Sürücü Teknikleri

 AC Motor Tork - Hız

V/f ve Vektör Kontrolü

Herkese merhaba,

Bugün endüstri'de çok fazla kullanılan " Asenkron Motorların " V/f ve Vektör kontrollü olarak hız ve tork değerlerinin nasıl hesaplandığı hakkında konuşacağız.

Bu konuya değineceğiz çünkü mevcut endüstri'de AC Motorların hız ve tork değerleri sürücüler vasıtasıyla frekans ve vektör olarak kontrol edilmektedir.

İlk olarak asenkron motorların nasıl çalıştığını kısaca hatırlayalım.

3 fazlı asenkron motorlar Stator, Rotor, Gövde, Klemens kutusu ve pervane gibi ekipmanlardan oluşur.

Stator : Motorun duran kısmıdır. Sargılar bu yapı üzerinde bulunur ve bu sargılara gerilim uygulandığında etrafında manyetik alan oluşur.

Rotor : Motorun dönen hareketli kısmıdır. Stator'da oluşan manyetik alan rotor çubuklarını keserek üzerinden bir akım geçmesini sağlar.

Nasıl Çalışır ?

Peki Asenkron motorlarımız rotorun dönel harekete sahip olmasını nasıl sağlar ?

Stator sargılarına uygulanan gerilim bir manyetik alan oluşmasını sağlar ve bu manyetik alan rotor kısa devre çubuklarını keser. Manyetik alana maruz kalan rotor çubuklarında bir akım geçer ve geçen bu akım kendi manyetik alanını oluşturur. 

Şimdi Stator'umuz üzerinde zaten gerilim uygulandığı için bir manyetik alan vardı, Rotor çubuklarında da bir manyetik alan oluştu. İşte bu 2 manyetik alan birbilerine itme ve çekme kuvveti uygulayarak motorun hareketli kısmı olan rotorun dönmesini sağlar.

Rotor ve Stator'da oluşan her iki döner alanında kendine ait bir devir sayısı olur. Rotor'da hareket oluşabilmesi için mutlaka ama mutlaka Rotorun devri ve statorun devri birbirinden farklı olmalıdır. Aksi halde rotor hızı ve stator hızı aynı olursa Stator manyetik alanı rotor çubuklarını kesmeyecek ve dönel hareket oluşmayacaktır. 

Dönel hareket oluşmasını sağlayan bu devir farkına '' kayma '' denir. '' s '' ile gösterilir.

Ns = Stator dönel alan deviri , Nr = Rotor dönel alan deviri, s = kayma, P  = kutup sayısı, Fs = Stator frekansı, Fr = Rotor frekansı, 

s = ( Ns - Nr ) / Ns

Ns = ( 120 . f ) / 2P

Nr = ( 1 - s ) . Ns

Fr = s.Fs

Ws = π.f / P

Wr = (1-s).Ws

Yukarıdaki formüllerden anlaşılacağı gibi rotor devir hızı stator sargılarına uygulanan frekans ve kayma değeri ile ilişkilidir. Şimdi bu bilgilerin AC Motor'lara uygulanan frekans ile hızını nasıl değiştiriyoruz onu öğrenelim.

Grafik 1.

V/f Kontrol ( Skaler Kontrol )

Asenkron motorun V/f kontrolü esasen frekansı değiştirerek motorun hızını değiştirmek ve aynı zamanda frekans başına düşen gerilimi sabit tutmak anlamındadır. Sabit V/f oranı motorun nominal gerilimini nominal frekansa bölünmesiyle elde edilir.

Skaler kontrolde motorun gerilim ve frekans parametrelerinden başka herhangi bir değişiklik yapılmaz. Rotorun hızı ve konum bilgisi kullanılmaz, çıkış torku doğrudan ve dolaylı olarak hesaplanamaz. Skaler kontrol bir geri bildirim sistemi barındırmadığı için '' open loop control '' olarak da bilinir.

Motorun hızını değiştirirken hem hızını hem de gerilimini değiştirmek önemlidir. Sadece gerilimi değiştirmek motorun mekanik aksamına zarar verirken, sadece frekansı değiştirmek ise gereksiz enerji sarfiyatına sebep olur. 

Yukarıda formüllerle de açıkladığımız gibi motora uygulanan frekans değiştiğinde Stator döner manyetik alanın hızı değişir ve bu da motorun sonuç olarak dakidada kaç devir döneceğini etkiler. 

Grafik 1'de görüldüğü gibi uygulanan frekans arttıkça motorun rpm hızı artmakta, tork değeri ise önce artıp devrilme momentine ulaştıktan sonra azalma eğilimi göstermektedir.

