T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

Transkript

1 T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ÜÇ FAZLI ASENKRON MOTORLARIN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE VEKTÖR ESASLI HIZ KONTROLÜ ZAFER KOCA YÜKSEK LİSANS TEZİ KAHRAMANMARAŞ Eylül 2006

2 T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ÜÇ FAZLI ASENKRON MOTORLARIN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE VEKTÖR ESASLI HIZ KONTROLÜ ZAFER KOCA YÜKSEK LİSANS TEZİ Kod no: Bu Tez 3/ 09 /2006 Tarhnde Aşağıdak Jür Üyeler Tarafından Oybrlğ le Kabul Edlmştr. Doç. Dr. Yrd. Doç. Dr. Yrd. Doç. Dr. H.RızaÖZÇALIK A. Serdar YILMAZ MustafaDANACI Danışman Üye Üye Yukarıdak mzaların adı geçen öğretm üyelerne at olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Özden GÖRÜCÜ Ensttü Müdürü Bu çalışma K.S.Ü. Fen Blmler Ensttüsü Proe Destek Fonu tarafından desteklenmştr. Proe No: 2005/2-2 NOT: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bldrşlern, çzelge, şekl ve fotoğrafların kaynak gösterlmeden kullanımı, 5846 sayılı Fkr ve Sanat Eserler Kanunundak hükme tabdr.

3 İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER SAYFA İÇİNDEKİLER... I ÖZET...II ABSTRACT... III ÖNSÖZ... I ÇİZELGELER DİZİNİ...V ŞEKİLLER DİZİNİ... VI SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... VIII. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL ve METOT Materyal Asenkron maknaların yapısı Asenkron motorlarda hız kontrolü Skalar Kontrol Yöntemler Vektör Kontrol Yöntemler Doğrudan Vektör Kontrol Yöntem Dolaylı Vektör Kontrol Yöntem Yapay snr ağları Yapay Snr Ağı Hücres Aktvasyon Fonksyonları Yapay Snr Ağları Modeller Yapay Snr Ağlarının Eğtlmes Yapay Snr Ağlarında Öğrenme Algortmaları Delta Kuralı Ger Yayınım Öğrenme Algortması Yapay Snr Ağlarının Potansyel Uygulama Alanları Radyal tabanlı sn,r ağı (RBF) Metot Grş BULGULAR VE TARTIŞMA Smülasyon Uygulama SONUÇ VE ÖNERİLER...58 KAYNAKLAR...60 I

4 ÖZET T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ÖZET YÜKSEK LİSANS TEZİ ÜÇ FAZLI ASENKRON MOTORLARIN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE VEKTÖR ESASLI HIZ KONTROLÜ ZAFER KOCA DANIŞMAN: Doç Dr. H. RIZA ÖZÇALIK Yıl: 2006, Sayfa:72 Jür : Doç Dr. H. Rıza ÖZÇALIK : Yrd. Doç. Dr. A. Serdar YILMAZ : Yrd. Doç. Dr. Mustafa DANACI Elektrk maknaları sürücü sstemler endüstrde ve günlük yaşamda çok yaygın uygulama alanlarına sahptr. Örneğn havalandırma sstemler, fanlar, kompresörler, çmento değrmenler vb. Tüm uygulamalarda bu maknalar çn k öneml husus vardır. Bunlar sürme teknğnn kullanım esnasında sstemn kararlılığı ve güvenlrllğdr. Özellkle kararlı çalışma sürme planı le kontrol teknğnn eş zamanlı olması çok önemldr. Son yıllarda Uzay Vektör Modülasyon Teknğ (SVM) klask PWM n yerne terch edlmektedr. Bu yen teknk ssteme etk eden tüm bozucu etkler ve Sne PWM (snüse Darbe Genşlk Modülasyonu) algortması le oluşan sakıncalı etkler ortadan kaldırablr. Bu nedenle br Yapay Snr Ağı temell kontrol sstem sstemn non-lneer ve adaptf yapısı çn daha uygun ve verml br yöntem olacaktır. Bu çalışma k ana kısımdan oluşmaktadır. Brncs Yapay Snr Ağı model le motorun kontrol edlmeden öncek şleyşn dğer se kontrol sstem sürekl çalışıyorken güncelleştrlmesn (pre-flter) sağlar. (Mcrochp, 2005) Bu çalışmada lk önce MATLAB 7. de hazırlanan br m-fle ı yapay snr ağına uyarlandı ve daha sonra Smulnk de hazırlanan kontrol sstem dyagramına transfer edld. İknc olarak SVM ve IGBT blokları kontrol yapısına lave edlerek MATLAB a dahl edld. Bu hazır kontrol sstem Smüle ndüksyon motorunu sürdü. Bu Neural Kontrol hız değerlern kabul edleblr ölçüde doğru olarak denetlemştr. Anahtar kelmeler: Asenkron motor, Yapay Snr Ağı, Vektör Kontrolü, Hız konrolü. II

5 ABSTRACT T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING MSc THESIS ABSTRACT SPEED CONTROL WITH ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS WITH VECTOR CONTROL OF THREE PHASE ASYNCRONOUS MOTORS ZAFER KOCA Supervsor: Assoc. Prof. Dr. H. Rıza ÖZÇALIK Year: 2006, Pages: 72 Jury : Assoc. Prof. Dr. H. Rıza ÖZÇALIK : Assst. Prof. Dr. A. Serdar YILMAZ : Assst. Prof. Dr. Mustafa DANACI Electrc machne drve systems have a large applcaton area n ndustry and daly lfe such as ar condtoners, pumps, fans and compressors, cement mlls, etc. In all applcatons, there have been two mportant matters wth these machnes: Relablty and accuracy of drvng technques beng n use. Especally, f the accuracy s n dscusson, t s very mportant the control technque accompanyng wth drvng scheme. In recent years, Space Vector Modulaton Technque (SVM) has been preferred nstead of conventonal PWM scheme. Ths new technque can overcome the drawbacks of Sne PWM algorthm and ncreases over-all system effcency. For ths reason, a neural network (NN) based controller s approprate and effcent consderng ts nonlnear and adaptve structure. In ths study, control process conssts of two man parts; an nverse NN model of the motor obtaned ust before essental control process and a NN based pre-flter that s contnuously updated whle the control system runs.(mcrochp, 2005) In ths study, as a frst, proposed NN controller has edted as an m-fle n the MATLAB 7. envronment and then transferred nto the whole control system dagram whch s prepared n SIMULINK. Secondly, SVM and IGBT blocks that exst as MATLAB facltes have been added nto control structure. Ths prepared control system drves the smulated nducton motor. The proposed neural controller has proved ts ablty by demonstratng accurate speed values as a result. Key words : Inducton Motor, Artfcal Neural Network, Vector Control, Speed Control. III

6 ÖNSÖZ ÖNSÖZ Asenkron motorlar yapılarının bast olması ve az bakım gerektrmeler nedenyle sanayde çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Güç elektronğndek ve mkro-elektronktek gelşmeler bu maknelern hız kontrolünü sağladığından kullanım alanı daha da yaygınlaşmıştır. Bu çalışmada bütün bu gelşmeler göz önüne alınarak asenkron motorların hız kontrolüne değşk br açıdan yaklaşılmış, sürekl gelşen teknolo nedenyle sanay sektörüne br katkı sağlaması amaçlanmıştır. Yne bu çalışmada Asenkron motorların modellenmes ve hız kontrolüne modern br bakış açısı sunulması hedeflenmştr. Bu çalışmada lk olarak asenkron makneler tanıtılmış ve yapıları hakkında temel blgler verlmştr. İknc kısımda üç fazlı sncap kafesl asenkron motorun matematksel modellenmes anlatılmıştır. Motorun α-β ve d-q eksen takımlarındak modeller verlmş ve dnamk smülasyonları yapılmıştır. Daha sonra asenkron motorların hız kontrol yöntemler verlmektedr. Günümüzde yaygın olarak kullanılan Darbe Genşlk Modülasyonu (PWM) yöntem ve skalar hız kontrolü anlatılmıştır. Asenkron motorlarda hız kontrolünde güncel olarak kullanılan vektör kontrol yöntem ve bu kapsamda doğrudan ve dolaylı vektör kontrol yöntemler ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Vektör kontrolü smülasyonu yapılmış ve konunun daha y açıklanması sağlanmıştır. Smülasyonların gerçekleştrlmesnde MATLAB, Smulnk ve Toolbox dan yararlanılmıştır. Daha sonra Yapay Snr Ağları ele alınmış ve açıklanmıştır. Son bölüm olarak Üç fazlı br asenkron motorun yapay snr ağı le vektör esaslı hız kontrolünün hız denetm uygulamalı olarak yapılmış bulgu ve değerlendrmeler verlmştr. Bu çalışma K.S.Ü. Fen Blmler Ensttüsü Proe Destek Fonu tarafından ( Proe no: 2005/2-2 le ) desteklenmştr. Yüksek lsans yaptığım süre çersnde ve tezmn hazırlanmasında blg ve yardımlarını esrgemeyen değerl danışman hocam Doç. Dr. Hasan Rıza ÖZÇALIK a, her zaman tecrübelernden stfade ettğm Prof. Dr. Kemal KIYMIK a, Yard. Doç. Dr. A. Serdar YILMAZ a, Öğr. Gör. Sadık DOĞANAY a, Arş. Gör. Ceyhun YILDIZ a, teşekkürlerm borç blrm. Eylül 2006 KAHRAMANMARAŞ ZAFER KOCA IV

