Alan Yönelimli Kontrol

AC endüksiyon motorları dayanıklılık, güvenilirlik ve kolay kontrol gibi hayranlık uyandıran işleyiş özelliklerine sahiptir. Endüstriyel hareket kontrol sistemlerinden ev aletlerine kadar çeşitli uygulamalarda geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak, endüksiyon motorlarının karmaşık matematiksel modeli ve doygunluk sırasında doğrusal olmayan karakteri nedeniyle en yüksek verimde kullanılması zor bir görevdir. Bu faktörler, endüksiyon motorunun kontrolünü zorlaştırır ve vektör kontrol gibi yüksek performanslı kontrol algoritmalarının kullanımını gerektirir.

Alan Yön Kontrolünün Tanıtımı

"V/Hz" stratejisi gibi skaler kontrol, performans açısından sınırlamaları vardır. Endüksiyon motorları için skaler kontrol yöntemi, üretilen torkta salınım oluşturur. Bu nedenle, daha iyi dinamik performans elde etmek için daha üstün bir kontrol şemasına ihtiyaç vardır. Mikrodenetleyiciler, dijital sinyal işlemcileri ve FGPA'nın sunduğu matematiksel işleme yetenekleri sayesinde, AC endüksiyon motorlarında tork üretimi ve manyetizasyon fonksiyonlarını ayrıştırma gibi gelişmiş kontrol stratejileri uygulanabilir. Bu ayrıştırılmış tork ve manyetize akım, genellikle rotor Alan Yön Kontrolü (AYK) olarak adlandırılır.

Alan Yön Kontrolü, tork ve hız kontrolünün motordanın elektromanyetik durumuna dayalı olarak doğrudan yapıldığı tarzı tanımlar. Bu, DC motoruna benzerdir. AYK, tork ve akım gibi "gerçek" motor kontrol değişkenlerini kontrol eden ilk teknolojidir. Stator akım bileşenleri (manyetize akım ve tork) arasında ayrıştırma olduğunda, stator akımının tork üretme bileşeni bağımsız olarak kontrol edilebilir. Düşük hızlarda ayrıştırılmış kontrol ile, motorun manyetizasyon durumu uygun seviyede korunabilir ve tork hızı düzenlemek için kontrol edilebilir.
"AYK, geniş hız aralığında pürüzsüz çalışabilen, sıfır hızda tam tork üretebilen ve hızlı ivme ve yavaşlama yeteneğine sahip yüksek performanslı motor uygulamaları için geliştirilmiştir."

Alan Yön Kontrolünün Çalışma Prensibi

alan yönlü kontrol, bir vektör tarafından temsil edilen stator akımlarını kontrol etmeyi içerir. Bu kontrol, üç fazlı zaman ve hız bağlı bir sistemden (d ve q çerçevesi) zamanla değişmeyen iki koordinatlı bir sisteme dönüştürmeler üzerine dayanır. Bu dönüşümler ve projeksiyonlar, DC makine kontrolünün yapısına benzer bir yapıya yol açar. AYK makineleri, tork bileşeni (q koordinatıyla hizalı) ve akım bileşeni (d koordinatıyla hizalı) olmak üzere iki sabit girdiye ihtiyaç duyar.
AC motorların üç fazlı gerilimleri, akımları ve akışları karmaşık uzay vektörleri açısından analiz edilebilir. Eğer i_a, i_b, i_c stator fazlarındaki anlık akımlar ise, stator akım vektörü aşağıdaki gibi tanımlanır:

Burada, (a, b, c) üç fazlı sistemin eksenleridir.

Bu akım uzay vektörü, üç fazlı sinusoidal sistemini temsil eder. Bu, iki zamanla değişmeyen koordinat sisteminin dönüştürülmeye ihtiyacı vardır. Bu dönüşüm ikiye ayrılabilir:
(a, b, c) → (α, β) (Clarke dönüşümü), bu, iki koordinatlı zamanla değişen bir sistem çıktısı verir.
(α, β) → (d, q) (Park dönüşümü), bu, iki koordinatlı zamanla değişmeyen bir sistem çıktısı verir.
(a, b, c) → (α, β) Projeksiyonu (Clarke Dönüşümü)
Zaman içinde a, b, c eksenlerinde değişen üç fazlı nicelikler ya da gerilimler veya akımlar, aşağıdaki dönüşüm matrisiyle α ve β eksenlerinde zaman içinde değişen iki fazlı gerilimler veya akımlara matematiksel olarak dönüştürülebilir:

Eğer a ekseninin ve α ekseninin aynı yönde olduğunu ve β'nin onlara dik olduğunu varsayarsak, aşağıdaki vektör diyagramına ulaşırız:

Yukarıdaki projeksiyon, (α, β) iki boyutlu dik sistemine üç fazlı sistemi dönüştürür:

