endüstriyel tip çamaşır makinesi için bir aa-da dönüştürücü

5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
ENDÜSTRİYEL TİP ÇAMAŞIR MAKİNESİ İÇİN BİR AA-DA
DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A AC-DC CONVERTER FOR
INDUSTRIAL TYPE WASHING MACHINE
a*
a*
b
Fecir DURAN ve Ömer Faruk BAY
Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik Bilgisayar Bölümü, ANKARA, TURKIYE, E-posta:
[email protected]
b
Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik Bilgisayar Bölümü, ANKARA, TURKIYE, E-posta:
[email protected]
Özet
Bu çalışmada; endüstriyel çamaşır makinesi için zeki
denetimli, 48V-50A’ lik bir AA-DA dönüştürücü
tasarlanarak,
uygulaması
gerçekleştirilmektedir.
Dönüştürücüye ait benzetim ve uygulama çalışmaları;
kolay, hızlı ve güvenli bir çalışma ortamı olan MatlabSimulink kullanılarak yapılmaktadır. Sistemde denetleyici
arabirimi olarak TMS320F2812 eZdsp sayısal işaret
işlemcisi kullanılmaktadır. Denetim işlevi, Matlab-Simulink
ortamından TMS320F2812 sayısal işaret işlemcisine
çevrimiçi bağlanan bulanık mantık tabanlı bir gömülü
sistem aracılığı ile yerine getirilmektedir. Gerçekleştirilen
dönüştürücüye ait benzetim ve uygulama çalışmaları;
anahtarlamalı relüktans motoru kullanan bir çamaşır
makinesinin, geleneksel sürücü kullanan çamaşır
makinesinden daha yüksek bir performans sergilediğini
göstermiştir.
Anahtar kelimeler: Matlab Simulink, Gömülü sistem, AADA Dönüştürücü.
Abstract
In this study, an AC–DC converter with intelligent
controller for an industrial washing machine has been
designed
and
implemented.
Simulation
and
implementation studies of the converter are realized using
Matlab Simulink which is easy, reliable and fast medium.
In the converter, TMS320F2812 eZDSP digital signal
processor has been used as a controller interface. The
control function is carried out by the fuzzy logic based
embedded system that is online linked from Matlab
Simulink medium to the digital signal processor. The
simulation and implementation results of the realized
converter show that the washing machine used switched
reluctance motor with implemented converter has better
performance than the washing machine used the
conventional driver.
Keywords: Matlab Simulink, Embedded system, AC-DC
converter.
1. Giriş
Güç elektroniği uygulama alanları özellikle son yıllarda
hızla artmakta ve iletişim, savunma, endüstriyel süreçler,
güç üretimi, taşıma ve dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım,
dağıtım ve tüketici elektroniği gibi çok geniş bir alana
yayılmaktadır [1,2].
© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Güç elektroniğinin önemli kullanım alanlarından biri de
endüstriyel
çamaşır
makinelerinin
denetimi
ve
sürücüleridir.
Günümüzde
endüstriyel
çamaşır
makinelerinde günümüzde genellikle üç fazlı asenkron
motorlar kullanılmakta ve makinelerin motor denetimi
geleneksel denetim algoritmaları ile yapılmaktadır.
Asenkron motorlar ilk kalkınma anında, kalkınma
momentlerinin yüksek olmasından dolayı fazla akım
çekmektedirler. Geleneksel denetim yöntemleri de
sistemde bulunan doğrusalsızlıklardan dolayı istenilen
neticeyi verememektedirler [3]. Endüstriyel çamaşır
makinelerinin yaygın kullanımı değerlendirildiğinde, enerji
harcamalarındaki küçük kayıpların bile oldukça büyük
enerji kayıplarına neden olmaktadır.
Bu çalışmada; Anahtarlamalı Relüktans Motoru (ARM)
kullanan bir endüstriyel çamaşır makinesi için zeki denetim
algoritmasını
kullanan
bir
AA-DA
dönüştürücü
tasarlanarak, uygulaması gerçekleştirilmektedir. Sistemde,
günümüzde çoğunlukla kullanılan geleneksel denetimin
yerine bu denetim yöntemlerinin zayıflıklarını ortadan
kaldıran bulanık mantık denetleyicisi kullanılmaktadır.
