T.C. PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI

Transkript

1 T.C. PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI TEK BAŞINA ÇALIŞAN ASENKRON JENERATÖRLERİN BULANIK MANTIK TABANLI UÇ GERİLİMİ REGÜLASYONU YÜKSEK LĠSANS TEZĠ TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER DENĠZLĠ, HAZĠRAN

2 T.C. PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI BĠLĠM DALINIZ YOKSA BU SEKMEYĠ SĠLĠNĠZ TEK BAŞINA ÇALIŞAN ASENKRON JENERATÖRLERİN BULANIK MANTIK TABANLI UÇ GERİLİMİ REGÜLASYONU YÜKSEK LĠSANS TEZĠ TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER DENĠZLĠ, HAZĠRAN

3 KABUL VE ONAY SAYFASI Tayyib Lütfullah DÖġER tarafından hazırlanan TEK BAġINA BAĞIMSIZ BAġINA ÇALIġAN ASENKRON JENERATÖRLERĠN BULANIK MANTIK TABANLI UÇ GERĠLĠMĠ REGÜLASYONU adlı tez çalışmasının savunma sınavı tarihinde yapılmış olup aşağıda verilen jüri tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim DalıYüksek Lisans Tezi olarak kabul edilmiştir. Jüri Üyeleri İmza Danışman Yrd. Doç Dr. Selami KESLER... Üye Prof. Dr. Ceyhun KARPUZ Pamukkale Üniversitesi Üye Doç. Dr. Selim BÖREKÇİ Akdeniz Üniversitesi Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu nun. tarih ve. sayılı kararıyla onaylanmıştır..... Prof. Dr. Orhan KARABULUT Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

4 Bu tez çalıģması Bilimsel AraĢtırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 2011FBE082 nolu proje ile desteklenmiģtir.

5 Bu tezin tasarımı, hazırlanması, yürütülmesi, araģtırmalarının yapılması ve bulgularının analizlerinde bilimsel etiğe ve akademik kurallara özenle riayet edildiğini; bu çalıģmanın doğrudan birincil ürünü olmayan bulguların, verilerin ve materyallerin bilimsel etiğe uygun olarak kaynak gösterildiğini ve alıntı yapılan çalıģmalara atfedildiğine beyan ederim. TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER

6 ÖZET TEK BAġINA ÇALIġAN ASENKRON JENERATÖRLERĠN BULANIK MANTIK TABANLI UÇ GERĠLĠMĠ REGÜLÂSYONU YÜKSEK LĠSANS TEZĠ TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI (TEZ DANIġMANI: YRD. DOÇ. DR. SELAMĠ KESLER) DENĠZLĠ, HAZĠRAN Bu çalışmada, elektrik şebekesinden bağımsız olarak çalışan ve elektriğin olmadığı yerlerde kullanılan üç fazlı bir asenkron jeneratörün düzenli ya da düzensiz mekanik güç girişlerine karşılık dengeli ve dengesiz yükler altında çıkış geriliminin bulanık mantık tabanlı bir algoritmayla elektronik yük kontrolüne dayalı olarak regüalsyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, tasarlanan sistemin matlab simulink ile modellenmesi yapılmıştır. Daha sonra bu sisteme göre, deneysel çalışma seti oluşturulmuştur. Program algoritması ise, uzman görüşüne dayalı bulanık mantık tabanlı olarak gerçekleştirilmiştir. ANAHTAR KELĠMELER: Asenkron jeneratörler, Bulanık Mantık, Elektronik Yük Kontrolü ANAHTAR KELĠMELER:

7 ABSTRACT FUZZY LOGIC BASED OUTPUT VOLTAGE REGULATION FOR INDUCTION GENERATOR OPERATING IN STAND ALONE MSC THESIS TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER PAMUKKALE UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING (SUPERVISOR: ASS. PROF. DR. SELAMĠ KESLER) DENĠZLĠ, JUNE 2014 In this study, corresponding regular or irregular mechanic power input for the three-phase asynchronous generators working stand alone, under balanced or unbalanced loads, output voltage regulation is carried out by fuzzy logic based electronic load controller. For this aim, firstly the proposed system is designed in MATLAB/Simulink environment to analyse trasient and steady state behaviours of the generator. Afterward, proposed system is implemented in laboratuary to conduct some experiments. During the change in customer load and unbalanced power input for the generator, proposed system performs the output voltage regulation succesfully. Obtained results are presented and some conlusions are given by both simulation and experimental studies. KEY WORDS: Stand Alone, Asynchronous Generators, Fuzzy Logic, Electronic Load Control. KEYWORDS:

8 ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖZET Hata! Yer işareti tanımlanmamış. ABSTRACT... Hata! Yer işareti tanımlanmamış. ĠÇĠNDEKĠLER... iii TABLO LĠSTESĠ... vi SEMBOL LĠSTESĠ... vii ÖNSÖZ... viii 1. GĠRĠġ Tezin Amacı Literatür Özeti Hipotez ASENKRON MAKĠNELER Üç Fazlı Asenkron Makinenin Dinamik Modeli Rotor Mıknatıslanma Akımı Stator Gerilim Denklemleri Rotor Gerilim Denklemleri ASENKRON JENERATÖR Asenkron Jeneratörün Çalışma İlkesi Şebekeye Bağlı Çalışan Asenkron Jeneratör Tek Başına Çalışan Asenkron Jeneratör ASENKRON JENERATÖRLERDE UÇ GERĠLM REGÜLASYONU Sürücü Hızı Ve Mekanik Güç Girişine Bağlı Regülasyon Üret-Doğrult-Evir Modeli Elektronik Yük Kontrolörlü Regülasyon Modeli BULANIK MANTIK DENETLEYĠCĠLER Bulanık Mantık Kavramı BMD Yönteminin Gelişim Süreci Bulanık Kümeler Üyelik Fonksiyonları Bulanık Küme İşlemleri Bulanık Çıkarım ve Durulaştırma TEK BAġINA ÇALIġAN ASG NĠN MATLAB MODELĠ TBÇAG ĠÇĠN ELC TABANLI BULANIK MANTIK DENTLEYĠCĠ Bulanık Mantık Tasarımı DENEYSEL ÇALIġMALAR TBÇAG Sistem Modeli BULGULAR Benzetim Bulguları Deneysel Bulgular SONUÇLAR VE ÖNERĠLER Sonuçlar Öneriler KAYNAKLAR ÖZGEÇMĠġ... 77

9 ġekġl LĠSTESĠ Sayfa Şekil 2.1: Stator büyüklüklerinin dönüşümü... 8 Şekil 2.2: Rotor büyüklüklerinin dönüşmü... 9 Şekil 2.3: Mıknatıslanma akımı ve rotor mıknatıslanma akımının vektör diyagramı Şekil 3.1: Asenkron motorun yapısı Şekil 3.2: Asenkron jeneratörün fazör diyagramı Şekil 3.3: Asenkron jeneratörün eşdeğer devresi Şekil 3.4: Asenkron jeneratörün yaklaşık eşdeğer devresi Şekil 3.5: Asenkron jenerator stator uçlarına üç fazlı uyarma kapasiteleri Şekil 3.6: Asenkron jeneratörün boşta çalışma karakteristiği Şekil 3.7: Tek başına çalışan asenkron jeneratörün eş değer devresi Şekil 4.1: Türbin kanat açılarının değiştirilmesi Şekil 4.2: Üret-Doğrult-Evir modeli Şekil 4.3: Elektronik yük kontroolü regülasyon yöntemi Şekil 5.1: Bir aracın güvenli durdurulması na ilişkin giriş ve çıkış için bulanık kümeler Şekil 5.2: Üçgen üyelik fonksiyonu Şekil 5.3: Sinuzoid üyelik fonksiyonu Şekil 5.4: Yamuk üyelik fonksiyonu Şekil 5.5: Üyelik fonksiyonlarının bazı özellikleri Şekil 5.6: Mamdani nin max-min bulanık çıkarım yöntemi Şekil 5.7: Bulanık çıkışın elde edilmesi Şekil 6.1: Matlab Simulink Modeli Şekil 7.1: Hata ve hatadaki değişimler için sinüzoi üyelik kümeler Şekil 7.2: Bulanık Mantık Akış Şeması Şekil 7.3: TBÇAG Sisteminin Bulanık Mantık Matlab Simulink modeli Şekil 7.4: Bulanık Mantık Matlab Simulink yüzey modeli.. 50 Şekil 8.1: TBÇASG uygulama sistem blok devre modeli Şekil 8.2: Deneysel çalışma setinin görüntüsü Şekil 8.3: Kontrol kartının devre şeması Şekil 8.4: Kontrol kartının resmi Şekil 8.5: Gerilim okuma devresi Şekil 8.6: Sıfır geçiş yakalama devresi Şekil 8.7: HallEffect Sensor resmi Şekil 8.8: HallEffect Sensor devresi Şekil 8.9: Elektronik yük bankası sürücü devresi Şekil 8.10: Elektronik yük bankası resmi Şekil 8.11: Sistemin birinci katının resmi Şekil 8.12: Sistemin ikinci katının resmi Şekil 8.13: Sistemin üçüncü katının resmi Şekil 8.14: Asenkron motor sürücü inverteri resmi Şekil 8.15: Kontrol Algoritması Şekil 9.1: Sabit tahrik motor hızı ve sabit uyartım kondansatörü ile değişken yüke göre çıkış gerilimi ve frekansının değişimi... 58

10 Şekil 9.2: Sabit yük ve sabit uyartım kondansatörü ile değişken tahrik hızına göre çıkış gerilimi ve frekansının değişimi Şekil 9.3: Sabit tahrik motoru hızı ve yük empedansı ile değişken uyartım kondansatörüne göre yük gerilimi ve frekansının değişimi Şekil 9.4: Asenkron jeneratörün çıkış gerilimi Şekil 9.5: Asenkron jeneratörün çıkış akımı Şekil 9.6: Asenkron jeneratörün kararlı haldeki çıkış gerilimi Şekil 9.7: Asenkron jeneratör, yük ve EYK ye ait güç değişimi Şekil 9.8: Kontrol sistemi devre dışı iken müşteri yükünün düşürülmesi ile jeneratör çıkış geriliminin değişimi Şekil 9.9: Kontrol sistemi devre dışı iken müşteri yükünün arttırılması ile jeneratör çıkış geriliminin değişimi Şekil 9.10: Jeneratörün aşırı yüklendiği durum Şekil 9.11: Elektronik yük bankasının devreye girdiğindeki çıkış gerilimi Şekil 9.12: Elektronik yük bankasının ve müşteri yükünün akım sinyalleri Şekil 9.13: Elektronik yük bankasının ve müşteri yükünün akım sinyalleri değişimi Şekil 9.14: Müşteri yükünün düşürülmesi durumundaki çıkış gerilimi Şekil 9.15: Müşteri yükünün arttırılması esnasında çıkış geriliminin değişimi 67 Şekil 9.16: Sabit yük altında jeneratör çıkış gerilimi Şekil 9.17: Jeneratör faz nötür çıkış gerilimi... 68

11 TABLO LĠSTESĠ Sayfa Tablo 5.1:Hız ve mesafe girdileri için uygulanacak fren basıncı örnek kural tablosu Tablo 7.1:Bulanık çıkış için kural tabanının oluşturulması

12 SEMBOL LĠSTESĠ u s : Durgun referans eksen takımındaki stator gerilimi vektörü ψ s : Durgun referans eksen takımındaki stator akısı vektörü u r : Durgun referans eksen takımındaki rotor gerilimi vektörü ψ r : Durgun referans eksen takımındaki rotor akısı vektörü i mψr : Rotor mıknatıslanma akımı vektörü ψ mr : Mıknatıslanma kaçak akısı vektörü i md : Mıknatıslanma akımı vektör direk eksen bileşeni i sd : Stator akımı vektör direk eksen bileşeni i rd : Rotor akımı vektör direk eksen bileşeni i mq : Mıknatıslanma akımı vektör kuadratür eksen bileşeni i sq : Stator akımı vektör kuadratür eksen bileşeni i rq : Rotor akımı vektör kuadratür eksen bileşeni L s : Stator özendüktansı L sl : Stator kaçak endüktansı L r : Rotor özendüktansı L rl : Rotor kaçak endüktansı L md : Durgun referans eksen takımındaki direkt ekseni boyunca mıknatıslanma endüktansı L mq : Durgun referans eksen takımındaki kuadratür ekseni boyunca mıknatıslanma endüktansı L DQ : Stator sargıları arasındaki çapraz- etkileşme endüktansı n s : Döner alanın senkron hızı n r : Rotor döner alanın dönme hızı P m : Motor mekanik gücü P e : Motor elektrik gücü R Fe : Demir kayıpları E s : Endüklenen gerilim fazörü V s : Uç gerilim fazörü I sm : Mıknatıslanma akımı

13 ÖNSÖZ Bu çalışmada, elektrik şebekesinden bağımsız olarak çalışan ve elektriğin olmadığı yerlerde kullanılan üç fazlı bir asenkron jeneratörün düzenli ya da düzensiz mekanik güç girişlerine karşılık dengeli ve dengesiz yükler altında çıkış geriliminin denetlenmesi, bulanık tabanlı olarak, gerçekleştirilmiştir. Yüksek lisans öğrenimim sırasında ve tez danışmanlığımı üstlenerek araştırma konusunun seçimi, yürütülmesi ve sunuma hazırlanması sırasında, değerli bilimsel görüş ve önerilerinden faydalandığım Yrd. Doç. Dr. Selami KESLER e teşekkür eder, saygılarımı sunarım. Bu çalışmam boyunca her konuda fedakârlık gösteren, maddi manevi yardımlarını esirgemeyen sevgili eşime ve aileme teşekkür ederim.