V/f Kontrol Dezavantajları ;

- V/f kontrollü sistemlerin dezavantajı ise tork kontrolüne imkan vermemesidir. Bunun sebebi ise V/f kontrollü bir sistemde motora 35 Hz frekans verdiğinizde kayıplardan kaynaklı olarak motor 28 Hz ile dönebilir. Aradaki farkı takip etmenizi sağlayacak bir geri besleme sistemi ise mevcut değildir. Bu da motor çıkış torkunun hiç bir zaman tahmin edilemeyecek bir durumda olmasına sebep olur. 

Sinüs Form

- Ayrıca V/f kontrolde 30 Hz'e kadar düşük frekanslarda çalışılırken motor faz akımlarında sinüs dalgasından uzaklaşma olur. Bu uzaklaşma ise motoro titreşim olarak ulaşır. Düşük hızlarda ise motor faz akımı aşırı akımlara ulaşabilir bu da motorda ısınma ve düşük verimle çalışma sorunlarına sebep olur.

Basit bir skaler kontrol devresinde inverter geri besleme parametresi kullanmadan PWM inverter içeren bir frekans dönüştürücü inverter kullanarak sistemi kontrol edebilmektedir. Inverter çıkış frekansını Wr,ref'e ( Rotor'un referans açısal hızı ) dikkat ederek kontrol edebilmektedir. Bu referans sinyali kontrol edilerek gerekli Vs/f veya Ws sinyali elde edilir. 

Vektör Kontrol 

Vektör kontrolü, frekans convertör'lerine göre daha kontrollü sürüş tekniğidir. Vektör kontrolde PWM sinyallerine, gerilim ve frekansa daha hassas müdahalelerde bulunulur. Gerilim ve frekansın hedeflere kesin olarak ulaşabilmesi için mikroişlemciler ile geribildirim sinyalleri  ( feedback ) kullanılır. Vektör sürücüler 0,5 Hz frekansta bile tam tork üretebilirler. 

Vektör kontrol sistemi kendi içerisinde 2 adet yol bulundurur ;

1 - Sensörlü Vektör Kontrol

2- Sensörsüz Vektör Kontrol

Encoder ; Geri Bildirim Elemanı

Sensörlü kontrolde motor sürücüsü bir geri besleme bilgisi ( enkoder ) alarak hız ve tork değerlerinin sürekli kontrol altında olmasını sağlar ( kapalı çevrim ). Hızı ve torku sabit tutmak için ise V/f değerleri sürekli değiştirilir. 

Sensörsüz Vektör Kontrol'de ise sürücümüz bir geri besleme elemanı olmaksızın akım / tork karakteristiğine göre gerilim ve frekansı ayarlamaktadır.

Bu sebeple sensörsüz vektör kontrolcülerinde mutlaka ama mutlaka Autotune yapılmak zorundadır. Inverter Autotune ( Otomatik Tanıma ) sırasında motorun stator direncini, gücünü, akımını, kutup sayısını ve diğer statik ve dinamik parametreleri ölçüp kaydeder. Bu verilerle motorun yüklü ve yüksüzken çekebileceği akımlar netleşir. 

IGBT modülleri motorun gerek duyacağı elektrik sağlamakla kalmayıp motorun kutuplarında oluşan sinüs darbelere göre devir sayısını bile hesaplayabilir. 

IGBT

IGBT Devre Yapısı

Igbt modülleri girişine uygulanan AC gerilimi önce DC gerilime dönüştürür. DC gerilimi bir filtreden geçirdikten sonra ise PWM sinyallerini kullanarak AC gerilim olarak motora aktarırlar. 

Buradan anlaşılıyor ki bir sürücü ile motoru değişken frekanslarda sürebilmek için AC gerilim önce DC gerilime dönüştürülmek zorundadır. DC gerilim ise IGBT elemanları ile istenilen frekans Darbe Genişlik Sinyalleri üreterek elde eder. 

IGBT Çıkış Sinyali

Vector Kontrolün Avantajları 

- Vector kontrolde motor düşük devirde de yüksek devirde de dönerken aynı tork çıkışını elde edebilir, bu şekilde güç kaybı oluşması önlenir.

- Yüksek kalkış momentleri sayesinde motor kalkış anında titreşim, aşırı ısınma gibi problemler olmaz.

- Devir kaybı yaşanmaması gereken uygulamalarda kullanılması kesinlikle şarttır. V/f kontrole göre daha uzun ömürlüdür.

Herkese iyi çalışmalar...

Kaynaklar ;

• kontrolkalemi.com
• inverter-plc.net
• kynix.com
• AC Motor Kontrol Yöntemlerinin İncelenmes - Ayhan ATASEVER - YTÜ