PI ve Anti-Windup PI Denetleyici ile Vektör Denetim Yöntemi Uygulanan Bir Asenkron Motorun Hız Denetim Performansının İncelenmesi

Transkript

1 PI ve Anti-Windup PI Denetleyici ile Vektö Denetim Yöntemi Uyulanan Bi Aenkon Motoun Hız Denetim Pefomanının İncelenmei * Hakan Açıköz, 2 Ö.Fatih Keçecioğlu, 3 Mutafa Şekkeli * Kili 7 Aalık Üniveitei, Kili Melek Yükekokulu, Elektik Poamı Bölümü 2,3 K.Maaş Sütçü İmam Üniveitei, Mühendilik Fakültei, Elektik-Elektonik Mühendiliği Bölümü * hakanacikoz@kili.edu.t, 2 fkececiolu@ku.edu.t, 3 mekkeli@ku.edu.t. Giiş Özet Bu çalışmada, vektö denetim yöntemi uyulanan üç fazlı bi aenkon motoun hız denetim çalışmaı MATAB/Simulink paket poamı yadımıyla eçekleştiilmişti. Üç fazlı aenkon motoun alan yönlendimeli denetiminde; oto alan yönlendimeli denetim yöntemi kullanılmıştı. Bu denetim yönteminde, klaik PI denetleyici ve anti-windup PI (AW+PI) denetleyici aenkon motoun hız denetim üniteine uyulanmıştı. He iki denetleyici için aynı koşulla altında benzetim çalışmalaı eçekleştiilmişti. Klaik PI denetleyiciinden ve anti-windup PI denetleyiciinden elde edilen onuçla, değişik hız efeanlaını izleme, yük momenti ve paamete değişimlei ibi bozucu etkenlee öe incelenmiş ve kaşılaştıılmıştı. Elde edilen imülayon onuçlaına öe anti-windup PI denetleyicinin klaik PI denetleyiciye öe daha iyi bi onuç vediği özlemlenmişti. Anahta Kelimele: Aenkon Moto, Vektö Denetimi, Roto Alan Yönlendimeli Denetim, PI Denetleyici, Anti-windup PI Denetleyici Üç fazlı aenkon motola; düşük üetim maliyetlei, yükek veim, bait ve dayanıklı yapılaı nedeniyle endütide en çok kullanılan motoladı. Biçok ütünlüğüne ağmen aenkon motola matematikel modellei itibai ile paametelei zamanla değişen, doğual olmayan ve yükek deeceli difeaniyel denklemle içeen kamaşık bi yapıya ahipti. Yakın eçmişe kada enel olaak endütide, dinamik pefomanlaının çok iyi olmaı ve denetlenebililiğinin çok bait olmaından dolayı doğu akım (DA) motolaı tecih edilmişti. Son yıllada, Mikoişlemcile ve üç elektoniği deve elemanlaındaki hızlı ilelemele, aenkon motolaın bi doğu akım motou ibi denetlenmeleini mümkün kılmıştı. Aenkon motolaın hız denetimi, kale ve vektöel olaak iki şekilde yapılabilmektedi. Skale denetim yönteminde, denetlenen değişkenle tato eilimi ve fekanıdı. Bu denetim yönteminde, oto konumu ihmal edili. Hız ve konum biliine eek duyulmaz. Dolayıı ile bu yöntemi kullanan üücü açık çevimli üücü olaak adlandıılı. Moment veya akı doğudan veya dolaylı olaak denetlenmez. Denetim işlemi, abit bi V/f oanını kullanan bi eülatö ile ağlanı [-5]. Bu denetim işlemi bait bi yapıya ahip olmakla beabe düşük hız ve moment cevabına ahipti. Vektö denetim yöntemi ie, aenkon motoun momenti ve akıı aaındaki kenetleme etkiini otadan kaldıan yöntemdi ve ilk olaak 97 yılında Blachke [6] taafından öneilmişti. Bilindiği ibi ebet uyatımlı DA motounda endüvi ve uyatım aılaı bibiine dikti ve bu duum endüvi ve uyatım akımlaının bibiinden bağımız olaak denetlenmeine olanak vei. İyi taalanmış vektö denetim teoii moment ve akı aaında bağımız denetim ağlamaktadı. Akı abite ve enkon eken takımının d-ekeni üzeine yönlendiilmiş ie, moment akımın q-ekeni bileşeni taafından denetleni. *Coepondin autho: Adde: Dept. of Electical Science, Kili Vocational Hih School, Kili 7 Aalık Univeity, 79 Kili, TURKEY. adde: hakanacikoz@kili.edu.t, Phone:

2 456 Senkon eken takımı oto akıı, tato akıı veya hava aalığı akıı eken takımı olabili [7-9]. Bu çalışmada üç fazlı aenkon motoun oto akı alan yönlendimeli benzetim çalışmaı anlatılmaktadı. İkinci bölümde aenkon motoun modellenmei ve oto akı alan yönlendime için eekli heaplamala anlatılmakatdı. Üçüncü bölümde ie klaik PI ve anti-windup PI denetleyici ile elde edilen benzetim çalışmaı onuçlaı veilmişti. Dödüncü bölümde ie yapılan çalışmadan elde edilen onuçla tatışılmaktadı. 2. Roto Akı Eken Takımına Göe Aenkon Motoun Modellenmei Genel bi efean eken takımına öe aenkon motoun tato ve oto denklemlei aşağıdaki ibidi [7-9]: Stato eilim denklemi: V i R j p () Roto eilim denklemi: p i R j (2) Stato akı denklemi: i m i (3) Roto akı denklemi: mi i (4) hafi enel bi efean eken takımını ifade etmektedi. Denklem 3 ve 4 deki oto akım ve tato akı ile duum değişkenlei ile öteilen akı ve akım fonkiyonlaı tüetilie; i İ m mi (6) 2 m Buada; / aşağıdaki ibi bulunu. dı. Roto eken takımında, aenkon motolaın dinamik modeli (5)

3 457 p R m R i j (7) Akı denklemi (7) eilim denklemine uyulandığında: m p i j (8) Duum değişkenlei ile öteilen moto modelinde, oto akıı alan yönlendimei için [6-7]; d q d j ve q (9) Benze şekilde, tato akımının d-ekeni bileşeni aşağıdaki şekilde tüetilebili [7-9]: i d d p () m Buada;, oto akıı eken takımını,, tato ve oto akıını, d-q ie d ve q ekeni bileşenini, R, R tato ve oto diencini,,, m tato, oto ve otak endütanı, İ, İ tato ve oto akımını, p difeaniyel opeatöü, kayma fekanını, oto zaman abitini, toplam ızıntı faktöünü ve V de tato eilimini ifade etmektedi. Roto alan yönlendimei için oto akıının d-ekeni ile çakıştıılmaı eeki. Bu ie, enkon hız heaplanaak bulunabili. Senkon hız ie, heaplanan kayma hızı ile ölçülen/tahmin edilen mil hızının toplamıyla bulunu. Geilim-denetimli eilim belemeli bi eviici için eilim komutununda heaplanmaı eeki. Dolayııyla, kayma fekanı, eilim dekuplajı ve mıknatılanma akımı heaplamalaı da bi oto alan-yönlendimeli denetim için eekli heaplamaladı [6-]. 2.. Roto Alan Yönlendimeli Denetim için Benzetim Modeli Bu bölümde aenkon motoun oto alan yönlendimeli hız denetimi için benzetim çalışmaı eçekleştiilmişti. Roto Alan yönlendimeli denetim yapıının benzetim çalışmaında MATAB/Simulink bloklaı kullanılmıştı. Roto alan yönlendimeli denetim için hazılanan benzetim modeli, hız ve akı denetimi, alan yönlendime, akım denetimi, Pak-Clake ve te Pak- Clake dönüşümü, hız denetiminin eçekleşmei için eekli olan faklı fekanlada eilim üeten inüoidal dabe enişlik modülayonu (DGM) ve eviici ile aenkon motoun modellendiği ana blokladan oluşmaktadı. Aenkon motoun alan yönlendimeli hız denetiminin eçekleştiilebilmei için, oto alan yönlendimei kullanılmıştı. Bu amaçla şekil de veilen denetim yapıında alan yönlendime bloğunda oto alan yönlendimei ağlanmıştı. Roto alan yönlendime bloğunun içi, bölüm 2 deki oto alan yönlendime kımında veilen denklemlei içemektedi. Stato eiliminin denetimini ağlamak için d-ekeni ve q-ekeni bileşenlei aaındaki kenetleme teimlei imulink bloklaı yadımı ile heaplanmıştı.

