by_power
Üye
- Katılım
- 7 Eki 2009
- Mesajlar
- 248
- Puanları
- 1
Frekans Dönüştürücü (Inverter) Nasıl Çalışır?
Bu bölümde, temel dönüştürücülerin döngüsel alandaki Elektronik jenerasyonun nasıl çalıştığını açıklayacağız.
Dönüştürücülerin temel prensipleri ve yapısı
Şekil 11 bir dönüştürücünün yapısını göstermektedir. Tüm frekans dönüştürücüler şu temel prensiple çalışırlar: 50 Hz doğru akıma çevrilen alternatif voltaj akım kaynak dönüştürücüsünden (SRI) iç devrelerden direk voltaj orta devresinin içine beslenir ve enerji kapasitörde depolanır. Dış devre dönüştürücüsünün içindeki akım dönüştürücü makine (SR2) orta-devreyi direk voltaja çevirir. UZ yeni alternatif voltaj sisteminin içerisindeki elektronik devreleri (kapakları) kullanarak, çeşitli f frekansı ve U voltajı elde eder; bu nedenle alternatif akım motoru çeşitli hızlarda çalışmaya müsaittir. Akım dönüştürücü 1 burada redresör (dalga akımını doğru akıma çeviren motor) gibi çalışır, akım dönüştürücü 1 bir dönüştürücüdür.
Her ne kadar kontrol elektronik elemanları genelde analog olsalar da, dijital teknoloji günümüzde mikroişlemciler ve LSI devrelerde kullanılmaktadır. Bütün bunlar, dönüştürücü çıkış noktasında frekans-orantılı voltaj regülasyonunu sağlar, kontrol etme ve sistem görüntüleme görevini yerine getirir ve operasyonel verileri görüntüler, böylece dönüştürücü ve motor optimal değerlerde aşırı yüklenmeye maruz kalmadan çalışır.
Dönüştürücünün blok diyagramda görüldüğü gibi, Şekil 11 gösterir ki, dört temel blok tüm orta-devre dönüştürücülerde ön plana çıkmaktadır:
1. Üç etkili (power) Elektrik blokları:
• akım kaynağı dönüştürücü ile (SR1, redresör)
• enerji depolama ile (orta-devreyi kapasitör ile C veya L) ve
• makine akım dönüştürücüsü ile (SR2, dönüştürücü) ve
2. * kontrol / görüntüleme parçası ile
Veri işlem ve kontrol blokları
Her ne kadar güç elektrik blokları içerisindeki akım bileşenleri dönüştürücü çıkışına göre ayarlansa da, kontrol ve görüntüleme birimleri çoğunlukla aynı şekilde çıkıştan bağımsız olarak, devre kapatıcıları biçimlendirmek için işletim biriminden ayrı olarak yapılandırılmışlardır. Elektronik yarı-iletken devreler diyotlarda, transistörlerde ve tirisistörlerde kullanılırlar. Kayıpları minimize etmek için bu tür elektrikli kapaklar anahtar modunda çalıştırılır, Şekil 13’de temel durumunun gösterildiği gibi sadece iki anahtar durumu mevcuttur: AÇIK (ON= geçiş: “akım geçişi sağlanır”) ve KAPALI (OFF= bloklama modu: “akım geçişi bloke edilmiştir).
Elektronik dönüştürücülerin çalışma modlarında kapakçıkların çalışma durumu daha ayrıntılı olarak gösterilecektir.
Elektronik devreler (yarı-iletken kapaklar)
Diyotlar:
En basit yarı-iletken kapaklar diyotlardır (Şekil 14, syf:16). Bunlar, pozitif voltajın anoda (a) uygulandığı zaman akımın katoda (c) doğru geçtiği, elektronik yarı-iletkenlerdir. Elektrik devrelerinin polaritesi dönüştüğünde, bloklar gibi hareket ederler.
Bu karakteristikler direkt –akım voltajı VZ üretmek amacı ile kullanılırlar, örneğin bir dönüştürücünün orta devresi içerisinde (Şekil 14), bir alternatif akım köprüsü (B2) veya üç-fazlı köprü devresi (B6) 50 Hz ana alternatif voltajından diyotları kullanarak geçiyor olsun. Bu tip yarı-iletken kapaklarda olduğu gibi daha fazla kontrol edilemeyecektir, bu yüzden kontrol edilemeyen statik dönüştürücü olarak bilinir. Statik dönüştürücülerin çalıştırma modu redresör modudur; ayrıca bu türdeki devre her zaman “redresör” olarak bilinir.
Tiristorlar (Redresörler):
Diyotlar gibi tiristorlar (Şekil 15) genellikle sadece akımın anottan (a) katoda (c) akışını sağlarlar. Diyot, pozitif anot-katot voltajı UAK altında çalışır çalışmaz, pozitif voltaj gibi tiristor kontrol yolu ile kontrol bağlantısındaki (g kapısı) akım eğilimini durdurur. Önce onun üzerindeki anahtarı kapatır, daha sonra akımı 1in üzerinden geçiş noktasına iletir.
Devre içerisinde diyotların yer değiştirmesi Şekil 14’ de gösterilmiştir, redresörlerin kontrollü devrelerin yapısının oluşmasına neden olduğu ki bu da α olarak seçilmiş gecikmeye neden olan açıya bağlıdır; çeşitli (kontrol edilmiş) direkt akım voltajı UZ’ ye izin vermektedir. Örneğin: dönüştürücüdeki orta-devre için. Çıkış voltajı ve elektriğin yönünün her ikisi de α geciktirici açısının seçilmesi ile belirlenebilir:
Α Sonuçları aşağıdadır:
00 < α < 900 Redresör modu ve
900 < α < 1500 Dönüştürücü modu .
Redresör modundaki kontrollü akım kaynağı dönüştürücü orta-devreyi sağlamak için gücü üç-fazlı akım ağından çeker, dönüştürücü modunda ise gücün, direkt akım tarafından üç-fazlı akım tarafına geri akışı sağlanır. Bu direkt akımdaki UZ polariteyi yerine getirmek için, akım doğrultusu aynı düzeyde kalarak çevrilecektir; bu geciktirici açı α > 900 seçilerek yapılır. Dönüştürücü modunun spesifik uygulaması, aşağıdaki rejenratif kırılma bölümünde açıklanacaktır. Devreden çıkan (GTO, tristörleri devreden çıkarma kapakçığı) tristörler günümüzde yüksek çıkışlar için kullanılmaktadır. Bunların açıklamaları S1 tristörleri gibi (statik indüksiyon tristörleri) bu belgenin kapsamı dışında kalmaktadır.
Transistörler
Tüm transistor tipleri –bipolar (çift kutuplu) transistörler (LTR), unipolar (tek kutuplu) transistörler (MOS) ve yalıtım kapakçıklı çift kutuplu transistörler (IGBT)- kontrol edilebilirler ve tristörler gibi üç bağlantısı vardır; örneğin: Şekil 16’da gösterildiği gibi aynı zamanda çıkış terminalidirler. Ancak, diyot ve tristörlerin aksine, transistörler voltaj pozitif iken belirli zamanlarda sürgü elektrotu kullanarak devreye girerler veya çıkarlar. Diyot ve tristörlerin akımın geçiş noktasından geçmesinden önce blok yapamaz iken, onlar “iletir” veya “bloke eder”: AÇIK durumunda (akış durumu) sürgü elektrotundan sürekli çekişe gerek duymaktadır.
Başlıca diyotlar (kontrol edilemeyen statik lokal transformatörler) veya tristörler (kontrol edilen statik lokal transformatörler) akım kaynağını VVVF’ ye çevirmek için kullanılırlar, transistörler kendi aralarında bir çok çeşide ayrılırlar (LTR, MOS, IGBT) ki bunlar akım dönüştürücü üretmek için en ideal elektronik yarı-iletken anahtarlardır. VVVF dönüştürücüsü, dönüştürücü parçalarıdır. Düşük watt dolaşımından çıkışa doğru 600 kVA çevresindeki erimi kapsamak üzere kullanılır.
