APJES I-II (13) 5-57 Bulanık Mantık Dntlyici il Doğrudan Momnt Dntim Yöntmi Uygulanan Ankron Motorun Hız Dntim Prformanının İnclnmi * 1 Hakan Açıkgöz v Mutafa Şkkli * 1 Kili 7 Aralık Ünivriti, Kili Mlk Yükkokulu Elktrik Programı Bölümü K.Maraş Sütçü İmam Ünivriti, Mühndilik Fakülti, Elktrik-Elktronik Mühndiliği Bölümü *Corrponding author: Addr: Dpt. of Elctrical Scinc, Kili Vocational High School, Kili 7 Aralik Univrity, 79 Kili, TURKEY. E-mail addr: hakanacikgoz@kili.du.tr, Phon: +93 1 6 66 Özt Bu çalışmada, Doğrudan momnt dntim (DMD) yöntmi uygulanan üç fazlı bir ankron motorun hız dntim çalışmaı MATLAB/Simulink pakt programı yardımıyla grçklştirilmiştir. Bu dntim yöntmind, klaik PI dntlyici v bulanık mantık (BM) dntlyici ankron motorun hız dntim ünitin uygulanmıştır. BM dntlyici MATLAB/Simulink-Fuzzy Logic Toolbox yardımıyla taarlanmıştır. Hr iki dntlyici için aynı koşullar altında bnztim çalışmaları grçklştirilmiştir. Klaik PI dntlyiciindn v BM dntlyiciindn ld diln onuçlar, dğişik hız rfranlarını izlm, yük momnti v paramtr dğişimlri gibi bozucu tknlr gör inclnmiş v karşılaştırılmıştır. Eld diln imülayon onuçlarına gör BM dntlyicinin klaik PI dntlyiciy gör daha iyi hız v momnt cvabı vrdiği gözlmlnmiştir. Anahtar Klimlr: Ankron Motor, Doğrudan Momnt Dntimi, PI Dntlyici, Bulanık Mantık Dntlyici Abtract In thi tudy, Simulation tudi ar ralizd for pd control of dirct torqu controlld induction motor via MATLAB/Simulink. In thi control tchniqu, th convntional PI controllr and fuzzy logic controllr ha bn applid, to pd control unit of induction motor. Fuzzy logic controllr i dvlopd uing MATLAB/Simulink Fuzzy Logic Toolbox. Simulation tudi ar implmntd for both of th controllr undr am condition. Th rult obtaind from convntional PI controllr and fuzzy logic controllr ar analyzd and compard according to diturbanc ffct uch a tracing diffrnt rfrnc pd, load torqu and paramtr variation. According to obtaind imulation rult, it i obrvd that fuzzy logic controllr provid bttr pd and torqu rpon than PI controllr. Ky word: Induction Motor, Dirct Torqu Control, PI Controllr, Fuzzy Logic Controllr 1.Giriş Ankron motorlar; yükk vrim, az bakım itmi, düşük ürtim maliytlri, bait v dayanıklı yapıları ndniyl ndütrid n çok kullanılan lktrik motorlardır. Birçok ütünlüğün rağmn ankron motorların rotor argıları, tator argılarına gör Doi:1.555/apj.13.357
Hakan Açıkgöz / APJES I-II (13) 5-57 51 harkt ttiği için dinamik dvr modllri, doğrual olmayan, zamanla dğişn yükk drcli difraniyl dnklmlr içrn karmaşık bir yapıya ahiptir. Bundan dolayı ankron motorların dvr modllrinin çözümü zor v karmaşıktır. Yakın gçmiş kadar gnl olarak ndütrid, hız dntimlrinin kolayca yapılabilmi ndniyl rbt uyartımlı doğru akım motorları trcih dilmiştir. Fakat rbt uyartımlı doğru akım motorlarının komütatör v fırça yapıı, motorun hm blirli aralıklarla bakım grkinimin hm d fırça kollktör tmaı ndniyl hr ortamda