GÜNEŞ ENERJİSİ İLE BESLENEN SABİT MIKNATISLI SENKRON MOTORUN (SMSM) HIZ DENETİMİ

T.C.

KASTAMONU ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

GÜNEŞ ENERJİSİ İLE BESLENEN SABİT MIKNATISLI

SENKRON MOTORUN (SMSM) HIZ DENETİMİ

Sirajeddin Omran SHAFTARI

Danışman Dr. Öğr. Üyesi Erdal ŞEHİRLİ Jüri Üyesi Dr. Öğr. Üyesi Seçil KARTAY Jüri Üyesi Dr. Öğr. Üyesi Cevat RAHEBI

YÜKSEK LİSANS TEZİ

MALZEME BİLİMİ VE MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI KASTAMONU - 2020

iv

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

GÜNEŞ ENERJİSİ İLE BESLENEN SABİT MIKNATISLI SENKRON MOTORUN (SMSM) HIZ DENETİMİ

Sirajeddin Omran SHAFTARI Kastamonu Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı Danışman: Dr. Öğretim Üyesi Erdal ŞEHİRLİ

Bu tezde, güneş enerjisi ile beslenen sabit mıknatıslı senkron motorun vektör kontrol tabanlı hız denetimi gerçekleştirilmiştir. PMSM çalıştırılabilmesi için eviriciye ihtiyaç duymaktadır. Eviriciye de uygun PWM sinyalleri uygulanarak motorun istenilen hız da çalışması gerçekleşmektedir. Evirici için gerekli olan PWM sinyalleri hem SVM hem de SPWM yöntemleri ile elde edilmiştir ve her iki yöntemin hıza etkisi gösterilmiştir. Ayrıca, PMSM güneş enerjisi ile beslenirken, P&O algoritmasına sahip MPPT yöntemi, SEPIC DC-DC dönüştürücü üzerinden uygulanmıştır. Yapılan çalışmalar Matlab/Simulink benzetimleri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Yapılan benzetimler ile, yük ve referans değişimleri altında PMSM’nin hızı, güneş enerjisi için kullanılan panellerden alınan akım, gerilim, güç ve P&O algoritması çıkışı ölçülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Pmsm, Mppt, P&O, Sepic 2020, 54 sayfa

v

ABSTRACT

MSc. Thesis

SPEED CONTROL OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR (PMSM) FED BY SOLAR ENERGY

Sirajeddin Omran SHAFTARI Kastamonu University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Material Science and Engineering

Supervisor: Assist. Prof. Dr. Erdal ŞEHİRLİ

Abstract in this thesis, speed control of permanent magnet synchronous machine (PMSM) that is fed by PV array on the basis of vector control is realized. To operate PMSM, an inverter is required. With approprate PWM signals applied to the inverter, it is realized to operate the motor with desired speed. Required PWM signals for inverter is obtained by using both SVM and SPWM techniques and their effect on speed is shown. Furthermore, when feding PMSM with PV array, a MPPT method using P&O algorithm is applied by SEPIC DC-DC converter. Studies are carried out by using MAtlab/Simulink simulations. By means of simulations, PMSMS speed under load and reference changes, PV array current, votlage, power and output of P&O algırithm are measured.

Key Words: Pmsm, Mppt, P&O, Sepic 2020, 54 pages

vi

TEŞEKKÜR

Bu tezi hazırlarken desteğini ve bilgilerini hiçbir zaman eksik etmeyen öncelikle danışmanım Dr. Öğretim Üyesi Erda Şehirli’ye, sayın Dr. Öğretim Üyesi Faruk Erken’e teşekkürlerimi sunuyorum. Ayrıca, her zaman sabırla beni destekleyen aileme ve yüksek lisans çalışmalarımı gerçekleştirmeme izin ve destek veren Libya Devletine teşekkür ederim.

Sirajeddin Omran SHAFTARI 2020

vii İÇİNDEKİLER Sayfa TEZ ONAYI... ii TAAHHÜTNAME ... iii ÖZET... iv ABSTRACT ... v TEŞEKKÜR ... vi İÇİNDEKİLER ... vii

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... viii

ŞEKİLLER DİZİNİ ... x TABLOLAR DİZİNİ ... xii 1. GİRİŞ ... 1 1.1. Tezin Amacı ... 2 1.2. Literatür Taraması ... 3 1.3. Bölümlerin Açıklanması ... 4

2. KALICI MIKNATISLI SENKRON MOTOR... 5

2.1. Yapısı ... 5

2.2. Matematiksel Modeli ... 8

2.3. Denetim Yöntemleri ... 10

2.3.1. Alan Uyarmalı Denetim ... 12

3. MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI TAKİBİ ... 18

3.1. Güneş Enerjisi Dizileri ... 18

3.2. MPPT Yapıları... 23

3.2.1. Sabit Gerilim Yöntemi ... 24

3.2.2. Açık Devre Gerilimi Yöntemi ... 24

3.2.3. Kısa Devre Akımı Yöntemi ... 25

3.2.4. Sıcaklık Yöntemi ... 26

3.2.5. P&O Yöntemi ... 27

3.2.6. Artırımlı İletkenlik Yöntemi ... 28

3.3. Kullanılan Dönüştürücüler ... 29 3.3.1. Düşürücü DA-DA Dönüştürücü ... 30 3.3.2. Yükseltici DA-DA Dönüştürücü ... 31 3.3.3. SEPIC DA-DA Dönüştürücü ... 31 4. BENZETİM ÇALIŞMALARI ... 34 4.1. Benzetimler... 34

4.1.1. SPWM Yöntemi Kullanılarak Yapılan Benzetimler ... 36

4.1.2. SVM Yöntemi Kullanılarak Yapılan Benzetimler... 42

4.2. Bulgular ve tartışma ... 48

5. SONUÇLAR ... 49

KAYNAKLAR ... 50

viii

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ

Simgeler

a, b, c a-b-c Koordinat Sistemi

C Kondansatör

D Darbeleme oranı

Dmin Minimum Darbeleme Oranı

d Darbeleme oranı

d-q d-q koordinat sistemi

I Akım

id d Ekseni Akımı

idref d Ekseni Referans Akımı

ids d ekseni stator akımı

ifr d ekseni rotor akımı

IL Bobin akımı

Impp Maksimum güç noktası akımı

Io Giriş akımı

Ip Güneş paneli akımı

iq q ekseni akımı

iqref q ekseni referans akımı

iqs q ekseni stator akımı

k boltzman sabitli k1 sabit L Bobin Ld d ekseni endüktansı Lq q ekseni endüktansı Lm mıknatıslama endüktansı

np paralel panel sayısı

ns seri panel sayısı

P Güç p Türev operatörü q Yük Rd d ekseni direnci RL Yük direnci Rq q ekseni direnci RS Seri direnç RSH Paralel direnç

S Yarı iletken anahtar

T Sıcaklık

Te Elektriksel Moment

Tref Referans Sıcaklık

uvmpp Sıcaklığa bağlı gerilim sabiti

V Gerilim

Vd d ekseni gerilimi

Vdc dc gerilim

ix

Vi Giriş gerilimi

Vin Giriş gerilimi

Vk Kontrol gerilimi

Vmpp Maksimum güç noktası gerilimi

Vo Çıkış gerilimi

Voc Açık devre gerilimi

Vq q ekseni gerilimi

Vqs q ekseni stator gerilimi

Vp Panel gerilimi

Vref Referans gerilim

Vrip Dalgalanma gerilimi

Vs Kaynak gerilimi

Vtaşıyıcı Taşıyıcı gerilim

V1,2,3 a-b-c fazları gerilimi

α-β α-β koordinat sistemi

ωr Rotor hızı

Ɵr Rotor konumu

λds Stator d ekseni akısı

λqs Stator q ekseni akısı

ΔIL Bobin dalgalanma akımı

Kısaltmalar

MPPT Maksimum Güç Noktası Takibi

SMSM Sabit Mıknatıslı Senkron Motor SPWM Sinüzoidal Darbe Genişlik Ayarı SVM Uzay Vektör Ayarı

P&O Değiştir ve Gözlemle Metodu

PI Oransal-İntegral Denetleyici

x

ŞEKİLLER DİZİNİ

Sayfa

Şekil 2.1. SMSM yapısı ... 6

Şekil 2.2. SMSM çeşitleri ... 6

Şekil 2.3. SMSM rotor çeşitleri... 7

Şekil 2.4. SMSM eviricisi ... 8

Şekil 2.5. SMSM stator sargı çeşitleri ... 8

Şekil 2.6. İki fazlı SMSM ... 9

Şekil 2.7. a-b-c, α-β, ve d-q koordinat sistemleri ... 11

Şekil 2.8. SMSM alan uyarmalı hız denetim yöntemi blok diyagramı ... 12

Şekil 2.9. SPWM yöntemi ... 13

Şekil 2.10. SVM yöntemi ... 14

Şekil 2.11. SMSM DTC denetim yöntemi ... 16

Şekil 2.12. SMSM sensörsüz denetim... 17

Şekil 3.1. Güneş hücresi ... 18

Şekil 3.2. Güneş hücresi elektriksel eşdeğer devresi ... 19

Şekil 3. 3. Güneş paneli çeşitleri, sırasıyla, tek kristal, çok kristal, amorf ... 20

Şekil 3.4. Güneş paneli akım-gerilim karakteristiği, faklı ışınım seviyeleri için ... 22

Şekil 3.5. Güneş paneli akım-gerilim karakteristiği, faklı sıcaklık seviyeleri için . 22 Şekil 3.6. Güneş paneli güç-gerilim karakteristiği, faklı ışınım seviyeleri için ... 23

Şekil 3.7. Sabit gerilim algoritması ... 24

Şekil 3.8. Açık devre gerilimi algoritması ... 25

Şekil 3.9. Kısa devre akımı algoritması ... 26

Şekil 3.10. Sıcaklık algoritması ... 27

Şekil 3.11. P&O algoritması ... 28

Şekil 3.12. Artırımlı iletkenlik algoritması ... 29

Şekil 3.13. Düşürücü DA-DA dönüştürücü ... 30

Şekil 3.14. Yükseltici DA-DA dönüştürücü ... 31

Şekil 3.15. SEPIC DA-DA dönüştürücü ... 32

Şekil 3.16. SEPIC DA-DA dönüştürücülü P&O MPPT uygulama devre şeması ... 33

Şekil 4.1. SEPIC MPPT üzerinden P&O algoritması kullanan güneş enerjisi dizisi ile beslenen SMSM’nin hız denetimi devre şeması ... 34

