T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ İÇİN BUCK KONVERTÖR TASARIMI VE UYGULAMASI 210333 Yiğit KAHVECİ 210339 Murat BORAN 210385 Salih ARIĞ Danışman Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ Mayıs 2013 TRABZON
Dış kapağın arka yüzüdür. Boş bırakılmalıdır. 2
T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ İÇİN BUCK KONVERTÖR TASARIMI VE UYGULAMASI 210333 Yiğit KAHVECİ 210339 Murat BORAN 210385 Salih ARIĞ Danışman Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ Mayıs 2013 TRABZON
İç kapağın arka yüzüdür. Boş bırakılmalıdır. ii
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Yiğit KAHVECİ, Murat BORAN, Salih ARIĞ tarafından Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ yönetiminde hazırlanan Yenilenebilir enerji sistemleri için buck konvertör tasarımı ve uygulaması başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ Jüri Üyesi 1 : Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ Jüri Üyesi 2 : Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP Bölüm Başkanı : Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ iii
Onay formu arka yüzüdür. Boş bırakılmalıdır. iv
ÖNSÖZ Bitirme çalışmamızda bize yol gösterici olan kıymetli hocamız Sayın Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ a şükranlarımızı sunmak istiyoruz. Yine zorlandığımız yerlerde bize yardımcı olan bölümümüz asistanlarına da teşekkür etmek istiyoruz. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığına içten teşekkürlerimizi sunarız. Her şeyden öte, eğitimim süresince bize her konuda tam destek veren ailemize ve hayatlarıyla bize örnek olan tüm hocalarımıza saygı ve sevgilerimizi sunarız. Mayıs 2013 Yiğit KAHVECİ, Murat BORAN, Salih ARIĞ v
Ön sözün arka yüzüdür. Boş bırakılmalıdır. vi
İÇİNDEKİLER Lisans Bitirme Projesi Onay Formu... iii Önsöz... v İçindekiler... vii Özet... ix Semboller Ve Kısaltmalar... xi 1.GİRİŞ... 1 1.1.Yenilenebilir Enerji... 1 1.1.1. Yenilenebilir Enerji Nedir?... 1 1.1.2. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Nelerdir?... 1 1.1.3. Yenilenebilir Enerjinin Gelişimi... 2 1.1.4. Yenilenebilir Enerjinin Avantajları... 2 1.2.BUCK KONVERTÖR... 3 1.2.1.Buck Konvertör Nedir?... 3 1.2.2.Buck Konvertörler Nerede ve Niçin Kullanılır?... 3 1.2.3.Buck Konvertörlerin Günümüzdeki ve Gelecekteki Yeri... 3 2.TEORİK ALTYAPI... 4 2.1.Giriş... 4 2.2.Buck Konvertör Analizi... 4 3.TASARIM... 10 3.1.Mekanik Kısım Tasarımı... 10 3.2.Köprü Diyot ve Kondansatör Grubu... 11 3.3.Buck Konvertör Tasarımı... 12 3.3.1.Buck Konvertör Tasarımında Kullanacağımız Entegreler... 14 3.3.1.1.TL494 Entegresi... 14 3.3.1.2.IR2101 Entegresi... 15 3.3.2.Buck Konvertör Devremizin Çalışması... 15 4.SONUÇLAR... 16 5.DEĞERLENDİRME... 17 KAYNAKLAR EKLER EK.1 Maliyet Tablosu EK.2 Standartlar ve Kısıtlar Formu EK.3 Çalışma Takvimi ÖZGEÇMİŞ vii
viii
ÖZET Yenilenebilir enerji kaynakları gelişen dünya da önemi giderek artmakta olan bir sektör haline gelmiştir. Dünya nüfusunun ve enerji ihtiyacının giderek artması da yenilenebilir enerji kaynaklarına yapılan yatırımları ve AR-GE çalışmalarını arttırmıştır. Ayrıca doğaya zarar vermemesi ve yerleşim yerlerinin coğrafi koşullarına göre kullanım kolaylığı sağlaması tercih sebeplerinden biridir. Günümüzde kullanılan güç kaynaklarından yüksek verim, küçük hacim, düşük fiyat ve sabit çıkış gerilimi gibi özelliklerin bulunması istenmektedir. Bu