7 ÇİZELGELER DİZİNİ ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çzelge 3.. Üç fazlı asenkron motora at etket değerler Çzelge 3.2. Advantech PCI-70HG DA&C kartı teknk özellkler... 4 Çzelge 3.3. Eka Danfos VLT Automaton İnvertörün teknk özellkler Çzelge 3.4. Metronx S ZT Encodern elektrksel ve mekanksel özellkler45 Çzelge 3.5. Encoder bağlantı tablosu V

8 ŞEKİLLER DİZİNİ ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekl 3.. Üç fazlı br asenkron motoru oluşturan kısımlar... 4 Şekl 3.2. Sncap kafesl (kısa devre çubuklu) rotorun yapısı 5 Şekl 3.3. a) Rotoru sncap kafesl statoru yıldız bağlı üç fazlı br asenkron motorun şematk gösterlş b) Sncap kafes bçmnde olan sargının şematk gösterlş... 6 Şekl 3.4. Üç fazlı kısa devre rotorlu asenkron makna kest... 7 Şekl 3.5. a) Asenkron maknanın a-b-c fazlarının α -β eksen takımına dönüşümü (Clark dönüşümü b) α -β eksen takımından d-q eksen takımına dönüşümü (Park dönüşümü)... 3 Şekl 3.6. Br ndüksyon motorun dolaylı vektör kontrollü sürme blok dyagramı... 7 Şekl 3.7. Temel yapay snr ağı hücres... 8 Şekl 3.8. Eşk aktvasyon fonksyonu (Anonm, 2004)... 9 Şekl 3.9. Doğrusal aktvasyon fonksyonu (Anonm, 2004)... 9 Şekl 3.0. Logartmk sgmod aktvasyon fonksyonu (Anonm, 2004)... 9 Şekl 3.. İler beslemel yapı (Anonm, 2004) Şekl 3.2. Ger beslemel yapı (Anonm, 2004)... 2 Şekl 3.3. İler beslemel çok katmanlı snr ağı (Anonm, 2004) Şekl 3.4. Çok katmanlı br ağ çn ger yayılım akış şeması Şekl 3.5. Yapay snr ağı denetleycs blokunun ç yapısı... 3 Şekl 3.6. Oluşturulan yapay snr ağı denetleycs mmars... 3 Şekl 3.7. Yapay snr ağları le oluşturulan br denetleyc ve denetm stem Şekl 3.8. RBF nn ağ mmars yapısı Şekl 3.9. Gauss merkezcl taban fonksyonu 35 Şekl Smulnk le yapılan smulasyon çn NN kontrol devres blok şeması Şekl 3.2. RBF temell yapay snr ağı referans model le adaptf kontrol sstem yapısı Şekl Uygulama devres blok şeması Şekl Deneyde kullanılan üç fazlı asenkron motorun üstten görünümü Şekl Deneyde kullanılan üç fazlı asenkron motorun önden görünümü Şekl Advantech PCI-70HG DA&C kartı... 4 Şekl Advantech PCLD-870 Termnal bağlantı board ı Şekl Metronx S48 rotary encoder Şekl Encoder e at model açıklaması Şekl Encoder boyut resm Şekl Deneyde kullanılan yakogeneratör (Tachogenerator) Şekl 3.3. Manyetk güç fren kontrol üntesnn önden görünümü Şekl Manyetk güç fren(magnetc power brake) Şekl 4.. Smulnk uygulama devres blok şeması Şekl 4.2. Motora at hız-zaman grafğ Şekl 4.3. Motora at tork-zaman değşm grafğ Şekl 4.4. Motora at akım-zaman değşm grafğ... 5 Şekl 4.5. Deney uygulama devres... 5 Şekl 4.6. RBF temell yapay snr ağı blok şeması Şekl 4.7. RBF temell yapay snr ağı referans model le adaptf kontrol sstem yapısı blok şeması VI

9 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekl 4.8. RBF temell yapay snr ağı kullanan adaptf kontrol sstemnn açık blok şeması Şekl 4.9. Motor hız-zaman değşm grafğ () Şekl 4.0. Motor hızındak hatanın zamana göre değşm grafğ () Şekl 4.. Motor hız-zaman değşm grafğ (2) Şekl 4.2. Motor hızındak hatanın zamana göre değşm grafğ (2) Şekl 5.. Smulnk le yapılan smulasyon çn PID kontrol devres blok şeması VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ AC DC RBF PI Sne PWM IGBT rad R s V s I.R f s f mn E s Φ s N s V f R f f L f V a R a a L a e b SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ : Alternatf Akım : Doğru Akım : Radyal Temell Ağ (Radal Bass Functon) : Hata İşlemc : Snüs e : Darbe Genşlk Modülasyonu : Kapısı İzole İk Kutuplu Tranzstörler : Radyan : Stator Drenc : Stator Gerlm : Stator sargışarındak ohmk gerlm düşümü : Stator frekansı s : Stator mnumum frekansı : Stator Elektro Motor Kuvvet ψ k ' b ω M e k ' m V sd sd ω s σ sq L m : Stator Magnetk Alanı : Stator Sarım Sayısı : Doğru Akım Motoru Uyarma Devres Gerlm : Doğru Akım Motoru Uyarma Devres Drenc : Doğru Akım Motoru Uyarma Devres Akımı : Doğru Akım Motoru Uyarma Devres Endüktansı : Doğru Akım Motoru Endüv Devres Gerlm : Doğru Akım Motoru Endüv Devres Drenc : Doğru Akım Motoru Endüv Devres Akımı : Doğru Akım Motoru Endüv Devres Endüktansı : Doğru Akım Motoru Endüv Devres Elektro-motor Kuvvet : Doğru Akım Motoru Uyarma Akısı : Elektro-motor Kuvvet Sabt : Endüv Açısal Hızı : Doğru Akım Motoru Moment : Moment Sabt : d-eksenne İndrgenmş Stator Gerlm : d-eksenne İndrgenmş Stator Akımı : Stator Açısal Hızı : İndüksyon Sabt, varyans : q-eksenne ndrgenmş Stator Akımı : Motor Endüktansı VIII

