Elektrikli araçlarda kullanılan asenkron motorun optimal akı referanslı doğrudan moment denetimi
Direct torque control with optimal flux reference of induction motor used in electric vehicles
Yazar: HİLMİ AYGÜN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA AKTAŞ
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Asenkron motorların nominal yükte verimleri yüksektir. Ancak düşük yüklerde oranı artan demir kaybına bağlı olarak verimleri düşüktür. Asenkron motorla sürülen elektrikli araçlar (EA) genellikle düz yolda düşük yükte hareket ettiğinden, motorun özellikle düşük yüklerde veriminin artırılması EA'lar için çok önemlidir. Bu amaçla, asenkron motorun demir kaybı ile bakır kaybı arasında denge kurarak maksimum verimde çalışmasını sağlayan optimal akı değerinin bulunması gereklidir. Bu tez çalışmasında doğrudan moment kontrollü (DMK) asenkron motorla sürülen EA'ların veriminin artırılması için yeni bir kayıp model tabanlı kontrolör tasarlanmıştır. Günümüzde kayıp model tabanlı kontrolör algoritmalarında, kayıpları modellemeyi sadeleştirmek için genellikle demir kaybı ve kaçak endüktanslar ihmal edilmektedir. Ancak her ikisinin de ihmali, özellikle yüksek hız bölgesinde doğru bir kayıp minimizasyonu elde edilmesini engeller. Bu çalışmada önerilen kayıp model tabanlı kontrolör algoritmasında, demir kaybı ve kaçak endüktanslar matematiksel modellemeye dahil edilmektedir. Önerilen yöntemde, mıknatıslanma akımının demir kaybı akımından çok büyük olmasına dayanarak, mıknatıslanma akımı yerine stator akımı ile rotor akımının toplamının yazılması yaklaşımı ile senkron referans eksenlerinde modelleme sadeleştirilip, DMK için gerekli olan optimal stator akı referansı kolayca bulunmaktadır.
   
Hem benzetim hem de deneysel sonuçlar, önerilen yöntemin özellikle düşük yüklerde motorun verimini önemli oranda artırdığını göstermektedir. Önerilen kayıp model tabanlı kontrolörle elde edilen optimal akı referanslı DMK ile moment dalgalanmasında azalma olduğu görülmektedir. Ayrıca asenkron motorun hız kontrolünü iyileştirmek için DMK'de genellikle kullanılan PI kontrolör yerine kayan kipli kontrolör (KKK) kullanılmaktadır. KKK kontrolörü ile hem yük değişimi altında hem de referans hız değişimi altında daha az aşım ve daha kısa yerleşme zamanı elde edilmiştir.

Abstract:
The efficiency of induction motors is high at rated load. However, it is low at the low loads due to increased core loss rate. Since electric vehicles (EVs) driven by induction motors usually move at low load on a straight road, to increase the efficiency of the motor especially at low loads is very important for EVs. For this purpose, it is necessary to find an optimal flux value that enables the induction motor to work at maximum efficiency by providing a balance between core loss and copper loss. In this thesis, a novel loss model based controller is designed to increase the efficiency of EVs driven direct torque control (DTC) based induction motor. Today, in the loss model based controller algorithms, generally core loss and leakage inductances are neglected to simplify the loss model. However, to neglect both factors prevent obtaining a correct loss minimization, especially in high speed region. In the algorithm of loss model based controller proposed in this study, core loss and leakage inductances are taken into account in the mathematical model. The proposed method is based on that the magnetizing current is much higher than the core loss current. By using the sum of stator current and rotor current instead of magnetizing current, modelling in the synchronous reference axes is simplified, then the optimal stator flux reference required for DTC is found easily.     

Both the simulation and experimental results show that the proposed method significantly increases the efficiency of the motor, especially at low loads. It is seen that a reduction in torque ripple is provided by the DTC with optimal flux reference obtained by the proposed loss model based controller. Also, a sliding mode controller (SMC) is used to improve the speed control of induction motor instead of a classical PI controller used in the DTC. The SMC controller provides less overshoot and shorter settling time under sudden load and reference speed changes.