FIRAT ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ EMÜ-419 OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEY 9 İNVERTERLE BESLENEN ÜC FAZLI ASENKRON MOTORUN PC İLE AÇIK ÇEVRİM HIZ KONTROLÜ 1.Amaç: İnverter ile beslenen bir asenkron motorun, PC ile tanımlanan ve hedeflenen hız yörüngesini açık çevrim olarak takip etmesini yapmak ve sistem ara değişkenlerini PC ortamında Data Management System (DMS) ile ayrık zamanda gözlemlemek. 2.Asenkron motorlarda hız denetimi: Kontrol sistemlerinde asenkron motorlar temel sürücü sistemlerinden biridirler. Asenkron motorlar günümüzde kontrol sistemlerinde kullanılan motorların %90 nını oluştururlar. Bilindiği gibi asenkron motorların hızları besleme kaynak frekansına ve motorun kutup sayısına bağlıdırlar. P çift kutbuna ve f frekansına sahip bir asenkron motorun senkron hızı aşağıdaki denklemle verilir; N s 60 f / P (d/d) rpm (9.1) burada N s motorun senkron hızıdır. Gerçekte asenkron motorun rotor hızı senkron hıza ulaşmaz. Çünkü, makinenin mekanik kayıplarının kendisi motora yük oluşturur. Denklem (9.1) de görüldüğü gibi asenkron motor parametreleri sabit bir besleme frekansı ve çift kutup sayısı için sabit hızda döner. Sabit gerilim ve sabit frekanslı bir AC kaynaktan beslenen 3 fazlı bir asenkron motorun moment-kayma karakteristiği Şekil 9-1 de gösterilmiştir. Moment Maksimum Moment Çalışma Bölgesi Kayma=1 Kayma=0 Hız Şekil 9.1. 3 Fazlı asenkron motorun moment hız karakteristiği. Şekil 9-1 de belirtilen yüksüz durumdaki sıfır rotor kayması teoriktir pratikteki motor uygulamalarında buna ulaşmak mümkün değildir. Yük arttıkça motorun maksimum momentinin üretildiği koşula ulaşıncaya kadar motorun hızı azalacaktır. Eğer yük daha da arttırılırsa motor duracaktır. Yüksüz ve tam yük koşulları arasında motor hızı yaklaşık yüksüz durumdaki değerinin %10 u kadar değişir. 52
Denklem (9.1) den görüldüğü gibi bir asenkron motorun hızı kutup sayısı P veya besleme frekansı f değiştirilerek iki şekilde yapılabilir. 2.1 Kutup Sayısının Değiştirilmesi: Kutup sayısını değiştirerek hız kontrolü ancak belli ve sınırlı hızlar için söz konusudur. Örnek olarak değişik kutup sayılarına sahip motorlardan 50 Hz lik bir besleme frekansında 3000, 1500, 750, 600 d/d v.s. senkron hızlar elde etmek mümkündür. Bununla birlikte her aralıkta hız kontrolü yapmak mümkün değildir. Bir asenkron motorun stator sargılarının en fazla iki veya üç değişik kutup sayısına sahip olacak şekilde sarılabileceği düşünülürse, kutup sayısı değiştirme yöntemiyle bir asenkron motordan ancak iki veya üç farklı hız elde etmek mümkündür. 2.2 Giriş Frekansının Değiştirilmesi: Giriş frekansının değiştirilmesi denklem (9.1) de görüldüğü gibi motor hızı besleme frekansı (f )değiştirilerek yapılabilir. Günümüzde besleme gerilimini ve frekansını değiştirme olanağı veren ve endüstride AC-AC konverter olarak bilinen yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemlerle motorun hızı istenilen değerler arasında değiştirilebilmektedir. Bu deneyde inverter (evirici olarak adlandırılan) ile beslenen bir asenkron motorun hız denetimi analog ve dijital