Şebekeden Bağımsız Çalışan Sincap Kafesli Bir Asenkron Generatörün Sürekli ve Geçici Durum Analizi

Transkript

1 016 Publihed i 4th Iteratioal Sympoium o Iovative Techologie i Egieerig ad Sciece 3-5 November 016 (ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey) Şebekede Bağımız Çalışa Sicap Kafeli Bir Aekro Geeratörü Sürekli ve Geçici Durum Aalizi * 1 Mutafa Yılmaz, Hüeyi Altıkaya ve 3 Mehmet Akbaba * 1 Mühedilik akültei, Elektrik-Elektroik Mühediliği Bölümü, Karabük Üiveritei, Türkiye Mühedilik akültei, Elektrik-Elektroik Mühediliği Bölümü, Karabük Üiveritei, Türkiye 3 Mühedilik akültei, Bilgiayar Mühediliği Bölümü, Karabük Üiveritei, Türkiye Özet Yeileebilir kayaklarda ola rüzgar türbileride üretile eerjii şebekeye etegrayouda gerekli şartları ağlaabilmei ve güç kaliteii korumaı açııda, kullaıla geeratörleri çalışma karakteritiklerii bilimei öem kazamaktadır. Bu bildiride, rüzgâr türbileride gerilim üretmek içi kullaıla makie yapıları icelemiş ve e fazla tercih edile aekro motoru geeratör olarak çalışma karakteritiği üzeride çalışma yapılmıştır. Şebeke bağlatılı olarak çalışa itemlerde geeratör çıkışıdaki gerilim, freka gibi büyüklükler şebekeye uygu olarak otomatik ayarlamakta ike doğruda yüke bağlı geeratörde çıkış gerilimi ve frekaı kotrollü bir şekilde ayarlamaı gerekmektedir. Bu çalışmada aekro motoru matematikel modeli üzeride, doğruda yüke bağlı olarak çalıştığıda ürekli ve geçici halde çıkış akımı-gerilimi, freka değişimi icelemiştir. Aahtar Kelimeler: Sicap kafeli aekro geeratör, rüzgar türbii, yeileebilir kayak etegrayou, Steady-tate ad Traiet Aalyi of a Stad-aloe Operatig Sequirrel Cage Iductio Geerator Abtract I itegratio of eergy produced by wid turbie, which i the oe of reewable eergy ource, for realizig the requirig coditio ad maitaiig the power quality, the operatig characteritic of the geerator are gaiig importace. I thi tudy the tructure of the machie that ca be ued a geerator have bee tudied ad cocetratio ha bee directed o the characteritic of the equirrel cage iductio motor which more preferably ued a iductio geerator. I cae of geerator itegrated with ifiite bu ytem the geerated voltage ad frequecy are cotrolled by the bu ytem where a for the tad-aloe geerator directly coected to the load the geerated voltage ad the frequecy eed to be cotrolled exterally. I thi tudy uig mathematical model of iductio motor the traiet ad teady-tate voltage curret ad frequecy of a iductio geerator have bee tudied. Keyword: Sequirrel cage iductio geerator, wid turbie, itegratio of reewable ource. *Sorumlu yazar: Adre: Mühedilik akültei, Elektrik Elektroik Mühediliği Karabük Üiveritei, 78050, Karabük TÜKİYE. E-pota adrei: mutafayilmaz@karabuk.edu.tr, Tel: ax:

