Vektör kontrol yöntemi için deney düzeneği tasarımı, gerçeklemesi ve bu yöntemin üç fazlı elektrik motorlarında performans karşılaştırması

Abstract

Bu tez çalışmasında, fırçasız üç fazlı elektrik motorları için sürücü tasarımı ve gerçekleştirilmesi üzerine odaklanılmıştır. Bu bağlamda sürücüyü oluşturacak şekilde donanım ve yazılım tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan sürücünün performansı yüzey mıknatıslı senkron motor üzerinde test edilmiştir. Günümüzde elektrik motorlarının kullanımı sürekli olarak artmaktadır. Neredeyse üretilen elektronik her üründe farklı tiplerde elektrik motorları bulunmaktadır. Yüksek miktarda elektrik motoru kullanımı günümüzde tüketilen elektriğin büyük bir kısmının elektrik motorların tarafından tüketilmesine yol açmaktadır. Bu sebepten dolayı elektrikli tahrik sistemlerinin verimli olması istenmektedir. Bu bağlamda hem elektrik motorlarının hem de kontrol ve sürücü sistemlerinin daha verimli olması amacıyla çalışmalar yapılmaktadır. Endüstride farklı tiplerde elektrik motorları bulunmaktadır. Fırçasız üç fazlı elektrik motorları ele alındığında bu motor ailesinin senkron ve asenkron motorlar olmak üzere iki gruba ayrılabildiği söylenebilir. Asenkron ve senkron elektrik motorlarının birbirlerine göre avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Asenkron motorlar dayanıklı fiziksel özellikleri ile öne çıkmaktadır. Elektrik motorlarındaki üretim maliyetini oldukça arttıran mıknatısların asenkron motorlarda bulunmaması üretim maliyetini düşürür ve asenkron motorların diğer fırçasız üç fazlı motorlara göre ucuz olmasını sağlar. Asenkron motorlar çalışma teorisi gereği doğrudan şebekeye bağlanarak çalışabilir. Bu durum sürücü gereksinimini ortadan kaldırdığı için asenkron motorların operasyonel maliyetini oldukça düşürür. Asenkron motorlar doğrudan şebekeye bağlanarak sabit hız gerektiren ve hassasiyetin önemsiz olduğu uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Diğer bütün fırçasız motorlarda olduğu gibi asenkron motorlar da oldukça az bakım gerektirir. Asenkron motorlar rotor akısını üretmek için stator akımlarını kullanırlar. Bunun sonucu olarak rotor akısını mıknatısların ürettiği mıknatıslı senkron motorlara göre çoğu çalışma bölgesinde daha verimsiz çalışırlar. Asenkron motorların mıknatıslı motorlara göre daha düşük güç yoğunluğuna sahip olduğu bilinmektedir. Bu sebepten ötürü, ağırlığın ve verimliliğin önemli olduğu askeri uygulamalarda, otomotivde, robotikte ve uzay uygulmalarında genellikle mıknatıslı motorlar tercih edilmektedir. Asenkron motorlar çalışma teorileri gereği pozisyon kontrolüne hiç uygun değillerdir. Senkron motorlar ailesinde bir çok farklı tip motor vardır. Bunlardan biri olan alan sargılı senkron motorların rotorunda sargılar bulunur. Bu sargılara bilezikler yardımı ile doğru akım verilir ve rotor akısı oluşturulur. Bu tip motorlarda mıknatıs kullanılmaz ve mıknatısların ürettiği rotor akısını rotor sargıları üretir. Alan sargılı senkron motorlar çoğunlukla elektrik üretiminde kullanılır. Bir diğer tip olan sürekli mıknatıslı senkron motorların rotorunda mıknatıslar bulunur. Bu tip motorların rotor akısı mıknatıslar vasıtası ile oluşturulur. Sürekli mıknatıslı senkron motorların çalıştırılması için sürücülere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu motorlar mıknatıs içerdiğinden ötürü üretim maliyetleri yüksektir. Sürekli mıknatıslı senkron motorlar konum, hız ve tork kontrolü için oldukça uygundur. Sürekli mıknatıslı senkron motorlar mıknatısların rotorun yüzeyinde veya içerisinde yer alma durumuna göre iki gruba ayrılır. Mıknatısların rotor yüzeyinde yer aldığı motorlara yüzey mıknatıslı senkron motor, mıknatısların rotorun içerisinde yer aldığı motorlara gömülü mıknatıslı