ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ

BİTİRME ÇALIŞMASI TEZ KİTAPÇIĞI

KONU: 3 FAZLI ASENKRON

MOTORUN SKALER (V/f)

KONTROLÜ

B130900020 İlknur Bilgin - B130900049 Beytiye Taşdemir

Danışmanı: Yrd. Doç. Dr. Murat KARABACAK

Mayıs 2017 SAKARYA

LİSANS BİTİRME ÇALIŞMASI

ONAY FORMU

Beytiye Taşdemir ve İlknur Bilgin tarafından Yrd. Doç. Dr. Murat Karabacak yönetiminde hazırlanan “ 3 Fazlı Asenkron Motor (V/f) Skaler Kontrolü ” başlıklı Bitirme Çalışması tarafımızdan kapsamı ve niteliği açısından incelenerek kabul edilmiştir. Danışman : Unvanı Adı ve SOYADI Yrd. Doç. Dr. Murat Karabacak

Jüri Üyesi 1 : Unvanı Adı ve SOYADI Prof. Dr. Ali Fuat BOZ

Jüri Üyesi 2 : Unvanı Adı ve SOYADI Yrd. Doç. Ahmet KARACA

Bölüm Başkanı : Unvanı Adı ve SOYADI Prof. Dr. Ali Fuat BOZ

ÖNSÖZ Eğitim hayatımız boyunca bizlerden her anlamda desteklerini esirgemeyen ailelerimize ve bu çalışmanın yapılmasında, gerekli bilgi ve belgelerin sağlanmasında desteklerini gördüğümüz; danışmanımız Sn. Yrd. Doç. Dr. Murat KARABACAK’a , Arş.Gör.Murat Erhan ÇİMEN’e , Yrd. Doç. Dr. Ahmet KARACA’ya teşekkürlerimizi sunuyoruz. Ayrıca manevi desteğini bizden esirgemeyen ve her zaman iyi bir eğitimci olarak yanımızda olan Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Elektrik- Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanı Sn. Prof. Dr. Ali Fuat BOZ’a ve diğer öğretim görevlilerine çok teşekkür ederiz. Bitirme çalışmalarında bölüm olanaklarının kullanılmasına izin verdiği için Prof. Dr. Mehmet SARIBIYIK ve Sakarya Üniversitesi Rektörü Prof. Dr. Muzaffer ELMAS’a teşekkürlerimizi sunarız. Mayıs 2017 Sakarya İlknur Bilgin Beytiye Taşdemir

İÇİNDEKİLER Lisans Bitirme Çalışması Onay Formu………………………………………………..i Önsöz…………………………………………………………………………………ii İçindekiler…………………………………………………………………………....iii Semboller ve kısaltmalar listesi…………………………………………………...…vi Şekiller Listesi………………………………………………………………………. Tablolar Listesi………………………………………………………………………. 1.GİRİŞ………………………………………………………………………………1

1.1. Genel Bilgiler…………………………………………………………………1

1.2. Literatür Araştırması………………………………………………………….2

1.3. Özgünlük………………………………………………………………….…..3

1.4. Yaygın Etki…………………………………………………………….……..3

1.5.Standartlar………………………………………………………………..…...4

1.6. Çalışma Takvimi……………………………………………………………...5 2. TEORİK ALTYAPI………………………………………………………………6

2.1. Genel Bilgiler…………………………………………………………………6 2.2.Asenkron Motorun Matematiksel Denklemleri Ve Eşdeğer Devresi…………6 2.3. Üç –Fazlı Asenkron Motorun Skaler (V/F) Hız Denetimi…………………...10 2.3.1. Stator Frekans ve Geriliminin Değiştirilmesi ile Hız Denetimi………..10 2.3.2. Moment-Hız Karakteristikler 2.3.3. Sabit Moment Bölgesinde (Nominal Hızın Altında) Çalışma…………………………………………………...…………10

2.3.3. Sabit Moment Bölgesinde (Nominal Hızın Altında) Çalışma………..12

2.3.4. Sabit Güç Bölgesinde (Nominal Hızın Üstünde) Çalışma…………….12

2.3.5. Düşük Frekansla Çalışma…………………………………… ..…….. 12

2.3.6. Pwm (Darbe Genişlik Modülasyonu)…………………………………13

2.3.7. Sinüs - Üçgen Karşılaştırılmasıyla PWM Anahtarlama Sinyallerinin Üretilmesi……………………………………………………………………………14

2.4. GÜÇ ELEKTRONİĞİ ELEMANLARI…………………………………….16

2.4.1. Doğrultma ve Evirici Devre…………………………………………...16

2.4.2. Gerilim Regüle Devreleri……………………………………………...16

2.4.3. DSPİC30F4011 Mikroişlemci………………………………………...18

2.4.4. 7407 Buffer Entegresi…………………………………………….......18

2.4.5. ULN2003A Buffer Entegresi……………………….…………….......18

2.4.6. VO3120 Optocoupler……………………………………....................18

2.4.7. IRFP460 Mosfet……………………………………………………...19

3. TASARIM…………………………………….....................................................19

3.1. Genel Bilgiler…………………………………………………………….....19

3.1.1. Asenkron Motor Hakkında Bilgi……………………………………...20

3.1.2. Inverter Tasarımı………………………………………………...…….21

3.1.3. Optocoupler Sürme Devresi………………………………...…………22

3.1.4. Ön Maaliyet Hesabı…………………………………….......................22

3.2. Boyutlandırma…………………………………….........................................23

3.3. Sistem Bileşenleri ve Seçimleri……………………………………...............24

3.3.1. Doğrultma Devresi……………………………………........................24

3.3.2. DSPİC30F4011 Mikroişlemci………………………………………...25

3.3.3. 7407 Buffer Entegresi…………………………………….... ..............25

3.3.4. ULN2003A Buffer Entegresi……………………………………........26

3.3.5. VO3120 Optocoupler……………………………………........... .......26

3.3.6. IRFP460 Mosfet………………………………………………………28

3.3.7. Gerilim Regülatör Devreleri…………………………………………..28

3.4. Uygulanan Yöntemler……………………………………................. ..........30

3.5. Yazılımlar……………………………………..................... ....................... .30

3.6. Malzeme Listesi ve Ekonomik Analiz…….…………………………….......32

4. SİMÜLASYON (BENZETİM) ÇALIŞMALARI……………………………......33

4.1. Genel Bilgiler…………………………………..….........................................33

4.2. Simülasyon Yazılımı………………………………….….......…………........33

4.3. Sistem Modelleme…………………………………….......…………............33

4.4. Simülasyon ………………………….......…………......................................37

5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR……………………… .......… ……….................38

5.1. Genel Bilgiler………………………….......…………....... ............................38

5.2.Asenkron Motor ve Sürücü Devre Sisteminin Birleştirilmesi……………..…39

5.3.Arayüz Elemanlarının Gerçekleşmesi………….......………….......................42

5.4.Yapılan Testler………………………………………………………………..44

6. SONUÇLAR………………………….......…………............. ..............................47

6.1. Genel Açıklamalar………………………….......…………........................ ..47

6.1.1.Maaliyet Analizi………………………………………………………..47

6.2. Simülasyon Sonuçları……………… ……………… ………… …… …….49

6.3. Deney Sonuçları……………………………………………………..………52

6.4. Değerlendirmeler………… …………..…… …………… ………… ……..56

7.KAYNAKLAR……………………...……………………………………………58

EKLER………………………………………………………………………………59

Ek-1…………………………………………………………………………….....…83

Ek-2……………………………………………………………………………..…...86

ÖZGEÇMİŞ……………………………………………………………………...….88

ÖZET

Asenkron motorlar (ASM) Tesla tarafından 1888 yılında geliştirilmiştir. Asenkron motorların düşük maliyet, az bakım gerektirme, dayanıklılık ve yüksek verim gibi özellikleri nedeniyle, asenkron motor sürücüleri (ayarlanabilir hızlı sürücüler) günümüz endüstrisinde çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu motorların karmaşık yapıları ve modellenemeyen parametreleri sebebiyle hız ve tork denetimleri oldukça zordur. Bu nedenle günümüze kadar pek çok denetim yöntemi geliştirilmiş ve halen farklı denetim yöntemleri üzerine çalışmaların yapıldığı görülmektedir.

ASM’lerin hız denetimlerinde, genellikle Skaler Denetim Yöntemi ve Vektörel

Denetim Yöntemleri kullanılır. Skaler denetim maliyetinin düşük olması ve uygulamasının kolay olması bakımından tercih edilmektedir. Ancak bu yöntem düşük hızlarda istenilen başarıyı gösterememektedir. Skaler denetim yöntemi, gerilim/frekans ( v/f ) oranının sabit tutulmasıyla gerçekleştirilmektedir. Burada amaç farklı hızlarda çalıştırılmak istenen motorun torkunu sabit tutmaktır. Ancak ASM’ler düşük hızlarda çalıştırıldığında iç gerilim düşümünün azalması nedeniyle tork üretimi düşmekte ve harici yük koşulları gibi bozucu etkiler nedeniyle motorun dinamik performansı azalmaktadır.

Bilindiği gibi, asenkron motor sürücülerinin en önemli kısmını eviriciler oluşturmaktadır. Evirici, doğru gerilimden alternatif gerilim elde etmek ve bu alternatif gerilimin genlik ve frekansını denetlemek amacıyla kullanılmaktadır. Evirici ile bu işlemlerin gerçekleştirilmesi için çeşitli darbe genişlik ayarı (DGA) yöntemleri kullanılmaktadır. Eviriciler beslenme şekillerine göre gerilim ara devreli (GADE) ve akım ara devreli (AADE) olmak üzere iki ana sınıfa ayrılmaktadır. Asenkron motorların hız denetimi için genellikle GADE kullanılmaktadır. Eviricilerin denetiminde kullanılan DGA yöntemleri, eviricinin çıkış performansını doğrudan etkilemektedir. DGA yöntemlerinin en çok bilineni sinüzoidal darbe genişlik ayarı (SDGA) yöntemidir. Bitirme çalışmamızda SDGA yöntemi kullanılmıştır.

Bu tasarım çalışmasında, tipik bir üç-fazlı asenkron motorun GADE yöntemlerinden SDGA yöntemi ile mikrodenetleyici kullanılarak açık çevrim skaler hız denetimi deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemde, eviricinin çıkışında faz gerilimleri ve hat akımları ölçülmüş, motorun frekans ve gerilim değişimiyle tork ve hız değişimi gözlemlenilmiştir.

SEMBOLLER VE KISALTMALAR LİSTESİ

AADE : Akım Ara Devreli Evirici

GADE : Gerilim Ara Devreli Evirici

DGA : Darbe Genişlik Ayarı

SDGA : Sinüzoidal Darbe Genişlik Ayarı

IGBT : Isolated Gate Bipolar Transistör (Yalıtılmış Kapılı Çift Kutuplu Transistör)

FFT : Fast Fourier Transform (Hızlı Fourier Dönüşümü)

THB : Toplam Harmonik Bozunum

AA : Alternatif Akım

DA : Doğru Akım

f : Frekans

fc : Anahtarlama frekansı / Taşıyıcı frekans

mf : Frekans Modülasyon Oranı

m : Genlik Oranı

V : Gerilim

P : Kutup Sayısı

ns : Dakikadaki döner alan hızı (d/dak.)

nr : Dakikadaki rotor hızı (d/dak.)

ωs : Stator Hızı (rad/s)

ωr : Rotor Hızı (rad/s)

ϕag : Hava aralığı akısı (Wb)

Eag : Hava aralığı gerilimi (V)

Er : Rotor gerilimi (V)

Bag : Hava aralığı akı yoğunluğu (Tesla)

Ir : Rotor akımı (A)

Is : Stator akımı (A)

Im : Mıknatıslanma akımı (A)

Rr : Rotor direnci (Ω)

Rs : Stator direnci (Ω)

Lls : Stator Kaçak Endüktansı (H)

Llr : Rotor Kaçak Endüktansı (H)

Lm : Mıknatıslanma Kaçak Endüktansı (H)

ŞEKİLLER LİSTESİ

BÖLÜM 1

Şekil 1.1. Devre ARES Görseli

Şekil 1.2. Motor Bağlantı Standartları

BÖLÜM 2

Şekil 2.1. Asenkron motorun bir faz eşdeğer devresi

Şekil 2.2. Manyetik akı ve zıt-emk

Şekil 2.3. Asenkron motorun sabit hava-aralığı akısında ve düşük kaymalı çalışmada sabit momentli yük için değişik frekanslardaki moment-hız eğrileri

Şekil 2.4. Asenkron motorun farklı hızlardaki davranışı

Şekil 2.5. Hava aralığı akısını sabit tutmak için gerekli ek gerilim

Şekil 2.6. Anahtarlama elemanlarının motora bağlantısı

Şekil 2.7 IGBT’ lerin iletime geçme süre karakteristikleri

Şekil 2.8.Üç fazlı AC sinyalin oluşumunu gösteren dalga şekilleri ve Üç faz PWM sinyalleri