özellikler anahtarlamalı güç kaynaklarına ihtiyaç duymaktadır.azaltan tip DC-DC konvertörler güç elektroniğinin farklı uygulama alanlarında sıkça yer bulmaktadır. Bu çalışmada yenilebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin tüketim birimlerine aktarımında güç elektroniğinin anahtarlamalı güç dönüştürücülerinden DC- DC konvertör ile birlikte tasarımı yapılmıştır. Son olarak tasarımı yapılan bu sistemin bir bütün halinde çalışması gözlemlenerek gerekli sonuçlar değerlendirilmiştir. ix
Özet sayfasının arka yüzüdür. Boş bırakılmalıdır. x
SEMBOLLER VE KISALTMALAR D : Doluluk boşluk oranı T : Kare dalganın periyodu [s] T : İletim süresi T : Kesim süresi V : Endüktans üzerine düşen gerilim I : Endüktans akımı V : Anahtarlama gerilimi V : Diyot gerilimi V : Çıkış gerilimi V : Giriş gerilimi F : Frekans [Hz] RT : Direnç değeri [ohm] CT : Kapasite değeri [F] xi
Semboller ve Kısaltmalar listesi bittikten sonra gelen bölüm yeni sayfanın ön yüzünden başlayacak şekilde bu sayfa Boş bırakılmalıdır. xii
1.GİRİŞ Konvertörler, yenilenebilir enerji kaynaklarından kullanılabilecek bir enerji üretiminde olmazsa olmazdır. Biz de projemizde yenilenebilir enerji kaynaklarında kullanılabilecek bir buck konvertör tasarlayacağız. Tasarladığımız bu konvertörün uygulamasını yaparak ne amaçla kullanıldığını bir bütün içindeki görevini daha net göstermeye çalışacağız. İlk olarak yenilenebilir enerjiden ve buck konvertör devresinden biraz bahsedeceğiz, genel çalışma prensiplerini, kullanım alanlarını anlatmaya çalışacağız. Daha sonra tasarladığımız buck devresinin entegrelerini tanıtarak nasıl çalıştığını anlatacağız. Uygulamada kullanacağımız diğer birimler hakkında bilgi vereceğiz. 1.1.Yenilenebilir Enerji 1.1.1.Yenilenebilir Enerji Nedir? Herhangi bir insani müdahale olmadan, doğal bir şekilde var olan enerjiye yenilenebilir enerji denir. Yenilenebilir enerji doğal olarak sürekli ulaşılabilen, herhangi bir rezerv tükenmesi veya azalması mevzubahis olmayan enerjilerin genel adıdır. Diğer yaygın enerji türü fosil yani bitki ya da hayvan artıklarının toprak altında kalarak oluşturduğu yakıtların kullanımı hem maliyet olarak hem de doğaya verdiği zararlar açısından pahalıdır. Fosil yakıtların özelikle 20.yüzyılın ikinci yarısından itibaren dünya üzerinde azalmaya başlaması, ülkemizde ve dünyada 1970 lerde çıkan petrol krizi bu yakıtların gelecekte tükeneceğinin özellikle en büyük belirtisi olmuş ve enerji gereksinimi açısından yenilenebilir enerjiye yönelimi sağlamıştır. Bu nedenle yenilenebilir enerji kaynakları dünyanın en değerli kaynaklarıdır. Muhakkak bazı dezavantajları vardır. Fakat devamlı olması, doğaya zarar vermemesi, ekonomik olması gibi avantajları dezavantajlarını ihmal etmemiz bir mahsur yaratmayacaktır. 1.1.2.Yenilenebilir Enerji Kaynakları Nelerdir? Güneş enerjisi / güneş Rüzgar enerjisi / rüzgar Dalga enerjisi / okyanus ve denizler Biyokütle enerjisi / biyolojik atıklar Jeotermal enerji / yer altı suları
