THREE PHASE INDUCTION MOTOR FIND THERMAL ANALYSIS AND LOST POWER USE LUMPED CIRCUIT MODEL

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS 09), Mayıs 2009, Karaük, Türkiye LUMPED-DEVRE MODELİ KULLANARAK 3 FAZLI ASENKRON MOTORUN TERMAL ANALİZİ VE KAYIPLARININ BULUNMASI THREE PHASE INDUCTION MOTOR FIND THERMAL ANALYSIS AND LOST POWER USE LUMPED CIRCUIT MODEL Yusuf ÖNER a,fatih GÖKDEMİR, Engin ÇETİN C a, * Pamukkale Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Denizli, Türkiye, yoner@pamukkale.edu.tr Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Denizli, Türkiye, fgokdemir@yahoo.om Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Denizli, Türkiye, eetin@yahoo.om Özet Bir motorun tasarımı için önemli olan unsurlardan iriside motorun termal yapısıdır. Yani motorun çalışma süresine parçalarında oluşaak termal sıaklıkların öneden hesaplanması ve uygun malzemelerin seçilmesi gerekir. Bu hesaplamaları yapailmenin iki genel metodu vardır. Bunlar analitik Lumped devre modeli ve nümerik analizdir. Bu çalışmanın amaı 3 fazlı ir asenkron motorun Lumped devre modelinin çıkartılması ve Motorad paket programı kullanılarak motor parçalarının termal değerlerinin ulunmasıdır. Aynı zamanda ulunaak termal değerler sonuunda her ir parçada ısı yoluyla kayolan güçte hesaplanaileektir. Motor dış kılıfları motorun termal değerlerine etki eden faktörlerdendir. Dış kılıfın yapısı, soğutma kanatçıklarının sayısı, oyutları ve dış kılıfın yapıldığı malzeme motorun termal değerlerini elirler. Bu çalışmada aynı zamanda motorun dış kılıf malzemeleri ve yapıları değiştirilerek en uygun malzeme ve dış kılıf şekli seçilmiştir. Sonuç olarak seçilen malzeme ve dış kılıflara göre motorun termal kayıpları ulunmuş olur. Bu kayıplar grafiklerle gösterilmiştir. Anahtar kelimeler: Lumped devre modeli, Termal analiz Astrat Thermal onstrution of the motor is very important a motor design. That is, the omponents heat of the motor must pre alulation. There are two general heat alulation method. These are Lumped-iruit model and numerial analysis. The work aim omponents of three phase indution motor thermal analysis. In the same time omponents of the indution motor will e alulation the lost power. model ısı dirençlerini, ısı kapasitanslarını ve güç kayıplarını temel almaktadır. Isı analizi sırasında, elektrik sistemi içinde irçok Lumped ileşenleri içeren geometriler olarak tanımlanır ve her ir ileşen ısı dirençlerinin lineer ağları sayesinde ilişkili komşu ileşenler ısı üretir ve ısı depolarlar. Şekil 1 de asit ir ısı sisteminin ısı ağı gösterilmiştir. Lumped parametreleri oyut ilgilerinden, tasarımda kullanılan malzemelerin termal özelliklerinden ve sait ısı transfer katsayılarından çıkarılır. Kararlı ısı devre şartlarında ısı dirençleri ve ileşenler arasında ısı kaynakları ir noktada irleştirilir. Tranzient analiz için, ısı termal kapasitansları zamanla gövde içindeki enerji değişimleri hesaa katılarak kullanılır. Literatüre akıldığında Boglietti ve arkadaşları Motor-Cad termal analiz paket programını kullanarak 2,2 kw ve 4 kw senkron relüktans motorun ve indüksiyon motorun termal analizlerini yaparak iki motoru karşılaştırmışlardır [1]. P.H. Moller ve arkadaşları farklı güçlerdeki indüksiyon motorların Lumped parametreli termal modelini geliştirmişler ve deneysel sonuçlarla karşılaştırmışlardır [2]. Z. J. Liu ve arkadaşları Lumped devre modeli ile sait mıknatıslı fırçasız doğru akım motorunun analizini gerçekleştirmişlerdir [3]. W. H. Tang ve arkadaşları güç transformatörlerinin termal modelini çıkarmış ve genetik algoritma ile termal analiz yapmışlardır [4]. D. A. Staton kopmak motorların ilgisayar destekli termal tasarımını ve analizini gerçekleştirmiştir [5]. Dieter Gerling ve