THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A AC-DC CONVERTER FOR INDUSTRIAL TYPE WASHING MACHINE

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 1315 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ENDÜSTRİYEL TİP ÇAMAŞIR MAKİNESİ İÇİN BİR AADA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A ACDC CONVERTER FOR INDUSTRIAL TYPE WASHING MACHINE Fecir DURAN a * e Ömer Faruk BAY b a * Gazi Üniersitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik Bilgisayar Bölümü, ANKARA, TURKIYE, Eposta: fduran@gazi.edu.tr b Gazi Üniersitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik Bilgisayar Bölümü, ANKARA, TURKIYE, Eposta: omerbay@gazi.edu.tr Özet Bu çalışmada; endüstriyel çamaşır makinesi için zeki denetimli, 48V50A lik bir AADA dönüştürücü tasarlanarak, uygulaması gerçekleştirilmektedir. Dönüştürücüye ait benzetim e uygulama çalışmaları; kolay, hızlı e güenli bir çalışma ortamı olan Matlab Simulink kullanılarak yapılmaktadır. Sistemde denetleyici arabirimi olarak TMS320F2812 ezdsp sayısal işaret işlemcisi kullanılmaktadır. Denetim işlei, MatlabSimulink ortamından TMS320F2812 sayısal işaret işlemcisine çerimiçi bağlanan bulanık mantık tabanlı bir gömülü sistem aracılığı ile yerine getirilmektedir. Gerçekleştirilen dönüştürücüye ait benzetim e uygulama çalışmaları; anahtarlamalı relüktans motoru kullanan bir çamaşır makinesinin, geleneksel sürücü kullanan çamaşır makinesinden daha yüksek bir performans sergilediğini göstermiştir. Anahtar kelimeler: Matlab Simulink, Gömülü sistem, AA DA Dönüştürücü. Abstract In this study, an AC DC conerter with intelligent controller for an industrial washing machine has been designed and implemented. Simulation and implementation studies of the conerter are realized using Matlab Simulink which is easy, reliable and fast medium. In the conerter, TMS320F2812 ezdsp digital signal processor has been used as a controller interface. The control function is carried out by the fuzzy logic based embedded system that is online linked from Matlab Simulink medium to the digital signal processor. The simulation and implementation results of the realized conerter show that the washing machine used switched reluctance motor with implemented conerter has better performance than the washing machine used the conentional drier. Keywords: Matlab Simulink, Embedded system, ACDC conerter. 1. Giriş Güç elektroniği uygulama alanları özellikle son yıllarda hızla artmakta e iletişim, saunma, endüstriyel süreçler, güç üretimi, taşıma e dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım, dağıtım e tüketici elektroniği gibi çok geniş bir alana yayılmaktadır [1,2]. Güç elektroniğinin önemli kullanım alanlarından biri de endüstriyel çamaşır makinelerinin denetimi e sürücüleridir. Günümüzde endüstriyel çamaşır makinelerinde günümüzde genellikle üç fazlı asenkron motorlar kullanılmakta e makinelerin motor denetimi geleneksel denetim algoritmaları ile yapılmaktadır. Asenkron motorlar ilk kalkınma anında, kalkınma momentlerinin yüksek olmasından dolayı fazla akım çekmektedirler. Geleneksel denetim yöntemleri de sistemde bulunan doğrusalsızlıklardan dolayı istenilen neticeyi erememektedirler [3]. Endüstriyel çamaşır makinelerinin yaygın kullanımı değerlendirildiğinde, enerji harcamalarındaki küçük kayıpların bile oldukça büyük enerji kayıplarına neden olmaktadır. Bu çalışmada; Anahtarlamalı Relüktans Motoru (ARM) kullanan bir endüstriyel çamaşır makinesi için zeki denetim algoritmasını kullanan bir AADA dönüştürücü