DAİMİ MIKNATISLI SENKRON MOTORUN ROTOR ALAN YÖNLENDİRMELİ KONTROLU VE PASİF FİLTRE İLE HARMONİKLERİN AZALTILMASI

Transkript

1 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DAİMİ MIKNATISLI SENKRON MOTORUN ROTOR ALAN YÖNLENDİRMELİ KONTROLU VE PASİF FİLTRE İLE HARMONİKLERİN AZALTILMASI Elektrik Mühendii İmail Ercan BUZCU FBE Elektrik Mühendiliği Anabilim Dalı Kontrol ve Otomayon Programında Hazırlanan YÜKSEK LİSANS TEZİ Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. Kayhan GÜLEZ İSTANBUL, 2005

2 İÇİNDEKİLER Sayfa SİMGE LİSTESİ...vi KISALTMA LİSTESİ...vii ŞEKİL LİSTESİ...viii ÇİZELGE LİSTESİ...xii ÖNSÖZ...xiii ÖZET...xiv ABSTRACT... xv 1. GİRİŞ Genel Giriş Elektrik Motorlarının Çeşitleri Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Yapıı Daimi Mıknatılı Senkron Motorlar (PMSM) Daimi Mıknatılı Senkron Motorlar PMSM nin İç Düzeni Daim i Mıknatılı Senkron Motorlar PMSM nin Avantaj ve Dezavantajları Daimi Mıknatılı Senkron Motorlar PMSM nin Uygulama Alanları Daimi Mıknatılı Senkron Motorlar PMSM nin Matematikel Modeli Uzay Vektör Tanımı Clarke Dönüşümü (a, b, c) (D, Q) Park Dönüşümü (D, Q) (d, q) Ter Park Dönüşümü (d, q) (D, Q) Gerilim ve Manyetik Akı Denklemleri Moment Denklemleri Daimi Mıknatılı Senkron Motorlar PMSM nin Simulink Modeli GERİLİM BESLEMELİ İNVERTERLER (VSI) Giriş PWM İnverter Çeşitleri Sinüzoidal PWM İnverterler Uzay Vektör PWM İnverterler Akım Kontrollü PWM İnverterler İnverter Simulink Modeli...28

3 Sayfa 3. DAİMİ MIKNATISLI SENKRON MOTOR PMSM İÇİN KONTROL METODLARI Giriş Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Alan Yönelmeli Kontrolü (FOC) Alan Yönelmeli Kontrol (FOC) un Başlıca Özellikleri Alan Yönelmeli Kontrol (FOC) un Avantajları ve Dezavantajları Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Doğrudan Moment Kontrolü (DTC) Doğrudan Moment Kontrolü (DTC) ün Başlıca Özellikleri Doğrudan Moment Kontrolü (DTC) ün Avantajları ve Dezavantajları Daimi Mıknatılı Senkron Motorun V/f Kontrolü Daimi Mıknatılı Senkron Motorun V/f Kontrolü Başlıca Özellikleri Daimi Mıknatılı Senkron Motorun V/f Kontrolü Avantajları ve Dezavantajları Kontrol Uygulamanın PMSM ye Kazandırdığı Özellikler Daimi Mıknatılı Senkron Motor FOC ve DTC Yöntemlerinin Karşılaştırılmaı DAİMİ MIKNATISLI SENKRON MOTOR VEKTOR KONTROL SİSTEMİ Mıknatıları Motorun Üzerinde Bulunan Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Vektör Kontrolü Rotor Yönelmeli Kontrollü Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Kontrol Şemaı Kutupal Koordinatlarda Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM in Rotor Yönelmeli Kontrolü (FOC) Kartezyen Koordinatlarda Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM in Rotor Alan Yönelmeli Kontrolü (FOC) Mıknatıları Rotorun İçinde Bulunan Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Vektör Kontrolü Kartezyen Koordinatlarda Mıknatıları Rotorun İçinde Bulunan Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM in Stator Akı Yönelmeli Uygulamaı Mıknatıları Rotorun İçinde Bulunan Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Rotor Yönelmeli Kontrolün Uygulamaı FİLTRELER Giriş Genel Olarak Harmoniklerin Kaynakları Harmoniklerin Etkileri Filtre Çeşitleri...64

4 5.4.1 Gerilim Filtrei Seri-Paralel Rezonan Filtrei Seri Kondanatörüz ve Paralel Rezonan Filtrei Kıa Devre Hattı Filtrei Akım Filtrei DC Filtre EMI Filtre EMI Filtrelere Giriş Yükek Frekanlı EMI Sebepleri EMI Düzeltme Yolları EMI Filtre Çeşitleri Tezde Kullanılan Filtre Sitemi Bileşik Trap Filtrei RLC Filtrei DAİMA MIKNATISLI SENKRON MOTORDA ALAN YÖNELTMELİ KONTROL FOC UN PASİF FİLTRELİ MATLAB/SİMULİNK SİMULASYONU Giriş Simülayon Kontrol Sürei 100 Mikroaniye İe Sonuçların İncelenmei Gerilimde Meydana Gelen Değişim Akımda Meydana Gelen Değişim Momentte Meydana Gelen Değişim Hızda Meydana Gelen Değişim Akıda Meydana Gelen Değişim...88

5 6.2.6 Akımdaki Harmoniklerde Meydana Gelen Değişim Gürültüde Meydana Gelen Değişim Simülayon Kontrol Sürei 50 Mikroaniye İe Sonuçların İncelenmei Gerilimde Meydana Gelen Değişim Akımda Meydana Gelen Değişim Momentte Meydana Gelen Değişim Hızda Meydana Gelen Değişim Akıda Meydana Gelen Değişim Akımdaki Harmoniklerde Meydana Gelen Değişim SONUÇLAR KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ...107

6 SİMGE LİSTESİ a faz rotayon operatörü, a=e j2π/3 B vikoz ürtünme katayıı d,q rotayonel item i a a-ekeni tator akımı i b b-ekeni tator akımı i c c-ekeni tator akımı i tator akımı uzay vektörü i α abit referan iteminde akımın α-elemanı i β abit referan iteminde akımın β-elemanı i tator akımı * i d,q dq-akım referanları opt i uygun boyuna eken akımı J k d L L q,d P R t T e T l u DC u d,q u D,Q ω ω r ω m Ψ ψ atalet momenti tranformayon abiti, k=2/3 tator faz endüktanı d-q koordinat itemi endüktanları kutup ayıı çifti tator faz direnci zaman moment yük momenti DC hat gerilimi d-q koordinat itemi gerilimi tator gerilimi uzay vektörü tator ortogonal koordinat itemi açıal hız rotor açıal hızı rotorun mekanikel hızı tator manyetik akıı tator manyetik akı uzay vektörü Ψ tator manyetik akı genliği Ψ q enine eken manyetik akıı Ψ d boyuna eken manyetik akıı Ψ M rotor manyetik akıı ψ manyetik akı referanı ρ r rotor akıının açıı θ r rotor açıı δ yük açıı vi

7 KISALTMA LİSTESİ AC Alternatif akım BLDC Fırçaız doğru akım DC Doğru akım DTC Doğrudan moment kontrolü emk elektromotor kuvvet FOC Alan yönelmeli kontrol IM Aenkron motor IPMSM İç mıknatı tipli enkron motor PI Orantı-integral PM Daimi mıknatı PMDC Daimi mıknatılı doğru akım PMSM Daimi mıknatılı enkron motor PWM Darbe genişlik modülayonu SM Senkron motor SPMSM Yüzey mıknatı tipli enkron motor SVM Uzay vektör modülayonu SVPWM Uzay vektör PWM UPS Keintiiz güç kaynağı VSI Gerilim belemeli inverter vii

8 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 1.1. Elektrik Motorların çeşitleri...6 Şekil 1.2. Daimi mıknatı rotor yapıları...10 Şekil 1.3. Akım uzay vektörü ve izdüşümü...13 Şekil 1.4. Stator akım uzay vektörü ve (D,Q) deki bileşenleri...15 Şekil 1.5. Stator akım uzay vektörü ve (D,Q) de ve d,q referan itemindeki bileşeni...16 Şekil 1.6.Daimi mıknatılı enkron motor PMSM nin Simulink Modeli...21 Şekil 2.1. Üç fazlı gerilim belemeli PWM inverter...22 Şekil 2.2. Sinüzoidal PWM gerilim dalga şekilleri...23 Şekil 2.3. Üç fazlı inverterin anahtarlama poziyonları...25 Şekil 2.4. Üç fazlı inverterin vektör poziyonları...25 Şekil 2.5. Akım kontrollü PWM ve Hiteriiz bandı...26 Şekil 2.6. Akım kontrollü Tranitörden PWM.inverter...27 Şekil 2.7. İnverter Simulink Modeli...28 Şekil 3.1. PMSM için FOC kontrolünün blok diyagramı...30 Şekil 3.2. Sürücü iteminin kontrol yapıı...31 Şekil 3.3. DTC kontrolünün blok diyagramı...32 Şekil 3.4. V/f kontrolünün blok diyagramı...34 Şekil 4.1. Temel hız bölgei optimal çalışma koşulunda tator akımı uzay fazörleri...40 Şekil 4.2. PMSM in alan zayıflatıcıdaki uzay vektörleri...41 Şekil 4.3. Daimi mıknatılı enkron motorda ürekli hal fazör diyagramları a) temel hızın altındaki çalışma b) temel hızın ütündeki çalışma...43 Şekil 4.4. Kutupal koordinatları kullanan rotor yönelmeli kontrollü daimi mıknatılı viii

9 enkron motorun blok diyagramı...46 Şekil 4.5. Kartezyen koordinatları kullanan rotor yönelmeli kontrollü daimi mıknatılı enkron motorun blok diyagramı Şekil 4.6. Kontrolör gecikmeinin etkileri...50 Şekil 4.7. Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorda onuç ve bileşen akımı yoğunluğu dağılımları...52 Şekil 4.8. Mıknatıları rotorun içinde bulunan enkron motorda ürekli hal fazör diyagramı.54 Şekil 4.9. Vektör kontrollü mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motor ürücüünün baitleştirilmiş bir şemaı...55 Şekil Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorun tator akışı yönelmeli kontrolün blok diyagramı...58 Şekil Fonkiyon FG1 tarafından uygulanan karakteritikler...58 Şekil FG2 ile açıklanan karakteritikler...59 Şekil Mıknatılar rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorda momentin Kontrolü...61 Şekil 5.1. AC Gerilim Filtrei...65 Şekil 5.2. Seri Paralel Rezonan Filtrei...65 Şekil 5.3. Paralel Rezonan Filtrei...67 Şekil Harmoniğe Ayarlı Kıa Devre Hattı...68 Şekil Faz Filtre Konfigürayonu...69 Şekil 5.6. En Düşük Harmonik İçin Kıa Devre hatl Filtre...69 Şekil 5.7. Bir Şebekeye Bağlı Konverter ve Filtre...71 Şekil 5.8 Yükek Harmonikler İçin Filtre Hattı...71 Şekil 5.9 Tek fazlı köprü doğrultucunun çıkışının filtrelenmei...71 ix

10 Şekil 5.10 Bir Filtre Yoluyla Rezitif Bir Yükü Beleyen Konverter...73 Şekil 5.11 Tek fazlı item için diferaniyel modlu filtre...76 Şekil Diferaniyel Mod Filtrei...76 Şekil Ortak Mod Filtrei...77 Şekil Ortak Mod Filtre Uygulamaı...77 Şekil 5.15 Tezde Kullanılan Filtre Topolojii...78 Şekil 5.16 Bileşik Trap Filtrei...79 Şekil 5.17 RLC Filtrei...80 Şekil 6.1 Filtreleme Öncei Gerilim...83 Şekil 6.2 Filtreleme Sonraı Inverter Gerilimi...83 Şekil 6.3 Filtreleme Sonraı Kompund Çıkış Gerilimi...84 Şekil 6.4 Filtreleme Sonraı Motor Giriş Gerilimi...84 Şekil 6.5 Filtreleme Öncei Akım...85 Şekil 6.6 Filtreleme Sonraı Akım...85 Şekil 6.7 Filtreleme Öncei Moment...86 Şekil 6.8 Filtreleme Sonraı Moment...86 Şekil 6.9 Filtreleme Öncei Hız...87 Şekil 6.10 Filtreleme Sonraı Hız...87 Şekil 6.11 Filtreleme Öncei Akı...88 Şekil 6.12 Filtreleme Sonraı Akı...88 Şekil 6.13 Filtreleme Öncei Akımdaki Harmonikler...89 Şekil 6.14 Filtreleme Sonraı Akımdaki Harmonikler...90 Şekil 6.15 Filtreleme Öncei Gürültü...91 Şekil 6.16 Filtreleme Sonraı Gürültü...91 x

11 Şekil 6.17 Filtreleme Öncei Gerilim...92 Şekil 6.18 Filtreleme Sonraı Inverter Gerilimi...93 Şekil 6.19 Filtreleme Sonraı Kompund Çıkış Gerilimi...93 Şekil 6.20 Filtreleme Sonraı Motor Giriş Gerilimi...94 Şekil 6.21 Filtreleme Öncei Akım...95 Şekil 6.22 Filtreleme Sonraı Akım...95 Şekil 6.23 Filtreleme Öncei Moment...96 Şekil 6.24 Filtreleme Sonraı Moment...96 Şekil 6.25 Filtreleme Öncei Hız...97 Şekil 6.26 Filtreleme Sonraı Hız...97 Şekil 6.27 Filtreleme Öncei Akı...98 Şekil 6.28 Filtreleme Sonraı Akı...98 Şekil 6.29 Filtreleme Öncei Akımdaki Harmonikler...99 Şekil 6.30 Filtreleme Sonraı Akımdaki Harmonikler Şekil 6.31 Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM Sitemin Filtreiz Genel Topolojii..101 Şekil 6.32 Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM Sitemin Filtreli Genel Topolojii xi

12 ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizelge 1.1. Kontrol yöntemlerinin çeşitli açılardan karşılaştırılmaı 4 Çizelge 3.1. FOC ve DTC yöntemlerinin karşılaştırılmaı 37 xii

13 ÖNSÖZ Bu çalışmada daimi mıknatılı enkron motorun tarihi gelişimi, yapıı, uygulama alanları, matematikel modeli, kontrol metotları ve bunlardan rotor alan yönelmeli kontrolü konuunda bilgiler verilmeye çalışıldı. Ayrıca matlab/imulink ile alan yönelmeli hız kontrolünün imülayonu yapıldı. Bu çalışmada yardımlarını eirgemeyen tez danışmanım Yrd. Doç. Dr. Kayhan GÜLEZ e teşekkür ederim. Her türlü deteği ağlayan, abır ve hoşgörü göteren aileme, Elektrik Yük.Müh. Ali Ahmed ADAM a ve eşine teşekkürlerimi iletiyorum. xiii

14 ÖZET Daimi mıknatılı enkron motorlar, her geçen gün uygulama alanındaki ağladığı avantajlardan dolayı teknolojik ve endütriyel uygulamalarda, gittikçe daha geniş uygulama alanı bulmaktadır. Bu, daimi mıknatılı enkron motorların kaliteli güç yoğunluğundan, verim ve atalet oranındaki yükek momentinden kaynaklanmaktadır. Gelişen teknoloji on yıllarda daimi mıknatılı enkron motorlar üzerinde yapılan çalışmaları hızlandırmış olup, Alan Yönelmeli Kontrol (FOC) ve Doğrudan Moment Kontrolü (DTC) yöntemleri üzerinde özellikle yoğunlaşmıştır. PMSM kontrolünün temel konuları; Uzay vektör teorii, gerilim belemeli inverter modeli ve uzay vektör modülayonu, gerilim vektörleri eçim tablounun oluşturulmaı ve gerilim vektörlerinin eçimi, daimi mıknatılı enkron motorun matematikel modeli gibi yeniliğe açık geniş bir alanı içermektedir. Bu tezde, daimi mıknatılı enkron motorun alan yönelmeli moment kontrolü metodu ile uygulanabilirliği yükek imulayonlu ve matlab detekli olarak mümkün olan en hızlı ve doğru inüzoidal akım ve gerilime ulaşılmaya çalışılmıştır. Bu çalışmada; önce daimi mıknatılı enkron motorun (PMSM) modellenmei, onra da FOC kontrolü üzerinde durulmuştur. Her bölümde PMSM nin imulink modeli oluşturulmuş, FOC ile imülayonu yapılmıştır. Harmoniklerin azaltılmaı için paif filtrelerle çözüm aranmıştır. Ayrıca FOC ile PMSM nin hız kontrolünün Matlab Simulink ile imülayonu gerçekleştirilmiştir. Anahtar kelimeler: Daimi mıknatılı enkron motor, alan yönelmeli moment kontrolü, paif filtreler, harmonikler, moment dalgalanmaı, hız kontrolü, imulink modeli. xiv

15 ABSTRACT Nowaday permanent magnet ynchronou motor are increaingly ued in a wide application field. Thi i mainly due to it uperior power denity, high torque to inertia ratio and efficiency. So everyday, it find more application area to itelf. The developing in technology in recent year ha accelerated the tudie on permanent magnet ynchronou motor, epecially the tudie are focued on Field Oriented Control (FOC) and Direct Torque Control (DTC) method. The main ubject of permanent magnet ynchronou motor (PSMS) control are; Space vector theory, voltage ource inverter model and pace vector modulation, the formation of voltage vector election table and the election of voltage vector, the mathematical model of the permanent magnet ynchronou motor, a hown it ha o many modern baic ubject. In thi thei; The Field Oriented Control (FOC) in permanent magnet ynchronou motor i preented by help of imulation of matlab to find a fat a poible and the right inuoidal current or voltage repone. In thi tudy; firt the modelling of permanent magnet ynchronou motor (PMSM), afterward, it FOC had been examined deeply. Conequently, for all ection the imulink model of PMSM ha been formed, and imulation ha been done with FOC. To reduce the harmonic by the help of paive filter the olution were earched. Additionally, a FOC of PMSM peed control ytem imulation with Matlab Simulink ha been realied. Keyword: Permanent magnet ynchronou motor, field oriented torque control, paive filter, torque, harmonic, velocity control, imulink model. xv

16 1 1. GİRİŞ 1.1 Genel Giriş Senkron makineler; kaynağın frekanına ve kutup ayılarına bağlı olarak her zaman enkron hızda dönen, abit hızlı makinelerdir. Elektrikel uyartımlı alan argılarının yerine daimi mıknatıların bulunduğu motorlar günümüzde çok daha yaygın bir biçimde kullanılmaktadır (Va,1990). Daimi mıknatılı enkron motorlarda çoğunlukla, daima mıknatı özelliği göteren mıknatılar, rotor çekirdeğinin etrafındaki muhafazaının üzerine yerleştirilmektedir. Bu motorlara mıknatıları rotor üzerinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorlar (SPMSM) adı verilir. Daimi mıknatılı enkron motorlarda mıknatıların rotor yüzeyi yerine rotor çekirdeğine yerleştirilmei moment kapaiteini artırdığı için tercih edilir. Uyartı iteminde uyartı makinei olarak kullanılan enkron motordan beklenenleri: Güç katayıı ve verimi yükek olan, motor gücünün motor ağırlığına oranı büyük olan, alınım bileşenleri olmayan ve yol alma momentine ahip olan, yükek hava aralığı akı yoğunluğu olan, uygun hız-moment karakteritiğine ahip olan, yükek moment eylemizlik oranına ahip olan, yükek verim ve coφ ye ahip olan, bilezik, fırça gibi fazla bakım iteyen parçaları bulunmayan, doğru akım uyarma düzeneğine gerek duyulmayan, rotor yüzeyinde oluklar bulunmayıp hava aralığı hemen hemen abit olan başlıkları altında toplayabiliriz. Bu özelliklere dikkat edilmeiyle endütrideki uygulamalarda uyartı motorlarının dayanıklılık, yükek verim, büyük güç katayıı, kolay ve ucuz bir şekilde denetlenebilirliği, az bakım gerektirmei, daimi mıknatılar ile uyarılmış olmaı ebebiyle yeni bir tip makinenin geliştirilmeine neden olmuştur (Ceylan, 1987). Tarihi gelişimine bakacak olurak; 1930 lu yıllarda Al-Ni-Co alaşımlı daimi mıknatıların bulunmaı daimi mıknatılarla uyarılmış büyük makin elerin yapımına imkan ağlamıştır. Bu makineler üzerindeki çalışmalar da yoğunluk kazanmış ve günümüzdeki gelişimine bu temel buluş ayeinde başlamıştır li yıllarda baryum, troniyum veya kurşunun demir okitle oluşturduğu ferrit

