BİR FAZLI ASENKRON MOTORLARIN V/f KONTROLLÜ ÇALIŞTIRILMASI İÇİN SÜRÜCÜ TASARIMI

BİR FAZLI ASENKRON MOTORLARIN V/f KONTROLLÜ ÇALIŞTIRILMASI İÇİN SÜRÜCÜ TASARIMI Mehmet BEKLERGÜL 1, M. Necdet YILDIZ 2 ÖZET Bu çalışma, sürekli yük altında bulunan, bir fazlı yardımcı sargılı kondansatör kalkınmalı asenkron motorların ilk kalkınma sırasında çektikleri çok yüksek akımı engellemek amacıyla, bir fazlı AC/DC/AC dönüştürücü kullanılarak çalıştırılmasına yönelik bir araştırma ve geliştirme çalışmasıdır. Sistemde ana enerji kaynağı olarak 220V AC şebeke kullanılmakta olup, sistemde bir fazlı tam dalga doğrultucu ve filtre devresi ile bir fazlı invertör devresi kullanılmıştır. Sistem yükü olarak ise bir fazlı yardımcı sargılı kondansatör kalkınmalı asenkron motor kullanılmıştır. Sistem girişine uygulanan bir fazlı 220V AC giriş gerilimi, tam dalga doğrultucu ve filtre devresi kullanılarak 310V civarında DC gerilime dönüştürülmektedir. Bu DC gerilim, sabit V/f oranlı sinüsoidal pals genişliği modülasyonu (SPWM) kontrollu invertör devresi ile tekrar AC gerilime dönüştürülerek motora uygulanmaktadır. Anahtar Kelimeler: AC/DC/AC Dönüştürücü, Bir Fazlı Motor, Motor Sürücü. DRIVER DESIGN for V/f CONTROLED SINGLE PHASE INDUCTION MOTORS ABSTRACT This paper is a research and development study on running of capacitor-run single phase motor by using single phase AC/DC/AC convertor for reduced starting current. In the system, 220V AC network as main energy source, full-wave filtered rectifier circuit and SPWM invertor as convertor and single phase capacitor run motor as actuator have been used. In this study, 220V AC network voltage will be rectified by full wave filtered rectifier, then 310V DC voltage will be inverted to AC voltage by using V/f controlled SPWM invertor and single phase capacitor run motor will be driven. Key Words: AC/DC/AC Convertor, Single Phase Motor, Motor Drives. 1 Ege Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, Elektrik Programı Öğretim Elemanı, Öğr.Gör.Dr.,35100-Bornova / İZMİR mehmet.beklergul@ege.edu.tr 2 Ege Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, Endüstriyel Elektronik Programı Öğretim Üyesi, Yrd.Doç.Dr., 35100/Bornova / İZMİR necdet.yildiz@ege.edu.tr 54