tasarlanarak, uygulaması gerçekleştirilmektedir. Sistemde, günümüzde çoğunlukla kullanılan geleneksel denetimin yerine bu denetim yöntemlerinin zayıflıklarını ortadan kaldıran bulanık mantık denetleyicisi kullanılmaktadır. Denetim işlei; Matlab Simulink ortamından sayısal işaret işlemcisine çerim içi bağlanan gömülü bir sistem aracılığı ile yerine getirilmektedir. Sistemin gerilim e akım algılayıcıları tasarlanarak, deneysel ölçümleri yapılmaktadır. İkinci bölümde; sistemin yapısı, gerçekleştirilen benzetim çalışması, kullanılan elemanlar e sistemin Matlab Simulink ile gerçekleştirilmesi anlatılmaktadır. Benzetim e uygulama çalışmalarının sonuçları üçüncü bölümde erilmektedir. Son bölümde ise elde edilen sonuçlar değerlendirilmektedir. 2. Materyal e Yöntem Anahtarlamalı Relüktans Motoru kullanan endüstriyel çamaşır makinesinde; alfler 24V luk, gösterge panellerini e uyarı sistemi 5V luk e ARM, 48V luk bir DA gerilim kullanılarak çalıştırılmaktadır. Gerçekleştirilen sistem ile farklı yüklerden kaynaklanacak değişikliklere hızlı tepki eren bir sistem tasarlanmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmanın blok şeması Şekil 1 de gösterilmektedir. Girişte 220V alternatif gerilim bir köprü diyotla doğrultulmaktadır. Doğrultulan gerilim 6800µF kondansatör ile filtrelenerek, DADA azaltan tip dönüştürücünün girişi elde edilmektedir. Algılayıcılar dönüştürücünün çıkışındaki akım e gerilim değerlerini ölçerek Sİİ girişine uygulamaktadır. Sİİ içerisindeki zeki denetim algoritması ile sistem denetlenmektedir. IATS 09, Karabük Üniersitesi, Karabük, Türkiye

2 düşük bir akım çıkışına sahip modüler bir yapıya sahiptir [5] Filtre e doğrultmaç deresi Şekil 1. Gerçekleştirilen sistemin blok şeması. Sistem için yüksek akımlı bir hat filtresi kullanılmaktadır. 220V e 20A katalog değerlere sahip olan hat filtresi hattan kaynaklanabilecek gürültüleri engellemektedir. Böylece eiricinin girişi gürültüden temizlenmektedir. Şekil 4 te hat filtresi, doğrultmaç e giriş kondansatörü görülmektedir. Sistem için yapılan benzetim çalışmaları, Şekil 2 de erilen eşdeğer dere modeli kullanılarak yerine getirilmektedir. Bu yapı temel olarak bir doğrultucu e azaltan tip DADA dönüştürücüyü temsil eder. Dönüştürücü anahtarlama elemanı olarak IGBT, hızlı diyot e LC filtre elemanlarından oluşur. GO2 Scope1 PWM g E C IGBT L A 220 Vac C1 Diode C2 RL YUK B DOGRULTUCU GO1 Scope GO3 Scope2 Şekil 4. Hat Filtresi e doğrultmaç deresi. Şekil 2. Sisteme ait eşdeğer dere. Doğrultucu çıkışından elde edilen gerilim azaltan tip DA DA dönüştürücü ile 48 V a düşürülmektedir Gerilim Algılayıcı Sistemde çıkış gerilimini yalıtmak e sayısal işaret işlemciye göndermek için, HallEffect prensibi ile çalışan e hat ile izoleli çalışma prensibine sahip LEM LV 25P gerilim algılayıcısı kullanılmaktadır [4]. Şekil 3 te gösterilen gerilim algılayıcı doğruluk oranı, doğrusallığı, bant genişliği yüksek e ceap zamanı düşük bir algılayıcı olup gerilim algılama işlemini gerçekleştirmektedir DADA azaltan tip dönüştürücü deresi DADA dönüştürücüde giriş gerilimi, çıkış gerilimi, duty saykıl oranı e anahtarlama frekansına bağlı olarak, LC filtre parametreleri L=0.4mH e C=1000uF olarak hesaplanmıştır. Bu parametrelere göre diyot e IGBT olarak aşağıdaki elemanlar kullanılmıştır. Q1=IXFN60N60, D1=DSEI6006A. DADA azaltan tip dönüştürücü şekil 5 te gösterilmektedir. Dönüştürücüde kullanılan mosfet 600V 60A olarak seçilmiş olup mosfetin kapı sinyalleri Sİİ tarafından üretilerek mosfet sürücü üzerinden sağlanmaktadır. Şekil 5. Azaltan tip dönüştürücü deresi Akım Algılayıcı Şekil 3. Gerilim algılayıcı. Akım algılayıcı olarak direk bağlantılı ya da hat ile izoleli çalışma prensibine sahip LEM LA100P seçilmiştir. Akım algılayıcı doğru RMS çıkışına sahip, hızlı, 420 ma gibi 2.4. Matlab Simulink ile eiricinin gerçekleştirilmesi Matlab Simulink paket programının içerisinde, TI 2000 serisi için hazırlanmış matematiksel dönüşümler e işlemler, PWM, ADC, PID bloğu, hız ölçümü e uzay ektör üreteci gibi hazır bloklar bulunmaktadır [6,7]. Bu