Hidrolik enerji / nehirler Hidrojen enerjisi / su ve hidroksitler Yukarıda belirtilmeyen okyanuslardaki ısı etkisi ve akıntısı gibi birkaç tane daha yenilenebilir enerji kaynakları bulunmaktadır. Bu kaynakların bazısına erişim kolay yani elde edilmesi kolayken bazılarının elde edilmesi zordur [1]. 1.1.3.Yenilenebilir Enerjinin Gelişimi Günümüzde, ihtiyaç duyulan en temel enerji elektrik enerjisidir. Bu enerjiden sonra ısınma amaçlı kullanılan fosil yakıtlar gelmektedir. Geçmişten günümüze elektrik enerjisi genellikle barajlar ve hidrolik santrallerden üretilmiştir. Arazi yapısı uygun olmayan ve elektrik üretebilme potansiyeline sahip nehir bulunmayan ülkelerde elektrik üretimi termik santraller aracılığı ile yapılmaktadır. Elektrik ihtiyacı sürekli olduğu için yakıt ihtiyacında sürekli olarak artmaktadır. Bu yüzden 2000 li yılların başında yenilenebilir enerjiye olan ilgi hat safhaya ulaşmıştır. Gelişmiş ülkeler uzun vadede planlar yaparken muhakkak yenilenebilir enerjiye yer vermiştir[2]. 1.1.4.Yenilenebilir Enerjinin Avantajları Yenilenebilir enerjiden elektrik üretimi ilk olarak ekonomik kriterlere dayanmaktadır. Bundan sonra insanlara ve doğaya olumsuz bir etkisi olmaması hammadde ve yakıt sorununun bulunmaması gibi etkenleri sıralayabiliriz. Bu etkenleri biraz daha açacak olursak; Yenilenebilir olması Doğaya zarar vermemesi Hammaddeye masraflarının olmaması Kısa sürede işleme sokulması Arazide yapılan diğer yatırımlara engel olmaması 2
1.2.Buck Konvertör 1.2.1.Buck Konvertör Nedir? Yüksek bir gerilim değerini alçak bir gerilim değerine indiren anahtarlama mantığı ile çalışan elektronik devrelere buck konvertör devreleri denir. Girişinden aldığı PWM işaretine göre devre üzerindeki gerilimi belirli aralıklarla ileterek gerilimin etkin değerini düşürür [3]. Böylece gerilimi kontrol etme imkanı sağlar. 1.2.2.Buck Konvertörler Nerede ve Niçin Kullanılır? Teknoloji günümüzde hızla gelişmekte ve buna bağlı olarak yeni ve gelişmiş devrelere ihtiyaç artmaktadır. Özellikle çoğu yerde kontrol edilebilir enerji gücüne ihtiyaç vardır. DA/DA motor hız kontrol üniteleri, UPS, akü şarj üniteleri, anahtarlama modlu DA/DA güç kaynakları, statik gerilim regülatörleri gibi cihazlar önemli endüstriyel güç elektroniği uygulamalarına örnektir [4]. 1.2.3.Buck Konvertörlerin Günümüzdeki ve Gelecekteki Yeri Konvertörler, yenilenebilir enerji kaynaklarından kullanılabilecek bir enerji üretiminde olmazsa olmazdır. Her türlü yenilenebilir enerji üretiminde üretilen gerilimin işe yarar olması için sabit bir değeri olması gerekir. Bu yüzden buck konvertörler yenilenebilir enerjide olmazsa olmazdır. Günümüzde yenilenebilir enerjiye ilgi artarken buna paralel olarak buck konvertör ihtiyacı artmaktadır. Yenilenebilir enerjiye büyük yatırımlar yapılması sebebiyle hızla gelişmekte, yenilenebilir enerji geliştikçe buck konvertörlerinde modifiye edilmesi daha teknolojik sistemlerde kullanılabilir hale getirilmesi gerekmektedir [5]. Bu yüzden gelecekte buck konvertör tasarımı büyük bir sektör haline gelecektir. 3
2.TEORİK ALTYAPI 2.1.Giriş Anahtarlamalı güç kaynakları, güç ve kontrol katı olmak üzere iki bölümden oluşmaktadır. Güç katı, giriş geriliminden arzu edilen genlikte çıkış gerilimi elde edebilmek için yarı iletken anahtarlar ve filtre elemanlarından oluşmaktadır. Kontrol devresi ise, yarı iletken anahtarlar için gerekli olan anahtarlama işaretlerini üretmek için kullanılmaktadır [6]. Devremizde buck konvertör yapıları kontrol devresiyle birlikte ele alınacaktır. 2.2.Buck Konvertör Analizi Şekil.2.1 de azaltan çeviricinin basitleştirilmiş yapısının bir şeması gösterilmektedir. L endüktansı ve C kapasitesi çıkış gerilimini filtrelemek için kullanılmıştır. Çıkış gerilimi de R direnci üzerinde oluşan gerilim ile gösterilmektedir. D diyodu genellikle serbest geçiş diyodu olarak adlandırılır. Şekil.2.1 buck konvertör basit eşdeğer devresi Dönüştürücünün güç katı bobinin akımı için sürekli ya da süreksiz akım modunda çalışır. Kararlı hal için, sürekli akım modunda bobin içerisinde kesintisiz olarak akım geçişi meydana gelir. Süreksiz çalışma modunda bir periyotta bobin akımı sıfırdan başlar tepe değerine artar ve anahtarlama periyodu bitmeden tekrar sıfıra düşer. 4
