Cilt:11 Sayı: 4 s , 2008 Vol: 11 No: 4 pp , Yılmaz KORKMAZ, Fatih KORKMAZ ÖZET

Transkript

1 Politeknik Dergii Journal of Polytechnic Cilt: Sayı:.9-98, 8 Vol: No: pp.9-98, 8 Doğrudan Moment Denetimi Yöntemiyle Denetlenen Aenkron Motor e Sabit Mıknatılı Senkron Motorun Performanlarının Karşılaştırılmaı Yılmaz KORKMAZ, Fatih KORKMAZ ÖZET Endütride; elektrik motorları ile ürülen yüklerin bu motorlardan beklentileri, motorların e yüklerin performanlarının uyumlu olmaını gerektirmektedir. Bu çalışmada, yüke uygunluk açıından aynı yöntem ile denetlenen aenkron motor e abit mıknatılı enkron motor un performanlarının karşılaştırılmaı amaçlanmıştır. Bunun için, aenkron motor e abit mıknatılı enkron motor un doğrudan moment denetimi yöntemiyle denetimi; MATLAB ortamında imüle edilmiştir. Bu imülayon onucunda, motorların yüküz- yüklü e abit - değişken hız koşullarında, referan değerlere ulaşma üreleri ile referan değerleri takip etme başarıları elde edilmiştir. Değişken yük e hız uygulamalarında, referan değerlere ulaşma e takip etme üreleri karşılaştırılmış e abit mıknatılı enkron motorun referan değerlere ulaşma e takip etmeinin aenkron motora göre daha iyi olduğu onucuna arılmıştır. Anahtar Kelimeler : Aenkron motorun denetimi, Sabit mıknatılı enkron motorun denetimi, Doğrudan moment denetimi, DTC Comparing Performance of Direct Torque Controlled Aynchronou Motor and Permanent Magnet Synchronou Motor ABSTRACT In indutry, the load drien by electrical motor require that the performance of motor and load are compatible. In thi tudy, a comparion of the performance of aynchronou motor and permanent magnet ynchronou motor controlled by the ame method which i compatible with the load i aimed. In order to do that the control of aynchronou motor and permanent magnet motor by direct torque method i imulated in MATLAB enironment. In thi imulation, the ucce of the acceion time to the reference alue and tracing capability of reference alue of motor with contant and ariable peed and with/without load condition are obtained. The acceion time to and the tracing time of the reference alue under ariable load and peed application are compared to each other. The acceion to and the tracing capability of the reference alue of permanent magnet motor ha been found better in comparion with that of aynchronou motor. Key Word : Aynchronou motor control, Permanent magnet ynchronou motor control, Direct torque control, DTC. GİRİŞ Değişken hız-moment e ero uygulamalarında, yaygın olarak kullanılan doğru akım (DA) motorlarının; pahalı olmaları, fırça e kollektörlerinin peryodik olarak bakım gerektirmeleri gibi nedenlerden dolayı endütriyel uygulamalarda kullanım alanları giderek azalmakta e bu motorların yerine alabilecek yeni motor çeşitleri araştırılmaktadır. Bu motorlardan birii de abit mıknatılı enkron motor (SBSM)lardır. SBSM ların Makale..8 tarihinde gelmiş,..8 tarihinde yayınlanmak üzere kabul edilmiştir. Y. KORKMAZ, Gazi Ünieritei, Teknik Eğitim Fakültei Elektrik Eğitimi Bölümü Teknikokullar, ANKARA e-pota : ykorkmaz@gazi.edu.tr F. KORKMAZ, Kızılcahamam Endütri Melek Liei, Kızılcahamam, ANKARA e-pota : fthkorkmaz@yahoo.com Digital Object Identifier.9/ kollektör e fırça düzeneği bulunmadığından, fazla bakım gerektirmeyen motorlar olarak bilinmektedir. Son yıllarda yarıiletken teknolojiinde meydana gelen gelişmeler e bu malzemelerin ağladığı ütünlükler, elektrik motorlarının kontrollerini kolaylaştırmıştır. Bu gelişmeler ile aenkron motorların (ASM) oldukça karmaşık olan denetim yöntemleri de geliştirilerek; yükek performanlı ürücüler ile hız e moment kontrolleri mümkün olmuştur (). Yükek performanlı motor ürücüleri genel olarak ektör kontrol teknikleri ile gerçekleştirilmektedir. Vektör kontrol tekniğinin amacı, tator akımının iki bileşenini (haa aralığı akıı e akım bileşenleri) birbirinden bağımız hale getirerek, motorların moment karakteritiğini doğruallaştırmak uretiyle moment e akıyı bağımız olarak kontrol etme olanağı ağlamak- 9