Denetim işlevi; Matlab Simulink ortamından sayısal işaret
işlemcisine çevrim içi bağlanan gömülü bir sistem aracılığı
ile yerine getirilmektedir. Sistemin gerilim ve akım
algılayıcıları
tasarlanarak,
deneysel
ölçümleri
yapılmaktadır.
İkinci
bölümde;
sistemin
yapısı,
gerçekleştirilen benzetim çalışması, kullanılan elemanlar
ve sistemin Matlab Simulink ile gerçekleştirilmesi
anlatılmaktadır. Benzetim ve uygulama çalışmalarının
sonuçları üçüncü bölümde verilmektedir. Son bölümde ise
elde edilen sonuçlar değerlendirilmektedir.
2. Materyal ve Yöntem
Anahtarlamalı Relüktans Motoru kullanan endüstriyel
çamaşır makinesinde; valfler 24V’luk, gösterge panellerini
ve uyarı sistemi 5V’luk ve ARM, 48V’luk bir DA gerilim
kullanılarak çalıştırılmaktadır. Gerçekleştirilen sistem ile
farklı yüklerden kaynaklanacak değişikliklere hızlı tepki
veren bir sistem tasarlanmaktadır.
Gerçekleştirilen çalışmanın blok şeması Şekil 1’de
gösterilmektedir. Girişte 220V alternatif gerilim bir köprü
diyotla doğrultulmaktadır. Doğrultulan gerilim 6800µF
kondansatör ile filtrelenerek, DA-DA azaltan tip
dönüştürücünün girişi elde edilmektedir. Algılayıcılar
dönüştürücünün çıkışındaki akım ve gerilim değerlerini
ölçerek Sİİ girişine uygulamaktadır. Sİİ içerisindeki zeki
denetim algoritması ile sistem denetlenmektedir.
Duran, F. ve Bay, O. F.
düşük bir akım çıkışına sahip modüler bir yapıya sahiptir
[5].
2.3. Filtre ve doğrultmaç devresi
Sistem için yüksek akımlı bir hat filtresi kullanılmaktadır.
220V ve 20A katalog değerlere sahip olan hat filtresi
hattan kaynaklanabilecek gürültüleri engellemektedir.
Böylece eviricinin girişi gürültüden temizlenmektedir. Şekil
4’te hat filtresi, doğrultmaç ve giriş kondansatörü
görülmektedir.
Şekil 1. Gerçekleştirilen sistemin blok şeması.
Sistem için yapılan benzetim çalışmaları, Şekil 2’de verilen
eşdeğer devre modeli kullanılarak yerine getirilmektedir.
Bu yapı temel olarak bir doğrultucu ve azaltan tip DA-DA
dönüştürücüyü temsil eder. Dönüştürücü anahtarlama
elemanı olarak IGBT, hızlı diyot ve L-C filtre
elemanlarından oluşur.
+
v
-
GO2
PWM
Scope1
g
E
C
L
IGBT
A
+
B
-
+
v
-
C1
220 Vac
GO1
Diode
C2
RL YUK
Scope
+
v
-
GO3
Scope2
DOGRULTUCU
Şekil 4. Hat Filtresi ve doğrultmaç devresi.
2.4. DA-DA azaltan tip dönüştürücü devresi
Şekil 2. Sisteme ait eşdeğer devre.
Doğrultucu çıkışından elde edilen gerilim azaltan tip DADA dönüştürücü ile 48 V’a düşürülmektedir.
2.1. Gerilim Algılayıcı
Sistemde çıkış gerilimini yalıtmak ve sayısal işaret
işlemciye göndermek için, Hall-Effect prensibi ile çalışan
ve hat ile izoleli çalışma prensibine sahip LEM LV 25-P
gerilim algılayıcısı kullanılmaktadır [4].
