FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORUNUN PLC ĠLE HIZ KONTROLÜ

Transkript

1 T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORUNUN PLC ĠLE HIZ KONTROLÜ ALĠ AKTUNA MUSTAFA UZUN PROF. DR. A. Sefa AKPINAR MAYIS 2012 TRABZON i

2 LĠSANS BĠTĠRME PROJESĠ ONAY FORMU Ali AKTUNA ve Mustafa UZUN tarafından Prof. Dr. A. Sefa AKPINAR yönetiminde FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORUNUN PLC ĠLE HIZ KONTROLÜ baģlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiģ, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiģtir. DanıĢman : Prof. Dr. A. Sefa AKPINAR Jüri Üyesi 1 : Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ Jüri Üyesi 2 : Yrd.Doç. Dr. H. Ġ. OKUMUġ Bölüm BaĢkanı : Prof. Dr. Ġ. H. ALTAġ ii

3 ÖNSÖZ Bu bitirme projesinin hazırlanmasında emeği geçen kıymetli hocamız Sayın Prof. Dr. A. Sefa AKPINAR a ve Elektrik Mühendis adayı Recep HURMADAROĞLU na teģekkürü bir borç biliriz. Ayrıca bu çalıģmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne, Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm BaĢkanlığına en içten teģekkürlerimizi sunarız. Her Ģeyden öte, eğitimimiz süresince bize her konuda tam destek veren ailelerimize ve bize hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygı ve sevgilerimizi sunarız. MAYIS 2012 Mustafa UZUN, Ali AKTUNA. iii

4 ĠÇĠNDEKĠLER Lisans Bitirme Projesi Onay Formu ii Önsöz iii Ġçindekiler iv Özet vi Semboller Ve Kısaltmalar vii ġekiller Dizini viii Çizelgeler Dizin ix 1. GiriĢ Fırçasız Doğru Akım Motoru (FDAM) Fırçasız Doğru Akım Motoru Yapısı Stator Rotor Konum Sensörleri Fırçasız Doğru Akım Motoru'nun ÇalıĢama Prensibi Fırçasız Doğru Akım Motoru'nun Hız Kontrolü Üç Fazlı Tam Dalga Yıldız bağlı Fırçasız Doğru Akım Motorunun Kontrolü Üç Fazlı Yarım Dalga Yıldız bağlı Fırçasız Doğru Akım Motorunun Kontrolü 9 2. Yapılan ÇalıĢmalar ÇalıĢmada Kullanılan Elemanlar ve Sistemdeki görevleri Siemens S7 200 PLC ÇalıĢmada Kullanılan PLC Program VE (AND) Kapısı Optokuplör Dirençler Mosfetler Fırçasız Doğru Akım Motoru Tasarımın GerçekleĢtirilmesi Baskı Devresinin Çizimi Sistemin Genel ÇalıĢması Deneysel ÇalıĢmalar Sonuç 6. Öneriler Kaynaklar iv

5 Ekler EK 1. ÇalıĢma Takvimi EK 2. Standartlar Ve Kısıtlar EK 3. Maliyet Hesabı ÖzgeçmiĢ v

6 ÖZET Bu çalıģmada Fırçasız Doğru Akım Motorunun PLC ile hız kontrolü üzerinde durulmuģtur. Fırçasız Doğru Akım Motorunun kontrolü yapılırken farklı aģamalardan geçilerek sürücü sisteminin oluģturulması ve bu sürücü sistemini denetleyecek PLC nin seçimi ve programlanması bu çalıģmada ana unsurları oluģturmaktadır. Fırçasız Doğru Akım Motorları günümüzde ilerleyen teknoloji koģullarında bir çok uygulama alanında kullanılmaktadır. PLC ise endüstriyel otomasyon sistemlerinde oldukça yaygın kullanılan bir kontrol mekanizmasıdır. ĠĢte bu çalıģmada ilerisi çok parlak olan Fırçasız Doğru Akım Motorunun uygun anahtarlama ve sürücü sistemi ile beraber PLC yardımıyla hız kontrolü gerçekleģtirilmiģtir. Birinci bölümde uygulamanın anlaģılabilirliği için teorik bilgilere yer verilmiģtir. Ġkinci bölümde Sistemin tasarlanmasında kullanılan malzeme seçimleri ve sistemin hangi unsurunu oluģturacakları belirtilmiģtir. Daha sonrasında tasarım gerçekleģtirip, deneysel sonuçlarını elde edilip ilgili sonuç ve öneriler sunulmuģtur. vi

7 SEMBOLLER VE KISALTMALAR V : Volt A : Akım R : Direnç B : Manyetik Ġndüksiyon H : Manyetik Alan ġiddeti Ω : Ohm T : Saniye n : Hız (devir/dakika) m : Metre d : Uzunluk K : Sabit Ig : Mosfet Kapı Akımı Id : Mosfet Drain Akımı Is : Mosfet Source Akımı Vgs : Mosfet Kapı Gerilimi PLC : Programlanabilir Lojik Kontrolör FDAM : Fırçasız Doğru Akım Motoru CPU : Merkezi ĠĢlemci Birimi PC : Bilgisayar DC : Doğru Akım vii