Şekil 2.9. 15V ve 5V çıkışlı gerilim regüle devresi

Şekil 2.10. 12V ve -8V çıkışlı gerilim regüle devresi

BÖLÜM 3

Şekil 3.1. Uygulama Devresi Blok Şeması

Şekil 3.2. Tiplere Göre Motor Karakteristikleri

Şekil 3.3. Inverter Devresi Proteus Görseli

Şekil 3.4. Tasarlanan Motor Sürücü Devresi Fotoğrafları

Şekil 3.5. DSPIC30f4011 Datasheet ve Görseli

Şekil 3.6. 7407 İç Yapısı ve Görseli

Şekil 3.7. ULN2003A Datasheet ve Görseli

Şekil 3.8. VO3120 İç yapısı ve görseli

Şekil 3.9. IRFP460 İç Yapısı ve Görseli

Şekil 3.10. 15V ve 5V çıkışlı gerilim regüle devresi

Şekil 3.11. 12V ve -8V çıkışlı gerilim regüle devresi

Şekil 3.12. Yazılım Algoritması

BÖLÜM 4

Şekil 4.1. MATLAB Simulink Devresi Görseli

Şekil 4.2. Uygulama Devresi Proteus Modellemesi

Şekil 4.3. Uygulama Devresi Proteus Ares Modellemesi

Şekil 4.4. MATLAB Simulasyon Devresi Çalışma Diyagramı

Şekil 4.5. Proteus Modelleme ve Baskı Devresi Diyagramı

BÖLÜM 5

Şekil 5.1. Evirici Devre, Tasarımı ve Uygulama Devresi

Şekil 5.2. Devre Tasarımı Blok Şeması ve Uygulama Devresi

Şekil 5.3. Evirici Devre Proteus Görseli

Şekil 5.4. Optocoupler Bağlantısı

Şekil 5.5. Köprü Tipi Diyot

Şekil 5.6. DC Baraya Uygulanan Gerilimi Filtre Amacıyla Kullanılan Köprü Diyot

Şekil 5.7. Regüle Devrelerinde Kullanılan Köprü Tipi Diyot

Şekil 5.8. Devre Deney Düzeneği Görseli

Şekil 5.9. 3 Faz Kaynaktan Uygulanan Gerilim ve Evirici Üzerinden Alınan Gerilim

Değeri

BÖLÜM 6

Şekil 6.1.Elektromanyetik Tork Simülasyonu

Şekil 6.2. Rotor Hızı Simülasyonu

Şekil 6.3. Fazlar Arası Gerilim

Şekil 6.4. Motorun Çektiği Akımın Simülasyonu

Şekil 6.5. Deneysel Çalışma

Şekil 6.6. f=10 Hz için Faz Akım

Şekil 6.7. f=25 Hz’de Faz-1 Faz-2 Gerilim Grafiği

Şekil 6.8. f=25 Hz’de Faz-1 Faz-3 Gerilim Grafiği

Şekil 6.9. f=25 Hz’de Faz-2 Faz-3 Gerilim Grafiği

Şekil 6.10. f=25 Hz için Faz Akımı

Şekil 6.11. f=50 Hz’de Faz-1 Faz-2 Gerilim Grafiği

Şekil 6.12. f=50 Hz’de Faz-1 Faz-3 Gerilim Grafiği

Şekil 6.13. f=50 Hz’de Faz-2 Faz-3 Gerilim Grafiği

Şekil 6.14. f=50 Hz için Faz Akımı

TABLOLAR LİSTESİ

BÖLÜM 1

Tablo 1.1. Örnek İş-Zaman Grafiği

BÖLÜM 3

Tablo 3.1. Motor Etiket Değerleri

Tablo 3.2. Ön Maaliyet Hesabı

Tablo 3.3. Malzeme Listesi ve Ekonomik Analiz

BÖLÜM 4

Tablo 4.1. MATLAB Simulink’te Sinüsoidal Darbe Genişlik Ayarı (PWM) için Hesaplanan Değerler

Tablo 4.2. Farklı Frekans Değerlerinde Motorun Hız, Kayma Hızı ve Kayma Değerleri

BÖLÜM 6

Tablo 6.1 Ön Maaliyet Hesabı

Tablo 6.2 Sonuçlanan Maaliyet Tablosu

Tablo 6.3. SDGA için; f=50 Hz ve m=1 Durumunda Faz Hat Geriliminin Dalga Şekli, Harmonik Dağılımı ve % THB

Tablo 6.4. SDGA için; f=50 Hz ve m=1 Durumunda Faz Hat Akımının Dalga Şekli, Harmonik Dağılımı ve % THB

Tablo 6.5. Sinüsoidal Darbe Genişlik Ayarı (PWM) için Hesaplanan Değerler

Tablo 6.6. Farklı Frekans Değerlerinde Motorun Hız, Kayma Hızı ve Kayma değerleri

1  

1. GİRİŞ

1.1. Genel Bilgiler

Sanayi tesislerinde elektrik enerjisini dairesel harekete çevirebilmek için motorlar kullanılır. Motor sargılarına verilen alternatif akımın meydana getirdiği döner manyetik alanın dönme hızı ile rotorun dönme hızı aynı olmayan motorlara asenkron motor denir. Bu motorlara, indükleme prensibine göre çalıştıkları için indüksiyon motorları da denilmektedir. Asenkron motorlar ucuz olmaları, az bakım gerektirmeleri, çalışmaları sırasında ark oluşturmamaları, 3500 kW güce kadar imal edilebilmeleri, çeşitli fazlarda yapılmaları, momentlerinin yüksek olması ve teknolojideki gelişmeler sonucunda devir sayılarının çok geniş sınırlar içinde değiştirilmesi nedeniyle endüstride en çok kullanılan motorlardır. Uygulamada onlarca çeşitte elektrikli motor karşımıza çıkmaktadır. Ancak, asenkron motorların kullanılma oranı yüksek seviyededir. Asenkron motorlar genel olarak stator, rotor, gövde, yataklar, kapaklar ve fandan oluşur Yapılan çalışmanın genel bir tanımı verilir.

Asenkron motorlar, kısa devre çubuklu (sincap kafesli) ve rotoru sargılı (bilezikli) olmak üzere genellikle bir ve üç fazlı olarak üretilirler. Sincap kafesli asenkron motorlar sağlam yapıları, az arıza yapmaları ve az bakım gerektirmeleri, düşük maliyet ve yüksek verimli olmalarından dolayı endüstri ve genel amaçlı uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Asenkron motor, hava-aralığındaki döner alanla aynı yönde ve döner alan hızından (ns) kayma (s) kadar küçük bir (n) hızında döner. Asenkron motor, normal çalışma aralığındaki kayma değeri düşük (%3-5) değerde olduğundan, genelde sabit hızlı motor olarak anılır. Asenkron motor, sabit şebeke gerilimi ve frekansı ile beslendiğinde, normal çalışma aralığında yaklaşık sabit hızda döner. Asenkron motorun n dönüş (rotor) hızı, hava-aralığındaki döner alanın hızıyla (ns) dolaylı olarak ayarlanmaktadır. Asenkron motorun ns senkron hızı, şebeke geriliminin frekansı ( f ) ve kutup sayısı (P) ile doğrudan değişmektedir. Bundan başka, asenkron motorun hızı, küçük güçteki değişken momentli yüklerde olduğu gibi, gerilimle dolaylı olarak ayarlanabilmekte ise de verim düşük olduğundan kullanımı çok yaygın değildir.

Asenkron motorun sıfır ile etiket değeri arasındaki frekansla hız ayarı ancak sabit ϕag hava aralığı akısında mümkün olmaktadır. ϕag akısının sabit kalması ise statora uygulanan gerilimin stator gerilimi frekansına oranı sabit tutularak sağlanmaktadır. Bu nedenle asenkron motorun frekansla hız ayarına V/f skaler hız denetimi denilmektedir. Bu hız denetimi amaca yönelik oluşturulmuş bir motor sürücüsüyle mümkündür. Bir motor sürücüsünün en önemli kısmı eviricilerdir. IGBT sürme devresi için gerekli DGA tetikleme sinyali uygulamada kullanılan mikrodenetleyici tarafından üretilmiştir. Yani gerçekleştirilen uygulamada bu işlem bir evirici ve mikrodenetleyici ile sürücü devre tasarlanmış ve motor skaler hız denetimi gerçekleştirilmiştir. Bundan başka, daha hassas hız denetimi olan vektör hız denetimi tez çalışma alanının dışında kalmaktadır. [1,2,3,4,5]

2  

1.2. Literatür Araştırması

Asenkron motorun hız denetiminde, ilk önce skaler hız denetim yöntemleri geliştirilmiştir. Asenkron motorun skaler hız denetim yöntemi, kolay uygulanabilirliği açısından günümüzde en bilinen ve yaygın olarak kullanılan hız denetim yöntemidir .Bu yöntemde, gerilim/frekans oranı (Vs/f) sabit tutularak hız denetimi yapılmaktadır. Eviricinin çıkışındaki gerilimi ve frekansı değiştirebilmek için evirici denetiminde kullanılan çeşitli darbe genişlik ayarı (DGA) yöntemleri geliştirilmiştir.[1]

Skaler kontrolde, temel degiskenler olarak gerilim ve frekans kullanılır. Bu kontrol

yönteminde, motordaki manyetik alanın konumu dikkate alınmaz ve sürücüde hız algılayıcı kullanılması gerekmez. Rotorun konumu ihmal edilir, yani hız veya konum bilgisi kullanılmaz. Moment ve akı dogrudan veya dolaylı olarak kontrol edilemez. Kontrol sabit bir gerilim / frekans çıkısı olan bir regülatör ile saglanır ve daha sonra PWM modülatörü sürülür. Bu düzenleme, basit olmakla beraber düsük hız doğruluğu ve zayıf moment cevabı sağlayabilir. Akı ve moment seviyeleri, uygulanan gerilim ve frekansa motorun verdiği cevap ile belirlenir. Bu tür bir sürücü, yüksek seviyede dogruluk gerektirmeyen pompa ve fan gibi uygulamalar için elverişlidir.[4]

Frekansın değiştirilmesi, hava aralığındaki manyetik akının değişmesine neden olacaktır. İndüksiyon motorda sabit tork elde edebilmek için, hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğunun sabit kalması gerekmektedir. Sabit manyetik akı V/f oranın sabit olması ile mümkündür.Bir başka ifade ile frekans değiştikçe, motora uygulanan gerilim de değiştirilirse bu mümkün olabilir.[3]

Skaler kontrol metodu, stator frekansını sadece gerilim ve akımı kontrol sinyali uygulayarak sürer. Yani stator gerilimi, stator frekansı ile orantılı olarak değiştirilerek kontrol sağlanır. Burada tork ve akı sabit kaldığı esastır. Bu yöntemin avantajı tekniğin basitliğinden ve hesaplama kolaylığından kaynaklanır (Zidani vd., 2002).

Temel kontrol amacı, dışarıdan gelebilecek herhangi bir bozulmaya karşı koyarak maki-nayı istenilen hızda tutmaktır. Gerilim kaynaklı bir PWM inverter ile hem gerilim hem de frekans sabit bir oranda tutularak makinanın akısı aynı değerde tutulur (Garcia vd., 1998).

Bu yöntemlere düşük performanslı yöntemler de denilmektedir. Bu yöntemler oldukça ucuz ve kolay gerçekleştirilebilmesine rağmen bu yöntemlerin kullanılması ile elde edilen değişken hızlı tahrik sistemlerinin performansı, doğru akım motorlu sürücülerden elde edilen performansı yakalayamamaktadır.[4]

Temel kontrol amacı, dışarıdan gelebilecek herhangi bir bozulmaya karşı koyarak makinayı istenilen hızda tutmaktır. Gerilim beslemeli bir PWM inverter ile hem gerilim hem de frekans sabit bir oranda tutularak makinanın akısı aynı değerde tutulur [5]

3  

1.3. Özgünlük

Uygulama devresinde gerçekleştirilen motor sürücüsü özellikleri dikkate alınarak mikrodenetleyici, buffer, evirici devresi tasarımı yapılmıştır. Bu tasarımda entegrelerin özellikleri baz alınarak, herhangi bir problem yaşanmaması için datasheetler incelenerek uygun entegreler tercih edilmiştir. Evirici devre hazır modül olarak kullanılmamış, mosfet sürücülerle tasarımı bizzat kendimiz tarafından yapılmıştır. Şekil ‘deki görseli verilmiş devre baskı devre tasarımı Proteus üzerinde yapılmış ve 210 x 297 mm boyutlarında sürücü devresi baskısı yapılmıştır. Bunun haricinde güç kaynakları kullanılmamış, şebeke gerilimi gerilim regülatör devreleriyle, istenen gerilim düzeyindeki trafolar kullanılarak entegre besleme gerilimleri elde edilmiştir.

Şekil 1.1. Devre ARES Görseli

1.4. Yaygın Etki

Yapılan çalışma ya da proje tamamlandığında sağlayacağı faydalar, Asenkron motorun enerji kalitesini ve performansının arttırılmaya yönelik çalışmalara katkı sağlamaktır. Bugün, tüketilen elektrik enerjisinin büyük bir kısmını asenkron motorların oluşturduğu bilinmektedir. Tüketilen toplam elektrik enerjisinin yaklaşık %56’ sını elektrik motorları, bunun da %96’ sını asenkron motorlar oluşturmaktadır. Buradan, tüm elektrik enerjisinin %53’ nün asenkron motorlar tarafından tüketildiği düşünüldüğünde asenkron motorun hız denetiminin önemi daha iyi anlaşılmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda, bazı ölçütler açısından değerlendirildiğinde bu ölçütlerin en önemlileri DA bara geriliminin verimli kullanımı, düşük THB ve anahtarlama kayıpları, doğrusal çalışma aralığının genişliği, yüksek hızda dinamik cevap

4  

yeteneği, düşük hızlarda anma momentini sağlayabilme ve kolay uygulanabilirlik olarak sıralanmaktadır.

1.5.Standartlar IEC 61439-2 standartları, alçak gerilim anahtarlama ve kontrol düzeni donanımları IEC 60748 standartları, yarıiletken ve entegre devre

Şekil 1.2. Motor Bağlantı Standartları

5  

1.6. Çalışma Takvimi

Tablo 1.1. Örnek İş-Zaman Grafiği.

İŞ PAKETLERİ OCAK ŞUBAT MART NİSAN MAYIS

Konunun beirlenmesi

Devrenin elemanlarının temin edilmesi ve yapılacak olanların listelenmesi

Proteusta devrenin simülasyonun hazırlanılması baskı devre hazırlıkları

Baskı devrenin tamamlanılması , devrenin kontrolünün yapılması

Mikrodenetleyici ile kod yazılımı üzerinde çalışma

Skaler kontrol için motorun sürülmesi ve bitirmenin yazımı

İş Paketi 1 – 3 Fazlı asenkron motorun skaler kontrol yöntemi hakkında araştırmalar

yapıldı. Uygulamada kullanılacak devre ile ilgili bilgiler toplanıldı.

İş Paketi 2 - Devre elemanlarının listesi yapılması ve elemanlar temin edildi.

İş Paketi 3 – Proteus’ta devre ile ilgili simülasyonlar yapıldı.

İş Paketi 4 – Baskı devre yapıldı, devrenin elemanları yerleştirildi.

İş Paketi 5 – İstenilen çıktı özelliğine göre kod yazıldı.

İş Paketi 6 – Deneysel çalışma tamamlandı. Motorun davranışları gözlendi.

