MİKRO İŞLEMCİLERE ASENKRON MOTOR HIZ KONTROLÜ

MİKRO İŞLEMCİLERLE ASENKRON MOTOR HIZ KONTROLÜ

Doç.Dr. Nurettin ABUT (*) Elk. Müh. Cemil ÖZ (**)

Abstract: A production variable frequency drive is described which uses an asyncronous motor and a microproscesor controlled current inverter. The control loops of the drive have been arranged so that the performance of the drive is extended to zero speed and to theoretical upper limit speed. The method adaptively modulates the inverter svvitching times so as to produce the maximum possible torque in the attached motor for the minimum AC peak current.

1 GİRİŞ İçerisinde bulunulan yüzyılın sonlarına doğru büyük bir ilerleme gösteren ve adeta takip edelimez bir hızla gelişen elektronik, güç elektroniği ve bilgisayar teknolojisi; kontrol teknolojisinde ve otomasyonda yeni ufuklar açmıştır. Enerji, zaman ve hassasiyetin ön plana çıktığı günümüz endüstrisinde; prosesde, iş makinalarında ve çeşitli amaçlarla kurulmuş sayısız sistemlerde kullanılan elektrik motorlarının ve bunların içerisinde birçok avantaj ve sistem tasarımındaki uygunluğuyla özellikle AC mo torların devirlerinin kontrolü önem kazanmıştır. AC mo torların hızlarının kontrolü DC motor kontrolüne göre zor olmaktadır. Ancak DC motorların üretim ve amortisman giderleri çok büyüktür. Fırçalarından çıkan kıvılcımlardan dolayı patlamalı ortamlarda kullanılamamaktadırlar. Bunun yanında AC motorların üretim giderleri az ve amor tisman giderleri ise ihmal edilebilir düzeydedir. Devirleri ise gerilimden bağımsız olarak frekansla ayarlanabilmek tedir.

Dolayısıyla bugün AC motorların devirlerinin kontrolü cazip hale gelmiştir, özellikle üç fazlı asenkron motor ların devirlerinin kontrolunda uluslararası düzeyde söz sahibi olan büyük firmalar çalışmaktadırlar. Daha önceleri sabit devirde çalıştırılıp mekanik olarak sınırlı bir hız ayarı yaparak özellikle sanayi tesislerinde kullanılan üç fazlı asenkron motorlar, bugün mikroişlemci

kontrollü güç elektroniği devreleriyle kumanda edilmek tedir. Bilgisayar teknolojisindeki gelişmeler paralelinde üç fazlı asenkron motor hız kontrol sistemleri de kar maşıklıktan kurtulmaktadır. Artık piyasada mikroişlemci kontrollü daha hassas kontrol sistemleri üretilmektedir.

2 DEVİR AY AR Y ÖNTEMLERİ Üç fazlı asenkron motorların DC motorlardan daha üstün özelliklere sahip olması hız kontrolünün sağlanması yö nünde bir çok çalışmaların yapılmasına yol açmıştır. Asenkron motorların hız ayarı temel olarak,

120f (1 S) 2p denkleminde görüldüğü gibi şu şekilde mümkün olmak tadır:

(2p) kutup sayısının değiştirilmesiyle, (f) frekansının değiştirilmesiyle.

2 1. (2p) Kutup Sayısının Değiştirilmesiyle Hız Ayarı

Sabit gerilim ve frekanslı şebekede çalışan bazı kısa devre rotorlu asenkron motorların kutup sayısını 1 ila 3 arasında azaltmak veya artırmak mümkündür. Motorun dakikadaki devir sayısı ise denklem (1)'deki gibidir. Görülmektedir ki, kutup sayısı devir sayısı ile ters orantılıdır. Yani kısa devre rotorlu asenkron motorun kutup sayısını değiştirerek hız ayarı yapılabilir. Bu hız ayar yöntemi sürekli hız ayarı istenmeyen, yalnız birkaç hız kademesi gereken sistemlerde kullanılabilir. Genelde üretilen asenkron motorların kutup sayıları sabit olmak tadır. Kutup sayısı değiştirilebilen motorlara dahlender bağlantılı motorlar denir.' Bunların uygulama alanları ol dukça sınırlıdır. Yarı iletken elemanlarla oluşturulan fre kans dönüştürücülerin geliştirilmesiyle bu yöntem kul lanılmamaktadır.

