 ) NOP ;* . ;* ;H * ) ) ;* ;(* !3 ;-. $ M 4 = Q) * .** !3 $%) 7 ;* ; K!C 1 . )= )! ] 2 .[ )* ) 5 ;3 ;&L( 8 ( J* /.) ! (* ) ;-* ’( 01 ’( E ) R/ ) DTC ( / ! ).! , ;! . ) .** )P* ).! = KU3 ] 3 - 8 .[ 5H !" # Y. ;& . ) $ )50Z = * [P \ * ; )= $ 28 +H = $ . $ = [P # ;* ) J8 ;* ;.]M ^3" +H 01 M JF $HP = 8 !" $ D ) = )< _‘7 5H ; )= $ )< # . a A.= ) E . 2% B 4 "#$ % &’ () 6 % # 3 () +# $%b 28 K‘C c= ." $/* , ) U03) 03) 1 .) 1 J5<7 $D7 #03) J5<7 $D7 #03) J5<7 $D7 #03) [email protected] [email protected] [email protected]
Transcript of 3 #$˙ % &’ (˚ ) ˝ 6 % ˆ˙ ˝ # B ˚4 ˘2% +#...
قدرت274
كنترل برداري مستقيم. كنترل گشتاور موتور القايي در محدوده وسيع سرعت در بسياري از سيستمهاي صنعتي مورد نياز مي باشد-چكيدهو ور با انتگرالدر اين روش شار استات. در مختصات شار استاتور يكي از روشهايي است كه مي توان براي اين منظور بكار برد گيري از ولتاژ
و به سنسور سرعت نياز ندارد. جريان استاتور تخمين زده مي شود بنابراين تغييرات مقاومت. اين روش تنها به مقاومت استاتور وابسته استن مقاومت استاتور در حين در اين مقاله روشي براي تخمي. استاتور به خصوص در اثر تغيير دماي موتور مي تواند سيستم را دچار مشكل كند
بر. عملكرد موتور پيشنهاد شده است كه بر اساس خطاي شار تخميني نسبت به شار مرجع عمل مي كند در اين روش يك تخمينگر فازيو بر اساس آن مقدار مقاومت استفاده شد و گشتاور موتور تغييرات مقاومت استاتور را تخمين زده و فركانس ه در اساس خطاي شار تخميني
و ژنراتوري قادر به تخمين مقاومت مي باشد. تخمينگر شار اصالح مي گردد و در شرايط مختلف موتوري همچنين. اين روش در كليه سرعتهاو از جمله گشتاور بار صفر داراي عملكرد مطلوبي مي باشد .در گشتاورهاي بار مختلف
، موتور القائي تخمينگر فازي، تخمين مقاومت استاتور، كنترل: كليد واژه برداري مستقيم
مقدمه-1
كنترل گشتاور موتورهاي الكتريكي در محدوده وسيعو نقل سرعت در بسياري از صنايع نظير سيستمهاي حمل
درايوهاي موتور القايي به طور. الكتريكي مورد نياز استگسترده اي در اين كاربردها مورد استفاده قرار گرفته اند
مستقيم يكي از روشهاي كنترلي استو كنترل برداري كه در درايوهاي الكتريكي موتور القايي مورد استفاده قرار
].1[مي گيرد
در روش كنترل برداري مستقيم، معموال شار توسطروشهاي مختلفي. شود معادالت موتور تخمين زده مي
جهت تخمين شار وجود دارد كه اكثر آنها به سرعت موتور ترين روش جهت تخمين شار، استفاده ساده. احتياج دارند
از معادالت ولتاژ استاتور است كه در آن شار استاتور با و جريان گيري از مقادير اندازه انتگرال گيري شده ولتاژ
اين روش نيازي به سرعت. شود استاتور تخمين زده ميو تنها اندازه مقاومت استاتور را الزم دارد ].1[ندارد
د ر مورد تخمينگر شار، حساسيت به تغييرات مسأله مهم
به. مقاومت استاتور به خصوص در سرعتهاي كم است با توجهو در اينكه اندازه مقاومت استاتور وابسته به دماي موتور است