14 1. GĠRĠġ Günümüz teknolojisindeki hızlı değişim ve artan endüstriyel ihtiyaçlar, artan enerji ihtiyacını karşılamak üzere gerek bilim adamlarını gerekse endüstriyel ar-ge çalışmalarında çevre dostu yenilebilir enerji kaynaklarına yönlendirmiştir. Bu alanda en fazla dikkat çeken enerji kaynakları olarak güneş ve rüzgar öne çıkmaktadır. Ülkemizin rüzgar potansiyeli olan bölgeleri üzerine yapılan çalışmalar olumlu sonuçlar vermiş ve bu alanda önemli yatırımlar yapılmaya başlanmıştır. Orta ve büyük güçlü rüzgar santrallerinde geleneksel olarak kullanılan senkron jeneratörler, sürekli olarak düzenli mekanik güç girişi ve harici bir doğru akım kaynağı ile uyartım gerektirdiğinden ve bu nedenle sık sık bakım gerektiren fırça-bilezik sistemine ihtiyaç duyduğundan, son yıllarda, fazla bakım onarım gerektirmeyen, fırça-bilezik sistemi olmayan, kendinden uyartımlı çalışabilen ve bu nedenle harici bir doğru akım kaynağı gerektirmeyen, belli sınırlar içinde düzenli olmayan mekanik güç girişlerinde de elektrik enerjisi üretebilen asenkron makineler (motorlar), ek bir tasarım ve maliyet gerektirmediğinden, jeneratör olarak tercih edilmeye başlanmıştır. Ancak, şehir elektrik şebekesine entegre çalıştırılan asenkron jeneratörlerde gerekli olan reaktif akım şebekeden sağlanırken, uç gerilimi ve frekans regülasyonu da çok daha kolay yapılabilmesine karşın, elektrik şebeksinin olmadığı yerlerde bağımsız olarak çalıştırılması gereken asenkron jeneratörlerin, sürdüğü yüke uygun olarak gerilim ve frekans regülasyonunun yapılması, mikroişlemci tabanlı özel güç elektroniği düzenleri gerektirmektedir. Yük ve mekanik giriş gücü değişimlerine karşılık yapılacak gerilim ve frekans regülasyonu, jeneratör mili tarafında mekanik düzenlere ihtiyaç duyarken, elektriksel tarafta daha kararlı ve hızlı çalışabilen elektronik düzenler gerektirmektedir. Jeneratör uç gerilimi ve frekansının yüke uygun olarak denetlenmesi, bilinen analog yöntemlerin yanında yapay zeka tabanlı sayısal kontrol yöntemleriyle de sağlanabilmektedir. Bu çalışma kapsamında, öncelikle şebekeden bağımsız çalışan bir asenkron jeneratörün dinamik modeli oluşturularak geçici ve sürekli durum analizi farklı 1

15 yükler için yapılmıştır. Jeneratörün mekanik giriş gücündeki ve yük tarafındaki değişimlere göre uç gerilimi ve çıkış frekansı incelenerek istenen çıkış gerilimi ve frekansını sağlayacak olan bulanık mantık tabanlı bir denetleyici, mikroişlemci destekli olarak tasarlanıp ve gerçekleştirilmiştir. 1.1 Tezin Amacı Bu çalışmada, elektrik şebekesinden bağımsız olarak çalışan ve elektriğin olmadığı yerlerde kullanılan olan üç fazlı bir asenkron jeneratörün düzenli ya da düzensiz mekanik güç girişlerine karşılık dengeli ve dengesiz yükler altında çıkış bulanık mantık tabanlı bir algoritmayla elektronik yük kontrolüne dayalı olarak gerçekleştirmektir. 1.2 Literatür Özeti Fosil yakıtlardan üretilen enerjinin maliyeti ve azalan kaynaklar göz önüne alındığında, rüzgâr, güneş, biyogaz gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına ilgi gittikçe artmıştır. Ancak bu enerji kaynaklarından faydalanmak için çoğu zaman yerleşim alanlarından uzak bölgeler elverişli olmaktadır. Enerjinin üretildiği alanda kullanılması ya da şebekeye senkronizasyonu farklı sorunları da beraberinde getirmiştir (Singh 2004). Özellikle rüzgar türbini uygulamalarında, değişken hızlı işletimler için jeneratör uç gerilimi ve frekansı denetlenmek üzere, mekanik tarafta da bir regülatör kullanmak kaçınılmaz olmuştur. Yani rüzgar hızlarındaki değişimlerde jeneratörün frekansının değişmemesi için rüzgar türbin kanatlarının açıları değiştirilmektedir (Ermis ve Arikan 1981). Ayrıca, senkron jeneratörlerde endüvi alanını uyarabilmek için, orta ve büyük ölçekli sistemlerde harici bir doğru akım kaynağına da ihtiyaç duymaktadırlar. Bu da, yapısal olarak makine mili üzerinde karbon fırça ve bileziklerin kullanılmasını gerektirmektedir. Son yıllarda, asenkron jeneratörler; dönen kontakları olmaması, kolayca yol verilebilmesi, tesis kurulum ucuzluğu, şebekeye bağlanma kolaylığı, şebekeye 2

16 bağlandığı zaman frekans ve uç gerilimi salınımı oluşturmaması gibi avantajları nedeniyle, tercih edilmiştir. Fakat bu sistemlerde de üretilen gerilimin ve frekansın regülasyonu, kanat açı kontrolü, frenleme kontrolü, türbin yön kontrolü gibi birçok mekaniksel kontrol ile gerçekleştirilmektedir. Bu gibi kontrol sistemlerinin de bakım-onarım ve gürültü gibi sakıncaları bulunmaktadır (Turhal 2009). Gerilim ve frekans kontrolü için kullanılan mekaniksel sistemlerin sakıncaları görülmeye başlandıkça mekanik parçaların bulunmadığı, uç gerilim ve frekans kontrollerin elektronik olarak sağlandığı sistemler araştırılmaya ve geliştirilmeye başlanmıştır (Singh ve diğ. 2005) (Singh ve diğ. 2005) (Singh ve diğ. 2008). İlk yapılan araştırmalarda; rüzgârdan tahrik alan bir asenkron jeneratörün ihtiyaç duyduğu reaktif enerjiyi sağlayan kapasitörün seçimi üzerine Sridhar çalışmalar yapmıştır (Shridlar ve diğ.1995). Fakat tekbir kondansatörün çeşitli rüzgar hızlarında jeneratörün ihtiyaç duyduğu reaktif enerjiyi karşılayamadığı yapılan çalışmalarda belirlenmiştir (Murthy ve diğ.1982), (Al-Bahrani ve diğ. 1993). Daha sonra yapılan çalışmlarda, sabit kondasatör gurubuna paralel olarak kontrollü anahtar yardımı ile bir kondansatör grubu daha bağlanmıştır. Rüzgâr hızındaki değişimlerde kontrollü kondansatör grubu devreye girip çıkmaktadır (Elsharkawi ve diğ.1985). Kondansatör gurubunun sürekli olarak her rüzgar hızına karşılık jeneratörün ihtiyacı olan reaktif enerjiyi sağlayabilmesi üzerine yapılan çalışmalarda, uyartım kondansatör gurubunun PI denetimli anahtarlaması yapılmıştır. Minimum gerekli kondansatör seçimi maksimum güç üretimi göz önüne alınarak yapılan çalışmalar da buna destek sağlamıştır (Mahato ve diğ. 2008). Güç elektroniğindeki gelişmelerden ve yüksek güçlü yarı iletkenlerin kullanımların artması ile konuyla ilgilenen araştırmacılar jeneratör çıkış gerilimini ve frekansını yarı iletkenleri kullanarak istenilen forma getirmeyi amaçlamışlardır. Yapılan bu çalışmalarda jeneratör çıkış gerilimi diyotlar ile doğrultularak inverter girişine DC olarak verilmiştir. İstenilen şebeke frekansına paralel olarak inverter çıkışı AC sinyale çevirilmiştir (Singh 1995), (Dezza ve diğ.1995). Bu sistemlerde jeneratörden sürekli maksimum güç çıkışı sağlandığı için sistem verimi oldukça yüksektir. 3

17 Asenkron jeneratör olarak kullanılabilen bilezikli asenkron makineler üzerine yapılan çalışmalarda, jeneratörün stator sargı uçları direk olarak şebekeye bağlanır ve rotor sargı uçlarından şebekeden bağlı AC-DC-AC çeviriler vasıtasyıla gerekli rotor uyartımı verilmektedir (Vicatos ve Teqopoulos 1989) (Eskanser ve El-Hagry 1998) (Cadirci ve Ermis 1992) (Pena ve diğ.1996) (Vernados ve diğ.1993) (Slootweg ve diğ. 2001) (Loannides ve diğ. 1994) (Hofmann ve diğ. 1997) (Utug ve diğ. 1994) (Giraud ve Salameh 1998) (Loannides 1992) (Salahmeh ve Wang 1989) ( Salameh ve Kazda 1987) (Salameh ve Kazda 1986). Bu konu ile ilgili yapılan bir diğer çalışmada, sabit güç ve frekans çıkışı sağlamak üzere bağlandığı şebekeye güç geri kazanımı da sağlayan bir tür regeranatif modlu motor-jeneratör kullanımı başarı ile gerçekleştirilmiş ve motor çalışma hızı bulanık mantık tabanlı olarak bir DSP tabanlı güç elektroniği sürücüsüyle gerçekleştirilmiştir (Kesler ve diğ. 2008). Fakat bu bilezikli asenkron jeneratörlerin kullanımının, yaygın bulunaması, bakım giderlerinin yüksek olması, güç faktörünün düşük olması, fırçalarından dolayı güvenilirliğinin az olması gibi dezavantajları mevcuttur. Ayrıca şebekeden bağımsız uygulamalar için uygun değildir. Çünkü uyartım için güç kaynağına ihtiyaç duymaktadırlar. Asenkron jeneratörlerin uç gerilimi ve frekansını denetlemek üzere kullanılan bir başka yöntem de bir statik kompanzatör üzerinde her faz çıkışını yüke ve çıkış gerilimine uyumlu sarım oranında transformatörle güçlendirmektir. Böyle bir çalışmada hem uyartım kondansatörleri hem de çıkış gerilimi uygun seviye için anahtarlanmaktadır. Referans gerilim seviyesine göre sistem için uygun PID katsayıları hesaplanarak denetim gerçekleştirilmekte olup sistem dinamik modeli ve değişen güç oranlarına göre PID denetim hem matematiksel zorluk çıkarmakta hem de yeniden parametre kestirimi gerektirmektedir (Singh ve Kasal 2008). Değişen sistem parametrelerinin kestirimini kolaylaştıran ve dinamik modele çok bağlı olmayan bulanık mantık veya genetik algoritma gibi uzman görüşüne dayalı yapay zekâ tabanlı seçici denetim sistemleri şebekeye paralel bağlı asenkron jeneratörlerin gerilim ve frekans denetiminde de kullanılmaya başlanmış ve yüksek başarımlar sağlamıştır (Soliman ve diğ. 2006) (Attia ve diğ.2006). Elektrik şebekesinin olmadığı veya kullanılmak istenmediği yerlerde asenkron jeneratörler, uygun yenilebilir enerji kaynağı potansiyeli olan bölgeler için, şebekeden bağımsız olarak kullanıldığından, gerilim ve frekansının da yük 4

