ÜÇ FAZL BR ASENKRON MOTORDA MANYETK SÜSPANSYONLU YATAK UYGULAMAS Osm GÜRDAL*, Yusuf ÖNER** *Gzi Üiversitesi, Tekik Egitim Fkültesi, Elektrik Egitimi Bölümü, Tekikokullr, ANKARA **Pmukkle Üiversitesi, Elektrik Elektroik Mühedisligi, Çmlik, Deizli ÖZET Myetik süspsiyo ve levitsyou hlihzirdki popülritesi süphesizki yüksek hizli yer tsimciligi tsrimlrii olbilirligide kyklmktdir. Myetik süspsiyo ve levitsyou üstülügü ve heyec verici olmsi rgme, sürtümesiz ytklrd süspsiyo tekiklerii uygulmsid büyük siirlmlr vrdir. Bulr, tolersi çok z olmsi, z güç srfiyti, küçük rligi ve küçük ebttir. Böylece, kotrollu DC elektromiktis semlri, diger itici levitsyo tekikleride dh fzl dikkti üzeride toplmktdir. Pll prototip sistemi bir sttor, demir üvesiz sicp kfesli bir rotor, rotor milii süspsiyou içi elektromiktis gurubu ve foto-döüstürücüler gurubuu geribesleme yptigi kompzsyo devreleride olusmktdir. Prototip sistemi bir lbortuvr gösteri ygiti olrk mçldigid mekik rulml ulsil 500 dev/dk lik hizlr ulsilmy çlisilmmistir. Myetik süspsiyolu ytk sistemi, üiversite egitim progrmlrid elektrik egitimide öregi, elektromyetik tsrim, krrsiz bir kotrol sistemii PD kotrollu kompzsyou ve güç yükselteci tsrimi gibi presiplerde çok etkili görsel bir gösteri sglmktdir. Sistem 350 dev/dk lik hizlrd mekik ve myetik ytklr rsid iyi bir krsilstirm özelligie shiptir. Myetik ytk ile motoru bos çlism güç kyiplrid %5 lik bir zlm göstermektedir. Motoru gürültüsü de düsük bir seviyeye imistir. Ahtr kelimeler: Myetik ytk, süspsiyo. DESGN AND APPLCATON OF MAGNETC BEARNG SUSPENSON SYSTEM N A THREE PHASE NDUCTON MOTOR ABSTRACT The curret populrity of suspesio d levittio stems o doubt the possibilities i high-speed groud trsporttio schemes. Although these re both chllegig d excitig, there is cosiderble scope for pplictio of suspesio techiques to chievig frictioless berig. The requiremet i this cse is ofte for close tolerces, low power cosumptio, smll irgps d igeerl, compctess. Thus, mgetic suspesio usig DC electromgets schemes hve received more ttetio th the other techiques of repulsio levittio. Proposed prototype system cosists of covetiol sttor d its rotor without iro core, set of electromgets for suspesio of rotor shft d set of compestio circuits feedbcked by opticl-trsducers. Prototyped system is imed s lbortory demostrtio tool so there is o chllegig to exceed the speeds of 500 rev/mi tht is the speed of motor with mechicl berigs. Mgetic berig suspesio system provides high impct visul demostrtio of my priciples i udergrdute eductiol progrms i electricl eductio, e.g., electromgetic desig, PD cotrolled compestio of ustble cotrol system d power mplifier desig.
