Design and Build of a Slip Power Control for a Single Side ...

การประชมวชาการเครอขายพลงงานแหงประเทศไทย ครง 7 3-5 พฤษภาคม 2554, โรงแรม Phuket Orchid Resort and Spa หาดกะรน จงหวดภเกต

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

การออกแบบและสรางระบบควบคมความเรวมอเตอรเหนยวนาเชงเสนแบบดานเดยวในรถไฟฟาขนาดเลกดวยวธการควบคมคาสลป

Design and Build of a Slip Power Control for a Single Side Linear Induction Motor in a Miniature EV Train

ทรงกลด ศรปรางค1 วนชย ทรพยสงห2

1สาขาวชาเทคโนโลยวศวกรรมไฟฟา คณะอตสาหกรรมและเทคโนโลย มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลรตนโกสนทร วทยาเขตวงไกลกงวล ถนน

เพชรเกษม ตาบลหนองแก อาเภอหวหน จงหวดประจวบครขนธ 77110 โทร 0-3261-8500 โทรสาร 0-3261-8570 E-mail:

[email protected] 2ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ถนนรงสต-นครนายก ตาบลคลองหก อาเภอธญบร

จงหวดปทมธาน 12110 โทร 0-2549-3497 โทรสาร 0-2549-3432 E-mail: [email protected]

บทคดยอ

งานวจ ยน นาเสนอการออกแบบและสรางระบบควบคม

ความเรวของมอเตอรเหนยวนาเชงเสนแบบดานเดยว (Single-side Linear Induction Motor: SLIM) โดยใชวธการควบคมแบบ Volts/Hz ดวยการควบคมคาสลป (Slip Regulation) ซงระบบโดยรวมนน

ประกอบดวย ชดแปลงผนพลงงานไฟฟา ระบบประมวลผลสญญาณ

ดจตอล (DSP) และมอเตอรเหนยวนาเชงเสนแบบดานเดยวแบบ Short primary การทางานนนจะเปนแบบวงบนรางทความเรวตา สาหรบการวเคราะหนนใชหลกการเดยวกบมอเตอรเหนยวนาแบบกรงกระรอก และไมคานงถงผลกระทบทเกยวของ และวธการควบคมนนเปนแบบวงปด (Close loop control) โดยทาการปอนกลบความเรว มาเปรยบ-เทยบกบความเรวทตองการ (Speed command) คาผดพรอง (Error) ทไดคอความเรวสลป (Slip speed) เขาสตวควบคมเพอปรบ

ผลตอบสนองของระบบ ตวควบคมทใชเปนแบบพไอ (PI Controller) ผลการทดลอง ระบบทสรางขนสามารถควบคมความเรวของ SLIM แบบ Volts/Hz ได และระบบควบคมแบบพไอทออกแบบนนทาใหระบบมคาพงเกนนอย 0.12 % ระบบมดชนสมรรถนะทด และสามารถตอบสนองเมอมการเปลยนแปลงโหลดทนททนใดไดภายในเวลา 0.05 วนาท

คาสาคญ: ระบบควบคมแบบ Volts/Hz, วธการควบคมคาสลป, มอเตอรเหนยวนาเชงเสนแบบดานเดยว

Abstract This paper presents the implementation of a single-sided linear induction motor speed control by using Volt/Hz controlled with slip regulation approach, the overall system is composed of power module, Digital Signal Processing system (DSP) and Single-side linear induction motor in form of a short primary type, which will run on the rail at low speed. The SLIM is analyzed as the same method as an Induction motor, by regardless of some effects. Close loop feedback system is take place by comparing an actual

speed, demand speed into a slip power regulator in order to optimize an output speed and torque response using PI controller. The experimental results in the effective of the system‘s control speed of single-side linear induction motor, which an overshoot is about less than 0.12 %, and the time response of output speed response is within 0.05 second.

