Daimi mıknatıslı motorun sonlu elemanlar yazılımı ile modellenmesi ve kontrolü
Modeling and control of permanent magnet motor with finite elements software
Yazar: SÜLEYMAN YALVAÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT CANER
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli modelleme = Computer aided modelling ; Elektrik motorları = Electric motors ; Geri beslemeli kontrol = Feedback control ; Grafik modelleme = Graphic modelling ; Model kontrolü = Model control ; Rotor alan yönlendirmeli kontrol = Rotor field orientation control ; Senkron motorlar = Synchronous motors ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Bu çalışmada mıknatısları yüzeye monteli daimi mıknatıslı (SMPM) senkron motor, sonlu elemanlar tabanlı bir yazılımda modellenmiş ve elde edilen bu modele alan yönlendirmeli kontrol algoritması uygulanarak moment kontrolü sağlanmıştır.    

Modellemede 1,5 kW'lık endüstriyel bir motorun geometrik ve malzeme özellikleri kullanılmıştır. Elde edilen motor modelinin doğrulaması için model simülasyon sonuçlarıyla motora ait elektriksel plaka ve katalog değerleri karşılaştırılmıştır. Endüstriyel motorun sürücüyle birlikte çalışma modeline ulaşabilmek için dört aşama kullanılmıştır.

İlk aşamada, sürücü modelinin kullanılmadığı sonlu elemanlar tabanlı motor modeli simüle edilmiştir. Simülasyon ortamında maksimum dönme momenti elde edebilmek için gerekli olan başlangıç konum açısı bu aşamada belirlenmiştir. İkinci aşamada, motor modeli MATLAB eklenti yazılımı yardımıyla MATLAB/Simulink ortamına aktarılmış ve simule edilmiştir. Üçüncü aşamada ise uzay vektör kontrollü darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanan bir inverter modeli eklenerek motor, modifiye edilmiş gerilim ile simüle edilmiştir.

Dördüncü aşama olarak da PI kontrolör kullanan alan yönlendirmeli kontrol simülasyonu yapılmıştır. Motor tasarım çalışmalarında popüler olan sonlu elemanlar tabanlı modelin, MATLAB/Simulink ortamında kontrol uygulamasının yapılması önemlidir. Bu uygulamada SMPM motorun moment bileşeni olan Iq akımı ile ortalama moment değeri ayarlanabilmektedir. Bu son kontrol uygulaması motor modelinin kontrol edilebilirliğini göstermek adına önemlidir.

İlk üç simülasyonda besleme gerilim genlik değeri ayarlanarak motor plaka değerlerine yakın değerler elde edilmiştir. Ancak motor plakasında verilen 7.16 Nm'lik tam yük momenti 8.3 A rms yerine son simülasyonda 4.5 A rms ile elde edilmektedir. Akımın düşük olmasının nedenleri olarak mıknatısların remenans değerlerinin ve sargı bağlantı yapısının tam tespit edilememiş olmasıdır. Ayrıca bu çalışmada kayıplar dikkate alınmamıştır. 

Sürücü yazılımı ile elde edilen yarı yükteki moment-akım değerleri simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca farklı devir ve yükleme koşullarında elde edilen akım, gerilim, konum ve moment eğrileri analiz edilmiştir.

Abstract:
This study presents a finite element modelling of surface mounted permanent magnet motor (SMPM). And torque is controlled by using field oriented control (FOC). 

Geometrical and material properties of a 1.5 kW industrial motor has been used in the modelling. This model is verified in three stages comparing real motor electrical plate ratings. Four stages have been used to reach the model of the industrial motor with its driver.

As a first step, the model is simulated as FE based software without any driver. The advance angle required to obtain the maximum torque in the simulation environment is determined at this stage. Secondly, the model is simulated by embedding in MATLAB/Simulink using simulink plug-in software. In the third phase, the motor is simulated with modified voltage by adding an inverter model that uses space vector controlled pulse width modulation (PWM).

In the fourth stage, field oriented control simulation using PI controller was performed. It is important that the finite element based model, which is popular in electric motor design studies, is implemented in the MATLAB / Simulink environment. In this application, the average torque value can be adjusted by the current Iq, which is the torque component of the SMPM (Surface Mount Permanent Magnet) motor. This control application is important to demonstrate the controllability of the motor model.
In the first three simulations, the supply voltage amplitude value was adjusted to obtain values close to the motor plate values. However, the full load torque of 7.16 Nm which is given in the motor plate is obtained at 4.5 A rms in the last simulation instead of 8.3 A rms. The reason for the low current is that the remenance values of the magnets and winding connection structure can not be detected completely. In addition, losses were not considered in this study.

The half-load torque-current values obtained with the drive software are compared with the simulation results. In addition, current, voltage, position and torque curves obtained at different speed and loading conditions are analyzed.