Ancak bu iki fazlı (α, β) akımlar hala zaman ve hızdan bağımlıdır.
(α, β) → (d.q) projeksiyonu (Park dönüşümü)
Bu, AYK'de en önemli dönüşümdür. Aslında, bu projeksiyon, d, q dönme referans sistemi olan iki fazlı sabit dik sistem (α, β) 'yi değiştirir. Dönüşüm matrisi aşağıda verilmiştir:

Burada, θ dönme ve sabit koordinat sistemi arasındaki açıdır.
Eğer d eksenini rotordan akım ile hizalı düşünürseniz, Şekil 2, akım vektörü için iki referans çerçevesi arasındaki ilişkiyi gösterir:

Burada, θ rotor akım pozisyonudur. akım vektörünün tork ve akım bileşenleri, aşağıdaki denklemlerle belirlenir:

Bu bileşenler, akım vektörünün (α, β) bileşenlerine ve rotor akım konumuna bağlıdır. Eğer doğru rotor akım konumu biliniyorsa, yukarıdaki denklemle d, q bileşeni kolayca hesaplanabilir. Bu anda, tork doğrudan kontrol edilebilir çünkü akım bileşeni (i_sd) ve tork bileşeni (i_sq) artık bağımsızdır.

Alan Yön Kontrolü için Temel Modül

Stator faz akımları ölçülür. Bu ölçülen akımlar Clarke dönüşüm bloğuna beslenir. Bu projeksiyonun çıktıları i_sα ve i_sβ olarak adlandırılır. Bu akımın iki bileşeni Park dönüşüm bloğuna girer ve d, q referans çerçevesinde akım sağlar. i_sd ve i_sq bileşenleri, i_sdref (akım referansı) ve i_sqref (tork referansı) referanslarına karşılaştırılır. Bu noktada, kontrol yapısı avantajı vardır: senkron veya indüksiyon makinelerini kontrol etmek için basitçe akım referansını değiştirerek ve rotor akım konumunu izleyerek kullanılabilir. PMSM'de rotor akımı manyetler tarafından sabit belirlendiği için yaratılmasına gerek yoktur. Bu nedenle, PMSM'yi kontrol ederken, i_sdref sıfıra eşit olmalıdır. indüksiyon motorları çalışmak için bir rotor akımı oluşturmaya ihtiyaç duyduğundan, akım referansı sıfır olmamalıdır. Bu, "klasik" kontrol yapılarının birincil eksikliklerinden birini kolayca ortadan kaldırır: asenkron sürücülerden senkron sürücülere taşınabilirliği. PI kontrolörlerin çıktıları V_sdref ve V_sqref 'dir. Bunlar ters Park dönüşüm bloğuna uygulanır. Bu projeksiyonun çıktıları V_sαref ve V_sβref 'dir ve uzay vektör darbe genişliği modülasyon (SVPWM) algoritma bloğuna beslenir. Bu bloğun çıktıları inverter'i sürer. Burada hem Park hem de ters Park dönüşümleri rotor akım konumuna ihtiyaç duyar. Bu nedenle, AYK'nin özü rotor akım konumudur.
Rotor akım konumunun değerlendirilmesi, senkron veya indüksiyon motorunu düşünmemize bağlı olarak farklıdır.

1. Senkron motor(lar) durumunda, rotor hızı rotor akım hızına eşittir. Sonra rotor akım konumu, pozisyon sensörü veya rotor hızının entegrasyonu ile doğrudan belirlenir.

2. Asenkron motor(lar) durumunda, rotor hızı, kayma nedeniyle rotor akım hızına eşit değildir; bu nedenle rotor akım konumunu (θ) değerlendirmek için özel bir yöntem kullanılır. Bu yöntem, d, q dönme referans çerçevesindeki indüksiyon motor modelinin iki denklemine ihtiyaç duyan akım modelini kullanır.

Basitleştirilmiş Dolaylı AYK Blok Diyagramı

Alan Yön Kontrolünün Sınıflandırılması

Indüksiyon motor sürücüsü için AYK, dolaylı AYK ve doğrudan AYK şemaları olmak üzere ikiye ayrılabilir. Doğrudan AYK stratejisinde rotor akım vektörü, havalandaki bir akım sensörü ile ölçülür veya elektrik makinesi parametrelerinden başlayarak gerilim denklemleri kullanılarak ölçülür. Ancak, dolaylı AYK'de rotor akım vektörü, rotor hızı ölçümünü gerektiren alan yönlü kontrol denklemleri (akım modeli) kullanılarak tahmin edilir. Her iki şema arasında, IFOC kapalı devrede sıfır hızdan yüksek hız alan zayıflamasına kadar tüm hız aralığında kolayca çalıştığından daha yaygın olarak kullanılır.

Bahşiş