F. Ü. Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17 (1), 10-18, 2005 Klasik Yol Verme Metotlarının Denetleyici Yardımıyla Gerçekleştirilmesi İlhami ÇOLAK Ramazan BAYINDIR icolak@gazi.edu.tr bayindir@gazi.edu.tr Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi Bölümü, 06500 Beşevler, Ankara Özet Bu çalışmada üç fazlı asenkron motorlarda kullanılan klasik yolverme yöntemleri PIC 16F84 denetleyicisi ile gerçekleştirilmiştir. Yıldız-üçgen, seri direnç ve rotoru sargılı asenkron motora yol verme yöntemlerinde kullanılan kontaktör, zaman rölesi ve kontak sistemi yerine, anahtarlama elemanı olarak triyak kullanılmıştır. Anahtarlama elemanlarının tetikleme sinyalleri denetleyicinin sayısal çıkışları kullanılarak elde edilmiştir. Yapılan uygulama ile hassas, bakım gerektirmeyen ve elektromekanik elemanlardan arındırılmış bir yol verme sistemi geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Asenkron motor, Yol verme, PIC 16F84 denetleyici Implementation of the Classical Starting Techniques Using Microcontroller Abstract In this study, classical starting methods used in three phase induction motors have been implemented using PIC 16F84 microcontroller. Triacs have been used as switching components apart from the contactors, time relays and contacs used in the delta/wye, serial resistance and wounded rotor induction motor starting methods. The gate signals of the switching components have been generated by using PIC microcontrtoller. With this application, a sensitive, reliable and a simple structured starting system has been developed. Keywords: Induction motor, Starting, PIC 16F84 microcontroller 1. Giriş Asenkron motorlar üç fazlı sistemden beslenir ve sargıları 220 V veya 380 V değerindeki gerilime göre sarılırlar. Özel durumlarda sargılara uygulanacak gerilim farklı değerlerde olabilir. Sargılara uygulanan bu gerilim, sargı empedanslarının küçük olması nedeniyle kalkınma anında çok fazla akım çekilmesine neden olur. Motor ilk kalkınma anında rotor dönmediği için sekonderi kısa devre edilmiş bir trafo gibi çalışır. Dolayısıyla rotor devresinden ve buna bağlı olarak stator devresinden kalkınma anında yaklaşık olarak tam yük akımının 4-8 katı kadar bir akım çekilir. Kalkınma torkları ise tam yük torkunun 2-3.5 katı kadardır. Bundan dolayı asenkron motorlar genellikle boşta çalıştırılıp, anma hız değerlerine ulaşıldıktan sonra yüklenirler. Asenkron motorların kalkınma anında fazla akım çekmesi kumanda devresinde kullanılacak elemanlar ve iletkenlerin maliyetini artıracağından, bazı yöntemler yardımıyla kalkınma akımı belirli değerlerde tutulur. Bu yöntemlerin ana prensibi, stator sargılarına düşük gerilim uygulamaktır. Bilhassa büyük güçlü asenkron motorlara direkt olarak yol verildiklerinde ilk kalkınmada çekecekleri büyük kalkınma akımları enerji iletim Klasik Yol Verme Metotlarının Denetleyici Yardımıyla Gerçekleştirilmesi hatlarında düşen gerilimin artmasına sebep olur. Dolayısıyla bu hattan beslenen alıcılar uçlarındaki gerilimin düşük olmasından etkilenir. Yol verme yöntemlerinin tamamında, motora yol verebilmek için zaman rölesi ve kontaktörden oluşan bir kumanda devresi kurulur. Motor