بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی غیرخطی ژنراتور سنکرون هیتزینگر در قطار ترنست با استفاده از منطق فازی
چکیده
در این مقاله مدل غیرخطی ژنراتور سنکرون هیتزینگر با استفاده از منطق فازی طراحی می گردد. با توجه به ساختار موجود، مدلسازی غیرخطی سیستم برای بررسی تغییرات دور موتور و ولتاژ خروجی ژنراتور بسیار حائز اهمیت است زیرا در صورت داشتن مدلی مناسب می توان نسبت به طراحی کنترلر برای سیستم اقدام کرد و از ایجاد نوسانات خروجی ژنراتور که باعث Trip آن و بروز قطعی برق واگن قطار شده و مشکلاتی را بوجود می آورد جلوگیری نمود. در این راستا پس از نمونه برداری از اطلاعات ورودی و خروجی ژنراتور، با استفاده از تکنیک فازی مدل غیرخطی سیستم شناسایی و طراحی می گردد.
کلمات کلیدی
قطار- ژنراتور - مدلسازی - غیرخطی - منطق فازی
هدف و دامنه کاربرد
هدف از این مقاله مدلسازی غیرخطی ژنراتور سنکرون هیتزینگر با استفاده از منطق فازی می باشد.
-1 مقدمه
قطع شدن مکرر ژنراتور به علت نوسان فرکانس و نوسان ولتاژ خروجی، یکی از مشکلات در قطار ترنست می باشد که منجر به قطع تهویه و آسیب های وارده به سایر سیستمهای مورد نیاز از جمله شارژر باتریهای کنترل، کمپرسورها و ... می شود و این موضوع هر سال علاوه بر نارضایتی مسافرین قطار، خساراتی را به وجود می آورد. بنابراین بررسی و تحلیل وضعیت موجود و بهبود سیستم کنترل از نکات مورد نظر در این بخش است. در این راستا پس از نمونه برداری از اطلاعات ورودی و خروجی ژنراتور، با استفاده از تکنیک فازی مدل غیرخطی ژنراتور شناسایی می گردد.
با توجه به نقش بسیار مهم ژنراتورهای سنکرون در سیستم های قدرت، بسیاری از محققان علاقه دارند روشهای مختلف شناسایی و مدل سازی این سیستم ها را مورد بررسی قرار دهند. [1,2]
1
بدست آوردن مدل معتبر برای تجزیه و تحلیل ژنراتور سنکرون برای ثبات و عملکرد پویای سیستم قدرت ضروری است. [3] روش فازی برای مدلسازی غیرخطی سیستم می تواند جایگزین مناسبی برای سیستمهای پیچیده باشد. با توجه به اینکه اندازه گیری مقادیر مورد نیاز در زیر بخشهای سیستم در برخی از موارد امکان پذیر نبوده و یا با دشواری هایی همراه است، بکارگیری مدلسازی جعبه سیاه با استفاده از روش فازی بسیار راه گشا خواهد بود. [4] در این مقاله با درنظر گرفتن کل سیستم به عنوان یک جعبه سیاه، با اعمال ورودی، خروجی ثبت شد و مدل غیرخطی سیستم با استفاده از روش فازی بدست آمد.
-2 سیستم تحت مطالعه
در ژنراتور سنکرون هیتزینگر برای تولید برق، روغن با فشار زیاد (حدود (290 bar از طریق هیدروپمپ باعث چرخش هیدروموتور متصل به محور ژنراتور شده و روتور را به حرکت در می آورد. قدرت تولید شده توسط موتور دیزل MAN (موتور کشنده واگن) از یک طرف به واحد گیربکس و از طرف دیگر به یک پمپ هیدرواستاتیک منتقل می گردد.
شکل -1 مدل واقعی سیستم
با شروع بکار موتور دیزل، پمپ هیدروستاتیک روغن مدار هیدروستاتیک را با فشار از لوله ها به سمت هیدروموتورهای متصل به ژنراتور و هیدروموتورهایی که به فنهای رادیاتورهای سقفی متصل هستند پمپاژ می کند. فشار روغن سبب به گردش درآمدن هیدروموتورها و در نتیجه چرخش ژنراتور و فنهای خنک کننده می شود.
-3 شرایط انجام آزمایش و ثبت اطلاعات ورودی و خروجی سیستم
آزمایش ها روی قطار ترنست مدل DH4 ساخت شرکت زیمنس با موتور دیزل MAN مدل D2842 LE602 و گیربکس مدل T312bre و درایو هیدرولیکی مدل T36 انجام و داده برداری انجام می شود.
مقدار ولتاژ AVR روی 401 ولت تنظیم گردید. از دستگاه اندازه گیری FLUKE مدل 289 استفاده شد که در هرثانیه یک بار نمونه برداری می نماید. موتور دیزل MAN را روشن کرده تا به دور حدود 800rpm برسد. در این حالت پمپ هیدروستاتیک روغن را با فشار 290bar به سمت هیدرو درایو می فرستد و باعث چرخش روتور ژنراتور می شود. در این حالت هنوز ژنراتور برق تولید نمی کند زیرا فرمان ورود ژنراتور به مدار صادر نشده است. سپس با فشار دادن کلید استارت، ژنراتور وارد مدار شده و برق تولید می کند.
2
سیستم هیدروستاتیک بگونه ای طراحی شده است که جریان روغن مدار هیدروستاتیک کاملا مستقل از دور موتور باشد یعنی به محض روشن شدن موتور جریان روغنی که به سمت پره های هیدرو درایو فرستاده می شود به 290bar می رسد و با تغییر دور موتور از 800rpm تا 1800rpm و بالعکس تغییری در فشار روغن بوجود نمی آید. به عبارت دیگر وقتی فشار به 290bar می رسد دور روتور ژنراتور به 1500rpm می رسد و فرکانس 50Hz را تولید کند و این باید کاملا مستقل از دور موتور باشد.