2 Yılmaz KORKMAZ, Fatih KORKMAZ / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT, SAYI, 8 tır(). Vektör kontrol tekniklerinin başarıı akı ektörünün poziyonunun tam olarak belirlenebilmeine bağlıdır. Bu zorunluluk ektör kontrol tekniklerinin uygulamaında zorluklar e performaında kııtlamalar meydana getirmektedir. Bu nedenle, doğrudan moment kontrolü Direct Torque Control (DTC) önerilmiştir. Bu teknik ile akı ektörünün poziyonunun tam olarak bilinmei zorunluluğu ortadan kaldırılmıştır. Elektrik motorlarının kullanılacağı endütriyel bir uygulama gerçekleştirilmeden önce hangi çeşit motorun hangi çeşit denetim tekniğiyle kullanılacağının belirlenmei uygulamanın başarıı açıından oldukça önem taşımaktadır. Gerçekleştirilecek uygulama özelliklerinin yanııra, maliyet, fizikel şartlar e benzer uygulamalar ya da yapılan araştırmalarda elde edilen onuçlar göz önüne alınmalıdır. Bu çalışmada; ASM un e SMSM un DTC yöntemi ile denetiminin, imülayonu gerçekleştirilmiştir. Her iki motorda aynı kontrol yapıı kullanılarak performanlarının karşılaştırılmaı amaçlanmıştır. Elde edilen onuçlarla her iki motor için erilen referan hız e moment değerlerini izleme başarıı e imülayon onuçları değerlendirilmiştir.. DOĞRUDAN MOMENT DENETİMİ (DTC) Uygun tator gerilim ektörlerinin eçimi ile tator akıının e momentin doğrudan kontrol edilmei, bu yöntemin doğrudan moment kontrolü olarak adlandırılmaına ebep olmuştur. DTC yöntemin temeli, tator akıı ile elektromanyetik momentin eşzamanlı olarak denetlenmeine dayanır(). Klaik ektör kontrol denetimi yöntemiyle karşılaştırıldığında DTC nin ütünlükleri; daha bait denetim yapıı, daha hızlı tepki performanı e parametre değişimine karşı haaiyetinin daha az olmaı olarak ayılabilir(). Şekil de doğrudan moment denetimine ait prenip şemaı görülmektedir. R i dψ + dt α = () ( R i ) dt ψ () = dψ = Ri β + () dt ( Ri ) dt ( ψ ψ ) ψ = β () ψ = () + formülleri ile heaplanabilir. Formüllerde;, Stator gerilimlerinin α, β bileşenlerini, ψ α, ψ β Stator akılarının α, β bileşenlerini, i, i Stator akımlarının α, β bileşenlerini, R Stator omik direncini ifade etmektedir. Moment; P Te = ( ψ i ψ i α ) () formülü ile heaplanabilir. Burada P motor kutup ayııdır. b) Temel DTC Sürücü Sitemi DTC ürücü iteminde, tator akı hataının belirlenen hitereiz bant içeriinde kalmaını ağlayacak inertör anahtarlama durumunun eçilmei ağlanır. Akı denetleyici çıkışı dψ, moment denetleyici çıkışı dt e e tator akı ektörünün bulunduğu bölgeye göre, motora uygulanmaı gereken gerilim ektörü Çizelge de görülen tablo kullanılarak belirlenir (). Hiteriiz bantların genişliklerinin eçimi de oldukça önemlidir. Bant genişliği çok dar eçilire, kontrol kaybolur e tator akıı bandın dışına çıkar. Sıfır ektörünün ürei moment dalgalanmalarında doğrudan etkilidir (). Çizelge. Optimum anahtarlama ektörünün eçimi dψ dte Şekil. Doğrudan moment denetimine ait prenip şemaı a) Akı e Moment Heaplayıcı Motorun ölçülebilen parametreleri ile tator akıı e momenti heaplanabilmektedir. Stator gerilimleri e tator akıları araındaki ilişkileri göteren ifadeler aşağıda erilmiştir(). Stator gerilimleri e akıları;

