TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5110 ~ 51 2 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.592 3          5110     Re cei v ed Fe brua ry 15, 20 14; Re vised  Ma rch 16, 20 14; Accepted  April 2, 2014   An Exact Model for Rotor Field-Oriented Control of  Single-Phase Induction Motors      M. Jannati*,  A. Monadi, S. A. Anbaran ,  N. R. N. Idri s, M. J. A. Az iz   Univers i ti T e knolo g i Mal a ysia,  UT M-PROTON Future Driv Lab orator y, F a cult y   of Electric al Eng i ne eri ng,   Univers i ti T e knolo g i Mal a y s ia,  8131 0 Skud ai,  Johor Bahr u, MALAYSIA  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l Ja nnatim9 4 @ yaho o.co m       A b st r a ct   T h is w o rk presents a new  Rotor F i eld-Or iente d  Contro l  (RF O C) tech niq ue for sing le-p has e   Inductio n  M o to rs (IMs). T he p r opos ed  metho d  us es tw rot a tion al tra n sfor mati ons, w h ic h  extract fro m  t h e   steady-state  equ ival ent c i r c uit of s i ng le -phas e IM . It is  prove d   by us ing  pr o pose d  rot a tio n a l   transformatio n s , the sing le-p hase IM asy m metric al e q u a ti ons ch ang e i n to symmetrical  equ atio ns. In th e   prop osed tec h niq ue, the ass u mptio n  of (M q /M d ) 2 =L qs /L ds =a 2  w h ich is usually us ed in ot her F O C of single- phas e IMs, i s  not consid ered.  Perfor mance of the  propos ed techn i qu e is assesse d usi n g   MAT L AB/SIMULINK. Extensiv e si mu lati on r e sults sh ow  the  perfor m a n ce  a nd c o rrectness  of the  pro pos e d   meth od.      Ke y w ords : ne w  RF OC  techni que, rotatio n a l  transformatio n s , single- phas e  inducti on  moto r         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   Single-pha se  Induction  Motors (IMs) hav e been  broadly em ployed in lo w po wer  appli c ation s . In the s e a ppli c ation s  th e m o tor o p e r ate  at low  efficien cy, fixed spee d an d con s u m e   about 10% o f  electrical e nergy. Du rin g  the la st de cad e s, si ngle - pha se IM drives have be en  thoroughly di scussed by  researchers. Single-phase  IMs with t w o main and  auxiliary wi ndings  can  be  con s i dere d  a s  two - pha se  IMs,  since th ese st ator  windin g s are  displa ce d 90 ο  fr om ea c h   other. A Four-Switch Invert er (FSI) topol ogy is us ed i n  this paper  as illust rated in Figure 1, has   been p r op ose d  as a lo w co st solutio n  for single - ph ase  IM drives [1, 2].    Variabl e spe ed d r ives  ca n provide reli able  dyn a mic system s a n d  importa nt sa vings in   energy cu sto m  and  co sts of the elect r ical  ma chin es [1-11], [13-16]. Recen t ly, some hi gh  perfo rman ce singl e-p h a s e IM  drive  syst ems we re  p r opo sed. In th ese  schem es, rotor an d st ator  Field-Orie nte d  Control (F OC) prin ciple s  are a dapt e d  to the singl e-ph ase IM model [1-3], [6-10].  Windi ng  asy mmetry d ue t o  the  differe n t  indu ctan ce s and  resi stan ce s of th e m a in a nd  auxili ary  stator win d in gs i n   singl e-pha se IM  ca use s   extra  couplin g bet ween  win d ing s . This a s ymmetry  effects o n  th e motor o p e r ation and  produ ce s torq u e  and  cu rre n t  pulsatio n s [ 11]. By using   a   trans formation matrix, the c o mpens a tion of t he si ngl e-ph ase IM a s ymmetry  wa s p r esented i n   [2]. In the pre v ious meth od s for ve ctor  control  of  singl e-ph ase o r  u nbala n ced two-ph ase IMs,  the  a s s u mp tion  of ( M q /M d ) 2  = L qs /L ds  is normally applied [2-3], [6-10]. The differen c e s  in the d and q  stator  with consi deri ng of  (M q /M d ) 2  =  L qs /L ds  and without con s id ering  of(M q /M d ) 2  = L qs /L ds , are  reflecte d in th e spe ed a nd  