1. GİRİŞ Bir fazlı asenkron motorlar endüstride ve ev cihazlarında en çok kullanılan motor tiplerinden biridir. Özellikle evlerde kullanılan kompresörlü soğutucularda bir fazlı yardımcı sargılı kondansatör kalkınmalı asenkron motor kullanımı oldukça yaygındır. Ancak bütün elektrik motorları gibi bir fazlı yardımcı sargı motorlarda ilk çalışma anında nominal (tam yüklü) akımlarının yaklaşık 3-4 katı fazla akım çekmektedirler. Kompresörlü soğutucularda ise motor sürekli tam yük altında olduğu için ilk kalkınma akımı nominal akımının 10-15 katına kadar çıkabilmektedir [1]. İlk kalkınma anında çekilen bu çok yüksek akım, ilk çalışma sırasında aşırı güç harcamasına neden olmaktadır. Bir fazlı şebekeden doğrudan beslenen klasik kompresörlü soğutucularda bu aşırı güç harcaması göz ardı edilmekte idi. Fakat günümüzde yaşanan enerji darlığı ve enerji maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle elektrikli cihazların mümkün olduğunca az enerji kullanarak çalışması çok büyük önem kazanmıştır. Bu nedenle de bu tür motorların şebekeden doğrudan beslenmek yerine bir sürücü/yolverici devre üzerinden beslenmesi ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Bu ihtiyaçtan yola çıkarak yapılan çalışmada, bir fazlı kondansatör kalkınmalı motorların, aşırı akım çekmeden dolayısıyla da aşırı güç harcaması yapmadan kalkınmasını sağlamak amacıyla bir AC/DC/AC dönüştürücü tasarlanması ve kullanılması ele alınmıştır. Bir fazlı AC/DC/AC dönüştürücü kullanılarak 220V, 50Hz lik AC şebeke gerilimi öncelikle DC gerilime dönüştürülmekte ve daha sonra da istenilen genlik ve frekansta AC gerilime dönüştürülmektedir. DC den AC ye dönüşüm sırasında V/f kontrolu kullanılarak motora sıfır genlik ve frekanstan başlayarak kademeli olarak genliği ve frekansı anma değerlerine kadar artan bir gerilim uygulanmaktadır. Bu sayede motor aşırı akım çekmeden dönmeye başlamakta ve daha az güç harcayarak hızlanmaktadır. 2. AC/DC/AC DÖNÜŞTÜRÜCÜ YAPISI Bir fazlı kondansatör kalkınmalı yardımcı sargılı asenkron motorların, aşırı akım çekmeden kalkınmasını sağlayabilmek için kullanılan dönüştürücü sisteminin blok şeması Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1. AC/DC/AC Dönüştürücü Sistemi Blok Şeması Şekil 1 deki blok şemadan görüldüğü gibi 220V, 50Hz lik şebeke gerilimi doğrultucu ve filtre devresine uygulanarak 310V civarında bir DC gerilim elde edilmektedir. Elde edilen bu DC gerilim 1 fazlı invertör devresine uygulanmakta ve bu devre yardımıyla tekrar 1 fazlı AC gerilime dönüştürülerek kontrol edilmek istenen motora verilmektedir. 1 fazlı invertör devresi, V/f kontrolu yapabilen sinüsoidal pals genişliği modülasyonlu (SPWM) kontrol devresi tarafından kontrol edilerek istenilen genlik ve frekansta AC üretmesi sağlanmaktadır. Şekil 1 de blok şeması verilen sistemin güç devresi prensip şeması Şekil 2 de görülmektedir [4]. 55

Şekil 2. Sistemin Güç Devresi Prensip Şeması. Şekil 2 de görülen D1, D2, D3 ve D4 diyotları bir fazlı köprü doğrultucu olarak çalışmaktadır. Devredeki C kondansatörü ise köprü doğrultucu çıkışındaki dalgalı DC gerilimin filtrelenmesini sağlamaktadır. Devredeki 1, 2, 3, ve 4 numaralı IGBT ler ise invertör olarak görev yapmaktadır. Devrenin yükü ise şekilden görüldüğü gibi yardımcı sargılı bir asenkron motordur. Bu sistemin ayrıntıları aşağıda daha geniş açıklanmaktadır. 2.1. Bir Fazlı Doğrultucu ve Filtre Devresi Bir fazlı yardımcı sargılı asenkron motorun voltaj ve frekans (V/f) kontrollu olarak çalıştırılabilmesi için 50Hz sabit frekanslı şebeke geriliminin doğrultulup tekrar istenen frekansta AC ye dönüştürülmesi gerekmektedir. Bir fazlı doğrultucu ve filtre devresi, bir fazlı AC kaynaktan düzgün DC gerilim elde etmek için kullanılan bir devredir. Şekil 2 de açık bağlantısı görülen bu devrenin çalışmasını gösteren giriş ve çıkış gerilimlerinin dalga şekilleri Şekil 3 de gösterilmiştir. Şekil 3 den görüldüğü gibi devre girişine verilen 220V AC gerilim köprü bağlı diyotlar tarafından tam dalga doğrultulmuş DC gerilime dönüştürülmekte, tam dalga doğrultulmuş bu DC gerilim de C kondansatörü tarafından filtre edilerek düzgün DC gerilime dönüştürülmektedir [6]. 56