11 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ L ' r : İndrgenmş Rotor Endüktansı ψ rq : q-eksenne İndrgenmş Rotor Akısı ψ rd : d-eksenne İndrgenmş Rotor Akısı V sq : q-eksenne İndrgenmş Stator Gerlm L s : Stator endüktansı R ' r : Eşdeğer rotor drenc ω r : Rotor açısal hızı p : Stator sargısı tek kutup sayısı ϕ : Faz açısı I s : Stator akımı a : Brnc faz akımı b : İknc faz akımı c : Üçüncü faz akımı α : α -eksenne ndrgenmş faz akımı : β -eksenne ndrgenmş faz akımı β θ E sq ψ r : Eksen dönüştürme açısı : q-eksenne ndrgenmş stator emk : Rotor akısı x n : Yapay snr ağı hücres grş değerler ( n =,2,3,..,n ) : Yapay snr ağı ver toplama şlev ω : Ağırlıklar matrs ( =,2,3., ) O : Yapay snr ağı çıkış fonksyonu f(x) : Aktvasyon fonksyonu λ : Eğm ( aktvasyon hız katsayısı ) Δ : Geckme E : Hata kareler toplamı P : Eğtm kümesndek örüntü sayısı K : Ağ çıkışlarının sayısı d k : k. paternn hedef çıkışı S :. Çıkış nöronunun grş snyallern ağırlıkları toplamı y : Nöron çıkış fonksyonu ( O = y ) η : Öğrenme sabt δ : Hata Snyal S : Net Değer YS : Yapay Snr YSA : Yapay Snr Ağı YSAS : Yapay Snr Ağı Sstemler MLP : Çok katmanlı perceptron ( Mult Layer Perceptron ) RBF : Radyal temell fonksyon ( Radal Bass Functon ) f : Frekans e(k) : Hata IX

12 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ y(k) : Arzu edlen çıkış o(k) : Yapay snr ağı çıkışı n : Yapay snr ağı net çıkışı α : Öğrenme oranı As. Mot. : Asenkron motor DA&C : Dtal Analog kontrolör ( Dgtal-Analog Controller ) NN : Snr Ağı ( Neural Network ) X

13 GİRİŞ. GİRİŞ Asenkron maknalar, dğer maknalara oranla yapısının bast ve kolay anlaşılır, ucuz olmaları, patlayıcı ortamlar dahl her türlü kötü ortam koşullarında çalışablmeler ve fazla bakım gerektrmemeler sebebyle terch edlrler. Bu nedenle endüstrde ve çoğunlukla değşken hızlı tahrk sstemlernde yaygın olarak kullanılırlar. Bu nedenle maknanın değşken hızlarda çalışma koşullarının ncelenmes gerekr. AC motorlar sürekl durumda, DC motor kadar verml olablmektedr. Fakat şmdye kadar yapılan çalışmalarda, AC motorlarda ulaşılan dnamk performans y değldr. Dnamk performans, motorun hız ya da momentte meydana geleblecek değşme vereceğ tepknn ölçüsüdür. AC motor kontrol teknğnde son yıllarda yapılan çalışmalar vektör kontrolü kavramını ortaya çıkarmıştır. Vektör kontrolü teknğ (SVM) le serbest uyarmalı DC motorun kontrolüne benzer bçmde, AC motor kontrolü yapılablr ve aynı kaltede dnamk performans sağlanablr. AC motorda moment, akı ve akımın etkleşmyle oluşur. AC ndüksyon motorlarda besleme statordan yapıldığı çn moment ve akıyı oluşturan akımı ayırmak zorlaşır. Vektör kontrolünün amacı moment ve akıyı oluşturan akımı br bakıma manyetk olarak brbrnden ayırmak ve brbrn etklemeden kontrolü sağlamaktır. Bu amaçla sürekl haldek eşdeğer devresnden elde edlen moment fadesnden hareketle, asenkron maknanın değşken hızda çalışablmes çn vektör kontrollü hız denetm yapay snr ağları le kontrol edlerek hız kontrolü gerçekleştrlmştr. Yapay snr ağı le kontrol çn ger yayınım algortması özellğ olan Radyal Temell Ağ (Radal Bass Functon, RBF) seçlmş ve bu ağ le hız denetm gerçekleştrlmştr. RBF ağı dğer ağlardan çok daha hızlı br şeklde sstem öğrenmekte ve hızlı br denetm mkanı sağlamaktadır. Bu nedenle böyle br seçm yapılmıştır. Bu çalışmada sstem le ara brm elemanlarının uyumlu br çalışma sağlaması çn kullanılan elemanların tanımlandığı Matlab 7. yazılımı terch edlmştr. Güç elektronğndek ve mkro-elektronktek gelşmeler sayesnde AC maknalar böyle br hız kontrolünü hızlı br şeklde sağladığından kullanım alanı daha da yaygınlaşmıştır. Bu çalışmada bütün bu gelşmeler göz önüne alınarak asenkron motorların hız kontrolüne değşk br açıdan yaklaşılmış, sürekl gelşen teknolo nedenyle sanay sektörüne br katkı sağlanması amaçlanmıştır. Yne bu çalışmada asenkron motorların modellenmes ve hız kontrolüne modern br bakış açısı sunulması hedeflenmştr.

14 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Asenkron motorlar yaygın br kullanım alanına sahp olduklarından bunların hız kontrolü öneml br konu olmuş ve bu konuya çözüm getreblmek çn çok çeştl yöntemler gelştrlmştr. Akademk düzeyde gerek smulasyon ve gerekse uygulama olarak yapılan bu çalışmalar konuya çözüm getrmey hedeflemektedr. Bu konuyla lgl değşk açılardan ele alınan çalışmalardan bazıları aşağıda verlmştr. - Okan BİNGÖL (2005), Üç sevyel evrc le asenkron motorların hız denetm konusunda makale yayınlamıştır. (MTET - İstanbul) - H. Rıza ÖZÇALIK, A. KÜÇÜKTÜFEKÇİ (2003), Dnamk sstemlern yapay snr ağları le düz ve ters modellenmes konusunda makale yayınlamıştır. ( KSU J. Scence and Engneerng 6) - Hayrettn CAN (2003), Asenkron motorların düşük hızlarda duyargasız vektör kontrolü konusunda doktora tez çalışması yapmıştır. (Tez no : 34806) - Metn AKIN (2002), Br vektör kontrol yönetmnn uygulama hız sınırlarının genşletlmes çn yöntem gelştrme konusunda Yüksek Lsans tez çalışması yapmıştır. - Hüseyn ALTUN (200), Lneer asenkron motorun vektör kontrolü konusunda doktora tez çalışması yapmıştır. (Tez no : 4387) - Mehmet DAL (200), Asenkron motorun vektör kontrolü ve dayanıklı akı gözlemleyc tasarımı konusunda doktora tez çalışması yapmıştır. (Tez no : 05902) - H. D. Patno, Derong LIU (2000), Neural Network-Based Model Reference Adaptve Control System konusunda çalışma yapmıştır. (IEEE Transactons on Systems, Man. And Cybernetcs-Part Vol.30, No.) - H. Blge MUTLUER (999), Asenkron motorların vektör kontrolü konusunda Yüksek Lsans tez çalışması yapmıştır. (Tez no : 83932) - Çağatay ŞAŞMAZ (998), Sncap kafesl asenkron maknanın bastlendrlmş vektör kontrolü konusunda Yüksek Lsans tez çalışması yapmıştır. (Tez no : 7533) - R. Mert ÖZEL (996), Sncap kafesl asenkron maknanın kayma kpl vektör kontrolü konusunda Yüksek Lsans tez çalışması yapmıştır. (Tez no : 55893) Asenkron motorlarda hız kontrolü le lgl yapılan çalışmalara bakıldığında çok farklı yöntemler kullanıldığı görülür.örneğn skalar hız kontrolünde IR kompanzasyonu yöntem yaygın olarak kullanılır k bu yöntem asenkron maknalar çn sürücü mal eden frmalar tarafından yaygın olarak kullanılır. Bu çalışma bçm lteratürde alan zayıflatmalı 2

15 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR çalışma olarak adlandırılır. Endüstrde asenkron motorların hız kontrolünde yoğun olarak kullanılan stator gerlmnn genlk ve frekansının değştrlmesnn söz konusu olduğu yöntemn gerçekleştrleblmes çn maknanın beslendğ güç katının, değşken genlk ve frekansta gerlmler üreteblecek özellkte olması gerekr. Değşken hızlı tahrk sstemlernn endüstryel uygulamalarında, güç katı olarak, büyük çoğunlukla değşken genlk ve frekansın elde edlmes çn evrcler kullanılmaktadır. (BİNGÖL, 2005) Asenkron motorlarda rotor akısı baz alınarak gelştrlen kontrol yöntem se rotor akısından oryantasyonlu vektör kontrolüdür. Maknanın d-q eksen takımına ndrgenmes yöntemne dayalı bu kontrol yöntem genel olarak vektör kontrolü olarak adlandırılır. Burada referans olarak seçlen akı ve moment değerler, hesaplanan akı ve moment le karşılaştırılır ve oluşan akı ve moment hataları PI tp kontrolöre uygulanır. Kontrolörlern ürettğ kontrol şaretler maknanın d-q akım bleşenlernn referans büyüklükler olarak kullanılır. Buradan elde edlen d-q referans akım bleşenler dönüşüm açısı da kullanılarak PWM şaretler üretleblr. Böylece PWM üretlmesne dayalı vektör kontrol sstem yöntemler le kontrol gerçekleştrleblr. (DAL, 200) 3