Dönüştürücü her iki moda da çalıştırılabildiğinde yapacağımız tasarımı bunu dikkate alarak yapmalıyız. Bizim yapacağımız tasarımda, sadece sürekli akım modunu dikkate alarak tasarım yapacağız. Sürekli akım modu; Güç katının iki ayrı durumu dikkate alınır. Öncelikle yarı iletken güç anahtarı, Q iletimde ve D1 diyodu tıkamadadır. Süreksiz akım modunda ise Q tıkamada ve D1 iletimdedir. Şekil.2.2 de basitleştirilmiş bir lineer devrede kullanılan anahtar yerine iki durum için ayrı ayrı eşdeğeri gösterilmiştir. Anahtarın iletimde olduğu durum DxT = T (2.1) süresi ile ifade edilir. D; kontrol devresi tarafından belirtilen T periyodundaki iletim süresi olmaktadır. Kesim süresi ise T ile ifade edilir. Şekil.2.2 ve şekil.2.3 e göre bobin akımındaki artış uç denklemlerinden faydalanarak bulunabilir. V = L II = T (2.2) 5
(a) (b) Şekil.2.2 Doğrusallaştırılmış güç katı, (a) anahtarın iletim durumu ve (b) anahtarın kesim durumu 6
Şekil.2.3 Sürekli çalışma modu için dalga şekilleri İletim durumunda bobin akımındaki yükselme aşağıdaki şekilde hesaplanabilir. I (+) = T (2.3) Burada R bobin devresindeki direnci, V iletim durumunda yarı iletken üzerine düşen gerilimi ve I (+) bobinin akımındaki dalgalanma miktarını belirtmektedir. Kesim durumunda bobin akımındaki azalma aşağıdaki şekilde bulunabilir. 7
I ( ) = ( ) T (2.4) Burada ise I ( ) bobinin akımındaki dalgalanma miktarını belirtmektedir. Kararlı hal çalışma koşullarında akımın iletimdeki artış miktarı I (+) ve kesimdeki azalma miktarı I ( ) eşit varsayılmaktadır. Bu nedenle denklem(2.3) ve denklem(2.4) birbirine eşitlenerek sürekli hal için dönüştürücünün V çıkış gerilimi elde edilebilir. V = V İ V ( )-V ( )-I R (2.5) V = = (2.6) Yukarıdaki formüller kullanılarak çıkış gerilimi; (1-D)= (2.7) V = V İ V D-V (1-D)-I R (2.8) İfadelerden de anlaşılacağı gibi V çıkış gerilimi D (iletim süresi) ile belirlenmektedir. Dolayısıyla çıkış gerilimi her zaman giriş geriliminden düşük olacaktır. Biraz daha sadeleştirmek istersek V, V ve R değerlerinin yeterince düşük olduğu kabul edilirse çıkış gerilimi aşağıdaki hali alır. V = V İ D (2.9) 8
Devrenin çalışmasını kolayca anlayabilmek için çıkış filtresini ortalama bir şebeke gibi düşünmek gerekir. Bu geçerli bir varsayımdır çünkü şebekenin çalışma frekansı (500 Hz-50KHz) anahtarlamalı güç kaynaklarının anahtarlama frekansına (100KHz) göre çok düşüktür. Giriş ve çıkış akımları arasındaki bağlantıyı kurabilmek için şekil.2.2 ve şekil.2.3 ü değerlendirmek gerekir. Bu şekillerden görülebileceği gibi bobin her bir anahtarlama periyodunda kapasiteye ve yüke akım iletmektedir. Bu sebeple bobinin içinden geçen akımın ortalama değeri çıkış akımının ortalama değerine çok yakın olacaktır. Bu ilişkiyi şu şekilde gösterebiliriz. I ( ) = I (2.9) 9
