Sayısal Sinyal İşlemci Tabanlı Dolaylı Alan Yönlendirmeli Asenkron Motorun Hız Kontrolü

Transkript

1 6 th Internatonal Advanced Technologe Sympoum (IATS 11), May 211, Elazığ, Turkey Sayıal Snyal İşlemc Tabanlı Dolaylı Alan Yönlendrmel Aenkron Motorun Hız Kontrolü Z. Omaç 1, E. Öküztepe 2 ve A. H. Selçuk 3 1 Tuncel Ünverte, Türkye, zomac@tuncel.edu.tr 2 Tuncel Ünverte, Türkye, eokuztepe@tuncel.edu.tr 3 Balıker Ünverte, Türkye, ahakanelcuk@wndowlve.com Indrect Feld Orented Speed Control of Inducton Motor Ung Dgtal Sgnal Proceor Abtract In th work the mathematcal model of ndrect vector control of nducton motor gven. Cloed loop peed control of a three phae qurrel cage nducton motor mulated n Matlab/Smulnk oftware. Sytem repone are obtaned for dfferent reference peed. The peed control of the nducton motor done by ung dgtal gnal proceor (DSP) and expermental reult are obtaned. The proof of the accuracy of the mulaton reult are done by comparon wth the expermental reult. Keyword Inducton motor, dgtal gnal proceng, ndrect vector control. I.GİRİŞ Sağlam olmaı, üretm ve bakım malyetnn düşük olmaı nedenyle ncap kafel aenkron motor endütrde yaygın kullanılmaktadır. Aenkron motorun vektör kontrolü, üzernde yoğun çalışılan br konudur[1],[2],[3]. Bu çalışmada gelşmş br ayıal nyal şlemc olan TMS32LF247A ayıal nyal şlemc kullanılarak aenkron motorun dolaylı vektör kontrolü yapılmıştır. Aenkron motorun dolaylı vektör kontrol benzetm şemaı Matlab/Smulnk programında hazırlanmıştır. Vektör kontrol, erbet uyarmalı doğru akım motorda abt uyarmada endüv akımını kontrol ederek doğru akım motorunun hızını kontrolü etme prenbn aenkron motora uygulamaktır. Aenkron motorun vektör kontrolü veya alan yönlendrmel kontrolü tator akıı yönlendrmel, rotor akıı yönlendrmel ve hava aralığı akıı yönlendrme olmak üzere üçe ayrılır[4]. Uygulama şeklne göre de vektör kontrol, doğrudan vektör kontrol ve dolaylı vektör kontrol olmak üzere kye ayrılır. Parametre değşmnden etklenme ve hava aralığı akıını algılamada kullanılan hall etkl algılayıcıların neden olduğu orunlar nedenyle aenkron motorun doğrudan alan yönlendrmel kontrolü ağlam olmamaktadır. Doğrudan vektör kontrol metodunu uygulamak zor, bazen mkânız olmaktadır[5]. Bu çalışmada dolaylı rotor alanı yönlendrmel kontrol kullanılarak ncap kafel aenkron motorun hız kontrolü yapılmıştır. Dolaylı alan yönlendrmel kontrol yöntemnde rotor akıının doğrudan algılanmaına htyaç duyulmamaı nedenyle uygulanmaı kolay olmaktadır. Ancak bu yöntemde aenkron motorun parametrelernn haa belenme gerekr. Dolaylı alan yönlendrmel kontrol veya vektör kontrol hız ve moment kontrollü AC ürücüler çn yükek dnamk motor davranışı elde edlmende tandart olmuştur. II. ASENKRON MOTORUN DİNAMİK MODELİ Aenkron motorun dnamk model d-q dönüşümünden yararlanılarak elde ed. Aenkron motorun vektör kontrolünde oluşturulan dnamk model kullanılır[3]. Üç fazlı büyüklüklern duran referan çatıda d-q eken dönüşümler Clarke dönüşümü, enkron dönen referan çatıda d-q eken dönüşümler Park dönüşümü olarak blnr[5]. Üç fazlı k evyel br PWM nverterde a, b ve c faz gerlmler bağıntıları 1, 2 ve 3 nolu bağıntılardak gb olur. van va vb vc (1) vbn vb va vc (2) vcn vc va vb (3) v an, v bn ve v cn faz gerlmlernn Clarke dönüşümler çn v v (4) q an vbn vcn vd (5) 3 3 bağıntıları yazılab. Burada v q, v d ırayla duran çatıda q ve d faz gerlmlerdr. Duran çatıdak v q, v d gerlmler enkron dönen referan çatıda fade etmek çn v v co v n (6) q q e d e v v n v co (7) d q e d e bağıntıları kullanılır. Burada v q, v d ırayla enkron dönen referan çatıda q ve d ekenlerne at faz gerlmlerdr. Senkron dönen referan çatıda tator ve rotor devreler çn 8, 9, 1, 11 nolu gerlm denklemler yazılır. d vq Rq q e d (8) d vd Rd d e q (9) vqr Rrqr d qr ( e r (1) v Rr d ( e r qr (11) Burada R tator br faz argıı drenc, R r tatora ndrgenmş rotor br faz argıı drenc, e tator 322

