Asenkron motorun işletme kayıplarının sürücü ve kontrol tabanlı azaltılması = Drive and control based reduction of operational loss in induction motor

Abstract

Bu tez çalışmasında, üç fazlı asenkron motorların farklı yüklenme koşullarında işletme durumunda, motor kayıplarının azaltılması için kayıp model yaklaşımı ve arama kontrol yaklaşımı kullanan hibrit bir optimal kontrol yöntemi önerilmektedir. Çalışma, bu alanda yapılan araştırmaları, matematiksel modelleri, kontrol yöntemlerini, önerilen optimal kontrol yönteminde kullanılan yaklaşımları, bu amaçla uyarlanmış ve çevrimiçi kullanılan iki yeni optimizasyon algoritmasını öneren, analitik hesapları ve simülasyonlarındaki tutarlılığı ile başarılı bitirilen çalışmanın sonuçlarını kapsar. Bu tez çalışmasında, endüstride yaygın olarak kullanılan asenkron motorların sürekli hal çalışma durumunda zamanla az değişen sabit yüklerde, özellikle motorun düşük yüklenme koşullarında işletilmesi durumunda, motor kayıplarının azaltılarak verim optimizasyonu sağlayan optimal kontrol yöntemine odaklanılmıştır. Bu amaçla kayıp modeli yaklaşımı ve arama kontrol yaklaşımı içeren, motor kayıplarının azaltılması için optimal rotor akısını bulan, iki yeni sezgisel algoritmanın gerçek zamanlı çalışacak şekilde uyarlandığı, vektörel kontrol tabanlı kontrol yöntemi önerilmiştir. Ayrıca önerilen arama algoritması ile motor girişinden minimum gücü tarayan ve küresel optimal rotor akısını belirleyen bir optimizasyon tekniği geliştirilerek, bu çalışma alanındaki araştırmacılara optimal kontrol yaklaşımı ile yeni iki optimizasyon algoritması sunulmuştur. Çalışmanın giriş bölümünde konunun öneminin anlatıldığı, tezin kapsam ve amacını açıklayan, çalışma alanındaki benzer araştırmaların anlatıldığı literatür özetine yer verilmiştir. Özetle, asenkron motorda yapısal tasarım optimizasyonu ile her çalışma noktası için motor verimliliğini optimize etmek mümkün değildir. Bu nedenle motorun optimal olarak kontrol edilmesi gerekmektedir. Motorda verimin optimize edilebilmesi ise motor kayıplarının en aza indirilmesi ile mümkün olacağından, asenkron motorun kayıplarının temsil edildiği eşdeğer devre modelinin elde edilmesi gerekir. Bu tez çalışmasının ikinci bölümünde, kontrol edilecek olan asenkron motorun d-q eksen sistemindeki durum uzayı matematiksel modelleri elde edilmiştir. Kayıpların daha iyi temsil edilmesi nedeniyle senkron referans çerçeve sistemi seçilmiş ve motorda çekirdek kaybının farklı özellikteki parametreleri göz önüne alınarak düzenlenmiştir. Sabit hızlı asenkron motor işletmesinin olduğu birçok uygulamada, örneğin; maden yükleme vinçleri, matkaplar, presler ve talaşlı ağaç işleme gibi uygulamalarda, motor düşük yük altında uzun süre işletilmektedir. Bu uygulamalarda, asenkron motorlar yükleme durumuna göre uygun akıda çalıştırılırsa demir ve bakır kayıpları arasında bir dengeye varılır ki sonuçta motor verimi artar. Bu nedenle asenkron motorun yüksek performanslı işletilmesi gerekir. Bölüm 3'te, motor sürücülerinin tasarımında, alan yönlendirmeli kontrol olarak bilinen vektör kontrolü için gerekli olan rotor akısına dayalı dolaylı alan yönlendirmeli kontrol yöntemi sunulmuştur. Asenkron motorun senkron referans çerçevede farklı eşdeğer devre parametreleri için türetilen d-q eşdeğer devre modellerinde hız kontrolü yapabilmek için kontrol yönteminin durum denklemleri elde edilmiştir ve buna göre kontrolör yeniden düzenlenmiştir. Asenkron motorun optimal tasarımı, çok boyutlu bir problem iken optimal kontrolü ise bir ya da iki boyutlu bir problemdir. Ayrıca küresel optimum için