arm sürücü devresi

B. Durak,

A.Y.

Yeksan,

L.T.

Ergene

Elektrik Mhendislii Blm

stanbul Teknik niversitesi

[email protected], [email protected],

[email protected]

zet G elektronii teknolojisinin geliimine paralel olarak ilerleyen motor src devreleri, src devresine ihtiya duyan motorlarn almalarnda byk kolaylklar salamaktadr. Gelien yar iletken teknolojisi ile birlikte saysal kontrol ve bilgisayar destekli tasarm kullanmnn yaygnlamas ile yapsnn basit, maliyetinin dk olmas ve farkl hz ayarlarnda rahatlkla altrlabiliyor olmas gibi nedenlerle anahtarlamal relktans motorlarna olan ilgi artmaktadr. Bu almada, 6/4 kutuplu 3 fazl bir anahtarlamal relktans motoru iin farkl src devre modeli incelenmitir. ncelikle anahtarlamal relktans motoru ve src devrelerine ksaca deinilmi ve daha sonra ele alnan farkl src devre modelleri arasnda motorun k parametreleri gz nnde bulundurularak gerekli karlatrmalar yaplmtr. Src devre modellerinin benzetimleri PSIM Benzetim Program ile yaplmtr.

Abstract There is no doubt that many significant movements in power electronics come into existence because of the technological developments in recent years. Developments in power electronics leaded a significant improvement on motor drive techniques and these improvements on motor drives provided great conveniences in the motor applications. Switched reluctance motors have many advantages such as low cost manufacturing, simple structure and easy operation for different speed levels. However, these motors require a drive circuit and rotor position sensors for the operation. In this paper, three different types of driver models were examined for a 6/4 poles, three phase switched reluctance motor. Before all else, the structure and the basic operating principles of SRM were described. Subsequently, the motor output parameters for three different drive models were considered and necessary comparisons were made. All drive systems were modeled by using PSIM software.

1.

Giri

Anahtarlamal relktans motorlar (ARM), statoru ve rotoru

kk kutuptan oluan ve sadece statorunda sarg bulunduran, rotorunda herhangi bir sarg ya da srekli mknats bulundurmayan basit yapl elektrik makinalardr. ARMlerin her faz birbirinden fiziksel, manyetik ve elektriksel bakmdan bamsz olduklar iin asenkron ve doru akm makinelerine gre gvenilir makinalardr. Ayrca rotorlarnda herhangi bir

sarg ya da srekli mknats bulundurmadklar iin ARMlar olduka yksek hzlara kabilmektedirler. Anahtarlamal relktans motorlarnn dzgn alabilmesi iin srekli bir moment retilmesi gerekmektedir. Bu da stator kutbuna gre rotor kutbunun konumunun konum alglayclar ile izlenip uygun faz sarglarnn srasyla beslenmesine baldr. Bunu gerekletirebilmek iin de uygun g elektronii devrelerine yani src devrelerine ihtiya duyulur. Bu motorlarn dezavantaj ise moment dalgalanmasnn fazla olmasdr. Gelien yariletken teknolojisi ile beraber g elektronii devrelerinin kullanm da kolaylam ve yaygnlamtr. Dolaysyla ARMlerin alabilmesi iin gerekli olan src devrelerinde meydana gelen ilerlemeler sonucu endstriyel uygulamalarda anahtarlamal relktans motorlar, asenkron ve doru akm motorlar ile uygulamada rekabet edebilir hale gelmitir.

2. Anahtarlamal Relktans Motorlar Anahtarlamal relktans motorlar ile ilk kez 1838 ylnda Dawidson tarafndan skoyada bir elektrikli lokomotifi hareket ettirmek iin kullanlrken karlalmtr. Uzun yllar kontrolnn zorluundan dolay almalar yaplmamtr. Ancak motor ve src devre tekniinin geliimi bu motorlara olan ilginin tekrardan artmasna sebep olmutur.

2.1. Yaps ve alma Prensibi

Anahtarlamal relktans motorlar, dier elektrik makinalarna kyasla son derece basit bir yapya ve kuruluma sahip elektrik makinalardr. Hem statoru hem de rotoru kk kutuplu yapya sahip olduundan bu motorlar ift kkl relktans motorlar olarak da adlandrlmaktadrlar. Sadece statorunda sarg bulunduran ARMlerin rotorlarnda herhangi bir sarg ya da srekli mknats bulunmaz.

