Motor Kontrolünde Verimlilik Trendi

Elektrik motoru temelli tüm uygulamalarda verimlilik en önemli bileşen olma özelliğini taşır. Günümüzde elektrik motorlarını kullanan farklı uygulamalara bakacak olursak, daha düşük maliyet ve daha yüksek verimliliğe dönük trendi görebiliriz. Örneğin, arabalarda, kaportanın altındaki pompa ve fanları çalıştırmak için en başta öngörülen çözüm bir kayış olmuştur. Ancak, motorun dönüşüyle bu aktüatörlerin tahriğini sağlamak pratik olsa da verimlilik bakımından ideal değildir. Bu aktüatörleri buradan alıp, bunları motorlarla çalıştırmak hem verimliliği artırmakta hem de esneklik sağlamaktadır. Bir diğer örnek ise yıkama makineleri, bunlarda ilk olarak AC motorlar kullanılmıştı. Ev gereçlerinde enerji verimliliğinin artması ve su tasarrufu sağlamak adına yıkama döngüsünde daha çok kontrole gereksinim duyulması, kalıcı mıknatıslı senkronize motorlar yeni tasarımlarda yaygınlık kazandılar.

Motor kontrolünde verimliliği ele lan bu makale Microchip Technology Inc 16-bit MCU Birimi Ürün Pazarlama Müdürü, Erlendur Kristjansson tarafından yazılmıştır.

Motor Seçenekleri

Günümüzde verimlilik ve dinamik kontrolün gerekli olduğu uygulamaların çoğunda akla gelen birincil motor tipleri;

- AC Endüksiyon Motoru(ACIM)

- Fırçasız DC (BLDC) Motor

- Sabit Yüzey Mıknatıslı Senkronize Motor (PMSM veya SPM motor)

- İç Yüzey Mıknatıslı Senkronize Motor (IPMSM veya IPM motor)

- Anahtarlamalı Relüktans Motoru (SRM)

- Senkronize Relüktans Motoru (SyncRM)

Çeşitli motor tiplerinin verimliliği, en verimli olandan en verimsiz olana doğru aşağıdaki gibi sıralanabilir: Güç/tork yoğunluğu sırası aynı olmak üzere IPMSM, PMSM, BLDC, SynchRM, SRM, ve ACIM.

ACIM endüstriyel uygulamaların yük beygiri gibidir, ve yüksek watt gerektiren uygulamaların en yaygın motor tipidir(>1kW). Ama, artan verimlilik talebiyle beraber, verimliliği artırmak üzere çoğu ACIM kurulumları elektronik komütasyon devreleriyle donatılmaktadır. Daha fazla dinamik kontrole ihtiyaç duyulan durumlarda, PMSM daha mantıklıdır. Bir de bazı uygulamalarda, maliyetin, ağırlık-tork oranının ve dayanıklılığın önem arzettiği durumlarda; SRM'lerin kullanıldığı görülebilmektedir. Bir diğer klasik ACIM uygulaması yüksek HP (>15 HP) kompresörlerdir. Bu sahada da SyncRM motorlar belirmeye başlamıştır, ACIM'lara oldukça benzeyen bir yapıları vardır, farklı bir rotor'a ve aynı statör'e sahiptirler. Buna karşın, aynı gövde ölçüleriyle, tork ve verimi artırabilir, veya gövde ölçülerini küçültebilirsiniz. Bir de hiç motor içermeyen uygulamalar var, örneğin bir aracın kaportasının altı. Burada, elektrik motoru mekanik kayışın yerine kullanılmıştır, verim artmıştır, çünkü motorlar olduğu zaman gücü sadece ihtiyacınız olduğundan kullanırsınız ama kayışlı sistemde ihtiyaç duyulmasa da güç kullanılmaktadır. Şu günlerde, verimlilik ve yakıt ekonomisi söz konusu olduğunda her şeyi hesaba katmak gerekir. Burada trend; kayıştan BLDC motora, ondan da PMSM 'ye geçiş şeklinde gelişmektedir. Arabalarda elektrik motorlarının kullanılmasıyla ilgili bir diğer uygulama da elektronik kontrollü sürüş(drive by wire) olmuştur. Burada, örneğin, SRM'ler frenlerdeki hidrolik pompaların tahrikinde kullanılıyor. SRM 'nin yüksek hız özelliği; hızlı şekilde basınç üretebilmekte ve hızlı fren tepkisi geliştirilmesine olanak sağlamaktadır.

Sürücü Devre Teknolojisi

Daha önce de sözünü ettiğimiz üzere, elektronik komütasyonlu motorları kullanırken sürücü devresi önemli, hatta zorunlu bir parçadır. O olmadan, hiçbir şey olmaz. Bahsettiğimiz hemen hemen tüm motorlar için, sürücü devrenin çok benzer bir yapısı vardır. Bu motor tipleri arasındaki en büyük farklılık kontrollerdedir; devreler için sürücü sinyallerinin nasıl oluşturulduğundadır. Bu her bir motorun yapılışıyla ilgilidir, farklı elektromanyetik davranışlara sahip olmalarıyla ilgilidir.