kullanılmamaına ndn olmaktadır [1-3]. Son yıllarda, mikroişlmcilr v güç lktroniği dvr lmanlarındaki hızlı ilrlmlr, ankron motorların daha kolay dntlnmlrini ağlamıştır. Yapılan çalışmalar daha gliştirilrk ankron motorların rbt uyartımlı doğru akım motorları gibi dntlnbilcği vktör dntim yöntmi ortaya çıkmıştır. Vktör dntimi ilk olarak 1971 yılında Blahck [] tarafından ilri ürülmüştür. Ankron motorlarda momnt v akı birbirin bağımlıdır. Momntin v akının birbirindn bağımız olarak dntlnbilcği birbirin dik iki akım bilşnin ihtiyaç vardır. Vktör dntim yöntminin amacı, momnt v akı araındaki kntlnm tkiini ortadan kaldırarak momnt v akının birbirindn bağımız olarak dntlnmidir. 196 yılında Takahahi [5] tarafından önriln (DMD) yöntmind i, motorun grçk akı v momntinin, rfran akı v momnt trafındaki hitrzi bant içriind birbirindn bağımız olarak dntlyrk bir anahtarlama diziinin, viricidki güç anahtarlarına uygulanmaına dayanır. DMD yöntimi bait yapılı, dayanıklı v yükk dinamik cvaba ahip bir yöntmdir. DMD yöntmi ortaya çıktığından bri, bu yöntmin prformanını arttırmak için birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalardan biri d BM dntlyici tkniğidir. 1965 yılında Lotfi A.Zadh tarafından ilri ürüln bu tknik birçok alanda başarılı bir şkild uygulanmaktadır. BM dntlyici taarımı, itmin matmatikl modlin grkinim duymadığı için uzman kişinin bilgi v bcrilrindn grçklştirilbilir [6]. Bu çalışmada DMD yöntmi uygulanan bir ankron motorun BM dntlyici il hız dntim prformanı inclnmktdir. Ankron motorun hız dntim ünitin BM dntlyici v klaik PI dntlyici uygulanmış v dntim prformanları karşılaştırılmıştır. İkici bölümd DMD yöntminin gnl özlliklri v bnztim çalışmaı vrilmiştir. Üçüncü bölümd i BM dntlyicidn v klaik PI dntlyicidn ld diln bnztim çalışmaı onuçları vrilmiştir. Dördüncü bölümd, imülayon çalışmalarından ld diln onuçlar dğrlndirilmktdir.. Doğrudan Momnt Dntim Yöntmi DMD yöntminin taarımı bait v pratiktir. Bu yöntmd tator akı vktörünün, uygun grilim vktörlri çilrk itniln hızda harkt ttirilmi amaçlanmaktadır. Stator vktör açıının doğru bir şkild blirlnmi bu yöntmin yükk başarımla grçklştirilmini ağlamaktadır. DMD yöntmi uygulanan ankron motrorun momnt dnklmi aşağıda vrilmiştir. T 3 P L Lm r in L r (1) Burada, α rotor v tator akı vktörlri araındaki açıyı, r v rotor v tator akıını, P çift kutu ayıını, L, Lr, Lm tator, rotor v ortak ndütanı ifad tmktdir. Dnklm 1 d görüldüğü gibi ankron motor tarafından ürtiln momntin dğri, tator v rotor akı vktörlri araındaki açıya, tator v rotor akı dğrlrin bağlıdır. Dnklm d ankron motorun tator grilimi vrilmiştir. V d ir dt () V R I ) ( (3) Stator argı dirnci üzrindki omik grilim düşümü ihmal dilir bu durumda dnklm ld dilir. V dt ()
