Geri Dön

Sensorless speed control of a PM assisted synchronous reluctance motor from zero to rated speed

DM destekli bir senkron relüktans motorun sıfırdan anma hızına kadar algılayıcısız hız kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 814975
  2. Yazar: KADİR AKGÜL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LALE ERGENE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Sabit olmayan yük altındaki elektrik motoru tahriklerinde verimi artırmak ve enerji tasarrufu sağlamak için değişken hızlı tahrikler gereklidir. Son yıllarda yüksek enerjili mıknatıslara sahip daimi mıknatıslı senkron motorlar (DMSM, ing: PMSM), güç faktörü ve verim avantajlarından dolayı piyasada asenkron motorların değişken hızlı tahriklerine bir alternatif olmaktadırlar. Fakat yüksek enerjiye sahip nadir toprak elementli daimi mıknatısların yüksek fiyatı, özellikle ön maliyet kısıtlamaları bulunan uygulamalar için çözüm olmamaktadır. Nadir toprak elementi mıknatısların kullanılmasının tercih edilmediği ve aynı zamanda yüksek verim, çıkış momenti ve güç yoğunluğuna sahip daimi mıknatıs destekli senkron relüktans motorlar (DMDSRM, ing: PMaSynRM), hâlihazırda en çok kullanılan motor olan asenkron motora güçlü alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada, çamaşır makinesi uygulaması için tasarlanmış olan bir DMDSRM kullanılmıştır. Seçilen bu DMDSRM'nin sıfır hızdan anma hızına kadar algılayıcısız hız kontrolünün gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. DMDSRM tarafından hem relüktans momenti hem de elektromanyetik moment üretilebilmektedir. Bu momentlerden daha baskın olanı relüktans momentidir ve bu özelliği ile gömülü mıknatıslı senkron motorlardan (GMSM, ing: IPMSM) ayrışmaktadır. Relüktans momenti, manyetik olarak anizotropik olan bir manyetik malzemenin manyetik alan yönünde hizalanma eğiliminden meydana gelmektedir. DMDSRM'de bu anizotropiklik rotorda oluşturulan akı bariyerleri ile sağlanmaktadır. Elektromanyetik moment ise geleneksel motorlardan da bilindiği üzere stator ve rotorun oluşturduğu iki manyetik alanın etkileşiminden meydana gelmektedir. DMDSRM'de bu moment rotor q-eksenine yerleştirilen daimi mıknatıslar ile sağlanmaktadır. Böylece toplam momente artış sağlanırken ayrıca güç faktöründe de iyileşme elde edilir. DMDSRM'nin matematiksel modeli, en sade şekli ile rotor referans eksen takımında çıkarılmaktadır. Bunun için stator büyüklükleri ve parametreleri, Clarke ve Park dönüşümleri ile d&q eksen takımı üzerine indirgenirler. Elde edilen elektriksel dinamik denklemler kullanılarak d-ekseni ve q-ekseni olarak iki ayrı eşdeğer devre oluşturulabilir. Ayrıca bakır kayıplarının yanında demir kayıpları da göz önüne alındığında eşdeğer devrelere demir kayıplarına karşılık gelen paralel bir direnç eklenir. Son olarak eşdeğer devrelerin Thevenin eşdeğerleri alınarak devreler daha basit hale getirilirler. DMDSRM için alan yönlendirmeli kontrol (AYK, ing: FOC) uygulanarak stator akımı genliği ve açısı ayrı ayrı kontrol edilebilmektedir. Bu yüzden AYK, vektör kontrolü olarak da isimlendirilmektedir. AYK tekniği ile motor için oluşturulmuş kontrol stratejileri gerçekleştirilebilir. DMDSRM'ye uygulanan başlıca kontrol stratejileri akım başına maksimum moment (ABMM, ing: MTPA) kontrolü, en hızlı moment cevabı kontrolü, maksimum güç faktörü kontrolü ve