Alan yönlendirmeli kontrol yöntemi kulanılan kalıcı mıknatıslı senkron motorun hız ve tork performansının incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorun (KMSM) nominal hızının altında ve üzerindeki çalışma rejimlerinde sergilediği elektriksel tepkiler analiz edilmiştir. Motor davranışı, 500–6000 rpm aralığında, PI denetleyici tabanlı Alan Yönlendirmeli Kontrol (FOC) sistemine entegre edilen alan zayıflatma stratejisi kullanılarak MATLAB/Simulink ortamında simüle edilmiştir. Modelde, motorun nominal hızı 3000 rpm olarak tanımlanmıştır. Yalnızca FOC yöntemi uygulandığında, motorun nominal hız üzerindeki çalışması, gerilim sınırları nedeniyle kısıtlanmaktadır. Bu durum özellikle yüksek hızlı tahrik sistemlerinde önemli bir kısıt oluşturur. Bu çalışmada, mevcut FOC yapısına alan zayıflatma stratejisi entegre edilerek söz konusu kısıtın aşılması hedeflenmiş ve böylece ilgili kontrol yaklaşımının daha gelişmiş ve uygulanabilir bir versiyonu ortaya konmuştur. Nominal hızın üzerindeki çalışma koşullarında d-ekseni akım bileşenine ters yönde referans akım değerleri verilerek rotorun manyetik akısı sınırlandırılmış; her bir hedef hız değeri için rotorun gerçek hızı, d-q eksenlerindeki akım bileşenleri, gerçek tork ve üç faz stator akımları tespit edilmiştir. Alan zayıflatma tekniği ile, gerilim sınırlarını aşmadan uygulanan ters yöndeki d-ekseni akımı sayesinde manyetik akı etkin biçimde zayıflatılmış ve motorun daha yüksek hızlara ulaşması sağlanmıştır. Elde edilen bulgular, alan zayıflatma tekniğinin yalnızca 3000 rpm ve üzerindeki hızlarda devreye girdiğini göstermiştir. Artan devirle birlikte, alan zayıflatma süresi 0,082 saniyeden 0,885 saniyeye, ters yöndeki d-ekseni akım genliği ise –42 A’dan –77 A’ya kadar artış göstermiştir. Referans hız arttıkça yerleşme süresinin de uzadığı ama en yüksek devirde bile 1s altında kalarak sistemin dinamik performansının yeterli olduğu gözlenmiştir. Alan zayıflatmanın etkili olduğu hız seviyelerinde motorun daha yüksek hızlara başarıyla ulaştığı belirlenmiştir. Ayrıca, 6000 rpm’de elde edilen %0.01’lik aşım yüzdesi ve 0.885s’lik yerleşme süresi, kontrol yapısının yüksek hızlarda dahi kararlı, hızlı ve aşırı salınımsız çalıştığını göstermektedir. Bu yönüyle sunulan kontrol stratejisi, özellikle yüksek hızlı tahrik sistemleri için uygulanabilir, güvenilir ve verimli bir çözüm ortaya koymaktadır.In this thesis study, the electrical responses of a Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) under operating conditions below and above its nominal speed is analyzed. The motor behavior is simulated in the MATLAB/Simulink program within the speed range of 500–6000 rpm using a Field-Oriented Control (FOC) system based on a PI controller, integrated with a field weakening strategy. In the model, the nominal speed of the motor is defined as 3000 rpm. When only the FOC method is applied, operation above nominal speed is limited due to voltage constraints. This limitation poses a significant challenge, particularly in high-speed drive systems. In this study, a field weakening strategy is integrated into the existing FOC structure to overcome this constraint, resulting in a more advanced and applicable version of the control approach. In operating conditions above the nominal speed, a negative reference is applied to the daxis current component to limit the rotor magnetic flux. For each target speed value, the actual rotor speed, d-q axis current components, actual torque, and three-phase stator currents is observed. With the application of the field weakening technique, magnetic flux is effectively reduced through the applied negative d-axis current without exceeding voltage limits, enabling the motor to reach higher speeds. The findings showed that the field weakening technique is activated only at speeds of 3000 rpm and above. As the speed increased, the duration of the field weakening period extended from 0.082 seconds to 0.885 seconds, and the magnitude of the negative d-axis current increased from –42 A to –77 A. Although the settling time extended as the reference speed increased, it remained under 1 second even at the highest speed, indicating that the system maintained sufficient dynamic performance. It is observed that the motor successfully reaches higher speeds at the speed levels where field weakening is effective. Furthermore, at 6000 rpm, the overshoot percentage of 0.01% and the settling time of 0.885 seconds demonstrated that the control structure operated in a stable, fast, and low-oscillation manner even at high speeds. In this respect, the proposed control strategy offers a practical, reliable, and efficient solution, especially for high-speed drive systems.