The speed control of induction motor with fuzzy logic based vector control used in a wind energy conversion system
Rüzgar enerjisi dönüşüm sisteminde kullanılan bir asenkron motorun bulanık mantık tabanlı vektör kontrolü ile hız kontrolü
- Tez No: 725948
- Danışmanlar: PROF. DR. LALE ERGENE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Fosil yakıt uygulamalarının istenmeyen çevresel etkileri, temiz ve yüksek verimli enerji üretimi alternatiflerine yönelmeye sebep olmuştur. Rüzgar enerjisi, evrensel olarak yaygın ve hızlı bir büyüme gösteren, çevreyle uyumlu enerji üretmek için uygun bir kaynak olarak kabul edilmiştir. Rüzgar türbinleri, rüzgardan elde edilen kinetik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürür ve bir generatör aracılığıyla mekanik güç, elektrik enerjisine dönüştürülür. Rüzgar hızı, hava yoğunluğu ve süpürülen alan, rüzgardan elde edilen enerji miktarını etkileyen temel faktörler olarak bilinir. Tezde asenkron motorun hız kontrolü, daha yaygın vektör kontrol yöntemleri kullanılarak derinlemesine incelenmiş ve benzetimleri yapılmıştır. Bu tezde elde edilen sonuçlar, rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinde (REDS) test çalışmaları ve uygulamalarında geliştirilebilir. Asenkron motorlar rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri gibi uygulamalarda işletimdeki sağlamlık, düşük maliyet ve yüksek güvenilirliği gibi özelliklerinden dolayı hız kontrolü yapmak amacıyla uygun bir alternatiftir ve sıkça tercih edilir. Asenkron motorların diğer önemli özelliği, değişken hızlarda çalışabilme ve kontrol edilebilmesidir. Asenkron motor hız kontrolü amacıyla skaler ve vektörel yöntemler dahil olmak üzere çeşitli kontrol stratejileri literatürde önerilmiştir. Skaler yöntem, gerilimi ve frekansı sabit oran olarak doğrudan koruyarak makineyi kontrol etme yöntemidir. Diğer iki baskın vektörel hız kontrol yöntemleri ise, Alan Yönlendirme Kontrol (AYK) ve Doğrusal Tork Kontrolü (DTK) yöntemleridir. AYK, geniş bir hız aralığında işlevselliğe sahip yüksek performanslı motorlar için geliştirilmiştir. Akım regülatörü yüksek tork ve akı büyüklüğü hatalarına neden olduğundan dinamik performansı düşüktür. Bununla birlikte, kararlı hal ve geçici işlemlerde de doğru kontrol yapar ve sınırlı bant genişliği, matematiksel modelinden bağımsızdır. Hızlı dinamik tork tepkileri ve akı ve torkun ayrı kontrol yapıları bu kontrolün önemli özellikleri olarak kabul edildiğinden, DTK ise zaman içinde büyük önem kazanmıştır. DTK tabanlı bir sürücü, bir anahtarlama tablosunu kullanarak sürücü anahtarlama durumlarını seçtiğinden, akım kontrolörüne gerek yoktur. Bu nedenle, DTK, anlık hatalarına göre akı ve torku ayrı ayrı kontrol eden basit ve verimli bir yöntem olarak kabul edilir. DTK, stator akısını ve torku önceden belirlenmiş bir bant içinde tutarak, uygun stator gerilim vektörlerinin seçilmesi stratejisidir. Kullanılan histerizis kontrol sistemlerinin davranışına göre, daha büyük ve daha küçük tork hatası değerleri arasında kontrol performansında bir fark yoktur. Bu nedenle tork hata bölgesini farklı aralıklara bölmek ve her bölüm için farklı kontrol gerilim vektörleri vermek uygundur. Dolayısıyla doğrusal ve geleneksel yöntemler, sistemlere