hen ce the to rque respon se s of the drive  system. In thi s  pap er, a n e w   RFO C  st rate gy for singl e-pha se IM driv e is in vestig ated. In the pro posed sch e m e , the backward  comp one nt i n  the  stator  voltages  du e  to this a s sumption  ((M q /M d ) 2  =  L qs /L ds )as previou s ly  ignored in [2 -3], [6-10] will  be taken int o  acco un t. The re maind e r of this work  is organi ze as  follows. The  modelin g of the sin g le -pha se IM is  p r e s ented in  se ction 2. In se cti on 3, the mai n   idea of pro p o s ed ve ctor co ntrol for sin g l e -ph a se  IM discusse d and  sub s equ entl y  a new cont rol  strategy b a sed on  RFO C  is pr esented . The effectiv ene ss  of the  prop osed m e thod i s  verif i ed  usin g MATL AB/SIMULINK and p r e s e n ted in  se cti on 4. Fin a lly, con c lu sion  is p r e s ente d  i n   se ction 5.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Exact Mo del for Roto Field-Orie nte d  Contro l of Single-P h a s e Indu ction Mot o rs  (M. Ja nna ti)  5111 2. Modeling of the Single - Phase IM   The ba sic d r i v e system wh ich is  studie d  in this pap er i s  sh own in Figure 1.            Figure 1.  Single-p h a s e IM Drive System       Negl ectin g  the co re  satura tion, the electric al a nd me cha n ical equ a tions  of the single - pha se IM in  the stato r  referen c e  fra m e (sup erscript “ s ”) a r given a s  foll ows (All of t h para m eters in  Equation (1 ) have bee n de fined in [2]):          ( 1 )       3. Equations  of Proposed  RFO C  for Single-Pha se IM  Steady-state  equivalent  circuit of the si n g le-p ha se IM  can b e  sho w n as Fi gure 2  [12]. In   this  Figure,  V m V a I m  and  I a  are the m a in and auxiliary  voltages  and  currents,  " a " is  the turn  ratio ( α = N a / N m ) and " j " is  the sq uare root of "-1".  E fm E fa E bm  and  E ba  are  the forward  and   backward vol t age of ma gn etizing  bra n ch  of the mai n  and a u xiliary  windi ng s.  R f R b X f  and  X b   are th e fo rwa r d a nd  ba ckward  stator resi st an ce  an d ind u cta n ce  in mai n   win d ing.  R lm R la X lm   and  X la  are the lea k a ge resi stan ce a n d  indu ctan ce  of the main  and a u xiliary windin g . With  followin g  cha nge of variabl es:            ( 2 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5110 – 51 20   5112     Figure 2. Steady-state Eq uivalent  Circu i t of the Single-ph ase IM      Figure 3 can  be sim p lified  as two  bala n c ed fo rwar a n d ba ckwa rd  circuit a s  follo ws [13,  14]:          Figure 3. Simplified Equiva lent Circuit of Single-pha s IM       Whe r e:             ( 3 )       As you can  see, the equiv a lent  ci rcuit o f  single - ph ase IM splits to  two ci rcuits,  each of  them indicates a bala n ced motor wh ich rotate i n  the forwa r d and ba ckward di re ction.  By  con s id erin g F i gure 3 a nd E quation s  (3 we have:           ( 4 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Exact Mo del for Roto Field-Orie nte d  Contro l of Single-P h a s e Indu ction Mot o rs  (M. Ja nna ti)  5113 Equation  (4 ) i s  the t r an sformation mat r ixes fo chan gi ng the va riabl es from u n ba lanced   form to  bala n c ed  form  (e.g ., Figure  2  to  Figure 3 ) With sub s tation  of Equatio ns  (5) in  equ a tio n (4), we ca n o b tain Equatio n (6) a nd (7 ).             ( 5 )     Rotation al tra n sformation f o r voltage variable s            ( 6 )     Rotation al tra n sformation f o r cu rrent variable s             ( 7 )     In this eq uati on,  θ e i s  the  angle  betwe en the  statio nary refere nce frame  and  rotating  referen c e fra m e. It is exp e cted  by usi ng (6 ) a nd (7), unb alan ced si ngle -ph a se IM  equa t ion s   cha nge into  balan ce d eq uation s  form.  