3.TASARIM Bu uygulamayı yapmamızdaki amaç yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretmemize yardımcı olacak buck konvertörün çalışmasını daha iyi anlamak, bir bütün içinde yaptığı işi daha net görebilmektir. Şekil.3.1 Buck konvertör uygulamamızın blok diyagramı Yapacağımız bu uygulamada şekil.3.1 de görülen blok diyagramındaki A motorunu elektriği üretecek generator olarak, B motorunu ise yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisinden elde edilen mekanik gücü temsil etmek için kullanacağız. Yani generatorü rüzgar enerjisinden üretilen mekanik enerjiyle değil, B motorunu kullanarak süreceğiz. Ürettiğimiz gerilimi filtreleme amacıyla kondansatör grubu kullandık. Daha sonra köprü doğrultucu yardımıyla ürettiğimiz gerilimi doğru gerilime çevireceğiz. Bu kısımdan sonra buck konvertör devremiz değişken gerilimleri hem alçaltıp hem de 12 V a sabitleme işlemini yapacaktır. Bu sayede 12 V luk bir bara elde etmiş olacağız. 3.1.Mekanik Kısım Tasarımı Bu kısımda yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgar enerjisi baz alarak tasarım yapılmıştır. İlk önce rüzgar gülü üzerinden yapılan çalışmalarda gerekli değerlere ulaşamadığımız için rüzgar gülünün milini DC motor olarak çalışan silecek motoru ile akuple ederek asenkron motora bağlantılarını yaptık ve tekrardan istenilen gerilim seviyelerine ulaşamadık. Son olarak hocamızın tavsiyesiyle başka bir asenkron motor daha kullanıp iki motoru birbirine akuple ettik. Böylece temsili olarak rüzgar enerjisi sistemi oluşturuldu ve bu sistemin çalışmasından istenilen sonuçlara yakın değerler elde edilmiş oldu. 10
Şekil.3.2 Mekanik kısım tasarımı 3 Fazdan aldığımız enerjiyi variyak üzerinden şekil.3.2 de gördüğümüz, generatör olarak kullandığımız büyük motora(sağdaki) bağlayacağız. Motora ileteceğimiz gerilimi variak yardımıyla ayarlayarak motorun dönmesini sağlayacağız. Motor dönmeye başlayınca akuple ettiğimiz, generatör olarak kullandığımız küçük motor(soldaki) dönmeye başlayacak ve çıkışında bir gerilim üretecektir. Ürettiğimiz bu gerilimi köprü diyot ve kondansatör grubuna ileterek ürettiğimiz bu gerilimi işleyeceğiz. 3.2.Köprü Diyot ve Kondansatör Grubu Şekil.3.3 Köprü diyot devre şeması 11
Şekil.3.3 de görülen köprü diyot devresiyle generatörden üretilen gerilimi doğru gerilime çevireceğiz. Bu çevirme işlemini yaparken kondansatör grubu da kullanarak filtreleme işlemi yapacağız. Köprü diyot ve kondansatör gurubunda sonra elde edeceğimiz doğru gerilim buck konvertörümüzle alçaltılmaya hazır hale gelecektir. 3.3.Buck Kovertör Tasarımı Yenilenebilir enerji sistemlerinde kullanılmak üzere tasarlayacağımız buck konvertör devremizin şekil.3.4 deki gibidir. Bu buck konvertör ile generatörlerden ürettiğimiz gerilimi köprü doğrultucu vasıtasıyla doğrulttuktan sonra elde ettiğimiz doğru gerilimi 12V da sabit tutmak için kullanacağız. Devremizin giriş ve çıkışları şekil.3.4 deki tasarımımızda görülmektedir. Devremizde 2 adet entegre bulunmaktadır. Bunlar TL494 ve IR2181 dir. Fakat piyasada IR2181 entegresi bulunmadığı buna eşdeğer yapıya sahip olan IR2101 entegresini kullanacağız. Yaptığımız araştırmalar sonucu IR2101 entegresi IR2181 entegresiyle yapmak istediğimiz işi kusursuza yakın yapabilmektedir. 12
Şekil.3.4 Tasarladığımız buck konvertör devresi 13