Transistor performansının sürekli gelişimi hakkındaki verilerin artarak büyük verimliliklerin mümkün hale gelmesine minnettarız. Daha büyük verimlilikler GTO transistörlerinde kullanılmıştır. Şekil 17 yarı-iletken valf devrelerinin güç değerlerini uygulamalı örnekler ile açıklamaktadır.
Dönüştürücü parçalarda yarı-iletken anahtarlar kurulumu-kolaylaştıran modüller şeklinde geliştirilmiştir, örn: Şekil 18. Eğer modülde bir hata meydana gelir ise, tüm modülün değişmesi gerekir.
Şekil 19, bir dönüştürücünün kontrol bölümünde kullanılan hafıza ünitesini göstermektedir.
Gelecek bölüm üç-fazlı voltaj sisteminin, orta devrenin akım dönüştürücüsünün içerisindeki elektronik anahtarları kullanarak nasıl voltaj UZ ürettiğini anlatmaktadır.
Elektronik üç-fazlı voltaj üretimi
Üç-fazlı voltaj üretimi
Kamu ağlarındaki ve akım dönüştürücü makinelerdeki üç-fazlı voltaj, hala kereste endüstrisinde sinüsodial faz-dışı üç-fazlı voltaj üretiminde kullanılmaktadır (Şekil 20). Orta-devre voltajı UZ, elektronik dönüştürücü ile yalnızca elektronik anahtarları periyodik olarak açık ya da kapalı duruma getirerek üretilebilir. Bu da direkt akım voltajının UZ orta devreye doğru akışı esnasında alternatif olarak bağlantısı yolu ile ve pozitif kutbu (+) ve negatif kutbu (-) kullanarak teması keserek yapılır. Elektronik olarak üretim sisteminin sonuçta oluşan çıkış voltaj eğrisi blok formundadır. Sekiz dönüştürücü yarı-iletken tor valflerinin (V1-V6) zik zaklar halinde dizili anahtarları yoluyla üç bloke edilmiş şekilde faz-dışı alternatif voltaj sistemi, örneğin yeni üç fazlı voltaj sistemi çıkış tarafında üretilir. VVVF’ nin dönüştürücü parçaları, işlemi kolayca tersine çevirerek (dönüştürerek) rektifiye ederek motorun direk voltaj UZ ‘dan üretimini yönlendirir. Değiştiriciler (konverterler) genellikle dönüştürücüler (inverterler) olarak bilinirler.
Şekil 20 ayrıca V1 den V6 ya kadar dönüştürücü yarı-iletken valfler için sürme sisteminin diyagramını da göstermektedir. Anahtarların sürme devir süresi çıkış frekansını belirler. Bunlar karşılıklı olarak birbirlerinden bağımsızdırlar ve hemen hemen her şekilde değiştirilebilirler. Pratikte bu 0 dan ya da birkaç UZ den KHz e kadar bir açılıma sahiptir.
Motorun işlemesi için istenilen temel frekanstan başka, elektronik olarak üretilen çıkış voltajı aynı zamanda uyumlu dalgalanmalar (osilasyonlar) da içerir, bunlar daha sonra gösterileceği üzere çeşitli ölçümler ile azaltılır.
Voltaj Ayarı
Daha sonra ayrıntısı ile ele alınacağı gibi, devirli motorun işleyişi bir frekansa oranlı voltaj ayarını (VIF Kontrolü diye bilinir) gerektirir.
Voltaj ayarı üç işlem ile yapılır:
I> Uy değişken orta devir voltajı
I> Sürme işlemini harekete geçiren (orta devir dişlisi) ikinci bir değişken orta devir voltajı UZ2 için dolaysız akım
I> Voltaj bloklarının atımı
Bütün işlemler eyleme geçirildiğinde aşağıda yer alan bölüm açıklanmış olur.
Değişken orta devir voltajı (PAM)
Eğer akım kaynağı dönüştürücüsü denetlenebilir bir tristör ile tasarımlanmış ise, bu halde orta devir voltajı olan UZ, akım kaynağı dönüştürücüsünün geciktirici α açısı kullanılarak ayarlanabilir. Bu durumda akım kaynağı dönüştürücüsü “doğru çıkış voltajı U’ yu” ve istenilen F frekansındaki dönüştürücüyü meydana getirir. (Bkz. Şekil 21.) Çıkış voltajının genişliği değiştiği için bu işleme atım genişliği modülasyonu “PAM” denir.
Denetimli giriş dönüştürücüsüne sahip bir dönüştürücüdeki her frekans değişiminde Uz/Uzmax sürgü denetiminde değişir. Bu aynı zamanda ağdaki güç faktörü (φ) ağ denetim gücü ile şarj edilir.
Orta Devir Dişlisi Olan Dönüştürücüler
Eğer bu kontrol reaktif gücü, ağdaki diğer paralel akım tüketicileri için ortaya çıkan sonuçlar ile birlikte dönüştürücünün iki orta devre kullanılmasından kaçınılmalıdır, bkz. Şekil 22. Kontrol edilemeyen akım kaynağı dönüştürücü ilk orta devreyi besler.
İlk orta devre, orta devre voltajı UZ1 ile birlikte işler. İkincil değişken orta devre voltajı UZ2 (PAM) direk-akımı harekete geçiren (dişli) yardımı ile frekansa orantılı olarak biçimlenir. Daha avantajlı olan cos φ ‘nın ağ içerisindeki değeri daha büyük devre kompleksitesinde elde edilir.
Dönüştürücü yarı-iletken valfler, PAM işleminin her periyodunda sadece anahtarı iki kez döndürmek kaydı ile işlemin görüldüğü gibi bölümünde aşırı gerilim altına sokmaktadır, bu yüzden yarı-iletkenlerden meydana gelen anahtar kayıpları düşüktür düzeydedir. Oysa devre dinamikleri de iki farklı noktada oluşan engelleme (denetleme) sebebi ile düşüktür. Blok voltaj ile motorun kontrolü, motor şaftı üzerinde durdurmaya neden olan bazı sarkaç torkuna sebep olur.
Atım (PWM, Atım Genişlikli Modülasyon)
Eğer ağda iyi bir cos φ değerinden avantaj elde edilirse kullanılır ve ayrıca kontrol edilemeyen giriş akım dönüştürücüsü kullanılmak üzere sürekli orta devre voltajı UZ gerektirir. “atım” ların kullanılması ile voltajın bir kısmı bloklanmak sureti ile tam bir tur döner, bkz. Şekil 23. Periyodun süresi ve bu çıkış voltajının temel osilasyon frekansı aynı kalır. Bu işlem Atım Genişliği Modülasyonu olarak tanımlanır veya buna kısaca “PWM”denir.
Bu metot, valflerde yakalama periyodunda ortaya çıkan daha yoğun anahtar kayıplarına sebep olur; çıkış voltajı, voltaj ayarlamasına ihtiyaç duyması sebebi ile, öncekinden daha büyük bir açma-kapama gerektirir.
Sinüsodial Atım Genişlikli Modülasyon (PWM)
Voltaj ayarlaması için valflerin atımı sine-ağırlıklı olarak yürütülürse, bu istenen voltaj ayarlamasının yanı sıra ilave avantajlar sağlar, motor akımı sine-ağırlıklı çıkış voltajı hemen hemen sinüsodial olarak üretilir. Bu işlemin günümüzde geniş çaplı kullanılması ile daha sonra detaylı olarak açıklanacaktır.
Dönüştürücü anahtarları için sine-ağırlıklı sürgü sinyalleri kontrol modülünde hazırlanır. Eğer, örneğin sine dalgası US integral yüksek frekanslı delta dalgası UV tarandığında ve kendi kesiti ile karşılaştırıcı aracılığı ile anahtarı kapattığında, sürgü modeli istenilen sine-voltaja ayarlanır, bkz. Şekil 24, syf: 26.