17 2 mıknatıların bulunmaı ve geliştirilmei bu mıknatıların elektrik makinelerinde kullanılmaına yol açmıştır yılında F.W. Merril, Al-Ni-Co mıknatılar ile uyarılmış bir enkron motor geliştirmiştir. Standart bir aenkron motorun rotoruna, Al-Ni-Co mıknatı blokları yerleştirilmiştir. Stator yapıı ve dış ölçüleri değişmediğinden bu motorun kullanılmaı kolay olmuştur. J.F. Dougla, bu motorları akım-yer eğrileri ile incelemiş ve daha iyi özelliklere ahip olan, ucuz daimi mıknatıların üretimi ile daha uygun çalışma karakteritiklerine ahip enkron motorların yapımının mümkün olduğunu belirtmiştir. D.P.M Chaill, bu motorların itenilen davranışlara ahip olabilmeleri için gerekli taarım kriterlerini vermiştir. F. Falk, Al-Ni-Co mıknatıların özelliklerinin düzeltilerek, bu motorların daha iyi özelliklerde yapılmaları gerektiğini avunmuştur. W. Volfkrodt, 1962 yılında ferrit mıknatılar ile uyarılmış bir enkron makine geliştirmiştir. Bu motor gelişiminde yine temel olarak bir aenkron motor ele alınmıştır. Jahn vd, 1986 daimi mıknatılı enkron motorlarda çoğunlukla, daima mıknatı özelliği göteren mıknatılar, rotor çekirdeğinin etrafındaki muhafazaının üzerine yerleştirilmektedir. Klaik aenkron motorlardaki kayıpların azaltılmaı orununa karşılık, aenkron motorlarda bulunan bazı kayıpları ortadan kaldırabilecek ve yaklaşık aynı özelliklere ahip farklı bir makine taarımına varılmaktadır. Bu makine daimi mıknatılı enkron motordur. Daimi mıknatılı enkron motor ile uyarma akımı kayıpları ve aynı zamanda ek kayıplar da ortadan kalkmaktadır. Bu tür makinede tator normal bir aenkron motordaki gibidir ve uyarma akımı rotora yerleştirilen daimi mıknatılar ile ağlanmaktadır. Mıknatı yerleştirilmei ve özellikleri nedeniyle hem bir enkron makine, hem de bir doğru akım makinei özelliği göterebilmektedir. Daimi mıknatılı enkron motorlarda mıknatı malzemelerinin, yarı iletken anahtarlama elemanlarının ve kontrol teknolojilerinin gelişiminin ağladığı avantajlar, daimi mıknatılı enkron motorlarının taarımını ve kontrolünü daha da hızlı geliştirmiştir (Colby, 1988). Robot ve uçak teknolojii gibi yükek güç verimine karşılık düşük ağırlık oranının olmaı itenen ve aranan bir durumdur. Makinenin güç yoğunluğu, ıı dağılımı kapaitei ile

18 3 orantılıdır. Daimi mıknatılı enkron motorlarda; bakır, fuko ve hiteriiz kayıplarının büyük çoğunluğu tatorda olmaktadır. Rotor kayıpları ie burada ihmal edilmektedir (Pillay ve Krihnan,1989). Daimi mıknatılı enkron motorlarda akı mıknatılar tarafından ağlanmaktadır. Yüküz durumda hız, gerilim ile doğru ve akı ile ter orantılıyken, yük altındayken akım ve akı ile doğru orantılıdır. Daimi mıknatılar ile uyarılmış enkron makineler on yıllarda değişken hız uyartı itemlerinde kullanılmaktadır. Rotor manyetik alanı doğru akım taşıyan argılar yerine rotora yerleştirilen daimi mıknatılar ile ağlanmaktadır. Alan argıındaki bakır kayıplarının ortadan kaldırılmaı makinenin verimine olumlu yönde katkı ağlamaktadır. Stator bakımından IM makinelerinden farklı değildir. Normal argılı bir enkron makine ayrı bir doğru akım kaynağına ve fırça-bilezik düzenine ihtiyaç götermektedir. Daimi mıknatıların kullanılmaı ile böyle bir düzene gerek duyulmamaktadır. Daimi mıknatılı makinelerde, IM deki gibi moment oluşturmak için gerekli tator akımı bileşeni olan, mıknatılama akımı yoktur. Stator akımı adece momentin oluşumu için gereklidir. Böylece IM ye göre daha büyük güç katayıına ahip yükek verimde çalışabilmektedir (Diril, 1990). IM ve normal SM ye göre, büyük moment-eylemizlik momenti oranına ve büyük güç yoğunluğuna ahip, üretilen moment; aenkron motorlardan farklı olarak, beleme gerilimine doğrual bağlılık götermekte, makine gerilim ve frekan değişimlerine daha az duyarlı olmaktadır. Bunların dışında endütriyel uygulamalarda elektrik motorlarının kontrol edilmei amacıyla kullanılan değişken hızlı ürücüler, motor mili vaıtaıyla şebekeden yüke verilen enerjinin ve moment ile hız büyüklerinin kontrolünü ağlar. Uygulamalarda, moment ve hız büyüklüklerinden adece birii kontrol edilerek moment ve hız kontrolü yapılır. Sürücü moment kontrol modunda çalıştığında, hız yük tarafından belirlenir. Moment, motordaki gerçek akım ve akının bir fonkiyonudur. Benzer şekilde hız kontrol modunda çalıştığı zaman, moment yük tarafından belirlenir. Başlangıçta değişken hız kontrolü için, yükek doğrulukta iyi bir moment ve hız kararlılığına kolayca ulaşılabilen DC uyartı itemleri kullanılmıştır. Doğru akım motorunda moment, endüvi akımı ile doğrudan orantılıdır. Akım geri belemei kullanılarak, DC motor momenti doğrudan kontrol edilebilir. Bu uygulamaı çok kolay, doğru ve hızlı moment kontrolü ile yükek dinamik hız cevaplarını ağlayabilen bir metottur.

19 4 AC değişken hız teknolojiinin gelişimi, daha az maliyetli ve daha bait yapıdaki tandart AC motorları kullanılarak, DC uyartı itemlerinin hızlı moment cevabı ve hız doğruluğu gibi konulardaki performanını geçmeye çalışma iteğinden kaynaklanmıştır. AC ürücülerde kontrol kaler veya vektörel olarak gerçekleştirilir. Skaler kontrolde, temel değişkenler olarak gerilim ve frekan kullanılır. PWM modülatörün kullanıldığı bu kontrol yönteminde, motordaki manyetik alanın konumu dikkate alınmaz ve ürücülerde hız algılayıcıı kullanılmaı gerekmez. Rotorun konumu ihmal edilir. Dolayııyla, açık çevrimli ürücü olarak bilinmektedir. Ayrıca bu kontrol şekli, bir çok uygulamada yeterli doğrulukta bir kontrolü ağlayamaz. Akı vektör kontrollü AC ürücülerde, alanın konumu kontrol edilerek doğrudan akı kontrolü gerçekleştirilir. Burada, rotor akıı uzayal konumu, hız geri belemeiyle elde edilen rotor açıal hızı ile bilinen tator akım vektörünün karşılaştırılmaıyla, ürücü tarafından heaplanır ve kontrol edilir. Akı vektör kontrolünün en büyük dezavantajı, yükek doğruluk için bir takogeneratör veya kodlayıcı kullanma zorunluluğudur. Bu ürücü iteminin uygulanmaını zorlaştırır ve fiyatını arttırır. Çizelge 1.1 de genel kontrol yöntemlerinin; cevap verme hızı, avantaj ve dezavantajları açıından karşılaştırmaı tablo halinde verilmiştir (Bakan, 2002). Kontrol Türü DC Kontrol Skaler Frekan Kontrolü Akı Vektör Kontrolü Doğrudan Moment Kontrolü Çizelge 1.1. Kontrol yöntemlerinin çeşitli açılardan karşılaştırılmaı Moment Kontrolü Akı Kontrolü Cevap Verme Hızı Doğrudan Doğrudan Yükek - - Düşük Dolaylı Doğrudan Yükek Doğrudan Doğrudan Yükek Avantaj Yükek doğruluk İyi moment cevabı Baitlik Hız algılayıcıı gerekmez Baitlik Yükek doğruluk İyi moment cevabı Hız algılayıcıı gerekmez Orta eviyeli doğruluk Mükemmel moment cevabı Dezavantaj Motor bakım ve fiyatı Yükek doğruluk için hız algılayıcıı gerekli Düşük doğruluk Kötü moment cevabı Daima hız algılayıcıı gerekli Yükek doğruluk için hız algılayıcıı gerekli

20 5 Tezin ilk bölümünde daimi mıknatılı enkron motorlar ile ilgili genel tanımlamalar yapılarak, elektrik motorlarının çeşitlerinden bahedilerek, konumuz olan daimi mıknatılı enkron motorların yapıı, avantajları ve dezavantajları, moment oluşumu ve uygulama alanları açıklanmış olup ardından, daimi mıknatılı enkron motorun matematikel modeli uzay vektörleri kullanılarak elde edilmiştir. Bunlara ek olarak referan item teoriinde kullanılan Park ve Clarke dönüşümleri ile en uygun referan iteminde gerilim, manyetik akı ve moment denklemleri ile daimi mıknatılı enkron motordaki imulink modeli verilmiştir. İkinci bölümde, gerilim belemeli inverterler incelenmiştir. PWM inverter çeşitleri ele alınıp, Sinüzoidal PWM inverter, Uzay Vektör PWM inverter ve Akım Kontrollü PWM inverter hakkında bilgi verilmiş ve inverter imulink modeli unulmuştur. Üçüncü bölümde, daimi mıknatılı enkron motorlarında kullanılan genel kontrol metotları V/f kontrol, Alan Yönelmeli Kontrol (FOC) ve Doğrudan Moment Kontrol (DTC) incelenmiştir. Bunların birbirleriyle olan farkları, ütünlükleri, avantajları ve dezavantajları belirtilmiştir. Dördüncü bölümde, Alan yönelmeli kontrol (FOC) hakkında çok daha açıklayıcı bilgiler ıralanmıştır. Vektör kontrolü hem mıknatıları motorun üzerinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorda rotor yönelmeli ve kutupal koordinatlardaki FOC için hem de mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motor için incelenmiştir. Beşinci bölümde, temelde filtre hakkında açıklamalar yapılıp, daimi mıknatılı enkron motorlarda paif filtreler kullanılarak iteme uygulanan akımın ve gerilimin harmoniklerden arındırılmaının metotları ve iteme ağladığı etkiler incelenmiştir. Altıncı bölümde, alan yönelmeli kontrolün paif filtre kullanılmadan elde edilen gerilim, akım, akı, moment gibi onuçlarla, paif filtre kullanılmaı durumunda elde edilen aynı büyüklüklerdeki onuçların karşılaştırılmaı yapılmıştır. Burada da Matlab/Simulink ile imülayondan yararlanılmıştır. Yedinci bölümde ie, onuçlar değerlendirilmiştir.

21 6 1.2 Elektrik Motorlarının Çeşitleri Elektrik motorlarını kontrol itemlerinde kullanılan motorlar açıından genel olarak iki ana ınıfta inceleyebiliriz. Bunlardan birincii ve eki olanı, komütatörler ile doğru akım (DC) motorlarıdır. Diğeri; enkron ve aenkron motorlar olmak üzere alternatif akım (AC) motorlarıdır. Bu motorların hepi eğer uygun bir biçimde kontrol edilebilirlere çok az moment dalgalanmaıyla, abit ani moment üretirler ve tam doğru akım ya da alternatif akım inü dalga kaynaklarından çalışırlar. Hızı direkt olarak tator frekanı ve kutup ayıı tarafından belirlenen enkron motorlar (SM) bu çalışmada incelenecek olup alternatif akım kaynaklı motorlardan bahedilecektir; Aşağıdaki şekilde elektrik motorlarının çeşitleri genel olarak göterilmiştir. Elektrik Motorları AC DC Aenkron Senkron İndükiyon Daimi Mıknatılı Sargı Alanlı Sinü dalga Yamuk dalga Şekil 1.1 Elektrik motorlarının çeşitleri

22 1.3 Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Yapıı 7 Burada incelenen enkron motor iki ana bölüme ahiptir. Hareketiz kalıp abit olan tator ve içeriinde bulunan, hareketli olan kıım rotor olarak adlandırılır. Senkron motorlar (SM) farklı yapılarda olabilirler. Motoru döndürebilmek için, biri tatordan diğeri rotordan olmak üzere iki akıya ihtiyaç vardır. Bu düşünce de beraberinde yeni yöntemler ile farklı motor biçimleri elde etmeyi mümkün hale getirir. Stator bakımından, üç fazlı motorlar en uygun olanıdır. Rotor akıını üretmek için çoğunlukla iki yol vardır. Bunlardan birii tatordan rotor argı belemei kullanmak, diğeri ie; daimi mıknatıtan yapılmış ve kendiliğinden abit akı üretmektir. Rotor akıı üretmek ve kendi akım kaynağını ağlamaına karşı, fırçalar gerektiren rotor argıları ile motor ihtiyacını temin eder. Bu bağlantılar; şayet bileziklerden yapılmış ve hiç komütatör kımına ahip değile, fırça ve motorun yaşam ürei eşit olabilir. Bu yapının dezavantajları; bakım gerektirmei ve düşük güvenilirliktir. Rotor alan argıları ve kutup yapıları, daimi mıknatılar ile değiştirildiğinde, bu motor fırçaız motorlar kategoriinde yer almaktadır. Belirli bir ayıda mıknatı kutupları ile fırçaız daimi mıknatılı enkron motor (PMSM) yapmak mümkündür. Motorlar ikiden elliye kadar ya da daha fazla mıknatı kutupları ile yapılmışlardır. Aynı miktardaki akım için, daha büyük ayıdaki kutup genellikle daha büyük moment ortaya çıkarır. Mıknatılar araında bir aralığa ihtiyaç duyulmaı nedeniyle belli bir noktanın üzerinde, moment daha fazla artış götermez. Mıknatıların kullanılmaı; rotor argılarının değiştirilmeini ve radyal aralıkta verimli kullanılmaına olanak ağlar, bu yüzden bakır kayıpları batırılmış olur. İleri mıknatı malzemeleri amarium-cobalt (SmCo 5, Sm 2 Co 17 ) veya neodymium-demir-boron (NdFeB) çok yükek güç yoğunluğunu devam ettirirken, motor boyutlarında önemli bir azaltmaya izin verir (Va, 1990). İlk olarak motorlar DC veya AC uyarma için ınıflandırılabilirler. Daimi mıknatılı motor, yapı olarak DC kollektörlü motor ile yakındır. Tek farkı elektrik argıları yerine daimi mıknatıların kullanılmaıdır.

23 8 Daimi mıknatılı alternatif akım (PMAC) motorlarında, mıknatılar rotor içeriine yerleştirilmişlerdir. Bu motorlarda komütatör ve fırça bulunmadığından karmaşık olmayan bait yapıdadır ve bunun onucu olarak da orunuz kabul edilmektedir. PMAC motorları iki ana başlıkta incelenebilir. Bunlar; Trapezoidal tip ve Sinüzoidal tiptir. Trapezoidal PMAC motorları aynı zamanda fırçaız doğru akım (BLDC) motor adını alırken, inüzoidal PMAC motoru ie, daimi mıknatılı enkron motor (PMSM) olarak adlandırılır (Adnane, 1991). Temel farklılıkları ter elektromotor kuvvetin, birinde trapezoidal diğerinde inüzoidal gerilim dalga şekline ahip olmaıdır. Uyarma akımı dalga şekli, biri trepezoidal dalga, diğeri inü dalga olmak uretiyle makine için uygunluğa ahiptir. Trapezoidal makine kontrol yapıı bait olmaı nedeniyle ilk geliştirilendir, fakat moment dalgalarının varlığı bu makinenin yükek performan hareket kontrol uygulamalarında kullanılmaına izin vermemektedir. Daha onra AC makinelerde vektör kontrol yöntemlerinin kullanıldığı, yükek performan kontrol olanakları nedeniyle inüzoidal makine geliştirildi. Sinüzoidal makine, pek çok uygulamada aenkron makine ile yarışabilecek en uygun PM motor olarak görünmektedir. PM motorların on yıllarda daha fazla ilgi görmelerinin ebebi bu nedenledir (Bizot vd., 2003). 1.4 Daimi Mıknatılı Senkron Motorlar (PMSM) Daimi mıknatılı enkron motorlar geniş çapta değişken hız uyartı itemlerinde kullanılmaktadır. Birkaç watt dan kilowatt a kadar değişen ervo ürücülerindeki güç uygulamalarında çok yaygın olarak mevcuttur. Daha geniş uygulama alanlarında kullanılmaının ebebi, makinenin; kaliteli güç yoğunluğuna, verim ve atalet oranındaki yükek momentine ve rotor içeriinde elektrik argıları bulunan klaik tip enkron motorlarla karşılaştırılmalarından kaynaklanmaktadır (Luukko, 2000). PMSM temel olarak argıları tator olukları içine dağıtılmış ve böylece tator akımı tarafından oluşan akı yaklaşık olarak inüzoidal olan bir AC makinedir. PMSM, daimi mıknatı tarafından çift uyartımlıdır. Rotor ve elektrik argılarındaki alan, normal olarak tator olmaktadır. Çift uyarmalı makinelerde uyartımlar iki elektrik argıı tarafından yapılabilmektedir, fakat bazı dezavantajlar vardır. Belirli bir akı üretiminde elektrik mıknatı, daimi mıknatıa göre yükek ağırlık ve büyüklüğe ahiptir. Bunun yanı ıra elektrik mıknatı büyüklüğünü arttıran fırça ve bileziklere ahip olmalıdır. Sonuç olarak, PMSM nin

24 9 rotorunda akım yoktur ve bu ebeple de rotorunda bakır kayıpları oluşmaz. PM kullanıldığı zaman, elektrik makineini aynı güçte, daha küçük büyüklükte ve daha yükek verimle taarlamak mümkündür. Diğer taraftan ie, PMSM içeriindeki daimi mıknatılar daimi alan akıı üretirler ve rotor akımını değiştirmede, klaik tip enkron motorlarda olduğu gibi kolaylıkla kontrol edilemez. Yükek verim nedeniyle; güç yoğunluğu, atalet oranındaki yükek momentine ve kontrol problemlerine rağmen daimi mıknatılı enkron motora ilgi artışı olmuştur (Bizot vd., 2003). Zıt emk dalga şekillerine bağlı olarak, PMSM ürücüleri genellikle, inüzoidal tip ve trapezoidal tip olmak üzere iki biçimde incelenir. Bu durumda farklı kontrol tratejileri yerine getirilir. Bu çalışmada inüzoidal daimi mıknatılı enkron motor için alan yönelmeli kontrol ele alınacaktır. 1.5 Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM nin İç Düzeni Daimi mıknatılı enkron motorlarda, tator faz gerilimleri ve akımları inüzoidaldir. Makine içeriindeki akı çoğunlukla, hava aralığı içinde inüzoidal olarak dağılımlı akı üreten, rotor içeriindeki daimi mıknatı tarafından ayarlanır. Rotor üzerindeki mıknatılar farklı şekillerde yerleştirilmişlerdir. Aşağıda yüzeye monte edilmiş mıknatılar, ilave mıknatılar ve gömülü mıknatılar ait rotor yapıları göterilmiştir. Biçimlere bağlı olarak makinenin farklı özellikleri elde edilebilir. PMSM, mıknatı yerleştirilmei ve özellikleri nedeniyle hem bir enkron motor, hem de bir doğru akım motoru özelliği göterebilmektedir. Şekil 1.2 (a) da görülen yüzey mıknatı tipli (SPMSM) enkron motordur. Bu en yaygın olarak bilinen çeşididir ve mıknatılar rotor yüzeyinin üzerine yerleştirilmişlerdir. Motorun kontrolü bait olmakla birlikte relüktan etkileri önemli değildir. Düşük tator endüktanı nedeniyle alan zayıflatılmaı zordur ve böylece başlangıç hızının değerce üzerindeki çalışmalarda zorluklar olur. Şekil 1.2 (b) de görülen enkron motor iç mıknatı ya da diğer adıyla ilave mıknatılı tipli enkron motordur. Alan zayıflatılmaı ıraında belirli bir miktarda relüktan momenti elde edilir. Başlangıç hızı üzerindeki çalışmalarda daha olanaklı yapılır. Üzerine yerleştirilmiş olan gömülü mıknatı tipli (IPMSM) motorlardır. Bu motorlardan başka radyal mıknatılanma ile ve daireel mıknatılanma ile gömülü

25 10 mıknatı tipleri de vardır. IPMSM nin diğer mıknatılı motorlardan ve IM den farkı yükek verime ahip olmaıdır. Yüzeye monte edilmiş mıknatılar ile rotor demiri yaklaşık olarak yuvarlak ve tator endüktanı düşük olduğu gibi rotor poziyonundan bağımızdır. Makinenin kontrolü bait olmakla birlikte, relüktan etkileri ihmal edilebilecek eviyededir. Düşük tator endüktanı nedeniyle alan zayıflatılmaı zordur ve böylece başlangıç hızının üzerindeki çalışmalarda zorluklar vardır (Anderon, 2000). Rotor yüzeyine yerleştirilen mıknatılar ile gerçekleştirilen makine düz kutuplu makine olarak davranış götermekte, büyük hava aralığına ahip, kutup akıına karşı gelen endüvi tepkii zayıf olmaktadır. Bu türde yapılan enkron motorlar daha çok literatürde BLDC motor olarak iimlendirilir. Normal doğru akım motoruna göre rotoru tatoru ile yer değiştirilmiş, elektronik kolektöre ahip daimi mıknatılı enkron motordan pek farkı yoktur. Sabit moment üretimi için dikdörtgen dalga şeklinde alternatif akım gerektirmekte ve indüklenen gerilim trapez şeklinde olmaktadır. (a) (b) Şekil 1.2 Daimi mıknatı rotor yapıları İlave mıknatılar ile, şekil 1.2. (b) de tator endüktanı rotor poziyonuna bağlı olur. Alan zayıflatılmaı ıraında belirli bir miktarda relüktan momenti elde edilir. Başlangıç hızı üzerindeki çalışmalarda daha elverişlidir. Bu biçim PMSM içinde, başlangıç hızının üzerindeki çalışmanın alışılmış olduğu çekme uygulamalarında yaygındır.