16 3.. Materyal 3... Asenkron Maknaların Yapısı Asenkron maknalar motor olarak stator sargıları le aldığı elektrk enersn rotorundan dönme hareket yaparak mekank enerye çevren ve generatör olarak, rotorundan aldığı dönme hareket mekank enersn, bazı koşullar altında, stator sargılarında elektrk enersne, çevren elektro-mekank maknalardır. (BODUROĞLU, 98) Dönme sayıları sabt değldr, fakat dönme sayısı yükle az değşr. Dönen dğer elektrk maknalarına kıyasla daha sağlam, daha az bakım steyen ve daha ucuz maknalardır. Son yıllarda, yarı letken güç elektronğndek teknolok gelşmeler le asenkron maknaların kontrolü kolayca yapılablmektedr. Özellkle frekans değştrclernde trstörlerden sonra güç tranzstörlernn ve IGBT (kapısı zole k kutuplu tranzstör) lern kullanılır hale gelmesn burada belrtmek gerekr. Bu gelşmelerle asenkron motorların hızının kontrolü, moment kontrolü ve yumuşak yol verme (softstartng) şlemler le bu maknalar, dğer üstün yapısal özellkler le doğru akım maknalarının endüstrdek yern almaya başlamıştır. Asenkron maknalar başlıca k kısımdan oluşur; Hareket etmeyen stator ve stator sargıları Dönme hareket yapan rotor ve rotor sargıları a) Stator, maknanın hareket etmeyen kısmıdır. Statorda magnetk akıyı leten stator saç paket le stator sargıları vardır. Stator saç paket k yüzü zole edlmş 0.5 mm lk slsyum demr saçların br araya getrlerek ve basınç altında sıkıştırılması le elde edlr. İnce saçlar kalıplar kullanılarak büyük presler yardımı le şlenerek oluklar ve dşlerle brlkte gereken delkler açılarak üretlrler. Oluklar, uygun kalıplar yardımı le motorun elektrk karakterstklerne etkyen değşk bçmde üretlrler. (Sarıoğlu, 2003) Resm de üç fazlı, br asenkron motorun kısımlarını gösteren resmler verlmştr. Bu resmde stator gövdes, saç paket, stator sargıları ve montaı yapılmış motor görülmektedr. Şekl 3.. Üç fazlı br asenkron motoru oluşturan kısımlar (ABB) 4

17 b) Rotor asenkron motorun dönen kısmıdır ve rotor saç paket le rotor sargılarından oluşur. Rotor saç paket O.5 mm lk slsyum saçlardan yapılır. Saçların yüzeyler çok nce br flm tabakası le yalıtılmıştır. Saçlar özel kalıplarla pres altında oluk, dşler ve sıkıştırma cvata delkler oluşacak şeklde saç şertlernden keslerek çıkartılır. Saçlar br araya getrlerek pres altında sıkıştırılır ve cvatalarla bu halde kalması sağlanır. Resm 2 de se sncap kafesl br rotorun yapısı görülmektedr. Şekl 3.2. Sncap kafesl (kısa devre çubuklu) rotorun yapısı (ABB) Sncap kafesl motorlarda rotor oluklarına bakır çubuklar yerleştrlr. Bu çubuklar her k baştan daresel halkalarla kısa devre edlerek, sncap kafesne benzeyen kend üzerne kapatılmış br sargı elde edlr. Sncap kafesl motor sargısı özel kalıplarla rotor oluklarına basınç altında alümnyum püskürtülerek de üretlr. Böylece üretlen rotor sncap kafes alümnyumdan yapılmış olur. Üç fazlı asenkron motorun statorunda sargı eksenler arasında uzayda 2π /3 rad lık açı olan üç adet br fazlı sargı vardır. Bu üç sargı yıldız ya da üçgen olarak bağlanır. Faz sargılarını oluşturan bobnler stator oluklarına yerleştrlr. Bu bobnler brbr le ser bağlanarak faz sargısını oluştururlar. Rotor sargıları, normal üç fazlı yıldız bağlı ya da sncap kafesl türden olablr. Sncap kafesl motorlarda rotor çubuklarını her brs br faz sargısı gb davranır ve bu çubuklar k baştan brer halka le kısa devre edlr.şekl 3.3 de statoru yıldız bağlı, rotoru sncap kafes bçmnde olan br asenkron motor bağlama şeması gösterlmştr. 5

18 Şekl 3.3. a) Rotoru sncap kafesl statoru yıldız bağlı üç fazlı br asenkron motorun şematk gösterlş b) Sncap kafes bçmnde olan sargının şematk gösterlş. Endüstrde yaygın olarak kullanılan sncap kafesl veya kısa devre rotorlu asenkron makna, çoğunlukla motor olarak kullanılıp statoru 3, rotoru m fazlı br yapıya sahptr. Bu maknalar da rotor ve stator arasındak hava aralığı düzgün olup, motor kest Şekl 3.4 de, verlmştr. 6

19 Şekl 3.4. Üç fazlı kısa devre rotorlu asenkron makna kest Öncelkle Şekl 3.4'dek rotorun her çubuğu br rotor faz sargısı olarak kabul edlen motorun eşdeğer devresnden hareketle maknanın toplu parametrel model ele alınacaktır Asenkron Motorlarda Hız Kontrolü Asenkron maknalarda hız kontrolünün yapılablmes çn maknanın değşken hızlarda çalışma koşullarının ncelenmes gerekr. Bu amaçla sürekl snüzodal haldek eşdeğer devresnden çıkarılablecek moment fadesne bakıldığında, asenkron maknanın değşken hızda çalışablmes çn, stator gerlmnn, stator sargısı kutup çftnn, stator frekansının yada rotor drencnn değştrlmesnn gerektğ görülür. (Rotor drencnn değştrlmes ancak blezkl asenkron motorlarda mümkündür.) Burada en çok uygulanan yöntem stator gerlmnn genlk ve frekansının değştrlmes le yapılan hız kontrolüdür. Asenkron maknaların değşken hızlı tahrk sstemlernn kontrolünde stator gerlmnn genlk ve frekansının değşmne dayalı yöntemler kye ayrılır. (Sarıoğlu, 2003) - Skalar kontrol yöntemler 2- Vektör kontrol yöntemler Skalar Kontrol Yöntemler Maknanın hız kontrolünde stator gerlm genlk ve frekansının değştrlmes en uygun yöntemdr. Maknanın sürekl remde geçerl olan moment fadesne bakıldığında, R S = 0 olması koşulu altında gerlm/frekans ( V s / f s ) oranının sabt tutulması le düşük hızlar dışında maknanın hızının genş br aralıkta kontrol edlebldğ görülmektedr.bu durumda maknanın oluşturableceğ maksmum moment değer tüm hız kontrol aralığında sabt kalacaktır. Maknanın bağlı olduğu kaynaktan çektğ akımda yne bell br yük çn 7