Rotor ve stator kutup saylar ift sayda olmak zere sayca birbirinden az, fazla ya da birbirine eit olabilir. ounlukla stator kutup says rotor kutup saysndan daha fazladr. Yksek hz gerektiren uygulamalarda genelde rotor kutup says stator kutup saysna gre kk seilirken, yksek moment gerektiren uygulamalarda ise rotor kutup says stator kutup saysna olduka yakn seilmektedir.

ARMlerin tek fazl olarak 2/2, 4/4, 6/6, 8/8; ift fazl olarak 4/2, 8/4, 4/6, 8/6; fazl olarak 6/4, 6/8, 12/8, 18/12, 24/16, drt fazl olarak 8/6, 16/12 gibi birok deiik dizilimleri oluturulabilir. Genel olarak, ARMn faz says arttka

Anahtarlamal Relktans Motorlarda Src Devrelerinin Karlatrlmas

Comparison of Driver Circuits for Switched Reluctance Motors

Eleco 2014 Elektrik Elektronik Bilgisayar ve Biyomedikal Mhendislii Sempozyumu, 27 29 Kasm 2014, Bursa

282

retilen momentte meydana gelen dalgalanmada azalma gzlenir. Ancak faz saysnn artmas src devresindeki yariletken elemanlarn saysnn dolaysyla maliyetin artmasna neden olur. Motorun kendi kendine kalk yapabilmesi iin en az iki fazl, kalk annda dn ynn de belirleyebilmesi iin en az fazl olmas gerekmektedir. ARMnin kalk yapabilmesi iin stator ile rotor kutup saylarnn mutlaka farkl olmas gerekmektedir.

Anahtarlamal relktans motorlarnn alma prensibi, statoru ile rotoru arasndaki hava aralnda meydana gelen relktans deiimi ile ilgilidir. ARMde stator ile rotor arasndaki hava aralnn relktans deeri kutuplarn kntl olmasndan dolay sabit deildir, deikendir. Rotor konumuna gre halkalanma aklarnn izledii yolun deimesi sonucu manyetik devredeki relktans deeri de deiir. = = . . = . (1) Anahtarlamal relktans motorlarnda rotorun asal deiimi ile zellikle l, ve A parametrelerinde meydana gelen deiiklikler sonucu manyetik devrenin relktans deeri deiir.

ekil 1: Stator ile rotor kutbunun konumlar.

ARMda baz rotor konumlarnn zel tanmlar bulunmaktadr. Bu zel konumlardan biri olan ekil 1de gsterilen Yz yze (bakk) konumunda, rotor kutuplarndan bir tanesi stator kutuplarndan bir tanesi ile tam olarak kar karya bulunur. Rotor bu konumdayken yz yze bulunduu stator sarglarndan akm aktlmas halinde herhangi bir moment retilmez. Stator sarglarndan akm aktlrken rotor yz yze konumdan uzaklatrlrsa, rotoru tekrar bu eski konuma geri getirmeye alacak bir moment retimi balar. Stator ile rotor kutuplarnn yz yze olduu konumda, hava aral deeri minimum ve manyetik geirgenlik deeri maksimum olaca iin manyetik devrenin relktans minimum deerinde olacaktr. Dolaysyla, fade (2) den anlalaca zere bu konumdaki endktans deeri maksimum deerine ulaacaktr. = = . = ! (2) Dier zel konum ise ekil 1de gsterilen ortalanm konumdur. Bu konumda, bir stator kutbu ile artarda dizilmi iki rotor kutbunun radyal eksenlerinin aortaylar akk durumda bulunur ve rotorun bu konumunda da moment retimi olmaz.

2.2. Moment retimi

Anahtarlamal relktans motorunun moment retimi, bir solenoidde elektromekanik enerji dnmnn temel prensipleri kullanlarak aklanabilir. N sarml bir solenoid, i akm ile uyartldnda bir aks retilir. Uyarma akmnn

arttrlmas ile hareketli endvi sabit boyundurua doru hareket edecektir.