6  

2. TEORİK ALTYAPI

2.1. Genel Bilgiler Skaler Hız Kontrolü Yönteminin temeli Stator Frekans ve Geriliminin Değiştirilmesi ile Hız Denetimi Prensibine dayanmaktadır. Hız denetim yöntemlerinin temel kuralı momentin sabit kalmasıdır. Yani, Vs ‘ nin f ile doğru orantılı değiştirilerek, ϕag hava aralığı akısının, anma değerinde sabit tutulmasıyla elektromekanik moment sabit tutulmuş olur. 2.2. Asenkron Motorun Matematiksel Denklemleri Ve Eşdeğer Devresi Statordaki üç faz sargıları, uzayda birbirlerine göre 120o lik faz farklarıyla yerleştirilmiştir. Yani üç fazlı asenkron motorun statorunda sargı eksenleri arasında uzayda 2 ∕ 3 derecelik açı olan üç adet bir fazlı sargı vardır. Bu üç sargı yıldız yada üçgen olarak bağlanırlar. Stator sargılarına alternatif gerilim uygulandığında uygulanan gerilim frekansıyla orantılı olarak dönen bir manyetik alan meydana gelir. Bu manyetik alan rotor üzerinde bir gerilim indükler. İndüklenen bu gerilimin oluşturduğu kısa devre akımları rotor üzerinde rotor manyetik alanı oluşturur. Rotor manyetik alanıyla stator manyetik alanının birbirini etkilemesi sonucu döndürme momenti oluşur. Oluşan bu moment ile rotor döner alan yönünde dönmeye başlar. Rotor, senkron devirle dönerse stator alanı rotor kısa devre çubuklarıyla aynı doğrultuda olacağından çubuklar alan tarafından kesilmeyecek ve rotor çubuklarında bir gerilim indüklenmeyecektir. Dolayısıyla dönme momenti meydana gelmeyeceğinden rotor dönmeyecektir. Rotor döner alanı her zaman stator döner alanının gerisinde hareket eder ve döner alan devrinden az olur. Stator döner alan devrine Senkron Devir ( ), Rotor devrine Asenkron Devir ( ) denir. İki devir arasındaki devir farkı ise Kayma (s) olarak adlandırılır. Stator toplam kutup sayısı 2P, çift kutup sayısı P ve uygulanan gerilimin frekansı f ise bir asenkron motorun ; Senkron devir sayısı,

d/dak veya d/dak ( 2.1 )

(Denklem (2.1)’de; ns, senkron devri, f , besleme frekansını, P kutup sayısını temsil etmektedir.) Açısal hızı,

2 / ⁄ rad/s ( 2.2 ) şeklindedir . (Denklem (2.2)’de; ωs, senkron açısal hızını, f, besleme frekansını, P kutup sayısını temsil etmektedir.) [3]

7  

Motorda, Bag hava aralıgı endüksiyonu (akı yogunlugu) nedeniyle oluşan ϕag hava aralığı akısı senkron hızla dönmektedir. Bu döner alanın sabit stator faz sargılarını kesmesi ile Eag hava aralığı gerilimi endüklenir. Bu gerilim Şekil 2.1’ de verilen asenkron motorun faz başına eşdeğer devresinde görülmektedir. ϕag hava aralığı akısı, stator sargılarını ωs senkron, rotor sargılarını ise ωsl kayma hızıyla keser ve stator sargılarında f frekanslı Eag zıt emk veya hava aralığı, rotor çubuklarında ise fsl kayma frekanslı Er rotor gerilimlerini indükler. Er gerilimi Ir rotor akımını ve Br rotor akısını oluşturur. Stator akımlarının oluşturduğu Bs akısı ile rotor akımlarının Br akılarının toplamı hava aralığında Bag akı yoğunluğunu veya ϕag akısını oluşturur.

Şekil 2.1. Asenkron motorun bir faz eşdeğer devresi Vs , faz başına etkin gerilim (V), Eag , hava aralığı gerilimi (V), Rs, stator direnci (Ω) Rr, rotor direnci (Ω), L ls, stator kaçak endüktansı (H), Llr, rotor kaçak endüktansı (H), Is, stator akımı (A), Ir, rotor akımı (A), Im, mıknatıslanma akımı (A) Kayma hızı,

= − = − ( 2.3 )

Kayma frekansı,

( 2.4 )

şeklindedir. Is, stator akımının mıknatıslanma bileşeni Im, hava aralığı akısını oluşturur. Toplam akı,

mIs ag mN L ( 2.5 )

olarak yazılabilir. ( Denklem ( 2.5 )’ de Ns, Stator sarım sayısı ) Hava aralığı gerilimi etkin (effektif) değeri,

8  

ag agE kf ( 2.6 )

olarak yazılabilir. ( Denklem ( 2.6 )’ da k sabit bir sayıdır. ) Asenkron motorda moment, hava aralığı akısı ve rotor akımları tarafından meydana getirilir. Rotor akımları ise hava aralığı akısının rotor iletkenlerini kesmesi ile elde edilir. Eğer rotor senkron hızda dönerse, akı ile rotor arasında hız farkı bulunmadığından rotor akımı dolayısıyla moment meydana gelmez.

Şekil 2.2. Manyetik akı ve zıt-emk Hava aralığı akısı rotora göre kayma açısal hızı ile dönmektedir. Böylece herhangi bir rotor iletkeninde indüklenen gerilim Er, f yerine fsl yazılarak elde edilebilir. Rotor bir faz sargısında indüklenen gerilim,

r sl agE kf ( 2.7 )

olarak yazılabilir. (Denklem ( 2.7 )’ daki k katsayısı, Denklem (2.6)’ daki ile aynıdır.) Rotor sargılarının dirençlerindeki kayıplar, Pr =3Ir

2Rr ( 2.8 ) Hava aralığı gücü,

3 ( 2.9 )

olarak hesaplanır.

Elektromekanik Güç,

3 3 ( 2.10 )

olarak hesaplanır.

9  

Elektromekanik Moment, ( 2.11 )

( 2.12 )

olarak hesaplanır.

Faz başına uygulanan stator gerilimi ise

( 2 )Vs Eag Rs j fLls Is ( 2.13 )

şeklindedir.

Stator akımı, 2 2ImIs Ir ( 2.14 )

şeklindedir.

Yüksek çalışma frekanslarında,

Vs Eag ( 2.15 )

Denklem (2.6) ile (2.15) ‘dan stator gerilimi,

agVs kf ( 2.16 )

olarak ifade edilir. (Denklem ( 2.16 )’ daki k katsayısı, Denklem (2.6)’ daki ile aynıdır.)

Asenkron motorda mıknatıslanma akımı, hava aralığındaki akısı ile orantılı degişmektedir. Momentte hava aralığı akısı ile orantılıdır. Buradan stator gerilim ile frekans değiştirilerek momentin kolayca ayarlanabileceği Denklem ( 2.16 ) ‘da görülmektedir.Bu ilişkiler ışığında aşağıdaki gözlemler elde edilebilir,

Senkron hız, uygulanan gerilimin frekansı f ile değiştirilebilir.

f ‘ nin ( 0,1* f anma civarında) düşük değerleri hariç motor direncindeki güç kaybının yüzdesi düşüktür.

f ‘ in düşük değerleri hariç kayma düşüktür ve motor hızı uygulanan gerilimin frekansı f ile yaklaşık doğrusal değişir.

Herhangi bir frekansta anma momentini oluşturabilmek için ϕag, kendi anma değerinde sabit tutulmalıdır. Bu durumda, Vs ‘ nin f ile oransal olarak değiştirilmesine gerek vardır. [1, 2, 3, 4, 5]

10  

2.3. ÜÇ-FAZLI ASENKRON MOTORUN SKALER ( V/F ) HIZ DENETİMİ 2.3.1. Stator Frekans ve Geriliminin Değiştirilmesi ile Hız Denetimi Skaler Hız Kontrolü Yönteminin temeli Stator Frekans ve Geriliminin Değiştirilmesi ile Hız Denetimi Prensibine dayanmaktadır. Hız denetim yöntemlerinin temel kuralı momentin sabit kalmasıdır. Yani, Vs ‘ nin f ile doğru orantılı değiştirilerek, ϕag hava aralığı akısının, anma değerinde sabit tutulmasıyla elektromekanik moment sabit tutulmuş olur. 2.3.2. Moment-Hız Karakteristikleri Asenkron motorun değişik frekanslardaki moment-hız eğrileri moment-hız düzleminde paralel olarak kaymaktadır. Bunun sonucunda sabit momentli yükte kayma hızı ve frekansı sabit kalmaktadır.

Şekil 2.3. Asenkron motorun sabit hava-aralığı akısında ve düşük kaymalı çalışmada sabit momentli yük için değişik frekanslardaki moment-hız eğrileri Şekil 2.3’de yük momentinde, rotor devresinde indüklenen gerilim ve akımların frekansı olan kayma frekansının sabit olduğu görülmektedir. Bununla beraber, Denklem (2.4)’da belirtildiği gibi f frekansı düştükçe s kaymasının artacağı unutulmamalıdır. f azaldıkça kaymanın artışı, rotordaki güç kaybı yüzdesini artırır. [4]

11  

Şekil 2.4. Asenkron motorun farklı hızlardaki davranışı

12  

2.3.3. Sabit Moment Bölgesinde (Nominal Hızın Altında) Çalışma Bu bölgede Vs gerilimi Şekil 2.1’ teki gibi değiştirilerek hava aralığı akısı sabit tutulmaktadır. fsl rotor kayma frekansı küçük ve sabit bir değerdedir. Moment de sabit kaldığı için bu bölgeye sabit moment bölgesi denir. Motor nominal yükte çalışırken Şekil 2.1’ te fsl ve s’nin değişimi görülmektedir. Sabit momentte rotor direncinde meydana gelen Pr kayıp gücü de sabit kalmaktadır. Zira Ir de sabittir. [2] 2.3.4. Sabit Güç Bölgesinde (Nominal Hızın Üstünde) Çalışma

Stator frekansını nominal değerin üzerine çıkarmak suretiyle motor hızını nominal değerinin üzerine çıkarmak mümkündür. Aslında hız kontrollü sistemlerde motor gerilimi nominal değerinin üzerine çıkarılamaz. Bu nedenle Vs nominal degerinde tutularak f frekansı artırılır. Bunun sonucu Vs/f oranı düşer ve hava aralığı akısı azalır. Bu bölgede motor daha önceki bölgede olduğu gibi kapasitesinin sınırlarında çalışmakta ve Ir nominal değerinde kalmaya devam etmektedir. Bu bölgede kayma da sabit kalmaktadır.

em ag rT k I ( 2.17 ) 2

em ag slT k f ( 2.18 )

/ag sV kf ( 2.19 ) 2 2( / )em s slT k V kf f ( 2.20 )

elde edilir. Sabit güç bölgesinde Vs = sbt, Ir = sbt. ve s=sbt. Kayma frekansı, frekansla birlikte artar. Bu şartlar altında Denklem ( 2.20 )’de eşitlik düzenlenirse, aşağıdaki ifadeler yazılabilir.

/emT k f ( 2.21 )

em em rP T ( 2.22 )

emP sbt ( 2.23 )

Sonuç olarak Denklem ( 2.22 )’ deki güç formülünde görüldüğü gibi hız artarken, momentin düştüğü ve gücün sabit kaldığı görülür. Bu yüzden bu bölge sabit güç bölgesi olarak adlandırılır.

2.3.5. Düşük Frekansla Çalışma Motorun yüksek hız ve gerilimde çalışmada stator gerilim düşümü rahatlıkla ihmal edilmesine karşın düşük frekansta çalışmada fsl frekansı küçük olsa bile Rs direncinin etkisi ihmal edilemez. Böylece stator gerilimi,

13  

m( 2 I )s ag ls s rV E fL R I ( 2.24 )

şeklinde ifade edilir. Eğer akı sabit tutulursa mıknatıslanma akımı sabit olup Eag degeri f ile orantılı değişir. Bu şartlar altında Denklem ( 2.24 ) düzenlenirse akıyı sabit tutmak için stator direncindeki gerilim düşümünü sağlamak üzere ek bir gerilim gerektiği görülür ve aşağıdaki gibi yazılabilir.

s s rV kf R I ( 2.25 )

Şekil 2.5. Hava aralığı akısını sabit tutmak için gerekli ek gerilim [4, 5] 2.3.6. Pwm (Darbe Genişlik Modülasyonu) Alternatif akım makinaları sargılarından akan sinüsoidal akımlara ve sargı gerilimlerine göre boyutlandırılırlar. Değişken hızlı tahrik sistemlerinin endüstriyel uygulamalarında, güç katı olarak büyük bir çoğunlukla değişken genlik ve frekansın elde edilmesi için eviriciler kullanılmaktadır. Eviriciler, sabit doğru gerilim veya akımdan beslenirler. Bu kaynaktan motor sargılarına uygulamak üzere sinüsoidal akımlar elde edilmesi için en ekonomik ve uygulanması en kolay yöntem, giriş genliğinin sabit tutulduğu, fakat bu genliğin uygulanma süresinin yada darbe genişliğinin çıkışta istenilen sinüsoidal işarete göre modüle edilerek, darbe dizisi biçimindeki işaretlerin oluşturulduğu yöntemdir. Bu modülasyon işlemi, darbe genişliklerini istenilen sinüsoidal işaretlere uygun olarak modüle ettiği için darbe genişlik modülasyonu veya İngilizce baş harfleriyle PWM olarak adlandırılır. Şekil 2.8‘ de PWM ile elde edilen darbeler ve sinüsoidal gerilim gösterilmiştir. PWM darbe şekli değişik yöntemlerle üretilebilir. Bu tasarım

14  

çalışmasında PWM darbe şekillerinin oluşturulmasında kullanılan yöntemlerden sinüs-üçgen karşılaştırma yöntemi kullanılmıştır. 2.3.7. Sinüs - Üçgen Karşılaştırılmasıyla PWM Anahtarlama Sinyallerinin Üretilmesi Çıkışta elde edilmek istenen sinüsoidal işaret ile frekansı, güç devresindeki anahtarlama frekansına eşit bir üçgen dalga karşılaştırılarak kesişme noktalarında darbe üretilmektedir. Şekil 2.8’ te üst kısmında referans sinüs ve bununla karşılaştırılacak olan üçgen dalga, alt kısımda ise karşılaştırma sonucunda üretilen PWM dalga şekli verilmektedir. Görüldüğü gibi, üretilen PWM işarette anahtarların açık ve kapalı olma sürelerinin toplamı, üçgen işaretin periyoduna eşittir. PWM dalga şeklinin temel bileşeni ise teorik olarak sinüsoidal gerilim referansına eşdeğerdir. Bu şekilde sinüsoidal işaretin zamana göre değişen genliği, eviricideki anahtarların açık veya kapalı olma sürelerine, dolayısıyla oluşan darbelerin uzunluklarına karşı düşürülmüş olur. Elde edilen bu PWM işaretleri eviricide yer alan güç anahtar elemanlarına uygulanarak PWM şeklinde gerilimler motor sargılarına uygulanır. Böylece elde edilen dalga şeklinde temel bileşen dışında kalan harmonik etkilerini azaltmak anahtarlama frekansı arttırılmasıyla mümkün olur. Üç fazlı asenkron motora AC sinyal üreten inverter, altı adımlı inverter olarak yapılır. Altı adımlı bir inverter kullanarak DC gerilimden üç fazlı AC gerilim elde edilmektedir. Şekil 2.6‘ de görüldüğü gibi motor faz sargılarını süren Q1 den Q6’ya kadar olan anahtarlama elemanları Şekil 2.7’ de verilen sırada iletime ya da kesime geçirilmektedir. Bir sinüs periyodu 60 derecelik altı adıma bölünmüştür. Her bir aralık T1 ‘den T6’ya kadar simgelerle ifade edilmiştir. Üç fazlı sinyalin her bir fazı birbirinden 120 derece faz farklıdır. Bu yüzden her bir anahtar 60 derecelik açılarla ve birbirlerine göre 120 derece faz farklı olarak altı adım da açılıp kapatılarak bir periyot tamamlanmaktadır.