8 ġekġller DĠZĠNĠ ġekil 1.1. Fırçasız Doğru Akım Motorunun genel yapısı. 1 ġekil 1.2. Statorun genel yapısı. 2 ġekil 1.3. Rotorun genel yapısı 3 ġekil 1.4. Alnico, Ferrit ve Nadir malzemelerin B-H karakteristikleri 4 ġekil 1.5. Hall Elemanının yapısı. 5 ġekil 1.6. Üç fazlı tam dalga yıldız bağlantının anahtarlama devresi. 7 ġekil 1.7. Üç fazlı yarım dalga yıldız bağlantının anahtarlama devresi 9 ġekil 2.1. Projeye ait merdiven diyagramı. 13 ġekil 2.2. VE (AND) lojik kapısı. 16 ġekil 2.3. Optokuplör ün elektriksel eģdeğeri 17 ġekil 2.4. Devrede kullanılan dirençler 18 ġekil 2.5. Mosfet in elektriksel eģdeğeri. 19 ġekil 2.6. Fırçasız Doğru Akım Motoru. 20 ġekil 3.1. Proteus Isis programında çizilen sürücü devresi. 22 ġekil 3.2. Proteus Ares programında çizdiğimiz baskı devre 23 ġekil 3.3. Sistemin son hali. 24 ġekil 4.1. Hız-Zaman grafiği 25 ġekil 4.2. Akım-Zaman grafiği. 26 ġekil 5.1. Maliyet hesabı yapılan devrenin elemanları. EK 3 viii

9 ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ Çizelge 1. Fırçasız Doğru Akım Motorunun anahtarlama. Konumları 8 Çizelge 2. Programın Simatic S7-200 dilinde yazılıģı 15 Çizelge 3. VE kapısı doğruluk tablosu. 16 Çizelge 4. Direnç renk kodları. 18 Çizelge 5. Maliyet hesabı EK ix

10 1. GĠRĠġ Bu bölümde Fırçasız Doğru Akım Motorunun yapısı, çalıģma prensibi ve kullanım alanları hakkında genel bilgi verilecektir FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORU (FDAM) Fırçasız doğru Akım Motoru sürekli mıknatıslı bir motor türüdür. Bu motorlarda fırça ve kollektör bulunmamaktadır. Bu özelliğiyle ark oluģumu olmamakta ve yanıcı ve patlayıcı ortamlarda kullanma imkanı sağlamaktadır. Ayrıca periyodik bakımda gerektirmezler. Genellikle küçük güçlerde ve yüksek hızlarda kullanım için imal edilirler FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORUNUN YAPISI Fırçasız Doğru Akım Motorları; stator, rotor, sürekli mıknatıs, sargılar ve konum sensörlerinden meydana gelmektedir. Fırçasız Doğru Akım Motorunun genel yapısı ġekil 1.1 de gösterilmektedir. ġekil 1.1. Fırçasız Doğru Akım Motorunun genel yapısı[1]. 1

11 Stator Stator, Fırçasız Doğru Akım Motoru nun duran kısmı olup sargıların sarıldığı yerdir. Belirli kalınlıklarda silisyumlu saçlardan özel kalıplarla preslenerek yapılırlar. ġekil 1.2 de bir stator yapısı görülmektedir. Sürekli mıknatıslı fırçasız motorlarda stator içte veya dıģta olabilir. Genellikle stator içte bulunur. Statorun boyutları, motorun gücünün büyüklüğüne bağlı olarak değiģmektedir. ġekil 1.2. Statorun genel yapısı[1]. 2

12 Rotor Fırçasız Doğru Akım Motoru nun dönen kısmına rotor denir. Rotor sürekli mıknatıstan oluģmaktadır. Rotorun sürekli mıknatıstan yapılmıģ olması, motorun kollektör ve fırçalar kullanılmadığı anlamına gelmektedir. Bu nedenle de ark olayı olmaz, sürekli bakım gerektirmezler ve sürtünme kayıpları da azdır. Sürekli mıknatıslı fırçasız motorlarda rotorun içte veya dıģta olması önemli değildir. Çoğunlukla sürekli mıknatıs dıģtadır. ġekil 1.3 de Rotorun genel yapısı görülmektedir. ġekil 1.3. Rotorun genel yapısı[1]. Rotorda kullanılan sürekli mıknatıs türleri; alnico, ferrit veya nadir malzemelerdir. Alnico; en çok kullanılan seramik malzemedir. Bu seramik malzemeler ucuz, B-H enerji çarpanı küçük olan malzemelerdir. Sıcaklıktan çok etkilenirler. ġekil1.4 de B-H karakteristiği gösterilmiģtir. Ferrit; alnico yla benzer özellikleri taģımaktadır. ġekil 1.4 de B-H karakteristiğinde gösterilmiģtir. 3

