SENKRON RELÜKTANS MAKİNASININ ANALİZİ

Transkript

1 SENKRON REÜKTANS MAKİNASNN ANAİZİ Esoy BEŞER 1 H.Taık DURU 2 Sai ÇAMUR 3 Biol ARİFOĞU 4 Esa KANDEMİR 5 Elektik Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi Koeli Ünivesitesi, Vezioğlu Kampusü, 411, Koeli 1 e-posta: [email protected] 2 e-posta: [email protected] 3 e-posta: [email protected] 4 e-posta: [email protected] 5 e-posta: [email protected] Anahta sözcükle: Senkon Relüktans Makinala, İndüktans Ölçümü, Modelleme ve Simulasyon. ABSTRACT n this pape, studies aout Synchonous Reluctance Machines (SyncRel) ae eviewed. nductance paametes of SyncRel ae detemined y using Finite Element Analysis (F.E.A) and accoding to the esults, two diffeent oto types ae manufactued (R1, R2). inductance paametes ae measued. Measued inductance paametes ae conveted into the peiodil functions y using Fouie Tansfom. They ae used fo uilding the mathematil model of the machine in the a,,c phase fame and the model is simulated. n addition phase-neutal voltage(v an ) and phase cuent (i a ) ae measued fo R1 and R2 and they ae compaed with simulation esults.. 1. GİRİŞ Senkon elüktans makinala (SRM) süekli mıknatıslı doğu akım, süekli mıknatıslı senkon ve asenkon makinalaı da içine alan fıçasız altenatif akım makina ailesi içinde ye almaktadı. 196 ve 197 li yıllaa kıldığında, SRM, kendinden yol almalı tek hızlı uygulamalada kullanılmıştı. Ucuz, sağlam ve imalatının kolay olması nedeniyle tecih edilmesine ağmen, veiminin ve güç faktöünün düşük olması gii seepleden dolayı u makina üzeine olan çalışmala azalmış ve 198 lee kada etelenmişti[1]. 198 leden sona, güç elektoniği teknolojisi ve vektö kontol yöntemleinin gelişmesi ile ilikte SRM üzeine olan ilgi teka atmıştı. Ayı geliştiilen yeni tasaımla sayesinde d / q oanı yükseltilmişti. Bu sayede, güç katsayısı ve veim paameteleinin de iyileşmesi sağlanmıştı. Bu nedenleden ötüü SRM, sevo uygulamalada diğe makinalaa altenatif i makina olmaya şlamıştı. Senkon elüktans makinala ucuz, yapılaı sit ve imalatlaı kolaydı. Yapılaının sağlam olması nedeniyle yüksek hızlı uygulamalada kullanılmaya elveişlidi. Soğuk otolu makinadı. Bu yüzden ısınma polemi yoktu. Asenkon makinanın aksine, üetilen elektiksel momenti oto sıklığından ğımsızdı. Rotounda mıknatıs olmadığından dolayı demagnetizasyon polemi yoktu. Bu yüzden yüksek ısılı uygulamala için süekli mıknatıslı motolaa göe daha avantajlıdı. Mıknatıslı makinalaa göe de daha ucuzdu. Yapılan liteatü incelemesinde ye alan aaştımalaa kıldığında, modellemeye yönelik çalışmala göze çapmaktadı. Bakılan çoğu liteatüde yapılan modellein, genelleştiilmiş klasik makina modeli ile modellendiği göülmüştü. Bilindiği üzee genelleştiilmiş klasik makina kuamı zı temel vasayımla üzeine dayanmaktadı. Bu vasayımlala elde edilen modelin doğuluğu, u vasayımlaın geçek fiziksel sistemde ne kada vaolduğuna ğlıdı. Bu amaçla u tezde sistemin a,,c doğal faz sistemi ile modellenmesi tecih edilmişti. Makina modelleinde kullanılan paametele geçeğe ne kada yakın olusa modelin sonuçlaı da geçeğe o kada yakın olaktı. Bu