GÜNEŞ PİLLERİYLE ÇALIŞAN BİR FAZLI KONDANSATÖRLÜ MOTORUN TORK KONTROLU. Mehmet BEKLERGÜL1,Musa ALCI2 ve Metin ÇOLAK3

Transkript

1 GÜNEŞ PİLLERİYLE ÇALIŞAN BİR FAZLI KONDANSAÖRLÜ MOORUN ORK KONROLU Mehmet BEKLERGÜL1,Mua ALCI2 ve Metin ÇOLAK3 1,2,3E.Ü. Elektik-Elektonik Mühendiliği Bölümü, 35100, Bonova-İZMİR ÖZE Bu oje, güneş illeiyle çalışan i fazlı kondanatölü motoun elektik şeekeinden ağımız olaak çalıştıılmaına yönelik i aaştıma ve geliştime ojeidi. Sitemin otonomi eiyodu n=5 gün dü. Eneji kaynağı olaak 24 V, 15 A, 530 W lik güneş ili(pv-anel), deo elemanı olaak da 24 V, 180 Ah lik kuşun-aitli ait tei akümülatölei, elektik motou olaak 220 V luk 1 fazlı yadımcı agılı kondanatölü aenkon moto kullanılacaktı. Sitemde, Güneş illeinden elde edilecek 24 V luk DA(Doğu Akım) elektik enejii Akım-Geilim egülatöü ile akümülatölee deolanacaktı. Daha ona, Akümülatöleden alınacak 24 V DA elektik enejii fuzzy logic kontollu SPWM(Sinüoidal Pule Width Modulation) invetö yadımıyla AA(Altenatif Akım) elektik enejiine dönüştüülecek ve i tafo ile 220 Volt'a yükeltileek moto çalıştıılacaktı. Bi Fazlı kondanatölü motou, fuzzy logic kontollu PWM invetö ile üeek, ilk çalışma anında, eneji kaynağından çok fazla akım çekmei önleneek ait tokla çalışmaı ağlanacaktı. Böylece, itemde kullanılan güneş ili(pv-eleman), akümülatö, akım-geilim egülatöü, tanfomatö ve DA/AA dönüştüücü(invetö) güçlei düşüüleek itemin tolam maliyetinin düşüülmei hedeflenmektedi. Anahta Sözcükle : Güneş ili, otonom item, tok kontol, i fazlı moto. ABSRAC hi ae cove a eeach and develoment oject of oeating a fuzzy logic contolled ingle hae induction moto y ola enegy indeendently fom electicity netwok. he autonomy eiod of the ytem i n=5 day. 24 V, 15 A, 530 W PV-anel i ued a owe uly while 24 V, 180 Ah lead-acid atteie ae ued fo toage. A actuato machine, ingle hae caacito un moto (aynchonou induction moto) unning at 220 V will e imlemented. Electical enegy of 24 V fom Sola Cell i toed in atteie though a cuent-voltage egulato. hi toed 24 V DC(Diect Cuent) enegy will e inveted to an 24 V AC(Altenative Cuent) enegy y a fuzzy logic contolled Sinuoidal PWM invete and will e tanfomed 220 Vm AC voltage. he final AC enegy i ued to oeate ingle hae induction moto. 1

