ÜÇ SEVİYELİ UZAY VEKTÖR DARBE GENİŞLİK MODÜLASYONLU İNVERTER İLE SABİT MIKNATISLI SENKRON MOTORUN ALAN YÖNLENDİRMELİ KONTROLÜ

Transkript

1 Fırat ÜniversitesiElazığ ÜÇ SEVİYELİ UZAY VEKTÖR DARBE GENİŞLİK MODÜLASYONLU İNVERTER İLE SABİT MIKNATISLI SENKRON MOTORUN ALAN YÖNLENDİRMELİ KONTROLÜ Semra CEYLAN, Eyyüp ÖKSÜZTEPE,Zeki OMAÇ ElekElektronik Müh.Bölümü Bilgisayar Müh. Bölümü ElekElektronik Müh.Bölümü ÖZET Son yıllarda güç elektroniği ve mikroişlemci teknolojisindeki büyük gelişmeler ile birlikte sabit mıknatıslı senkron motorlara olan ilgi artmıştır. Sabit mıknatıslı senkron motorlar kutup alanı ile rotor alanının bir konum algılayıcısı kullanılarak senkronize edilmesiyle kararlı çalışabilirler. Sabit mıknatıslı senkron motor sürücülerinde daha çok Uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği kullanılır. Uzay vektör darbe genişlik modülasyon tekniği ile elde edilen kontrol sinyallerinin invertere uygulanması ile istenilen gerilim motora uygulanır. Bu motorlardan düzgün bir momentin alınabilmesi için, rotor üzerinde bulunan mıknatıslar vasıtasıyla sargılarda indüklenen sinüzoidal gerilime, dalga şekli bakımından, benzer bir gerilim uygulanmalıdır. Bu çalışmada sabit mıknatıslı senkron motorun alan yönlendirmeli kontrolü iki seviyeli ve üç seviyeli uzay vektör darbe genişlik modülasyonlu inverter ile yapılmış ve benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır. Benzetim sonuçları, üç seviyeli uzay vektör darbe genişlik modülasyonlu inverter ile yapılan sabit mıknatıslı senkron motorun alan yönlendirmeli kontrolünde daha düzgün bir moment alındığını açıkça göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Sabit Mıknatıslı Senkron Motor, Uzay vektör Darbe Genişlik Modülasyonlu İnverter, Alan Yönlendirmeli Kontrol. GİRİŞ Sabit mıknatıslı senkron motorlar (SMSM), her geçen gün uygulama alanına sağladığı avantajlardan dolayı teknolojik ve endüstriyel uygulamalarda, gittikçe daha geniş uygulama alanı bulmaktadır. Bu, sabit mıknatıslı senkron motorların kaliteli güç yoğunluğundan, verim ve atalet oranındaki yüksek momentinden kaynaklanmaktadır []. Mıknatıs teknolojisinin gelişmesiyle birlikte mıknatıs fiyatlarının düşmesi, sayısal işlemci ve güç elektroniğindeki gelişmeler sabit mıknatıslı motorlara olan ilgiyi arttırmaktadır. Ayrıca bu motorların uyartım akımının sabit mıknatıslar tarafından sağlanması nedeniyle daha verimli motorlardır. Bununla beraber diğer motorlara göre aynı güç için boyutunun küçük olması son derece önemli bir üstünlüktür []. Sabit mıknatıslı motorların rotor alanı rotora yerleştirilen sabit mıknatıslarla sağlanır. Bu motorlarda fırça ve kolektör düzeneği yoktur. Bu sebeple doğru akım motorlarına göre daha basit bir yapıya sahiptir. Fakat bu motorların çalışması için rotor frekansı ve statora uygulanan gerilim frekansı senkronize edilmelidir []. Stator alanı ile rotor alanının senkronize edilmesi gerektiğinden hassas bir rotor konum bilgisine ve harici güç elektroniği devrelerine gerek duyulur. SMSM lerin alan yönlendirmeli kontrolünde genellikle Uzay Vektör Darbe Genişlik Modülasyon (UVDGM) tekniği kullanılır []..UVDGM nin esası genel olarak bir inverterde mümkün olan her bir durumun bir ayrı uzay vektörü olarak tanımlanması temeline dayanır. İki seviyeli UVDGM ile her bir anahtarlama periyodunda ω açısal hızıyla dönen referans vektör bitişik iki sıfır olmayan vektör ve iki sıfır vektörü arasında yapılan anahtarlamayla yaklaşık olarak ifade edilir. Üç seviyeli UVDGM tekniğinde referans gerilim vektörü bitişik sıfır olmayan üç vektör ve