senkron motor adı verilir. Gömülü mıknatıslı senkron motorlar relüktans torku adı verilen yeni bir tork bileşeni oluştururlar. Relüktans torku sayesinde gömülü mıknatıslı senkron motorlar aynı miktarda akım için yüzey mıknatıslı senkron motorlara göre daha fazla tork üretir. Bu durum gömülü mıknatıslı senkron motorların yüzey mıknatıslı senkron motora göre daha verimli olmasını sağlar. Gömülü mıknatıslı senkron motorlar yüksek verimleri sebebiyle otomotiv sektörü gibi yüksek verim gerektiren alanlarda sıkça kullanılırlar. Gömülü mıknatıslı senkron motorların alan zayıflatma kapasitesi yüzey mıknatıslı senkron motorlardan daha yüksektir. Yüzey mıknatıslı senkron motorlar çok düşük tork dalgalanmasına sahiptir. Bu sebepten ötürü pozisyon kontrolüne çok uygundur ve servo motor uygulamalarında sıkça kullanılır. Yüzey mıknatıslı senkron motorlarda relüktans tork bileşeni yoktur ve gömülü mıknatıslı senkron motorlara göre kontrolü daha basittir. Bu tip motorların üretimi gömülü mıknatıslı senkron motorlara göre daha kolaydır bu sebepten ötürü yüzey mıknatıslı senkron motorlar gömülü mıknatıslı senkron motorlara göre daha ucuzdur. Bu tez çalışmasında tasarlanan ve gerçeklenen test sisteminde tasarlanan evirici devresini ve vektör kontrol algoritmasını test etmek amacıyla yüzey mıknatıslı senkron kullanılmıştır. Üç fazlı fırçasız elektrik motorları evirici adı verilen güç elektroniği devreleri kullanılarak sürülür. Çeşitli motor kontrol algoritmalarının ürettiği kontrol sinyalleri evirici kullanılarak motora uygulanır. Evirici ile kontrol edilen üç fazlı fırçasız elektrik motorlarını çalıştırmak için komütasyon algoritması gerekir. Bu algoritma motordan gerekli akımın akması için ihtiyaç duyulan gerilimin motora verilmesini sağlar. Komütasyon algoritmasının gerçeklenmesi için donanımsal ve yazılımsal bileşenlere ihtiyaç vardır. Üç fazlı fırçasız elektrik motorlarını kontrol etmek için üç fazlı eviriciler kullanılır. Üç fazlı evirici bünyesinde bulunan her yarım-köprüde iki adet güç elektroniği anahtarı bulunur ve toplamda üç yarım-köprü için altı adet güç elektroniği anahtarı bulunmaktadır. Endüstride çeşitli tiplerde güç elektroniği anahtarları bulunmaktadır. Maliyet, gerilim, akım ve anahtarlama frekansı göz önünde bulundurularak bu tez çalışması için MOSFET kullanılmasına karar verilmiştir. Seçilen güç anahtarlarını sürmek için sürücü devresine ihtiyaç vardır. Literatürde çok çeşitli güç anahtarı sürme devreleri bulunmaktadır. Tez kapsamında maliyet göz önünde bulundurularak bootstrap tekniği kullanılmasına karar verilmiştir. Bu kapsamda, ilgili sürücü devreleri tasarlanmıştır. Daha sonra tasarlanan devreler Multisim programı üzerinde test edilmiş ve gerçeklenmiştir. Motor kontrol algoritmalarında evirici girişindeki gerilimin, motorun pozisyonunun ve motorun faz akımlarının ölçülmesi gerekmektedir. Tez kapsamında tasarlanan sürücüde kullanılmak üzere gerekli bütün ölçümleri yapacak şekilde sensörler seçilmiştir. Eviricilerin her bir yarım-köprü devresinde bulunan üst ve alt anahtarlar aynı anda açık olamaz. Bu durum, eviricinin her bir yarım-köprü devresinin iki farklı durumda olabilmesine yol açar. Motor kontrol algoritmaları motorun her bir fazının bağlı olduğu yarım-köprü devresinde bulunan üst veya alt anahtarı doğru anda iletime geçirerek motoru kontrol etmeyi amaçlar. Literatürde farklı bir çok motor kontrol algoritması bulunmaktadır. Bunların en basiti, altı-adım kontroldür. Bu kontrol algoritmasında bir elektriksel tur altı evirici durumu kullanılarak taranmakta ve motorun dönmesi sağlanmaktadır. Sayısal kontrol yönteminde ise kontrol algoritması eviriciyi arzu edilen genlikte ve frekansta sinüs gerilimlerini üretmek amacıyla kontrol etmektedir. Bu yöntem daha çok açık