(•) ABUT. N. : 1 9 6 3 yılında Van'da doğdu, ilk ve orta öğrenimini aynı ilde tamamladı. Y ıldız Üniversitesinde 1 983'te lisans, 1 985'te yüksek lisansı bitirdi. Almanya'da A E G ve M Bahn GmbH firmalarında konusuyla ilgili araştırmalar yaptı. Berlin Teknik Üniver sitesi'nde araştırma projelerinde çalıştı. 1988 yılında Doktor, Mühendis oldu. Halen Y .Ü. Kocaeli Mühendislik Fakültesi Öğretim üyesidir.

(**) ÖZ , C: 1 9 6 7 yılında Çankırı'nın Kurşunlu ilçesinde doğdu. İlk öğrenimini aynı ilçede, ortaöğrenimini Ankara'da tamamladı. " 1989'daY ıldız Üniversitesi Kocaeli Mühendislik Fakültesi'nden mezun oldu.

, ..

,. <

.

.' •

37S ELEKTBBÖ? MÛHEW İSLİ6I

2 2. Frekans Değiştirilmesiyle Hız Ayarı Bir asenkron motorun hızı (1) denkleminde gösterildiği gi bidir. Görüldüğü gibi statora uygulanan gerilimin fre kansı, (fs) değiştirilerek motorun hızı kontrol edilebilir. Asenkron motorlarda moment, gerilimin karesiyle doğru orantılıdır. Şebeke geriliminin 380V, 50 Hz olduğu göz önüne alındığında, frekansla hız ayarı gerçekleştirmede asenkron motorun kararlı çalışabilmesi için momentin sabit kalması gerekir.

Mom=3(P/2) (Vs/We) 2 W s l m R r 'Rr+(Wslmlır)

(2)

denkleminde görüldüğü gibi, momentin kararlı kalması için, frekans değiştiğinde momentteki Vs değiştirilerek oran sabitlenebilir.

Önceleri devir ayarı hassas olarak yapılamamıştır. 1960'lı yılların başından itibaren güç elektroniğinin geliş mesiyle, sonraki yıllarda güç elektroniği elemanlarının bilgisayarlarla kontrolü amacıyla mikroişlemecilerin kul lanılması için çalışmalar yapıldı. Mikroişlemcili kontrol sistemlerinin geliştirilmesiyle asenkron motorlar büyük sistem tasarımlarında güvenilir bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır.

__Sabit «.o «en t bölgesi

Sabit güç bölgesi

DC seri motor esd.çal. J

ı1

1,0

1 A/yy\

V

e

<D O

\

Ih

Frekanslı»

Şekli 1 1 .a

3 AC MOTORLARIN MİKROİŞLEMCİ İLE KONTROLÜ 1968 yılının başında Intel tarafından ilk mikroişlemci ger çekleştirilmiştir. Günümüzde değişik firmalar tarafından değişik özelliklerde birçok mikroişlemci üretilmektedir. Mikroişlemcinin sanayide kullanılmaya başlamasıyla kontrol ve otomasyon teknolojisi hızlı b'r şekilde ilerleme göstermiştir.

Mikroişlemciler genel amaçlı bir kontrol, işlem ve he saplama yapabilmek için gerekli olan aritmetik, lojik, kontrol ünitelerinden oluşmuş bir tümleşik devredir. Bir program kontrolü altında aritmetik ve lojik işlemler yapar lar. Bellek ve giriş/çıkış üniteleri için kontrol sinyalleri üretirler. Mikroişlemciler yazılım programı ile yürütülen bir donanım sistemine sahiptirler.