Şekil 3’te gösterilen gerilim algılayıcı doğruluk oranı,
doğrusallığı, bant genişliği yüksek ve cevap zamanı düşük
bir
algılayıcı
olup
gerilim
algılama
işlemini
gerçekleştirmektedir.
DA-DA dönüştürücüde giriş gerilimi, çıkış gerilimi, duty
saykıl oranı ve anahtarlama frekansına bağlı olarak, LC
filtre parametreleri L=0.4mH ve C=1000uF olarak
hesaplanmıştır. Bu parametrelere göre diyot ve IGBT
olarak aşağıdaki elemanlar kullanılmıştır.
Q1=IXFN60N60 , D1=DSEI60-06A.
DA-DA azaltan tip dönüştürücü şekil 5’te gösterilmektedir.
Dönüştürücüde kullanılan mosfet 600V 60A olarak seçilmiş
olup mosfetin kapı sinyalleri Sİİ tarafından üretilerek
mosfet sürücü üzerinden sağlanmaktadır.
Şekil 5. Azaltan tip dönüştürücü devresi.
Şekil 3. Gerilim algılayıcı.
2.2. Akım Algılayıcı
Akım algılayıcı olarak direk bağlantılı ya da hat ile izoleli
çalışma prensibine sahip LEM LA100-P seçilmiştir. Akım
algılayıcı doğru RMS çıkışına sahip, hızlı, 4-20 mA gibi
2.4. Matlab Simulink ile eviricinin gerçekleştirilmesi
Matlab Simulink paket programının içerisinde, TI 2000
serisi için hazırlanmış matematiksel dönüşümler ve
işlemler, PWM, ADC, PID bloğu, hız ölçümü ve uzay
vektör üreteci gibi hazır bloklar bulunmaktadır [6,7]. Bu
Duran, F. ve Bay, O. F.
bloklar ile CCS kullanılarak gerçekleştirilen program
rutinleri Matlab Simulink ile Sİİ’nin içerisine gömülmektedir.
fonksiyonları ile temsil edilmiştir. Çıkış değişkeni için de
aynı etiketli üyelik fonksiyonları kullanılmıştır.
Gerçekleştirilen çalışmada algılayıcılardan gelen sinyaller
ADC ile Şekil 6’da görüldüğü sayısal değerlere
dönüştürülmektedir. Giriş değişkenleri olarak şebeke
gerilimi, çıkış akımı ve çıkış gerilimi kullanılmaktadır.
C281 x
A0
100 /4095
Mean
In
Discrete
1st-Order
Discrete Filter 1
Discrete
Mean value
A1
1
Gerilim _A
Gain
2
Akim_A
100 /4095
Şekil 8. Giriş üyelik fonksiyonları.
Gain 2
ADC
A2
3
Ana _Gerilim _A
100 /4095
Gain 1
ADC
Şekil 6. Algılayıcılardan gelen sinyallerin ADC bloğu ile
alınması.
ADC tarafından okunan ana gerilim ve akım değerleri
sistemin çalışma durumunun denetlendiği fonksiyonda
takip edilmektedir. Endüstriyel çamaşır makinesinin aşırı
yük oluşturması durumunda sistem bu fonksiyon
tarafından kapatılmaktadır.
Gerçekleştirilen gömülü sistem uygulamasının Matlab
Simulink modeli Şekil 7’de gösterilmektedir. Bu modeldeki
giriş referans gerilimi BM denetleyicisi ile denetlenmekte
ve çıkışı bir önceki değeriyle toplanarak bir sınırlayıcıdan
geçirilmektedir. Toplama işlemi sayesinde bulanık mantık
denetleyicisinin hız tepkisi kısmen azaltılarak, çıkışta ani
akım ve gerilim yükselmeleri engellenmektedir. Çıkıştaki
sınırlayıcı ile de Sİİ tarafından üretilen darbe genişlik
modülasyonu(DGM) sinyalinin değeri sınırlandırılmaktadır.
DGM sinyalleri ise eZdsp F2812 üzerinde bulunan DGM
modülü tarafından dönüştürücüye aktarılmaktadır.
Şekil 9. DGM denetimi çıkış üyelik fonksiyonları.