üç sıfır vektörü ile ifade edilir. Üç seviyeli inverter topolojisi mevcut güç anahtarları ile yüksek gerilim kullanımı ve iyi harmonik dağılımı gibi avantajlar nedeniyle yüksek gerilim ve güç uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Üç seviyeli inverter, iki seviyeli invertere göre dört kat daha iyi harmonik bastırma yeteneğine sahiptir[]. Bu inverterlerde referans vektörün bulunduğu sektör ve bölge belirlendikten sonra bu sektör ve bölgeye ilişkin DGM işaretleri üretilir. Uzay vektör darbe genişlik modülasyonunun uygulanması kolay, fakat DGM işaretlerini üretmek için gereken sürelerin hesaplanması karmaşık denklemler içermektedir. Bu karmaşık denklemler mikroişlemci teknolojisindeki ilerlemelerle birlikte kolayca hesaplanabilmektedir [].. SMSM NİN KONTROLÜ SMSM nin kontrol yöntemleri; alan yönlendirmeli kontrol yöntemi, akı zayıflatma kontrol yöntemi ve doğrudan moment kontrol yöntemi olarak sıralanabilir. Bu çalışmada SMSM nin alan yönlendirmeli kontrolü gerçekleştirilmiştir... SMSM nin Matematiksel modeli Bu çalışmada yüzey mıknatıslı SMSM nin alan yönlendirmeli kontrolü yapılmıştır. Bu nedenle yüzey mıknatıslı SMSM nin dönen rotor referans düzleminde gerilim denklemleri denklem() de verilmiştir. V r. i pλ ω λ V r. i pλ ω λ () Motor akıları; ()

2 Burada V, V, i, i λ ve λ sırasıyla dq eksen gerilimlerini, akımlarını, akılarını göstermektedir. λ mıknatıs akısı, p türev operatörüdür. Yüzey mıknatıslı SMSM lerde d ve q eksen indüktansları birbirine eşit olduğundan sadece stator indüktansı olacaktır. Üretilen elektriksel moment; () ElektrikElektronik ve Bilgisayar Sempozyumu P çift kutup sayısını göstermektedir. Mekanik denklem ise denklem () de verilmiştir. ω ω () (.) Burada mekanik hızı, J motorun atalet momenti, Ty yük momentini göstermektedir... SMSM nin Alan Yönlendirmeli Kontrolü Alan yönlendirmeli kontrol, makinadan arzu edilen momenti almak için dq rotor referans düzleminde birer vektör olarak gösterilen motor akımlarının bileşenlerini kontrol etmektir. Bu akım bileşenleri d eksen akımı ve q eksen akımı olup, bu akımları elde etmek için rotor konum bilgisine ihtiyaç duyulur []. SMSM nin moment ifadesini veren denklem () incelendiğinde moment, mıknatıs akısı ve stator q eksen akımı ile orantılı olduğu görülmektedir. Mıknatıs akısı kontrol edilemeyeceği için q akımının kontrolü ile moment kontrolü yapılabilmektedir. i d akımının moment üzerinde bir etkisi olmadığından, stator bakır kayıplarını azaltmak için, bu akım bileşeni sıfırda tutulur. Eğer motorun nominal hızından daha büyük hızlarda çalışılacaksa alan zayıflatma kontrol yöntemi kullanılmalıdır. Bu durumda i d akımı, motorun zarar görmeyeceği akıyı elde etmek için negatif bir değerde tutulur. Buna alan zayıflatması denir [5]. SMSM nin vektör kontrolünün blok şeması şekil de görülmektedir. Şekil de hız denetleyici, referans momenti üretir. Moment denetleyici ise referans V d ve V q gerilimlerini üretir. Bu gerilimler motora, bir seviyeli UVDGM üretme yöntemiyle elde edilen anahtarlama kontrol sinyallerinin yine üç seviyeli diyot kenetlemeli invertere girilmesiyle uygulanır.. UZAY VEKTÖR DARBE GENİŞLİK MODÜLASYONU Uzay vektör darbe genişlik modülasyonu bir dijital modülasyon tekniğidir. Bu teknikteki amaç, en az anahtarlama kaybı ve en düşük toplam harmonik distorsiyon ile istenilen sinüsoidal çıkış gerilimini elde etmektir. Bunun için inverterdeki anahtarların anahtarlama durumları birer anahtarlama vektörü ile ifade edilir. Üç seviyeli UVDGM; çeşitli DGM teknikleri içerisinde en iyilerinden biridir ve