SUPERVISOR
Mehdi Moallem,Mohammad Ebrahimi
مهدی معلم (استاد راهنما) محمد ابراهیمی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Ershadi
محمدحسین ارشادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1384
TITLE
Torque Ripple Minimization and Dynamic Improvement of Torque and speed in DTC of Induction motor at optimal efficieny control
Direct Torque Control (DTC) is known to produce quick and robust torque response for AC drives. However, during steady state operation, the DTC produces high level of torque ripple and variable switching frequency. Development of DTC for overcoming the drawbacks of ltr" Keywords: Direct Torque Control, Induction Motor, Loss Minimization, Space Vector Modulation, Torque Ripple Introduction Direct torque control (DTC) of induction motor drives offers high performance in terms of simplicity in control and fast torque response. Principle of the classical DTC is decoupled control of flux and torque using hysteresis control of flux and torque error and flux position. In this method, switching look-up table is included for selection of voltage vectors feeding the induction motor [1]. However, during steady state operation, the DTC produces high level of torque ripple and variable switching frequency of inverter. Development of DTC for overcoming the drawbacks of classical DTC is voltage modulation application replacing look-up table of the voltage vector selection. The voltage modulation is based on space vector modulation (SVM) with constant switching frequency. The SVM strategy is based on space vector representation of the converter AC side voltage and has become very popular because of its simplicity. Contrary to conventional Pulse Width Modulation (PWM) method, in the SVM method there is no separate modulators for each phase. Alternatively, SVM method is incorporated with direct torque control (so-called DTC-SVM) for induction motor drives to provide a constant inverter switching frequency. Several methods with DTC-SVM are presented in the literature. The first method is based on deadbeat control derived from the torque and stator flux errors [2]. It offers good steady state and dynamic performance .However, this technique has a limitation since it is computationally intensive. Another method is based on fuzzy logic and artificial neural network for decoupled stator flux and torque control [3]. Good steady state and dynamic response are achieved. Another method uses two PI controllers instead of hysteresis controllers for generating direct and quadrature components of the voltage from stator flux and torque errors, respectively [4], [5]. This method provides good transient performance, robustness and reduced torque ripple. Choosing the level of flux in the induction motor remains an open problem for the perspective of maximizing motor efficiency and many researchers continue to work on this problem. Numerous operation schemes have been proposed by many researchers concerning the optimal choice of flux level for a given operating point. In low-frequency operation, core loss (hysteresis and eddy current losses) is rather low compared with copper loss. As the speed goes up, the contribution of the eddy current loss increases and finally becomes dominant. The technique allowing efficiency improvement can be divided into two categories. The first category is the loss-model-based approach [6], which consists of computing losses by using the machine model and selecting a flux level that minimizes the losses. The second category is the search controller [7], in which, the flux is decreased until the input power settles down to the lowest value for a given torque and speed. Important drawbacks of the search controller are the slow convergence and high torque ripples. The loss-model-based approach is fast and does not produce torque ripple. However, the accuracy depends on the accurate modeling of the motor and the losses. Different loss models for loss minimization in induction motor can be found in the literature. In model-based loss minimization algorithms, the leakage inductance of stator and rotor are usually neglected to simplify the loss model and minimization algorithm. However, with these simplified models, the exact loss minimization cannot be achieved, especially in high-speed operation of the motor, since a large voltage drop across the leakage inductance is neglected. In this thesis, a simplified loss model without neglecting the inductance, which presented in [8], is used. The main contribution of this thesis is torque ripple minimization along with efficiency optimization of induction motor which is based on the analytical determination of torque ripple in DTC-SVM. Torque ripple minimization is achieved by optimum selection of switching pattern in SVM and efficiency optimization is achieved by optimum selection of stator flux level in DTC.
در این تحقیق، راهکارهایی جهت بهبود عملکرد حالت دائمی و دینامیکی درایوهای DTC-SVM موتور القایی قفسه ای در شرایط بهینه سازی راندمان مدنظر بوده است.. برای نیل به این شرایط، یکی از مدل های نسبتاً دقیقی که در کارهای قبلی ارائه شده بود، به عنوان مبنا در نظر گرفته شده است و بر اساس آن، مقدار شار بهینه به منظور حداقل سازی تلفات محاسبه شده است. سپس شار بهینه به عنوان سیگنال فرمان به درایو DTC-SVM اعمال شده است. هدف اصلی این تحقیق از لحاظ عملکرد حالت دائمی، حداقل سازی ریپل گشتاور بوده است. برای این منظور، ریپل گشتاور بصورت تحلیلی محاسبه شده و براساس آن، الگوریتم حداقل سازی ریپل گشتاور در دو حالت DTC سنتی و DTC-SVM ارائه شده است. این الگوریتم بر مبنای تغییر الگوی SVM به منظور حداقل سازی ریپل گشتاور بنیان نهاده شده است. با توجه به اینکه در این تحقیق، درایو DTC با کنترل بهینه سازی راندمان کار می کند و در بارهای سبک، میزان شار کاهش یافته است، دو مشکل مهم در عملکرد دینامیکی درایوDTC بوجود می آید. مشکل اول آن است که در لحظات تغییر بار، میزان شار نیز به منظور بهینه سازی راندمان باید تغییر کند. در این تحقیق نشان داده شده است که در لحظات تغییر شار، جهش گذرا در جریان استاتور اتفاق می افتد و مقدار جریان می تواند تا چندین برابر مقدار نامی افزایش یابد که باعث بالاتر رفتن توان نامی اینورتر و افزایش هزینه خواهد شد. لذا هدف دوم رساله، ارائه راهکاری مناسب جهت محدود کردن جریان استاتور بوده است. این راهکار بر مبنای اعمال شار مرجع بصورت تابع شیب با مقدار شیب مناسب می باشد که مقدار بهینه شیب به منظور محدود کردن جریان استاتور در مقدار مورد نظر، محاسبه شده است. مشکل دوم عملکرد دینامیکی آن است که در زمانی که موتور با بار سبک کار می کند، اگر بطور ناگهانی، بار سنگین به موتور اعمال شود، چون موتور در شار کاهش یافته کار می کند، سرعت موتور دچار افت شدیدی خواهد شد. لذا هدف سوم این رساله، ارائه راهکاری برای حداقل سازی افت سرعت بوده است. این راهکار بر مبنای محاسبه مقادیر شار و گشتاور مرجع به منظور حداقل سازی افت سرعت ارائه شده است بدون آنکه نیازی به تخمین گشتاور بار باشد. در نهایت، صحت عملکرد راهکارهای پیشنهادی به کمک شبیه سازی اثبات شده است.