13 Nadir; az bulunan malzemelerdir. B-H enerji çarpanı büyüktür. Sıcaklıktan kolay kolay etkilenmezler. Bazı türleri çok pahalıdır. ġekil 1.4 de B-H karakteristiğinde gösterilmiģtir. ġekil 1.4. Alnico, Ferrit ve Nadir malzemelerin B-H karakteristikleri[2] Konum Sensörleri Fırçasız Doğru Akım Motoru nun çalıģması için konum sensörüne ihtiyaç vardır. Amacı rotorun konum bilgisini iģlemciye göndererek, stator sargılarının düzgün olarak tetiklenmesini sağlar. Burada kullanılan konum sensörü, çok çeģitli olabilir. Günümüzde kullanılan Fırçasız Doğru Akım Motor larında kullanılan pozisyon sensörleri Ģunlardır[2]; Hall elemanları Sıfır geçiģ dedektörleri EMK lı algılayıcılar Optik algılayıcılar En çok kullanılan konum algılama sensörü hall elemanı olduğundan, burada sadece hall elemanından söz edilecektir. 4

14 Hall Elemanı; genellikle küçük güçlü motorlarda rotor konumu algılamak için kullanılırlar. Bilgisayar teknolojilerinde entegre devre olarak kullanılan Hall Elemanı dört uçtan meydana gelir. ġekil 1.5 de gösterildiği gibi Hall Elemanının akım ve gerilim uçları olarak iki kısım olmakta ve A1, A2, G1, G2 uçlarından oluģmaktadır. A1, A2 akım uçları, G1, G2 gerilim uçlarıdır. Ancak akım ve gerilim uçlarının ikisi birleģtirilerek dıģ ortama üç uç çıkarılmaktadır. ġekil 1.5. Hall Elemanının yapısı[2]. Vh = (Ic. Rh. B. sinθ)/d (1.1) θ = B nin A yüzeyine göre açısı Ic, Rh, d sabit ise; Vh = K. B olur. (1.2) Hall Elemanı yerleģtirilirken B ye dik olmasına dikkat edilir. Elde edilen Rh küçük olduğu için çıkıģ geriliminin büyük olması istenen yerlerde opamplardan yararlanılır. 5

15 FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORU NUN ÇALIġMA PRENSĠBĠ Fırçasız Doğru Akım Motorlarında rotor konuma göre, stator sargılarının anahtarlanması sonucu bir döner hareket elde edilir. Sistemde kullanılacak olan motorun statorunda üç adet sargı bulunmaktadır. Rotor konumuna bağlı olarak, stator sargılarından geçen akımın yönü değiģtirilir. Bu değiģtirme iģlemi anahtarlar ile yapılır. Bu anahtarların kontrolü ile stator sargılarına uygulanan gerilim, geçen akımın yönü ve buna bağlı olarak rotorda dönme hareketi oluģmaktadır. Böylelikle, statorda manyetik alan kutupları oluģur. OluĢan kutuplar ile rotor kutuplarının aynı kutuplarının birbirini itmesi, zıt kutupların birbirini çekmesi sonucu dönme momenti oluģur FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORUNUN HIZ KONTROLÜ Fırçasız Doğru Akım Motorlarını Ģu yöntemlerle kontrol edebiliriz; Üç fazlı tam dalga yıldız bağlı fırçasız doğru akım motor kontrolü, Üç fazlı yarım dalga yıldız bağlı fırçasız doğru akım motor kontrolü. 6

16 Üç Fazlı Tam Dalga Yıldız Bağlı Fırçasız Doğru Akım Motorunun Kontrolü Fırçasız Doğru Akım Motorunun sargılarının üç fazlı yıldız bağlı olması durumunda yıldız noktası kullanılmadan sırasıyla her defasında iki sargıdan akım geçecek Ģekilde anahtarlama yapılırsa buna yıldız bağlı tam dalga kontrolü denir. ġekil 1.6 de üç fazlı tam dalga yıldız bağlantının sürücü devresi görülmektedir. ġekil 1.6. Üç fazlı tam dalga yıldız bağlantının anahtarlama devresi. 7

17 ġekil 1.6 de verilen anahtarlama devresinin Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 ve Q6 anahtarlarının açık veya kapalı olma durumları Çizelge 1. de görülmektedir. Ayrıca A, B ve C fazlarının enerjili veya enerjisiz olma durumları da görülmektedir. Çizelge 1. Fırçasız Doğru Akım Motorunun anahtarlama konumları[3]. Anahtar konumları A sargısı Sargı durumları B sargısı C sargısı Konum Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q on on Off on off On off on On on on Off on off On off on On Ġletim durumuna göre her defasında iki anahtar kapalı olmaktadır. Bunu gerçekleģtirirken belirli hız ve sıra ile kapalı olan anahtarlardan biri açılıp, açık olan kapatılır. Her sargı iki anahtarlama süresince devrede kalmaktadır. 8

18 Üç Fazlı Yarım Dalga Yıldız bağlı Fırçasız Doğru Akım Motorunun Kontrolü Fırçasız Doğru Akım Motorunun sargılarının üç fazlı yıldız bağlı olması durumunda yıldız noktası kullanılarak sırasıyla her sargıdan akım geçecek Ģekilde anahtarlama yapılırsa buna yıldız bağlı yarım dalga kontrolü denir. ġekil 1.7 de sırası ile her defasında anahtarlardan biri kapatılır. Bir süre kapalı kaldıktan sonra bu anahtar açılıp sıradaki açık olan anahtar kapatılır. Böylece sargılarda döner alan kutupları oluģturularak rotorun dönmesi sağlanır. Tam dalga yıldız bağlantıya göre anahtarlama çok daha kolay olmaktadır. ġekil 1.7. Üç fazlı yarım dalga yıldız bağlantının anahtarlama devresi. 9

