MICROCONTROLLER BASED CONDITION MONITORING AND FAULT DETECTION OF THE CLAW POLE ALTERNATORS

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 1315 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye PNÇ TİPİ ALTRNATÖRLRİN MİKRODNTLYİCİ TMLLİ KONDİSYON İZLNM V ARIZALARININ TSPİTİ MICROCONTROLLR BASD CONDITION MONITORING AND FAULT DTCTION OF T CLAW POL ALTRNATORS Tarık ÜNLÜ a, * ve Raif BAYIR b a * Karabük Üniversitesi Teknik ğitim Fakültesi, lektronik ve Bilgisayar ğitimi Bölümü, Karabük, TR, posta: tunlu@hotmail.com b Karabük Üniversitesi Teknik ğitim Fakültesi, lektronik ve Bilgisayar ğitimi Bölümü, Karabük, TR, posta: rbayir@karabuk.edu.tr Özet Bu çalışmada pençe tipi alternatörlerde kondisyonun izlenmesi ve hata tespiti için uzman sistem yazılımı gerçekleştirilmiştir. Alternatörün, ve sayısı ölçülerek hata sınıflandırması yapılmıştır. Alternatörün günümüzde birçok alanda kullanılması ve arızalarının önemli bir sorun olması sebebiyle alternatör arızaları tespit edilmiştir. Çalışmada kullanımı kolay ve ucuz olduğundan dolayı mikrodenetleyici tercih edilmiştir. Bu çalışma ile alternatörde 5 hata tespit edilmektedir. Bunlar stator sargısında kopuk, tridiyot, regülatör, kapalı devre ve açık devre arızalarıdır. Anahtar kelimeler: Alternatör, Uzman Sistemler, Mikrodenetleyiciler, ata Teşhisi, Kondisyon İzleme Abstract In this study expert system software presented for claw pole alternator condition monitoring and fault detection. The faults are detected because nowadays alternators are used in many places and faults are important problems. Microcontrollers are preferred to very easy to use and cheap. With this study 5 faults are detected. These are broken of stator coils, triodiyot, regulator, close circuit and open circuit faults. Keywords: Alternator, xpert System, Microcontrollers, Fault Dedection, condition monitoring 1. Giriş Günümüz araçlarının şarj sisteminde pençe tipi alternatörler kullanılmaktadır. Alternatör mekanik enerjiyi alternatif a çeviren elektromekanik cihazlardır. Ayrıca diyotlar sayesinde alternatif doğru a dönüştürülmektedir. Bu alternatörlerin rölanti devrinde akü şarj edebilmeleri ve çıkış larının yüksek olması en belirgin özellikleridir. [1] lardan sonra yarı iletken diyotların ucuza bulunabilmesi ile birlikte otomobil üreticileri doğru üreteçleri yerine alternatörleri kullanmaya başladılar [2]. Alternatörler doğru elde etmek için gereken çeviriciye sahip olmadıklarından doğru üreteçlerine göre daha basit, hafif ve dayanıklıdırlar. Bu sayede alternatörler motor hızının iki katı hızda dönebilirler, bu da alternatörlerin rölantideki çıkış gücünü artırır. Otomobil alternatörleri alternatif ı doğru a çevirmek için düzelticileri kullanırlar. Dalgalanmaları düşük seviyede tutmak için otomobil alternatörlerinde 3 fazlı sargı kullanılmaktadır. Çalışmada yapay zekânın bir dalı olan uzman sistemler kullanılmıştır. Uzman sistemlerin doğuşu 1960 larda olmuştur. Nobel Fizyoloji ve Tıp Ödülü sahibi J.Lederberg in [3] spektrograf verilerinin bilgisayarlı yorumları üzerine yaptığı çalışmalarla ortaya çıkan uzman sistemler, yapay zekânın problem çözme alanının dışına çıkarak yeni bir büyük dal oluşturmaktadır. Uzman sistemler, belirli konuda uzman olan bir ve birçok insanın yapabildiği muhakeme ve karar verme işlemlerini modelleyen bir yazılım sistemdir. Alternatör performansı ve alternatörün parçalarında oluşabilecek hatalarla ilgili olarak birçok çalışma yapılmaktadır [46]. A.Moyes ve arkadaşları uzman sistem teknikleri ile alternatörde hata tespitini yapmışlardır. Uzman kişi raporlarından elde edilen bilgiler kullanılarak bir uzman sistem ile hata tespiti yapılabildiğini