5. luslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13 15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye LKTROLİZ YAPMAK İÇİN PI DNTİMLİ SNKRON DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI DSIGN OF A PI CONTROLLD SYNCRONOS DC-DC CONVRTR FOR S IN LCTROLYSIS APPLICATIONS Ali YSAL a* Ömer Faruk BAY b a* Karabük Üniversitesi Meslek Yüksek Okulu Teknik Programlar Bölümü, Karabük, TR, -posta: aliuysal@karabuk.edu.tr b Gazi Üniversitesi Teknik ğitim Fakültesi lektronik Bilgisayar ğitimi Bölümü, Ankara, TR, -posta: omerbay@gazi.edu.tr Özet Bu çalışmada, elektrolizle hidrojen üretmek için PI denetimli gerilim azaltan senkron DA-DA dönüştürücünün tasarımı gerçekleştirilmektedir. nerji kaynağı olarak, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisi kullanılmaktadır. Bu uygulamada değişken yük ve değişken giriş gerilim değerlerinde sabit çıkış akımı elde Anahtar kelimeler: Senkron DA-DA Dönüştürücü, PI Denetleyici, lektroliz. Abstract In this study, a synchronous PI controlled buck converter is realized to produce hydrogen by using electrolysis method. lectrical power obtained from renewable energy sources is used as input power. Objective of this application is to produce constant output current at variable loads and variable input voltages. In order to control the synchronous buck converter, PI controller is used as a controller with PWM technique. Output current error has been chosen as input variable, and change of the duty cycle of the switching device has been chosen as output variable of the PI controller. Proposed system has been tested and constant output current has been obtained under variable loads. Keywords: Synchronous Buck Converter, PI Controller, lectrolysis 1. Giriş Günümüzde ülkelerin kalkınmışlığı, tükettikleri elektrik enerjisi miktarları ile ölçülmektedir. Gelişen teknolojinin bir neticesi olarak Dünyanın enerji talebi her geçen gün artmaktadır. Fosil kaynaklı yakıtların tükenmekte olması insanları, enerji ihtiyaçlarını giderebilecekleri alternatif kaynaklara yöneltmiştir. İnsanoğlu sürekli, ekonomik, çevre dostu yeni enerji kaynakları olarak güneş, rüzgâr, jeotermal, hidrojen, biyogaz ve dalga enerjilerinden daha iyi faydalanma yollarını araştırmaktadır[1]. Yenilenebilir enerji kaynaklarının sağladığı enerjiler gün içerisinde ve mevsimlere göre değişkenlik gösterdiğinden, bu kaynaklardan üretilen enerjinin depolanması büyük önem taşımaktadır. nerjinin depolanması için kullanılan en yaygın yöntem enerjiyi elektriksel olarak akülerde depolamaktır. Yüksek güçlerde ise yüksek maliyetli ve verimli olmayan bir yöntemdir. nerjinin farklı şekillerde depolanması ve kullanılması için çözüm üretmek etmek hedeflenmektedir. Bu maksatla kontrolde DGM (Darbe Genlik Modülasyonu) tekniği, denetleyici olarak ise PI denetleyicisi kullanılmaktadır. Çıkış akım hatası PI denetleyicisinin giriş değişkeni, dönüştürücü anahtarlama elemanının görev saykılındaki değişim de çıkış değişkeni olarak seçilmiştir. Sistem PI denetleyici ile değişken giriş gerilimi ve değişken yüklerde test edilmiş hedeflenen şekilde sabit çıkış akımı sağladığı görülmüştür. gerekmektedir. Bu çözümlerden biride elektrik enerjisinden suyun elektrolizi yoluyla hidrojen elde etmek ve hidrojeni sıkıştırarak depolamaktır[1]. Bu çalışmada, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisi kullanan sistem gerçekleştirilmektedir. Bu sistem ile hidrojen elde etmek için sabit akımda suyun elektrolizini yapan DA-DA dönüştürücü devrenin tasarımı yapılmaktadır. DA-DA dönüştürücü Matlab Simulink programı kullanılarak benzetimi yapılmış ve benzetim sonuçları doğrultusunda tasarımı gerçekleştirilmektedir. lektroliz işlemi için değişken giriş gerilimleri (12V-35V) ve değişken yük değerlerinde çalışabilen, çıkış akımı 20A e kadar ayarlanabilen PI denetimli senkron gerilim azaltan dönüştürücü tasarımı yapılmıştır. Bu dönüştürücünün denetiminde bir PI denetim algoritması kullanılmıştır. Sistem değişken yük ve değişken giriş gerilim değerlerinde test edilmiştir. 