18 değişimlerine uygun olarak bağımsız denetlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla yapılan çalışmada elektronik yük bankası kullanımıştır. Uygulanan projede kontrol sistemi PID tabanlı ve sistem dinamik modeline son derece bağımlıdır (Juan ve Emmanuel 2007). Şebekeden bağımsız olarak kullanılan asenkron jeneratörün uç geriliminin regülasyonu için uyartım kondansatörlerinin anahtarlanması ile ilgili çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmada uyartım kondansatörleri çift yönlü IGBT ler ile kontrol edilen asenkron jeneratörün değişik yük ve hız değerlerinde geriliminin değişmemesi için PSPICE de kurulan benzetim modelinden elde edilen sonuçlar incelenmiştir (Sencer ve diğ. 2008). Kendinden uyartımlı asnekron jeneratörlerin modellenmesini ilk olarak Krause d-q referans ekseninde gerçekleştirmiştir (Krause ve Thomas 1965). Ardından birçok araştırması bu modeli geliştirmiştir. Novatay yaptığı bir çalışmada, d-q referans modeline senkron dönen rezistif yük bağlı invertörün asekron jeneratörün çıkışına bağlı bir sistemin analitik modelini geliştirmiştir (Novotony ve diğ. 1977). Bu sistemin transient performansı ve dengesiz yüklerdeki davranışda arştırılmıştır (Hallenius ve diğ. 1991) (Grantham ve diğ. 1993) (Natarajan ve diğ. 1987) (Shridhar ve diğ. 1995) (Al-Bahrani ve Malik 1990). Kendinden uyartımı asenkron jeneratörün empedans tabanlı modellenmesi üzerine çalışmalarda yapılmıştır (Murthy ve diğ.1982). Bu çalışmlarda, şebekeden bağımsız çalışan jeneratöre ait sürekli durum performans karakteristik dneklemleri geliştirşmiştir. Ardından şaft etkilerinin varyasyonları (Narayanan ve Johnny 1986), farklı jeneratör kutup sayılarında (Singh ve diğ. 1992) ve paralel çalışma uygulamarı üzerine çalışmalar yapılmıştır (Bim ve diğ. 1989). Quazere yaptığı çalışmada, üç fazlı omik yük bağlı tek fazlı jeneratör eşdeğer devre üzerinde admitans modeli geliştirmiştir (Quazene ve McPherson 1983). Çalışma frekansı ve manyetik reaktansı belirlemek için rotorun ve statorun fazlarındaki toplam admitansların real ve imajinel kısımları sıfıra eşitlenmiştir. Bu metod manyetik reaktans için, jeneratör frekans ve diğer manyetik parametre şartlarında uygun değerler vermektedir. 5

19 1.3 Hipotez Düzenli ya da düzensiz mekanik güç girişlerinin elde edildiği rüzgar bölgelerinde, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına imkân sağlayan, şebekeye bağlı ya da şebekeden bağımsız çalışabilen asenkron jeneratörlerin kullanımı maliyet ve bakım-onarım açısından diğer makinelere göre daha uygundur. Ancak, elektrik şebekesinden uzak yerlerde, yenilebilir enerji kaynaklarından faydalanmayı sağlayan, küçük ve orta ölçekli uygulamalarda asenkron jeneratörler çoğunlukla şebekeden bağımsız olarak işletilmektedirler. Bu nedenle, mekanik güç girişinin düzensizliği veya jeneratör yükünün dengesizliği durumunda, jeneratör uç geriliminin yüke uygun olarak düzenlenmesi gerekmektedir. Bunu sağlamak amacıyla bu çalışmada; uzman görüşüne dayalı, insan düşünme mantığına yakın bir denetleyici modeli olarak bilinen Bulanık Mantık Denetleyici tabanlı bir kontrol sistemi mikroişlemci ve güç elektroniği düzenekleriyle sağlanmıştır. Böylece, hızlı ve yüksek doğruluklu bir uç gerilimi denetimi, yükten ve mekanik giriş gücünden bağımsız olarak gerçekleştirildiğinden, endüstriyel ya da küçük ölçekli mesken kullanımlarına uygun bir sürücü düzeneği ve kontrol sistemi, kompakt ve adaptif bir cihaz olarak tasarlanmıştır. Böyle bir denetleyici modelinin tasarımı, makine dinamik modelinden de bağımsız olarak çalışabilmesine imkan sağlar şekilde yapıldığından, gerilim set değerleri dışarıdan değiştirilebilen, farklı güçlerdeki asenkron jeneratör uygulamalarında da kullanılabilen, dolayısıyla yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını daha etkin ve daha ekonomik kılan bir tasarım gerçekleştirilmiştir. Diğer taraftan, asenkron jeneratörler, uyartım modelinin yapısı gereği, aşırı yük akımı ya da kısa devre durumunda, kendiliğinden elektrik üretimini durdurduğundan, sistemin güvenliği de otomatik olarak sağlanmaktadır. Bu yönüyle de üretilen enerjinin kullanıldığı pano ve yük gruplarında ihtiyaç duyulan şalt ve koruma elemanlarında da indirgeme yapmak mümkün olmaktadır. Daha önceki çalışmalardan farklı olarak; denetim sisteminin bulanık mantık tabanlı yapılmasının yanı sıra, jeneratör çıkış gerilimlerinin üç fazını da tek bir doğrultma sistemi üzerinden denetlemek yerine fazların dengesiz yüklenmesi durumuna karşılık her fazın kendi denetim sisteminin ayrı ayrı oluşturulması bu çalışmada öngörülmüştür. 6

20 2. ASENKRON MAKĠNELER Asenkron makineler, transformatörler gibi hareket etmeyen makineler ile girişine uygulanan enerjinin şeklini çıkışa değiştirerek veren, yani hareket eden makinelerdir. Hareket eden elektrik makineleri, girişine uygulanan enerjinin şekline göre motor ve jeneratör olarak ikiye ayrılır. Asenkron makineler, motor olarak çalı şırken stator sargıları ile aldığı elektrik enerjisini rotorundan dönme hareketi olarak mekanik enerjiye çevirir. Jeneratör olarak çalıştıklarında ise rotorundan aldıkları mekanik enerjiyi bazı koşullar altında stator sargılarından elektrik enerjisine çevirirler. Motor olarak birkaç wattan 300MW gücüne kadar üretilmektedir. Jeneratör olarak rüzgâr enerjisinden elektrik elde etmek amacı ile rüzgâr türbini ile birlikte kullanılmaktadır. Stator sargı gerilimleri 220V dan 22kV a kadar değişmektedir. Dönme sayıları sabit değildir, fakat dönme sayısı yükle az değişir. Dönen diğer elektrik makinelerine kıyasla daha sağlam, daha az bakım isteyen ve daha ucuz makinelerdir. 2.1 Üç Fazlı Asenkron Makinenin Dinamik Modeli Vektör gerilim denklemlerini, ω g hızında dönen genel referans eksen takımında elde etmek üzere Şekil 2.1 göz önüne alınmıştır. Asenkron makina olarak simetrik iki kutuplu, üç faz sargılı ve düzgün hava aralıklı ele alınmıştır. Boşluk harmonikleri dikkate alınmayıp demir parçanın magnetik geçirgenliği sonsuz, akı yoğunluğunun radyal olduğu ve demir kayıpları ihmal edilmiştir. Genel referans eksen takımındaki vektör gerilim denklemleri (2.1) - (2.12) de verilmiştir. 7

21 Şekil 2.1 Stator büyüklüklerinin dönüşümü Genel eksen referans takımında direk ve kuadratür eksenleri x ve y, d g g genel hızında döner. Şekil 2.1 de gösterildiği gibi θ g, durgun referans dt eksen takımının direkt eksen bileşeni sd ile genel referans eksen takımının gerçel bileşeni x arasındaki açıdır. Genel referans eksen takımında, atator akımı vektörü aşağıdaki şekilde ifade edilir. i i e i ji (2.1) j g sg s sx sy Genel referans eksen takımında, stator gerilim ve akı vevektörleri de benzer şekilde elde edilir. u u e u ju (2.2) j g sg s sx sy (2.3) e j g j sg s sx Burada u s ve ψ s durgun referans eksen takımındaki stator gerilimi ve stator akısı vektörleridir. Benzer yaklaşımlar kullanılarak rotor gerilimi, rotor akımı ve rotor akısı da elde edilir. Şekil 2.2 de üç ayrı referans eksen takımı gösterilmiştir. Bu eksen takımları genel, rotora ve statora göre referans eksen takımlarıdır. Rα ve rβ, rotor sargılarının magnetik eksenleri olup rα ekseni stator referans ekseninin direkt ekseninden (sd) θr açısı kadar farklı konumda yerleştirilmiştir. sy 8

22 Şekil 2.2: Rotor büyüklüklerinin dönüşmü Şekil 2.2 den hareket ederek, rotora göre referans eksen takımında, rotor akımı vektörü i r j r i e r i rg i e r j r' olarak ifade edilir. Bununla birlikte, Şekil 2.2 den de görülebileceği gibi, genel referans eksen takımının gerçel ekseni (x) ile rotorla birlikte dönen referans eksen takımının gerçel bileşeni (rα) arasındaki açı θ g - θ r olduğu için, genel referans eksen takımındaki rotor akımı vektörü olarak ifade edilir. Burada ' ( ) dir. Buradan; r r g r i rg i e r j r' j j( g r ) j( g r ) r rg r r rx ry i i e e i e i ji (2.4) elde edilir. Benzer, şekilde, rotor gerilimi ve rotor akısı vektörleri de genel referans eksen takımında aşağıdaki şekilde ifade edilir. j( gr) rg r rx ry u u e u ju (2.5) j( ) (2.6) e g r j rg r rx ry Genel referans eksen takımında, stator ve rotor vektör gerilim ifadeleri d sg u sg Rsi sg j g (2.7) sg dt d rg urg Rr irg j( g r ) (2.8) rg dt 9

23 Şeklinde elde edilir. Genel referans eksen takımındaki stator ve rotor akı vektörleri, stator ve rotor akımı vektörleri cinsinden L i L i (2.9) sg s sg m rg L i L i (2.10) rg r rg m sg olarak ifade edilir. (7)-(10) ifadeleri birleştirilirse; d d usg Rs isg ( Ls isg ) ( Lm irg ) jg ( Ls isg Lm irg ) (2.11) dt dt d d urg Rr irg ( Lr irg ) ( Lm isg ) j( g r )( Lr irg Lm isg ) (2.12) dt dt Gerilim denklemleri elde edilir Rotor Mıknatıslanma Akımı Rotor özendüktansının, rotoru kaçak ve mıknatıslanma endüktanslarının toplamı olduğu kabul edilerek, rotor mıknatıslanma akımı vektörünün genliği aşağıdaki şekilde yazılır. Lr Lrl Lrl imr ir r is r ir r ( ir r is r ) ir r im r (2.13) L L L m m m j im r is r ir r im e (2.14) 10