19 2. YAPILAN ÇALIġMALAR Bu çalıģmada, Fırçasız Doğru Akım Motorunun Programlanabilir Lojik Kontrolör ile hız denetimi ve kumandası ele alınmıģtır. Hız kontrolü için PLC nin çıkıģlarını kullanılarak zamanlama ayarı ile mosfetleri anahtarlayarak motorun hız kontrolü sağlanmıģtır. Ayrıca sürücü devresinin PLC ile anahtarlamamızı sağlayan VE lojik kapılarıyla PLC arasında ve de optokuplörler yardımı ile mosfetler arasında izole sağlanmıģtır. Bu izolenin amacı kullanacağımız motorun voltaj geriliminin mosfetin Vgs gerilimi değerine kadar seçme imkanı sağlamaktadır ÇALIġMADA KULLANILAN ELEMANLAR VE SĠSTEMDEKĠ GÖREVLERĠ Siemens S7 200 PLC Fırçasız Doğru Akım Motorunun hız kontrolünü PLC ile gerçekleģtireceğimizi daha önceki konularda belirtmiģtik. Piyasada birçok PLC çeģidi bulunmaktadır. Biz projemize uygun olarak gördüğümüz Siemens Simatic S7 200 PLC markasını kullandık. Siemens Simatic S7 200 PLC de sekiz adet giriģ ve sekiz adette çıkıģ bulunmaktadır. Biz uygulamamızda iki giriģ ve yedi çıkıģ birimini kullandık. GiriĢler; sistemin çalıģmaya baģlamasını ve durmasını sağlayan anahtarlardır. ÇıkıĢlar ise tetikleme için kullanılmıģtır. ÇıkıĢların VE lojik kapıları ile optokuplörler yardımı ile yatılarak PLC nin zarar görmemesi sağlanmıģtır. PLC nin giriģ ve çıkıģ birimleri 24 V DC ile çalıģtığı için sistemimize paralel çalıģması amacı ile dirençler yardımı ile 24 V giriģi 12 V a bölerek uyumluluğu sağlamıģ olduk. 10

20 ÇalıĢmada Kullanılan PLC Programı PLC ile Fırçasız Doğru Akım Motorunun hız kontrolü için, PLC ye yüklenen programın merdiven diyagramı ġekil 2.1 de gösterilmiģtir. Bu programın yazılımı için Siemens firmasının yazılımı olan V4.0 STEP 7 Micro WIN kullanılmıģtır. 11

21 12

22 ġekil 2.1. Projeye ait merdiven diyagramı. 13

23 ġekil 2.1 de projemizde kullanılan PLC programı verilmiģtir. Bu PLC programının çalıģmasından bahsedecek olursak; Network 1: I0.0 durdurma butonu. I0.1 baģlatma butonudur. Burada I0.1 baģlatma butonuna basıldığı anda Q0.0 rölesi T100 gecikmeli açan kontağı üzerinden enerjilenerek mühürleme yapılacaktır. Burada Q0.0 yardımcı röle olarak seçilmiģtir. Burada T100 gecikmeli açan kontağımız bir döngü oluģturmak için konulmuģtur. Network 2: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T33 gecikmeli açan kontağı üzerinden enerjilenecektir. Network 3: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T34 gecikmeli açana paralel T98 gecikmeli kapatana seri bağlı T99 gecikmeli açan üzerinden Q0.5 enerjilenmektedir. Network 4: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T33 zamanlayıcısı 0.1s sonra açık olan kontaklarını açacak ve kapalı olan kontaklarını da açacaktır. Network 5: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T34 zamanlayıcısı 0.05s sonra açık olan kontaklarını açacak ve kapalı olan kontaklarını da açacaktır. Network 6: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T34 gecikmeli kapatan ve T35 gecikmeli açan üzerinden Q0.36 rölesi enerjilenmektedir. Network 7: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T33 gecikmeli kapatan kontağı ve T36 gecikmeli açan kontağı üzerinden Q0.2 rölesi enerjilenmektedir. Network 8: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T36 gecikmeli kapatan kontağı ve ona paralel Q0.6 açık kontağı üzerinden T35 zamanlayıcısı 0.1s sonra açık olan kontaklarını açacak ve kapalı olan kontaklarını da açacaktır. Network 9: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T345 gecikmeli kapatan ve T98 gecikmeli açan kontağı üzerinden Q0.4 rölesi enerjilenmektedir. Network 10: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T33 gecikmeli kapatan kontağı üzerinden T36 zamanlayıcısı 0.1s sonra açık olan kontaklarını açacak ve kapalı olan kontaklarını da açacaktır. Network 11: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T36 gecikmeli kapatan ve T100 gecikmeli açan kontağı üzerinden Q0.3 rölesi enerjilenmektedir. 14