Hakan Açıkgöz / APJES I-II (13) 5-57 5 Dnklm d görüldüğü gibi tator akı vktörü, tator griliminin intgralidir v bu grilim vktörünün şiddti v yönü doğrultuunda harkt dr. Bu bölümd Doğrudan momnt dntim yöntminin grçklştirilbilmi için MATLAB/Simulink blokları il hazırlanan bnztim modli hazırlanmıştır. Grçklştiriln bnztim modli Şkil 1 d götrilmiştir. N* N* N Momnt* Aki* Momnt* Aki* V_abc I_abc S1,6 DTC v Anahtarlama Tablou S1,6 İnvrtr 1/z Va Vb Vc V_abc Va I_abc Vb VA VB Vc VC Akim Grilim Olcumu Tm Tm Tm A m B C Ankron Motor Iabc m N Tm dmux 1/z 1/z Şkil 1. Doğrudan momnt dntimli ankron motorun MATLAB/Simulink modli Şkildn d görüldüğü gibi bnztim modli, hız dntlyici, anahtarlama tablou, akım-grilim ölçümlri, virici v ankron motor modlindn oluşmaktadır. Ankron motorun modllnmind d- q modli kullanılmıştır. DMD yöntmind tator akımı, grilimi v tator dirnci yardımı ayind tator akıı v momnt tahmini yapılarak, rfran akı v momnt dğrlriyl karşılaştırılır. Eld diln bu akı v momnt hataları hitrzi bloklarına uygulanır. Şkil v 3 t akı v momnt için kullanılan hitriz karşılaştırıcılar vrilmiştir. Bu hitrzi bloklarında akı v momnt bant gnişliklri tanımlanır. Bu bant gnişliklri il akı v momntin haplanmış dğrlrinin, rfran dğrlrindn apma miktarı blirlnir. Hitrzi blokların çıkış bilgii v tator akıının konum bilgii ayind, tablo 1 d vriln anahtarlama tabloundan n uygun grilim vktörlri çilrk viriciy uygulanır. Bu şkild akı v momnt dntimi yapılmış olur. Şkil t grilim vktörlri vrilmiştir. ψ* + - ψ λ +1 1 dλ Şkil. İki viyli akı hitrzi bant dntiminin blok diyagramı T rf + - T +1 1-1 T dt Şkil 3. Üç viyli momnt hitrzi bant dntiminin blok diyagramı
Hakan Açıkgöz / APJES I-II (13) 5-57 53 kabul dilir. Üç viyli momnt hitrzi karşılaştırıcının çıkışı dt aat yönünün tri vya pozitif dönüş yönü için, V 3 (1) V (11) Q V (11) V 1 (1) V V () 7 D 1, T T rf T d (6), T T rf T Saat yönü vya ngatif dönüş yönü için, aşağıdaki şklind tanımlanır [5-1]. V (1) V (11) 5 6 Şkil. Grilim vktörlri Tablo 1. Optimum Anahtarlama Tablou -1, T T rf T d (7), T T rf T d dt Sct.1 Sct. Sct.3 Sct. Sct.5 Sct.6 1 V (11) 1-1 V6 (11) 1 V3 (1) V () -1 V5 (1) V3 (1) V () V1 (1) V (11) V6 (11) V (11) V (11) V5 (1) V () V1 (1) V5 (1) V () V3 (1) V6 (11) V (11) V6 (11) V (11) V1 (1) V () V3 (1) V1 (1) V () V5 (1) V (11) V (11) Akıda bir artma grkli i d=1, azalma grkiyora d= kabul dilir. İki viyli akı d hitrzi karşılaştırıcıının çıkışı aşağıdaki gibi tanımlanır. 1, rf d (5), rf Momntt bir artma grkli i dt =1, azalma grkli i dt=-1, bir dğişiklik grkmiyora dt=.1 Bulanık Mantık Dntlyici BM dntlyici, dinamik bir itmin matmatikl modli yrin, dill dğişknlr içrn, bulanık kurallarla tanımlanan v uzman dnyimiyl oluşan bir itmdir. BM dntlyici bulanıklaştırıcı, bulanık kural tabanı, durulattırıcı v bulanık çıkarımdan oluşan dört ana birimdn oluşur. Bulanıklaştırıcı Bulanık Kural Tabanı Bulanık Çıkarım Şkil 5. BM dntlyici tml yapıı Durulaştırıcı Girişlr üylik fonkiyonlarıyla dğrlndirilrk bulanıklaştırılır. Sçiln çıkarım yöntmin gör v kural tabanından faydalanılarak çıkarım yapılır. Eld diln onuçlar durulaştırılarak klaik ayı halin dönüştürülür [13].