2. Akım Ayarlı PI Denetimli Senkron Gerilim Azaltan Dönüştürücü 2.1. Senkron Gerilim Azaltan Dönüştürücü Değişken yük ve değişken giriş gerilimlerinde sabit çıkış akımı elde etmek için senkron gerilim azaltan dönüştürücü kullanılmaktadır. Dönüştürücü güneş pili veya yenilenebilir enerji kaynakları ile veya bu kaynaklar tarafından doldurulmuş batarya ile beslenmektedir. Tasarlanan gerilim azaltan dönüştürücünün en temel yapısı Şekil 1 de verilmektedir. Şekil 1 deki Q1 anahtarı iletimdeyken kaynaktan gelen enerji endüktans akımını sabit bir eğimle arttırırken, anahtarın kesime sokulmasıyla, endüktans akımı senkron mosfet üzerinden serbest döngü yapmaya başlar. Bunun için bu mosfetin kapısına gerilim uygulanması gereklidir. Kapı geriliminin olmaması durumunda akım diyot üzerinden dolaşır ve gerilim düşümü daha yüksek olur[2,3,5]. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Q1 = K e K edt P İ (1) V i Senkron DGM Denetim Sistemi Q2 L C Çıkış V o şitlik 1 de K P oransal katsayıyı, K İ integral katsayısını göstermektedir. e, gerçek çıkış akımı ile referans akım değeri arasındaki hata değerini göstermektedir. çıkış görev saykılı değişim değerini göstermektedir. = 1 (2) K K Şekil 1. Senkron Gerilim azaltan Dönüştürücü Genel Devresi ndüktans akımının sürekli olduğu durum için gerilim azaltan dönüştürücünün çalışması sonucunda oluşan dalga biçimleri Şekil 2 de verilmektedir. Vd V O 0 V O VL Anahtarlama Sinyali t şitlik 2 de K çıkış görev saykılını, K-1 bir önceki görev saykıl miktarını göstermektedir. 2.3. Senkron Gerilim Azaltan Dönüştürücünün Matlab Simulink ile Benzetiminin Yapılması Senkron gerilim azaltan dönüştürücü devresi Matlab Simulink te Şekil 4 deki gibi oluşturulmuştur. Devrede özel amaçlı sinyal oluşturma kutusundan alınan referans bilgisi ile ölçülen akımın farkı hata olarak PI denetleyiciye uygulanmıştır. PI denetleyicinin çıkış bilgisi darbe genlik modülasyonu üretecinin girişine uygulanmıştır. Darbe genlik modülasyonu üreteci Q1 mosfeti ve Q2 mosfeti için gerekli olan anahtarlama sinyallerini oluşturur. i L Çıkış Akımı IL = IO 0 t ton Ts toff Şekil 2. Senkron gerilim azaltan dönüştürücünün çalışma durumları Şekil 2 de anahtarlama sinyalinin t on süresince Q1 mosfeti iletimde olduğunda çıkış akımının artmakta olduğu görülmektedir. Çıkış akımı t off süresince azalmakta olduğu görülmektedir. I O çıkış akımı I L akımının ortalamasıdır. 2.2. PI Denetleyici PI denetleyicide, DA-DA dönüştürücünün çıkış akım bilgisine ait geri besleme denetiminde verimi arttırmak için hata değerlerini belirli bir oran ve zaman aralığında girişe uygulamak gerekir. Bunun sağlanması için yazılımla kontrol edilen bir PI denetim algoritması geliştirilmiştir. Şekil 3 da genel bir PI denetleyicinin blok diyagramı verilmektedir[4]. PI Denetleyici Şekil 4. Matlab Simulink te uygulanan PI denetimli senkron gerilim azaltan dönüştürücü devre şeması PI denetleyiciye referans olarak 4A akım değeri girilmiştir. Benzetim sonucunda, değişken besleme gerilimi altında elde edilen çıkış akımının grafiği Şekil 5 deki gibi elde edilmektedir. e(t) hata sinyali Kp I(t) denetim sinyali Ki Şekil 3. PI denetleyici blok diyagramı Şekil 5. Devre çıkışındaki yük değişimi ile çıkış akım ve gerilim değişim grafiği