ortamda yapılacak ve gözlemlenecektir. Deneyde kullanılan Dijital ve Analog birimler deneyin blok diyagramı Şekil 9.2 de blok olarak belirtilmiştir. Set-Point D/A İnverter Sıfır Tutucu Devre a b c Asenkron Motor Dijital Ortam; PC ve DMS nin D/A kısmı Analog Ortam; DMS nin A/D kısmı, Inverter ve Tako generator Şekil 9.2. Asenkron motorun açık çevrim hız kontrolü Şekil 9.2 (a) PC ile Data Management System i (DMS) göstermektedir. PC ile hedeflenen hız yörüngesi tanımlanır ve tanımlanan bu yörünge DMS nin D/A çıkışı ile invertere iletilir. Şekil 9.2(b) de verilen inverter üç fazlı transistor köprü inverterdir. Manual ve otomatik olarak çıkışı 2-100 Hz arasında değiştirilebilmektedir. Motorun hız yönü inverterin işlemcisi tarafından kontrol edilebilen faz sırası belirlenmektedir. Deneyde işaret işleyişi; a) PC ortamında belirlenen hız hedefi, DMS ile invertere iletilmektedir. b) İnverter hedeflenen yörünge için gerekli olan üç fazlı çıkışı Şekil 9.2(c) de gösterilen üç fazlı asenkron motora iletmektedir. 2.3 Değişken Besleme Gerilimi ve Frekansının Asenkron Motorun Dinamiğine Etkisi: Bir asenkron motorun imal edildiği frekans dışındaki frekanslarda kullanılması durumunda diğer çalışma faktörlerini de göz önünde bulundurmak gerekir. Bu faktörlerden en önemlisi stator sargı empedansının kaynak frekansı ile değişmesidir. Statordaki her bir fazın empedansı aşağıdaki ifade ile verilir; 2 2 2 Z R X L (9.2) X L 2 fl Yukarıdaki denklemden görüldüğü gibi kaynak frekansının artması toplam sargı empedansının artmasına neden olacaktır. Sabit gerilimde bu durum akımın ve dolayısıyla çıkış gücünün azalması demektir. Kaynak frekansının azalmasıyla da sargı empedansı azalacağından sabit gerilimde bu durum motorun stator akımında bir artışa neden olacaktır. Akımdaki artış aynı zamanda çıkış momentinin 53
artışı demek olduğundan bu, manyetik devrenin saturasyonuna, sargıların ısınmasına ve sargıların zarar görmesine neden olabilecektir. Pratikte, akımın kaynak frekansı ile bu şekilde değişimi motorun gerilim-frekans oranının sabit tutulmasıyla engellenir. Yani; Gerilim(V)/Frekans(f) = Sabit Eğer frekans ile orantılı olarak gerilim de değiştirilirse bunun sonucunda sabit bir motor akımı elde edilir. Bu oran aynı zamanda hava aralığı akısının bir ifadesi olduğundan sonuçta sabit v/f ile çalışma motorun sabit bir moment üretmesine sebep olacaktır. Yüksek frekanslarda motora uygulanabilecek maksimum gerilimin üzerine çıkılacağından dolayı v/f oranı sabit tutulamaz. Örnek olarak 50 Hz lik bir motorun çalışma gerilimi 380 V iken bu motorun frekansı 75 Hz e(1.5kat) çıkarıldığında gerilimi de v/f sabit tutmak için 1.5 kat artırılamaz. Arttırıldığı taktirde motor yanacaktır!!! Bu yüzden yüksek frekanslarda v/f oranı düşeceğinden, motora sağlanan akım azalacak ve dolayısıyla motorun üreteceği moment de azalacaktır. Diğer bir deyişle motor hızı senkron hızın üzerine çıktığında, motorun çalışması sabit moment bölgesinden sabit güç bölgesine kayacaktır. İkinci bir faktör ise, düşük frekanslarda motora uygulanan gerilim, v/f oranını sabit tutmak için azaltılacağından Denklem 9.2 den de görüldüğü gibi R stator sargı direnci üzerindeki gerilim düşümü (I*R) motora uygulanan gerilimin yanında ihmal edilemeyecek bir seviyeye ulaşır. Bu da sağlanan akımı azaltacağından motorun kalkış performansını etkileyecektir. Düşük hızlardaki bu dezavantajı gidermek için motora uygulanan gerilim stator sargı direncindeki gerilim düşümünü kompanze edecek oranda arttırılır (voltage boost). 