Sensörsüz Doğrudan Moment Kontrollü Asenkron Motorun Moment Dalgalanmasının Azaltılması için Akı Bölgelerinin Kaydırılması

Transkript

1 ELECO '212 Elktik - Elktonik v Bilgiaya Mühndiliği Smpozyumu, 29 Kaım - 1 Aalık 212, Bua Snöüz Doğudan Momnt Kontollü Ankon Motoun Momnt Dalgalanmaının Azaltılmaı için Akı Bölglinin Kaydıılmaı Snol Flux Rgion Modification of DTC Contolld IM fo Toqu Rippl Rduction Yavuz Ü 1, Kayhan Gülz 2, Şükü Özn 3 1 Tknik Biliml MYO, 3 Elktik-Elktonik Mühndiliği Akdniz Üniviti yu@akdniz.du.t, ukuozn@akdniz.du.t 2 Kontol v Otomayon Mühndiliği Yıldız Tknik Üniviti gulz@yildiz.du.t Özt Doğudan Momnt Kontolü (DMK) hazı bi invt anahtalama tablou kullanaak akının v lktomanytik tokun doğudan bağımız olaak kontol dilmini ağla. Buada akım v gilim için hhangi bi kamaşık haplama işlmin gk yoktu. Ancak anahtalama tabloundan çiln h tato gilim vktöü, itnn akı v momnti ütmz. Bu da momnt v akı üzind dalgalanmalaa bp olu. Bu çalışmada, akı v momnttki dalgalanmalaı azaltacak bi yöntm önilmişti. Bu yöntmd, klaik doğudan momnt kontolündki akı bölgli kaydıılmış DMK v klaik DMK il kaşılaştıılmıştı. Ankon motoun hızı Modl Rfan Adaptif Sitm (MRAS) il ktiilmişti. MRAS hız ktiimli nöüz Klaik DMK v akı bölgli kaydıılmış DMK nın imülayon onuçlaı kıyalanmıştı. Abtact A Dict Toqu Contol (DTC) div allow dict and indpndnt contol of flux linkag and lctomagntic toqu by th lction of optimum invt witching tabl. Th i no nd fo any complx tanfomation of cunt o voltag. Howv, ach vcto lctd fom th witching tabl cannot poduc th quid accuat tato voltag vcto to povid th did toqu and flux. Thi ult in th poduction of ippl in th toqu a wll a flux wavfom. In thi tudy, w popo a mthod to duc toqu and flux fluctuation. In thi mthod, th flux gion of convntional DTC modl a modificatd and i compad to convntional DTC mthod. Spd i timatd fom MRAS. Th convntional MRAS-bad nol DTC and th flux gion modification mthod a imulatd and th compaion of thi pactic pfomanc i pntd. 1. Giiş Ankon motola bait yapılaı az bakım gktimli fiyatlaının ucuzluğu, ağlam yapılaı, yükk güç/ağılık oanına ahip olmalaı v h tülü otam koşullaında çalışabilmli gibi ütün özllikli ndni il gçmiştn günümüz ndütinin kullandığı lktik tahik itmlidi. Ankon motolaı kontol tmk için biçok faklı yöntm dnnmişti. Yıllaca ankon moto kontolü vktöl kontol yöntmli il yapılmıştı. Ancak, güncl ğilim doğudan momnt kontolü v bunun gliştiilmidi. Çünkü bait yapıı, hızlı olmaı v daha biçok avantajı vadı. Sinü-üçgn kaşılaştımaı vya hitzi akım kontolü gibi PWM oluştuma yöntmin ihtiyaç yoktu. Hhangi mkanik nö vya komplk bi algoitma kullanmaya ihtiyaç duymadan momnt haplanabili. Çok hızlı dinamik momnt cvabı vadı. Doğudan