Eryes Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü ergs 22(-2) 57-65 (26) http://feeryesedutr/ ISSN 2-2354 GÜNEŞ ENERJİSİ İE ÇAIŞAN BİR SUAMA SİSTEMİ İÇİN BOOST ONERTÖRÜ ANAHTARAMAI REÜTANS MOTOR SÜRÜÜSÜ Mhr URSUN *, Al SAYGIN Gz Ünverstes Teknk Eğtm Fkültes Elektrk Eğtm Bölümü, ANARA ÖZET Bu çlışmd güneş enerjs le çlışn 3W güündek 3 fzlı 2/8 kutuplu r nhtrlmlı relüktns motor çn oost konvertör tsrlnmıştır Tsrlnn konvertör sstemden mksmum verm elde etmek mıyl kullnılmıştır Bu sürüü sstem sulm sstemndek sntrfuj su pompsının sürülmesnde kullnılmıştır Ayrı, tsrlnn sürme sstem le lk hreket nındk dre kımlrı önlenmştr Sürüü sstemnde düşük mlyetl ve yeterl performns shp ulunn PI6F877 mkrodenetleys kullnılmıştır Anhtr kelmeler: Güneş enerjl sulm sstem, Anhtrlmlı relüktns motor, Sntrfuj pomp, Boost onvertör, erm A SWITHE REUTANE MOTOR RIER WITH BOOST ONERTER ESIGNE FOR A PHOTOOTAI ARRAY IRRIGATION SYSTEM ABSTRAT In ths study, oost onverter ws desgned to drve 3W, three phse, 2/8 poles SRM suppled y photovolt soure The desgned onverter hs een used to otn mxmum effent from the system Ths drver system hs een used to drve entrfugl pump for rrgton Besde y usng drve ths system, stroke urrent hs een dsled durng the strt up of the y pump motor PI6F877 mroontroller ws used n drve system due to ts low ost nd superor performne eywords: Photovolt rry rrgton system, Swthed relutne motor, entrfugl pump, Boost onverter, Effeny *E-post: mdursun@gzedutr
58 Güneş Enerjsİle Çlışn Br Sulm Sstem çn Boost onvertörlü Anhtrlmlı Relüktns Motor Sürüüsü GİRİŞ Trımsl mçlı pomp sürme sstemlernde elektrk enerjsnn edelsz temn, sstemn enerj nkl httındn çok uzkt olmsı yd enerj nklnn mümkün olmmsı, rüzgr enerjsnde olduğu g hreketl prçsının olmmsı nedenyle sık kım gerektrmemes ve yklşık otuz yıl kım gerektrmeden kullnıllmes g nedenlerle güneş enerjs (GE) kynğı terh edlmektedr[] GE kynğındn eslenen klsk r sulm sstem; güneş pnel, pomp, try gruu, gerlm regültörü, frekns nvertörü ve senkron motordn oluşur GE kynğındn eslenen su pomplm sstemler genel olrk dğer pomplm sstemlerne enzemekle rlkte, sstemn vermn ve krrlılığını sğlmk çn zı lve denetm ve depolm üntelerne htyç duyrlr[2] Güneş enerjl r sulm sstemnn verm; motor verm, uygun üyüklük, motor denetm tp (şltm/durdurm ve hız denetm), güç kynğının kltes, elektromeknk enerj dönüşüm sstem, mlzemenn kltes, kullnıln devrenn verm ve sürüü le yükün hız-moment krkterstğ le pompnın de-moment tle rsındk uyum le de ykındn lgldr[3] Bu sstemlerde sürüü ve pomp rsındk moment hız krkterstğnn uyumsuzluğu, kullnıln sürüünün güneş enerj sstemlerne uygun olmmsı ve lve devreler gerektrmes nedenyle enerjnn öneml r ölümü, oş gtmektedr[4-6] Ayrı sürüünün eslendğ enerjnn kltes de u verm etklemektedr GE kynklı sulm sstemlernn vermn rtırmk çn son yıllrd çeştl thrk sstemler ve denetm teknkler üzernde durulmktdır Bunlr; genelde güneş zleysnn tkp kltesn rtırmk, pompnın mksmum verm noktsınd çlışmsını sğlmk, thrk sstemndek senkron motorun momentnn ler denetm teknkleryle yrlnmsı, klsk doğru kım (A) motorunu gerlm rtırn (oost) konvertörün çıkışındn eslemek suretyle motorun kır kyıplrını zltmk y d fırçsız A motoru kullnılrk verm rtırılmktdır[7-] Fkt, u sstemlerde lk hreket nınd yüksek kım çeklmes nedenyle dh gereğnden dh üyük güçte güneş pnel kullnımı gerekr[] Anhtrlmlı relüktns motorlr (ARM) se; ypılrı oldukç st, fytlrı vermler ve yrlnlen hız, kım ve moment özellkler nedenyle değşken hızlı sürüüler çn oldukç uygundur[2] Son yıllrd özellkle değşken hızlı sürüülerde, elektrkl rlrd, kompresör ve fnlrd, su pomplrınd, çmşır mknelernde ve uzy endüstrsnde redüktöre htyç duyulmksızın yüksek verml olrk yygın r şeklde kullnılmktdır Bu motorlr drekt A le çlıştıklrındn güneş enerjs le çlışn senkron motorlr göre dh uygundurlr Fkt, yüksek verm ve yüksek performns elde etmek çn y r denetm devresne htyç duyrlr Bu motorın su pomplm sstemnde y r performns shp olduğu lnmesne rğmen, güneş enerjs le eslenerek sulm sstemnde kullnıldığınd oost konverterden eslenmemşlerdr Bu çlışmd se, güneş enerjl r trımsl mçlı sulm sstemnde 3 W güündek r ARM, r oost konvertör kullnılrk motor kır kyıplrının zltılmıştır Ayrı, klsk senkron motor sürüülü sstemlerdek A-AA dönüşümündek kyıplr önlenmştr Sstemde klsk A motoru kullnımındk fırç ve kır kyıplrındn, fırçsız A motorundk krmşık denetm teknkler ve phlı motor kullnımındn skınılmıştır Bunlrın yerne güneş enerjl sulm sstemler çn r oost konvertörden eslenen ARM nn denetmnde klsk konvertör kullnılrk hem motor kır kyıplrı zltılmış hem de sürüü krkterstğ le su pompsının hız-moment krkterstğnn uyumlu hle getrlmes le sstem mlyetnn zltılmsı, vermn se rtırılmsı mçlnmıştır 2 ARM İE ÇAIŞAN BİR GÜNEŞ ENERJİİ SUAMA SİSTEMİ Tsrlnn ARM l güneş enerjsyle çlışn r sulm sstemnn lok dygrmı Şekl de görülmektedr Sstem; güneş pnel, try, gerlm sevyesn rtırmk mıyl kullnıln oost konvertör, ARM nn sürülmes
M ursun, A Sygın / Eryes Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü ergs 22(-2) 57-65 (26) 59 çn kullnıln 3 fzlı r klsk konvertör, ARM, konum lgılyıı, sntrfuj pomp ve denetleyden oluşmktdır[3,4] Güneş pnel try gruu Boost onvertör lsk onvertör ARM Pomp 6 Akım Algılyıılrı Pozsyon Algılyıısı PI6F877 enetleys Pls İndeks Şekl Anhtrlmlı relüktns motorl çlışn güneş enerjl r sulm sstem Güneş enerjl sulm sstemlernde kullnıln motorlr genellkle r frekns konvertöründen eslenen senkron motordur Çeştl A motorlrı d kullnılmktdır Bunlrdn