ise kontaktörün kontakları kullanılarak oluşturulan güç devresine bağlanır [1, 2]. Bu tip yol verme yöntemlerinde kumanda devresinde anahtar olarak kontaktör kullanılır. Kontaktör kontakları aşındığı için belirli zaman sonra mekaniki arızalar meydana gelebilmektedir. Kontak noktaları tamamıyla aşınmış ise kontaklar değiştirilmelidir. Kontaktörlerin manyetik nüvelerinde zamanla toz birikmesi sonucu gürültülü çalışabilir. Bu nedenlerden dolayı bu tip sistemler sürekli bakım gerektirir. Kullanılan kontaktör ve zaman rölesi ve yol verme dirençlerinden dolayı güç kaybı da oldukça fazladır [3]. PIC serisi denetleyiciler Microchip firması tarafından geliştirilmiş ve üretim amacı çok fonksiyonlu lojik uygulamalarının hızlı ve ucuz bir denetleyici ile yazılım yoluyla karşılanmasını sağlamaktadır [4, 5]. Ayrıca sayısal olarak akım, gerilim, güç katsayısı ölçme işlemi ve reaktif güç kompanzasyonu uygulamaları da denetleyici tabanlı olarak gerçekleştirilmektedir [6, 7]. Gerçekleştirilen sistemde kontaktör ve zaman rölesi kullanılmamıştır. Kontaktör yerine anahtar olarak yarıiletken elemanlar kullanılmıştır. Yazılan program ile de, gerekli gecikmeler elde edilerek, zaman rölesi ihtiyacı karşılanmıştır. Bütün endüstri dallarında temel amaç, otomasyonu sağlayarak üretimi artırmak ve maliyeti düşürmektir. Yapılan bu çalışmanın kuruluş maliyeti kontaktörlü sistemlere göre pahalı olmasına karşılık, işletme maliyeti düşüktür. Uygulama ile buna benzer motor kontrol uygulamalarının daha basit ve güvenilir şekilde denetleyici ile yapılabileceği gösterilmiştir. Yapılan çalışma ile endüstriyel uygulamalarda yol vermede kullanılan yol verme metotları üç fazlı bir alternatif akım motoru ile PIC 16F84 denetleyici kullanılarak gerçekleştirilmiştir 2. Klasik Yol Verme Metotları Asenkron motorların kalkınma anında fazla akım çekmesi kumanda devresinde kullanılacak elemanlar ve iletkenlerin maliyetini artıracağından, bazı yöntemler yardımıyla kalkınma akımı belirli değerlerde tutulur. Bu yöntemlerin ana prensibi, stator sargılarına düşük gerilim uygulamaktır. Bu maksatla aşağıdaki metotlar kullanılır: 1. Yıldız-üçgen yol verme. 2. Stator sargılarına seri direnç veya reaktans bağlayarak yol verme. 3. Rotoru sargılı asenkron motorlarda, rotor sargılarına harici dirençler bağlanarak yol verilir. Sincap kafesli asenkron motorlarda ise rotor yapıları uygun şekilde imal edilerek kalkınma anında rotor etkin direncinin büyük olması sağlanır. 2.1 Yıldız-üçgen yol verme: Yıldız-üçgen yol verilen motorlarda, motorun stator sargıları üçgen bağlantıdaki maruz kalacağı gerilim değerinin etkisinden ve aşırı akım ve güç çekmesinden ilk kalkınma anında kurtulmaktadır. Şekil 1.a’da bir asenkron motora yıldız-üçgen yol verme güç 11 İ. Çolak ve R. Bayındır devresi verilmiştir. Bu devrede, motor önce yıldız, sonra da üçgen çalışmaya geçer. Yıldız çalışmada M ve Y kontaktörleri, üçgen çalışmada ise M ve ∆ kontaktörleri kapalı durumdadır. Yıldız-üçgen bağlantıyı gerçekleştirecek kumanda devresi burada gösterilmemiştir. Ancak kumanda devresinin tasarlanmasında, yıldız kontaktörü çalışırken üçgen kontaktörü çalışmamaktadır. Üçgen kontaktörü çalışırken de yıldız