! = . . = .. = . . = (3) Dnen elektrik makinalarnda, mekanik enerjide meydana gelen art elektromanyetik moment ve rotor konumundaki deiim cinsinden

ifade edilebilir ve ifade (4)teki gibi yazlr.

! = ! (4) ! = ! (5)

Koenerji tanmndan ve denklem (5)ten faydalanarak hava aral momenti aadaki gibi ifade edilebilir.

! = (, ) . !2 (6)

Bu ifadede rotor konumunu gstermekte ve L bu konuma bal endktans gstermektedir. Bu

endktans

deiimi ve a tanmlamalar ekil 2de

verilmitir.

ekil 2: ki kutuplu ARM iin temel rotor konum tanmlamalar

ve endktans profili

ARMlarda retilen moment, akmn karesi ile ilikili olduundan tek ynl moment retmek iin akm da tek ynl olabilir. Ayn ekilde moment, akmn karesi ile ilikili olduundan ARMlar iyi bir kalk momentine sahiptir. Ayrca retilen momentin yn, rotor konumunun bir fonksiyonu olduundan faz sarglarndan akan akmn ynnden bamszdr. Srekli bir moment retimi salayabilmek iin ise motorun

her faz, rotorun konumu ile balantl olarak dzgn bir ekilde uyarlmaldr.

2.3.

Matematiksel

Model

Anahtarlamal relktans motoruna ait bir faz edeer devre modeli ekil 3de gsterilmektedir.


283

ekil 3: ARMa ait tek faz edeer devresi.

ARM iin fazlar arasndaki ortak endktans ihmal edildiinde, bir faza uygulanan gerilim; faz sargsndaki gerilim dm ile aknn zamana gre deiiminin toplamna eittir ve denklem (7) ile verilmektedir.

= ! + , + , ! (7) Endklenen gerilim ve buna ilikin sabit de yazlarak motora ilikin bir matematiksel model karlabilir.

= , ! = !! (8) ! = , (9)

Bir faz gerilimine ait olan denklem (7) akmla arplarak g ifadesi bulunabilir.

! = = !! + 12 , ! + 12 ! , (10) 3. Anahtarlamal Relktans Motorlar Src Devreleri

Src devreleri, motor fazlarnn uygun zamanlarda enerjilendirilmesi iin gerekli olan komutlarn kontrol ile ilgilenen bir g kayna grevindedir. Motor fazlarnn etkinletirilmesi ve iletimin ne kadar srecei bu devreler vastas ile gerekletirilir. Dolaysyla, motora sadece elektrik enerjisi salamakla kalmayp motorun dzgn alabilmesi iin gerekli olan akm dzenlemelerini de yapar. Anahtarlamal relktans motorlarnn dzgn alabilmeleri iin motorun endktans profili gz nnde bulundurularak rotor konumunun bir konum alglaycs tarafndan belirlenmesi gerekmektedir. Konum alglaycs tarafndan belirlenen bu konumlara gre motor fazlar uyarlr. Kontrolr ise motor performansn dzenler. Anahtarlamal relktans motorlarnda kullanlan birok src devre eidi mevcuttur. Ancak alma kapsamnda farkl src devresi incelenmi ve performans karlatrlmalar yaplmtr.

3.1. Asimetrik Kpr evirici

Faz bana iki anahtarlama eleman ve iki diyot ieren asimetrik kpr evirici ile tek ynl anahtarlama yntemi uygulanmaktadr. Her faz birbirinden bamsz olarak kontrol edilmektedir. Asimetrik evirici devresi kullanlan ARM srclerinde anahtarlama iin akm ya da gerilim kontrol yntemlerinden herhangi birisi kullanlabilir. Akm kontroll srcnn

gerilim kontroll srcye gre avantaj, faz akmnn daha rahat ve dzgn olarak kontrol edilebiliyor olmas sonucu moment dalgallnda ya da grltde azalma gzlenmesidir.

ekil 4: Asimetrik Kpr evirici.

3.2. R-Dump evirici

Tek anahtar/Faz snfna dahil olan R Dump evirici devresi faz bana bir anahtarlama eleman ve bir diyot iermektedir. Sadece A faz gz nnde bulundurulursa, T1 transistr kesime gittiinde, akm D1 diyotu zerinden akarak Cs kondansatrn arj edip daha sonra R direnci zerinden akar. T1 transistr iletimdeyken, A faznn sargsnda depolanan enerjinin bir ksm, transistr kesime gittiinde R direnci tarafndan harcanacandan motor srcsnn verimi azalr.

ekil 5: R-Dump evirici.