Şekil 2.6. Anahtarlama elemanlarının motora bağlantısı

15  

Şekil 2.7 IGBT’ lerin iletime geçme süre karakteristikleri

Şekil 2.8.Üç fazlı AC sinyalin oluşumunu gösteren dalga şekilleri ve Üç faz PWM sinyalleri Şekil 2.8’ de verildiği gibi, belirtilen zaman aralıklarında anahtarlama elemanları

sürüldüğünde, inverter çıkışında istenen frekansta bir kare dalga elde edilir. Devir

sayısı ayarında evirici çıkışında elde edilen AC sinyalin frekans ve gerilimin etkin

değerinin ayarlanabilmesi motor kayıplarının azaltılması ve momentin sabit tutularak

düzgün bir hız ayarı yapılabilmesi için gerekmektedir. Evirici çıkışında gerilimin

etkin değerini değiştirmek için darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanılmaktadır.

Anahtarlama elemanları Şekil 2.8’ de görüldüğü gibi bir üçgen dalga ile sinüs

dalgasının karşılaştırılması ile elde edilen sinüsoidal PWM dalga ile sürülerek

gerilimin etkin değerinin de ayarlanması sağlanmaktadır. [4, 5]

16  

2.4. GÜÇ ELEKTRONİĞİ ELEMANLARI

2.4.1. Doğrultma ve Evirici Devre

Doğrultma devresi, bir yada daha fazla yarıiletken elemandan oluşan alternatif

akımı doğru akıma çevirmek için kullanılan elektriksel bir devredir. Şebekeden

alınan AC Gerilim önce doğrultma devresiyle DC Gerilime çevrilir, daha sonra

evirici devreyle DC Gerilim motora uygulanmak üzere AC Gerilime çevrilir.

Doğrultma devrelerinde kullanılan kondansatörlerle şebekeden alınan gerilim filtre

edilir.Uygulama devresinde doğrultma devresi için 2 adet Köprü Tipi Diyot

kullanıldı, şebekeden alınan gerilim filtresi için 3300uF’lık kondansatör kullanıldı.

Genel anlamda eviricilerin motor sürücülerinde kullanımındaki sebep, 0,5 ile 2000

Hz arasında hız ayarı yapabilmesinden kaynaklanır. Yani evirici önce

şebekelerdeki gerilimleri doğrultur, şebekede meydana gelen tüm gerilim

dalgalanmaları, pikleri ve bozucu elektrik dalgalanmalarını ara devre elemanı olan

kondansatör ve bobinlerde filtreleyip temizler. Buda motorun istenen şekilde

sürülmesinde aktif rol oynamaktadır.Evirici devre için 6 adet IRFP460 mosfetleri

belirlendi. Bu mosfetler, tek bir kanaldan geçecek akım değeri ve DA Bara

Gerilimi baz alınarak tercih edildi. Daha ayrıntılı hesaplar ilerleyen bölümlerde

anlatılacaktır.

2.4.2. Gerilim Regüle Devreleri

Devremizde kullanılan elemanlar itibariyle birden çok besleme yapmamız

gerektiğinden, birden fazla güç kaynağına ihtiyaç duyuldu. Güç kaynağı kullanmak

yerine trafodan istediğimiz gerilim değerlerini, kullandığımız gerilim regülatörü

entegreleri ile elde ettik. Devremizde mikrodenetleyici ve 7407 buffer entegresi

besleme gerilimleri 5V, ULN2003A 15V besleme gerilimlerine sahip olduğundan

bu gerilim değerlerini elde etmek için 7805 ve 7815 gerilim regülatörlerini

kullanarak 10W 2x7,5V’ luk trafo ile 15V ve 5V gerilimleri elde edilip besleme

yapıldı. Şekil 2.9‘ da 15V ve 5V gerilimlerini elde ettiğimiz gerilim regüle devresi

Proteus çizimi görülmektedir.

17  

Şekil 2.9. 15V ve 5V çıkışlı gerilim regüle devresi

Optocoupler besleme gerilimleri +12V ve -8V değerlerine sahip olduğundan bu

gerilim değerlerini elde etmek için 12VA 2x12V’ luk trafolardan 7812 ve 7908

entegreleriyle +12V ve -8V elde edildi. Şekil 2.10’ da 12V ve -8V gerilimlerini

elde ettiğimiz gerilim regüle devresi Proteus çizimi görülmektedir.

Şekil 2.10. 12V ve -8V çıkışlı gerilim regüle devresi

18  

2.4.3. DSPİC30F4011 Mikroişlemci

Aritmetik ve mantıksal işlemlerle, evirici sürme devresi için gerekli DGA tetikleme sinyalleri (PWM), DSPİC30F4011 mikroişlemcisi ve onun komutlarını oluşturan programla devrenin bu bölümünde oluşturulmuştur.

2.4.4. 7407 Buffer Entegresi

Tampon kapısının bir girişi ve bir çıkışı bulunmaktadır. Esasında buffer bir kapı grubuna girmemektedir. Bu devre elektronik katlar veya kullanılan diğer kapılar arasında empedans uygunluğu sağlar. Kullanılan devrelerde bir katın çıkış empedansı diğer katın giriş empedansına eşit olmaz ise katlar arasında bulunan bu uyumsuzluk enerji kayıplarına neden olmaktadır. Tampon katı ile empedans uygunsuzluğundan oluşan kayıplar önlenmiş olur. Sürme devresi için gerekli DGA tetikleme sinyalini üretecek DSPİC30f4011 5V ile çalışmaktadır. Bu nedenle besleme voltajı 5V olan bir buffer devresiyle izole yapmak uygun olacaktır.

2.4.5. ULN2003A Buffer Entegresi

ULN2003A entegresi, ortak emiterli, 7 adet open-kollektörlü darlington bağlı transistorü bulunan bir tampon (buffer) entegresi olarak kullanılır. 7 kanaldan her biri 500 mA’lik akım kapasitesi vardır. Endüktif yükler sürüldüğünde meydana gelebilecek zıt EMK’yı önleyecek diyodlar her bir kanala bağlıdır. Bu nedenle motor sürücüleri için uygun bir buffer özelliği gösterir.

2.4.6. VO3120 Optocoupler

Kullanılan DSPIC30F4011’ in buffer entegreleri üzerinden sadece Optocoupler içindeki LED’in ışık vermesini sağlayacak kadar akım akıtması, evirici tarafın tetiklenmesi için yeterli olacaktır. DSPIC30F4011’ i ve buffer entegrelerini besleyen DC kaynaklar ile, evirici tarafı besleyen kaynak ayrıdır. Mikrodenetleyici, Buffer ve Optocoupler devreleri farklı kaynaklar ile beslendiğinden evirici tarafında bir kısa devre, arıza veya gerilim dalgalanması gibi bir durum oluştuğunda; mikrodenetleyici bundan kesinlikle etkilenmeyecektir ve yalıtım sağlanmış olacaktır. Bunların yanında motor içerisindeki bobin yapısı sebebiyle, gerilim kesildiği anda gerilim dalgalanması ve parazit gibi; mikrodenetleyici tarafını olumsuz etkileyecek durumlar oluşturmaktadır. Sonuç olarak Optocoupler ile DSPIC30F4011’in tamamen dış dünyadan bağlantısını kesildi. Yani izole bir devre oluşturulmuş oldu.

19  

2.4.7. IRFP460 Mosfet

Güç mosfetleri olarak isimlendirilen bu mosfetler; güç kaynakları, DC-DC çeviriciler, motor kontrolü gibi devrelerde kullanılırlar. Motor kontrol devrelerinde sürücü devresinin evirici kısmını oluştururlar. Uygulamada kullanılan evirici devresinde 6 adet IRFP460 Mosfet kullanıldı. Bu mosfetlerin seçiminde baz alınan nokta; anahtarlama sinyalinin hızı, anahtarlama kaybı, mosfette oluşan sinyal gecikme süreleri, tek bir kanaldan geçecek akım değeri ve mosfetlere uygulanacak gerilim değeridir.

3. TASARIM

3.1. Genel Bilgiler

Şekil 3.1. Uygulama Devresi Blok Şeması

20  

Bu çalışmada PWM işaretlerinin üretilmesi için kontrol kısmında DSPIC30F4011

mikrodenetleyicisi kullanıldı. Mikrodenetleyici çıkışında mikrodenetleyici tarafını

koruyan ve mikrodenetleyici çıkışlarındaki sinyalleri evrici tarafına iletmekle

görevli, izole özelliğe sahip Buffer devresi kullanıldı. Evirici mosfetler tarafından

istenilen akımla devreyi sürmek, yine mikroişlemci kısmını herhangi bir arıza,

gerilim değişiminden korumak için optocoupler sürme devresi kullanıldı. Bunun

yanında kontrol kısmından alınan sinyallerin genlik seviyeleri optocoupler ile

arttırılarak mosfetlerin daha yüksek akım ve gerilimle sürülmesi sağlandı.

3.1.1. Asenkron Motor Hakkında Bilgi

Sürücüsü tasarlanan, skaler hız denetimi yapılacak motor tipi VM90S-4,

karakteristik özellikleri Şekil 3.2’ de verilmiştir. Motordan elde edilen etiket

değerleri Tablo 3.1’ de verilmiştir.

Şekil 3.2. Tiplere Göre Motor Karakteristikleri

21  

Tablo 3.1. Motor Etiket Değerleri

VM90S-4

3 ~

Hız

(d/dk)

Frekans

(Hz)

Akım

(A)

Güç

(kW)

cos∮

∆ 220 1370 50 1.03 0.18 0,70

Ү 380 1370 50 0.60 0.18 0,70

Ү 460 1644 60 0.60 0.21 0,66

3.1.2. Inverter Tasarımı

Devre tasarımında 6 adet Mosfet kullanıldı. Üst kollardaki Q1, Q3, Q5 mosfetlerin

her biri 3 ayrı Trafo tarafından beslenirken Alt kollardaki Q2, Q4, Q6 mosfetlerin

beslemesi, referans noktaları aynı olduğu için tek bir Trafo üzerinden beslendi. Üst

koldaki mosfetlerin ayrı ayrı trafolalarla beslenme sebebi, farklı GND’ler

oluşturarak Alt koldaki mosfetlerle devrenin kısa devre olmasını engellemek

içindir.

Tasarlanan motor sürücü devresi inverter kısmı Proteus çizimi Şekil 3.3 ‘de

verilmiştir.

Şekil 3.3. Inverter Devresi Proteus Görseli

22  

3.1.3. Optocoupler Sürme Devresi

Optocoupler sürme devresinde VO3120 entegreleri kullanıldı. Buradaki amaç

istenilen akım değerinde mosfetleri sürmek. Ayrıca anahtarlama sinyallerinin

istenmeyen girişlerden etkilenmemesi için optocoupler sürme tekniği oldukça

kullanışlıdır. Kullanılan DSPIC30F4011’ in buffer entegreleri üzerinden sadece

Optocoupler içindeki LED’in ışık vermesini sağlayacak kadar akım akıtması, evirici

tarafın tetiklenmesi için yeterli olacaktır. DSPIC30F4011’ i ve buffer entegrelerini

besleyen DC kaynaklar ile, evirici tarafı besleyen kaynak ayrıdır. Mikrodenetleyici,

Buffer ve Optocoupler devreleri farklı kaynaklar ile beslendiğinden evirici tarafında

bir kısa devre, arıza veya gerilim dalgalanması gibi bir durum oluştuğunda;

mikrodenetleyici bundan kesinlikle etkilenmeyecektir ve yalıtım sağlanmış olacaktır.

Bunların yanında motor içerisindeki bobin yapısı sebebiyle, gerilim kesildiği anda

gerilim dalgalanması ve parazit gibi; mikrodenetleyici tarafını olumsuz etkileyecek

durumlar oluşturmaktadır. Sonuç olarak Optocoupler ile DSPIC30F4011’in tamamen

dış dünyadan bağlantısını kesildi. Yani izole bir devre oluşturulmuş oldu.

3.1.4. Ön Maaliyet Hesabı

Tablo 3.2. Ön Maaliyet Hesabı

Malzemenin adı Kullanım amacı Birim fiyatı

(TL) Adedi

Fiyatı

(TL)

DSPIC30F4011 Mikroişlemci 50 2 100

7407 Buffer Entegresi 5 4 20

ULN2003A Buffer Entegresi 5 4 20

V03120 Optocoupler 15 6 90

IRFP460 Mosfet 12 5 60

2X12V TRAFO Trafo 25 4 100

2X7.5V TRAFO Trafo 25 1 25

PLAKET Plaket 30 1 30

TOPLAM 445

23  

3.2. Boyutlandırma

Şekil 3.4. Tasarlanan Motor Sürücü Devresi Fotoğrafları

24  

Şekil 3.4’ te tasarlanan motor sürücü devresi fotoğrafları görülmektedir. Motor

sürücü devresi ara sinyal devresi tasarımında yalıtım amaçlı entegreler arası

mesafeler göz önünde bulundurularak devre boyutlandırılmasına tasarım

aşamasında dikkat edildi. Proteus ve Ares üzerinde yapılan tasarımda ara sinyal

devresi boyutları 297x210 mm (A4 Boyutu) olarak belirlendi. Baskı devre

tamamlandıktan sonra, regüle devrelerin kablo geçişi klemens girişleriyle sağlandı.

İlgili devrenin ilgili trafo bağlantısı yapıldı (5V, 15V, 12V / -8V besleme girişleri).