kontaktörü çalışmamaktadır. Yani, yıldız ve üçgen kontaktörlerinin normalde kapalı kontakları birbirlerinin bobin sargılarına seri bağlanarak elektriksel kilitleme gerçekleştirilir. Şekil 1.b’de ise yıldız üçgen yol verme denetleyici yardımı ile yapılmıştır. R S T R S T ∆ M Υ Asenkron motor Asenkron motor (a) (b) Şekil 1. Asenkron motorun yıldız-üçgen yol verilmesine ait güç devresi Anahtarlama elemanı olarak triyak kullanılmıştır. Böylece yol verme sistemi elektro mekanik elemanlardan arındırılarak sistem mekaniki arıza, gürültü, bakım ve kullanılan elektromekanik elemanlardan arındırılmıştır. Triyakların geyt sinyalleri denetleyici tarafından sağlanmaktadır. Geyt sinyalleri ile ayrıntılı bilgi Tablo.1’de özetlenmiştir. Hangi durumda denetleyicinin hangi pininin set olduğu bu tablodan görülebilmektedir. 2.2 Stator sargılarına seri direnç veya reaktans bağlayarak yol verme: Stator sargılarının kalkınma anında yüksek gerilime maruz kalmasını önlemek için, ayarlı veya kademeli ön dirençler kullanılır. Kullanılacak olan dirençler sadece gerilim bölücü görevi görürler. Ayarlı olanlar reosta veya statik direnç (yarıiletken kontrollü direnç) olabilir. Kademeli olanlarda ise, kademe sayısı istenilen sayıda olabilmektedir. Her bir kademedeki direnç değerleri bir kontaktör gurubu veya anahtar gurubu tarafından kısa devre edilerek devre dışı bırakılırlar. Ön direnç kullanılarak yapılan yol verme metodunun en önemli dezavantajı, dirençler üzerinden geçen akım nedeniyle ısı şeklinde güç kaybı meydana gelmesidir. Motor önce R1 direnci devrede iken, üçgen olarak yol almaya başlar. Motor hızlandıkça, belirli bir zaman sonra R1 direnci M1 kontakları ile kısa devre edilir. Daha sonra motor üçgen çalışmasını sürdürür. Böylece motorun düşük gerilim ve akımla kalkınması sağlanmış olur. Asenkron motora ön dirençle yol verilmesine ilişkin güç devresi Şekil 2.a’da verilmiştir. Şekil 2.b’de ise ön dirençle yol verme işlemi denetleyici yardımı ile yapılmıştır. Anahtarlama elemanı olarak triyak kullanılmıştır. 12 Klasik Yol Verme Metotlarının Denetleyici Yardımıyla Gerçekleştirilmesi Sistem elektromekanik elamanlardan arındırılmıştır. Sinyaller Tablo.1’de verildiği sıraya göre uygulanmaktadır. 2.3 Rotoru sargılı asenkron motorun rotor sargılarına harici direnç bağlayarak yol verme: Şekil 3.a’da rotoru sargılı bir asenkron motorun rotor sargı dirençlerinin artırılarak yol verilmesine ilişkin güç devresi verilmektedir. Burada rotor devresine seri olarak direnç bağlanmıştır. Motor yıldız olarak yol almaya başladığında, yol aldıkça R1 direnç gurubu M1 kontakları tarafından kısa devre edilir. Rotoru sargılı asenkron motorun rotor sargı uçları altı adet olarak bağlantı kutusuna çıkartılmış ise, rotor devresi yıldız veya üçgen bağlanabilir. Fakat çoğunlukla yıldız bağlantı yapılarak, üç adet rotor sargı uçları ve nötr ucu bağlantı kutusuna çıkartılır. Rotoru sargılı asenkron motorların kalkınma anında aşırı akım çekmesinin nedeni; hız sıfır iken rotorda endüklenen gerilimin yüksek olması ve bu gerilim değerinin çok küçük bir rotor empedansı üzerinden kısa devre edilmesidir. Rotor devresine bağlanacak dış dirençler yardımıyla rotorun