yüzden, u çalışmada oluştuulan modellede makinanın geçek paametelei kullanılmıştı. Bu tezde, patik olaak iiinden faklı iki oto geometisi imal edilmiş, oto ve stato geometileinin ölçülei z alınaak, tasalanan motoa sonlu elemanla analizi uygulanmıştı. Sonlu elemanla analizi sonucu elde edilen değele kullanılaak u iki oto geometisinin indüktans paametelei hesaplanmıştı. Daha sona vaolan iki tip oto için indüktans paametelei ölçülmüştü. Ölçüm sonuçlaından yaalanaak he iki oto için matematiksel model oluştuulmuştu. Son olaak model sonuçlaı ile deneysel sonuçla kaşılaştıılmıştı. 2. TASARMA GENE BAKŞ Senkon elüktans makinası yapısal olaak, stato ve oto olmak üzee iki kısımdan oluşmaktadı. Tasalanan SRM de stato, ilinen 24 oluklu, 4 kutuplu 55W lık standat asenkon motoun statoudu. Bu çalışmada yapısal olaak iiinin zıttı

2 olan iki oto tasaımı incelenmişti. Rotoladan ii en sit anlamda, çelikten yapılmış istavoz şeklindedi(r1). Diğe oto(r2), R1 otounun yapısal olaak tam tesidi. He iki otoda da manyetik malzeme olaak A11 çeliği kullanılmış, R2 otounda manyetik olmayan malzeme olaak ise kom kullanılmıştı. Şekil 1. de oto tasaımlaının pensip şemalaı veilmişti. (a) () Şekil 1. Roto tasaımlaının pensip şeması. a)r1 )R2 Şekil 2. de SRM için kullanılan stato ve tasalanan otolaın fotoğaflaı veilmişti. (a) şeklinde yazılaili. Buada; V a,v,v c : Faz geilimlei, a,, c : Sagı akımlaı, λ a,λ,λ c : Faz sagılaının toplam akılaı, R a,r,r c : Stato sagı dienci, ii : i faz sagısının öz indüktansı, ij : i ve j sagılaı aasındaki kaşılıklı indüktans, ω : Roto açısal hızı, p : Kutup çifti sayısı, J : Makinanın miline indigenmiş eylemsizlik momentidi. 3. SONU EEMANAR ANAİZİ Sonlu elemanla analizinde he iki oto tasaımı için öz ve kaşılıklı indüktansla hesaplanmıştı. Doyma etkisinin gözlemlenmesi amacıyla he iki oto tasaımı için 5 faklı akım değeindeki [,,,, ] öz ve kaşılıklı indüktansla ayı ayı hesaplanmış ve unlaın oto konumuna ğlı değişimlei 2 oyutlu gafikle halinde veilmişti. Şekil 3. de R1 oto tasaımı için sadece a faz sagısının uyaılması duumunda S.E.A. sonucunda elde edilen manyetik akı dağılımlaı, Şekil 4. te ise R2 oto tasaımı için sadece a fazının uyaılması sonucunda elde edilen manyetik akı dağılımlaı veilmişti. Hesaplamalada adım açısı olaak 1º lik elektiksel açı seçilmişti. Bu sayede indüktanslaın peiyodik değişimleini tanımlamak için otoun 9º lik dönüşü yeteli olaktı. () (c) Şekil 2. SRM ye ait stato ve otolaın fotoğaflaı. a)stato )R1 Rotou c)r2 Rotou 3. SRM NİN MATEMATİKSE MODEİ SRM nin a,,c, faz sistemindeki geilim eşitlikleinin matis fomundaki hali aşağıdaki gii olaktı. Va R a V = V c R a R c c aa a c aa ac a a d c dt cc c c Ayı elektomekanik moment açık olaak, aa T a 1 Te = p 2 c a c ac a c c cc a c ac c cc ω (1) (2) a) Roto konumu θ =º ) Roto konumu θ =9º Şekil 3. R1 Roto tasaımı için oto konumuna ğlı S.E. analizi. a) Roto konumu θ =º ) Roto konumu θ =9º Şekil 4. R2 Roto tasaımı için oto konumuna ğlı S.E. analizi. Sonuçla nümeik olaak hesaplandıktan sona dizile haline getiilmişti. Daha sona u dizile kullanılaak