20 hız aralığı boyunca değşmeyecektr. Ancak bu yöntemde, stator gerlm genlğnn az olduğu düşük hız bölgelernde stator drenc öneml hale gelr. Motora nomnal yükünün uygulanması durumunda, bu çalışma bölgesnde gerekl moment değernn sağlanması çn maknaya uygulanan gerlme oranla oldukça büyük değerde olan R s.i s gerlm düşümünün de karşılanması gerekmektedr. Bu değer yol alma sırasında da öneml olup maknenn başlangıçta üretmes gereken yol alma momentnn değern etklemektedr. Bu nedenle özellkle düşük hız bölgelernde gerlmn genlğ, bahsedlen gerlm düşümünü kompanze edeblecek şeklde gerlm/frekans oranının belrledğ değerden daha yüksek seçlmeldr. I.R kompanzasyonu olarak adlandırılan bu yöntem asenkron maknalar çn sürücü mal eden frmalar tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. Motorda Vs Es alınırsa, Vs f sφ s N s olduğundan, V s / f s oranının sabt tutulması hava aralığı akısı Φ s n sabt tutulması anlamına gelr. R s n sıfırdan farklı olduğu düşünülecek olursa bunu sağlamak çn V s stator gerlm yerne, statorda ndüklenen E s gerlm le stator gerlm frekans oranının sabt tutulması gereğ anlaşılır I.R (ohmk gerlm düşümü) kompanzasyonu br anlamda bunu sağlamaktadır. Düşük hızlı bölgeler dışında gerlm/frekans oranı doğrusal alınablr. Makna hızının, senkron hız değernn üzerne çıkarılması çn, maknaya nomnal frekansının üzernde br frekans uygulanması gerekr. Bu durumda gerlm/frekans oranının sabt tutulablmes çn gerlmn de artan frekansla artması gerekr. Ancak sargı zolasyon problemler neden le uygulanan gerlmn nomnal değernn üzerne çıkması pek arzu edlmez ve bu nedenle maknaya uygulanan gerlm/frekans oranının sabt tutulması koşulu nomnal frekans üzerndek değerlere karşılık olarak maknaya uygulanan gerlmn nomnal değernde sabt tutulması le sonuçlanır. Stator gerlmn genlk ve frekansının bu blgler dışın da elde edlen değşmeler verlmştr. Genel olarak doğrusal değşmden IR kompanzasyon bölgesne geçmey gerektren frekans değer f 0 veya 5 Hz cvarındadır. s mn = Burada bahsedlen IR kompanzasyonu, nomnal frekans ve altındak tüm hız bölgesndedr. Bu durumda verlen doğrusal değşm bölgesnde V/f, oranı, söz konusu örnek makna çn hesaplanmalıdır. Anma değernden daha yüksek hız değerlernde se sabt gerlm bölgesnde çalışma söz konusudur. Elde edlen şeklden de görüleceğ gb, bu bölgede artan frekansa karşılık gerlm sabt kaldığı çn hava aralığı akısı, dolayısıyla da maknanın üretebleceğ moment düşmektedr. Bu çalışma bçm lteratürde alan zayıflatmalı çalışma olarak anılır. (Tama) Endüstrde asenkron motorların hız kontrolünde yoğun olarak kullanılan stator gerlmnn genlk ve frekansının değştrlmesnn söz konusu olduğu yöntemn gerçekleştrleblmes çn maknanın beslendğ güç katının, değşken genlk ve frekansta gerlmler üreteblecek özellkte olması gerekr. Motoru besleyen şebeke sabt genlk ve frekansta snüzodal gerlmler sağlamaktadır. Bu kaynaktan maknanın hız kontrolü çn gerekl değşken genlk ve frekanslı snüzodal şaretler üreten güç elektronğ devrelernden oluşmuş sstemlere genel olarak frekans çevrcler adı verlmektedr. Bu çevrcler genel olarak k türlüdür: a) Doğrudan frekans çevrcler b) Ara devrel frekans çevrcler 8

21 Ara Devrel Frekans Çevrcler bağlı bulundukları şebekenn sabt genlk ve frekanslı snüzodal gerlmnden değşken genlk ve frekanslı gerlm ve akımlar üreten ara devrel frekans çevrcler asenkron maknanın hız kontrolünde yaygın olarak kullanılırlar. Bu çevrcler yapı tbarı le ; - Grşte şebeke gerlmn doğrultan br veya üç fazlı tam dalga kontrollü (trstörlü) veya kontrolsüz (dyotlu) br doğrultucu - Doğrultucuya bağlı br ara devre (ara devrenn türüne göre ser endüktans ve paralel br kondansatörden oluşan gerlm ara devrel olablr ) ve evrcden oluşur. Ara devre çıkışında yer alan evrcler se, a) Kare dalga evrcler b) Darbe genşlk modülasyonlu ( Pulse Wdth Modulaton, PWM) evrcler olmak üzere k türlü olablr. Darbe Genşlk Modülasyonu ( PWM ) alternatf akım maknaları sargılarından akan snüzodal akımlara ve sargı gerlmlerne göre boyutlandırılırlar. Değşken hızlı tahrk sstemlernn endüstryel uygulamalarında, güç katı olarak, büyük br çoğunlukla değşken genlk ve frekansın elde edlmes çn evrcler kullanılmaktadır. Evrcler sabt doğru gerlm veya akımdan beslenrler. Bu kaynaktan motor sargılarına uygulanmak üzere snüzodal akımlar elde edlmes çn en ekonomk ve uygulanması en kolay yöntem, grş genlğnn sabt tutulduğu, fakat bu genlğn uygulanma süresnn ya da darbe genşlğnn çıkışta stenlen snüzodal şarete göre modüle edlerek, darbe dzs bçmndek şaretlern oluşturduğu yöntemdr. Bu modülasyon şlem, darbe genşlklern stenlen snüzodal şaretlere uygun olarak modüle ettğ çn darbe genşlk modülasyonu olarak adlandırılır. (Zurada, 992) Vektör Kontrol Yöntemler Serbest uyarmalı doğru akım maknaları hız kontrolünün kolayca yapılablmes neden le sanayde yaygın olarak kullanılan değşken hızlı kontrol sstemler sınıfında, uzun br süre rakpsz kalmıştır. Ancak bu maknaların en büyük dezavantaları olan komütatör ve fırça yapısı, maknanın hem belrl aralıklarda bakım gereksnmne hem de fırça kollektör teması neden le patlayıcı, parlayıcı ve tozlu ortamlarda kullanılamamasına, yüksek devr sayılarına ve yüksek gerlmlere çıkılamamasına neden olmuştur. Bütün bu dezavantaları neden le değşken hızlı tahrk sstemlernde doğru akım maknası yerne, güvenle kullanılacak başka br maknanın yerleştrleblmes çn mkro elektronğn günümüzde ulaşmış olduğu teknolok sevyeye gelmesnn beklenmesn gerektrmştr. Asenkron maknalar sağlam yapıları, bakım gerektrmemeler, yüksek güç / ağırlık oranları ve her türlü ortam koşullarında çalışablmeler gb üstün özellkler nedenyle uzun süreden ber kullanılmakta ve endüstrnn lgsn çekmekteydler, fakat doğru akım 9

22 maknaları le kontrol açısından rekabet edeblmeler ancak mkro elektronk alanındak öneml gelşmeler sayesnde mümkün olmuştur. Bu gelşmeler sayesnde, karmaşık kontrol ve dönüşüm algortmalarını yüksek hızlarda uygulayablen büyük kapastel mkro kontrolörlern tasarlanmış olması yanı sıra, yne artan güç ve hızda güç elektronğ anahtarlama elemanlarının üretm le mümkün olmuştur. Asenkron maknaların kontrolüne lşkn dğer br problem de snüzodal sargı akımları oluşturmak üzere bağlandıkları evrcden kaynaklanan akım harmonklerdr. Bu harmonkler motor sargılarındak lave ısınmanın yanı sıra maknanın momentnde oluşturdukları harmonk momentlernn salınım etks neden le maknanın bağlı olduğu mekank sstemlerde vuruntulara ve hızda da dalgalanmalara yol açmaktadırlar. Günümüz güç elektronğ anahtarlama elemanları olarak çoğunlukla kullanılan IGBT'ler le yaklaşık 20 khz anahtarlama frekanslarına ulaşmak mümkün olmaktadır. Hızlı anahtarlama elemanlarının kullanımı le bu elemanlardan oluşturulan evrcler üzernden beslenen maknada harmonk akımları ve dolayısı le, harmonk momentler etks azalmaktadır. Asenkron maknanın karmaşık kontrol ve dönüşüm algortmaları gerektrmesnn neden maknanın doğrusal olmayan yapısından kaynaklanmaktadır. Oysa serbest uyarmalı doğru akım maknası doğrusal br kontrol yapısına sahptr. Bunun neden akıyı ve moment oluşturan akım bleşenlernn brbrnden bağımsız olarak kontrol edleblmesdr. Bu sayede akı sabt tutulduğunda, moment kendn oluşturan akım bleşen le doğrusal olarak kontrol edlmektedr. Momentn akım le kontrolü, moment değşmlernde hızlı cevap sağlar. Serbest uyarmalı doğru akım maknasının endüv reaksyonu, doyma ve hstersz etklernn hmal edldğ durumdak matematksel model aşağıdak gb yazılablr. (Patno, 2000) V f = R f f + L f d f dt (3..a) V a = R a a + L a d a + e b dt (3..b) Bu modelde sırasıyla V f, R f, f,l f uyarma devres gerlm, drenç, akım ve endüktansını, V a, R a, a, L a,e b endüv devres gerlm, drenç, akım ve endüktansı le ters emk'yı temsl etmektedr. Maknanın uyarma akısının uyarma akımı le aşağıdak gb doğrusal olarak değştğ varsayımıyla ψ = L f f (3..c) yazılablr. Maknanın ters elektromotor kuvvet (emk), e b, emk sabt k ' b olmak üzere, uyarma akısı ψ ve maknanın açısal hızı ω cnsnden aşağıdak gb yazılablr. e b = k ' b ψ ω (3..d) Son olarak, maknanın moment fades se aşağıdak gbdr: M e = k ' m ψ a = k ' m L f f a (3..e) 0