Mikroişlemci sistem donanımına Hardvvare, sisteme giri len programa ise Softvvare adı verilir. Programları hafı zasında ardışıl ikili sayılarla oluşturulmuş kelimelerle de polarlar. Makina dilindeki programları işleyebilmek tedirler.

Mikroişlemciler, bir program ile yürütülen bir donanım sis temine sahip olduklarından, bu program vasıtasıyla çeşitli sistemleri, sürekli zamanda bir günlük, bir yıllık vb. gibi çalıştırabilmektedirler. Ayrıca program, ihtiyaç ve istekler karşısında yeniden tasarlanabilir.

Bugün, teknolojinin gelişmesi, sahasının genişlemesi ile birlikte üretimde dünya çapında bir standardizasyona gi dilmiştir. Günümüz üretim teknolojisinin ; seri üretim ve otomatik kontrol ilkesini benimsemesi, mikroişlemci kontrol sistemlerinin önemini de artırmıştır. Üretim tek nolojisinde bağımsız çalışan iş elemanları çok azdır. Bunlar da, bir sıra dahilinde süreç akışı içerisinde birbiri ne bağlı olarak belli değerler ölçüsünde çalışmaktadırlar. Üç fazlı asenkron motorlar da bir iş makinası elemanıdır. Çoğu zaman, geniş çaplı sistemlerde bir program dahilin de belirli sınırlarda çalışması gerekirler.

Moment T,ı

•ı»1

B

•ri

AU

0) •J

D

Stator kompanzasyon ser.düşünü

Oerı i}

Stator akım

2.5

Frekans—w "*

Şekil 1 1. b

Asenkron motorlarda moment karakteristikleri (a) Frekans momentjdü Frekans gerilim.

Mikroişlemciyle kontrolda, önce tasarlanmış olan prog ram işlemciye girilir. Kumandası istenen eleman kar maşık sistemlerde ve değişik işlerin yapımında kullanıla caksa, seri haberleşme yolu ile bilgisayara bağlanabilmektedir. Bilgisayarda yüksek seviyeli diller olarak adlandırlan Fotran, Basic, Cobol, Pascal gibi program dilleriyle veya probleme yönelik (Procedure Oriented) diller kullanılabilir. Bu program dillerindeki her komut genelde birçok asembler komutunu kapsar. Der leyici (Compiler) adı verilen programlarla da yüksek se viyeli program dilleri makina diline çevrilir.

Mikroişlemci asenkron motor kontrolünde; girilen hız değerine göre güç elektroniği elemanları için düzenli bir vurum (pulse) üretir. Aynı zamanda istenilen hız değerin de (duyarga) sensörler yardımıyla kararlı çalışmayı sağ lar. Kontrol edilen eleman bir sistem İçerisinde kullanı lıyor ise mikroişlemci programı, sistemden gelen verileri

198 375 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

de değerlendirir. Sistem için de bilgi ve kontrol verileri hazırlar.

Motor hız kontrolunda mikroişlemcinin sağladığı yararlar: Gerilim, akım, hız ve moment değişkenlerinin sezilmesi ve kontrolü çok hassastır. * ölçülen sistem değerlerinin kontrol için uygun bir biçi me sokulması,

Akım, hız ve ivme sınırlaması, Programlı hızlanma ve yavaşlama, Şebeke gerilimine eş zamanlama, Güç elektroniği elemanlarını uygun bir sırada tetikleye cek işaretlerin üretilmesi, Kontrol algoritmasının gerçekleştirilmesi, Kararlılık ve geçici rejimlerin cevaplarının istenilen dü zeye getirilmesi,

Gecikmelerin denetlenebilmesi, Hatalı çalışma durumlarının sezilmesi, nedenlerinin oto matik olarak bulunması, şeklinde sıralanabilir.

Kumanda

girişleri

Durum çıkısı

_J

Us t düzty bilgisayar için xr*yvz

MİKROBİLGİSAY AR

DENETİM

KORUMA

TEŞHİS

sayardan bir programla işlemciye aktarılmaktadır.