3.3. Seri Pasif evirici

Seri pasif evirici topoloji olarak asimetrik evirici ile ok benzer olup fark olarak bir serbest gei diyotu ve kapasiteler devreye eklenmitir. T1 ve T2 kesimdeyken Cb kondansatr arj olur. Gerilim deerini ykseltmek amacyla kullanlr. Anahtarlar iletime getiinde gerilim deeri besleme gerilim deerine dene kadar hzla azalr.

ekil 6: Seri Pasif evirici.


284

4. Src Devre Tasarm ve Benzetim Sonular

Anahtarlamal relktans motorunun almas iin gerekli olan src devre modellerinin benzetimleri PSIM Simlasyon Program ile gerekletirilmitir. almada ilk olarak 3 fazl 6/4 kutuplu bir ARM iin adet farkl evirici devre modelinin benzetimleri gerekletirilmi ve daha sonra bu src devrelerinin ve motorun kontroln salayacak kontrol devresi tasarlanmtr. Son olarak, bu farkl src devre modeli ile altrlan motorun faz akm, momenti, moment dalgalanmas, Toplam Harmonik Bozulma (THB) gibi k parametreleri belirlenip karlatrlmtr.

izelge 1: Motor parametreleri.

4.1. Asimetrik Kpr evirici Benzetim Sonular

ARMnun kararl halde almaya 0,8 1 sn arasnda oturduu gzlemlendi. Kararl alma sresi boyunca, 27351 min-1 hzda ortalama faz akm deeri, Iort 0,346 A, maksimum akm deeri, Imaks 0,584 A ve ortalama moment deeri, Mort 0,0511 Nmdir. Akm ykselme sresi, ty 0,1 ms ve dme sresi, td 0,19 ms olduu grld. Anahtarlamal relktans motorunun temel problemlerinden biri olan moment dalgalanmas ise yaklak %8,5 olarak hesapland. Ayrca, meydana gelen THB ise 0,138dir.Bu src devresinin benzetimine ait alma grafikleri ekil 7, ekil 8 ve ekil 9da gsterilmektedir. ekil 10da ise A fazna ait akmn, Fourier analizi verilmektedir.

ekil 7: Asimetrik evirici 3 faz akm-zaman grafii.

ekil 8: Asimetrik evirici moment - zaman grafii.

ekil 9: Asimetrik src hz-zaman grafii.

ekil 10: Asimetrik src Fourier analizi.

4.2. R-Dump evirici Benzetim Sonular

Devrede yer alan R direnci ve C kondansatrnn deerleri ise snmleme faktr forml yardmyla hesaplanmtr. R ve C deerleri hesaplamalarnda, Rf=0,615, Cf=16F ve Lf=133H deerler referans olarak alnd. Yaplan hesaplamalar sonucu elde edilen deerler ile altrlan RDump evirici devresinin kararl hal sresince, 26556 min-1 hzda ortalama faz akm deeri, Iort 0,444 A, maksimum akm deeri, Imaks 0,614 A ve ortalama moment deeri, Mort 0,0532 Nmdir. Akm ykselme sresi, ty 0,1 ms ve dme sresi, td 0,33 ms olduu grld. Momentinde meydana gelen dalgalanma ise yaklak %13 olarak hesapland. Ayrca, meydana gelen THB ise 0,126dr.Bu src devresinin benzetimine ait alma grafikleri ekil 11, ekil 12 ve ekil 13de gsterilmektedir. ekil 14de ise A fazna ait akmn, Fourier analizi verilmektedir.

ekil 11: R-Dump evirici faz akm-zaman grafii.

ekil 12: R-Dump evirici moment - zaman grafii.

Faz says 3 Stator kutup says 6 Rotor kutup says 4 DC Gerilim[V] 200 Maksimum endktans [mH] 88 Minimum endktans [mH] 1,8 Adm as [] 30


285

ekil 13: R-Dump evirici hz-zaman grafii.

ekil 14: R-Dump evirici Fourier analizi.