Şekil 4.2. Benzetimler sırasında ışınım seviyesi ve ortam sıcaklığının değişimleri 35 Şekil 4.3. SMSM’nin SPWM kullanılarak yapılan hız benzetim diyagramı ... 36

Şekil 4.4. SMSM hız değişimi, SPWM kullanılarak ... 37

Şekil 4.5. SMSM kararlı durum hatası ve oturma zamanı gösterimi ... 37

Şekil 4.6. SMSM moment değişimi, SPWM kullanılarak ... 38

Şekil 4.7. SMSM stator faz akımı değişimleri, SPWM kullanılarak ... 38

Şekil 4.8. SMSM stator faz akımı değişimleri, yakınlaştırılmış ... 39

Şekil 4. 9. SMSM rotor açısı değişimi, SPWM kullanılarak ... 39

Şekil 4.10. SMSM iq değişimi, SPWM kullanılarak ... 40

Şekil 4.11. SMSM id değişimi, SPWM kullanılarak ... 40

Şekil 4.12. Güneş enerjisi dizisinden çekilen güç, akım ve gerilim dalga şekli ... 41

Şekil 4.13. P&O algoritması ile belirlenen Vk, SPWM kullanılarak ... 41

Şekil 4.14. SMSM’nin SVM kullanılarak hız denetimi benzetim diyagramı ... 42

Şekil 4.15. SMSM hız değişimi, SVM kullanılarak... 43

xi

Şekil 4.17. SMSM moment değişimi, SVM kullanılarak ... 44

Şekil 4.18. SMSM stator faz akımı değişimleri, SVM kullanılarak ... 44

Şekil 4.19. SMSM stator faz akımı değişimleri, yakınlaştırılmış ... 45

Şekil 4.20. SMSM rotor açısı değişimi, SVM kullanılarak ... 45

Şekil 4.21. SMSM iq değişimi, SVM kullanılarak ... 46

Şekil 4.22. SMSM id değişimi, SVM kullanılarak ... 46

Şekil 4.23. Güneş enerjisi dizisinden çekilen güç, akım ve gerilim dalga şeklik ... 47

Şekil 4.24. P&O algoritması ile belirlenen Vk, SVM kullanılarak ... 47

xii

TABLOLAR DİZİNİ

Sayfa Tablo 2. 1.Gerilim vektörlerine göre anahtarlama durumları ... 15 Table 4. 1. Benzetim parametreleri ... 35

1

1. GİRİŞ

Fosil yakıtların tükenmesi, çevreye olumsuz etkileri ve elektrik enerjisi ihtiyacının gün geçtikçe artmasından dolayı, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı artmaktadır. En temel yenilenebilir enerji kaynakları ise güneş enerjisi ve rüzgâr enerjileridir. Ancak güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi, rüzgâr enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesine göre daha kolaydır. Ek olarak, güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi güneş panelleri vasıtası ile gerçekleştirilmektedir. Bu dönüşüm sonucunda da DA elektrik enerjisi elde edilmektedir. Bunula birlikte, maksimum güç noktası takibi (MPPT) yöntemi ile daha verimli şekilde güneş enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. MPPT uygulaması yapılırken bir DA-DA güç elektroniği dönüştürücüsüne ve bir MPPT algoritmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Elde edilen DA enerji, AA enerjiye çevrilerek şebekeye verilebilmekte ya da bağımsız olarak herhangi bir uygulamada kullanılabilmektedir.

Ayrıca, çoğu uygulamada elektrik enerjisinin mekanik enerjiye çevrilmesi istenmektedir. Bu dönüşüm elektrik makinaları ile gerçekleştirilmektedir. Son yıllarda kullanımı yaygınlaşan makinalardan birisi de Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor (SMSM)’dir. SMSM’nin diğer motorlara göre avantajları ise daha yüksek verime, düşük eylemsizliğe, yüksek moment-akım oranına ve yüksek güç yoğunluğuna sahip olmaları ve neredeyse bakıma hiç ihtiyaç duymamalarıdır [1-2]. Bunula birlikte, SMSM çalıştırılabilmesi ve hızının denetlenebilmesi için DA enerjiye ve DA ile beslenen güç anahtarlarına, evirici yapısına ihtiyaç duyulmaktadırlar. Ek olarak, şebekeden bağımsız uygulamalarda özellikle su pompası ve elektrikli araç uygulamalarında, güneş enerjisi ile birlikte SMSM kullanımı oldukça cazip hale gelmektedir.

Bu tezde, güneş enerjisi ile beslenen SMSM’nin hız denetimi gerçekleştirilecektir. Bu denetim gerçekleştirilirken, fotovoltaik diziler ile güneş enerjisi elektrik enerjisine çevrilecek ve P&O MPPT yöntemi de kullanılacaktır. P&O algoritması SEPIC DA-DA dönüştürücü üzerinden gerçekleştirilecektir. Ayrıca, PMSM’nin hız denetimi alan yönlendirmeli denetim ile üç fazlı evirici yapısı üzerinden gerçekleştirilecektir.

2

Bununla birlikte, evirici için gerekli olan PWM sinyalleri hem SPWM hem de SVM yöntemleri ile elde edilecek ve her iki yöntemin hız denetimine etkisi incelenecektir. Şebekeden bağımsız olan özellikle su pompalama sistemleri, elektrikli araç gibi uygulamalarda, endüstriyel ve evsel uygulamalarda oldukça kullanışlı ve verimli olacağı öngörülmektedir.

1.1. Tezin Amacı

Elektrik enerjisine olan ihtiyaç, sanayileşme ve insan refahının arttırmak amacıyla gün geçtikçe artmaktadır. Bununla birlikte fosil yakıtların karbon salınımlarından dolayı çevreye olumsuz etkileri ve azalması nedeniyle yenilenebilir enerji kullanımı gün geçtikçe daha cazip hale gelmektedir. En önemli yenilenebilir enerji kaynağı ise özellikle güneşlenme süresi yüksek olan Libya gibi ülkelerde güneş enerjisidir. Güneş enerjisinin daha verimli şekilde elektrik enerjisine dönüştürmek için MPPT algoritmaları kullanılmaktadır. En bilinen algoritmalar ise P&O ve artırımlı iletkenlik algoritmalarıdır. Ek olarak, bu algoritmalar bir DA-DA dönüştürücü üzerinden uygulanmaktadır. Ayrıca, çoğu endüstriyel uygulamada mekanik enerjiye de ihtiyaç duyulmaktadır. Gereken mekanik enerji elektrik makinalarından kolaylıkla elde edilebilmektedir. Günümüzde gerek verim gerekse güç yoğunluğunun yüksek oluşundan dolayı SMSM’in kullanımı yaygın hale gelmektedir. Bununla birlikte, vektör denetim yöntemlerinden olan alan yönlendirmeli denetim ile SMSM’nin hız denetimi daha etkili şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Bu denetim yöntemi kullanılırken, SMSM eviricisinin ihtiyacı olan anahtarlama sinyalleri genelde SPWM ya da SVM yöntemleri kullanılarak elde edilmektedir.

Bu tezde, güneş dizileri ile elde edilen elektrik enerjisinden maksimum gücü alabilmek için P&O algoritması, bir düşürücü-yükseltici yapısı olan SEPIC DA-DA dönüştürücü üzerinde uygulanarak, SMSM için gerekli olan elektrik enerjisi elde edilecektir. Ayrıca, SMSM eviricisi için gerekli olan anahtarlama sinyalleri SPWM ve SVM yöntemleri ile ayrı ayrı elde edilecektir.

3

Bu tezin amacı ise, SEPIC DA-DA dönüştürücü üzerinden P&O algoritmasını, SMSM için gerekli olan enerjiyi elde edecek şekilde uygulamak ve SPWM ve SVM yöntemlerinin SMSM hız denetimine etkisini incelemektir.

1.2. Literatür Taraması

Son yıllarda, bu konu ile ilgili çeşitli yayınlar yapılmıştır ve yapılmaya da devam edileceği öngörülmektedir. Bu konu ile ilgili literatürde bulunan güncel olan yayınlardan bazıları aşağıda gibi özetlenmiştir;

Şebekeden bağımsız, güneş enerjisi ile beslenen bir SMSM’nin doğrudan moment kontrolü MPPT yöntemi kullanılmaksızın [3] de gerçekleştirilmiştir. [4], MPPT yapısında yükseltici dönüştürücü kullanan ve SMSM’nin hız denetimine etkisi olmayan, vektör yönlendirmeli denetime sahip bir yapı gerçekleştirmiştir. Yarı resonant MPPT dönüştürücüsüne sahip, güneş enerjisi ile beslenen ve soğutma üniteleri için yapılmış olan SMSM’nin denetimi [5] de bulunmaktadır. [6] şebeke etkileşimli, yükseltici dönüştürücü yapısına sahip MPPT yöntemi kullanan bir güneş enerjisi sistemi ile beslenen SMSM’nin alan yönlendirmeli hız denetimi, su pompalama sistemi için yapılmıştır. Batarya depolama sistemini besleyen, yükseltici dönüştürücülü MPPT kullanan ve sensörsüz SMSM hız denetimi gerçekleştiren bir çalışma [7]’de verilmiştir. [8] ise MPPT algoritmasına sahip, SMSM’nin alan yönlendrimeli hız denetimini su pompası uygulamaları için gerçekleştirmektedir. Elektrikli araçlar için güneş ve hidrojen enerjisinden oluşan karışık beslemeli bir SMSM’nin denetimi de [9] yapılmıştır. Ayrıca ek olarak, SEPIC DA-DA dönüştürücü kullanılarak gerçekleştrilen MPPT çalışması [10-11] da yapılmıştır. Artırımlı iletkenlik yönteminin SEPIC dönüştürücü üzerinde gerçekleştirildiği uygulama [12] de bulanık mantık kullanan SEPIC dönüştürücülü MPPT ise [13] de gerçekleştirilmiştir. [14] de SEPIC dönüştürücü kullanılarak güneş enerjisi ile batarya şarj sistemi yapılmıştır. Kısmi gölgeleme uygulaması da SEPIC dönüştürücü üzerinden [15] de gerçekleştirilmiştir. [16] da ise CUK ve SEPIC dönüştürücülerin birleştirilmesi ile oluşturulan yeni bir topoloji MPPT amacıyla kullanılmıştır.