24 Şekil 2.3: Mıknatıslanma akımı ve rotor mıknatıslanma akımının vektör diyagramı Burada i mψr rotor akınına göre referans eksen takımındaki rotor mıknatıslanma akımı vektörüdür. Ayrıca i m durgun referasn eksen takımındaki mıknatıslanma akımı vektörü i m ise onun genliğidir. μ m, i m vektörünün durgun referans eksen takımının gerçel ekseni ile yaptığı açı, μ m = μ m ρ r ise i m vektörü ile rotor akısına göre referans eksen takımının gerçel ekseni arasındaki açıdır. Şekil 2.3 de durgun ve rotor akısına göre referasn eksen takımlarında i m ve i mr vektörleri gösterilmiştir. Kaçak endüktans sıfırdan farklı olduğu için mıknatıslanma akımı vektörü ile rotor akısı vektörü eş eksenli değildir. Bu yüzden i m ve i mr de eş eksenli olmayacaktır. Stator ve rotor gerilim denklemleri elde edilirken i mr terimi yerine i m terimi kullanılacaktır. i mr ile i m arasındaki ilişki aşağıdaki şekilde verilir. L rl imr ir r im e Lm ju (2.15) Stator Gerilim Denklemleri Stator özendüktansının (L s ), stator kaçak endüktansı(l sl ) ile mıknatıslanma endüktansının toplam olduğu ve stator kaçak endüktansının sabit olup sadece mıknatıslanma endüktansının doyma ile değiştiğini kabul ederek stator stator gerilim denklemleri olarak; d j j us r Rs is r Lsl ( Lm im e ) jmr ( Lsl is r Lm im e ) (2.16) dt 11

25 Elde edilir. Bu denklemde; L m m r (2.17) i m i mr dir. Yine aynı denklemde; j ' j m m m( s r ) mr mx my L i e L i i e j (2.18) olup ψ mr rotor akısına göre yazılan referans eksen takımındaki mıknatıslanma kaçak akısı vektörüdür. Genellikle rotor akısı ile eş eksenli olmadığı için ( yalnızca μ=0 olduğu zaman eş eksenlidir. ) doymalı koşullar altında dψ mr / dt türev ifadesi direkt ve kuadratür eksenleri stator gerilimleri arasındaki çapraz etkileşmeyi gösterir. (16) ifadesi gerçel ve sanal bileşenlerine ayrılırsa; disx d mx usx Rsisx Lsl mr ( Lslisy my ) (2.19) dt dt disy d my usy Rsisy Lsl mr ( Lslisx mx) (2.20) dt dt Ifadeleri elde edilir. Burada ; L ( i i ) L i (2.21) mx m sx rx m mx L ( i i ) L i (2.22) my m sy ry m my dir. (2.21) ve (2.22) ifadelerindeki i mx ve i my rotor akısına göre yazılan referans eksen takımındaki mıknatıslanma akımı vektörünün gerçel ve sanal eksen bileşenleridir. (2.19) ve (2.20) ifadelerindeki d mx dt ve d my dt ifadeleri (2.21) ve (2.22) ifadelerinin zamana göre türevi alnarak elde edilir. d mx d dimx dl m ( L m i mx ) L m i mx (2.23) dt dt dt dt d my d dimy dl m ( L m i my ) L m i my (2.24) dt dt dt dt 12

26 Bu eşitliklerdeki mıknatıslanma endüktansının birinci mertebe türevi doymalı koşullar altında sıfırdan farklıdır. Mıknatıslanma endüktansının zamana göre türevi alınırsa; elde edilir. Burada; dlm dl d i m m ( Ld Lm ) d im (2.25) dt d i dt i dt m m L d d m (2.26) di m ifadesi dinamik endüktans olarak adlandırılır ve doymalı koşullar altında sıfırdan farklıdır. Doğrusal magnetik koşullar altında ise mıknatıslanma endüktansı L m ye eşittir. (2.25) ifadesinde kullanılan mıknatıslanma akımı vektörünün genliği direkt ve kuadratür eksenleri bileşenlerinden oluşmakla birlikte aynı zamanda direkt ve kuadratür eksenleri stator ve rotor akımlarınıda içermektedir. Bundan dolayı dl m /dt ifadesi çapraz-doyma etkileşim ifadesine katılacaktır. Matematiksel olarak di d i di i di di di i (2.27) dt dt i dt i dt dt dt m 2 2 1/2 mx mx my my mx my ( mx i my ) cos sin m m olduğu düşünülerek ve i i cos mx (2.28) m i i sin my (2.29) olduğu göz önüne alınarak (2.23)-(2.27) ifadeleri kullanılırsa, m d di dt dt dt mx di mx my L mx Lxy (2.30) d di my my di mx L my Lxy dt dt dt (2.31) 13

27 ifadeleri elde edilir.burada L mx ve L my,direkt (x) ve kuadratür (y) eksenleri boyunca mıknatıslanma endüktansları, L xy ise direkt (x) ve kuadratür (y) eksenleri arasındaki çapraz etkileşme endütansıdır. L L L L L (2.32) mx d cos msin d cos ( m r ) m sin ( m r ) L L L L L (2.33) my mcos d sin mcos ( m r ) d sin ( m r ) 1 1 Lxy ( Ld Lm )sin(2 ) ( Ld Lm )sin2( m r ) (2.34) 2 2 Doğrusal magnetik koşullar altında L d =L mx =L my =L m ve L xy =0 dır. (2.21), (2.22), (2.30), (31) ifadeleri (2.19) ve (2.20) ifadelerinde kullanılırsa stator gerilim denklemleri; disx di di rx sy diry usx Rsisx Lsx Lmx Lxy mr Lslisy Lm ( isy iry ) dt dt dt dt (2.35) disy diry disx dirx usy Rsisy Lsy Lmy Lxy mr Lslisx Lm ( isx irx) dt dt dt dt olarak elde edilir. Burada, (2.36) Lsx Lsl Lmx (2.37) Lsy Lsl Lmy (2.38) Rotor akısına göre referans eksen takımında direkt ve kuadratür eksenleri boyunca stator sargılarının özendüktanslarıdır. Doymanın bir sonucu olarak Lsx L sy dir. Doğrusal koşullar altında ise Lsx Lsy Lsl Lm dir. (2.35) ve (2.36) ifadelerinden de görülebileceği gibi rotor akısına göre referans takımının hızı 0 olsa bile bu iki stator gerilim denklemi doymanın bir sonucu olarak birbiri ile mr etkileşimlidir. Eğer r 0 alınırsa rotor akısına göre referans eksen takımı ile dr durgun referans eksen takımı üst üste çakışır. Bu durumda mr 0 olduğu dt 14

28 gözönüne alınarak durgun referans eksen takımındaki stator gerilim denklemleri elde edilir. (2.32)-(2.36) ifadeleri kullanılarak; di d (2.39) sd md usd RsisD Lsl dt dt di d (2.40) sq md usq RsisQ Lsl dt dt elde edilir. Burada md ve mq sırasıyla durgun referans eksen takımındaki mıknatıslanma akısı vektörünün direkt ve kuadratür ekseni bileşenidir. L i L ( i i ) (2.41) md m md m sd rd L i L ( i i ) (2.42) mq m mq m sq rq d di di dt dt dt md md mq LmD LDQ (2.43) d di di dt dt dt md mq md LmQ LDQ (2.44) Burada i md, i sd, i rd ve i mq, i sq, i rq durgun referans eksen takımında sırasıyla mıknatıslanma, stator ve rotor akımları vektörlerinin direkt ve kuadratür eksenleri bileşenleridir. L md ve L mq durgun referans eksen takımındaki direkt ve kuadratür eksenleri boyunca mıknatıslanma endüktansları, L DQ ise stator sargıları arasındaki çapraz- etkileşme endüktansıdır. L L cos L sin (2.45) 2 2 md d m m m L L cos L sin (2.46) 2 2 mq m m d m L ( L L )sin cos (2.47) DQ d m m m (2.39)-(2.47) ifadeleri birleştirilerek; 15

29 disd di di rd sq dirq usd RsisD LsD LmD LDQ r LslisQ Lm ( isq irq ) dt dt dt dt (2.48) disq dirq disd dird usq RsisQ LsQ LmQ LDQ r LslisD Lm ( isd ird ) (2.49) dt dt dt dt şeklinde yazılabilir. Burada, LsD Lsl LmD (2.50) LsQ Lsl LmQ (2.51) olup durgun referans eksen takımında direkt ve kuadratür eksenleri boyunca stator sargılarının özendüktanslarıdır ve doymanın bir sonucu olarak eşit değildirler Rotor Gerilim Denklemleri Rotor özendüktansı L r =L rl +L m olup rotor kaçak endüktansı L rl nin doyma ile birlikte değişmediği varsayılacaktır. Genel referans eksen takımındaki rotor gerilim denklemindeki ωg terimi yerine rotor akısına göre referans eksen takımının hızı ω mr alınacaktır. dir r dim r ur r 0 Rr ir r Lrl j( mr r )( Lrl ir r ) (2.52) m r dt dt ifadesi rotora göre referans eksen takımındaki rotor vektör gerilim denklemi ifadesidir. Bu ifadede ωmr=0 alınıp gerçel ve sanal bileşenlerine ayrılırsa durgun referans eksen takımında rotor gerilim denklemleri elde edilir. dird d md urd Rrird Lrl r ( Lrirq LmisQ ) 0 (2.53) dt dt dirq d mq urq Rrirq L r ( Lrird LmisD ) 0 (2.54) dt dt (2.43) ve (2.44) ifadeleri bu ifadelerde yerine yazılırsa doymalı durumunda asenkron makina için rotor gerilim denklemleri elde edilmiş olur. 16

30 dird di di sd sq dirq urd Rrird Lrd LmD LDQ r ( Lrirq LmisQ ) 0 dt dt dt dt dirq disq disd dird urq Rrirq Lrq LmQ LDQ r ( Lrird LmisD ) 0 dt dt dt dt (2.55) (2.56) Burada, Lrd Lrl LmD ve Lrq Lrl LmQ olup rotorun durgun referans eksen takımındaki direkt ve kuadratür eksenleri özendüktansları ve Lr Lrl Lm dir. Doymanın bir sonucu olarak Lrd Lrq Lr dir. (2.48), (2.49) ve (2.55), (2.56) ifadeleri birleştirilir ve matrisel forma getirilirse doymalı koşullar altında üç fazlı asenkron makinanın durgun referans eksen takımındaki dinamik denklem takımı aşağıdaki gibi elde edilir. usd Rs LsD LDQ LmD p LDQ p isd u sq LDQ Rs LsQ p LDQ p LmQ p i sq (2.57) u rd LmD rlm LDQ p Rr Lrd p rlr LDQ p i rd urq r Lm LDQ p LmQ p r Lm LDQ p Rr Lrd p irq 17

31 3. ASENKRON JENERATÖR 3.1 Asenkron Jeneratörün ÇalıĢma Ġlkesi İçinde endüktif akım verebilen bir alternatif gerilim şebekesine bağlı asenkron motorun rotoru, stator döner alanı yönünde ve döner alandan biraz daha küçük bir hızla dönerek statordan aldığı elektrik enerjisini, milinden mekanik enerji olarak verir. Rotor, dışarıdan bir mekanik sürücü ile döner alan yönünde ve hızında döndürülürse, makine rotoru sargılarında bir gerilim ve akım endüklenmez. Bu çalışma türü, ne motor ne de jeneratör çalışmasına karşı düşer. Şimdi rotoru, mekanik sürücü ile döner alanın hızı ile aynı yönde ve asenkron hızından daha büyük hızla döndürelim. Döner alanın senkron hızı n s, rotor döner alanın dönme hızı n r ise (kutup çifti sayısı p=1 için), aşağıdaki özellikler oluşur. a) n = n s + n r rotor dönme sayısı n >n s ns n b) s 0 ns c) Stator akımı I s nin fazı 180º değişir ve jeneratör şebekeye elektrik gücü verir. d) P e = 3V s I s cosφ s < 0 elektrik gücü motor çalışmasına göre yön değiştirir. e) Makine milinden mekanik güç alır ve elektrik uçlarında bağlı olduğu şebekeye elektrik enerjisi verir. P m > 0 ve P e < 0 olur. 18