Sine voltajın amplitüdü US çıkış voltajının derecesini belirler. Delta voltajının valflerin yüklenmesi ile taranması anahtarlama frekansını belirler Valflerin yüklenmesinin sınırlandırmak için, çıkış frekansı düşük iken ve yüksek çıkış frekanslarında sviçleme adedini düşürerek frekans konvertörünün sık sık sviçlenmesi yardımı ile uygun kHz sabit tutulur; hatta bloke modunu maksimum çıkış frekansında çalışırken bile., yalnız bir noktada (dönüştürücüde) frekans ve voltaj kontrol altında olduğunda, işlem dinamiği iyi düzeydedir. Atımın yarattığı dezavantaj, dönüştürücü ve motor parçalarının işitilebilir düzeyde dalgalanmaya maruz kalmasıdır. Bu sebeple çıkışta yaratılan 16 kHz den daha yüksek anahtar sesleri 7 kVA’ya kadar çıkışlar gösterebilir. Büyük çıkışlar ile anahtar kayıpları mevcut durumda, bu düzeyde frekans atımlarına müsaade etmezler.
Analog kontrol devreleri sürekli olarak kontrol elektrik sisteminde sine-ağırlıklı atım modeli üretir. Daha fazla modern dijital dönüştürücü araçları çoğu kez veri belleklerinde çeşitli frekanslar için modeller depolar ve bunları ihtiyacı doğduğunda da geri alırlar. Bu yöntem, yüksek hesaplama miktarlarından kontrol birimini serbest bırakır.
Hesaplamadaki bir başka yöntem de atım modelinin ek bir mikro bilgisayar ya da bir LS1 öğesi olarak kullanımıdır ki bu da atım üretiminin sahip olduğu tek görevdir. Bkz Şekil 25.
7.6. Adaptif (Uyarlayıcı) Kontrol Prensipleri
Şimdiye kadar biz, sabit kontrol parametreli kontrol sistemlerini ele aldık. Pratik bir sürme sisteminde alan parametreleri değişebilir ve bunun neticesinde de sistemin işleyişi zarara uğrar. Yüksek düzeyde bir istikrarsızlık ortamı meydana gelir. Bunun çözümü ancak uyarlayıcı kontrol teknikleri ile mümkün olur. Uyarlayıcı kontrolde, kontrolü gerçekleştiren alanın işlem koşullarına uyarlanmak zorunda kalır. Bu nedenle, güçlü bir mikro-bilgisayar kontrolün yapılmasında önemli ve yeterli rol üstlenir.
Otomatik-Ayar Regülatörü
Bu metotta, adı da belirttiği gibi, kontrol devresi parametreleri işletme parametreleri varyasyonlarına göre ayarlanır. Bir dc makine tahrik sisteminin hız çevrim kazancı, bilgi elde mevcut olması şartı ile şaft atalet momenti (J) ile doğru orantılı olması bunun bir örneğidir. Daha karmaşık bir otomatik-ayar kontrol devresinde (Ref. 23), kontrol devresi, sistemin kapalı-devre kutuplarının, ve kazançlarının her türlü çalışma şartları altında tek kalacak şekilde parametreleri ayarlar. Resim 7.35 otomatik-ayar regülasyonunu açıklamaktadır. İşletme parametrelerine ait tahmin alogaritmi, kesintili zaman formatındaki işletme modelini çözer ve işletme parametrelerini rekursif karekök formülasyonu bazında güncelleştirir. Daha sonra, bir ayar alogaritmi, işletme parametreleri tahminini baz alarak ayar parametrelerini düzenler. Ayar parametreleri, işletme parametrelerinin daha yavaş değiştiği var sayılarak ana kontrol örnekleme oranına göre daha yavaş bir oranda güncel hale getirilebilir. Bu var sayım, ac tahrik sisteminde zorunlu olarak geçerli değildir. Sistemin randımanlı bir şekilde operasyonu için, sistemin genel dengesi sağlanmalıdır.
Model Referans Kontrolü
Model referansa adapte edilebilen bir kontrol sisteminde, işletmenin reaksiyonu, işletme parametrelerine bakılmaksızın, referans bir modelin reaksiyonuna girmeye icbar edilir. Sabit parametreleri olan referans model mikro bilgisayarın hafızasında saklanır ve bundan dolayı işletmenin reaksiyonu parametre değişimine karşı hassas olmaz.
Dolaylı olarak vektör ile kontrol edilen indüksiyonlu motor servo tahrik sistemini (Resim 7.29) ve kontrol parametrelerinin, mükemmel bir ayırmayı gerçekleştirmek için makine parametreleri ile uyuştuğunu göz önüne getir. İdeal olarak, böyle bir sistem modeli, bir dc makineninkilerin aynısıdır. Tahrik sisteminin pozisyon devresi reaksiyonu, sabit tork modundaki ikinci sıra bir transfer fonksiyon ile gösterilebilir. Değişebilir-atalet yükü (J2 > J1) olan böyle bir tahrik sistemine ait tipik bir reaksiyon Resim 7.36’da gösterilmektedir. Atalet varyasyonu olan reaksiyon varyasyonu, servo bir sistemde arzu edilir olmayabilir. Böyle bir problem, Resim 7.37’de gösterilen model referansa adapte edilebilen bir kontrol sistemi ile çözülebilir.
Pozisyon kontrolü devresi tarafından yaratılan hız kumandası ωa paralel olarak referans modele ve gösterildiği gibi işletme kontrolüne uygulanır. Referans model çıkış hızı ωin ölçülen işletme hızı ωx ile mukayese edilir ve meydana gelen hata sinyali ε kabul algoritmasını harekete geçirir. İşletme kontrolörünün ileri ve geriye doğru besleme kazanımları, sırasıyla, K+ ve Kd, hata sinyali ε’nin dinamik şekilde sıfıra doğru azaltmak için kabul alogaritması ile yineler. Alogaritma, hata sıfıra doğru azaldığında arzu edilen Kl ve Kd değerlerinin bloke olması için PI-tipi kontrol kuralını ihtiva etmektedir. İşletme, referans modeldeki J parametresinin en kötü (maksimum) duruma belirlenmesi şartı ile doyumsuz olarak referans modelini takip edebilir. Bundan dolayı, kontrol sisteminin sağlamlığı optimum reaksiyon hızının feda edilmesinden elde edilir.
Alogaritmanın adapte edilmesi şöyle tarif edilebilir (Ref. 15)
(7. 88)
Burada KFO ve KBO başlangıç kazanım değerleri, F, G, Im , M ve D adapte etme kuralı sabiteleridir. Genel olarak, referans modelin yapısı ve parametreleri, memnun edici kabul için uygun olmalıdır.
Resim 7.37’de, aralık eşitlikleri: ............................... (7.91)
İşletme: ................................. (7.92)
Diğer sistem eşitlikleri:
(7.93)
(7.94)
(7.95) dir.
KF ve KB parametreleri zaman ile değişir. Resim 7.37’deki kesikli çizginin içinde bulunan hız kontrol sistemi, doğrusal olmayan zaman ile değişen bloklu bir geri beslemesi olan zaman ile değişmeyen muadil bir ileri doğru besleme sistemi ile temsil edilebilir. Böyle bir sistemin genel dengesi Popov’un hiper stablite teorisi ile analiz edilebilir ve buna uygun olarak, F, G, L, M ve D parametreleri tayin edilebilir.
Arama Stratejisi Olan Model Referans Kontrol
Arama stratejisini (Ref.16) baz alan model referansa adapte edilen kontrol sisteminin diğer bir metot Resim 7.38’de gösterilmektedir. Burada izlenmekte olan işletme, dolaylı vektör kontrol metodunu kullanan bir indüksiyon motor tahrik sistemi olabilir.
Motor rotorunun direnci öncelikle sıcaklık ile değişir ve kontrol devresi ile uyumsuzluğu doğrudan ve dörtlü miller arasında irtibatlaşmaya neden olur. Sonuç olarak, tork hassasiyeti bozulur ve makinenin reaksiyonu daha yüksek sıradaki bir aralık denklemi ile belirlenir. Bir yüksek kazanım tork kontrol devresinin direnç değişimi dolayısıyla geçici tork reaksiyonundaki sapmayı azaltması şartıyla, kazanım ancak en kötü şartlar altındaki dengeyi sağlamak için sınırlanmalıdır.