4

1.3. Bölümlerin Açıklanması

Tezin birinci bölümü giriş bölümünden oluşmaktadır, bu bölümde tezin amacı, literatürde yapılan çalışmalar ile ilgili bir gözden geçirme ve bölümlerin tanıtılması kısımları mevcuttur. İkinci bölümde ise SMSM’nin yapısı, matematiksel modeli, hız denetim çeşitleri, SPWM ve SVM yöntemleri açıklanacaktır. Üçüncü bölümde, güneş enerji dizileri, MPPT algoritmalarından olan P&O ve artırımlı iletkenlik algoritmaları, MPPT uygulanırken kullanılan dönüştürücü yapılarından bazıları; düşürücü, yükseltici ve bu tezde kullanılacak olan SEPIC DA-DA dönüştürücü yapıları verilecektir. Dördüncü bölümde ise, hem SPWM hem de SVM yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilen benzetim çalışmaları ve benzetim çalışmalarından elde edilen bulgular incelenecektir. Beşinci bölümde ise, tezden elde edilen sonuçlar ve gelecek çalışmalar anlatılacaktır.

5

2. KALICI MIKNATISLI SENKRON MOTOR

Çoğu uygulamada elektrik enerjisinin mekanik enerjiye çevrilmesi istenmektedir. Bu dönüşüm elektrik makinaları ile gerçekleştirilmektedir. DA ve AA ile çalışan çeşitli elektrik makinaları bulunmaktadır. Bununla birlikte, son yıllarda en çok kullanılan makinalardan birisi de SMSM’dir. SMSM’nin diğer motorlara göre avantajları ise daha yüksek verime, düşük eylemsizliğe, yüksek moment-akım oranına ve yüksek güç yoğunluğuna sahip olmaları ve neredeyse bakıma hiç ihtiyaç duymamalarıdır. Bu avantajları nedeniyle SMSM’in kullanımının ilerleyen yıllarda daha artacağı öngörülmektedir. Bununla birlikte, SMSM çalıştırılabilmesi ve hızının denetlenebilmesi için DA enerji ile beslenen evirici yapısına ihtiyaç duyulmaktadırlar [1-2].

Bu bölümde, SMSM yapısı, matematiksel modeli, SPWM ve SVM anahtarlama sinyali üretme yöntemlerini içeren alan uyarlamalı denetimi, doğrudan moment denetimi ve sensörsüz denetimi açıklanacaktır.

2.1. Yapısı

SMSM diğer elektrik makinelerinde de olduğu gibi temel iki parça olan stator ve rotordan oluşmaktadır. Adından da anlaşılacağı gibi senkron motordur, yani rotor ve stator da oluşan döner manyetik aynı hızdadır. Bunula birlikte, asenkron motor gibi statorunda üç fazlı bir döner manyetik alana oluşmaktadır. Ancak, SMSM’yi senkron ve asenkron motordan ayıran özellik, rotorunda sabit mıknatısların bulunmasıdır. Rotorunda bulunan bu sabit mıknatıslar sabit manyetik alanı oluşturmaktadırlar. Bu sabit manyetik alan sayesinde, SMSM statorundaki döner manyetik alanla senkronize olmaktadır. Şekil 2.1’de SMSM’nin yapısı gösterilmektedir [17-22].

6

Şekil 2. 1. SMSM yapısı [17]

Şekil 2.1 de görüleceği gibi, statorunda sargılar rotorunda ise sabit mıknatıslar bulunmaktadır. SMSM temel olarak iki farklı şekilde üretilmektedir. Birincisi, rotorun içerde olduğu yapı, ikincisi ise de statorun içerde olduğu yapıdır. Şekil 2.2 de bu yapıların prensip şemaları gösterilmektedir. SMSM’nin dış tarafının rotor olması durumu daha çok elektrikli araç gibi uygulamalarda kolaylık sağlamaktadır [17-22].

Şekil 2. 2. SMSM çeşitleri (rotor içerde ve dışarda) [22]

SMSM rotoru temel olarak salient ve non salient olarak ikiye ayrılır. Non salient rotorda Ld ve Lq endüktansları birbirine eşittir. Salient rotorda ise Ld ve Lq

7

endüktansları birbirine eşit değildir. Şekil 2.3 da rotor çeşitleri Ld ve Lq

endüktanslarına ve şekillerine göre gösterilmektedir [17-22].

Şekil 2. 3. SMSM rotor çeşitleri [22]

Ayrıca, Şekil 2.3 de de görüleceği gibi SMSM rotoru, sabit mıknatıslarının konumuna göre, yani mıknatısların yüzeyde ya da içeride olması durumuna göre de sınıflandırılabilir.

SMSM statorunda döner manyetik alanın üretilmesi için, üç fazlı gerilimlerin uygulanması gerekmektedir. Bu nedenle SMSM, üç fazlı bir evirici yapısına ihtiyaç duymaktadır. Şekil 2.4 de SMSM ve evirici bağlantısı gösterilmektedir. Evirici DA kaynaktan beslenmektedir ve SMSM denetim yöntemine ve istenilen hız değerine göre, uygun anahtarlama sinyalleri eviricideki yarı iletken anahtarlara uygulanarak motorun dönmesi sağlanmaktadır.

8 SMSM S1 S2 S3 S4 S5 S6 Vin Şekil 2. 4. SMSM eviricisi [17]

SMSM statoru da sargı çeşidine göre dağıtılmış ve toplu sargı olmak üzere ikiye ayrılır. Şekil 2.5 de stator sargı çeşitleri gösterilmiştir [17-22].

Şekil 2. 5. SMSM stator sargı çeşitleri [22] 2.2. Matematiksel Modeli

Şekil 2.6 da stator sargıları ve rotor sabit mıknatısları ile iki fazlı SMSM görülmektedir. Sargılar birbirinden elektriksel 90° ve rotor sabit mıknatısları, d eksenden Ɵr açısı farkla yerleştirilmişlerdir [17-22].

9

Şekil 2. 6. İki fazlı SMSM [22]

q ekseninin, d ekseninden rotor saat yönünün tersine döndüğü varsayıldığında, önde olduğu düşünülürse, d ve q ekseni stator gerilimleri denklem (2.1-2.2) deki gibi elde edilir.

𝑣𝑣𝑟𝑟

qs = Rqiqs+ 𝑝𝑝𝜆𝜆qs+ 𝜔𝜔r𝜆𝜆𝑟𝑟ds (2.1)

𝑣𝑣𝑟𝑟

ds = Rdids+ 𝑝𝑝𝜆𝜆ds− 𝜔𝜔r𝜆𝜆𝑟𝑟qs (2.2)

Denklem (2.1-2.2) de bulunan, akı bağlarının eşitliği, denklem (2.3-2.4) deki gibidir. 𝜆𝜆𝑟𝑟

qs = Lq𝑖𝑖𝑟𝑟qs (2.3)

𝜆𝜆𝑟𝑟

10

Denklem (2.3-2.4) deki akı bağı ifadeleri, denklem (2.1-2.2) deki stator gerilimi eşitliğinde yerine yazıldığında, denklem (2.5-2.6) elde edilir.

𝑣𝑣𝑟𝑟

qs = RqLq𝑝𝑝𝑖𝑖𝑟𝑟qs+ 𝜔𝜔rLd𝑖𝑖𝑟𝑟ds+ 𝜔𝜔rLm𝑖𝑖fr (2.5)

𝑣𝑣𝑟𝑟

ds = −𝜔𝜔rLq𝑖𝑖𝑟𝑟qs+ 𝑅𝑅dLd𝑝𝑝𝑖𝑖𝑟𝑟ds (2.6)

Elektromanyetik moment ise denklem (2.7) deki eşitlikte verilmiştir.

𝑇𝑇e= 3₂𝑃𝑃₂(𝜆𝜆𝑟𝑟ds𝑖𝑖𝑟𝑟qs− 𝜆𝜆𝑟𝑟qs𝑖𝑖𝑟𝑟ds) (2.7)

Statoru, rotora bağlayan akı bağı λaf=Lmifr ise ve denklem (2.7) de yerine yazılırsa,

denklem (2.8) elde edilir.

𝑇𝑇e= 3₂𝑃𝑃₂(𝜆𝜆af𝑖𝑖𝑟𝑟qs+ (Ld− Lq)𝑖𝑖𝑟𝑟qs𝑖𝑖𝑟𝑟ds) (2.8)

2.3. Denetim Yöntemleri

SMSM’nin özellikle hız denetiminde kullanılan yöntemler bu bölümde açıklanacaktır. En çok bilinen ve kullanılan yöntemler alan uyarmalı denetim ve doğrudan moment denetimidir. Bu tezde alan uyarmalı denetim farklı anahtarlama sinyali üretme yöntemleri ile uygulanmıştır. Bu anahtarlama sinyali üretim yöntemleri SPWM ve SVM dir. Bununla birlikte herhangi bir hız sensörü kullanılmadan SMSM’nin hız denetimini gerçekleştirmek de mümkündür. Bu tip denetimlere, sensörsüz denetim olarak adlandırılmaktadır. Öncelikle, alan uyarmalı denetim ve SPWM, SVM yöntemleri, doğrudan moment denetimi ve en son sensörsüz denetim açıklanacaktır. Gerçekleştirilen denetim ve SPWM, SVM anahtarlama sinyali üretme yöntemlerinde üç fazlı değişkenler, iki fazlı eşdeğerlerine dönüştürülmüştür. Bu dönüşüm koordinat dönüşümü olarak bilinir. Şekil 2.7 de a-b-c, α-β, ve d-q koordinat sistemleri gösterilmektedir [17-23].

11 d a b α β ω q c id iq ia, b,c a,b,c V 1,2,3 V ωt φ ε jωLi_{a, b,c}

Şekil 2. 7. a-b-c, α-β, ve d-q koordinat sistemleri [23]

a-b-c koordinatı üç fazlı büyüklüklerin bulunduğu koordinattır. α-β statik referans koordinatı olarak bilinir. d-q ise α-β statik referans koordinatının ωt açısal hızı ile döndüğü koordinat sistemidir. Bu koordinat sistemleri birbirlerine Park ve Clark formüllerinin uygulanmasıyla dönüştürülür Denklem (2.9 - 2.12) de Park, Clark ve ters Park, Clark denklem sistemleri gösterilmektedir [17-23].

