Yeni̇ bi̇r MRAS yöntemi̇ i̇le üç fazli asenkron motorun algilayicisiz vektör kontrolü
Yeni bir MRAS yöntemi ile üç fazlı asenkron motorun algılayıcısız vektör kontrolü
Yazar: ALİ SAFFET ALTAY
Danışman: PROF. DR. AHMET FAİK MERGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzün teknik ilerlemelerine paralel olarak endüstriyel uygulamalarda ihtiyaç duyulan elektrikli sürüş devrelerinin çeşitliliğinin artmasıyla asenkron makinenin hız ve doğrudan moment kontrolü ihtiyacı da artmıştır. Endüstride duyulan bu ihtiyaca cevap verebilmek için akademik çalışmalar da artmış ve çeşitlilik göstermiştir. Bu konular dikkate alınarak düşünülmüş tezin amacı, asenkron makinanın sabit moment, sıfır hızda ve ihtiyaç duyulduğunda yüksek hızlarda alan zayıflama bölgesini kapsayacak şekilde hız geri beslemesine ihtiyaç duyulmayan yeni bir kontrol algoritmasının geliştirilmesidir. Kontrol algoritması rotor alan yönlendirme prensibi üzerine kurulmuştur. Bu yöntemle asenkron makine serbest uyarmalı doğru akım makinesi gibi kontrol edilerek dinamik performansının yükseltilmesi, momentteki dalgalılığın ve motor gürültüsünün azaltılması, düşük hızlarda ve istenildiğinde sıfır hızda asenkron motorun, yükün o anda ihtiyacı olan momenti vermesi amaçlanmıştır.
Asenkron motorlar kafesli ve bilezikli olarak iki türde imal edilirler. Tezde kafesli asenkron motorun vektör kontrolü gerçekleştirilmiştir. Asenkron motorların başlıca avantajları arasında rotorda ek bir kaynak gerektirmemeleri, kolektör, bilezik ve fırça gibi mekanik parçaları olmadığından bakım gereksinimlerinin az olması, oluk tasarımı ve malzeme kalitesi ile motorun karakteristiklerinin değiştirilebilmesi, ucuz olmaları, tozlu, dondurucu soğuk ve patlama özelliği olan zorlu çevresel ortamlarda güvenle çalışabilmeleridir. Bu özelliklerden dolayı asenkron motorlar halen endüstride en çok tercih edilen motorlardır. Asenkron motorların başlıca dezavantajları ise parametreleri zamanla değişen, doğrusal olmayan diferansiyel denklemlerle ifade edilmeleri, verimsiz, kötü sayılabilecek kalkış süreci ve momenti, momentteki salınım, hassas hız ayarı için mile sinyal üreteci vazifesi gören hız algılayıcıların (encoder) monte edilmesi gereksinimi, bu algılayıcıların montajındaki ve çalıştırılmasındaki zorluklardır.
Güç elektroniği devrelerinin imalindeki, IGBT gibi yarı iletken elemanlardaki ve mikroişlemci teknolojisindeki teknik gelişmelerle, yazılım mühendisliğinin verdiği katkılar asenkron motorların yukarıda verilen devantajlarını ortadan kaldırmıştır. Böylece, asenkron motorların hızı, momenti ve kayıpları daha kolay ve verimli olarak denetlenebilir hale gelmiştir. Elektriksel olarak bir girişi olmayan rotor büyüklüklerinin hesaplanabilmesi bu alanda yapılan çalışmalarla farklı matematiksel modeller ortaya çıkmasına sebebiyet vermiştir. Küçük güçlü asenkron motorların fiyatı miline monte edilen rotor konum/hız algılayıcısının toplam maliyetinden daha düşüktür. Bu durum sistemin maliyetini önemli ölçüde arttırmaktadır. Buna ek olarak, algılayıcı bir elektriksel işaret ürettiğinden çeşitli sebeplerle üretilen işaret bozulabilmektedir. Bu durum kontrolün doğru ve güvenilir bir şekilde yapılmasını etkilemeyeceğinden, algılayıcı kontrol sonuçlarından emin olunmadıkça tercih edilmemekte, bunun yerine daha ucuz açık çevrim kontrol yöntemleri uygulanmaktadır. 
