Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) : 57-67 Journa of Poytehni, 015; 18 (4) : 57-67 Sonu Eemanar etodu ie AA Hat Reaktörerinin Tasarımı İbrahim SEFA a, Seami BALCI b, Nemi ALTIN a a Gazi Üniversitesi Teknooji Fakütesi, Eektrik Eektronik ühendisiği Böümü b Gazi Üniversitesi Fen Biimeri Enstitüsü, Eektrik Eğitimi Anabiim Daı (Geiş / Reeived : 9.03.015 ; Kabu / Aepted : 30.04.015) ÖZ Eektrik şebekesinden besenen ve girişerinde doğrutuu buunan motor sürüüeri, kesintisiz güç kaynakarı, AA geriim ayarayııarı gibi eektronik ihazar yaygın oarak kuanımaktadır. Yapıarı gereği şebekeden doğrusa omayan akım çeken bu ihazar, beseme hattı boyuna doğrusa omayan geriim düşümerine sebep ourar. Bu durumda, önem aınmadığı takdirde aynı hattan besenen diğer aııar için de güç kaitesi probemeri doğar. Şebeke frekansı dönüştürüüerin girişinde uygun şekide tasaranmış siisi sa nüvei reaktörerin kuanıması ie çekien harmonik akımarın seviyesi bei oranara düşürüebimektedir. Nüve mazemesinin seçimi ve reaktörün boyutandırıması, akımın harmonik seviyesinin düşürüme kabiiyeti ie reaktörde ouşaak kayıparın beireyiisi omaktadır. Bu çaışmada, beiri bir hat akım değeri için nüveeri birbirinden farkı üç reaktör tasaranmıştır. Tasaranan reaktörerin yük seviyesine bağı endüktans değererindeki değişimeri görmek üzere, sonu eemanar metodu ie parametrik anaizeri yapımıştır. Anaizerin sonuunda reaktörerin endüktans kararıığı, kayıparı, standartara uygunuğu gibi verier karşıaştırmaı oarak sunumuştur. anyetik devre Ansys-axwe ie modeenmiştir. Reaktörün gerçekçi davranışarını görmek için, manyetik devresinin Simporer ie eşzamanı benzetimi yapımıştır. Anahtar Keimeer: Reaktör tasarımı, nüve materyaeri, sonu eemanar anaizi, nüve kayıparı, eş zamanı benzetim Design of the AC Line Reators With Finite Eement ethod ABSTRACT Eetroni devies whih are fed from the grid and have a retifier frontend, suh as motor drives, uninterruptibe power suppies, AC votage reguators are ommony used. These devies whih draw non-inear urrent from the grid by nature ause the noninear votage drops aong the suppy ine. In this ase, if preautions are not taken, power quaity probems aso appear for the other oads fed from the same ine. Leve of the harmoni urrents drawn an be redued to speifi eve by using reators with siion stee ore at the input of the ine frequeny onverters. Seetion of the ore materia with the sizing of the reators beomes the determiner of the harmoni reduing abiity and of the osses of the reator. In this study, three reators with different ore materias are designed for a speifi ine urrent vaue. In order to see the indutane vaue variations depending on the oad eve of the designed reators, the parametri anaysis have been performed by the finite eement method. As a resut of anaysis, data ike the reator indutane stabiity, the osses and the standards ompiane have been presented omparativey. agneti iruits have been modeed with Ansys-axwe and o-simuated with the Simporer to see the reaisti behaviors of the reators. Keywords: Reator design, ore materias, finite eement anaysis, ore osses, o-simuation 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) * Sorumu Yazar (Corresponding Author) e-posta:isefa@gazi.edu.tr Digita Objet Identifier (DOI) : 10.339/015.18.4 57-67 Güç eektroniğinde kuanıan şebeke frekansı kontroü veya kontrosüz doğrutuuar şebekeden harmonik bieşener içeren akımar çekerer. Asansör, vinç, pompa, fan, konveyör gibi uyguamaarda kuanıan motor sürüüeri ie kritik yükerin besenimesinde yer aan kesintisiz güç kaynakarı (KGK) bu dönüştürüüerin en yaygın kuanım aanarıdır. Günümüzde üretien eektronik ihazarın girişerinde (bei güç değererine kadar) güç faktörünü aktif oarak düzeten yüksek frekansı doğrutuuar sıkıka