Hidromobillerde Kullanilan Motorlar Ve Sürücü Devreleri

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Hidromobillerde Kullanilan Motorlar Ve Sürücü Devreleri M. Bozdemir 1, İ. Işıklı 2,M.Kurban 2,* 1 Bilecik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bilecik/Türkiye 2 Bilecik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bilecik/Türkiye, * mehmet.kurban@bilecik.edu.tr Motors and Driver Circuits used in Hydromobiles Abstract At the present days, the negative effects of usage of fossil fuels are increasing day by day. High emission ratios, greenhouse effects, and increasing air pollution direct people to find and use alternative energy sources. And people have started to design new alternative energy source powered cars. A hydromobile uses hydrogen as fuel and it is used to generate electricity by fuel cell. Obtained electricity is converted to specific constant value by a converter and it is used for DC motor driver. The driver has an input from acceleration pedal and by this way, it changes the pulse width of the applied voltage of the motor. By changing the pulse width of voltage over one period, the average value of the voltage that applied to the motor can be changed and hence the speed can be adjusted. In this paper, the motors and drivers used in hydromobiles are discussed briefly and the motor simulations are done. Keywords Alternative energy, hydromobile, converter, DC motor driver I. GİRİŞ Dünya üzerindeki etkileri günden güne artan küresel ısınma ve kirlilik artık geri dönülemez noktalara varmaktadır. Ayrıca gittikçe artan araç sayısı ve sanayileşmeye bağlı olarak fosil kaynaklı yakıtların tükenmeye yaklaştığı gerçeği de insanları yeni enerji kaynakları aramaya ve bilinçlenmeye yönlendirmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları denilince akla öncelikle güneş enerjisi, hidrolik enerji, jeotermal enerji, rüzgar enerjisi ve hidrojen enerjisi gelmektedir. Günümüzde birçok alanda yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisinin kullanımının giderek arttığı görülmektedir. Gelişmiş ülkelerde artan enerji ihtiyacıyla birlikte alternatif enerji üretim yollarını aramak ülkelerin gelişmişlik düzeyleriyle doğru orantılıdır. Yenilenebilir enerji kaynakları bu noktada en önemli rolü üstlenmektedir. Çünkü, tükenmez ve devamlılığı süreklidir. Teknolojideki gelişme her alanda olduğu gibi bu alanda da etkili olmuş ve yenilenebilir enerji kaynaklarının verimli kullanımı son yıllarda üst düzeye çıkmıştır. Ayrıca bu konuda yapılan çalışmalar her geçen gün artmaya devam etmektedir. Günümüzde birçok alanda yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisinin kullanımının giderek arttığı görülmektedir. Yenilenebilir enerjiler bol olmaları ve çevre kirliliğine neden olmamalarından dolayı elbette fosil yakıtlardan üstündürler. Hidrojen, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjiyi hidrojende depolamak mümkündür. Bu amaçla hidrojen yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilebilir ve böylece bu kaynaklardan elde edilen enerji hidrojene geçmiş olur. Elektrikten farklı olarak hidrojen, gerektiğinde kullanılmak üzere kolaylıkla depolanabilir ve ihtiyaç olan yerlere taşınabilir. Günümüzde birçok alanda yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisinin kullanımının giderek arttığı görülmektedir. Otomotiv endüstrisinde de yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanıldığı çok çeşitli sistemler geliştirilmiştir. Buna neden olarak trafikte artan araç sayısı ve atmosfere salınan gazların miktarlarındaki artış ve küresel ısınma gösterebilir [1-3}. Bu çalışmada, hidromobil aracının çalışması prensibine kısaca değinilerek bu araçlarda kullanılan motor ve motor sürücü devreleri hakkında bilgi verilerek bu konuyla ilgili simülasyon uygulaması yapılacaktır. II. HİDROMOBİL Otomobil sektörü, sanayileşmiş ülkelerde ekonominin lokomotifi olarak kabul edilmektedir. Bunun sebebi, diğer sanayi dalları ve ekonominin diğer sektörleri ile çok yakından ilişkili olmasıdır. Otomotiv sanayi; demir-çelik, petro-kimya ve lastik gibi temel sanayi dallarında başlıca alıcı konumundadır. Ayrıca, turizm, altyapı, inşaat, tarım ve ulaştırma gibi çeşitli sektörlerin ihtiyaç duydukları birçok motorlu araç otomotiv sektörü tarafından sağlanmaktadır. Bu sektörde meydana gelen değişmeler ekonomiyi önemli derecede etkilemektedir. Türkiye de otomotiv sektörü; yarattığı katma değer, istihdama katkısı, vergi gelirleri ve birçok sektörde talep yaratıcı durumu ile ekonomik açıdan büyük önem taşımaktadır. Ayrıca sektör, gelişmiş teknolojilerin ülkemize transferinde de önemli rol oynamaktadır [4]. İçten yanmalı motorların kullanıldığı otomobiller ekzostlarından attıkları zehirli gazlarla doğayı kirletmesi ve fosil yakıtların rezervinin gü geçtikçe azalması nedeni ile elektrikle çalışan otomobillerin önemi gün geçtikçe artmaktadır. 282

2 Hidromobillerde Kullanilan Motorlar Ve Sürücü Devreleri Elektrikli araçlarda tahrik, elektrik motoru tarafından sağlanmaktadır. Yüksek miktarda itme kuvveti sağlanması için gerektiğinde birden fazla elektrik motoru kullanılarak bu kuvvet arttırılabilmektedir. Elektrik motoruna sağlanan güç ise enerji depolama sistemlerinden elde edilmektedir. Hiç yakıt tüketilmediği için emisyon açığa çıkmaz ve sıfır emisyonlu araçlar olarak isimlendirilir.içten yanmalı motorlara göre daha sessiz çalışırlar, rejeneratif frenleleme sayesinde fren ömürleri uzundur ve kinetik enerji geri kazanılarak elektrik enerjisine dönüştürülebilmekte ve bataryalar şarj edilebilmektedir. Ancak üretim maliyetleri bakımından dezavantajlıdır Elektrikli araçların batarya şarj problemleri ve sınırlı menzile sahip olmaları, hibrit araçların gelişmesinde bir etken olmuştur [1,4]. Hidrojen bilinen en basit elementtir ve her hidrojen atomu tek bir protondan oluşmaktadır. Ayrıca evrende en fazla bulunan gazdır. Yıldızlar temel olarak hidrojenden oluşmaktadırlar. Güneş de hidrojen ve helyum gazlarından oluşan dev bir toptur. Hidrojen (H 2 ) havadan hafiftir ve bu nedenle de atmosferde yükselir. Bu özelliği nedeniyle de dünyada element olarak bulunmaz. Yalnızca su (H 2 O), metan (CH 4 ), kömür, gibi başka bileşiklerin yapısında bulunur. Hidrojen bilinen tümyakıtların arasında en fazla enerjiye sahip olandır. Normal sıcaklık ve basınçta gaz halinde bulunmaktadır.hidrojen dünyada gaz olarak bulunmadığından diğer birincil kaynaklardan elde edilmesi gerekmektedir. Sudan, biyokütleden veya doğalgaz moleküllerinden ayrıştırılabilir. Günümüzde en çok kullanılan yöntemler buhar yapılandırması (doğalgazdan hidrojen ayrıştırma) ve elektrolizdir (suyun ayrıştırılması). Bunun dışında hidrojen üreten bazı bakteri ve algler de keşfedilmiştir. Şimdilik buhar yapılandırması en ucuz yöntemdir. Ancak bu yöntemde birincil kaynaklar olarak fosil yakıtlardır kullanılır ve bunlar da küresel ısınmaya neden olurlar. Elektroliz yöntemiyle ise yenilenebilir kayaklardan elde edilen elektrikle su ayrıştırılabilir. Şimdilik bu yöntem daha pahalı olduğundan stratejik alanlarda kullanılmaktadır. Hidrojen gazını elektroliz sayesinde elektrik enerjisine çevirim bu enerji ile çalışan hidromobiller çevreye zarar vermemekle beraber atık olarak dışarıya sadece saf su vermektedir. Sadece hidrojenin maliyeti bile halen yaygın olarak kullanılmamasına rağmen benzinin yarısı kadar olmakla beraber bu maliyet araçların mekanik aksamı kullanılarak elde edilen elektrik enerjisiyle beraber daha da düşmektedir. Bu hususları göz önünde bulunduran Mercedes, BMW, Toyota, Honda, Mazda gibi dünya devi araç üreticileri alternatif yakıt kullanan araçlarını piyasaya sürmeye başlamışlardır [2]. Hidrojenden bir arabayı çalıştıracak kadar elektrik üretmenin en yaygın yolu ise Polimer Elektrlit katmanlı (PEM- Polymer Electrolite Membrane) yakıt hücreleridir.[1,5] Bu yakıt pilleri (Fuel cell) havadaki oksijen ve basınç altında muhafaza edilen hidrojeni elektrik üretmekte kullanır ve artık olarak açığa su buharı çıkarır. Hidrojen arabasının çalışabilmesi için kartuşlarda depolanan hidrojenin yakıt hücresi (Fuel Cell) yardımıyla elektrik enerjisine çevrilmesi ve elektrik motorunun yardımıyla mekanik enerjiye dönüştürülmesi gerçekleşmektedir. Basit olarak; hidrojenden, yakıt hücresi yoluyla elektrik üretimi, üretilen elektriğin hareket aksamına iletilmesi ve bu işlem sonunda açığa çıkan atık, şematik olarak şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1: Hidrojen-elektrik araç temel yapısı [1] Yakıt pilleri; elektrikli ve hibrid taşıtlarda tahrik için kullanılan elektrokimyasal akülerdir. Taşıtta tek başına da kullanılmakta olan yakıt hücreleri enerjiyi kimyasal olarak depo eder. Akülere benzer olarak üretilen yakıt hücrelerinde; anot, katot ve elektrolit bulunmaktadır. Şekil 2 de yakıt hücresinin prensip şeması görülmektedir [6]. Yakıt hücrelerinde zaman geçtikçe kullanım performansında bir azalma meydana gelmez ve yeniden şarj gerektirmezler. Yakıt ve bunu oksitleyici tedarik edildiği sürece elektrik üretmeye devam eder. Elektrik üretimi anot ve katot yardımı ile hidrojen ve oksijenin reaksiyonu ile sağlanır. Reaksiyon sonunda su ve ısı enerjisi açığa çıkar. Gerekli oksijen havadan sağlanırken, hidrojen ise kullanılan yakıttan sağlanır. Taşıtlarda kullanılan motorlardan yüksek randıman, uzun ömür, havaya kirletici madde yaymaması istenilmektedir. Kullanılan elektrik motorunun; stator (sabit) ve rotor (hareketli) olmak üzere iki esas parçası vardır. Elektrik motorunda sürtünen parçalar az olduğu için çalışması sessizdir ve aşınma olmaz. Bu sistemde verim kaybı da sadece dişli çark sisteminden oluşmaktadır. Şekil 2: Yakıt hücresi şematik resmi 283

3 M. Bozdemir, İ. Işıklı ve M.Kurban III. KULLANILAN MOTORLAR VE SÜRÜCÜ DEVRELERİ Taşıtlarda kullanılan elektrik motorları; Doğru akım (DC) motoru (çift fazlı) Alternatif akım (AC) motoru (üç fazlı) olarak iki tiptir. Son zamanlarda geliştirilen prototiplerde DC motor yerine AC motor kullanılmaktadır. Ancak her iki tipte de avantajlar ve dezavantajlar vardır. Firmaların yaptığı açıklamalara göre AC motor daha hafif, verimi daha yüksek ve daha az bakım gerektirir. Aynı zamanda AC motorun şanzıman ve akslara daha kolay birleştirildiği açıklanmaktadır. Fakat AC motorlarda ayrı bir kontrol ünitesine gerek vardır. DC motorda akım, iki fazlı olduğundan anahtarlar ile kontrol edilebilmektedir. Ayrıca, AC motorun kontrol ünitesi DC motorun kontrol ünitesine göre oldukça pahalıdır. Bu sebeplerle bazı firmalar DC motoru tercih etmektedir. Bu çalışmada ele alınan hidromobil aracında kullanılacak olan motor; daimi mıknatıslı dc motordur. Daimi mıknatıslı motorlar, dc şönt motorların bir versiyonu olup aralarındaki tek fark uyarma sargıları yerine sabi mıknatısların olmasıdır.sabit mıknatıslar sayesinde uyarma, rotor bakır kayıplarını ve uyarma devresi bakım gereksinimlerini ortadan kaldırmaktadır.diğer bir avantaj ise, uyarma için kullanılan sabit mıknatıslar, rotor ve stator arasındaki hava boşluğunda akının artmasına neden olmaktadır. Böylece, bu tip motorların diğerlerine nazaran güç yoğunlukları ve eylemsizliğe göre moment oranları yüksek olmaktadır. Asenkron motorlara göre kayma olmaması nedeniyle kontrolleri daha kolaydır. Rotorunda kafes bulunmaması eylemsizliği düşürerek elektriksel cevap süresini azaltır. Şekil 3 te hidrojen ile çalışan bir otomobilin şeması görülmektedir [1,7]. Aracın elektrik diyagramına baktığımızda,hidrojen yakıt hücresinde üretilen gerilimi 24 V luk DC motor sürücüsünü beslemek için 24V DC/DC çeviriciden geçirilmesi gerekmektedir. Bunun yanında, DC motor sürücüsü, gaz pedalının konumundan input alarak, Darbe Genlik Modülasyonu ile DC motoru kontrol etmektedir.temel olarak motor sürücüne baktığımızda, PWM tekniğinin uygulanması prensip olarak basittir: H-köprü çeviricisi kullanılark yapılan PWM tekniğinin ana şeması Şekil 4 te verilmektedir [8]. Motora uygulanan DC gerilim, anahtarlama elemanları kullanılarak belirli sabit periyot boyunca 0-48V değerlerini alır. Ve bu duty cycle ayarlanmasında etkili olan, motor sürücüsüne bağlı olan ve reosta gibi görev yapan gaz pedalıdır. Gaz pedalına az basıldığında, motorun duty cycle değerini azalmakta ve motora uygulanan ortalama voltaj değeri azalmaktadır; gaz pedalına basıldığında duty cycle değeri artmakta ve motora uygulanan ortalama voltaj artmaktadır. Şekil 3 : Hidrojenle çalışan aracın elektriksel aksamı Şekil 4 : H köprü çevrimli PWM tekniği ile gerçekleştirilmiş motor sürücü devre şeması IV. MOTOR SİMÜLASYONU Simülasyonda kullanılan motorun genel parametreleri; 48V; 75A; 6624 rpm; 3.02 kw tır. Motora ait; 48V volt altında, yüksüz durumdaki, yüklü durumdaki ve çeşitli duty cycle oranlarındaki tork, akım, açısal hız grafikleri toplu olarak Şekil 5 te gösterilen grafiklerde verilmiştir. 284

4 Hidromobillerde Kullanilan Motorlar Ve Sürücü Devreleri Şekil 5: Motor simülasyonu grafikleri 285

5 M. Bozdemir, İ. Işıklı ve M.Kurban V. SONUÇLAR Ulaşımda kullanılan enerji türlerinde hızlı bir değişim çağı yaşanmaktadır. Hidrojen yakıt pili ile çalışan yeni taşıtlar geleceğin farklı yolcu taşımacılığı hakkında köklü bakış sunmaktadır. Çünkü, geleceğin yakıtı, yenilebilir ve çevre kirliliğinden bağımsız olan yakıttır. Batarya ile çalışan elektrikli otomobiller gibi hidrojenle çalışan taşıtlarda geleceğin taşıtları olacak ve hidrojen, ulaşım yakıtı olarak petrolün alternatifi olarak kullanılacaktır. Böylece hem çevresel hem de enerji problemlerine çözümler sunulacaktır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen, fazla miktarda üretilebilir olması ve kirliliğin çok az olması sebebi ile gelecek için desteklenebilecek bir yakıttır. Hidrojen, diğer yakıtlarla karşılaştırıldığında uygun seçenekler sunmaktadır. Hidrojen - yakıt pili -elektrik motoru sistemi örnek olarak alınırsa; fosil yakıt kullanan araçlara göre enerji verimliliğinin yaklaşık 2.5 katının temini mümkündür. Benzer şekilde, yakıt pili sistemi ile elektrik üretiminde, fosil yakıt kullanan türbin motorların 2 katı kadar verim elde edilebilir. Hidrojen enerjisiyle çalışan elektrik araçlarda, çevreye sadece su ve/veya su buharı atılmaktadır ve hava kirliliği bakımından diğer yakıt ve araç dizaynlarına gore mükemmel sayılabilecek az bir hava kirliliğine neden olmaktadır. Bu da teknolojik gelişmeler sonucunda maliyetin uygun değerlere düşürülmesiyle bu tip hidromobillerin yaygın olarak kullanılabileceğini göstermektedir. KAYNAKLAR [1] V. Zeytin, Hybrid Vehicles and Design, Anadolu Ü., Lisans Tezi, [2] [3] D. Sprling and James S. Cannon; The Hydrogen Energy Transition, [4] I. Husain; Electric and Hybrid Vehicles Design Fundamentals, [5]dfhttp:// [6]adwww.mmo.org.tr/resimler/ekler/f396fe44e7c05c1_ek.pdfdergi=93 [7] [8]ddB.XW. Williams;X PowerXElectronics ; 2nd edition, McGraw Hill,