Şekil 3. Doğrultucu Giriş ve Çıkış Sinyalleri Bu durumda 220V AC giriş geriliminden yaklaşık 310V luk DC gerilim elde edilmektedir. Çıkışta oluşan DC gerilimin dalgalılığı kullanılan C kondansatörünün kapasitesine ve devreden çekilen akımın miktarına göre değişmektedir. Bu da çıkış geriliminin ortalama değerini değiştirmektedir. 2.2 Bir Fazlı İnvertör Devresi Doğrultucu ve filtre devresi çıkışında elde edilen 310V civarındaki DC gerilim, bir fazlı invertör devresi yardımıyla tekrar AC gerilime dönüştürülmektedir. Elde edilen bir fazlı AC gerilimin genliği ve frekansı kontrollu olarak değiştirilebilmektedir. Şekil 4 de bir fazlı SPWM invertör güç devresinin tam bağlantısı görülmektedir. Şekil 4 den görüldüğü gibi devrede dört adet yalıtılmış kapılı transistör (IGBT) kullanılmıştır. Kullanılan bu özel transistörlerin her birinin paralelinde bulunan diyotlar ise invertör çıkışına bağlanacak olan endüktif yük akımı için (motor) serbest geçiş sağlamaktadır [5]. Şekil 4 de görülen invertör güç devresinin kontrolu ise daha önceden de belirtildiği gibi bir sinüsoidal pals genişliği (SPWM) kontrollu devre tarafından yapılmaktadır. Bu kontrol devresi sayesinde invertör çıkışında elde edilen AC gerilimin frekansı 0-50Hz ve genliği 0-220V arasında kontrol edilebilmektedir. Eğer istenirse frekans değeri şebeke frekansının da üzerine çıkarılabilmektedir. 57

Şekil 4. Bir Fazlı SPWM İnvertör Güç Devresi Bir fazlı invertör devresinin sinüsoidal pals genişliği modülasyonlu olarak çalıştırılmasını gösteren prensip dalga şekilleri Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 5. Bir Fazlı SPWM İnvertör Dalga Şekilleri. Şekil 5 den görüldüğü gibi invertör çıkışında pozitif alternansın oluşabilmesi 1 ve 2 numaralı IGBT ler, negatif alternansın oluşabilmesi için ise 3 ve 4 numaralı anahtarlar uyarılmaktadır. Şekilden görüldüğü gibi uyarma sinyalleri önce dar başlamakta, ortaya yaklaştıkça genişlemekte, alternansın sonuna doğru tekrar daralmaktadır. Sinüsoidal pals genişliği modülasyonu (SPWM) denilen bu yöntem sayesinde sinüsoidal etki gösterecek bir çıkış gerilimi (Vo) oluşmaktadır [6]. 2.3 SPWM Kontrol ve Sürücü Devresi Bir fazlı invertör devresinin kontrolunu sağlayan bu devre, hem kontrol için uygun sinyalleri üretmekte hem de bu sinyallerin uygun şekilde güç elemanlarına aktarılmasını sağlamaktadır. Sinüsoidal pals genişliği modülasyonu (SPWM) yöntemine göre çalışan bu devre, uyarma sinyallerinin frekansını sıfırdan başlatarak şebeke frekansına kadar 58

arttırabilmektedir. Aynı zamanda pals genişliklerini de yine sıfırdan başlatarak arttırabilmektedir. Bu sayede devre voltaj/frekans (V/f) oranını koruyarak kontrol gerçekleştirebilmektedir. Bu kontrol yöntemi uygulanarak invertör çıkışında üretilen AC gerilim ile yardımcı sargılı asenkron motor aşırı akım çekmeden kolaylıkla çalıştırılabilmektedir [3]. SPWM kontrol devresi sinyal üreteci ve sürücü devre olmak üzere iki temel bölümden oluşmaktadır. Kontrol devresinde, Şekil 5 de görülen kontrol sinyallerini (V 1,2 ve V 3,4 ) üretmek için, mikroişlemci/pic kullanılmaktadır. Bu eleman programlanarak istenilen şekilde sinyaller üretmesi sağlanabilmektedir. Mikroişlemci tarafından üretilen kontrol sinyallerinin güçlendirilerek invertör devresindeki güç elemanlarına uygulanmasını sağlamak için ise analog ve sayısal devreler içeren bir sürücü tümdevresi kullanılmaktadır. Şekil 6 da yarım köprü sürücü devresinin bağlantısı görülmektedir. Şekil 6. SPWM Sürücü Yarım Köprü Devre Bağlantısı. Şekil 6 da görüldüğü gibi, mikroişlemci veya PIC tarafından üretilen SPWM kontrol sinyalleri, IR2113 veya benzeri bir tümdevre kullanılarak güçlendirilmekte ve invertörü oluşturulan IGBT lere uygulanmaktadır. Şekil 6 da verilen devre köprü invertörün sadece yarısını uyarabilmektedir. Köprünün diğer yarısı için bu devreden bir tane daha kullanmak gerekmektedir. Mikroişlemci veya PIC kullanılarak üretilen SPWM kontrol sinyalleri güçlendirilmek üzere sürücü devrenin HIN (yüksek giriş) ve LIN (düşük giriş) terminallerine uygulanmaktadır. 2.3.1. V/f Kontrolu Asenkron motor kontrolunu genel olarak iki gruba ayırmak mümkündür. Bunlar, Skaler Kontrol (sabit V/f kontrolu) ve Vektör Kontrolu yöntemleridir [2]. Bu çalışmada motorun Skaler (V/f) kontrolu ele alınmıştır. Yardımcı sargılı bir fazlı asenkron motorlarda ve diğer asenkron motorlarda genel anlamda moment; M P U. I.cos 2.. f (1) eşitliği ile bulunabilir. Eşitlikte gösterilen değişkenler ve birimleri aşağıdaki gibidir. M: Moment (Nm), ω: Hız (rad/s), 59