2 Z. Omaç, E. Öküztepe, A. H. Selçuk akımlarının enkron açıal hızı, r rotor akımlarının açıal hızıdır. q ve d ıraıyla tator akıının q eken ve d eken bleşenlern, qr ve rotor akıının q eken ve d eken bleşenlern fade etmektedr. Aenkron motorun dnamk modelne lşkn devreler şekl 1 de verlmştr. a) b) Şekl 1: Aenkron motorun dnamk model a) q eken devre b) d eken devre. Fq b q (12) Fd b d (13) F (14) qr b qr F b (15) yazılır ve bu fadeler (8), (9), (1), (11) nolu gerlm denklemlernde konulur ve gerekl düzenlemeler yapılıra (16), (17), (18) ve (19) nolu denklemler elde ed. Burada b akının elektrkel nomnal açıal hızdır. dfq e R b vq Fd ( Fq Fqm (16) b l df df R b vd Fq ( Fd Fdm b l d e ( ) R b F ( Fqr Fqm b qr e r r (17) (18) df ( e r ) R r b Fqr ( F Fdm (19) b Stator ve rotor akımlarının d ve q bleşenler (2) ve (21) nolu F qm ve F dm bağıntıları kullanılarak (23), (24), (25) ve (26) bağıntılardan heaplanab. m 1 m 1 F qm Fq Fqr (2) l dm d l F F F (21) m l 1 (22) q Fq Fqm (23) F l F d dm d (24) l qr Fqr Fqm (25) F F dm (26) Stator kaçak reaktan ( l ) ve rotor kaçak reaktanı ( ), tator kaçak ndüktanı (L l ) ve rotor kaçak ndüktanı (L ) le tator alanı enkron açıal hızına bağlı olarak (27), (28) ve (29) nolu bağıntılardan bulunur. L (27) l e l L (28) e m elm (29) Burada m mıknatılanma reaktanı ve L m mıknatılanma ndüktanıdır. Rotorda endüklenen moment eylemzlk moment le yük momentnn toplamına eşttr. 3 p 1 2 d r Te ( ) ( Fd q Fq d J( TL (3) 2 2 b p Burada T e endüklenen moment, T L yük moment, J eylemzlk moment ve p tek kutup ayııdır. (2) ve (21) nolu bağıntılar (16), (17), (18) ve (19) da yerne yazılıra aenkron motorun dnamk modelnn durum denklemeler elde ed [6]. df q e R b vq Fd Fqr ( 1) Fq (31) b l l df R d e b vd Fq F ( 1) Fd b l l df ( ) R qr e r r b F Fq ( 1) Fqr b (32) (33) df ( e r Rr b Fqr Fd ( 1) F (34) b l d r p ( T e T L) (35) 2J Gerek üç fazlı abc ekenlernden d-q ekenlerne dönüşümde gereke d-q ekenlernden abc üç fazlı ekenlere olan ter dönüşümde n e ve co e brm vektörler kullanılır. Rotor alan açıal hızı le kayma açıal hızı toplamının ntegral alınarak e beleneb. (36) ( ) e e r l r l Üç fazlı benzetm onuçları elde etmek çn aenkron motorun enkron dönen referan çatıdak akım değerler (37) ve (38) nolu bağıntılar kullanılarak duran referan çatıdak akım değerlerne ve daha onra (39), (4) ve (41) nolu bağıntılara kullanılarak üç faz akımları ayrı ayrı elde ed. Bu on k şlem ıraıyla Park Ter Dönüşümü ve Clarke Ter Dönüşümü olarak da adlandırılır. co n (37) q q e d e n co (38) d q e d e a (39) q 1 3 b q d (4)