çevrim kontrol olarak karşımıza çıkmakta ve endüstriyel uygulamalarda asenkron motorun hız kontrolünün herhangi bir sensör gerektirmeden uygulanmasında kullanılmaktadır. Vektör kontrol yöntemi rotor akısı düzleminde gerçekleştirilmektedir. Sinüsoidal olan motor büyüklükleri rotor akısının açısı kullanılarak D ve Q ekseni olarak adlandırılan büyüklüklere dönüştürülür. Vektör kontrol algoritması arzu edilen torku üretmek için gerekli olan D ve Q eksen stator akımlarını hesaplar. Bu akımları sağlamak için gerekli olan D ve Q eksen stator gerilimleri akım kontrolörleri vasıtasıyla elde edilir. Elde edilen D ve Q eksen stator gerilimleri rotor akısı açısı kullanılarak tekrar sinüsoidal gerilimlere dönüştürülür ve evirici kullanılarak darbe-genişlik modülasyonu sinyalleri olarak motora uygulanır. Bu tez çalışmasında, yüzey mıknatıslı senkron motoru kontrol etmek için vektör kontrol algoritması seçilmiş ve vektör kontrol algoritmasını hesaplayacak olan yazılım tasarlanmıştır. Daha sonra tasarlanan yazılım ve donanım kullanılarak vektör kontrol yöntemi ile yüzey mıknatıslı senkron motorun hız ve konum kontrolü gerçekleştirilmiştir. Vektör kontrol yönteminde en az iki en çok ise dört farklı kontrolör bulunmaktadır. Bu kontrolörler D eksen ve Q eksen akım kontrolörleri, hız kontrolörü ve pozisyon kontrolörüdür. Bahsi geçen kontrolörler genellikle PI veya P kontrolör tipi olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez kapsamında, yüzey mıknatıslı senkron motorun transfer fonksiyonları verilmiştir. Verilen transfer fonksiyonlarını kararlı yapan bütün PID katsayıları tekil frekanslar kullanılarak hesaplanmıştır. Hız kontrolü yapan bir vektör kontrol şu şekilde çalışmaktadır; referans verilen hız ile motorun hızı karşılaştırılır ve elde edilen hata hız kontrolörüne verilir. Hız kontrolörünün çıktısı tork referansı olur. Bu torku üreten D ve Q eksen stator akım referansları hesaplanır ve motorun faz akımları kullanılarak elde edilen D ve Q eksen stator akımları ile karşılaştırılır. Elde edilen hata akım kontrolörüne girer ve D ve Q eksen stator kontrol gerilimleri elde edilir. Elde edilen gerilimler tekrar faz gerilimlerine dönüştürülerek motora uygulanır. Elde edilen faz gerilimlerini motora uygulamak için bir takım darbe-genişlik modülasyonu algoritmaları kullanılır. Bunların arasından en gelişmiş olanı uzay vektör modülasyonudur. Bu tez kapsamında altı-adım modülasyonu ve klasik uzay-vektörü modülasyonu algoritmaları üzerinde durulmuştur. Uzay vektörü modülasyonu algoritması gerçeklenmiş ve vektör kontrol yöntemi ile birlikte hem simulasyon üzerinde hem de gerçek sistem üzerinde test edilmiştir. Bu tezin kapsamı, elektrik motoru kontrolünde oldukça popüler olan vektör kontrol yönteminin farklı tipte fırçasız elektrik motorları için ayrıntılı olarak irdelenmesi ve elektrikli araç uygulamalarını göz önünde bulundurarak karşılaştırılmasıdır. İrdenelenen vektör kontrol yöntemlerinden biri olan ve yüzey mıknatıslı senkron motorların kontrolü için önerilen vektör kontrol algoritması ile birlikte tez kapsamında tasarlanan evirici devresi kullanılarak düşük maliyet ve basitlik dikkate alınarak sürücü tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan sürücü kullanılarak bir yüzey mıknatıslı senkron motorun hız ve pozisyon kontrolü yapılmıştır. Bunlara ek olarak tekil frekanslar yöntemi verilmiştir ve vektör kontrol algoritmasında kullanılan kontrolörlerin farklı bakış açısıyla kararlılık analizi yapılmıştır. Bunların akabinde verilen kontrol yöntemlerinin irdelenmesi sonucunda elde edilen bilgiler kullanılarak farklı tipte motorlar için vektör kontrol yöntemlerinin elektrikli araçlar uygulamaları kapsamında karşılaştırılması yapılmıştır ve sonuç kısmında tablo halinde verilmiştir.