Elektronik komütasyonlu motorlara geçişin erken safhalarında, hedeflenen uygulamaların çoğu maliyet uygunluğu öncelikli uygulamalardı ve bunun bir neticesi olarak BLDC motor seçilmişti çünkü bunu kontrol etmek için trapezoid komütasyon kullanan 8-bit mikro-kontrolör gerekmekteydi. Öyleyken dahi, bazı durumlarda maliyet hala çok yüksekti. Şimdi 15 yıl ilerisinde ne olduğuna bakalım: yüksek performanslı dijital sinyal kontrolörlerinin maliyetleri, fiyat uygunluğu öncelikli uygulamalarda da kullanılabilecek kadar düştü. Böylece bunların sensörsüz FOC (Field Oriented Control) gibi ileri düzey kontrol algoritmalarını da kullanabilmelerine imkan doğdu. Örneğin, ev ısıtma sistemlerinin devridaim pompaları veya otomobillerin soğutma fanları bağlamında bunu vurgulamak mümkündür.

Peki bütün bu algoritmalar tam olarak ne sağlamaktadırlar? Trapezoid-kontrollü BLDC motor neden yeterince iyi değil?

Verimlilik

Daha verimli motorlar ve sürücü devreler üzerine çok şey söylenmektedir, ama sonunda asıl olan sistemin bütününün verimliliğidir. Örneğin, araba motorlarındaki kayıştan bahsettik. Kayışla güç aktarılan bu sistemler 90% üzerinde verimlidirler, ama onlara gerek olmadığında durmazlar. Onun yerine, boşta çalışırlar, bu da kayda değer kayıplara yol açar. Dolayısıyla, elektro-mekanik sistemlere bakacak olursak, kayda değer kayıplar söz konusudur, tork dalgalanmasından kaynaklanabilecek vibrasyon gibi, ki bunlar BLDC motorların ve SRMlerin çalışma şeklinin yan etkileridir. Diğer bir faktör de motorun altında çalışıyor olduğu yüktür. Tüm motorların (buna sürücü devre de dahildir) üzerinde gösterilene benzer bir yük verimlilik eğrisi vardır. Görülebileceği gibi, bir tepe noktası vardır, bu değer motorun nominal tork değerindedir, ancak çoğu uygulamanın çalışma yükü sabit, tek bir değerden ibaret değildir. Hatta bazılarının çalışma aralığının tamamı üzerinde çalışmaları dahi gerekebilmektedir. Bunun bir örneği de klima kompresörüdür. Burada, sistemin ne kadar soğutması veya ısıtması gerektiğine bağlı olarak ve her bir piston döngüsünde yük değişir. Kompresörler neredeyse her zaman çalışıyor olduklarından, IPM motorların kullanılması, en yüksek verimliliği göstermeleri dolayısıyla yaygın bir hal almıştır. Ama eğer bir IPM motorun verimlilik eğrisine bakar ve bunu muadili bir SyncRM ile kıyaslarsak, IPM motorun nominal yük altında daha yüksek verimliliği olmasına karşın, SyncRM'nin eğrisi daha düzdür.

Netice

Yeni milenyumda daha yüksek verimliliği olan motorlara yönelik trendin hızlanması, sabit mıknatıslı fırçasız motorların ortaya çıkmalarıyla başlamış; yarı iletkenlerin maliyet ve performanslarının iyileştirilmesiyle devam etmiştir. Bu trend, BLDC motor ile tüketici ürünlerine de sıçramıştır. O zamandan beri süreç; ACIM'lerin elektronik komütasyonunu, SRM yeniden canlanmasını, hatta yine SyncRM sayesinde mıknatısların ortadan kaldırılması gibi gelişmeleri kapsayacak kadar ilerleme kaydetmiştir.

Tüm bunlar yaşanırken hatırlamamız gereken şey bir sistemin verimliliğinin onun tüm bileşenlerinin toplamı olduğudur ve bunu ne kadar maksimize edeceğiniz mali olarak da makul anlam ifade etmelidir. Dolayısıyla, uygulamaya göre değişmekle birlikte, arasından seçim yapılacak çeşitli motor tipleri ve algoritmalar var. Hepsine baskın çıkacak bir motor teknolojisi mevcut değildir. Bu yüzden bir kimse elektrik motoru temelli bir sistem tasarlayacağı zaman, teknolojinin sunduğu seçeneklerin hepsinin artılarını ve eksilerini bilmek ve kendi ihtiyaçlarına en uygun olanı seçmek zorundadır.