momnt kontolünd akı v momnti bibiindn bağımız hal gtimk için koodinat dönüşümün v gilim dkublaj bloklaına ihtiyaç yoktu. Ancak doğudan momnt kontolü yapılıkn amaç momnt v akıyı itnn dğ d kontol dkn, moto uçlaındaki akımın v gilimin hhangi hamonik güültü içmmi v idal bi ünü ğii itni. Bunu klaik DMK daki akı bölglind aktif vktölin anahtalamaı il yapmak ytli dğildi. Bi kaç anahtalama vktöü il itnn momnt ld dilbili ama anahtalanan voltaj vktöü gnld gkli momnttn ya daha az yada daha fazla momnt üti. Bunun onucunda momnt v akı da dalgalanmala mydana gli[1]. Uzay vktö modülayonu kullanaak invt anahtalama fkanını attıaak momnttki dalgalanmalaı azaltılmaya çalışılmıştı.[2]-[3]. Fakat bu yaklaşım kamaşık haplamala gktii. Bu çalışmada, akı bölgli kaydıılmış nöüz DMK yöntmi l alınacaktı. Önclikl klaik DMK yöntmi götilck, adından yni yöntm il momnt 17

2 ELECO '212 Elktik - Elktonik v Bilgiaya Mühndiliği Smpozyumu, 29 Kaım - 1 Aalık 212, Bua dalgalanmaının azaltılmaı inclnckti. Optimum voltaj vktöünün çilmi için yni anahtalama tablou v MRAS hız ktiimi şmaı il dnklikli vilckti. Snöüz klaik DMK il nöüz yni öniln DMK nın imülayon onuçlaı v pfomanlaı kaşılaştıılacaktı. d 1 için f Δ d için f Δ (7) 2. Klaik DMK Yöntmi Doğudan momnt kontol yöntmi, haplanan akı v momnt dğlini viln fan dğlin gtimk için momnttki hatayı hızla gidn bi yöntmdi. Şkil 1 d blok şmaı göüln DMK, bi anahtalama çizlgi il invt a bağlı güç lmanlaını anahtalayaak momnt kontolünü gçklştii[4]. Roto fan hızı, gi blmdn gln MRAS il haplanan hız dği il kaşılaştıılı v uygun PI dntlyici yadımıyla fan momnt dğin dönüştüülü. Rfan momnt d itnn fan momnt dği il kaşılaştıılaak, ld diln hata üç viyli bi hitiz dntlyiciy vili. Eğ hata pozitif i bu, momntin attıılmaı gktiği anlamına gli v 1 olu. Eğ hata ngatif i bu, momntin azaltılmaı gktiği anlamına gli v -1 olu. Eğ hata ıfı i bu, momntin abit kalmaı gktiği anlamına gli v olu. Üç viyli hitiz momnt kaşılaştııcının çıkışı aşağıdaki gibi tanımlanı. 1 için t tf Δt 1 için t tf Δt (8) Şkil 1: Doğudan momnt kontol Blok şmaı [5] Doğudan momnt kontolü için gkli dnklikl - kn takımındaki moto modlindn haktl çıkatılabili. Motoun tatoundan ölçüln akım v giliml yadımı il tato akıı, momnti, tato akı ktö bölgi gibi aşağıdaki haplamala yapılabili. v v T d Ri d Ri p i i i i ( ) v R i 2 2 ( ) ( v R i ) ( ) Buada, R tato faz dinci, p kutup çifti ayıı, i, i,,, V, V - knind akım, akı v gilimi, T i momnti göti. Stato akıı v momntin gnliği yukaıdaki şitlikl il haplanı. Adından fan tato akı gnlik dği il haplanan akı dği kaşılaştıılı. Eld diln hata iki viyli hitiz dntlyiciy vili. Eğ hata pozitif i bu, tato akı gnliğinin attıılmaı gktiği anlamına gli v d 1 olu. Eğ hata ngatif i bu, tato akı gnliğinin azaltılmaı gktiği anlamına gli v d olu. İki viyli hitiz akı kaşılaştııcıının çıkışı d aşağıdaki gibi tanımlanabili. (1) (2) (3) (4) (5) (6) için tf Δt t tf Δt Anahtalama işlmi Şkil 2 d göüldüğü gibi tatoa uygulanan gilim, V i (Sa,Sb,Sc) (i,1,2 7), 8 ayı anahtalamadan oluşan 8 fakı gilim vktöündn bii çilk gçklştiili. 