klsk A motorlrınd fırçlrdk gerlm düşümü nedenyle oluşn tork ve güç kyıplrı, rştırmılrı fırçsız A motorlrın yöneltmştr Ank u motorlrın sürülmesnde vektör denetm g krmşık denetm teknklerne htyç duyulmsı, sürülmesndek zorluk ve moment denetmnn güçlüğü ve pomp krkterstğne enzetmnn zorluğu nedenyle kullnımı yygınlşmmıştır Bu nedenle A le eslenen, denetm koly, verm yüksek, hız moment krkterstğ se sntrfuj pompnın krkterstğne uygun oln ARM seçlmştr ARM nn sürülmesnde PI6F877 mkrodenetleys ve klsk konvertör kullnılmıştır Motor çlışm gerlmnn yükseltlp kımının zltılrk motor kır kyıplrının zltılmsı mçlnmıştır Bu nedenle, try gruundn lınn gerlmn değer r oost konvertör vsıtsıyl yükseltlmştr Boost konvertörün çıkışı motor fz kımlrının denetmn sğlyn klsk konvertörün grşne ğlnmıştır 3 ANAHTARAMAI REÜTANS MOTOR ve ONERTÖR TASARIMI 3 Anhtrlmlı Relüktns Motorun nmk enklemler ARM lerde motor fz endüktsı, rotor pozsyonu ve srgıdn geçen kım ğlı olrk değşr ARM nn genel devre denklem Eş () de verlmştr Şekl 2 de ARM nn r fzı çn eşdeğer devres görülmektedr R ( θ) d Şekl 2 ARM nn r fzı çn eşdeğer devre Eşdeğer devreden her r fz çn gerlm dfernsyel Eş(),
6 Güneş Enerjsİle Çlışn Br Sulm Sstem çn Boost onvertörlü Anhtrlmlı Relüktns Motor Sürüüsü dψ ( θ, ) d = R + M ( θ ) dt dt () şeklnde fde edlmektedr Burd, kynk gerlm, R sttor srgı dren, ψ mnyetk kı, fz srgı kımı, ' M (θ ) krşılıklı endüktns, θ rotor pozsyon çısı, edldğnde mnyetk kı; ψ = ( θ, ) olduğundn Eş () yenden düzenlendğnde, d( θ, ) d' R + M ( θ ) dt dt lgl fzdn öne uyrıln srgı kımıdır oyum hml = (2) olmktdır Burd (, ) krşılıklı endüktns hml edlerek; θ fz endüktnsını göstermektedr Eş (2) dek türevsel fde prçlr yrıldığınd d d( θ ) R + ( θ ) + dt dt = (3) şeklne gelr rşılıklı endüktns değer hml edldğnde Eş (3), Eş (4) şeklne gelr Aynı zmnd; d ( θ, ) d( θ, ) dt = (4) d d d d( θ ) = (5) ve R + ( θ ) + dt olmktdır Burd çısl hızdır [5] = (6) 32 Boost onvertör Boost konvertörler grş gerlmnn değern çıkışt rtırn konvertörlerdr Son yıllrd değşk tpte fltreleme ve denetm teknkleryle doğru gerlmn sevyesn değştrmek çn pek çok lnd yygın olrk kullnılmktdırlr Regülel güç kynklrı, kesntsz güç kynklrı ve A motoru hız denetm kullnım lnlrının şınd gelr Şekl 3 de Boost konvertör le nhtrlmlı relüktns motor ğlntı şemsı görülmektedr S nhtrı olrk 5 khz nhtrlm freknsınd çlıştırıln r mosfet kullnılmıştır Şekl 3 dek devrede nhtr kpndığınd dyodu kesme gdeeğnden, yük kpstörü üzernden eslenr Bu nd x gerlm sıfırdır ve kımı rtr Anhtr çıldığınd se kpstör şrj olur Çıkış gerlmnn dlg şekl, fltre kpstörü nn değerne ğlıdır x ν S R (, θ) Şekl 3 Boost konvertör le nhtrlmlı relüktns motor ğlntı şemsı