3.3.1.Buck Konvertör Tasarımında Kullanacağımız Entegre Devreler 3.3.1.1.TL494 Entegresi TL494 entegresi çok sayıda üretici tarafından farklı isimlerle piyasaya sürülmetedir. Bunlardan bazıları DBL494, MB3759, KA7500, S494 entegreleridir. Şekil.3.5 ten görüleceği gibi entegre 16 bacaklıdır. Şekil.3.5 TL494 entegresinin iç yapısı TL494 entegresinin besleme gerilimi 7-42 V arasındadır. En ideal besleme gerilimi ise 12 V tur. İki çıkışı bulunmaktadır. Çıkış başına 0,2 ma akım verebilmektedir. Hata yükselteci ve 5 volt referans regülatöre sahiptir. Bu devrelerde kullanılan BJT ve MOSFET transistörler ucuzdur ve piyasada bulmak oldukça kolaydır. Çalışma frekansı şekil.3 de gösterilen 5. ayak (CT) ve 6. ayak (RT) pinlerine bağlanan pasif elemanlarla sağlanır. F= (Hz) (3.1) formülü kullanılır. Burada CT ve RT değerleri 5. ve 6. ayaklara bağlanan kapasite değerleridir. TL494 hata yükselteci ve çıkış gerilimini karşılaştırarak çıkış gerilimi için darbe genişliğini kontrol eder. Pin 1 üzerindeki direnç değeri değiştirilerek çıkış voltajı ayarlanabilir. 14
3.3.1.2.IR2101 Entegresi IR2101 yüksek gerilimlerde kullanılan, yüksek hızlı, düşük yan çıkış kanallı bir MOSFET ve IGBT sürücü entegresidir. Teknolojik olarak gelişmiş monolitik yapıya sahiptir. Lojik giriş ve çıkış uyumludur. Çıkış sürücüleri yüksek darbe akımına tampon özelliği göstererek minimum iletim için tasarlanmıştır. N-kanallı güç MOSFET ve IGBT lerini 600 V a kadar çalıştırabilir. Negatif geçici gerilime karşı dayanıklıdır. Besleme gerilimi 10-20 V arasındadır. Her iki kanal için uyumlu yayılım gecikmesine sahiptir. Biz bu entegreyi devremizdeki MOSFET leri sürmek için kullanacağız. 3.3.2.Buck Konvertör Devremizin Çalışması Devremizin çalışmasını daha kolay anlatabilmek için 3 kısıma ayıracağız. 1. kısım olarak TL494 entegremizin ve bu entegreye bağlı diğer elemanların bulunduğu kısım olsun. Bu kısımda TL494 entegresinin ürettiği PWM sinyali 4 ucuna bağlı potansiyometre yardımıyla gerilim değiştirilerek doluluk boşluk oranını ayarlayacağız. 2. kısım olarak IR2101 entegremizin olduğu bölümde TL494 entegresinden gelen PWM sinyallerine göre MOSFET in anahtarlamasında sürücü görevi üstlenecektir. Bu devrede oluşturduğumuz 1. ve 2. kısımlar buck konvertör devremizin anahtarlamasını sağlamaktadır. 3. kısımda azaltan çeviricimiz esas devresi bulunmaktadır. Bu kısımda IR2101 entegresinden gelen sinyallere göre iletime ve kesime giren MOSFET ler sayesinde giriş gerilimi küçülecek ve sabit bir değer alacaktır. 15
4.SONUÇLAR Sistemimiz küçük çaplı olduğu için insanların bazı temel ihtiyaçlarını sağlamak ve tekil kullanıcıların ihtiyaç duyduğu enerjinin bir kısmının üretilmesi için tercih edilen bir sistem olmuştur. Sistemimizin temel kısımları aşağıda sıralanmıştır. 3 fazlı iki motorun birbirine akuple edilmesiyle alternatif gerilimin elde edilmesi Elde edilen alternatif gerilimin filtrelenmesi Elde ettiğimiz bu filtrelenmiş gerilimi doğru gerilime çevirme DC gerilimin regüle edilmesi Akü gruplarının şarj edilmesi Bu şekilde sistemimizin sonucu olarak bir 12 V luk DC bara oluşturmuş olduk. Bu DC bara ile istenildiği takdirde yükler beslenebilir, aküler şarj edilebilir veya buradan alınan gerilim işlenerek başka formlara dönüştürülebilir. Gerçekleştirilen sistem farklı giriş değerleri ve buna bağlı farklı doluluk boşluk oranları için çalıştırılmıştır. Bu çalışma ile donanımı gerçekleştirilen kontrol devresi düşük maliyeti ve yüksek hızlarda çalışabilmesinden dolayı buck konvertör kullanılması önerilmektedir. Sistemimizdeki değişikliklerden dolayı sonuçları istediğimiz gibi elde edemedik. Fakat gerekli parçaların temini ve çalışma malzemelerinin yeterliliği sağlandığında başarılı olarak sonuçlanacağına inanıyoruz. 16