belirtmişlerdir [7]. Doktor R. Shuttleworth ve arkadaşları yapay zekâ teknikleri kullanarak alternatörün rotoru üzerinde oluşan hataları teşhis etmişlerdir. Yapılan testlerde stator terminalinde ölçülen alan tahminini yapmışlardır. Rotor üzerindeki hataları başarıyla tanımlamışlardır. ata teşhisinde mikrodenetleyici kullanarak,, sayısını ölçerek sınıflandırmışlardır [8]. Konika ve arkadaşları ise alternatörün stator yalıtım yetersizliğini korumak için mikroişlemci tabanlı proje gerçekleştirmişlerdir [9]. Mikroişlemci denetimli röleler kullanarak alternatörün stator sargılarını korumuşlardır. Çalışmada stator sargıları için %100 koruma sağlanmıştır. Bu çalışmada uzman sistem temelli pençe tipi alternatörde hata tespiti yapılmıştır. Algılayıcılardan gelen verileri mikrodenetleyici analog portundan okuyup hesapsal dönüşümleri yaptıktan sonra, ve sayısı bulunmuştur. Bu değerlere göre uzman sistemin veri tabanındaki bilgiler kullanılarak alternatörün kondisyonu izlenmiş ve arıza durumu ve arızanın ne olduğu tespit edilmiştir. 2. Pençe Tipi Alternatörler Taşıtlardaki modern şarj sistemleri son 40 yıldır çok az değişim göstermiştir. Alternatör, regülatör ve kablolama IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 sistemi de dahil değişiklikler çok azdır. Şekil 1 de mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren alternatör şekli verilmiştir. Dönüştürülen enerji içten yanmalı motorun çalışması ve taşıttaki elektrik ihtiyacını karşılamak için kullanılmaktadır. Taşıtlarda kayış yardımıyla mekanik enerji alternatöre aktarılır. 3. Alternatör Arıza Tespitinde Kullanılan Sistem Tasarımı Şekil 3 de sisteme ait blok diyagram verilmiştir. Burada, algılayıcıları, mikrodenetleyici, akü ve sargılar gösterilmiştir. Alternatör Akım Algılayıcısı LA55P Ayarlı Yük LV25P Stator AKÜ 12V 60Ah LCD Tako metre Rotor LV25P LV25P 1 6 F Tuş Tı Şekil 3. Sistemin blok diyagramı. Şekil 1. Alternatör genel görünüm. Doğrultucu Uygulamada alternatör içyapısının çalışma prensibini bozmadan sistem tasarımı gerçekleştirilmiş ve deney düzeneği kurulmuştur. Burada alternatör parçaları olan diyot, regülatör ve tridiyot alternatörün içinden çıkartılıp dışarı monte edilmiştir. Araç üzerindeki çalışma ortamını oluşturmak için alternatör hız kontrollü bir asenkron motor ile döndürülerek çalıştırılmaktadır. Alan Sargısı Stator Rotor Bakır halkalar Referans Diyotları İkaz Lambası Doğrultma Diyotları Batarya Bu işlemleri gerçekleştirdikten sonra, ve sayısını ölçmek için mikrodenetleyici ile oluşturulan işlemci katı devresi tasarlanmıştır. Akım değerini ölçmek için algılayıcısı kullanılmıştır. LM algılayıcısı ile e bağlı olarak değeri hesaplanmıştır. değerini ölçmek için algılayıcısı kullanılmıştır. Algılayıcılardan gelen veriler mikrodenetleyicinin analog portundan okunmuştur. Sistemin yazılımı Proton ID programında oluşturulmuştur. Rotor mili Alternatör Gövdesi Fırçalar Regülatörü Şekil 2. Taşıtlardaki en temel alternatör ve şarj sistemi. Şekil 2 de taşıtlardaki mevcut şarj sistemi ve alternatörün açık şeması verilmektedir. Alternatörün çıkışı diyotlarla doğru e dönüştürülür. Üretilen regülatör olmaksızın çok yüksek değerde olmaktadır. Bu yüksek akünün aşırı şarj olmasına ve sistemdeki elektrik donanımların bozulmasına neden olur. Regülatör şarj sisteminde akünün aşırı şarj olmasını veya şarjsız kalmasını önlemek için gerekli ayarlamalarını yapar. Rotor sargısındaki ın değişmesi yaklaşık 100ms ve daha fazla zaman almaktadır. Bu süre yüksek stator kayıplarına neden olmaktadır. Dolayısıyla alternatörün verimini ve çıkış gücüne etki etmektedir. 12 kutuplu bir alternatörün mekanik çalışma hız aralığı dev /dakikadır buda mekanik bir sistem için çok yüksektir. SMA için bu hem yapısal nedenlerden hem de çıkış gücünün yüksek olması sayesinde çalışma hız aralığı daha düşük olacaktır. Şekil 4. Sistem genel görünümü. Şekil 4 de sistemin çalışması için gereken elemanların genel görünümü verilmektedir. Kontrol paneli; asenkron motorun başlangıç hızı, yetkilendirme ayarı, asenkron motorun standart değerlerinin girilmesi ve uzaktan kontrol