Tork kontrolörünün parametreleri, işletme varyasyonlarını karşılamak için sistemin referans modelinin hatlarına girmesi için adapte edilebilir.Resim 7.38’de, işletme, gösterildiği gibi, değişken olan Gp(ν) zaman-menzili transfer karakteristiği ile belirtilmektedir. Tahrik sisteminin Iw kumanda torku da referans modele uygulanır ve ortya çıkan Iwi reaksiyonu tahrik sisteminin gerçek torku ile karşılaştırılır. Hata sinyali, K1 ve K2, PI dengeleyici parametrelerini ε hata sinyali sıfır olacak veya bir histersizlik bandı içine bağlı olacak şekilde parametre arama stratejisi ile dinamik olarak tekrar ettirir. Parametrelerin tekrarı prosedürü, bir mikro kompüter ile burada dinamik olarak yapılması müstesna laboratuarda pano üzerindeki potansiyometreleri deneme yanılma ile kullanan el ile parametre değiştirmesine analogtur.
Tahrik sisteminin referans modeli, tork kontrol devresindekine benzerdir ve mikro bilgisayarın hafızasında saklanır. Referans modeli, tork devresinin fiziki olarak referans modu hattına girebileceği şekilde işletmenin en kötü-durumu baz alınarak tayin edilir.Referans modunun matematiksel modeli saklanması zor olabilir ve gerçek zamanda çözülebilir. Uygun bir yol, modelin Gm(F) empulsiyon reaksiyonunu depolamak ve daha sonra aşağıdaki gibi girişim toplamı genel prensibi ile zaman menzilindeki referans modeli çözmektir:
(7.96)
Burada, Y(υ) reaksiyon, X (υ) ikaz ve Gm (υ) modelin empulsiyon reaksiyonudur.
Kayar Mod Kontrol
Kayıcı modda kontrol olarak bilinen değişken yapıda bir kontrol tekniği ac tahrik sistemlerine uygulanabilir (Ref.19). Bu, temel olarak bir adapte edilebilir referans modeldir (MRAC) ancak konvensiyonel MRAC sistemine nazaran gerçekleştirmesi daha kolaydır. Kayar kontrol modelin avantajı, tahrik sisteminin parametre varyasyonuna ve yük dağılım etkilerine reaksiyonudur ve bundan dolayı robot ve takım tezgahları tahrik sistemleri gibi servo uygulamalar için ideal şekilde uygundur. Kontrol metodu, transit araçlara, asansörlere, haddelere ve kapalı hız veya pozisyonda düzenlemenin arzu edildiği birden fazla makine tahriklerinin olduğu yerlere kadar genişletilebilir.
Kayar mod kontrolde, “referans model” veya önceden belirlenen bir faz düzlemdeki yörünge bir mikro bilgisayarın hafızasına depo edilir ve tahrik sistemi, işletme parametrelerinin varyasyonu ve yükün tork dağılımı göz önüne alınmaksızın, bir kontrol alogaritmasının bağlantısı ile bir “yörünge” boyunu takip etmeye veya boyunca kaymaya zorlanır.Mikro bilgisayar referans yörüngeden gerçek yörünge sapmasını bulur ve yolu takip etmeyi yeniden tesis etmek için bağlanma topografyasını uygun şekilde değiştirir.
Resim 7.39, bir indüksiyon motoru tahrik sisteminin kayıcı mod kontrol metodunu resimlemektedir. Kayar mod kontrol, primer pozisyon kontrol devresi içerisinde doğrudan gerçekleştirilir. Kontroller aşağıdaki çıktıları alırlar:
• X1 ile tarif edilen pozisyon devre hatasını
• X2 – Kw ilişkisi ile hız sinyalinden elde edilen X2 – dX1/ dt pozisyon hata hızını
• A amplitüd bir sabiteyi
Kontrolün U çıktısı bir kazanç sabitesi ile çarpılır ve gelişmiş torka doğru orantılı olan Iqx komuta aktivite akımı olarak beslenir. Sabit-tork modunda, rotorun akısına doğru orantılı olan Ids alan akımı sabit olarak muhafaza edilir. Vektör kontrolü ile, çeviricisi olan motor ve lokal kontrol ikinci-sıra sistemi olarak ideal şekilde temsil edilebilir.
X1 – X2 faz düzlemindeki kayıcı yörüngenin tarifi Resim 7.40’da açıklanmaktadır. Eğriler, sırası ile şaftın ileri ve geri dönüşüne tekabül eden dördüncü ve birinci karelerde gösterilmektedir. Dıştaki eğri (gölgeli olarak gösterilmektedir), hızlanmanın, hızın ve tahrik sisteminin yavaşlamasının limitleme değerleri ile belirlenmektedir. Normal olarak, işletme parametrelerinin varyasyonu, kesikli çizgilerle gösterildiği gibi bir band içinde sapmaya neden olur. Mesela, şayet J ataleti azalırsa, maksimum hızlanma ve yavaşlama limitleri daralacaktır. Kayıcı yörünge veya tahrik sisteminin takip etmeye icbar edildiği faz düzlemdeki referans çizgisi, sistemin kontrol edilebilir olması ve reaksiyonun sapma ile etkilenmeyecek şekilde sapma bandının arkasında tanımlanması gerekir. Burada tarif edilen kayıcı yörünge üç doğru-hat segmentten oluşmaktadır ve dördüncü kare içindeki denklemleri aşağıdaki gibidir:
1. Hızlanma segmenti:
(7.97)
burada, δ1 şartlara göre bir değişken ve onun işareti olarak gösterilmektedir:
Segment üzerindeki bir nokta için δ1 = 0
Segment üstünde bir nokta için δ > 0
Segment altında bir nokta için δ < 0
Hızlandırma eğrisi tarafından sınırlanan ayma B
Başlangıç pozisyon hatası Xin
2. Sabit hız segmenti:
(7.98)
burada δ2 (7.97) denklemi ile tarif edildiği gibi bir değişken ve X70 – (X20 < | Vm| ) maksimum hız
3. Yavaşlama segmenti:
(7.99)
burada δ3 (7.97) denkleminde tarif edilen bir değişken ve C yavaşlama limiti eğrisi ile sınırlanan eğimdir.
Belirlenen bir yörüngeyi takip eden gerçek kayıcı eğri, gösterildiği gibi, okun takip ettiği zig-zag çizgi ile gösterilmektedir. Sabit durumda, operasyon noktası faz düzleminin başlangıcında salınır. Yörünge, mümkün olduğu kadar limit eğrisine yakın ancak suboptimal geçici reaksiyona ulaşması için sapma bandının arkasında tarif edilmelidir. İkinci-sıra sistemin teorik olarak sadece X1 hata sinyalini ve kontrol çıkışları olarak X2 ikinci türevini istediği gösterilebilir (Ref. 17). A sabitesi, Kulomb sürtünmesi ve yükleme etkileri dolayısıyla sabit durum hatasını elimine etmek için enjekte edilir. Kayıcı mod kontrollerde, bütün girdi sinyalleri tek-kutup çift-yön (SPDT) anahtarlerle gönderilir ve sonuçta ortaya çıkan U sinyalini meydana getiren kazançlar şunlardır:
(7.100)
Kayıcı mod kontrol kuralı matematiksel olarak aşağıdaki gibi tarif edilebilir:
(7.101)
(7.102)
burada
(7.103)
α, γ, ve κ kazanç sabiteleri yörünge segmentinden segmentine değişebilir. Her segment için bu sabiteler, aşağıdaki mevcudiyet denklemini (Ref. 17) kullanan sistemlerin ralık modeli durumundan tayin edilebilir.
(7.104)
(7.105)
Diğer bir ifade ile, mevcut olma denkleminin geçerliliği reaksiyonun her anahtar durumunda yörüngeyi aşacağını garanti eder ve bu sistemin kayar mod ile kontrol edilebilir olması için vazgeçilmezdir. Uygulamada, kontrol edicisinin parametreleri, sistemin en iyi performansı için deneysel olarak hassas şekilde ayar edilir.δ’i çözen kontrolerin bir akış kartı uygun segment denkleminden çıkartılabilir ve (7.103) denkleminde verilen kriterlere göre SPDT anahtarlarının pozisyonunu belirler.
Resim 7.41, faz düzlemi yörüngesinden dönüştürülen kademe pozisyonu komutasına ait kayar mod kontroldeki zaman-menzili reaksiyonunu göstermektedir. Reaksiyondaki dengesizlik sinyallerin iyi şekilde çözülmesi, kısa örnekleme süresi hesaplaması ve dönüştürücünün geniş bağlantı frekansı ile tamamen ayarlanabilir.