The system is cpble of givig good compriso betwee mechicl d mgetic berig up to speeds 350 rev/mi. Power losses without lod show bout 5% reductio with mgetic berig. The oise of the motor is lso decresed to low level. Key words: Mgetic berig, suspesio.. GRS Bir cisim boslukt serbest olrk birkildigid yerçekimii etkiside dolyi çok kis bir süre sor yere düser. Boslukt serbest birkil bir cismi oldugu yerde klbilmesi içi, yerçekimi kuvvetie ters yöde bir kuvvet uygulmlidir. Eger cisim ferromyetik vey ferromyetik bir mlzeme içide ise ters yödeki kuvvet bir elektromiktis ile sglbilir. Elektromiktisi çekim kuvveti, cisim ile elektromiktis rsidki uzkligi kresi ile ters ortili oldugud, cisim dege oktsid sgiy koulurs düsecek ve yukriy koulurs elektromiktis ypiscktir. Bu durumd cismi düsmede tutulbilmesi içi dege oktsid olmsi gerekir. Bu dege oktsi ise dis ve bozucu etkilerde etkileecegide sistemi krrsiz kilr. Buu içi sistemi krrsiz durumd kurtrmk içi cismi buludugu yeri lgily geri-beslemeli bir kotrol üitesii ypilmsi gerekir. Elektromiktisi çekim kuvveti içide geçe kimi kresi ile ortilidir. Kotrol sistemide, cisim elektromiktis yklstigid kim zltilrk çekim kuvveti zltilir ve uzklstigid ise kim rtirilrk çekim kuvveti rtirilrk sistem krrli hle getirilmis olur. Kotrollu DC elektromiktislri kullilmsi ile myetik süspsiyo sistemi, myetik ytk uygulmlrid rt bir sekilde kullilmktdir. Uygulm llri, yüksek hizli rotorlr, tehlikeli ortmlr ve giris zorlugu ol kpli pomplr örek verilebilir. Her bir durum içi ytklri güveilirliligi e öce isteilmektedir (Whorlow, 993). Bu çlismd, 3 fzli bir sekro motoru mekik ytgid dolyi olus sürtüme kyiplrii ve ytk gürültüsüü e z idirmek içi, rotor myetik ystikli ytklr üzerie yerlestirilmis ve ystiklm islemii sgly elektromekik düzeek ise bir elektroik devre ile kotrol edilmistir. Myetik ytklm üzeride ypil çlismlr sesörlü ve sesörsüz kotrol olmk üzere iki ktegoride iceleebilir. Sesörlü çlismlrd, bu çlismd d oldugu gibi bir DC elektromiktis optik döüstürücüler ve kompzsyo devreleri ile kotrol edilmektedir. Sesörsüz çlismlr d iki ktegoride iceleebilir. Biriciside, hv rligidki edüktsi degisimii belirlemeside yüksek bir freksi demodülsyou kullilir. kici sistemdeki kotrolör ise gözlemleme ve kotrol edilebilirlik tbi dymktdir (ischer, 993). Regüleli gerilim giris olrk ve elektromiktis kimi sistemi çikisi olrk kbul edilir ve böylece sistem hem kotrol edilebilir ve hem de gözlemleerek lieer kotrolör tsrimi ile gerçeklestirilir. Yki trihli yei bir döüstürücüsüz myetik süspsiyo sistemii üç öemli özelligi vrdir. Biricisi, çlism hv rliklrid kuvvet-uzklik krkteristiklerii sistemi dogsi geregi krrli olmsi, döüstürücüleri geri besleme ile çok krrsiz krkteristikleri krrli sekle döüstürmesi ile sglir. kiciside sistemde eseklik ve söüm birbiride bgimsiz olrk kotrol edilebilir. Üçücüde kotrolör bir PD kotrol islemi yprk sistem düsük frekst kuvvet bozulmlrid iyi bir dimik tepki verir ve sttik yüklerde pozisyo htsi vermez (Jywt, 995). Bir lbortuvr gösteri ygiti olrk tsrl myetik süspsiyolu ytk sistemi, sekil. de görüldügü gibi, dört kutup ygii olustur elektromiktis ve rotor milide olusmktdir. Her elektromiktisi kim kotrolu birbiride bgimsiz çlis optik döüstürücüler ve PD kotrolör devreleride olusmktdir (Wog 986).