Keywords: Volt/Hz control, Slip regulation, Single-side linear induction motor

1. บทนา ปจจบนมอเตอรเหนยวนาเชงเสนน นมการใชงานอยาง

แพรหลายในงานอตสาหกรรม เชน ระบบการลาเลยงวสด ระบบการขนสง เปนตน เนองจากเปนระบบทกอใหเกดมลภาวะในประมาณนอย เมอเทยบกบการใชเครองจกรในการขนสง ลดการซอมบารงเนองไมมระบบเกยร ในปจจบนการใชงานนนมงเนนในการใชงานกบระบบการขนสงเปนสวนใหญ ซงระบบการขนสงทใชมอเตอรเหนยวนาเชงเสนนน ถอไดวาเปนระบบการขนสงแหงอนาคต ในปจจบนมงานวจยหลายเรองทนาเสนอเกยวกบมอเตอรเหนยวนาเชงเสน สวนใหญจะเปนการวจยเพอการใชงานในระบบการขนสงแบบความเรวสง หรอ MAGLEV ประกอบดวยการหาโมเดลทางคณตศาสตรของมอเตอร ระบบการควบคม และศกษาถงผลกระทบตางๆทเกดขนกบมอเตอรเหนยวนาเชงเสน อนเนองมาจากโครงสรางทเปลยนไป มอเตอรเหนยวนาเชงเสนนนพฒนามาจากมอเตอรเหนยวนาแบบหมน (Rotary Induction Motor: RIM) โดยการนามาทาการผาและคลออก แตยงคงมโครงสรางหลก 2 สวน คอ สเตเตอรและโรเตอร ในสเตเตอรนนจะมขดลวดพนอยในรองสลอต แตดานโรเตอรนนจะเปลยนไปคอ กลายเปนแผนทเรยกวา Reaction plate ทาจากอะลมเนยม และมแผนเหลกประกบดานหลงเรยกกวา Back iron ในการใชงานนนม 2 ลกษณะ คอ สวนทเคลอนทเปนดานสเตเตอร เรยกวา Short primary และในลกษณะทสวนโรเตอร

เปนสวนทเคลอนทเรยกวา Short secondary ผลกระทบทกลาวถงในตอนตนนนประกอบดวย ผลกระทบสวนปลายสด (End effect)

-733-



ผลกระทบสวนขอบดานขาง (Edge effect) แตในการใชงานมอเตอรเหนยวนาเชงเสนทความถตานน ผลกระทบทเกดขนนนจะมผลตอพลวตของระบบนอยมากจงไมคานงถง ระบบควบคมของ SLIM นนใชหลกการเดยวกบ RIM ซงประกอบดวย 2 รปแบบ คอ การควบคมแบบสเกลาร เชนการควบคมแบบ Volt/Hz และการควบคมแบบเวกเตอร เชน Vector control หรอ Field oriented control [1-5] โดยในงานวจยนนาเสนอระบบควบคมแบบสเกลาร เนองจากระบบมขนาดเลก ไมตองการการตอบสนองของระบบพลวต เพอทดลองการควบคมการขบเคลอนของมอเตอรเหนยวนาเชงเสน เปนการศกษาเบองตน ระบบควบคมทนาเสนอเปนนน เปนระบบควบคมความเรวของ SLIM ดวย

วธการแบบ Volt/Hz ดวยการควบคมคาสลป เปนการความแบบวงปดโดยทาการปอนกลบความเรวของ SLIM เพอเปรยบเทยบกบความเรวทตองการ คาผดพรองทไดคอคาความถสลป นาเขาตวควบคมเพอปรบผลตอบสนองของระบบ โดยตวควบคมทใชเ ปนแบบพไอ (PI Controller) จากนนนาคาความถสสลปทไดบวกกบความถทวดได

กลายเปนความถทจะเขาสกระบวนการควบคมแบบ Volt/Hz โดย

กระบวนทงหมดแสดงเปนบลอกไดอะแกรมดงรปท 1

k

∫*eω

*eθ

esa VV θsin2=

32sin2 πθ −= esb VV

32sin2 πθ += esc VV

e

sVω

*sV

slω

รปท 1 บลอกไดอะแกรมระบบควบคมแบบการควบคมคาสลป

ในสวนกระบวนการคานวณการสรางสญญาณนนจะกระทาโดย

ระบบประมวลผลสญญาณดจตอล (DSP) โดยจะใช dsPIC30F2010 ของบรษท Microchip Inc [6]