Gurakuq Dojaku Lumped termal modelinin tasarımını ve analizini gerçekleştirmişlerdir [6]. Y. K. Chin ve arkadaşları iki farklı tiari analiz paketi kullanarak (Motor-Cad ve FEMLAB) sait mıknatıslı senkron motorun termal analizini hem Lumped devre modeli ile hem de sonlu elemanlar metodu ile gerçekleştirmişlerdir [7]. Outside ase type of the motor make the thermal fator. Outside ase type, numer of ool wings and dimension of the ool wings determine thermal value. As a result of the hosen outside ase find lost power on the motor omponents. The lost power shows the graphi. Keywords: Lumped-iruit, Thermal analysis 1. Giriş Termal Lumped-parametre metodu elektrik sistemlerinin ısı artışının tahmininde kullanılan en popüler metottur. Termal Şekil 1 Basit ir termal sistem ve sistemi oluşturan temel termal ağlar IATS 09, Karaük Üniversitesi, Karaük, Türkiye

2 Bu çalışmalarda yukarıdaki literatürde yapılanların hariinde üç fazlı ir indüksiyon motorun tasarımı sırasında motorun soğutma kısımlarını oluşturan malzemeler ve soğutma tipleri değiştirilerek en uygun soğutma tipi ve malzemesi ulunulmaya çalışılmıştır. 2. Elektrik Makinelerinde Isının Etkisi Bir elektrik makinesinde enerji dönüşümü işlemi süresine ısı içiminde ir miktar enerji kayolur. Bu kayıplar yüksüz durumda oluşan sait kayıplar ve armatür akımının yaklaşık olarak karesi ile değişen yüke ağlı kayıplar olarak adlandırılailir. Sait kayıplar demir, sürtünme, rüzgar kayıpları ve mıknatıslanma akımından kaynaklanan akır kayıplarını içerir. Yüke ağlı kayıplar önelikle sargılardaki akır kayıplarından dolayıdır. Makinenin soğutulmasında kullanılan yalıtım malzemelerinin ısıl olarak sınıflandırılması ile ayarlanan sınırlar içinde makinenin muhtelif parçalarının çalışma sıaklığının kararlı hale getirilmesi sağlanmış olur. Her yalıtım malzemesi makinenin eklenen ömrü ile uygun, yeteri kadar uzun ir periyot içinde güvenilir fonksiyonda ulunaağı elirli ir çalışma sıaklığına sahiptir. Sıaklıktaki oldukça küçük ir artış yalıtım malzemesinin ömrünü ariz ölçüde azaltır. 3. Lumped-Devre Analizi Bu çalışmada termal analizler MOTOR-CAD paket programı ile gerçekleştirilmiştir.[10] Bu program elektrik devrelerine enzeyen temel ağları kullanarak termal prolemleri tanımlar. Sürekli haldeki termal devre motor parça düğümleri arasına ağlı termal dirençleri ve ısı kaynaklarını içerir. Geçii hal analizi gövdenin termal dirençleri ve ısı kaynaklarını içerir. Geçii hal analizinde gövdenin zamanla değişen iç enerjisini hesaa katmak için ek olarak termal kapasitanslar kullanılır. V = Haim, ρ = Yoğunluk = Malzemenin ısı kapasitesidir. [7] Lumped-iruit yaklaşımı ölge ve parçalar arasındaki ara yüz oşlukları gii üretimdeki duyarlılık analizi için idealdir. Bu yaklaşım özellikle yüksek hızlı makinelerin analizinde maddesel etkiye sahiptir. Motor-CAD in yakın anlık hesaplama yeteneği gerçek hayattaki çalışma senaryolarını etkin kılar. Doğru ve optimum ir dizayn için elektromagnetik ve termal dizaynın ikisinin de hesaplanması gereklidir. Bu ikisi arasında güçlü ir etkileşim vardır. Örneğin kayıplar kritik olarak sıaklığa ağlıdır. Diğerini hesaa katmadan iri üzerine çalışma yapılamaz. Bu makalede sanayide en çok kullanılan indüksiyon motorun termal analizleri gerçekleştirilmiştir. Bilindiği gii elektrik motorlarının kayıpları en temel anlamda motorun oyutları ile ilişkilidir. Dolayısıyla yapılaak analizlerde motor oyutlarının doğru ir şekilde girilmesi analizlerin doğru sonuç vermesinin temelini oluşturmaktadır. Bir indüksiyon motor tasarımında motorun oyutları önemli rol oynamaktadır. Taiî ki u oyutlar motorun kayıpları üzerinde de etkili olaaktır. Dolayısıyla u makalede konu edilen termal analizler tasarımı gerçekleştirilmiş ir motor için