MICROCONTROLLER BASED CONDITION MONITORING AND FAULT DETECTION OF THE CLAW POLE ALTERNATORS

© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

PENÇE TİPİ ALTERNATÖRLERİN MİKRODENETLEYİCİ TEMELLİ KONDİSYON İZLENME VE ARIZALARININ TESPİTİ

MICROCONTROLLER BASED CONDITION MONITORING AND FAULT DETECTION OF THE CLAW POLE ALTERNATORS

Tarık ÜNLÜ^{a, *} ve Raif BAYIR^b

a * Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümü, Karabük, TR, E-posta:

t-unlu@hotmail.com

b Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümü, Karabük, TR, E-posta:

rbayir@karabuk.edu.tr

Özet

Bu çalışmada pençe tipi alternatörlerde kondisyonun izlenmesi ve hata tespiti için uzman sistem yazılımı gerçekleştirilmiştir. Alternatörün akım, gerilim ve devir sayısı ölçülerek hata sınıflandırması yapılmıştır.

Alternatörün günümüzde birçok alanda kullanılması ve arızalarının önemli bir sorun olması sebebiyle alternatör arızaları tespit edilmiştir. Çalışmada kullanımı kolay ve ucuz olduğundan dolayı mikrodenetleyici tercih edilmiştir.

Bu çalışma ile alternatörde 5 hata tespit edilmektedir.

Bunlar stator sargısında kopuk, tridiyot, regülatör, kapalı devre ve açık devre arızalarıdır.

Anahtar kelimeler: Alternatör, Uzman Sistemler, Mikrodenetleyiciler, Hata Teşhisi, Kondisyon İzleme Abstract

In this study expert system software presented for claw pole alternator condition monitoring and fault detection.

The faults are detected because nowadays alternators are used in many places and faults are important problems.

Microcontrollers are preferred to very easy to use and cheap. With this study 5 faults are detected. These are broken of stator coils, triodiyot, regulator, close circuit and open circuit faults.

Keywords: Alternator, Expert System, Microcontrollers, Fault Dedection, condition monitoring

1. Giriş

Günümüz araçlarının şarj sisteminde pençe tipi alternatörler kullanılmaktadır. Alternatör mekanik enerjiyi alternatif akıma çeviren elektromekanik cihazlardır. Ayrıca diyotlar sayesinde alternatif akım doğru akıma dönüştürülmektedir. Bu alternatörlerin rölanti devrinde akü şarj edebilmeleri ve çıkış akımlarının yüksek olması en belirgin özellikleridir. [1].

1960’lardan sonra yarı iletken diyotların ucuza bulunabilmesi ile birlikte otomobil üreticileri doğru akım üreteçleri yerine alternatörleri kullanmaya başladılar [2].

Alternatörler doğru akım elde etmek için gereken çeviriciye sahip olmadıklarından doğru akım üreteçlerine göre daha basit, hafif ve dayanıklıdırlar. Bu sayede alternatörler motor hızının iki katı hızda dönebilirler, bu da alternatörlerin rölantideki çıkış gücünü artırır. Otomobil alternatörleri alternatif akımı doğru akıma çevirmek için

akım düzelticileri kullanırlar. Dalgalanmaları düşük seviyede tutmak için otomobil alternatörlerinde 3 fazlı sargı kullanılmaktadır.

Çalışmada yapay zekânın bir dalı olan uzman sistemler kullanılmıştır. Uzman sistemlerin doğuşu 1960’larda olmuştur. Nobel Fizyoloji ve Tıp Ödülü sahibi J.Lederberg’in [3] spektrograf verilerinin bilgisayarlı yorumları üzerine yaptığı çalışmalarla ortaya çıkan uzman sistemler, yapay zekânın problem çözme alanının dışına çıkarak yeni bir büyük dal oluşturmaktadır. Uzman sistemler, belirli konuda uzman olan bir ve birçok insanın yapabildiği muhakeme ve karar verme işlemlerini modelleyen bir yazılım sistemdir.