BMD de kullanılan kural tablosu çizelge 1 de verilmektedir.
Çizelge 1. Dönüştürücünün BMD’sine ait kural tabanı.
NB
NO
SF
PO
PB
NB
NB
NB
NB
NB
NO
NO
SF
NO
NO
NO
NO
SF
PO
SF
SF
PO
NO
PO
PO
PO
PO
PO
PO
PB
PO
PB
PB
PB
PB
3. Benzetim Çalışması
48
Referans _gerilim
DGM
BM_Denetleyici
1
Limitleyici
z
Birim _Gecikme
Gerilim_A
Akim _A
Ana_Gerilim_A
Alt _Sistem _G
Şebeke sinyali şekil 10’da görülmektedir. Bu sinyal
kontrolsüz bir doğrultucu ile doğrultulmuş ve Şekil 11de
görülen sinyal giriş kapasitöründe filtrelenmiştir. İstenilen
çıkış olan 48V DC gerilim ise Şekil 12’de görülmektedir.
vc
i
fcn
y
Anahtar
vg
Sistem _Fonksiyonlari
F2812 eZdsp
Alt_Sistem _C
Şekil 7. Matlab Simulink ile gerçekleştirilen gömülü sistem
tasarımı ve dönüştürücü uygulaması.
2.5. Bulanık Mantık Denetleyicisi
Bulanık Mantık Denetleyicisinin giriş değişkenleri olarak
hata ve hatadaki değişim miktarı seçilmiştir. Giriş üyelik
fonksiyonları Şekil 8’de görülmektedir. Çıkış değişkeni
olarak da DGM’ nin referans girişi seçilmiştir. Giriş
değişkenleri; Negatif Küçük(NK), Negatif Orta(NO),
Sıfır(SF), Pozitif Orta(PO) ve Pozitif Büyük(PB) üyelik
Şekil 10. Sistem girişindeki gerilim.
Doğrultucu çıkışında yükten kaynaklanan 10V’luk
dalgalanmalar
mevcuttur.
Kondansatörün
sığası
büyütülürse bu durum daha da azaltılabilecektir.
Gerçekleştirilen benzetim çalışması uygulamada kullanılan
değerlere göre yapılmıştır.
Duran, F. ve Bay, O. F.
Şekil 11 Doğrultucu çıkışında 6800 µF kapasitör ile filtre
edilmiş gerilim.
EÇM yıkama moduna geçtiği anda Şekil 13(b)’de
görüldüğü gibi 5,5A akım çekmekte ve akım gerilimin
gerisine düşmektedir. Ayrıca gerilimde 2V çökme meydana
gelmektedir. Motor sıkma yönü ve tersine dönerken ARM
sürücü devresinin beslemesinde kullanılan 48V güç
kaynağı çıkışı şekil 14’te görülmekte ve akım sinyallerinde
olduğu gibi farklı tepkiler vermektedir. Motor sıkma
yönünün tersine dönerken 12V’luk çökme meydana
gelmektedir. Çekilen akımlar arasında 2A’lik bir fark
oluşmaktadır.
Çekilen akımların 20kHz anahtarlama sinyaline sahip
olması ve 4 zamanlı olarak çekilmesi evirici sistemin
çalışma karakteristiğini olumsuz olarak etkilemektedir. Bu
nedenle sistemin geriliminin tekrar 48V olması yükün
olumsuz etkilenmemesi için geciktirilmektedir.
Gerilim
Akım
Şekil 12. 48 V çıkışa sahip çeviricinin gerilimi ve akımı.
4. Uygulama Çalışması
Sistem çalışmaya başladığı anda ARM çalışmadan önce
şebeke gerilimi ve akımı Şekil 13(a)’da görülmektedir.
EÇM’nin çalıştırılması için yapılan denetim devrelerin
çektiği akım 0,8 A’dir.
Şekil 14. EÇM Yıkama modunda çalışırken güç kaynağı
akım ve gerilimi.
