INDÜKSIYON MOTORLARINDA STATOR AKIMI ÖLÇÜMÜ ILE ROTOR HIZININ BELIRLENMESINDE YENI BIR METOD

Transkript

1 INDÜKSIYON MOTORLARINDA STATOR AKIMI ÖLÇÜMÜ ILE ROTOR HIZININ BELIRLENMESINDE YENI BIR METOD Osman GÜRDAL, Orhan CESUR Gazi Üniversitesi, Teknik Egitim Fakültesi, Elektrik Egitimi Bölümü, ANKARA ÖZET Tako-generatörler gibi hiz dedektörlerinin indüksiyon motorlarinin millerine mekanik olarak baglanmalari gerektiginden, tako-generatörler kullanilmaksizin rotor hizinin algilanilmasi arzu edilmektedir. Bu çalisma, 3 fazli bir indüksiyon motorundan alinan sifir geçis zamani sinyallerinin kullanilmasi ile iliskili hiz temeline dayali sensörsüz bir hiz ölçümünü amaçlamaktadir. 3 adet Hall-etkili akim transformatöründen alinan 3 fazli stator akimlarinin azaltilmis degerleri sifir geçis zamani dedektörleri ve lojik hesaplayicilardan olusan bir devrede kullanilir. Sifir geçis zamani sinyalleri 87C51 üzerindeki 16-bit lik bir zaman sayicisi ile ölçülür. Hizli Fourier Dönüsümü (FFT) spektral analizi bir PC ile yapilir. Stator sariminin direnci gibi zamanla degisen parametrelerden bagimsiz olarak, bu metod bir indüksiyon motorunun kararli durum çalismalari için uygun bir hat disi ölçüm sistemidir. Deneysel bir makine üzerinde %0,61 lik bir hata ile hiz dedeksiyonu basarilmistir. A NEW METHOD IN DETERMINATION OF ROTOR SPEED BY STATORIC CURRENT MEASUREMENT IN INDUCTION MOTORS ABSTRACT As the speed detectors like tachogenerators must be attached mechanically on the driving shaft of the induction motors, it is desirable to detect the rotor speed without tachogenerators. This study proposes a sensorless speed measurement based on speed-related using zero-crossing time signal acquired from 3-phase induction motor. Degraded values of 3-phase stator currents from the three Hall effect current transducers are employed to a circuit composed of zero-crossing time signal detectors and logical calculators. Zero crossing time signals are measured by a 16-bit time counter on 87C51. Then FFT spectral analysis of this signals is done by a PC. Being independent of any time-varying parameters, such as stator winding resistance, this method provides a suitable off-line measurement 1

2 system for steady-state operations of an induction motor. A speed detection with 0.61% error is achieved with an experimental machine. GIRIS Ayarlanabilir hizli indüksiyon motorunun optimum kontrolü için rotor hiz bilgisi zorunlu olmaktadir. Bu bilgi klasik olarak motor saftina baglanan bir dönüstürücü, örnegin bir tako-generatör kullanilarak elde edilebilir. Ancak hiz ayarlamali AC sürücülerin kullanilmaya baslanmasindan beri rotor safti ile iliskisiz (sensörsüz) hiz bilgisi elde etme teknikleri de gelismeye baslamis ve bu gelisme halen sürmektedir. Klasik hiz ölçüm teknikleri hakkinda; dogrusal olmama, pozisyonunun zamanla degismesi, düsük çözünürlük, yüksek ilk maliyet, montaj, kalibrasyon, düsük hizlardaki performans düsüklügü ve bakim gibi problemler ileri sürülmekte ve sensörsüz hiz ölçüm teknikleri önerilmektedir. Sayilan bu eksiklikler, bir AC sürücünün dayaniklilik ve mekanik basitlik gibi tipik özelliklerini bozmaktadir (1). Ilk sensörsüz hiz ölçüm çalismasi 1975 te Abbondanti ve Brenner tarafindan yapilmistir. Stator gerilim ve akimini kullanarak analog bir kayma hesaplayicisi yapmislardir (2). Bunu 1979 da kayma frekans kontrolünde rotor oyuk harmonik gerilimlerini kullanan Ishida ve digerlerinin çalismasi takip etmistir (3). Ishida ve Iwata ayni teknigi gelistirmislerdir (4) de Hammerli ve digerleri nominal hizin %20 ile %100 arasinda ölçme yapabilen yeni bir metod sundular. Bu metodda %30 un altindaki hizlarin dedeksiyonunda rotor oyuk harmonik modülasyonu üretmek için sabit frekansli bir sinyal makinaya enjekte edilmistir. Stator gerilimi ve akimi arasindaki faz açisindan rotor frekansini hesaplamaya dayali farkli bir yaklasimi da Beck ve Naunin sunmustur (1). Son zamanlarda stator akimindaki rotor oyuk harmoniklerinden FFT spektrum analizini ve diger sayisal sinyal isleme tekniklerini kullanarak çok düsük hizlarda da hiz bilgisini elde eden sensörsüz hiz ölçüm metodlari sunulmustur (1,4). Bu metodlar frekans veya sicaklikla degisen motor parametrelerine dayali degildir. Hiz ayarlamali AC sürücüler için sensörsüz hiz ölçüm teknikleri gelisimini sürdürmektedir. Yeni çalismalarda özellikle; degisen motor parametrelerinin kullanilmamasi, temel indüksiyon motorun yapisinda bir 2