23 Maknanın (3.) le verlen denklemlernde yer alan endüv ve uyarma akımları yukarıdak varsayımlar altında (3..a) ve uyarma akısı sabt tutularak brbrnden bağımsız hale getrleblr. Uyarma ve endüv eksenler brbrne dk eksenlerdr ve sırasıyla asenkron maknanın d-q eksen takımlarına karşı düşmektedrler. (3..e) dek moment fadesnde, f akıyı oluşturan uyarma akımıdır. Serbest uyarmalı maknada bu akım sabt tutularak sabt br uyarma akısı elde edlr ve böylece moment, a endüv akımı le doğrusal olarak değştrleblr. Endüv reaksyonu hmal edldğ taktrde bu k akımın değşm brbrn etklemeyecektr. Asenkron maknada se akıyı ve moment ayrı ayrı kontrol edeblecek k akım bleşen mevcut değldr; sadece stator akımı vardır. Stator akımı se snüzodal br akım olması neden le genlk, frekans ve faz blglern çerr. asenkron makna da kontrol edlmes gereken büyüklük, genlğ, fazı ve frekansı le tanımlanan akım vektörüdür. Bu kontrol şlev lteratürde vektör kontrolü olarak adlandırılır.(sarioğlu, 2003). Maknanın stator akım vektörü, doğru akım maknasındak uyarma ve endüv akımlarına benzer şeklde br akıyı, dğer moment oluşturmak üzere brbrne dk k bleşene ayrılmalıdır. Akı baz alınarak stator akımının bleşenlerne ayrılması şlem akı oryantasyonu olarak adlandırılır. Baz alınacak akıya göre farklı akı oryantasyon yöntemler mevcuttur. Ancak tüm bu yöntemlerde akıyı oluşturan ve akı le aynı yönde olan akım bleşen yardımı le akı sabt tutulup dğer akım bleşen le moment doğrusal olarak ayarlanır. Böylece asenkron makna, hız referansı değşmlerne ve yük moment değşmlerne doğru akım maknası kadar hızlı cevap vereblmektedr. Şmd yöntemn daha y anlaşılması çn öncelkle asenkron maknanın d-q eksenndek model verlecektr. Asenkron maknanın bağıntılarını yazarsak: V sd = R s sd - V sq = R s sq - ωs ωs L m d σ Lssq + ψ rq + ' Lr dt L m d σ Lssd + ψ rd + ' Lr dt L m σ Lssd + ψ ' rd Lr L m σ Lssq + ψ ' rq Lr L 0 = R ' m r rd ' ψ ' sd - ωr ψ rq + Lr Lr L 0 = R ' m r rq ' ψ ' sq + ωr ψ rd + Lr Lr M e = p L L ( ψ ψ ) m ' r sq rd sq rq dψ dt dψ dt rd rq (3.2) Daha önce söz edldğ gb maknanın model 5 adet doğrusal olmayan denklemden oluşmaktadır. Modelde görülen ω s sd, ωs ψ rd, ωs sq, ωs ψ rq, ωr ψ rd, ωr ψ rq, sq ψ rd, sd ψ rq çarpımlarının yanı sıra maknanın parametrelernn, özellkle de

24 rotor devres parametrelernn akım genlk ve frekansları le değşmes sstem doğrusal olmayan br sstem halne getrmektedr. Ayrıca, artan frekansla endüktansların değer azalırken der olayı nedenyle drenç artmakta, hava aralığı akısı se doymadan etklenmektedr. Bütün bu özellkler göz önüne alınarak kontrol açısından bakıldığında oldukça karmaşık ve zor br sstem ortaya çıkmaktadır. Bu sstemn doğru akım maknasına benzer kontrolünü gelştreblmek çn hem doğrusal olmayan kontrol kurallarının gelştrlmesne, hem de bu kuralların uygulanablmes çn hızlı şlem yapablen kontrolörlere (DSP, Dgtal Sgnal Processor, dtal şaret şleyc ) gerek vardır. Maknanın hava aralığında senkron hızla dönen d-q eksen takımındak modelnde maknanın tüm grş (v sq, v sd ) ve durumları ( sd, sq, ψ rd, ψ rq ) d ve q eksen takımına göre tanımlıdır. Bu büyüklükler (d-q) şeklndek kartezyen büyüklükler yerne, genlk ve açı bçmndek polar büyüklüklerle de fade edleblr. Grş ve durum büyüklüklernn vektörel olarak gösterm aşağıdak gbdr: s V = V sd + V sq = V s e ϕ v I s = sd + sq = s ϕ I e (3.3) ψ r = ψ rd + ψ rq = ψ r e ψ ϕ Tanımlanan vektörel gösterm ve bu vektörlern d-q eksen takımlarındak zdüşümler Şekl 4' de verlmştr. Maknanın d-q eksen takımındak modelnde parametreler sabt, grş ve durum değşkenler se doğru akım bleşenler şeklndedr. d-q eksen takımı,statorda duran α -β eksen takımına göre ω s = θ, açısal hızıyla dönerken bu eksende tanımlı V, grş le s,ψ s ve ψ r vektörlernn α -β eksen takımına göre konumları sırasıyla aşağıdak gb yazılablr. ω s =. s θ ω ν = ω s + ω = ω s + ω ψs = ω s + ω ψr = ω s +. ν. : d-q eksen takımının açısal hızı V ϕ : s, gerlm vektörünün açısal hızı ϕ : s. ϕ ψs : s. ϕ ψr : r, akım vektörünün açısal hızı ψ, stator akı vektörünün açısal hızı ψ, rotor akı vektörünün açısal hızı Şekl 3.5'de de gösterldğ gb tüm vektörler br baz eksen d-q' ya göre tanımlanmıştır. Elde edlen modeln daha bastleştrlmes ve dolayısıyla kontrole daha uygun hale geleblmes çn yukarıda sıralanan tüm büyüklüklern keyf seçlen br eksene 2