4.3. Seri Pasif evirici

Devredeki kondansatrn deeri balangta 680F olarak alnp devre altrld Daha sonra bu deer farkl aralklarla azaltlarak devrenin almasnda meydana getirdii deimeler incelendi ve 55F bu src devresinin alabilmesi iin yeterli kapasite deeri olarak belirlendi. 55Ftan daha dk deerler girildiinde motorun almaya balad ilk anda ektii akmn ok yksek olduu gzlemlendi. Ayrca 55F ile 680F aras deerler denendiinde ortalama faz akm ve ortalama moment deerleri neredeyse ayn iken akmn ykselme ve dme sreleri bakmndan farkllklar olduu belirlendi. 680F deeri iin devrenin faz akmnn ykselme sresi 0,1ms ve dme sresi 0,2ms iken, 55F deeri iin faz akmnn ykselme sresi 63s ve dme sresi 0,18ms olarak kaydedildi. Tm bunlara bal olarak C2 kondansatrnn deeri 55F seildi. Belirlenen deerleri ile altrlan Seri Pasif evirici devresinin kararl hal sresince, 27587 min-1 hzda ortalama faz akm deeri, Iort 0,351 A, maksimum akm deeri, Imaks 0,628 A ve ortalama moment deeri, Mort 0,0551 Nmdir. Akm ykselme sresi, ty 63 s ve dme sresi, td 0,18 ms olduu grld. Momentinde meydana gelen dalgalanma ise yaklak %3,5 olarak hesapland. Ayrca, meydana gelen THB ise 0,131dr.Bu src devresinin benzetimine ait alma grafikleri ekil 15, ekil 16 ve ekil 17de gsterilmektedir. ekil 18de ise A fazna ait akmn, Fourier analizi verilmektedir.

ekil 15: Seri pasif evirici 3 faz akm-zaman grafii.

ekil 16: Seri pasif evirici moment - zaman grafii.

ekil 17: Seri pasif evirici hz-zaman grafii.

ekil 18: Seri pasif evirici Fourier analizi.

5.

Src Devrelerinin Karlatrlmas

Bu blmde benzetimleri gerekletirilmi olan Asimetrik Kpr, RDump ve Seri Pasif evirici ile modellenmi bu src devresinin k parametrelerinin

karlatrlmas yaplmtr. Benzetimleri

yaplan src devresine ait benzetim sonular Tablo 2de yer almaktadr.

Anahtarlamal relktans motorunun temel sorunlarndan biri olan moment dalgall gz nne alndnda Tablo 2den anlalaca zere en iyi src devre modeli, temeli asimetrik kpr eviriciden gelen seri pasif eviricidir. Ancak THB bakmndan karlatrldnda ise RDump evirici en iyi src devre modelidir. Verimler gz nnde alndnda ise R-Dump devresi ierdii diren elemanndan dolay verimi en dk olan devre modelidir. Her uygulama iin ideal src devre modelinin farkllk gsterebilecei buradan anlalmaktadr. rnein, hassas moment kontrol gerektirmeyen dk hzl ve performansl uygulamalarda

RDump src modeli uygun olabilirken, hassas moment kontrol ve yksek verim gerektiren yksek performansl uygulamalarda, byk gl srclerde

hzl demanyetize olabilen asimetrik ve seri pasif src modeli ideal olmaktadr. Uakuzay uygulamalar hassas kontrol gerektiren uygulamalar olduklarndan Asimetrik evirici devreleri en ideal devre modelleridir.


286

izelge 2: Farkl src devrelerine ait benzetim sonularnn karlatrlmas.