uygun kontrol sağlamak için yetersiz görünmektedir. Bu nedenle, doğrusal olmayan akıllı kontrolörlerin kullanımı, karmaşık matematiksel denklemlere gerek kalmadan sistemin davranışını tahmin edebilen ve uygun kontrol sağlayan oldukça verimli bir çözüm sunmaktadır. Ayrıca, tork dalgalanmaları nedeniyle rotor hızı değişkenlik gösterir. Bu nedenle, tork dalgalanmalarını azaltmak için uygun bir akıllı kontrol yöntemi kullanılabilir. Bulanık mantık kontrolcüleri (BMK) bu akıllı kontrol yöntemleri arasında sıklıkla tercih edilmektedir. AYK ve DTK ile birlikte BMK olarak bilinen akıllı kontrol tekniklerinin uygulanması, sistemin hız kontrolünü iyileştirmek için geliştirilmiştir. Ayrıca BMK, tasarım sürecine insan sezgisini dahil etme yeteneği nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Temel yapısı ve bir ayarlama süreci, doğrusal olmayan fonksiyon sisteminin basit bir mantıksal yapı ve çıkarım mekanizması aracılığıyla ele alınmasına dayanmaktadır. Ek olarak, BMK'ye dayalı AYK ve DTK yaklaşımının amacı, düşük dalgalı ve yüksek performanslı bir karakteristiğe ulaşmaktır. Varsayılan hataların daha küçük alt bölümlere ayrılması, bu dalgalanmaların önemli ölçüde azalmasına neden olur. Bu nedenle, daha doğru bir gerilim vektörü seçilebilir ve tork ve akı bağlantı hataları en aza indirgenebilir. Hız döngüsü regülasyonu, klasik oransal-integral (PI) regülatöre kıyasla üstün performans veren BMK tarafından gerçekleştirilmiştir. Kontrolcünün tasarımı, motorun herhangi bir matematiksel denklemi olmaksızın sadece öğrenmeye dayanmaktadır. Kullanılan BMK için yönetilen kurallar, hata sinyalinin dinamik davranışına dayalı olarak tasarlanmıştır. BMK, asenkron motor tarafından talep edilen gerekli tork ve akı ihtiyacını karşılamak amacıyla evirici için optimum anahtarlama durumunu seçerek hassas kontrol sağlar. AYK ve DTK ile karşılaştırıldığında hem bulanık alan yönlendirmeli kontrol (BAYK) hem de bulanık doğrusal tork kontrolü (BDTK), geçici performans, hız kontrolü ve tork ve akı dalgalanmaları açısından daha uygun ve doğru kontrol yöntemleri olarak önerilmektedir. Sonuç olarak, MATLAB tabanlı benzetim çalışmaları ile varsayılan yöntemin etkili ve verimli performansı doğrulanmıştır. Algoritma, yük ve tork değişimi altında asenkron motorunun hızını kontrol etme yeteneğine sahiptir. Tezin bölümleri şu şekilde düzenlenmiştir: Bölüm 1, tezin amacı, literatür taraması ve hipotezi içeren girişe ayrılmıştır. Bölüm 2, bir rüzgar türbini ve çalışma prensipleri ile ilgilidir. Bu bölüm, asenkron makineler kullanan küçük ölçekli rüzgar türbinleri için kontrol yöntemlerini incelemektedir. Bölüm 3'de, asenkron motorun çalışma ilkesi ve hız kontrol yöntemleri anlatılmaktadır. Bölüm 4, önerilen vektör kontrol yöntemlerinin performans analizi ve bilgisayar tabanlı benzetim çalışmaları kullanılarak bulanık mantık kontrolünün katkıları hakkındadır. Bölüm 5, referans asenkron motorun eşdeğer devre parametrelerinin belirlenmesi için yapılan deneysel çalışma sonuçlarına ayrılmıştır. Bölüm 6' da AYK, DTK, BAYK ve BDTK dahil olmak üzere hız kontrol yöntemlerinin MATLAB simülasyon sonuçları sunulmuştur. Bölüm 7 ise, benzetim sonuçlarının karşılaştırılması, sonuçların ve önerilerin sunulmasına ayrılmıştır.