değil henüz tasarım aşamasındaki elektrik motorları için yapılması gerekli analizlerdir. Şekil 1 de görülen menüde motor oyut parametreleri gerekli yerlere girilmelidir. İletim ve konveksiyon için termal dirençler şu şekilde tasarlanır. l R ondution A. k = [K/W] (1) R onvetion 1 A. h = [K/W] (2) ool Şekil 1 Paket programda tasarlanaak motorun oyut değerlerinin girilmesi Burada; l = Noktalar arası uzaklık, A = Ara yüzey alanı(kesit), A ool = İki ölge arasındaki soğuk ölge, h = Isı yayılım katsayısı, Tasarlanaak indüksiyon motorun geometrik parametreleri doğru ir şekilde girilmesinden sonra motorun ne tür ir soğutma kılıfı ile soğutulaağı seçeneklerden seçilmelidir. Bu hesaplamalar ispat edilmiş deneysel oyutsuz analiz algoritmalarıyla hesaplanmıştır. Isı kapasitesi şöyle tanımlanır. C V.ρ. = [Ws/K] (3) Burada ; a

3 a d d Şekil 2 Dış soğutma kılıfları a) Su kılıflı, ) Radyal kanatlıklı, ) Eksensel kanatlıklı, d) Radyal soğutma oluklu Şekil 2 de indüksiyon motor için seçileileek dış soğutma kılıfları gösterilmiştir. Bu kılıflardan seçilerek motorun termal analizi her ir kılıf için tek tek yapılmalı ve en az termal kayıp modeli seçilmelidir. [8] İndüksiyon motorun dış kılıf seçenekleri yapıldıktan sonra rotorun ne tür ir kanal yapısında imal edileilir unun seçimi yapılmalıdır. 4 farklı seçenek vardır. Ayrıa rotor üzerinde ulunaak kısa devre çuukları da iki farklı tipte seçilerek motorun termal analizleri yapılailir. Bu seçenekler şekil 3 de gösterilmiştir. e f Şekil 3 Farklı rotor tipleri ve farklı kısa devre çuukları Bu tür geometrik datalar girildikten sonra motor stator sargı katmanlarının ölçülendirilmesi yapılır. Daha sonra motorun çalışma şartları programın kullanıısı tarafından programa tanıtılır. Yani motor kaç saniye çalışaak, u zaman içersinde hangi hızla ve hangi yük ile çalışaak, hızlanma ve yavaşlama ivmeleri ne olaak tanımlamaların yapılması gerekir. Şekil 4 de analizlerde kullandığımız indüksiyon motorun hız, ivmelenme ve yük durumları gösterilmiştir. [8] Tasarlanaak olan indüksiyon motorun geometrik dataları ve diğer ilgiler girildikten sonra analiz yapımı için gerekli son aşamaya gelinir. Bu aşamada motorun hangi kılıf tiplerinde ve hangi malzeme insinden yapılaağı tespit edilerek termal analizleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 Motorun hız, ivmelenme ve yük durumları

4 4. Analizler Bu kısımda çeşitli yalıtım malzemeleri kullanılarak termal performans analizleri yapılmıştır. Motorun ısınıp soğutulmasında yalıtım malzemesinin ve kullanılaak motor dış kılıfının etkisi önemlidir. Bu koşul ele alınarak ineleme yapılmıştır ve elirli sonuçlara ulaşılmıştır. Motor termal performanslarını analiz yapmak için üç farklı türde malzeme ve üç farklı türde soğutma sistemi seçilmiş ve analiz yapılmıştır. Bunlardan irinisi alüminyum malzeme yanında su soğutma kanalı kullanılmış ikinisi dökme demir gövde ve eksenel soğutma kılıfı kullanılmış ve üçünüsü ise teflon malzeme ile eksenel soğutma sistemi kullanılmıştır Alüminyum malzeme ve su kılıfı Alüminyum motor kılıfı ve su soğutma kılıfı kullanılmış motorun analiz sonuçları şekil 5 de gösterilmiştir. 4.2 Dökme demir ve eksenel soğutma kılıfı Motor kılıfı u sefer alüminyum yerine dökme demir malzemeden seçilmiştir. Yine soğutma sistemi de eksenel olarak seçilmiştir. Aynı iterasyon, yük, iveme ve hız şartlarında analiz edildiğinde şekil 7 de görülen sürekli hal şematiği analiz sonuunda ulunmuştur. Şekil 7 Dökme demir için sürekli hal şematiği Görüldüğü gii kullanılan malzeme ve kılıf tipine göre rotor yatağında ısı değerleri 197 C ye kadar çıkmıştır. Bunun seei kullanılan malzemenin ısıl iletkenliğinin alüminyum malzemeye göre daha düşük olmasıdır Teflon malzeme ve eksenel soğutma kılıfı Şekil 