maksimum verim kontrolüdür. Bu çalışmada, sağladığı birtakım avantajlarından dolayı ABMM kontrolü kullanılmıştır. Bu yöntem öncelikle basit olan algoritması ile öne çıkmaktadır. Diğer bir avantajı ise ABMM kontrolü ile motorun bir hız değeri için motorun çıkış momentinin yanında çıkış gücünün de mümkün olan en yüksek değeri elde edilmektedir. Böylece motor tasarımı değiştirilmeden motorun moment ve güç yoğunluğu arttırılır. Bu avantajlarından dolayı ABMM kontrolü endüstride de yaygın olarak tercih edilmektedir. Üç fazlı bir DMDSRM sürücüsü için iki seviyeli bir evirici yeterli olmaktadır. Evirici sayesinde istenilen genlikte ve frekansta motor faz gerilimleri oluşturulabilmektedir. Dolayısıyla AYK tekniği kullanımı ile de motor faz akımları genlikleri ve frekansları da kontrol edilebilir. Eviricide doğru akım (DA) gerilimden sinüzoidal alternatif akım (AA) gerilimlerin üretilmesi için çeşitli darbe genişlik modülasyonu (DGM, ing: PWM) teknikleri geliştirilmiştir. Bu teknikler arasında uzay vektör DGM (UVDGM, ing: SVPWM) tekniği öne çıkmaktadır. UVDGM tekniği ile DA bara tarafından sağlanan kazanç yükseltilir. Ayrıca daha az anahtarlama gerçekleştirilerek hem anahtarlama kayıpları azaltılıp sistem verimde artış sağlanır hem de toplam harmonik bozunum (THB, ing: THD) azaltılır. UVDGM tekniği gerilim-zaman dengesi prensibine dayanmaktadır. Bu prensipten yararlanılarak üretilmek istenen referans gerilim vektörü, uzay vektör düzleminde bu vektöre komşu iki anahtarlama gerilim vektörü ile elde edilir. Algılayıcısız kontrol, vektör kontrolünde gerekli olan konum bilgisinin ve kapalı çevrim hız kontrolünde gerekli olan hız bilgisinin konum algılayıcısından alınmayıp çeşitli teknikler ile elde edilmesine dayanmaktadır. Son yıllarda algılayıcısız kontrol, endüstriyel uygulamalarda oldukça popüler hale gelmiştir. Algılayıcının sistemden çıkarılması ile daha düşük sistem maliyeti, azaltılmış donanım karmaşıklığı ve boyutu, kontrol sisteminin güvenilirliğinde artış ve sistem bakım gereksiniminde azalma sağlanır. Bu çalışmada algılayıcısız kontrol yöntemlerinden genişletilmiş elektromotor kuvveti (GEMK, ing: EEMF) tekniği ve yüksek frekans enjeksiyonu (YFE, ing: HFI) tekniği tercih edilmiştir. Bu algılayıcısız kontrol tekniklerinin kullanılması ile motorun rotor konumu ve hızı kestirilebilmektedir. Düşük ve sıfır hızlarda GEMK modelinin yetersiz kalması nedeniyle belli bir hız değerinin altında yüksek frekans enjeksiyonu tekniğine başvurulmaktadır. Çalışmanın ilk aşamada GEMK tekniği ele alındı. GEMK tekniğinin uygulanması için öncelikle motorun α&β durağan eksen takımındaki GEMK bileşenlerini içeren durum uzay modeli elde edilir. Rotor konum bilgisini içeren bu GEMK bileşenleri ölçüm yolu ile doğrudan elde edilememektedirler. Bu yüzden GEMK bileşenlerinin bir gözleyici yapısı kullanılarak kestirilmeleri gerekmektedir. Bu kestirim işlemi için literatürde çeşitli gözleyici yapıları bulunmaktadır. Bu çalışmada hızlı yanıt vermesi, kararlı yapısı ve kolay uygulanması gibi avantajlarından dolayı kayan kipli gözleyici (KKG, ing: SMO) yapısı kullanılmıştır. Oluşturulan KKG'li durum uzay modelinde, α&β-ekseni akımlarının kestirim hataları kullanılarak GEMK bileşenleri kestirimleri gerçekleştirilir. Bir KKG katsayısı ile çarpılan bu akım kestirim hatalarının işaretleri GEMK bileşenlerini