3 Sayıal Snyal İşlemc Tabanlı Dolaylı Alan Yönlendrmel Aenkron Motorun Hız Kontrolü 1 3 c q d (41) 2 2 III. DOLAYLI VEKTÖR KONTROL Vektör kontrol veya alan yönlendrmel kontrol aenkron motoru erbet uyarmalı DC motor gb yükek performanlı kontrol etmey ağlar. Serbet uyarmalı doğru akım motorunda doyma hmal edldğnde tüm yükler çn uyarma akımı dama abt olduğu çn moment le endüv akımı araında doğrual br lşk vardır[7]. Senkron dönen referan çatıda aenkron motor DC motora benzetlmş olur. d * ve q * aenkron motorun k kontrol bleşendr. q moment üretr, d alanı meydana getrr. Şekl 2 de dolaylı vektör kontrolün fazör dyagramı verlmştr. Vektör kontrolün uygulanmaı çn rotor akıı konumunun beleme lazımdır. Rotor akıı konumunu belemek çn k temel yaklaşım gelştrlmştr. Brnc, elektrkel olarak akı algılayıcıları kullanarak rotor akıı konumunun doğrudan belenmedr. İknc e, artımlı enkoder kullanarak mekankel olarak rotor konumunun ölçülme ve kaymadan yararlanarak rotor akıının rotor eken le yaptığı açının heaplanmaıdır. Dolaylı rotor akıı yönlendrme yöntemnde (1) ve (11) nolu rotor devre denklemler kullanarak açıal kayma bağıntıı çıkarılır. Bu denklemlerde abt ( d / ), qr, l e r alınır ve gerekl matematkel şlemler yapılıra kayma açıal hızı çn (42) nolu fade elde ed. LR m r l q (42) L m d r L (43) IV. BENZETİM SONUÇLARI Üç fazlı ncap kafel aenkron motorun dolaylı vektör kontrol çn Matlab/Smulnk programında oluşturulan benzetm şemaı şekl 3 te göterlmştr. Gamak.37 KW gücünde 2p=4 kutuplu, f=5 Hz, yıldız bağlı, çalışma gerlm 38V ve nomnal akımı I n =1.3 A olan üç fazlı ncap kafel br aenkron motor benzetm ve mülayon onuçlarının elde edlmende kullanılmıştır. Aenkron motorun dğer parametreler tablo 1 de verlmştr. Tablo 1: Aenkron motor parametreler. Büyüklük Sembolü Değer Stator br faz drenc R 22.5 Stator br faz kaçak ndüktanı L l mh Mıknatılanma ndüktanı L m mh Statora ndrgenmş rotor br faz drenc R r Statora ndrgenmş rotor br faz kaçak ndüktanı L mh Eylemzlk moment J.54 kgm 2 Şekl 2: Dolaylı vektör kontrolün fazör dyagramı. Şekl 3: Aenkron motorun dolaylı vektör kontrol Matlab/Smulnk benzetm şemaı. 324

4 a, b, c (A) a b c (A) a b c (A) Te (Nm) n (d/d) Z. Omaç, E. Öküztepe, A. H. Selçuk Aenkron motorun hız, moment ve faz akımları benzetm onuçları şekl 4 te verlmştr. Başlangıçta referan hız n ref =6d/d alınmış daha onra t=1.2 onra referan hız n ref =-6 d/d ayarlanmıştır. Yük moment T L = Nm ve V DC =71 V alınmıştır. t=2.8 onunda referan hız n ref =6 d/d yapılmıştır. Motor yol alırken çektğ akım yükek, motor yol aldıktan onra düşmektedr. V. DENEYSEL SONUÇLAR 5V/5Hz lk br fazlı alternatf akım şebekenden köprü tp br fazlı tam dalga kontrolüz br doğrultucudan doğru gerlm elde edlmştr. Doğru gerlm Fuj 6MBP3RH6 akıllı güç modülü (Intellgent Power Module IPM) kullanılarak frekanı ayarlanab alternatf gerlme çevrlmştr. IPM modül üç fazlı nverter bağlantıında 6 adet IGBT, erbet dolaşım dyotu, kapı ürücü devreler ve koruma devrelern çermektedr. IPM modül TMS32LF247A EVM ayıal nyal şlemc le kontrol edlmştr. TMS32LF247A denetleyc 16 btlk fxed pont br şlemc olup 4 MHz de çalışır. 1 bt 16 kanal analog-ayıal dönüştürücü (ADC), 12 adet PWM çıkışı ve 4 adet genel amaçlı zamanlayıcıı vardır. EVA ve EVB olmak üzere k olay yönetc vardır. Sayıal-analog dönüştürücü (DAC) 4 kanal EVM üzernde mevcuttur. Sayıal Grş/Çıkış, er letşm, JTAG le blgayar bağlantıı ve QEP (Quaature Encoder zaman () Şekl 6: Dolaylı vektör kontrol deneyel uygulama blok şemaı zaman () zaman () Şekl 4: Hız, moment ve akım grafkler zaman () Şekl 5: Benzetm onucunda elde edlen a, b ve c faz akımlarının zaman bağlı değşm grafkler. 325,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 Şekl 7: Deney etnn fotoğrafı b c a -,4,38,39,4,41,42,43,44,45 zaman() Şekl 8: Deneyel ölçülen a, b ve c faz akımlarının değşm grafkler.