6 anahtalama viyi dışında, uygulandığında çıkışında bi gilim ütmyn V (,,) il V 7 (1,1,1) viyli vadı[3]. V 3 IV V 2 III VI V V 1 V 5 Şkil 2: Uzay Voltaj Vktöli v Akı Bölgli Şkil 2 dki gibi tato akı vktöünün biinci bölgd olduğu vaayılı v aat yönünün tin döndüğü düşünülü Şkil 3 t göüldüğü gibi momnt v tato akıındaki atma v azalma duumlaı için altı aktif vktö aaından çim yapılı. Şkil 3 t tato akıı 2. bölgd ikn, gilim vktölinin tato akıı v momntt naıl tki ttiği götilmktdi. Hitzi kontolcünün v d çıkışlaı il tato akıının bulunduğu bölg aptandıktan ona tato akıının aat yönünün tin dönmi için Çizlg 1 kullanılaak n uygun anahtalama vktöü çilmy çalışılı [6]. Bu çizlgnin çıkışı motou ün invtin anahtalama vktöüdü. II V 6 Ψ I V 4 18

3 ELECO '212 Elktik - Elktonik v Bilgiaya Mühndiliği Smpozyumu, 29 Kaım - 1 Aalık 212, Bua q Ψ max Ψ f Ψ min A 1 V 2 V 3 : T F V 2 :T F V 5 : T F V 4 :T F T:Momnt F:Akı ω d A 2 Şkil 3: Biinci bölgd bulunan tato akıı için gilim vktölinin akı v momnt tkii d d 1 Çizlg 1: Saat yönünün ti dönüş ağlamaı için anahtalama yapıı θ(1) θ(2) θ(3) θ(4) θ(5) θ(6) 1 V 5 V 1 V 3 V 2 V 6 V 4 V 7 V V 7 V V 7 V -1 V 6 V 4 V 5 V 1 V 3 V 2 1 V 1 V 3 V 2 V 6 V 4 V 5 V V 7 V V 7 V V 7-1 V 2 V 6 V 4 V 5 V 1 V 3 V 3 2.Bölg 3. Öniln DMK Yöntmi Klaik DMK kontol algoitmaında ktöl aaı gçiş naında tml hamonik piyodunda özllikl akının yüklmi gkn anlada hitzi band ınıının altına düşmktdi. Özllikl düşük hızlada tato akıının gnliği h ktö dğişimind akı bandı aalığı dışına çıkmaktadı. Öniln yöntm i, tato akı çmbin ait bölgl aaı gçişld, ilgili bölgnin öncdn blilnn açı kada yaklaşımıdı. Böylc akı bölgi döndüülmkt v akı uzay vktöü bi onaki bölgd olmaına ağmn, bi öncki bölgy ait aktif gilim vktöü blili bi ü daha uygulanmakta v bu şkild tato akı gnliği itnn dğ ulaşmaktadı. Şkil 4 d biinci v ikinci bölgnin 3 o lik dönmi onucu yni oluşan bölgl göülmktdi[7]. Klaik DMK yöntmind gilim vktölinin çimi adc iki hitzi kontolö çıkışlaına (d v ) v tato akı uzay vktöünün açıına (θ poziyonuna) bağlıdı. Buadaki hitzi kontol çıkışlaı il uygulanan gilim vktöü d kni bilşni v d v tğt q kni bilşni v q aaında özl bi ilişki vadı. Eğ v d > i tato akı gnliğind bi yüklm olacak v aynı zamanda v q > i momntt hızla bi atış olacaktı. Buna gö Şkil 3 dki gibi tato uzay akı vktöü başlangıçta ikinci bölgdki A poziyonunda bulunun v aat ibinin ti