toplam empedansı artırılacağından, rotor devresinden geçen akım azalacak ve rotor geriliminin kısa devre olması ortadan kalkacaktır Harici direnç değeri arttıkça motorun ürettiği kalkınma torku artmakta, ancak anma hızında çalışırken kayması da artmaktadır. İşte bundan dolayı motorun kalkınma anında rotor direnci büyük, anma hızında çalışırken rotor direnci küçük yapılarak kayma en aza indirilir. Rotor devresine çok büyük değerli bir direnç bağlanırsa veya rotor sargı uçları açık devre yapılırsa motorun kalkınması mümkün olmayabilir. Çünkü açık devre yapılan rotor devresinden akım geçmez. Rotor akımının sıfır olması durumunda ise motor tork üretmez. Dolayısıyla, rotor devresine bağlanacak harici direnç motoru kalkındıracak kadar tork üretebilen bir değerde olmalıdır [8]. Şekil 3.b’de ise rotoru sargılı asenkron motorun rotor sargılarına harici direnç bağlayarak yol verme işlemi denetleyici yardımı ile yapılmıştır. Anahtarlama elemanı olarak triyak kullanılmıştır. Triyakların geyt sinyalleri Tablo 1’de verilen sıra ile anahtarlanmaktadır. Tabloda kullanılan RB0-RB7 PIC’in B portuna ait pinlerdir. Tablo.1 PIC 16F84’e ait pinlerin set edilmesi Yol verme çeşidi Yıldız Üçgen Ön dirençle Rotoru sargılı PIC 16F84’ün yol verme çeşidine göre pinlerin set edilmesi R S T uçları Yıldız noktası oluşturulması Üçgen Bağlantı yapılması RB0 X X RB1 RB2 X X X X R S T uçları RB3 X RB6 RB0 X X RB1 RB2 X X X X R S T uçları RB0 X X RB1 X X RB2 X X RB4 X RB5 X Dirençlerin kısa devre edilmesi RB3 RB4 RB5 X X X Dirençlerin kısa devre edilmesi RB3 RB4 RB5 X X X 13 RB7 RA2 X X X Üçgen bağlantı yapılması RB6 RB7 RA2 X X X X X X Üçgen bağlantı yapılması RB6 X X RB7 X X RA2 X X İ. Çolak ve R. Bayındır R R1 T S M1 M1 R1 R M1 R1 T S R1 R1 R1 ∆ M Asenkron motor Asenkron motor (a) (b) Şekil 2. Asenkron motora ön dirençlerle yol verilmesine ait güç devresi R S T R S T ∆ M Rotoru Sargılı Asenkron motor R1 M1 Rotoru Sargılı Asenkron motor R1 M1 R1 M1 R1 R1 R1 (b) (a) Şekil 3. Rotoru sargılı asenkron motorun rotor devresine direnç bağlanarak yol verilmesine ait güç devresi 14 Klasik Yol Verme Metotlarının Denetleyici Yardımıyla Gerçekleştirilmesi 4. Uygulama Çalışmaları PIC 16F84 ile yapılan çalışmaya ait blok diyagram Şekil 4’de verilmiştir. Sistem 4 ana bölümden oluşmuştur. Denetleyici Giriş/Çıkış Sürücü Devre Üç fazlı Asenkron Motor Şekil 4. PIC 16F84 ile yapılan çalışmaya ait blok diyagram Denetleyicinin çıkışından alınan dijital sinyaller opto izolatörleri iletime geçirmektedir. Böylece diyak iletime geçmekte diyaklar ise triyakları iletime geçirmektedir. Burada triyaklar anahtar görevi yaparak iletime geçirildiğinde motoru çalıştırmakta, kesime geçirildiğinde ise motoru durdurmaktadır. Şekil 5’de asenkron motora yıldız-üçgen yol verilmesine ait akış diyagramı verilmiştir. Ön dirençlerle ve rotoru sargılı asenkron motorun rotor devresine direnç bağlanarak yol verme devresi akış diyagramı yıldız üçgen yol verme ile aynıdır. Sadece çıkış portundaki bitlerin yönlendirilmesi farklıdır. Bu nedenle portların yönlendirilmesi Tablo.1’de verilmiştir. Program assembler dilinde hazırlanmıştır. Elde edilen program makine diline çevrildikten sonra hex