Bir elektromiktisi çlism presibi bud sorki kisimd verilecektir. Sekil. Kotrollu DC elektromiktisli süspsiyo sistemi. Sekil. Myetik süspsiyolu ytk sistemii elektromiktislri ve rotor mili.. MANYETK SÜSPANSYONUN PRENSB Kuvvet-uzklik krkteristikleride dolyi, sbit miktislr vey elektromiktislri ferromyetik eseler ile ol uzkliklrii sbit tutulmsi degismeye bir kofigürsyol bsrilmz (Jywt, 976). Elektromiktisi kuvveti sekil de görüldügü gibi bir geri-besleme siyli ile kotrol edilebilir. Bu düzelemedeki pozisyo döüstürücüsü optik elemlrdir ve kompzsyo ise pozisyou türevidir. Diger prtik uygulmlrd ortmi durumu göre döüstürücüler, edüktif, myetik ve kpsitif olbilir. Düzelemei bsk bir özellligi ise elektromiktisi ürettigi kuvveti sili dur esei girligi esit olmsidir. Bu sistemi rotorlr vey millere uygulmsid, elektromiktislri rotoru her yöde çekecek sekilde yerlestirilmesi ve kim yölerii yrlmsi gerekir. ki boyutlu rdyl bir ytklm geel olrk dört elektromiktist olusur. Sllti ve ekseel hrekete krsi krrlilik sglmk içi ek bir rdyl ytklm ve itici ytklm tm bir ytklm sistemi içi gereklidir (Jywt, 995). Bu çlismd slltiy krsi ve ekseel bir ytklm tsrimlmmistir.. Üst Bobi Eerjili ke Sistemi Elektromyetik Alizi Elektromiktis, dört det yi degerli srimd olustugud sdece bir srimi lizii ypilmsi yeterli olmktdir. Gemii pket progrmi ile rotor milii frkli uzkliklrii simülsyou soucu, bobii edüktsi L(, sekil 3 de görüldügü gibi rotor milii pozisyou ile degisir. Myetik kii degisik rotor pozisyou göre ldigi sekiller, sekil 4 de görülmektedir. Edüktsi her iki uç durumdki degisimi degisik mtemtiksel metodlrl timlbilir. Sekil 3.b de Gemii pket progrmi ile simülsyo soucud bulu edükts degerleri L(, 3. derecede (kübik) egri uydurm formülüe göre edükts degerleri L ( = 0,08x 3 + 0,7x 6,59x + 80,65 ve üssel foksiyol ise edükts degerleri x/ L( = 0,05694 + 0,049698 e ile gösterilmistir. Kübik biçim edükts egrisie dh çok uyguluk sglmkl birlikte, mtemtiksel sdelik bkimid üssel foksiyou kullilmsi yeterli dogruluk vermektedir. Burdki öemli özellikler: L rotor milii olmdigi durumd bobi edüktsi ( x = ), L 0 +L rotor milii elektromiktis üvesie ypistigi durumd bobi edüktsi ( x = 0) dir. Edüktsi x e bgli degisimi, 3
L( x / = L + L0e () ile verilir ve formülde uzuluk sbitidir. Sistemi myetik ko-eerjisi, bobi kimi i ve x hv rligii bir foksiyoudur (Gemii User Mul 995). W '( i, = () L( i Rotor milide etkiye kuvvet, f W' x L 0 x / = = i e (3) olrk verilir. Sttik dege pozisyoud bu kuvvet yerçekimi ile tm olrk degeleir. Dege pozisyoud, x = d ve i = olurs, L0 Mg = e x / = N L d (4) Formülde, N srim syisi, L d, x = d hv rligid tek sipiri edüktsi ve g=9,8 m/s yerçekimi ivmesidir. (4) olu formülü yeide düzelemesi ile = (5) Mg N L d elde edilir. Formülde, diger degiskeler sbit oldugud, sdece /L d krrli durum bobi kimi etki etmektedir. 