U: Motor Besleme Gerilimi (V), I: Motor Akımı (A), f: Besleme Frekansı (Hz). Eşitlik 1 den görüldüğü gibi motor momenti motora uygulanan sinyalin voltaj ve frekans değerlerine bağlı olarak değişmektedir. Özellikle ev tipi soğutucu motorları gibi yük altında çalışan motorlar, sanayide kullanılmakta olan yumuşak yolvericilerde (soft starters) olduğu gibi gerilim/frekans (V/f) oranı sabit tutularak kaldırıldığında, sabit momentle, aşırı güç harcamadan ve güvenli olarak kalkınma sağlanabilmektedir. Sabit V/f kontrolu yönteminde, gerilim ve frekans değerleri V/f oranı değiştirilmeden yavaş yavaş arttırıldığı için motor yük altında sabit momentle ve aşırı akım çekmeden kalkınabilmektedir. Bizim üzerinde durduğumuz sistemde V/f oranı invertörün sürekli halde çalışma (anma) değerleri olan 220V ve 50 Hz için; V 220 k 4,4 (2) f 50 olarak bulunmuştur. Bu durumda invertörün V/f kademe oranları, 1. Basamakta, f= 10 Hz, V= 44V, 2. Basamakta, f= 20 Hz, V= 88V, 3. Basamakta, f= 30 Hz, V= 132V, 4. Basamakta, f= 40 Hz, V= 176V, 5. Basamakta, f= 50 Hz, V= 220V, olmaktadır. Bu frekans değişimleri sırasında mikroişlemci tarafından üretilen kontrol sinyalinin formatı SPWM olarak korunmaktadır. Analog sistemde SPWM kontrol sinyallerini üretebilmek için, bir karşılaştırıcı (comparator) üzerinde, istenilen anahtarlama frekansında bir üçgen ve istenen çalışma frekansında bir sinüsün karşılaştırılması yapılmaktadır. Şekil 7 de MATLAB programı kullanılarak yapılan karşılaştırma işlemi görülmektedir. Şekil 7. SPWM Üretilmesi için Karşılaştırılan Sinüs ve Üçgen Dalga Sinyaller. Şekil 7 den görüldüğü gibi, üçgen dalga sinyalin frekansı sinüsün 15 katı olarak seçilmiştir. Burada sinüsün frekansı invertörün çıkış frekansını, üçgenin frekansı ise bir alternans içinde yapılacak olan anahtarlama sayısını belirlemektedir. Şekil 7 de görülen 60

üçgen ve sinüs sinyallerin karşılaştırılması sonucunda SPWM kontrol sinyalleri elde edilmektedir. Şekil 8 de MATLAB ortamında yapılan karşılaştırma sonucunda elde edilen kontrol sinyalleri görülmektedir. Şekil 8. Karşılaştırma Sonucu Elde Edilen SPWM Sinyali. Şekil 8 de, sinüsoidal değişen sinyal ile yüksek frekanslı üçgen dalga sinyalin karşılaştırılması sonucu Şekil 5 de de gösterildiği gibi alternansın başında dar ortasında geniş sonunda ise tekrar daralan uyarma palsleri oluşmaktadır. Bu uyarma sinyalleri kullanılarak invertörü oluşturan IGBT ler uyarıldığında Şekil 8 de görüldüğü gibi bir invertör çıkış gerilimi oluşmaktadır. İnvertör çıkışında oluşan bu AC gerilim tam sinüs olmaması ve farklı genişlikteki palslerden oluşması nedeniyle çeşitli harmoniklerin oluşmasına neden olacaktır. Şekil 9 da 50Hz çıkış frekans değeri için SPWM sinyalinin MATLAB ortamında oluşturulan Fourier Frekans Spektrumu (fft) görülmektedir. Şekil 9. SPWM Çıkış Geriliminin Fourier Frekans Spektrumu (fft). Şekil 9 da görüldüğü gibi SPWM çıkış gerilimi filtrelenmediği zaman çok sayıda harmonik üretmektedir. Bu durumun önlenebilmesi için invertörün çıkışına uygun filtre yerleştirilmesi gerekmektedir. Şekil 10 da invertör çıkış geriliminin MATLAB ortamında alçak geçiren filtreden geçirildikten sonraki hali görülmektedir. 61