2 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey Giriş Yeileebilir kayaklarda elde edile eerjii verimliliği ile ilgili çalışmalar devam ederke, üretile eerjii etegrayouda ortaya çıka problemleri çözümüde tadartları oluşturulmaı ve etegrayo problemlerii çözümü içi araştırmalar yapılmaktadır. Etegrayou alçak gerilim şebekei, orta gerilim şebekei veya eterkoekte item üzeride yapılmaı içi gerekli yükümlülüklerle ilgili yöetmelikler hazırlaırke, dağıtık üretimi yaygılaştığı güümüzde dağıtım şebekei üzeride yapıla etegrayolar da artarak devam etmektedir. Giderek yaygılaşa rüzgar türbileride kullaıla geeratörleri çalışma karakteritiklerii bilimei bu alamda daha da öem kazamaktadır.. üzgar Türbileride Kullaıla Geeratörler üzgâr türbileride kullaıla jeeratörler eerji kayağıı karakteritiği edeiyle, ürekli değişe bir mekaik güç ile tahrik edilerek çalışmaktadırlar. Yapıları bakımıda ııfladırıldığıda, kullaıla jeeratörleri 3 grupta toplamak mümküdür; 1. Sekro Geeratörler a) otoru Sargılı Sekro Geeratör (SSG) b) Sürekli Mıkatılı Sekro Geeratör (SMSG). Aekro Geeratörler a) Sicap Kafeli Aekro Geeratör (SKAG) b) otoru Sargılı Aekro Geeratör (SAG) 3. Doğru Akım Geeratörü (Aahtarlı elükta Jeeratör (AG)).1. Sekro Geeratörler Sekro geeratörler, bezer güçteki diğer makielerle kıyaladığıda maliyetleri daha fazla ve yapıları daha karmaşık ola makielerdir. Yapı olarak, bilezik ve fırça yardımı ile doğru akım kayağıa bağlı olarak yada abit mıkatıla mayetik alaı oluştura bir rotor ve gerilim üreterek bağlı buluduğu bara/yükü beleye üç faz argılarıı buluduğu tatorda meydaa gelir. Sabit hızlı itemler içi daha uygu bir yapıda ola bu geeratörler, abit hıza bağlı olarak abit bir frekata çalışırlar. üzgar türbileride kullaıla ekro geeratörlerde, mayetik ala oluşumu içi rotora uygulaa doğru gerilim şebekede ağlaır. Şebekede alıa alteratif gerilim doğrultularak doğru gerilime çevrildikte ora fırçalar ve bilezikler yardımıyla rotor argılarıda durgu bir mayetik ala meydaa getirir. üzgâr tahriki ile döe rotordaki mayetik ala tator argılarıı keerek gerilim üretilmeii ağlar [1] otoru Sargılı Aekro Geeratör Ala argılı ekro geeratör gerilim kayaklı iki döüştürücüde oluşa dört bölgeli bir güç kovertörü üzeride şebekeye bağlamaktadır. Dalga geişlik modülayou ile çift yölü olarak kotrol edilebile bu yapı üzeride tator argılarıda üretile gerilim şebekeye aktarılmaktadır. Bu iki döüştürücüde şebeke tarafıdaki kovertör geeratörü ürettiği aktif ve reaktif gücü düzelerke, tator argılarıa bağlı ola ie elektromayetik torku kotrol eder. Elektromayetik tork, tator akımıı tamamı kullaılarak üretildiği içi verimi yükek olmaı ağlamıştır.