85 L 0 +L 80 L (x ), edükts (mh) 75 70 65 60 L 55 L (x ) = -0,08x 3 + 0,7x - 6,59x + 80,65 L( = L + L e 0 3 4 5 6 7 8 9 0 x, hv rligi (mm) (b) 0 L (x ) x / Sekil 3. () Üst bobi eerjili ike elektromiktis ve rotor milie etkiye kuvvetler, (b) Edüktsi hv rligi ile degisimi egrisi. Gemii pket yzilimi ile bulu edükts degerleri ve rotoru girligid, üst elektromiktisi thmii kimlri tblo de görüldügü gibidir. Örek bir hesplm sgid verilmistir: Rotor milii elektromiktis üvesie ypistigi durumd L 0 buluur: 0,089674 = 0,056946869 + L e L = 0,049698 0 H L( 0 0 / x/ = 0,05694 + 0,049698e formülü ile öce ortlm ktsyisi buluur ve burd elektromiktisi thmii kimlri hesplir. M = 0,356 / = 0,78 kg, = 0,0094 m, g = 9,8 m/s, N = 556 sipir 0,0094 0 mm = 0,78 9,8 = 0, 354033 A 0,089 () x (mm) L (H) (mm) (A) 0,0 0,089674-0,354033 4
0,5 0,07687579,79605 0,365456,0 0,073980736,646569 0,37538,5 0,07837347,9065084 0,378054,0 0,070063436 3,06586876 0,3880,5 0,068670853 3,306733478 0,386673 3,0 0,06754763 3,4984636 0,389940 3,5 0,066563806 3,6680764 0,39745 4,0 0,06569935 3,855337 0,3953 4,5 0,0649089 3,93843747 0,39770 5,0 0,0645477 4,06999 0,399739 5,5 0,063664083 4,8888605 0,40589 mil yok 0,056946869-0,4464 ort =,94 Tblo Edüktsi hv rligi ile degisimi ve thmii bobi kimlri. (c) x =,5 mm Sekil 4 Myetik kii x e bgli sekilleri... Sistemi Dimik Modellemesi Rotor mili üzeride etkiye kuvvet, (3) ile verilmistir. () x = mm (Rotor mili yok ve bütü srimlr yi kiml eerjili) f ( i, L 0 x / = i e (6) x = d ve i = dege pozisyoud bir bozulm meyd geldigide, x = d + x' i = + i' f = f + f ' Tylor serileri çilimi ile, f f f ( i, = f (, d ) + x' + i' (7) x x, d, d (b) x = 0 mm (Rotor mili ypisik) (6) esitligide, / d / f ' = L0e d x' L0e i' (8) Mekik kuvvet, d x' f m = Mg + M (9) dt dir. Dege pozisyoud Mg = f (, d) (4) esitligi ile verilir ve hreketi rtimsl esitligi, 5
M d x' dt N L d N L x' + d i' = 0 (0) N L ω ' = d G (8) M olur. Lplce döüsümü ile, N Ld X ( s) = () ( s) N Ld Ms buluur. (5) esitligi kullilrk g X ( s) = () ( s) s ω ω = g (3) / elde edilir (Hurley, 997). Bu bobi kimi ile rotor milii pozisyou rsidki trsfer foksiyoudur. Rotor milii pozisyou optik olrk lgilir ve mili pozisyou ile ortili bir gerilim üretilir. y' = G x' (4) S G S sesörü kzcidir (/m). Bu gerilim elektromiktisi kotrol ede TP NPN drligto güç trsistörüü beyzie uygulir. i' = G v' = G G x' Gx' (5) F s F s = G F güç yükselticii kzcidir. i ' i (0) olu esitlikte yerie koulmsi ile d x' N Ld M + ' = 0 G x dt (6) elde edilir. Bu ikici derece bir difersiyel deklem olup krkteristik esitlik, + X ω ' = 0 (7) olur. ω ', G birimie bgli reel vey komplekstir. G > içi ω ' reel ve çözüm, x' ( t) = Acosω ' t + Bsiω' t (9) biçimidedir. A ve B bslgiç durumlri ile belirleir. x '( t) sf siüsoidldir. dx' x '(0) = X 0 ve = 0 dt içi t = 0 d çözüm ypildigid, G < içi ω kompleks ve (6) esitligii çözümü, büyüye üssel foksiyo oldugud süspsiyo sistemie uygu olmmktdir..3. Kotrol Sistemi Dogl freks, ω = g / = 57, 76 rd/s. Sesör kzci TP trsistör Türev zmi Ortili kzç K p =3 G s =30 /m G F =3 A/ T d =0 ms Kompze edilmemis kotrol sistemii blok diygrmi ve bu it root locus çizimi sekil 5 de görülmektedir. leri trsfer foksiyoud bir söüm terimi timlbilir: ατs + = α τs + (0) α >> içi, sifir ve kutup rsidki trsfer foksiyou yklsik olrk () esitligi gibidir: = ( ατs α + ) () 6
