GÜNEŞ ENERJİLİ BİR SULAMA SİSTEMİNDE BOOST KONVERTERDEN BESLENEN ARM SÜRÜCÜ SİSTEMİNİN ANALİZİ

Transkript

1 GÜNEŞ ENERJİLİ BİR SULAMA SİSTEMİNDE BOOST KONERTERDEN BESLENEN ARM SÜRÜÜ SİSTEMİNİN ANALİZİ Mahr Dursun, Al Saygın Gaz Ünverstes Teknk Eğtm Fakültes Elektrk Eğtm Bölümü Teknkokullar, Ankara Özet: Türkye yıllık güneş enerjs otansyel bakımından öneml br otansyele sahtr. Özellkle Türkye nn Güney ve Güney Doğu Bölgeler güneş enerjs bakımından oldukça zengndr. Bu bölgelerde geçm kaynaklarının başında tarım sektörü gelmektedr.tarımsal amaçlı sulama sstemlernde güneş enerjsyle su omalama sstemler gttkçe yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmada güneş enerjsyle çalışan br sulama sstemndek oma sürücüsü çn boost konverterden beslenen anahtarlamalı relüktans motor (ARM) seçlerek sstemn dnamk erormansı analz edlmştr. Sstemn matematk model elde edlmş ve gerekl blgsayar algortması gelştrlerek benzetm sonuçları sunulmuştur. Anahtar Kelmeler: Güneş Enerjl Sulama Sstem, Anahtarlamalı Relüktans Motor, Santruj Poma, Boost Konverter, Modelleme ve Smülasyon 1. Grş Güneş aneller güneşten aldıkları ışığı drek olarak doğru akım (DA) a dönüştürdüklernden güneş enerjsnden elde edlen elektrk enerjs le beslenen alıcıların da DA yükü olması durumunda sstemn verm artar, malyet se azalır. Bu nedenle son yıllarda P sstemlerden elektrk üretmne oldukça önem verlmş ve yoğun araştırmaların sonucunda bu konuda öneml lerlemeler sağlanmıştır. Bu sstemlerden üretlen elektrk enerjsnn mktarı da her geçen yıl artmaktadır. Güneş enerjsnn yaygın kullanıldığı alanların başında tarımsal amaçlı sulama sstemler gelmektedr. Özellkle tarımın yaygın geçm kaynakları arasında olduğu Türkye gb gelşmekte olan ülkelerde sulama sstemler oldukça önemldr. Sulamanın ürün malyetne olan öneml etks nedenyle güneş enerjsnden(p) üretlen elektrkle tarımsal sulama yaılan alanlar gttkçe yaygınlaşmaktadır. Bu sulama sstemlernde yaygın olarak DA motorları kullanılmaktadır[1-9]. Bu motorların kullanıldığı sstemlerde boost konverternn kullanılması durumunda daha y verm alındığını bldren çalışmalar lteratürde yer almaktadır[7-8]. Bu sstemlerde klask DA motorunun kullanılmış olması ırça ve kolektör kayılarını önleyememştr. Alternat olarak görülen ırçasız DA motorunun kullanılması da vektör alan yöntem gb karmaşık denetm teknklerne htyaç duyulması nedenyle yeternce yaygınlaşamamıştır. Bu sürücüler güneş enerjl sulama sstemlernde otmum verml olarak çalışamamaktadırlar. Asenkron motorun sürücü olarak kullanıldığı sstemler se rekans nvertörüne htyaç duyduklarından malyet artırlar[10-13]. Üstelk hem asenkron motor le oma arasındak tork-hız uyumsuzluğu nedenyle hem de oma le rekans nvertöründen beslenen asenkron motor kayılarının artması nedenyle sstem verml değldr. Bu makalede güneş enerjsnden beslenen sulama sstemnde 300W gücündek 3 azlı 12/8 kutulu br anahtarlamalı relüktans motor kullanılmıştır. Güneş anellernden elde edlen doğru gerlmn değer br buck konvertör çıkışında artırılarak br ARM nn beslenmesnde kullanılarak sstemn verm artırılmıştır. 2. Anahtarlamalı Relüktans Motorun Dnamk Denklemler ARM lerde motor az endüktası rotor ozsyonu ve sargıdan geçen akıma bağlı olarak değşr. ARM nn genel devre denklem Eştlk (1) de verlmştr. Br az çn ARM nn eşdeğer devres Şekl 1 de görülmektedr.