yönünd dönüyo olun. Bu duumda, akının gnliğinin hitzi bandın alt ınıında olduğu şkild göülmktdi. A o V 5 1.Bölg V 4 Şkil 4: Klaik DMK v kaydıılmış DMK tato akı bölgli Bu ndnl akının gnliğini attımak gkmktdi ilgili poziyona çkck n uygun vktö V 2 vktöüdü. Bu vktö uygulandığında tato akıının poziyonu, A dan A 1 konumuna taşınmış olu. Ancak akının gnliği hala fan dğ ulaşmamaktadı. V bunu ağlayacak başka bi gilim vktöü d yoktu. Bu duum, uygulanan gilim vktöünün akı üzindki v d bilşnin çok küçük olmaından dolayı kaynaklanmaktadı. Aynı zamanda v q bilşni oldukça büyük olduğundan momntt hızlı bi atış otaya çıkmaktadı. Klaik DMK yöntmin gö momnt hitzi kontolü bu duumda çıkışı vmktdi. Çizlg 1 d göüldüğü gibi kontolö ıfı voltaj vktöünü çck v böylc zatn düşük olan akı gnliği daha da düşckti. Yni oluştuulacak akı bölgliyl düşük hızlada akıdaki azalma ngllnbili[8]. Şkil 3 dn d göüldüğü gibi akı A 1 konumundan başladığı için düşüşü otadan kalka v akı uzay vktöü A 1 poziyonundan A 2 poziyonuna taşını. Böylc akı düşüşü ngllnmiş olu. Akı bölglinin kaydıılmaı il yni oluşacak anahtalama yapıı çizlg 2 d vilmktdi. Çizlg 2: Saat yönünün ti dönüş için dğiştiilmiş yni anahtalama yapıı d d 1 θ(1) θ(2) θ(3) θ(4) θ(5) θ(6) 1 V 6 V 2 V 3 V 1 V 5 V 4 V 7 V V 7 V V 7 V -1 V 4 V 6 V 2 V 3 V 1 V 5 1 V 3 V 1 V 5 V 4 V 6 V 2 V V 7 V V 7 V V 7-1 V 1 V 5 V 4 V 6 V 2 V 3 4. Modl Rfan Adaptif Sitm (MRAS) MRAS tkniği nöüz ankon motolada ilk kz Schaud taafından kullanılmıştı[9]. Bundan ona biçok makalnin konu başlığı olmuştu[1,11]. Şkil 5 d MRAS bait şmaı göülmktdi. Şma fan modl, ayalanabili modl v d adaptayon mkanizmaından oluşmaktadı. Rfan modl bilinmyn paamt dğli il bab gçk itm dğlini içi. x d v x q duum dğişknlidi(oto vya tato akıı vb.). Adaptif modl fan modl il aynı yapıya ahipti fakat bilinmyn paamtldn bii ayalanabili paamtdi. adaptif modlin çıkışındaki bilinmyn paamtli duum dğişknlidi. Adaptayon mkanizmaı fan v ayalanabili modl aaındaki hata dği ε d v ε q yu kullanaak bilinmyn paamtyi ktii. Buadaki bilinmyn paamt ω oto hızıdı. Tatmin dici dğ 19

4 ELECO '212 Elktik - Elktonik v Bilgiaya Mühndiliği Smpozyumu, 29 Kaım - 1 Aalık 212, Bua V V I I Rfan modl Adaptif modl ωˆ x d x q xˆd xˆq Adaptayon mkanizmaı ε d - - ε q V I ωˆ Akı Ktiici fan modl Akı Ktiici adaptif modl ˆ K i K p Hız aya inyali * xˆ Im( xˆ ) ε ω alınana kada ayalanabili modl, ktiiln paamtyl güncllni. Buada adaptayon mkanizmaı PI dntlyicidi. V V I I Rfan modl Adaptif modl ωˆ x d x q xˆd xˆq Adaptayon mkanizmaı Şkil 5: MRAS tml yapıı ε d - - ε q Şkil 6: Akı dnklikli il hız ktiimi Hata ıfı olduğunda gçk oto hızı ( ωˆ ) tpit dilmişti. Hız ktiimi aşağıdaki dnklikl ifad dilbili. ωˆ K ε ω K ε p i ω (13) Bu