3 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey 395 Geeratör, güç faktörüü doğruda kotrolü içi uygu bir yapıdadır. Çıkık kutuplu ala argıı bu işlem içi uygu yapıyı meydaa getirirke ayı zamada çalışma ıraıda tator akımı miimize edilebilmektedir. Kutup ayıı arttırılarak düşük hızlarda üretim yapılabilir. Bu durumda pervae milie bağlı dişli iteme ola ihtiyacı ortada kaldırmaktadır. Daimi mıkatılı geeratörle kıyaladığıda rotoruu argılı olmaı bir dezavataj olarak karşımıza çıkmaktadır. Bua ilave olarak iteme aktarılacak aktif ve reaktif gücü kotrolü içi gerekli ola, ormal rüzgar gücüde %0 daha fazla güce ahip koverter ihtiyacı da bulumaktadır []..1.. Daimi Mıkatılı Sekro Jeeratör Mayetik alaı oluşturmak içi kullaıla argıları yerii daimi mıkatıları almaıyla; argılar, bilezik ve fırçalar kullaılmadığı içi makie yapıı adeleştirilmiştir. Şebekeye bağlatı içi üretile üç fazlı gerilim doğrultuldukta ora iteile DA eviyeie yükeltildikte ora DA/AA kıyıcıı kullaılmıştır. Burada kullaıla DA-DA kıyıcıı yükeltici tip olup elektromayetik torku da kotrol etmektedir. Güç faktörüü kotrol ede şebekeye bağlı kovertörü bir diğer işlevi de DA lik gerilimii regüle etmektir. Bu yapı daha çok küçük güçlü rüzgar türbileride tercih edilmektedir []. Daimi Mıkatılı Sekro Geeratörü avatajları; Uyartım içi harici bir kayağa ihtiyaç duymazlar. Gerilim üretimi farklı hızlarda yapılabilir. Bait yapıda olduklarıda fazla bakım gerekmez. Düşük güçlü uygulamalarda ekoomik çözüm ağlarlar. Dezavatajları; Daimi mıkatıları maliyeti yükektir. Diyotlu doğrultucular kullaılarak akımı geliğii arttırmak gerekmektedir. Daimi mıkatılar özelliklerii kaybedebilirler. Geeratörü güç faktörü kotrol edilememektedir... Aekro Geeratörler Mekaik olarak bait bir yapıda olmaları, ağlamlığı ve fiyatıı düşük olmaı edeiyle aekro motorlar özellikle rüzgar türbileride geeratör tercih edilmektedir. Bua ilavete değişke rüzgar hızlarıda tork titreşimlerii azaltma kouuda iyi bir performaa ahiptirler. Mıkatılama içi reaktif akıma ola ihtiyaçları bu itemi dezavatajlı yöüdür [3,4]...1. Sicap Kafeli Aekro Geeratör Şekil 1. Sicap kafeli aekro geeratör şebeke bağlatıı

4 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey 396 otor argıları prelemiş ilili acları oluklarıa alümiyum dökümde yapıla bu geeratörler abit hızlı ve değişke hızlı itemlerde kullaılabilmektedir. Mayetik gürültüyü azaltmak ve iyi bir kalkıma mometi elde etmek içi rotor çubukları mile paralel değil, mille belli bir açıda olacak şekilde yapılmıştır. Makiei fırçaız, ağlam ve güveilir ola bu yapıı ile birlikte maliyetii düşük olmaı tercih edelerii başıda gelmektedir. Çok tercih edile bu yapıı olumuz yöleri şulardır [5,6]; Geeratör parametreleri ıcak ve frekala değişmektedir. Bu durum itemi kotrolüü karmaşık hale getirerek zorlaştırmaktadır. Momet-hız eğrii lieer olduğu içi rüzgâr hızıda meydaa gele değişimler şebekeye doğruda iletilir. Bu dalgalamalar şebekeye bağlatı oktalarıda akımı ormal değerlerii 7-8 katıa çıkmaıa ede olabilmektedir. Makie reaktif güç tüketir. Zayıf şebekelere bağlaa büyük güçlü türbilerde bu durum şebeke içi bir problemdir. eaktif güç tüketimii kompazayo içi kullaıla kapaitörlerle degelemei gerekmektedir.... otoru Sargılı (Bilezikli) Aekro Geeratör (SAG) Bu gearatörde diğeride farklı olarak rotor da argılar bulumaktadır ve argı uçları rotor üzerideki bileziklere bağlıdır. Bileziklere tema ede fırçalar yardımıyla bu argılar bir DA kayağıa ya da ayarlı direce bağlaabilmektedir. Bu bağlatı ayeide rotoru elektrikel parametereleri ayarlaabilmekte ve rotor gerilimi değiştirilebilmektedir. Motor olarak çalışmada rotor üzeride yapılabile bu ayarlamalar ayeide motor hızı kotrol edilebilir. Geeratörü icap kafeli yapıya göre daha pahalı olmaı ve bakım gerektire parçalarıı olmaı bir dezavataj olarak karşımıza çıkmaktadır..3. Doğru Akım Geeratörleri Şekil. Aahtarlı relükta geerator (AG) Aahtarlı elükta Geeratör, mekaik yapı olarak güveilir olmaı, tork-güç oraıı yükekliği, verimliliği ve maliyetii düşük olmaıda dolayı o yıllarda çok fazla tercih edilir hale gelmiştir. Bu geeratörde, tatorda bulua çıkık kutupları her birie çoklu argılar yerleştirilmiştir. Çalışma ıraıda uyartım ve üretim şeklide iki farklı durum öz kouudur. Yapı olarak iki aahtar ve her faz içi bağlamış ikişer diyotta oluşmaktadır. Uyartım içi çalışma ıraıda, S1 ve S aahtarları açık poziyodadır, bu durumda tator argıları dışarıda bir kayak tarafıda uyartılarak mayetik alaı oluşmaı ağlaır. Gerilim üretme ıraıda S1 ve S aahtarları kapalı poziyodadır, D1 ve D diyotları üzeride üretile elektrik eerjii iteme aktarılır.