3 edilmesini sağlayan bölümdür. Kullanıcı panelinden asenkron motorun hızını ayarlama, yönünü belirleme, açmakapama gibi işlevler yapılır. 3.2.Deney Düzeneğinin Kurulması Alternatör içerisinde bulunan tridiyot, regülatör ve doğrultma diyotları 80cm boyunda 25cm eninde sunta malzemeden yapılmış bir zemin üzerine çıkartılmıştır. Doğrultma diyotların ısınmasını önlemek amacıyla bir tane fan kullanılmıştır. Şekil 5 te sistemin işlemci katı devresi verilmektedir. Devrede mikrodenetleyici olarak PIC16F877 entegresi kullanılmıştır. Mikrodenetleyici algılayıcılardan gelen verileri değerlendirerek hata tespiti yapar. LA55P algılayıcısı doğrusal RMS çıkışına sahip, hızlı, 4 20 ma standart bir çıkışı olan modüler bir algılayıcıdır [11]. Algılayıcıda sargı olarak ın geçtiği tel alınmaktadır. Tel üzerinden geçen sekonder sargı üzerinde bir indükleyerek sekonder sargıdan bir geçmesine sebep olmaktadır. Geçen değerini algılamak için algılayıcı çıkışına bir direnç (Rm) bağlanmaktadır. Şekil 6 da LA55P algılayıcı devresinin genel görünümü verilmektedir. LA55P algılayıcısının M ucu mikrodenetleyicinin analog portuna bağlanarak ölçülmüştür. Artı ve eksi uçlar ise simetrik besleme için kullanılmaktadır. Rm ölçüm direnci olarak 500Ώ trimpot kullanılmıştır. Akım devresi ile maksimum ölçülebilen değeri 50A dir. Rm ölçüm direnci ile bu değer değiştirilebilir. LA 55 P M Is Rm 0V Şekil 6. LA55P Akım algılayıcısının bağlantı şekli. algılayıcı olarak 10500V aralığında ölçebilen LV25 algılayıcısı kullanılmıştır. Şekil 7 de LV25 algılayıcısına ait devre şeması verilmektedir. Çalışmada bu devreden 2 adet kullanılmıştır. Bunlardan biri alternatörün ürettiği i, diğeri alternatörün sayısını ölçmek için kullanılmaktadır. Şekil 5. İşlemci katı genel görünümü. T PIC 16F877 Nin 33 adet I/O pini mevcuttur. Bu pinler aşağıdaki şekilde kullanılmıştır: PORTA.0 : LA55P Akım Algılayıcı girişi PORTA.1 : LV25 Algılayıcı girişi PORTA.2 : LV25 Algılayıcı girişi PORTB.1 : LCD RS Ucu PORTB.2 : LCD RW Ucu PORTB.3 : LCD N Ucu PORTB.4 PORTB.7 : LCD Veri uçları. PORTD.2 : Start/Stop anahtar girişi T T LV 25 P M Is Rm 0V Algılayıcı verileri A portundan 10 bitlik çözünürlükte analog olarak okunmaktadır. PortA0 LA55P algılayıcısını, PortA1 LV25 algılayıcısını, PortA2 LV25 algılayıcısı ( sayısı) için giriş olarak kullanılmaktadır. Devreye geldiğinde LCD de, ve sayısını göstermektedir. Bu değerlerin ayarlaması yapıldıktan sonra başla butonuna basılmaktadır. Uzman sistem ile hata tespiti yapılarak tespit edilen hata LCD de gösterilmiştir. Mikrodenetleyici katında bilgisayar ile iletişimi sağlayan RS 232 seri iletişim devresi mevcuttur. Akım algılayıcı olarak 050A aralığındaki ları ölçebilen ve galvonik izalosyona sahip LA55P algılayıcısı kullanılmaktadır. T Şekil 7. LV25P algılayıcısının bağlantı şekli. algılayıcıları allffect prensibi ile çalışırlar ve hat ile izoleli çalışma prensibine sahiptirler. Ayrıca algılayıcı %99,2 gibi çok yüksek doğruluk oranına, çok yüksek doğrusallığa, yüksek band genişliğine ve düşük cevap zamanına sahiptir [10]. Rm direnci 12V da maksimum 190Ώ minumum 30Ώ bağlanabilir. R1 direnci 25 KΏ ı 10 ma olduğu zaman maksimum 250 volt ölçebilir. ata tespit yazılımının akış diyagramı Şekil 8 de verilmektedir.