By applying  of these rotational tra n sf ormatio n s to  the  equatio ns of  singl e-p h a s IM and with o u t the assum p tion of( M q / M d ) 2  =  L qs / L ds , we have (in t h e   previou s  p r e s ented meth o d s for F O C of   single - ph ase  IM the assu mption of ( M q / M d ) 2  =  L qs / L ds  is  c o ns idered [2-3], [6-10]):   Rotor voltag e  equation s :             ( 8 )     After simplifying the equ ations of  rotor voltage s ca n b e  written a s :   Rotor voltag e  equation:            ( 9 )     Rotor flux eq uation s          ( 1 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5110 – 51 20   5114 After simplifying the equ ations of ro tor flux can be  wri tten as follows:  Rotor flux eq uation:                ( 1 1 )     Electrom agn etic torqu e  eq uation:              ( 1 2 )     Therefore, we have:              ( 1 3 )     Stator voltage equatio ns:           ( 1 4 )     Equation s  of stator voltage  can be  simpli fied as follo wi ng equ ation:          (15 )     Gene rally, E quation  (1 5)  are  in clude two te rms;  fo rwa r d  term (su p e r scri pt “ e ”) an backward terms (su p e r scri pt “- e ”). It is   becaus e  of unequal ma in and  auxiliary res i s t anc e s   and  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Exact Mo del for Roto Field-Orie nte d  Contro l of Single-P h a s e Indu ction Mot o rs  (M. Ja nna ti)  5115 indu ctan ce s in the si ngle - p hase IM equ ations.  Equ a tion bet ween f o rward and  b a ckward te rm  is  as  follows :              ( 1 6 )     As expe cted,  usin g propo sed tr an sform a tion matrixe s  (Eq u ation s   (6) a nd  (7)) e quation s   of the rotor voltage, flux, torqu e  and  stator vo ltage  are obtai ned  like bal an ced  motor. In RF OC  method, the  rotor flux vector i s  alig ned with d-a x is; ( λ dr e  =  ׀ λ r ׀ λ qr e  = 0), based on  this   assumptio n , Equation (15) can be  cla ssi fied as follo ws:             ( 1 7 )     Whe r e:              ( 1 8 )       In Equation  (18),  v ds d-f v ds d- b v qs d-f  and  v qs d-b   can  be g enerated  by De cou p ling Circuit  a n v ds ref-f v ds ref-b v qs ref-f   and  v qs re f - b   can be ge nerate d  by current PI cont rolle r as it is  sho w n in Fi g u re  4.  Acco rdi ng to (9), (1 1) an d (13), the equa tions of RFO C  can b e  formulated an d sho w n a s   Equation (19) and Figu re 5  resp ectively (In Equation (19),  T r  is  rotor time c o ns tant).       (19 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5110 – 51 20   5116     Figure 4.  Vector  Control o f  Single- ph ase IM Acco rdin g to Equation  (18)          Figure 5. Vector Cont rol of Single-pha se  IM Acco rding  to Equation (19)      4. Results a nd Comparis ons   4.1. Perform ance Ev aluation  The p r opo se d co ntrolle r b a se d on Fi gure 4 and  Figu re 5 is a pplie d  to a comm ercial 0.25   hp sin g le-ph a se IM with  the nominal  values an d p a ram e ters as in Table 1. The develo p e d   scheme  pe rfo r man c e i s  the n  sim u lated  with different  v a lue s  of rotor spe ed. Exten s ive si mulatio n   results a r e prese n ted to ev aluate the pro posed si ngle - pha se  IM driv e perfo r man c e.  Figure 6, illustrates the ref e re nce and the real rotor  speed  signal s towards t w o different  steady-state  rotor speed   values  (the  referen c e  re al  sp eed va rie s  fro m  zero to the  rated  a nd  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Exact Mo del for Roto Field-Orie nte d  Contro l of Single-P h a s e Indu ction Mot o rs  (M. Ja nna ti)  5117 rated to ze ro  value. A load torque eq ual  to 1 N.m is introdu ce d at t = 9 s and re moved at t = 11  s). It is seen  that the real rotor sp eed  si gnal s are  so  accurate that hardly ca n b e  distingui sh ed   from the   corresp ondi ng  ref e ren c e   spee d  sig nal s eve n  after  applyin g  loa d  to rqu e  (the  o scill ation   of spe ed i s  about  0.2  rpm in  ste a d y-state  and  after ap plying loa d  torq ue). T he m o tor  electroma gne tic torq ue i s   also  sh own i n  Figu re   6(b ) . It can b e  seen that th electroma gne tic  torque h a s a  quick re sp on se with n o  pul sation s.       (a)  (b)     Figure 6. Simulation Results of RFO C  at Zero a nd No minal Co mm and Spee d; (a) Spee d, (b)  Torq ue         (a)       (b)     (c )     Figure 7. Simulation Results of RFO C  fo r a Tr a p e z oid a l Comm and  Speed; (a ) Stator cu rrents,   (b) Spe ed, ( c )  Torqu e       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5110 – 51 20   5118                 Figure  sh ows  si mulation  re su lts  of  the   com m and  and   a c tual  roto sp e ed  a c cording   to   prop osed me thod for a tra pezoidal  com m and spee d fr om 500 rpm  to -500 rpm. It is evident fro m   Figure 7(b) t hat the re al  spe ed follo ws the  comm and  spee d. The auxilia ry and mai n  st ator  curre n ts  and  electroma gne tic torq ue fo trape zoid al  comman d  spe ed a r sho w n in Fi gure 7 ( a)  and Fig u re  7 ( c) re sp ectiv e ly. In this case, a s  can  be seen in  F i gure  7(b ) , b y  using p r o p o sed   controlle r, the spee d oscilla tion at steady -state  i s  ~ 0.0 7 rpm at rotor  spe e d of 500 rpm.  Figure 8  an d  Figu re  sh ows the  go o d  pe rfor m a n c e of the  prop ose d  d r ive  system fo r   controlling  si ngle-pha se I M  in the dif f eren ce  valu es of  spee d  (±5 00rpm,  ±100 0rpm a n d   ±170 0rpm) a nd at  very lo spe ed  ope ration  re spe c ti vely. It can  b e  seen  from   Figure 6 - 9  th at the  dynamic pe rforma nce of t he p r opo se d  driv sy st e m  f o r v e ct or  c ont rol of  si ngle-pha se I M  is  extremely accepta b le.         (a)     (b)     Figure 8. Simulation Results of RFO C  in  the Differen c e Values of Comman d  Spe ed; (a) Spe e d ,   (b) T o rq ue       (a)     (b)   Figure 9. Simulation Results of RFO C  at Low  Spe ed O peratio n; (a)  Speed, (b ) Speed Erro     4.1. Compari s ons   Based o n  Equation (15),  the difference in  the d and q stator voltages bet wee n  the  con d ition s  in   whi c h th sup positio n of  ( M q / M d ) 2  =  L qs / L ds  is   c o ns idered (e.g.,  [2-3], [6-10],  [14-16])  and othe rwi s e is as follo wi ng equ ation:             ( 2 0 )     An evaluatio n between t he ste ady-st a te ro to r sp eed respon se of the RF OC  with   considering of ( M q / M d ) 2  =  L qs / L ds  and  with no  con s ide r ing of  ( M q / M d ) 2  =  L qs / L ds  is  demon strated  in   Figure 10. S m all magnitude of  osc illati ons at the rated  reference  rotor speed  can be observ ed in  the speed  re spo n ses  wh e n  the  sup p o s ition ( M q / M d ) 2  =  L qs / L ds   is employed.  A s  can be se e n   in   Figure 1 0 , by  usi ng  co nve n tional  co ntro ller  (supp ositi o n ( M q / M d ) 2  =  L qs / L ds ),  the speed oscillat i on   at steady -sta te is  ~ 0.2rp m  at roto speed  of  180 0rpm  but by  usin g p r opo sed controller the  spe ed o scillat i on red u ced ~ 0.08rpm at rotor sp eed of  1800 rpm.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Exact Mo del for Roto Field-Orie nte d  Contro l of Single-P h a s e Indu ction Mot o rs  (M. Ja nna ti)  5119 It is con c lud e d  in  com p a r i s on  with  the  previou s   pro posed  schem es fo r F O C o f  singl e- phas e  or t w o-phas e  IMs   (e.g., [2-3 ], [6-10], [14 - 16]),the pro p o s e d  controll er i n  this  re se arch   prod uces fe wer rip p le s in the torqu e  an d spe ed.         (a)     (b)     Figure 10. Simulation Results of Comp arison bet we en Speed  Re spo n se in Single-p ha se IM (a)  not assumin g  ( M q / M d ) 2  =  L qs / L d s (b) assu ming ( M q / M d ) 2  =  L qs / L d s         5. Conclusio n   An accurate t e ch niqu e for spe ed co ntrol  of single-p h a s e IMs ba se d  on RFO C  ha s been  pre s ente d . The pro p o s ed  method employs rotati onal tran sformations that  transfo rm the   unbal an ced single-pha se I M  equation s  i n to equation s   of RFOC tha t  has the sa me stru cture as  the balan ce d  motor. Unli ke other RFO C  met hod im plemente d  for the singl e-pha s e IMs, the  proposed technique  does  not utilize th e supposition ( M q / M d ) 2  =  L qs / L ds . Simulation re sults  prov ed  the techni que  validity.      Referen ces   [1]    MR Corr ea,  C B  Jaco bin a , E RCD S ilva,  AM N Lim a . Vect or contro l strate g i es for  sin g l e -p hase  in ducti on   motor drive s y s t ems.  IEEE  T r ans. Ind. Electron.  2004; 5 1 (5): 107 3-10 80.   [2]    MBR Correa,  CB Jacob i na,  AMN Lima, ER C da Silv a. Ro tor F l ux O r ient ed Co ntrol of a  Singl e Phase   Inductio n  Moto r Drive.  IEEE Transacti ons o n  Industria l Elect r onics . 20 00; 4 7 (4): 832- 84 1.  [3]    Jemli,  HB A zza, M Boussak, M Gossa. S ensor le ss I ndir e ct Stator F i el O r ie ntatio n S pee d C ontro l   for Singl e-Ph a s e Inductio n  M o tor Drive.  IEEE T r ansaction  on Pow e r Elec tronics . 200 9; 24(6): 16 18- 162 7.  [4]    Z i chen g Li, Z h oup ing Y i n, Yo ulu n  Xio ng, Xin z hi  Li u. Rotor  Spee d an d Sta t or  Resistanc e Identificati o n   Scheme  for S ensor less I n d u ction  Motor   Drives.  T E LK O M NIKA Indo nesi an J our na l of E l ectric a l   Engi neer in g . 2013; 11( 1): 503 -512.   [5]    T  Sutikno.  T he Prelim in ar y Rese arch fo r Impleme n tati on of Improv ed DT C Sch e me of H i gh   Performanc e P M SM Drives.  T E LKO M NIKA Indo nesi an J o u r nal of El ectric al En gin eeri n g .  200 8; 6(3):   155- 166.   [6]    M Jannati, E F a lla h.  A New  Method for Sp eed Se nsorl e s s  Vector  Control of Sing le-Ph a se Inducti o n   Motor Usin g Extende d Kal m a n  F ilter . Conf. Proc. O f   ICEE. 2011.   [7]    Sh Reic y Har o oni, S Vaez-Z a deh.  Dec o u p li n g  Vector Contr o l of Sing le-Ph a se Inducti on  Motor Drives Po w e r El ectron ics Speci a lists  Confer ence. 2 005; 73 3-7 38.   [8]    S Vaez-Z ad eh,  A Pa yma n . D e sig n  a nd  ana l y sis  of se nsorl e ss torqu e  o p t i mizatio n  for s i ngl e p hase   ind u ction mot o rs.  Int. J. Energy Conver. Man a g . 200 6; 47: 1 464- 147 7.   [9]    HB Azza, M Jemli, M Boussak, M Gossa. High pe rformanc e sens orless s pee vector control of SPI M   Drives  w i th  on- line stator res i s t ance estimati o n J. Simul a t. Practice T heory .  2011; 1 9 : 271- 282.   [10]    HB Azza, M J e mli, M Bouss a k, M Goss. Impl eme n tatio n  of Sensorle Spee d Co ntrol  for  T w o-Ph as Inductio n  Moto r Drive Usin g ISF O C Strategy.  IJST , T r ansactions of Ele c trical Eng i ne e r ing . 20 11 ;   35(E1): 63- 74.   [11]    MB Correa, C B  Jacob i na, A M N Lima, ER C da  Si lva. A  T h ree-Leg Vo ltage S ource In verter for T w o- Phase AC Mot o r Drive S y ste m s.  IEEE  T r ans. on Pow e r Electronics . 20 02 ; 17(4): 517-5 2 3 [12]   AE F i tzgerald,  C Kings le y, SD  Umans.  Electri c  Machin er y .  M c G r a w - H il l. 20 03.   [13]    M Jann ati, NR N Idris, MJA Aziz.  A new  method for  RF O C  of Inductio n  M o tor un der  ope n-ph ase fa ult In Industrial El ectronics Soc i e t y ,  IECO N. 201 3; 2530- 25 35.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.