5 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey Sicap Kafeli Aekro Geeratörler Bu bildiride rüzgâr türbileride ıklıkla kullaıla icap kafeli aekro geeratör üzeride çalışma yapılmıştır. Bu geeratör yapı olarak arıza yapacak parçaıı azlığı, maliyetii düşük olmaı, çok bakım gerektirmemei, uyartım içi doğru akım kayağıa ihtiyaç duymamaı gibi başlıca edelerde dolayı tercih edilmektedirler. Doğruda şebekeye bağlı olarak çalışabildiği gibi şebekede bağımız olarak mütakil bir yükü belemek içi de kullaılabilirler. Pervaeye bağlatıı bir dişli kutuu aracılığıyla yapılmakta ola bu geeratörleri kullaımıda farklı uygulamalar yapılmaı öz kouudur. Bu uygulamalar [7]; Sabit hız-abit freka uygulamaları: Büyük güçteki bir şebekeye doğruda bağlaarak %1-5 kayma ile ekro hızı üzeride çalıştırılabile itemlerdir. Değişke hız-değişke freka uygulamaları: Şebekede yalıtılmış kodaatör yardımıyla uyartıla bir düzeekle, güç elektroiği içere itemler kullamaya gerek duymada, ııtıcı, rezita gibi omik yük özelliği taşıya haa olmaya yükleri belemeide tercih edile ve ık kullaıla uygulamalardır. Değişke hız -abit freka uygulamaları: Geeraör çıkışıda AA-DA-AA döüştürücü devreler ile birlikte değişke hızlı uygulamalarıda kullaılırlar. İhtiyaç durumua göre şebekeye bağlı olarak ya da şebekede bağımız çalışabilme yeteeğie ahiptirler. İki farklı abit hızda, belirli bir freka değerii yakalayabilmek içi iki farklı kutup ayıı elde edebilmeyi ağlaya arım şekli uygulamıştır Değişke Hızlı Sitemlerde Çalışa Aekro Geeratör Değişke hızlı itemlerde, şebeke bağlatılı olarak çalışa icap kafeli aekro geeratörü tator argıı, DA likii iki tarafıda back-to-back bağlatılı gerilim kayaklı iki adet darbe geişlik modülayolu iverterde oluşa, dört bölgeli güç koverteri üzeride şebekeye bağlaır. Stator argılarıa bağlı ola koverter kotrol itemi, elektromayetik torku regüle ederke makiei mayetik ala üretebilmei içi gerekli reaktif gücü de ağlar. Şebeke tarafıdaki koverter, itemde şebekeye aktarıla aktif ve reaktif gücü ve ayı zamada DA likii regüle eder [8,9]. Şekil 3. Değişke hızlı itemler içi icap kafeli aekro geeratör bağlatıı