5.DEĞERLENDİRME Yenilenebilir enerjiye verilen önem gün geçtikçe artmaktadır. Diğer enerji kaynaklarının pahalı olması ve doğaya zarar vermesi nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim vardır. Kurulum maliyeti yüksek değerlere ulaşsa da belirli bir süre içinde bu sistem kendi maliyetini amorti etmektedir. Bu gelişen yenilenebilir enerji pazarında mühendislerin üzerine de sorumluluklar düşmektedir. Bu sistemlerin araştırılması, geliştirilmesi ve modernleştirilmesi mühendislerin elindedir. Biz de elektrik mühendisleri adayı olarak yenilenebilir enerji sistemlerinde kullanılan buck konvertörler üzerinde bir çalışma yaptık. Bu konuda çalışma yapmamızın amacı gelecekte bu konulara çok önem verileceğini düşündüğümüz içindir. Çok profesyonel bir çalışma olmasa da yenilenebilir enerji sistemleri için buck konvertör tasarladık. Özellikle yaylalarda, dağ evlerinde enterkonnekte sistemin ulaşamadığı evlerde evin aydınlatmasını ve ufak tefek elektriksel ihtiyaçlarını karşılayacak yenilenebilir enerji sistemlerine uygun şekilde bir buck konvertör tasarımı yapmaya çalıştık. Bu yaptığımız tasarımı bir uygulama içinde göstermeye gayret ettik. Bu projeyi hayata geçirmeye çalışırken bazı aksilikler yaşadık. Malzeme ve kaynak eksikliği çektik. Okulun sağlamaya çalıştığı imkanlar bazen yetersiz kaldı. Projenin çalışmasında anlattığımız, rüzgar enerjisini temsilen kullandığımız motor seçiminde zorlandık. Ayrıca buck devremizi tasarlarken hesaba katmadığımız bazı kayıplar ve de bazı olmaması gereken sonuçlar elde ettik. 17
KAYNAKLAR [1]. İ. Akova, Yenilenebilir Enerji Kaynakları, Nobel Dağıtım, Ankara, 2008. [2]. M. Acaroğlu Alternatif Enerji Kaynakları, Atlas Yayınları, İstanbul, 2003. [3]. A. Pressman Switching Power Supply Desing, Mc Graw Hill,1991. [4]. M. Veerachary, Modelling and analysis of cascade step-down Converters, Electirc Power Applications, 152, 41-50, 2005. [5]. O. Gürdal, Güç Elektroniği, Nobel Dağıtım, Ankara,2008. [6]. H.N. Nagaraja, D. Kastha, and A. Patra, Magnetic Component based Analysis for Multiphase DC_DC Bcuk Converter IEEE Transactions on Power Electronics, 21, 157-163, 2006. 18
EKLER EK.1 Maliyet Tablosu Malzemenin Adı Birim Fiyat Adedi Toplam Fiyat 10uF Kapasite 0.05 TL 8 0.40 TL 4.7nF Kapasite 0.15 TL 6 0.9 TL 100uF Kapasite 0.05 TL 5 0.25 TL 100nF Kapasite 0.28 TL 5 1.4 TL 10.6uH Endüktans 0.50 TL 3 0.15 TL 32.4uH Endüktans 0.50 TL 3 0.15 TL 10R (2O li paket) 0.92 TL 1 0.92 TL 100R (2O li paket) 1.25 TL 1 1.25 TL 150R (2O li paket) 1.25TL 1 1.25 TL 2.2R (2O li paket) 1.25 TL 1 1.25 TL 10K (2O li paket) 1.25 TL 1 1.25 TL 100K Potansiyometre 0.37 TL 2 0.74 TL FP70N06 MOSFET 2.15 TL 5 10.75 TL 1N4148 Diyot 0.06 TL 5 0.3 TL IR2101 Entegre 2.89 TL 3 8.67 TL TL494 Entegre 0.68 TL 3 2.04 TL Köprü Diyot 3.49 TL 3 10.47 TL Kaplin 20 TL 1 20 TL Taşıyıcı Sehpa 100 TL 1 100 TL Ayak 100 TL 1 100 TL Toplam 262.14 TL 19