26 11 Bu tip enkron makineye ait özellikler aşağıdaki gibi özetlenebilir: Yükek hızlarda çalışabilmekte, Etkin hava aralığı küçük, endüvi tepkii küçük olmakta ve akı zayıflatma yöntemi ile abit güç bölgeindeki denetimi, abit moment bölgeindeki kadar iyi yapılabilmektedir. Çıkık kutuplu motor özelliği götermekte, normal enkron motordan farklı olarak enine ve boyuna reaktanlar araında X q >X d ilişkii bulunmaktadır. Moment oluşumuna hem uyarma alanı hem de relüktan momenti etkiini götermektedir. Sabit moment üretimi için inüzoidal akım gerektirmekte ve indüklenen gerilim inüzoidal olmaktadır. Senkron motorlar enkron hızda moment oluşturabilir ve kalkış orunu vardır. Her iki taarımda rotorda kalkış için kıa devre çubukları bulunmakta ve kalkışta, enkron hıza erişinceye kadar motorda aenkron moment bileşeni etkiini götermektedir (Diril, 1990). Mıknatıları rotor içine gömülmüş enkron motorda dikkate değer özelliklerden birii, diğer mıknatılı motorlardan farklı olarak yükek verime ahip olmaıdır. Bu tip motorda, IM den farklı olarak rotor mıknatılama akımının daimi mıknatı ile ağlanmaı nedeniyle hem tator I 2 R hem de rotor I 2 R kayıpları azaltılmaktadır. Stator akımı bileşeni olarak mıknatılama akımının ortadan kalkmaı motorun güç katayıını büyük yapmaktadır. Ayrıca normal enkron motordaki uyarma akımının oluşturacağı kayıplar da yoktur. Böylece verim IM ye göre oldukça iyi duruma gelmektedir. 1.6 Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM nin Avantaj ve Dezavantajları Daimi mıknatı malzemelerde ve yarı iletken elemanlardaki yeni gelişmeler PMSM nin, klaik doğru akım motorun ütünlükleri ile alternatif akım motorların ağlamlık ve güvenilirlilik özelliklerini ağlayabilecek duruma getirmiştir. Avantajları: Bait yapı, Yükek verim, Doğrual moment-hız ilişkii, Yükek moment,

27 12 Küçük hacim, Bakım kolaylığı, Geniş ınırlar içinde hız kontrolü, Fırça ve komütatörler yoktur. PMSM dezavantajları da vardır; Stator alanı ile enkronize edilmei gerektiğinden, rotor poziyonu bilinmei gerekir. Yani haa poziyon bilgii gerekir. Rotor poziyonu, bir poziyon enörü ile belirlenebilir fakat bu, fiyatın artmaı ve karmaşıklık; ayrıca güvenirliliğin azalmaı nedeniyle arzu edilmez. Harici güç elektroniği devreleri gerektirir. Rotor mıknatıları motor maliyetini arttırır. PMSM nin, giriş akım ve gerilim kontrolü, bir kontrol devrei tarafından deteklenmelidir. Böylece PM ve tator alanı araında enkronizayon ağlanmış olur. Makinenin bilinen akım ve gerilimleri ile kontrol devrei kullanılmaı, eğer bu giriş değerlerinden rotor poziyonu heaplanabilire, enörüz makine yapılmış olur. 1.7 Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM nin Uygulama Alanları Yükek pik moment, haa hız kontrolü, yükek verim ve uzun ömür gibi önemli özellikler daimi mıknatılı motorları bir çok uygulamalar için en iyi eçim durumuna getirmektedir. Bunlar; Elektrik güç kontrolü, Robot uygulamaları, Servo ürücüler, Elektrik araçları, Buzdolabı, Klima, Fan vb. Ev aletleri, Gemi Motorları, Pompalama, Endütriyel ürücüler, Elektrik jeneratörlerinde

28 13 Daimi mıknatılı motorlar uygulanan gerilime çok hızlı tepki göterirler. Bu durum rotorun düşük kütleinden kaynaklanmaktadır. Uygulama alanları genişledikçe, daha çok ayıda üretim yapılacak ve yükek olan maliyeti klaik rakipleri ile rekabet edecek eviyeye düşecektir. 1.8 Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM nin Matematikel Modeli PMSM vektör kontrolü ve kontrol metotlarının anlaşılabilmei için kontrol edilen makinenin matematikel modelinin iyi bilinmei gereklidir. Makinenin davranışını geçici ve kararlı rejimde temil eden matematikel model, heaplama kolaylığı açıından uzay vektörleri kullanılarak ifade edilir Uzay Vektör Tanımı i a, i b ve i c anlık dengelenmiş üç faz tator akımları alınarak; i i + i = 0 (1.1) a + b c Stator akımı uzay vektörü ie; i 2 ( i + ai + a i ) = k (1.2) a b c burada a ve a 2 ; uzay operatörleridir. k ie, tranformayon abitidir. j 2π / 3 a = e (1.3) k = 2/3 olarak eçilmiştir. Aşağıdaki şekilde tator akımı uzay vektörü izdüşümü göterilmiştir; Şekil 1.3 Akım uzay vektörü ve izdüşümü (Balazovic, 2003)

29 14 (1.2) denklemi tarafından tanımlanmış uzay vektörü, çift eken teoriinden yararlanılarak da ifade edilebilir. Uzay vektörünün reel kımı boyuna eken tator akım bileşeninin (i D ) ani değeri ile eşittir ve enine eken tator akım bileşeni (i Q ) ile de imajiner kımı eşittir. Böylece abit referan iteminde, tator akımı uzay vektörü tatora bağlanmış olur ve aşağıdaki gibi ifade edilebilir; i = i + ji (1.4) D Q Simetrik üç fazlı makinelerde, enine ve boyuna eken tator akımları (i D, i Q ), gerçek olmayan enine faz akım bileşenleridir. i D 1 1 = k ia ib ic 2 2 (1.5) i Q = k 3 2 ( i i ) b c (1.6) Bunlar yukarıda ifade edildiği gibi gerçek üç faz tator akımları ile bağlantılıdırlar. Yukarıda belirtildiği gibi k=2/3 dür ve tranformayon abiti olarak adlandırılır. Gerilim ve manyetik akı içinde benzer uzay vektörleri tanımlanabilir; u 2 ( u + au + a u ) = k (1.7) a b c 2 ( ψ + aψ + a ψ ) ψ = k (1.8) a b c Clarke Dönüşümü (a, b, c) (D, Q) Uzay vektörü (D, Q) adı verilen 2 ortogonal ekenle başka bir referan çerçeveinde yazılabilir. Aşağıdaki vektör diyagramında a-ekeni ve D-ekenini aynı yönde olduğunu varayarak göterebiliriz.

30 15 Q b i Q a i a c i D a D Şekil 1.4 Stator akım uzay vektörü ve (D,Q) deki bileşenleri 3-fazlı itemi (D, Q) 2 boyutlu ortogonal iteme çeviren izdüşüm aşağıda verilmiştir. Bu denklemler pratik uygulamalar için çok uygundur; i D = i a i Q = 1 i 3 a + 2 i 3 b (1.9) Bu durumda zaman ve hız bağımlılığı devam eden 2-koordinatlı bir item etmiş oluruz. i i D Q yı elde Park Dönüşümü (D,Q) (d, q) Bu dönüşüm vektör kontrolünün en önemli kımıdır. Gerçekte, 2-fazlı ortogonal item olan (D, Q) yu; d, q dönen referan büyüklüğe dönüştürür. Eğer d-ekenin rotor akııyla uyarlandığını düşünürek, aşağıdaki diyagram akım vektörü için iki referan çerçevei araındaki ilişkiyi göterir.

31 16 q Q i i q i d α ψ M θ d Rotor doğru ekeni D Stator doğru ekeni Şekil 1.5 Stator akım uzay vektörü ve (D,Q) de ve d,q referan itemindeki bileşeni Burada θ rotor akı poziyonudur. Akım vektörünün akı ve moment bileşenleri aşağıdaki denklemlerle elde edilir [Va,1990]. i = i coθ + i inθ d D Q i = i inθ + i coθ q D Q (1.10) Bu bileşenler akım vektöründeki (D,Q) bileşenlerine ve rotor akı poziyonuna bağlıdır. Doğru rotor akı poziyonu bilinire, bu izdüşümde d, q elemanları abit olur. Buradan aşağıdaki i karakteritiklere uyan bir 2-koordinat itemi i d q elde edilir. 2-koordinatlı zamandan bağımız bir item olmaı; i d (akı bileşeni) ve i q (moment bileşeni) yle bütün değişkenleri bulmak mümkün ve kolaydır Ter Park Dönüşümü (d, q) (D,Q) Burada bütün değişkenleri bulmak mümkündür ancak aşağıda gerilim dönüşümünden adece 2-fazlı ortogonal itemde d, q dönen referan çerçeveindeki gerilimleri değiştiren denklem verilecektir. v Dref = v dref coθ v inθ qref (1.11) v = v inθ + v coθ Qref dref qref

32 Gerilim ve Manyetik Akı Denklemleri Daimi mıknatılı enkron motorun (PMSM) tanımlanabilmei için, inüzoidal olarak dağıtılmış argılara ahip, imetrik üç fazlı düzgün hava aralığı olan makine gibi düşünülmelidir. Statordaki g erilim denklemleri anlık olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir; u u u a b c d = RSia + ψ a dt (1.12) d = RSib + ψ b dt (1.13) d dt = RSic + ψ c (1.14) ve burada u a, u b ve u c tator gerilimlerinin anlık değerleri; i a, i b ve i c ie tator akımlarının anlık değerleri ve ψ a, ψ b ve ψ c tator akılarının anlık değerleri a, b ve c fazlarına göre tanımlanmıştır. Yukarıda ifade edilen (1.12), (1.13) ve (1.14) anlık denklemleri, çift-eken teoriini yani Clarke tranformayonunu kullanarak tekrar yazmak daha pratik olacaktır. Gerilim denklemleri; u u D Q = R i = R i D Q d + ψ dt d + ψ dt D Q (1.15) Manyetik akı denklemleri; ψ ψ D Q = L i = L i D Q + ψ + ψ M M co in ( θ ) r ( θ ) r (1.16) böylece daimi mıknatılı enkron motor (PMSM), tator referan iteminde yukarıdaki gibi tanımlanır. Burada ifade edilen değişkenleri tanımlayacak olurak;

33 18 D,Q u D,Q i D,Q ψ D,Q tator abit koordinat itemi tator gerilimi tator akımı tator manyetik akıı ψ M R L θ r rotor manyetik akıı tator faz direnci tator faz endüktanı D,Q koordinat itemi için rotor poziyonu Yukarıda ifade edilen (1.15) ve (1.16) denklemleri; abit item (D,Q) içeriinde, tatorla belirlenmiş olan daimi mıknatılı enkron motor (PMSM) modelini götermektedir. Daimi mıknatılı enkron motor (PMSM) modeli vektör kontrol uygulamalarında ıklıkla kullanılır. Bunu başarabilmek için; referan itemleri tator manyetik akı uzay vektörü, rotor manyetik akı uzay vektörü ya da mıknatılanma uzay vektörü ile düzenlenebilir. En popüler referan itemi rotor manyetik akı uzay vektörü, boyuna eken (d) ve enine eken (q) ile bağlanmış referan itemidir. Tranformayondan onra d-q koordinat itemi içeriinde motor modeli gerilim denklemleri; u u d q = R i = R i d q d + ψ d ω rψ dt d + ψ q + ω rψ dt q d (1.17) manyetik akı denklemleri; ψ = L i + ψ d q d q M ψ = L i elde edilmiş olur. (1.18)

34 Moment Denklemleri Eğer adece manyeto motor kuvvetini temeli, alternatif akım makineinin momenti t e yi heaba katıyora, vektör olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir; 3 t e = P ψ i 2 (1.19) ve burada P kutup ayıı çiftidir. Eğer tator manyetik akıı ve tator abit D-Q düzleminde vektör olarak dikkate alınıra; ψ = ψ + D jψ Q (1.20) i = i + D ji Q olur ve DQ düzleminde dikey olan moment ie; t e 3 = P 2 ( ψ i ψ i ) D Q Q D (1.21) Burada kullanılan referan itemi, rotor referan itemidir. Moment denklemi d-q koordinat itemine göre; t e 3 = P 2 ( ψ i ψ i ) d q q d 3 = Pψ 2 [ i ( L L ) i i ] M q q d d q (1.22) yukarıdaki gibi ifade edilir. Yukarıdaki denklemlerden de görüldüğü gibi, mıknatıları rotor üzerine yerleştirilmiş olan enkron motorlarda (SPMSM); L d =L q dur. Moment ifadei; t e ( ψ i ) 3 = P M q (1.23) 2 şeklinde ifade edilir. Denklemden de görüleceği üzere moment adece i q akımına bağlıdır ve bu akım tarafından kontrol edilir.

35 20 Bu motor için genel mekanik denklem; t e = t L dθ = ωm dt + Bω + J m dωm dt (1.24) şeklinde ifade edilebilir. Burada; ω m J B t L θ rotorun mekanik hızı atalet momenti vikoz ürtünme katayıı yük momenti açıal rotor poziyonudur. 1.9 Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM nin Simulink Modeli Yukarıda elde edilen gerilim ve moment denklemlerini kullanarak aşağıdaki gibi imulink modeli elde edilir. Aşağıda görüldüğü gibi 3-faz Va,Vb,Vc olarak başlayan item Clark dönüşümüyle V D, V Q ya dönüştürülür daha onra Park dönüşümüyle V d,v q elde edilir. V d ile gri renkli bölgede i d elde edilir. V q ile gri renkli bölgede i q elde edilir. Koyu renkli bölgede ie moment ve mekanik denklemleri kullanılarak rotor hızı ve poziyonu elde edilir. Elde edilen i d ve i q Clark ve Park ter dönüşümleriyle tator akımları elde edilir.

36 Şekil 1.6 Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM nin Simulink Modeli 21

37 22 2. GERİLİM BESLEMELİ İNVERTERLER (VSI) 2.1 Giriş Bir inverterin görevi girişindeki bir DC gerilimi, çıkışında itenen genlik ve frekanta bir AC gerilime dönüştürmektir. Girişindeki DC gerilimin abit olduğu inverter itemine VSI adı verilir. Girişindeki akım abit ie CSI adını alır. Motor kontrol uygulamalarında kullanılan PWM inverterler genellikle anahtarlama gücü yükek ve iletim kayıpları düşük olan IGBT elemanları ile gerçekleştirilmektedir. Motor kontrolü uygulamalarında kullanılan inverterler, genellikle anahtarlama gücü yükek ve iletim kayıpları düşük olan IGBT elemanları ile gerçekleştirilmektedir. Aşağıda üç fazlı PMSM yi beleyen gerilim belemeli IGBT inverter devrei göterilmiştir. PMSM ~ + T1 T3 T5 V dc C T2 T4 T6 Şekil 2.1 Üç fazlı gerilim belemeli PWM inverter Üç fazlı gerilim belemeli PWM inverterler, abit gerilimli bir DC kaynaktan, çıkış gerilimi ve frekanı bağımız olarak ayarlanabilen ve harmonik içeriği düşük olan üç fazlı AC çıkış gerilimleri üretir. Çıkış geriliminin temel genliği, frekanı ve harmonik içeriğinin kontrolünü bir tek güç devreinde gerçekleştirmei ebebiyle de keintiiz güç kaynakları, tatik frekan dönüştürücüler, aktif güç filtreleri, reaktif güç kompanzayonu ve değişken hızlı AC ürücüler gibi pek çok uygulamalarda yaygın olarak kullanılır.