4 Basla Akim,, bilgilerini oku Akim, ve sayisini hesapla,lcd'de göster Basla Butonuna Basildi mi? 4. Sistemin Test dilmesi Şekil 9 da PicoScope 6 Automotive digital osilaskop ile alternatörde oluşan regülatör arızasının, ve değerlerindeki değişimi gösterilmektedir. Regülatör arızası meydana geldiğinde değerinde çok net bir düşüş görülmektedir. Şekil 10 da alternatördeki sargıların birinin kopması sonucunda, ve değerlerindeki değişim verilmektedir. Şekil 11 de Tridiyot bozulduğunda, ve değerlerindeki değişim verilmektedir. Akim, ve sayisini hesapla 0<Devirsayisi< <akim<22 12<<14 Alternatör Normal Çalisiyor.. 18<akim< <<11.5 Çift Sargi Kopuk arizasi var. Şekil 9. Alternatörde regülatör arızası var. ** 18.25<akim< <<11.3 Regulator arizasi var. 18.5<akim<19 11<<11.2 Tri Diyot bozuk. Devir=0 Devir sayisi sifira esitmi? Kayis Kopu arizasi var.. Şekil 10. Alternatörde sargı kopuk arızası var. * Dur butonuna basildimi? Bitir ** Belirtilen alandaki sorgulama sayısının aralığına bağlı olarak * ile gösterilen yerde tekrar edilmektedir. Şekil 8. ata tespit yazılımının akış diyagramı. Şekil 11. Alternatörde trio diyot bozuk arızası var.

5 Yapılan deneyler sonucunda teşhis edilen alternatör hataları; 1. Tridiyot bozuk arızası 2. Regülatör arızası 3. Kapalı devre arızası 4. Açık devre arızası 5. Kayış kopuk arızası Şekil 12 ve Şekil 13 te örnek hata tespit sonuçları verilmektedir. automotive applications Sensors, Proceedings of I, [7] Moyes, A., Burt, G.M., McDonald, J.R., Capener, J.R., Dray, J.and Goodfellow, R., The Application of xpert systems to fault diahnosis in alternators, University of Strathclyde, UK. lectrical Machines and Drivers, September [8] Auckland, D.W., Pickup, I..D., Shuttleworth, R., Wu, Y.T.and Zhou, C., Novel approach to Alternator field winding interturn fault detection, Generation, Transmission and Distribution, Vol: 142, [9] Das, K., Ghosh, D. and Dasgupta, D., Microprocessor based protection of Alternator against stator insulation failure, owrah India, [10] Lem Solutions for lectrical Measurements, Datasheet, m /datasheets/290/lmusa, Şekil 12. Tridiyot arızası LCD de gösterimi. Şekil 13. Kayış Kopuk arızası LCD de gösterimi. 4. Sonuç ve Öneriler Bu çalışmada uzman sistem kullanılarak pençe tipi alternatörlerde hata teşhisi yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda 42 adet arızalı durumdan 36 tanesi doğru tespit edilmiştir. Pençe tipi alternatörlerdeki 5 adet arızanın % 85 doğrulukla tespiti yapılmaktadır. Sistemde yüksek performanslı, analog çevirme zamanı hızlı işlemci veya mikrodenetleyici kullanıldığında ve farklı yapay zeka teknikleri sisteme uygulandığında daha yüksek doğrulukta sonuçlara ulaşılabilir. Kaynaklar [1] Denton, T., Automobile electrical and electronic systems, Butterwortheinemann 3 edition, [2] [3] Nabivey, V., Vasif, Yapay zekâ, Ankara,2005. [4] =Alternators. [5] Rivas, J.M., Perreault, D.J. and Keim, T., Performance improvement of alternators with switchedmode rectifiers, I Transactions on nergy Conversion, vol. 19, no. 3, September 2004 [6] Murray, A., are, B. and irao, A., Resolver position sensing system with integrated fault detection for