görümektedir. Anak çok yüksek güçer için tasarım zoruğu ouşmakta böyee şebeke frekansındaki çok darbei doğrutuuar haen tek seçenek omaktadır. Yukarıda sayıan eektronik ihazarın yanında, AA geriimi kıyarak geriim ve doayı şekide güç kontroü yapan ihazar da doğrutuuara benzer harmonikeri üreten ihazar sınıfından sayıırar. Bu sebepe şebekeden çektikeri akımın harmonik seviyeerini sınırandırmak için AA hat reaktörerinin kuanımaarı gerekidir. AA reaktörerin uygun seçimemesi veya hiç kuanımaması hainde çekien harmonik akım bieşeneri çok yüksek değerere uaşmaktadır. Böyee, şebekede geriiminde harmoniker, geriim dagaanmaarı ve ani geriim çökmeeri gibi güç kaitesi sorunarı ouşmaktadır. Şebeke kiriiğini gidermenin en düşük maiyeti oan yöntemi kiriiğin kaynağında giderimesidir. Bu amaça, çoğunuka ihazarın doğrutuu girişerinde harmonik seviyesinin azatıması ve uusara- 57
İBRAHİ SEFA, SELAİ BALCI, NECİ ALTIN / POLİTEKNİK DERGİSİ, Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) : 57-67 rası standartara uygunuğunun sağanabimesi amaıya AA giriş reaktöreri kuanımaktadır [1-5]. Reaktörer gene oarak doğrutuu çıkışarının fitre edimesi için DA reaktörer ve doğrutuu girişerinde buunan AA reaktörer oarak iki sınıfa ayrımaktadır [6]. Değişken hızı motor sürüüerinin eektromanyetik uyumuuk gereksinimerini karşıamak için AA ve DA reaktörer, şönt pasif fitreer, aktif harmonik fitreer ie çok darbei doğrutuuarın kuanımı gibi farkı çözümer uyguanabimektedir. En düşük maiyeti çözümü ouşturmak veya diğer çözümerin maiyetini düşürmek AA reaktörerin kuanıması ie mümkün omaktadır. Öye ki, bu çözüm bazen ihazarın içine entegre ediebimekte bazen de kuanııya bırakımaktadır. [7,8]. Değişken hızı bir AA sürüüsü için IEEE standartarına göre tasaranmış bir reaktörün igii ANSI standartarına göre, doğrutuuda meydana geebieek herhangi bir kısa devreye karşı arıza akımını güveni bir değerde sınırayabieek özeikte oması gerekmektedir. Ayrıa, bekenien mertebedeki harmonik akımarı sınırayaak şekide tasaranmış omaı ve yaıtım sınıfına göre beirenmiş sıakıkara dayanabimei ve soğutma şekine göre çaışma esnasında izin verien sıakık artış imiterini geçmemeidir [9]. Reaktörerde nüve mazemesinin manyetik özeikeri ie spesifik kayıp değereri performansarını etkiemektedir. Nüve mazemesi oarak yönendirimiş (grain oriented-go) ve yönendirimemiş (non-grainoriented, NO) siisyumu çeik aaşımar çeşiti kaınık ve manyetik özeikerde kuanıma sunumaktadır [10-14]. Reaktör parametreerinin optimizasyonu sonu eemanar anaizi (SEA) yazıımının parametrik çözüüsü kuanıarak hava araığı mesafesi ve akım değişimine göre endüktans değerinin kararıığı gibi değerer test ediebimektedir. Böyee hava araığı mesafesi en uygun değere ayaranabimektedir [1]. Bu çaışmada, AA reaktör tasarım sürei ee aınmış ve nüve mazemesi seçiminin işetme performansına etkisi, gereki hava araığı mesafesinin büyüküğü ve endüktans değerinin yük akımına göre değişiminin beirenmesi gibi işemer ayrıntıı oarak ee aınmıştır. Avrupa Biriği normarı ie üretien reaktör tasarımında kuanıabieek 330-35A, 330-50A ve 150-30S gibi siisyum katkıı gerçekçi aday tiari mazemeer ie bir reaktörün farkı tasarımarı yapımıştır. Reaktörerin endüktans değereri 55 kw güündeki standart bir motor sürüü girişine uygun oaak şekide seçimiştir. Yük çeşidine bağı oarak (sabit moment, sabit güç vb.) motor sürüüeri anma yükerinin bazen % 150 veya bazen de % 00 değerine kadar geçii bir süre aşırı yükenebiir. Böyee anma değereri aynı osa dahi sürüüerin aşırı yükenme süreeri farkı oduğu dikkate aınarak manyetik devrede doyma omayaak şekide tasarım yapımaıdır. Bu kriterer dikkate aınarak tasaranmış oan AA reaktörün SEA tabanı eektromanyetik yazıımar ie modeeme ve anaiz işemeri yapımış ve daha sonra Simporer yazıımı