1 kW Silisyum Karbür (SiC) Seri-Seri Rezonant DC-DC dönüştürücü ile Kablosuz Kontak Halkası Geliştirilmesi

Proje Koordinatörü: Asst. Prof. Ozan KEYSAN

Proje Tipi: TÜBİTAK 1001 Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme Programı

Proje Bütçesi: 380.000 TL

Proje Süresi: 24 Ay

Proje Başlangıcı: 01 Kasım  2019

Desteklenen Personel: 3 yüksek lisans öğrencisi (tam zamanlı)

 

Endüktif kablosuz güç aktarımı son yıllarda ufak güç uygulamalarında popülerlik kazanmış, yüksek güçlerde (>1kW) ise özellikle kablosuz elektrik araç şarj sistemleri alanında çalışmalar  yapılmıştır. Henüz yeterince çalışma yapılmamış, kablosuz güç aktarımının uygulanmasın seyrek olduğu, mevcut ürünlerin kısıtlarının olduğu bir alan ise endüstriyel kontak halkası (İng. slip ring) uygulamalarıdır. Kablosuz güç aktarımının uygulanabileceği alanlara örnek olarak savunma sanayinde radar-güdüm sistemlerinin döner mekanizmaları, rüzgar türbinlerinde kanat açısını ayarlayan servo motorların elektrik beslemelerinde kullanılan kontak halkaları gösterilebilir. Bu alanda kablosuz uyartım sistemleri (İng. brushless exciter) bulunsa da, bu ürünlerin düşük hız aralığı, verim gibi eksikliklerinin yeni bir yaklaşımla giderilmesi amaçlanmaktadır.

Önerilen projede yüksek güçlü kontak halkaları uygulamalarında alternatif olarak kullanılabilecek, geniş hız aralığında çalışmaya uygun, yüksek verimli, modüler ve hata toleranslı bir kablosuz güç aktarım sistemi geliştirilecektir. Geniş hız aralığında çalışma koşulunu sağlamak için manyetik kuplaj problemini çözecek manyetik ped tasarımı, seri-seri rezonant dönüştürücü [2] güç elektroniği devresi tasarımı geliştirilecektir. Sistemin sıfır hız dahil, 3000 rpm’e kadar geniş bir hız aralığında çalışması amaçlandığından, manyetik kuplaj değişimini dikkate alacak sonlu elemanlar manyetik tasarımları ve değişen rezonant frekansını belirleyecek kontrol algoritmaları geliştirilecektir.

Endüstride kablosuz kontak halkaları konusunda bazı ürünler bulunmaktadır (Şekil 1a). Ancak bu sistemlerin dairesel manyetik alıcı ped ve manyetik eksenleri ortak sabit bir dairesel manyetik verici pedlerden oluştuğundan mevcut şaft yapısının değiştirilmesi gerekmektedir. Şekil 1.b‘de modüler bir yapıda çalışacak iki primer ve dört sekonder sargı görülmektedir ve bu yenilikçi kablosuz güç aktarımı sistemi aşağıdaki yenilikleri kapsayacaktır:

  • Modüler yapı: Çoklu verici ve çoklu alıcı manyetik ped tasarımı ile hataya toleransının arttırılması ve geniş bir çalışma hız aralığı hedeflenmektedir. Herhangi bir arıza durumunda paralelli yapı hata toleransını arttıracaktır. Mekanik olarak değişikliğe ihtiyaç duymadan, mevcut mekanik sisteme doğrudan entegre edilebilecektir.
  • Seri-Seri Rezonant Dönüştürücü : Paralel modüllü Rezonant DC-DC dönüştürücüler sayesinde tüm sistemin verimi yüksek tutulması hedeflenmektedir (>%90). Yüksek akım ve gerilim değerlerinden dolayı DC-DC dönüştürücüdeki anahtarların anahtarlama ve iletim kayıplarını azaltmak için sıfır voltaj/akım anahtarlaması yapılarak verim yükseltilecektir.
  • Silisyum Karbür (SiC) Yarıiletkenler: Düşük anahtarlama kayıpları ve yüksek güç olanağı sağlaması nedeniyle sistemin küçülmesi mümkün olacak ve verimi Si MOSFET ve Si IGBT lere göre daha yüksek olacaktır. Böylelikle projede SiC teknolojileri ve ilerideki uygulamalar için bir temel oluşturulması amaçlanmaktadır.

Proje sonucunda 1 kW güç aktarımı yapabilecek 0-3000 rpm arası hızlarda çalışan bir prototip üretilecektir. Prototip laboratuvar ortamında test edilerek TRL-6 (Teknoloji hazırlık seviyesi) seviyesine getirilerek, ticari bir ürün için gerekli bilgi birikimi oluşturulacaktır. Proje sonrasında ürünün start-up şirketi aracılığıyla ticarileştirilmesi, endüstriyel ve savunma sanayi uygulamalarında kullanılabilecek bir ürün gamı için akademik bilgi birikimini arttırması, ve ülkemizin bu alandaki yetişmiş insan gücünün arttırılması amaçlanmaktadır.

1_kW_Contactless

    Şekil 1: (a) Endüstriyel kablosuz kontak halkası  (b) Projede geliştirilecek modüler kablosuz güç aktarımı ünitesi