24 Network 12: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile T36 gecikmeli kapatan kontağı üzerinden T97 zamanlayıcısı 0.1s sonra açık olan kontaklarını açacak ve kapalı olan kontaklarını da açacaktır. Network 13: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile Q0.4 açık kontağı ve ona paralel T98 gecikmeli kapatan kontağı üzerinden T98 enerjilenerek 0.1s sonra açık olan kontaklarını açacak ve kapalı olan kontaklarını da açacaktır. Network 14: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile Q0.5 açık kontağı yardımı ile T99 enerjilenerek 0.05s sonra açık olan kontaklarını açacak ve kapalı olan kontaklarını da açacaktır. Network 15: Q0.0 rölesi açık kontağı yardımı ile Q0.3 açık kontağı üzerinden T100 zamanlayıcısı enerjilenerek 1s sonra açık olan kontaklarını açacak ve kapalı olan kontaklarını da açacaktır. Çizelge 2. Programın Simatic S7-200 dilinde yazılıģı. Network 1 Network 2 Network 3 Network 4 Network 5 LD I0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 LD I0.1 AN T33 LDN T34 TON T33, 10 TON T34, 5 O Q0.0 = Q0.1 LD T98 ALD AN T99 AN T100 OLD = Q0.0 ALD = Q0.5 Network 6 Network 7 Network 8 Network 9 Network 10 LD Q0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 A T34 A T33 LD T36 A T35 A T33 AN T35 AN T36 O Q0.6 AN T98 TON T36, 10 = Q0.6 = Q0.2 ALD = Q0.4 TON T35, 10 Network 11 Network 12 Network 13 Network 14 Network 15 LD Q0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 LD Q0.0 A T36 A T36 LD Q0.4 A Q0.5 A Q0.3 AN T100 TON T97, 10 O T98 TON T99, 5 TON T100, 10 = Q0.3 ALD TON T98, 10 Burada yapılan çalıģmadaki program Çizelge 2 de Simatic S7-200 dilinde yazılıģı gösterilmektedir. 15

25 VE (AND) Kapısı Seri bağlı A ve B anahtarlarının her ikisinin de kapalı konumda olmasında çıkıģı lojik 1, her hangi birinin sıfır olması durumunda çıkıģı lojik 0 yapan bir entegredir. Doğruluk tablosu Çizelge 3 de verilmiģtir.ġekil 2.2 de VE kapısı görülmektedir. Yaptığımız sistemde altı adet VE kapısı kullanmamız gerektiğinden kendi sistemimize uygun olan 2 adet TTL serisi 4081 entegre kullandık. Bu entegreyi kullanmamızın nedeni ise giriģ voltajının 3-16V arasında uygulanan bir gerilimle rahatça kullanmamıza olanak sağlamaktadır. Çizelge 3. VE kapısı doğruluk tablosu. A B F=A*B ġekil 2.2. VE (AND) lojik kapısı. 16

26 Optokuplör Elektriksel bir bağlantı olmadan düģük gerilimlerle, yüksek gerilim ve akımları kontrol edebilen, yalıtım amaçlı kullanılan devre elemanına denir. Optokuplörün çalıģması ġekil 2.3 de görüldüğü gibi bir iletiģim sistemi olarak düģünülebilir. Led e bir giriģ iģareti uygulandığında, yayılan ıģık Fototransistör tarafından alınır ve tekrar elektriksel iģarete dönüģtürülür. ġekil 2.3. Optokuplör ün elektriksel eģdeğeri. Devremizde altı adet Optokuplör kullandık. Bu Optokuplör leri kullanmamızın amacı elektriksel bir yalıtım sağlamaktır. Kullandığımız bu Optokuplör lerin tamamı 4N35 numaralı entegrelerdir. Bu entegreleri seçmemizin amacı ise kendi kullandığımız kaynak gerilimine uygun değerde olmasıdır. Eğer bu gerilim değerinde bir Optokuplör seçmeseydik harici bir kaynak gerilimine daha ihtiyacımız olacaktı. Bunu gidermek için sistemde kullanılan her elemanın en uygunu seçilmiģtir Dirençler Direnç, akıma karģı karģı gösterilen zorluğa denir. Direncin birimi ohm (Ω)'dur. Devrelerde kullanılan direnç birimi birkaç ohm dan milyonlarca ohm lara kadar değiģebilmektedir. 17

27 Devremizde dirençleri kullanmamızın nedeni PLC den gelen 24 V gerilimi 33 kω dirençler vasıtasıyla 12 V a bölmektir. Böylece sistemimizde kullandığımız gerilim kaynağına uyumluluğunu sağlamıģ olduk. Ayrıca da Optokuplörleri ve Mosfetleri çalıģtırmak adına devrede dirençler kullanmıģ olduk. Direnç değerlerini üzerindeki renk kodlarına bakarak anlayabiliriz. Çizelge 4 de direnç kodlarının özellikleri verilmektedir. Birinci band ve ikinci bant ilk iki rakamını, üçüncü band ise bu rakamlara kaç tane sıfır ekleyeceğimizi göstermektedir. Son dördüncü band ise toleransı vermektedir. Çizelge 4. Direnç renk kodları[4]. 3. band(çarpan) 4. band(tolerans) Renk 1. band 2. band Siyah 0 0 x10 0 Kahverengi 1 1 x10 1 ±1% (F) Kırmızı 2 2 x10 2 ±2% (G) Turuncu 3 3 x10 3 Sarı 4 4 x10 4 YeĢil 5 5 x10 5 ±0.5% (D) Mavi 6 6 x10 6 ±0.25% (C) Mor 7 7 x10 7 ±0.1% (B) Gri 8 8 x10 8 ±0.05% (A) Beyaz 9 9 x10 9 Altın x10-1 ±5% (J) GümüĢ x10-2 ±10% (K) Renksiz ±20% (M) Devremizde kullandığımız dirençlerden örnek verirsek ġekil 2.4 den; ġekil 2.4. Devrede kullanılan dirençler. 18