Daha sonra yerleşimi sağlayabilmek için devre boyutlarına uygun kutu tasarımı

yapıldı. Kutu boyutları 43,5x32,5 cm olarak belirlendi. Kutu tasarımında motor

sürücü devresinin ara sinyal devre kısmının (buffer, optocoupler, evirici devreleri)

incelenebilirliği ve yalıtım açısından montajı yüksek biçimde sağlandı. Trafolar

nizami şekilde yerleştirildi ve doğrultma devresi elemanlarından olan kondansatör

ve köprü tipi diyotlar yerleştirildi.

3.3. Sistem Bileşenleri ve Seçimleri

3.3.1. Doğrultma Devresi

Bilindiği üzere, şebeke gerilimi frekansı 50 Hz ve tepe değeri 311 V’ tur. Şebeke

gerilimi doğrultucu devre ile doğrultulduktan sonra kondansatör ile filtrelendi.

Doğrultma devresi için 2 adet köprü tipi diyot kullanıldı. 3 faz eldesi için köprü tipi

diyotların bağlantısı yapıldı ve paralel bağlı kondansatör eklendi. Bu

kondansatörün seçimi, dayanma gerilimi şebeke geriliminin tepe değerinden fazla

olacak şekilde yapıldı. Bu nedenle 450 V’ a dayanımlı kondansatör kullanıldı.

Kondansatör kapasite hesaplarını açıklayacak olursak eğer;

Vp: Şebeke Gerilim Tepe Değeri

Vort: Şebeke Gerilim Ortalama Değeri

∆t: 10 ms (Doğrultulmuş Gerilim Periyodu, 50 Hz için)

∆V: Vp – Vort = (220√2 – 280) x 2 =62

∆

∆

25  

Im: Motor nominal akımı (220 V için)

0.18 kW motor için; . 166,12

Kondansatör değeri teorik hesapta 166,12 uF bulundu. Fakat pratikte şebeke

geriliminden daha iyi filtre edilmiş, doğrultulmuş sinyal elde edebilmek için,

kapasite değeri olabildiğince yüksek tutuldu ve 3300 uF tercih edildi.

3.3.2. DSPİC30F4011 Mikroişlemci

Aritmetik ve mantıksal işlemlerle, evirici sürme devresi için gerekli DGA tetikleme sinyalleri (PWM), DSPİC30F4011 mikroişlemcisi ve onun komutlarını oluşturan programla devrenin bu bölümünde oluşturulmuştur. Tasarlanan motor sürücü devresinde hem 6 tane PWM çıkışına ihtiyaç olduğu için, hemde Dspic30f4011 PWM sinyal açısından ideal entegre olarak kullanıldığı için uygun seçim olarak görülmüştür. Şekil 3.5’ de Dspic30f4011 datasheet ve görseli belirtilmiştir.

Şekil 3.5. DSPIC30f4011 Datasheet ve Görseli

3.3.3. 7407 Buffer Entegresi

Tampon kapısının bir girişi ve bir çıkışı bunmaktadır. Esasında buffer bir kapı grubuna girmemektedir. Bu devre elektronik katlar veya kullanılan diğer kapılar arasında empedans uygunluğu sağlar. Kullanılan devrelerde bir katın çıkış empedansı diğer katın giriş empedansına eşit olmaz ise katlar arasında bulunan bu uyumsuzluk enerji kayıplarına neden olmaktadır. Tampon katı ile empedans uygunsuzluğundan oluşan kayıplar önlenmiş olur. Sürme devresi için gerekli DGA tetikleme sinyalini üretecek DSPİC30f4011 5V ile çalışmaktadır. Bu nedenle besleme voltajı 5V olan bir buffer devresiyle izole yapmak uygun olacaktır. Şekil 3.6’ de 7407 entegresi iç yapısı verilmiştir.

26  

Şekil 3.6. 7407 İç Yapısı ve Görseli

3.3.4. ULN2003A Buffer Entegresi

ULN2003A entegresi, ortak emiterli 7 adet open-kollektörlü darlington bağlı transistorü bulunan bir tampon (buffer) entegresi olarak kullanılır. 7 kanaldan her biri 500 mA’lik akım kapasitesi vardır. Endüktif yükler sürüldüğünde meydana gelebilecek zıt EMK’yı önleyecek diyodlar her bir kanala bağlıdır. Bu nedenle motor sürücüleri için uygun bir buffer özelliği gösterir. Şekil 3.7’ de ULN2003A entegresi iç yapısı verilmiştir.

Şekil 3.7. ULN2003A Datasheet ve Görseli

3.3.5. VO3120 Optocoupler

DSPIC30F4011’ in buffer entegreleri üzerinden sadece Optocoupler içindeki LED’in ışık vermesini sağlayacak kadar akım akıtması, evirici tarafın tetiklenmesi için yeterli olacaktır. DSPIC30F4011’ i ve buffer entegrelerini besleyen DC kaynaklar ile, evirici tarafı besleyen kaynak ayrıdır. Evirici tarafında bir kısa devre, arıza veya gerilim dalgalanması gibi bir durum oluştuğunda; mikrodenetleyici bundan kesinlikle etkilenmeyecektir. Bunların yanında motor içerisindeki bobin yapısı sebebiyle, gerilim kesildiği anda gerilim dalgalanması ve parazit gibi; mikrodenetleyici tarafında olumsuz etkiler oluşturmaktadır. Optocoupler ile DSPIC30F4011’in tamamen dış dünyadan bağlantısını kesilmiştir. Yani izole bir devre oluşturulmuştur.

27  

VO3120’ ye uygulanan 15 Volt gerilimle 10 kΩ direnç üzerinden diyotun Anot ucuna 1.5 mA’lik bir akımla ve bunun yanında miroişlemci tarafından gelen tetikleme sinyaliyle, optocouplerde bulunan fotodiyotun ışıma yapması sağlandı. Böylece anot - katot arası iletime geçmiş oldu ve akım geçişi sağlandı. Tetiklenen 6 adet Optocoupler’in 3 tanesi (1-3-5) Evirici kısmında üst koldaki mosfetlerin anahtarlamasını kontrol ederken, Optocoupler’in diğer 3 tanesi (2-4-6) alt koldaki mosfetlerin anahtarlamasını kontrol eder.

Optocoupler çıkış akımını ele alacak olursak;

Mosfeti tetikleyecek olan akım, gate (kapı) akımıdır. Buda RG direnci üzerinden geçecek olan, optocoupler çıkış akımdır.

IG = 2 ‘dir.

Şekil 3.8‘ de VO3120 iç yapısı ve görseli verilmiştir.

Şekil 3.8. VO3120 İç yapısı ve görseli

VO3120 Datasheet Özellikleri

2.5 A Minimum tepe çıkış akımı

25 kV / μs minimum ortak mod

VCMRR = 1500 V

ICC = 2.5 mA maksimum besleme akımı

Düşük voltaj kilitleme (UVLO) ve histerezis

Geniş çalışma VCC aralığı: 15 V - 32 V

0,2 μs maksimum darbe genişliği distorsiyonu

Endüstriyel sıcaklık aralığı: - 40 ° C - 110 ° C

0,5 V maksimum düşük seviye çıkış gerilimi

DIN EN 60747-5-2’ ye göre güçlendirilmiş yalıtım notu

28  

3.3.6. IRFP460 Mosfet

Güç mosfetleri olarak isimlendirilen bu mosfetler; güç kaynakları, DC-DC çeviriciler, motor kontrolü gibi devrelerde kullanılırlar. Motor kontrol devrelerinde sürücü devresinin evirici kısmını oluştururlar. Uygulamada kullanılan evirici devresinde 6 adet IRFP460 Mosfet kullanılmıştır. Bu mosfetlerin seçiminde baz alınan nokta; anahtarlama sinyalinin hızı, anahtarlama kaybı, mosfette oluşan sinyal gecikme süreleri ve mosfetlere uygulanacak gerilim değeridir.

Mosfetlerin teknik özellik bakımından seçimini ele alacak olursak, mosfetlerin seçimi sürülecek olan motor gücüyle orantılıdır. Mosfetler, üzerlerinden geçecek akım ve DA Bara gerilimine göre seçilir.

Motor Aktif Gücü:180 (W)

Motor Görünür Güç= ∮

,257,14 (

DC Bara Akımının Etkin Değeri = Irms , 1.16 (A)

Faz Akımı Etkin Değeri= Ifaz rms = √

= .

√0.674 (A)

Faz Akımı Tepe Değeri= Ifaz tepe = Irms x √2 = 3.655 √2 0.954 (A)

Mosfet dayanma akımı=Ifaz tepe x 1.5 = 1.43 (A)

Buna göre, DA bara gerilimi de (220V) göz önüne alınarak, Evirici devre için 20A, 500V dayanımlı güç mosfeti olan IRFP460 Mosfet seçilmiştir. Şekil 3.9 ‘de iç yapısı ve görseli verilmiştir.

Şekil 3.9. IRFP460 İç Yapısı ve Görseli

3.3.7. Gerilim Regülatör Devreleri

Motor sürücü devresinde kullanılan elemanlar itibariyle birden çok besleme

yapılması gerektiğinden, birden fazla güç kaynağına ihtiyaç duyuldu. Güç kaynağı

kullanmak yerine trafodan istenilen gerilim değerleri, tasarlanan gerilim regülatörü

devreleri ile elde edildi. Uygulama devresinde mikrodenetleyici ve 7407 buffer

29  

entegresi besleme gerilimleri 5V, ULN2003A entegresi 15V besleme gerilimlerine

sahip olduğundan bu gerilim değerlerini elde etmek için 7805 ve 7815 gerilim

regülatörlerini kullanarak 10W 2x7,5V’ luk trafo ile 15V ve 5V gerilimleri elde

edilip, beslemeleri yapıldı. Şekil 3.10‘ de 15V ve 5V gerilimleri elde edilen gerilim

regüle devresi Proteus çizimi görülmektedir.

Şekil 3.10. 15V ve 5V çıkışlı gerilim regüle devresi

Optocoupler besleme gerilimleri +12V ve -8V değerlerine sahip olduğundan bu gerilim değerlerini elde etmek için 12VA 2x12V’ luk trafolardan 7812 ve 7908 entegreleriyle +12V ve -8V elde edildi. Şekil 3.11‘ de 12V ve -8V gerilimlerini elde ettiğimiz gerilim regüle devresi Proteus çizimi görülmektedir.

Şekil 3.11. 12V ve -8V çıkışlı gerilim regüle devresi

30  

3.4. Uygulanan Yöntemler

V/f kontrol metodu motor kontrollerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Temel amaç, frekansla uygulanan gerilimin belirli bir oranda sabit tutularak motora uygulanması olduğu için, frekans ve gerilim oranının bir mikroişlemci üzerinden denetlenmesi gerekir. Skaler kontrolü yapılacak motorun sürülmesi için gerekli gerilim değeri baz alınarak, motoru sürecek devrenin herhangi bir gerilim dalgalanmasından korunması göz ardı edilmemeli. Bu açıdan bakıldığında sürücü devresinde izole sistemlere öncelik verildi, bu izole sistemler eviriciyle mikrodenetleyici arasında köprü görevi görmüştür.

Mikrodenetleyici de tasarlanan programla tetikleme sinyali olan PWM elde edilerek istenen sürelerde ve istenen periyotlarla eviricinin anahtarlanması, iletim ve kesime gitmesi kontrol edilmiştir. Böylece V/f oranının sabit kalması ile motorun momenti sabit tutulması sağlanmıştır.

3.5. Yazılımlar

DSPIC30F4011 mikroişlemcisinde PWM çıkışlarını elde etmek için, MPLAB X

IDE programında kod tasarlandı. Asenkron motorun V/f Skaler Kontrolü

yapılması için, genlik ve frekans ayarı girilerek oluşturulması istenilen PWM

sinyali yazılan kod ile kontrol edildi. Kodumuzda anahtarlama frekansı 5 KHz

belirlendi. 200 mikrosaniyede bir PWM kesmesi oluşturuldu. Aralarında 120

derece faz farkı bulunan 3 faz sinusoidalsinyaller oluşturuldu. Böylece istenilen

PWM modülü yazılım üzerinde gerçekleştirildi. Eviriciye uygulanılmak üzere

girilen gerilimin genliği ve frekans değeri bu PWM modülü ile kontrol edildi. Şekil

3.12’de Algoritma verilmiştir.

31  

Şekil 3.12. Yazılım Algoritması

32  

3.6. Malzeme Listesi ve Ekonomik Analiz

Tablo 3.3. Malzeme Listesi ve Ekonomik Analiz

Malzemenin adı Kullanım amacı Birim fiyatı (TL)

Adedi Fiyatı (TL)

DSPIC30F4011 Mikroişlemci 27,5 2 55

7407 Buffer Entegresi 3 5 15

ULN2003A Buffer Entegresi 2 5 10

V03120 Optocoupler 10 12 120

IRFP460 Mosfet 7 10 70

PICKIT 3 Programlayıcı 145 1 145 ZİL TELİ Kablo 0.2 1 20 IR2110 Buffer Entegresi 6 6 36 JUMPER Kablo 35 1 35 2x12V TRAFO Trafo 25 4 100 2x7,5V TRAFO Trafo 25 1 25 KLEMENSLER Klemens 2 15 30 Plaket Plaket 20 1 20 7812 Gerilim Regülatörü 1,5 5 7,5

7908 Gerilim Regülatörü 1,2 5 6

7815 Gerilim Regülatörü 1,5 1 1,5

7805 Gerilim Regülatörü 1.5 1 1,5

Baskı kalemi Kalem 5 1 5

Tuz ruhu Tuz Ruhu 6 1 6

Soğutucular Soğutucu 5 15 75

Vidalar Vida 4 10 40

Kargo ücretleri Ulaşım 100 1 100

Kondansatör 3300uF- 450V 95 1 95

Kondansatörler 1000uF - 1.5 15 22,5

Köprü Diyotlar 15V 1 15 15

TOPLAM 1100

33  

4. SİMÜLASYON (BENZETİM) ÇALIŞMALARI

4.1. Genel Bilgiler

Skaler kontrol yönteminin motorda uygulanmasını incelemek için, MATLAB

üzerinde tasarlanan programla bir simulasyon yapılmış; skaler kontrolün amacı,

uygulanan frekans ve gerilim değerine göre motorun ne tür davranışlarda

bulunabileceği gözlenmiştir. Bu tasarım çalışması sonucunda, üzerinde çalışılmak

istenen motorun özelliklerine göre, motoru sürebilecek motor sürücü devresi

tasarlanmış, kullanılacak malzemeler belirlenmiş, ön çalışma ve uygulama devresi

deneysel modelleme amacıyla Proteus üzerinde, devre pratikten önce tasarlanmak

ve baskı devrenin temelini oluşturmak amacıyla çizilmiştir.