3 bloklar ile CCS kullanılarak gerçekleştirilen program rutinleri Matlab Simulink ile Sİİ nin içerisine gömülmektedir. fonksiyonları ile temsil edilmiştir. Çıkış değişkeni için de aynı etiketli üyelik fonksiyonları kullanılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada algılayıcılardan gelen sinyaller ADC ile Şekil 6 da görüldüğü sayısal değerlere dönüştürülmektedir. Giriş değişkenleri olarak şebeke gerilimi, çıkış akımı e çıkış gerilimi kullanılmaktadır. C281 x A0 A1 In Mean Discrete Mean alue Discrete 1stOrder Discrete Filter 1 Gain 2 Gain 1 Gerilim _A 2 Akim_A Şekil 8. Giriş üyelik fonksiyonları. ADC ADC A2 Gain 1 3 Ana_Gerilim _A Şekil 6. Algılayıcılardan gelen sinyallerin ADC bloğu ile alınması. ADC tarafından okunan ana gerilim e akım değerleri sistemin çalışma durumunun denetlendiği fonksiyonda takip edilmektedir. Endüstriyel çamaşır makinesinin aşırı yük oluşturması durumunda sistem bu fonksiyon tarafından kapatılmaktadır. Gerçekleştirilen gömülü sistem uygulamasının Matlab Simulink modeli Şekil 7 de gösterilmektedir. Bu modeldeki giriş referans gerilimi BM denetleyicisi ile denetlenmekte e çıkışı bir önceki değeriyle toplanarak bir sınırlayıcıdan geçirilmektedir. Toplama işlemi sayesinde bulanık mantık denetleyicisinin hız tepkisi kısmen azaltılarak, çıkışta ani akım e gerilim yükselmeleri engellenmektedir. Çıkıştaki sınırlayıcı ile de Sİİ tarafından üretilen darbe genişlik modülasyonu(dgm) sinyalinin değeri sınırlandırılmaktadır. DGM sinyalleri ise ezdsp F2812 üzerinde bulunan DGM modülü tarafından dönüştürücüye aktarılmaktadır. Şekil 9. DGM denetimi çıkış üyelik fonksiyonları. BMD de kullanılan kural tablosu çizelge 1 de erilmektedir. Çizelge 1. Dönüştürücünün BMD sine ait kural tabanı. NB NO SF PO PB NB NB NB NB NB NO NO SF NO NO NO NO SF PO SF SF PO NO PO PO PO PO PO PO PB PO PB PB PB PB 3. Benzetim Çalışması 48 Referans _gerilim BM_Denetleyici 1 z Birim _Gecikme Limitleyici DGM Şebeke sinyali şekil 10 da görülmektedir. Bu sinyal kontrolsüz bir doğrultucu ile doğrultulmuş e Şekil 11de görülen sinyal giriş kapasitöründe filtrelenmiştir. İstenilen çıkış olan 48V DC gerilim ise Şekil 12 de görülmektedir. Gerilim_A c Akim _A i fcn y Anahtar Ana_Gerilim_A g Alt_Sistem _G Sistem _Fonksiyonlari F2812 ezdsp Alt_Sistem _C Şekil 7. Matlab Simulink ile gerçekleştirilen gömülü sistem tasarımı e dönüştürücü uygulaması Bulanık Mantık Denetleyicisi Bulanık Mantık Denetleyicisinin giriş değişkenleri olarak hata e hatadaki değişim miktarı seçilmiştir. Giriş üyelik fonksiyonları Şekil 8 de görülmektedir. Çıkış değişkeni olarak da DGM nin referans girişi seçilmiştir. Giriş değişkenleri; Negatif Küçük(NK), Negatif Orta(NO), Sıfır(SF), Pozitif Orta(PO) e Pozitif Büyük(PB) üyelik Şekil 10. Sistem girişindeki gerilim. Doğrultucu çıkışında yükten kaynaklanan 10V luk dalgalanmalar mecuttur. Kondansatörün sığası büyütülürse bu durum daha da azaltılabilecektir. Gerçekleştirilen benzetim çalışması uygulamada kullanılan değerlere göre yapılmıştır.