32 Şekil 3.1: Asenkron motorun yapısı 3.2 ġebekeye Bağlı ÇalıĢan Asenkron Jeneratör Asenkron motorun, (3.1) ve (3.2) bağıntıları ile verilen fazör gerilim denklemlerinde s < 0 alınırsa, asenkron jeneratörün fazör gerilim denklemleri elde edilir. ms ms ı Vs RĠ s s j XS ĠS j Xsm( Ġs Ġ r) (3.1) 2 2 ı R r ı m r ı ı m s ı 0 Ġ r j X rġ r j Xsm( Ġs Ġ r) (3.2) s 2 2 ms ms ı Vs RĠ s s j XS ĠS j Xsm( Ġs Ġ r) (3.3)

33 ı R r ı m r ı ı m s ı 0 Ġ r j X rġ r j Xsm( Ġs Ġ r) s 2 2 (3.4) Rotora ilişkin denklem düzenlenirse, ı R r ı m r ı ı m s ı Ġ r j X rġ r j Xsm( Ġs Ġ r) s 2 2 (3.5) olur. Kayma negatif olunca R r / s direnci negatif bir direnç olur. Negatif direnç, bir üreteç gibi etki yapacak ve rotor akımının fazı değişecektir. Jeneratör denklemlerini kullanarak fazör diyagramı ve eşdeğer devresi verilebilir. Şekil 3.1 de asenkron jeneratörün fazör diyagramı ve Şekil 3.2 de eşdeğer devresi verilmiştir. Demir ve sürtünme kayıpları eşdeğer devre ve fazör diyagramlarına sonradan eklenmiştir. Fazör diyagramı, (3.3) ve (3.5) denklemleri yardımı ile çizilirken bazı büyüklük ve parametrelerin bilinmesi gerekir. Bilinenler: ms mr R r, R s, Ġ sm, X sm, X s, X ı r, s, 2 2 Bulunması istenenler: a KN s s KN r r V s, Ġ r, Ġ s, φ sg, φ rg Fazör diyagramını çizmek için aşağıdaki işlemler yapılır: Ġ sm ve buna dik olan m j XsmĠ sm çizilir. 2 R s ı r Ġ ı r belirlenir. mr X ı r ile E r arasındaki açı φ r faz açısı tan 2 r bağıntısından ı R r s ms (3.5) denklemindeki j XsmĠsm 0Açizilir. 2 0A = E r den φ r alınarak Ġ r doğrultusu bulunur. A noktasından bu doğrultuya bir dikme indirilir, B noktası bulunur. 0B R s ı r Ġ ı r ve mr ı ı BA j X rġ r olur. Ġ r elde edilir. 2 20

34 ı Ġs Ġsm Ġ r 0K stator akımı bulunur. ms OD E s j XsmĠsm alınır. 2 D noktasından R s Ġ sm, m j 2 s Xs Ġs fazörleri alınarak OL = V s ve φ s bulunur. Fazör diyagramlarında fazörler ok yönünde dönerler. Jeneratörlere ilişkin fazör diyagmanlarında endüklenen gerilim fazörleri, jeneratörün uç geriliminden dönüş yönünde her zaman önde bulunur. Şekil 3.1 de E s endüklenen gerilim fazörü, uç gerilim fazörü V s den önde olduğu görülmektedir. Şekil 3.2: Asenkron jeneratörün fazör diyagramı. 21

35 Şekil 3.2 ve Şekil 3.3 de asenkron jeneratörün normal ve yaklaşık eşdeğer devreleri gösterilmiştir. R Fe demir kayıplarını gösterir; matematik modelin elde edilişinde böyle bir terimin varlığı gözönüne alınmamıştır, modele sonradan eklenmiştir. Şekil 3.3: Asenkron jeneratörün eşdeğer devresi Şekil 3.4: Asenkron jeneratörün yaklaşık eşdeğer devresi 22

36 3.3 Tek BaĢına ÇalıĢan Asenkron Jeneratör Senkron jeneratörlerin bulunmadığı bir şebekede asenkron jeneratör çalışamaz. Çünkü mıknatıslanma akımı I sm endüktif bir akımdır ve bu akım ya senkron jeneratör ya da kapasitörler tarafından verilebilir. Doğrudan şebekeye bağlı asenkron jeneratörün frekansı sabit olmadığından, frekansın sabitliğini senkron jeneratörler belirler. Ancak günümüz rüzgar türbini jeneratör uygulamalarında olduğu gibi asenkron jeneratörün gerilimi dört bölgede çalışan bir evirici (inverter) üzerinden şebekeye bağlanırsa çıkı frekansı 50 yada 60 Hz de sabit tutulur. Bir asenkron makinanın tek başına jeneratör olarak çalışabilmesinin gerek ve yeter koşulları: 1. Makinanın senkron hız üstünde döndürülmesi ve endüktif bir akım olan I sm mıknatıslanma akımının sağlanması. 2. Makinanın daha önceki çalışmalarından kalan bir kalıcı ( residual ) mıknatısiyet alanın olmasıdır. Daha önceki çalışmalardan asenkron makinanın kalıcı mıknatısiyetinin var olduğunu kabul edelim. Böylece yukarıda gerek ve yeter koşul olarak verilen 2. Koşul yerine getirilmiş olur. Gerek ve yeter koşulun 1.cisi, asenkron makine uçlarına gerekli olan üç fazlı kapasite bağlanarak, sağlanır. Şekil 3.5 de bu kapasitelerin bağlantı şekli gösterilmiştir. Kapasite grubuna uyarma kapasitesi denir. Şekil 3.5 : Asenkron jeneratör stator uçlarına bağlı üç fazlı uyarma kapasiteleri 23

37 Asenkron jeneratörün, önce s s V f I nns bağıntısı ile verilen boştaki karakteristiğini tanımlayalım. Asenkron makine n = n s sabit dönme sayısı ile döndürülerek, stator sargılarına 0 dan V s e kadar değişen bir gerilim uygulanarak elde olunan V s s f I karakteristiğine boştaki karakteristik denir. Bu karakteristik Şekil 3.5 de gösterilmiştir. Bir kapasiteden geçen akım I, kapasitenin değeri C (farad) ise uçlarındaki gerilim V 1 I olur. C ω sabit ise Vs f I bir doğru C m 1 gösterir ve bunun eğimi tan dır. Kapasite çok büyük ise bu doğrunun eğimi C çok küçük, kapasite değeri küçük ise eğim büyük olur. Şekil 3.6 : Asenkron jeneratörün boşta çalışma karakteristiği C α, C β, C t kapasitelerine ilişkin V 1 I, C V 1 I ve C V 1 I doğrular C t C α > C t > C β dır. Şekil 3.6 de C α > C t > C β olmak üzere üç farklı kapasite doğrusu gösterilmiştir. C α ile gösterilen doğru boşta çalışma karakteristiğini P noktasında keser. Böylece P gibi bir çalışma noktası elde edilir. 24

38 Bu halde asenkron jeneratör başlangıçta V r kalıcı mıknatısiyet geriliminden kendi kendini uyararak V p gerilimine ulaşır. Buna asenkronun kendi kendini uyarması denir. Kapasite değeri küçültülürse, örneğin C α > C t için kapasite doğrusu boşta çalışma karakteristiğine teğet olur; bu halde C t doğrusu ile boşta çalışma eğrisinin belli bir kesişme noktası yoktur. Kararlı bir çalışma elde edilemez. Kapasite biraz daha küçültülürse, C α > C t > C β koşulu ile C β doğrusu çizilirse bu doğruboştaki karakteristiği hiçbir noktada kesmez ve sonuç olarak asenkron jeneratör kendi kendini uyaramaz. C> C t koşulu her zaman bir çalışma noktası verir ise de C nin büyük değerlerinde stator uç gerilimi V s çok büyük değerler alabilir. Uyarma kapasitesini belirlemek için Şekil 3.6 de V sn nominal geriliminden bir yatay çizilerek P N noktası elde edilir. P N, 0 noktasına birleştirilerek nominal kapasite değeri C N elde edilir. Şekil 3.7: Tek başına çalışan asenkron jenetörün eşdeğer devresi. 25

39 4. ASENKRON JENERATÖRLERDE UÇ GERĠLĠM REGÜLASYONU 4.1 Sürücü Hızı Ve Mekanik Güç GiriĢine Bağlı Regülasyon Asenkron jeneratörün çıkış geriliminin ve frekansının regülasyonun, jeneratör rotor dönüş hızının mekaniksel yöntemler ile sabit tutulmaya çalışarak yapılmasıdır. Bu sistemlerde rüzgar hızındaki değişimlerde rotor hızınında ki değişimi engellemek için rüzgar türbin kanatlarının açıları değiştirilerek, şaft üzerinde bulunan firenleme sistemi ve çift hızlı asenkron jeneratörler kullanılarak rotor hızı sabit tutulmaya çalışılmıştır. Bu sayede çıkış frekansı ve gerilimi regülasyonu yapılmaktadır. Şekil 3.1 de kanat açılarının değiştilmesine örnek bir çizim verilmiştir. Şekil 4.1: Türbin kanat açılarının değiştirilmesi 26

40 4.2 Üret-Doğrult-Evir Modeli Asenkron jeneratörlerde uç gerilim ve frekans regülasyonun bir diğer yöntemi de Şekil 4.2 de gösterilmiştir. Şekil 4.2 : Üret-doğrult-evir modeli. Bu sistemde stator sargısı, DA linkinin iki tarafına back-to-back bağlı gerilim kaynaklı iki DGM eviriciden meydana gelen, dört bölgeli güç çeviricisi üzerinden şebekeye bağlanır. Stator tarafındaki çeviricinin kontrol sistemi, elektromanyetik momenti regüle eder ve makinanın manyetik alan üretebilmesi için reaktif güç sağlar. Şebeke tarafındaki çevirici, sistemden şebekeye aktarılan aktif ve reaktif gücü ve aynı zamanda DA linkini regüle eder. Rüzgâr güç sistemlerinde kullanılan SKAG ninsağladıgı avantajlar aşağıda verilmiştir: Sincap kafesli asenkron makinalar, fırçasız, güvenilir, ekonomik ve sağlam biryapıya sahip olmaları nedeniyle uygulamada sıkça kullanılmaktadırlar. Doğrultucu, jeneratör için programlanabilir bir uyartım oluşturabilmektedir. Evirici, harmonikkompanzatör olarak çalıştırılabilmektedir. Jeneratör parametrelerinin sıcaklık ve frekansla değişerek sistemin kontrolünükarmaşıklaştırması ve stator tarafındaki çeviricinin, makinanın ihtiyaç duyduğumanyetik alanı sağlamak için nominal güce göre % 30-% 50 oranında daha büyükölçülerde yapılması, bu sistemin dezavantajları arasında yer alır. Ayrıca yukarıda anlatılan jeneratörlerin dışında; fırçasız çift beslemeli jeneratörler, değişken relüktanslı jeneratörler ve çift hızlı asenkron jeneratörler de bazen, rüzgâr güç sistemlerinde özel uygulamalar için kullanılmaktadırlar. 27

41 4.3 Elektronik Yük Kontrolörlü Regülasyon Modeli Asenkron jeneratörlerin uç gerilim regülasyonu için uygulanan bir yöntemde jeneratör çıkışına bağlanan değişken bir dengeleyici yük bankası ve değişken kapasitör bankası vasıtası ile yapılabilmektedir. Bu sistemde jeneratör çıkış geriliminin sabit tutulabilmek için, tüketici yükünde meydana gelen değişimlerde yük bankasında harcanan gücü değiştirerek sabit tutulmaya çalışılmaktadır. Yani tüketici yükü arttığında yük bankasının gücü düşürülür, tüketici yükü düştüğünde ise yük bankasının gücü arttıtılarak her durumda jeneratördan çekilen güç sabit tutulmaya çalışılır. Bu sayede jeneratör çıkış gücü değişmediği için gerilimde değişmemektedir. Rüzgaz hızında meydana gelen değişimlerde jeneratör rotor hızı değişmekte ve çıkış frekansıda değişmektedir. Bu durumu engellemek için jeneratörün ihtiyaç duyduğu reaktif enerjiyi değiştirerek yani mıknatıslanma akımını düzenleyerek rotor dönüş hızıda sabit tutulmaktadır. Jeneratör çıkışına bağlı kapasitör bankasındaki kondansatörlerin değerleri pwm sinyali ile etkisi değiştirilmektedir. Bu sisteme ait model çizimi Şekil 4.3 de verilmiştir. Şekil 4.3: Geleneksel elektronik yük kontrollü regülasyon modeli 28