3 degisikligin öngörülmemesi, düsük hizlarda yüksek performans, sadelik, basitlik ve düsük maliyet gibi özellikler aranmakta ve gelismeler bu yönde olmaktadir. Bu çalismada kullanilan metod bu isteklerin çogunlugunu saglayacak özelliktedir. Bu çalismada motorun stator veya rotor yanina ait frekans veya sicakliga bagimli degisen bir parametre kullanilmamaktadir. AC bir kaynakta, akim bir periyotta iki kere yön degistirdiginden, periyot boyunca iki adet sifir noktasi vardir. Eger bir yük, frekansi f 1 =50 Hz olan dengeli sinüsoidal bir AC kaynakla beslenirse, yük akiminin periyodu T=1/f 1 =1/50=0,02 s olur ve her bir sifir geçis noktasi arasindaki zaman farki T/2=0,01 s olur. Ancak bu yük bir indüksiyon motoru oldugu zaman stator akiminin sifir geçis noktalari arasindaki zaman farki düzenli ve esit olmamaktadir. Sincap kafesli rotorun dönmesi ve stator sargilarindaki dengesizlikler akim sinyalinin sifir geçis noktalari arasindaki zamani degistirmektedir. Stator akim sinyalinin bu hatali sifir geçis zamani (ZCT = Zero Crossing Time) sinyalinden yararlanarak rotor hizini belirlemek ve motordaki baska dengesizlikler hakkinda fikir edinmek mümkündür. 2. STATOR AKIMLARI ILE ROTOR HIZI ÖLÇÜM METODU ZCT, stator akimlarinin sifir geçis zamanindan elde edilir. Sekil 1 ZCT sinyalinin elde edilmesini teorik olarak açiklamaktadir. Sekil 2 de sifir geçis sinyalini elde eden ve PC'ye aktaran devrenin blok semasi görülmektedir. Burada AC yük akimi örnegini elde etmek için bir adet Hall akim sensörü kullanilmaktadir. Akim sensörünün çikisindaki gerilime dönüstürülmüs olan akim sinyali LM339 gerilim karsilastirici opamp entegresinden olusan bir komparatöre uygulanir. Sekil 3 de stator akiminin sayisallastirilma devresi görülmektedir. Komparatör çikisindan elde edilen ZCT sinyali 8051 ailesinden popüler bir mikrodenetleyicinin dis kesme girislerini aktif hale getirmek için kullanilan bir darbe isaretidir. 87C51 mikrodenetleyicideki 16 bitlik zaman sayicisi ile komsu kesme isaretleri arasindaki dinamik zaman araliklari hesaplanir. Böylece komsu iki kesme isareti arasindaki süre iki komsu sifir geçis noktalari arasindaki zaman farkini gösterir. Daha sonra ZCT sinyali 87C51 in seri portundan MAX232 entegresine gönderilir. MAX232 TTL seviyesindeki ZCT sinyalini RS232 seviyesine dönüstüren bir arabirimdir. Sonuç olarak ZCT sinyali asenkron seri iletisim ile bir PC ye aktarilir ve bir veri dizisi olarak islenmek üzere bir dosyada saklanir. 3