EK.2 Standartlar ve Kısıtlar Formu Bitirme Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki soruları cevaplandırınız. 1.Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Yenilenebilir enerji sistemlerinde kullanılmak üzere gerilimi alçaltan ve sabitleyen bir buck konvertör devresi tasarımı yaptık. 2.Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Projemizde değişken alternatif gerilimi kapasitelerle filtreledikten sonra doğru gerilime çevirdik. Elde ettiğimiz doğru gerilimi tasarladığımız buck konvertör ile 12 Volt a sabitleyip bir bara oluşturduk. 3.Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Güç elektroniği dersinde öğrendiğimiz konvertörler konusu ve elektrik makineleri dersinde öğrendiğimiz motorlar ve generatörlerin çalışma prensipleri bize bu projemizde yardımcı oldu. 4.Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? Elimizdeki koşullarla ve bütçeyle, en yüksek verimi elde etmeye çalıştık. Bunların yanında güvenilirliğe de dikkat ettik. 5.Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısımlar nelerdir? a) Ekonomi Sistemimizde kullandığımız motor ve generatör haricinde diğer parçalar gayet cüzi rakamlarla elde edilebilir. b) Çevre sorunları Bu projemizde tasarladığımız buck konvertör devresiyle yenilenebilir enerjiye ve çevrenin korunmasına destek olmaya çalıştık. c) Sürdürülebilirlik 20
Tasarımımız ufak değişikliklerle birçok amaca hizmet etmeye uygundur. d) Üretilebilirlik Üretimi rahatlıkla yapılabilir. e) Etik Projenin etik olarak herhangi bir kısıtı bulunmamaktadır. f) Sağlık İnsan sağlığına hiçbir olumsuz etiksi yoktur. g) Güvenilirlik Güvenlik açısından elektrikle çalışmada temel olan güvenlik standartları geçerlidir. h) Sosyal ve politik sorunlar Yenilenebilir enerjiye vermeye çalıştığımız destekle yenilenebilir enerjinin yaygınlaşmasıyla birçok sosyal ve politik sorunumuz çözülecektir. Projenin Adı Yenilenebilir enerji sistemleri için buck konvertör tasarımı ve uygulaması Projedeki Öğrencilerin Adları Yiğit KAHVECİ Salih ARIĞ Murat BORAN Tarihler ve İmzalar 24.05.2013 21
EK.3 Çalışma Takvimi İş-Zaman Çizelgesi Haftalar Aylar 1 2 3 4 1 Konuyla ilgili araştırmalar yapıldı Benzer projeler incelendi Yapılacak işlerin planı hazırlandı Malzemelerin temin edilmesi 2 Mekanik kısım tasarımının yapılması Mekanik kısmın birleştirilmesi Mekanik kısmın test edilmesi Elektronik kısım tasarımını yapılması 3 Devrenin birleştirilmesi Devrenin test edilmesi 4 Tüm sistemin birleştirilmesi Tüm sistemin test edilmesi 22
ÖZGEÇMİŞ Yiğit KAHVECİ 12 Mayıs 1990 yılında Samsun da doğmuştur. İlk ve orta öğretimini Rize nin Ardeşen ilçesinde tamamlayıp 2004 yılında Rize Anadolu Öğretmen Lisesine başlamıştır. 2008 yılında lise eğitimini tamamlayıp Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünü kazanmıştır. Halen bu bölümde öğretim hayatına devam etmektedir. Murat BORAN 3 Aralık 1988 de Zonguldak ın Ereğli ilçesinde doğmuştur. İlk ve orta öğretimini doğduğu ilçede Cumhuriyet ilköğretim okulunda tamamlamıştır. Lise öğreniminin bir kısmını Ereğli Anadolu lisesinde, geriye kalan kısmını Trabzon Kanuni Anadolu lisesinde tamamlamıştır.2008 yılında KTÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünü kazanarak üniversite hayatına giriş yapmıştır. Halen bu bölümde eğitim hayatına devam etmektedir. Salih ARIĞ 26 Haziran 1989 da Kütahya nın Tavşanlı ilçesinde doğmuştur. İlk ve orta öğretimini doğduğu ilçenin Tunçbilek kasabasına bağlı 60.yıl Işık İlköğretim Okulunda tamamlamıştır. Lise öğrenimini Tavşanlı Anadolu lisesinde tamamlamıştır.2008 yılında KTÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünü kazanarak üniversite hayatına giriş yapmıştır. Halen bu bölümde eğitim hayatına devam etmektedir. 23