2 R L( θ) Şekl 1 ARM nn br azı çn eşdeğer devre Eşdeğer devreden her br stator sargısı (her br az) çn gerlm deransyel Eş.(1), dψ ( θ, ) d = R + M ( (1) şeklnde ade edlmektedr. Burada, kaynak gerlm, R stator sargı drenc, Ψ manyetk akı, sargı (az) akımı, M (θ) karşılıklı endüktans, θ rotor ozsyon açısı, lgl azdan önce uyarılan sargı akımıdır. Doyum hmal edldğnde lux Ψ=L( θ, )olduğundan Eş. (1) yenden düzenlendğnde, ( θ, ) d = R + M ( (2) olmaktadır. Burada L( az endüktansını göstermektedr. Eş. (2) dek türevsel ade arçalara ayrıldığında karşılıklı endüktans hmal edlerek; Eş. (3) olmaktadır. Burada açısal hızdır. d ( R + L( + = (3) 2. Anahtarlamalı Relüktans Motor Sürücülü Boost Konverter-Güneş Enerjl Br Sulama Sstemnn Dnamk Model Şekl 2. de Güneş anel-boost konverter ve motorun devre şeması görülmektedr. Şekl 3.a da Anahtarın kesm durumunda Şekl 3.b de se letm durumunda ken sstemn elektrk devre şeması görülmektedr. Sstemn dnamk erormansı boost konverter anahtarının letmde ve kesmde olduğu durumlar çn k adet deransyel denklem le ade edlmştr. Boost konvertern kesm eryodu kıyıcı anahtarın kesm rekansı le lgldr ve Eş (4) le ade edlr. k R L R L(, D m k ν L MOSFET c ν c ARM Su oması Şekl 2 Boost Konverterl ARM le Poma Sürülmes Devre Şeması T k = ( 1 δ ) / (4)

3 L R L m R L(, L R m R L(, c L c (a) (b) Şekl 3. Boost konverter ve ARM brleşk devres a) Anahtar açık b) Anahtar kaalı Burada; kıyıcının rekansı, δ görev saykılı ve T eryodudur. Görev süres karşılıklı endüktans değer hmal edlerek; 0 t Tk aralığında ken d k = ( R + Ra ) a + ( L + L) + ke. (5) d T e = ke. a = J + T (6) T = k. 2 + B. T (7) k c + olur. Burada T e motor taraından endüklenen elektromanyetk tork, k omanın moment katsayısı, oma sürtünme katsayısı m = (8) T oma torku, J eylemszlk katsayısı, B, rotorun açısal hızı (rad/s), R motor az sargı drenc, La motor az sargı endüktansı, Rk kıyıcı endüktansının drenc, L =kıyıcının endüktansı, k güneş anelnn çıkış gerlm, k güneş anelnden çeklen akımdır. Güneş anelnn çıkış gerlm anel değşkenler le brlkte Eş. (9) le yenden yazılırsa; 1 I h + Io k k = Rs.a + ln( ) (9) I olur. Burada R s Güneş anelnn ç drenc, I h güneş anelnn akım değer, I o ters doyum akımı (0.0081), güneş anelnn gerlm sabt (= ) dr. MOSFET letmde olduğu zaman boost konverter kıyımdadır. Kıyım süresnce Ds dyodu güneş anellern motor devresnden ayırır. Bu durumda motor azları klask konverter devresne bağlanan kondansatör üzernden beslenr. To < t T durumunda sstemn denklemler Eş. (10), Eş. (11) ve Eş. (12) olur. olur. Güneş anelnn çıkış gerlm yne Eş. (9) le belrtlr. Te d 2 J + k. + k. k d R a + L c d Raa + L + ke. o = (10) = (11) = (12) Tasarlanan ARM l güneş enerjsyle çalışan br sulama sstemnn blok dyagramı Şekl 4. de görülmektedr. Sstem; güneş anel, batarya, gerlm sevyesn artırmak amacıyla kullanılan boost konverter, ARM nn sürülmes çn kullanılan 3 azlı br klask konverter, ARM, ozsyon algılayıcısı, santrüj oma, 3 adet akım algılayıcısı ve PI16F877 mkrodenetleycsnden oluşmaktadır[14].