M ursun, A Sygın / Eryes Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü ergs 22(-2) 57-65 (26) 6 Şekl 4 d Boost konvertör nhtrının çık olm durumund motor r fzının eşdeğer devres görülmektedr Bu durumd kynktn çeklen kım, kondnstör şrj kımı ve motor trfındn çeklen kımın toplmıdır Şekl 4 de Boost konvertör nhtrının kplı olm durumundk eşdeğer devre görülmektedr Bu durumd kynk gerlmnn tmmı grş endüktnsı üzernde düşerken kynktn çeklen kım rtmktdır Bu modd motor srgılrı çıkış fltre kpstörü trfındn eslenmektedr f R (, θ ) m f R (, θ ) m f d f d () () Şekl 4 Boost konvertör ve ARM rleşk devres ) Anhtr çık ) Anhtr kplı Şekl 4 dek S nhtrı çıkken kynktn çeklen kım Eş (8) le gösterlr = m + f (7) Motor fz kımlrı pozsyon göre değşmektedr Bun göre devrenn denklem yenden düzenlenrse motor fz kımlrının pozsyon göre değşm Eş(5) dek krşılığı yerne konulrk Eş (8) le, motor fz gerlm se oost konvertördek fltre kpstöründek gerlmn zmn göre değşm Eş (9) le temsl edlr d dt = f (8) dv = m (9), ve motor fzlrı çn rer st olmk üzere, Eş (), Eş () ve Eş (2) le gösterlrse; = R + ( d / ) () = R + ( d / ) (2) = R + ( d / ) (3) olur Motor ve konvertör elemnlrının tmmı durum uzy formund; X = Ax + Bu (4) le gösterlrse Eş (5) elde edlr
Güneş Enerjsİle Çlışn Br Sulm Sstem çn Boost onvertörlü Anhtrlmlı Relüktns Motor Sürüüsü 62 [ ] X + = (5) Anhtr kplı ken; devrenn denklem Eş (6) ve Eş (7) le fde edlr f d d = θ (6) d dv m = θ (7) 32 Boost onvertörde Akım ve Çıkış Gerlm Boost konvertörde yük kımı ( ), nhtrın letm (t ) süresne rtrk t süres sonund tepe (I mx ) değerne ulşır Anhtr kesmde olduğu (t k ) süresnde de zlrk t k süres sonund mnmum (I mx ) değerne ulşır Bu durum Eş (8) le elrtlr 2 ) ( 2 T I s = (8) Çıkış gerlm stken I o, ye göre değşr Ayrı I mksmum değerne Eş (8) e göre 5 = ken ulşmktdır T I s 8 mx = (9) Çıkış kımının tepe değer Eş (2) le, grş kımı Eş (2) e göre ulunur T T I s s tepe o 74 27 2 = = (2) tepe I o I ) ( 4 = (2) Çıkış gerlmndek dlglnm; o = τ Ts (22) olur Burd R = τ olrk devrenn zmn stesdr [8]
M ursun, A Sygın / Eryes Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü ergs 22(-2) 57-65 (26) 63 32 lsk onvertör ARM nn çlışmsı klsk konvertör vsıtsıyl sğlnmktdır Şekl 5 de lsk konvertörün r fzının korum elmnlrıyl rlkte ARM ye ğlntısı verlmştr Şekl 6 d lsk konvertör ve 3 fzının ARM ye ğlntısı görülmektedr onvertörde lgl fz kım verlmes çn fz srgısı le ser ğlı ulunn her k nhtrd ynı nd letme ve kesme geçrlmektedr Fzın kımı keslrken her k nhtrd kesme geçrlne fz srgısınd depolnmış oln enerj kynğ y d r sonrk fz ktrılmktdır IXYS 22µ F IRF2 S S S 3 S5 3 5 Fz 2Fz 3Fz S 2 IXYS 33Ω S 2 2 S 4 4 S 6 6 Şekl 5 lsk konvertörün r fzının korum elmnlrı le rlkte ARM ye ğlntısı Şekl 6 lsk konvertör ve 3 fzının ARM ye ğlntısı 4 UYGUAMA SONUÇARI ve TARTIŞMA