Alternatör performansı ve alternatörün parçalarında oluşabilecek hatalarla ilgili olarak birçok çalışma yapılmaktadır [4-6]. A.Moyes ve arkadaşları uzman sistem teknikleri ile alternatörde hata tespitini yapmışlardır.

Uzman kişi raporlarından elde edilen bilgiler kullanılarak bir uzman sistem ile hata tespiti yapılabildiğini belirtmişlerdir [7].

Doktor R. Shuttleworth ve arkadaşları yapay zekâ teknikleri kullanarak alternatörün rotoru üzerinde oluşan hataları teşhis etmişlerdir. Yapılan testlerde stator terminalinde ölçülen alan akım tahminini yapmışlardır.

Rotor üzerindeki hataları başarıyla tanımlamışlardır. Hata teşhisinde mikrodenetleyici kullanarak akım, gerilim, devir sayısını ölçerek sınıflandırmışlardır [8].

Konika ve arkadaşları ise alternatörün stator yalıtım yetersizliğini korumak için mikroişlemci tabanlı proje gerçekleştirmişlerdir [9]. Mikroişlemci denetimli röleler kullanarak alternatörün stator sargılarını korumuşlardır.

Çalışmada stator sargıları için %100 koruma sağlanmıştır.

Bu çalışmada uzman sistem temelli pençe tipi alternatörde hata tespiti yapılmıştır. Algılayıcılardan gelen verileri mikrodenetleyici analog portundan okuyup hesapsal dönüşümleri yaptıktan sonra akım, gerilim ve devir sayısı bulunmuştur. Bu değerlere göre uzman sistemin veri tabanındaki bilgiler kullanılarak alternatörün kondisyonu izlenmiş ve arıza durumu ve arızanın ne olduğu tespit edilmiştir.

2. Pençe Tipi Alternatörler

Taşıtlardaki modern şarj sistemleri son 40 yıldır çok az değişim göstermiştir. Alternatör, regülatör ve kablolama

sistemi de dahil değişiklikler çok azdır. Şekil 1’de mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren alternatör şekli verilmiştir. Dönüştürülen enerji içten yanmalı motorun çalışması ve taşıttaki elektrik ihtiyacını karşılamak için kullanılmaktadır. Taşıtlarda kayış yardımıyla mekanik enerji alternatöre aktarılır.

Şekil 1. Alternatör genel görünüm.

Gerilim Regülatörü

Referans Diyotları İkaz

Lambası Rotor

Alan Sargısı

Bakır halkalar

Fırçalar Stator

Doğrultucu

Doğrultma Diyotları

Batarya

Rotor mili Alternatör Gövdesi

Şekil 2. Taşıtlardaki en temel alternatör ve şarj sistemi.

Şekil 2’ de taşıtlardaki mevcut şarj sistemi ve alternatörün açık şeması verilmektedir. Alternatörün çıkışı diyotlarla doğru gerilime dönüştürülür. Üretilen gerilim regülatör olmaksızın çok yüksek değerde olmaktadır. Bu yüksek gerilim akünün aşırı şarj olmasına ve sistemdeki elektrik donanımların bozulmasına neden olur.

Regülatör şarj sisteminde akünün aşırı şarj olmasını veya şarjsız kalmasını önlemek için gerekli gerilim ayarlamalarını yapar. Rotor sargısındaki akımın değişmesi yaklaşık 100ms ve daha fazla zaman almaktadır. Bu süre yüksek stator kayıplarına neden olmaktadır. Dolayısıyla alternatörün verimini ve çıkış gücüne etki etmektedir.

12 kutuplu bir alternatörün mekanik çalışma hız aralığı 1800-18000 dev /dakikadır buda mekanik bir sistem için çok yüksektir. SMA için bu hem yapısal nedenlerden hem de çıkış gücünün yüksek olması sayesinde çalışma hız aralığı daha düşük olacaktır.