Bu PD kotrolu klsik bir biçimidir ve () esitligi olrk yeide yzilbilir: = K ( T ) () p + d s (b) () Sekil 6. () Kompze edilmis sistemi blok diygrmi, (b) root locus çizimi..4. Kotrol Devresi Sekil 7 de prtik bir kotrol devresi görülmektedir. Optik pozisyo döüstürücüsü bir ifrred diyot ve trsistörde olusmktdir. Rotor milii pozisyou foto-trsistör üzerie düse isigi kotrol ederek emiter kimii degistirir ve böylece emiter yük direci R de gerilim düsürür. (b) Sekil 5. () Kompze edilmemis sistemi blok diygrmi, (b) root locus çizimi. Kompze edilmis PD kotrol sistemii blok diygrmi ve bu it root locus çizimi sekil 6 de görülmektedir. K p i degeri, söüm ori ve dogl freks uygu seçilebilir. Syet v (t) pozisyo sesörüü çikisi ise v (t) rotor milii hizi ile ortili bir bilesee shiptir. () Pozisyo döüstürücüsüü çikisi R de yrlbilir pozisyo refers gerilimi ile krsilstirilir, frk bir ht siylidir ve U opmp ii çikisid gözükür. Bu ht siyli elektromiktis kimii kotrolud kullilir. Sistemi kritik bir prçsi U opmp i üzerideki kompstör devresi olup ht siylii elektromiktis sürücü trsistörüe ulstirir. Bu kisim, tersleye bir yükseltici ve frk lici kombisyoudur. C ve C kodstörleri olmksizi elektromiktis kimi, rotor milii uzkligi ile ortili olcktir. Çekim kuvveti kim bgli oldugud, sistem bir yy hreketi meyd getirecekti; küçük yer degisimleride, kuvvet yer degisimi ile ortili olcgid, rotor mili yy ucu silmis bir kütle gibi dvrckti. Burdki problem, elektromiktis bobiii edüktsii rotor milii pozisyou ve düzeltici elektromiktis kimi rsid bir fz kymsi vey zm gecikmesi meyd getirmesidir. Bu kym sistemi krrsiz hle getirir ve geligi büyümesie meyilli herhgibir osilsyo, elektromiktisi rotor milii kotroluu kybetmesie ede olur. 7
Rotor milideki bu osilsyou söümledirmek içi, C kpsitörü ile yerdegisimii degisim ori (hiz) ortili bir kotrol terimi ilve edilir. Bu türevsel terim edüktsi etkisie krsilik vererek elektromiktis kimid hreketi tersi yöüde, hizl ortili bir degisim meyd getirir. Böylece hiz zltilir ve osilsyou geligii zlmsi, rotor milii hreketi durucy kdr devm eder. C kpsitörü, yüksek frekslrdki kzci siirlyrk bu tip devrelerde olus yüksek freksli osilsyou egeller. R9 direci elektromiktis sürücü tsistörüü bse-emiter gerilimii kompze eder. Sekil 7 Optik döüstürücüler ile süspsiyo sistemi kotrol devresi. 3. PROTOTP SSTEMLE YAPLAN DENEYLER Prototip 350 dev/dk lik hizlr kdr mekik ve süspsiyolu ytklr rsid iyi bir krsilstirm özelligie shiptir. Myetik ytkt bost çlism güç kyiplrid %5 lik bir zlm göstermektedir. Motoru gürültüsü de düsük bir seviyeye imistir. Her iki durum it egriler sekil 8 de görülmektedir. Kotrol devresi ile kotrol edile elektromiktis kimii ve bu kimd hespl F çekim kuvvetii x uzkligi bgli degisimi sekil 9 d görülmektedir.,7 mm de sor x uzkligi rttigi hlde kim yi klmkt ve dolyisiyle F kuvveti zlmktdir. Sistemi mekik ypisid dolyi kotrol siiri mksimum,7 mm ile siirldirilmistir. Bu sistem kpli dögü olrk dldirilmktdir. Sekil 0 d Gemii pket progrmi ile ypil simülsyo soucu li kuvvet degerlerii x hv rligi ile degisimi görülmektedir. Açik dögü olrk dldiril bu grfikte heüz bir kotrol islemi eklememistir. P (w) 55 50 45 40 35 30 5 Rulmli 0 00 00 300 400 d/dk Süspsiyolu Sekil 8 Rulmli ve süspsiyolu ytkt devir syisi ve güç degisimi egrileri. 8