�𝑘𝑘_𝑘𝑘𝛼𝛼 𝛽𝛽� = � 2 3� 1 −1₂ −1₂ 0 �3₂ �3₂� � 𝑘𝑘𝑎𝑎 𝑘𝑘𝑏𝑏 𝑘𝑘𝑐𝑐 � (2.9) �𝑘𝑘_𝑘𝑘𝑑𝑑 𝑞𝑞� = � 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜔𝜔𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑖𝑖𝑠𝑠𝜔𝜔𝑐𝑐 −𝑐𝑐𝑖𝑖𝑠𝑠𝜔𝜔𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜔𝜔𝑐𝑐� �𝑘𝑘𝑘𝑘𝛽𝛽𝛼𝛼� (2.10) �𝑘𝑘_𝑘𝑘𝛼𝛼 𝛽𝛽� = �𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜔𝜔𝑐𝑐 −𝑐𝑐𝑖𝑖𝑠𝑠𝜔𝜔𝑐𝑐𝑐𝑐𝑖𝑖𝑠𝑠𝜔𝜔𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜔𝜔𝑐𝑐 � � 𝑘𝑘𝛼𝛼 𝑘𝑘𝛽𝛽� (2.11)

12 �𝑘𝑘𝑘𝑘𝑎𝑎𝑏𝑏 𝑘𝑘𝑐𝑐 � = � 𝑐𝑐𝑖𝑖𝑠𝑠𝜔𝜔𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑖𝑖𝑠𝑠𝜔𝜔𝑐𝑐 1 sin (𝜔𝜔𝑐𝑐 − 2𝜋𝜋 3� ) cos (𝜔𝜔𝑐𝑐 − 2𝜋𝜋 3� ) 1 sin (𝜔𝜔𝑐𝑐 − 2𝜋𝜋 3� ) cos (𝜔𝜔𝑐𝑐 − 2𝜋𝜋 3� ) 1� � 𝑘𝑘𝑑𝑑 𝑘𝑘𝑞𝑞 𝑘𝑘0 � (2.12)

2.3.1. Alan Uyarmalı Denetim

SMSM’in denetiminde en etkili yöntem alan uyarmalı denetimdir. Bu denetim vektör denetim yapısı içerisinde gösterilmektedir. Çünkü, üç fazlı büyüklükler, iki değişkenli eş değer büyüklüklere ‘park dönüşümü’ kullanılarak dönüştürülmektedir. Şekil 2.8 de SMSM’nin alan uyarmalı hız denetim yönteminin blok diyagramı gösterilmektedir [17-26].

Şekil 2. 8. SMSM alan uyarmalı hız denetim yöntemi blok diyagramı [26] Şekil 2.8 de gösterilen alan uyarmalı denetimde, SMSM hızı bir sensör vasıtasıyla ölçülür. Ölçülen hız, referans hız ile karşılaştırılır ve PI denetleyici ile iqref akımı

üretilir. Bununla birlikte, iqref akımı, iq akımı ile karşılaştırılır ve PI denetleyici

üzerinden vq gerilimi elde edilir. iq akımı ise SMSM faz akımlarının ölçülerek, rotor

açısı (Ɵ) kullanılıp d-q eksen dönüşümü sonucu elde edilir. Benzer şekilde, idref akımı,

d-q dönüşümünden elde edilen id akımı ile karşılaştırılarak PI denetleyici üzerinden vd

gerilimi elde edilir. Daha sonra, vq ve vd gerilimleri rotor açısı (Ɵ) kullanılarak, a-b-c

eksenine ya da α-β eksenine dönüştürülür. Eğer SPWM anahtarlama sinyali üretme tekniği kullanılırsa, a-b-c eksenine dönüşüm yapılır. Eğer SVM anahtarlama sinyali üretme tekniği kullanılırsa α-β eksenine dönüşüm yapılır. SPWM ve SVM yöntemleri ile SMSM eviricisine istenilen hız için anahtarlama sinyalleri üretilir.

13

2.3.1.1. SPWM yöntemi ile PWM üretme

SPWM yönteminde, Şekil 2.8 deki a-b-c, d-q dönüşümü gerçekleştirilip denetimler yapıldıktan sonra. d-q eksen gerilimleri tekrar a-b-c eksenine çevrilir ve sinusoidal gerilimler elde edilir. Bu dönüşümden sonra, elde edilen üç fazlı sinusoidal gerilimler, taşıyıcı üçgen gerilimle karşılaştırılarak, PWM sinyalleri elde edilir. Bu karşılaştırma Şekil 2.9 da gösterilmektedir [17-26]. 0 V1 V2 V3 Vtasıyıcı (a) (b) (c) (d) S1 S2 S3 iletim iletim iletim kesim kesim kesim Şekil 2. 9. SPWM yöntemi [26]

14

Şekil 2.9 de ki karşılaştırmada sonucu her faz için üç adet PWM sinyali görülmektedir. Ancak, SMSM eviricisinde altı adet yarıiletken anahtar bulunmaktadır. Elde edilmiş olan bu üç adet PWM sinyali, Şekil 2.4 deki eviricinin S1, S3, S5 anahtarlarına

uygulanır, bu üç adet PWM sinyalin tersi de sırasıyla S2, S4, S6 anahtarlarına

uygulanarak, istenilen hız değerine göre SMSM’nin çalışması sağlanır [17-26]. 2.3.1.2. SVM yöntemi ile PWM üretme

Bu yöntemde, α-β koordinat sistemi altı adet sektöre ayrılmıştır ve V0, V1, V2, V3, V4,

V5, V6, V7 gerilim vektörleri her bir anahtarlama durumunu ifade etmektedir. Şekil

2.10 da altı sektöre ayrılmış α-β koordinatı, gerilim vektörleri ile birlikte gösterilmektedir. Denklem (2.13-2.14) de, Şekil 2.4 deki evirici çıkış gerilimi bulunabilir. Denklem (2.14) de anahtarlama durumlarına göre denklem düzenlendiğinde, gerilim vektörlerini ifade eden sekiz adet eşitlik elde edilir [17-26]. 𝑉𝑉s(𝑐𝑐) = 𝑉𝑉a(𝑐𝑐)𝑒𝑒𝑗𝑗0+ 𝑉𝑉b(𝑐𝑐)𝑒𝑒𝑗𝑗120+ 𝑉𝑉c(𝑐𝑐)𝑒𝑒𝑗𝑗240 (2.13) 𝑉𝑉s(𝑆𝑆1, 𝑆𝑆3, 𝑆𝑆5) = 𝑉𝑉in(𝑆𝑆1𝑒𝑒𝑗𝑗0 + 𝑆𝑆3𝑒𝑒𝑗𝑗120+ 𝑆𝑆5𝑒𝑒𝑗𝑗240) (2.14) V₁(1,0,0) V₂(1,1,0) V₃(0,1,0) V₄(0,1,1) V₅(0,0,1) V₆(1,0,1) V_ref β α Sektör 1 Sektör 2 Sektör 3 Sektör 4 Sektör 5 Sektör 6 V₀(0,0,0) V₇(1,1,1) Şekil 2. 10. SVM yöntemi [17]

15

Anahtarlama durumunu ifade eden gerilim vektörlerine göre, Şekil 2.4 deki evirici anahtar konumları Tablo 2.1 de verilmiştir.

Tablo 2. 1.Gerilim vektörlerine göre anahtarlama durumları [17]

S1 S3 S5 U1 1 0 0 U2 1 1 0 U3 0 1 0 U4 0 1 1 U5 0 0 1 U6 1 0 1 U7 0 0 0 U8 1 1 1

Tablo 2.1 de, sadece S1, S3, S5 anahtarlarına ait sinyaller verilmiştir. S2, S4, S6

anahtarları da S1, S3, S5 anahtarlarının tersi sinyalleri olarak alınmaktadırlar [17-26].

Şekil 2.10 daki Vref referans gerilim vektörü, her bir sektör için hesaplanmakta ve

karşılık gelen V1, V2, V3, V4, V5, V6 gerilim vektörlerine göre, Tablo 2.1 deki

anahtarlama durumları belirlenmektedir [17-26].

Şekil 2.8 de, SMSM denetimi d-q ekseninde uygulandıktan sonra d-q, α-β dönüşümü gerçekleştirilir. α-β koordinatlarındaki gerilim vektörlerinden, öncelikle Vref ve daha

sonra, karşılık gelen anahtarlama durumları bulunarak, evirici anahtarlarına uygulanır ve istenilen hızda SMSM’nin denetimi gerçekleşir.

2.3.2. Doğrudan Moment Denetimi

Bu denetimde SMSM hız denetimi ile birlikte momenti de denetlenmektedir. Denklem (2.8) deki moment eşitliği kullanılarak moment ifadesi bulunur. Ancak bu eşitlikte

16

stator akısı da bulunmaktadır. Şekil 2.11 de doğrudan moment denetimi blok diyagramı verilmektedir. Şekilden de görüleceği gibi, stator akısı ve momentin tahmin edildiği bir blok içermektedir.

Şekil 2. 11. SMSM DTC denetim yöntemi [24]

Şekil 2.11 deki denetimde, SMSM hızı ölçülür ve referans hız ile karşılaştırılır, daha sonra hata bir PI denetleyiciden geçirilerek referans moment elde edilir. Referans moment, tahmini moment ile karşılaştırılır. Ayrıca, referans akı da tahmini akı ile karşılaştırılır ve hem akı hem de moment histerezis denetleyiciden geçirilir. Daha sonra, başvuru çizelgesinden daha önceden belirlenmiş, anahtarlama durumlarından biri seçilerek evirici anahtarlarına uygulanır. Böylece SMSM hızı ve momenti denetlenmiş olur [24-26].