كند، بنابراين براي تخمين دقيق شار حين كار موتور تغيير ميياگي الزم است كه مقاومت استاتور به صورت دائمي اندازه ري
].2[تخمين زده شود
مسأله تخمين مقاومت استاتور نه تنها در كنترل برداريو مستقيم بلكه در بسياري از درايوهاي بدون سنسور سرعت
از اهميت ) DTC(همچنين در روش كنترل مستقيم گشتاور زيادي برخوردار است، بنابراين در اين زمينه تحقيقات زيادي
].8-3[انجام شده است
در اين مقاله، يك تخمينگر فازي جهت تخمين مقاومتشود كه بر اساس خطاي بين شار استاتور پيشنهاد مي
و شار مرجع عمل مي خطاي شار تخميني،. كند تخمينيو فركانس تغذيه به عنوان ورودي به تخمينگر گشتاور مرجعو خروجي آن تغييرات مقاومت استاتور را فازي اعمال شده
ك ند كه جهت اصالح مقاومت استفاده شده در تعيين مياين روش در شرايط كاري مختلف. تخمينگر استفاده مي شود
كنترل برداري با روش مقاومت استاتور جهت كنترل گشتاور موتور القاييگر فازيتخمين مستقيم
محمد ابراهيمي فريد شيخ االسالم اسماعيل رضائي گروه قدرتاستاديار وه كنترلگردانشيار دانشجوي دكتري قدرت دانشگاه صنعتي اصفهان دانشگاه صنعتي اصفهان دانشگاه صنعتي اصفهان
قدرت275
و در كليه سرعتها حتي در سرعت و ژنراتوري موتورياز ديگر مزاياي مهم اين روش،. صفر قابل استفاده است
قابليت تخمين در گشتاورهاي بار متفاوت از جمله گشتاور .باشد بار صفر مي
در ادامه اين مقاله، ابتدا كنترل برداري مستقيم با امتدادو تخمينگر شار استاتور بررسي خواهند يابي شار استاتور
سپس روش پيشنهادي جهت تخمين مقاومت. شدو عملكرد سيستم با استفاده از نتايج استاتور ارائه گرديده
مي شبيه .گردد سازي بررسي
يابي شار كنترل برداري مستقيم با امتداد-2 استاتور
در كنترل برداري با امتداديابي شار استاتور، معادالت ولتاژو روتور موتور القايي در مختصات مرجع منطبق استاتور
]:1[شود بر فازور فضايي شار استاتور در نظر گرفته مي
)1(dt
diRu ssxssx
ψ+=
)2(smssyssy iRu ψω+=
)3(syslr
sxsx
rs
ss
si
Ti
dtdi
TLdtd
Lω
ψψ−
′+=
′+
′1
)4(r
sysysx
s
ssl T
idt
dii
L ′+=−
′)(
ψω
)5(syse iPT ψ23
=
بلوك دياگرام سيستم كنترل برداري مستقيم استفادهدر اين. باشدمي1ه در اين مقاله مطابق شكل شد
و ولتاژ اندازه گيري شده استاتور به سيستم مقادير جرياندر اين بلوك، دامنه. بلوك تخمينگر شار ارسال مي شوند
و مؤلفه هاي جريان استاتور در و زاويه شار استاتورو به سيستم مختصات شار استاتور محاسبه مي گردند
ا بر حسب شارsxiمقدار. عمال مي شوندكنترل كنندهو با اضافه شدن به جريان دكوپله ساز مرجع محاسبه شده
. شود محاسبه ميxمقدار مرجع جريان مؤلفه محور نيز با استفاده ازyمقدار مرجع جريان مؤلفه محورو شار مرجع محاسبه مي در ادامه مقادير. گردد گشتاور
اي مرجع در مختصات شار استاتور از عبورخطاي ولتاژه
و واقعي از كنترل بدست آمده PIهاي كننده جريانهاي مرجعو سپس با استفاده از زاويه شار استاتور تخميني به مختصات
.شوند ساكن منتقل مي
و جريان در اين سيستم كنترل برداري فيدبك شار حذف شده
sxiاز. از شار مرجع محاسبه مي شود مستقيما در اين شرايط،خطاي شار تخميني نسبت به شار مرجع مي توان براي
.تخمين مقاومت استاتور استفاده كرد