2.4 Üç Fazlı İnverterle Besleme Frekansının Değiştirilmesi: İnverterle beslenen değişken hızlı 3-fazlı bir asenkron motor sürücüsünün blok diyagramı Şekil 9.3 de verilmiştir. İnverter, bir DC kaynaktan bir AC alternatif akım üreten elektronik bir düzenektir. DC kaynak tek faz veya üç fazlı bir doğrultucu vasıtasıyla elde edilir (Şekil 9.3 deki 1.blok). Çıkışta istenilen değerde gerilim ve frekanslı bir AC işaret, inverterdeki güç anahtarını uygun bir modülasyon algoritmasına göre anahtarlayarak elde edilir. Bu çıkış işareti genelde 3-fazlı asenkron motorların beslemesinde kullanılır. 3-fazlı Gerilimi ve Frekansı Sabit Şebeke DC Link 3-fazlı Gerilimi ve Frekansı Değişken C Giriş Çıkış Şekil 9.3. İnverterle Değişken Gerilim ve Frekans Elde Edilmesi. Pratik bir inverter sisteminin gereksinimini karşılayacak bir çok farklı teknik ve devre konfigürasyonları vardır. Modern kullanımda endüstrideki inverterlerin en yaygın çeşidi darbe genişlik modülasyon (PWM) tekniğine dayanır. Bu deneyde kullanılacak inverter de PWM tekniğini kullanmaktadır. 3. Deneyin yapılışı: Deney üç kısımdan oluşmaktadır. 3.1 Sabit Frekanslı Kaynaktan Beslenen Asenkron Motorun Hızı: Şekil 9.4 de bağlantı şeması verilen ve asenkron makineyi direkt sabit frekanslı şebekeye bağlayan düzeneği kurunuz. FH2 Test yatağındaki Start (Yeşil) tuşuna basarak motora yol veriniz ve motorun hızını okuyunuz. Motorun kaç kutuplu olduğunu denklem (9.1) den faydalanarak not ediniz. 54
TEST BED Şekil 9.4. Deney 3.1 in Bağlantı Şeması 3-fazlı asenkron motor test yatağı üzerimde bulunan bir DC motor vasıtası ile yüklenmektedir. Test yatağı üzerindeki moment kontrol düğmesi aracılığıyla yük momentini kontrol etmek mümkündür. 0.1 N.m lik adımlarla asenkron motora uygulanan yük momentini motor durana kadar arttırın. Her adım için hız ve moment değerlerini kaydedin. Deney esnasında aldığınız sonuçları kullanarak moment-hız karakteristiğini ölçekli bir kağıda çiziniz. Çizdiğiniz karakteristik hakkında yorum yapınız. 3.2 Analog Olarak Değişken Frekanslı İnverterle Motor Dönüş Yönünün ve Hızının Değiştirilmesi: Bu deneyde MPM1015 olarak adlandırılan 3-fazlı inverter Şekil 9.5 deki gibi bağlayınız. Accelerate butonunu sağ tarafa sonuna kadar döndürerek kalibrasyonunu sağlayınız. RUN/STOP butonunu RUN konumuna getiriniz. Controller butonunu da INT pozisyonuna getiriniz. Speed butonunu sağa döndürerek motorun gittikçe hızlandığını gözleyiniz. Osiloskopta besleme gerilimindeki ve motor akımındaki değişimleri gözleyiniz ve not ediniz. Osiloskop İNVERTER MPM1015 Hız Moment FH2 TEST BED Şekil 9.5. Deney 3.2 nin Bağlantı Şeması Daha önceki deneyde motorun 1500 d/d sabit bir hızda dönmesine rağmen şimdi osiloskopta gözlediğiniz değişken frekanslı inverter çıkışıyla motorun 0-3000 d/d arasında döndürüldüğüne dikkat ediniz. Motorun ters yönde döndürmek için Reverse/Forward anahtarının bir önceki konumunu değiştirin ve tekrar Speed butonuyla motorun ters yönde hızlandığını ve hızının ayarlanabileceğini not ediniz. Gözlediğiniz akım ve gerilim şekillerini ölçekli olarak çiziniz. Frekansı arttırdıkça osiloskop 55