3 DOĞRUDAN MOMENT DENETİMİ YÖNTEMİYLE DENETLENEN ASENKRON / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT, SAYI, 8. ASM VE SMSM UN DTC SİMÜLASYONU Bu imülayon çalışmaı Matlab/Simulink programı ile gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu imülayonda, örnekleme aralığı ariable tep olarak Çizelge. Simülayonda kullanılan motorların teknik özellikleri Sabit Mıknatılı Senkron Motor Aenkron Motor Çift kutup ayıı Çift kutup ayıı Stator direnci,8 Ω Stator direnci, Ω/faz Gerilim Vdc Gerilim V Hız d/dk Hız d/dk d-eken indüktanı, mh Rotor direnci,9 Ω/faz q-eken indüktanı, mh Frekan Hz Atalet abiti (J),9 Nm Atalet abiti (J), Nm Moment 8 Nm Güç W eçilmiş oler olarak ie ode kullanılmıştır. Simülayonda kullanılan motor parametreleri Çizelge de erilmiştir. Şekil de görülmektedir. Şekil (a) e (b) de görülen hız değişim eğrileri incelendiğinde iki motorunda yaklaşık, de referan değere ulaşarak yaklaşık ıfır hata ile takip ettiği görülmektedir. İkinci adımda ie motorlar değişken hız uygulamaında tet edilmişlerdir. Simülayon d/d ile başlatılmış, de hız d/d ya çıkarılmıştır. Şekil. a) ASM hız değişim eğrii Başlangıçta her iki motor d/d abit hızda yüküz olarak çalıştırılmıştır. Buna ilişkin çıkış eğrileri b) SMSM hız değişim eğrii Bu çalışmaya ilişkin eğriler Şekil de erilmiştir. Şekil (a) e (b) de görülen hız değişim eğrileri Şekil. a) ASM hız değişim eğrii b) SMSM hız değişim eğrii 9

4 Yılmaz KORKMAZ, Fatih KORKMAZ / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT, SAYI, 8 incelendiğinde iki motorun da erilen referan değeri başarı ile takip ettiği görülmektedir. Başlangıçta ASM, SMSM a göre daha hızlı referan değere ulaşırken, çalışma enaında meydan getirilen hız artışında ie SMSM un performanının daha iyi olduğu anlaşılmaktadır. Çalışmanın üçüncü adımında motorların abit yük altındaki performanları incelenmiştir. Bu incelemede ASM e SMSM abit Nm ile yüklenmiştir. Bu adımda elde edilen eğriler Şekil de erilmiştir. Şekil (a) e (b) de ASM e SMSM için abit hızda abit yük altında hız değişim eğrileri görülmektedir. Şekil (c) e (d) de erilen moment değişim eğrileri incelendiğinde; motorların kalkınma anında, ASM un daha yükek kalkış momentine ahip olduğu görülmektedir. Bu durum, Çizelge de görüldüğü gibi ASM un atalet momentinin, SMSM dan daha yükek olmaından kaynaklanmaktadır. Ancak, SMSM motor ASM den daha erken bir zamanda kararlı duruma geçmiştir. Motorların moment alınımları araında dikkate değer bir farkın olmadığı öylenebilir. Referan moment Referan moment Şekil. a) ASM hız değişim eğrii b) SMSM hız değişim eğrii c) ASM moment değişim eğrii d) SMSM moment değişim eğrii 9