Sistemin yıkama modunda güç kaynağı çıkışı akım ve
gerilim eğrileri Şekil 15’ten incelendiğinde çamaşırın
oluşturduğu dengesiz yük dalgalanmalara neden
olmaktadır.
a
a)
b
Şekil 13. a) Sistem çalışırken ve motor dönmez iken
şebeke gerilimi ve akımı b) Sistem ve motor çalışırken
şebeke gerilimi ve akımı.
b)
Şekil 15. Yıkama modunda güç harcaması a) sıkma
yönünde b) sıkma yönünün tersine.
Duran, F. ve Bay, O. F.
Sistemde kullanılan güç kaynağı sistem için yeterli gerilim
ve akımı sağlamakla birlikte sistemin daha dengeli
çalışmasını farklı zeki algoritmalarla iyileştirmek mümkün
olabilir. Böylece akımdaki değişimler var olmaya devam
edecek olsa da gerilimdeki dalgalanmalar azaltmak
mümkündür.
Faz akımları sıkma yönüne dönerken 20 A ile
sınırlanmaktadır. Motor sıkma yönünün tersine dönerken
mekaniksel tasarımdan kaynaklanan fazladan güç
gerektirdiğinden motor faz akımları 30 A ile
sınırlandırılmıştır. Motor sıkma yönünün tersine dönerken
faz akımlarının 10 A arttığı görülmektedir.
Şekil 15, yıkama ve sıkma modu için güç ölçümlerini
göstermektedir.
Motor
çalışırken
anlık
değerler
kaydedilerek sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırma sonucu
elde edilen sonuçlar Çizelge 2’ de gösterilmektedir.
Çizelge 2. Gerçekleştirilen ARM denetimli EÇM’ye ait Güç
Harcaması.
Sıkma
yönü
Ölçümler
KW
PF
Cosφ
Arms
0.94
0.94
0.94
4.5
Sıkma
Sıkma
yönü tersi başlangıç
1.11
0.86
0.90
5.9
1.34
0.90
0.92
6.7
Sıkma
tam hız
1.34
0.91
0.93
6.6
5. Sonuçlar
Bu çalışmada, EÇM sistemi için bir AA-DA dönüştürücü
tasarlanarak, uygulaması gerçekleştirilmiştir. Önerilen
dönüştürücü alçaltıcı tip bir dönüştürücü olup, denetimi BM
denetleyici kullanılarak yapılmıştır. Bu sayede yüksek
verim sağlanmış ve sistemin güç kayıpları en aza
indirilmiştir.
Güç kalitesi açısından yıkama modunda motor sıkma
yönünde dönerken güç faktörü 0.94, sıkma yönünün
tersine dönerken 0.86 gibi yüksek değerler sağlanmıştır.
Sıkma modunda ise ortalama 0.90 ila 0.91 arasında oluşan
güç faktörlerine ulaşılmıştır. Geleneksel EÇM’lerde ise bu
değerler 0.74 değerini geçmemektedir. EÇM’nin prototip
olması ve mekanik sistemdeki dengesizlikler, güç
faktörünün kalitesini olumsuz yönde etkilemiştir.
Gerçekleştirilen sistemin denetim algoritması farklı zeki
denetim algoritmaları ile birleştirilerek, sistemden daha iyi
bir performans elde edilebilir.
Teşekkür
Bu çalışma Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri
Birimi tarafından desteklenmiştir.
Kaynaklar
[1] Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P.,
Electronics Converters, Applications And Desing, John
Wiley & Sans, Canada, 1989
[2] Muhammed, H. R., Power Electronics Circuits Devices
and Applications, Prentice Hall, Inc, 1993
[3] Gürdal, O.,
Güç Elektroniği:Analiz, Tasarım,
Simülasyon, Nobel, Ankara, 2000.
[4] LEM Solutions for Electrical Measurements,
Datasheet, pp:8-19, 2001
[5] LEM Solutions for Electrical Measurements,
Datasheet, pp:19-23, 2001.
[6] TMS320C28x DSP CPU and Instruction Set
Reference Guide, Texas Instruments 2004.
[7] Texas Instruments Technology, “DSP SELECTION
GUIDE”, 3Q 2004.