38 PWM İnverter Çeşitleri Birçok PWM inverter vardır, bunlardan en yaygın olarak endütride kullanılanları; inüzoidal PWM (SPWM), harmonik yok eden PWM, uzay vektör modülayonlu PWM ve akım kontrollü PWM olarak özetleyebiliriz Sinüzoidal PWM İnverterler Hemen bütün alıcılar inüzoidal gerilimle belenmek üzere planlanmıştır. İnverter çıkış geriliminin inüzoidal dalga şekline mümkün mertebe yakın olmaı için referan gerilimleri de inüzoidal olmalıdır. Buna inüzoidal PWM adı verilir. Her inverter fazının veya yarım köprüünün birer komparatörü vardır. Şekil 2.2 (a) da görüldüğü gibi bu eleman, o faza ait referan dalgaı ile imetrik üçgen taşıyıcı dalgayı karşılaştırır. Çıkış geriliminin kontrolü, inü dalga genliğinin değiştirilmei ile ağlanır. Böylece çıkış gerilimi dalga şeklindeki darbe genişlikleri ayarlanmış olur, fakat inüzoidal dalga örnekleri aynen korunur. Şekil 2.2 (b) de ie uç gerilimler ve fazlar araı gerilimler göterilmiştir. Şekil 2.2. Sinüzoidal PWM gerilim dalga şekilleri (Bizot vd., 2003)

39 24 Büyük taşıyıcı oranlarında inüzoidal PWM inverter, en etkili harmonikleri yükek mertebeden olan, iyi kaliteli bir çıkış gerilimi dalga şekli verir. Bu harmoniklerin mertebei, taşıyıcı frekanı ve onun harmonikleri olarak kümelenmiştir. Çok düşük hızlarda bile titreşimiz yumuşak bir motor dönüşü elde edilebilir. Zira itenmeyen düşük mertebeden harmonikler ve rahatız edici moment alınımları inüzoidal PWM kaynakla belemede ortadan kalkar Uzay Vektör PWM İnverterler Uzay vektör PWM (SVPWM) olarak adlandırılan bu metot, inüzoidal modülayona göre daha düşük harmonik ditoriyonlu çıkış akımı ile daha yükek çıkış gerilimi meydana getirmei ebebiyle endütriyel uygulamalarda geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Ayrıca inverter anahtarlama kayıpları büyük ölçüde azaltılırken, aynı zamanda yükek kaliteli bir AC çıkış akımı ağlanabilir. Üç fazlı gerilim belemeli inverterlerin (VSI) normal çalışmaı, aynı koldaki iki elemanın aynı anda iletimde olmamaını gerektirir. Bu ebeple üç fazlı inverter, yapı olarak iki durumlu üç mekanik anahtar ile tanımlanır. Her bir inverter faz kolunun anahtarlama durumu ayrı ayrı S a, S b ve S c anahtarlama fonkiyonları tarafından kontrol edilir. Anahtarlama fonkiyonu, inverter fazı kaynak geriliminin pozitif ucuna bağlandığında 1, negatif ucuna bağlandığında ie 0 değerini alır. Üç fazlı inverter yapı olarak iki durumlu üç mekanik anahtar ile tanımlandığından ekiz farklı anahtar kombinayonu mümkündür. Bu ekiz anahtar kombinayonu ekiz adet faz-gerilim kombinayonunu belirler. Şekil 2.3 ve 2.4 teki diyagramlar bu anahtarlama poziyonlarını ve oluşan vektörleri göterir.

40 25 + V1(100) + V2(110) + V3(010) u a0 u b0 u c0 u a0 u b0 u c0 u a0 u b0 u c0 + V4(011) + V5(001) + V6(101) u a0 u b0 u c0 u a0 u b0 u c0 u a0 u b0 u c0 + V7(000) + V0(000) u a0 u b0 u c0 u a0 u b0 u c0 Şekil 2.3 Üç fazlı inverterin anahtarlama poziyonları Q D Şekil 2.4 Üç fazlı inverterin vektör poziyonları

41 26 Vektör kontrol yöntemlerinde, abit eken takımındaki ekiz farklı gerilim vektörü ile üç fazlı inüzoidal akımların üretilmei için modülayon teknikleri kullanılır. Bu teknikler araında en uygun olanı uzay vektör modülayonu (SVM) tekniğidir. SVM tekniği ile gerilim vektörünün genliğini ve fazını itenilen yörüngede kontrol etmek mümkündür Akım Kontrollü PWM İnventerler Akım kontrollü PWM kullanıldığı zaman, hızlı akım kontrol döngüüne ahip uygun bir PWM voltaj kaynağı inverteri devreye yerleştirilmelidir. Akım kontrolü yönteminin çok çeşitleri vardır, bunlardan birii; Hiteriiz Kontroldür. Çıkış "hiterezi bandı" içeriinde oilayona izin verir. Hiteriiz bandına dokunulduğu zaman anahtarlama gerçekleşir. Şekil 2.5 te Akım kontrollü PWM ve Hiteriiz Bandı, Şekil 2.6 da ie Akım kontrollü Trnitörlü bir PWM İnverter devrei verilmiştir. + I ref + Kontrölör S1 R Iref Q Yük If S2 P Şekil 2.5 Akım kontrollü PWM ve Hiteriiz bandı

42 27 L F + AC giriş o T1 T 3 T 5 PMSM T 4 T 6 T 2 i Aref Akım Akım T 3 Akım T 5 _ Kontrölör Kontrölör Kontrölör i A i B T 6 i c T 2 Şekil 2.6 Akım Kontrollü IGBT den PWM Inverter

43 Inverter Simulink Modeli Yukarıda açıkladığımız inverterlerin Matlabta imulink modeli göterilmiştir. Şekil 2.7 Inverter Simulink Modeli

44 29 3. DAİMİ MIKNATISLI SENKRON MOTOR PMSM İÇİN KONTROL METODLARI Bu bölümde daimi mıknatılı enkron motorlar için kullanılan kontrol metotlarından, Alan yönelmeli (FOC) kontrol, Doğrudan moment kontrol (DTC) ve V/f kontrol üzerinde açıklamalar yapılıp birbirleriyle karşılaştırmaları yapılacaktır. En genel anlamda ürücü için kontrol tiplerinin eçimi direkt olarak motorun kullanıldığı uygulama ile düşünülmelidir. 3.1 Giriş 21.yüzyılda ulaşılan güç elektroniği ve dijital işaret işlemedeki gelişmeler, hiçbir ayırıma gerek kalmakızın birçok uygulamada daimi mıknatılı enkron motorların (PMSM) kullanım eğilimlerini arttırmıştır, düşük ya da yükek performana ahip bir çok uygulama için, PMSM kullanılmaının en önemli avantajı, daimi mıknatılardan dolayı yükek verime ve geniş oranlarda yükek momente ahip olmaıdır. Daimi mıknatılı enkron motor, tator olukları içeriinde argıların uyarılmaı ile temel olarak alışılmış bir AC motordur; öyle ki tator akımları tarafından oluşturulan akı yaklaşık olarak inüzoidaldir. Bundan dolayı; aenkron motor için kullanılan kontrol tratejilerinin aynıları PMSM için de kullanılabilir (Bizot vd., 2003). PMSM bir tür AC motor kabul ettiğimizde, üç çeşit kontrol metodu vardır. Bunlar; 1) Daimi mıknatılı enkron motorda Alan yönelmeli kontrol (FOC) 2) Daimi mıknatılı enkron motorda Doğrudan moment kontrol (DTC) 3) Daimi mıknatılı enkron motorda V/f kontrol Genellikle orta hızın gerekli olduğu ve yükek performanın gerekli olmadığı uygulamalar için, kolay gerçekleştirilmei ve ucuz olmaı ebebiyle V/f kontrolü daha uygundur. Hız ve momentin haa olarak kontrolünün gerektiği özellikle düşük ve ıfır hızlar için alan yönelmeli kontrol ya da doğrudan moment kontrolü tercih edilmelidir.

45 3.2 Daimi Mıknatılı Senkron Motorda Alan Yönelmeli Kontrol (FOC) 30 Bu metot; momenti, ıfır hız dahil düşük hız aralıklarında kontrol eder. Bu metodun temel özelliği; DC motorda olduğu gibi, daimi mıknatılar tarafından oluşturulan manyetik akı ile, uzay alan heabı içeriinde motorun akımını kontrol etmektir. Motorun elektrikel karakteritikleri matematikel olarak, veri denetimini kullanan mikroişlemci ile modellenir. Aynı zamanda alan yönlendirmeini yerine getirmek için, rotorun açıal poziyonu gerekir. Moment; mıknatılar ve akı tarafından oluşturulan manyetik akı onucu ile direkt olarak orantılıdır. Vektör kontrolü; yükek performan ürücüleri şekil 3.2 de bu itemin kontrol yapıı da verilmiştir, vinçler gibi bait gerilim ve düşük hız kontrol uygulamaları için en iyi eçimdir. Alan Yönelmeli Kontrol (FOC) için blok diyagramı ve kontrol yapıı aşağıda görülmektedir. Şekil 3.1 PMSM için FOC kontrolünün blok diyagramı (Bizot vd., 2003)

46 31 Şekil 3.2 Sürücü iteminin kontrol yapıı (Bizot vd., 2003) Alan Yönelmeli Kontrol (FOC) un Başlıca Özellikleri Çok genel hatlarıyla şunlar öylenebilir; Alan yönelmeli kontrol DC ürücüye benzer Motor elektrikel karakteritikleri benzerdir motor modeli Direkt olmayan moment kontrollüdür Alan Yönelmeli Kontrol (FOC) un Avantajları ve Dezavantajları Her itemde olduğu gibi burada da hem avantajlar hem de dezavantajlar vardır.bunları en genel hatlarıyla şöyle özetlenebilir; Avantajlar: İyi moment cevabı, Haa hız kontrolü, Sıfır hızda makimum moment. Dezavantajlar: Geri beleme gereklidir, V/f kontrolünden daha komplektir, Yükek maliyetlidir. 3.3 Daimi Mıknatılı Senkron Motorda Doğrudan Moment Kontrolü (DTC) Stator akımını kontrol etmek yerine, tator manyetik akıını ve momenti direkt olarak kontrol

47 32 etmek doğrudan moment kontrolünün en temel özelliğidir. Bu kontrol de, tator manyetik akı modülü ve moment için hiterezi komparatörlerin çıkışları kullanılarak ve tanımlı anahtarlama tabloundan uygun gerilim vektörü eçilerek, güç anahtarlarını direkt olarak kontrol etmek yolu ile başarılabilir. DTC kontrolünde; hiterezi kontrolörlerinden dolayı hızlı dijital inyal işleme devrei kullanılmalıdır. Doğrudan Moment Kontrollü (DTC) tip için blok diyagramı aşağıda görülmektedir. Şekil 3.3 DTC kontrolünün blok diyagramı (Luukko, 2000) Doğrudan Moment Kontrol (DTC) ün Özellikleri Genel hatlarıyla şunlar öylenebilir; Kontrol değişkenleri, mıknatılanma akıı ve motor momentidir. Poziyon enörüne gerek yoktur. Optimum anahtarlama vektörleri ile akı ve moment doğrudan kontrol edilir. Stator akım ve gerilimlerinin kontrolü dolaylıdır. Stator akımları ve akı yaklaşık olarak inüzoidaldir.

48 33 Yükek dinamik performan ve en hızlı moment cevabı elde edilir. İnverter anahtarlama frekanı, akı ile momentin hiterezi bant genişliklerine bağlıdır ve değişkendir. Moment dalgalanmaı, örnekleme ürei ve bant genişliğine bağlıdır. Hız kontrolü için tek bir PI denetleyici kullanmak yeterlidir. Akı tahmini için, diğer vektör ürücülerinde olduğu gibi gelişmiş tekniklerin kullanılmaı gereklidir Doğrudan Moment Kontrol (DTC) ün Avantajları ve Dezavantajları Her itemde olduğu gibi burada da hem avantajlar hem de dezavantajlar vardır.bunları en genel hatlarıyla şöyle özetlenebilir; Avantajlar: FOC den daha hızlı moment kontrolü, İyi hız haaiyeti, Sıfır hızda makimum moment. Dezavantajlar: Daimi mıknatılı enkron motorun orunu doğrudan moment kontrollü ürücünün anahtar dψ elemanı tator manyetik akıının heabıdır. = v dt Ri Senkron makine için, tator manyetik akıı aynı zamanda motorun akım modelini kullanarak da heaplanabilir. Fakat rotor manyetik akıı alan akımı veya tator niceliklerinden bağımız daimi mıknatılar tarafından oluşturulur ve adece rotor açıı biliniyora belirlenebilir. Rotor açıı hakkındaki bilgi gerekliliği kaçınılmazdır. Gerilim modeli genellikle yükek frekanta iyi performana dikkat eder. Bununla birlikte, tator direncinin heaplanmış değeri içeriindeki olaı hatalar, tator gerilim ve akım ölçmei içeriindeki hatalar ebebiyle yukarıdaki denklemin entegrayonu hatalı olur. Bu yüzden ya akım modeli ya da diğer bazı kararlılık metodu, yükek frekanta bile iyi performan ağlamak için kullanılır (Bizot vd., 2003). 3.4 Daimi Mıknatılı Senkron Motorda V/f Kontrolü V/f kontrolünde çok bait değişken hız uygulamaları kullanılmaktadır. V/f kontrolü düşük

49 34 maliyet ve bait bir taarıma ahiptir. V/f kontrol için blok diyagramı aşağıda görülmektedir. Şekil 3.4 V/f kontrolünün blok diyagramı V/f kontrolü ile PMSM nin ürülmei; poziyon enörü kullanılmadan yapılan açık-çevrim kontrolüdür. Bu yöntem; motorda, abit akıya ahip olmak için, çıkış frekanı ile çıkış gerilimi araındaki oranı abit tutar. V/f kontrolünün farkı, bu metodun yükek performanlı ayıal işlem gerektirmemeidir Daimi Mıknatılı Senkron Motorda V/f Kontrolün Başlıca Özellikleri Çok genel hatlarıyla şunlar öylenebilir; Kontrol değişkenleri gerilim ve frekantır, Akı, abit V/f oranı ile ağlanır, Açık-çevrim kontrollüdür, Motorun momenti yük tarafından zorlanır Daimi Mıknatılı Senkron Motorda V/f Kontrolün Avantajları ve Dezavantajları Her itemde olduğu gibi burada da hem avantajlar hem de dezavantajlar vardır. Bunları en genel hatlarıyla şöyle özetlenebilir; Avantajlar: Düşük maliyet, Geri beleme aygıtı gerektirmemei, Bait

50 35 Dezavantajlar: Moment kontrollü olmamaı, Alan yönlendirmei kullanılmamaı, Motor konumunun bilinmemei. 3.5 Kontrol Uygulamanın Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM ye Kazandırdığı Özellikler Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM ye uygulanabilen kontrol yöntemleri ile ilgili açıklamalar yukarıdaki bölümlerde yapılmıştır. Bunlardan çıkan ortak onuç; Motorun hangi metot uygulanıra uygulanın ihtiyaçları: büyük güç yoğunluğu, büyük moment-akım oranı ve iyi dinamik özellikler kazanmaıdır. Özellikle ervo motor olarak kullanılmaı halinde diğer fırçalı doğru akım ve indükiyon ervo motorlarının dinamik davranışını göterebilmektedir. Fırçaız motorlar fırçalı motorlara, özellikle doğru akım motorlarına göre, dar hız aralığında denetlenebilen ve zayıf moment özelliğine ahiptir, buna karşılık az bakım gerektiren motorlardır. Fırçalı doğru akım motoru fırça-kollektör düzeni nedeniyle yükek hızlarda ve büyük akımda çalışmada orunlu motorlardır. Fırçaız motor olarak anahtarlamalı relüktan motorları da darbeli moment üretmeleri nedeniyle, ervo motor olarak kullanılabilecek alternatif akım motorları, daimi mıknatılı ve indükiyon motorları üzerinde yoğunlaşmaktadır. Vektör kontrolünün uygulanmaı ile alternatif akım makinei olarak daimi mıknatılı ve indükiyon motorlarına, doğru akım makinei özelliği kazandırılmaktadır. Değişken hız gerektiren uygulamalarda kullanım alanı genişlemektedir. Bu açıdan bakıldığında ervo motor olarak daimi mıknatılı motor, indükiyon motoruna göre önemli avantajlar elde etmektedir. Bunlar; Küçük eylemizlik momentine ve hızlı moment cevabına ahip olmaları, yani büyük moment-eylemizlik momenti oranına ahip olmaları, Verimin büyük olmaı, Mıknatılama akımının rotordaki daimi mıknatılar ile ağlanmaı, Stator akım bileşeni olan mıknatılama akımının olmamaı nedeniyle, beleme ünitei olarak kullanılan doğrultucu ve inverterde daha küçük anma değerli yarı iletken elemanların kullanılmaı, Aynı güçler için, küçük boyutlarda, hafif ve büyük güç yoğunluğuna ahip olmaı,

51 36 Rotordaki kayıpların yok denecek kadar az olmaı, dolayııyla ayrı bir oğutma düzenine gerek götermemei olarak özetlenebilir. Bununla birlikte IM lerin de daimi mıknatılı motorlara göre, Geniş alan zayıflatma bölgeine ahip olmaı ve bu bölgede kolay denetlenebilmei, Ucuz ve karmaşık olmayan geri beleme algılayıcıları kullanılmaı, ucuz maliyetli olmaı, Yükek çalışma ıcaklıklarından etkilenmemei gibi avantajlara ahip olmaı nedeniyle, her iki motorunda uygulama alanlarındaki özelliklerin karşılaştırılmaı gerekir (Diril, 1990). 3.6 Daimi Mıknatılı Senkron Motorda FOC ve DTC Yöntemlerinin Karşılaştırılmaı Yükek performanlı AC ürücülerinde kullanılan alan yönelmeli kontrol ve doğrudan moment kontrolü yöntemlerinin prenipleri farklı olup amaçları aynıdır. Her iki yöntem de motor ve yük parametrelerinin değişimlerinden etkilenmeden, motorun moment ile akıını etkin bir şekilde ve itenen yörüngede kontrol etmeyi hedefler. FOC yönteminde motorun üç fazlı akım kaynağından belendiği kabul edilmektedir. Yükek performanlı moment kontrolü için, cevap verme üreleri hızlı olan hiterezi akım denetleyicileri kullanılır. DTC yönteminde ie; akı ve moment, inverter gerilim vektörü ile doğrudan kontrol edilir. Akı ve momentin limitlerini ağlamak üzere, uygun tator gerilim vektörünü eçen iki bağımız hiterezi denetleyici kullanılır. Her iki itemde de tahmin edilen değişkenlerin doğruluğunun kontrol performanı üzerinde önemli etkii vardır. FOC iteminde, koordinat dönüşümü için gerekli değişken ρ r rotor akıı elektrikel açııdır. Rotor akıı açıının tahmini, rotor hızının ölçülen değeri ve kayma frekanının kullanılmaını gerektirir. ρ r açıındaki bir hata ekenler araında itenmeyen bir etkileşime neden olarak FOC çalışmaını ortadan kaldırır. DTC iteminde ie, tator akıı ve motor momenti, geri belemeli kontrol için tahmin edilmei gereken değişkenlerdir. Stator akıı, tatorun akım ve gerilim uzay vektörleri kullanılarak, moment ie, tatorun akı ve akım uzay vektörleri kullanılarak heaplanır. Stator akıının doğruluğu büyük ölçüde R tator direncinin tahmin edilmeine bağlıdır. Stator akıındaki bir hata, akı ve momentin kontrol davranışını olumuz etkiler (Bakan, 2002).