üç fazlı sistemlerde DGM teknolojisinde yaygın olarak kullanılır. Üç seviyeli UVDGM iki seviyeli geleneksel UVDGM nin genişletilmiş şeklidir. Üç seviyeli UVDGM 7 tane vektörden oluşmaktadır. Bu vektörlerin tanesi aktiftir. Aktif vektörler; kısa vektör, 6 orta vektör ve 6 uzun vektörden oluşur. vektörde sıfırdır [6], [7]. Üç seviyeli UVDGM; 6 sektörden oluşur ve her sektörde bölge vardır. Toplamda bölgeden oluşmaktadır. Üç seviyeli UVDGM e ait sektörler ve bölgeler Şekil de verilmiştir. Ref. Hız Hız Kontrolörü i q PI Akım denklemi T e i d Moment Konrolörü PI PI λ d + λ q Seviyeli 9 UVDGM üretimi i a Seviyeli inverter C Vdc C Şekil : Üç seviyeli UVDGM e ait sektörler ve bölgeler Üç seviyeli UVDGM nin. Sektörü Şekil de ayrıntılı olarak verilmiştir. i b abc/dq r s θ Enkoder SMSM v PPN Şekil : Üç seviyeli UVDGM ile beslenen SMSM nin alan yönlendirmeli kontrol blok şeması Üç seviyeli diyot kenetlemeli inverterin yapısı şekil de verilmiş olup, her bir inverter bacağında kontrollü anahtar, serbest geçiş diyodu ve iki diyottan oluşmaktadır. ve nolu anahtarlar iletimdeyken motora pozitif kaynak ucu, ve nolu anahtarlar iletimdeyken negatif kaynak ucu bağlanmaktadır. ve nolu anahtarlar iletimdeyken motora, kaynağın nötr noktası bağlanır. PPP NNN v v P NN V r ref α T c v Ta PP N T b v 7 PN v PNN Şekil :.sektöre ait bölgeler ve vektörler

3 Fırat ÜniversitesiElazığ Vektörün hangi sektörde olduğunun tespit edilebilmesi için α açısına bakılır. α açısının değerine göre sektör belirlendikten sonra vektörün hangi bölgede olduğu modülasyon indeksinin bileşenlerine göre belirlenir. Sektör ve bölge tespitinden sonra sıra anahtarlama sürelerinin hesabına gelir. Her sektörün her bir bölgesi için anahtarlama süreleri tek tek hesaplanır. Üç seviyeli UVDGM gerilimzaman eşitleme prensibine dayandırılır. V ref en yakın üç gerilim vektörü tarafından oluşturulmaktadır. Şekil de gösterildiği gibi.sektörün. bölgesinde yer aldığı zaman gerilimzaman eşitleme denklemi; V T + V T + V T = V a 7 Ts T a Tb + Tc = b c ref Ts (5) + (6) denklem 5 ve denklem 6 daki gibi yazılır. Burada T a, T b, T c sırasıyla V, V 7, V vektörlerinin anahtarlama süreleridir. Tablo de. Sektöre ait anahtarlama süreleri verilmiştir. Tablo :. Sektöre ait anahtarlama süreleri Bölge Ta Tb Tc π π Ts msin( + α) m sin( α) msinα π T msin( + α ) T msinα s π s msin( α) T s π msin( + α) ( msinα ) ( msinα ) π + msin( α ) π π msin α msin α + Tablo daki m; modülasyon indeksidir. Modülasyon indeksinin değerinin m aralığında olması istenir. Her bir sektörün her bir bölgesi için anahtarlama süreleri hesaplandıktan sonra anahtarlama sıraları belirlenir ve hesaplanan süre kadar işaret uygulanır. Şekil te. Sektöre ait anahtarlama yönleri verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi.,. ve. bölgelerde anahtarlama yönü saat yönünün tersi,. bölgede anahtarlama yönü saat yönü olarak alınmıştır. Bu yönler anahtarlama kayıplarının azaltılması için bu şekilde seçilmiştir. Bu durum tüm sektörler içinde aynıdır [8]. Tablo :. Sektöre ait anahtarlama sırası.bölge NNN,ONN,OON,OOO,POO,PPO,PPP.BÖLGE ONN,PNN,PON,POO.BÖLGE.BÖLGE ONN,PPN,PON,POO,PPO OON,PON,PPN,PPO Şekil :. Sektöre ait anahtarlama yönleri Tablo de. Sektöre ait anahtarlama sırası verilmiştir.. MATLAB/SİMULİNK BENZETİM SONUÇLARI Matlab/Simulink programında UVDGM tekniği kullanılarak iki seviyeli ve üç seviyeli inverter ile SMSM nin vektör kontrolü yapılmış ve karşılaştırılmıştır. Referans hız olarak değişken referans hız verilmiştir. Benzetimde.5 ile saniye arasında.5 Nm sabit yükle motor yüklenmiştir.