ifaddki Kp v Ki dğli iyi bi pfoman için ayalanmalıdı. Aşağıdaki şkild akı bazlı MRAS oto hız ktiimcinin şmaı vilmktdi Roto Hız Ktiimi Yukada da bahdildiği gibi buada iki modl kaşılaştıılmaktadı. Bu iki modlin hata çıktıı bi PI dntlyiciy vilk hata payı ıfıa düşüülmk itnmktdi. Hız ktiimi yapmak için kullanılan dnklikl, akı dnkliklidi. Rfan dnklik (9) v (1) kullanılaak, oto akı haplamaında kullanılan adaptif dnklik (11) v (12) dn d ω ifadi çkilmktdi. Rfan Modl: L [ ( v R i ) L i ] Lm L [ ( v R i ) L i ] L m Adaptif Modl: 1 ˆ T ( L m i ˆ ω Tˆ ) (11) 1 ˆ T ( L m i ˆ ω Tˆ ) (12) Buada, T oto zaman abiti, L tato ndüktanı, L indignmiş oto ndüktanı, L m mıknatılanma ndüktanıdı. Şkil 6 da göüldüğü gibi hız aya inyali ˆ ˆ ε ω Im( ˆ ) bi PI dntlyiciy vilk oto hızı ktiili. Adaptayon mkanizmaının giişi ε ω giişi ıfı oluncaya kada döngü dvam d[12]. (9) (1) Şkil 7: Akı bazlı MRAS hız ktiim şmaı 5. Simülayon Sonuçlaı Klaik DMK il akı bölgli kaydıılmış nöüz DMK imül dilmiş v onuçlaı kaşılaştıılmıştı. Simülayonda kullanılan paamtl Ek-A da, Simulink şmaı i Ek-B d vilmişti. Şkil 8 13 aaında gçiş v kaalı duumdaki analizli göülmktdi. Hız ktiimi açıklandığı gibi MRAS il yapılmıştı. Kaalı duumda yükk gnlikli dalgalanmala yok olmuştu. Akım v gilim dalga şkillindki oilayon ayıı azalmıştı. Hız ktiimi fan hız dğini ytli doğulukta takip tmktdi. Klaik DMK yöntmin gö 2

5 ELECO '212 Elktik - Elktonik v Bilgiaya Mühndiliği Smpozyumu, 29 Kaım - 1 Aalık 212, Bua nöüz akı bölglinin kaydıılmış DMK yöntmi akı v momnt üzind gözl göülü azalma ağlamıştı. 3 2 Hız(pm) Zaman() (a) Akım(amp) Şkil 1: Moto faz akımlaı I abc (a)klaik (b)öniln DMK (a) Zaman() (b) Hız(pm) Gilim(volt) Gilim(volt) Momnt (Nm) Zaman() (b) Şkil 8: Roto Hız Ktiimi (a)15 pm, -5 pm, 3 pm (b)12 pm, -15 pm, 11 pm Zaman() (a) Momnt (Nm) Akı_(Wb) Zaman() (a) Zaman() (b) Şkil 11: Momnt Cvabı (a)klaik (b)öniln DMK Akı_(Wb) Akı_(Wb) (a) Akı_(Wb) (b) Zaman() (b) Şkil 9: Moto faz gilimi V ab (a)klaik (b)öniln DMK Şkil 12: Stato Akı Çmbi (a)klaik (b)öniln DMK 3 2 Akım(amp) (a) Zaman() (a) 21

6 ELECO '212 Elktik - Elktonik v Bilgiaya Mühndiliği Smpozyumu, 29 Kaım - 1 Aalık 212, Bua Şkil 13: Moto A Fazı Akımı Spktumu (a)klaik (b)öniln DMK 6. Sonuç Bu çalışmada, nöüz hız tahmini yapılaak, haici hız nöü kullanmaya gk kalmamıştı. Klaik DMK yöntmindki akı bölgli inclnmiş v momnt üzindki dalgalanmalaın azaltılmaı için akı bölgli kaydıılmıştı. H iki yöntmin akım, gilim, akı, momnt gafikli kaşılaştıılmış v hız, akı tabanlı MRAS il ktiilmişti. Momnttki dalgalanma 1,3Nm azalmıştı. Akı çmbind yöntm uygulandıktan ona fan akı dğin hmn ulaşmış v.8wb civaında klaik DMK ya gö daha az akı dalgalanmaıyla bi dai oluştumuştu. Moto a fazına bağlanmış pktum analizöünün kanı göülmktdi. Yöntm uygulanmadan önc akım hamoniklinin %7.3 THD il 1kHz civaında hamoniklin yoğunlaştığı göülmktdi. Yöntm uygulandıktan ona THD nin %4.8 düştüğü göülmktdi. 