52 37 Her iki itemde de hızlı moment cevabı elde edilmektedir. Moment dalgalanmaları hemen hemen aynı olur. FOC nin çalışmaı kayma frekanının tahminine, dolayııyla rotor zaman abitine bağlıdır. DTC nin çalışmaı ter elektromotor kuvvetinin integrali alınarak heaplanan tator akıının değerine bağlıdır. Düşük hızlarda çalışma durumunda, elektromotor kuvvet çok düşük olduğundan R deki küçük bir değişme çok büyük hataya ebep olur. Bu da kontrol performanının bozulmaına neden olur. FOC da heaplamalar dönen eken takımında yapılır. Bu yüzden, inü ve koinü fonkiyonları kullanılarak koordinat dönüşümü yapılmaı gerekir. DTC de ie heaplamalar abit eken takımında yapılır. Çizelge 3.1. FOC ve DTC yöntemlerinin karşılaştırılmaı Alan Yönelmeli Kontrol Doğrudan Moment Karşılaştırma (FOC) Kontrolü (DTC) Konuu Referan eken takımı Senkron hızda dönen x-y Sabit D-Q Kontrol edilen değişkenler Moment Rotor akıı Moment Stator akıı Kontrol değişkenleri Stator akımları Stator gerilim uzay vektörü Algılanan değişkenler Rotor mekanik hızı Stator gerilimleri Stator akımları Stator akımları Tahmin edilen değişkenler Regülatörler Moment kontrolü Akı kontrolü Parametre haaiyeti Gerçekleştirme zorluğu Kayma frekanı Rotor akıı poziyonu Üç fazlı akım regülatörleri (hiterezi) Stator akımları ile dolaylı kontrol Yükek cevap hızı Moment dalgalanmaı Stator akımları ile dolaylı kontrol Düşük cevap verme hızı Rotor zaman abitindeki değişimlere duyarlı Yükek eviyeli karmaşıklık Heaplamalarda trigonometrik fonkiyonlar gerekli Moment Stator akıı Moment regülatörü (hiterezi) Stator akı regülatörü (hiterezi) Doğrudan kontrol Yükek cevap hızı Moment dalgalanmaı Doğrudan kontrol Yükek cevap verme hızı Stator direncindeki değişimlere duyarlı Orta eviyeli karmaşıklık Sonuç olarak, DTC yönteminin bazı noktalarda dinamik cevap ve gerçekleştirme karmaşıklığı

53 38 gibi açılardan FOC yönteminden daha ütün olduğu düşünülebilir. Ancak uygulamanın gerçekleriyle karşılaşıldığı zaman özel durumlara da bağlı olarak, ek heaplamalar ile iyileştirmeler yapıldığında, performan ve karmaşıklık açıından hemen hemen aynı eviyeye gelirler, hatta FOC un ütünlüğünden öz edilebilir. Yukarıda da belirtildiği üzere ürücü için kontrol tiplerinin eçimi direkt olarak motorun kullanıldığı uygulamaya bağlıdır. Eğer bait yani genellikle orta ya da yükek hızın gerekli olduğu ve yükek performanın gerekli olmadığı, fanlar ya da pompalar gibi uygulamalar için, kolay gerçekleştirilmei ve ucuz olmaı ebebiyle V/f kontrolü uygundur. Hız ve momentin haa olarak kontrolünün gerektiği özellikle düşük ve ıfır hızda için, vinçler ve yükek performan ürücüleri gibi uygulamalarda, alan yönelmeli kontrol ya da doğrudan moment kontrolü eçilir. 4. DAİMİ MIKNATISLI SENKRON MOTOR VEKTOR KONTROL SİSTEMİ 4.1 Mıknatıları Motorun Üzerinde Bulunan Daimi Mıknatılı Senkron Motorlarda Vektör Kontrolü Bu motorlarda mıknatıların rotorun üzerine yerleştirildiği kabul edilmektedir, bu mıknatı doğada çok nadirdir. Manyetik doyma etkii ihmal edilmiştir ve böylece modellemeler de, daimi mıknatılar hayali, eşdeğer abit akım kaynakları gibi kabul edilebilmektedirler. Böylece, rotor üzerinde önüm algıları bulunmadığında, rotor referan eken takımında, rotor akım fazörü aşağıdaki gibi kabul edilmektedir. ı = ci = I abit (4.1) r rf rf = Mıknatılar, tator argıı A nın manyetik ekeni ile çakışan tatorun boyuna ekenine göre θr açıında bulunmaktadırlar. Rotordaki d,q referan ekeninde, daimi mıknatılardan dolayı tator argılarıyla oluşan link akı aşağıdaki gibi elde edilmektedir. ψ = L ı = L I (4.2) M m r m rf Senkron reaktan değeri küçük iken modülüne eşittir ve bu yüzdende ψ M ve mıknatılama link akıı uzay vektörünün ψ M ve mıknatılama link akı uzay vektörü araındaki açının değeri küçüktür. Bu açı yük açııdır ve δ ile ifade edilmektedir. Böylece, mıknatılama link akıının değişim oranına eşit olan, endüklenen tator mıknatılama emk ı, ürekli halde enine eken doğrultuunda bulunmaktadır.

54 39 Mıknatı link akıı ψ M birkaç bait tet uygulanarak elde edilmektedir. Stator akımları ıfır ve rotor da abit hızla dönerken, tator argılarında endüklenen emk mıknatı akıı ile orantılı olmaktadır. Böylece, mıknatı link akıı, kaynak geriliminin rotor hızına bölünmei ile elde edilmektedir. (4.2) Eşitliğini takip ederek, mıknatılama endüktanı ve mıknatı link akıının değerlerinin bilinmeiyle hayali eşdeğer rotor akımı da elde edilebilmektedir. Rotor akıı, çift kutup ayıı, mıknatı malzemenin akı yoğunluğu (NdFeB için yaklaşık 1.2T), mıknatıların radyal kalınlığı ve açıal olarak mıknatı açıının yarıının inüü ile orantılıdır. Ayrıca, mıknatı malzemenin daimi mıknatı manyetik geçirgenliği ve faz başına inüzoidal dağılımlı tator arımlarında teri ile orantılıdır. Simetrik üç faz tator argılı ve mıknatıları rotorun üzerinde bulunan daimi mıknatılı enkron makinenin elektromanyetik momenti, fizikel olarak, mıknatıların, tator mmk ekeni ile aynı hizada olmaı ve çıkıklığın bulunmamaından dolayı relüktan momenti bileşeninin almamaı eğilimine göre üretilen moment ile elde edilebilmektedir. Böylece mıknatı momenti, uyarma mmk ının doldurulduğu, tator mmk ı ve rotorun boyuna ekeni araındaki açı ile inüzoidal alarak değişmektedir. Bu durum (4.2) eşitliğine göre de görülebilmektedir ve böylece elektromanyetik moment aşağıdaki gibi elde edilmektedir. t e 3 3 = PLmI rf iq = Pψ Fiq (4.3) 2 2 Stator akımı uzay fazörünün açıı, tator argıı A nın manyetik ekenine göre a dir ve rotor referan eken takımının boyuna ekenine göre uzay açıı eşitliği aşağıdaki biçimine dönüştürülebilmektedir. a θ olduğunda (4.3) r t e 3 = Pϕ F ı in( a θ r ) (4.4) 2 Burada ı, tator akımı uzay fazörünün modülüdür. β =( a θ ), moment açııdır. r Daimi mıknatılar tarafından üretilen akının abit olduğu kabul edildiğinde elektromanyetik moment, rotor referan ekeninde ifade edilen enine eken tator akımı i q nun değiştirilmei ile değişmektedir. (4.4) eşitliğine göre, tator akımı başına makimum moment, moment açıı 90 olduğunda elde edilmektedir. Eğer enine eken tator akımı hızlı bir şekilde değiştirilebilire, hızlı bir moment cevabı elde edilebilmektedir. Bu da akım kontrollü PWM

55 40 inverterin uygulanmaı ile elde edilebilmektedir. Bu özellikle daimi mıknatılı enkron makinenin rotor yönelmeli kontrolüne (FOC) imkan ağlamaktadır Rotor Yönelmeli Kontrollü Daimi Mıknatılı Senkron Motorun Kontrol Şemaı Uyarma akıı rotor boyuna ekenine göre abitlenmiştir ve böylece poziyonu, rotor açıı θ r nin veya rotor hızı ω r nin izlenmei ile rotor milinden doğrudan elde edilebilmektedir. Uygulamada rotor hızı analog takometre ile ve rotor açıı da bir denklem çözücü ile belirlenebilmektedir. Ayrıca, rotor hızı rotor açıının bir kez türevinin alınmaı ile de elde edilebilmektedir ( ω = θ / dt). Senkron makinenin rotor hızı, tator akımı ve gerilim r d r değerlerinin izlenmei ve gerilim eşiklerinin kullanılmaı ile de elde edilebilmektedir. Güvenilir uygulamalarda, bazı üreticiler rotor hızının veya rotor açıının izlenmeinde ektra dönen cihazları gerektirmeyen enörüz uygulamaları tercih etmektedirler, fakat tator gerilim veya akımlarını izlemenin kullanılmaıyla rotor açıı veya rotor hızının doğru bir şekilde elde edilmei zor olabilmektedir. Çünkü bu bozulmuş inyallerin çok doğru bir şekilde ölçülmeini ve makine parametre değerlerinin doğru bir şekilde bilinmeini gerektirmektedir. Verilen tator akımında en büyük momenti üretmek için, en verimli uygulama, rotor referan eken takımında ifade edildiğinde adece enine eken tator akımı uzay fazörü bileşeni ( i q ) yu içeren tator akımının kontrolü ile ağlanmaktadır. Temel hız bölgeinde rotor referan ekeninde ifade edilen tator akımlarının uzay fazörü şekil 4.1 de de göterildiği gibi ı = ji q ve frenleme içinde i = jiq dur q q ı = ji q (a) Ψ M d (b) Ψ M i = ji q d Şekil 4.1 Temel hız bölgeinde optimal çalışma koşulunda tator akımı uzay fazörleri (a) motor çalışma (b) fren çalışma

56 41 Bu çalışma modu, makinenin tator argılarını beleyen inverterden yeterli gerilimin ağlanabildiği temel rotor hızından düşük hızlar içinde uygundur. Buna rağmen, temel hızın üzerindeki yükek hızlarda ancak abit güç aralığında, endüklenen emk doğrudan rotor hızı ile artmaktadır zaten uyarma akıı daimi mıknatılardan dolayı abittir ve verilen hıza ulaşıldığında, kaynak gerilimi de artan tator emk ına uygun olarak arttırılmalıdır. Artan tator kaynak gerilimi, inverterin kullandığı gerilim oranında da bir artışı gerektirmektedir. Buna rağmen verilen inverterde aşılamayan tepe gerilimi bulunmaktadır. Böylece makinenin kaynak gerilimini, inverterin tavan gerilimi ile ınırlandırmak için alan zayıflamaına gidilmelidir. Daha küçük ürücülerde, alan zayıflamaına gerek duyulmamaktadır. Fakat daha büyük ürücülerde daimi mıknatılı yapıdan dolayı, doğrudan alan zayıflamaının elde edilmei mümkün değildir. Alan zayıflamaı etkii, rotor referan ekeninde, enine eken tator akımı bileşeni i q ' ya ek olarak negatif boyuna eken bileşeni i d ' yi içeren tator akımı uzay fazörünün kontrol edilmei ile elde edilmektedir.bu temel hızın altındaki uygulamalar için kullanılan i q ' nun da yer aldığı şekil 4.2 de göterilmiştir. q i i q Ψ M d Şekil 4.2 PMSM in alan zayıflatıcıdaki uzay vektörleri(va,1990) Stator gerilimin ınırlama genliği, daimi mıknatılı enkron motorun ürekli hal tator eşitliklerinin kullanılmaı ile elde edilebilmektedir. Rotor referan ekeninde tator büyüklükleri aşağıdaki gibi yazılabilir. u dı d jθr = Rı + L + Lm ( ıre ) (4.5) dt dt (4.2) eşitliğindeki Ψ M değerinin yanı ıra tator gerilimi uzay fazörü u,

57 42 u dı d jθr = Rı + L + ( ψ M e ) (4.6) dt dt şeklinde elde edilir. Gerekli olan diferaniyel dönüşümler ile, uyarma akıı abit iken, tator gerilimi, u dı jθr = Rı + L + jωrϕ M e ) (4.7) dt Şeklinde yazılabilir. θ r = ωt ve ω =abit olduğu ürekli halde, abit referan ekeninde tator akımlarının uzay fazörü ı jωt = c1i e (4.8) aynı referan ekeninde gerilim uzay fazörü u jωt = c1u e (4.9) ve c 1 abittir (değişken almayan güçte ifadeler ile (4.7) eşitliği ürekli rejimde aşağıdaki gibi yazılabilir. c 1 = 1/ 3' tür ) ve değişken alanda ie 1/3 tür. Verilen U R I + j L I + U p = Z I + = ω U (4.10) p Burada; U p jωψ M = (4.11) c 1 Stator argıında endüklenen emk nın fazörü Z = R + jω L = R + jx (4.12) tator argıının empedanı ve X enkron reaktantır. (4.10) ve (4.11) eşitliklerinin kullanılmaı ile şekil 4.3 te göterilen iki ürekli hal fazör diyagramı elde edilmektedir.

58 43 a) b) Şekil 4.3 Daimi mıknatılı enkron motorda ürekli hal fazör diyagramları (a) temel hızın altındaki çalışma (b) temel hızın ütündeki çalışma Şekil 4.3 a da göterilen şekil boyuna eken tator akımı bileşeninin olmadığı ( I = 0) d ürekli hal fazör diyagramına karşılık gelmektedir, böylece alınarak gerilimi, I = ji ' dur. Bu ifade dikkate q U = R + j L ) ji q + ( ω U (4.13) P şeklinde elde edilir.

59 Bu ifade, temel hızın altındaki abit moment bölgeinde uygulamalar içindir. U P ve 44 U araındaki açı yük açııdır ve bu koşulda tator akımının yer değiştirme açıı (φ ) ile uyuşmaktadır. Şekil 4.3(b) deki fazörler temel hızın ütündeki bu uygulama abit çıkış gücü bölgeinde ve I d 0 ( I d < 0) olduğu tator akımları için göterilmektedir. Bu durumda U gerilimi, U ( R + jω L ) ji q + U P + ( R + jωl ) = ji (4.14) d Şeklinde yazılır. Şekil 4.3(b), minimum tator gerilimi ( U min ) e karşı gelen koşul için ve Şekil 4.3 b ye göre minimum tator gerilimi eşit olan d ekeni boyunca gerilim düşümüne karşılık gelen enine ekendeki gerilim fazörüne ayarlandığında elde edilmektedir. Alan zayıflama bölgeindeki temel hızın ütündeki hızlara erişilmeinde gerekli boyuna eken tator akımı bileşeninin elde edilmeinde şekil 4.3 ün kullanılmaı mümkün olmaktadır. Şu da belirtilmelidir ki d ekeni boyuna ektra akımdan dolayı tator akımları inverter tarafından ınırlandırılırken buna karşılık gelen küçük bir moment ağlayan makimum enine eken tator akımında bir düşüş elde edilmektedir. Diğer bir deyişle rotor hızı arttığında, moment açıı alan zayıflamanın araçlarına uygun olarak artmaktadır ve böylece tator akımı başına moment azalmaktadır. Artan tator akımlarından dolayı, bakır kayıpları artabilecek ve ürücünün verimi azalabilecektir. Buna rağmen alan zayıflamaı, hafif yüklerde kıa üreli geçici hol cevaplarını kııtlamaktadır. Makimum hız, inverterin akımının azalmaı ile ağlanmaktadır. Hafif yükte yükek hızlı uygulama ve mıknatılığı giderici tator akımı bileşeninin yükek değerlerini elde etmek mümkün olmaktadır. Buna rağmen uygulamada, makimum hız genellikle temel hızın iki katını aşmamaktadır. Yukarıda belirtilen eşitliklerden ve vektör diyagramlarından daimi mıknatılı enkron motor ile alan zayıflamaının derecei makinenin enkron reaktanına bağlıdır. Mıknatıları motorun yüzeyinde olan motorlarda, hava aralığı geniş kabul edilmektedir. Böylece enkron reaktan küçüktür ve alan zayıflama aralığı ınırlıdır Kutupal Koordinatlarda Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM in Rotor Yönelmeli Kontrolü (FOC) PMSM in Rotor Yönelmeli Kontrolü (FOC) kutupal koordinatlarındaki blok diyagramı şekil

60 45 4.4`de göterilmiştir. Kontrol yapıında, kutupal biçime dönüştürmei ve bir mikroişlemci kullanılmaı, uygulama için kartezyen biçimini kullanmaya algoritmik ebeplerden dolayı birçok avantaja ahiptir. Stator akımlarının toplamı ıfır iken, adece iki tator akımı i a (t) ve i b (t) nin izlenmei yeterlidir. Mikroişlemci kullanılarak, akımlar ayıal biçimlere bir A/D dönüştürücü kullanarak dönüştürülebilirler. Kutupal dönüşüm kullanılarak, tator akımı uzay fazörünün faz açıı ( α ) ve modülü ı şekil 4.4 de göterildiği gibi abit referan eken takımındaki ifadeleri elde edilmektedir. 3 2 ile göterilen blok üç faz akımlarının, enine faz akımı bileşenlerine dönüşümünü ifade etmektedir. Rotor hızı ω r ölçülmektedir ve rotor açıı θ r açıal hızın türevi alınarak (1/p) elde edilmektedir. Rotor yönelmeli kontrol rotor poziyon bilgiinin doğru bir şekilde bilinmeine dayanmaktadır bu yüzden de rotor poziyon bilgiinin doğru bir şekilde bilinmei çok önemlidir. Rotor açıı, rotor referan ekeninde tator akımı uzay fazörü açıı olan β = α θ r nin elde edilmei için α açıından çıkartılmaktadır. Bu açının inüü bir fonkiyon generatörü kullanılarak elde edilmektedir ve daha onra da tator akımı uzay fazörünün modülü ile çarpılmaktadır ve böylece enine eken tator akımı bileşeni (i q ) elde edilmektedir. Bu değer de uyarma akıı ( ψ M ) ile çarpılmaktadır ve elektromanyetik momentin (t e ) ani değerinin inyali elde edilebilmektedir.

61 46 Şekil 4.4 Kutupal koordinatları kullanan rotor yönelmeli kontrollü daimi mıknatılı enkron motorun blok diyagramı

62 47 Rotor açıının referan değeri ve ölçülen rotor açıı araındaki fark, rotor poziyon kontrolörü olan bir orantılı (P) kontrolörünün giriş inyalidir. Bu kontrolörün çıkışı da rotor hızı referan değeridir. Bu değer ile ölçülen gerçek rotor hızı araındaki fark ie bir (PI) kontrolör olan hız kontrolörünün girişidir ve çıkış da moment referan inyali olmaktadır. Elektromanyetik momentin gerçek değeri (t e ), referan değeri (t eref ) den çıkartılmaktadır ve bu da bir PI kontrolör olan moment kontrolörünün giriş inyalidir. Moment kontrolörünün çıkışı, tatör akımı uzay fazörünün referan değerinin modülüdür fakat şekil 4.4 de göterdiği gibi +1 veya 1 ile çarpılmaktadır. Rotor referan ekeninde, tator akımı uzay fazörünün faz açıı ve modülünün referan değerleri ıraıyla ı ve α θ ) dir ve bunlar üç inyal ref ( ref r generatörünün, rotor hızı ω r için inyalin ve moment kontrolörünün çıkışının kullanılmaı ile elde edilmektedirler. ± ı ref inyali, ı ref in mutlak değerini alan fonkiyon generatörüne belenmektedir. α θ ) açıı moment kontrolöründen pozitif veya negatif çıkışa karşılık ( ref r pozitif veya negatif olmalıdır. Bu yüzden de bir işaret fonkiyon generatörü kullanılmaktadır. Böylece moment kontrolünün çıkışı + ıref olduğunda, işaret fonkiyon generatörün çıkışı +1 ve - ı ref olduğunda da işaret fonkiyon generatörün çıkışı 1 olmaktadır. Daha onra ie ± 1 faktörü, dördüncü bir fonkiyon generatöründen elde edilen başka bir faktör ile çarpılmaktadır. Bu, alan zayıflama için negatif bir i d bileşeni ile tator akım fazörünü elde etmek için rotor hızı temel hız ( ω b ) den daha az ie π/2 ye ve rotor hızı temel hızdan daha büyük ie π/2 den daha büyük bir faktöre eşittir. Rotor referan ekeninde, gerçek rotor açıı (θ r ) tator akımı uzay fazörü açıının referan değerinden çıkartılmakta ve böylece abit referan ekeninde tator akımı uzay fazörünün açıı α ref elde edilmektedir. P R dönüştürücünün çıkışları, üç faz tator akım referanları i * aref, * i bref ve * i cref e dönüştürülen, iki eken tator akımlarının * i Qref ve * i Dref in referanlarıdır. Üç faz referan akımları, daimi mıknatılı enkron motoru beleyen inverterin girişleridir. * i Qref ve * i Dref, kontrol çevrimlerin zaman gecikmei (T 0) iken elde edilen iki eken tator akımlarının referan değerleridir. Benzer şekilde T 0 iken tator akımlarının referan değerleridir. * i aref, * i bref ve * i cref de