28 Turuncu-Turuncu-Turuncu-Altın 33k Ω ± 5% Sarı-Mor-Kırmızı-Altın 4.7 k Ω ± 5% Kahverengi-Siyah-Kırmızı-Altın 1 k Ω ± 5% olarak hesaplanır Mosfetler Mosfet yüksek hızda amahtarlama yapan bir elemandır. Mosfetin gate ucu elektriksel yalıtılmıģtır bu yüzden elektrik alanı etkisiyle iletime geçerler. Kapı akımı (Ig) çekmedikleri için, sürücüleri basit ve hızları yüksektir. MOSFET lerin drain ile source uçları arasında açma kapama sırasında oluģacak arkları önlemek için, bu uçların kutuplarına ters bir diyot yerleģtirilir. MOSFET lerde kapı ucu (gate) ve kaynağın Ģasesi arasına uygun bir direnç yerleģtirilmelidir. Aksi takdirde, kapı gerilimi uygulanmasa da anahtar iletimde kalacaktır ve istenemeyen durum oluģabilir. Kullandığımız mosfet ġekil 2.5 de elektriksel eģdeğeri görülmektedir[1]. ġekil 2.5. Mosfet in elektriksel eģdeğeri. 19

29 Fırçasız Doğru Akım Motoru Fırçasız doğru akım motoruna birinci bölümde değinilmiģti. Hız kontrolünü gerçekleģtireceğimiz Fırçasız Doğru Akım Motoru ġekil 2.6 da görülmektedir. Özelliklerinden bahsedecek olursak 12 V nominal gerilim, 5.6 Ω dirençli ve 1A yüksek seviyede akım çekmektedir. ġekil 2.6. Fırçasız Doğru Akım Motoru. 20

30 3. TASARIMIN GERÇEKLEġTĠRĠLMESĠ Tasarımımızda Fırçasız Doğru Akım Motorunu sürmek için sürücü devresine ihtiyacımız bulunmaktadır. Bu sürücü devresini PLC ile uyumunu sağlamamız için ve de PLC ile Fırçasız Doğru Akım Motoru arasında elektriksel bir bağ oluģmaması için devremizde VE lojik kapılarından ve de Optokuplör lerden yararlanılmıģtır. Burada VE lojik kapılarının görevi PLC den gelen anahtarlamanın Optokuplör ler yardımı ile Mosfet leri sürerek, PLC ile Mosfet ler asındaki elektriksel bağlantıyı kesme amaçlanmıģtır. Bu amaç doğrultusunda Devremize en uygun olan elemanları seçmemiz gerekmektedir. Bizde bu devreyi tasarlarken 4081 VE lojik kapılarından ve de 4N35 entegreli Optokuplör lerden yararlandık VE lojik entegresini seçmemizdeki en önemli etken 3 ile 18 V arasındaki gerilimlerde kararlı bir Ģekilde çalıģmasını sağlamaktadır. 4N35 entegresini seçmemizdeki amaç hem çalıģma geriliminin bize uygun oluģu hem de piyasada oldukça yaygın olarak kullanılmasından dolayı seçilmiģtir. Ayrıca da devrede kullanılan 33k ½ watt dirençleri seçmemizdeki amacımızda PLC den gelen 24 V gerilimi 12 V gerilime dönüģtürmektir. Burada dirençlerin ¼ watt olarak seçilmesindeki etken PLC den gelen 24 V u iki adet seri bağlanmıģ direnç üzerinde geçeceğinden, ısı oluģumuna karģı önlem almak için daha yüksek wattlı olarak seçilmiģtir. ġekil 3.1 de Proteus Isis programında çizdiğimiz devrenin Ģeması görülmektedir. Yukarıda devre tasarımında anlattıklarımız elemanları kullanarak bağlantıları gerçekleģtirdik. 21

31 ġekil 3.1. Proteus Isis programında çizilen sürücü devresi. 22

32 3.1. Baskı Devresinin Çizimi Sürücü devremizin ġekil 3.2 deki baskı devresini Proteus Ares programında çizdik. Bu programda yol kalınlıklarını T80 ve T60 kalınlıklarında çizdik. Bu kalınlıklarda çizmemizin amacı devremizde Mosfet lerin fazla akım çekeceğinden istediğimiz akım değerini taģıması amacıyla T80 kalınlığında, diğer çizgileri de T60 kalınlığında çizdik. Devrede kullandığımız elemanların bacak uçlarını da C80-40 ve S80-40 kalınlıklı uçları uygun gördük. Devremizde ayrıca sekiz adette atlama yapılmıģtır ve bu atlamalar da en aza indirilmiģtir. ġekil 3.2. Proteus Ares programında çizdiğimiz baskı devre. 23