6 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey Kedide Uyartımlı Sicap Kafeli Aekro Geeratör Kedide uyartımlı icap kafeli aekro geeratörde uyartım içi iki eçeek vardır. Stator argıları, 3 fazlı uyarma akım itemi ile birlikte dizay edilmişe, rüzgâr türbiie ve dişli kutuua mil üzeride bağlı ola makie ilk öce motor olarak çalışmaya başlar. Makieye bağlı pervaeye etki ede rüzgâr hızı milde ekro hızı aşacak devir ayııa ulaştığıda, aekro makie otomatik olarak gerilim üretmeye başlar ve elde edile elektrik gücü tator argıları üzeride bağlı bulua şebekeye aktarılır. Gerilim üretilmei içi gerekli ola 3fazlı mıkatılama akımı geeratöre bağlı kapaitörlerde elde edilebildiği gibi makie şebeke ile paralel çalışıyor ie, bu akım şebekede de temi edilebilir [10]. Şebekeye bağlı bir aekro geeratör, mıkatılama içi şebekede reaktif akım çekerke ayı zamada aktif akım da çekere motor olarak çalışmak iteyecektir. Çıkış gerilimii düşmeiyle şebekede çekilecek aktif akımı motor olarak çalışmaya zorlamaı mekaik olarak pervaei geri dömei alamıa gelir ki bu durumda milde, pervaede veya dişli kutuuda haar meydaa gelir. üzgar türbileride ter güç akışı etegrayoda çözülmei gereke öemli problemlerde biriidir. 4. Sicap Kafeli Aekro Geeratör Eşdeğer Devrei Kedide uyarmalı aekro geerator içi eşdeğer devre Şekil 4 teki gibi çizilebilir. Şekil 4. Nomial hız ve frekata aekro geeratör eşdeğer devrei Herhagi bir değerdeki frekaı, temel frekaa oraı; f fb b b r = = b içi rotor ve tator devri içi şu eşitlikler yazılabilir; v b b Hız değişimide dolayı frekata değişecektir, bu durumda yei freka b yerie gelir. Bu durumda hız da değişir. Yukarıdaki eşitliklere göre yei hız ve frekata eşdeğer devre; Şekil 5. arklı hız ve frekata aekro geeratör eşdeğer devrei

7 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey 399 Her taraf ile bölüdüğüde empedaları bölümüyle akımları ayı kalmaı içi gerilimleri de ile bölümei durumuda; Z Z X X I olur. Bu durumda eşdeğer devre; Şekil 6. Her tarafı ile bölümei durumuda eşdeğer devre v b r r 1 1, b b f f p f , v v 1 Döüşümleri yapıldığıda aekro geeratörü yaklaşık eşdeğer devrei aşağıdaki gibi çizilebilir. Şekil 7. Yaklaşık eşdeğer devre eaktif akım degei içi I1r her zama kapaitif olmalıdır, aki halde uyartım gerçekleşmez. Bu durumda I1 i kapaitif olduğuu öylemek mümküdür. otor devreii empedaı da edüktif özelliktedir. Buu oucu olarak Ir edüktiftir ve I edüktif akımdır. Uyartım ve gerilim üretimi içi her zama Im> I1r olmalıdır. Stator ve rotor akımı formülleri; X j jx X j jx I C L L C L L g 1 t g jx v I 1

8 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey 400 Giriş gücü; Çıkış gücü; erim; 5. Bulgular P i 3 I 3 I 3 I v 1 v P out 3LI L v I I L L Aekro geerator içi yukkarıda verile formüller kullaılarak MATLAB ta yapıla aalizler oucuda aşağıdaki ouçlar elde edilmiştir Sürekli Hal Sicap kafeli aekro geeratörü ürekli hal aalizide elde edile grafikler aşağıda verilmiştir. Şekil 8 de yük akımı ile çıkış gerilimii, çıkış gücüü, giriş gücüü ve rotor akımıı değişimi verilmiştir. Şekil 8. SKAG ürekli hal yük akımı değişimleri Yük akımı arttıkça çıkış gerilimii düştüğü görülmektedir. Şebekede gerilimi abit kalmaı gerektiğide bu durum etegrayoda çözülmei gereke problemlerde biridir. Yük akımıı artışı ile birlikte giriş gücü, çıkış gücü ve rotor akımıı da arttığı görülmektedir. Şekil 9. SKAG ürekli hal yük akımı-mıkatılama empedaı ve freka grafikleri