1kHz d bulunan hamonikldn nd i aındığı göülmktdi. Sonuçlaa bakılaak, akı bölglinin kaydıılmaı v anahtalama tablounun dğiştiilmi il akı v momnttki dalgalanmalaın azaldığı göülmktdi. Litatüd akı bölglinin kaydıılmaı yöntmi mvcuttu. Buada bu yöntm MRAS hız ktiici klnmişti. MRAS il ktiiln hız tatmin dici şkild fan hızı izlmktdi. 7. Kaynakla [1] X. Li, R. Duk and S. Round., Dvlopmnt of a thpha th-lvl invt fo an lctic vhicl, Autalaian Univiti PowEngining Conf., 1999, Dawin, Autalia, pp [2] Saıoğlu M. K., Elktik Makinalaının Tmlli I, ITÜ, Elktik-Elktonik Müh. Fakülti, [3] Saıoglu M.K., Gokaan M., Bogoyan S.,Aynchonou Machin and it Contol, Bin Publihing, ISBN , 23. [4] Vaudvan M., Aumugam R., Nw Dict Toqu Contol Schm of Induction Moto fo Elctic Vhicl. [5] Pakh R., AC Induction Moto Fundamntal, Micochip Tchnology Inc., AN887,U.S.A., 23. [6] Luukko, J., Dict Toqu Contol of Pmannt Magnt Synchonou Machin -Analyi and Implmntation, Di. Lappnanta Univity of Tchnology, Lappnanta, Stockholm, 2. [7] Okumuş, H.,İ., Impovd Dict Toqu Contol of Induction Machin Div, PhD Thi, Univity of Bitol, July, UK, 21. (b) [8] Mi, C.G., Panda, S.K., Xu, J.X. v Lim, K.W., Dict Toqu Contol of Induction Moto-Vaiabl Switching Scto, Poc. of th 3d Pow Elctonic and Div Sytm, Pocding of th IEEE Intnational Confnc, 1999, 1:8-85. [9] Schaud, C., Adaptiv Spd idntification fo vcto contol of induction moto without otational tanduc, IEEE Tan.Ind.Applic., 5(IA-22): ,1999. [1] Ciincion, M. and M. Pucci, Snol dict toqu contol of an induction moto by a TLS-bad MRAS obv with adaptiv intgation, Automatica, 11(41): , 25. [11] Kojabali,H.M., L. Chang and R. Doaimi, A MRAS bad adaptiv pudo-ducd od flux obv fo nol induction moto div, Elc. Pow Componnt Sytm, 4(2):93-937, 25. [12] Kaim,H.,Bn Hamd,M., Sbita, L. v Nacualdulkim, M., DTC Snol Induction Moto Div Bad on MRAS Simultanou Etimation of Roto Spd Stato Ritanc,Intnational Jounal of Elctical and Pow Engining, 2(5):36-313,28. [13] SIMULINK Dynamic Sytm Simulation fo MATLAB Modling, Simulation, Implmntation, Th MathWok, Inc. Natick, Maachutt, USA, 21. Tşkkü- Bu çalışma, Akdniz Üniviti Biliml Aaştıma Pojli Yöntim biimi taafından klnmişti. Ek A Aşağıda kullanılan moto paamtli v alınan fan dğl v önklm piyodu vilmişti. T1μ, T L 2Nm, f.8wb, PI: Kp2, Ki4, Δ ±.5V./ad Δt ±.8Nm. P mk 3W, R 1,93, R 1,45, L 12,2.1-3 h, L.19734,R 1.45, L m,1878, p2, J,3 Kgm 2, T L/R. Ek B Aşağıda ankon motoun nöüz doğudan momnt kontolü (DMK) imulink şmaı vadı. 22