Hakan Açıkgöz / APJES I-II (13) 5-57 5 FUZZY LOGIC CONTROLLER ANTI WINDUP INTEGRATOR motorun imülayonda kullanılan paramtrlri tablo 3 d vrilmiştir. d T Şkil 6. Bulanık mantık dntim itmi -1 µ () + T max T T max Unit Dlay NB NM NS 1 Z PS PM PB -. -.6 -. -....6. 1 Şkil 7. Girişlr v çıkış için üylik fonkiyonları Tablo. Bulanık mantık dntim kuralları d NB NM NS Z PS PM PB NB NB NB NB NB NM NS Z NM NB NB NM NM NS Z PS NS NB NM NS NS Z PS PM Z NB NM NS Z PS PM PB PS NM NS Z PS PS PM PB PM NS Z PS PM PM PB PB PB Z PS PM PB PB PB PB Şkil 6 da götriln BM dntim itminin çıkışına anti-windup intgrator bağlanarak ürkli durum hataının oluşmaı ngllnir. Bu çalışmada NS: Ngatif Küçük, NM: Ngatif Orta, NB: Ngatif Büyük, Z: Sıfır, PS: Pozitif Küçük, PM: Pozitif Orta, PB: Pozitif Büyük olmak üzr 7 özl dğişkn kullanılmıştır v şkil 7 d vrilmiştir. Bu özl dğişknlr 77 lik toplam 9 kural il tanımlanmış v tablo d götrilmiştir. 3. Bnztim Çalışmaı Sonuçları DMD yöntmi uygulanan ankron motorun hız dntim ünitin BM dntlyici v klaik PI dntlyici uygulanmıştır v MATLAB/imulink pakt programı yardımıyla oluşturulmuştur. Ankron T Tablo 3. Ankron Motorun Paramtrlri Paramtr Dğr Stator Dirnci (R ).31Ω Rotor Dirnci (R r).9ω Çift Kutup Sayıı (P) Stator Endüktanı (L ).599H Rotor Endüktanı (L r).599h Eylmizlik Momnti (J).19kg-m Ortak Endüktanı (L m).577h Sürtünm Faktörü (B).63 Bu kıımda doğrudan momnt dntim yöntmi uygulanan ankron motorun hız dntim başarımı inclnmiştir. Şkil (a) da motor yüküz durumda ikn motor hızının abit 175 d/dk lık rfran hızı izlm başarımı götrilmiştir. BM dntlyici aşma yapmadan rfran hızı başarılı bir şkild izlrkn PI dntlyici yaklaşık olarak %5 lik bir aşma il rfran hız izlmktdir. Hr iki dntlyicid d motor hızı, arzu diln hızı ürkli durum hataı olmakızın başarılı bir şkild izlmktdir. Şkil (b) v (c) d i BM dntlyicidn v PI dntlyicidn ld diln momnt dğişimi görülmktdir. Momnt grafiklrin dikkat dilir, motorun adc rfran hıza ulaşma üri içind yükk dğrd momnt ürttiği bunun dışında ürkli durumda adc kayıpları karşılayacak kadar bir momnt ürttiği görülmktdir. Hiz (rpm) 16 1.6.7..9.1.11 Bulanık Mantık Rfran PI (a)
Hakan Açıkgöz / APJES I-II (13) 5-57 55 6 Momnt (Nm) Momnt (Nm) - - - (b) - (b) 6 Momnt (Nm) Momnt (Nm) - - - (c) Şkil. Doğrudan momnt dntimi için 175 d/dk baamak hızda v yüküz durumda ld diln onuçlar a) Hız b) BM dntlyici il ld diln momnt cvabı c) PI dntlyici il ld diln momnt cvabı - (c) Şkil 9. Doğrudan momnt dntimi için abit baamak hızlarda v yüküz durumda ld diln onuçlar a) Hız b) BM dntlyici il ld diln momnt cvabı c) PI dntlyici il ld diln momnt cvabı 16 16 Hiz (rpm) 16 Hiz (rpm) 1.6.7..9.1.11.7.79..1..3..6.7..9.1.11.39..1..3..5....6..9 Bulanık Mantık Rfran PI (a) Bulanık Mantık Rfran PI (a)
Hakan Açıkgöz / APJES I-II (13) 5-57 56 Momnt (Nm) 6 dntlyici il yaklaşık olarak %3 düştüğü, BM dntlyici il i %.6 düştüğü v hızlı bir şkild toparlanarak rfran hızı başarılı bir şkild izldiği görülmktdir. Şkil 1(b) v 1(c) d i klaik PI v BM dntlyiciindn ld diln momnt dğişimi görülmktdir. Şkildn d görüldüğü gibi motor yük bindirilmdn adc kayıpları karşılamak için momnt ürtmktdir. Yük bindirildiktn onra yükü v kayıpları karşılayacak bir momnt ürtmiştir. Momnt (Nm) - 6 (b) - (c) Şkil 1. Doğrudan momnt dntimi için 3 rad/n abit hızda v t=, n dn itibarn 3 N.m yüklü durumda ld diln onuçlar a) Hız b) BM dntlyici il ld diln momnt