Bu bölümde, temel dönüştürücülerin döngüsel alandaki Elektronik jenerasyonun nasıl çalıştığını açıklayacağız.
Dönüştürücülerin temel prensipleri ve yapısı
Şekil 11 bir dönüştürücünün yapısını göstermektedir. Tüm frekans dönüştürücüler şu temel prensiple çalışırlar: 50 Hz doğru akıma çevrilen alternatif voltaj akım kaynak dönüştürücüsünden (SRI) iç devrelerden direk voltaj orta devresinin içine beslenir ve enerji kapasitörde depolanır. Dış devre dönüştürücüsünün içindeki akım dönüştürücü makine (SR2) orta-devreyi direk voltaja çevirir. UZ yeni alternatif voltaj sisteminin içerisindeki elektronik devreleri (kapakları) kullanarak, çeşitli f frekansı ve U voltajı elde eder; bu nedenle alternatif akım motoru çeşitli hızlarda çalışmaya müsaittir. Akım dönüştürücü 1 burada redresör (dalga akımını doğru akıma çeviren motor) gibi çalışır, akım dönüştürücü 1 bir dönüştürücüdür.
Her ne kadar kontrol elektronik elemanları genelde analog olsalar da, dijital teknoloji günümüzde mikroişlemciler ve LSI devrelerde kullanılmaktadır. Bütün bunlar, dönüştürücü çıkış noktasında frekans-orantılı voltaj regülasyonunu sağlar, kontrol etme ve sistem görüntüleme görevini yerine getirir ve operasyonel verileri görüntüler, böylece dönüştürücü ve motor optimal değerlerde aşırı yüklenmeye maruz kalmadan çalışır.
Dönüştürücünün blok diyagramda görüldüğü gibi, Şekil 11 gösterir ki, dört temel blok tüm orta-devre dönüştürücülerde ön plana çıkmaktadır:
1. Üç etkili (power) Elektrik blokları:
• akım kaynağı dönüştürücü ile (SR1, redresör)
• enerji depolama ile (orta-devreyi kapasitör ile C veya L) ve
• makine akım dönüştürücüsü ile (SR2, dönüştürücü) ve
2. * kontrol / görüntüleme parçası ile
Veri işlem ve kontrol blokları
Her ne kadar güç elektrik blokları içerisindeki akım bileşenleri dönüştürücü çıkışına göre ayarlansa da, kontrol ve görüntüleme birimleri çoğunlukla aynı şekilde çıkıştan bağımsız olarak, devre kapatıcıları biçimlendirmek için işletim biriminden ayrı olarak yapılandırılmışlardır. Elektronik yarı-iletken devreler diyotlarda, transistörlerde ve tirisistörlerde kullanılırlar. Kayıpları minimize etmek için bu tür elektrikli kapaklar anahtar modunda çalıştırılır, Şekil 13’de temel durumunun gösterildiği gibi sadece iki anahtar durumu mevcuttur: AÇIK (ON= geçiş: “akım geçişi sağlanır”) ve KAPALI (OFF= bloklama modu: “akım geçişi bloke edilmiştir).
Elektronik dönüştürücülerin çalışma modlarında kapakçıkların çalışma durumu daha ayrıntılı olarak gösterilecektir.
Elektronik devreler (yarı-iletken kapaklar)
Diyotlar:
En basit yarı-iletken kapaklar diyotlardır (Şekil 14, syf:16). Bunlar, pozitif voltajın anoda (a) uygulandığı zaman akımın katoda (c) doğru geçtiği, elektronik yarı-iletkenlerdir. Elektrik devrelerinin polaritesi dönüştüğünde, bloklar gibi hareket ederler.
Bu karakteristikler direkt –akım voltajı VZ üretmek amacı ile kullanılırlar, örneğin bir dönüştürücünün orta devresi içerisinde (Şekil 14), bir alternatif akım köprüsü (B2) veya üç-fazlı köprü devresi (B6) 50 Hz ana alternatif voltajından diyotları kullanarak geçiyor olsun. Bu tip yarı-iletken kapaklarda olduğu gibi daha fazla kontrol edilemeyecektir, bu yüzden kontrol edilemeyen statik dönüştürücü olarak bilinir. Statik dönüştürücülerin çalıştırma modu redresör modudur; ayrıca bu türdeki devre her zaman “redresör” olarak bilinir.
Tiristorlar (Redresörler):
Diyotlar gibi tiristorlar (Şekil 15) genellikle sadece akımın anottan (a) katoda (c) akışını sağlarlar. Diyot, pozitif anot-katot voltajı UAK altında çalışır çalışmaz, pozitif voltaj gibi tiristor kontrol yolu ile kontrol bağlantısındaki (g kapısı) akım eğilimini durdurur. Önce onun üzerindeki anahtarı kapatır, daha sonra akımı 1in üzerinden geçiş noktasına iletir.
Devre içerisinde diyotların yer değiştirmesi Şekil 14’ de gösterilmiştir, redresörlerin kontrollü devrelerin yapısının oluşmasına neden olduğu ki bu da α olarak seçilmiş gecikmeye neden olan açıya bağlıdır; çeşitli (kontrol edilmiş) direkt akım voltajı UZ’ ye izin vermektedir. Örneğin: dönüştürücüdeki orta-devre için. Çıkış voltajı ve elektriğin yönünün her ikisi de α geciktirici açısının seçilmesi ile belirlenebilir:
Α Sonuçları aşağıdadır:
00 < α < 900 Redresör modu ve
900 < α < 1500 Dönüştürücü modu .
Redresör modundaki kontrollü akım kaynağı dönüştürücü orta-devreyi sağlamak için gücü üç-fazlı akım ağından çeker, dönüştürücü modunda ise gücün, direkt akım tarafından üç-fazlı akım tarafına geri akışı sağlanır. Bu direkt akımdaki UZ polariteyi yerine getirmek için, akım doğrultusu aynı düzeyde kalarak çevrilecektir; bu geciktirici açı α > 900 seçilerek yapılır. Dönüştürücü modunun spesifik uygulaması, aşağıdaki rejenratif kırılma bölümünde açıklanacaktır. Devreden çıkan (GTO, tristörleri devreden çıkarma kapakçığı) tristörler günümüzde yüksek çıkışlar için kullanılmaktadır. Bunların açıklamaları S1 tristörleri gibi (statik indüksiyon tristörleri) bu belgenin kapsamı dışında kalmaktadır.
Transistörler
Tüm transistor tipleri –bipolar (çift kutuplu) transistörler (LTR), unipolar (tek kutuplu) transistörler (MOS) ve yalıtım kapakçıklı çift kutuplu transistörler (IGBT)- kontrol edilebilirler ve tristörler gibi üç bağlantısı vardır; örneğin: Şekil 16’da gösterildiği gibi aynı zamanda çıkış terminalidirler. Ancak, diyot ve tristörlerin aksine, transistörler voltaj pozitif iken belirli zamanlarda sürgü elektrotu kullanarak devreye girerler veya çıkarlar. Diyot ve tristörlerin akımın geçiş noktasından geçmesinden önce blok yapamaz iken, onlar “iletir” veya “bloke eder”: AÇIK durumunda (akış durumu) sürgü elektrotundan sürekli çekişe gerek duymaktadır.
Başlıca diyotlar (kontrol edilemeyen statik lokal transformatörler) veya tristörler (kontrol edilen statik lokal transformatörler) akım kaynağını VVVF’ ye çevirmek için kullanılırlar, transistörler kendi aralarında bir çok çeşide ayrılırlar (LTR, MOS, IGBT) ki bunlar akım dönüştürücü üretmek için en ideal elektronik yarı-iletken anahtarlardır. VVVF dönüştürücüsü, dönüştürücü parçalarıdır. Düşük watt dolaşımından çıkışa doğru 600 kVA çevresindeki erimi kapsamak üzere kullanılır.
Transistor performansının sürekli gelişimi hakkındaki verilerin artarak büyük verimliliklerin mümkün hale gelmesine minnettarız. Daha büyük verimlilikler GTO transistörlerinde kullanılmıştır. Şekil 17 yarı-iletken valf devrelerinin güç değerlerini uygulamalı örnekler ile açıklamaktadır.
