Vektör kontrol

Düşük hızlarda veya sıfır hızda V/f kontrolde oluşan problemler vektör kontrol yöntemi ile en verimli şekilde çözülebilmektedir. Vektörel kontrol yönteminin uygulanması ile asenkron motorlar yüksek performanslı dört bölgede çalışan doğru akım motorlu sistemlerle yarışabilir hale gelmiştir.

Geçmişte karmaşık donanım ve yazılım ile karmaşık problemlerin çözülmesinin gerektiği asenkron makine uygulamaları, hızlı mikroişlemcilerle desteklenen vektörel kontrol tekniklerinin uygulanması ile günümüzde kolayca gerçekleştirilmiştir.

Uygulanan vektör kontrol tekniklerinde amaç, asenkron makinenin davranışını kolay kontrol edebilen doğru akım makinesinin davranışına getirebilmektir. Asenkron makinelerin vektör kontrolü üzerinde yapılan çalışmalar makine modelindeki moment ifadesi üzerinde yoğunlaşmıştır ve moment ifadesinin serbest uyarmalı doğru akım makinesinin moment ifadesine getirilmeye çalışılır. Çünkü serbest uyarmalı doğru akım makinesinde moment, uyarma akısı sabit tutularak endüvi akımı ile lineer değişmektedir. Yani momenti oluşturan iki büyüklük birbirini etkilememektedir. Oysa asenkron makinede böyle bir etkileşim söz konusudur, moment ve akı arasında bir

kuplaj vardır. Vektör kontrol yöntemleri bu etkileşimi ortadan kaldırmak için geliştirilmiştir (Ateş, 2007).

Fleix Blaschke tarafından Alan Yönlendirme ( FOC ) olarak adlandırılan yöntemde asenkron makinenin senkron hızda dönen d-q koordinat sistemindeki modelini kullanarak stator akımı uygun bir biçimde ayrıştırılmış (decoupling) ve moment ifadesinin serbest uyarmalı doğru akım makinesine benzetilmesi sağlanmıştır (İncekara, 2000).

Daha sonra Peter Vas tarafından yapılan incelemelerde vektör kontrol stator akısı yönlendirmeli, rotor akısı yönlendirmeli ve mıknatıslanma akısı yönlendirmeli olarak sınıflandırılmıştır. Rotor akısı, stator akısı veya mıknatıslanma akısına sabitli eksen takımlarında, düzgün hava aralıklı makinelerin indüklenme gerilimi ifadesinin serbest uyarmalı doğru akım makinesinde alan ve armatür akımlarının kontrolüne benzer olarak, stator akımlarına akı üreten bileşenlerinin ikili kontrolü ile asenkron makinenin moment kontrolü yapılabilir. Burada sorun asenkron makinede rotor akımlarının doğrudan ölçülememesidir.

Vektör kontrolünün yapılabilmesi için ( stator, rotor veya mıknatıslanma alan yönlendirmeli kontrol) için sırasıyla stator akısı, rotor akısı veya mıknatıslanma için uzay fazörlerinin modülüne ve uzay açısına ihtiyaç vardır. Ayrıca enine ve boyuna eksenin stator akımları kullanan eksen takımına göre hesaplanır. Hesaplanan bu stator akımları serbest uyarmalı doğru akım makinesinin alan ve armatür akımlarına benzer hale gelir (Ateş, 2007).

Asenkron makinelerde yukarda anlatılan stator alanı veya mıknatıslanma alan yönlendirmeli kontroller de mümkün olduğu halde, genellikle rotor alan yönlendirmeli kontrol kullanılır. Rotor alan yönlendirmeli kontrolde, rotor akısı uzay fazörünün modülünü İQ uzay açısını elde etmek için iki ana yöntem kullanılır. Doğrudan Alan yönlendirmeli Kontrol (akı geri beslemeli kontrol) ve Dolaylı (akı ileri beslemeli) Kontrol.