cvabı c) PI dntlyici il ld diln momnt cvabı Şkil 9 da motor başlangıçtan itibarn yüküz durumda ikn motor hızının 175/19/15 d/dk lık dğişik abit rfran hızları izlm başarımı götrilmiştir. Şkil (a) da motor hızı v rfran hızın dğişimlri vrilmiştir. Şkildn d görüldüğü gibi klaik PI dntlyici aşma yaparkn BM dntlyici bütün hızları aşma yapmadan başarılı bir şkild izlmktdir. Şkil (b) v (c) d i momnt dğişimlri görülmktdir. Yin şkildn d görüldüğü gibi motor rfran hızlara glindiğind çok hızlı cvap vrrk adc kayıpları karşılayacak kadar momnt ürtmktdir. Şkil 1 da Motor hız 175 d/dk abit hızlıdır. Motor başlangıçta yüküz durumdadır. t=. n d motora 3 N.m lik yük bindirilmktdir. Yük bindirilincy kadar motor nominal dvrind dönmkt, motor boşta çalıştığından ıfıra yakın dğrd bir momnt ürtrk şbkdn adc boşta çalışmayı karşılayacak dğrd bir akım çkmktdir. Şkil 1(a) da motora yük bindirildiği andan itibarn motor hızının PI. Sonuçlar Bu çalışmada doğrudan momnt dntim yöntmi uygulanan bir ankron motorun dntimi MATLAB/ Simulink pakt programında hazırlanmıştır. Ankron motorun hız dntim ünitin klaik PI v BM dntlyicii uygulanmıştır. Hr iki dntlyicidn ld diln hız v momnt cvapları karşılaştırılmalı olarak vrilmiştir. Eld diln imülayon onuçlarına gör BM dntlyicidn ld diln hız cvabının yükl zamanı, yrlşm zamanı v aşma bakımından PI dntlyicidn daha iyi onuç vrdiği gözlmlnmiştir. Ayrıca BM dntlyicidn ld diln momnt dalga şklinin daha düzgün v dalgalanma bandı daha düşüktür. 5. Kaynaklar [1] Sn, P. C., 199. Elctric Motor Driv and Control Pat Prnt, and Futur, IEEE Tranaction on Indutrial Elctronic, Vol.37, No.6, 56-575. [] Bo, B. K.,. Modrn Powr Elctronic and AC Drivr, Prntic Hall, Nw Jry. [3] Ho, E.Y.Y. and Sn, P. C., 19. Dcoupling Control of Induction Motor Drivr, IEEE Tranaction on Indutrial Elctronic, Vol.35, No., 53-6. [] Blachk, F., 1971. A Nw Mthod for th Structural Dcoupling of AC Induction Machin, In Conf. Rc. IFAC, Duldorf, Grmany, Oct. pp. 1-15. [5] Takahahi, I. and Noguchi, T., 196. A Nw Quick-Rpon and High Efficincy Control Stratgy of an Induction Motor, IEEE Tranaction on Indutry Application, Vol.IA-, No.5, -7. [6] L. A. Zadh, fuzzy t, Inform, Control, Vol., 1965, pp.33-353 [7] T. G. Habtlr, F. Profumo, M. Patorlli, and L. M. Tolbrt, Dirct Torqu Control of Induction
Hakan Açıkgöz / APJES I-II (13) 5-57 57 Machin uing Spac Vctor Modulation, in IEEE Tranaction on Indutry Application. Volum:, Iu: 5, 199, pp. 15 153. [] R. Toufouti and H. Bnalla, Dirct torqu control for induction motor uing fuzzy logic, in ACSE Journal. Volum: 6, Iu:, 6. pp.19-6. [9] Bakan, A.F.,. Ankron Motorda Doğrudan Momnt Kontrolünün İnclnmi v Gliştirilmi, Doktora Tzi, Y.T.Ü Fn Bilimlri Entitüü, İtanbul. [1] Gündoğdu A., Ankron Motorlarda Momnt Dalgalanmalarının Sinirl Bulanık Ağlar il Azaltılmaı Elktrik-Elktronik Mühndiiği Ana Bilim Dalı Doktora Tzi, Fırat Ünivriti Fn Bilimlr Entitüü, Elazığ, 1 [11] Açıkgöz H., Vktör Dntim Yöntmi v Doğrudan Momnt Dntim Yöntmi Uygulanan bir Ankron Motorda Hız Dntim Prformanının Karşılaştırılmaı, Elktrik Eğitimi Ana Bilim Dalı Yükk Lian Tzi, Fırat Ünivriti Fn Bilimlri Entitüü, Elazığ,. [1] M. Baihan, L. Haihua, Z. Jinping, Study of Fuzzy Control in Dirct Torqu Control Sytm, Intrnational Confrnc on Artificial Intllignc, 9 [13] Ro, T. J., 1995. Fuzzy Logic with Enginring Application, McGraw-Hill Inc., ISBN -7-53917-.