I. Prensip

Bu kontrol sisteminde devir ayar referans değerleri bir potansiyometre tarafınan üretilmektedir. Potansiyomet re, hız değerleri karşılığı bir gerilim üretmektedir. Bu üre tilen gerilim, motorun istenilen devirde çalışıp çalışmama durumunu sezmek için devirle orantılı olarak motor milin den alınan gerilimle karşılaştırılır. Bu karşılaştırma devre sine ise hız denetleyici adı verilmektedir.

Hız denetleyiciden elde edilecek akım üç fazlı şebeke den alınan referans akımıyla karşılaştırılır. Bu devreye ise akım denetleyici adı verilmektedir. Akım denetleyici si sonunda elde edilen anolog ayar verileri, A/D conver ter yardımıyla, mikroişlemcinin değerlendirebileceği sekiz bitlik (1 byte)'lık sayısal değerlere dönüştürülerek mikroişlemciye girilir. Mikroişlemci tasarlanmış olan programa göre, girilen ayar değerleri karşılığında denetim vurumlarım üreterek devir ayarını sağlar ve bu ayarda kararlılığı korur.

Şekil 1 31e blok şeması görülmekte olan denetim sistemi ayrıca seri haberleşme yolu ile bilgisayara bağlanabil mektedir. Mikroişlemci, tetikleme devrelerine kumanda etmektedir. Tetikleme devreleri, güç dönüştürücüler ola rak bilinen DC kıyıcılar, darbeli evirgeç veya altı darbeli genliği ayarlanabilir evirgeç için tetikleme vurumlarım üretir.

Ulıklt mc darbelerinin üretilmesi

Durum değişkenli, rinin sezilmesi

K, Besteme

Güç dönüştürücüsü

Sczicilfi

L

MOTOR

6802 mikroişlemcinin veri işleme büyüklüğü 1 (byte)'lıktır (00$ $FF arası), 256 değişik veri işlenebilmektedir. Ge nelde asenkron motorların devirleri yüksek olduğundan ancak kısıtlı bir devir kontrolü olacaktır. Fakat 00$ mini mum devir referansı ve FF$ maksimum devir referansı kodlaması ile belirli bir devir ayar kademesi elde edilip ara ayar değerleri ise tasarlanacak mekanik bir devre ile seçilebilmektedir. Ancak kontrol devrelerinde mekanik düzenler kullanılması istenilmez.

Ş«kll 1 2. Bir mikroişlemci temelli kontrol sisteminin bbk şeması.

Şekil 1 2'de bir asenkron motorun mikroişlemciyle kont rolünün blok şeması görülmektedir. Bilgisayara girilen kontrol değerleri seri haberleşme yolu ile mikroişlemciye aktarılır. Mikroişlemci aktarılan bu kontrol verilerine göre tetikleme devrelerine tetikleme vurumları üretir. Tetikle me devreleri, güç dönüştürücülere (de kıyıcı, inverter) ku manda eder sonuçta genliği ve frekansı değişken bir üç fazlı asenkron motor beslemesi elde edilir. Besleme, güç dönüştürücüleri ve asenkron motordan alınan gerilim, akım ve hız örnek değerleri ile motorun değerleri ile iste nilen ayarda kararlı çalışması sağlanır.

4 MİKROİŞLEMCİ DEVİR KONTROLÜ PRENSİPLERİ

Mikroişlemciyle devir kontrolü temelde iki tür olmaktadır. Devir ayar değerleri, giriş ünitesi yardımıyla bir A/D dönüştürücü devresinden girilmekte veya mikrobilgi