63 Kartezyen Koordinatlarda Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM Rotor Alan Yönelmeli Kontrolü (FOC) PMSM in Rotor Yönelmeli Kontrolü (FOC) kartezyen koordinatlarındaki blok diyagramı şekil 4.5`de göterilmiştir. Makinenin tator akımları, akım kontrollü PWM inverter kullanılarak hızlı akım çevrimlerinden etkilenmişlerdir. Sıfır bileşen tator akımları bulunmadığında adece iki tator akımı i A (t) ve i B (t) ölçülmektedir. Bu akımlar, abit referan ekeninde, tator akımı uzay fazörünün reel ve imajiner eken bileşenleri olan, enine ve boyuna eken tator akımı bileşenleri i D (t), (t) i Q ye dönüştürülmektedirler. Rotor hızı ölçülmektedir ve rotor açıı türevi alınarak elde edilmektedir. Rotor açıı, abit referan ekenindeki tator akımlarının uzay fazörlerine dönüştürmede de kullanılmaktadır jθ r [ ı = ı e = i + ji ] d q ve böylece akım bileşenleri i d ve i q elde edilmektedir. Uyarma akıı ( ψ F ), rotor referan ekeninde ifade edilen enine eken tator akımı bileşeni iq ile çarpılmaktadır ve böylece elektromanyetik moment (t e ) elde edilmektedir. Sınır tator gerilimi (U max ) ve gerçek tator gerilimleri ( U ) in tepe değeri araındaki fark, rotor d ekeninde tator akımının referan değeri (i dref ) olan alan zayıflama kontrolünün girişidir. Rotor q ekeninde (i qref ) tator akımı referanı, girişi referan moment (t eref ) ve gerçek moment (t e ) araındaki fark olan, PI kontrolünün çıkışından elde edilmektedir. Moment referanı çıkışı, referan rotor hızı ( ω ref ) ve gerçek rotor hızı ω ) araındaki fark olan ve bir PI kontrolör olan rotor hız kontrolünün çıkışından elde edilmektedir. Rotor hızının referan değeri, girişi rotor açıı referanı ve gerçek rotor açıı araındaki fark olan rotor poziyon kontrolünün uygulanmaı ile elde edilmektedir. Şekil 4.5 de göterilen fonkiyon generatörü, i max tator akımlarını ınırlandırma değeri ie, i q nun düşebilmeini ağlamaktadır ve bu durum; (i 2 d+i 2 q) 1/2 <i max (4.15) ( r kullanılarak yapılabilmektedir ve böylece fonkiyon generatörü (i 2 max-i 2 q) 1/2 uygulamaktadır. işlemini Makineyi beleyen PWM inverter akım kontrollüdür ve akım kontrolörleri akım kontrol çevriminde zaman gecikmei yoka, akım komutlarındaki ani değişikliklere tepki vermektedirler. Stator akımı uzay fazörünün referan değeri (i Dref +ji Qref ), akım kontrol

64 49 çevrimlerindeki zaman gecikmelerinden dolayı gerçek tator akımı uzay fazörü ( i = i D +ji Q ) değeri eşit olmadığında, akım kontrol çevrimlerindeki zaman gecikmei değeri T uzay fazörü eşitliğinde aşağıdaki gibi yazılabilir; dı = ı (4.16) dt ı ref T + di = id (4.17) dt D i Dref T + diq i Qref = T + iq (4.18) dt Şekil 4.5 Kartezyen koordinatları kullanan rotor yönelmeli kontrollü daimi mıknatılı enkron motorun blok diyagramı

65 50 Rotor yönelmeli kontrolün düzgün bir şekilde çalışabilmei için zaman gecikmei ola bile tator akımı bileşenlerinin düzgün bir biçimde ayrılmaı gereklidir. Bu durumda bloğunun önüne, 1+ ω T ektra bloğu Şekil 4.5 de göterildiği gibi eklenmelidir. j 1 j r e θ T=0 olduğu yani gecikme olmadığı zaman, abit referan ekeninde, tator akım uzay fazörlerinin referan ve gerçek değerleri araındaki ilişki ı = ı ref dir ve tabiki benzer bir ilişki rotor referan ekeninde de geçerli olmalıdır, jθr ı = ı ve ı = ı e ve ref jθr ref = ıref e dir. ı Şekil 4.6 Kontrolör gecikmeinin etkileri Buna rağmen, gecikme olduğunda, tator akımı uzay fazörünün abit olduğu ı = abit ürekli halde, rotor referan ekeninde referan tator akım fazörü ( ı ref ),büyüklüğü ı in büyüklüğü ile eşit, γ = T olduğu γ açıı ile yeni bir poziyona yer değiştirecektir. Bu durumda, ω 1 ref ı = ı jγ ref e = jω1t ıref e = ı ref (coω T + j inω1 1 T ) ( 1+ j ω T 1 ) (4.19) ı ref şeklinde yazılabilir. Böylece şekil 4.5 de e jθr bloğunun önünde i ref ( * i dref, * i qref ) in

66 51 çıkışları iki eken bileşenlerinin çıkışları ve girişleri i ref ( i * dref, i * qref ) in iki eken bileşenlerinin girişleri olan ( 1+ jω1t ) bloğu eklenmelidir.böylece, iki ekenli biçim de, gecikme kompanzayonunu ifade eden eşitlikler aşağıdaki gibi yazılabilir. ı ref = dref ω Tiqref (4.20) ı 1 ı = qref + ω Tidref (4.21) ref ı 1 Gecikme kompanzayonu için dönüşümü, j r e θ ile de birleştirmek mümkün olmaktadır. Böylece karma bir dönüşüm elde edilebilmektedir j r e θ e jγ = yükek hızlarda, akım kontrol çevrimlerinin gecikmei artırılabilir. e j( θ + γ ) r. Sonuç olarak daha 4.2 Mıknatıları Rotorun İçinde Bulunan Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM Vektör Kontrolü Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorlar yükek hızlı uygulamalara imkan vermektedirler.bu makinelerde efektif hava aralığı küçüktür ve bu nedenle de endüvi reakiyonu etkii önemlidir. Bu durum, enkron makinenin abit moment bölgeinde kontrolüne imkan vermektedir alan zayıflamalı kontrolde abit güç bölgeinde olduğu gibi. Bundan başka, mıknatılı rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorda, enine eken tator endüktanı (L q ), boyuna eken tator endüktanı (L d ) den daha küçüktür ve bu da elektrikel uyartımlı çıkık kutuplu enkron makinelerden farkını açıkça götermektedir. Pratikte 5 den büyük değer de L q /L d endüktan oranları görülebilmektedir. İnverter belemeli makinelerde kullanılanların dışında, daimi mıknatılı enkron motor için daha düşük anahtarlama frekanlarının kullanılmaına izin veren ektra bir endüktan yararlı olabilmektedir. L q >L d İlişkii elektromanyetik moment üretiminde ve daimi mıknatılı enkron motorda uyarma akıı gerekinimlerinde doğrudan bir etkiye ahiptir. Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron makine daha ekonomik bir makine taarımına izin vermektedir. Bu durumun ebebi, mıknatıları rotorun üzerinde bulunan daimi mıknatılı enkron makineye zıt bir şekilde, elektromanyetik momentin aşağıdaki eşitliğe göre mıknatı akıı ve enine eken tator akımının yanında iki bileşene daha ahip olmaıdır. 3 t e = P[ ψ i ( L L ) i i ] 2 M q q d d q (4.22)

67 52 Bu bileşenlerden biri mıknatı akıı ve enine eken tator akımının etkileşimidir, bir diğeri ie iki ekendeki tator endüktanlarının farkı ile orantılı olan özde relüktan momenti bileşenidir. Rotoru mıknatıların içinde bulunan daimi mıknatılı enkron makinede, rotor mıknatıları eklendiğinde ve iki eken tator akımları ile mmk bileşenleri oluşturulduğunda, manyetik çıkıklıktan dolayı, onuç mmk dağılımı, lineer manyetik koşullarda olduğunda dahi noninüzoidal olacaktır. Lineer manyetik koşullar altında, akı yoğunluğu dağılımı onucu, daimi mıknatılar tarafından oluşturulan (B m ) ve tator akımlarının enine ve boyuna eken bileşenleri ile oluşturulan (B d, B q ) akı yoğunluğu dağılımlarının toplamına eşittir. Bu dağılım bileşenleri, onuçtaki akı dağılımı ile beraber Şekil 4.7 de göterilmektedir. Şekil 4.7 Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorda onuç ve bileşen akı yoğunluğu dağılımları Rotor boyuna ekeni boyunca daha yükek manyetik geçirgenlikten dolayı, çelik kutup parçalarının kenarlarında yükek akı yoğunlukları oluşabilmektedir. Bu yüzden, bu kutupların önde gelen kenarlarının terindeki tator dişleri, uyarma akımının artan eviyeinden dolayı doyma eğilimindedirler. Verilen tator akımları için, tator dişlerinin bu parçalarındaki doyma çevre etrafındaki hava aralığı akı yoğunluğu dağılımının temel bileşeninin şiddetini azaltmaktadır ve bu temel bileşenin yönünü, rotor kutup merkezi yönünde değiştirmektedir. Stator terminallerinden bakıldığında, hava aralığı akıındaki bu azalma, özellikle q ekeni

68 53 boyunca tator endüktanlarındaki bir azalma gibi gözükmektedir. Bu yüzden, uygulanan terminal geriliminde, makinenin makimum moment kapaitei, manyetik doyma etkilerinin ihmal edildiği makinenin lineer mod uygulamaındakinden daha büyük olacaktır. Mıknatıları rotorun üzerinde bulunan daimi mıknatılı enkron makine için kullanılan genel kabuller bu makine içinde temelde aynıdır. Buna rağmen, manyetik doyma etkileri ihmal edildiğinde, enine ve boyuna eken araında, fizikel çıkıklıktan ve temel akıdaki doymanın etkilerinden dolayı bir enine kuplaj oluşacaktır. Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron makine de akı yoğunluğu dağılımı noninüzoidal iken, düzgün bir elektromanyetik moment üretmenin en uygun yolu, rotor yüzeyine göre uzayda abit ve enkron dönen bir tator akımı mmk dağılımı üretmektedir. Bu durum, inüzoidal dağılımlı tator argıları düşünüldüğünde üç faz imetrik tator akımlarını gerektirmektedir. (4.22) eşitliğinde önüm argılarının bulunmadığı durumda, mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron makinede üretilen elektromanyetik moment aşağıdaki gibi elde edilmektedir. t e 3 3 = P( ψ diq ψ qid ) = Pψ iy (4.23) 2 2 Ψ d ve Ψ q, rotorun enine ve boyuna ekenlerindeki tator akı linkleridir, mıknatı akıı da aşağıdaki gibi elde edilmektedir. ψ = L i + ψ (4.24) d d d M ψ = L i (4.25) q q q 4.23 de göterilen denklemden tator akıı modülü aşağıdaki gibi elde edilir; ψ = ψ + ψ (4.26) 2 d 2 q i y, tator link akıı uzay fazörü ( ψ ) in hızında dönen, (x,y) özel referan ekenindeki tator akımlarının enine eken bileşenleridir. Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron makinenin ürekli hal fazör diyagramı Şekil 4.8 de göterilmektedir.

69 54 Şekil 4.8 Mıknatıları rotorun içinde bulunan enkron makinenin ürekli hal fazör diyagramı Özel (x,y) referan ekeninde, tator akımı uzay fazörlerinin her iki bileşeni ıraı ile i x ve i y alt indileri ile göterilmektedir. Şekil 4.8 kullanılarak, elektromanyetik momentin, enine eken tator akımı bileşeni ile orantılı olduğu görülebilmektedir. Şekil 4.8 den aşağıdaki gibi yazılabilir. in δ ve coδ ψ inδ = ψ q ψ d coδ = ψ (4.27) (4.27) eşitliğinin (4.23) eşitliği ile birleştirilmeiyle elektromanyetik moment aşağıdaki gibi elde edilmektedir. t e 3 3 = Pψ ( iq coδ id inδ ) = Pψ iy (4.28) 2 2 Şekil 4.8 den anlaşılacağı gibi aşağıdaki denklemler elde edilmektedir.

70 55 i x j( θr + δ ) j( θr + δ ) + jiy = ıe = ( id + jiq ) e = ( id + jiq ) e jδ (4.29) (4.29) eşitliğinden, özel ve rotor referan ekenlerinin tator akımı bileşenleri araındaki dönüşüm aşağıdaki gibi elde edilmektedir. i i x y = i d = i coδ + i d q inδ + i inδ q coδ (4.30) Kartezyen Koordinatlarda Mıknatıları Rotorun İçinde Bulunan Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM Stator Akı Yönelmeli Kontrolün Uygulanmaı Akım kontrollü bir PWM inverter, mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron makinenin ani akımlarında gerekli olan kontrolü ağlayabilmektedir. Şekil 4.9 Vektör kontrollü mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motor ürücüünün baitleştirilmiş bir şemaı Şekil 4.9 de, üç faz bir doğrultucu filtre kapaitörü C F boyunca bir DC gerilimi üretmektedir. DC gerilim, mıknatıları rotorun içinde bulunan makineyi beleyen akım kontrollü PWM inverteri belemektedir. Şekil 4.9 de göterilen inverter, altı anahtarlama elemanına ahip bir üç faz inverterdir. Her tranitör, makinenin reaktif tator akımları için irkülayon yolları ağlamak üzere paralel bir diyot ile birleştirilmektedir. Stator akımları ölçülmektedir ve ıfır bileşen akımları bulunmadığında tator akımlarının iki fazının ölçülmei yeterli olmaktadır. Makine mili, ürücü kontrol itemine rotor açıı (θ r ) bilgiini ağlayan bir rotor poziyon enkoderine bağlanmıştır. İnverter /motor kontrolü,

71 56 elektromanyetik moment inyalinin referan değerini (t eref ) almaktadır ve rotor poziyonu ve akım geri beleme inyallerinin kullanılmaı ile, tranitör tabanlı ürücü inyallerini oluşturmaktadır. Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron makinenin inüzoidal uyartımı, rotor poziyonu ile inüzoidal referanları düzgün bir şekilde enkronize edebilmek için rotor açıı geri belemeini gerektirmektedir. Baitleştirmek için, ürücü iteminin birinci uygulamaında, ürücü temel hızın altında, abit moment durumunda çalıştığı düşünülmektedir. Sabit moment bölgeinde, tator akıı ile hız abittir ve inverter akım kontrollü PWM inverterdir. Stator akıı, mıknatılayan veya mıknatılamayı gideren reaktif tator akımları ile kontrol edilebilmektedir. Sürücünün abit güç çalışma bölgeine girdiği düşünüldüğünde, göz önünde bulundurulmaı gereken bazı özel durumlar oluşmaktadır. Yükek hızlarda, ürücünün moment/hız karakteritiğini ınırlandırmada DC kaynak gerilimi orulumu olmaktadır. Bu ınırlama, herhangi enine ve boyuna eken akımında, tator gerilimi uzay fazörünün genliğinin yaklaşık olarak rotor hızı ile orantılı olduğu göz önünde bulundurularak açıklanabilmektedir. Hız arttığında, onuç olarak oluşan fazlar araı terminal gerilimleri DC gerilime yaklaşmaktadır ve bu da tator akımlarının referan değerlerini ıfıra düşürmeye zorlayan gerilimdir. Bu koşullar altında, yükek hızlarda, inverter doymaktadır, faz gerilimi dalga şekillerindeki darbeler azalmaktadır, akım kontrolü kaybolmaktadır ve inverter, abit genlikte, kare dalga gerilimler üretmektedir. Sabit güç bölgeinde rotorun hızının artmaıyla, tator akıı bu duruma ter olarak azalmaktadır ve motor mıknatı akıı ( Ψ M ) i düşürmek üzere mıknatılığı giderici reaktif akımları gerektirmektedir.inverterin doyumu ile enkron motorun kontrolü akım ile kontrolden gerilim ile kontrole doğru bir değişikliği gerektirmektedir. PWM ve kare dalga modlar araındaki geçiş hızlı ve ürücü çalışmaının her koşulu altında düzgün bir şekilde gerçekleşmek zorundadır. (4.23) eşitliğinden, mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron makinenin moment kontrolü, bağımız olarak uyartılan bir DC makinenin moment kontrolü ile benzer performanı göterebilmektedir. Sabit moment bölgeinde temel hızın altındaki moment, enine eken tator akımı i y nin kontrol edilmei ile kontrol edilebilmektedir. Ayrıca tator akıında, boyuna eken tator akımı i x kontrol ederek kontrol etmek mümkün olabilmektedir. Şekil 4.10 da göterilen abit moment bölgeinde, mıknatıları rotorun içinde bulunan enkron makinede moment kontrolü blok diyagramı, tator akıı yönelmeli kontrolü kullanmaktadır.

72 57 İnverter akım kontrollüdür. Sürücü itemi dış bir moment kontrol çevrimi ile taarlanmıştır fakat hız ve poziyon kontrol çevrimlerinin eklenmei de mümkün olabilmektedir. Şekil 4.10 da, referan moment (t eref ) ve gerçek moment araındaki fark bir PI kontrolör olan moment kontrolörünün girişidir. Çıkışı ie moment üreten tator akımı bileşeni (i y ) nin referan değerini vermektedir. Akı üreten tator akımı bileşeninin referan değeri (i yref ) fonkiyon generatörü FG2 boyunca i yref den üretilmektedir. Stator link akıı modülünün referan değeri ψ ref, fonkiyon generatörü FG1 in kullanılmaı ile elde edilmektedir. Bu, ürücünün verimini geliştirmek üzere demir kayıplarını optimize edilmeidir. Şekil 4.10 fonkiyon generatörü FG1 tarafından uygulanan nonlineer karakteritikleri götermektedir. 1 noktaı ıfır elektromanyetik momentine karşılık gelmektedir, bu noktada tator akıı, mıknatı akıı ( Ψ F ) e eşittir ve bu nedenle de yük açıının değeri ıfırdır. 2 noktaı moment ile orantılı tator akıına karşılık gelmektedir. Sürücü itemi, makine parametrelerinin değişiminden dolayı akı yönelişini önlemek üzere akı kontrol çevrimini de içermektedir. Referan tator akıı ψ ref ve tator akıı ψ in modülünün gerçek değeri araındaki fark, bir PI kontrolör olan tator akıı kontrolörünün girişi olmaktadır. Çıkışı ie i xref dir. Akı kontrolörünün çıkış inyali, girişi i yref olan fonkiyon generatörü FG2 nin çıkış inyaline eklenmektedir. FG2 nin görevi, Şekil 4.10 da göterilen fazör diyagram göz önünde bulundurularak anlaşılabilmektedir. Sabit moment bölgeinde, elektromanyetik moment i y ile kontrol edilebilmekte ve ϕ ref FG1 tarafından belirlenen değerde devam ettirilebilmektedir. Şekil 4.10 da, tator link akıı uzay fazörünün, abit moment bölgeinde elektromanyetik moment ıfırdan orantılı değerine yükelirken oluşan geometrik yeri götermektedir. 1 noktaında t e =0, i x =i y =0 ve ψ dir. Elektromanyetik moment arttığında, ψ de artmaktadır fakat i x ve i y, t e, orantılı değerine eşit olana kadar artmaktadır. Fonkiyon generatörü FG2, Şekil 4.12 de göterilen i xref ve i yref araındaki ilişkiyi belirlemektedir. Elektrikel uyartımlı enkron makinede, ψ alan akımı ile kontrol edilmektedir ve bu yüzden makine her zaman 1 güç faktörü değerinde işletilebilmektedir. Buna rağmen mıknatıları rotorun içinde olan daimi mıknatılı enkron makinede ψ, geciken tator akımı bileşeni i x ile kontrol edilmektedir ve bu nedenle makine 1 den daha düşük bir güç faktörü değerinde

73 58 işletilmektedir. Şekil 4.10 Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorun tator akıı yönelmeli kontrolünün blok diyagramı Ψ ref Ψ 2 1 ΨF te teref Şekil 4.11 Fonkiyon jeneratörü FG1 tarafından uygulanan karakteritikler Sabit güç bölgeinin ve abit moment bölgeinin araındaki ınır da, inverterin doymada olmaının bir onucu olarak, i x ve i y nin kontrolü kaybedilmektedir. İ xref ve i yref referan inyalleri, kımen doymada olan inverterde efektif bir vektör kontrole

74 59 imkan veren, akım kontrol çevirimleri ile ağlanmaktadır ve PWM ve kare dalga modları araında düzgün bir geçişe yardım eden bir abit güç bölgei bulunmaktadır. PI kontrolör olan iki akım kontrolörünün girişleri ıraı ile i yref - i y ve i xref - i x olmaktadır. Temel hızın altında, bu akım çevrimlerinin çalışmaı gerekiz olmaktadır. Bu kontrolörlerin çıkış akımları j( δ ) i, i ), komplek dönüşüm ( e θ + r ) ı içeren bloğu belemektedirler. ( xref yref Bu dönüşüm, Şekil 4.8 da göterildiği gibi, i xref i ϕ ile ve i yref i ie U ile aynı hizaya getirmek için kullanılmaktadır. Bu gerekli olan dönüşüm aşağıdaki gibi elde edilebilir. r + = + j( θ +δ ) i D jiq ( ix jiy ) e (4.31) i xref i yref Şekil 4.12 FG2 ile açıklanan karakteritik reel ve imajiner eken bileşenlerini veren eşitlik aşağıdaki gibi elde edilebilir. i i D Q = i = i x x co( θ + δ ) i in( θ + δ ) i r r y y in( θ + δ ) r co( θ + δ ) r (4.32) Ve dönüşüm için gerekli olan birim vektör inyalleri aşağıdaki gibi elde edilebilir.

