Senkron alçaltan doğru akım çeviricinin PI ve bulanık PI kontrolünün karşılaştırılması

Abstract

Güç elektroniği, günlük kullandığımız ev aletlerinden, elektrik motor sürcülerine, yenilenebilir enerji kaynaklarından, doğru akım yüksek gerilim iletimine kadar elektrik enerjisiyle çalışan nice sistemde elektrik dalga şeklini çevirmeye yada gerilim ve/veya akım seviyesini ayarlamaya yarayan devreleri konu alan elektrik mühendisliğinin bir alt dalıdır. Doğru gerilimi ayarlı doğru gerilime çeviren devreler ise özellikle motor kontrolü ve güç kaynağı uygulamalarında kullanım alanı bulmaktadır. Başta alçaltan ve yükselten olmak üzere farklı DA çevirici tipleri mevcuttur. Doğru akım alçaltan devreler de güç elektroniğinde önemli yeri olan bir konudur. Vinç sistemeleri, taşıma bantları vb. doğru akım motor kontrol uygulamaları, güneş paneli uygulamaları doğru akım alçaltan devreler için endüstrideki bazı önemli uygulamalarıdır. Klasik doğru akım alçaltan çeviricilerde alt kolda kullanılan serberst geçiş diyodu yüksek güçlü uygulamalarda önemli güç kayıplarına ve tasarımda boyut dejavantajına neden olmaktadır. Serbest geçiş diyodu yerine MOSFET anahtarlama elemanı kullanıldığında ortaya çıkan senkron alçaltan çevirici tasarımı klasik doğru akım çeviriciye göre daha verimli çalışmaktadır. Devre tasarımında önemli bir konuda kontroldür. Kapalı çevrim bir kontrol yöntemiyle tasarlanan devrenin bozucu etkilere rağmen belirli bir çalışma aralığında çalışması sağlanabilir. Birçok uygulamada olduğu gibi doğru akım çeviricilerde de PI kontrol ile oldukça etkili, kolay ve ucuz bir kontrol sağlanabilir. Bunun yanı sıra klasik PI kontrolde Kp ve KI katsayılarının sabit olması yerine bunların sistem değişimlerini dikkate alarak değiştirecek uyarlanabilir bir yöntemle daha etkili bir kontrol yapılabileceği düşünülebilir. Doğru akım çevirici kontrolünde denetim yöntemi olarak bulanık mantık tabanlı bir PI kontrol de fayda sağlar. Böyle bir kontrol devresi tasarlamak için bulanık küme, bulanıklaştırma, üyelik fonksiyonu, bulanık çıkarım, duruluma gibi bulanık kontrolün temel konuları ve uygulamaları kullanılabilir. Bu tezde bir senkron alçaltan çevirici tasarlanarak klasik PI kontrol ile Kp ve KI katsayılarını sistem cevabına göre ayarlayacak bir yöntem olarak Bulanık PI kontrol yöntemi uygulanarak sonuçların karşılaştırılarak yorumlanması amaçlanmıştır. Devreye ait elemanların seçimi için devreninin sürekli haline ilişkin matematiksel modeli elde edilmiştir. Devrenin kararlılığını incelemek ve Kp ve KI katsayısılarını belirlemek için devreninin geçici hal durumundaki matematiksel modeli ve transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Yapılacak uygulamanın MATLAB/Simulink üzerinde benzetim çalışmaları yapılarak devrenin PI kontol ve bulanık PI control durumundaki sonuçları incelenmiştir. Devre tasarımını gerçeklendikten sonra devreninin kontrolünü sağlayacak kontrolör tasarım aşamasına geçilmiştir. Kontrol için Atmel işlemci tabanlı Arduino MEGA kullanılmıştır, PI ve bulanık PI için oluşturlan algoritmalar Arduino derleyicisinde kodlanmıştır. Uygulama çalışmalarının ardından alınan sonuçlarla yapılan karşılaştırmalı değerlendirmelerde bulanık PI kontrolün, PI kontrole karşı yükselme zamanı ve yerleşme zamanı gibi parametrelerde daha üstün olduğu görülmüştür. Bu tezde İTÜ Bilimsel Araştırma Projesi (BAP) desteği alınarak, tezin gerçekleştirilmesine ve İTÜ Elektrik Mühendisliği Elektrik Makinaları Laboratuvarına katkı sağlanmıştır.