2. ทฤษฎทเกยวของ และสวนประกอบของระบบ 2.1 มอเตอรเหนยวนาเชงเสน

มอเตอรเหนยวนาเชงเสนทเปนแบบสเตเตอรเคลอนทนนแบง

ออกเปน 2 ชนดคอ แบบดานเดยว (Single-side) และแบบสองดาน (Double-side) ซงในการสรางนนแบบทสองจะมความยงยากกวา โครงสรางของทงสองแบบแสดงดงรปท 2

รปท 2 โครงสรางแบบดานเดยวและแบบสองดาน ในงานวจยนทาการศกษารปแบบทเปนแบบดาน ซงการใชงาน

นนเปนดงรปท 3

รปท 3 รปแบบของ SLIM ทใชในการศกษา

การหาคาพารามเตอรของ SLIM นนจะใชวธการเดยวกบการหาคาพารามเตอรของ RIM ซงจะประกอบดวย การทดสอบดวย DC test การทดสอบดวยการ Block stator test และการทดสอบในขณะท

ไมมโหลด No load test คาพารามเตอรของ SLIM ทใชในการศกษานนมคาตามตารางท 1 และรปของ SLIM แสดงดงรปท 4 ตารางท 1 คาพารามเตอรของ SLIM ทใชในการศกษา

คาพารามเตอร คาทใช ความตานทาน Rs 8.4 ความตานทาน Rr 3.82 ลคเกจรแอคแตนซดานสเตเตอร Lls 0.029874 ลคเกจรแอคแตนซดานโรเตอร Llr 0.029874 ความเหนยวนารวม Lm 0.268079 จานวนขวแมเหลก P 2 โมเมนตความเฉอย J 0.00055

(ก)

(ข)

รปท 4 ตนแบบของ SLIM ทใชในการศกษา

2.2 การควบคมแบบ Volt/Hz ดวยการควบคมคาสลป กอนทจะกลาวถงวธการควบคมแรงดนแปรตามความถดวย

การควบคมคาสลป หรอทรจกกนในชอ “Volt/Hz Control with Slip Regulation” ในเบองตนนนตองเขาใจหลกการของการควบคมแบบ Volt/Hz ซงอาศยหลกการทวาแรงบด (Torque) และขนาดของเสนแรงแมเหลก (Flux) แปรผนตามอตราสวนของขนาดของแรงดน และความถ โดยพจารณาจากสมการท 2.62, 2.63 และ 2.64 ดงน

( )pp

pppSS

Sm SSSS

TSSSSL

VT//

2//

2123

2

2

+=

+−

=ωσ

σ (1)

เมอ ( )

SS

Sp L

VT 2

2123

ωσσ−

= ; Pull-out Torque (2)

เซนเซอรวดความเรว

SLIM primary

Reaction Plate

Back iron

รางวง 10 เมตร SLIM

สายไฟจายพลงงานไฟฟา

-734-



f

VS

S πψ

2

vv

≈ (3)

สมการท 1 นนเปนสมการแรงบดของเครองกลโดยทวไป และจากสมการท 2 จะเหนวาแรงบดสงสดนนขนอยกบอตราสวนการเปลยนแปลงระหวาง แรงดน SV และความถ Sω ดงนนการทจะทาใหแรงบดมคาคงทนนจะตองมการความควบคาของแรงดนและความถ และจากสมการท 3 นน แสดงถงเสนแรงแมเหลกมการเปลยนแปลงตาม อตราสวนของแรงดนและความถเชนเดยวกน ดงนนสรปไดวาการทจะควบคมใหแรงบดและเสนแรงแมเหลกคงทนน จะตองควบคมอตราการเปลยนแปลงของแรงดนและความถใหเปนสดสวนกน เมอทราบหลกการของการควบคมแบบ V/F ขนตอนตอไปคอการดาเนนการใน