4 458 w* 3 w*.2 Im* Id* Im* Im Idec. Iq* w Hız ve Akı Denetimi Id* Iq* Vd Vd_decc. Vq_decc. Iq Vq Id Akım Denetimi dq-->abc dq abc em th abc->dq Id Iq Id Iq Iabc w Va Ua Vb Ub Vc Uc SPWM 3/2 K*u T /z /z v Te wm T iabc ASM Te w th Alan Yön.Bloğu we th_e wl Id /z Vq_decc. Vd_decc. Idecc. Im Iq we Im* /z /z Şekil. Aenkon motoun oto alan yönlendimeli denetimine ilişkin MATAB/Simulink modeli Kp Eo > Ki K T z- Iq* AND > ~= Şekil 2. AW+PI denetleyici MATAB/Simulink modeli Kp Eo Ki Iq* Şekil 3. Klaik PI denetleyici MATAB/Simulink modeli

5 Iq-Ief (A) Hiz (ad/n) Benzetim Sonuçlaı Aenkon motoun hız denetim üniteine şekil 2 ve 3 te öteilen AW+PI ve PI denetleyici uyulanmıştı. Akım denetim bloğundan elde edilen efean eilimle DA eilimleidi. Aenkon motoun eekinim duyduğu üç fazlı eilimlein ağlanabilmei için, enkon çatıdaki DA eilimle dq->abc bloğu ile efean üç faz eilimleine dönüştüülmektedi. Motoun itenilen momenti üetebilmei için heaplanan bu eilimleden inüzoidal DGM yöntemi kullanılaak bulunan modülayon dalalaı eviiciye kapı dabelei olaak uyulanmaktadı. Eviiciden elde edilen eilimle ie aenkon moto modeline uyulanmaktadı. Şekil 4 de moto yüküz duumda iken motoun abit 295 ad/n lik efean hızı izleme başaımı öteilmişti. Şekil 4 (a) da moto hızı ile efean hız aaındaki değişim veilmişti. Şekilden öüldüğü ibi moto hızı, PI denetleyici ile yaklaşık %5 ve AW+PI denetleyici ile yaklaşık % lik bi aşma ile üekli duum hataı olmakızın efean hızı başaılı bi şekilde izlemektedi. Şekil 4 (b) de I q * ve I q akımlaının değişimi öülmektedi. Motoun efean hıza ulaşana kadaki eçici duumda motoun aşıı akım çekmemei için moto akımı ±5A ile ınılanmıştı. Geçici duumun ona emeiyle bilikte I q akımı boştaki kayıplaı kaşılayacak kadalık akım değeine düşmekte ve efean I q * akımını başaılı bi şekilde izlemektedi Refean hiz PI PI+AW Zaman (n) (a) Zaman (n) Şekil 4. Roto alan yönlendimeli denetim için 295 ad/n baamak hızda ve yüküz duumda elde edilen onuçla. (a) Refean hız ile moto hızının değişimi, (b) I q * akımı ile I q akımının değişimi (b)