Şekil 10. İnvertör Çıkış Geriliminin Filtrelenme İşleminden Sonraki Durumu. Şekil 10 da ve Şekil 9 da gösterilmiş olan ham haldeki (filtrelenmemiş) SPWM invertör çıkış gerilimi, harmoniklerin bastırılması ve motor beslemesi için en uygun şekil olan sinüsodal şekle dönüştürülmesi, uygun filtre kullanılması durumunda gerçekleşebilmektedir. Bu işlemin gerçekleştirilebilmesi için, invertör devresini süren mikroişlemci veya PIC programının MATLAB simülasyonlarında elde edilen SPWM kontrol sinyallerini üretecek şekilde yazılması ve üretilmesi gerekmektedir. 3. SONUÇ ve DEĞERLENDİRME Kompresörlü soğutucu, su pompası vb. gibi yük altında çalışmaya başlayan asenkron motorların, ilk çalışma anında çektikleri çok yüksek akımı dolayısıyla da çok yüksek güç harcamasını engellemek amacıyla, kontrollu olarak çalıştırılması gerekmektedir. Bu tür motorlarda kontrollu çalıştırma işlemi için sabit voltaj/frekans yöntemi kullanılabilmektedir. Bu yöntem sayesinde motor sabit tork ile aşırı akım ve güç çekmeden kalkınabilmektedir. Sabit V/f uygulamasında frekans ve genlik değerleri sıfırdan başlayarak oranı bozmayacak şekilde kademeli olarak arttırılmaktadır. Bu durumda sabit frekanslı şebeke gerilimini kullanmak mümkün olmadığı için şebeke gerilimi önce DC ye daha sonra da bir invertör yardımıyla istenen frekansta AC ye dönüştürülmektedir. Fakat, motorun yüksek verimde çalışabilmesi için uygulanan besleme geriliminin sinüsoidal olması gerekmektedir. Bunun için de invertörün sinüsoidal pals genişliği modülasyonlu sinyallerle uyarılması gerekmektedir. Sonuç olarak, sabit V/f kontrollu SPWM invertör kullanılması durumunda, üç fazlı asenkron motorlarda olduğu gibi bir fazlı yardımcı sargılı asenkron motorlarda da yük altında iken kontrollu kalkınma sağlanabilmektedir. Bu sayede hem az enerji harcayan verimli cihazlar gerçekleştirilebilecek hem de cihaz ömürleri uzatılabilecektir. 62

4. KAYNAKLAR [1]. Krause, P. C., Wasynczuk, O., Sudhoff, S. C., Analysis of Electric Machinery, Chapter 11, s.425-438, IEEE Presss, New York, 1995. [2]. Correa, Mauricio Beltrao de Rositer, Jacıbina, Brandao, Vektor Control Strategies for Single Phase Induction Motor Drive Systems, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume 51, Number 5, October 2004. [3]. Chomat, Miroslaw, Thomas, A. Lipo, Adjustable-Speed Single-Phase IM Drive With Reduced Number of Switches, IEEE Transactions on Indaustry Applications, Vol.39, No.3, May/June 2003. [4]. Yedamale, Padmaraja Bidirectional VF Control of Single and 3-Phase Induction Motors Using the PIC16F72, Microchip AN967, Microchip Technology Inc, 2005. [5]. Mohan, N., Undeland, T.M., Robbins, W.P., Power Electronics- Converters, Aplications and Design, John Wiley & Sons, Second Edition, USA, 1995. [6]. Muhammad, H. Rashid, Power Electronics, Circuits, Devices and Applications, Second Edition, Prentice-Hall International, USA, 1993. 63