2 he uoe of diving induction moto y fuzzy logic contolled PWM invete i to educe tating cuent dawn fom the uly and to contol moto toque. hu the oveall cot of the ytem will e educed due to the educed owe ating of PV element, atteie, cuent-voltage egulato, tanfome and DC/AC invete ued in the ytem. Keywod: Photovoltaic cell, autonomic ytem, toque contol, ingle hae induction moto. 1. GİRİŞ İnanoğlunun çeşitli geekinimleini kaşılayailmek için kullanaileceği eneji kaynaklaı genel olaak; "ükeni" ve "ükenmez(yenileneili)" eneji kaynaklaı olaak iki ınıfa ayılaili. Günümüzde gelişmiş ülkelede kişi aşına eneji tüketimi yaklaşık 950 milyon J(Joule)'dü. Önümüzdeki yıllada otalama olaak dünya üzeinde 10 milya inanın yaşayacağını ve hekeinde gelişmiş inanla gii eneji tükettiğini kaul edecek oluak, günlük tolam eneji ihtiyacı 95x1017 J olacaktı. Acaa ahi olduğumuz eneji kaynaklaı u ihtiyacı kaşılayailecekmidi? ükeni eneji kaynaklaının yakın ayılailecek i üede(yaklaşık yıl) üyük oanda tükeneceğini vaayaak, eneji ihtiyacımızı adece yenileneili eneji kaynaklaından kaşılama duumu otaya çıkacaktı. Güneş enejiide u kaynakladan iiidi. PVeleman teknolojiinin gelişmeiyle, PV- modül veimleinin yükelmei ve maliyetleinin düşmei, güneş illeinin elektik enejii üetimindeki ayını gittikçe attımaktadı. Bu ojede güneş illeiyle çalışan otonom i item kuulacaktı. Sitemde kullanılan Bi fazlı kondanatölü endükiyon motounu fuzzy lojik(ulanık mantık) kontollu inüoidal PWM invetöle üeek ilk çalışma anında moto akımı ve toku kontol edilecekti. 2. YÖNEM Pojede; 24 V 15 A 530 W lik güneş ili, 0-30 V 15 A akım-geilim egülatöü (akü şaj cihazı), 24 V 180 Ah ait tei akümülatöü, 24 V/220 V tanfomatö, fuzzy lojik kontollu i fazlı invetö (AA moto üücüü) ve 220 V'luk 1 fazlı kondanatölü endükiyon motou kullanılmaı lanlanmıştı. Güneş ilinden elde edilen DA elektik enejii akü şaj cihazı aacılığı ile akümülatöe deo edilecek, akümülatöden alınan 24 V DA elektik enejii önce fuzzy logic kontollu 1 fazlı invetö yadımıyla AA elektik enejiine dönüştüüleek tanfomatö yadımıyla 220 V AA elektik enejiine yükeltileek i fazlı moto çalıştıılacaktı. Sitemin genel olaak lok diyagamı Şekil.1 de göülmektedi [1]. 2.1 AKIM GERİLİM REGÜLAÖRÜ Sitemde akü şaj elemanı olaak akım-geilim egülatöü kullanılacaktı. Akımgeilim egülatöü 0-30 V 0-15 A aaında şaj etme özelliğine ahiti. Akımgeilim egülatöü U-I kaekteitiği ile şaj etme özelliğine ahiti. 2

3 Şekil 1:Sitemin genel lok diyagamı 2.2 AKÜMÜLAÖR Sitemde 24 V 180 Ah lık ait tei akümülatölei kullanılacaktı. Sitemin lok şemaında da göüldüğü gii i fazlı motoun çalışmaı için geekli olan 24 V DA elektik enejii akümülatöden kaşılanacaktı. Soğutucu motounun çalışmadığı eiyotlada akümülatölee tamon şaj yaılacaktı. Akümülatölein çok deşaj olmaı halinde gündüz aatleinde oğutucu motou diekt olaak güneş ilinden de eleneilecekti [1-2]. 2.3 BİR FAZLI KONDANSAÖRLÜ ENDÜKSİYON MOORLARI Aenkon motola, endükiyon eniine göe çalışan elektik moto tiidi. Sinca kafeli(kıa deve otolu) aenkon motola yaılaının ait ve ucuz, akımlaının kolay olmaı eeiyle en çok kulanılan elektik moto tileindendi. Bu motolada, otoda manyetik alan üetilmei için dışadan i kaynak ağlamaya geek yoktu. Stato fazlaına geilim uygulanınca, hava aalığında, tato fekan hızında (e) dönen i manyetik alan oluşu. Bu manyetik akı değişimi, otoda i geilim indüklenmeine ve akım dolaşmaına ee olu. Sonuç olaak, oto etafında i manyetik alan oluşu. -ekeni S-ekeni a' a-ekeni a' S θ 'S ' a-ekeni a a Şekil.2 : Bi fazlı kondanatölü motoun eni şemaı 3

4 İki mayetik alanın oluştuduğu kuvvetlein neticei olaak oto, tato manyetik alanının yönünde dönmeye aşla, fakat hızı() daha azdı. Eğe tato hızı(e) ve oto hızı() eşit olacak olua, oto iletkenleinde geilim indüklenmeyeceğinden oto çuuklaının alan dışına itilmei, dolayııyla motoun haeketi duu. Stato ve oto hızlaı aaındaki faka "kayma fekanı" adı veili[3] BİR FAZLI MOORUN YAPISI VE EŞDEĞER DEVRESİ Bi fazlı kondanatölü motoun çalışma eni şemaı Şekil.2'de göülmektedi. (a) ana agıyı, (S) de yadımcı agıyı temil etmektedi. motoun ana ve yadımcı agılaının eşdeğe develeide Şekil.3'de veilmişti[4]. Ll L'l (N/NS)λ'd ' i'q v'q vq Lm i'q - - C S LlS L'lR (NS/N)λ'q 'R id i'd vd LmS v'd - - Şekil.3: Bi fazlı aenkon moto ana ve yadımcı agı eşdeğe develei VOLAJ VE ORK DENKLEMLERİ Bi fazlı kondanatölü motoun voltaj denklemlei tayone efean taanına göe(θ=0 iken) genişletilmiş fomda aşağıdaki gii çıkaılmıştı[4]. V q =. i + λ (1) q q V d =. i + λ (2) S d d 4

5 V q =. i λ + λ (3) q d q V d =. i + λ + λ (4) d q d Eşitliklede; λq, λd, λq ve λd teimlei ana agı, yadımcı agı, oto ve kaşılıklı endüktanlaından dolayı oluşan manyetik akılaı(flux linkage) temil etmektedi. Aynı denklemle, a ve agılaının i ayılaına ağlı olaak dönüştüme oanlaı (n=ns/n) da ekleneek, ektanla cininden mati fomunda; V V V V + 0 ( S + = m n m 0 m q C ) + ( SS + C ) 0 d ' 1 q ' ' 1 1 m + ' n n d ms n ' ' R + 0 ms ' RR ' RR i q id ' iq ' id (5) şeklinde yazılaili. Elektomanyetik tokun ani değeini ie, endüktan dönüştüme oanlaı ve eaktan cininden; e = P N ( 2 N S )( m )( i q i ' d i d i ' q ) (6) olaak ifade edileili. Makine değişkenlei cininden tok ifadei de; P [( L ) ] i a e ( )( ia ). 2 θ = (7) şeklinde yazılacak olua, ozitif moto haeketi için; e = P ) 2 [ L i ( i Sinθ i Coθ ) + L i ( i Coθ i Sinθ )] ( a a S a (8) şeklinde ifade edileili. ok ve oto hızı aaındaki ilişki ie; 2 e = J + P L (9) 5

6 eşitliğiyle ifade edileili. Eşitlikte, J oto ataletini, L yük momentini temil etmektedi. 2.4 BİR FAZLI AA MOORLARINDA ORK KONROLU Aenkon moto kontolunu genel olaak iki gua ayıailiiz: Skale kontol(v/f oanı ait) ve vektö kontolu. Bu ojede motoun vektö kontollu olaak üülmei hedeflenmektedi. Vektö kontolünde hem voltaj değei hemde faz değişkenlei kullanılı. Mati ve vektöle, kontol üyüklükleini temil etmektedile. Vektö kontolu ile adece kaalı çalışmada(teady tate) değil, aynı zamanda iyi i matematikel model kullanıldığında dinamik çalışmaladada çok iyi onuçla alınaili. Öneğin, geniş hız aalıklaında daha iyi moto toku elde edileilmektedi. Endükiyon motolaının(aenkon motola) yaılaı çok ait olmaına kaşın, matematikel modeli oldukça kamaşıktı, çünkü tato ve oto değişkenlei oldukça fazladı ve motoun çalışmaı non-lineedi. Bu zoluklaı aşailmek için vektö kontolu(field Oiented Contol-FOC) en iyi yöntemleden iidi. Ancak u metodda, gei elemeiz (V/f) kontola göe daha fazla healama yamak geekmektedi. Bu işlem için, Dijital Sinyal İşlemcii(DSP) uygun i eçim olacaktı. DSP ile vektö kontolunun avantajlaı şu şekilde ıalanaili; Düşük hızlada yükek moment elde edeilme, daha iyi dinamik davanış, geniş hız aalıklaında he i çalışma noktaı için daha yükek veim, ayı ayı tok ve fluk kontolu, kıa üeli aşıı yükleneilme, döt ölgede(fou quadant) çalışma özelliği FUZZY KONROLLU BİR FAZLI İNVERÖR Yaılmaı taalanan AA moto üücü iteminin genel lok şemaı Şekil.4 de göülmektedi. Şekil.4 :Bi fazlı invetö genel lok şemaı Sitemin donanımında; Bi fazlı aenkon moto ve yük, akım egüleli 1 fazlı invetö ve dijital inyal işlemcii (DSP) ulunmaktadı. Reolve, moto miline ağlı takogeneatöden alınan analog inyallein dijital olaak kodlayan analog-dijital çeviici(adc)di. Bi fazlı aenkon motoun akımı i hall-effect akım enöü 6

7 yadımıyla ölçülecekti.dijital inyal işlemciide, eolve ve akım enöünden alınan inyallee göe uygun kontol algoitmaını çalıştıaak i fazlı invetöü kontol etmekte ve i fazlı endükiyonlu motoun otimal tok ile çalışmaını ağlamaktadı[5]. Şekil.5'de ie, vektö kontollu SPWM invetö lok diyagamı göülmektedi. İnvetöde; Id kontol akımını oluştumak için, ana ve yadımcı agı akımlaı hall effect enölele ölçülecek ve flux modeline giilecekti. Daha ona efean değele kaşılaştıılaak SPWM invetöe veilecekti. Iq kontol akımı için ie, moto devi i tako-geneatö ile ölçülecek, ölçülen analog inyal, efean hız değei ile kaşılaştıılaak hız kontolcuuna veilecekti. Hız kontolcuundan alınan inyalde yine SPWM invetöe uygulanacaktı. SPWM vektö kontol modülayonu fuzzy lojik ile yaılacaktı. SPWM invetöle, motoun geilim(v) ve açıal hızı() kontol edileek, motoun ilk çalışma anında çekeceği fazla akım, dolayııyla moto tokunun ayalanmaı hedeflenmektedi. Şekil.5: Vektö kontollu SPWM invetö akım kontol diyagamı 3. SONUÇ ve ÖNERİLER Güneş illeiyle Bi fazlı kondanatölü endükiyon motounun çalıştıılmaı amacıyla kuulacak olan itemimiz otonom i itemdi ve otonomi eiyodu n=5 gündü. Sitemin veimini yükelteilmek ve maliyetini düşüeilmek için, 220 Voltluk i fazlı kondanatölü motounu vektö kontollu olaak SPWM invetö yadımıyla üülmei taalanmaktadı. Böylece, i fazlı motoun ilk çalışma anında çekmiş olduğu aşıı akım (nominal akımın 3-5 katı) otimal eviyeye çekilmeye çalışılacaktı. Bunun onucundada, itemin ağlıklı çalışailmei için geekli, PV-eleman, şaj egülatöü, akümülatö, tanfomatö ve invetö kaaiteleini münkün olduğunca minimize edeek ekonomik i item kuulmaı hedeflenmektedi. Sitem kuulmadan önce, SPWM invetö ile i fazlı motou vektö kontollu olaak üecek itemin MALAB ogamında imilayonlaı yaılacak ve alınacak onuçlaa göe, dijital inyal işlemcii (DSP) veya aşka i kontol cihazı ile üücü iteminin 7

8 uygulamaı yaılacaktı. Daha ona item komle kuulaak elilenen eiyotlada çalıştıılacaktı. 4. KAYNAKLAR 1. Beklegül, M., "Fotovoltaik Enejiyle Soğutma", Yükek Lian tezi, İzmi, Çolak, M., "Güneş Pillei ve Uygulamalaı", Mühendi ve Makina 382,.21-25, exa Intument, "Digital Signal Poceing Solution fo AC Induction Moto", Alication Note, BPRA043,.11-15, Kaue, P. C., Waynczuk, O.,Sudhoff, S. C., Analyi of Electic Machiney, Chate 11, , IEEE Pe, New Yok, Chen, De-Fa., Imlementation of a Novel Matix Convete PMSM Dive, IEEE anaction On Aeoace And Electonic Sytem, Vol.37, No.3, July