42 5. BULANIK MANTIK DENETLEYĠCĠLER 5.1 Bulanık Mantık Kavramı Bulanık mantık kuramı, bilinen Boolean mantığından farklı olarak, belirsiz veya kesin olmayan değerlerle ilgilenir. İlk olarak 1965 yılında Prof. L.A. Zadeh [46] tarafından ortaya konan bulanık küme kavramı, matematiksel olarak az veya çok tanımını, sayıların aynı isimli kümelerdeki üyelik derecelerine göre belirlemiştir. Böylece her hangibir eleman bir kümede var 1 ya da yok 0 değerlikleriyle değil, o elamanın kümedeki varlık derecesi önem kazanmıştır. Bu durumda o eleman için sözü edilen kümede 0 dan 1 e kadar üyelik derecesi mevcuttur. Örneğin Boolean mantığına göre, bir yaş uzayında 170 cm ve üzerindeki boyların UZUN tanımlandıgı bir kümede 169 cmboyu KISA olarak tanımlanır. Buna rağmen bulanık küme kavramında 169 cm likboyun UZUN kümesinde büyük bir üyelik değeri alırken, KISA kümesinde daha küçük bir üyelik değeri alır. Bir başka örnek olarak; kapının AÇIK ya da KAPALI olarak bilindiği modellere, kapının tam olarak AÇIK olmadığını ancak KAPALI da olmadığını ifade eden AZ AÇIK ya da kapının ARALIK olduğunu ve bu aralığın derecesini denetim sistemine dahil eden bir modeldir. Kapının zamanla konumu değiştikçe, anlık durumun isabet ettiği kümelerde farklı üyelik derecelerine sahip olur. Bir aracın hızını değerlendirirken; YAVAŞ ÇOK YAVAŞ HIZLI ÇOK HIZLI gibi sözel nitelendirme yapan kümelerde aracın anlık hızı, bu kümelerden bir ya da bir kaçında farklı üyelik dereceleri alır. Bu durumda uzman tasarımcı tarafından denetlenen sistemin dinamik davranışına göre hazırlanan kural tablosundan yine sözel bir sonuca varan bulanık mantık denetim sistemi, BİRAZ HIZLAN BİRAZ YAVAŞLA HIZLAN- YAVAŞLA gibi kararlar alır. Ancak denetlenen sisteme, uygun yöntemlerle kesinleştirilmiş (durulaştırılmış) denetim işareti üretilerek uygulanır. Araç kullanan bir insanın düsünsel olarak verdigi kararı fiziksel olarak araç denetim organına uygulaması gibidir. Verilen kararda birçok çevresel etkenin yanında, denetlenen sistem modeli, sınırları ve değişen sistem değerleri de göz önünde bulundurulur. Bu nedenle bulanık mantık tabanlı denetim sistemleri uyarlamalı (adaptif) olarak bilinir 29

43 ve yapay zekâ çalışmalarının içinde yer alır. Bulanık mantık denetleyicilerin temeli sözel ifadeler ve bunlar arasındaki mantıksal ilişkiler üzerine kurulmuştur. Bulanık mantık denetleyici uygulanırken sistemin matematiksel modellenmesi de şart değildir. Ancak sözel ifadelerin bilgisayara aktarılması matematiksel bir temele dayanır. Bu matematiksel temel, bulanık kümeler kuramı ve bulanık mantık olarak adlandırılır (Takagi ve Sugeno. 1985) (Siler ve Ying 1989) (Abraham 2005).kontrol mühendisliği açısından istenmeyen bir davranış şekli olmasına rağmen, yerel olarak kararlı hale getiren yöntemlerle kabul edilebilir bir performans elde edilebilir. 5.2 BMD Yönteminin GeliĢim Süreci Bulanık mantığın ilk uygulaması, Mamdani nin 1974 yılında bir buhar makinesinin bulanık mantık denetimini gerçekleştirmesiyle başlar. Bundan bir yıl sonra Zadeh in (Zadeh 1965) bulanık küme kavramının denetleyicilere uygulama kuralları ve bulanık mantık denetleyiciler Mamdani tarafından yayınlanmıştır (Zadeh 1965). Bir Hollanda şirketi 1980 yılında bir çimento fabrikasında, üç yıl sonrada Fuji su arıtma sistemlerinde bulanık mantık denetleyicileri kullanmaya başlamıştır. Omron şirketinin 1984 te başladığı çalışmalar birçok endüstriyel alanda uygulamaya konulmuştur. Japonya da Sendaimetrosu için Hitachi şirketinin geliştirdiği bulanık denetleme modeli, trenlerin farklı yükler altında ve farklı istasyonlarda durması ve hız denetiminde; etkin, enerji açısından verimli ve yüksek rahatlık ölçüleri ile değerlendirilmiştir. Bir başka bulanık mantık denetim modeli ise 1985 yılında geliştirilen Takagi ve Sugeno (Mamdani ve Assilian 1975) modelidir. Mamdani prensiplerine benzer olmasına rağmen, bulanık çıkarım yöntemleri birbirinden farklıdır. Kural tablolarının oluşturulmasında uzman sistemlerden yararlanılması ve kararlılık incelemesi her iki model için de araştırmaların temel konularındandır (Takagi ve Sugeno 1985) (Siler ve Ying 1989). Tokyo da 1990 yılında bir mini helikopter uygulamasında, yer konum algılaması ve uçuş kararlılığı konusunda önemli başarı elde edilmiştir. Bu yıllardan sonra, video kameralar, elektrikli süpürgeler, çamaşır makineleri gibi bireysel kullanıcılara sunulan bulanık mantık denetleyicili sistemler, oldukça beğeni kazanmıştır. Özellikle Japon şirketlerin bu konudaki rekabeti robot çalışmalarında da bulanık mantık denetim modelinin hızla girmesine ve gelişmesine neden olmuştur. El 30

44 yazısı tanıma sistemlerinde Sony şirketi 1993 yılında ilk çalışmalarını The Palm Top sistemi ile tanıtmıştır. Isı denetim sistemlerinde önemli çalışmalar ise NASA tarafından yapılmıştır (Abraham 2005) (El-Hawary 1998) (Ibrahim 1997). İlk bulanık mantık destekleyici yonga Togai ve Watanabe tarafından duyuruldu. Arkasından Yamazaki ve Sugeno ve daha sonra da Yamakawa bulanık mantık tabanlı mikroişlemci denetim sistemlerini duyurdular (El-Hawary 1998). Bulanık mantık denetleyicilerde en iyi başarımı sağlayacak kural tablosunun, en iyi kararlılık için oluşturulmasında ve denetim sisteminin karalılık incelemesinde önemli çalışmalar yapılmıştır. Hızlı öğrenme teknikleri, yapay sinir ağı desteği ile kendi kendine öğrenme mantıkları önerilmiştir (Elmas 2003) (Bose 1994) (Wong ve Mendel 1992). Hareketli sistemlerde hız ve konum denetimi, elektrik enerjisi üretiminde uç gerilim ve tepkin gücün denetimi, güç sistemlerinin kararlılığının sağlanması, elektrik makinelerinde alan yönlendirme tabanlı hız-moment denetiminde ve birçok güç elektroniği çevirici arabirimlerinde bulanık mantık denetim sistemi başarıyla uygulanmaktadır (Bose 1994) (Wong ve Mendel 1992) (Farag 1999) Bulanık Kümeler Klasik küme tanımında bir nesne bir kümenin elemanıdır ya da değildir. Bir nesnenin evrensel kümenin alt kümesi olan bir A kümesine ait olma derecesi [0,1] aralığında bir üyelik derecesiyle veriliyorsa, o nesneyle birlikte nesnenin bu kümedeki üyelik derecesinin oluşturduğu kümeye bulanık küme denir (Zadeh 1965) (Ibrahim 1997) (Altas 1997). Nesnenin bu kümedeki tam varlığı 1,yokluğu ise 0 üyelik derecesine sahip olmakla birlikte kümedeki dereceli varlığı üyelik fonksiyonları ile tanımlanır. Bir termometrenin ölçtüğü kesin sıcaklık değerinin, insanın eliyle hissettiği az sıcak, sıcak ya da çok sıcak gibi sözel bir nitelemesine karşılık oluşturulan küme bulanık bir kümedir. Bu nitelendirme için matematiksel yaklaşım üyelik fonksiyonları ile belirlenir. Böylece kesin değerler sözel olarak nitelendirilen kümelerde bulanıklaştırılır. Bu değerler bulanık girişler olarak bilinir. Çıkışı denetlenecek sistemin dinamik davranışı bir dinamik işaret incelemesi ile oluşturulan kural tablosunda sorgulanıp bulanık karar verme mantığı 31

45 ile elde edilir. Elde edilen bulanık değer, uygun yöntemlerle durulaştırılarak denetlenen sisteme kesin değer olarak uygulanır (Zadeh 1965) (Mamdani ve Assilian 1975). X evrensel kümesinde tanımlanan bulanık bir A alt kümesi için μa üyelik fonksiyonu; μa: X [0,1] (5.1) Biçiminde verilir. Bir x değişkeninin anlık değeri gerçek sayı olduğu gibi, A kümesindeki üyeliği de üyelik fonksiyonunda gerçek bir sayıdır. Ancak x ve üyelik derecesi bir bulanık kümedir. Farklı x değerleri için tanımlanmış bir bulanık A kümesi aşağıdaki gibi verilir: bağıntısında bir cebirsel toplama değil, küme elemanlarının tamamını ifade eden bir işaret olan (+) kullanılır. Şekil 5.1: Bir aracın güvenli durdurulmasına ilişkin giriş ve çıkış için bulanık kümeler Bir sistemin denetlenmesinde istenen davranış için bazı değerler ölçülür, algılanır ya da hesaplanır. Bunlar kesin değerlerdir. Sekil 5.1 de bir aracın bir cisme yaklaşırken hızı ve cisme olan mesafesi algılanıp, farklı üyelik fonksiyonları ile bulanıklaştırılmıştır. Örneğin aracın hızı 35 km/h ölçülmüş ise sadece yavaş 32

46 bulanık kümesinde [0,1] aralığında bir üyelik değeri alır. Aracın hızı 65 km/h olarak ölçülmüş, ise yavaş kümesindeki üyelik derecesi azalırken, hızlı kümesindeki üyelik derecesi artmıştır. Bu nedenle 65km/h hızındaki geçiş bulanıktır. Her iki kümede de farklı üyelik değerlerine sahiptir. Benzer biçimde cisme olan uzaklık için aynı şeyler söylenebilir. Ölçülen değerler bulanıklaştırıldıktan sonra cisme ola mesafe ve aracın hız birlikte değerlendirilip çıkış uzayında (fren basıncı) yapılması gereken denetim için bulanık karar verilir. Örneğin; cisme uzaklık çok yakın kümesinde, aracın hızı çok hızlı kümesinde ise verilecek en doğru karar uygulanacak fren basıncı için fazla kümesinden bir değer seçilir. Buna benzer her durum için oluşturulan kararlar bir tablo da düzenlenir. Buna kural tablosu denir. Böyle bir kural tablosu örnek olarak Tablo 5.1 de verilmiştir. Tablo 5.1. Hız ve mesafe girdileri için uygulanacak fren basıncı örnek kural tablosu Bulanıklaştırma işleminde farklı kümeler ve farklı üyelik fonksiyonları tanımlanabileceği gibi bulanık çıkarımda da farklı yaklaşımlar mevcuttur. Aynı şekilde literatürde durulaştırma işlemleri de farklıdır. Buna, sistemin dinamik davranışına göre uzman tasarımcı en uygun kararı verecektir. Kural tablolarının oluşturulmasında ve en iyileştirilmesinde belli bir sistematik oturmuş değildir (El- Hawary 1998). Aracın hızı ve cisme olan mesafesinin anlık değerlerine göre bulanık kümelerdeki üyelik dereceleri, çıkış uzayında verilecek kararın bulanıklık derecesinde etkilidir. Bunların değerlendirmesi bulanık çıkarım yöntemlerini oluşturur. Bulanık sonuçların ve üyelik derecelerinin değerlendirilerek kesin bir sonuç değere ulaşılması ise durulaştırma yöntemleridir. 33