Tsrlnn sstem GE güç kynğı, oost konvertör, ARM ve sntrfuj pompdn oluşmktdıruygulmd kullnıln ARM 3 fz, 2/8 kutuplu, 2,5 A, 2, 3 W, R=29Ω, mn=6325 mh, mx=59375mh, d/d nomnl hızlı, sürtünme ktsyısı B=2, eylemszlk moment J=27 dr Boost konvertör 69/2 luktur Boost konvertörde gerlmn değer, khz lk nhtrlm freknsınd kıyım ypılrk uygun değere getrlmektedr Anhtrlm elemnı IRF2 tp r mosfettr ARM de moment dlglnmsını zltmk çn r fltre konulmuştur Fltre onn endüktnsı 6 mh, kondnstörün değer se 25, µ F tır lsk konvertör devres fz şın k det IRF2 mosfet, IXYS6-2 hızlı toprlm dyotlrı ve korum devrelernden oluşmktdır ARM nn çlışmsınd motor mlne ğlı ulunn 24 pls/devr özellğnde toplr (nrementl) tp pozsyon lgılyıısı kullnılmıştır Tsrlnn denetley k det PI6F877, r det 2X6 gösterge ve 6 tuşlu r klvyeden oluşturulmuştur Fz kımlrı EM TA25:SP tp kım lgılyıılrı le lgılnmıştır Algılyıılr 25A kım değernde 25 çıkış gerlm vereek şeklde yrlnmıştır Oluşturuln sstemde konvertörün görüntüsü Şekl 7 d, onvertör, denetley, ARM ve pozsyon lgılyıısı le rlkte oluşturuln tüm sstemn genel görünümü Şekl 7 de verlmştr ) ) Şekl 7 ) onvertör ) onvertör, denetley, ARM ve pozsyon lgılyıısı
64 Güneş Enerjsİle Çlışn Br Sulm Sstem çn Boost onvertörlü Anhtrlmlı Relüktns Motor Sürüüsü ARM, nm hızı oln d/d hızd denetleyde döngü süres se 3737 µ S dr Şekl 8 de Grşne 69 uygulnn oost konvertörden eslenen ARM nn fz kımlr görülmektedr Akım lgılyıılrı kullnılrk lgılnn fz kımlrının denetm nedenyle lk hreket nındk enerj kynğındn dre kımlrı çeklmes önlenmştr Smülsyon sonuçlrındn enzer uygulmlrd krşılşıln lk hreket nınd krşılşıln yüksek kıml klkınmnın olmdığı görülür 25 2 Fz Akm (A) 5 5 2 4 6 8 2 Pozsyon (deree) Şekl 8 Grşne 69 uygulnn oost konvertörden eslenen ARM nn 3 fz kımı Şekl 9 ARM nn 2 Fz kımı oslskop görüntüsü Şekl d se nhtrlmlı relüktns motorun tork değşm görülmektedr Tork değşm eğrs le uygulm ve enzetm sonuçlrındn elde edlen kımlr kıyslndığınd üretlen tork dlglnmnın norml motor torkun enzer olduğu ve su pompsını sürmede kullnılleeğ sonuun vrıllr 5 4 Tork (Nm) 3 2 2 4 6 8 2 Pozsyon (deree) Şekl Anhtrlmlı relüktns motorun tork değşm 5 SONUÇ Bu çlışmd, güneş enerjl r trımsl mçlı sulm sstemnde ARM ve ARM nn sürülmesnde r oost konvertör kullnılrk kır kyıplrı zltılmış, 3 fzlı r klsk konvertör kullnılrk hem motorun çlışmsı sğlnmış hem de lk klkınm nındk dre kımının oluşumu engellenmştr Tsrlnn sstemn ütünü le de elektrk enerjsnn A-AA dönüşümündek kyıplr önlenmştr Sstemde klsk A motoru kullnımındk fırç ve kır kyıplrındn, fırçsız A motorundk krmşık denetm teknkler ve phlı motor kullnımındn skınılmıştır Bunlrın yerne güneş enerjl sulm sstemler çn r oost konvertörden eslenen ARM nn denetmnde klsk konvertör kullnılmıştır Motor kır kyıplrı zltılmış ve sürüü krkterstğ le sntrfuj su