2.3.3. Sensörsüz Denetim

SMSM hız denetiminde kullanılan hız veya pozisyon sensörü, kullanılan sensörün fiyatının yüksek olması nedeniyle, toplam maliyetin yükselmesine neden olmaktadır. Bu nedenle, SMSM hız denetimi için pozisyon ya da hız sensörsüz denetim uygulamaları cazip hale gelmiştir. Sensörsüz denetimde pozisyon ve hız tahmin edilmektedir, tahminde kullanılan yapıya göre, sensörsüz denetim yöntemleri değişmektedir. Bunlardan bazıları, a) ölçülen stator akım ya da gerilimini kullanan tahmin edici, b) akı tabanlı tahmin ediciler, c) zıt elektromotor kuvvet tabanlı tahmin ediciler, c) model referans uyarlamalı sistem tabanlı tahmin ediciler, d) Luember

17

gözlemleyici tabanlı, e) azaltılmış dereceli gözlemleyici, f) kayıcı kipli gözlemleyicili, g) Kalman filtresi kullanan, h) sinyal ekleme metodu, i) yapay zeka kullanan tahmin ediciler [24-26].

Örnek bir sensörsüz denetim blok diyagramı Şekil 2.12 de verilmektedir. Şekilden görüleceği gibi, SMSM stator akımları ve gerilimleri ölçülür, bu ölçümden SMSM hızı ve konumu tahmin edilir. Daha sonra, tahmin edilen hız ile referans hız karşılaştırılır ve referans q akımı üretilir. Üretilen referans q akımı, q akımı ile karşılaştırılır ve bir denetleyici üzerinden q gerilimi elde edilir. Benzer şekilde, ‘0’ olan referans d akımı, d akımı ile karşılaştırılır ve denetleyici üzerinden d gerilimi üretilir. Sonra, SPWM ya da SVM yöntemleri ile anahtarlama sinyalleri, d-q, a-b-c ya da α-β koordinatlara dönüştürülerek üretilir. d-q ve a-b-c koordinat dönüşümlerinde kullanılan Ɵ değeri, tahmin edilen konum değeridir.

18

3. MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI TAKİBİ

Fosil enerji kaynaklarının azalması ve karbon salınımları nedeniyle çevreye olumsuz etkilerinden dolayı, yenilenebilir enerji kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi en temel yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Rüzgar enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürmek için bir jeneratöre ve jeneratörle birlikte kullanılacak bir dönüştürücüye, mekanik olarak da dişli takımına ihtiyaç duyulmaktadır. Güneş enerjisi ise elektrik enerjisine güneş panelleri vasıtasıyla dönüştürülebilmektedirler. Bununla birlikte, daha verimli bir şekilde güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etmek için maksimum güç takibi yöntemlerinden birinin kullanılması gerekmektedir. Ayrıca, maksimum güç noktası takibi yöntemleri de uygulanırken bir DA-DA dönüştürücü yapısına da ihtiyaç duyulur. Bu bölümde öncelikle, güneş enerjisi dizileri, MPPT yapıları ve kullanılan temel DA-DA dönüştürücü yapıları açıklanacaktır. 3.1. Güneş Enerjisi Dizileri

Güneş enerjisi dizileri, güneş panellerinin, elde edilen gücü yükseltmek için seri ya da paralel bağlanması sonucu elde edilmektedir. Güneş panelleri ise güneş modüllerinin birbirlerine seri ya da paralel bağlanması sonucu elde edilmektedir. Güneş modülleri de güneş hücrelerinden oluşmaktadır. Güneş hücreleri, güneş panellerinin en temel elemanıdır. Güneş hücreleri çoğunlukla silikon malzemeden üretilir. Yapısı diyot yapısına benzerdir, n ve p tipi malzemelerin birleşmesinden oluşmaktadır. Şekil 3.1 de güneş hücresi yapısı gösterilmektedir [27].

n katman p katman

foton

19

Şekil 3.1 de gösterildiği gibi güneş ışınımı, n katmana uygulanmaktadır. Ayrıca hem n hem de p tipi katmana metalik kontaklar bağlanmıştır. n tipi katmana bağlı olan metalik kontaklar şerit şeklindedir. Güneş ışınımdan dolayı oluşan fotonlar hücre üzerine uygulanır. Hücre üzerine düşen fotonlar üç farklı durum oluşturur. Bunlardan birincisi, bazı fotonların hücre yüzeyinden ve metal şeritlerden geri yansıtılmasıdır. İkincisi ise, düşün enerjili fotonların hücreden içerisinden geçmesi ama herhangi bir etki oluşturmamasıdır. Üçüncüsü ise, enerji seviyesi, p-n birleşimi boşluk bant enerjisinden yüksek olan fotonların hücreye uygulanmasıdır. Bu tip fotonlar p-n birleşimine uygulandığında, elektron ve oyuklar p ve n tipi malzemelere doğru hareket ederler ve bir akım oluştururlar. Bu akım da metalik kontaklar üzerinden dışarıya aktarılır.

Şekil 3.2 de ise güneş hücresinin elektriksel eşdeğer devresi verilmiştir. Bu eş değer devreden de görüleceği gibi güneş hücresini bir akım kaynağı, diyot ve dirençler ile göstermek mümkündür [27-33].

I

R

R

V

Şekil 3. 2. Güneş hücresi elektriksel eşdeğer devresi [31]

Güneş hücresi akım-gerilim karakteristiği diyota çok benzerdir ve denklem (3.1) ile ifade edilir.

𝐼𝐼 = IL− Io�𝑒𝑒 q�𝑉𝑉IRS�

AkT − 1� −(𝑉𝑉−IRS)

20

Güneş enerjisi dizileri ya da panelleri birden çok güneş hücresinin seri ya da paralel bağlanmasından elde edilmektedir. Bu nedenle bu etkiyi gösterebilmek için, denklem (3.1), denklem (3.2) olarak değiştirilebilir [27-33].

𝐼𝐼 = npIL− npIo�𝑒𝑒 q�𝑉𝑉IRS�

AkTns − 1� (3.2)

Denklem (3.2) deki np ve ns değişkenleri, seri ve paralel hücre sayısı olarak

tanımlanmaktadır.

Güneş hücrelerinin üretiminde önceleri silikon kullanılırken daha sonraları amorf silikon, III-V. maddeler, bakır indiyum galyum diselenid (CuIGaSe2; CIGS),

kadmiyum tellürid (CdTe) gibi malzemelerde kullanılmıştır. Bu konudaki araştırma geliştirme faaliyetleri yeni tip malzemeler ile yeni tip güneş hücresi üretmeye yöneliktir. Temel amaç, güneş ışınım şiddetinden daha çok elektrik enerjisi üretmek ve bu dönüştürme verimini arttırmaktır. Bununla birlikte piyasada, farklı güneş pili üretim tekniği sonucu, üç tip PV panel çeşidi bulunmaktadır. Bunlar, tek kristalli, çok kristalli ve amorf olarak adlandırılmaktadır. Şekil 3.3 de bu çeşitler gösterilmektedir [27-33].

21

En verimli yapı tek kristalli yapıdır. Bu yapı, saf silikondan elde edilmiş çok ince tek kristalli katmandan üretilir. Buradaki tek kristal yapılı katmanlar aynı özelliğe sahiptir. Bu hücrelerin verimleri %15-18 civarındadır [27-33].

Çok kristalli yapı ise benzer şekilde saf silikon katmanlardan oluşmaktadır. Bununla birlikte, kristal yapı aynı özelliği sahip olmayıp, rast gele elde edilmiştir. Bu durum silikon soğurken, düzenli olmayan farklı yapılarda bir çok kristalin oluşması sonucudur. Bu tip güneş hücrelerinin verimi %11-15 civarıdır [27-33].

Amorf silikon, kristal olmayan bir yapıdır ve farklı alt katmanlar üzerine ince film şeklinde üretilebilir. Üretim aşaması diğer hücrelere göre daha kolay ve basittir. Ancak verimleri %11-15 civarıdır [27-33].

Güneş dizisi ya da basitçe güneş hücre akım- gerilim karakteristiği elde edilirken, kısa devre akımı (Isc) ve açık devre gerilimi (Voc) olmak üzere iki temel parametre vardır.

Her iki değerde de üretilen güç ‘0’ dır. Hücre açık devre ve sonucunda, çıkış akımı ‘0’ iken, uçlarından ölçülen gerilim değeri açık devre gerilimidir. Hücre uçları kısa devre edilmiş ve sonucunda çıkış gerilimi ‘0’ iken ölçülen akım da kısa devre akımıdır. Ayrıca güneş ışınım şiddeti değiştiğinde üretilen enerji de değişmektedir. Şekil 3.4 de,farklı ışınım şiddetlerine ve denklem (3.2)’e göre, örnek bir güneş paneli akım-gerilim grafiği gösterilmiştir [27-33].

22

Şekil 3. 4. Güneş paneli akım-gerilim karakteristiği, faklı ışınım seviyeleri için [29] Ayrıca güneş paneli karakteristiği, denklem (3.2) den de görülebileceği gibi sıcaklık değişimlerinden etkilenmektedir. Farklı sıcaklık değerlerine göre örnek bir akım gerilim karakteristiği Şekil 3.5 de gösterilmiştir.

23

Güneş panelinden maksimum güç, karakteristikteki akım ve gerilim değerinin çarpımının maksimum olduğu noktada elde edilir. Bu nokta, maksimum güç noktası olarak adlandırılır. Şekil 3.4 deki farklı ışınım şiddetlerine göre çizilen panel akım-gerilim karakteristiğine karşılık gelen güç-akım-gerilim karakteristiği Şekil 3.6 de verilmiştir.

Şekil 3. 6. Güneş paneli güç-gerilim karakteristiği, faklı ışınım seviyeleri için [32] Şekil 3.6 da gücün maksimum olduğu noktalar maksimum güç noktası olarak adlandırılır. Maksimum güç noktasına karşılık gelen akım değeri Imp ve maksimum

güç noktasına karşılık gelen gerilim değeri (Vmp) olarak gösterilir.

3.2. MPPT Yapıları

Maksimum güç noktası, farklı ışınım şiddeti ve sıcaklık değerine göre değişmektedir. Bu nedenle güneş dizilerinden ya da panellerinden maksimum güç elde etmek için maksimum güç noktası takip edilmelidir. MPPT uygulamasında farklı algoritmalar mevcuttur ve günümüzde daha verimli algoritmalar üzerinde çalışılmaktadır. Bu algoritmalarda temel olarak, maksimum güç noktası akımı, maksimum güç noktası gerilimi, doğrudan maksimum güç hesabı, ya da sıcaklık etkisi kullanılmaktadır. Bununla birlikte en çok bilinen ve kullanılan algoritmalar P&O ve artırımlı iletkenlik

24

algoritmalarıdır. Bu bölümde, sabit gerilim yöntemi, açık devre gerilimi yöntemi, kısa devre akımı darbe yöntemi, sıcaklık yöntemi, P&O ve artırımlı iletkenlik algoritmaları açıklanacaktır.