47 5.3 Üyelik Fonksiyonları Denetim sisteminin giriş bilgilerini sözel niteleyiciler olan bulanık kümelere üyelik dereceleriyle birlikte dönüştürmek için kullanılan bulanıklaştırma fonksiyonlarıdır. Bir x değişkeninin bulanık bir kümeye ait olma derecesi bu fonksiyonlarla belirlenir. Literatürde kullanılan önemli üyelik fonksiyonları aşağıda verilmiştir. Şekil 5.2: Üçgen Üyelik Fonksiyonu Üçgen üyelik fonksiyonu matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilir: Şekil 5.2 de verilen üçgen üyelik fonksiyonunda anlık x1 değeri öncelikle sözel olarak bulanık A kümesinin elemanı olduğu belirlenir. (b,c) aralığında tanımlanan üyelik fonksiyonuna göre μa (x1) hesaplanır. Aynı anda bir x1 girdisi başka bir bulanık kümede bir üyelik derecesine sahip olabilir. Örneğin bu bulanık küme B olsun. Bu durumda x1 anlık girdisi için μb (x1) üyelik değeri de B kümesi için tanımlanmış üyelik fonksiyonundan hesaplanır. Bu her iki üyelik değeri de bulanık çıkarım için belirlenecek yöntemde kullanılacaktır. Böyle bir durum sinüzoid üyelik fonksiyonu için Şekil 5.3 de verilmiştir. 34

48 Sinüzoid üyelik fonksiyonları belli bir açısal frekansa (w) sahip olup Sekil 5.3 de B ve C kümeleri A kümesine göre p/2 radyan kadar ötelenmiştir. Buna göre x=x1 anlık girdisi hem A, hem de B kümesinde üyelik derecesine sahiptir. Şekil 5.3: Sinuzoid üyelik fonksiyonu Bu üyelik dereceleri a x b için (d=2b=4a) olmak üzere asagıdaki gibidir: ( x ) sinx A 1 1 ( x ) cosx B 1 1 ( x ) 0 c 1 2 2a b d Eğer c x d arasında anlık bir x girdisi varsa sadece C kümesinde sıfırdan farklı bir üyelik derecesine sahip olur ki buda c( x) sinx biçiminde tanımlanır. Yamuk üyelik fonksiyonu için x anlık girdilerinde A kümesindeki üyelik değerleri (5.6) numaralı bağıntı ile tanımlanır. Şekil 5.4 de yamuk üyelik küme fonksiyon biçimi verilmiştir. 35

49 Şekil 5.4: Yamuk Üyelik Fonksiyonu Bunların dışında Gaussian, Bell, Cauchy veya üstel fonksiyonlar da üyelik fonksiyonu olarak seçilebilmektedir (Altas 1997). Üyelik fonksiyonlarının bazı ortak özellikleri vardır. Bunları açıklamak üzere Şekil 5.5 i göz önünde bulunduralım (Farag 1999) (Altas 1997): Şekil 5.5: Üyelik fonksiyonlarının bazı özellikleri 36

50 Çekirdek: X genel uzay kümesinin A gibi bir üyelik fonksiyonunda 1 üyelik derecesine sahip olan kesin sayı bölgesidir. Göbek olarak da bilinir. Çekirdek(A)={x,öylekiμ A (x)=1} (5.7) Geçiş Noktaları: Bir A kümesinin geçiş noktaları, o kümede üyelik derecesi 0,5 olan kesin sayılardır. Geçiş Noktası (A) = {x, öylekiμ A (x)=0,5} Sınır: A bulanık kümesinde üyelik değerleri 0 ile 1 arasında kalan ancak 0 ya da 1 olamayan kesin sayılardır. Sınır (A) = {x, öyleki 0<μ A (x)<1} Destek: Bir A kümesinin desteği o kümedeki üyelik derecesi 0 dan büyük olan x kesin sayılar kümesidir. Destek (A) = {x, öyleki 0<μ A (x)} α-kesmesi: A kümesinde üyelik derecesi α ya eşit yada daha büyük olan kesin sayılar kümesindedir. α-kesmesi (A) = A α {x, öylekiμ A (x) α} Üyelik derecesi sadece α dan büyük olan ama α ya eşit olmayan kesin sayılar kümesi de etkin α-kesmesi olarak tanımlanır. Üyelik derecesi α ya eşit olan kesin sayılar kümesi iseo bulanık kümenin seviye kümesi olarak bilinir. Yükseklik: Bir kümenin en büyük üyelik derecesi o kümenin yüksekliğidir. Normal küme yüksekliği 1 dir. Yüksekliği 1 den farklı olan kümeler uygun katsayılarla normalize edilir. Eğer bir bulanık kümenin destek kümesi bir tek elemana sahip ise bu kümeye bulanık tekil denir. Bulanık bir kümenin geçiş noktaları arasındaki mutlak farka bant geniģliği denir (Ibraahim 1997) (Farag 1999) (Altas 1997):. 5.4 Bulanık Küme ĠĢlemleri Bulanık kümelerde de klasik kümelerdekine benzer, kesişim, birleşim, tümleme gibi işlemler vardır. Ancak bağıntılar birbirinden farklıdır. X evrensel 37

51 kümesinde tanımlanan A ve B gibi iki bulanık küme verilmiş olsun. Örneğin bu iki kümenin birleşimi, her hangi bir x elemanının bu kümelerdeki en büyük üyelik değerinin seçilmesidir. Birleşim işlemi AUB olarak gösterilir. Her hangi bir x elemanının bu kümedeki üyelik derecesi ise; A B( x) max A( x), B( x) x X (5.12) olarak gösterilir. Bulanık kümelerin kesişim işlemi de A B biçiminde gösterilir. Ancak, her hangi bir x elemanının bu kümedeki üyelik derecesi, A ve B kümesindeki üyelik derecesi en küçük olanın seçilmesidir. A B( x) min A( x), B( x) x X (5.13) X evrensel kümesinde verilen A kümesinin tümleyeni olarak da aşağıdaki tanım verilir. μ A (x)=1-μ A (x) (5.14) Normalizasyon işlemi genellikle en büyük üyelik derecesi 1 den farklı kümeler içinyapılır: ( x) ( x) / max( ( x)) x X (5.15) norm( A) A A Bulanık sayının bulanıklığının azaltılması olarak bilinen yoğunlaştırma (konsantrasyon)işlemi X evrensel kümesindeki her x için üyelik derecelerinin karesinin alınmasıdır. Üyelik derecelerinin karekökünün alınması işlemi de genişletme işlemi olarak tanımlanır ki buda bulanık sayının bulanıklığının artırılması anlamına gelir. İşlem gösterimi sırasıyla aşağıdaki gibidir (Ibrahim 1997) CON A x 2 ( ) ( ) ( ) x A x X (5.16) DIL A x 1 2 ( ) ( ) ( ) x A x X (5.17) Yoğunlaştırma işlemi ÇOK, genişletme işlemi AZ sözel niteleme anlamına gelir. Genellikle üyelik derecesi 0,5 ten büyük olan bulanık sayılara AZ işlemi, üyelik derecesi0,5 ten küçük olan bulanık sayılara ÇOK işleminin uygulanmasına da hassas ayarlama denir (Zadeh 1965) (Farag 1999) (Altas1997). 38

52 5.5 Bulanık Çıkarım ve DurulaĢtırma Bir bulanık mantık denetim sisteminde denetleyici girişleri olan kesin sayılar ölçülen ya da hesaplanan sistem değişkenleri olup, değişim aralıklarına göre bulundukları bulanık kümeler (bulandırma işlemi) belirlenir. Girişlerin bu bulanık kümelerde ki üyelik dereceleri üyelik fonksiyonlarına göre hesaplanır. Böylece girişlerin kesin sayı değerlerine karşılık, bulundukları sözel (dilsel) bulanık değerler ve bu kümelerde ki üyelikleri belirlenmiş olur. Bulanık verilerin işlenerek önce bulanık bir sonuca, sonra da durulaştırılmış kesin bir sonuca varılması için bulanık bağıntılarla bulanık mantık kural tablosu, bulanık çıkarım (karar verme birimi) ve durulaştırma yöntemi belirlenir. Denetim sistemi durum değişkenleri olan x, y, z sözel değişkenlerinin U, V, W uzaylarında tanımlanmış A i, B i, C i sözel değerleri olmak üzere; R i EĞER x=a i ve y=b i ise O HALDE z=c i i=1,2,...n (5.18) R i EĞER x=a i ve y=b i ise O HALDE z=f i (x,y) i=1,2, n (5.19) Biçiminde bulanık bağıntılar tanımlanabilir. Genel olarak bir bulanık kural, EĞER (IF) durum=x VE(AND) durum=y ise O HALDE (THEN) denetim =z (5.20) biçimindedir. Bulanık kurallar sistem tasarımcısı tarafından istenen sistem çıkışı dinamik davranışı için oluşturulur. Sistem davranışının durum ve denetim değişkenlerine olan tepkesinin sistem tasarımcısı tarafından iyi bilinmesi gerekir. Mamdani nin [47] bulanık çıkarmasında kullandığı min bulanık içermesi; x durumunun A, y durumunun da B olduğu bir anda elde edilecek çıkış denetim değişkeninin C bulanıklığı için (5.21) bağıntısı verilebilir: RC AXB A( U) B( V ) / ( U, V ) (5.21) UXV Burada kısaca yapılmak istenen; c durumunun U uzayındaki sözel değeri A daki üyelik derecesi ile y durumunun V uzayındaki sözel değeri B deki üyelik derecesini 39

53 karşılaştır ve bunlardan küçük olanı, denetim çıkış değişkeni z nin W uzayındaki sözel değeri olan C deki üyelik derecesi olarak belirle işlemidir. Yani: anlık durum değerlendirmesi olarak; ( z) min ( x), ( y) (5.22) c A B işlemi yapılmıştır. Uygulamada sıkça kullanılan yöntemlerden biri Sugeno modelidir. Bu modelde anlık bulanık girişlere göre bulanık çıkış, girişlerin kesin değerlerine bağlı olarak matematiksel bir fonksiyonla ya da bulanık tekil kümeyle hesaplanır. Bulanık tekil kümelerin kullanıldığı model Sugeno nun Singleton yöntemi olarak bilinir. Sugeno singleton yöntemine ilişkin örnek (Altas 1998) Şekil 5.6 de verilmiştir. Şekil 5.6: Max-min çıkarım yönteminde Sugeno nun singleton modeli Kullanılan kurallardan elde edilen çıkış, bulanık tekil kümelerdeki üyeliklere göre durulaştırılır. Şekil 5.7: Singleton modelinde bulanık çıkışın elde edilmesi 40

54 Ağırlıkların ortalaması olarak bilinen durulaştırma yöntemine göre denetleyici çıkışında durulaştırılmış Z değeri k1=20, k2=50, k3=80 verilen örnek değerleri için aşağıdaki gibi elde edilir. ( k1) k1 ( k2) k2 ( k3) k3 0.1x20 0.2x50 0.5x80 Z 65 ( k1) ( k2) ( k3) Denetim sisteminin iki girişli olması ve çıkışın tek olması nedeniyle x girdisi A1 ve A2 dey girdisi de B1, B2 de üyelik sahibi olsun. Bu durumda dört farklı durum anlık olarak kural tablosunda işlenerek bulanık karar verilir. Şekil 5.6 da gösterilen Kural 2 kullanılarak bulanık çıkışlar min operatörü (kesişim işlemi) ile elde edilir. Durulaştırma işleminde ise kullanılan bulanık çıkış küme mantığına göre ağırlık merkeziya da ağırlıkların ortalaması yöntemiyle durulaştırma işlemi yapılabilir. IF x=a1 AND y=b1 THEN z=k1, μ k1 (z)=min[μ A1 (x),μ B1 (y)] IF x=a1 AND y=b2 THEN z=k2, μ k2 (z)=min[μ A1 (x),μ B2 (y)] IF x=a2 AND y=b1 THEN z=k3, μ k3 (z)=min[μ A2 (x),μ B1 (y)] IF x=a2 AND y=b2 THEN z=k4, μ k4 (z)=min[μ A2 (x),μ B2 (y)] Z 4 i1 4 i1 ( z) ki ki ( z) ki (5.24) 41