M ursun, A Sygın / Eryes Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü ergs 22(-2) 57-65 (26) 65 pompsının hız-moment krkterstğnn uyumlu hle getrlmes le sstem mlyet zltılmış, verm se rtırılmıştır Bu mçl güneş pnellernden elde edlen doğru gerlmn sevyesn rtırmk çn r gerlm rtırıı (oost) konvertör tsrlnmıştır Bu konvertör le 3 fzlı 2/8 kutuplu, 2, 3W güündek r ARM, 345 luk k det güneş 5W lık güneş pnel ser ğlı pnelnden eslenmştr enetley olrk PI6F877 mkrodenetleys klvye denetml olrk kullnılmıştır AYNAAR zndern A W, Jorgensen G J, Aelerted fe testng nd Serve fetme Predton for P Tehnologes n the Twenty-Frst entury, Ntonl Renewle Energy ortory, NRE/P- 52-267, My 4, 999 2 Ak M, Qmur I, ml A, Mthng of Seprtely Exted Motors to Photovolt Genertors for Mxmum Power Output, Journl of Solr Energy, 63,375 85,998 3 Ak M, Ak M, ynm Performne of Phtovolt-Boost onverter Powered Motor-Pump System, IEEE Eletr Mhnes nd rves onferene, 356-36, 2 4 ngrdge, wrene W, Whert B, evelopment of Photo-olt Pumpng System Usng Brushless Motor nd Hell Rotor Pump Journl of Solr Energy, 56, 5 6,996 5 Metwlly HMB, Ans WR, Performne Anlyss of P Pumpng Systems Usng Swthed Relutne Motor rves, Solr Energy, 56,6 68, 996 6 Putt Swmy, Bhm Sngh, B P Sngh, nd S S Murthy, Expermentl Investgtons on Permnent Mgnet Brushless Motor Fed y P Arry for Wter Pumpng System, Journl of Solr Energy Eng, 22, 29-32, 2 7 Elms Ç, ursun M, eğşken evrl Pomp Sstemlernde erm, 2 th Interntonl Hgh Teh onferene,, 376-385, Turkey, 23 8 Mohn N, Undelnd T M, Rons W P, Power Eletrons, onverters, Appltons nd esgn, John Wlley & Sons In, New York, USA, 995 9 ursun M, Anhtrlmlı Relüktns Motorl Su Pompsı Thrk, oktor Tez, Gz Ünverstes, Ankr, 22 Suehrke H, Appelum J, Reshef B, Modellng Permnent Mgnet motor/entrfugl Pump Assemly n Photovolt Energy System, Solr Energy, 59, 37-42, 997 Güney İ, Ont N, ıyk İ, Elektrk Mknelern Besleyen Fotovoltk Sstemlerdek Geç Rejmlern eneysel Olrk İnelenmes, III Yenlenelr Enerj ynklrı Sempozyumu, 64-68, Ekm, Mersn, Türkye,25 2 ursun M, PI Mkrodenetleys le Anhtrlmlı Relüktns Motorun Sürülmes, Polteknk ergs, lt:6, Syı: 4, 65-659, 23 3 ursun M, Sygın A, Eğtm Amçlı Güneş Enerjl Br Sulm Sstemnde Boost onvertörden Beslenen ARM sürüü Sstemnn Anlz, No:97, I Interntonl otonl nd Tehnologes ongress, Septemer, İstnul, 25 4 ursun M, Sygın A, Güneş Enerjl Br Sulm Sstemnde Boost onvertörden Beslenen ARM sürüü Sstemnn Anlz, III Yenlenelr Enerj ynklrı Sempozyumu, 57-62, Ekm, Mersn, Türkye,25 5 By Ö F, Anhtrlmlı Relüktns Motorun Bulnık Mntık Tnlı Modellenmes ve ontrolü, oktor Tez, Eryes Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü, Myıs, 996