oluştururlar. Yapılan benzetişimler sonucunda DMDSRM'nin algılayıcısız hız kontrolü 300 rpm'den anma hızı olan 3000 rpm'e kadar gerçekleştirildi. Ayrıca motorun anma yük değerinde yüklendiği durumlar için de algılayıcısız kontrol başarıldı. Verimin yüksek ve kritik olduğu anma hızı için elektriksel konum kestirim hatası 2° civarındadır ve bu değer kabul edilebilir sınırlar içindedir. İkinci aşamada ise DMDSRM için YFE tekniği ele alınmıştır. Bu teknik, akım enjeksiyonu ve gerilim enjeksiyonu olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Yüksek frekanslı akım enjeksiyonu (YFAE, ing: HFCI) yerine sağladığı avantajlardan dolayı bu çalışmada yüksek frekanslı gerilim enjeksiyonu (YFGE, ing: HFVI) tekniği tercih edilmiştir. Gerilim enjeksiyonunda enjekte edilecek yüksek frekanslı işaretler akım kontrolörleri tarafından ayar edilmezler. Ayrıca yüksek frekanslı işaretlerin genlik ve frekans seçiminde akım kontrolörleri tarafından bir kısıtlama yoktur. Kullanılan tekniklerdeki başka bir ayrım ise, yüksek frekanslı işaretlerin darbeli veya dönen gerilim şeklinde olması noktasındadır. Bu çalışmada dönen gerilim enjeksiyonu tercih edilmiştir. Darbeli enjeksiyon yöntemi, rotor konum bilgisini gerektiren dönen referans eksen takımında gerçekleştirilir. Bu nedenle, bu yöntem doğrudan konum tahmini başarımına bağlıdır. Bu tekniğin diğer bir dezavantajı ise motor parametrelerine bağlı olmasıdır. YFGE algılayıcısız kontrol tekniğinde enjekte edilen yüksek frekanslı gerilimler sonucunda motorun faz akımlarında yüksek frekanslı işaretler oluşmaktadır. Bu akım işaretleri rotor konum bilgisini içermektedirler. Fakat bu işaretlerin motor temel akım bileşeninden ayrıştırılarak konum bilgisinin alınabilecek hale getirilmesi gerekmektedir. Ek olarak faz-kilitlemeli çevrim (FKÇ, ing: PLL) yöntemine başvurularak daha düzgün bir konum bilgisi alınması sağlanır. DMDSRM'nin YFGE uygulaması için oluşturulan benzetim modelinde sıfır hızdan GEMK tekniğine geçilen 300 rpm hız değerine kadar algılayıcısız hız kontrolü gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, motorun anma yük değeri altında da algılayıcısız hız kontrolü sağlanmıştır. Sonuç olarak, elektriksel konum kestirim hatası tüm hız aralığı için 2°'den düşüktür. 2°'lik hata verim açısından 50 rpm için %0,04 ve 300 rpm için %0,56'ya karşılık gelmektedir. Bu verim değerleri düşük hızlardaki algılayıcısız çalışma için kabul edilebilir seviyelerdedir. Son aşamada, PMaSynRM'nin algılayıcısız kontrolü deneysel ortamda test edildi. GEMK tekniği ile hem rotor konumu hem de hızı başarılı bir şekilde kestirildi ve motor 300 rpm hız değerinden anma hızına kadar sürüldü. Beklendiği gibi düşük hızlarda EEMF bileşenlerinin düşük değerleri nedeniyle, kestirimler üzerindeki gürültü artmıştır. Daha düşük hızlardaki çalışma için YFGE tekniği test edildi. Motor, 30 rpm hız değerinde ve nominal yük altında sürülmesi başarıldı. Daha sonra, motorun anma yükü altında 100 rpm değerindeki basamak cevapları test edildi. Son olarak algoritmada herhangi bir ayarlama yapılmadan motorun ters yönde döndürülmesi sağlandı. Çalışmanın sonucunda tasarlanan hız kontrolü algoritması ile DMDSRM'nin sıfır hızdan anma hızına kadar algılayıcısız bir şekilde çalışması sağlanmıştır. Aynı zamanda algılayıcılı kontrol durumunda elde edilen verim değeri yaklaşık olarak korunmuştur.