4.2. Simülasyon Yazılımı

MATLAB Simulink’ te tasarım gerçekleştirildi. MATLAB Simulink tanıtımını

yapmak gerekirse, Simulink bize karmaşık sistemleri tasarlama ve simulasyon

yapma olanağı vermektedir. Simulink Kütüphanesi: Simulink çalıştırıldığınızda

karşınıza Simulink kütüphanesi gelecektir. Simulasyon yaparken kullanacağımız

bloklar kategorilere ayrılmış biçimde burada bulunmaktadır. Her bir blok sürekli

zamanda ya da ayrık zamanda çıkış veren temel bir dinamik sistemi ifade eder.

Elektrik ve Elektronik Mühendislerinin devre tasarımlarını, çizimlerini ve

simülasyonlarını yaptığı bilgisayar programı ise Proteus’ tur. Proteus programı

ISIS (şema çizimi) ve ARES (baskı devre çizimi) olmak üzere iki alt programdan

oluşur. ISIS’te elektronik devre çizimleri yapılabilirken, bunun yanında devrenin

analizi de yapılabilir.

4.3. Sistem Modelleme

Tasarım aşamasında oluşturulan Simulasyon devresi Şekil 4.1’de verilmiş olup, bu

devre üzerinden yapılan simulasyon çalışmalarından elde edilen veriler Tablo 4.1

ve Tablo 4.2’ de gösterilmişir. Ayrıca uygulama devresi ön modelleme çalışmaları

Proteus görseli Şekil 4.2 ve Şekil 4.3’de belirtilmiştir.

34  

Şekil 4.1. MATLAB Simulink Devresi Görseli

Girişte Gerilim/frekans (V/f) oranının sabit olması için gerekli hesaplamalar

yapıldı. Girilen frekans değeri 2π kazancı ile çarpılarak sinusoidallerin açı değerini

oluşturdu. Belirlediğimiz Vs=kf formülünden sinusoidal sinyallerin genlik hesabı

yapıldı. PWM darbe dizisini oluşturmak için üçgen dalganın genliğini 7500,

anahtarlama frekansınıda 10Khz olarak belirledik. f=50Hz’de sinusoidal sinyalin

genliği +3750, -3750 arasındadır. Dolayısıyla sinusoidal sinyali pozitif alternansa

taşımak için ofset olarak 3750 ile modüle edilmiştir. Sinusoidal dalga ile üçgen

dalgayı karşılaştırma komutlarıyla PWM darbe dizisi elde edildi ve eviriciye sinyal

gönderildi. Eviricide bilindiği üzere DC bara geriliminden alternatif gerilim elde

etmek için gerekli donanımı sağlar. Evirici bunu ancak uygun şekilde

anahtarlandığında gerçekleştirir. Evirici temel devresinde üç kol ve altı adet anahtar

bulunmaktadır. Ancak, bu anahtarlardan aynı kola bağlı olanlar birbirine zıt

çalışırlar. Bunlardan biri diğerinin mantıksal değili ile ifade edilir ve hiçbir zaman

iki anahtar aynı anda açık veya kapalı durumda olmazlar. İki anahtarın aynı anda

kapalı olması durumunda DC kaynak kısa devre olur. Böylece, sistemde üç adet

anahtar olduğu kabul edilebilir. Benzetim çalışmasında, motorun her bir fazının

gerilimleri ölçülmesi yerine, yalnızca DC kaynak voltajı ölçülmekte ve anahtarlama

durumları yardımıyla faz gerilimleri hesaplanabilmektedir. GADE’deki IGBT’lerin

anahtarlanma durumlarına göre ilgili anahtarları açarak veya kapatarak asenkron

motorun A, B ve C fazlarına uygulanacak sinüzoidal gerilimler elde edilmiştir.

Böylece Asenkron Motorun (V/f) hız denetimi sağlanmıştır.

35  

Tablo 4.1. MATLAB Simulink’te Sinüsoidal Darbe Genişlik Ayarı (PWM) için

Hesaplanan Değerler

f(Hz) fc(Hz) Vm Vc m=Vm/Vc mf=fc/f

50 10000 7500 7500 1 200

40 10000 6000 7500 0.8 250

30 10000 4500 7500 0.6 333

25 10000 3750 7500 0.5 400

20 10000 3000 7500 0.4 500

Tablo 4.2. Farklı Frekans Değerlerinde Motorun Hız, Kayma Hızı ve Kayma

Değerleri

Motor parametreleri: 5.4 HP (4Kw) , 400V, 50Hz, 1430RPM için;

f(Hz) ns(d/dak) nr(d/dak) ωs(rad/s) ωr(rad/s) ωsl s

50 1500 1430 157 149.15 7.85 0.05

40 1200 1125.04 125.66 117.813 7.85 0.062

30 900 825.038 94.247 86.397 7.85 0.083

20 600 525.038 62.83 54.981 7.85 0.124

36  

Şekil 4.2. Uygulama Devresi Proteus Modellemesi

Şekil 4.3. Uygulama Devresi Proteus Ares Modellemesi

37  

4.4. Simülasyon

Sinüsoidal PWM modülasyon ile üçgen dalga gerilimde oluşan harmoniklerin

neden olduğu motor kayıplarının azaltılması amaçlanmaktadır. Asenkron motorda

sabit moment elde edebilmek için gerekli olan V/f oranının sabit kalması için,

evirici çıkışındaki gerilimin etkin değeri frekans arttıkça artırılmış, frekans

düştükçe ise düşürülmüştür.

Şekil 4.4. MATLAB Simulasyon Devresi Çalışma Diyagramı

Simulasyon çalışmasıyla asenkron motorun faz gerilimi, hat akımları, faz gerilimi

ile hat akımındaki harmonik dağılımlar incelenmiştir. Buna örnek olarak m=1,

f=50Hz durumunda, asenkron motorun bir faz sargısında indüklenen gerilimin

temel dalgasının etkin değerinin 366.70V olduğu görülmüştür. THD =%79.33

olarak ölçülmüştür. Diğer parametreler simulasyon çıktıları bölümünde detaylı

olarak gösterilmiştir.

38  

Şekil 4.5. Proteus Modelleme ve Baskı Devresi Diyagramı

5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR

5.1. Genel Bilgiler

Tez çalışması için belirlenen üç fazlı asenkron motorun skaler hız kontrol yöntemi

için sürücü devresi hazırlıklarına Ocak Ayı itibariyle başlanıldı. Bu aşamada ilk

önce devrenin taslak olarak kurulması amaçlandı. Motor sürücüsünde olması

gereken devre yapısı ve skaler kontrol için gerekli olan devre yapısı mantığı

birleştirilerek sürücü devresi tasarlandı. Kullanılması gereken eleman listesi

çıkarıldı ve tasarlanması gereken devrenin çizimi Proteus ISIS üzerinde yapıldı.

Devrenin pratik üzerinde karşılaşılabilecek sorunlarının belirlenmesi amacıyla

simule edilmesi gerekliydi. Burada yaşanılan sorunlardan ilki Proteus’ta devre

kurarken Proteus kütüphanesinde eleman eksikliğinden ötürü, eksik olan

elemanların tarafımızca tasarlanmasıydı. Haliyle kurulan devrenin simulasyonu

Proteus üzerinden test edilmedi.

Proteusta kurulan devrenin baskı devreye geçirilmesi için ARES’ te çizimi

gerçekleştirildi. Burada DC bara hat kalınlığının T150, kontrol ünitesinden

eviriciye kadar gelen hattın kalınlığının T30‘ dan az olmamasına, aksi taktirde test

aşamasında devre bağlantılarının akım değerlerini kaldıramayıp yanabileceğinden

çizimler buna göre yapıldı. ARES’ te devre çizimi ve baskı devrenin

gerçekleştirilme aşaması sürücü devre tasarımı, istenen devre çalışma prensiplerine

göre devre elemanlarının seçimi aşamalarına göre daha kolaydı. Baskı devre plaket

39  

üzerinde gerçekleştirildikten sonra temin edilen malzemeler plaket üzerinde

yerlerine yerleştirildi ve lehimleme işlemleri yapıldı.

5.2. Asenkron Motor ve Sürücü Devre Sisteminin Birleştirilmesi

Uygulama devresi önemli iki kısımdan oluşuyordu. Bunlar, motor sürücü

devresinin evirici bölümü ve mikrodenetleyici ile yüksek gerilimin verileceği

evirici taraf arasındaki yalıtım devresi. Tasarım yapılırken ilk önce düşünülen,

motora uygulanacak gerilim ve motorun çekeceği akımdı. Bu nokta da malzeme

seçimi en doğru şekilde yapıldı ve mikrodenetleyiciden itibaren datasheet

özellikleri ve motor sürücü devresi baz alınarak tasarım tamamlandı. Uygulama

esnasında motor bağlantıları yapıldıktan sonra mikrodenetleyici sinyal girişleri

sürücü devresine klemensler yardımıyla verildi.

Proteus ARES üzerinde gerçekleştirilen Evirici devre tasarımı ve uygulama

devresinde gerçekleştirilen Evirici Devre Tasarımı Şekil 5.1’ da gösterilmiştir.

Oluşturulan genel devre taslağı ve deneysel çalışmada devrenin birleştirilmesi Şekil

5.2’ da gösterilmiştir.

Ayrıca ek olarak verilen CD’ de video ve fotoğraflarda devre bağlantı yapısı ve

genel devre düzeneği ayrıntılı olarak çalışma anındaki çekimde gösterilmiştir.

40  

Şekil 5.1. Evirici Devre, Tasarımı ve Uygulama Devresi

41  

Şekil 5.2. Devre Tasarımı Blok Şeması ve Uygulama Devresi

42  

5.3. Arayüz Elemanlarının Gerçeklenmesi

Devre tasarımında 6 adet IRFP460 Mosfet kullanıldı. Üst kollardaki Q1, Q3, Q5

mosfetlerin her biri 3 ayrı Trafo tarafından beslenirken Alt kollardaki Q2, Q4, Q6

mosfetlerin beslemesi, referans noktaları aynı olduğu için tek bir Trafo üzerinden

beslendi. Üst koldaki mosfetlerin ayrı ayrı trafolalarla beslenme sebebi, farklı

GND’ler oluşturarak Alt koldaki mosfetlerle devrenin kısa devre olmasını

engellemek içindir.

Tasarlanan motor sürücü devresi inverter kısmı Proteus çizimi Şekil 5.3 ‘de

verilmiştir.

Şekil 5.3. Evirici Devre Proteus Görseli

Evirici devre Gate ile Source arasında 15V’luk zener diyotlar kullanıldı. Bunun

nedeni statik elektriklenmeyi önlemek, Gate kısmını korumak ve yalıtımı

sağlamaktır. 10K dirençler ise yine akımı sınırlamak amacıyla kullanıldı.

43  

Ayrıca Optocoupler devresinde, VO3120 entegresi datasheet özellikleri incelenerek

en uygun besleme gerilimi 15V olarak alındı. Optocoupler’in tetiklenmesi için 1.5

mA’ lik gibi küçük bir akım yeterli olduğundan VO3120 girişine entegreyi

korumak adına 10K direnç bağlandı. Yine evirici devresinde kullanılan mosfetleri

korumak amacıyla 10 Ω’ luk bir direnç ile akım sınırlandı.

Şekil 5.4. Optocoupler Bağlantısı

Evirici devredeki mosfetlerin beslemeleri, kullanılan buffer ve optocoupler

entegrelerinin beslemeleri için tasarlanan gerilim regüle devrelerinde ve şebeke

geriliminin filtre edilmesi için tasarlanan doğrultucu devrede köprü tipi diyotlar

kullanıldı. Dört diyotlu köprü diyotlar dört adet doğrultmaç diyodu içeren dört

bacaklı diyotlardır. Gövde üzerinde sinüsoidal (~) işareti bulunan bacaklar AC giriş

uçlarıdır. (+) ve (-) işareti bulunan bacaklar ise DC çıkış konnektörleridir. Köprü

diyotun üzerinde alternatif akım girişleri ve doğru akım çıkışları gösterilir.

Alternatif akıma bağlandığı zaman tam dalga doğrultma yapılır. Kullanılacak motor

3 faz olduğundan iki adet köprü tipi diyot kullanıldı. İkili diyotlar halinde oluşan 4

kol, bir kol ortak çıkış yapılarak 3 faz bağlantısı elde edildi.

Şekil 5.5. Köprü Tipi Diyot

44  

Şekil 5.6’ te DC baraya uygulanan gerilimi filtre amacıyla kullanılan köprü diyotun

görseli, Şekil 5.7’ de ise besleme gerilimlerini elde etmek için regüle devrelerinde

kullanılan köprü tipi diyotun görseli verilmiştir.

Şekil 5.6. DC Baraya Uygulanan Gerilimi Filtre Amacıyla Kullanılan Köprü Diyot

Şekil 5.7. Regüle Devrelerinde Kullanılan Köprü Tipi Diyot

5.4. Yapılan Testler

Devrenin istenen şekilde çalıştığını test etmek adına öncelikle düşük gerilimlerde

devrenin çalıştırılması tercih edildi. Bunun nedeni Proteus’ta kullanılan

entegrelerin olmaması, entegrelerin kendimiz tarafından eklenmesi nedeniyle

Proteus üzerinde simülasyon yapılamamasıydı. Teorikte yapılan hesaplamalar ile

pratik devre üzerinde devrenin gerçekleştirilmesi doğru çalışma için riskli

olacağından, devrenin zarar görmemesi adına bu yol tercih edildi.

İlk olarak 25V’ luk gerilim altında, PWM tetikleme sinyalleri kısa devre edilip,

GND yapılarak, tüm mosfetlerin kesimde olduğu test edildi. Teker teker tüm

kollardaki mosfetlerin tetiklemeleri yapılarak iletim ve kesimde olup

45  

olmadıklarının kontrolü yapıldı.

Bu aşamalardan sonra devrenin skaler kontrolü gerçekleştirmek için gerekli kod

yazıldı. Bu kodla DSPIC30F4011 programlaması yapıldı. Kodun ve mikroişlemci

programlamasının kontrolü amacıyla ikinci bir test gerçekleştirildi. Bu testte PWM

çıkışlarına bağlanan LED’ ler ve yine çıkışlara Osiloskop bağlantısıyla

DSPİC30F4011 mikroişlemcisinden çıkan PWM sinyallerinin istenen özelliklerde

olup olmadığı kontrol edildi. Burada dikkat edilen nokta, PWM sinyalinin 5 kHz’

de elde edildiği ve genlik değeri modülasyon oranına bağlı olarak yani skaler

kontrol mantığıyla (f=50Hz için m=1, f=25Hz için m=0.5, f=10Hz m=0.1 ;

m=modülasyon endeksi) doğru değişim yapıp yapmadığı incelendi. İncelemeler

sonucunda sinyalin doğru çıkış verdiği gözlemlenmesiyle birlikte Osiloskop

görüntüleri alındı.

