SİRKÜLASYON POMPASINDA KULLANILAN SABİT MIKNATISLI MOTOR SÜRÜCÜSÜNÜN BİLGİSAYAR ORTAMINDA FONKSİYONEL MODELLEMESİ

Transkript

1 Su Basınçlandırma Eylül 2011 Sayı 32 Sayın Okurumuz, Bu bültenle, çalışma alanımızda Alarko Carrier ve iş ortaklarımızın teknik ve geliştirme çalışmalarımızın açıklandığı makaleleri sizlerle paylaşmak istiyoruz. Amacımız bir süre sonra okurlarımızın bilgisayarlarında her zaman başvurabilecekleri bir Alarko Carrier kütüphanesi oluşturmaktır. Bülten konusundaki düşünceleriniz bizler için yol gösterici olacaktır. Haberleşme adresimiz aşağıda verilmiştir. Yararlı görürseniz bültenimizi çevrenizde duyurmanızdan memnun oluruz. Bültenin gönderilmesini istemiyorsanız aşağıdaki adresimize tıklamanız yeterlidir. Saygılarımızla... SİRKÜLASYON POMPASINDA KULLANILAN SABİT MIKNATISLI MOTOR SÜRÜCÜSÜNÜN BİLGİSAYAR ORTAMINDA FONKSİYONEL MODELLEMESİ Alarko Carrier tarafından tasarlanan, geliştirilen ve Gebze Tesisleri nde üretilen ALARKO SİRKÜLASYON POMPALARI yarım yüzyıldır evlerde, ticari ve sanayi işyerlerinde... Teknik özellikler, modeller, broşür ve ayrıntılı bilgi için... ALARKO CARRIER BÜLTENLERİ - Yeni Ürün - Haberler - Gerçek Konfor Bu bültenleri e-bülten olarak ile almak isterseniz, lütfen adresinden abone olunuz. Bu bülteni almak istemiyorsanz lütfen ebulten@ alarko-carrier.com.tr adresine boş e-posta gönderiniz. Haberleşme Adresi: info@alarko-carrier.com.tr Deniz GÖRÜŞ- Alarko Carrier, AR-GE-Su, Fabrika Gebze ÖZET Bu çalışmada fırçasız doğru akım motoru ve sürücüsü Matlab/Simulink programında modellenerek farklı matematiksel parametreler ile analiz sonuçlarının elde edilmesi amaçlanmıştır. Matematiksel modelde kullanılan motor parametreleri motor tasarım programından alınmıştır. Sürücü ve kontrol algoritması çalışmaları sirkülasyon pompasının çalışma özelliklerine göre belirlenmiştir. Sürücü modelini farklı anahtarlama frekanslarında ve doluluk oranlarında çalıştırarak motorun hızı ve torku üzerindeki etkileri incelenmiştir. Motorun hız ve tork çıktılarının matematiksel ifadeleri elde edilmiştir. Bu şekilde değişken hız- lı sirkülasyon pompalarında kullanılan fırçasız doğru akım motorlarının çalışma karakteristikleri elde edilerek motor ve sürücü parametrelerinin pompanın üzerindeki etkileri yorumlanmıştır.