تخمينگر شار استاتور-3
در كنترل برداري مستقيم، انجام صحيح كنترل برداري منوطو زاويه فازور فضائي و يا تخمين صحيح اندازه به اندازه گيري
و اغتشاش در.شار استاتور مي باشد به دليل وجود نويزو همچنين نياز به ادوات خاص، اندازه گيري سيستم واقعي
و اقتصادي نمي باشد .شار موتور كار آسان
با به جاي اندازه گيري مستقيم شار مي توان مقدار آن رايك روش ساده تخمين شار. استفاده از مدل موتور تخمين زد
و تخمين با استفاده از استاتور، استفاده از معادله ولتاژ استاتورو جريان استاتور موتور است در اين روش مؤلفه. مقادير ولتاژ
هاي دو محوري شار استاتور در مختصات ساكن، با انتگرالو جريان استاتور، طبق روابط ، قابل)8(و)7(گيري از ولتاژ
].1[محاسبه مي باشند
)7(dtiRu sDssDsD )( −= ∫ψ
)8(dtiRu sQssQsQ )( −= ∫ψ
علي رغم سادگي، اين روش به دليل استفاده كردن از انتگرالاز. گير خالص داراي مشكالتي است مهمترين مشكل ناشي
مي در ورودي انتگرالdcوجود آفست باشد گيرها
حل مشكل آفست بر در، از انتگرالdcاي گير اصالح شده كهمي]9[مرجع بلوك دياگرام اين. گردد ارائه شده، استفاده
شكل در اين بلوك به جاي. نشان داده شده است2روش درو براي انتگرال گير خالص، فيلتر پايين گذر بكار گرفته شده
شار مرجع جبران اثر فيلتر پايين گذر در فركانسهاي كم از. گردد استفاده مي
قدرت276
بلوك دياگرام كنترل برداري مستقيم با امتداديابي شار استاتور:1شكل
گير اصالح شده بلوك دياگرام انتگرال:2شكل
تخمين مقاومت استاتور با استفاده از خطاي شار-4 تخميني
، مشخص است كه براي تخمين)8(و)7(با توجه به روابطو به خصوص عملكرد پايدار در سرعتهاي كم، دقيق شار
اندازه مقاومت استاتور استفاده شده در تخمينگر شار بايد با از طرف ديگر مقاومت. مقدار واقعي مقاومت برابر باشد
درصد تغيير50استاتور بواسطه تغيير دماي موتور تا حدود و باعث بروز خطا در تخمينگر شار مي اين].2[شود كرده
خصوص در سرعتهاي كم كه افت ولتاژ روي مقاومت خطا بهاستاتور در مقابل ولتاژ استاتور قابل مالحظه مي شود،كل سيستم را و و مي تواند تخمينگر اهميت پيدا مي كند
.دچار مشكل سازد
نشان3بلوك دياگرام تخمينگر مقاومت استاور در شكلاستاتور را تخمينگر شار استاتور اندازه شار. داده شده است
و جريان استاتور تخمين مي زند با استفاده از ولتا اين.ژتخمينگر تنها به مقاومت استاتور وابسته است، بنابراين با و ولتاژ در تخمينگر شار، استفاده از مقادير واقعي جريانخطاي شار تخميني تنها ناشي از خطاي مقاومت استاتور
و از خطاي شار تخميني استفاده شده در تخمينگر مي باش د
نسبت به شار مرجع مي توان براي تخمين مقاومت استاتور.استفاده كرد
ش تخمينگر فازي مقاومت استاتور:3كل
اثر خطاي مقاومت استاتور تخميني وابسته به عالمتو فركانس تغذيه مي باشد، در نتيجه خطاي شار با گشتاور
].10] شرايط كاري موتور تغيير عالمت مي دهد توجه به symsاين تغيير عالمت وابسته به عالمت i×ωمي باشد
و به تخمينگر بنابراين عالمت خطاي شار تخميني اصالحو. فازي اعمال مي شود اندازه خطاي شار به اندازه فركانس