Devre üçüncü test aşamasında, mikroişlemcinin programlanmasından sonra, 3 faz

çıkışlı kaynak üzerinden devreye 3 faz gerilim verildi. Buna paralel olarak buffer

ve optocoupler üzerinden evirici devresine PWM sinyaller gönderildi ve evirici

devre üzerindeki gerilim ve bu gerilim sinyal karakteristikleri gözlendi. Yine

burada da PWM sinyalinin 5 kHz’ de elde edildiği ve genlik değeri modülasyon

oranına bağlı olarak yani skaler kontrol mantığıyla (f=50Hz için m=1, f=25Hz için

m=0.5, f=10Hz m=0.1 ; m=modülasyon endeksi) doğru değişim yapıp yapmadığı

incelendi. Osiloskop görüntüleri alındı. Şekil 5.8 ‘te devre deney düzeneği görseli

bulunmaktadır. Şekil 5.9 ‘da 3 faz kaynaktan uygulanan gerilim değeri ve evirici

üzerinden alınan gerilim değerinin görseli bulunmaktadır.

Şekil 5.8. Devre Deney Düzeneği Görseli

46  

Şekil 5.9. 3 Faz Kaynaktan Uygulanan Gerilim ve Evirici Üzerinden Alınan Gerilim

Değeri

47  

6. SONUÇLAR

6.1. Genel Açıklamalar

Bu çalışmada 3 fazlı AC gerilim tam köprü doğrultma devresi ile doğrultulduktan sonra inverterden 3 fazlı sinyaller motora uygulandı. Skaler kontrol için devremizin tasarımı gerçekleştirildi. Devrenin kontrol kısmında mikrodenetleyicide DSPIC30F4011 kullanıldı.inverterde anahtarlama elemanı olarak MOSFET ve sürücü devre için optokuplörlü devre elemanları kullanılmıştır. Kontrol kısmı için V/f kontrol tekniklerinden SPWM seçilmiştir. SPWM ‘i DSPIC30F4011 mikrodenetleyicisi ile bir yazılımla gerçekleştirildi. Yazılımda 12 MHz ‘lik kristal kullanıldı. V/f skaler kontrol yöntemiyle Asenkron motorların ilk kalkış anında yüksek akım çekmesi önlenmiştir. Koruma elemanlarının yüksek değerli seçilmesi engellenmiş ve sistem korumasında kullanılan eleman maliyetide azalmıştır. Deneysel uygulamada skaler kontrolün sorunsuz bir şekilde gerçekleştirildiği, motorun verilen gerilim ve frekans değerine göre çıkış akım ve gerilim sinyallerinin olması gerektiği şekilde oluştuğu gözlemlendi.

6.1.1.Maaliyet Analizi

Tablo 6.1 Ön Maaliyet Hesabı

Malzemenin adı Kullanım amacı Birim fiyatı

(TL) Adedi

Fiyatı

(TL)

DSPIC30F4011 Mikroişlemci 50 2 100

7407 Buffer Entegresi 5 4 20

ULN2003A Buffer Entegresi 5 4 20

V03120 Optocoupler 15 6 90

IRFP460 Mosfet 12 5 60

2X12V TRAFO Trafo 25 4 100

2X7.5V TRAFO Trafo 25 1 25

PLAKET Plaket 30 1 30

TOPLAM 445

48  

Tablo 6.2 Sonuçlanan Maaliyet Tablosu

Malzemenin adı Kullanım amacı Birim fiyatı (TL)

Adedi Fiyatı (TL)

DSPIC30F4011 Mikroişlemci 27,5 2 55

7407 Buffer Entegresi 3 5 15

ULN2003A Buffer Entegresi 2 5 10

V03120 Optocoupler 10 12 120

IRFP460 Mosfet 7 10 70

PICKIT 3 Programlayıcı 145 1 145 ZİL TELİ Kablo 0.2 1 20 IR2110 Buffer Entegresi 6 6 36 JUMPER Kablo 35 1 35 2x12V TRAFO Trafo 25 4 100 2x7,5V TRAFO Trafo 25 1 25 KLEMENSLER Klemens 2 15 30 Plaket Plaket 20 1 20 7812 Gerilim Regülatörü 1,5 5 7,5

7908 Gerilim Regülatörü 1,2 5 6

7815 Gerilim Regülatörü 1,5 1 1,5

7805 Gerilim Regülatörü 1.5 1 1,5

Baskı kalemi Kalem 5 1 5

Tuz ruhu Tuz Ruhu 6 1 6

Soğutucular Soğutucu 5 15 75

Vidalar Vida 4 10 40

Kargo ücretleri Ulaşım 100 1 100

Kondansatör 3300uF- 450V 95 1 95

Kondansatörler 1000uF - 1.5 15 22,5

Köprü Diyotlar 15V 1 15 15

TOPLAM 1100

Ön maliyet hesabında devre taslak olarak oluşturulduğundan ayrıntılı olarak

eleman listesi çıkarılmadı. Çünkü düşünülen bir motor sürücü devresinde olması

gereken standart entegre yapılarının kararlaştırılmasıydı. Devre pratik olarak

49  

oluşturulmaya başlandığında teknik detaylarla birlikte malzeme ihtiyacı arttı.

Örneğin, devrede kullanılan 4 adet farklı besleme kaynakları için güç kaynağı

gerekliydi. Fakat güç kaynakları maaliyeti fazla olduğu düşünülerek gerilim

regülatör devresi oluşturulmaya karar verildi. Buda yeni malzeme ihtiyacını ve

eleman teminini beraberinde getirdi. Ayrıca genel maliyet düşümüne sebep oldu.

Bunun yanında da birçok maliyet artışına sebep olan durumlar devre elemeanları

özellikleri incelenip, devre yapısıyla birleştirilince ortaya çıktı. Tablo 6. ve Tablo

6. ‘da değişim görülmektedir.

6.2. Simülasyon Sonuçları

Hız referansı 157 rad/s evirici DC gerilimi 660 V ve anahtarlama frekansı 10 kHz alınmış ve asenkron motora 10 N yük momenti uygulanarak simülasyon gerçekleştirilmiş simülasyon sonuçları aşağıda verilmiştir. F=50 Hz ‘deki Simülasyon Sonuçları

Şekil 6.1. Elektromanyetik Tork Simülasyonu

50  

Şekil 6.2. Rotor Hızı Simülasyonu

Şekil 6.3. Fazlar Arası Gerilim

Şekil 6.4. Motorun Çektiği Akımın Simülasyonu

51  

Tablo 6.3. SDGA için; f=50 Hz ve m=1 Durumunda Faz Hat Geriliminin Dalga

Şekli, Harmonik Dağılımı ve % THB

Tablo 6.4. SDGA için; f=50 Hz ve m=1 Durumunda Faz Hat Akımının Dalga Şekli,

Harmonik Dağılımı ve % THB

0.3 0.305 0.31 0.315 0.32 0.325 0.33 0.335

-500

0

500

FFT window: 2 of 57.05 cycles of selected signal

Time (s)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

1

2

3

4

5

6

Harmonic order

Fundamental (50Hz) = 518.6 , THD= 79.33%

Mag

(%

of

Fun

dam

enta

l)

0.3 0.305 0.31 0.315 0.32 0.325 0.33 0.335

-5

0

5

FFT window: 2 of 57.05 cycles of selected signal

Time (s)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2

4

6

8

10

12

14

16

Harmonic order

Fundamental (50Hz) = 5.512 , THD= 17.43%

Mag

(%

of

Fun

dam

enta

l)

52  

Sinüsoidal PWM modülasyon ile üçgen dalga gerilimde oluşan harmoniklerin neden olduğu motor kayıplarının azaltılması amaçlanmaktadır. Asenkron motorda sabit moment elde edebilmek için gerekli olan V/f oranının sabit kalması için, evirici çıkışındaki gerilimin etkin değeri frekans arttıkça artırılmış, frekans düştükçe ise düşürülmüştür. Asenkron motor hız denetiminde elde edilen sonuçlar asenkron motorun faz gerilimi, hat akımları, faz gerilimi ile hat akımındaki harmonik dağılımlar incelenmiştir. Buna örnek olarak m=1 f=50Hz durumunda, asenkron motorun bir faz sargısında indüklenen gerilimin temel dalgasının etkin değerinin 366.70V olduğu görülmüştür. THD =%79.33 olarak ölçülmüştür. Diğer parametreler Simulasyon çıktıları bölümünde detaylı olarak gösterilmiştir.

6.3. Deney Sonuçları

Şekil 6.5. Deneysel Çalışma

Şekil 6.6. f=10 Hz için Faz Akımı

53  

Şekil 6.7. f=25 Hz’de Faz-1 Faz-2 Gerilim Grafiği

Şekil 6.8. f=25 Hz’de Faz-1 Faz-3 Gerilim Grafiği

Şekil 6.9. f=25 Hz’de Faz-2 Faz-3 Gerilim Grafiği

54  

Şekil 6.10. f=25 Hz için Faz Akımı

Şekil 6.11. f=50 Hz’de Faz-1 Faz-2 Gerilim Grafiği

Şekil 6.12 f=50 Hz’de Faz-1 Faz-3 Gerilim Grafiği

55  

Şekil 6.13 f=50 Hz’de Faz-2 Faz-3 Gerilim Grafiği

Şekil 6.14. f=50 Hz için Faz Akımı Grafiklerde deneysel çalışmamız sonucunda gözlenilen 3 fazlı Asenkron motorun sürülmesi anındaki akım ve gerilim grafikleri görülmektedir. Yapılan deneysel çalışmada V/f oranının yani artan frekans ile artan etkin gerilimin değeri, bize V/f oranının sabit tutulduğunu gösterdi. Motor nominal hıza ulaştığında besleme frekansı 50 Hz’e ve gerilimde en yüksek değerine ulaştırıldı.

56  

Tablo 6.5. Sinüsoidal Darbe Genişlik Ayarı (PWM) için Hesaplanan Değerler

f(Hz) fc(Hz) Vm Vc m=Vm/Vc mf=fc/f

50 5000 2000 2000 1 100

40 5000 1600 2000 0.8 125

30 5000 1200 2000 0.6 166,67

25 5000 1000 2000 0.5 200

20 5000 800 2000 0.4 250

10 5000 400 2000 0.2 500

Tablo 6.6. Farklı frekans değerlerinde motorun hız, kayma hızı ve kayma değerleri

f(Hz) ns(d/dak) nr(d/dak) ωs(rad/s) ωr(rad/s) ωsl= ωs- ωr s

50 1500 1370 314.16 286.83 27.33 0.087

40 1200 1069.53 251,33 224 27.33 0.11

30 900 769,5 188.5 161.17 27.33 0.145

25 750 619.5 157.08 129.75 27.33 0.174

20 600 469,5 125.664 98.334 27.33 0.22

10 300 169.5 62.83 35.5 27.33 0.435

6.4. Değerlendirmeler

Yapılan tasarım çalışmasıyla, asenkron motorun faz gerilimleri örneklendi ve harmonik analizi yapıldı. Elde edilen %THD oranlarına bakılarak, hat gerilimlerinin örneklenerek, harmonik analizi yapılması esas kriter olarak ileriki projelerde detaylı olarak incelenmesi amaçlandı. Böylece kayıpların kontrol edilmesi sağlanabileceği kanaatine varıldı. Ayrıca düşük frekanslarda akımlarda artan harmoniklerin önlenmesi için başta PWM taşıyıcı dalga frekansına dikkat edilmeli ve gerilim düşümleri kontrol altına alınmalıdır. Bunun yanında yapılan uygulama devresiyle, deneysel çalışmalarda ve teorideki çalışmalarla görülmüştür ki, asenkron motor yapısı karmaşık bir yapıda olduğundan skaler kontrol yöntemiyle hız denetimi nominal değerin üstündeki yüksek hızlarda yapılan çalışmalar için yetersiz bir kontrol yöntemidir.

Tez hazırlık aşamasında Asenkron Motor kontrol yöntemlerine yönelik yapılan çalışmalar incelendiğinde gözlemlenilen, yüksek hızlarda hız denetimi için vektörel

57  

kontrol yöntemi, skaler kontrole göre asenkron motor yapısı açısından düşünüldüğünde daha elverişli olacağı. Skaler kontrol yönteminin yapılan tez çalışmasında da görüldüğü 0 – 50 Hz arasında verimli olacağı görüşüne varıldı. Daha gelişmiş yöntemlerin kullanılması, enerji kalitesi ve motor performansı açısından daha uygundur.

Yapılan bu çalışmayla birlikte Asenkron motorun çalışma prensibi, teknik yapısı, günümüzde asenkron motorun hız denetimiyle alakalı yapılan performans çalışmaları ve bunun yanında enerji kalitesini arttıracak yönde yapılan çalışmaları inceleme ve bilgi edinme fırsatı bulundu. Asenkron motor hız denetimi için asenkron motor yapısı düşünüldüğünde, teoride kullanılan standart kabul edilen parametrelerin yanında değişken parametrelerin değerlendirilmesinin gerektiği ve kontrol yöntemlerinin daha geniş kapsamlı bir şekilde irdelenmesi gerektiği sonucuna varıldı.

58  

7. KAYNAKLAR [1] J.Nikonder,Induction Motor Parameter Identifecition in Elevator Drive Modernization,Espoo,07.01.2009 [2] A.S.I.S. Bhatıa,V.K.Gupta,S.A.Sethi,Simulation and Speed Control of Induction Motor Drivers,Rourkela,May 2012 [3] D. Jee,N.Petel,V/F Control of Induction Motor Drive,Rourkela,May 2013 [4] M.KARABACAK,Üç Fazlı Asenkron Motorun Mikrodenetleyici tabanlı Açık Çevrim Tabanlı Skaler Hız Denetimi,Düzce Fen Bilimleri Enstitüsü,Temmuz 2008

[5] A.VATANSEVER,Ac Motor Kontrol Yöntemlerinin İncelenmesi ve Uygulama Devresi Gerçekleştirilmesi,İSTANBUL,2009

[6] M.KEMAL SARIOĞLU, M.GÖKAŞAN,S.BOĞOSYAN, Asenkron Makinalar Ve Kontrolü.2003,sy.214-254,Birsen Yayınevi.