Doğrudan alan yönlendirmeli kontrolde, akımın genlik ve fazına ait büyüklükler Hall algılayıcıları ya da akı algılatıcı bobinleri kullanılarak doğrudan ölçülür veya akı modeli adıyla anılan model yardımı ile hesaplanır. Dolaylı rotor alan yönlendirmeli kontrol (akı ileri beslemeli kontrol) de ise, akımın genlik ve faz bilgileri stator akımları ve rotor hızının izlenmesi yardımıyla elde edilir. Bütün kontrol metotları arasında Dolaylı Vektör Kontrol veya literatürde Dolaylı Rotor Akısı Yönlendirmeli Kontrol olarak bahsedilen kontrol yöntemi uygulanabilmesi acısından en basit ve kolay olanıdır.

Vektör kontrolde, sürücü modül akıyı ve torku üreten akımı ayrı ayrı kontrol ederek, motor torkunu oluşturan akımın kullanımını optimize eder. Aynı zamanda kontrol sistemlerinin de gelişmesiyle yüke olan tepki süresi ve hız korunumu yani kararlılık da gelişmiştir. Aslında artık vektör kontrollü bir hız kontrol sistemi, sadece geleneksel DC motorla sürüş sistemlerinin değil, servo sistemlerin de yerini almaya başlamıştır (Büyükatlı, 2000).

Şekil 4.43. Vektor kontrolde akım bileşenleri

Şekil 4.43’de toplam akım (Is), akı üreten akım vektörü (Id) ve tork üreten akım vektörü (Iq) olarak ayrılır. Buna modern AC invertör sürüşünde iki yolla ulaşılabilir (Büyükatlı, 2000).

4.5.3.1. Kapalı çevrim vektör kontrol

Bu sistemde hız ve konum bilgisinin invertöre sürekli iletilmesi için motor miline bir enkoder bağlanır ve invertöre de enkoder işaretlerini okuyabilen bir hızlı sayıcı kart ilave edilir. Bu sayede kapalı çevrim bir sistem elde edilmiş olur. Matematiksel ifadelerin de yardımıyla kontrollü tork ve akı akım bileşenleri elde edilir. Kapalı çevrim vektör kontrolü ile sıfır hızda maksimum tork elde edildiği gibi ani yük değişimlerine karşı çok kısa bir cevap süresi vardır. Tork kontrollü uygulamalarda kullanılacağı gibi hız kontrol aralığı da diğer kontrol metotlarına göre daha geniştir.

Fakat kurulumu diğer kontrol tekniklerine göre hem daha zor hem de uzmanlık gerektirmektedir. Ayrıca çoklu motor sürümü için uygun olmayıp kontrol sistemleri içinde en maliyetli olanıdır. Kapalı çevrim vektör kontrol AC motor kontrolünde günümüzde en gelişmiş kontrol tekniklerinden biri olup sadece DC motorla sürüşün değil servo sistemler gibi hassas pozisyonlama gerektiren yüksek maliyetli

uygulamalarda da kullanılmaya başlayarak bu uygulamalardaki maliyetleri azaltmaya başlamıştır (Büyükatlı, 2000).

4.5.3.2. Açık çevrim vektör kontrol

Bazı sistemlerde enkoder ve invertöre eklenmesi gereken enkoder sayıcı kartı ekstra bir maliyet gerektirdiğinden açık çevrim vektör kontrol adı verilen sensörsüz bir kontrol sistemi geliştirilmiştir. Bu sistemde basit bir otomatik dönüş (auto-tuning) ile motora dinamik ve statik bir test yapılarak motor parametreleri elde edilir. Bu şekilde kapalı çevrim vektör kontrolüne de yaklaşılmış olur.

Açık çevrim vektör kontrolde 1 Hz’lik çok düşük hızlarda nominal çıkış torkunun %150 si uygulanabilir. Motor yükünde meydana gelebilecek ani değişimlere V/f kontrole göre daha hızlı tepki vererek hız dalgalanmalarını engeller.

Tam kapalı çevrim en iyi hız ve tork performansını sağlar, ancak bir çok uygulamada enkodersiz açık çevrim, maliyeti tam kapalı çevrim vektör kontrolden ve DC sistemden ucuz olduğundan ve performansı da yeterli görüldüğü takdirde tercih edilmektedir (İncekara, 2000).

Çizelge 4.1’de Vektör Kontrol, V/ f kontrol ve DC Kontrol Sürüş Tekniklerinin Karşılaştırılması yapılmaktadır (Ateş, 2007).