การควบคม 2.3 การควบคมความเรวดวยการควบคมคาสลป (Speed Control with Slip Regulation)

เปนอกวธการหนงในหลกการควบคมดวยวธแรงดนแปรตาม

ความถ โดยการนาคาสญญาณความเรวเอาตพตมาเปนสญญาณ

ปอนกลบใหระบบควบคม บลอกไดอะแกรมของการควบคมความเรวดวยการควบคมคาสลป แสดงดงรปท 5

k

∫*eω

*eθ

esa VV θsin2=

32sin2 πθ −= esb VV

32sin2 πθ += esc VV

e

sVω

*sV

slω

รปท 5 บลอกไดอะแกรมการควบคมความเรวดวยการควบคมคาสลป

หากพจารณาสมการท 1 การดาเนนการควบคมแบบ Volt/Hz วงปดนน ทาไดโดยการควบคมคาสลป S ใหอยในชวงทนอยกวา Pull out slip pS เนองจากเมอ pSS = แรงบดของมอเตอรจะม

คาสงสด หลกการของการควบคมแบบ Volt/Hz ดวยการควบคมคาสลป หากพจารณาจากรปท 5 มหลกการดงน เรมจากการปรบคาความเรวทตองการ (Speed Command) เขาสบลอกของ Ramp Control เพอเปนการคอยเพมความเรวตามจานวนรอบการทางานของโปรแกรม ขอดของ Ramp control คอชวยลดการกระชากในขณะเรมเดนของมอเตอร จากนนทาการเปรยบเทยบระหวางความเรวทตองการกบความเรวทวด

ได (Speed measurement) คาผดพลาด (Error) ทไดคอคาความเรว สลป ( slω ) ไดจากสมการท 4

resl ωωω −= (4)

จากนนเขาสบลอกตวควบคมแบบพไอเพอเปนตวควบคม

ผลตอบสนองของระบบ จากนนนาคาความเรวสลปทไดบวกกบคาความเรวทวดได จะไดความเรวอางองหรอความเรวของมอเตอรทตองการ ตามสมการท 5

slre ωωω += (5)

จากนนเขาสกระบวนการของการควบคมแบบ Volt/Hz ขอดของการควบคมแบบ Volt/Hz ดวยการควบคมคาสลปคอ มการ

ปอนกลบสญญาณเอาตพตมาเปรยบเทยบกบสญญาณอนพต ทาใหสามารถคงทสญญาณเอาตพตได สาหรบการตอบสนองของสญญาณ

เอาตพตจะถกจดการโดยตวควบคม ทงหมดทกลาวมาคอหลกการในการควบคมแบบ Volt/Hz ดวยการควบคมคาสลป

3 การออกแบบระบบควบคมความเรวของ SLIM [7] ระบบควบคมความเรวททาการออกแบบนนจะมสวนประกอบ

ดงตอไปน คอ 1. ชดแปลงผนพลงงานไฟฟากระแสสลบเปนไฟฟากระแสตรง

(Rectifier) 2. ชดแปลงผนพลงงานไฟฟากระตรงเปนไฟฟากระแสสลบ

(Inverter) 3. ชดประมวลผลสญญาณดจตอล (DSP)

ซงสวนประกอบทงหมดนนแสดงดงรปท 6 และรปท 7 โดยการ

ออกแบบนนใชขอมลจากพกดของ SLIM และขอมลจาก Datasheet ของอปกรณแตละตว

จากรปท 6 (ค) วงจรอนเวอรเตอรสามเฟสนนใชโมดล IGBT แบบ DIPIPM เบอร PS21A7 ซงสะดวกตอการใชงาน และรปท 7 วงจรของระบบประมวลผลสญญาณดจตอลนนทาการออกแบบโดยคานงถง สญญาณรบกวนทจะกอใหเกดการทางานผดพลาดของระบบดวย