3. Alternatör Arıza Tespitinde Kullanılan Sistem Tasarımı

Şekil 3’de sisteme ait blok diyagram verilmiştir. Burada akım, gerilim algılayıcıları, mikrodenetleyici, akü ve sargılar gösterilmiştir.

Tuş Takımı Ayarlı Yük

Akım Algılayıcısı

LA-55P

1 6 F 8 7 7

Alternatör

Rotor Stator

AKÜ 12V 60Ah

+

Gerilim Sensörü LV-25P

Gerilim Sensörü LV-25P Gerilim

Sensörü LV-25P Tako

metre

LCD

Şekil 3. Sistemin blok diyagramı.

Uygulamada alternatör içyapısının çalışma prensibini bozmadan sistem tasarımı gerçekleştirilmiş ve deney düzeneği kurulmuştur. Burada alternatör parçaları olan diyot, regülatör ve tridiyot alternatörün içinden çıkartılıp dışarı monte edilmiştir. Araç üzerindeki çalışma ortamını oluşturmak için alternatör hız kontrollü bir asenkron motor ile döndürülerek çalıştırılmaktadır.

Bu işlemleri gerçekleştirdikten sonra akım, gerilim ve devir sayısını ölçmek için mikrodenetleyici ile oluşturulan işlemci katı devresi tasarlanmıştır. Akım değerini ölçmek için akım algılayıcısı kullanılmıştır. LEM akım algılayıcısı ile gerilime bağlı olarak akım değeri hesaplanmıştır. Gerilim değerini ölçmek için gerilim algılayıcısı kullanılmıştır.

Algılayıcılardan gelen veriler mikrodenetleyicinin analog portundan okunmuştur. Sistemin yazılımı Proton IDE programında oluşturulmuştur.

Şekil 4. Sistem genel görünümü.

Şekil 4’de sistemin çalışması için gereken elemanların genel görünümü verilmektedir. Kontrol paneli; asenkron motorun başlangıç hızı, yetkilendirme ayarı, asenkron motorun standart değerlerinin girilmesi ve uzaktan kontrol

edilmesini sağlayan bölümdür. Kullanıcı panelinden asenkron motorun hızını ayarlama, yönünü belirleme, açma-kapama gibi işlevler yapılır.

3.2.Deney Düzeneğinin Kurulması

Alternatör içerisinde bulunan tridiyot, regülatör ve doğrultma diyotları 80cm boyunda 25cm eninde sunta malzemeden yapılmış bir zemin üzerine çıkartılmıştır.

Doğrultma diyotların ısınmasını önlemek amacıyla bir tane fan kullanılmıştır.

Şekil 5’te sistemin işlemci katı devresi verilmektedir.

Devrede mikrodenetleyici olarak PIC16F877 entegresi kullanılmıştır. Mikrodenetleyici algılayıcılardan gelen verileri değerlendirerek hata tespiti yapar.

Şekil 5. İşlemci katı genel görünümü.

PIC 16F877’Nin 33 adet I/O pini mevcuttur. Bu pinler aşağıdaki şekilde kullanılmıştır:

PORTA.0 : LA55-P Akım Algılayıcı girişi PORTA.1 : LV25 Gerilim Algılayıcı girişi PORTA.2 : LV25 Gerilim Algılayıcı girişi PORTB.1 : LCD RS Ucu

PORTB.2 : LCD RW Ucu PORTB.3 : LCD EN Ucu

PORTB.4 - PORTB.7 : LCD Veri uçları.

PORTD.2 : Start/Stop anahtar girişi

Algılayıcı verileri A portundan 10 bitlik çözünürlükte analog olarak okunmaktadır. PortA0 LA55-P akım algılayıcısını, PortA1 LV25 gerilim algılayıcısını, PortA2 LV25 gerilim algılayıcısı (devir sayısı) için giriş olarak kullanılmaktadır.

