1. GİRİŞ
Asenkron makinalar, günümüz endüstrisinde tercih edilen ve tahrik sistemlerinde gerek kısa devre rotorlu gerekse bilezikli, sargı rotorlu olarak geniş kullanım yeri bulan makinalardır.
Geçmişte değişken hız gerektiren uygulamalarda uyarma ve endüvi akımları sayesinde akı ve momentin kolayca kontrol edilebildiği d.a makinaları tercih edilmiştir. Ancak d.a makinaları, komütasyon ve fırça düzeneklerinin bulunmasından dolayı büyük dezavantaja sahiptir. Bu düzeneklerin periyodik bakıma ihtiyaç göstermeleri, patlayıcı yada korozyona maruz ortamlarda kullanılmamaları, yüksek hız, yüksek gerilimli çalışma koşullan altında sınırlı komütasyon kapasitesine sahip olmaları d.a makinalarının kullanım alanının azalması için yeterli sebepleri oluşturur. Bu problemler, d.a makinalarm yapacağı işleri yapan ancak bu sakıncaları bulunmayan asenkron makinalara yönelinerek aşılır. Çünkü özellikle rotoru kısa devreli asenkron makinalar aynı güçteki diğer elektrik makinalarına göre daha ucuz ve hafiftir, basit yapıda, yüksek verimde çalışır, çok az arıza yapar, komütasyon ve firça düzeneklerinin bulunmaması nedeni ile daha az bakım gerektirir ve d.a makinalarm kullanılamadığı patlayıcı, korozyona maruz ortamlarda çalıştırılabilirler. Bütün bunlara ek olarak d.a makinalara oranla daha küçük boyutlu olan asenkron makinalar, yüksek çıkış güçleri için daha hafif, daha küçük döner kütleye sahiptir.[1],[2]
Ancak, asenkron makina, basit mekanik yapısına karşılık, oldukça karmaşık bir matematiksel yapıya sahiptir. Matematiksel olarak ortaya çıkan sistem, lineer olmayan (nonlineer) bir yapıdadır. Bu nedenle de asenkron makinanın hız ve konum kontrolü, oldukça karmaşık kontrol düzenekleri gerektirir.
Asenkron makinanın stator gerilimini anma değerinde sabit tutup, frekansını değiştirdiğimizde, frekansın anma değerin altına inmesi halinde, döner alan ve rotor hızı azalacak, buna karşılık stator akımı artacaktır. Frekansın anma değeri nin üstüne çıkması halinde ise, sabit stator gerilimi altında, stator akımı azalacaktır. Bunun nedeni, statora ve rotora ilişkin özendüktif reaktansların ve kaçak reaktansların, stator gerilimi frekansına bağlı olarak değişmeleridir. Bu nedenle sadece stator geriliminin frekansının değişimi ile asenkron makinanın hızını kontrol etmek, tercih edilmeyen bir yöntemdir
Sabit stator gerilimi ve frekansı altında, asenkron motorun hız kontrolünün bir diğer şekli de, çift kutup sayısının(p) değiştirilmesidir. Ancak bu işlem için yapılan hız denetimi kademeli olup, sadece iki farklı hız değerine ulaşılmasını sağlar. Kademe değişimlerinde akım sıçramaları oluşur. Bu nedenle pek kullanışlı bir yöntem değildir.
Asenkron makinanın bir faza indirgenmiş eşdeğer devresinden giderek, endüklenen moment ifadesi,
(1.1)
bağıntısı ile verilir. Statora uygulanan gerilimin frekansı sabit tutulduğunda, T, endüklenen moment, stator geriliminin efektif(~genlik) değerinin karesi ile orantılı değişmektedir. Bu yöntemle hız kontrol aralığı nd < n < ns ' dir. Burada nd devrilme momenti noktasındaki hızdır. Ancak bu yöntemin temel amacı asenkron motorun hızını değil, hızlanmasını kontrol etmektir. Durma halindeki motorun, stator geriliminin genliği, oto transformatör veya alternatif gerilim kıyıcısı ile yavaş yavaş yükseltilerek, motorun yumuşak yol alması sağlanır. Taşıyıcı(konveyör) bant, bobin sarma ve dokuma makinası gibi, yumuşak yol alması gerekli yüklerin tahriğinde kullanılır.
