Sirkülasyon pompası uygulamalarında kalıcı mıknatıslı senkron motorun vektör kontrolü ve EEI optimizasyonu
Vector control of pmsm in circulation pump application and an adaptive approach for EEI optimization
Yazar: MUTULLAH EŞER
Danışman: PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Pompaların dünyadaki enerji tüketiminde %20'lik bir orana sahip olduğu dikkate alındığında eski teknolojili sabit devirli pompaların sebep olduğu enerji sarfiyatının büyüklüğü gözler önüne serilmektedir. Avrupa birliğinin aldığı kadar gereği 2013 yılından itibaren sabit devirli sirkülasyon pompalarının %95'lik kısmının satışı yasaklanmıştır. Avrupa'da yeni nesil ıslak rotorlu pompa kullanılmasıyla yapılabilecek yıllık enerji tasarrufu yaklaşık 23 milyar kWh elektrik enerjisidir.

Avrupa birliği üyesi ülkelerde sirkülasyon pompalarının enerji verimlilik endeksinin 0.23'ün üzerinde olması durumunda satışı yapılamamaktadır. Alman hükümetinin uyguladığı  BAFA isimli bir teşvik programıyla eski nesil sirkülasyon pompalarını yeni nesil yüksek verimli ve enerji verimlilik endeksi 0.2'den küçük olan sirkülasyon pompası ile değiştiren kişilerin yatırımlarının %30'u devlet tarafından karşılanmaktadır. Bu durumda pompa üreticileri piyasada tutunabilmek için pompalarında  daha yüksek verimli elektrik motorları ve sürücü sistemleri  kullanmaya yönelmişlerdir. Motorda yüksek verim elde etmek amacıyla eski nesil sirkülasyon pompalarında kullanılan asenkron motorlar, yüksek verimli sürekli mıknatıslı senkron motorlar ile değiştirilmiştir. Motordaki sürtünmeyi azaltmak ve soğutmayı kolaylaştırmak içi ise sirkülasyon pompası uygulamalarında motor tasarımında genellikle ıslak rotorlu sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı tercih edilir. Bu yapıda rotor ve stator birbirinden bir kılıf ile ayrılır ve rotor su içinde döner.

Tez kapsamında enerji verimlilik endeksi 0.2'den büyük olan sirkülasyon pompalarının mıknatıslı senkron motorları için geliştirilen kontrol algoritması ile enerji verimlilik endeksi azaltılmıştır. Bu kontrol algoritması belirlenen debi değerleri için oluşturulan hız referans tablosunun vektör kontrol yöntemine entegre edilmesiyle  debi değerine göre motorun referans hızını değiştirir bu sayede pompanın daha verimli çalışması sağlanmaktadır. 

Geliştirilen algoritmada EEI değerinin hesaplanması için deneysel ölçümler yerine yarı analitik metodoloji kullanılmıştır. Yarı analitik metodun kullanılmasındaki temel hedef  EEI hesabı için gerekli olan deneysel uğraşı azaltmak ve farklı üreticilere ait pompaların EEI değerinin kolaylıkla sistematik olarak belirlenmesini sağlamaktır. Bu yöntemin temel amacı pompanın yük profilindeki her  çalışma noktasındaki tükettiği elektriksel güç  P_(Li)'yi yarı analitik bir yöntem kullanarak belirlemektir.

Tezin ikinci kısmında yeni nesil yüksek verimli sirkülasyon pompalarının yapıları ve kontrol tipleri incelenmiştir. Temel pompa bilgileri ve hidrolik tanımlar verilmiştir.

Üçüncü kısımda, yeni nesil yüksek verimli sirkülasyon pompalarında kullanılan sürekli mıknatıslı senkron motorlar incelenmiştir.  Öncelikle kullanılan mıknatıs tiplerinin özellikleri incelendikten sonra mıknatıslı motorlar sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırmanın ardından SMSM'un parametrelerinin ölçüm yöntemleri anlatılmış ve tez kapsamında kullanılan  motorun parametreleri bu yöntemler ile ölçülmüştür. Bu bölümün sonunda ise SMSM'un detaylı matematiksel modelleri çıkarılmıştır ve bu modeller motorun kontrol algoritmasının anlaşılması için oldukça önemlidir.

SMSM'un detaylı matematiksel modeli çıkartıldıktan sonra dördüncü kısımda tez kapsamında geliştirilen algoritmanın test edildiği prototip motorda da kullanılan ve motor d-q matematiksel modelini referans alan vektör kontrol metodu incelenmiştir. Vektör kontrole ilişkin temel bilgiler, sensörlü vektör kontrol, tez çalışmasında da kullanılan açık çevrim akı tahmini ile sensörsüz vektör kontrol yöntemine ilişkin detaylar verildikten sonra tez kapsamında geliştirilen q ekseni akımı ile debi tahmini ve basma yüksekliği tahmini gibi pompa parametrelerini tahmin eden algoritma anlatılmıştır. Bu tahmin algoritmaları sayesinde pompanın bağlı olduğu sisteme ilişkin parametreler, debimetre ve fark basınç ölçer gibi pahalı ölçüm cihazları olmadan tahmin yöntemiyle elde edilmiş ve motorun sistem isterine uygun hızda dönmesi sağlanmıştır. Bu bölümün sonunda ise tez kapsamında kullanılan kontrol kartının donanım yapısı tanıtılmış ve ilgili kısımların devre şemaları verilmiştir.