55 6. TEK BAġINA ÇALIġAN ASG NĠN MATLAB MODELĠ Projemizin deneysel çalışma setinin tasarlanmasında gerekli uyartım kapasitörünün, elektronik yük bankasının ve toplam yük değerlerinin belirlenebilmesi için Matlab Simulink üzerinde setimiz oluşturulmuştur. Burada gerekli denemeler yapılarak deneysel setimize uygun ve yaklaşık değerler belirlenmesi amaçlanmıştır. İlk olarak deneysel setimizde bulunan asenkron jeneratöre en yakın değerli (4 kw 1430d/dk ) asenkron motor program kayıtlardan seçilmiştir. Seçilen asenkron motoru sürmek için 7,5 kw 1440 d/dk değerlerinde başka bir asenkron motor seçilmiştir. Ve bu motorun kontrolü için V/f kontrollü inverter modeli kurulmuştur. Jeneratör olarak kullanılacak asenkron motorun çıkışına üç fazlı üçgen bağlı rezistif yük, üç fazlı üçgen bağlı uyartım kapasitörü ve her faza ayrı ayrı bağlı pwm ile IGBT kontrol edilen rezistif yük eklenmiştir. Gerçekleştirilen simulink modeline ait resim Şekil 6.1 de verişmiştir. 42

56 Şekil 6.1: TBÇAG Sistemin Matlab Simulink modeli 43

57 7. TBÇAG ĠÇĠN ELC TABANLI BULANIK MANTIK DENETLEYĠCĠ 7.1 Bulanık Mantık Tasarımı Asenkron jeneratörün çıkış gerilimi ölçülüp, referans gerilim değeri ile karşılaştırılarak gerilimdeki hata değişimi hesaplanmıştır. Hatanın değişimini gözlemek için bir önceki hata değişimi saklı tutulmuş hatadaki değişim, hata değeri ile birlikte denetleyici girişleri olarak alınmıştır. Asenkron jeneratör çıkışına bağlı tüketici yükünde meydana gelen değişim esas alınarak, sinüzoidal üyelik fonksiyonları kullanılarak hata ve hatadaki değişim değeri bulanıklaştırılmıştır. Çıkış geriliminin regülâsyonu için uygun kural tablosu oluşturulmuş ve bulanık kararlar elde edilmiştir. Bulanık çıkış kümeleri tekil olup durulaştırma işleminde ağırlıkların ortalaması yöntemi kullanılmıştır. Hatanın kabul edilebilir sınırlarında SIFIR (ZZ) kümesi, pozitif hatalar için POZİTİF (PP), negatif hatalar için de NEGATİF (NN) kümesi adlandırması yapılmıştır. Hatadaki değişim ve çıkış kümeleri de aynı adlarla anılacaktır. Şekil 7.1 de sinüzoid üyelik kümesi gösterimi verilmiştir. Şekil 7.1: Hata ve hatadaki değişimler için sinüzoi üyelik kümeler Burada sinüzoitlerin açısal frekansı w=p/(2.xmax) olmak üzere; hata için Xmax=0,05, hatadaki değişim için Xmax=0,005 ve bulanık çıkış için Xmax=1,0 seçilmiştir. Değişken sınırlı bulanık girişler kullanılarak uyarlanabilir bulanık mantık denetimi hedeflenmiştir. Böylece 3x3 bulanık kural tablosu oluşturulmasına rağmen denetimin her anında, hatanın çok küçük olması durumunda kararlı hal hatasını 44

58 azaltan dar sınırlı bulanık kümeler, hatanın çok büyük olması durumunda yumuşak geçiş sağlayan geniş sınırlı bulanık kümeler kullanılmıştır. Referans gerilime yaklaştıkça hata ve hatadaki değişim sınırları yenilenmektedir. Durulaştırılan bulanık çıkış elektronik yük bankasının pwm nin oluşturulmasında kullanılmaktadır. Pwm sinyalinin duty değerinin değişimi durulaştırılan bulanık değere göre arttırılarak azaltılmaktadır. Jeneratör çıkış gerilimi yükselme eğiliminde ise duty değeri yükseltilerek yük bankasının rezistif yük değeri yükseltilerek jeneratör çıkış gerilimi düşürülmektedir. Tüketici yükünün artması sonucu jeneratör çıkış gerilimin düşmeye başlaması ile yük bankasının direnç değeri bulanık mantık çıkış değeri ile arttırılarak gerilimin düşüşü engellenmektedir. Şekil 7.2 Bulanık Mantık Akış Şeması Pozitif, negatif ve sıfır üyelik kümeleri sırasıyla aşağıdaki gibi kullanılmıştır. (7.1) (7.2) (7.3) Şekil 7.1 da gösterilen üyelik kümelerine göre bulanıklaştırılan girişler için yapılacak denetime uygun bulanık çıkış tablosu Tablo 7.1 de verilmiştir. 45

59 Tablo 7.1. Bulanık çıkış için kural tabanının oluşturulması Bulanık çıkarım için kural tablosu işlenirken, Eger e Negatif kümede ve de Pozitif kümede ise du Sıfır kümesinde deger alsın, bulanık çıkısın üyelik degeri (μde), μe ve μde nin küçük olanına esit olsun anlamına gelen ; Ife is NN AND de is PP THEN {du(k)=0; (7.4) μdu(k)=min{μe,μde};} Kuralları işlenerek; DU n k 1 du( k). ( k) n k 1 du du ( k) (7.5) durulaştırılmış çıkış elde edilir. Burada her örneklemede anlık durum için n=4 tür. Elde edilen çıkış bir önceki değer ile toplanarak mikrodenetleyici çıkış PWM ini oluşturmaktadır. Di( k) K( Di( k 1) Du) (7.6) Bulanık mantık tasarımı matlab simulink modelinde de uygulanmıştır. Yapılan tasarıma ait simulink modeli Şekil 7.3 de verilmiştir. 46

60 Şekil 7.3: TBÇAG Sisteminin Bulanık Mantık Matlab Simulink modeli Simulinkde tasarlanan bulanık mantık kural tablosunun yüzeysel görünümü Şekil 7.4 de verilmiştir. Hata ve hata değişiminin çıkışa etkisini üç boyutlu bir grafik ile gösterilmektedir. Şekil 7.4: Bulanık Mantık Matlab Simulink yüzey modeli 47

61 8. DENEYSEL ÇALIġMALAR 8.1 TBÇAG Sistem Modeli Tek başına çalışan asenkron motorun çıkış geriliminin, değişken tüketici yüklerine karşılık sabit tutulması için bulanık mantık tabanlı mikrodenetleyici kontrollü elektronik yük bankası uygulanmıştır. Şekil 8.1 de uygulamanın blok devre modeli verilmiştir. Şekil 8.1: Tek başına çalışan asenkron jeneratörün uygulama sistem blok devre modeli Tasarlanan sistem modelinde kontrol ve denetleyici olarak Microchip firmasının PIC18F4520 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Mikrodenetleyicinin osilatör frekansı 20MHz lik kristal osilatörler vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir. Jeneratörün çıkış gerilim ve frekans bilgisi mikrodenetleyici tarafından ölçülmektedir. Tüketici yükünde veya rüzgâr hızında meydana gelen değişimlerin sonucunda çıkış gerilimi ve frekansı değişmektedir. Denetleyici sistemi bulanık mantık tabanlı kararını vererek elektronik yük bankasının sürücü devresine sağladığı PWM in duty zamanını değiştirmektedir. 48

62 Şekil 8.2: Deneysel çalışma setinin görüntüsü Mikrodenetleyicinin bulunduğu kontrol sistemi devresi bir elektronik kart üzerinde tasarlanmıştır. Bu kart üzerine sıfır geçiş yakalama devresi, gerilim düşürücü trafo ve çıkışının mikrodenetleyici girişine uygun hale düşürülen devre, tüm okunan ve hesaplanan değerlerin kullanıcıya gösterildiği 4 satır 20 sütundan oluşan LCD yerleştirilmiştir. Şekil 8.2 de deneysel çalışma setinin görüntüsü verilmiştir. Şekil 8.3 de kontrol sistemine ait devre şeması bulunmaktadır. Şekil 8.4 de kontrol kartının resmi bulunmaktadır. 49

63 Şekil 8.3: Kontrol kartının devre şeması Şekil 8.4: Kontrol kartının resimleri 50

64 Jeneratörün çıkış gerilimini ölçebilmek için 220/3 Volt dönüşüm yapan bir transformatör kullanılmıştır. Trafo çıkışı 3 volt AC ye çevrildikten sonra DC ye çevrilerek PIC in analog girişine verilmiştir. PIC bünyesinde bulunan 10 bitlik Analog Dijital dönüştürücü sayesinde okunan analog bilgi 16 bitlik float formatında dijital bilgiye çevrilerek işlemlerde kullanılmaktadır. Şekil 8.5 de tasarlanan gerilim ölçüm devresi verilmiştir. Ayrıca trafo çıkışından bir sinyal alınarak sıfır geçiş yakalama devresine verilmiştir. Sinüs dalgasının her sıfır noktasından geçişinde bir sinyal oluşturacak şekilde kare dalga sinyali elde edilmektedir. Bu kare dalganın ilk yükselen kenarında PIC içinde bir timer devreye alınarak diğer yükselen kenara kadar sayma işlemi yapılmaktadir. Bu iki yükselen kenar arasında geçen süre Sinüs dalgasıt/2 yi vermektedir. Tasarlanan sıfır geçiş devresi Şekil 8.6 de verilmiştir. Şekil 8.5: Gerilim okuma devresi Şekil 8.6: Sıfır geçiş yakalama devresi 51

65 Jeneratörün dönüş hızının mikrodenetleyici tarafından bulunabilmesi için jeneratör miline yereştirilen bir mıktansın her bir tur dönüşünde, mıktanısı görecek şekilde yerleştirilen HallEffectsensörünü çıkışı bağlanmıştır. Şekil 8.7 de kullanılan sensöre ait resim ve Şekil 8.8 de sensör bağlantı devresi verilmiştir. Sensörden elde edilen kare dalga sinyalinin her yükselen kenar arasındaki süre mikrodenetleyici tarafından hesaplanarak bir dakikadaki tur sayısı hesaplanıp LCD üzerinde gösterilmektedir. Şekil 8.7: Hall Effect Sensor resmi Şekil 8.8: Hall Effect Sensor devresi Jeneratör çıkış gerilimi okunduktan sonra mikradonetleyici bulanık mantık kural tablolarından gerekli çıkış bilgisini hesaplayarak, 12.5 khz lik PWM çıkışının doluluk oranını değiştirip Elektronik yük bankasındaki IGBT sürücü devresine vermektedir. Bu sürücü devrede, mikrodenetleyiciden gelen PWM sinyali üçe bölünerek her faz için tasarlanan IGBT sürücü devrelerine bir optoküplör tarafından verilmektedir. Elektronik yük bankasına ait devre şeması Şekil.8.9 de verilmiştir. Sürülen IGBT lerin sıcaklıklarının artarak zarar görmemeleri için 60ºC de sinyal veren termokopul montajı yapılmıştır. Termokopuldan gelen sinyal mirodenetleyiciye girilerek üretilen PWM in durdurulması sağlanmıştır. 52

66 Şekil 8.9: Elektronik yük bankası sürücü devresi Şekil 8.10: Elektronik yük bankası sürücü devresi 53