yardımıyla PWM modundan kare dalga moduna geçiş sürecini gözlemleyiniz. Bu olayın oluştuğu frekansı not ediniz. Aynı işlemleri 25 Hz ve 75 Hz için tekrarlayınız. Gözlemlediğiniz dalga şekilleri üzerinde yorum yapınız. Motorun yükünü arttırdıkça akım ve gerilim dalga şekillerini gözlemleyiniz ve yorumlayınız. 3.3 Bilgisayarla Hybrit (Analog-Dijital) Olarak Motor hızının Açık Çevrimli Olarak Ayarlanması: Şekil 9.6 daki bağlantı şemasını kurunuz. Bu bağlantı şemasındaki DMS2, data işleme ve aktarma birimidir. DMS nin yazılım programını C:\DMS2 de DMS2 yazıp çalıştırınız. MPM1015 üç fazlı inverter biriminin Control butonunu EXT konumuna getiriniz. Bu durumda motorun 3000 d/d sabit bir hızla döndüğünü ve inverterin çıkışındaki gerilimin frekansını not ediniz. Bu frekans inverterde elde edilebilecek en yüksek frekanstır. DMS2 nin mönüsünden Controller bölümünün değişkenlerinden; Controller Control Process Variable ACTIVE OPEN LOOP SPEED olarak seçiniz. Osiloskopa INVERTER TEST BED Speed/Trq Output Şekil 9.6. Deney 3.3 ün Bağlantı Şeması. Hedeflenen hız zaman grafiği Şekil 9.7 deki gibi olsun. Set-Point Options kısmına giderek kaç tane aralık (Set-Points) kullanacağınızı seçiniz. Şekil 9.7 bir hız-zaman grafiği verilmiştir. Her bir aralığı sırasıyla aşağıdaki Set-Point 1 de olduğu gibi zaman ve hız değerlerini giriniz. Change Set-Point 1 Time 5 Set-Point 2500 56
Şekil 9.7 deki hedeflenen hız diyagramı gereği motor 3000 d/d den 5 sn içinde sıfıra gelecek ve 5 sn durduktan sonra ters yönde 3000 d/d 5 sn içerisinde ulaşacak ve 5 sn bu devirde döndükten sonra 10sn içinde ters yönde maksimum devirle dönecektir. DMS2 nin Setup değerleri değiştirilmediği sürece bu işlem sürekli devam edecektir. n(d/d) 5000 Sp 1 Sp 2 Sp 3 Sp 4 Sp 5 Sp 6 2500 5 10 15 20 25 30 t(sn) Şekil 9.7. Hedeflenen Hız Yörüngesi Controller kısmında PID Parameters opsiyonundan sadece Invert Contol Output seçilmediğine dikkat ediniz. Aksi taktirde DMS nin çıkışı saturasyona girer ve 9.999 volt seviyesini gösterir buda İnverterin frekensını 100 Hz yapar ve motor 3000 d/d döner. Controller kısmındaki Set-Point işlemi bittikten sonra Logger kısmına geçiniz ve Go seçeneğini seçip enterleyiniz. Son işlem olarak F2 fonksiyon tuşuna basarak PC de tanımlanan ve hedeflediğiniz yörüngeyi (Set-Point) devreye sokunuz. Sonucu gözleyiniz. Sizde bir yörünge planlaması yaparak deneyde uygulayın ve sonucu gözleyiniz. 4. Sonuç ve Tartışma: 1. Deneyde gözlemlediğiniz sonuçları grubunuzla tartışınız? 2. Birinci ve ikinci deneydeki asenkron motorun performansını karşılaştırınız? 3. Asenkron motorlarda hız ayarının motorun performansına etkisini araştırınız? 4. Üçüncü deneydeki açık çevirim hız takibinin uygulama alanları sizce nelerdir? 57