Devreye gerilim geldiğinde LCD de akım, gerilim ve devir sayısını göstermektedir. Bu değerlerin ayarlaması yapıldıktan sonra başla butonuna basılmaktadır. Uzman sistem ile hata tespiti yapılarak tespit edilen hata LCD’de gösterilmiştir.

Mikrodenetleyici katında bilgisayar ile iletişimi sağlayan RS–232 seri iletişim devresi mevcuttur. Akım algılayıcı olarak 0-50A aralığındaki akımları ölçebilen ve galvonik izalosyona sahip LA55-P akım algılayıcısı kullanılmaktadır.

LA55-P akım algılayıcısı doğrusal RMS çıkışına sahip, hızlı, 4–20 mA standart bir akım çıkışı olan modüler bir algılayıcıdır [11]. Algılayıcıda sargı olarak akımın geçtiği tel alınmaktadır. Tel üzerinden geçen akım sekonder sargı üzerinde bir gerilim indükleyerek sekonder sargıdan bir akım geçmesine sebep olmaktadır. Geçen akım değerini algılamak için algılayıcı çıkışına bir direnç (Rm) bağlanmaktadır.

Şekil 6’da LA55-P akım algılayıcı devresinin genel görünümü verilmektedir. LA55-P akım algılayıcısının M ucu mikrodenetleyicinin analog portuna bağlanarak akım ölçülmüştür. Artı ve eksi uçlar ise simetrik besleme için kullanılmaktadır. Rm ölçüm direnci olarak 500Ώ trimpot kullanılmıştır. Akım devresi ile maksimum ölçülebilen akım değeri 50A’dir. Rm ölçüm direnci ile bu değer değiştirilebilir.

LA 55- P

Is Rm

+

- M

+

- 0V

Şekil 6. LA-55P Akım algılayıcısının bağlantı şekli.

Gerilim algılayıcı olarak 10-500V aralığında gerilim ölçebilen LV25 gerilim algılayıcısı kullanılmıştır. Şekil 7’de LV25 gerilim algılayıcısına ait devre şeması verilmektedir.

Çalışmada bu devreden 2 adet kullanılmıştır. Bunlardan biri alternatörün ürettiği gerilimi, diğeri alternatörün devir sayısını ölçmek için kullanılmaktadır.

LV 25- P Is Rm

+

- M

+

- 0V -HT

+HT +HT

-HT

Şekil 7. LV-25P Gerilim algılayıcısının bağlantı şekli.

Gerilim algılayıcıları Hall-Effect prensibi ile çalışırlar ve hat ile izoleli çalışma prensibine sahiptirler. Ayrıca algılayıcı

%99,2 gibi çok yüksek doğruluk oranına, çok yüksek doğrusallığa, yüksek band genişliğine ve düşük cevap zamanına sahiptir [10]. Rm direnci 12V da maksimum 190Ώ minumum 30Ώ bağlanabilir. R1 direnci 25 KΏ akımı 10 mA olduğu zaman maksimum 250 volt gerilim ölçebilir.

Hata tespit yazılımının akış diyagramı Şekil 8’de verilmektedir.

E Basla

Akim, gerilim, devir bilgilerini

oku

Akim,gerilim ve devir sayisini hesapla,LCD'de göster

Basla Butonuna Basildi mi? H

E

Akim,gerilim ve devir sayisini hesapla

0<Devirsayisi<1500 arasinda mi?

H

E

19<akim<22 arasinda mi?

12<gerilim<14 arasinda mi?

E E Alternatör Normal

Çalisiyor.

Lcd de göster.

H H

18<akim<18.25

arasinda mi? 11.3<gerilim<11.5 arasinda mi?

E

H H

Çift Sargi Kopuk arizasi var.

Lcd de göster E

18.25<akim<18.5 arasinda mi?

11<gerilim<11.3 arasinda mi?

E

H H

Regulator arizasi var.

Lcd de göster

18.5<akim<19

arasinda mi? 11<gerilim<11.2 arasinda mi?