II. İlke

Mikroişlemcilerle devir kontrolunda izlenen ikinci yol ise ayar değerlerinin mikroişlemciye klavye vasıtasıyla sayı sal olarak girilmesidir. Böylece bir ayar kısıtlaması ol madığı gibi giriş ünitesi PIA yardımıyla sistem içi ve sis tem dışı değişik veriler de değerlendirilerek zor amaçlı ve değişik kullanım alanı oluşturulmaktadır. Bu ilkeyle de I. ilkede olduğu gibi mikroişlemci, devir ayarını gerçekleştirmek için denklem (1)'deki stator geri liminin frekansını değiştirirken diğer taraftan da moment kararlılığını sağlamak için stator geriliminin genliğini ayar lar. Motor devrinin ayarlanan devirde devamını sağlamak amacıyla motor milinden (optik çift) opto coupler yardı mıyla alınan düzenli değerler (zamanlayıcıya) timer'a saydırılır. Böylece ayarlanan devirde düzenli çalışması sağlanmış olur. Mikroişlemcinin bilgisayara bağlanmasıyla motor; seri üretimde, değişik sistemlerde programlı sürelerde kul lanılmaktadır.

199 375 ELEKTRİK

Kesme giriş acil durma

S binary giriş aç • a/dur d um ai

4 relay çıkısı hata

Utoaasyon sisteii

3 lojik Cikıs

|r

!I

, '3 kVA ve jyukan sı nda 1 ' '3 laz fan

4 analog giriş

r—HZI

Şekil 1 3. /. İlkeye göre mikroişlemdlik denetim sistemi blok şeması

« darbe gon.

Sistemden gelen ver,

LJ

Tetikleme dev. [fliriş ü.

Beeslene Güç dön Motor

Akın I sezici öTdlkl

Şekll 1 4. //. ilkeye göre düzenlenmiş mikroişlemci denetim sitemi blok şeması.

Pratik Tasarım

kodlama zor olacağından program önce bilgisayarda Asembler dilinden makina diline çevrilir ve RS 232 giriş/ çıkış sisteminden ECCB 6802ye yüklenir. ECCB 6802, herşeyden önce bir deney seti olduğundan kullanıcının geliştirmiş olduğu programları EPROM'a kay debilmesi için bir EPROM programlayıcısı vardır. Kendine has onbeş tane komutu bulunmaktadır. Deney setinde kaydedilmiş bir monitör programı vardır. Komutlar da bu programa göre işlemektedirler. ECCB 6802 deney setiy le asenkron motor hız kontrolü yapmak, kartı oldukça iyi kullanmakla mümkün olabilecektir. Ayrıca monitör prog ramında bazı değişikliklerin ve eklerin yapılması gerek mektedir, örneğin en büyük problemlerden birisi, deney setinin program çalıştırma komutu olan 7 komutu işlerken mikroişlemciye herhangi bir değer girilememek tedir. Öncellikle bu problemin çözülmesi gerekiyor. Burada üzerinde durulacak olan prensip daha çok II. de netim ilkesidir. Deney setinin kontrolü altında şehir şebe kesinden alınan 380 V, 50 Hz üç fazlı besleme, üçfazlı değişken gerilim ve frekanslı bir beslemeye dönüştürül mektedir. Önce üç fazlı kontrolsuz tam dalga doğrultucu ile sabit bir DC gerilim elde edilir. Bu DC gerilim ise,

US

(3)

5 ECCB 6802 MİKROİŞLEMCİ DENEY SETİY LE Y APILAN BİR PRATİK TASARIM

ECCB 6802 kartı, kullanıcının motorola 6802 Asembler dili ile onaltılık sayı sistemine göre düzenlenmiş tuş takımından hafızaya yükleyebildiği ve yüklemiş olduğu programı çaUştarabildiği bir eğitim amaçlı deney setidir. ECCB 6802'de yüksek seviyeli dil derleyicisi yoktur. Fakat karışık uzun ve ileri düzeyde programlar için elle

eşitliğini koruyacak şekilde üç fazlı genliği ve frekansı değiştirilebilen besleme haline getirilir. Genlik ayarlan ması, DC gerilim kıyıcısıyla denklem (4)'e göre yapılır.