Dönüştürücü parçalarda yarı-iletken anahtarlar kurulumu-kolaylaştıran modüller şeklinde geliştirilmiştir, örn: Şekil 18. Eğer modülde bir hata meydana gelir ise, tüm modülün değişmesi gerekir.
Şekil 19, bir dönüştürücünün kontrol bölümünde kullanılan hafıza ünitesini göstermektedir.
Gelecek bölüm üç-fazlı voltaj sisteminin, orta devrenin akım dönüştürücüsünün içerisindeki elektronik anahtarları kullanarak nasıl voltaj UZ ürettiğini anlatmaktadır.
Elektronik üç-fazlı voltaj üretimi
Üç-fazlı voltaj üretimi
Kamu ağlarındaki ve akım dönüştürücü makinelerdeki üç-fazlı voltaj, hala kereste endüstrisinde sinüsodial faz-dışı üç-fazlı voltaj üretiminde kullanılmaktadır (Şekil 20). Orta-devre voltajı UZ, elektronik dönüştürücü ile yalnızca elektronik anahtarları periyodik olarak açık ya da kapalı duruma getirerek üretilebilir. Bu da direkt akım voltajının UZ orta devreye doğru akışı esnasında alternatif olarak bağlantısı yolu ile ve pozitif kutbu (+) ve negatif kutbu (-) kullanarak teması keserek yapılır. Elektronik olarak üretim sisteminin sonuçta oluşan çıkış voltaj eğrisi blok formundadır. Sekiz dönüştürücü yarı-iletken tor valflerinin (V1-V6) zik zaklar halinde dizili anahtarları yoluyla üç bloke edilmiş şekilde faz-dışı alternatif voltaj sistemi, örneğin yeni üç fazlı voltaj sistemi çıkış tarafında üretilir. VVVF’ nin dönüştürücü parçaları, işlemi kolayca tersine çevirerek (dönüştürerek) rektifiye ederek motorun direk voltaj UZ ‘dan üretimini yönlendirir. Değiştiriciler (konverterler) genellikle dönüştürücüler (inverterler) olarak bilinirler.
Şekil 20 ayrıca V1 den V6 ya kadar dönüştürücü yarı-iletken valfler için sürme sisteminin diyagramını da göstermektedir. Anahtarların sürme devir süresi çıkış frekansını belirler. Bunlar karşılıklı olarak birbirlerinden bağımsızdırlar ve hemen hemen her şekilde değiştirilebilirler. Pratikte bu 0 dan ya da birkaç UZ den KHz e kadar bir açılıma sahiptir.
Motorun işlemesi için istenilen temel frekanstan başka, elektronik olarak üretilen çıkış voltajı aynı zamanda uyumlu dalgalanmalar (osilasyonlar) da içerir, bunlar daha sonra gösterileceği üzere çeşitli ölçümler ile azaltılır.
Voltaj Ayarı
Daha sonra ayrıntısı ile ele alınacağı gibi, devirli motorun işleyişi bir frekansa oranlı voltaj ayarını (VIF Kontrolü diye bilinir) gerektirir.
Voltaj ayarı üç işlem ile yapılır:
I> Uy değişken orta devir voltajı
I> Sürme işlemini harekete geçiren (orta devir dişlisi) ikinci bir değişken orta devir voltajı UZ2 için dolaysız akım
I> Voltaj bloklarının atımı
Bütün işlemler eyleme geçirildiğinde aşağıda yer alan bölüm açıklanmış olur.
Değişken orta devir voltajı (PAM)
Eğer akım kaynağı dönüştürücüsü denetlenebilir bir tristör ile tasarımlanmış ise, bu halde orta devir voltajı olan UZ, akım kaynağı dönüştürücüsünün geciktirici α açısı kullanılarak ayarlanabilir. Bu durumda akım kaynağı dönüştürücüsü “doğru çıkış voltajı U’ yu” ve istenilen F frekansındaki dönüştürücüyü meydana getirir. (Bkz. Şekil 21.) Çıkış voltajının genişliği değiştiği için bu işleme atım genişliği modülasyonu “PAM” denir.
Denetimli giriş dönüştürücüsüne sahip bir dönüştürücüdeki her frekans değişiminde Uz/Uzmax sürgü denetiminde değişir. Bu aynı zamanda ağdaki güç faktörü (φ) ağ denetim gücü ile şarj edilir.
Orta Devir Dişlisi Olan Dönüştürücüler
Eğer bu kontrol reaktif gücü, ağdaki diğer paralel akım tüketicileri için ortaya çıkan sonuçlar ile birlikte dönüştürücünün iki orta devre kullanılmasından kaçınılmalıdır, bkz. Şekil 22. Kontrol edilemeyen akım kaynağı dönüştürücü ilk orta devreyi besler.
İlk orta devre, orta devre voltajı UZ1 ile birlikte işler. İkincil değişken orta devre voltajı UZ2 (PAM) direk-akımı harekete geçiren (dişli) yardımı ile frekansa orantılı olarak biçimlenir. Daha avantajlı olan cos φ ‘nın ağ içerisindeki değeri daha büyük devre kompleksitesinde elde edilir.
Dönüştürücü yarı-iletken valfler, PAM işleminin her periyodunda sadece anahtarı iki kez döndürmek kaydı ile işlemin görüldüğü gibi bölümünde aşırı gerilim altına sokmaktadır, bu yüzden yarı-iletkenlerden meydana gelen anahtar kayıpları düşüktür düzeydedir. Oysa devre dinamikleri de iki farklı noktada oluşan engelleme (denetleme) sebebi ile düşüktür. Blok voltaj ile motorun kontrolü, motor şaftı üzerinde durdurmaya neden olan bazı sarkaç torkuna sebep olur.
Atım (PWM, Atım Genişlikli Modülasyon)
Eğer ağda iyi bir cos φ değerinden avantaj elde edilirse kullanılır ve ayrıca kontrol edilemeyen giriş akım dönüştürücüsü kullanılmak üzere sürekli orta devre voltajı UZ gerektirir. “atım” ların kullanılması ile voltajın bir kısmı bloklanmak sureti ile tam bir tur döner, bkz. Şekil 23. Periyodun süresi ve bu çıkış voltajının temel osilasyon frekansı aynı kalır. Bu işlem Atım Genişliği Modülasyonu olarak tanımlanır veya buna kısaca “PWM”denir.
Bu metot, valflerde yakalama periyodunda ortaya çıkan daha yoğun anahtar kayıplarına sebep olur; çıkış voltajı, voltaj ayarlamasına ihtiyaç duyması sebebi ile, öncekinden daha büyük bir açma-kapama gerektirir.
Sinüsodial Atım Genişlikli Modülasyon (PWM)
Voltaj ayarlaması için valflerin atımı sine-ağırlıklı olarak yürütülürse, bu istenen voltaj ayarlamasının yanı sıra ilave avantajlar sağlar, motor akımı sine-ağırlıklı çıkış voltajı hemen hemen sinüsodial olarak üretilir. Bu işlemin günümüzde geniş çaplı kullanılması ile daha sonra detaylı olarak açıklanacaktır.
Dönüştürücü anahtarları için sine-ağırlıklı sürgü sinyalleri kontrol modülünde hazırlanır. Eğer, örneğin sine dalgası US integral yüksek frekanslı delta dalgası UV tarandığında ve kendi kesiti ile karşılaştırıcı aracılığı ile anahtarı kapattığında, sürgü modeli istenilen sine-voltaja ayarlanır, bkz. Şekil 24, syf: 26.
Sine voltajın amplitüdü US çıkış voltajının derecesini belirler. Delta voltajının valflerin yüklenmesi ile taranması anahtarlama frekansını belirler Valflerin yüklenmesinin sınırlandırmak için, çıkış frekansı düşük iken ve yüksek çıkış frekanslarında sviçleme adedini düşürerek frekans konvertörünün sık sık sviçlenmesi yardımı ile uygun kHz sabit tutulur; hatta bloke modunu maksimum çıkış frekansında çalışırken bile., yalnız bir noktada (dönüştürücüde) frekans ve voltaj kontrol altında olduğunda, işlem dinamiği iyi düzeydedir. Atımın yarattığı dezavantaj, dönüştürücü ve motor parçalarının işitilebilir düzeyde dalgalanmaya maruz kalmasıdır. Bu sebeple çıkışta yaratılan 16 kHz den daha yüksek anahtar sesleri 7 kVA’ya kadar çıkışlar gösterebilir. Büyük çıkışlar ile anahtar kayıpları mevcut durumda, bu düzeyde frekans atımlarına müsaade etmezler.