3 indüktans paameteleinin peiyodik fonksiyonla halinde düzenlenmesi geekmektedi. İncelenen dizile oto pozisyonunun peiyodik fonksiyonu olduklaından, u ama en uygun dönüşüm olan Fouie Dönüşümü ile peiyodik fonksiyonla haline getiilmişti. Bu çalışmada, akımın indüktans değişimleini nasıl etkilediğini gömek amacıyla, he iki oto tasaımına (R1,R2) 5 faklı akım değei için [,,,, ] sonlu elemanla analizi yapılmıştı. Sonuçta elde edilen indüktanslaın oto konumuna ğlı değişimlei aşağıdaki şekillede veilmişti. a(mh) θ(elk.açı) Şekil 8. a- fazı aasındaki kaşılıklı indüktansın akıma ve oto konumuna ğlı değişimi (R2). aa(mh) θ(elk.açı) 4. İNDÜKTANS PARAMETREERİNİN ÖÇÜMÜ SRM nin moment denkleminden de ilindiği üzee indüktans paametelei SRM için kilit paameteledi. Bu paametele geçeğe ne kada yakın olusa oluştuulan modelin sonuçlaı da geçeğe o kada yakın olaktı. Bu amaçla u ölümde R1 ve R2 oto tasaımlaının indüktans paameteleinin deneysel olaak ölçümü anlatılmıştı. Şekil 5. a fazı öz indüktansının akıma ve oto konumuna ğlı değişimi (R1). a(mh) θ(elk.açı) Şekil 6. a- fazı aasındaki kaşılıklı indüktansın akıma ve oto konumuna ğlı değişimi (R1). İndüktans paametelei 3 değişik yöntemle ölçüleek kaşılaştıılmıştı. Buada 5 Hz altenatif akımla paametelein ölçümüne ait sonuçlaa ye veilmişti. Ayı u deney değişik akım değelei için yapılaak doyma etkileini ihmal etmeden indüktans paameteleinin hem akım hem de oto konumuna göe değişimi elde edilmişti. aa(mh) θ(elk.açı). 2. aa(mh) θ(elk.açı) Şekil 7. a fazı öz indüktansının akıma ve oto konumuna ğlı değişimi (R2). Şekil 9. a fazı öz indüktansının akıma ve oto konumuna ğlı değişimi (R1). a(mh) θ(elk.açı) Şekil 1. a- fazı aasındaki kaşılıklı indüktansın akıma ve oto konumuna ğlı değişimi (R2).

4 aa(mh) θ(elk.açı). Şekil 11. a fazı öz indüktansının akıma ve oto konumuna ğlı değişimi (R2) toplamı sıfıa eşit olmamaktadı. İdeal duumda nöt hattı akımının sıfı olması geektiğinden dolayı V n geilimi u koşulu sağlayak şekilde düzeltilmişti. Buna göe V n geilimi, V 1 = (Va V Vc ) R(a c ) (6) 3 n olaak tanımlanaili. Buna göe R değei, ( a c ) toplamını minimize eden değe olak şekilde elileni. Bu şekilde nöt hattı akımı sıfıa çok yakın i değee getiilmişti[2]. Aşağıdaki şekillede deneysel çalışma ve simulasyon çalışmasına ait sonuçlaa ye veilmişti. a(mh) θ(elk.açı) Şekil 12. a- fazı aasındaki kaşılıklı indüktansın akıma ve oto konumuna ğlı değişimi (R2). 5. SRM NİN SİMUASYONU VE DENEY SONUÇAR Şekil 14. R1 oto tasaımı için 2Nm yükte iken V an, geilimi ve a akımının zamana ğlı değişimi. Şekil 13. İncelenen üç fazlı sistem. Yapılan deneysel çalışmada SRM yıldız ğlı olaak V aeff =2V sinüsoidal şeeke geilimi ile eslenmişti. Çalışma sıasında yıldız noktası şeeke ile yalıtılmış duumdadı. Şekil 13. de incelenen sistemin eşdeğe devesi göülmektedi. Eşdeğe devede yıldız noktası ile nöt hattının yalıtılmış olması için sagı akımlaının toplamının sıfı olması geekmektedi. Böyle i sistem için moto sagılaına uygulanan faz nöt geilimlei, Şekil 15. R1 oto tasaımı için 2Nm yükte iken V an, geilimi ve a akımının zamana ğlı değişiminin osiloskop göüntüsü(1v/kae, /kae). V = V V (3) a an n n V = V V (4) c cn n V = V V (5) n şeklinde yazılaili. Makinanın indüktans matisindeki ideal olmayan teimleinden dolayı sistem dengesizlik göstemekte ve sagı akımlaının