Tezin birinci bölümünde, açık ve kapalı çevrim kontrol yöntemleri, endüstride karşılaşılan yük profilleri, bu yük profilleri ile ilişkili değişken hız, hassas hız ve moment ayarının ayrıntılı tanımları verilmiştir. Buna ek olarak bu bölümde, literatür incelenmesi yapılarak bu tez çalışması gerçekleştirilinceye kadar olan sürede yapılmış olan çalışmaların özeti verilmiştir. Tezin ikinci bölümünde, Uzay Fazör Teorisinden yararlanılarak asenkron motorun rotor alan yönlendirmeli elektriksel ve mekanik yana ilişkin matematiksel modeli elde edilmiştir. Matematiksel model asenkron motorun kalkışından itibaren geçici ve sürekli hal çalışmasını içermektedir. Matematiksel modelin elde edilmesinde yine bu bölüm içinde anlatılan Referans Eksen Takımı Teorisiden faydalanılmıştır. Asenkron motorun matematiksel modelleri farklı Referans Eksen Takımlarında elde edilerek aralarındaki farklar incelenmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, asenkron motorun istenildiği gibi çalışması sağlayan gerilim ara devreli eviricinin yapısı, eviricide kullanılan IGBT yarı iletken anahtarların seçimi, özellikleri ve IGBT anahtarları sürecek Darbe Genişlik Modülasyonu (DGM) işaretlerinin elde edilmesinde kullanılan Uzay Vektör Modülasyonu yöntemi anlatılmıştır. Tezin dördüncü bölümünde, asenkron motorun rotor alan yönlendirmeli vektör kontrolünün gerçekleştirilmesi için gereken gerilim denklemleri ve moment denkleminin elde edilmesi, kontrol büyüklüklerinin seçimi, Rotor alan yönlendirme yönteminin V/f gibi diğer yöntemlere göre üstünlükleri, dinamik performansın nasıl iyileştirildiği, hız algılayıcısının kaldırılmasıyla rotor hızının MRAS yöntemiyle hesaplanmasının anlatılması, önceden öngörülen şekilde sıfır hızda motorun milindeki yükü tutacak (hareket ettirmeyecek) şekilde istenilen momentin nasıl üretildiği, hız algılayıcısının kaldırılmasıyla getirilen yenilikler, sayısal işaret işlemcinin (Sİİ) gerekliliği anlatılmıştır. Tezin beşinci bölümünde, kurulan deneysel sistem, deneysel sistemden alınan DGM tetikleme işaretleri, akım, gerilim ve moment dalga şekilleri osiloskop çıktıları ve bu dalga şekillerinin incelenmesi, sistemde yapılan benzetim modelleri ve bu modellerden elde edilen sonuçlarla deneysel sonuçların karşılaştırılması, tezde elde edilen sonuçların endüstride ne şekilde fayda sağlayacağının ayrıntılı açıklamaları yapılmıştır.

Abstract:
The need for controlling speed and direct moment of induction motors has increased as varieties of electrical drives increase in industrial applications parallel to technical advancements recently. In addition, the studies and varieties of studies on the subject in academia have increased in order to meet the demand of industry. Therefore, the objective of this thesis study was to develop a new control algorithm for induction motors without speed feedback at constant moment and zero speed or, at high speeds with field decreasing region when it is needed. The control algorithm was set up based on the principle of rotor flux oriented control. In this method, it was aimed to control the induction motor as if it is a seperately extication dc motor in order to increase the dynamic performance, to decrease the fluctuation in moment and noise in motor, and to provide the desired moment of the load at low speed and even at zero speed.     
The induction motors have been manufactured as either caged or slip-ring rotor. In this study, the vector control of induction motors has been achieved. The main advantages of induction motors are that they are cheap, no need for the additional  electrical contacts on the rotor; less maintenance requirements due to not containing mechanical parts such as collector, ring or brush; modifiying characteristics as material quality and designing slot, safely working characteristics at the hard environmental conditions such as dusty, cold and easily blow-up. Therefore, the induction motors are the ones that are prefered over other types of motors. The main disadvantages of induction motors are that they are expressed by the non-linear differential equations at unsteady conditions; the starting and moment characteristics can be considered as poor and bad; the need for installation of encoder used for sensitive speed adjustment is required producing signals for shaft; and  difficulties in the installation and operating of these sensors.       
The abovementioned disadvantages of induction motors have been overcome by the developments of microprocessor technology and semi-conductive units such as IGBT in the manufacture of power electronics circuits and the contributions of software engineering. Therefore, the speed and loss of induction motors are controlled easily and efficiently. The studies used for controlling rotor magnitudes which do not have any electricity entering lead to various mathematical models. The induction motors with small power are cheaper than the total cost of the position/speed sensor used for rotor installed to the shaft. This significantly increases the cost of the system. In addition, the produced signal by the sensor which generates electrical signal can be destroyed due to various environmental reasons. This does not affect the right and safe control, therefore it is not preffered unless it is be certained of the control results of the sensor. Instead, the open-loop control methods are preferred.    
In the first chapter of the thesis, the open and closed-loop control methods, the load profiles encountered in the industry and the definitions of variable speed, the sensitive adjustments of speed and moment were given in detail based on the load profiles. Furthermore, the summary of the literature based on the studies were presented. In the second chapter, the electrical and mechanical mathematical modeling of induction motor was stated using the rotor field-orientation equations. The mathematical model for the induction motor includes the temporary and steady state working conditions after the starting. The reference axis set theory was used to obtain the mathematical model. The mathematical methods for the induction motors  were obtained from different reference axis sets, and their differences were investigated. In the third chapter the space vector modulation method was given. In addition the structure of circuit inverter which enables the induction motor works as desired, choosing semiconductor IGBT switch in the inverters and their properties, space vector modulation method used for obtaining signals of Pulse Width Modulation (PWM) applying IGBT switches were explained. In the fourth chapter, voltage equations, which are required for controlling the rotor-field oriented induction motor and how the moment equation is obtained, the choosing of the ranges for the control, the superiorities of rotor field directed methods over the other methods such as V/f, how the dynamic performances improve, the calculation of rotor speed without speed sensor by MRAS method, how the moment is produced as it holds the shaft load (motionless) when the speed is zero, the innovations due to no speed sensor, the requirement for digital signal processor (DSP) were given. In the fifth chapter, the experimental setup, the triggering signals from PWM in the experimental setup, the oscillation outcomes of current, voltage, and moment waveforms, and their evaluations, simulation models in the system, the comparisons of resulst from the models and experiments, the detailed explanation of how the outcomes of the thesis has impacts in the industry were explained.