9 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey 401 Yük akımıı yükelmei oucuda mıkatılama empedaıı artışı ile birlikte frekaı bir miktar düştüğü görülmektedir. 5.. Geçici Hal Sicap kafeli aekro geeratörü formülleride d-q döüşümleri yapıldıkta ora, geçici hal aalizide elde edile grafikler aşağıda verilmiştir. Şekil 10. SKAG geçici hal mıkatılama akımı ve mayetik reakta değişimi Şekil 11. SKAG geçici hal kedi kedie uyartım gerilimi, akım, tork ve hız grafikleri Şekil 1. SKAG geçici hal uyartım ve yük akımı değişimi Şekil 13. SKAG kapaitör akımı değişimi

10 M.YILMAZ ve diğ./ ISITES016 Alaya/Atalya - Turkey Souç ve Değerledirme Geeratör karakteritiğii modellemei, şebekedeki üretim kapaite ıırlarıı tepiti, güç kaliteii beirlemei ve ileriye döük olarak yapılacak ola item geişlemelerii plalamaıda yol göterici olabilmektedir. Bu çalışmada rüzgâr türbileride şebekeye aktarılacak eerjiyi ürete geeratörler iceleerek bu makieler içide e yaygı kullaım alaıa ahip ola aekro motoru geeratör olarak kullaıldığıda geçici ve ürekli hal aalizi yapılmıştır. MATLAB ta yapıla aalizler oucuda şebekeye bağlı olarak çalışa aekro geeratörü yük akımı arttıkça çıkış gerilimii düştüğü gözlemiştir. Şebeke güç kaliteii belli tadartlarda olmaı gerektiği düşüüldüğüde, yük akımı ile gerilimi düşmei güç kaliteii ürdürülebilirliği açııda oru olarak görülmektedir. Soraki çalışmalarda bu oruu çözümü üzerie odaklamaya çalışılacaktır. Bu çalışma oucuda ve diğer akademik çalışmalar göz öüe alıdığıda icap kafeli aekro geeratörü rüzgar türbileri içi uygu bir yapıda olduğuu öyleebilir. Kayaklar: [1]Merge, A..,Zorlu, S.,(005). Elektrik Makieleri III Sekro Makieler, BireYayıevi. []Murat UYA, Muhi Tuay GENCOĞLU, Selçuk YILDIIM, Değişke Hızlı üzgar Türbileri İçi Geeratör Sitemleri, 006. [3]Our Çopçuoğlu, Güve Öbilgi, Yel Eerjii Döüşüm Sitemleri İçi Uygu Geeratör Türlerii Değerledirilmei, 008. [4] "Wid Turbie Grid Coectio ad Iteractio, Deutche Wideergie-Ititut Tech wie A/S, DM Eergy, f, 001 [5] Wid Power Geerator i Uited Kigdom [6] Elektrik İşleri Etüd İdarei web ayfaı- [7].C. Baal : Three-Phae Self Excited Iductio Geerator: A Overview, IEEE Traactio o Eergy Coverio, ol.0, No., Jue 005. [8] Polider, H., Haa S.W.H., Duboi, M.., Sootweg, J.G., Baic Operatio Priciple ad Electrical Coverio of Wid Turbie, NOPIE 004, Nordic Workhop o Power ad Idutrial Electroic, Jue 004, Trodheim, Norway. [9]"Wid Turbie Grid Coectio ad Iteractio, Deutche Wideergie-Ititut Tech wie A/S, DM Eergy, f [10] Apaydı M., Ütü A. K., Kurba M. ve ilik Ü. B., "üzgar Eerjiide Kullaıla Aekro Jeeratörler",.Yeileebilir Eerji Kayakaları Sempozyumu, Diyarbakır, 009.