يت نيز گشتاور نيز وابسته است، به همين دليل اين دو كم.به عنوان ورودي به تخمينگر فازي اعمال مي شوند
ورودي اول خطاي. تخمينگر فازي داراي سه ورودي استشار تخميني است كه عالمت آن با توجه شرايط كاري موتور
و ورودي. اصالح شده است ورودي دوم اندازه گشتاور مرجعخروجي. سوم فركانس زاويه اي بردار شار استاور مي باشد
تخمينگر نيز تغييرات مقاومت استاتور است كه با و جمع كردن حاصل با مقدار اوليه، انتگرال گيري از آن
.مقاومت استاتور تخمين زده مي شود
قدرت277
نشان داده4توابع عضويت خطاي شار تخميني در شكل NL, NS ZE, PS, PL,اين ورودي داراي پنج ترم. شده است
در نظر002/0و-002/0محدوده خطاي شار بين. است مربوط به ورودي توابع عضويت5در شكل. گرفته شده است
براي اين. دوم يعني گشتاور مرجع نشان داده شده استو محدوده تغييرات بين و صفر ورودي سه ترم مثبت، منفي
و منفي در نظر گرفته شده است توابع. گشتاور مرجع مثبتعضويت استفاده شده براي اين ورودي از نوع ذوزنقه اي
سوم داراي توابع سرعت زاويه اي نيز به عنوان ورودي. استمحدوده تغييرات اين. مي باشد6عضويت مطابق شكل
سه-400و 400ورودي بين و داراي راديان بر ثانيه استو صفر است .ترم مثبت، منفي
توابع عضويت مربوط به خطاي شار:4شكل
توابع عضويت مربوط به گشتاور مرجع:5شكل
اي توابع عضويت مربوط به سرعت:6 شكل زاويه
خروجي تخمينگر، تغييرات مقاومت استاتور است كه توابعبراي خروجي. نشان داده شده است7عضويت آن در شكل
در نظر NVL, VL, NS, ZE, PS, PL, PVLهفت ترم و محدوده تغييرات آن بين -05/0و05/0گرفته شده است
با توجه به اينكه اين خروجي تغييرات مقاومت. مي باشدتاتور را تعيين مي كند براي محاسبه مقدار مقاومت اس
و با استاتور از مقدار خروجي تخمينگر انتگرال گيري شده.مقدار اوليه مقاومت استاتور جمع مي شود
توابع عضويت مربوط به خروجي7 شكل
مجموعه قوانين در مجموع شامل سي قانون مي باشد كه درن اين قوانين از اين براي تعيي. آورده شده است1جدول
واقعيت استفاده شده است كه مقدار خطاي شار وابسته بهو فركانس تغذيه است بنابراين براي. اندازه گشتاور
و همچنين در گشتاورهاي پايين براي فركانسهاي باالخطاهاي كوچك ورودي نيز خروجي بزرگ در نظر گرفته
.شده است
استاتورقوانين فازي تخمينگر مقاومت:1 جدول
msω is ZE Te N ZE P
NL NL NVL NL NS NL NL NS ZE ZE ZE ZE PS PS PL PS PL PL PVL PL
msω is not ZE Te N ZE P
NL NVL NVL NVL NS NL NL NL ZE ZE ZE ZE PS PL PL PL PL PVL PVL PVL
ينگر از جعبه ابزار فازي نرم افزار براي پياده سازي تخمMATLAB روش ممداني مورد. استفاده شده است
و براي محاسبه خروجي از روش نافازي استفاده قرار گرفته].11[سازي مركز ثقل استفاده شده است
نتايج شبيه سازي-5
با در اين قسمت نتايج شبيه سازي سيستم كنترل برداري3براي يك موتور القايي MATLABافزار استفاده از نرم
براي بررسي اثر تغيير مقاومت.گردد اسب بخار ارائه ميشكل همراه1استاتور، سيستم كنترل برداري بلوك دياگرام
7شكل. گير اصالح شده مورد استفاده قرار گرفت با انتگرالسازي سيستم را در شرايط وجود اختالف بين نتايج شبيه