4 Sekil 1. Bir fazli AC sinyalinin sifir geçislerinin bir komparator ile sayisallastirilmasi. Akim Transdüseri Komparator LM339 Zaman Sayici PC Sekil 2. Stator bir faz akimindan ZCT sinyalini elde eden devrenin blok semasi. Sekil 3. Stator akimini sayisallastiran komparator devresi. Elde edilen ZCT sinyali statorun bir faz akimindan, 2f 1 hizinda örneklemeyle elde edilmistir. Kaynak frekansi f 1 in 50 Hz olmasi durumunda örnekleme frekansi 100 Hz olacaktir. Bu durumda örneklenebilecek maksimum frekans bunun yarisi yani 50 Hz olacaktir. Izlenebilecek maksimum frekansi 4

5 artirmak örnekleme frekansini artirmakla mümkündür. Ayrica yüksek frekans çözünürlügü saglamak için örnekleme süresinin uzun tutulmasi gerekmektedir. Örnekleme hizini artirmak için bir faz yerine üç faz akiminin örneklenmesi ve bunlarin toplamindan bir ZCT sinyali elde edilmesi yoluna gidilmesi pratik bir çözümdür. Böylece örnekleme frekansi 6f 1 hizina çikmaktadir. Yani 50 Hz lik bir kaynak için; örnekleme hizi 300 Hz ve izlenebilecek maksimum frekans 150Hz olmaktadir. Akim Transdüseri 1 Komparator LM339 Akim Transdüseri 2 Komparator LM339 Sayisal Hesaplayici Zaman Sayici 87C51 RS232 Max232 PC Akim Transdüseri 3 Komparator LM339 Sekil 4. Üç faz akimlarindan ZCT degerlerini elde eden devrenin blok semasi. 3. ZCT SINYALININ ISLENMESI Motorun stator akimlarinin sifir geçis noktalarinda örneklenmesiyle elde edilen ve bir veri dizisi olarak bir dosyada saklanan ZCT sinyalinin frekans içerigini görmek için FFT spektrum analizi MATLAB paket programi ile gerçeklestirilmistir. FFT spektrum analizinde frekans çözünürlügü örnekleme süresine baglidir. Örnekleme süresi T için frekans çözünürlügü d f =1/T olacaktir. 0,05 Hz lik bir çözünürlük saglamak için 20 saniye süreyle örnek alinmali ve FFT ile spektrum analizi yapilmalidir. Kaynak frekansinin 50 Hz olmasi durumunda 6000 adet örnek alinacak demektir. Sekil 5 de motorun degisik yüklerde alinan ZCT degerleri ve FFT spektrum analizi sonucu hesaplanan rotor hizlari görülmektedir. Motorun kilitli rotor deneyinde alinan ZCT degerlerinin frekans analizinde, hizla iliskili bir harmonige rastlanmamistir. Sekil 6 da, 4 kutuplu bir motorun bos çalisma durumundan anma yüküne kadar kademeli ölçülen ve hesaplanan hiz degerleri ile % hata verilmektedir. Görüldügü gibi bu metodla rotor hizi, maksimum %0,61 hata ile hesaplanabilmektedir. Enkoder in çözünürlügünün artirilmasi ile hata payi daha da azaltilabilir. 5

6 (a) Bosta çalisma (b) Yüklü çalisma 6

7 (c) Kilitli rotor (d) Degisken yük Sekil 5. Asenkron motorun degisik yük durumlarinda motordan elde edilen ZCT degerlerinden FFT spektrum analizi ile hizin devir/saniye olarak bulunmasi. 25 Hiz (dev/s) Enkoder ZCT Moment (Nm) 7