3.2.1. Sabit Gerilim Yöntemi

En basit maksimum güç noktası takibi yöntemidir. Şekil 3.7 de sabit gerilim yöntemi algoritması gösterilmektedir. Bu yöntemde, maksimum güç noktası gerilimi, Vref

olarak adlandırılır ve doğrudan, panel karakteristiğinden alınır. Panel gerilim ise sürekli ölçülmektedir. Panel gerilimi, maksimum güç noktası gerilimine eşit ise D değiştirilmez. Eğer, maksimum güç noktası gerilimi, ölçülen gerilimden büyükse D arttırılır, küçükse D azaltılır [27-33].

Şekil 3. 7. Sabit gerilim algoritması [33] 3.2.2. Açık Devre Gerilimi Yöntemi

Açık devre gerilimi yöntemi en basit maksimum güç noktası takibi yöntemidir. Bu yöntemde, panel açık devre gerilimi, maksimum güç noktası gerilimini hesaplamak

25

için kullanılır. Maksimum güç noktasındaki gerilim ile panel açık devre gerilimi arasındaki ilişki Denklem (3.3) de gösterilmektedir.

Vmpp = 𝑘𝑘 Voc (3.3)

Şekil 3.8 de, açık devre gerilimi yöntemi algoritması gösterilmektedir. Bu algoritmaya göre, panel gerilimi ölçülür ve bir k değeri girilir. Denklem (3.3)’e göre, maksimum güç noktası gerilimi hesaplanır.Eğer, panel gerilimi değeri, maksimum güç noktası gerilimi değerine eşitse, önceki D kullanılır, değilse ‘k’ değiştirilir [27-33].

Şekil 3. 8. Açık devre gerilimi algoritması [29] 3.2.3. Kısa Devre Akımı Yöntemi

Kısa devre akımı yöntemi en basit maksimum güç noktası takibi yöntemlerinden biridir. Bu yöntem, sabit akım yöntemi olarak da bilinir. Bu yöntemde, panelin kısa devre akımı, denklem (3.4) de de gösterildiği gibi maksimum güç noktasındaki panel akımını hesaplamak için kullanılır [27-33].

26

Bu denklem de ‘k’ kısa devre akımı ile, maksimum güç noktası akımı arasındaki ilişkiyi gösteren bir değerdir.

Şekil 3.9 da, kısa devre akımı yöntemi algoritması gösterilmektedir. Bu yöntemde, panel akımı ölçülür ve bir k değeri girilir. Denklem (3.4)’e göre, maksimum güç noktası akımı hesaplanır. Eğer, panel akımı değeri, maksimum güç noktası akımı değerine eşitse, önceki D kullanılır, değilse ‘k’ değiştirilir [27-33].

Şekil 3. 9. Kısa devre akımı algoritması [29] 3.2.4. Sıcaklık Yöntemi

Sıcaklık yönteminde, panel sıcaklığı, panele yerleştirilen sıcaklık sensörü ile sürekli ölçülmektedir. Ayrıca, panelin kısa devre akımının sıcaklık değişimi ile sabit ama panelin açık devre geriliminin sıcaklık değişimi ile değiştiği gözlemlenmiştir. Panel geriliminin sıcaklık ile değişiminden de maksimum güç noktasındaki geriliminin bulunması amaçlanmıştır. Denklem (3.5) de sıcaklığa bağlı maksimum güç noktası gerilimi eşitliği verilmektedir [27-33].

Vmpp(𝑇𝑇) = Vmpp(Tref) + Uvmpp(𝑇𝑇 − Tref) (3.5)

Denklem (3.5) de, Uvmpp sıcaklığa bağlı gerilim sabiti, Tref referans gerilimi, Vmpp

27

Şekil 3.10 de ise sıcaklık yöntemi algoritması gösterilmektedir. Bu yöntemde, panel gerilimi ve panel sıcaklığı sürekli ölçülmektedir. Daha sonra, sıcaklık değişimine bağlı, maksimum güç noktası gerilimi hesaplanır ve bu gerilim değeri, D değişiminin hesaplanmasında kullanılır. D değişimi de D nin hesaplanmasında kullanılır. Eğer D, Dmin değerinden büyükse D, Dmin değerine eşit olarak alınır. D, Dmin değerinden

küçükse, hesaplanan D değeri kullanılır [27-33].

Şekil 3. 10. Sıcaklık algoritması [29] 3.2.5. P&O Yöntemi

En çok bilinen ve kullanılan MPPT yöntemi P&O algoritmasıdır. Bu algoritma Şekil 3.11 de gösterilmiştir.

28

Şekil 3. 11. P&O algoritması [33]

P&O algoritmasında, öncelikle güneş paneli ya da dizisinin çıkış gerilimi ve akımı ölçülür. Bu ölçümden güneş dizisi gücü hesaplanır. Daha sonra bulunan gücün ve ölçülen gerilimin türevleri bulunur. Eğer, güneş dizisi gücünün türevi ‘0’ ise darbeleme oranı değiştirilmez. Eğer, güneş dizisi gücünün türevi ‘0’ dan küçük ise ve gerilimin türevi ‘0’ dan büyük ise D arttırılır, gerilimin türevi ‘0’ dan küçük ise D azaltılır. Eğer, güneş dizisi gücünün türevi ‘0’ dan büyük ise ve gerilimin türevi ‘0’ dan büyük ise D azaltılır, gerilimin türevi ‘0’ dan küçük ise D arttırılır [27-33]. 3.2.6. Artırımlı İletkenlik Yöntemi

Artırımlı iletkenlik yönteminde, maksimum güç noktası, iletkenlik ile iletkenliğin değişiminin toplamının ‘0’ a eşit olduğu durumda gerçekleştiği prensibine göre gerçekleştirilen bir yöntemdir. Denklem (3.6) da bu eşitlik gösterilmektedir [27-33].

29

𝑑𝑑Ip

𝑑𝑑Vp+

Ip

Vp = 0 (3.6)

Artırımlı iletkenlik algoritması da Şekil 3.12 de gösterilmektedir. Algoritmadan anlaşılacağı gibi, öncelikle, güneş panelinin akım ve gerilimi ölçülür, akım ve gerilim değişimleri hesaplanır. Gerilim değişimi ‘0’ a eşitse, akım değişiminin durumuna bakılır. Akım değişimi de ‘0’ ise, kontrol gerilimi ya da D değiştirilmez. Eğer akım değişimi ‘0’ dan büyükse, D arttırılır, değilse D azaltılır.

Şekil 3. 12. Artırımlı iletkenlik algoritması [33]

Benzer şekilde, gerilim değişimi ‘0’ a eşit değilse, iletkenlik ve iletkenliğin değişimi ‘0’ a eşitse, D değiştirilmez. İletkenlik ve iletkenliğin değişimi ‘0’ dan büyükse, D azaltılır, ‘0’ dan küçükse, D arttırılır [27-33].

3.3. Kullanılan Dönüştürücüler

MPPT yöntemi uygulanırken bir DA-DA dönüştürücü yapısına ihtiyaç duyulmaktadır. MPPT uygulamalarında en çok kullanılan DA-DA dönüştürücü yapısı ise yükseltici

30

DA-DA dönüştürücü yapısıdır. Buna karşın, bölümde, en temel dönüştürücü yapıları olan düşürücü ve yükseltici DA-DA yapıları açıklanacaktır. Ayrıca, bu tezde benzetimi yapılan ve düşürücü-yükseltici özelliğinde olan SEPIC DA-DA dönüştürücü yapısı da açıklanacaktır.

3.3.1. Düşürücü DA-DA Dönüştürücü

Düşücü DA-DA dönüştürücü yapısı Şekil 3.13 de gösterilmektedir. Şekilden görüleceği gibi düşürücü DA-DA dönüştürücü bir adet bobin, kondansatör, diyot, yarı iletken anahtardan oluşmaktadır.

C2 L Vin RL S D Şekil 3. 13. Düşürücü DA-DA dönüştürücü [34]

Bütün DA-DA dönüştürücü yapıları bobinin enerji aktarım prensibine göre çalışırlar. Anahtar iletimde iki bobin enerji depo etmekte ve anahtar kesime gittiğinde bobin depoladığı enerjisi yüke ya da kaynağa aktarmaktadır. Düşürücü DA-DA dönüştürücüde çıkış gerilimi, giriş geriliminden daha düşük olmaktadır. Darbeleme oranı eşitliği, bobin ve kondansatör değerinin tasarım eşitlikleri denklem (3.7-3.9) ile verilmiştir [34-35]. D = Vi Vo (3.7) L = D(Vi−Vo) 2fswIo (3.8) C2 > _VV_ripo(1−D)_{8𝐿𝐿𝑓𝑓𝑠𝑠𝑠𝑠}2 (3.9)

31

3.3.2. Yükseltici DA-DA Dönüştürücü

Yükseltici DA-DA dönüştürücü yapısı Şekil 3.14 de gösterilmektedir. Şekilden görüleceği gibi yükseltici DA-DA dönüştürücüde bir adet bobin, kondansatör, diyot, yarı iletken anahtardan oluşmaktadır.

D

C

S

L

Vin RL

Şekil 3. 14. Yükseltici DA-DA dönüştürücü [35]

Düşürücü DA-DA dönüştürücü ye göre, bobin ve yarı iletken anahtarın yerleri değiştirilmiştir. Anahtar iletimde ikin bobin enerji depo etmekte anahtar kesime gittiğinde ise diyot iletime geçmektedir ve bobinde depo edilen enerji yüke ve kondansatörü aktarılmaktadır. Yükseltici DA-DA dönüştürücüde çıkış gerilimi, giriş geriliminden daha yüksek olmaktadır. Darbeleme oranı eşitliği, bobin ve kondansatör değerinin tasarım eşitlikleri denklem (3.10-3.12) ile verilmiştir [34-35].