Özet (Çeviri)

Recently, permanent magnet synchronous motors (PMSMs) with high-energy magnets are proposed to replace the variable speed drives of some induction motors (IMs) to increase power factor and efficiency. However, the high price of high-energy rare earth permanent magnets, especially for applications with upfront cost constraints, calls into question this solution. Permanent magnet assisted synchronous reluctance motor (PMaSynRM), which has a high-efficiency standard and high torque and power density, where rare earth magnets' usage is not preferred, is expected to replace IMs, which is currently the most used motor type. In this study, a PMaSynRM designed for a washing-machine appliance is used to apply a sensorless speed control approach from zero speed to rated speed. The working principle of PMaSynRM is based on the reluctance torque beside the electromagnetic torque. The dominant one is the reluctance torque, and this is the subject where it differs from an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). In a PMaSynRM, the reluctance torque is provided by rotor air barriers and the electromagnetic torque is provided by permanent magnets placed on the q-axis of the rotor. The mathematical model of PMaSynRM can be derived simply in the rotating reference frame according to rotor. The variables and parameters of stator axes are transformed into the d&q reference frame by using the Clarke and Park reference frame transformations. Amplitude and angle of stator current vector are controlled separately by performing field-oriented control (FOC). Different control strategies are implied to the motor applications in literature taking advantage of FOC. The main one for a PMaSynRM is maximum torque per ampere (MTPA) control because of its simplicity. Another advantage is that the output power is also maximized for a specific speed value besides the output torque. Thus, the motor torque and power density are increased. A two-level inverter is sufficient for a three-phase PMaSynRM driver. The amplitudes and frequencies of phase voltages and currents are adjusted to the desired value by using inverter and FOC technique together. The space vector pulse-width modulation (SVPWM) technique becomes prominent among pulse-width modulation (PWM) techniques for inverters. Sensorless control is based on obtaining the rotor position and speed information not from the position sensor. In this study, the extended electromotive force (EEMF) and high-frequency injection (HFI) models are preferred. The HFI model is applied below a certain speed due to the inadequacy of the EEMF model at lower and zero speeds. In the first step, the PMaSynRM state space model includes EEMF components is obtained on the α&β stationary reference frame. The EEMF components containing rotor position information cannot be obtained directly by measurement. Therefore, EEMF components need to be estimated using an observer structure. In this study, the sliding-mode observer (SMO) structure is used. The estimation errors of α&β-axis currents are used for estimating EEMF components. As a result of simulations, sensorless speed control of PMaSynRM is realized from 300 to 3000 rpm (rated) and also under rated load conditions. For rated speed where efficiency is high and critical, the electrical position estimation error is around 2°, which is acceptable. In the second stage, the HFI technique is applied for the PMaSynRM. High-frequency voltage injection (HFVI) is preferred, since the injected signals are not regulated by the current controllers. As a result of the injected high-frequency voltages, high-frequency signals are formed in the phase currents of the motor. These current signals contain rotor position information. However, the signals must be subjected to some signal processing to obtain this rotor position information. These signals are separated from the motor fundamental current, and position information. A smoother position information is provided with the designed phase-locked loop (PLL) technique. In simulation environment, PMaSynRM sensorless speed control is carried out from zero to 300 rpm speed. In addition, sensorless speed control is also provided for the rated load condition. As a result, the electrical position error is less than 2° for the entire speed range, which is reasonable level for a sensorless operation. In the final stage, the experiments of sensorless control of PMaSynRM are carried out. With the EEMF technique, both rotor position and speed are successfully estimated and the motor is driven from 300 rpm to rated speed. The noise of estimations increases at low speeds because of lower values of EEMF components as expected. For lower speeds, the HFVI technique is tested. The motor is driven under rated load at 30 rpm. Then, the 100 rpm step responses of motor are obtained under rated load. Finally, the motor is tested to be rotated in the opposite direction. With the designed speed control algorithm, PMaSynRM is provided to operate sensorless from zero speed to rated speed. The efficiency value obtained with the sensor is approximately kept, thus avoiding the concern of efficiency loss.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    101013

    Fırçasız doğru akım makinelerinde konum algılayıcısız hız denetimi

    Sensorless speed control of brushless DC machines

    NAMIK YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2000

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. M. EMİN TACER

  2. Tez No

    457961

    Sensorless permanent magnet synchronous machine control based on stator feedforward voltage estimation

    Sürekli mıknatıslı senkron makineler için ileri beslemeli stator gerilim tahmini metoduna dayalı sensörsüz kontrol yöntemi geliştirme

    ÖMER CİHAN KIVANÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOkan Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK

  3. Tez No

    323730

    Aşırı doldurmalı ağır hizmet motorunun hava yolu kontrolü ve uygulaması

    Mass air flow control and application of a turbocharged heavy duty diesel engine

    OSMAN UYGUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT GÜVENÇ

  4. Tez No

    850510

    Elektro eğirme tekniği ile geliştirilen tekstil yapılarının elektriksel iletkenlik ve elektromekanik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of electrical conductivity and electromechanical characteristics of textile structures developed by electro spinning techniques

    KÜBRA YILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Tekstil ve Tekstil MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHAMMET UZUN

  5. Tez No

    789856

    Sürekli mıknatıslı senkron motorun doğrusal olmayan denetleyici ile sensörsüz hız denetimi: Lyapunov yaklaşımı

    Sensorless speed control of a permanent magnet synchronous motor with nonlinear controller: Lyapunov approach

    AHMET İLKKAN AÇIKGÖZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM ALIŞKAN

Geri Dön