8 (a) (b) Sekil 6. Degisik yüklerde enkoder ile ölçülen hiz ve ZCT ile hesaplanan hiz degerleri (a) Veriler ve yüzde hata, (b) Ölçülen ve hesaplanan hiz degisimi egrileri. 4. SONUÇLAR Bu makalede, ayarlanabilir hizli indüksiyon motorlarinin hiz dedeksiyonu için uygulanan analog teknik ve aygitlara alternatif olarak yeni bir sayisal yaklasim yapilmistir. FFT spektrum analizi tabanli dedeksiyon metodu, hat disi hiz ölçümü için degisik yük ve hiz durumlarinda etkili çalisma göstermistir. Uygulanan algoritma, gerçek zamanli bir hiz ölçümü için uygun degildir. Hat içi hiz determinasyonunda ZCT sinyallerinin bir dosyada saklanmasi yerine sürekli olarak FFT islemi gereklidir. Bu problem yazilim programinda küçük bir degisiklik ile giderilebilir. ZCT nin örneklenmesi esnasinda rotor hizinda bir degisme oldugunda frekans spektrumu bulaniklasmakta, rotor hizi ile iliskili frekansin genligi düsmekte ve belirlenmesi zorlasmaktadir. Bu durumda gerçek zamanli ve yüksek dogruluklu bir hiz ölçümü için, frekans bölgesinin sinirlanmasi ve sayisal filtreleme tekniklerinin birlestirilerek kullanilmasi gerekmektedir. Hiz bileseninin filtrelenebilmesi için çesitli band geçiren filtreleme metodlari vardir. 0,05 hz lik bir frekans çözünürlügü için, 6000 ZCT degerinin 20 saniye süre ile alinmasi gerekir. Bu süre gerçek zamanli bir hiz determinasyonu için uygun degildir. ZCT sinyalleri, 4 kutuplu bir motor için Hz arasinda Butterworth sayisal band geçiren filtresinden geçirilerek, yüksek dogrulukta, gerçek zamanli hiz determinasyonu yapilabilir. Bu durumda zaman gecikmesi 20 saniye yerine, 1-2 saniye seviyesine düsürülebilir. Dengeli sinüsoidal bir kaynakla beslenen üç fazli sincap kafesli bir motorun kararli durum çalisma deneylerinden elde edilen ZCT sinyalinin FFT spektrum analizi sonucunda hizla iliskili olan frekans yüksek bir dogrulukla veya %0,61 hata ile belirlenebilmektedir. Bu metodla, dengesiz stator sargilari ve rotor çubuk hatalari ve rulman hatalari gibi bazi dengesizlikler hakkinda da bilgi alinmasi mümkündür. Böylece 8

9 motorun degisik çalisma durumlari analiz edilebilir. Bu çalismada motorun stator veya rotor yanina ait frekans veya sicakliga bagimli degisen bir parametre kullanilmamistir. Metod üzerinde çalismalar devam etmekte olup, sürekli hat içi hiz hesaplama metodu, inverter ile sürülen indüksiyon motorunun davranisi ve som demirden yapilmis rotorun hizinin algilanabilmesi gibi diger konular daha sonraki yayinlarda verilecektir. 5. KAYNAKLAR 1. Azzeddin Ferrah, Keith J. Bradley, and Greg M. Aster, An FFT Based Novel Approach to Noninvasive Speed Measurement in Induction Motor Drives, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 41, No. 6, December A. Abbondanti and M. B. Brennan: Variable speed induction motor drives use electronic calculator based on motor voltages and currents., IEEE Trans. on Industry, Vol. II. No.1, Applications, Vol. IA-11, pp , Sept./Oct Muneaki Ishida, Koji Iwata; A New Slip Frequency Detector of an Induction Motor Utilizing Rotor Slot Harmonics, IEEE Trans. on Industry Appl. Vol. IA-20, No.3, May/June Muneaki Ishida- Koji Iwata: Steady State Characteristics of a Torque and Speed Control System of an Induction Motor Utilizing Rotor Slot Harmonics for Slip Frequency Sensing, IEEE Trans. on Power Electronics. Vol. PE-2, No.3, July Kevin D. Hurst, Thomas G. Habetler, Sensorless Speed Measurement Using Current Harmonic Spectral Estimation in Induction Machine Drives, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. II, No.1, January