Tezin beşinci kısmında, DIN EN 16297-1 standartına uygun olarak ıslak rotorlu sirkülasyon pompa enerji verimlilik endeksi hesabının nasıl yapılacağı detaylı olarak anlatılmıştır. Daha sonra ise geliştirilen EEI optimizasyon yönteminin detayları ve uygulanışı adım adım açıklanmıştır. Yöntemin temeli olan referans hız tablosunun oluşturulması için geliştirilen yarı analitik yöntem Mathcad ortamında sayısal olarak çözümlenerek prototip pompa için referans hız tablosu oluşturulmuştur.

Tezin son kısmında ise beşinci kısımda Mathcah ortamında sayısal çözümleme ile elde edilen referans hız tablosu vektör kontrol yöntemine entegre edilerek pompa üzerinde test edilmiştir. Tez kapsamında çalışılan ve geliştirilen kontrol yöntemleri dünyanın üç büyük pompa üreticisi bir Alman pompa firmasının EEI değeri 0.23 olan bir ıslak rotorlu sirkülasyon pompasına uygulanarak EEI değeri 0.20'ye düşürülmüştür.

Tezin tüm aşamalarında ölçüm ve testler yapabilmek için tasarlanıp üretimi yaptırılan hidrolik test ve elektriksel parametre ölçüm sisteminden faydalanılmıştır. Tezin başlangıç noktası olan ve Avrupa piyasasına satışa sunulamayan ürünler için kontrol algoritması geliştirme hedefine ulaşmıştır. Kullanılan standart kontrol algoritması yerine geliştirilen kontrol algoritmasının kullanılması sayesinde, pompaların EEI değeri düşürülmüş ve pompalar dünya pazarına satılmıştır.

Abstract:
Considering that the pumps have a 20% share in the energy consumption in the world, the magnitude of the energy consumption caused by the old technology fixed cycle pumps is revealed. As take decision by the European Union, after 2013, 95% of circulation pumps of fixed cycle circulation pumps are prohibited. The annual energy savings that can be achieved by using a new generation wet rotor pump in Europe is approximately 23 billion kWh.

In the member states of the European Union, the circulation pumps can not be sold if the energy efficiency index is above 0.23. In this case, the pump manufacturers have tended to use higher efficiency electric motors and drive systems in their pumps in order to hold onto the market.  Asynchronous motors used in old generation circulation pumps were replaced with high efficiency permanent magnet synchronous motors in order to obtain high efficiency in the motor. In order to reduce friction in the engine and to facilitate cooling, in circulation pump applications, the design of the motor is generally preferred in the design of wet rotor permanent magnet synchronous motor. In this structure, the rotor and stator are separated from each other by a case and the rotor rotates in water. Within the scope of the thesis, energy efficiency index has been reduced with the control algorithm developed for circulation pumps with an energy efficiency index greater than 0.2.  This control algorithm changes the reference speed of the motor according to the flow rate by integrating the speed reference table created for the determined flow values into the vector control method, thus ensuring more efficient operation of the pump. 

In the second part of the thesis, the structures and control types of new generation high efficiency circulation pumps are examined. Basic pump information and hydraulic definitions are provided.

In the third part, permanent magnet synchronous motors used in new generation high efficiency circulation pumps are examined. After examining the properties of the magnet types used, permanent magnet motors are classified. After this classification, the measurement methods of the parameters of the PMSM are explained and the parameters of the motor used within the scope of the thesis were measured with these methods. Detailed mathematical models of PMSM are explained at the end of this section.

In the fourth part, vector control method is examined. Basic information about vector control, sensor vector control, open loop flux prediction  for sensorless vector control method are given. The algorithm that estimates the pump parameters such as flow rate and head height with the q axis flow developed in the thesis is explained. At the end of this section, the hardware structure of the control card used is introduced and circuit diagrams of the relevant parts are given.

In the fifth part of the thesis, how to calculate the wet rotor circulation pump energy efficiency index according to DIN EN 16297-1 is explained in detail. Then, the details and implementation of the developed EEI optimization method are explained step by step. Proposed control method in this study was named as semi-analytical because at the beginning of the analysis experimental data were required. The basis of the control algorithm is based on the creation of a speed lookup table with different flow rate references for the PMSM to optimize the EEI value.

In the last part of the thesis, in the fifth chapter, the reference speed table obtained by numerical analysis in Mathcad environment was integrated into the vector control method and tested on the pump. By combining the developed control algorithm with FOC control, the efficiency of PMSM in pump application is increased. Moreover, with the analysis program developed in mathcad environment, the number of experimental measurements required for EEI calculation in pump applications has been reduced. For the developed control algorithm, consistency of the analysis results were verified with experimental measurements. 

The lookup table (flow-velocity) generated by Mathcad analysis was applied to the wet rotor circulation pumps software of a pump company producing all over the world. Thanks to the control algorithm developed instead of the standard control algorithm used, the EEI value of the pumps has been reduced and sold to the world market.