5 Alüminyum için sürekli hal şematiği Öneden tanımlandığı gii termal direnç değerleri otomatik olarak motor oyutlarından ve malzeme ilgisinden hesaplanmıştır. Hesaplamanın doğruluğu motor içindeki parçalar arasındaki çeşitli ağlantı direnç ilgisine ağlıdır. Motor kılıfı u sefer dökme demir yerine teflon malzemeden seçilmiştir. Yine soğutma sistemi de eksenel olarak seçilmiştir. Aynı iterasyon, yük, iveme ve hız şartlarında analiz edildiğinde şekil 8 de görülen sürekli hal şematiği analiz sonuunda ulunmuştur. Şekil 6 Motorun farklı ölgelerindeki termal değerler Şekil 5 ineleneek olursa rotor ölgesindeki termal değerlerin ºC ulaştığı görülmektedir. Makine içerisinde ki farklı ileşenler için yük çevriminde on iterasyon yaparak termal geçii hal analizi sonuunu şekil 6 da göstermektedir. Görüldüğü gii kanatçıklar makine gövdesini göre çok daha hızlı oranda ısıtır ve soğutur. Bu geçii hal termal analizinin neden gerektiğinin seeidir. Dikkat edilirse sıaklık artışı rotor kısmında daha elirgindir. Şekil 8 Teflon için sürekli hal şematiği Teflon malzeme ve eksenel soğutma sistemi analizlerinden anlaşılaağı gii rotor devresindeki termal değerler 430 ºC lere kadar çıkmıştır. 5. Sonuçlar ve Görüşler Bu çalışmada Termal analiz paket programı ile 1500 dv/dk çalışma hızında elde edilen motor sıaklık dağılımları inelenmiştir. Şekil de motorun sıaklık değişimleri görülmektedir. Motor, farklı malzeme ve kılıfta çalışırken,

5 ısıdaki artışa ağlı olarak kayıplardaki artış hesaplanailir. Motordaki u sıaklık değişimleri kullanılan malzemenin ısıl iletkenliğiyle yakından ilişkili olduğunu daha önede elirtmiştik. Görüldüğü gii teflon malzeme kullanıldığında rotor yüzeyinde aşırı sıaklılar meydana gelmiştir. Bunun seei, teflonun iyi ir yalıtkanlık özelliğine sahip olmasıdır. [9] Görüleeği gii ir indüksiyon motoru tasarlarken yalnız mekanik, manyetik değil aynı zamanda termal analizlerinin de yapılması gerekmektedir. Hatta termal analiz yapılırken farklı malzemeler ve farklı soğutma sistemleri analize katılmalı en uygun olanı motor tasarımı için seçilmelidir. Bu yapılan analizler sonuunda öyle ir indüksiyon motor için en uygun stator malzemesi alüminyum ve en uygun soğutma kılıfı da su kanallı soğutma olarak seçilmiştir. Taiî ki u her oyuttaki indüksiyon motor için geçerli ir analiz sonuu değildir. Her tasarım için ayrı ayrı analizler yapılmalıdır. Kaynaklar [1] Boglietti, A.; Cavagnino, A.; Pastorelli M., D. Staton,; Vagati D.; Industry Appliations, IEEE Transations on Volume 42, Issue 3, May-June 2006 Page(s): [2] Mellor, H.; Roerts, D.; Turner, R.: Lumped parameter thermal model for eletri mahines of TEFC design. IEE Proeedings on industry appliation, Vol. 138, No. 5, Septemer 1991 [3] Liu, Z. J.; Howe, D, Mellor, P. H.: Thermal analysis of permanent magnet mahines. IEE Proeedings on Eletrial Mahines and Drives, Pages: [4] Tang, W. H.; Wu, Q. H.; Rihardson, Z. J.: A Simplified Transformer Thermal Model Based on Thermal- Eletri Analogy. IEEE Transations on Power Delivery, Vol. 19, No. 3, July [5] Staton, D.A.: Thermal Computer Aided Design Advaning the Revolution in Compat Motors, IEEE- IEMDC Conferene, MIT, Massahusetts, USA, June [6] Dieter Gerling, Gurakuq Dajaku; Novel Lumped Parameter Thermal Model for Eletrial Systems Power Eletronis and Appliations, 2005 European Conferene on Pages: 1.10 [7] Y.K. Chin, E. Nordlund; D. A. Staton; Thermal Analysis Lumped Ciruit Model and Finite Element Analysis, The 6th International Power Engineering Conferene Novemer Pan Paifi Hotel, Singapore [8] Motor-CAD v1.6(14), Motor Design Ltd. [9] GÖKDEMİR, F. 3 Fazlı Asenkron Motorun Motor- Cad Programı İle Isıl Analizi Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Bölümü Bitirme tezi, 2008.