4 Şekl 4. dek blok dyagramında görüldüğü gb güneş anelnden elde edlen DA br batarya grubunda 48 ta deolanmıştır. Bu gerlm br boost konverter grşne uygulanmış ve değer konverter çıkışında 120 ta yükseltlmştr. Boost konverter çıkışında değer yükseltlmş bulunan gerlm klask konverter vasıtasıyla ARM ye uygulanarak motorun çalıştırılmasında kullanılmıştır. Motorun her br az akımı brer akım algılayıcısı le gerlme dönüştürülmüştür. Bu gerlm denetleycnn anolog grşne uygulanmış ve az akımlarının sınırlandırılmasında kullanılmıştır. Motorun çalışmasında ozsyon algılayıcısına htyaç duyulduğundan br adet ozsyon algılayıcısı kullanılmıştır. Pozsyon algılayıcısı br turda 1024 als ve als le brlkte br reset snyal vermektedr. Denetleyc olarak PI16F877 mkrodenetleycs kullanılmıştır. Güneş anel Batarya Grubu Boost Konvertör Klask Konvertör ARM Poma a b c 6 Akım Algılayıcıları Pozsyon Algılayıcısı PI16F877 Denetleycs Pals İndeks Şekl 4. Anahtarlamalı relüktans motorla çalışan güneş enerjl br sulama sstem 4. Benzetm Sonuçları Tasarlanan sstem P güç kaynağı, boost konverter, ARM ve santruj omadan oluşmaktadır. Benzetmde kullanılan ARM 3 az, 12/8 kutulu, 2,5 A, 120, 300 W, 1000 d/d nomnal hızlı, sürtünme katsayısı B=0.0012, eylemszlk moment J= dr. Çalışmada 48 luk batarya gerlm, boost konverter çıkışında yükseltlerek 120 ta sabt tutulmuştur. Dnamk analz yaılan sstemn matematk modelnn benzetm, deransyel adeler 40 Runga Kutta metodu le rogramlama dl kullanılarak yaılmıştır. Elde edlen verler MATLAB6.5 rogramı kullanılarak grak olarak gösterlmştr. Benzetm sonucunda elde edlen boost konverterl ARM nn ozsyona göre akım grağ Şekl 5. de görülmektedr. Şeklde görüldüğü gb motor az akımları sırasıyla anahtarlanmış ve 2,5 A le sınırlandırılmıştır. Faz akımlarının anahtarlama açısı negat tork üretlmeyecek şeklde ayarlanmıştır. ARM de kesm açısı motor hızına göre değştrlerek değşk hızlarda çn arklı anahtarlama stratejs uygulanmıştır. Bu şeklde yaılan anahtarlamadan elde edlen torkun ozsyona göre değşm Şekl 6. da görülmektedr. Şeklde görüldüğü gb torkta br mktar dalgalanma vardır. Tork dalgalanması hassas ve sabt tork htyacı olan yüklerde değşk denetm teknkleryle önleneblr. Fakat bu durumda ortalama tork br mktar azalmaktadır. Ancak su oması gb yüklerde sabt torka htyaç olmadığından vermn daha yüksek olması çn tork sabt tutulmamıştır.

5 Faz Akm (Amer) Tork (Nm) Pozsyon (derece) Şekl 5. Anahtarlamalı Relüktans Pozsyona Motorun Göre Faz Akımları Pozsyon (derece) Şekl 6. Anahtarlamalı Relüktans Motorun Pozsyona Göre Tork Değşm 5.Sonuç ve Önerler Bu çalışmada, tarımsal sulamada güneş enerjl sulama sstemlernde kullanılan santruj omaların sürülmesnde; omanın deb, hız ve moment ve karakterstğ le hız-moment karakterstğ uyumlu olan ARM kullanılarak boost konverterden beslenmştr. Sstemn dnamk analz yaılarak blgsayarda benzetm sonuçları elde edlmştr. Kullanılan ARM le sstemn maksmum verm noktasında çalıştırılması ve bu şlem çn güneş enerjsnden elde edlen gerlmn sevyes artırılarak motor akımının ve bakır kayılarının azaltılması amaçlanmıştır. Güneş anellernden elde edlen doğru gerlmn sevyesn artırmak çn br gerlm artırıcı (boost) konverter tasarlanmıştır. Tasarlanan konverter le 3 azlı 12/8 kutulu, 120, 300W gücündek br ARM, 48 luk güneş anelnden beslenmştr. Kaynaklar [1].A. Rogers, Theory o drect coulng between D motors and hotovoltac solar arrays, Solar Energy, ol. 23, s , [2] Hanthch R. ve Hauk R., Mcrocomuter controlled D choer or otmal oeraton od a solar generatormotor system, In Proceedngs o Sxth E.. Photovoltac Solar Energy onerence, İngltere, [3] Aelbaum J. ve Sharma M.S,, The oeraton o ermanent D motors owered by a common source o solar cells, IEEE Trans. on Energy onverson, E-4, s , 1989 [4] Saed M.M., Matchng o D motors to hotovoltac generators or maxmum daly gross energy, IEEE Trans. on Energy onverson, E-3, s , [5I Saed M.M. ve Jaboor M.G., Otmum solar array conguraton and D motor eld arameters or maxmum annual outut mechancal energy, IEEE Transacton on Energy onverson, E-4, s , [6] Saed M.M. ve Hana A.A., Otmal desgn arameters or a P array couled to a D motor va a D-D transormer, IEEE Trans. on Energy onverson, E-6, s , [7] Alghuwanem S.M., Alcaton o a D choer to maxmze utlzaton o solar-cell generators, IEEE/PES Wnter Meetng, 92 WM, s , E, New York, ABD,1991. [8] Alghuwanem S.M., Steady-state erormance o D motor suled om hotovoltac generators wth ste u converter, IEEE Trans. on Energy onverson, E-7, s , [9] Akbaba M., Qamber I. ve Kamal A., Matchng o Searately excted dc motors to hotovoltac generators or maxmum ower outut, Solar Energy, ol. 63, No. 6, s , [10] Akbaba M., Akbaba M. A. ve Alattaw A., A new model or I- characterstc o solar cell generators and ts alcatons, Solar Energy Materals and Solar ells, ol. 37, s , 1985 [11] Dursun M., PI Mkrodenetleycs le Anahtarlamalı Relüktans Motorun Sürülmes, Polteknk Dergs, lt:6, Sayı: 4,s , Aralık 2003 [12] Dursun M., Anahtarlamalı Relüktans Motorla Su Poması Tahrk, Doktora Tez, Gaz, Fen Blmler Ensttüsü,Eylül, [13] Elmas Ç, Dursun M., Değşken Devrl Poma Sstemlernde erm, 3 th Uluslarasarı İler Teknolojler Semozyumu,lt 1, s , Ağustos, Ankara, Turkye, 2003 [14] Dursun M., An SRM Alcaton to entrugual Pum System 2. Internatonal onerence on Techncal&Fhyscal Problem n Power Engneerng, s , 6-8 Setember,İran, 2004