(A ), F (N) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0. 0. 0.0 0.5.5.5 3 x (mm) Sekil 9 Elektromiktis kimi ve çekim kuvveti ile hv rligi degisim krkteristigi kpli dögü. (A), F (N) 0.5 0.4 0.3 0. 0. 0 F 0.5.5.5 3 x (mm) Sekil 0 Elektromiktis kimi ve çekim kuvveti ile hv rligi degisim krkteristigi çik dögü. 4. SONUÇ E ÖNERLER Yüksek hizli rotorlr, tehlikeli ortmlr ve giris zorlugu ol kpli pomplr gibi uygulm llri ol myetik süspsiyolu ytk sistemii bir prototipi ypilmistir. 3 fzli bir sekro motoru mekik ytgid dolyi olus sürtüme kyiplrii ve ytk gürültüsüü e z idirmek içi, rotor myetik ystikli ytklr üzerie yerlestirilmis ve ystiklm islemii sgly elektromekik düzeek ise lgilm elemlri ile PD kompzsyo devresi olus bir elektroik devre ile kotrol edilmistir. Elektromekik düzeekteki elektromiktisi myetik devre lizleri Gemii pket yzilimi ile ypilmis ve edükts ve eerji esitlikleride kim ve kuvvet hesplmlri örek olrk yric verilmistir. F Sistem 350 dev/dk lik hizlrd mekik ve myetik ytklr rsid iyi bir krsilstirm özelligie shiptir. Myetik ytkt bost çlism güç kyiplrid %5 lik bir zlm göstermektedir. Motoru gürültüsü de düsük bir seviyeye imistir. Sistemde bulu optik lgilm elemlrii dis kyklrd etkilemeside dolyi bulri yerie, döüstürücüsüz vey edükts lgilm metodlri kullilmlidir. Prototip sistemde iki boyutlu rdyl ytklm ypilmistir. Sllti ve ekseel hrekete krsi krrlilik sglmk içi ek bir rdyl ytklm ve itici ytklm tm bir ytklm sistemi içi gerekmektedir. Süspsiyo sistemii boyutlrii küçültülmesi de yric gerekmektedir. 5. KAYNAKLAR Gemii User Mul, 995, folytic Corportio, Cd Jywt, B.., Whorlow, R. J., B. E. Dwso, My 995, New Trsducerless Mgetic Suspesio System, EE Proceedigs, Sciece Mesuremet Techology, ol. 4, No.3 Jywt, B.., November 98, Electromgetic Suspesio d Levittio, EE Proc., ol.9, No.8. Jywt, B.., Sih, P. K. Wheeler, A. R. Whorlow, R. J. Ad Willsher, J., 988, Electromgetic d Levittio Techiques, Proc. R. Soc. A, pp. 45-30 Jywt, B.., Whorlow, R.J., Dwso, B.E., New Trsducerless Mgetic Suspesio System, EE Proc-Scie. Mes. Techol., ol.4, No.3, My 995 Okd, Y., Mtsud, K., d Ngi, B., Sesorless mgetic levittio cotrol by mesurig, the PWM crrier frequecy compoet, Proceedigs of 3 rd tertiol Symposium o Mgetic Merigs, p. 76-83 9
ischer, D., d Bleuler, H., 993, Self sesig ctive mgetic levittio, Trsctios o Mgetic, EEE 9, pp,76-8 Willim G. Hurley, Werer H. Wölfle, My 997, Electromgetic Desig of Mgetic Suspesio System, EEE trsctios o Eductio, ol. 40, No., Wog, T.H., November 986, Desig of mgetic Levittio Cotrol System - A Udergrdute Project, EEE Trsctios o Eductio, ol.e-9, No.4 0