33 3.2. Sistemin Genel ÇalıĢması ġekil 3.3 den sistemimizin genel görünümü görülmektedir. Sistemimizi açıklayacak olursak, ilk önce daha önceki konularda yazmıģ olduğumuz PLC için Simatic V4.0 STEP 7 Micro WIN programında merdiven diyagramını oluģturduk. Daha sonra ise PLC ile bilgisayarımızın haberleģe bilmesi için RS-232 kablosu ile bağlantısını sağladık. Programımızı PLC ye yükledik sonrada RUN tuģuna basarak PLC yi aktif hale getirdik. Bu yükleme sonrasında çıkıģlarımızı Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3, Q0.4, Q0.5, Q0.6 olarak tanımladık. GiriĢlerimizi de I0.0 ve I0.1 olarak tanımladık. Gerekli bağlantıları yaparak sistemi enerjilendirdik. I0.1 anahtarına basarak sistemimizi çalıģtırdık. Sistemimizin adım adım ilerlediğini gözlemledik. Daha sonra ise merdiven diyagramındaki zamanlayıcılarımızın değerlerini değiģtirerek motorun hızlı ve yavaģ çalıģmasını gözlemledik. ġekil 3.3. Sistemin son hali. 24

34 4. DENEYSEL ÇALIġMALAR Sistemimizi çalıģtırdıktan sonra PLC yardımı ile zamanlayıcıları ayarlayarak motoru belirli hızlarla döndürerek akım, gerilim ve hız değerlerini gözlemledik. ġekil 4.1 de Fırçasız Doğru Akım Motorunun anahtarlama zamanına bağlı hız-zaman grafiği verilmiģtir. ġekil 4.1. Hız-Zaman grafiği. Bu grafikte anahtarlama zamanının her 0.2 s artıģında motorun hızının azaldığı görülmektedir. BaĢka bir deyiģle anahtarlama zamanı ile motorun hız kontrolü sağlanabilmektedir. Eğer düģük devirlerde çalıģmak istiyorsak anahtarlama zamanının yüksek, yüksek devirlerde çalıģmak istiyorsak anahtarlama zamanını düģük tutmamız gerekmektedir. 25

35 ġekil 4.2 de Fırçasız Doğru Akım Motorunun anahtarlama zamanına bağlı olarak akım grafiği verilmiģtir. ġekil 4.2. Akım-Zaman grafiği. Bu grafikte görüldüğü gibi anahtarlama zamanının her 0.2 s artıģında motorun akımının azaldığı görülmektedir. BaĢka bir deyiģle anahtarlama zamanı düģtükçe akım artmaktadır. Eğer düģük akımlarda motoru sürmek istiyorsak anahtarlama zamanının yüksek, yüksek akımlarda çalıģmak istiyorsak anahtarlama zamanını düģük tutmamız gerekmektedir. 26

36 5. SONUÇ Fırçasız Doğru Akım Motorunun kontrolü için genellikle uygulamada algılayıcılarla kontrol edilmesine karģın algılayıcısız olarak kontrol ettik. Hız-Zaman, Akım-Zaman grafiklerinden de gözlemlediğimiz gibi anahtarlama sürelerini değiģtirerek motorun hızını kontrol etmiģ olduk. Fakat algılayıcılı Fırçasız Doğru Akım Motorlarına göre oldukça yavaģ döndüğünü gözlemlemiģ olduk. Ayrıca PLC ile anahtarlamamızdan kaynaklanan kayıplar meydana geldiğinden motorun kendi maksimum değerlerine ulaģamadık. Açıkçası PLC ile denetimini yapılabilir olduğunu gördük ama çok yüksek hızlara çıkamadığı apaçık ortadadır. Sonuç olarak hedeflenen Fırçasız Doğru Akım Motorunun PLC ile hız denetimini sağlamıģ olduk. Böylece yapılabilirliği sağlanmıģtır. 27

37 6. ÖNERĠLER Kullanacağımız Fırçasız Doğru Akım Motorunun nominal akım ve gerilim değerlerine dikkat edilmedir. Ayrıca sistemde kullandığımız Mosfet lerin Vgs gerilim değerlerini süreceğimiz motorun nominal değerlerine göre seçim yapmamız gerekmektedir. PLC seçiminde ise sistemimize en uygun voltaj çıkıģlı 24 V değerine uygun olarak seçmemiz gerekir. 28

38 KAYNAKLAR [1] Ö. Atan, Fırçasız DA Motorunun Modellenmesi ve PWM Yöntemiyle Kontrolü, Yüksek Lisans Tezi, Yüzüncü Yıl Üniversitesi, Türkiye, Van, [2] S. Akpınar, Özel Elektrik Makinaları Ders Notları, Karadeniz Teknik Üniversitesi EEM, 1-87, 2010 [3] Y. Padmaraja,Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals. Microchip, 2003 MicrochipTechnologyInc. [4] (2012) Tübitak Popüler Bilim Kitapları, [EriĢilebilir] Elektronik, d=849 [5] (2012), Teknik Pazar, [EriĢilebilir] 29

39 EKLER EK 1. ÇalıĢma Takvimi Tarih YapılanĠĢ Malzemelerin Belirlenmesi ġubat X 27 ġubat-2 Mart Malzeme Temini X X 5-16 Mart Mart 2-14 Nisan Devrenin OluĢturulması X PLC Programının Yazılması X Montajın Yapılması X X Nisan 1-11 Mayıs Mayıs Uygulamaya BaĢlangıç X Uygulamaların Devamı X X Ölçümler Ve Testler X TEZ'in Hazırlanması X X X Teslim X 30