4 Şekil 11 Doğrultucu çıkışında 6800 µf kapasitör ile filtre edilmiş gerilim. EÇM yıkama moduna geçtiği anda Şekil 13(b) de görüldüğü gibi 5,5A akım çekmekte e akım gerilimin gerisine düşmektedir. Ayrıca gerilimde 2V çökme meydana gelmektedir. Motor sıkma yönü e tersine dönerken ARM sürücü deresinin beslemesinde kullanılan 48V güç kaynağı çıkışı şekil 14 te görülmekte e akım sinyallerinde olduğu gibi farklı tepkiler ermektedir. Motor sıkma yönünün tersine dönerken 12V luk çökme meydana gelmektedir. Çekilen akımlar arasında 2A lik bir fark oluşmaktadır. Çekilen akımların 20kHz anahtarlama sinyaline sahip olması e 4 zamanlı olarak çekilmesi eirici sistemin çalışma karakteristiğini olumsuz olarak etkilemektedir. Bu nedenle sistemin geriliminin tekrar 48V olması yükün olumsuz etkilenmemesi için geciktirilmektedir. Gerilim Akım Şekil V çıkışa sahip çeiricinin gerilimi e akımı. 4. Uygulama Çalışması Sistem çalışmaya başladığı anda ARM çalışmadan önce şebeke gerilimi e akımı Şekil 13(a) da görülmektedir. EÇM nin çalıştırılması için yapılan denetim derelerin çektiği akım 0,8 A dir. Şekil 14. EÇM Yıkama modunda çalışırken güç kaynağı akım e gerilimi. Sistemin yıkama modunda güç kaynağı çıkışı akım e gerilim eğrileri Şekil 15 ten incelendiğinde çamaşırın oluşturduğu dengesiz yük dalgalanmalara neden olmaktadır. a a) b Şekil 13. a) Sistem çalışırken e motor dönmez iken şebeke gerilimi e akımı b) Sistem e motor çalışırken şebeke gerilimi e akımı. b) Şekil 15. Yıkama modunda güç harcaması a) sıkma yönünde b) sıkma yönünün tersine.

5 Sistemde kullanılan güç kaynağı sistem için yeterli gerilim e akımı sağlamakla birlikte sistemin daha dengeli çalışmasını farklı zeki algoritmalarla iyileştirmek mümkün olabilir. Böylece akımdaki değişimler ar olmaya deam edecek olsa da gerilimdeki dalgalanmalar azaltmak mümkündür. Faz akımları sıkma yönüne dönerken 20 A ile sınırlanmaktadır. Motor sıkma yönünün tersine dönerken mekaniksel tasarımdan kaynaklanan fazladan güç gerektirdiğinden motor faz akımları 30 A ile sınırlandırılmıştır. Motor sıkma yönünün tersine dönerken faz akımlarının 10 A arttığı görülmektedir. [2] Muhammed, H. R., Power Electronics Circuits Deices and Applications, Prentice Hall, Inc, 1993 [3] Gürdal, O., Güç Elektroniği:Analiz, Tasarım, Simülasyon, Nobel, Ankara, [4] LEM Solutions for Electrical Measurements, Datasheet, pp:819, 2001 [5] LEM Solutions for Electrical Measurements, Datasheet, pp:1923, [6] TMS320C28x DSP CPU and Instruction Set Reference Guide, Texas Instruments [7] Texas Instruments Technology, DSP SELECTION GUIDE, 3Q Şekil 15, yıkama e sıkma modu için güç ölçümlerini göstermektedir. Motor çalışırken anlık değerler kaydedilerek sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırma sonucu elde edilen sonuçlar Çizelge 2 de gösterilmektedir. Çizelge 2. Gerçekleştirilen ARM denetimli EÇM ye ait Güç Harcaması. Ölçümler yönü yönü tersi başlangıç tam hız KW PF Cosφ Arms Sonuçlar Bu çalışmada, EÇM sistemi için bir AADA dönüştürücü tasarlanarak, uygulaması gerçekleştirilmiştir. Önerilen dönüştürücü alçaltıcı tip bir dönüştürücü olup, denetimi BM denetleyici kullanılarak yapılmıştır. Bu sayede yüksek erim sağlanmış e sistemin güç kayıpları en aza indirilmiştir. Güç kalitesi açısından yıkama modunda motor sıkma yönünde dönerken güç faktörü 0.94, sıkma yönünün tersine dönerken 0.86 gibi yüksek değerler sağlanmıştır. modunda ise ortalama 0.90 ila 0.91 arasında oluşan güç faktörlerine ulaşılmıştır. Geleneksel EÇM lerde ise bu değerler 0.74 değerini geçmemektedir. EÇM nin prototip olması e mekanik sistemdeki dengesizlikler, güç faktörünün kalitesini olumsuz yönde etkilemiştir. Gerçekleştirilen sistemin denetim algoritması farklı zeki denetim algoritmaları ile birleştirilerek, sistemden daha iyi bir performans elde edilebilir. Teşekkür Bu çalışma Gazi Üniersitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından desteklenmiştir. Kaynaklar [1] Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P., Electronics Conerters, Applications And Desing, John Wiley & Sans, Canada, 1989