Sirkülasyon pompası uygulamalarında kalıcı mıknatıslı senkron motorun vektör kontrolü ve EEI optimizasyonu

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.