25 göre tanımlanması yerne, grş veya değşkenlerden br baz seçlerek, dğer değşkenlern buna göre tanımlanması da mümkündür. a) Clark Dönüşümü b) Park Dönüşümü Şekl 3.5. a) Asenkron maknanın a-b-c fazlarının α -β eksen takımına dönüşümü (Clark dönüşümü b) α -β eksen takımından d-q eksen takımına dönüşümü (Park dönüşümü) Clark dönüşümünde asenkron motorun statöründe üç faza at büyüklükler ( a, b, c ) referans eksen sstemnde 2 boyuta taşınır. İk boyuttak büyüklükler ( α, β ) tanımlanır. Şekl 3.5 de bu dönüşüm gösterlmştr. Daha sonra α, β eksen sstemnde tanımlanan büyüklükler uygun br θ açısı le d, q eksen takımına taşınır. Bu dönüşüm se Park dönüşümü olarak adlandırılır. Bu tanımlamada amaç daha önceden de söylendğ gb makna modelnn bast ve kontrol edlmesne uygun hale gelmesnn sağlanmasıdır. Bu stenlen özellkler sağlamak üzere modelde yer alan denklemlere bakıldığında, baz olarak seçlecek en uygun değşkenn rotor akısı olduğu görülür. Dğer büyüklükler, baz olarak seçlen değşkene göre tanımlandığı çn bu durumda rotor akısından oryantasyonlu (kaynaklanmış) br vektör kontrol sstem söz konusu olacaktır. Rotor akısının d eksen üzernde tanımlanıp dğer tüm değşkenlern de bu eksen ve buna dk q eksenne göre tanımlanması le stator akım vektörü de hem rotor akısının yer aldığı d eksen, hem de q eksennde bleşenlere ayrılacaktır. Rotor akısı da aynı eksen üzernde yer aldığına göre, stator akım vektörünün d eksen bleşen akıyı kontrol eden akım bleşen, q eksen üzerndek akım bleşen se moment kontrol eden akım bleşen olacaktır. Bu durumda Şekl 3.3 de k tüm değşkenlern bağlı olarak tanımlandığı keyf br d-q eksen takımı yerne, artık d eksen, rotor akısı le çakışan, dğer tüm değşken bleşenlernn se bu eksen ve buna dk q eksen üzernde yer aldığı br sstem söz konusudur. Yen durumda tanımlı olan vektörlern d-q eksen takımına göre tanımları; ω s = olarak verleblr. θ. s ω v = ω s + ω ψs = ω s + ϕ. v. ψs : eksen takımının ve rotor akı vektörünün açısal hızı, : gerlm vektörünün açısal hızı, ϕ : stator akı vektörünün açısal hızı, 3

26 Eğer rotor akısı d eksen üzernde olacak şeklde yan ψ = ψ r rd se ψ rq = 0 olur. Buna göre, rotor akısından oryantasyonlu model uygun şeklde düzenleneblr. Burada moment fades doğru akım maknasının moment fadesne benzemektedr. Maknanın rotor akısının sadece d eksen bleşen vardır ve rotor akısı burada doğru akım maknasında k d eksen üzerndek uyarma akısına karşı düşmektedr. Asenkron maknanın q eksenndek akımı se doğru akım maknasının q eksenndek endüv akımına karşı düşmektedr. Serbest uyarmalı doğru akım maknasında akı, uyarma akımı le kontrol edlmektedr. Burada se d eksen rotor akısı d eksen stator akımı le kontrol edlmektedr. Bu fade de durum denklem düzenlenr. Maknanın d eksen akısı le akım arasındak lşk doğrusal olup br transfer fonksyonu le verleblr. Akı denklemnn sürekl remdek değer le akım arasındak lşk bulunablr. Bu denklem sabt uyarmalı doğru akım maknesnn endüv denklemne Ls benzemektedr. E sq = ωs ψ rd olup ters EMK ya karşı düşmektedr. Maknanın rotor Lm akısının d eksen üzernde olması durumunda d-q modelne lşkn blok şema çıkartılablr. Moment fadesnde yer alan ψ r : rotor akısı, sd ve sq se s akımının rotor akısına ve ona dk olan eksen üzerndek bleşenlerdr. ψ r akısını oluşturan akım bleşen sd doğru akım maknasındak f ye, sq se a ya benzemektedr. Akı sd le sabt tutulurken, moment sq le doğrusal olarak değştrleblmektedr. Rotor döner alanı üzernde tanımlı bu büyüklükler artık doğru akım büyüklüklerdr. Akımın, br rotor akısı yönünde dğer se buna dk yönde k bleşene ayrılablmes çn rotor akısının modül ve açısının elde edlmes gerekmektedr. Rotor akısı ölçüleblen br büyüklük olmadığından ölçüleblen büyüklükler yardımı le oluşturulması gerekmektedr. Rotor akısının elde edlmes le akının sabt tutulmak stenen modülü ve akımların dönüşümü çn gerekl dönüşüm vektörlernn oluşturulacağı açı elde edlecektr. Rotor akısının elde edlmesnde doğrudan ve dolaylı olmak üzere k yöntem söz konusudur. Daha öncede söz edldğ gb, rotor akısı baz alınarak gelştrlen kontrol yöntemne rotor akısından yönlendrmel vektör kontrol adı verlr. Makna modelnn rotor akısından yönlendrmel bast br modelnn elde edlmesnde temel unsur, makna rotor akısının d eksen üzernde tutulablmesdr. Bunu sağlamak üzere, maknaya uygulanması gerekl grş, stator gerlmnn genlğ ve bu gerlmn frekansıdır ve bu değerler hesaplanarak uygulanmalıdır. Rotor akısından yönlendrmel makna modeller elde edlebldğ gb stator akısından yönlendrmel veya hava aralığı akısından yönlendrmel modeller ve bu modellere dayalı kontrol sstemler gelştrleblr. Maknanın d-q eksen takımına dayalı bu kontrol yöntemler genel olarak vektör kontrol yöntemler olarak da adlandırılır ve daha önceden de bahsedldğ gb k ana kısma ayrılır: 4

27 a) Doğrudan vektör kontrol yöntem b) Dolaylı vektör kontrol yöntem Bu kontrol yöntemler dışında doğrudan moment veya akı kontrol yöntem de mevcuttur. Söz konusu yöntemlerden doğrudan moment veya akı kontrol yöntem stator akısından kaynaklanan br yöntemdr. Doğrudan ve dolaylı vektör kontrol yöntemler se genellkle rotor akısından kaynaklı vektör kontrol yöntemlerdr. Buna karşılık stator akısı veya hava aralığı akısından kaynaklanan vektör kontrol yöntemler de vardır. Burada doğrudan ve dolaylı vektör kontrol yöntemlernde sadece rotor akısından kaynaklanan vektör kontrol yöntemler ele alınacaktır. Rotor akısından yönlendrmel (oryantasyonlu) vektör kontrolünde kontrol şlevnn gerçekleştrlmes çn rotor akısının genlk ve fazının elde edlmes gerekldr. Rotor akısının genlğ kontrolde ger besleme şaret olarak kullanılırken, fazı se d-q dan a-b-c veya a-b-c den d-q ya yapılacak dönüşümlerde, dönüşüm açısı olarak kullanılacaktır. Doğrudan veya dolaylı vektör kontrol yöntemlernn brbrnden farkı akının genlk ve fazının elde edlme şeklne dayanmaktadır Doğrudan Vektör Kontrol Yöntem Doğrudan vektör kontrol yöntemnde rotor akısı, hava aralığı akısının sensörlerle ölçülmesyle elde edlr. Hava aralığı akı bleşenler, maknanın fzksel yapısı üzernde yapılan özel br düzenleme le statorda brbrne dk olarak yerleştrlmş (α β eksenlernde) k akı sensörü yardımıyla doğrudan ölçülmektedr. Rotor akısının genlğ ve fazını oluşturablmek çn ölçülen akı bleşenler dışında, maknanın faz akımlarının ( a-bc eksen takımındak büyüklükler ) da ölçülmes ve a-b-c den α β ya br dönüşüm le α β eksenlerndek bleşenlernn elde edlmes gerekldr. Hava aralığı akı bleşenler, α β eksenlerndek akım bleşenler, ve makna parametrelernden hareketle akı ve moment hesaplayıcısının hesaplamış olduğu rotor akısının genlk ve fazı le moment değer elde edleblr. Rotor akısının hesaplanan α β eksen takımındak değerlernden hareketle, rotor akısının genlğ ve fazı hesaplanır. Rotor akısının fazı, a-b-c den veya α β dan, d-q ya yapılan dönüşümlerde kullanılmak amacıyla hesaplanmaktadır. Dönüşüm çn kullanılan θ s yardımıyla ölçülen stator a-b-c faz akımlarından hareketle d-q eksen takımındak akımlar elde edleblr. Rotor akısının genlğ ve akımın q eksenndek bleşennden hareketle moment fades de aşağıdak gb yazılablr. L M e = p L m ' r ψ rd sq (3.4) Bu şeklde, hesaplanan rotor akı genlğ ve moment, referans akı ve moment değerler le karşılaştırılmış ve oluşan akı ve moment hataları PI tpndek akı ve moment 5