asenkron motor kontrolündeki optimizasyon tekniklerinin rolü, tasarımından daha önemlidir. Asenkron motorlar tasarım geleneği nedeniyle anma moment ve hız değerine yakın çalıştırıldığında çok verimli olmalarına rağmen düşük yüklerde, bakır ve demir kayıplarındaki dengesizlik nedeniyle verimliliği ciddi şekilde düşmektedir. Bu da ancak uygun kontrol teknikleri ve optimizasyon algoritmaları kullanılan, kayıp model kontrol - KMK (Loss Model Control - LMC) ve arama kontrol - AK (Search Control - SC) olarak isimlendirilen yaklaşımları içeren optimal kontrol yöntemleri ile başarılabilir. Optimal kontrol yönteminde KMK ve AK yapılarının birlikte kullanılması her iki yaklaşımın dezavantajlarının giderilmesi açısından önem arz etmektedir. KMK yaklaşımında asenkron motorun kayıp modellerinden elde edilen kayıp (maliyet) fonksiyonlarının kullanılması nedeniyle Bölüm 4'te, asenkron motorlardaki kayıplar tanıtıldıktan sonra, Bölüm 2'de elde edilen d-q eşdeğer devre modellerinin her biri için kayıp fonksiyonları türetilmiştir. Optimizasyon probleminde maliyet fonksiyonunu ki bu çalışmada asenkron motorun kayıp fonksiyonu olarak isimlendirilmektedir, minimum yapacak optimal değere bulmak için matematiksel ve sezgisel yöntemler kullanılmaktadır. Fonksiyonun derecesi ve bilinmeyen sayısı arttıkça işlemci çekirdeğindeki işlem miktarı ve süresi artacağından, sezgisel algoritmaların çözümde yani optimal değere ulaşmak için kullanılması daha uygun bir yaklaşım olmaktadır. Bu nedenle dördüncü bölümde; asenkron motorun d-q eşdeğer devre modellerinden kayıp fonksiyonları türetilmiştir. Kayıp fonksiyonları; kontrol yöntemi ve eşdeğer devre modelindeki stator, rotor ve mıknatıslanma kolu akımları dikkate alınarak elde edilmiştir. Ayrıca kayıp fonksiyonunu minimize eden optimal değerlerin bulunması için iki yeni optimizasyon algoritması önerilmiştir. Motorun çeşitli yüklenme koşullarında kayıplarını minimize eden optimal değerin çevrimiçi eşzamanlı bulunabilmesi, motor girişinde minimum giriş gücünün temin edilebilmesi için önerilen algoritmalar gerçek zamanlı çalışacak şekilde uyarlanmıştır. Ayrıca bu bölümde kayıp fonksiyonlarını, önerilen algoritmaların çalışmasını ve simülasyon sonuçlarının analitik olarak doğrulanması için asenkron motorun T-tipi eşdeğer devresinden hareketle elde edilen sürekli haldeki kayıpların analitik ifadesi de verilmiştir. Nihayetinde, Bölüm 5'te önerilen optimal kontrol yönteminin ve türetilen eşdeğer devre modellerinin başarılı ile gerçeklendiği kontrol sistemi, simülasyonları ve simülasyon sonuçları verilmiştir. Dolaylı Rotor akısı alan yönlendirmeli hız kontrolü yapılan motorun çeşitli hız ve yüklerde yapılan analizlerinde iki farklı anahtarlama yöntemi kullanılmıştır. Simülasyonlarda kayıpların optimizasyonun sağlanması amacı ile kayıpları ifade eden amaç fonksiyonundan referans rotor akısını eş zamanlı bulunması için önerilen Girdap Arama Algoritması, İnsan Grup Optimizasyon Algoritması ve Parçacık Sürü Optimizasyon algoritmaları eş zamanlı çalışacak şekilde sisteme uyarlanmıştır. Anahtarlama yönteminin getirdiği farklar ortaya konmuştur. Önerilen algoritmaların kayıp model yaklaşımı ile optimal rotor akısının bulunmasında son derece başarılı oldukları tespit edilmiştir. Kayıpların analitik hesap değerleri ile motor girişinden ölçülen kayıp değerlerinin anahtarlama kaynaklı harmonik ve güç faktöründeki az miktardaki bozulma kaynaklı hatalar göz ardı edildiğinde tutarlı olduğu ve gerçekleştirilen kontrol yaklaşımın tatmin edici düzeyde başarılı olduğu gösterilmiştir. Son bölümde ise yapılan çalışmadan