40 EK 2. Standartlar Ve Kısıtlamalar Formu 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Deneysel amaçlı olarak bir portatifi yapılmıģtır. Tasarımda hiçbir Ģeyden kaçınılmamıģtır. Bu nedenle Ġleriki dönemlerde deney amaçlı olarak üniversitelerde kullanılabilir hale getirilmiģtir. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Hayır, formüle edilecek bir sistem değildir. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Özel Elektrik Makineleri ve PLC derslerindeki bilgilerinden faydalanarak, bu bilgileri projemiz kapsamında gerekli olan bölümlerini kullanmayı öğrendik. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? ÇalıĢma güvenliği, optimum maliyet ve kullanılabilirliktir. 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Projemizi PLC ile kontrol ediyor olmamız maliyet açısından bizi sıkıntıya uğratmıģtır. Ancak Sürücü devresi için bu söz konusu değildir. Çünkü sürücü devresindeki her elektronik elemanın fiyatı uygun ve piyasada oldukça yaygın kullanılan elemanlar olduğundan ekonomik olarak da bütçemize uymaktadır. b) Çevre sorunları: Projemizde kullanmakta olduğumuz Fırçasız Doğru Akım Motorunun ve diğer elemanların çevreye fazla bir zararları bulunmamaktadır. c) Sürdürülebilirlik: Yaptığımız bu çalıģma sadece deney amaçlı olup güncel hayatta bir önem ifade etmemektedir. Projede sadece kanıtlanabilirlik açısından değerlendirilmiģtir. 31

41 d) Üretilebilirlik: Endüstride kullanılabilmesi için PLC yerine mikroiģlemciler ve micro kontrolörlerden yararlanılırsa hem denetimi daha kolay hem de üretim maliyeti açısından çok daha cüzi fiyat değerlerinde piyasada kullanılabilirliği arttırılabilir. e) Etik: Daha önce yapılmıģ ancak bu yapılandan daha farklı olarak güncellenen dünyamızdaki malzemeleri kullanarak daha ekonomik, daha kullanıģlı ve daha portatif olmasına önem verdik. f) Sağlık: Çok küçükte olsa sağlık açısından, insan sağlına zarar vermektedir. Bunu önlemek amacıyla piyasa kullanılan en son ürünleri kullanarak en aza indirmeyi hedefledik. g) Güvenlik: DüĢük gerilimlerde (45V un altında) çalıģıldığından güvenlik açısında hiçbir tehlike arz etmemektedir. h) Sosyal ve politik sorunlar: Derslerimizin yoğunluğundan dolayı bitirme projemize ayırdığımız zamanın kısıtlanmasına sebep olmuģtur. Politik hiçbir sorun arz etmemektedir. Projenin Adı Projedeki Adları Öğrencilerin FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORUNUN PLC İLE HIZ KONTROLÜ Mustafa UZUN, Ali AKTUNA Tarih ve Ġmzalar

42 Ek 3. Sistemin Maliyet Hesabı Sistemin maliyeti Çizelge 5 de görülmektedir. Burada PLC bölümümüzce tedarik edilmiģtir. Kullanılan PLC nin fiyat araģtırması yapılarak Çizelge 5 e yazılmıģtır. Kullanılan diğer elemanlar tarafımızca karģılanıp ġekil 3.5 de gösterilmiģtir. Çizelge 5. Maliyet hesabı. KULLANILAN BĠRĠM TUTAR ADET FĠYAT MALZEMELER TL TL FDAM PLC[5] kω direnç 1/4 W 6 0,05 0,3 4,7 kω direnç 1/4 6 0,05 0,3 33kΩ direnç 1/2W 12 0,1 1,2 Mosfet IRFZ44N 6 1,35 8,1 Optokuplör entegre Bakır plaket Soket 14 0,375 5,25 Devre kutusu Mika Ozalit baskı 1 1,5 1,5 Kablo TOPLAM 644,65TL 33

43 ġekil 3.5. Maliyet hesabı yapılan devrenin elemanları. 34

44 ÖZGEÇMĠġ Mustafa UZUN 1987 yılında Ġstanbul da doğdu. Ġlk ve orta öğrenimini Ġstanbul Yenikent Ġlköğretim Okulunda (2001), lise Öğrenimini yine Ġstanbul da Nahit MenteĢe Endüstri Meslek Lisesinde (2004), Üniversite öğrenimini Kırklareli Trakya Üniversitesi Ön Lisans Elektrik bölümünü (2006) bitirdi yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans öğrenimine baģladı. Yabancı dil olarak orta derece Ġngilizce bilmektedir. Mustafa UZUN Ali AKTUNA Ankara nın Altındağ ilçesinde doğdu aslen KırĢehirlidir. Ankara nın Mamak ilçesine bağlı Peyami sefa mahallesinde ikamet etmektedir. Ġlk okulu Selçuklu Ġlk Öğretim Okulunda okumuģ olup, Liseyi AbidinpaĢa lisesinde okudu yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans öğrenimine baģladı, yabancı dil olarak Ġngilizce bilmektedir. Ali AKTUNA 35