2 TEKNİK BÜLTEN Sayfa 2 Eylül Sayı GİRİŞ Enerji verimliliği günümüzde, her alanda olduğu gibi sirkülasyon pompaları için de en önemli konulardan biridir. Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği ve Eko-Tasarım Direktifi [1] (641/2009) gibi yasal düzenlemeler, tüketicilerin bilinçlenmesi, üretici firmaların daha duyarlı davranmasıyla yüksek verimli pompalar kullanılmaya başlanmıştır. Sirkülasyon pompası motoru gibi, nispeten küçük güçlü motorlarda en yüksek verimi sağlamak amacıyla farklı tasarımlar uygulanmaktadır. Bunlar Sabit Mıknatıslı Senkron Motor (SMSM Permanent Magnet Synchronous Motor- PMSM) veya Fırçasız Doğru Akım Motoru (FDAM Brushless DC Motor-BLDC) olarak adlandırılan motorlardır. Fırçasız doğru akım motorlarında yüksek verimi komutasyon işlemini elektronik olarak sağlayan sürücü sağlar. [2] Bu tip motorları sürmek için literatürde farklı kontrol yöntemleri mevcuttur. Çalışma şartları ve motor tasarımına göre bu kontrol yöntemlerinden biri belirlenir. Analiz yapabilmek için kontrol algoritmasındaki değiştirilebilir parametrelerin sistem çalışmasına etkisi farklı değerlerde incelenmelidir. Kontrol parametreleri belirlendikten sonra değişimlerinin sistem çalışmasına etkisi matematiksel olarak ifade edilebilir. Böylece sirkülasyon pompasının çalışma karakteristiği hakkında önemli bilgiler elde edilir. 2. FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORU Fırçasız doğru akım motoru komutasyon işlemini mekanik olarak değil elektronik olarak sağlayan bir motor türüdür. Uygulamamızda kullandığımız motorda sürekli mıknatıslar, dönen rotor üzerine monte edilmiş vaziyettedir ve stator bobinleri rotoru çevreleyecek şekilde yerleştirilmiştir. Elektronik komutasyon tekniği ile bobinler uygun zamanlama ile enerjilendirildiğinde rotor dönmeye başlar. Fırçasız doğru akım motorunun matematiksel ifadesi şu şekildedir:[3] 1) Komutasyon süresince faz akımlarına ait durum denklemleri: 2) İletim süresince akımlara ilişkin denklemler: 3) Motorun mekanik denklemleri fazların komutasyon ve iletim süresinde aynıdır: (9) Sürücü modelinde Matlab/Simulink programında bulunan Permanent Magnet Synchronous Machine kullanılmıştır. Trapezoidal besleme ile çalışan PMSM motor uygulamamızdaki fırçasız doğru akım motoru ile aynı matematiksel denklemlere ve modele sahiptir. Motor modelinde kullanılan ve Tablo-1 de verilen parametreler motor tasarım programından elde edilen analizler sonucunda elde edilmiştir. Vd Ed, Eb, Ec R L M Te Tm J B w Tablo 1 DC bara gerilimi Zıt Elektromanyetik Kuvvet gerilimleri Stator direnci Özendüktans Karşılıklı endüktans Elektriksel yük momenti Mekanik yük momenti Eylemsizlik momenti Sönüm katsayısı Açısal hız 3. SÜRÜCÜ DEVRESİ Fırçasız doğru akım motorlarında komutasyonun sağlanması için sürücüye rotorun konum bilgisinin sensörlerle aktarılması gerekir. Sürücü devresi ise sensörlerden gelen bilgileri değerlendirerek o andaki yük profiline göre bu yükte motorun çalışmasını optimize ederek rotor dönüş hızını kontrol eder. Ancak bizim uygulamamızda sirkülasyon pompasında kullanılan fırçasız doğru akım motoru ıslak rotorlu olduğu için motor çıkışlarında sensör kullanılamadığından sensörsüz kontrol uygulanmaktadır. Sensörsüz kontrol ile sürülen motorlarda rotor pozisyonu bilinmediği için hız ve pozisyon bilgileri farklı matematiksel yöntemlerle hesaplanır. Kullandığımız yöntem Zıt EMK voltajının sıfır geçiş noktasını algılayarak 6-step trapezoidal dalga kontrolüdür KONTROL YÖNTEMİNİN ÇALIŞMA ALGORTİMASI Fırçasız doğru akım motorunun yüksek verimde sürülebilmesi için rotorun pozisyon bilgisi gereklidir. Ancak seçilen kontrol yönteminde pozisyon bilgisi sensörlerden değil zıt EMK geriliminde elde edilir. Zıt EMK bobin içerisindeki kuvvet çizgilerinin değişimden dolayı oluşan zıt elektromotor kuvvet gerilimidir. Fırçasız doğru akım motorunda besleme gerilimi aynı anda iki faza verildiği için 3. fazda enerji yoktur ve endüklenen zıt EMK bu 3. fazdan ölçülür (Şekil 1). 1. ve 2. faz beslenirken, enerjilendirilmeyen 3. fazda indüklenen zıt EMK geriliminin sıfır geçiş noktasından 30 derece sonra anahtarlama yapılır. Örneğin, Şekil-2 de gösterildiği gibi A ve B fazı beslenirken C fazının besleme gerilimi sıfırdır ve C fazından ölçülen zıt EMK geriliminin sıfır geçiş noktasına göre anahtarlama yapılır. [4] Anahtarlama ve motor beslemesi IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) denilen elektronik devre elemanlarıyla yapılır. Anahtarlama komutu IGBT devresine verildiğinde 6 adet güç anahtarından (3 üst-3 alt) aynı anda üstten ve alttan birer tane iletim durumunda olur. Kontrol algoritmasına göre sırasıyla BA, CA, CB, AB, AC ve BC fazları beslenir ve boşta kalan fazdan zıt EMK gerilimi ölçülerek anahtarlamaya devam edilir.