و مقاومت استفاده شده در مقدار واقعي مقاومت استا توردر اين نتايج اندازه مقاومت. دهد سيستم كنترل نشان مي
اهم435/0استاتور استفاده شده در سيستم كنترل برابر
قدرت278
در نظر گرفته شده است در صورتيكه اندازه) مقدار نامي( درصد50واقعي مقاومت استاتور به دليل گرم شدن تا
و به مقدار از. اهم رسيده است625/0افزايش يافته تا قبلبه1ثانيه و تنها شار مرجع گشتاور مرجع صفر است
12 گشتاور مرجع1در ثانيه. سيستم اعمال شده است. به سيستم اعمال شده است) گشتاور نامي( متر-نيوتن
گشتاور واقعي موتور با گشتاور مرجع اعمالي مطابق شكلو اين در شرايطي متر اختالف- نيوتن2 الف حدود-7 دارد
بر4ب سرعت موتور حدود-7است كه مطابق شكل راديانو-7در شكلهاي. باشد ثانيه مي و-7ج د اندازه شار واقعي
هر چند اندازه شار واقعي. شار تخميني نشان داده شده است وبر است اختالف45/0نسبت به شار مرجع كه معادل
ت خميني اختالف نسبتا زيادي با زيادي ندارد، اما اندازه شارو شار مرجع دارد، بنابراين مي از اندازه شار واقعي توان
خطاي شار تخميني نسبت به شار مرجع براي تخمين .مقاومت استاتور استفاده كرد
و گشتاور الكتريكي موتور-7 الف گستاور مرجع
ب سرعت موتور-7
ج اندازه شار واقعي-7
شار تخمينيد اندازه-7
درصد خطا50 عملكرد سيستم كنترل برداري در شرايط وجود:7 شكل در اندازه مقاومت استاتور
سازي سيستم را در شرايط كاري نتايج شبيه8شكلو به ازاء و ژنراتوري مختلف شامل عملكرد موتوري
و زياد نشان مي در اين حالت مطابق. دهد سرعتهاي كم±180و5تم در سرعتهاي صفر، الف عملكرد سيس-8شكل
گشتاور مرجع اعمال شده. راديان بر ثانيه بررسي شده استشكل مي-8به سيستم مطابق اندازه اوليه مقاومت.باشدب
و اندازه35/0استاتور استفاده شده در سيستم كنترل اهماين مقاومت. اهم مي باشد4/0مقاومت واقعي موتور در ابتدا
شكل آن4 تا ثانيهه-8مطابق و پس از ، ثابت باقي ماندهو افزايش دما، به صورت خطي به دليل كار كردن موتور
و نهايتا بعد از اهم5/0 ثانيه به مقدار20افزايش يافته.رسيده است
و مطابق تخمينگر مقاومت استاتور از ابتدا فعال مي باشدو-8شكلهاي هو با وجود خطاي اوليه بين انداز-8ه
و مقاومت استفاده شده در سيستم كنترل، مقاومت واقعيسيستم تخمينگر به خوبي توانسته است در كليه شرايط و تغييرات آنرا كاري اندازه مقاومت استاتور را تخمين زده
در اين شرايط خطاي تخمين كمتر از يك درصد. دنبال كندو-8در شكلهاي. مي باشد و گشتاو-8ج رد تغييرات شار
همانگونه كه مالحظه مي.الكتريكي نشان داده شده استو گشتاور به گردد اين دو متغير در شرايط مختلف سرعت
و سيستم قابليت خوبي مقادير مرجع را دنبال نموده اندو ژنراتوري را دارا مي .باشد عملكرد در ناحيه موتوري
نتيجه گيري-6
ارائه تخمين مقومت استاتور جهتدر اين مقاله روشيروش پيشنهادي براي يك سيستم كنترل برداري. گرديد
موتور القايي به روش مستقيم در مختصات شار استاتور مورد از. استفاده قرار گرفت اين سيستم به دليل استفاده
تخمينگر شار استاتور به تغييرات مقاومت استاتور حساس براي تخمين مقاومت استاتور از يك تخمينگر. مي باشد