Özet (Çeviri)
The undesirable environmental effects of the enormous fossil fuels usage lead the researchers to find clean and high efficient energy alternatives. Wind power has been recognized as an appropriate source to generate environmentally compatible energy, which universally has widespread and quick growth. Wind turbines transform the extracted wind kinetic energy into mechanical energy and a generator can change the mechanical power into electricity. Wind speed, air density, and swept area are known as the key factors to modify the amount of obtained wind energy. Since DC motors are expensive, bulky, and require frequent maintenance, the IMs become appropriate substitutions in WTEs. Also, robustness in operation, low cost, and high reliability of IMs have converted them into the most efficient functional drives. IMs are known as the most broadly applied machines in the industry due to their robust performance, brushless structure, and reliable specifications. The other important feature of IMs is the ability to operate and control at variable speeds. Over the past years, several control strategies are proposed for the speed controlling of IMs including the scalar and vector methods. The scalar method controls the machine by directly maintaining the voltage and the frequency as a constant ratio. The other two dominant speed vector control technologies are known as Field Oriented Control (FOC) and Direct Torque Control (DTC). FOC is developed for high-performance motors with functionality over a wide speed range. Since the current regulator causes high torque and flux magnitude errors, it has a low dynamic performance. However, it also makes precise control in steady-state and transient operations and is independent of the limited bandwidth mathematical model. Their fast dynamic torque responses and separate flux and torque control feature are considered the significant characteristics of the DTC. Since the DTC scheme determines the inverter switching states by using the switching table, the current controller is not required. Therefore, DTC is considered a prominent, simple, and efficient method that controls flux and torque separately based on their instantaneous error values. The DTC is an appropriate stator voltage vector choosing strategy to keep stator flux and torque in a defined range. According to the behavior of the utilized hysteresis control systems, there is no difference in control performance between larger and smaller values of the torque error. Thus, it is suitable to divide the torque error region into different intervals and give voltage vectors for each section. So, linear and traditional methods appear insufficient to provide a suitable control algorithm for the systems. Therefore, the use of non-linear intelligent controllers offer a highly efficient solution that can predict the system's behavior without requiring complex mathematical equations. Moreover, due to the current and the torque ripples, the rotor speed experiences some variations. Thus, using an intelligent control method in reducing the ripples is to apply the fast error limiters known as fuzzy logic controllers (FLC). The application of intelligent control techniques known as FLC along with FOC and DTC has been developed to provide improvement in the speed control of the motor. Furthermore, FLC has obtained great attention due to its ability to incorporate human intuition in the design process. The principle and a tuning procedure are based on handling the nonlinear function system through a simple logical structure and inference mechanism. Additionally, the intention of the FOC and DTC approach based on FLC is to achieve low-ripple high-performance specifications. The division of the supposed errors into smaller subsections cause these ripples to be significantly reduced. Hence, the selection of a convenient voltage vector leads to the less torque and flux linkage errors. The speed loop adjustment by using FLC is providing an extreme performance compared to that of the classic proportional-integrator (PI) regulator. The design of the controller is based on experience with no mathematical equations of the motor. The governed rules for the utilized FLC were designed relying on the dynamic behavior of the error signal. FLC provides accurate control via choosing the optimal switching state of the voltage source inverter (VSI) to meet the required torque and flux demanded by the IM. Compared to the FOC and DTC, both FFOC and FDTC are suggested as more appropriate and accurate controlling methods, which represent fast transient performance, quick speed control, and a substantial decrease in current, torque, and flux ripples. Consequently, the robust performance of the assumed technique is verified through MATLAB-based simulation studies. The algorithm can control the speed of the IM under the load and torque variation. Chapters of the thesis are organized as follows: Chapter 1 is related to the introduction, which includes the important aim of the thesis, literature review, and hypothesis. Chapter 2 is allocated to a wind turbine and operational principles. This chapter investigates control methods for small-scale wind turbines using induction machines. Chapter 3 is dedicated to the speed control of IM and related equations. Chapter 4 is about the vector control methods for speed control, also the performance analysis of the proposed vector control schemes and their contribution with FLC using computer-based simulation studies. Chapter 5 is devoted to the determination of the reference IM parameters. Chapter 6 is related to the simulation results of the speed control methods including FOC, DTC, FFOC, and FDTC. Chapter 7 is dedicated to the conclusions and recommendations.
Benzer Tezler
- Matris konverterden beslenen altı fazlı asenkron motorun bulanık mantık tabanlı hız kontrolü
Fuzzy logic based speed control of six phase induction motor fed by matrix converter
GİZEM UÇAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABUZER ÇALIŞKAN
- Bulanık mantık tabanlı histerezis band PWM kullanılarak tek fazlı asenkron motorun hız kontrolü
Speed control of single-phase induction motor using fuzzy logic based hysteresis band PWM
ECE YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ÖZDEMİR
- Doğrusal hareketli asenkron motor hız kontrolünün bulanık mantık tabanlı skalar kontrol yöntemi ile gerçekleştirilmesi
Implementation of fuzzy logic based scalar control method for the speed control of linear induction motor
MEHMET ALİ USTA
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADEM SEFA AKPINAR
- Bilezikli asenkron makinaların bilezikleri üzerinden bulanık mantık tabanlı hız denetiminin TMS320F2812 DSP ile gerçekleştirilmesi
The implememtation of a fuzzy logic based speed controller for the slip-ring im using TMS320F2812 DSP
SELAMİ KESLER
Doktora
Türkçe
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEFA AKPINAR
- Üç fazlı sincap kafesli indüksiyon motorunun bulanık mantık esaslı yöntemler kullanılarak denetimi
Three-phase squirrel cage induction motor control by using fuzzy logic based methods
SAMİ ŞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN RIZA ÖZÇALIK