75 60 co( θ + δ ) = coθ inδ inθ inδ in( θ + δ ) = inθ coδ coθ inδ r r r r r r (4.33) Üç faz referan tator akımları, ikiden üç faza dönüştürme uygulamaı ile abit eken tator referan akımları i D ve i Q den elde edilir. Referan akımları daha öncede açıklandığı gibi inverter girişleridir. Gerçek üç faz tator akımları akımlarının yokluğunda adece ikiinin ölçülmei gereklidir. ölçülmektedir fakat ıfır bileşen Stator akımlarının ölçülen değerleri kullanılarak elektromanyetik moment (t e ), yük açıı (δ ), tator akıının modülü ( ψ ) ve iki eken tator akım bileşenleri i x ve i y bulunabilmektedir Mıknatıları Rotorun İçinde Bulunan Daimi Mıknatılı Senkron Motor PMSM Rotor Yönelmeli Kontrolün Uygulanmaı Özel referan ekeni boyuna ekeninin, mıknatı ile aynı hizaya getirildiği kabul edilmektedir ve rotor referan ekeninde ifade edilen tator akımları (i d ve i q ) momenti kontrol etmek üzere kontrol edilmektedir. Şekil 4.13, abit moment bölgei için uygulamanın blok diyagramını götermektedir. Stator akımları i d ve i q, tator amper başına momentin makimum olduğu durumda bir açık çevrim ile kontrol edilmektedir. Şekil 4.13 deki referan moment FG1 ve FG2 fonkiyon generatörleri girişine hizmet etmektedir. Manyetik doyma etkileri ihmal edilire, FG1 moment ve boyuna eken tator akımı bileşeni i d araındaki ilişkiyi ve FG2 ie tator akımı başına makimum moment için moment ve enine eken tator akımı bileşeni i q araındaki ilişkiyi vermektedir. Daimi mıknatılı bir makinede optimal verim, elektrikel kayıpları minimuma indiren optimal bir gerilimin uygulanmaı ile elde edilmektedir. Demir kayıplarının olmadığı enkron motordada, tator amper başına makimum moment de işletilen bir makine optimal olarak verimlidir. Böyle bir çalışma bakır, inverter ve doğrultucu kayıplarının da azalmaına yol açmaktadır.

76 61 Şekil 4.13 Mıknatıları rotorun içinde bulunan daimi mıknatılı enkron motorda momentin kontrolü

77 62 5. FİLTRELER 5.1 Giriş Gelişen elektrik elektronik teknolojii, elektrik teilerine, büyük yararlar ağlamakla beraber yeni tei ve yöntemlerin şebekeye ve diğer tüketicilere yaptığı olumuz etkiler de artmaktadır. Olumuz etkiler genelde; gerilim dalgalanmaları, imetriizlik ve harmoniklerdir. Genelde, heaplamalar elektrik şebekeinde üretilen gerilimin inüzoidal olduğu kabul edilmektedir. İletim ve dağıtım hattı ile yükler, gerilimin dalga şeklinin af inü şeklinden apmaına yol açarlar. Gerilim dalga şeklindeki bozulmanın en önemli nedeni, uç gerilimi ve akımı araında bağıntıı lineer olmayan yüklerdir. Bu tür nonlineer yükler temel frekanlı aktif ve reaktif güç tüketen harmonik frekanlı akımlar üreten tüketiciler olarak kabul edilirler. Bu tüketicilerin ürettiği harmonik frekanlı akımlar devrelerini şebeke ve civar tüketiciler üzerinden kapatarak harmonik frekanlı gerilimler meydana getirirler. Bu gerilimler ie başlangıçta af inü kabul edilen gerilimin dalga şeklini bozarlar. Günümüzde ie gelişen güç teknolojii harmoniklerin artmaına yol açmıştır. Diyotlar, tranitörlü devreler, tritörlü devreler ve konvertörler gibi eleman ve itemler başlıca harmonik oluşum ebepleridir. Sanayide kullanılan ve harmonik üreten aygıtlara ek olarak elektrik makinelerinin ve cihazların taarım ilkelerindeki değişikliklerde şebekedeki harmoniklerin artmaına yol açmıştır. Elektrikli aygıtlara en büyük zararı, değeri 5kHz den küçük olan harmoniklerin verdiği kabul edilmektedir. Bugün güç elektroniğinde meydana gelen gelişmeler harmoniklerin heabı ve tüketicilerde meydana getirdikleri zararların artık kabul edilemez boyutlara vardığını götermektedir. Bu nedenle yeni kurulacak, taarımı yapılacak itemlerde ve heaplamalarda harmonikler göz önüne alınmalıdır. 5.2 Genel Olarak Harmonik Kaynakları Harmonik oluşturucu etkenler iki grupta incelenebilir: Klaik harmonik kaynakları Elektrik makinelerindeki diş ve olukların meydana getirdiği harmonikler Çıkık kutuplu enkron makinelerde hava aralığındaki relüktan değişiminin

78 63 oluşturduğu harmonikler Senkron makinelerde ani yük değişimlerinin manyetik akım dalga şeklindeki bozulmalar Senkron makinelerin hava aralığı döner alanının harmonikleri Doyma bölgeinde çalışan tranformatörlerin mıknatılanma akımları Şebekedeki nonlineer yükler, doğrultucular, eviriciler kaynak makineleri, ark fırınları, gerilim regülatörleri, frekan çeviricileri vb. Modern harmonik kaynakları Motor hız kontrol düzenleri Doğru akım ile enerji nakli Statik VAR generatörleri Keintiiz güç kaynakları Direkt frekan çeviricii ile belenen momenti büyük,hızı küçük motorlar Elektrikli taşıtların yaygınlaşmaı ve bunların akü-şarj devrelerine etkileri Enerji taarrufu amacı ile kullanılan aygıt ve kullanılan yöntemler 5.3 Harmoniklerin Etkileri Kondanatör gruplarında tahribat dolayııyla aşırı gerilim meydana gelmei ve dielektrik delinmei akımın çok büyümei dolayııyla aşırı yükleme şeklinde tahribat, güç hatlarında otomatik kontrol yapan elemanlarda karışmalar, aenkron ve enkron motorlarda aşırı kayıplar ve ıınma, aşırı gerilimler nedeniyle yalıtkan kablolarda delinme, telekominikayon itemleri ile karışmalar, endükiyon metrelerinde ölçme hataları, yarı iletkenli ve mikro işlemci itemlerde ve büyük motor kontrol devrelerinde karışmalar, enkron ve aenkron makinelerde mekanik alınımlar, ateşleme anları gerilimin ıfırına göre ayarlanmış ıfır gerilim şalterli devrelerde kararız çalışmalardır.

79 Filtre Çeşitleri Filtreler, girişten çıkışa geçen harmonikleri azaltmayı amaçlar. Kullanıldığı önemli ahalar: Bir doğrultucudan belenen yükün gerilim dalgaını düzeltmek Bir inverterin çıkış dalga şeklinin harmonik içeriğini azaltmak AC iteme geri gönderilen itenmeyen harmonik bileşenleri önlemek Radyo frekan girişimlerini elimine etmek Konvertörler, yük için uygun olmayan büyüklükte olabilen DC tarafta dalgalanma ve AC tarafta harmonikler üretir. Güç elektroniği konvertörleri için yükek verimlilik itenir. Bu yüzden filtrelerde yükek verimlilikte olmalıdır. Sitem elemanlarının kayıpları minimize edilir ve dirençler kullanılıra onların güç harcamaı, nominal çıkış gücüyle karşılaştırıldığında düşük olmalıdır Gerilim Filtrei İnverter çıkış gerilimi genellikle ya keik kare dalga ya da darbe genişlik modülayonudur. Bu dalga şekillerindeki harmonik muhtevayı azaltmak için diğer bir ifadeyle (yaklaşık) inüzoidal yapmak için inverter bir filtreyle kullanılmalıdır. Bağıl harmonik miktarı % 10 dan daha az ie çıkış gerilimi genellikle inüzoidal olarak adlandırılır. Pratikte yaygın talep daha azdır ve bağıl harmonik miktarı %5 den hatta %3 den daha az olmalıdır. Şekil 5.1 de göterilen filtre, bir eri empedan Z ve bir paralel empedan Z =1/Y den oluşur. Burada Y, paralel kolun admitanıdır. Giriş gerilimi U 1, inüzoidal olmayan bir gerilim olduğu farz edilire; U 2, filtre edilmiş çıkış gerilimidir. Filtre, aşağıdaki faktör ile n.harmoniği azaltan bir gerilim bölücü nazarıyla görülebilir: İyi bir filtre, temel bileşende düşük bir azalmaya ahiptir; yani f (1),yaklaşık olarak 1 dir. n>1 için f(n) in düşük bir değerine karşılık düşen harmoniklerin yükek oranda azalmaı öz konuudur. Harmoniklerin adece rm değerleriyle dikkate alınmakta, onların faz poziyonları çok az önem arz etmektedir. U 2 ( n) Z 2 ( n) 1 F( n) = = = (5.1) U ( n) Z ( n) + Z ( n) 1+ Z ( n) Y ( n)

80 65 Şekil 5.1 AC Gerilim Filtrei Seri Paralel Rezonan Filtrei 5.2 Seri-Paralel Rezonan Filtrei Şekil 5.2 deki eri-paralel rezonan filtrei, temel bileşenin düşük bir oranda azalmaı ve harmoniklerin yükek oranda azalmaı iteğini ağlar. Paralel kollardaki kadar eri kolda temel frekanta rezonan için ayarlanır. Heaplamalarda bütün kayıplar ihmal ve filtrenin açık devreli olduğu kabul edilir. Bu tip filtre için kayıplar ve yük, genelde çıkış geriliminin harmonik miktarı üzerine küçük bir etkiye ahiptir. w, temel bileşenin açıal frekanı ie eri ve paralel rezonan, n. harmonik için 1 L' w = = x' C'. w C' ' w = 1 = y'' L' ' w (5.2)

81 66 Z'( n) = Y ''( n) = j. L'.( nw) j. C.' '( nw) 1 j. = C'( nw) 1 j. = L' '( nw) 1 j. x' ( n ) n 1 j. Y ''( n ) n (5.3) 1 1 F( n) = = 2 1+ j. x'. (5.4) [ n (1/ n) ]. jy.''( n 1/ n) 1 ( n 1/ n). x'. Y' ' Bu ifade götermektedir ki, f(1)=1 ve n nin yükek değerleri için F(n)=1/(X.Y ).1/n 2 dir. Yani harmonikler n 2 ile ter orantılı olan bir faktörle azaltılır. n nin belirli bir değeri için ifadenin paydaı ıfır olur yani f(n) olur. 1- (n-1/n) 2.x.Y =0 n=1/ x' Y'' x' Y '' (5.5) Bu rezonan frekanı civarında giriş gerilimi harmonikleri yükeltilir, bu yüzden rezonan, oluşan en düşük harmonik geriliminden daha düşük eçilmelidir. Eğer yarım alternanlar imetrik değile bu gerilimin çift harmonikler içerdiği anlamına gelir, o zaman rezonan n=2 civarındaya bu aimetriyi yükeltmek riklidir. Aynı şekilde rezonan (n=3 civarında ), giriş geriliminde elimine edileceğini düşünek bile çıkış geriliminde 3. harmoniğin görüleceği anlamını taşır. n. harmonik akımı, I U1( n) Y ''( n) n) = = U1 ( n). = U ( n). Y''.( n 1/ n). F( ) (5.6) Z'( n) + Z''( n) 1+ Z'( n). Y ''( n) 1( 1 n Seri Kondanatörüz ve Paralel Rezonan Filtreler Seri paralel rezonan filtrei, temel bileşenin herhangi bir azalımı vermeme avantajına ahiptir. Bununla beraber eri kapaitörlü filtreler, yük endükiyon motoru içeriyora çoğunlukla tabilite problemlerine yol açmaı gibi dezavantaja ahiptir. Bu yüzden bu tip filtre böyle yükler için uygun değildir. Temel bileşen azalmaını makul bir eviyede tutmak

82 67 için L düşük olacak şekilde eçilmelidir. Böyle düşük eri empedanlı filtrenin yükek bir 3. harmonik içeren giriş gerilimi için kullanılmamaı gerekir. Bu filtre, fazlar araı gerilimde 3.harmonik olmayan imetrik 3 fazlı bir item ve 3.harmoniğin elimine edildiği tek fazlı devreler için uygundur. Yüke göre temel çıkış geriliminin değişimi, vektör diyagramlardan heaplanabilir. Giriş gerilimi 1 e eşit olacak şekilde abit çıkış gerilimi heaplanır. Çıkış gerilimini abit tutmak için giriş gerilimi ya da kaynak gerilimini değiştirerek ya da inverteri kontrol ederek değiştirilmelidir. Bu kontrol, DC kaynak geriliminin değişimlerini bile elimine edebilir. Çıkış geriliminin harmonik içeriği de aynı şekilde heaplanır. Aşağıdaki bait bir alçak geçiren filtre, temel frekanta wlc nin aşırı derecede büyük olmadığı durumlarda yeterlidir. Yük direncinin onuza gittiği durumda, filtrenin çıkış geriliminin giriş gerilimine oranı: V V 0 i = 1/ wc wl 1/ wc = 1 2 w LC 1 (5.7) Şekil 5.3 Paralel Rezonan Filtre Seri rezonan kollu filtrede; eri kol, temel frekanta ıfır empedan göterir. Fakat daha yükek harmoniklerde empedan artar. Paralel kol temel frekanta onuz empedan göterir ama daha yükek frekanlarda empedan azalır. ' C2 Temel frekan ω = / L '. C = 1/ L ''. '' olup, C 1 =AC 2 ve L 2 =AL 1 yapılıra ve n. harmonik için w=n.w 0 alınarak, açık devreli yük durumunda n. harmonik bileşeni için Vo 1 = (5.8) Vi ( n 1/ n) A

83 Kıa Devre Hattı Filtrei Bir DC veya AC filtrenin çıkışından gelen bir harmonik bileşenini azaltmak için çıkışın uçlarına kıa devre hattı konulmalıdır. Şekil 5.4 harmoniğe ayarlı bir hattın n. harmonik için geçerlidir; Burada örnek olarak 3. harmonik eçilmiştir.hat, bir C kondanatörüyle eri bağlı bir L endüktanından oluşur.(3.harmonik için rezonantadır). Seri bağlı R direnci (3 den başka bütün harmonikler için ihmal edilebilir olup) devrenin toplam kayıplarını göterir. Temel frekan için hat bir kondanatöre eş değerdir, ve hat üzerindeki gerilim biliniyora temel akım heaplanır. Bu akım paralel bir endüktan vaıtaıyla fazı kompanze edebilir. Kondanatör uçlarındaki gerilim U C(1) ve endüktan uçlarındaki gerilimin U L(1) temel bileşeni heaplanabilir.3. harmonik için hat bir dirence eşdeğerdir. U c(3) =U L(3) heaplanabilir ve çıkış geriliminin 3. harmoniği R.I (3) olacaktır. Bu yüzden çıkış geriliminin 3. harmoniği düşük olacak ie yükek kalite faktörüne ahip olmalıdır. Hattın, diğer daha yükek harmonikler üzerindeki etkii, ihmal edilebilir. Şekil Harmoniğe Ayarlı Kıa Devre Hattı Akım Filtrei Çoğunlukla rezonan oilayonları belirli frekanlar için şebekenin endüktif ve kapaitif bölümleri araında oluşabilir. Bir antral veya şebekenin harmoniklerini azaltmak için akım filtreleri kullanılabilir. Bunlar düşük omik yapılıdır. Filtrenin verimliliği, filtrenin ayar doğruluğu kadar boyutuna da bağlıdır. Filtre konvertörün çeşitli karakteritik harmonik frekanlarına ayarlı, birçok LC paralel hattan oluşur.3 fazlı hat için kullanılan konfigürayonlar şekil 5.5 te göterilmiştir.

84 69 Şekil Faz Filtre Konfigürayonu Şekil 5.6 da en düşük harmonikler için kıa devre hatlı bir filtre örneği görülüyor. n=17 için ayarlı link hattı, dirençten dolayı daha yükek harmonikler için düşük empedanlı bir akım geçiş yolu da unar. Şekil 5.6. En Düşük Harmonik İçin Kıa Devre hatl Filtre Şekil 5.7 de şebeke, Z(n) eri empendanıyla göterilmiştir. Kıa devre olarak düşünüldüğünde harmonik için konvertör harmonik akımlarının üreticii olarak; filtre bir empedan olarak Z F(n) =1/Y F (n) işlev görür. n. harmonik akımı; I N (n). Z N (n)= (I(n) I N (n) ).Z F (n) I N ( n) = I( n) Z F = I ( n). 1+ Y Z F.( n) ( n) + Z F N 1 ( n). Z ( n) N ( n) (5.9)

85 70 n.harmonik gerilimi ; I( n) V ( n) = (5.10) Y( n) Burada Y(n)=Y F (n)+1/z N (n) bileşke admitanıdır. Şekil 5.7. Bir Şebekeye Bağlı Konverter ve Filtre Paralel rezonan, rezonan frekanı civarındaki frekanlı harmonik akımlarının yükek empedanla karşılaşılacağına işaret eder ve harmonik gerilimleri filtreyle yükeltilir. Yani var olan harmonik akımların bütün rezonan (paralel rezonan) frekanlarından bir güvenlik meafeinde görünecek bir şekilde taarlanmaı gerekir. Pratikte bir filtre, eleman değerlerinin toleranı, ıcaklık değişimleri, ekime ve frekan değişimleri gibi faktörlerden dolayı itenen harmoniğe tam olarak ayarlanamaz. Bu yüzden şebeke endüktif ie filtre hattını idealden biraz düşük değerdeki frekana ayarlamak tercih edilir. Kapaitif bir şebeke için filtre, daha yükek rezonan frekanlarına ayarlanır. 7. harmonikten daha yükek harmonikler için filtre fazla etkili olmaz. Altı darbeli bir konverter için, en yakın harmonik 11. olacaktır Şekil 5.8 de direnç tercihen rezonan frekanındaki endüktanın empedanına eşit olacak şekilde eçilir. Hattın admitanı ; Y = 1/( jny r ) + 1/ 1 2 [ ry + ( r Y ) / jn] r r ryr. 1+ j( r / n) = 4 2 ( r / n) ( r / n) n Y r. Y r (5.11) Filtre, endüktana paralel bağlı bir dirence ahip olan n r = 11 ayarlı bir hat olarak düşünülmüştür.