çıkan sonuçlara yer verilmiştir. Elde edilen bazı önemli sonuçlara değinilecek olunursa; rotor akısı yönlendirmeli alan kontrolü yöntemi ile hız kontrolü sağlanan asenkron motorda yükün bir fonksiyonu olarak akı seviyesinin azaltılması ile kaybın en aza indirilmesi amaçlanan bu tez çalışmasında, arama kontrol ve kayıp model kontrol yaklaşımlı hibrit yapılı optimal kontrol yöntemi başarı ile uygulanmıştır. Kayıp model yaklaşımında asenkron motorda parametre değişimlerinin motor kayıplarının üzerinde etkilerinin gösterildiği ve senkron referans çerçeve sistemine göre türetilen d-q eşdeğer devre modeli olan yaklaşık eşdeğer devre modelinin amaca uygun bir model olduğu, kayıpların daha doğru bir şekilde ifade edildiği gösterilmiştir. Kayıp model yaklaşımından optimal rotor akısını çevrimiçi eş zamanlı bulmak için önerilen iki yeni sezgisel algoritma, GAA ve İGO algoritması başarılı bir şekilde ilk kez bu çalışmada verimin optimizasyonu sağlamak için uyarlanmıştır. Algoritmalar ile kayıp model yaklaşımından motorun her yüklenme durumu için verimin maksimize edilmesi sağlanmıştır. Özellikle düşük hızlarda ve yarı yükten az yüklenme durumlarında motor verimi maksimize edilirken, motor performansının bozulmaya uğramadan tatmin edici düzeyde olması sağlanmıştır. Motor akısının yüke göre ayarlanması; özellikle düşük hızlarda ve yarı yükten az yüklenme durumlarında elektromagnetik momentteki salınımların belirgin şekilde azalması sağlanmıştır. Kayıp model yaklaşımından optimizasyon algoritması ile çözüm uzayında küresel optimal değere ulaşabilmek için gerekli en yakın optimal rotor akısının eşzamanlı ve hızlı hesaplanabilmesi, arama algoritmasının küresel optimal akı değerini bulma süresini kısaltmıştır. Giriş gücünün azaltılması için küresel optimal akı değerini tarayan ve bu amaç için uyarlanmış Girdap Arama Algoritması başarılı bir şekilde ve tatmin edici bir sürede küresel optimal noktaya ulaşmıştır. Böylelikle, arama algoritması ile kayıp model yaklaşımının getirdiği motor eşdeğer devre parametrelerine bağımlı olma dezavantajı ortadan kaldırılmıştır. Klasik bir evirici, uzay vektör darbe genişlik modülasyonu ve histerezis akım kontrollü iki farklı anahtarlama metodu kullanılarak motorun kayıplarının en aza indirilmesi başarılı bir şekilde sağlanmıştır. Geleneksel uzay vektör PWM yönteminin; karmaşık yapılı ve sektör seçiminin yapılması gibi zorluklar içermesine karşın, daha az harmonikli akım üretmesi, anahtarlama frekansının kolay ayarlanabilmesi, kayıpların azaltılması yaklaşımında bu yönleri ile avantajlı olduğu, ancak güç faktörünün düşük yüklerdeki bozulmasının önüne geçemediği tespit edilmiştir. Histerezis akım kontrolünün daha basit yapılı olmasına frekansın sabit olması nedeniyle daha fazla harmonikli akım oluşturduğu ve bu nedenle bir miktar daha fazla motorda kayba neden olduğu tespit edilmiştir. Anahtarlama tekniklerinin kendi tipik özellikleri kaynaklı farklılıkların, önerilen optimal kontrol yaklaşımında kullanılan optimizasyon algoritmaları ve arama algoritmasının yapısal olarak performansından bağımsız olmasına karşın, asenkron motordaki kayıpların anahtarlama tekniği kaynaklı değiştiğinin gösterilmesi açısından önem arz ettiği böylelikle vurgulanmıştır. Bu tez çalışmasında önerilen kayıp model ve arama kontrol yaklaşımı temelli optimal kontrol yönteminden elde edilen sonuçlar, motordaki kayıpların başarılı bir şekilde azaldığını; önerilen kontrol sisteminin çalışma süresi boyunca motorda tatmin edici bir dinamik davranışı koruduğunu ve motorda verimin en üst seviyede gerçekleştiğini göstermektedir.