3 TEKNİK BÜLTEN Sayfa 3 Eylül Sayı 32 Şekil SÜRÜCÜ MODELİ Fırçasız doğru akım motoru ve sensörsüz kontrol algoritmasının uygulandığı program destekli matematiksel model Şekil-3 te verilmiştir. Fırçasız doğru akım motorunun beslemesi DC gerilim ile yapıldığı için doğrultucu kullanılmıştır. Fazların algoritmaya uygun olarak beslenmesi IGBT evirici ile yapılır. Motorun hızını ve torkunu kontrol eden ise anahtarlama frekansı ve dalga genişliğidir. Anahtarlama sıklığı rotorun dönüş hızını etkilerken doluluk oranı da rotordan ölçülen tork değerini etkiler. Kullanılan PWM (Pulse Width Modulation-darbe genişlik modülasyonu) ile dalga frekansı ve genişliğini değiştirerek motorun çıkış parametreleri analiz edilebilir. Farklı frekanslarda ve doluluk oranlarında analiz sonuçları elde edilmiştir. 4. ANALİZ SONUÇLARI Fırçasız doğru akım motorunun tasarlanan sürücü devresi ile farklı frekanslarda ve doluluk oranlarında simülasyonunun yapılması sonucunda tork ve dönüş hızının değişimleri incelenmiştir. Şekil-4 te sabit doluluk oranında (%30) farklı anahtarlama frekanslarına göre rotorun dönüş hızının değişimi görülmektedir. Motor Şekil 2 Sürücü Şekil 4 Şekil 3

4 TEKNİK BÜLTEN Sayfa 4 Eylül Sayı 32 Sabit doluluk oranında anahtarlama frekansı artırıldığında dönme hızı artmaktadır Şekil 4 teki grafiğin matematiksel denklemi Matlab programında hesaplanmış ve hızın anahtarlama frekansına göre ifadesi; y= - 0,0438 x ,3388 x + 287,2478 şeklinde bulunmuştur. Şekil-5 te sabit frekansta (50 Hz) farklı doluluk oranlarına göre rotorun dönüş hızının değişimi görülmektedir. Şekil 5 Sabit anahtarlama frekansında doluluk oranı arttırıldığında dönme hızı düşmektedir Şekil-5 teki grafiğin matematiksel denklemi Matlab programında hesaplanmış ve torkun doluluk oranına göre ifadesi; y= - 0,0009 x 2 + 0,1407 x + 0,9765 şeklinde bulunmuştur. Bunların yanında motor çıkışlarından ölçülen zıt EMK geriliminin farklı hızlarda değişimini Şekil 6 da inceleyebiliriz. Trapezoidal gerilim ile beslesen fırçasız doğru akım motorunda zıt EMK gerilimi de trapezoidal olarak ölçülmüştür d/d hızda ölçülen gerilimin dalga frekansı ve genliği daha yüksekken, 2000 d/d hızda zıt EMK geriliminin dalga grafiği daha düşük frekansta ve genlikte olduğu görülmüştür. 5. SONUÇ Fırçasız doğru akım motorunun çalışmasını etkileyen parametreler birçok noktada incelenmiş, motorun hızı ve torkuyla ilgili matematiksel sonuçlar elde edilmiştir. Hızın anahtarlama sıklığıyla, torkun doluluk oranıyla ilişkisi 2. dereceden denklemle ifade edilmiştir. Bu çalışmalar sayesinde motor ve sürücü modelinin farklı çalışma şartlarındaki analiz sonuçları kullanılarak tasarım aşamasında parametrelerin doğruluğu kontrol edilebilir. Böylece analiz sonuçlarının ışığında çalışma koşullarına uygun değişken hız ve torka sahip fırçasız doğru akım motoru tasarlanabilir. Bu analizler motor ve sürücü için tasarım aşamasında yol gösterici ve süreci hızlandırıcı çalışmalar olabilir. Bu motorla beraber değişken hız ve torka göre tasarlanmış fan ve yatak gibi mekanik parçalar ile birlikte istenen su gücünde en az enerji tüketerek çalışan sirkülasyon pompaları tasarlanabilir. Üstelik bu sirkülasyon pompaları uygulanan kontrol yöntemi ile sistemin ihtiyacı olan su gücündeki değişiklikleri de algılayarak en verimli noktada çalışabilir. 