Analog kontrol devreleri sürekli olarak kontrol elektrik sisteminde sine-ağırlıklı atım modeli üretir. Daha fazla modern dijital dönüştürücü araçları çoğu kez veri belleklerinde çeşitli frekanslar için modeller depolar ve bunları ihtiyacı doğduğunda da geri alırlar. Bu yöntem, yüksek hesaplama miktarlarından kontrol birimini serbest bırakır.
Hesaplamadaki bir başka yöntem de atım modelinin ek bir mikro bilgisayar ya da bir LS1 öğesi olarak kullanımıdır ki bu da atım üretiminin sahip olduğu tek görevdir. Bkz Şekil 25.
7.6. Adaptif (Uyarlayıcı) Kontrol Prensipleri
Şimdiye kadar biz, sabit kontrol parametreli kontrol sistemlerini ele aldık. Pratik bir sürme sisteminde alan parametreleri değişebilir ve bunun neticesinde de sistemin işleyişi zarara uğrar. Yüksek düzeyde bir istikrarsızlık ortamı meydana gelir. Bunun çözümü ancak uyarlayıcı kontrol teknikleri ile mümkün olur. Uyarlayıcı kontrolde, kontrolü gerçekleştiren alanın işlem koşullarına uyarlanmak zorunda kalır. Bu nedenle, güçlü bir mikro-bilgisayar kontrolün yapılmasında önemli ve yeterli rol üstlenir.
Otomatik-Ayar Regülatörü
Bu metotta, adı da belirttiği gibi, kontrol devresi parametreleri işletme parametreleri varyasyonlarına göre ayarlanır. Bir dc makine tahrik sisteminin hız çevrim kazancı, bilgi elde mevcut olması şartı ile şaft atalet momenti (J) ile doğru orantılı olması bunun bir örneğidir. Daha karmaşık bir otomatik-ayar kontrol devresinde (Ref. 23), kontrol devresi, sistemin kapalı-devre kutuplarının, ve kazançlarının her türlü çalışma şartları altında tek kalacak şekilde parametreleri ayarlar. Resim 7.35 otomatik-ayar regülasyonunu açıklamaktadır. İşletme parametrelerine ait tahmin alogaritmi, kesintili zaman formatındaki işletme modelini çözer ve işletme parametrelerini rekursif karekök formülasyonu bazında güncelleştirir. Daha sonra, bir ayar alogaritmi, işletme parametreleri tahminini baz alarak ayar parametrelerini düzenler. Ayar parametreleri, işletme parametrelerinin daha yavaş değiştiği var sayılarak ana kontrol örnekleme oranına göre daha yavaş bir oranda güncel hale getirilebilir. Bu var sayım, ac tahrik sisteminde zorunlu olarak geçerli değildir. Sistemin randımanlı bir şekilde operasyonu için, sistemin genel dengesi sağlanmalıdır.
Model Referans Kontrolü
Model referansa adapte edilebilen bir kontrol sisteminde, işletmenin reaksiyonu, işletme parametrelerine bakılmaksızın, referans bir modelin reaksiyonuna girmeye icbar edilir. Sabit parametreleri olan referans model mikro bilgisayarın hafızasında saklanır ve bundan dolayı işletmenin reaksiyonu parametre değişimine karşı hassas olmaz.
Dolaylı olarak vektör ile kontrol edilen indüksiyonlu motor servo tahrik sistemini (Resim 7.29) ve kontrol parametrelerinin, mükemmel bir ayırmayı gerçekleştirmek için makine parametreleri ile uyuştuğunu göz önüne getir. İdeal olarak, böyle bir sistem modeli, bir dc makineninkilerin aynısıdır. Tahrik sisteminin pozisyon devresi reaksiyonu, sabit tork modundaki ikinci sıra bir transfer fonksiyon ile gösterilebilir. Değişebilir-atalet yükü (J2 > J1) olan böyle bir tahrik sistemine ait tipik bir reaksiyon Resim 7.36’da gösterilmektedir. Atalet varyasyonu olan reaksiyon varyasyonu, servo bir sistemde arzu edilir olmayabilir. Böyle bir problem, Resim 7.37’de gösterilen model referansa adapte edilebilen bir kontrol sistemi ile çözülebilir.
Pozisyon kontrolü devresi tarafından yaratılan hız kumandası ωa paralel olarak referans modele ve gösterildiği gibi işletme kontrolüne uygulanır. Referans model çıkış hızı ωin ölçülen işletme hızı ωx ile mukayese edilir ve meydana gelen hata sinyali ε kabul algoritmasını harekete geçirir. İşletme kontrolörünün ileri ve geriye doğru besleme kazanımları, sırasıyla, K+ ve Kd, hata sinyali ε’nin dinamik şekilde sıfıra doğru azaltmak için kabul alogaritması ile yineler. Alogaritma, hata sıfıra doğru azaldığında arzu edilen Kl ve Kd değerlerinin bloke olması için PI-tipi kontrol kuralını ihtiva etmektedir. İşletme, referans modeldeki J parametresinin en kötü (maksimum) duruma belirlenmesi şartı ile doyumsuz olarak referans modelini takip edebilir. Bundan dolayı, kontrol sisteminin sağlamlığı optimum reaksiyon hızının feda edilmesinden elde edilir.
Alogaritmanın adapte edilmesi şöyle tarif edilebilir (Ref. 15)
(7. 88)
Burada KFO ve KBO başlangıç kazanım değerleri, F, G, Im , M ve D adapte etme kuralı sabiteleridir. Genel olarak, referans modelin yapısı ve parametreleri, memnun edici kabul için uygun olmalıdır.
Resim 7.37’de, aralık eşitlikleri: ............................... (7.91)
İşletme: ................................. (7.92)
Diğer sistem eşitlikleri:
(7.93)
(7.94)
(7.95) dir.
KF ve KB parametreleri zaman ile değişir. Resim 7.37’deki kesikli çizginin içinde bulunan hız kontrol sistemi, doğrusal olmayan zaman ile değişen bloklu bir geri beslemesi olan zaman ile değişmeyen muadil bir ileri doğru besleme sistemi ile temsil edilebilir. Böyle bir sistemin genel dengesi Popov’un hiper stablite teorisi ile analiz edilebilir ve buna uygun olarak, F, G, L, M ve D parametreleri tayin edilebilir.
Arama Stratejisi Olan Model Referans Kontrol
Arama stratejisini (Ref.16) baz alan model referansa adapte edilen kontrol sisteminin diğer bir metot Resim 7.38’de gösterilmektedir. Burada izlenmekte olan işletme, dolaylı vektör kontrol metodunu kullanan bir indüksiyon motor tahrik sistemi olabilir.
Motor rotorunun direnci öncelikle sıcaklık ile değişir ve kontrol devresi ile uyumsuzluğu doğrudan ve dörtlü miller arasında irtibatlaşmaya neden olur. Sonuç olarak, tork hassasiyeti bozulur ve makinenin reaksiyonu daha yüksek sıradaki bir aralık denklemi ile belirlenir. Bir yüksek kazanım tork kontrol devresinin direnç değişimi dolayısıyla geçici tork reaksiyonundaki sapmayı azaltması şartıyla, kazanım ancak en kötü şartlar altındaki dengeyi sağlamak için sınırlanmalıdır.