E

H H

Tri Diyot bozuk . Lcd de göster E

Devir=0 Devir sayisi sifira

esitmi?

H

E Kayis Kopu arizasi

var.

Lcd de göster.

Dur butonuna basildimi?

E

H

Bitir

**

*

** Belirtilen alandaki sorgulama devir sayısının aralığına bağlı olarak

* ile gösterilen yerde tekrar edilmektedir.

Şekil 8. Hata tespit yazılımının akış diyagramı.

4. Sistemin Test Edilmesi

Şekil 9’da PicoScope 6 Automotive digital osilaskop ile alternatörde oluşan regülatör arızasının akım, gerilim ve devir değerlerindeki değişimi gösterilmektedir. Regülatör arızası meydana geldiğinde gerilim değerinde çok net bir düşüş görülmektedir. Şekil 10’da alternatördeki sargıların birinin kopması sonucunda akım, gerilim ve devir değerlerindeki değişim verilmektedir. Şekil 11’de Tridiyot bozulduğunda akım, gerilim ve devir değerlerindeki değişim verilmektedir.

Şekil 9. Alternatörde regülatör arızası var.

Şekil 10. Alternatörde sargı kopuk arızası var.

Şekil 11. Alternatörde trio diyot bozuk arızası var.

gerilim

devir

akım

gerilim

devir akım

gerilim

akım

devir

Yapılan deneyler sonucunda teşhis edilen alternatör hataları;

1. Tridiyot bozuk arızası 2. Regülatör arızası 3. Kapalı devre arızası 4. Açık devre arızası 5. Kayış kopuk arızası

Şekil 12 ve Şekil 13’te örnek hata tespit sonuçları verilmektedir.

Şekil 12. Tridiyot arızası LCD’de gösterimi.

Şekil 13. Kayış Kopuk arızası LCD’de gösterimi.

4. Sonuç ve Öneriler

Bu çalışmada uzman sistem kullanılarak pençe tipi alternatörlerde hata teşhisi yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda 42 adet arızalı durumdan 36 tanesi doğru tespit edilmiştir. Pençe tipi alternatörlerdeki 5 adet arızanın

% 85 doğrulukla tespiti yapılmaktadır. Sistemde yüksek performanslı, analog çevirme zamanı hızlı işlemci veya mikrodenetleyici kullanıldığında ve farklı yapay zeka teknikleri sisteme uygulandığında daha yüksek doğrulukta sonuçlara ulaşılabilir.

Kaynaklar

[1] Denton, T., Automobile electrical and electronic systems, Butterworth-Heinemann 3 edition, 2005.

[2] http://tr.wikipedia.org/wiki/Alternat%C3%B6r.

[3] Nabivey, V., Vasif, Yapay zekâ, Ankara,2005.

[4] http://www.mclarebelectronics.com/Prodpcts.asp?type

=Alternators.

[5] Rivas, J.M., Perreault, D.J. and Keim, T., Performance improvement of alternators with switched-mode rectifiers, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 19, no. 3, September 2004

[6] Murray, A., Hare, B. and Hirao, A., Resolver position sensing system with integrated fault detection for

automotive applications Sensors, Proceedings of IEEE, 2002.

[7] Moyes, A., Burt, G.M., McDonald, J.R., Capener, J.R., Dray, J.and Goodfellow, R., The Application of Expert systems to fault diahnosis in alternators, University of Strathclyde, UK. Electrical Machines and Drivers, September 1995.

[8] Auckland, D.W., Pickup, I.E.D., Shuttleworth, R., Wu, Y.-T.and Zhou, C., Novel approach to Alternator field winding interturn fault detection, Generation, Transmission and Distribution, Vol: 142, 1995.

[9] Das, K., Ghosh, D. and Dasgupta, D., Microprocessor based protection of Alternator against stator insulation failure, Howrah India, 1995.

[10] Lem Solutions for Electrical Measurements, Datasheet, http://sensors-transducers.Globalspec.co m /datasheets/290/LEMUSA, 2001.