dosyası programlama cihazı yardımıyla PIC’e kopyalanmıştır. Akış diyagramında verilen gecikmeler dikkate alınarak gerekli çıkışlar enerjilendirilmiştir. Gecikme için ayrıca bir alt program yazılmıştır. Bu programın akış şeması Şekil.6’da verilmiştir. Yapılan sistemin önemli özelliklerinden biri bu alt programı kullanarak bir zaman rölesine ihtiyaç duymamasıdır. Zaman gecikmeleri yazılımla gerçekleştirilmiştir. Böylece çok hassas zaman gecikmeleri yapmak mümkün olmuştur. Bir komutun icra süresi osilatör frekansının 4’e bölünmesi ile bulunur. Çalışmada osilatör olarak 4 MHz’lik kristal osilatör kullanıldığı için bir komutun icra süresinin frekansı (dahili frekans) 1 MHz’dir. Bu frekansın bir saykılı, yani bir komutun icra süresi 1 µs ’dir. Zaman gecikmesini artırabilmek için iç içe iki döngü oluşturulmuştur. Bir döngüde maksimum gecikmeyi sağlamak için SAY2 ve SAY3’ün içine h’FF’ yazılmıştır. İç içe döngüde elde edilen gecikme 200 ms’dir. Bu değer SAY1 içeriğine yazılan D’05’ değeri ile 5 defa döndürülerek geciktirme alt programının bir defa çağrılmasında toplam bir saniyelik gecikme elde edilmiştir. Gecikme süresi SAY1 içeriği değiştirilerek artırılıp azaltılabilir. Şekil 7’de PIC 16F84’ün çalıştırılabilmesi için temel konfigürasyon ve yapılan çalışma görülebilmektedir. Devrede PORT A’nın RA0 ve RA1 pinleri giriş olarak kullanılmıştır. RA0 pini başlatma, RA1 pini durdurma işlemi yapmaktadır. RA2 pini çıkış olarak kullanılmıştır. PORTB’nin çıkışlarının tamamı çıkış olarak kullanılmıştır [9, 10]. 15 İ. Çolak ve R. Bayındır GECİKME BAŞLA SAY1 D'05' yükle PIC 16F84'ü tanıt PIC 16F84'ün giriş/çıkış hazırla SAY2 h 'FF' yükle Port A'nın 0.biti 0 mı? H SAY3 h 'FF' yükle E PORTB'ye b'00011111' yükle PORTA'ya b'0010' yükle SAY3=0 mı? CALL GECIKME Hayır SAY3=SAY3-1 GECIKME Evet PORTB'ye b'11100111' yükle Port A'nın 1.biti 0 mı? SAY2=0 mı? Evet Hayır SAY2=SAY2-1 Evet H Hayır E SAY1= 0 mı ? Evet PORTB'ye h'00' yükle PORTA'ya h'00' yükle SAY1=SAY1-1 Evet RETURN Şekil 5. Asenkron motora yıldız-üçgen yol verilmesine ait akış diyagramı Şekil 6. Zaman geciktirme alt programı PIC çıkış gerilimi 5 volttur. Çıkış devre elemanlarının çalışma gerilimi ise 220 volttur. Bu devreden elde edilen dijital sinyaller opto izolatörü iletime geçirmektedir. Opto izolatör hem PIC çıkış ile sürücü girişini yalıtmakta hem de PIC çıkışının yüklenmesini önlemektedir. Şekil 8’de opto izolatör ve triyağın bağlantısı verilmiştir. Opto izolatör iletime geçtiğinde içerisindeki diyak iletime geçirmektedir. Böylece triyaklar iletime geçmektedir. Burada triyaklar anahtar görevi yapmaktadır. Triyak alternatif akımda çalışan tam dalga yük kontrolü yapabilen elektronik akım anahtarıdır. AC akımda her iki yönde de akım geçirir. Akım geçirebilmesi için yeterli A1 ve A2 akım taşıyıcı polarmaları yanında geyt polarması olarak AC, DC veya kısa süreli değişik dalga şekilli gerilim uygulanmalıdır. Her alternans bitiminde gerilimin sıfır olduğu anada triyak yalıtkan olur ve geyt kontrolü eline geçirir. İkinci alternans bitimine kadar triyakın iletken olması sağlanır. Triyakın sürekli olarak iletimde kalması yani yük akımım sürekli geçirmesi isteniyorsa triyak her alternans başında bir kez tetiklenmelidir. Çalışmada bu işlem opto izolatör içerisindeki diyak ile sağlanmıştır. 