4 ElektrikElektronik ve Bilgisayar Sempozyumu wr wrref wr wrref 5 5 wrefwr wrefwr a) b) iabc iabc c) d). Te Ty. Te Ty TeTy. TeTy e) f).5 id iq.5 id iq.5.5 id, iq.5 id, iq g) h) 5

5 Fırat ÜniversitesiElazığ Şekil 5 : UVDGM tekniği kullanılarak iki ve üç seviyeli inverter ile beslenen SMSM nin benzetim sonuçları Şekil 7. de ise üç seviyeli inverter ile beslenen SMSM nin alan yönlendirmeli kontrolünde motora uygulanan fazlar arası gerilimler görülmektedir. Şekil 5 de sol tarafta verilen (şekil 5. aceg ) sonuçlar üç seviyeli, sağ tarafta verilen (şekil 5. bdfh ) sonuçlar ise iki seviyeli inverterle beslenen SMSM nin vektör kontrolüne ait sonuçladır. SMSM un şekil 5.a ve şekil 5.b de verilen değişken referans hızı takip ettiği görülmektedir. Ancak üç seviyeli inverterle beslenen SMSM nin hızının referans hızı daha iyi yakaladığı görülmektedir. Üç seviyeli inverter ile beslenen SMSM nin alan yönlendirmeli kontrolünün avantajı, şekil 5.e ve şekil 5.f de verilen motorun ürettiği elektriksel moment grafiği incelendiğinde açıkça görülmektedir. Şekil 5.e de verilen üç seviyeli inverter ile beslenen SMSM nin ürettiği elektriksel momentin, şekil 5.f de verilen iki seviyeli inverter ile beslenen SMSM nin ürettiği momente göre daha düzgün olduğu açıkça görülmektedir. Şekil 6 da üç seviyeli inverter ile beslenen SMSM nin alan yönlendirmeli kontrolünde gerilim vektörünün hangi bölge ve sektörlerden geçtiği görülmektedir. Şekil 6 da verilen bölge grafiğinde SMSM nin yüksüz iken, gerilim vektörünün birinci bölgede olduğu,.5 saniyeden sonra daha fazla gerilim gerektiği için, ve. bölgelerde olduğu görülmektedir. SMSM nin rad/sn lik hız için de gerilim vektörünün genliğinin büyük olduğu görülmektedir. Hız negatif 5 rad/sn için.ile saniye arasında gerilim vektörü küçük olduğu için birinci bölgelerden geçtiği görülmektedir. SMSM un negatif pozitif yönde çalışıyorken yaklaşık.5.saniyede negatif yönde hızlandığı sektör değişiminden de görülmektedir. Bolge sektor Şekil 6: Üç seviyeli UVDGM da gerilim vektörüne göre bölgeler ve sektörler Vab SMSM nin elektriksel parametreleri: Rs=.78Ω;L=mH; P=;J=.57955;B=.7; =.. 5. SONUÇLAR Bu çalışmada sabit mıknatıslı senkron motorun üç seviyeli inverter ile alan yönlendirmeli kontrolü, üç seviyeli UVDGM ile yapılmış ve iki seviyeli inverter ile yapılanla karşılaştırılmıştır. Benzetim sonuçları üç seviyeli inverter ile beslenen SMSM nin alan yönlendirmeli kontrolünde momentin daha düzgün olduğu ve performansının daha iyi olduğu göstermiştir. 6. KAYNAKLAR. BUZCU İ.E., Daimi Mıknatıslı Senkron Motorun Rotor Alan Yönlendirmeli Kontrolü ve Pasif Filtre ile Harmoniklerin Azaltılması, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, 5. ÖKSÜZTEPE E., Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorların Algılayıcısız Kontrolü, Doktora Tezi, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, 8.. GÜMÜŞ B., Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorun Bulanık Mantık Gözlemleyicisi Kullanarak Vektör Kontrolü, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,.. Liu H. L. and ChoG.H., Threelevel space vector pwm in low ındex modulation region avoiding narrow pulse problem, IEEE Trans. On Power Elect., Vol. 9, No. 5, ÇELİK H., Uzay Vektör Darbe Genişlik Modülasyonu ile Üç fazlı Asenkron Motorun Hız Kontrolü, Yüksek Lisans Tezi, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü,. 6. Haibing H., Wenxi Y., Zhengyu L., Senior M., Design and Implementation of ThereLevel Space etor PWM IP Core for FPGAs, IEEE Transactions on power electronics, VOL., NO.6, NOVEMBER Bin Wu.,HighPower Converters and AC Drivers, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, KOCALMIŞ A., Uzay Vektör PWM Kontrollü Çok Seviyeli İnverterin Modellenmesi ve Benzetimi, Yüksek Lisans Tezi, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, 5. Vbc Vca Şekil 7: Motora uygulanan fazlar arası gerilimler 6