Empedans kaynaklı inverterin işlemsel zeka tabanlı kontrolü

Abstract

Gelişen teknoloji ile birlikte elektrikli motor kullanımı gün geçtikçe yaygınlaştığından motor kontrolü ile ilgili çalışmalar popüler hale gelmiştir. Elektrik motorları sürücü sistemleri açısından değerlendirildiğinde, DC motor, endüksiyon motoru ve sabit mıknatıslı asenkron motor olarak farklı kategorilerde incelenebilir. Özellikle son yıllarda endüksiyon motorlar üzerine yapılan çalışmaların, DC motorlar üzerine yapılan çalışmalara göre daha yaygın olduğu görülmektedir. Gelişmiş elektrikli motorlarda,sisteminverimliçalışmasısürücüdevresindekullanılaninvertermodeline ve bu model için gerekli olan kontrol ünitelerinin tasarımına bağlıdır. Bu kontrol ünitesinin tasarımı hem güvenlik hem de performans kriterlerini sağlamalıdır. Inverterlere yönelik çalışmalarda özellikle verimi arttırmak adına transformatörsüz modeller üzerine yoğunlaşılmış ve bu durum neticesinde hem yükseltme hem de düşürücü modda çalışabilen ve bir DC-DC düşürücü devresine ihtiyaç duymayan empedans kaynaklı inverter modeli popüler hale gelmiştir. ˙Inverterlerin tasarımı ve kontrolü, güç aktarımını maksimuma çıkarmak ve toplam güç dönüşüm sisteminin çalışma verimliliğini ve güvenilirliğini arttırmak için çok önemlidir. Dijital teknolojilerdeki hızlı gelişmeler tasarımcılara, paralel programlamayı temel alan Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) kullanarak kontrolör tasarlama seçeneği kazandırmıştır. FPGA’ların klasik mikroişlemcilere göre birçok avantaj sağladığıgerçeğigüçelektroniğitemelalanlarındaözelliklemotorsürücüdevrelerinin tasarımlarında tercih edilmelerini sağlamıştır. Bu avantajlar temel olarak hız, düşük güç tüketimi, tasarımda getirdiği rahatlık ve uyarlanabilirlik olarak sıralanabilir.

İşlemsel zekâ tabanlı yapıların sağladığı başarılı sonuçlar, kolay uygulanabilirliği ve işlem rahatlıkları sayesinde oldukça yaygınlaştığı görülmektedir. Güç elektroniği devre tasarımlarında, sezgisel algoritmaların kullanımı, özellikle devre parametrelerinin optimizasyonu sürecinde sunduğu verimli sonuçlar nedeniyle artmaktadır. Ancak, parametre optimizasyonu için rastgele süreçlere dayanan bu modellerin kontrol yapısının tasarımında kullanımı devreyi kararsızlığa götürebileceğinden mümkün olmamaktadır. Bu tez çalışmasının ilk aşamasında, güç elektroniği devre tasarımlarında kullanılabilecek, sezgisel algoritma temelli yeni bir optimizasyon yaklaşımı olan iteratif indirgemeli sezgisel algoritma (Iterative Reduction based Heuristic Algorithm-IRHA) önerilmiştir. Önerilen yöntemin teorik analizi yapılarak, empedans kaynaklı inverter (Z Source Inverter-ZSI) için uyguluğu ispat edilmiştir. Sonraki aşamada simülasyon ortamında, elde edilen kapalı çevrim sistemin referans takibinde göstermiş olduğu performans ile güvenilirliği kanıtlanmıştır. Son aşamada ise, önerilen kapalı çevrim kontrol yapısı ile darbe genişlik modülasyonu (Pulse Width Modulation-PWM) kontrol yapıları FPGA (Nexys 4 DDR, Xilinx Company) üzerinde paralel programlama tekniği ile gerçeklenmiştir. Bu sayede kompakt bir kontrol ünitesi sunulmuş ve bu ünitenin başarımı laboratuvar ortamında asenkron motorların çalışma aralıkları düşünülerek belirlenen farklı gerilim seviyeleri altında alınan sonuçlar ile ispatlanmıştır. Alınan sonuçlarda, giriş geriliminde meydana gelen %30’a varan değişimlere sistemin başarılı bir tepki verdiği ve FPGA teknolojisinin hızı sayesinde anlık sıçramaların %5’ler seviyesine düşürüldüğü gözlenmiştir.