4 โปรแกรมสาหรบระบบควบคม โปรแกรมควบคมการทางานททาการเขยนขนนน เขยนโดย

โปรแกรมภาษาซ โดยใชโปรแกรม MPLAP IDE เปนตว Editor และ MPLAB C30 เปนตว Compiler โดยทาการแบงไฟลโปรแกรมออกดงน - ไฟลโปรแกรมหลก (Main.c) - ไฟลโปรแกรมอานคาจากโมดลแปลงสญญาณ ADC (read_adc.s) - ไฟลโปรแกรม Ramp Control (ramp ctl.s) - ไฟลโปรแกรมกาเนดสญญาณ SVPWM (svg_pwm.s) - ไฟลโปรแกรม V/F Control (vhz_prof.s) - ไฟลโปรแกรมระบบควบคมแบบพไอ (pi.s)

ซงการทางานของโปรแกรมแสดงเปนโฟลวชารตไดดงรปท 8

รปท 8 โฟลวชารตการทางานของโปรแกรม

-735-



(ก)

(ข)

(ค)

รปท 6 (ก) วงจร Rectifier (ข) วงจร Inrush Current วงจรกรองแรงดน (Filter) (ค) วงจร 3-phase Inverter

dsPIC30F2010

74AC244

รปท 7 วงจรการงานของระบบประมวลผลสญญาณดจตอล

-736-



5. ผลการทดลอง ในการทดสอบการทางานของระบบควบคมนนเรมจาก การ

สรางแบบจาลองโดยโปรแกรม MATLAB/SIMULINK เพอวเคราะหผลการทางานของระบบควบคม และผลตอบสนองของระบบจากคาพารามเตอรของตวควบคมแบบพไอทได จากนนกทาการทดสอบกบระบบจรง ซงแสดงดงรปท 9

รปท 9 ตนแบบระบบควบคมทใชในการทดลอง

ผลการทดลองทไดเปนดงน เรมจากทาการทดลองเพอดผลตอบสนองความเรวโดยการ

ตงความเรวทตองการไวท 2500 รอบตอวนาท ระบบควบคมสามารถตอบสนองตอวามเรวไดเปนอยางด โดยระบบมคาพงเกนของความเรวอยท 0.12 เปอรเซนต ซงผลการทดลองแสดงดงรปท 10 (ก) และ (ข) และผลตอบสนองของแรงบด และกระแสเฟสนนแสดงดงรปท 11 ถดมาทาการทดสอบโดยการปรบคาความเรวท

ตองการอยท 1500 รอบตอวนาท ในขณะทบรรทกโหลดขนาด 0.5 นวตนเมตร และทาการปลดโหลดออก ณ เวลา 1 วนาทเพอด

ผลตอบสนองความเรวขณะทบรรทกโหลด ผลการทดลองระบบสามารถตอบสนองความเรวไดเปนอยางด โดยระบบมการตอบสนองตอความเรวภายในเวลา 0.05 วนาท ผลการทดลองแสดงดงรปท 12

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

0

500

1000

1500

2000

2500

Time

Spe

ed R

ef &

Act

ual S

peed

Speed Measument

(ก) ผลตอบสนองความเรวท 2500 รอบตอวนาท

1.64 1.66 1.68 1.7 1.72 1.74

2480

2490

2500

2510

2520

2530

2540

X: 1.67Y: 2503

Time

Spe

ed R

ef &

Act

ual S

peed

Speed Measument

(ข) คาพงเกนทเกดขน

รปท 10 ผลตอบสนองความเรวในขณะทไมมโหลด

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8-1

0

1

2

Time

Thru

st

Thrust Measument

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

-5

0

5

10

Time

Ia &

Ib&

Ic

Current

รปท 11 แรงบดและกระแสเฟส

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

500

1000

1500

Time

Spe

ed R

ef &

Act

ual S

peed

Speed Measument

(ก) ผลตอบสนองความเรว

ปลดโหลดออก

SLIM

Power module

Scope

Power supply

DC LINK Volt Measurement

คาพงเกนเทากบ 0.12 เปอรเซนต

-737-



1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55

1400

1450

1500

1550

Time

Spe

ed R

ef &

Act

ual S

peed

Speed Measument

(ข)