6 Hiz (ad/n) Iq-Iqef (A) Vektö denetimli aenkon motoladan beklenilen en önemli özellikleden bii de motoun döt böleli olaak çalışabilmeidi. Bu amaçla moto yüküz duumda iken motoa ±3 ad/n lik abit efean hız uyulanmış ve elde edilen onuçla şekil 5 de öteilmişti. Şekil 5 (a) da moto hızı hem PI hemde AW+PI denetleyicide üekli duum olmakızın efean hızı izlemektedi. Şekil 5 (b) de I q * ve I q akımlaının değişimi öülmektedi Refean Hiz 28 PI 27 PI+AW Zaman (n) (a) 6 4 Zaman (n) Zaman (n) (b) Şekil 5. Roto alan yönlendimeli denetim için abit baamak hızlada ve yüküz duumda elde edilen onuçla. (a) Refean hız ile moto hızının değişimi, (b) I q * akımı ile I q akımının değişimi Motoun bozucu iişlee kaşı başaımının incelenebilmei amacıyla, motoa anma değeinde abit yük momenti uyulanmış ve elde edilen onuçla şekil 6 da veilmişti. Moto başlanıçta yüküz duumdadı. t=.8 n den itibaen motoa 3,72 N.m lik yük bindiilmektedi. Motoa yük bindiildiği anda moto hızında yaklaşık olaak % 6.5 lik bi düşüş olmuş, ona hızla topalanaak efean hızı izlemeye devam etmişti. Şekil 6(b) de I q * ve I q akımlaının değişimi öülmektedi. Şekil 6 (b) de öüldüğü ibi, yük bindiildikten ona I q akımı yükü kaşılayacak kada akım çekmişti ve I q * akımını başaılı bi şekilde izlemektedi.

7 Hiz (ad/n) Iq-Iqef (A) Hiz (ad/n) Refeean hiz 5 PI+AW PI Zaman (n) (a) Zaman (n) (b) Şekil 6. Roto alan yönlendimeli denetim için 3 ad/n abit hızda ve t=.8 n den itibaen 3.72 N.m yüklü duumda elde edilen onuçla. (a) Refean hız ile moto hızının değişimi (b) I q * akımı ile I q akımının değişimi 4. SONUÇAR Bu çalışmada üç fazlı bi aenkon motoun hızı denetlenmişti. Aenkon motoun oto alan yönlendimeli denetim yöntemi MATAB/Simulink paket Zaman (n) poamı yadımıyla eçekleştiilmişti. Aenkon motoun hız denetiminde klaik PI ve anti-windup PI denetleyici kullanılmıştı. PI ve anti-windup PI denetleyiciden elde edilen onuçla incelenmiş ve kaşılaştıılmştı. Simülayon çalışmalaından elde edilen onuçlaa öe anti-windup PI denetleyici PI denetleyiciye öe daha iyi tepki ve hız cevabı vediği özlemlenmişti. REFERANSAR [] Boe, B. K., Moden Powe Electonic and AC Dive, Pentice-Hall, Uppe Saddle Rive, NJ, 22. [2] G.O Gacia, R. M. Stephan and E. H. Watanabe, Compain the indiect field-oiented contol with a cala method, IEEE Tan. Ind. Appl., 4(2), 2-27, Apil 994. [3] Hanefo,., Dein and analyi of eneal oto-flux-oiented vecto contol ytem, IEEE Tan. Ind. Electon., vol.48, , 2.

8 [4] Boldea, I., Naa, S.A., Vecto Contol of AC Dive, CRC Pe, New Yok, 992. [5] Dandıl B., Gökbulut M., Aenkon Motolaın Siniel-Bulanık Denetleyici ile Uyalamalı Denetimi, J. fac. En. Ach. Gazi Univ. Vol.2, No 2, 45-53, 25. [6] F.Blachke., The pinciple of field oientation a applied to the new Tanvecto cloed loop contol ytem fo otatin field machine, Siemen Rev., vol. 34, pp , 972. [7] Y. S. ai, Machine Modelin and Univeal Contolle fo Vecto Contolled Induction Moto Dive, in Poc. IEEE Tan.eney con., Vol.8, No., Mach, 23. [8] Y. S. ai, J. H. Chen, and C. H. iu, A univeal vecto contolle fo induction moto dive fed by voltae-contolled voltae ouce invete, in Poc. IEEE Powe En. Soc. Summe Meetin, 2, pp [9] Y. S. ai., Modelin and Vecto Contol of Induction Machine a new unified appoach, in Poc. IEEE Powe En. Soc.Winte Meetin, 999, pp [] Açıköz H., Vektö denetim yöntemi ve Doğudan Moment Denetim Yöntemi Uyulanan bi Aenkon Motoda Hız Denetim Pefomanının Kaşılaştıılmaı, Elektik Eğitimi Ana Bilim Dalı Yükek ian Tezi, Fıat Üniveitei Fen Bilimlei Entitüü, Elazığ,