US' UTe

(4)

2 0 0 375 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

Sonra altı darbeli evirgeç ile denklem (4)'e göre frekansa bağlı olarak ayarlanan DC gerilimler, frekansı değiştirilen üç fazlı besleme haline getirilir. ECCB 6802 kartı, DC kıyıcı ve inverter için kontrol vu rumları üretir. İstenilen devirde sabit momentle motoru kararlı.olarak çalıştırır. Üretilen sekiz vurumdan ikisi DC kıyıcı için, altı tanesi ise evirgeç devresi için kullanılır. Altı vurum periyodunun değişimi, elde edilecek gerilimin frekansını değiştirir. Altı transistorun mikroişlemciyle te tiklenmesi sağlandığında; bir periyodu, yani 360 dere ceyi 60 derecelik tetikleme aralıklarına ayırır, örneğin bir fazın pozitif aletnansını elde etmede ilk 120 derecede transistor tetiklenir. Bu belirli bir dereceye kadar oluşan harmonikleri önlemek içindir.

v. 1

vV/2 |

V/2 '"

|

1 1

1.

r . *V • V/2

ı—i

Yab

L_ J . v

Şekil 1 5. Yukarıdaki örneğe göre faz gerilim şekilleri.

Aşağıda DC gerilimin, üç fazlı frekansı ayarlanabilen bir

gerilim haline getirilmesi için altı darabeli evirgeç deneti

mini sağlayan asembler programı verilmiştir.

CLR A STA A COM A

«Fnm *tuuı

PlA'nın A portunu çıkış Portu olarak seçen

STA A LDA A STA A

$E000 #$04 $E001

° 9 P r

ram

ÖZ LDA A JRS LDA A JRS LDA A JRS LDA A

. JRS LDA A JRS LDA A JMP SWI

#$09 DELEY

#$21 Altı darbeli tetikleme DELEY değerleri #$24 DELEY #$06 DELEY #$12 DELEY #$18 ÖZ

DELEY STA A ÖZ1 LDX

DEX BNE RTS SWI

#$EO0O

$

Gecikme programı.

ÖZ1

Devrinin frekansla değişmesi gerçekleşitirilen asenkron motorun yüklenmesi sırasında denklem (4)'le verilen mo ment sabitini koruyabilmesi gerekir. Bunun için Frekans değişikliği karşısında DC kıyıcıyla Us gerilimi ayarlanır. Ancak olabilecek hataları önlemek amacıyla motor miline optik Çiftli bir donanım takılarak devir örneklenmesi yapılır. Bu örnekleme zamanlayıcı vasıtasıyla mikro cipte değerlendirilerek motorun kararlı çalışması sağ lanır. Sonuçta aşağıdaki şekilde üç fazlı asenkron motor denetim sistemi oluşturulabilir.

Yukarıdaki programda evirgeç tetikleme çıkışları prog ramın ikinci kısmındaki sıra ile çıkar ve gecikme prog ramında $.... kısma yazılacak olan $0000 $FFFF arası değer, programın ve dolayısıyla üretilen üç fazlı gerilimin frekansını değiştirir.

DEC

$....

BNE

Yukarıdaki gibi geciktirme komutları eklenerek zamanın daha uzun olması sağlanabilir.

Şekil 1 6. ECCB 6802 deney seti ile asenkron motor hız denetim şeması.

KAYNAKLAR

1. ABUTJf. "Lineer Machine» Control with Micropr Mort"Research report. TU Berlin, Institute für Elektric

he Machine. Bertin Vfest Germany, 1989.

BOSE, B.K. "Potver Electronic* and AC Driveı"Pren

tice Hail, EngUwood cliffs, New Jerry, 1986.

3. SLEMON, G.R., STRAÜGHEN, A. "Electric Machi ne*" Addison ıvesley Publishiny co. Inc. 1980.

HILBURN, J.L., JUUCH, P.M., "Microcomputeral

Microprotetort; Hardıvare, Softtvare, And Applica

tions" Prentice Hail, Inc. 1976.

c'

5. ÖZ. C. "MikroUlemciUrle Üç Fazlı Atemitvn Motor ların Hız Kontrolü" Y.Ü. Kocaeli Müh. Fak. Elektro

nik ve Haberleşme Böl. Bitirme Projesi. 1989.

_

201 375 ELEKTRİK