5 DOĞRUDAN MOMENT DENETİMİ YÖNTEMİYLE DENETLENEN ASENKRON / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT, SAYI, 8 Referan moment Referan moment Şekil. a) ASM moment değişim eğrii b) SMSM moment değişim eğrii c) ASM hız değişim eğrii d) SMSM hız değişim eğrii gerçek hız gerçek hız Şekil. a) ASM hız değişim eğrii SONUÇ b) VE SMSM DEĞERLENDİRME hız değişim eğrii 9

6 Yılmaz KORKMAZ, Fatih KORKMAZ / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT, SAYI, 8. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME Bu çalışmada; aenkron motor e abit mıknatılı enkron motorun doğrudan moment denetimi ile denetlenmeinin, motorların performanları üzerindeki etkileri araştırılarak iki motorun moment e hız performanları incelenmiştir. Motorların erilen referan değerlere ulaşma üreleri e referan değeri takip etme başarıları değerlendirilmiştir. Çalışmada motorların yüküz e yüklü olarak abit e değişken hız uygulamalarındaki performanları imülayon yoluyla tet edilmiştir. Simülayonda motorların tator direnç değerlerinin değişmediği kabul edilmiştir. Ayrıca abit hız-değişken yük uygulamaı e düşük hızda çalışmaı durumları da incelenmiştir. Hız performanları karşılaştırıldığında, her iki motorda erilen referan hız değerlerine ortalama, de ulaşarak referan değeri başarı ile takip ettikleri görülmüştür. Çalışma enaında meydana gelen hız değişimlerinde, SMSM un ASM dan daha önce kararlı çalışma durumuna geçtiği gözlemlenmiştir. Moment performanları bakımından karşılaştırmada; dikkati çeken ilk nokta ASM un kalkınma momentinin SMSM dan yaklaşık, kat yükek olduğudur. SMSM ların rotor yapılarının ASM dan daha hafif olmaı düşük atelet momentine ahip olmaını ağlamaktadır. Çalışma enaında meydana gelen ani moment değişiminde ASM e SMSM aynı ürede tepki ermişlerdir. Doğrudan moment denetimi yöntemi ile denetlenen ASM e SMSM performanları bütün olarak incelendiğinde birbirlerine yakın olduğu onucuna arılmıştır. Doğrudan moment denetimi uygulamaının gerçek motorlar ile e gerçek çalışma şartlarında tet edilmeinin motorların performanları konuunda daha belirleyici olacağı muhakkaktır. Bu konuda çalışmalarımız deam etmektedir.. KAYNAKLAR. Puyol, A.Aria., Improement in Direct Torque Control of Induction Motor, Doktora Tezi, Unieritat Politecnica de Catalunya Department D Enginyeria Electronica, Terraa,, (). Arınç, R., Bulanık Mantık Yöntemiyle Aenkron Motor Hız Kontrolü e Simülayonu. Yükek Lian Tezi, Marmara Ünieritei Fen Bilimleri Entitüü, İtanbul, -, (). He, Y., Wen, J., A new ariable tructure controller for direct torque controlled interior permanent magnet ynchronou motor drie, Proceeding of the IEEE International Conference on Automation and Logitic, Jinan, 9-, (). Chunyuan, B.,Shuangyan, R., Liangyu, M., Senorle DTC of uper high peed SPSM, Proceeding of the IEEE International Conference on Automation and Logitic, Jinan, -, (). Rahideh, A. Karimi, M. Shakeri, A. Azadi, M. High performance direct torque control of a PMSM uing fuzzy logic and genetic algorithm, Electric Machine & Drie Conference, IEMDC '.,Antalya,9-9,(). Yong, L.,Z.Q, Z.,Howe, D.,"Direct torque control of bruhle dc drie with reduced torque ripple IEEE Tranaction on Indutry Application, Vol., No., March/April, 99-8, (). Kang,J. Ve Sul, S., Analyi and prediction of inerter witching frequency in direct torque control of induction machine baed on hyterei band and machine parameter, IEEE Tran. On Indutrial Electronic, Vol. 8, Num., -, () 98