PI denetimli senkron gerilim azaltan dönüştürücü devrenin Simulink ten elde edilen sonuçlarına göre DA-DA dönüştürücünün tasarımı gerçekleştirilmiştir. 2.4. Akım Ayarlı PI Denetimli Senkron Gerilim Azaltan Dönüştürücü Genel Yapısı ve Çalışması Bu çalışmada gerçekleştirilen akım ayarlı PI denetimli gerilim azaltan dönüştürücünün blok şeması Şekil 6(a) de, gerçekleştirilen sistemin resmi Şekil 6(b) de verilmektedir. 2x16 LCD kran Güneş Pili 18F452 Mikrodenetleyici (PI Denetleyici) PWM Sinyali Mosfet Sürücü IR 2110 DC - DC Buck Dönüştürücü LA 55-P lektroliz Tuş Takımı Akım Sensör Yükselteci Ölçülen Akım (a) (b) Şekil 6. a) Akım Ayarlı PI Denetimli Senkron Gerilim Azaltan Dönüştürücü blok diyagramı b) Akım Ayarlı PI Denetimli Senkron Gerilim Azaltan Dönüştürücü Devre Resmi Şekil 6 (b) de tasarlanan sistem dört ayrı devre ile gerçekleştirilmiştir. Sistemde akım algılayıcı DA-DA dönüştürücünün çıkış akımı algılamakta ve mikro denetleyicinin ölçebileceği analog gerilim değerine dönüştürmektedir. Akım algılayıcı olarak LA 55-P akım algılayıcısı kullanılmıştır. LA 55-P akım algılayıcısı simetrik 12V besleme ile çalışmakta ve 50A rms akım değeri ölçebilmektedir[8]. Ölçülen akım değerini ve istenen akım değerini göstermek için ekran olarak 2x16 karakter LCD kullanılmıştır. LCD de ölçülen ve istenen akım değerleri görüntülenmektedir. İstenen akım değerini ayarlamak ve sistemi çalıştırıp durdurmak için tuş takımı kullanılmaktadır.
Akım algılayıcısından alınan akım bilgisini çıkış akımını sabit tutmak amacıyla, PI denetim algoritmasını koşturmak ve senkron gerilim azaltan dönüştürücü için uygun PWM sinyali üretmek için Microchip firmasına ait PIC18F452[6] mikrodenetleyicisi kullanılmaktadır. Mikrodenetleyiciden gelen anahtarlama bilgisi, mosfet sürücüleri kullanılarak mosfetlere aktarılmaktadır. Mosfet sürücü olarak tasarlanan sistemde senkron gerilim azaltan dönüştürücü yapısına uygun olan IR2110[7] entegresi tercih edilmiştir DA-DA dönüştürücü için gerekli olan besleme gerilimini sağlamak için güneş pili veya güneş pili tarafından doldurulmuş batarya kullanılmaktadır. Güneş paneli veya batarya gurubundan elde edilen enerjiyi mikrodenetleyici denetiminde elektroliz için uygun değere düştürmek için DA-DA dönüştürücü kullanılmaktadır. DA- DA dönüştürücü olarak senkron gerilim azaltan dönüştürücü kullanılmıştır. Başla 1 Mikrodenetleyici tanımlamalarını yap ata=ref-gerçek Değişkenleri belirle Başlangıç akım değerini PROM'dan al I=5A Ref > Gerçek krana Yaz I=0A AYAR I=0A ÖLÇÜLN Akım değerini butonlarla ayarla ata=gerçek-ref atad=ata-ata Duty=DutyKi.ataKp.atad ata=ref-gerçek atad=ata-ata Duty=Duty-Ki.ata-Kp.atad Başla/ Dur butonuna basıldı mı? DGMDeğeri=Duty I=I1 DGM Donanımına bilgiyi gönder ATA = ATA Basla=1 1 Şekil 7. PI denetleyici program akış şeması PI denetleyicinin yazılımı Proton ID programında PIC BASIC dilinde gerçekleştirilmiştir. Yazılımın akış diyagramı Şekil 7 de verilmektedir. Programın başında gerekli tanımlamalar yapılmakta, başlangıç akım değeri PROM hafızadan alınmakta ve o andaki ölçülen akımla birlikte ekrana yazdırılmaktadır. Sistemin başla/dur butonuna basıldığında denetleyici hatayı bulmak için referans akımdan ölçülen akım değerini çıkarmakta, hata değerine göre PI algoritması işletilmektedir. Sonuç değeri DGM olarak çıkışa aktarılmaktadır. ata eski hata olarak kaydedilmekte ve program bu çalışma düzeninde sürekli olarak tekrar etmektedir. 3. Deneysel Çalışma ve Sonuçlar Sistem üzerindeki deneysel çalışmalarda PI denetleyicisi performans ölçümlerinde öncelikle yük olarak sabit direnç kullanılmış, elde edilen sonuçlarla elektroliz sonuçları karşılaştırılmıştır. Ölçümler PICO Automative osilaskopu ile yapılmıştır. PI denetleyici sabit besleme gerilimi altında ve 4A lik referans akımında; yük direnci değiştirildiğinde dönüştürücü çıkış gerilim ve çıkış akımının grafiği Şekil 8'de düğü gibi elde edilmiştir. Sistem çıkışındaki yük değeri yarıya düşürüldüğünde ve iki katına çıkarıldığında çıkış yük akımı PI denetleyici ile sabit tutulmaktadır.