5 değişiminin iiine enzeliği, geekse simulasyon sonuçlaı ile geçek fiziksel sistemin sonuçlaının enzeliği yapılan analizin doğuluğunu göstemektedi. Şekil 16. R2 oto tasaımı için 2Nm yükte iken V an, geilimi ve a akımının zamana ğlı değişimi. Ayı fiziksel sistemin indüktans paameteleinin dengesiz olmasından dolayı üç faz akımlaının ani değeleinin toplamının sıfı olmadığı göülmüştü. Bu sonuçtan haeketle nöt hattı yalıtılmış i sistemde n akımının sıfı olması geektiğinden stato geilimleine a,, c akımlaının toplamıyla oantılı i düzeltme geilimi uygulanmıştı. Bu şekilde hem nöt hattının yalıtılmış olduğu i sistem geçekçi olaak modellenmiş, hem de moto nöt noktası ile şeeke nöt noktası aasındaki geilim nümeik olaak elilenmişti. KAYNAKAR [1] MER, T. J. E., Bushless Pemanent Magnet and Reluctance Moto Dives. Oxfod Univesiy Pess, [2] DURU,H.T., Mıknatıslı senkon makinanın magnetik analizi ve modellenmesi, Koeli Ünivesitesi Fen Bilimlei Enstitüsü, Doktoa Tezi, Şekil 17. R2 oto tasaımı için 2Nm yükte iken V an, geilimi ve a akımının zamana ğlı değişiminin osiloskop göüntüsü (1V/kae, /kae). 6. SONUÇAR Elektomekanik eneji dönüşümünün temellei ve genelleştiilmiş makina kuamının temellei 192 li yıllaa dayanmaktadı. Genelleştiilmiş klasik kuamda yapılan modellein doğuluğu, fiziksel sistemin, klasik kuamın temel vasayımlaına ne kada uyduğu ile oantılıdı. Bilindiği üzee genelleştiilmiş klasik makina kuamı zı temel vasayımla üzeine dayanmaktadı. Bu vasayımlala elde edilen modelin doğuluğu, u vasayımlaın geçek fiziksel sistemde ne kada vaolduğuna ğlıdı. Öneğin stato dişleindeki hava aalığından dolayı indüktans değişimleinin düzgün cosinüs fonksiyonu şeklinde değişmemesi doğaldı. Bu amaçla, yapılan çalışmada indüktans değişimlei Sonlu Elemanla Analizi ile numeik olaak hesaplanmıştı. Hesaplamanın dışında üç faklı yöntemle indüktans değişimlei ölçülmüştü. Paametelein konuma ğlı değişiminin yanında, akıma ğlı değişimlei de elilenmişti. Daha sona hesaplanan ve ölçülen değele peiyodik fonksiyonla haline dönüştüülmüştü. Yapılan çalışmala iiine zıt yapıda iki faklı oto ile denenmişti. Geek Sonlu Elemanla Analizi kullanılaak hesaplanan indüktans paameteleinin değişimi ile ölçülen indüktans paameteleinin [3] DURU,H.T., ÇAMUR,S., ARİFOĞU,B. BEŞER,E., Design and analysis of PM assisted synchonous eluctance machines, ntenational Electil Machines and Dives Confeence EEE, EMDC, 23. [4] DURU,H.T., ÇAMUR,S. ARİFOĞU,B. BEŞER,E., KANDEMİR,E., Mıknatıslı destekli senkon elüktans moto tasaımı ve analizi, Elektik-Elektonik-Bilgisaya Mühendisliği 1.Ulusal kongesi ve Fuaı, 23. [5] DURU,H.T., ÇAMUR,S., ARİFOĞU,B., BEŞER,E., KANDEMİR,E., A method fo pefomance pediction of a synchonous eluctance moto sed on natual a,,c model, ACEMP 4 ntenational Aegean Confeence on Electil Machines and Powe Electonics, 24.