5 Sayıal Snyal İşlemc Tabanlı Dolaylı Alan Yönlendrmel Aenkron Motorun Hız Kontrolü Pule) devre le artımlı enkoder darbelernden konum ölçme TMS3LF247A denetleycnn ahp olduğu dğer özellklerdr. Code Compoer Studo(CCS 2.2) yazılımı program kodlarının aembly dl ve C dlnde yazılmaında kullanılmıştır. Program kodlarının blgayardan LPT1 paralel portu üzernden DSP ye yüklenmende DS51PP emulatoru kullanılmıştır. Motor faz akımları LEM LA 55- P/SP1 hall etkl akım algılayıcıları üzernden ölçülmüş ve A/D kanal üzernden DSP ye aktarılmıştır. Motor mlne bağlanan 25 devr/darbe üreten br artımlı optk enkoder le rotorun mekank konumu algılamada kullanılmış ve DSP üzernde bulunan QEP devre le rotor konumu ve hızı heaplanmıştır. PWM şaretler 1kHz de üretlmştr. DSP çıkışındak PWM şaretler opto koplör üzernden nvertern kapı ürücü devrene gönderlmştr. DSP le IPM araında elektrkel yalıtım çn HCPL456 opto koplörü kullanılmıştır. İnverterde aynı koldak k IGBT nn aynı anda letme grmeme çn PWM şaret üretlme aşamaında DSP de program kodları le ölü zaman ayarlanmıştır. Sncap kafel aenkron motorun dolaylı vektör kontrol deneyel blok şemaı şekl 6 da verlmştr. Motorun a ve b fazı akımları kullanılarak (44) ve (45)bağıntıları kullanılarak faz akımlarının Clarke dönüşümü, (46) ve (47) nolu bağıntılar le park dönüşümü elde edlmştr[5]. (44) q a 1 d ( a 2 b ) (45) 3 co n (46) q q e d e n co (47) d q e d e Aenkron motorun dolaylı vektör kontrol deney etnn fotoğrafı şekl 7 de göterlmştr. 6 d/d hızda deneyel ölçülen a, b ve c faz akımlarının zamana bağlı değşm grafkler şekl 8 de verlmştr. VI. SONUÇ Aenkron motorun dolaylı vektör kontrol matematkel model Matlab/Smulnk yazılımında oluşturulmuştur. TMS32LF247 DSP kullanarak aenkron motorun dolaylı vektör kontrol deneyel onuçları alınmıştır. Benzetm onuçlarının doğruluğu deneyel onuçlarla kanıtlanmıştır. KAYNAKLAR [1] M. M. M. Negm, J. M. Bakhahwan and M. H. Shwehd, Speed Control of a Three-Phae Inducton Motor Baed on Robut Optmal Prevew Control Theory. IEEE Tranacton on Energy Converon, vol. 21, no. 1, pp , March 26. [2] Y. Oğuz ve M. Dede, Speed etmaton of vector controlled qurrel cage aynchronou motor wth artfcal neural Network, Energy Converon and Management 52, pp , 211. [3] B. K. Boe, Power Electronc and Motor Drve Advance and Trend. Elever, 26 [4] P. C. Kraue, O. Waynczuk and S. D. Sudhoff, Analy of Electrc Machnery and Drve Sytem. Wley-IEEE Pre, 22. [5] H. A.Tolyat and S. Campbell, DSP Baed Electromechancal Moton Control. CRC pre, 24. [6] B. Ozpnec and L. M. Tolbert, Smulnk mplementaton of nducton machne model - a modular approach, IEMDC 23, pp , 23. [7] B. K. Boe, Modern Power Electronc and AC Drve. Prentce Hall,