Yukarıda sözü geçen ve sakıncaları belirtilen kontrol yöntemlerinin sakıncalarını ortadan kaldıran ve asenkron motorun isteğe en uygun kontrolünü sağlayan yöntem, skaler kontrol yöntemidir. Bu yöntemde, statorda endüklenen gerilimin, statora uygulanan gerilimin frekansına oranı sabit kalacak biçimde, endüklenen gerilim ve frekans, birlikte değiştirilir. Uygulamalarda ise, statorda endüklenen gerilim yerine, stator uç gerilimi değiştirilir. Stator uç gerilimi, stator sargı direnci ve kaçak reaktansı üzerinde düşen gerilim ihmal edilirse, statorda endüklenen gerilime eşittir. Böylece, statordan rotora geçen hava aralığı akısı yM sabit tutulur. Akının sabit kalması ile, rotorda endüklenen momentin, stator gerilimi frekansının anma değerinin altındaki değerleri için, devrilme noktası momentinin sabit kalması sağlanır. Bunun fiziksel anlamı şudur: Anma değerinin altındaki farklı stator gerilimi frekansları ve mil hızları için, yüke aktarılan momentin değeri aynı kalır. Ancak, Usrms'in anma değerinin çok altına inildiği noktalarda, Is sabit olduğundan, Rs üzerinde düşen gerilim artık ihmal edilemez düzeye gelir. Buda endüklenen gerilimin çok küçülmesine ve hava aralığı akısının azalmasına neden olur. Bu nedenle belli bir frekans değerinin altında, Us / fs ilkesi uygulanamaz. Bu durumda gerilimin genliği sabit tutulup frekans düşürülür. Buna asenkron motorun skaler kontrolunda IR kompanzasyonu denir.[2]
Bütün bu durumlardan açıkça belli ki, asenkron motorun kontrolü için değişken genlik ve frekanslı, alternatif gerilim kaynağına gereksinim vardır. Günümüzde, güç elektroniğinde son yıllardaki gelişmelerle birlikte böyle bir gerilim kaynağı bulmak, aradevreli frekans çeviricilerle mümkündür.
Asenkron makinanın bilinen bir özelliği ise, moment-hız özeğrisinde, lineer çalışma bölgesi içinde kalındığı sürece, yüklendikçe mil hızının çok fazla düşmemesidir. Anma yükü ile yüklendiği durumda, hız, senkron devir hızın %4-%8 altına düşer. Duyarlı hız kontrolünün gerektiği kağıt, demir-çelik, dokuma ve cam fabrikaları gibi kuruluşlarda, her çeşit yükleme durumu için, mil hızının sabit kalması istenebilir. Bu durumda asenkron motorun kapalı çevrim kontrol düzenleri ile kontrol edilmesi gerekir. Hıza ilişkin bilgi, motor miline bağlı dairesel kodlayıcı(encoder) veya takogenaratör üzerinden alınır. İstenen(referans) değer ile mil hızı arasındaki fark, hata işareti olarak belirlenir. Hata işareti kontrolörde işlenerek, uygun kontrol işareti elde edilir. Bu kontrol işareti sürücüye uygulanıp, çeşitli yüklenme durumları için, asenkron motorun mil hızının istenen değerde sabit kalması sağlanır.
Günümüz piyasa uygulamalarında, kapalı çevrim konum, hız ve akım kontrolunda, kontrolör olarak PI(Oransal + Integral) veya PID(Oransal + İntegral + Türev) tipi kontrolörler kullanılır. Uzun yıllar boyunca bu tip kontrolörler analog olarak üretilmiştir. Günümüzde gelişen bilgisayar ve mikroişlemci teknolojisi ile, bu tip kontrolörler dijital olarak gerçeklenmektedir. Dijital kontrolör kartları, analog-dijital ve dijital - analog dönüştürücüleri, silinip-yazılabilir bellekleri ve mikroişlemcisi ile birlikte tek bir kart halinde üretilebilmektedir. Böylece pratik kullanıma son derece yatkın hale gelmiştir.[2],[3]
Günümüz piyasa uygulamalarında, PID kontrolörler için en uygun paremetrelerin belirlenmesi, genellikle deneme yanılma yöntemi ile yapılmaktadır. Tüm bunların yanı sıra, günümüzde giderek daha sık kullanılmaya başlanan kontrol yöntemlerinden biri de "Bulanık Kontrol" yöntemidir. Kullanılan sistemin bilinen parametrelere sahip uygun bir matematiksel modeli bulunuyorsa bu sistem, örneğin Bode ya da Nyquist diyagramlarıyla, analiz edilebilir ve uygun kontrolörler tasarlanabilir. Ancak eğer kullanılan sistem kesin matematiksel modelinin bilinmediği veya sistem parametrelerinde belirsizliklerin bulunduğu bir sistem ise içinden çıkılması güç bir problemle karşı karşıya kalınır zira böyle bir sistemin kontrolü ya yapılamaz ya da yapılan kontrolden düşük performans elde edilir. Ayrıca her sistemin matematiksel modelini çıkarmak da kolay değildir. Bu lisans tezinde yapılan çalışma, asenkron motor ve sürücüsünden oluşan sistemin önünde bulunan PID kontrolörün parametrelerinin bulanık kazanç ayarlama yöntemiyle ayarlanmasıdır.[3]
Bu bağlamda ilk önce, asenkron makinanın doğru ve sağlıklı bir şekilde kontrolü amaç edilmiştir. Bu amacın temelleri olan bilgiler Bölüm 2'de verilmiştir.
Bölüm 3'te asenkron makinanın değişik davranışlarının incelenmesi ve kontrolü için kullanılan Master-Drive ve Drive-Monitor programı anlatılmıştır.
Bölüm 4'te motor modelinin bulunması için yapılan yavaşlama deneyleri anlatılmış ve bulunan modele uygun tasarlanan PID algoritması ve S7-300 PLC programı verilmiştir.
Bölüm 5'te, bulanık kontol ile ilgili teorik bilgi ve motor kontrolü için tasarlanan PID’nin katsayılarını ayarlama yöntemi anlatılmış ve buna ilişkin Matlab/Simulink modelleri ve S7-300 PLC programı ve bunlar ile elde edilen sonuclar verilniştir.