[7] Ö. Faruk BAY,S. GÖRGÜNOĞLU,Düşük Maliyetli 8-bitlik Bir Mikrodenetleyici Kullanarak 3-Fazlı İndüksiyon Motor Hız Denetleyicisinin Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi,2009, sy.143-144.

[8] G.POYRAZ, Üç Fazlı Asenkron Motorun Skaler Ve Vektörel Hız Denetimi, Düzce,Ekim 2011

[9] S.ŞİT,H.R.ÖZÇALIK,E.KILIÇ.Ş.YILMAZ,Üç Fazlı Asenkron Motor Sürücülerinde Hız Kontrol Yöntemlerinin Araştırılması,2015, sy.127-128.

[10] M.Varan,Y.Uyaroğlu,S.Darga,3-Fazlı Sincap Kafesli Motorun αβ Eksenli Matematik Modeli İle Kapalı Çevrim Skaler Hız Kontrolü, sy.48

[11] http://docplayer.biz.tr/3989930-Uc-fazli-asenkron-motor-calisma prensibi.html, 19/Aralık/2016

[12] Prof.Dr.İ.ÇOLAK,Asenkron Motorlar,Seçkin Yayıncılık sy.145-149

59  

EKLER

DSPIC30F4011 Datasheet

60  

61  

7407 Datasheet

62  

63  

64  

65  

ULN2003A Datasheet

66  

67  

68  

VO3120 Datasheet

69  

70  

71  

72  

73  

IRFP460 Datasheet

74  

75  

76  

77  

78  

Zener Diyot Datasheet

79  

80  

7805 Datasheet

81  

82  

7815 Datasheet

83  

EK -1

STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU

1. Çalışmanın amacını özetleyiniz. Günümüzde ülkemizin elektrik yükü kullanımının yaklaşık %40’ı asenkron motorlar kapsamaktadır. Hatta sanayi kuruluşlarının kullandığı yük durumuna bakıldığında bu oran %80’lere çıkmaktadır. Bu açıdan bakıldığında Asenkron Motorların istenen hızda ve istenen güç değerinde çalıştırılması temelli oluşturulacak sistem ve şebeke kaynaklı harmoniklerin sinyal üzerinde kontrol edilip, filtre edilmesiyle motora uygulanması, motordan elde edilecek verim ve performans artacaktır. Bu çalışmayla birlikte motor kontrolü yöntemlerinden Skaler Kontrol tercih edilmiş, kontrol yöntemlerinin genel mantığı, motorda uygulanma yöntemleri, kontrol yapılabilmesi için gereksinimler ve parametrelerin incelenme fırsatı oluşmuştur. İleride motor kontrolü adına geliştirilecek projelerin ilk basamağı olarak değerlendirilmiş bir çalışmadır. 2. Çalışamnın tasarım boyutunu açıklayınız. Proje, günümüzde yaygın olarak kullanılan Asenkron Motorların kontrolüdür. Projede amaçlanan, yeni keşfedilmemiş buluşlar ortaya koymak değil, var olan düzendeki çalışma prensibini incelemek ve gerek eğitim, gerekse iş hayatında bu projeleri geliştirmek, iyileştirmek fikriyle, sistemin temelinden fikir sahibi olmak, kısaca bu çalışmaları öğrenmektir. Bu amaçla projede, sürücü devresi bölümlerinde hazır modüller kullanmayarak, bu modüllerin çalışma prensipleriyle birlikte devredeki rolünü inceleyerek, kendi tasarımımız olan sürücü devresi ve sürücü devresini kontrol edecek yazılımı geliştirdik. Böylece teknik detayları araştırarak motor sürücü devresinin dayandığı temel teoriyi öğrenme fırsatı yakaladık. 3. Bu çalışmada bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Projede, sürücü devresinin en önemli parçalarından olan evirici devresini hazır modüller kullanmayarak, evirici tasarımı yapmayı düşündük. Bu devre yapısıda teorilerle açıklanmış, uygulamaları yapılmış olmasına rağmen kullanılacak motor gereksinimlerine göre gerilim seviyesi ve akım değerleri hesaplanarak uygun mosfet seçimi yapılmış, mosfetlerin sürülebilmesi için, devre yapısı gereği oluşacak kısa devreye karşı mosfet beslemeleri ayarlanılarak, evirici devresi koruma altına alınmıştır. Ayrıca diğer entegrelerin beslemeleriyle birlikte ortaya farklı besleme değerleri çıkmıştır. Besleme değerleri içinde güç kaynakları kullanılmayarak, yine teorisi ispatlanmış regüle devreleriyle entegrelerin farklı besleme değerleri elde edilmiştir. 4. Çalışmada kullandığınız yöntemler nelerdir ve önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Açıklayınız. Özellikle, ilgimizin olduğu Elektrik Makineleri ve Elektronik derslerindeki bilgiler bu çalışmamızda çok faydalı oldu. Motorun çalışma prensipleri, motor parametreleri ve motor çalışma karakteristikleri incelenerek, motor kontrolü için bir teori üzerine yoğunlaşılmış, bu parametrelerin kontrolü için hesaplamalar baz alınarak sürücü devresi geliştirilmiştir. Bunun yanında tasarımı yapılan regüle, evirici, doğrultucu, buffer devreleri gibi motor sürücü devre bölümleri güç elektroniği ve elektronik dersleri teorisiyle ortaya çıkmıştır. 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? IEC 61439-2 standartları, alçak gerilim anahtarlama ve kontrol düzeni donanımları IEC 60748 standartları, yarıiletken ve entegre devre

84  

6. Kulandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? Lütfen çalışmanıza uygun yanıtlarla doldurunuz.

a) Ekonomi: Asenkron motorlar, sanayide kullanımının çok fazla tercih edilmesinden dolayı diğer motorlara göre elektrik yükünün büyük bir kısmını kullanmaktadırlar. Asenkron motorların performansının ve veriminin arttırılması demek elektrik enerjisinin önemli bir kısmını verimli kullanmak demek buda enerji tüketimini düşürerek ülke ekonomisine, sanayide kullanıcılara büyük katkı sağlar.

b) Çevre sorunları: Elektrik üretim santrallerinin önemli bir kısmı ülkemizde çevreye, doğaya ciddi zararlar vermektedir. Biz Elektrik Elektronik Mühendisleri bu tüketimi elimizden geldiğince düşürmeye çalışmalıyız. Bunu elektrik tüketiminin fazla olduğu noktaları irdeleyip, tüketimi azaltma yolunda çalışmalarla sağlayabiliriz. Bu noktada tez çalışmamızda bizler motor sistemlerine duyduğumuz ilgiyi, motorların verimli bir şekilde kullanılıp, performanslarını arttırarak, kayıplarını düşürerek kullanımlarını sağlamak adına ilk adımı atmak istedik.

c) Sürdürülebilirlik: Motor kontrol yöntemleri birden çok olup, motor parametreleri dikkate

alınarak irdelenen çalışmalardır. Skaler kontrol yöntemleri bunların ilk çalışmalarından ve bir noktada temelini oluşturan yöntemlerden biridir. Skaler kontrol yöntemi, vektörel kontrol yöntemleri üzerinde çalışmalarla geliştirilebilir özelliğe sahiptir ve asenkron motor kullanımına bakılırsa geliştirilmeye muhtaç bir sorun olarak görülebilir.

d) Üretilebilirlik: Motor kontrol yöntemleri, motor sürücü devrelerinin teorik alt yapısıdır.

Motor sürülmesi için nasıl motor sürücüleri kullanılıyorsa, motor sürücülerininde asıl mantığı motor kontrol yöntemleridir.

e) Etik: Elektrik Elektronik Mühendisleri mesleğimiz adına meslek ahlakı olarak

tanımlayacağımız etik kurallarla kendimize yön vermeliyiz. Ülkemiz açısından gelişime nasıl katkı bulunuruz, bu meslek için çevremize veyahutta kendimize ne gibi sorumluluklarımız var bunlar hangi meslekte olursa olsun vazgeçilmezdir. Bu nedenle ilgi

85  

duyduğumuz alanda çevremize, ülkemize karşı sorumluluklarımızıda düşünmeliyiz. Bu amaçla motor kontrollerini geliştirmek üzere lisans boyutunda Skaler Kontrol yöntemiyle başlangıcı bir hedef olarak belirledik.

f) Sağlık: Elektrik üretim santrallerinin önemli bir kısmı ülkemizde çevreye, doğaya ciddi

zararlar vermektedir. Bu çevreye verilen zararla birlikte, hava kirliği, iklim değişimi; hayvanların ve insanlığın sağlığı açısından tehdit oluşturmaktadır. Bu açıdan elektrik tüketiminin bel kemiği olan sanayilerde elektrik tüketimi adına çalışmalar büyük önem taşımaktadır.

g) Güvenlik: Sanayide Asenkron Motorların kullanımının çok fazla olduğunu düşünürsek, bu

makine sistemlerinin içinde bulunduğu sistemi doğru şekilde devam ettirmesi, herhangi bir arıza nedeniyle kötü sonuçlar doğurmaması açısından kontrolü önem arz etmektedir.

h) Sosyal ve politik sorunlar: Elektrik üretimi ve bu üretilen elektriğin kullanımı birbirlerine

paralel, sorunsuz ve minimum olarak sağlanırsa, ülke ekonomisine o kadar katkı sağlayacaktır. Tüketimin en önemli kısmının sanayi olduğu düşünülürse sanayi kollarında tüketimin kontrolü en iyi şekilde sağlanmalıdır. Bu nedenle sanayide elektrik motorları içerisinde en fazla tüketim kolu olan Asenkron Motorların, performans, verim yani kayıplar açısından kontrolünün çok iyi bir şekilde yapılması gerekmektedir.

Çalışmanın Adı 3 FAZLI ASENKRON MOTORUN SKALER (V/f) KONTROLÜ

Çalışmayı Hazırlayan(lar)

İLKNUR BİLGİN

BEYTİYE TAŞDEMİR

Danışman Onayı Yrd. Doç. Dr. Murat KARACABAK

86  

EK-2 IEEE CODE OF ETHİCS We, the members of the IEEE, in recognition of the importance of our technologies in  affecting  the  quality  of  life  throughout  the  world,  and  in  accepting  a  personal obligation to our profession, its members and the communities we serve, do hereby commit ourselves to the highest ethical and professional conduct and agree:

1. to accept responsibility in making engineering decisions consistent with the safety, health and welfare of the public, and to disclose promptly factors that might endanger the public or the environment; 

2. to  avoid  real  or  perceived  conflicts  of  interest  whenever  possible,  and  to disclose them to affected parties when they do exist; 

3. to be honest and  realistic  in  stating claims or estimates based on available data; 

4. to reject bribery in all its forms; 5. to improve the understanding of technology, its appropriate application, and 

potential consequences; 6. to  maintain  and  improve  our  technical  competence  and  to  undertake 

technological  tasks  for others only  if qualified by  training or experience, or after full disclosure of pertinent limitations; 

7. to seek, accept, and offer honest criticism of technical work, to acknowledge and correct errors, and to credit properly the contributions of others; 

8. to treat fairly all persons regardless of such factors as race, religion, gender, disability, age, or national origin; 

9. to avoid  injuring others, their property, reputation, or employment by false or mlicious action; 

10. to assist colleagues and co‐workers in their professional development and to support them in following this code of ethics. 

                                                  Approved by the IEEE Board of Directors                                                                            August 1990

87  

IEEE ETİK KURALLARI IEEE  üyeleri  olarak  bizler  bütün  dünya  üzerinde  teknolojilerimizin  hayat 

standartlarını  etkilemesindeki  önemin  farkındayız.  Mesleğimize  karşı  şahsi 

sorumluluğumuzu kabul ederek, hizmet ettiğimiz toplumlara ve üyelerine en yüksek 

etik ve mesleki davranışta bulunmayı söz verdiğimizi ve aşağıdaki etik kuralları kabul 

ettiğimizi ifade ederiz. 

1. Kamu güvenliği, sağlığı ve refahı ile uyumlu kararlar vermenin sorumluluğunu kabul  etmek  ve  kamu  veya  çevreyi  tehdit  edebilecek  faktörleri  derhal açıklamak; 

2. Mümkün olabilecek çıkar çatışması, ister gerçekten var olması isterse sadece algı  olması,  durumlarından  kaçınmak.  Çıkar  çatışması  olması  durumunda, etkilenen taraflara durumu bildirmek; 

3. Mevcut  verilere  dayalı  tahminlerde  ve  fikir  beyan  etmelerde  gerçekçi  ve dürüst olmak; 

4. Her türlü rüşveti reddetmek; 5. Mütenasip  uygulamalarını  ve  muhtemel  sonuçlarını  gözeterek  teknoloji 

anlayışını geliştirmek; 6. Teknik yeterliliklerimizi sürdürmek ve geliştirmek, yeterli eğitim veya tecrübe 

olması veya işin zorluk sınırları ifade edilmesi durumunda ancak başkaları için teknolojik sorumlulukları üstlenmek; 

7. Teknik bir çalışma hakkında yansız bir eleştiri  için uğraşmak, eleştiriyi kabul etmek  ve  eleştiriyi  yapmak;  hatları  kabul  etmek  ve  düzeltmek;  diğer  katkı sunanların emeklerini ifade etmek; 

8. Bütün kişilere adilane davranmak; ırk, din, cinsiyet, yaş, milliyet, cinsi tercih, cinsiyet kimliği, veya cinsiyet  ifadesi üzerinden ayırımcılık yapma durumuna girişmemek; 

9. Yanlış  veya kötü amaçlı  eylemler  sonucu kimsenin yaralanması, mülklerinin zarar  görmesi,  itibarlarının  veya  istihdamlarının  zedelenmesi  durumlarının oluşmasından kaçınmak; 

10. Meslektaşlara ve yardımcı personele mesleki gelişimlerinde yardımcı olmak ve onları desteklemek. 

                                                 IEEE  Yönetim  Kurulu  tarafından  Ağustos  1990’da onaylanmıştır

88  

ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı: Beytiye TAŞDEMİR Doğum Tarihi: 16.09.1995 Doğum Yeri: İSTANBUL / FATİH Lise: 2009-2013 Bursa Cumhuriyet Anadolu Lisesi Lisans: 2013-halen Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

Adı Soyadı: İlknur BİLGİN

Doğum Tarihi: 26.01.1994 Doğum Yeri: SAKARYA / PAMUKOVA Lise: 2008-2012 Sakarya Geyve Anadolu Lisesi Lisans: 2013-halen Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü