MUTFAK HAVALANDIRMA SİSTEMİ

T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü MUTFAK HAVALANDIRMA SİSTEMİ 243414-Ozan Emre YILMAZER 243432-Mehmet Mücahit YAĞCI 210370-Hakan YAZICI Yrd. Doç. Dr. Fatih Mehmet NUROĞLU Mayıs, 2014 TRABZON

T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü MUTFAK HAVALANDIRMA SİSTEMİ 243414-Ozan Emre YILMAZER 243432-Mehmet Mücahit YAĞCI 210370-Hakan YAZICI Yrd. Doç. Dr. Fatih Mehmet NUROĞLU Mayıs, 2014 TRABZON

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Ozan Emre YILMAZER, Hakan YAZICI ve Mehmet Mücahit YAĞCI tarafından Yrd. Doç. Dr. FATİH MEHMET NUROĞLU yönetiminde hazırlanan Mutfak Havalandırma Sistemi başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Yrd. Doç. Dr. Fatih Mehmet NUROĞLU Jüri Üyesi 1 : Prof. Dr. Adem Sefa AKPINAR Jüri Üyesi 2 : Doç. Dr. Halil İbrahim OKUMUŞ Bölüm Başkanı : Prof. Dr. İsmail Hakkı ALTAŞ

ÖNSÖZ Bu projenin hazırlanmasında emeği geçenlere, projenin son halini almasında yol gösterici olan kıymetli hocamız Sayın Yrd. Doç. Dr. FATİH MEHMET NUROĞLU na şükranlarımızı sunmak istiyoruz. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne, Mühendislik Fakültesi Dekanlığına, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığına, Elektrik-Elektronik Müh. Sayın Özkan YAZGAN a içten teşekkürlerimizi sunarız. Her şeyden öte, eğitimimiz süresince bizlerden maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen ailelerimize ve bizlere hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygı ve sevgilerimizi sunarız. Mayıs,2014 Ozan Emre YILMAZER Mehmet Mücahit YAĞCI Hakan YAZICI i

İÇİNDEKİLER LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU...İ ÖNSÖZ...İ İÇİNDEKİLER... İİ SEMBOLLER KISALTMALAR... İV ÖZET... V SUMMARY... Vİ GİRİŞ... 1 2. TEORİK BİLGİ... 4 2.1. TEK FAZLI ASENKRON MOTORLAR... 4 2.1.1. TEK FAZLI ASENKRON MOTORUN EŞDEĞER DEVRESİ... 5 2.1.2. TEK FAZLI ASENKRON MOTORLARA YOL VERME... 7 2.1.3.YARDIMCI SARGI KULLANMAK... 8 2.1.4. KONDANSATÖR YOL VERMELİ MOTORLAR... 9 2.1.5. SÜREKLİ KONDANSATÖR MOTORLAR... 11 2.1.6. ÇİFT KONDANSATÖRLÜ MOTORLAR... 12 2.1.7. GÖLGE KUTUPLU MOTOR... 13 2.1.8. ÜNİVERSAL MOTOR... 15 2.1.9. DEĞERLENDİRME... 15 2.2. TEK FAZLI AA KIYICI... 16 2.2.1. TEK FAZLI TEMEL AA KIYICI... 16 2.2.2. BİR GÜÇ ELEMANIN AKIM VE GERİLİMİ... 18 3. TASARIM... 20 3.1. SIFIR GEÇİŞ DEVRESİ... 21 3.2. LM7805 ENTEGRESİ İLE GERİLİM REGÜLASYONU... 21 3.3. PIC 16F877A MİKROİŞLEMCİSİ... 22 3.4. OPTOKUPLÖR... 22 3.5. TRİYAK... 23 3.6. SIVI KRİSTAL EKRAN(LCD)... 23 3.7. GERİLİM DEĞİŞİMİ... 24 4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR... 26 4.1. TETİKLEME SİNYALLERİ... 26 4.2. YÜKE UYGULANAN GERİLİM... 28 4.3. GERİLİMİN ŞEKLİ... 29 ii

4.4. YÜK AKIMI... 31 4.5. MOTOR DEVRİ... 32 4.6. MOTOR GÜCÜ VE MOMENTİ... 32 4.7. HAVA DEBİSİNİN DEĞİŞİMİ... 33 5. SONUÇLAR... 34 6. DEĞERLENDİRME VE YORUM... 36 KAYNAKLAR... 37 EKLER... 38 EK-1. IEEE ETİK KURALLARI... 38 EK-2. DİSİPLİNLER ARASI ÇALIŞMA... 40 EK-3. MALİYET TABLOSU... 41 EK-4. ÇALIŞMA TAKVİMİ... 43 EK-5. DEVRE ŞEMASI... 44 EK-6. BASKI DEVRE ŞEMASI... 45 EK-7. MİKROİŞLEMCİ KODLARI... 46 EK-8. STANDART VE KISITLAR FORMU... 55 ÖZGEÇMİŞ... 57 iii

SEMBOLLER KISALTMALAR n:dönme hızı (d/d) n s :Senkron hız (d/d) S p : Pozitif bileşenin oluşturduğu kayma S n :Negatif bileşenin oluşturduğu kayma Z pe :Pozitif bileşene ait empedans Z ne :Negatif bileşene ait empedans R 1 :Stator sargı direnci R 2 :Rotorun statora indirgenmiş direnci X 1 : Stator sargı reaktansı X 2 : Rotorun statora indirgenmiş reaktansı X m :Mıknatıslanma reaktansı P i : Net hava aralığı gücü P d : Mekanik enerjiye dönüştürülen güç M i : Hava aralığında indüklenen moment SCR: Tristör α: Tetikleme açısı γ: Sönme açısı V g : Giriş gerilimi V ç : Çıkış gerilimi V DRM : Tekrarlı dayanma gerilimi I TAV : Akımın ortalama değeri I TEF : Akımın etkin değeri iv

ÖZET Bu projede bir mutfak havalandırma sistemi, mikroişlemci yardımıyla kontrol edilmiş ve gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, projede kullanılacak tek fazlı motor için araştırma yapılmış, kullanım yerleri ve türleri hakkında bilgi verilmiştir. Projede üniversal motor kullanılmasına karar verilmiştir. İkinci bölümde motor kontrolü için bir AA kıyıcı tasarlanmıştır. AA kıyıcıda triyak kullanılmış, triyakın farklı zamanlarda, mikroişlemci yardımıyla, tetiklenmesiyle elde edilecek farklı gerilim değerleri hesaplanmıştır. Üçüncü bölümde AA kıyıcı kontrolü için yazılım geliştirilmiş, deneysel olarak gerilim değişimi, motor hızının değişimi incelenmiştir. Motor hızının değişimiyle, mutfak havalandırma sistemindeki motorun yaptığı hava emişinin değişimi gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Üniversal Motor, AA(Alternatif akım) kıyıcı, Motor Hız Kontrolü v

SUMMARY In this project, a kitchen ventilation system is demonstrated and controlled via microprocessors. Firstly; single-phase motors, which were used in the project, are studied. Necessary information about variations of single-phase motors and their area of usage is given. It is decided that a universal motor is used in the project. In second stage, an AC chopper is designed for motor control. A triac is used in the AC chopper. Voltagerates, which area cquired by triggering the triac via microprocessors at different times, are calculated. In third stage, a software is developed for AC chopper control. Voltage and motor speed variations are examined experimentally. The air suction shifts, which are produced by the motor in the kitchen ventilation system, are observed in paralel with the change of motor speed vi

GİRİŞ Kapalı mekanlarda insanların çok olması, endüstriyel uygulamalarda ise bazı uygulamalar yüzünden kirlenen hava sürekli ve geçici olarak yenilenmek zorundadır. Ev, lokanta mutfaklarında pişirilen yemekler ortama su buharı ve hoş olmayan kokular bırakır. Bazı mutfaklarda buna ek olarak kullanılan ızgaralardan ötürü dumanda bırakılır. Ortamdaki havanın dışarı atılması ve yerine taze havanın getirilmesi gerekir. Havalandırma sistemlerinin düzgün bir şekilde çalışabilmesi bazı temel koşullara bağlıdır. 1. Ortama gerekli taze hava girişinin mutlaka yapılması, 2. Ortamda rahatsızlık yaratacak hava akımının (ceryanın) olmaması, 3. Havalandırma sisteminin mahal havasını üniform bir şekilde dağıtıp toplanması 4. Vantilatörlü tesislerde sessiz bir çalışmanın sağlanması gibi hususlardır. [1] Mutfaklarda genellikle Şekil 1 de ki gibi tek kanallı havalandırma sistemi kullanılmaktadır. Şekil 1. Tek kanallı havalandırma sistemi

Ev, lokanta mutfaklarında havalandırma sistemleri ortamda bulunan kirli havanın miktarına göre farklı havalandırma kademelerine ihtiyaç duyarlar. Böylece ortamdaki pis hava fazlaysa havalandırma sistemi tam randumanla, eğer pis hava az ise düşük randumanla çalıştırılır. Havalandırma sisteminin kontrolü, sistemdeki motorun kontrolü ile sağlanır. Ev,lokanta havalandırma sistemlerinde genellikle tek fazlı asenkron motorlar kullanılır. Tek fazlı asenkron motorlar sanayide az kullanılmalarına rağmen küçük güç gerektiren uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Ev, büro, atölye gibi tek fazın ve küçük güç ihtiyacının olduğu yerlerde tek fazlı asenkron motorlar kullanılırlar. Bundan dolayı en sık karşılaşılan motorlardır.[2] Tek fazlı asenkron motorlar; elektrik süpürgesi, çamaşır makinesi, elektrikli testere, fan gibi küçük güç gerektiren makinelerde kullanılırlar. Bu makinalar ihtiyaca göre farklı devirlerde çalıştırılmak istenir. Tek fazlı motorların devirlerinde değişim yapabilmek için çeşitli yöntemler kullanılır. Devir sayısı kontrol yöntemleri sırasıyla frekans değiştirme, kutup sayısı değiştirme ve statora uygulanan gerilimi değiştirme olarak sıralanabilir. Frekans değiştirme doğrultucu ve evirici masraflarının motor maliyetinden fazla olması, kutup sayısı değiştirme motor ebatlarının büyümesi dolayısıyla tercih edilmez.[3] Statora uygulanan gerilimin değiştirilmesi tercih edilen ve en sık kullanılan yöntemdir. Statora uygulanan gerilim, alternatif akım kıyıcısı veya stator sargısına seri direnç bağlanarak değiştirilebilir. Seri direnç bağlanarak stator gerilimin değiştirilme uygulaması, fazla enerji sarfiyatına yol açacağı için tercih edilmemiştir. Bu çalışmada statora uygulanan gerilimin değiştirilmesi alternatif akım kıyıcısı ile yapılacaktır. Projede; alternatif akım kıyıcısında, triyak kullanılarak gerilim kıyımı gerçekleştirilecektir. Güç elektroniği elemanı olan triyakın iletime geçebilmesi için kapı darbesi gereklidir. Triyaka kapı darbesi mikroişlemci kullanılarak verilecektir. Değişik zaman aralıklarında verilen kapı darbeleriyle, triyaklı AC kıyıcıda değişik gerilimler üretilir. Motora seri bağlı olan triyakla; motora uygulanan gerilim değeri böylece değiştirilmiş olur. Değişen motor gerilimiyle, motora aktarılan güç değeri azalacağı için motorun devri değiştirilir. 2

Motor devrinin azalmasıyla birlikte, havalandırma sistemi için hava akış hızı değişecektir. Hava akış hızının değişmesiyle, hava akışının gerçekleştirileceği borunun çapına bağlı olarak havanın debisi değişecektir. Mutfaktaki pis havanın oranına göre, motor farklı hız kademelerinde çalıştırılıp, ortamdaki havanın tahliyesi kolaylaşacaktır. 3

2. TEORİK BİLGİ Tek fazlı asenkron motorlar küçük güçlerde üretilirler ve alternatif akım şebekelerinde kullanılırlar. Güçleri 0.025-2.2 kw arasında değişir. Tek fazlı asenkron motorların yapısı üç fazlı asenkron motorların yapısına benzer. Üç fazlı asenkron motorlarda olduğu gibi, tek fazlı asenkron motorun yapısı; stator sargısı, rotor, gövde ve kapaklardan oluşur. Bu motorlar stator sargıları aralarında 90 derece faz farkı bulunan ana ve yardımcı sargıdan oluşur. Rotorları ise sincap kafeslidir. 2.1. Tek Fazlı Asenkron Motorlar Tek fazlı asenkron motorlarda akımların faz sayısı ve sargısın bir fazlı olmasından ötürü dönen manyetik alan oluşmaz. Dönen manyetik alan oluşmadığı için motor kendiliğinden yol alamaz. Sargıya uygulanan gerilim ile değeri sadece, zamanla ve akımın genliğine bağlı olarak değişen alternatif bir alan meydana gelir. Stator etrafında bulunan manyetik alan pozitif ve negatif maksimum değer arasında titreşir. Şekil 2 de görüldüğü gibi pozitif moment bileşeni ve negatif moment bileşenin toplamları toplam momenti oluşturmaktadır. Hızın sıfır olduğu noktada toplam moment değeri de sıfırdır. Toplam moment değeri sıfır olduğu için motor yol alamaz ve kısa devre durumunda çalışır. Rotorun dönmesi; mevcut kuvvet dengesinin dışarıdan bir kuvvetle bozulması ile gerçekleşir ve rotor kuvvetin uygulandığı yönde dönmeye başlar. [3] Şekil 2. Birbirine zıt yönde dönen iki döner alan ve toplam moment 4

2.1.1. Tek Fazlı Asenkron Motorun Eşdeğer Devresi Tek fazlı asenkron motorun durma koşulundaki eşdeğer devresi Şekil 3 de ki gibidir. Bu eşdeğer devrede verilen R 1 ve X 1 değerleri stator sargısının direnç ve reaktansı, R 2 ve X 2 ise rotorun statora indirgenmiş direnç ve reaktansıdır. Rotor hareketsizken genlikleri eşit olan pozitif ve negatif dönen alanlar, rotor devresinde eşit miktarlarda omik ve reaktif gerilim düşümü meydana getirirler. Pozitif ve negatif bileşenlerin akımları kendilerine ait devrelerden akar. Bu nedenle rotor eşdeğer devresi Şekil 4 de verildiği gibi iki ayrı parçaya bölünür. [4] Şekil 3. Tek fazlı asenkron motor eşdeğer devresi Rotorun n hızı döndüğünü varsayalım. Bu durumda pozitif ve negatif dönen alanlar için kayma miktarları farklı olur. Pozitif döner alan bileşeninin yönünde n hızı ile dönme gerçekleştiğinde kayma 1.1 de verildiği gibi olur. s = n n n (1) Negatif döner alan bileşenine göre;pozitif döner alan bileşenine göre n hızı ile dönen rotorun dönme hızı ters olduğundan, hız negatif değer alır. Negatif bileşene göre devir sayısı 1.2 de verildiği gibi olur. n ( n) = n + n (2) Negatif kayma, n devir sayısı yerine n = (1 s)n yazılırsa 1.3 de verildiği gibi olur. 5

s = 2 s (3) Şekil 4 de ki paralel bağlı pozitif ve negatif bileşenlere ait rotor devrelerinin empedansları Z pe ve Z ne olarak tanımlanır. Bu empedanslar yardımıyla motor giriş akımı rahat bir şekilde bulunur. Şekil 4. Pozitif ve negatif tam eşdeğer devre Öncelikle pozitif bileşen için Z pe empedansı bulunur. Z = (R s + jx )(jx ) (4) (R s + jx ) + jx Negatif bileşen için Z ne empedansı aynı şekilde bulunur. Z = (R (2 s) + jx )(jx ) (5) (R (2 s) + jx ) + jx Motor sargılarından akan akımz ve Z cinsinden aşağıdaki gibi olur. I V (6) R + jx + 0.5Z + 0.5Z 6

Stator ile rotor arasındaki hava aralığından geçen güç, rotora aktarılan gücü verir. Bu güç pozitif ve negatif bileşenlerden oluşur. Dolayısıyla net hava aralığı gücü 1.7 da ki gibi olur. P = I R s I R 2 s (7) Hava aralığında indüklenen moment ise aşağıdaki denklem yardımıyla bulunur. M = P İ ω (8) Motorda elektrik enerjisinden mekanik enerjiye dönüştürülen güç ise 1.9' da ki gibi olur. P = M ω (9) Motorda oluşan bakır kayıpları ve vantilasyon kayıpları M değerinden çıkarıldıktan sonra milden elde edilen çıkış momenti bulunur.[4] 2.1.2. Tek Fazlı Asenkron Motorlara Yol Verme Tek fazlı asenkron motorların kendi kendine yol alamadığı motorun çalışma ilkesinin anlatıldığı bölümde açıklanmıştı. Motora etki eden pozitif ve negatif döner alanların toplamının sıfırdan farklı bir değere ulaşması ile motora yol verilir. Bunun için genlikleri eşit ve aralarında ωt kadar açı farkı bulunan bu iki vektörün, ya genliklerinin ya açılarının ya da her ikisinin birden eşitlik durumundan çıkarılması gerekir. Aşağıda incelenecek bütün yol verme metotlarında, iki döner alandan birini diğerinden daha güçlü yapma ile motora yol verilmesi anlatılacaktır. 7

2.1.3.Yardımcı Sargı Kullanmak Statora aralarında 90 derece faz farkı olarak yerleştirilen ana sargı ve yardımcı sargı Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 5. Yardımcı sargılı asenkron motor [2] Yardımcı sargı ana sargıya göre daha ince kesitli iletkenlerden yapılarak; yardımcı sargı direncinin ve reaktasının, ana sargının sargı direnci ve reaktansından büyük olması sağlanır. Böylece yardımcı sargı akımının, ana sargı akımından geri kalması sağlanır. Yardımcı sargıdan geçen akım ana sargıya göre geri fazda olduğu için pozitif ve negatif vektörlerin dengesi bozulur. Ortaya çıkan moment ile motor yol alır ve Şekil 6 da görüldüğü gibi hızlanmaya başlar. Merkezkaç kuvveti prensibine göre çalışan anahtar, rotor hareketiyle merkezkaç kuvveti arttığı için devrilme momentine yakın bir değerde kontaklarını açar. Böylece yardımcı sargı devreden çıkarılır. 8

Şekil 6. Yardımcı sargılı tek fazlı motorun hız moment eğrisi [2] Şekil 6 da görüldüğü gibi ilk etapta elde edilen moment tam yük momentinin %150 si kadarken, motor hızı arttıkça momentte artar. Moment tam tük momentinin %250 sine kadar ulaşabilmektedir. Yardımcı sargı devreden çıktıktan sonra, motor momenti ile yük için gerekli moment dengelendiğinde motor karalı duruma ulaşır. Bu tip motorlar çok sık başlama-durma gerektirmeyen, yol alma momenti düşük olan yükler için uygundur. El aletleri, kurutucu, aspiratör gibi birçok kullanım yerleri mevcuttur. [2] 2.1.4. Kondansatör Yol Vermeli Motorlar Birbirine zıt dönen iki alan vektörünün aralarındaki açıyı 90 derece yapmanın bir diğer yolu; Şekil 7 de görüldüğü gibi yardımcı sargıya seri olarak kondansatör bağlamaktır. 9

Şekil 7. Kondansatör yol vermeli motor [2] Kondansatör sığası yeterli büyüklükte seçilirse, yardımcı sargının bulunduğu devrenin empedansı azalır ve sargıdan geçen akım artar. Yerleştirmeden dolayı aralarında 90 derece açı farkı olan iki alan vektörü arasındaki açı kondansatör sayesinde sıfır yapılır ve iki vektör çakışırlar. Şekil 8 de görüldüğü gibi yol verme momenti aşırı derecede büyür. Rotor belirli bir hıza ulaşınca merkezkaç anahtar ile yardımcı sargı ve kondansatör devre dışı bırakılır. Şekil 8. Kondansatör yol vermeli motorun moment eğrisi [2] 10

Bu tip motorlar yüksek başlatma momenti gerektiren kompresörler, büyük vantilatörler ve yük altında yol alması istenen uygulamalarda kullanılırlar. 2.1.5. Sürekli Kondansatör Motorlar Bu tip motorlarda; Şekil 9 da görüldüğü gibi kondansatör sürekli devrededir. Kondansatör motora yol verme dışında güç faktörünü iyileştirir, yani kompanzasyon gerçekleştirir. Şekil 9. Sürekli kondansatörlü motor [2] Kondansatör değeri en iyi çalışma ve yol alma şartlarına uyum sağlayacak şekilde seçilmeli ve sığası küçük olmalıdır. Bu sebeple Şekil 10 da görüldüğü gibi bu motorların başlangıç momentleri düşüktür. Ancak bu motorlar yüksek momente sahiptirler. 11

Şekil 10. Sürekli kondansatörlü motorun hız moment eğrisi [2] 2.1.6. Çift Kondansatörlü Motorlar Çift kondansatörlü bir motorun eş değer devresi Şekil 11 de gösterilmiştir. Yüksek kapasite değerine sahip yol verme kondansatörü ile, kalkış anında kalkınma momenti yüksek tutulur. Yol alma işlemi bittikten sonra merkezkaç anahtar ile yol verme kondansatörü devreden çıkarılır, normal çalışmada düşük bir kapasite değerine sahip sürekli kondansatör ile çalışmasına devam eder. Şekil 11. Çift kondansatörlü motor [2] 12

Şekil 12 de ki hız-moment karakteristiğine bakıldığında bu motorlar en iyi yol alma ve normal çalışma şartlarına sahiptirler. Şekil 12. Çift kondansatörlü motorun hız moment eğrisi [2] 2.1.7. Gölge Kutuplu Motor Tek fazlı çok küçük güçlü motorlara yol vermenin bir şeklide gölge kutup kullanmaktır. Şekil 13 de görüldüğü gibi ana sargılar çıkık kutup üzerine sarılır. Gölgelendirme bobinleri kutup ayakları altına iki ucu kısa devre edilmiş şekilde yerleştirilir. Kutuplarda zamanla değişen akı, ana sargı tarafından indüklenir. Kutupların akısı değiştiği zaman, akıdaki orijinal değişime zıt yönde olan bir gerilim gölgelendirme bobininde indüklenir. Böylece kutbun bir tarafında manyetik zayıflatılmış olur. Oluşan bu dengesizlikle rotor; gölge kutupsuz taraftan, gölge kutuplu tarafa doğru döner.[3] 13

Şekil 13.Gölge kutuplu tek fazlı motor [2] Şekil 14 de gölge kutuplu motorun hız-moment karakteristiği verilmiştir. Bu motorlar düşük başlatma momenti sahip iken normal çalışmada yüksek momente sahiptirler. Verimlerinin düşük olması, güç katsayının düşük olmasına rağmen; basit yapısı ve merkezkaç anahtar kullanılmaması nedeniyle yüksek hız gerektiren düşük güçlü uygulamalarda kullanılırlar. Şekil 14. Gölge kutuplu motorun hız moment eğrisi [2] 14

2.1.8. Üniversal Motor Üniversal motor seri motor olup, hem DA hem de AA da kullanılmaktadır. Fırça ve kolektöre sahiptirler. Günümüzde en çok kullanılan, her evde en az bir elektrikli alette görev yapan üniversal motorlar yüksek devirlerde çalışırlar. Güçleri yüksek değildir. [2] 2.1.9. Değerlendirme Tek fazlı asenkron motorların çeşitleri incelediğinde; kalkış momentlerin farklı olduğu görülmüştür. Kalkış momentleri yüksek olan motor çeşitleri; kondansatör yol vermeli ve çift kondansatörlü motorlardır. Kalkış momentleri düşük olan motor çeşitleri ise; yardımcı sargılı, sürekli kondansatörlü ve gölge kutuplu motorlardır. Nominal momentleri yüksek olan motorlar sürekli kondansantörlü, çift kondansatörlü ve gölge kutuplu motorlardır. Bu çalışmada bir fan yükü sürüleceği için; basit yapısı, düşük yol alma momenti, ekonomikliği ve nominal momentinin yüksek olması nedeniyle gölge kutuplu motor kullanılacaktır. Bunun yanı sıra üniversal motorda kullanılabilir. 15

2.2. Tek Fazlı AA Kıyıcı Tek fazlı AA kıyıcılar, güç elektroniği elemanları yardımıyla AA-AA gerilim dönüşümü yaparlar. Temel dalga frekansı değiştirilmeden; temel dalga belirli zaman aralıklarında iletimde tutularak, temel dalganın şekli değiştirilir. Böylece temel gerilimin frekansı aynı kalıp genliği değiştirilmiş olur. AA kıyıcılarda, yükün gücü prensip olarak faz başına ters-paralel bağlı iki SCR kullanılarak değiştirilir. Gerilimin pozitif alternansında bir eleman iletim iken, negatif alternansında ise diğer eleman iletimde olur. Böylece pozitif ve negatif alternansta iletim ve kontrol sağlanmış olur. Çok yüksek güç uygulamalarının olmadığı yerlerde iki adet SCR kullanmak yerine; tek kontrol kapısı bulunması ve ekonomik olması sebebiyle triyak kullanılır. Ayrıca triyakın tek kontrol kapısının bulunması kontrolü kolaylaştır. AA kıyıcılar fırınlar, ısıtıcılar, lambalar gibi omik yüklerin kontrolü ve düşük güçlü asenkron motorların kontrollerinde kullanılırlar. AA kıyıcılarla gerçekleştirilen motor hız kontrolü metodu uygulamaları, fanlar ve pompalar gibi vantilatör karakteristiklerine sahip yüklerin kontrolünde uygulanır. 2.2.1. Tek Fazlı Temel AA Kıyıcı Birbirine ters paralel bağlı iki SCR ile gerçekleştirilen tek fazlı bir AA kıyıcının devresi Şekil 15 de ki gibidir. AA akımın, pozitif alternansında T 1 iletimde iken negatif alternansında ise T 2 iletimdedir. Kontrol ise herhangi bir α anında SCR tetiklenmesi, iletime sokulması ile gerçekleştirilir. Şekil 15. Tek fazlı AC kıyıcı devresi 16

Şekil 15 de verilen devrede; V > 0 iken 0 < ω < π aralığında üretilen pozitif tetikleme ile T 1, V < 0iken π < ω < 2π aralığında üretilen negatif tetikleme ile T 2 kontrol edilir. Tetikleme açısı ile konrol aralığı 2.1 deki gibi olur. 0 < α < π V > 0 iken π < α < 2π V < 0 iken (10) Burada; α açısında tetiklenen T 1 tristörü, π anında akımın sıfır olması ile kesime girer. Aynı şekilde;π + α anında tekiklen T 2 tristörü ise 2π anında akımın sıfır olması ile kesime girer. Tetikleme açılarına bağlı olarak omik yük için çıkış gerilimleri aşağıdaki gibi yazılır. Yükün omik-endüktif olması durumunda ise L R zaman sabitine bağlı olarak γ sönme açısı oluşur. Denklemlerin üst sınırı bu açıya bağlı olarak π + γ olur. [5] V ç = 1 π V sin (ωt)d(ωt) (11) = 1 π V 1 (1 cos(2ωt))d(ωt) 2 (12) = V 2 1 π (ωt) 1 2 sin2(ωt) (13) V ç = V 1 π (π α + 1 2 sin2α) (14) 17

Tetikleme açısının değişimi ile hesaplanan gerilim değerleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Hesaplanan gerilim değerleri Tetikleme Açısı (Derece) Gerilim (Volt) 18 208 36 197 54 184 72 170 90 155 108 138 2.2.2. Bir Güç Elemanın Akım Ve Gerilimi Bir tristör veya triyakın ileri veya ters yönde maksimum tekrarlı dayanma gerilimi tek fazlı AA kıyıcılarda denkelem 15 ile ifade edilir. V > 2V (15) Prensip olarak, faz gerilimi 220 V olan AC şebekeye bağlı tek fazlı AC kıyıcılarda, en az 400 ve daha emniyetli olarak 600 V luk güç elemanları kullanılmaktadır. Tek fazlı AC kıyıcılarda bir tristörden geçen akımın ortalama ve etkin değeri 16 ve 21 de ki denklemlerle hesaplanır. I = 1 2π I sin(ωt) d(ωt) = 1 2π I cos (ωt) (16) I = 1 2π I (1 + cosα) (17) 18

I = 1 2π I sin (ωt)d(ωt) (18) = 1 2π I 1 (1 cos(2ωt))d(ωt) 2 (19) = I 2 1 π (ωt) 1 2 sin2(ωt) (20) I = 0.5I 1 π (π α + 1 2 sin2α) (21) Ters-paralel bağlı iki tristörün yerine bir adet triyak kullanılması halinde; akımın her iki yarım dalgasını da triyak üsteleneceğinden, periyodun π alınması sonucunda yukarıda bulunan ortalama akımın 2 ve efektir akımın 2 ile çarpılması gerekmektedir.[5] I akımı 0,66 A olarak motor katalogundan alınmıştır. Akım değerleri triyak kullanıldığından 2 ile çarpılmıştır. Akım değerleri Çizelge 2 de ki gibi hesaplanmıştır. Çizelge 2. Hesaplanan akım değerleri Tetikleme Açısı (Derece) Akım (Amper) 18 0,64 36 0,6 54 0,56 72 0,51 90 0,47 108 0,42 19

3. TASARIM Bu bölümde; tek fazlı asenkron motor hızının, AC kıyıcı ile nasıl kontrol edileceği incelenecektir. Şekil 16 da ki akış diyagramında görüldüğü gibi; öncelikle şebekenin sıfır geçişleri algılanacak, daha sonra AA kıyıcı da kullanacağımız triyak için gerekli tetikleme açıları mikroişlemci ile üretilip, motorun hız kontrolü sağlanacaktır. Devrenin şeması Ek- 3 de verilmiştir. Şekil 16. Proje akış diyagramı Mikroişlemciye tetikleme işaretini üretmesi için gerekli komutlar, devre üzerindeki butonlarla verilecektir. Butonlar tetiklemeyi artırmak veya azaltamak için kullanılcaktır. Butona basıldığında triyak tetiklemesi 1, 2, 3, 4 ve 5 ms de gerçekleşecektir. 20

3.1. Sıfır Geçiş Devresi Sıfır geçiş devresi alternatif akım eğrisinin sıfır geçişlerini kontrol etmek için kullanılır. Elde edilen sıfır geçişleri mikroişlemci tarafından algılanır ve istenilen tetikleme işareti bu sayede üretilir. Şebeke gerilimi trafo yardımıyla 12 V a düşürülmüş daha sonra diyotlar ile doğrultulmuştur. Sıfır geçişlerinde optokuplerin çıkışı ile referans işareti karşılaştırılmış ve kare dalga üretilmiştir. Sıfır geçişleri osiloskop tarafından Şekil 17 de ki gibi gözlenmiştir. Şekil 17.Sıfır geçiş devresi osiloskop çıktısı 3.2. LM7805 Entegresi İle Gerilim Regülasyonu Sıfır geçiş devresinin çıkışından aldığımız gerilim değeri; kullanacağımız mikroişlemcinin giriş portlarının 5V ile çalışmasından dolayı, 5V olmalıdır. Sıfır geçişlerinde elde edilen işaret, girişindeki gerilimi çıkışına sabit 5 V olarak veren LM7805 entegresi yardımıyla regüle edildikten sonra mikroişlemcinin giriş portlarına gönderilir. 21

3.3. PIC 16F877A Mikroişlemcisi Mikroişlemci; sayısal giriş çıkışı olan, veri ve program belleği bulunan, matematiksel işlemler yapabilen ciptir. Projede uygun tetikleme açıları mikroişlemci ile oluşturulacaktır. Öncelikle şebekenin sıfır geçişleri algılanıp, bu sinyaller mikroişlemcinin giriş portlarına gönderilecektir. Daha sonra arzu edilen tetikleme açıları, uygun yazılımın yapılmasıyla, triyak tetikleme sinyali olarak mikroişlemcinin çıkış portlarından gönderilecektir. Kullanılacak PIC 16F877 mikroişlemcinin özellikleri Çizelge 3 de ki gibidir.[6] Çizelge 3. PIC 16F877 İşlemcisinin özellikleri Program hafızası 14 KB İşlemci Hızı (MIPS) 5 Veri EPPROM (Bayt) 256 Zamanlayıcılar 2 x 8-bit, 1x16 bit Çalışma Voltaj Aralığı 2-5,5 Pin sayısı 40 3.4. Optokuplör Optokuplör, elektriksel bağlantı olmadan düşük gerilimlerle, yüksek gerilimlerinin kontrolünü sağlayan bir devre elemandır. Şekil 18 de görüldüğü gibi optokuplör ile kumanda devresi, yani mikroişlemci güç devresinden izole edilmiştir. Şekil 18. Optokuplör bağlantısı 22

3.5. Triyak Triyak; ortak tetiklemeli, birbirine ters-paralel bağlı iki tristöre eşdeğer devre elamanıdır. Şekil 19 da triyakın devre sembolü ve tristörlü eş değeri görülmektedir. İki yönlü iletime müsaade eden triyak; uygun tetikleme yapılmasıyla AA uygulamalarda gerilim kıyıcı veya elektronik anahtar olarak kullanılır. Şekil 19. Triyak sembol ve eşdeğeri 3.6. Sıvı Kristal Ekran(LCD) LCD ler görüntü teknolojisinin geliştirdiği bir üründür. Günlük hayatın birçok alanında kullanılmaktadır. Projede, butonlarla istenilen tetikleme işareti üretildiğinde motorun hangi hız seviyesinde çalıştığını görmek için kullanılacaktır. LCD ekran bacak bağlantıları Çizelge 4 de gösterilmiştir. Çizelge 4. Sıvı kristal ekranın bacak bağlantıları Pin numaraları Bağlanılacağı yer 1, 5, 16 Toprak 15, 2 +5 V 4, 6, 11, 12, 13, 14 Mikroişlemci 23

3.7. Gerilim değişimi Simülasyonlar sonucunda sinüs işaretindeki değişimler gözlenmiştir. Sinüs işareti 18, 36, 72, 90 derecede tetikleme sinyalleri ile kıyılacaktır. Şekil 20 de 18 derecelik tetikleme işareti için sinüsün değişimi gözlenmiştir. Şekil 20. 18 derecelik tetikleme sinyalinde gerilimin şekli 24

72 derecelik triyak tetiklemesi sonucunda sinüs işaretinin değişimi simülasyonda Şekil 21 de ki gibi gözlenmiştir. Şekil 21. 72 derecelik tetikleme sinyalinde gerilimin şekli 25

4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Tasarımı yapılan sistem için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Triyakın tetiklenmesi için bir mikroişlemci programı yazılmıştır. Mikroişlemci programı MikroC programında yazılmıştır ve program Ek-2 de verilmiştir. Triyakın tetiklenmesi sonucunda gerilimin değişimi, motorun çektiği akımın değişimi, gerilimin şeklinin değişimi ve motorun yaptığı emişin değişimi gözlenmiştir. 4.1. Tetikleme sinyalleri Genliği 220 V, frekansı 50 Hz olan gerilimin sıfır geçişinin algılanmasından sonra mikroişlemci ile 1ms, 2ms, 3ms, 4ms, 5ms ve 6ms sonra triyakın tetiklenmesi için kare dalga üretilmiştir. Böylece triyakın Gate ucuna kapı darbesi gönderilecek ve triyakın iletime geçmesi sağlanacaktır. Şekil 22 de tetiklenmemiş işaret görülmektedir. Her aralık 10 ms dir. Görüldüğü gibi tetikleme işareti, sıfır geçiş işareti ile aynı, yani 0 ms den başlamaktadır. Şekil 22. Sıfır ms de tetikleme sinyali Tetikleme sinyalinin 1 ms olması durumunda, işaretin osiloskop çıktısı Şekil 23 de ki gibi olur. Sıfır geçişi algılandıktan 1 ms sonra kare dalga üretilir. 26

Şekil 23. 1 ms de tetikleme sinyali Tetikleme sinyalinin 2 ms olması durumunda, işaretin osiloskop çıktısı Şekil 24 de ki gibi olur. Sıfır geçişi algılandıktan 2 ms sonra kare dalga üretilir. Şekil 24. 2 ms de tetikleme sinyali Tetikleme sinyalinin 3 ms olması durumunda, işaretin osiloskop çıktısı Şekil 25 de ki gibi olur. Sıfır geçişi algılandıktan 3 ms sonra kare dalga üretilir. 27

Şekil 25. 3 ms de tetikleme sinyali 4.2. Yüke uygulanan Gerilim Farklı zamanlarda triyaka uygulanan kapı darbeleriyle motora uygulanan gerilim değişmektedir. 1ms, 2ms, 3ms, 4ms,5 ms ve 6ms için farklı gerilim değerleri oluşmaktadır. Zaman olarak verilen değerler açı cinsinden 1 ms 18 derece, 2 ms 36 derece, 3 ms 54 derece, 4 ms 72 derece, 5 ms 90 derece ve 6 ms 108 derecedir. Ölçülen gerilim değerleri Çizelge 5 de ki gibidir. Çizelge 5. Ölçülen gerilim değerleri Tetikleme Açısı (Derece) Ölçülen Gerilim ( Volt) 18 202,1 36 191,8 54 178,9 72 164,6 90 148,3 108 130,1 28

Çizelge 5 de ölçülen değerler, Çizelge 1 de hesaplanan değerler ile farklılık göstermektedir. Bunun sebebi ise; triyakı tetiklemek için doğrultultuğumuz işaretin periyodu 10 ms idi. Ancak motor endüktif bir yük olduğu için, akımın pozitif alternastan negatif alternansa sarkmaması için, doğrultultulmuş işrarette 1 periyot için işlemler 9,5 ms için yapıldı. 9,5 ms lik işlemler mikroişlemci yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. 4.3. Gerilimin Şekli Yüke uygulanan 220 V, 50 Hz ve sinüs formatında olan işaret, kıyıcı devresinin yani triyakın farklı zamanlarda iletime geçmesi bozulmuştur. Farklı zamanlarda iletime geçen triyak sinüs formatındaki işareti belirli noktalarda kesmiştir. Şekil 26 de normal, kıyılmamış sinüs işareti görülmektedir. Şekil 26. Normal sinüs işareti 29

Tetikleme 1 ms de gönderilirse sinüsün şekli Şekil 27 de ki gibi olur. Şekil 27. 1 ms sonra iletime geçen sinüs işareti Tetikleme 2 ms de gönderilirse sinüsün şekli Şekil 28 de ki gibi olur Şekil 28. 2 ms sonra iletime geçen sinüs işareti 30

Aynı şekildee tetikleme 5 ms de gönderilirse sinüsün şekli Şekil 29 da ki gibi olur Şekil 29. 5 ms sonra iletime geçen sinüs işareti 4.4. Yük Akımı Ölçülen yük akımı değerleri Çizelge 6 da ki gibidir. Çizelge 6. Motor akımı Tetikleme Açısı (Derece) Akım (Amper) 18 0,52 36 0,49 54 0,46 72 0,42 90 0,39 108 0,35 31