86 71 Şekil 5.8 Yükek Harmonikler İçin Filtre Hattı DC Filtre DC tarafındaki dalgalı akım, bir endüktan kullanılarak; dalgalı aktif gerilim bir elektrolitik kondanatör vaıtaıyla azaltılabilir. Aşağıda tek fazlı köprü doğrultucu çıkışının filtre çeşitleri göterilmiştir. Şekil 5.9 Tek fazlı köprü doğrultucunun çıkışının filtrelenmei

87 72 a-) Sadece endüktanlı filtre b-) Sadece kapaiteli filtre c-) Endüktanlı-Kapaiteli filtre Endüktan ve kondanatörün kombinayonunda kondanatör, yük gerilimini abit tutmak için davranış göterirken endüktör akımı düzenler. Yük onuza gidere filtrenin tranfer fonkiyonu aşağıda denklemle elde edilir; 1 H ( ) = (5.11) 2 w LC 1 Böylece daha yükek dereceli harmonikler, daha düşük dereceli olanlardan daha çok yükün dalgalı geriliminde daha iyi bir azaltma, kakat bağlı birkaç filtreyle elde edilir. Π U V = periyottur. 3 Π wt = +α dan 3 Π Π + α + aralığında U V = U d -U d = 2.U.Sin wt-. U. Coα = 2U Sinwt Coα Π Π (5.12) AC akım, i2 i1 di v = i v + i ωt U 2U 3 1 = dt = ( ınωt coα) L Lω π α + π / 3 dωt α +π / 3 2. U 3 v =. Coωt + ω t. Coα + i L. ω Π ω t i 1 (5.13) Şekil 5.10 da ωt-ekeni, taralı alanlar eşit olacak şekilde yerleştirilire; adece AC akımdır. ωt = Π -X 0 için U d =U d ve X 0 =arc Sin 3Coα Π (5.14) Π ωt = +α, dan 3 Π x 0 ' a (5.15)

88 73 Şekil 5.10 Bir Filtre Yoluyla Rezitif Bir Yükü Beleyen Konverter Arttığı aman akım, makimum değerden (-i 1 ),minimum değere (i 2 ) artar. α + π / 3 2. U 3ω t i = i1 + i2 =. ω α. ω Co t + Co L π (5.16) π x 0 Endüktör ve kapaitörün termik dizaynı için dalgalı akımın rm değeri heaplanmalıdır. Bunun için genellikle rm değerinin yaklaşık bir heabını yapmak yeterlidir: 1 i Iv = = i (5.17) 2 2 α =45 0 Iv için bağıl rm değeri = U / Lω = olur. Kondanatör, termik olarak bu değer için taarlanmalıdır. Endüktör akımının toplam rm

89 74 değeri, 2 I d I 2 + v olarak heaplanabilir. Filtreler ile harmoniklerin şebekedeki etkileri en alt düzeye indirilebilir. Harmonik üreten güç elektroniği aygıtlarında, daha taarım aşamaında gerekli tedbirler alınabilir, örneğin doğrultucu 6 darbeli olacağı yerde 12 darbeli olarak boyutlandırılabilir EMI (Elektromagnetik Interference) Filtreler EMI Filtrelere Giriş Güç elektronik devreleri, yükek gerilimlerde ve büyük miktardaki akımların anahtarlanmaında elektrik inyalleri üretir, bu da diğer elektronik devreleri etkiler. Bu itenmeyen inyallerden kaynaklanan elektromanyetik etkilemeye EMI (Elektromagnetik Interference) denir. EMI kaynaklı bu etkilemede akım veya gerilim çok hızlı değişir (örneğin yükek frekanlı anahtarlama yapan tritörler). Bu inyaller boşluğa yayılır veya kablolar boyunca yayılır. Bu konu burada incelenecek olandır. Farklı -mod Akımlı veya Ortak-mod Akımlı olmak üzere iki türlü iletim olabilir; 1) Farklı Mod; Burada iki kablodaki akımlar eşit ve zıt yönlüdür ve aynı hat üzerinde birbirlerini etkilerler. 2) Ortak Mod; Ortak Mod girişim aimetrik girişimlerdir. Bunlar gürültü inyalleridir ve hem hat hem de nötr iletkenleri üzerinde bulunurlar. Ayrıca Ortak Mod inyaller hat ve nötr iletkenleri üzerinde eşit büyüklüklerdedir. Bu akımlar temelde kuplaja ebep olur veya güç hatlarında EMI oluştururlar ve itemi kapaitif kuplajla terk ederler. Elektromanyetik Girişim EMI, itenmeyen elektromanyetik yayınımlar, doğal veya doğal olmayan, elektrikel veya elektronik gürültülerdir. Bu gürültü ve yayınımlar itenmeyen cevaplara, itemin apmaına, kötüleşmeine veya elektrikel cihazların performanının düşmeine neden olurlar. EMI dalgaları iletimle güç hatları üzerinden, uzayda ie radyayon yolu ile yayılırlar. Girişim Yayınımının temel kaynakları anahtarlamalı güç kaynakları, AC motorlar, mikroişlemcilerdir. Alında her elektrikel veya elektronik cihazın conducted veya radiated girişim üretme potaniyeli mevcuttur. EMI gürültülerinin giderilmek itenmeinin ebebi bugünkü modern teknolojik haa cihazların düzgün çalışmaını ağlamak içindir. Düzgün çalışmadan itenilen; çalışmada diğer

90 75 elektronik aletler tarafından üretilen girişimlerin yol açacağı performan kaybının olmamaıdır. EMI doğal bir onuç olarak ortaya çıkan kııtlı yayınımlardır ve radyo iletişiminin gerçekleştirilebilmei için izin verilen ınırları aşmamalıdır. Başarılı bir şekilde indirgenen EMI girişimi elektronik cihazların normal çalışmaını ağlar ve girişimden dolayı performan kaybına neden olmaz ve diğer cihazların performanını olumuz etkilemez Yükek Frekanlı EMI Sebepleri EMI e ebep olan genel güç elektroniği itemleri Doğrultucu diyotlar Anahtarlama elemanları(igbt gibi) Yükek frekanlı trafolar ve tıkayıcılar Devre yapıları(yükek dv/dt uzun kablolar, yükek dv/dt geniş argılar, aşırı akım taşıyan kablolar) Mekanik anahtarlar EMI Düzeltme Yolları Daha gelişmiş devre taarımları- toprak hattı Manyetik bileşenlerin yerini ayarlama Gürültü bileşenleri ve kabloları koruma altına almak EMI filtreleme EMI Filtre Çeşitleri EMI filtrei iletkenlikle yayılan girişimleri batırmak için herhangi bir güç veya inyal hattına bağlanan paif elektronik devrelerdir. Bu filtre devreleri kullanılan cihazların ürettiği girişimleri batırmak için kullanılır. Yine bu devreler aynı zamanda diğer cihazlar tarafından üretilen girişimlerin engellenerek kullanılan cihazın EMI inyallerine karşı mevcut elektromanyetik ortamdaki bağışıklılığı artırmaı için kullanılabilir. Çoğu EMI filtrei hem ortak ve hem de differaniyel mod girişimleri batırmak için kullanılır. EMI filtreinin çalışma prenibi şu şekildedir. EMI filtreinin empedanına oranla yükek kapaitif değeri vardır. Yani filtre yükek frekanlı inyallere karşı yükek değerli bir rezitan gibidir. Bu yükek empedanlar bu inyalleri zayıflatır veya düşürür, bu ayede diğer cihazlara etkii azaltılmış olur. Uygun EMI filtreini eçmek için şu kriterlere dikkat etmek gerekir. En başta EMI filtreinin eçimi tüm elektromekanik yapı düşünülerek yapılmalıdır. Filtrenin yerleşimi, ııl mekanizmaı veya montaj şekli bile itemin performanını etkileyebilir. Bunların yanında kaçak akı, ek kayıplar, makimum akı-gerilim değerleri ve tabii bulunulan yönetmeliğin kııtlamaları da uygulanmaını belirler.

91 76 A)Diferaniyel Mod Filtreler Aşağıdaki şekil tek fazlı item için diferaniyel modlu filtreyi götermektedir. Şekil 5.11 Tek fazlı item için diferaniyel modlu filtre X-CAP: Temel harmonik filtrei X-CAP olarak bilinir. Kapaite değeri anahtarlama frekanı ve harmoniklere göre ayarlanabilir. Böylece anahtarlama frekanının neden olduğu tüm harmonikler tutulmuş olur. Örnek olarak; anahtarlama frekanının 20 khz olduğu durumda ve 10 ohm luk direnç değerinde 0.8 mikrofarad lık bir kapaiteye ihtiyaç duyulur. C5: Bu küçük bir X-CAP tir. Diyotlu doğrultucudan hemen onra yerleştirilebilir. X-CAP ler özel yapım batırma kapaiteleridir. Şekil 5.12 de diferaniyel mod filtreine uygun bir taarım göterilmiştir. Şekil Diferaniyel Mod Filtrei B) Ortak Mod Filtreler

92 77 Şekil Ortak Mod Filtrei Y-CAP: Bu kapaite yükek frekanlı gürültünün toprağa akmaını by-pa etmek için kullanılır. Kapaite değerleri güvenlik şartnamelerine göre değişiklik göterirler. Endüktan ve filtre boyutunu düşürmek için yönetmeliklere göre en büyük Y_CAP dekuplaj kapaitei kullanılmalıdır. Aşağıdaki şekilde ortak mod filtrei için örnek bir taarım verilmiştir. Şekil Ortak Mod Filtre Uygulamaı Tezde Kullanılan Filtre Sitemi Bu tezde kullanılan filtre itemini şekilde göterilen filtre topoloji itemi üzerinden de anlaşılacağı gibi, RLC alçak geçiren filtre ve bileşik filtre olmak üzere iki ana bölümden oluşmaktadır.

93 78 Inverter Trap Kompound Filtrei RLC Filter PMSM Kontrol Sitemi Akım Hız Şekil 5.15 Tezde Kullanılan Filtre Topolojii Bu bileşik filtre iki tane ayarlanan frekan noktaına ahiptir. Bunlardan biri inverter devre anahtarı frekanına ve diğeri de anahtarlama ve çalışma aralığındaki bir reaktana ahiptir. Bu filtre topolojii inverter devrenin görevini kolaylaştırmıştır, inverter devreye daha eyrek müdahale etmek zorunda kalmaktadır. Bu filtre topolojii motor argılarındaki yarı-inüzoidal voltajı ağlamak için dalga biçimindeki motor voltajını yeniden şekillendirmek için direnç elemanı kullanılmaktadır. Yukarıda belirtildiği gibi bu filtre topolojii iki kıımdan oluşmaktadır; bunlardan biri bileşik trap filtrei ve diğeri RLC filtreidir. Aşağıda da bunlar hakkında açıklamalar yapılacaktır Bileşik Trap Filtrei Şekil 5.16 da bileşik trap filtrei göterilmektedir. Buraı 3 ana geçişten oluşuyor; Birincii R 2 ve L 2 ye doğru düşük frekan geçiş kolu, diğeri C 2 ve R 1 e doğru yükek geçiş frekanı ve öteki ie C 1 ve L 1 e doğru orta geçiş frekanı ve R 1 de toprak hattı içindir. Yükek empedan göterenler C 2 ye doğru yükek frekan geçişini eçer. Ortadaki frekan bileşenleri, düşük geçiş koluna doğru kendi yollarını bulacaklardır, bu frekanlar L 1 -C 1 deki eçili orta frekan için, tuning rezonan kolu tarafından emilecektir, yani topraklanacaktır. ω o < ω av < ω w Burada ω av = 1 / L C 1 1 : ortalama frekan eçerek ω w : inverter anahtarlama frekanı

94 79 Şekil 5.16 Bileşik Trap Filtrei RLC Filtrei Şekil 5.17 de RLC filtreinde, ana rol oynayan azaltılmış yükek dv/dt çizgii için motor döngüleri, çizgi voltajları göterilmiştir. Bu nakil işlemi ; V V 0 i = C 3 L 3 2 R C ( r + R 3 ) C (5.18) Aşırı damping cevabı için filtre direnci aşağıdaki gibi eçilir; R 4L r3 (5.19) C3 Köşe frekanı ω c aşağıdaki gibi ifade edilir: ω 1/ L C (5.20) c = 3 3 Uç değerde çizilen şönt rezitanı R 3 filtrei tarafından yeterince yükek değerde eçilirken, azaltılmış omik kayıpları eri rezitanı r 3 genellikle küçük değerdedir. Bu akım motor akımının yüzdei olarak şöyle ifade edilebilir; i CR 3 PMSM = i (5.21) motor z PMSM + z R 3 + 1/ C 3 Z PSMS, PSMS deki motor giriş empedanıdır. Motor tarafından çizilen eçilmiş keik frekan i motor ile karşılaştırılırken bu akım büyük olabilir; frekan çalışırken i motor ile karşılaştırılan bu akım çok küçük olabilir. Diğer uçta eçilmiş RLC parametreleri, kapaiteler ve EMI filtreleri devredeyken filtre indüktörü genellikle çizgi frekanında çok küçük olabilir, kapaiteler genellikle çok küçükken

95 80 indüktör genellikle açıktır. Böylece büyük derecede EMI eleri filtre rezitanlarına doğru geçecektir, yer ve frekana neden olmak için bağlı düşük voltajlı filtre erileri koluna geçecektir ki o akıcı dalga biçimi gerilimin motordan temin edilmeine yardım eder. Şekil 5.17 RLC Filtrei

96 81 6. DAİMİ MIKNATISLI SENKRON MOTORDA ALAN YÖNELTMELİ KONTROL FOC UN PASİF FİLTRELİ MATLAB/SİMULİNK SİMÜLASYONU 6.1 Giriş İnceleme yapılan filtrenin performanını Matlab/Simulink kullanarak aptamaı yapılmıştır. PMSM in topraklamaı yıldız bağlı olup, temel hız operayonlarında hız kontrolü; i d ıfır yapılırken i q doğrudan T e motor momentine orantılı olmaı ağlanmıştır. Kullanılan motorun parametre değerleri ve paif filtrenin parametre değerleri aşağıdaki gibidir; TABLO I MOTOR PARAMETRELERİ Stator kaçak direnci R 5.8 Ohm d-axi endüktan L d mh q-axi endüktan L q 44.8 mh Permanent magnet akı Ψ F 533 mwb Eylemizlik abiti J Nm 2 Sürtünme katayıı B 0.0 Referan hız ω 70 rad/ Yük momenti T L 2 Nm TABLO II FİLTRE PARAMETRELERİ L 1 20µH L 2 20µH L 3 20mH C 1 51µF C 2 5.1µF C µf R 1 124Ω R 2 15Ω R 3 56 Ω r 3 20Ω

97 Simulayonun Kontrol Sürei 100µ İe Sonuçların İncelenmei Gerilimde Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan hatlar filtrenin kullanılmaıyla hatları net ve daha okunur duruma gelmiştir.buradaki şekiller ıraıyla inverter çıkışında elde edilen, trap bileşik filtreinin çıkışında elde edilen ve PMSM in gerilimleri olarak göterilmiştir. Aşağıdaki şekilden de anlaşıldığı gibi motor gerilimi daha inüzoidal yani daha itenilen şekle ahip olmuştur.

98 83 Şekil 6.1 Filtreleme Öncei Gerilim Şekil 6.2 Filtreleme Sonraı Inverter Gerilimi

99 84 Şekil 6.3 Filtreleme Sonraı Compund Çıkış Gerilimi Şekil 6.4 Filtreleme Sonraı Motor Giriş Gerilimi

100 Akımda Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan akım hatları filtrenin kullanılmaıyla inüzoidal hatları net ve daha anlaşılır duruma gelmiştir. Şekil 6.5 Filtreleme Öncei Akım Şekil 6.6 Filtreleme Sonraı Akım

101 Momentte Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan dağılmış durumdaki moment hatları filtrenin kullanılmaıyla daha hatları net ve daha anlaşılır duruma gelmiştir. Dağılma artık önlenmiştir. Şekil 6.7 Filtreleme Öncei Moment Şekil 6.8 Filtreleme Sonraı Moment

102 Hızda Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei ve onraı hızda belirli bir değişik durum meydana gelmemiştir. Şekil 6.9 Filtreleme Öncei Hız Şekil 6.10 Filtreleme Sonraı Hız

103 Akıda Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan dağılmış durumdaki akı DQ hatları filtrenin kullanılmaıyla daha hatları net ve daha anlaşılır duruma gelmiştir. Dağılma artık önlenmiştir, daha daireel şekil ortaya çıkmıştır. Şekil 6.11 Filtreleme Öncei Akı Şekil 6.12 Filtreleme Sonraı Akı

104 Akımdaki Harmoniklerde Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan dağılmış durumdaki kalın inüzoidal hatlardaki toplam harmonikler %8.45 ten filtrenin kullanılmaıyla daha hatları net ve daha anlaşılır inüzoidal hatlar durumuna gelmiş ve hatlardaki toplam harmonikler %2.77 ye kadar gerilemiştir. Dağılma artık önlenmiştir ve daha düzgün onuçlar ortaya çıkmıştır. Şekil 6.13 Filtreleme Öncei Akımdaki Harmonikler

105 90 Şekil 6.14 Filtreleme Sonraı Akımdaki Harmonikler Gürültüde Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan dağılmış durumdaki kalın inüzoidal hatlardaki toplam harmonikler %8.45 ten filtrenin kullanılmaıyla daha hatları net ve daha anlaşılır inüzoidal hatlar durumuna gelmiş ve hatlardaki toplam harmonikler %2.77 ye kadar gerilemiştir. Dağılma artık önlenmiştir ve daha düzgün onuçlar ortaya çıkmıştır.

106 91 Şekil 6.15 Filtreleme Öncei Gürültü Şekil 6.16 Filtreleme Sonraı Gürültü

107 Simulayonun Kontrol Sürei 50µ İe Sonuçların İncelenmei Gerilimde Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan hatlar filtrenin kullanılmaıyla hatları net ve daha okunur duruma gelmiştir.buradaki şekiller ıraıyla filtre kullanılmadan önce elde edilen gerilim onucu, inverter çıkışında elde edilen,trap bileşik filtreinin çıkışında elde edilen ve PMSM in giriş gerilimleri olarak göterilmiştir. Aşağıdaki şekilden de anlaşıldığı gibi motor gerilimi daha inüzoidal yani daha itenilen şekle ahip olmuştur. 50µ aralıklı kontrol ile 100µ aralıklı kontrol araında da çok büyük farklılıkların olduğu görülmektedir. Şekil 6.17 Filtreleme Öncei Gerilim

108 93 Şekil 6.18 Filtreleme Sonraı Inverter Gerilimi Şekil 6.19 Filtreleme Sonraı Compund Çıkış Gerilimi

109 94 Şekil 6.20 Filtreleme Sonraı Motor Giriş Gerilimi Akımda Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan akım hatları filtrenin kullanılmaıyla inüzoidal hatları net ve daha anlaşılır duruma gelmiştir. 50µ aralıklı kontrol ile 100µ aralıklı kontrol araında da çok büyük farklılıkların olduğu görülmektedir.

110 95 Şekil 6.21 Filtreleme Öncei Akım Şekil 6.22 Filtreleme Sonraı Akım

111 Momentte Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan dağılmış durumdaki moment hatları filtrenin kullanılmaıyla daha hatları net ve daha anlaşılır duruma gelmiştir. Dağılma artık önlenmiştir, 50µ aralıklı kontrol ile 100µ aralıklı kontrol araında da çok büyük farklılıkların olduğu görülmektedir. Şekil 6.23 Filtreleme Öncei Moment Şekil 6.24 Filtreleme Sonraı Moment

112 Hızda Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei ve onraı hızda belirli bir değişik durum meydana gelmemiştir. 50µ aralıklı kontrol ile 100µ aralıklı kontrol araında da çok büyük farklılıkların olmadığı görülmektedir. Şekil 6.25 Filtreleme Öncei Hız Şekil 6.26 Filtreleme Sonraı Hız

113 Akıda Meydana Gelen Değişim Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi filtreleme öncei karışık ve net olmayan dağılmış durumdaki akı DQ hatları filtrenin kullanılmaıyla daha hatları net ve daha anlaşılır duruma gelmiştir. Dağılma artık önlenmiştir,daha daireel şekil ortaya çıkmıştır.50µ aralıklı kontrol ile 100µ aralıklı kontrol araında da çok büyük farklılıkların olduğu görülmektedir. Şekil 6.27 Filtreleme Öncei Akı Şekil 6.28 Filtreleme Sonraı Akı