In this thesis, a hybrid optimal control method using loss model approach and search control approach is proposed to reduce motor losses in three-phase induction motors operating under different loading conditions. The study encompasses research in this field, mathematical models, control methods, approaches used in the proposed optimal control method, two newly adapted and online-used optimization algorithms, analytical calculations, and simulations concluded with successful outcomes. The focus of this thesis is on the optimization of efficiency by reducing motor losses, especially under low loading conditions, during steady-state operation of induction motors commonly used in industry. For this purpose, a vector control-based control method incorporating loss model approach and search control approach, aiming to reduce motor losses and determine optimal rotor flux, is proposed, adapted for real-time operation using two new heuristic algorithms. In addition, with the proposed search algorithm, an optimization technique that scans the minimum power at the motor input and determines the global optimal rotor flux has been developed, and two new optimization algorithms with an optimal control approach have been presented to researchers in this field. The introductory chapter of the study outlines the significance of the subject, elucidates the scope and purpose of the thesis, and presents a summary of similar research studies in the field. In short, it is not possible to optimize motor efficiency for every operating point with structural design optimization in an induction motor. Therefore, optimal control of the motor becomes imperative. As the efficiency of the motor can only be optimized by minimizing motor losses, it is necessary to obtain the equivalent circuit model representing the losses of the induction motor. In the second chapter of this thesis, the state space mathematical models of the d-q axis system of the induction motor to be controlled were obtained. The synchronous reference frame system was chosen since it represents the losses better, and it was arranged by taking into account the different parameters of the core loss of the motor. In many applications where constant speed induction motor operation is used, such as mine loading cranes, drills, presses and wood processing machines, the motor is operated for a long time under low load. In these applications, when induction motors are operated at an appropriate flux according to the loading condition, a balance between iron and copper losses is achieved, leading to increased motor efficiency. Therefore, high-performance operation of induction motors is crucial. In Chapter 3, the indirect field-directed control method based on the rotor flux required for vector control, known as field-directed control, in the design of motor drives is presented. In order to control the speed of the asynchronous motor in the d-q equivalent circuit models derived for different equivalent circuit parameters in the synchronous reference frame, the state equations of the control method were obtained, and the controller was rearranged accordingly. While the optimal design of an induction motor poses a multidimensional problem, optimal control is a one- or two-dimensional problem. Moreover, the role of optimization techniques in induction motor control for achieving global optimum is more crucial than its design. Despite induction motors being highly efficient when operated near the rated torque and speed due to their design tradition, efficiency significantly drops under low loads due to the imbalance between copper and iron losses. This can only be achieved by utilizing appropriate control techniques and optimization algorithms, termed as Loss Model Control (LMC) and Search Control (SC) approaches, which include the loss model approach and search control approach. In the optimal control method, the integration of LMC and SC structures is significant in overcoming the disadvantages of both approaches. In the LMC approach, considering the use of loss (cost) functions derived from the loss models of induction motors, in Chapter 4, after introducing losses in induction motors, loss functions for each d-q equivalent circuit model obtained in Chapter 2 are derived. Mathematical and heuristic methods are employed to minimize the cost function, which is named as the loss function of the induction motor in this study, to find the optimal value. As the degree and number of unknowns in the function increase, the computational load and time on the processor core increase. Therefore, using heuristic algorithms to reach the optimal value is a more suitable approach. Hence, in the fourth chapter, loss functions are derived from d-q equivalent circuit models of induction motors. The loss functions, taking into account the control method and the stator, rotor, and magnetization armature currents in the equivalent circuit model, are obtained. Additionally, two new optimization algorithms have been proposed to find the optimal