28 kontrolörlerne uygulanmıştır. Kontrolörlern ürettğ kontrol şaretler maknanın d-q akım bleşenlernn referans büyüklükler olarak kullanılmaktadır. Akı hesaplayıcısının ürettğ dğer br büyüklük de dönüşüm açısıdır. Bu dönüşüm açısı kullanılarak maknanın d-q bleşen akımları referans akımlarla karşılaştırılmak üzere maknanın stator faz akımlarından türetlr. Böylece referans ve gerçek d-q akım bleşenlernn karşılaştırılmaları sonucunda oluşan akım hataları akım kontrolörlerne uygulanmakta ve d-q eksen takımındak referans stator gerlm bleşenler üretlmektedr. Bu gerlm bleşenler de dönüşüm açısı kullanılarak PWM üretcs çn gerekl olan a-b-c eksen takımındak referans gerlm büyüklüklerne dönüştürülmektedr Dolaylı Vektör Kontrol Yöntem Bu tür kontrol yöntemnn en yaygın olanı, rotor akısından yararlanılarak gelştrlen yöntemdr. Bu amaçla rotor akı vektörünün genlğnn ve a-b-c le d-q arasındak dönüşümler sağlayacak olan fazının üretlmesne gerek vardır. Bu yöntemde verlen br akı referans değerne karşılık, d-eksennde referans akım değer elde edlr. Maknanın moment referans değer se lgl denklemlerden hareketle maknanın moment ve rotor akımlarının açısal hızı arasındak lşk le verleblr. Momentn referans değer hız hatasından elde edleblr. Hız hatasının sadece br kazanç le çarpılması momentn referans değern elde etmek çn yeterlymş gb görünse de maknanın yüklenmes nedenyle oluşacak sabt hız hatasını kompanze edeblmek amacıyla kazanç termne lave olarak hız hatasının ntegralnn alındığı br term daha gerekl olur. Oran+İntegral özellğne sahp olan PI tp br kontrolörün kullanılması ve bu kontrolöre hız hatasının uygulanması sonucunda kontrolörün çıkışı vektör kontrolü oluşturmak çn gerekl olan moment referans değern üretr. Moment referans değernden hareketle moment oluşturan akım (akımın q bleşen) hesaplanablr. Dğer kontrol grş olan ve dönüşüm çn kullanılan θ açısı, rotor akımlarının açısal hızı ve maknanın açısal hızı yardımıyla elde edleblr. Motor mlnn açısal hızı mle bağlı br takogeneratör yardımıyla ölçülür. Buradan hareketle θ dönüşüm açısı elde edlr. Doğrudan vektör kontrol yöntemnde snüs üçgen karşılaştırılması ve hsterezsl akım kontrol yöntem le PWM şaretler üretlmektedr. Aynen burada olduğu gb dolaylı vektör kontrol yöntemnde elde edlen d-q referans akım bleşenler ve dönüşüm açısından hareketle, snüs-üçgen karşılaştırılması ve hsterezsl akım kontrol yöntem le PWM şaretler üretlr. Böylece snüs-üçgen karşılaştırılması le PWM üretlmesne dayalı dolaylı vektör kontrol sstem ya da hsterezs akım kontrollü PWM üretlmesne dayalı vektör kontrol sstem yöntemler le kontrol gerçekleştrleblr. Uygulamada üretlen referans şaretler makna parametrelerne, özellkle de rotor devres zaman sabtne bağlıdır. Rotor frekansı, rotor zaman sabt fadesnde yer alan drenç ve endüktans üzernde oldukça etkldr. Ayrıca bu yöntemn gerçekleştrleblmes çn maknanın hız veya konumunun mutlaka ölçülmes gerekldr. Bu nedenle hız ve konum algılayıcılarını dışarıda bırakan sensörsüz kontrole uygun değldr. Şekl 3.6 da br motorun dolaylı vektör kontrollü sürme blok dyagramı verlmştr. 6

29 Şekl 3.6. Br asenkron motorun dolaylı vektör kontrollü sürme blok dyagramı Yapay Snr Ağları Yapay Snr Ağları, nsan beynnn şleyşnn ncelenerek modellenmes ve ednlen blglern blgsayarda uygulanması çn algortmalara dökülmüş haldr. Günümüzde hızla gelşen blgsayar teknolos le Yapay Snr Ağları ( Artfcal Neural Networks ) uygulamaları artmıştır. (Efe, 2000) Yapay snr ağlarının nsan zekasını taklt edeblme özellğnden dolayı yan ortama uyum sağlaması ve öğrenme kablyetnden dolayı br çok uygulama ortamı bulmuştur Yapay Snr Ağı Hücres Temel br yapay snr ağı hücres byolok snr hücresne göre çok daha bast br yapıya sahptr. En temel nöron model aşağıdak şeklde görülmektedr. Yapay snr ağı hücresnde temel olarak dış ortamdan ya da dğer nöronlardan alınan verler yan grşler, ağırlıklar, toplama fonksyonu, aktvasyon fonksyonu ve çıkışlar bulunmaktadır. Dış ortamdan alınan ver ağırlıklar aracılığıyla nörona bağlanır ve bu ağırlıklar lgl grşn etksn belrler. Toplam fonksyonu se net grş hesaplar, net grş, grşlerle bu grşlerle lgl ağırlıkların çarpımının br sonucudur. Aktvasyon fonksyonu şlem süresnce net çıkışını hesaplar ve bu şlem aynı zamanda nöron çıkışını verr. Genelde aktvasyon fonksyonu doğrusal olmayan br fonksyondur. Denklem 3.5 de görülen b br sabttr, bas veya aktvasyon fonksyonunun eşk değer olarak adlandırılır. Nöronun matematksel model şekl 3.7 dek gbdr. (ÖZÇALIK, 2000) 7

30 Şekl 3.7. Temel Yapay Snr Ağı hücres o = f (w.x + b) (3.5) şeklnde nöron çıkışı hesaplanır. Buradak ω ağırlıklar matrs, x se grşler matrsdr. n grş sayısı olmak üzere; w= w,w 2, w 3,..., w n x = x, x 2, x 3,..., x n şeklnde yazılablr. Formülze edersek; n net = w x + b = n ve o = f (net) (3.6) o = f ( w x + b) (3.7) = şeklnde de yazılablr. Yukarıdak eştlkte görülen f aktvasyon fonksyonudur. Genelde doğrusal olmayan aktvasyon fonksyonunun çeştl tpler vardır. (Anonm, 2004) Aktvasyon Fonksyonları Aşağıda Şekl 3.8 de eşk aktvasyon fonksyonunun grafğ görülmektedr. Eşk aktvasyon fonksyonu eğer net değer sıfırdan küçükse sıfır, sıfırdan daha büyük br değer se net çıkışında + değer verr. Eşk aktvasyon fonksyonunun le + arasında değşen se sgnum aktvasyon fonksyonu olarak adlandırılır. Sgnum aktvasyon fonksyonu, net grş değer sıfırdan büyükse +, sıfırdan küçükse, sıfıra eştse sıfır değern verr. 8

31 Şekl 3.8. Eşk aktvasyon fonksyonu (Anonm, 2004). Aşağıdak Şekl 3.9 da doğrusal aktvasyon fonksyonu görülmektedr. Lneer aktvasyon fonksyonunun çıkışı grşne eşttr. Sürekl çıkışlar gerektğ zaman çıkış katmanındak aktvasyon fonksyonunun lneer aktvasyon fonksyonu olabldğne dkkat edlmeldr. Şekl 3.9. Doğrusal aktvasyon fonksyonu (Anonm, 2004). Bu aktvasyon fonksyonu f(x) = x şeklnde fade edlr. Şekl 3.0 da logartmk sgmod transfer fonksyonu görülmektedr. Lostk fonksyon olarak da adlandırılmaktadır. Bu fonksyonunun lneer olmamasından dolayı türev alınablmektedr böylece daha sonrak bölümlerde görülecek olan ger yayınımlı ağlarda kullanmak mümkün olablmektedr. Şekl 3.0. Logartmk sgmod aktvasyon fonksyonu (Anonm, 2004). Lostk fonksyonu, 9