6. KAYNAKLAR [1] COMMISSION REGULATION (EC) No 641/2009 of 22 July 2009 implementing Directive 2005/32/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for glandless standalone circulators and glandless circulators integrated in products [2] Miller T. J. E., Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Drives, pp 54-58, Oxford University Pres, Oxford, 1993 [3] Yılmaz M., Tuncay N., Üstün Ö., Fırçasız DA motorunun (FDAM) algılayıcısız kontrolünde dalgacık tekniğinin uygulanması, İTÜ Dergisi/d Mühendislik, Cilt 5, Sayı:3, Kısım1, pp 73-84, Haziran 2006 [4] Miller T. J. E., Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Drives, pp 70-73, Oxford University Pres, Oxford, 1993 Bu makale Nisan 2011 tarihleri arasında yapılan POM- SAD 7. Pompa-Vana Kongresi nde bildiri olarak sunulmuş ve kongre sonrasında 7. Pompa-Vana Kongresi Bildiriler Kitabı nda yayımlanmıştır d/d 2000 d/d Şekil 6

5 TEKNİK BÜLTEN Sayfa 5 Ağustos Eylül Sayı - Sayı SUMMARY Today energy efficiency is one of the most important subjects for tion because brushless DC motor is fed by DC voltage even if circulation pumps. High efficient pumps are started to use beca- network voltage is AC. use of both legal regulations such as The Directive on energy The main approach of this study is effects of control parameters performance of buildings (2002/91/EC)) and COMMISSION on motor with analysis in different points. Commutation signal REGULATION (EC) No 641/2009 and increase in sensitivity of determines speed and torque of the motor. Parameters which consumers and producers about environmental issues. Different compose the commutation signal are switching frequency and design methods are used to obtain highest efficient motors for pulse width. These commutation parameters are controlled in circulation pumps such as Permanent Magnet Synchronous Mo- PWM module in model. Analyses are made for different fretor (PMSM) or Brushless DC Motor (BLDC). quencies and pulse width to obtain working characteristic of the High efficient brushless DC motors are commutated by an elect- motor and circulation pump. Therefore, increase in switching ronic circuit is called driver. Many control methods can be fo- frequency makes turning the rotor with higher speed and incund for these motors and drivers but working conditions and rease in pulse width causes higher measured torque from the characteristics of the circulation pumps are important factors to motor. Finally, characteristic of the motor gives the mathemati- determine control algorithm and circuit. cal expression in second degree equation for working range for Brushless DC motor was modeled with Matlab/Simulink prog- circulation pump. These simulations and analysis give feedback ram and Permanent Magnet Synchronous Motor toolbox was and prediction pre-design example and accelerate the design used fob simulation of the driver. Also, motor parameters are process. taken from motor design program. The driver for this motor is High efficient circulation pumps with variable speed can be controlled with the algorithm six step trapezoidal control by sen- designed with the knowledge of these analyses of parameters. sing back EMF zero crossing detection. Back EMF voltage is me- The design can complete with appropriate fans and bearings for asured from unenergized phase of the motor and commutation working range of the pump. Also, controlled circulation pumps signals are generated according to the zero crossing points of can work at the highest efficient point for the required water the back EMF detection. In addition, rectifier is used in simula- power of the system.