Doğrudan moment kontrolüne stator direncinin etkisinin incelenmesi ve sürekli mıknatıslı senkron motora uygulaması

Yıl 2022, Cilt: 12 Sayı: 4, 1102 - 1119, 15.10.2022

Ebubekir Bozkurt , Mehmet Polat

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1053544

Öz

Sürekli mıknatıslı senkron motorlar güç elektroniğindeki teknolojik gelişmelerle birlikte bazı üstün özellikleri sebebiyle kullanımı gittikçe yaygınlaşan bir motor türüdür. Bu motorların sıfır hızda bile maksimum moment üretebilmeleri, bakım maliyetlerinin düşük, güç/ağırlık oranının yüksek olması kullanımını artırmıştır. Bu çalışmada vektör kontrol yöntemlerinden doğrudan moment kontrol yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem motorun çalışmasına bağlı olarak sıcaklık artışı sonucunda meydana gelen stator sargı direncinin değişimi göz önünde bulundurularak incelenmiş ve gerilim kaynaklı gerilim kontrollü bir everici devresi kullanılarak sürekli mıknatıslı senkron motora uygulanmıştır. Motorun modellenmesi d-q modeli ile yapılmış ve benzetim çalışmasında bu model kullanılmıştır. Motorun doğrudan moment kontrolünü gerçekleştirmek için motora uygulanan akım ve gerilim bilgileri kullanılarak moment ve akı hesaplamaları yapılmıştır. Elde edilen akı ve moment hataları histerezis karşılaştırıcıya giriş olarak uygulanmıştır. Evirici kontrolünde kullanılan darbe genişlik modülasyon yöntemindeki anahtarlama stratejileri histerezis çıkıştan elde edilen veriler kullanılarak sürekli mıknatıslı senkron motorun moment ve hız kontrolünü gerçekleştirmiştir. Sargı direncinin sıcaklıkla değişimi, motorun farklı hız ve moment kontrolü üzerindeki etkisi diğer tüm motor parametreleri sabit tutularak incelenmiştir. Benzetim çalışmaları ile stator sargı direncinin motorun hız ve moment kontrolü üzerindeki etkisi gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Doğrudan moment kontrolü, Hız kontrolü, Modelleme, Sargı direncinin etkisi, Sürekli mıknatıslı senkron motor

Investigation of the effect of stator resistance on direct torque control and application of permanent magnet synchronous motor

Öz

Permanent magnet synchronous motors are a type of motor that is becoming more and more popular due to some superior features together with the technological developments in power electronics. The fact that these motors can produce maximum torque even at zero speed, low maintenance costs and high power/weight ratio has increased their use. In this study, the direct torque control method from vector control methods was used. This method has been investigated by considering the change in the stator winding resistance caused by the temperature increase depending on the operation of the motor and has been applied to a permanent magnet synchronous motor by using a voltage-sourced voltage-controlled inverter circuit. The modeling of the electric motor has done with the d-q model and this model has used in the simulation study. In order to realize the direct torque control of the motor, torque and flux calculations have been made using the current and voltage data applied to the motor. The obtained flux and torque errors have been applied as input to the hysteresis comparator. The switching strategies in the pulse width modulation method used in the inverter control have realized the torque and speed control of the permanent magnet synchronous motor by using the data obtained from the hysteresis output. The variation of winding resistance with temperature and its effect on different speeds and torque control of the motor has been investigated by keeping all other motor parameters constant. The effect of the stator winding resistance on the speed and torque control of the motor has been shown in simulation studies.

Anahtar Kelimeler

Direct torque control, Speed control, Modelling, Effect of winding resistance, Permanent magnet synchronous motor