16 Klasik Yol Verme Metotlarının Denetleyici Yardımıyla Gerçekleştirilmesi RA2 RA1 RA3 RA0 RA4 OSC1 100 MCLR OSC2 10k PIC 16F84 Vss Kurma RB0 RB1 GND 10 k 10 k Vcc (+5V) Başlatma Vdd 22 pf RB7 RB5 RB3 RB4 22 pf GND RB6 RB2 Durdurma Vcc (+5V) 0.1µF ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ Optoizolatör ⎪ ⎪ ⎪⎭ Şekil 7. PIC 16F84’ün konfigürasyonu Şebeke A2 BTA 41-600B MOC 3051 270 1 4 2 5 3 6 G A1 PIC çıkışı 10k Motor sargıları Şekil 8. PIC denetimli bir faz sürme devresi 5. Sonuç Bu çalışma üretim amacı çok fonksiyonlu lojik uygulamaların hızlı ve ucuz bir şekilde yapılması olan PIC 16F84 denetleyicisi ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada bilgisayarda hazırlanan yazılım Microchip firması tarafından geliştirilmiş PIC serisi 16F84 denetleyicisine yüklenerek, üç fazlı asenkron motorlarda klasik yol verme metotları denetleyici yardımıyla uygulanmıştır. Kontaktör, yardımcı röle, zaman rölesi gibi elemanlara gerek kalmaksızın klasik yol verme yöntemleri gerçekleştirilmiştir. Kapladığı alan, giriş-çıkış terminallerinin kullanılabilmesi ve hassasiyet boyutunda klasik kumanda sistemine göre PIC ile yapılan sistemin sağladığı avantajlar görülmüştür. Ayrıca yazılımın değiştirilmesi, fiyat, çevre birimleri, 17 İ. Çolak ve R. Bayındır kolay programlama, kullanım esnekliği ve ucuzluğu gibi üstün özelliklere sahip olması, pratikliği ve sürenin değiştirilerek yazılımın yüklenebilmesi kolaylığından dolayı bu uygulamada PIC uygulama çalışmalarını oldukça kolaylaştırmıştır. Yapılan çalışma ile endüstriyel uygulamalarda kullanımı oldukça yaygınlaşan asenkron motorlara yol vermede kullanılabilecek yol verme metotları üç fazlı bir alternatif akım motoru kullanılarak PIC 16F84 denetleyici ile gerçekleştirilmiştir. Bu ve buna benzer motor kontrol uygulamalarının daha basit ve güvenilir şekilde PIC ile yapılabileceği gösterilmiştir. Kaynaklar 1. Y. Türkmen, C. Gençtan, Kumanda Devreleri 1, Yeniyol Matbaası, İzmir, 1998. 2. Y. Türkmen, C. Gençtan, Kumanda Devreleri 2, Yeniyol Matbaası, İzmir, 1998. 3. W. N. Alerich, Electric Motor Control, Delmar Publishers, New York, 1988. 4. H. Gümüşkaya, Mikroişlemciler ve 8051 Ailesi, Alfa Basım Yayım Dağıtım Ltd. Şti., İstanbul, 1998. 5. H. Ateş, R. Bayındır, PIC Kontrollü Sürtünme Kaynak Makinesi Tasarımı ve Uygulaması, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Teknoloji Dergisi, Yıl 6, Sayı 3-4, 107-114, 2003. 6. İ. Çolak, R. Bayındır, Ö.F. Bay, Reactive Power Compensation Using A Fuzzy Logic Controlled Synchronous Motor, Energy Conversion And Management, Vol. 44, Issue 13, Pages 2059-2215, 2003. 7. İ. Çolak, R. Bayındır, Güç Katsayısının Bir Mikrodenetleyici Kullanarak Ölçümü, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Cilt 19, Sayı 1-2, 50-58, 2003. 8. İ. Çolak, Asenkron Makinalar, Nobel Yayıncılık, Ankara, 2001. 9. N. Gardner, PIC Programlama El Kitabı, Editör: Elk. Müh. Gökhan Dinçer, Bileşim Yayıncılık, İnfogate, İstanbul, 1998. 10. O. Altınbaşak, Mikrodenetleyiciler ve PIC Programlama, Melissa Matbaacılık İstanbul, 2000. 18