D = 1 − Vi Vo (3.10) L = D(1−𝐷𝐷)2RL 2fsw (3.11) C > VoD VripRLfsw (3.12) 3.3.3. SEPIC DA-DA Dönüştürücü

SEPIC DA-DA dönüştürücü yapısı Şekil 3.15 de gösterilmektedir. Şekilden görüleceği gibi SEPIC DA-DA dönüştürücüde iki adet bobin, iki adet kondansatör ve birer adet diyot, yarı iletken anahtardan oluşmaktadır.

32 D C1 C2 S L1 L2 Vin RL

Şekil 3. 15. SEPIC DA-DA dönüştürücü [36]

Anahtar iletimde iki L1 enerji depo etmektedir, C1 kondansatörü ise anahtar üzerinden

enerjisini L2 bobinine aktarmaktadır. Anahtar kesime gittiğinde, L1 ve L2 bobinleri

enerjisini diyot üzerinden C2 kondansatörüne ve yüke aktarmaktadır. Aynı zamanda,

C1 kondansatörü de şarj olmaktadır. SEPIC DA-DA dönüştürücüde çıkış gerilimi, giriş

geriliminden daha düşük ya da daha yüksek olmaktadır. Bununla birlikte L1 ve L2

bobinleri aynı nüve üzerine sarılabilirler. Darbeleme oranı eşitliği, kullanılacak bobin ve kondansatör değerleri denklem (3.13-3.16) ile verilmiştir [36-37].

L1m = L2m = D_2ΔIVi Lfsw (3.13) C1 >_ΔVIoD c1fsw (3.14) C2 > _VripIoD_fsw (3.15) D = Vo Vi+Vo (3.16)

Şekil 3.16 da, güneş enerjisi çıkışına bağlanmış olan SEPIC DA-DA dönüştürücülü P&O MPPT algoritması uygulama devresi gösterilmektedir.

33

Şekil 3. 16. SEPIC DA-DA dönüştürücülü P&O MPPT uygulama devre şeması [37] Şekil 3.16 dan görüldüğü gibi güneş paneli çıkış gerilimi ve akımı ölçülür. Bu ölçüm üzerinden P&O algoritması uygulanır. Algoritmaya göre maksimum güç elde edilecek şekilde, PWM sinyalinin darbeleme oranı D ayarlanır ve bu sinyal SEPIC DA-DA dönüştürücünün yarı iletken anahtarına uygulanır.

34

4. BENZETİM ÇALIŞMALARI

Tezde çalışmasında, SEPIC MPPT kullanan SMSM’nin hız denetimi, hem SPWM hem de SVM yöntemleri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çalışmalar, Matlab/Simulink yazılımı kullanarak gerçekleştirilen benzetimlerden oluşmaktadır. Bu bölümde, sırasıyla yapılan benzetim çalışmaları açıklanmış ve elde edilen sonuçlar bulgular bölümünde detaylı olarak incelenmiştir.

4.1. Benzetimler

Tez çalışması, Matlab/Simulink yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen benzetimlerden oluşmaktadır. Şekil 4.1 de benzetimleri yapılacak sistemin devre şeması verilmektedir.

Şekil 4. 1. SEPIC MPPT üzerinden P&O algoritması kullanan güneş enerjisi dizisi ile beslenen SMSM’nin hız denetimi devre şeması

Şekil 4.1 de görüleceği gibi SMSM’nin alan uyarlamalı hız denetimi PI denetleyicilerle gerçekleştirilmektedir. Bunula birlikte evirici için gerekli olan anahtarlama sinyalleri SPWM ya da SVM yöntemi ile üretilmektedir. Ek olarak, güneş panellerin çıkışı SEPIC DA-DA dönüştürücü üzerinden SMSM evirici girişine bağlanmıştır. Ayrıca, P&O MPPT yöntemi kullanılarak SEPIC DA-DA dönüştürücü anahtarlama sinyali üretilmiştir.

Benzetimler yapılırken ışınım seviyesi ve panellerin ortam sıcaklığı değerleri değiştirilmiştir. Bu değişim Şekil 4.2 de gösterilmektedir. Işınım seviyesi öncelikle

35

1000 W/m2 _{iken, 0.6s – 1.2s aralığında 250 W/m}2 _{kadar azalmaktadır. Daha sonra}

1.3s-1.7s aralığında ise tekrar 1000 W/m2 _{ye yükselmiştir. Benzer şekilde, ortam}

sıcaklığı da, 50℃ iken, 0.6s – 1.2s aralığında 20℃ ye kadar azalmış ve daha sonra 1.3s-1.7s aralığında ise tekrar 50℃ ye kadar yükselmiştir

Şekil 4. 2. Benzetimler sırasında ışınım seviyesi ve ortam sıcaklığının değişimleri Benzetimlerde kullanılan her bir elemanın değeri ise, Tablo 4.1 de bulunan benzetim parametrelerinde verilmiştir.

Table 4. 1. Benzetim parametreleri

Güneş Enerjisi Dizi Sayısı SEPIC DA-DA Dönüştürücü

Seri Paralel L1(H) L2(H) Cin(F)

1 2 5e-3 5e-3 100e-6

Güç (maksimum) Gerilim (Voc) C1(F) C2(F) fsw(kHz) 915 W 64.2 V 50e-6 12000e-6 120 SMSM Güç (kW) fsw(kHz) Hız PI q ekseni PI d ekseni PI 1 5 Kp Ki Kp Ki Kp Ki 5 1 6 1 6 1

Öncelikle SPWM yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen benzetim çalışmaları daha sonra da SVM yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen benzetim çalışmaları açıklanacaktır.

36

4.1.1. SPWM Yöntemi Kullanılarak Yapılan Benzetimler

SPWM yöntemi kullanılarak yapılan SMSM hız denetimi benzetim diyagramı Şekil 4.3 de gösterilmektedir.

Şekil 4. 3. SMSM’nin SPWM kullanılarak yapılan hız denetimi benzetim diyagramı Şekil 4.3 deki benzetim diyagramı ve Şekil 4.1 deki hız denetimi devre şemasından; ölçülen üç fazlı motor akımları, rotor açısı (Ɵ) kullanılarak d-q eksene dönüştürülür. Motor hızı ve referans hızın karşılaştırılması sonucu elde edilen hatadan, PI denetleyici vasıtasıyla q ekseni referans akımı (iqref) elde edilir. Daha sonra, d-q dönüşüm sonucun

da elde edilen q ekseni akımı (iq) ile (iqref) akımları karşılaştırılır. Benzer şekilde, d-q

dönüşüm sonucun da elde edilen d ekseni akımı (id) ve ‘0’ olarak alınan d ekseni

referans akımı (idref) karşılaştırılır. Bu karşılaştırılmalar sonucunda PI denetleyiciler

kullanılarak d ve q ekseni akımları düzenlenerek, d-q ekseninden a-b-c eksenine dönüşüm, rotor açısı (Ɵ) kullanılarak gerçekleştirilir. Elde edilen sinüsoidal a-b-c büyüklükleri, üçgen taşıyıcı sinyalle karşılaştırılarak, SMSM eviricisi için gerekli olan anahtarlama sinyalleri üretilir.

Şekil 4.4 de, hem referans hem de yük değişimi altında SMSM hızı gösterilmektedir. Hız referansı 100 rad/s iken, 1.5s de referans 200 rad/s ye değiştirilmiştir. Ayrıca, yük 4.5 Nm den, 0.7.s de 9 Nm ye çıkarılmıştır. Yapılan referans hız ve yük değişimleri altında, SMSM hızı istenilen değeri sağlamaktadır.

37

Şekil 4. 4. SMSM hız değişimi, SPWM kullanılarak

Şekil 4.5 de ise, Şekil 4.4 de belirtilen referans hız ve yük değişimi altında elde edilen hız, yakınlaştırılmış şekilde gösterilmektedir. Kararlı durum hatası -0.3 rad/s olarak ve oturma zamanı ise 0.072s olarak ölçülmüştür.

Şekil 4. 5. SMSM kararlı durum hatası ve oturma zamanı gösterimi, SPWM kullanılarak

Şekil 4.6 da ise, SMSM mekanik moment değişimi gösterilmektedir. Moment 0.7.s de 4.5 Nm den 9Nm ye çıkarılmıştır.

38

Şekil 4. 6. SMSM moment değişimi, SPWM kullanılarak

Şekil 4.7 de ise, SMSM’nin stator faz akımları değişimi gösterilmektedir. Moment vereferans hız değişimlerinde faz akımlarının beklenildiği gibi değiştiği görülmektedir.

Şekil 4. 7. SMSM stator faz akımı değişimleri, SPWM kullanılarak

Şekil 4.8 de, SMSM’nin stator faz akımları değişimini yakınlaştırılmış şekilde gösterilmektedir.

39

Şekil 4. 8. SMSM stator faz akımı değişimleri, yakınlaştırılmış, SPWM kullanılarak SMSM rotor açısı değişimi, Şekil 4.9 da gösterilmektedir. 1.5s de hız değiştiği içini karşılık gelen rotor açısı da değişmektedir.

Şekil 4. 9. SMSM rotor açısı değişimi, SPWM kullanılarak SMSM q ekseni akımı (iq) değişimi, Şekil 4.10 da gösterilmektedir.

40

Şekil 4. 10. SMSM iq değişimi, SPWM kullanılarak

Şekil 4.11 de SMSM d ekseni akımı (id) değişimi gösterilmektedir. Referans akım ‘0’

olduğu için, id akımı ortaması ‘0’ dır.

Şekil 4. 11. SMSM id değişimi, SPWM kullanılarak

Şekil 4.12, güneş enerjisi dizisinden çekilen güç, akım ve gerilim dalga şekilleri ortam sıcaklığı ve ışınım şiddeti değişimleri altında gösterilmektedir.

41

Şekil 4. 12. Güneş enerjisi dizisinden çekilen güç, akım ve gerilim dalga şekli, SPWM kullanılarak

Şekil 4.13 de ise P&O algoritması ile denetlenen denetim gerilimi (Vk)

gösterilmektedir. Vk gerilimi, SEPIC DA-DA dönüştürücü anahtarının darbeleme

oranı (D) yi denetlemek için kullanılmaktadır. Başlangıç değeri 0.5 V ve maksimum değeri 0.7 V dur.