اين تخمينگر با توجه به خطاي اندازه شار. فازي استفاده شدو و باتوجه به گشتاور مرجع تخميني نسبت به شار مرجعفركانس تغذيه، تغييرات مفاومت استاتور را تخمين مي زند و مقدار مقاومت استفاده شده در تخمينگر شار را اصالح مي
و روش پيشنهادي، قادر است در محدوده وسيع.كند سرعتو ژنراتوري به خوبي مقدار واقعي براي شرايط موتوري
همچنين عملكرد سيستم. مقاومت استاتور را تخمين بزند
قدرت279
و از جمله گشتاور بار صفر براي گشتاورهاي بار متفاوت.باشد مطلوب مي
الف سرعت موتور-8
گ-8 تاور مرجعشب
ج اندازه شار واقعي-8
موتوريالكتريك گشتاورد-8
و مقاومت تخمينياستاتوره اندازه مقاومت واقعي-8
و درصد خطاي مقومت استاتور تخميني-8
عملكرد تخمينگر مقاومت استاتور اصالح شده در شرايط كاري8 شكل مختلف
مراجع[1] P. Vas, Sensorless Vector and Torque Control,
New York, Oxford University Press, 1998. [2] J. Holtz and J. Quan, “Drift and Parameter
Compensated Flux Estimator for Persistent Zero Stator Frequency Operation of Sensorless
Controlled Induction Motors”, IEEE IAS Annual Meeting, pp. 1687-1694, 2002.
[3] H. Kubota and Y. Tamura, “Stator Resistance Estimation for Sensorless Induction Motor Drives under Regenerating Condition”, IEEE-IECON02, Vol.1, pp. 426-430, 2002.
[4] M. Tsuji and S. Chen and K. Izumi and E. Yamada, “A Sensorless Vector Control System for Induction Motors Using q-Axis Flux with Stator Resistance Identification”, IEEE Trans. Ind. Elec., Vol. 48, No. 1, pp. 185-194, 2001.
[5] V. Vasic and S. Vukosavic, “Robust MRAS-Based Algorithm for Stator Resistance and Rotor Speed Identification”, IEEE Power Engineering Review, pp. 39-41, 2001.
[6] M. Boussak and K. Jarray, “A New Stator Resistance Estimation Method for High Performance Stator-Flux Oriented Sensorless Induction Motor Drives”, IEEE-IECON02, Vol. 1, pp. 311-316, 2002.
[7] S. Mir and M. Elbuluk and D. S. Zinger, “PI and Fuzzy Estimator for Tuning the Stator Resistance in Direct Torque Control of Induction Machines”, IEEE Trans. Power Elec., Vol. 13, No. 2, pp. 279-287, 1998.
[8] B. K. Bose and N. R. Patel, “Quasifuzzy Estimation of Resistance of Induction Motor”, IEEE Trans. Power Elec., Vol. 13, pp. 401-409, 1998.
[9] T. Ohtani and N. Takada and K. Tanaka, “Vector Control of Induction Motor without Shaft Encoder”, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol.28, No. 1, pp. 157-164, 1992.
تخمين مقاومت" رضايي،و اسماعيلابراهيميمحمد]10[استاتور در كنترل برداري مستقيم جهت كنترل دقيق
، مجله"گشتاور موتور القايي در شرايط كاري مختلفو مهندسي مدرس، دانشگاه تربيت مدرس، پذيرش فني
قطعي
[11] A. Zilouchian and M. Jamshidi, Intelligent Control Systems Using Soft Computing Methodologies, CRC Press, 2001.