در عمل مشاهده می شود در اکثر مواقع با نوسان( افزایش یا کاهش) دور موتور، فرکانس و ولتاژ تولید شده توسط ژنراتور دستخوش نوسانات شدید شده و نهایتا ژنراتور از مدار خارج می شود.
همانطورکه در شکل های 2 و 3 مشاهده می شود با نوسان دور موتور، ولتاژ خروجی ژنراتور نوسانهای شدید پیدا می کند. در این حالت ولتاژ AVR روی 401 ولت تنظیم گردید و دور موتور از 800RPM تا حدود 1800RPM افزایش و کاهش یافت و دور موتور(ورودی سیستم) و ولتاژ ژنراتور(خروجی سیستم) بصورت زیر اندازه گیری شد. همانطور که مشاهده می شود ولتاژ خروجی ژنراتور از 380 تا 410 ولت یعنی حدود 30 ولت تغییر پیدا می کند.
شکل -2 نمودار دور موتور(ورودی سیستم) برحسب زمان
شکل -3 نمودار ولتاژ خروجی ژنراتور برحسب زمان
3
-4 مدلسازی سیستم غیر خطی با استفاده از منطق فازی
مدل هایی که در آنها از مجموعه های فازی استفاده شده است را مدلهای فازی گویند. مجموعه های کلاسیک دارای کران صریحی هستند مثل مجموعه کلاسیک A به صورت A={x| x<3} یعنی x یا متعلق به مجموعه A است یا متعلق به مجموعه A نیست اما در مجموعه های فازی کران صریحی وجود ندارد بلکه گذار تدریجی از عضو یک مجموعه بودن یا نبودن وجود دارد. این گذار تدریجی در مجموعه های فازی باعث می شود که بتوان عبارات زبانی که بطور روزمره بسیار از آنها استفاده می شود و ناشی از طبیعت انسانها و اطلاعات ناکافی درباره پدیده ها و متغیرهای فیزیکی است را مدل کرد. [7]
مدل های فازی از چهار بخش تشکیل می گردند : -1 پایگاه قوانین فازی((Fuzzy rule base
-2 موتور استنتاج فازی((Fuzzy inference engine
-3 فازی ساز((Fuzzifier
-4 غیر فازی ساز((Defuzzifier
در ورودی سیستم فازی، ابتدا اعداد صریح توسط فازی ساز به اعداد فازی تبدیل می شوند. سپس موتور استنتاج با استفاده از قوانین فازی، خروجی فازی را تعیین می کند. نهایتا برای اینکه بتوان از خروجی سیستم فازی استفاده کرد بوسیله غیر فازی ساز آنرا مجددا به اعداد صریح تبدیل می کنیم.[5,6]
شکل -4 مدل فازی
مراحل مدلسازی فازی بدین ترتیب است که ابتدا از اطلاعات ورودی و خروجی سیستم که نمونه برداری شده است، مقادیر حداقل و حداکثر آنها را مشخص کرده سپس فاصله بین مقادیر حداقل و حداکثر به چند قسمت تقسیم شده که این قسمتها می توانند با هم برابر باشند و برای هر کدام یک تابع عضویت تعریف می شود.
در ادامه برای هر قسمت یک اسم انتخاب می نمایند. به عنوان مثال اعداد کوچک منفی ( ( NS=Negative Small نامیده می شود. سپس در هر لحظه t به ازاء هر سری از اطلاعات ورودی و خروجی، بسته به اینکه x(t) ، x(t-1) و y(t) در چه ناحیه ای قرار می گیرند، یک رابطه فازی به صورت IF و THEN بین آنها برقرار می شود. در ادامه از بین قوانینی که IF آنها یکی است ولی THEN متفاوتی دارند، یکی را به عنوان قانون برتر انتخاب می کنیم. نهایتا تمام قوانین فازی انتخاب شده را در یک جدول وارد می شود که در واقع مدل فازی سیستم همان جدول بدست آمده است. [8]
4
هر عنصر از مجموعه متغیر زبانی، مرتبط با یک تابع عضویت آن متغیر است. [9] در این مقاله با استفاده از سه نوع تابع عضویت Z، S و مثلث ارزش متغیرهای ورودی تعیین می گردند. [10,11]
براساس قوانین پایه فازی هر متغیر ورودی می تواند تعدادی از ارزش های زبانی تعریف شده را داشته باشد. قوانین باید در ساختار فازی با استفاده از متغیرهای زبانی و براساس IF-THEN بیان شوند. در این مقاله برای طراحی مدل غیرخطی سیستم از موتور استنتاج ممدانی استفاده شده است. قوانین فازی ممدانی به فرم زیر می باشد. [12,13]
که i تعداد کل قوانین است و با استنتاج Max-Min برای هر قانون تابع عضویت خروجی بصورت زیر بدست می آید.
در این بخش با استفاده از Toolbox فازی در نرم افزار Matlab Version 2014 سیستم غیر خطی مدلسازی می شود. برای انجام این کار ابتدا حداقل و حداکثر مقادیر اندازه گیری شده ورودی و خروجی را تعیین کرده و سپس با تعیین توابع عضویت مناسب و نوشتن قوانین فازی مدل فازی بدست خواهد آمد. در این بخش از روش ممدانی استفاده شد و دو ورودی x(t) و x(t-1) به موتور استنتاج اعمال گردید و خروجی y(t) بدست آمد.