Çıkış Yük Gerilimi Şekil 8. Devre çıkışındaki yük değişimi ile çıkış akım ve gerilim değişim grafiği Devreye sabit direnç yükü bağlı ve PI denetleyici referans akım değeri 4A olduğunda besleme geriliminin 12V-24V- 12V değişmesi durumunda çıkış akım eğrisi Şekil 9 de verilmektedir. Sistem girişindeki besleme gerilimi 12V dan 24V a çıkarıldığında ve 24V dan 12V a düşürüldüğünde çıkış yük akımı PI denetleyici ile sabit tutulmaktadır. Şekil 12. Devre besleme gerilimi değiştirildiğinde çıkışında elektroliz sistemi bağlı olduğunda çıkış akımının değişim grafiği Tasarlanan sistem, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerji veya bu kaynaklar tarafından doldurulmuş batarya gurubu ile beslenmektedir. Deneysel çalışmalar sonucunda çıkış yük değişimlerinde ve giriş besleme değişiklerinde çıkış akımının istenen değerde sabit kaldığı görülmüştür. PI denetimli DA-DA dönüştürücü elektroliz sistemini sabit akımla beslemiştir. Sabit elektroliz akımı ile sabit hidrojen çıkışı sağlanmaktadır. Tasarlanan sistemin çıkış akımı 20A e kadar ayarlanabildiğinden istenilen akım değerinde sabit hidrojen çıkışı elde edilebilir. Kaynaklar Şekil 9. Devre besleme gerilimi değiştirildiğinde çıkışında sabit direnç bağlı olduğunda çıkış akımının değişim grafiği Devreye elektroliz düzeneği bağlı, PI denetleyici referans akım değeri 4A olduğunda besleme geriliminin 12V-24V- 12V değişimi yapıldığında çıkış akım eğrisi Şekil 10 de verilmektedir. Sistem girişindeki besleme gerilimi 12V seviyesinden 24V seviyesine çıkarıldığında ve 24V seviyesinden 12V seviyesine düşürüldüğünde çıkış yük akımı PI denetleyici ile sabit tutulmaktadır. [1] Yılankıran, N., "Türkiye nin Alternetif nerji Kaynakları ve Kullanım Potansiyeli", Yüksek Lisan Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bil. nstitüsü, Ankara, 1-3, 2004. [2] Şahin, M. rgin., "Senkron Buck Dönüştürücü ile lektroliz Olayının Gerçekleştirilmesi", Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bil. nstitüsü, Ankara, 1-30, 2006. [3] Tuncay, N. Gökaşan., M. Boğosyan, S., Güç lektroniği Çeviriciler, ygulamalar ve Tasarım. Literatür Yayıncılık,176-185,2007 [4] lmas, Ç., Yapay Zeka ygulamaları, Seçkin Yayıncılık. 289-290,2007. [5] Abut, N., Güç lektroniği Güç Yarı İletkenleri ve Dönüştürücüler, Birsen Yayınevi,309-312,2004. [6] ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/ 39564b.pdf [7] http://www.aceisys.com.my/datasheet/lem/ LA%2055-PSP1.pdf [8] http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ ir2110.pdf.