Tork kontrolörünün parametreleri, işletme varyasyonlarını karşılamak için sistemin referans modelinin hatlarına girmesi için adapte edilebilir.Resim 7.38’de, işletme, gösterildiği gibi, değişken olan Gp(ν) zaman-menzili transfer karakteristiği ile belirtilmektedir. Tahrik sisteminin Iw kumanda torku da referans modele uygulanır ve ortya çıkan Iwi reaksiyonu tahrik sisteminin gerçek torku ile karşılaştırılır. Hata sinyali, K1 ve K2, PI dengeleyici parametrelerini ε hata sinyali sıfır olacak veya bir histersizlik bandı içine bağlı olacak şekilde parametre arama stratejisi ile dinamik olarak tekrar ettirir. Parametrelerin tekrarı prosedürü, bir mikro kompüter ile burada dinamik olarak yapılması müstesna laboratuarda pano üzerindeki potansiyometreleri deneme yanılma ile kullanan el ile parametre değiştirmesine analogtur.
Tahrik sisteminin referans modeli, tork kontrol devresindekine benzerdir ve mikro bilgisayarın hafızasında saklanır. Referans modeli, tork devresinin fiziki olarak referans modu hattına girebileceği şekilde işletmenin en kötü-durumu baz alınarak tayin edilir.Referans modunun matematiksel modeli saklanması zor olabilir ve gerçek zamanda çözülebilir. Uygun bir yol, modelin Gm(F) empulsiyon reaksiyonunu depolamak ve daha sonra aşağıdaki gibi girişim toplamı genel prensibi ile zaman menzilindeki referans modeli çözmektir:
(7.96)
Burada, Y(υ) reaksiyon, X (υ) ikaz ve Gm (υ) modelin empulsiyon reaksiyonudur.
Kayar Mod Kontrol
Kayıcı modda kontrol olarak bilinen değişken yapıda bir kontrol tekniği ac tahrik sistemlerine uygulanabilir (Ref.19). Bu, temel olarak bir adapte edilebilir referans modeldir (MRAC) ancak konvensiyonel MRAC sistemine nazaran gerçekleştirmesi daha kolaydır. Kayar kontrol modelin avantajı, tahrik sisteminin parametre varyasyonuna ve yük dağılım etkilerine reaksiyonudur ve bundan dolayı robot ve takım tezgahları tahrik sistemleri gibi servo uygulamalar için ideal şekilde uygundur. Kontrol metodu, transit araçlara, asansörlere, haddelere ve kapalı hız veya pozisyonda düzenlemenin arzu edildiği birden fazla makine tahriklerinin olduğu yerlere kadar genişletilebilir.
Kayar mod kontrolde, “referans model” veya önceden belirlenen bir faz düzlemdeki yörünge bir mikro bilgisayarın hafızasına depo edilir ve tahrik sistemi, işletme parametrelerinin varyasyonu ve yükün tork dağılımı göz önüne alınmaksızın, bir kontrol alogaritmasının bağlantısı ile bir “yörünge” boyunu takip etmeye veya boyunca kaymaya zorlanır.Mikro bilgisayar referans yörüngeden gerçek yörünge sapmasını bulur ve yolu takip etmeyi yeniden tesis etmek için bağlanma topografyasını uygun şekilde değiştirir.
Resim 7.39, bir indüksiyon motoru tahrik sisteminin kayıcı mod kontrol metodunu resimlemektedir. Kayar mod kontrol, primer pozisyon kontrol devresi içerisinde doğrudan gerçekleştirilir. Kontroller aşağıdaki çıktıları alırlar:
• X1 ile tarif edilen pozisyon devre hatasını
• X2 – Kw ilişkisi ile hız sinyalinden elde edilen X2 – dX1/ dt pozisyon hata hızını
• A amplitüd bir sabiteyi
Kontrolün U çıktısı bir kazanç sabitesi ile çarpılır ve gelişmiş torka doğru orantılı olan Iqx komuta aktivite akımı olarak beslenir. Sabit-tork modunda, rotorun akısına doğru orantılı olan Ids alan akımı sabit olarak muhafaza edilir. Vektör kontrolü ile, çeviricisi olan motor ve lokal kontrol ikinci-sıra sistemi olarak ideal şekilde temsil edilebilir.
X1 – X2 faz düzlemindeki kayıcı yörüngenin tarifi Resim 7.40’da açıklanmaktadır. Eğriler, sırası ile şaftın ileri ve geri dönüşüne tekabül eden dördüncü ve birinci karelerde gösterilmektedir. Dıştaki eğri (gölgeli olarak gösterilmektedir), hızlanmanın, hızın ve tahrik sisteminin yavaşlamasının limitleme değerleri ile belirlenmektedir. Normal olarak, işletme parametrelerinin varyasyonu, kesikli çizgilerle gösterildiği gibi bir band içinde sapmaya neden olur. Mesela, şayet J ataleti azalırsa, maksimum hızlanma ve yavaşlama limitleri daralacaktır. Kayıcı yörünge veya tahrik sisteminin takip etmeye icbar edildiği faz düzlemdeki referans çizgisi, sistemin kontrol edilebilir olması ve reaksiyonun sapma ile etkilenmeyecek şekilde sapma bandının arkasında tanımlanması gerekir. Burada tarif edilen kayıcı yörünge üç doğru-hat segmentten oluşmaktadır ve dördüncü kare içindeki denklemleri aşağıdaki gibidir:
1. Hızlanma segmenti:
(7.97)
burada, δ1 şartlara göre bir değişken ve onun işareti olarak gösterilmektedir:
Segment üzerindeki bir nokta için δ1 = 0
Segment üstünde bir nokta için δ > 0
Segment altında bir nokta için δ < 0
Hızlandırma eğrisi tarafından sınırlanan ayma B
Başlangıç pozisyon hatası Xin
2. Sabit hız segmenti:
(7.98)
burada δ2 (7.97) denklemi ile tarif edildiği gibi bir değişken ve X70 – (X20 < | Vm| ) maksimum hız
3. Yavaşlama segmenti:
(7.99)
burada δ3 (7.97) denkleminde tarif edilen bir değişken ve C yavaşlama limiti eğrisi ile sınırlanan eğimdir.
Belirlenen bir yörüngeyi takip eden gerçek kayıcı eğri, gösterildiği gibi, okun takip ettiği zig-zag çizgi ile gösterilmektedir. Sabit durumda, operasyon noktası faz düzleminin başlangıcında salınır. Yörünge, mümkün olduğu kadar limit eğrisine yakın ancak suboptimal geçici reaksiyona ulaşması için sapma bandının arkasında tarif edilmelidir. İkinci-sıra sistemin teorik olarak sadece X1 hata sinyalini ve kontrol çıkışları olarak X2 ikinci türevini istediği gösterilebilir (Ref. 17). A sabitesi, Kulomb sürtünmesi ve yükleme etkileri dolayısıyla sabit durum hatasını elimine etmek için enjekte edilir. Kayıcı mod kontrollerde, bütün girdi sinyalleri tek-kutup çift-yön (SPDT) anahtarlerle gönderilir ve sonuçta ortaya çıkan U sinyalini meydana getiren kazançlar şunlardır:
(7.100)
Kayıcı mod kontrol kuralı matematiksel olarak aşağıdaki gibi tarif edilebilir:
(7.101)
(7.102)
burada
(7.103)
α, γ, ve κ kazanç sabiteleri yörünge segmentinden segmentine değişebilir. Her segment için bu sabiteler, aşağıdaki mevcudiyet denklemini (Ref. 17) kullanan sistemlerin ralık modeli durumundan tayin edilebilir.
(7.104)
(7.105)
Diğer bir ifade ile, mevcut olma denkleminin geçerliliği reaksiyonun her anahtar durumunda yörüngeyi aşacağını garanti eder ve bu sistemin kayar mod ile kontrol edilebilir olması için vazgeçilmezdir. Uygulamada, kontrol edicisinin parametreleri, sistemin en iyi performansı için deneysel olarak hassas şekilde ayar edilir.δ’i çözen kontrolerin bir akış kartı uygun segment denkleminden çıkartılabilir ve (7.103) denkleminde verilen kriterlere göre SPDT anahtarlarının pozisyonunu belirler.
Resim 7.41, faz düzlemi yörüngesinden dönüştürülen kademe pozisyonu komutasına ait kayar mod kontroldeki zaman-menzili reaksiyonunu göstermektedir. Reaksiyondaki dengesizlik sinyallerin iyi şekilde çözülmesi, kısa örnekleme süresi hesaplaması ve dönüştürücünün geniş bağlantı frekansı ile tamamen ayarlanabilir.