Maks. Faz

akm Imaks [A]

Ort. Faz

akm Iort [A]

Ort. Moment

Mort [Nm]

Hz n

[d/dak]

THB

Moment

dalgall [%]

Akm ykselme

sresi ty [ms]

Akm dme sresi td [ms]

Asimetrik 0,584 0,346 0,0511 27351 0,138 8,5 0,1 0,19 R-Dump 0,614 0,444 0,0532 26556 0,126 13 0,1 0,33 Seri Pasif 0,628 0,351 0,0551 27587 0,131 3,5 0,063 0,18

6. Sonu Bu almada 3 fazl 6/4 kutuplu bir anahtarlamal relktans motorunun yaps, almas ve motora ait src devre modelleri incelenip PSIM Benzetim program ile Asimetrik, R Dump ve Seri Pasif isimli farkl src devre modelinin benzetimleri yaplmtr. ncelenen devrelerde anahtarlama eleman olarak npn transistrler kullanlmtr. Yaplan benzetimler sonucu bu farkl src devre modeli ile altrlan motora ait faz akm, momenti, moment dalgalanmas, Toplam Harmonik Bozulmas gibi k parametreleri karlatrlmtr. Ayrca motora ait farkl src devre modellerinin avantaj ve dezavantajlar da incelenmitir. alma boyunca incelenen ve benzetimleri yaplan src devre modellerine ait karlatrma Tablo 3de verilmitir.

izelge 3: Src devre modelleri arasnda karlatrma.

zellikler Asimetrik R Dump Seri Pasif Faz bamszl Tam Tam Tam Serbest dolam Var Var Var Eleman says 2N N 2N Kontrol Basit Basit Basit Performans yi Zayf yi Verim Yksek Dk Yksek

Tablodan anlalaca zere drt blgede alan bir ARM iin en rahat ve kullanl src devre modeli asimetrik ya da temeli asimetrik evirici olan seri pasif eviricidir. Makinann her faznn kontrolnn birbirinden bamsz gerekletirilebilmesi, devrede meydana gelen herhangi bir hata durumunda motorun almaya devam edebilmesi, veriminin yksek olmas gibi zellikleri asimetrik eviriciyi ideal klmaktadr. Her ne kadar asimetrik src en ideal src modeli olarak belirtilse de farkl uygulama alanlar iin farkl srcler ideal olabilmektedir. ARM iin src modeli belirlemeden nce motorun iletme durumundaki zellikleri ok iyi bilinmelidir ve bunlar gz nne alnarak src seilmelidir.

7. Kaynaklar [1] Dursun, M., zden, S., 2008, Deiken Hzl Srcl

ve Bulank Mantk Denetimli Bir Anahtarlamal Relktans Motorun Asansr Tahrikinde Benzetimi ve Uygulanmas, Politeknik Dergisi, Cilt 11, Say 2, Syf 129-137.

[2] Ganguli, S., 2011, Pspice Analysis of R-Dump Converter For Switched Reluctance Motor Drives, Journal of Engineering Research and Studies, Vol. 2.

[3] Kim, J., Krishnan, R., 2009, Single-Controllable-Switch-Based Switched Reluctance Motor Drive For Low-Cost Variable - Speed Applications, Energy Conversion Congress on 20-24 Sep. 2009, pp. 2535-2542.

[4] Krishnan, R., 2001. Switched Reluctance Motor Drives: Modeling, Simulation, Analysis, Design and Applications, CRC Press, 2001.

[5] Liang, J., Lee, D.H., Xu, G., Ahn, J.W., 2010, Analysis of Passive Boost Power Converter for Three-Phase SR Drive, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 9, pp. 2961-2971.

[6] Mahmoud, S.M., El-Sherif, M.Z., Abdel-Aliem, E.S., Nashed, M.N.F., 2013, Studying Different Types of Power Converters Fed Switched Reluctance Motor, International Journal of Electronics and Electrical Engineering, Vol.1, No.4, pp.281-289.

[7] Sindhuja, S., Susitra, D., 2013, Design of a Novel High Grade Converter for Switched Reluctance Motor Drive Using Component Sharing, International Conference on Energy Efficient Technologies for Sustainability on 1012 Apr. 2013, pp. 1174-1178.

[8] Soares, F., Branco, P.J.C., 2001, Simulation of 6/4 switched reluctance motor based on matlab/simulink enviroment, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 37, No.3, pp. 989-1004.

[9] Ylmaz, M., 2014, Elektrik-Elektronik Mhendisliinin Temelleri, stanbul Teknik niversitesi.

[10] Zadeh, A.D., Adib, E., Farzanehfard, H., Saghaian-Nejad, S.M., 2011, New Converter for Switched Reluctance Motor Drive With Wide Speed Range Operation, Second Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference on 1617 Feb. 2011, pp. 473-477.


287

arm sürücü devresi

Documents