รปท 12 (ก) ผลตอบสนองความเรว (ข) 0.05 วนาท

ทาการทดสอบระบบควบคมตนแบบทสรางขน ทาการตงคาความเรวทตองการไวท 1500 รอบตอวนาท

และบรรทกโหลดนาด 0.5 นวตนเมตร ผลตอบสนองความเรว และกระแสเฟส ทไดแสดงดงรปท 13

รปท 13 ผลตอบสนองความเรวท 1500 rpm โหลด 0.5 Nm

การทดสอบทความเรวอางองท 2500 รอบตอวนาท ขณะไมมโหลด ผลการทดสอบแสดงดงรปท 14

รปท 14 ผลตอบสนองความเรว 2500 rpm ไมมโหลด

6. สรป และวจารณ ในงานวจยน น าเสนอการสรางตนแบบระบบควบคม

ความเรวของมอเตอรเหนยวนาเชงเสนแบบดานเดยว โดยใชวธการควบคมแบบ Volt/Hz ดวยการควบคมคาสลป ผลการทไดคอ ระบบควบคมทสรางขนนนสามารถควบคมความเรวของ SLIM ไดตามท

ตองการ สามารถปรบเปลยนความเรวได และเนองจากโครงสรางการจายพลงงานและการวดความเรวของมอเตอรนนตวเซนเซอร

จะตองตดตงบนตวมอเตอร การวดความเรวเพอปอนกลบนนจะเกดผดพลาดเนองจากขนาดสายทยาวขน ในขณะทแรงดนเทา 5 โวลต ผลการจาลองการทางานของระบบควบคมในโปรแกรม MATLAB-/SIMULINK นน ระบบสามารถตอบสนองตอการเปลยนแปลงของความเรวไดอยางด มคาพงเกน 0.12 % และการตอบสนองความเรวภายในเวลา 0.05 วนาท สรปในสวนของระบบควบคมนนสามารถทางานไดเปนอยางด แตในสวนของโครงสราง ระบบการเคลอนทของมอเตอรนนยงถอวาจะตองมการปรบเปลยนรปแบบ เชน ในระบบการจายพลงงาน การวดแบบไมม Sensor ระบบรางทไม

สามารถทางานเปนลปได

เอกสารอางอง [1] Laithwaite, E. R. & Nasar, S. A. (1970) Linear-motion

electrical machines. Proceedings of the IEEE, 58(4), 531-542.

[2] McLean, G. W. (1988). "Review of recent progress in linear motors." Electric Power Applications, IEE Proceedings B 135(6): 380-416.

[3] Mi Ching, T. and C. Jeng Hu (1999). A practical implementation of a linear induction motor drive using new generation DSP controller. Control Applications, 1999. Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on.

[4] Boldea, I. and Nasar, S.A., Linear Motion Electromagnetic Devices, Taylor & Francis, United States of America, 2001.

[5] Sarveswara Prasad Bhamid, “ Design of a Single Sided Linear Induction Motor (SLIM) Using a User Interactive Computer Program” In partial fulfillment of the requirement for the degree master of science, A Thesis presented to the faculty of the Graduate School University of Missouri-Columbia, May 2005.

[6] Microchip Technology Inc. “dsPIC30F2010 Data Sheet” (DS70118H), 2008

[7] ทรงกลด ศรปรางค, วนชย ทรพยสงห, “การดาเนนการควบคมมอเตอรเหนยวนาเชงเสนโดยใช dsPIC30F2010” การประชมวชาการ “แมฟาหลวงวชาการ” ประจาป พ.ศ. 2553 : 12 ป ตามรอยสมเดจยา วนท 19-20 พฤศจกายน 2553

0.05 วนาท

1500 rpm

กระแสเฟส

2500 rpm

กระแสเฟส

-738-

Design and Build of a Slip Power Control for a Single Side ...

Documents

Transcript of Design and Build of a Slip Power Control for a Single Side ...