Kaynakça

• Akyol, I. E., & Soylemez, M. T. (2017). Position sensorless field oriented control of IPMSM under parameter Uncertainties. IFAC-PapersOnLine, 50(1), 14501-14506.
• Araz, H. K., & Yilmaz, M. (2020). Design procedure and implementation of a high-efficiency PMSM with reduced magnet-mass and torque-ripple for electric vehicles. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35(2), 1089-1109.
• Asker, M. E. (2009). Sürekli mıknatıslı senkron motorlara vektör ve doğrudan moment kontrol yöntemlerinin uygulanması. [Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Baneira F., Asiminoaei L., Doval-Gandoy J., Delpino H., Yepes A. G., & Godbersen J. (2019). Estimation method of stator winding resistance for ınduction motor drives based on dc-signal ınjection suitable for low ınertia. IEEE Transactions on Power Electronics, 34(6), 5646-5654. https://doi: 10.1109/TPEL.2018.2869412
• Bilgin O., & Kazan F. A. (2008). Sabit mıknatıslı senkron motorun alan yönlendirmeli kontrolü ve simülasyonu. 2008 Elektrik - Elektronik Ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu (ELECO) (pp. 1-5), Bursa.
• Cao, B., Grainger, B. M., Wang, X., Zou, Y., Reed, G. F., & Mao, Z. H. (2020). Direct torque model predictive control of a five-phase permanent magnet synchronous motor. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(2), 2346-2360. https://doi: 10.1109/TPEL.2020.3011312
• Çelik, H. (2012). Sabit mıknatıslı senkron motorun DSP tabanlı doğrudan moment kontrolü. [Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Çelik, H., & KÜRÜM, H. (2013). Sabit mıknatıslı senkron motorun alan yönlendirmeli kontrolü. Engineering Sciences, 8(1), 67-85. https://doi:10.12739/nwsaes.v8i1.5000066828
• Çiftçi, A., & Dursun, M. (2017). Değişken hızlı rüzgâr türbinlerinde kullanılan sürekli mıknatıslı senkron generatörün maksimum güç izleme algoritması ile vektör kontrolü. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 5(2), 356-369.
• Dalcalı, A., & Ocak C. (2018). Farklı mıknatıs malzemelerinin yüzey mıknatıslı doğrudan tahrikli sabit mıknatıslı senkron motor performansına etkisi. Journal Of Awareness, 3(5), 217-224.
• Deng, W., Li, H., & Rong, J. (2020). A novel direct torque control of matrix converter-fed PMSM drives using dynamic sector boundary for common-mode voltage minimization. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 68(1), 70-80. https://doi: 10.1109/TIE.2019.2962408
• Hartani, K., Sekour, M. H., & Draou, A. (2013). A new direct torque control scheme for PMSM with on-line stator resistance tuning. In 4th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives (ss. 721-726). IEEE. https://doi: 10.1109/PowerEng.2013.6635699
• Kivanc, O. C., & Ozturk, S. B. (2018). Sensorless PMSM drive based on stator feedforward voltage estimation improved with MRAS multiparameter estimation. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 23(3), 1326-1337.
• Kürüm, H. Y., & Akın, E. (2018). Sabit mıknatıslı senkron motorun parametre tespiti. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(1), 183-191.
• Li, H., Wang, Z., Xu, Z., Wang, X., & Hu, Y. (2020). Feedback linearization based direct torque control for IPMSMs. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(3), 3135-3148.
• Vaez-Zadeh, S. (2018). Analysis of a DTC with back EMF oriented voltage for PMS motor drives. IEEE Transactions on Energy Conversion, 33(3), 1594-1596.
• Wang, M., Sun, D., Ke, W., & Nian, H. (2020). A universal lookup table-based direct torque control for OW-PMSM drives. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(6), 6188-6191. https://doi: 10.1109/TPEL.2020.3037202
• Wang, X., Wang, Z., & Xu, Z. (2018). A hybrid direct torque control scheme for dual three-phase PMSM drives with improved operation performance. IEEE Transactions on Power Electronics, 34(2), 1622-1634. https://doi: 10.1109/TPEL.2018.2835454 Wang, Z., Wang, X., Cao, J., Cheng, M., & Hu, Y. (2017). Direct torque control of T-NPC inverters-fed double-stator-winding PMSM drives with SVM. IEEE Transactions on Power Electronics, 33(2), 1541-1553. https://doi: 10.1109/TPEL.2017.2689008
• Wilson, S. D., Stewart, P., & Taylor, B. P. (2010). Methods of resistance estimation in permanent magnet synchronous motors for real-time thermal management. IEEE Transactions on Energy Conversion, 25(3), 698-707. https://doi: 10.1109/TEC.2010.2051811
• Ye, X., & Zhang, T. (2010). Direct torque control of permanent magnet synchronous motor using space vector modulation. In 2010 Chinese Control and Decision Conference (ss. 1450-1453). IEEE. https://doi: 10.1109/CCDC.2010.5498221
• Zhang, Z., & Liu, X. (2019). A duty ratio control strategy to reduce both torque and flux ripples of DTC for permanent magnet synchronous machines. IEEE Access 7 (ss. 11820-11828). https://doi: 10.1109/ACCESS.2019.2892121
• Zhang, K., Fan, M., Yang, Y., Chen, R., Zhu, Z., Garcia, C., & Rodriguez, J. (2020). Tolerant sequential model predictive direct torque control of permanent magnet synchronous machine drives. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 6(3), 1167-1176. https://doi: 10.1109/TTE.2020.3008828
• Zhong, L., Rahman, M. F., Hu, W. Y., & Lim, K. W. (1997). Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives. IEEE transactions on power electronics, 12(3), 528-536. https://doi: 10.1109/63.575680 Zhu, Z. Q., Zhu, X., Sun, P. D., & Howe, D. (2007). Estimation of winding resistance and PM flux-linkage in brushless AC machines by reduced-order extended Kalman Filter. In 2007 IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control (ss. 740-745). IEEE. https://doi: 10.1109/ICNSC.2007.372872