42

4.1.2. SVM Yöntemi Kullanılarak Yapılan Benzetimler

SVM yöntemi kullanılarak yapılan SMSM hız denetimi benzetim diyagramı Şekil 4.14 de gösterilmektedir.

Şekil 4. 14. SMSM’nin SVM kullanılarak yapılan hız denetimi benzetim diyagramı Şekil 4.14 deki benzetim diyagramı ve Şekil 4.1 deki hız denetimi devre şemasından; ölçülen üç fazlı motor akımları, rotor açısı (Ɵ) kullanılarak d-q eksene dönüştürülür. Motor hızı ve referans hızın karşılaştırılması sonucu elde edilen hatadan, PI denetleyici vasıtasıyla q ekseni referans akımı (iqref) elde edilir. Daha sonra, d-q dönüşüm sonucun

da elde edilen q ekseni akımı (iq) ile (iqref) akımları karşılaştırılır. Benzer şekilde, d-q

dönüşüm sonucun da elde edilen d ekseni akımı (id) ve ‘0’ olarak alınan d ekseni

referans akımı (idref) karşılaştırılır. Bu karşılaştırılmalar sonucunda PI denetleyiciler

kullanılarak d ve q ekseni akımları düzenlenerek, d-q ekseninden a-b-c eksenine dönüşüm, rotor açısı (Ɵ) kullanılarak gerçekleştirilir. Elde edilen sinusoidal a-b-c büyüklükleri, üçgen taşıyıcı sinyalle karşılaştırılarak, SMSM eviricisi için gerekli olan anahtarlama sinyalleri üretilir.

Şekil 4.15 de, hem referans hem de yük değişimi altında SMSM hızı gösterilmektedir. Hız referansı 100 rad/s iken, 1.5s de referans 200 rad/s ye değiştirilmiştir. Ayrıca, yük 4.5 Nm den, 0.7.s de 9 Nm ye çıkarılmıştır. Yapılan referans hız ve yük değişimleri altında, SMSM hızı istenilen değeri sağlamaktadır.

43

Şekil 4. 15. SMSM hız değişimi, SVM kullanılarak

Şekil 4.16 de ise, Şekil 4.15 de belirtilen referans hız ve yük değişimi altında elde edilen hız, yakınlaştırılmış şekilde gösterilmektedir. Kararlı durum hatası ±1 rad/s olarak ve oturma zamanı ise 0.13s olarak ölçülmüştür.

Şekil 4. 16. SMSM kararlı durum hatası ve oturma zamanı, SVM kullanılarak Şekil 4.17 da ise, SMSM mekanik moment değişimi gösterilmektedir. Moment 0.7.s de 4.5 Nm den 9 Nm ye çıkarılmıştır.

44

Şekil 4. 17. SMSM moment değişimi, SVM kullanılarak

Şekil 4.18 de ise, SMSM’nin stator faz akımları değişimi gösterilmektedir. Moment ve referans hız değişimlerinde faz akımlarının beklenildiği gibi değiştiği görülmektedir.

Şekil 4. 18. SMSM stator faz akımı değişimleri, SVM kullanılarak

Şekil 4.19 de, SMSM’nin stator faz akımları değişimini yakınlaştırılmış şekilde gösterilmektedir.

45

Şekil 4. 19. SMSM stator faz akımı değişimleri, yakınlaştırılmış, SVM kullanılarak SMSM rotor açısı değişimi, Şekil 4.20 da gösterilmektedir. 1.5s de hız değiştiği içini karşılık gelen rotor açısı da değişmektedir.

Şekil 4. 20. SMSM rotor açısı değişimi, SVM kullanılarak SMSM q ekseni akımı (iq) değişimi, Şekil 4.21 da gösterilmektedir.

46

Şekil 4. 21. SMSM iq değişimi, SVM kullanılarak

Şekil 4.22 de SMSM d ekseni akımı (id) değişimi gösterilmektedir. Referans akım ‘0’

olduğu için, id akımı ortaması ‘0’ dır.

Şekil 4. 22. SMSM id değişimi, SVM kullanılarak

Şekil 4.23, güneş enerjisi dizisinden çekilen güç, akım ve gerilim dalga şekilleri ortam sıcaklığı ve ışınım şiddeti değişimleri altında gösterilmektedir.

47

Şekil 4. 23. Güneş enerjisi dizisinden çekilen güç, akım ve gerilim dalga şekli, SVM kullanılarak

Şekil 4.24 de ise P&O algoritması ile denetlenen denetim gerilimi (Vk)

gösterilmektedir. Vk gerilimi, SEPIC DA-DA dönüştürücü anahtarının darbeleme

oranı (D) yi denetlemek için kullanılmaktadır. Başlangıç değeri 0.5 V ve maksimum değeri 0.7 V dur.

Şekil 4. 24. P&O algoritması ile belirlenen Vk, SVM kullanılarak

Şekil 4.25 de, hem SPWM hem de SVM kullanılarak, referans hız ve moment değişimi altında SMSM hızı gösterilmiştir. Öncelikle referans hız 50 rad/s, daha sonra -75 rad/s

48

ve daha sonra da 100 rad/s olarak belirlenmiştir. Motor momenti ise 0.7. s de, 4.5 Nm den 9 Nm ye çıkarılmıştır.

Şekil 4. 25. SMSM hızı, hem SPWM hem de SVM kullanılarak Şekil 4.25 deki -75 rad/s, motorun ters yönde döndüğünü göstermektedir. 4.2. Bulgular ve tartışma

Bu tezde, güneş enerjisi dizileriyle beslenen SMSM’nin alan yönlendirmeli hız denetimi hem SPWM hem de SVM anahtarlama sinyali üretim yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, P&O MPPT algoritması, SEPIC DA-DA dönüştürücü üzerinden uygulanmıştır.

Yapılan benzetim çalışmaları sonucunda, SPWM kullanıldığında SMSM hızı kararlı durum hatası -0.3 rad/s olarak ve oturma zamanı ise 0.072s olarak ölçülmüştür. Diğer yandan, SVM kullanıldığında ise, SMSM hızı kararlı durum hatası ±1 rad/s olarak ve oturma zamanı ise 0.13s olarak ölçülmüştür. Stator faz akımları ve iq akımı SPWM

yönteminde SVM yöntemine göre daha pürüzsüz, gürültüsüz olarak elde edilmiştir. Bunula birlikte, P&O algoritması ile ayarlanan SEPIC DA-DA dönüştürücü darbeleme oranı ve güneş dizilerinden çekilen güç, akım ve gerilim her iki yöntemde de benzer sonuçlar vermiştir.

49

5. SONUÇLAR

Bu tezde, güneş enerjisi dizileriyle beslenen SMSM’nin alan yönlendirmeli hız denetimi hem SPWM hem de SVM anahtarlama sinyali üretim yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, P&O MPPT algoritması, SEPIC DA-DA dönüştürücü üzerinden uygulanmıştır ve SMSM’ye gerekli olan enerji MPPT ile sağlanmıştır. Ayrıca, benzetimler sırasında, güneş ışınım şiddeti ve ortam sıcaklığı değiştirilmiştir.

Yapılan benzetimler sonucunda, SPWM anahtarlama sinyali üretim yöntemi ile SVM anahtarlama üretim yöntemi ile birbirine yakın cevaplar vermektedir. Ancak, SPWM yönteminden daha iyi sonuçlar alınmıştır.

Ayrıca, benzetimler sonucunda, P&O MPPT algoritmasının SEPIC DA-DA dönüştürücünün darbeleme oranını hem SPWM hem de SVM yöntemlerinde istenildiği gibi ayarladığı da gösterilmiştir.

İleriki çalışmalarda, yapılan benzetimlerin deneysel uygulamalarının, özellikle su pompalama sistemleri ya da elektrikli araçlar gibi özel uygulamalarda gerçekleştirilmesi amaçlanmaktadır.

50

KAYNAKLAR

[1] Bramerdorfer, G., Cavagnino, A. & Vaschetto, S. (2017) Cost-optimal machine designs fulfilling efficiency requirements: a comparison of IMs and PMSMs, IEEE International Electric Machines and Drives Conference, 1-7.

[2] Dubey, M., Sharma, S. & Saxena, R. (2016). Single Stage PV System based Direct Torque Controlled PMSM Drive for Pump Load Application, International

Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems, 1-7.

[3] Dubey, M., Sharma, S. & Saxena, R. (2014). Solar PV Stand-Alone Water Pumping System Employing PMSM Drive, IEEE Students Conference on

Electrical and Compture Science, 1-7.

[4] Dubey, M., Sharma, K. & Saxena, R. (2018). Solar Power Based PMSM Drive Employed in Refrigeration Plants for Isolated Areas, IEEE Transactions

on Industry Applications, 54(6), 6299-6308.

[5] Singh, B. & Murshid, S. (2018). A Grid-Interactive Permanent-Magnet Synchronous Motor-Driven Solar Water-Pumping System, IEEE

Transactions on Industry Applicaitons, 54(5), 5549-5561.

[6] Murshid, S. & Singh, B. (2018). A PV Array Fed BESS Supported Speed Sensor-less PMSM Driven Water Pumping System, IEEE Transportation

Elecrification Conference and Expo, 1-7.

[7] Antonello, R., Carraro, M., Tinazzi, F. & Zigliotto, M. (2017). Energy-Efficient Autonomous Solar Water-Pumping System for Permanent-Magnet Synchronous Motors. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 64(1), 43-51.

[8] Malla, S. G. & Dadi, J. (2017). Solar-Hydrogen Energy based Hybrid Electric Vehicle, International Conference on Energy, Communication, Data

Analytics and Soft Computing, 1-7, Chennai.

[9] Veerachary, M. (2005). Power Tracking for Nonlinear PV Sources with Coupled Inductor SEPIC Converter. IEEE Transactions on Aerospace and

Electronic Systems. 41(3), 1019-1029.

[10] Kokare, A., Patil, S. & Baccav, L. (2017). Implementation of a Highly Efficient MPPT Technique for a PV System Using SEPIC Converter. International

Conference on Information, Communication, Instrumentation and Control,

1-5, Indore.

[11] Sangeetha, S. & Joseph, J. (2016). Design and Implementation of SEPIC Converter Based PV System Using Modified Incremental Conductance