values that minimize the loss function. These algorithms are adapted to operate in real-time to concurrently determine the optimal losses of the motor under various loading conditions and ensure minimum input power at the motor input. Furthermore, in this chapter, an analytical expression of the steady-state losses obtained from the T-type equivalent circuit of the induction motor is provided to validate the operation of the proposed algorithms and simulation results analytically. After that, in Chapter 5, the successfully implemented control system derived from the proposed optimal control method and derived equivalent circuit models, along with simulations and simulation results, are presented. Analyses of a motor with indirectly controlled rotor flux-oriented speed control under various speeds and loads using two different switching methods have been performed. The Vortex Search Algorithm (VSA), Human Group Optimization (HGO) Algorithm, and Particle Swarm Optimization (PSO) algorithms have been adapted to the system to simultaneously determine the reference rotor flux from the objective function representing the losses, aiming to optimize losses in simulations. Differences brought by the switching method are highlighted. It has been observed that the proposed algorithms are highly successful in determining the optimal rotor flux through the loss model approach. Consistency between analytically calculated loss values and measured loss values at the motor input, ignoring small disturbances caused by switching-related harmonics and slight deterioration in power factor, has been demonstrated, validating the applied control approach is satisfactorily successful. In the final chapter, the results obtained from the study are presented. It can be highlighted that in this thesis study aiming to minimize losses by reducing the flux level as a function of load in an induction motor controlled through rotor flux-oriented field control, a hybrid optimal control method incorporating search control and loss model control approaches has been successfully applied. The loss model approach demonstrates the effects of parameter variations in induction motor losses, showing that the approximate equivalent circuit model derived in the synchronous reference frame system is an appropriate model, leading to a more accurate representation of losses. The two new heuristic algorithms proposed for simultaneous online determination of the optimal rotor flux from the loss model approach, VSA and HGO algorithms, have been successfully adapted for the first time in this study to optimize efficiency. With these algorithms, the efficiency of the motor has been maximized for every loading condition, particularly maximizing motor efficiency at low speeds and loads below half load while maintaining satisfactory performance without deterioration. Adjusting the motor flux according to the load has significantly reduced oscillations in electromagnetic torque, especially at low speeds and loads below half load. Simultaneous and rapid calculation of the nearest optimal rotor flux in the solution space for achieving global optimal value using optimization algorithms with the loss model approach has reduced the time required by the search algorithm to find the global optimal flux. The Vortex Search Algorithm adapted for reducing input power has successfully reached the global optimal point within a satisfactory timeframe. Consequently, the disadvantage of induction motor dependency on equivalent circuit parameters brought by the search algorithm and loss model approach has been eliminated. By using two different switching methods, a classical inverter, Space Vector Pulse Width Modulation and hysteresis current control, the losses of the motor have been successfully minimized. It has been identified that despite the conventional Space Vector Pulse Width Modulation method being complex and involving difficulties such as sector selection, it produces less harmonic current, offers easier adjustment of switching frequency, and is advantageous in reducing losses, albeit unable to prevent the deterioration of power factor at low loads. Hysteresis current control, being simpler in structure and having a fixed frequency, generates more harmonic current and hence leads to slightly higher losses in the motor. It is thus emphasized that although the differences arising from the typical characteristics of the switching techniques are structurally independent of the performance of the optimization algorithms and search algorithm used in the proposed optimal control approach, they are also important to show that the losses in the asynchronous motor vary due to the switching technique. The results obtained from the proposed loss model and search control-based optimal control method in this thesis study demonstrate a successful reduction in motor losses, maintenance of satisfactory dynamic behavior throughout the operation of the proposed control system, and the achievement of maximum efficiency in the motor.