ie gerçek şartara uygun şekide benzetimi yapıarak performansarı test edimiştir. Bu testerde, sayıan her farkı nüve mazemeerinin kuanıması durumunda yük akımı değişimerine bağı oarak endüktans değererinin nası değiştiğinin parametrik anaizi yapımıştır. Ayrıa anma akımarındaki nüve kaybı, akı dağıımı ve doyma etkisi gibi özeiker detayı oarak ineenmiştir.. AA REAKTÖR TASARIININ TEELLERİ (BASICS OF AC REACTOR DESIGN) Reaktörer enerjiyi depo eden, transformatörer ise enerjiyi transfer eden manyetik devre eemanarı oarak tanımanırar. Reaktörer, enerji depoayabimek için nüve parçaarı arasında hava araığına ihtiyaç duymaktadırar. Böyeike, hava araığı sayesinde B-H mıknatısanma eğrisi doğrusa hae gemekte ve nüvedeki akı değeri koayıka Amper-Sarım (NI) ie ayaranabimektedir. Reaktör nüveerinde hava araığı reüktansı ie manyetik devrenin reüktansı seri bağı oarak temsi edimektedir. Şeki 1 de, bir reaktöre ait manyetik devre ie eşdeğer eektrik devresindeki nüve ve hava araığı reüktans eemanarı görümektedir. NI NI g g A Şeki 1. Hava araıkı manyetik devre ve eektrikse eşdeğer devresi Reaktör sargıarının sarım sayısı N ve sargıdan geçen akım I oarak tanımandığında Amper-Sarım NI oarak nüvede doaşaak manyetik akı Ф değerini beiremektedir. Geneike hava araığı yüzeyi A g nüvenin kesiti A ie aynı büyüküktedir. Nüvenin geçirgeniği Eş. 1 deki 58
SONLU ELEANLAR ETODU İLE AA HAT REAKTÖRLERİNİN TASARII Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) :57-67 gibi boşuğun geçirgeniği ie nüve mazemesinin bağı geçirgenik değerine göre değişmektedir: r 0. (1) Hava araıkı bir reaktör nüvesinin topam reüktans değeri Eş. de veridiği gibi seri bağı devre eemanarının topamıdır [1]: t g t g () e A 0r A 0 A Burada, nüvenin ortaama uzunuğu, g hava araığı mesafesi, ve g sırasıya nüve ve hava araığı reüktansarını simgeemektedir. Boşuğun geçirgeniği µ 0 =4π10-7 H/m oduğundan nüvede buunan hava araıkarında çok büyük değerde manyetik direnç ouşmakta ve herhangi bir manyetik devre için eşdeğer reüktans değeri hava araığı mesafesine bağı oarak değişmektedir [1]. Eş.'de nüve kesiti çarpan oarak ayrıdığında Eş. 3 teki gibi basiteştiriebimektedir. t g (3) e 0r 0 Böyee, reaktör nüvesinin boyutarına ve hava araığı mesafesine göre etkin geçirgenik (µ e ) değeri Eş. 4 te ifade edidiği gibi hesapanabimektedir [15]. Bu eşitikteki µ nüve mazemesinin geçirgeniğini temsi etmektedir. e 1 g g (4).1. Reaktörerde Kuanıan Hava Araığı Seçenekeri (Air Gap Options Used in Reators) Reaktörerin tasarımarında teme oarak teki ve çoku (dağıtımış) omak üzere iki farkı türde hava araığı kuanımaktadır. Beirenen hava araığı mesafesi kadar teki hava araığı kuanıdığında saçak akıarın genikeri çok büyük değerde oaağından nüve ve sargı parametreerinde sapmaara sebep omaktadır. Bundan doayı nüvenin baak kısmının beiri araıkara böünmesiye teki hava araığı mesafesi ie aynı büyükükteki dağıtımış hava araıkarı ouşturumaktadır. Dağıtımış hava araıkarındaki mesafe azaaağı için saçak akısı etkisi büyük öçüde azamaktadır. Ayrıa, hava araıkarının dağıtımasıya yüksek frekansarda daha çok etkii oan gürütüer azatıabimektedir. Hava araıkarı nüvenin geometrik yapısının ve statik dengesinin bozumaması için kağıt, poyester, am ve seramik gibi ferromanyetik özeikte omayan ve aynı zamanda yaıtkan mazemeer ie dodurumaktadır [15-17]. Hava araıkarının yereşimi Şeki de görüdüğü gibi nüvenin geometrisine göre farkı biçimerde tasaranabiir. Burada saçak akısı gürütüsünün en az ouşaağı tasarım orta baaktaki hava araığı ie EE geometrii nüvedir [15]. (a) () (e) g / g / g / (b) (d) Şeki. Reaktör nüveerinde hava araıkarının yereşimi (f) (a)bir kesimi toroid nüve, (b) EI nüve, () EE&EC nüve, (d) EE&EC nüve, (e) Bir kesimi C-nüve, (f) Üç fazı üç baakı nüve 3. AA REAKTÖR TASARII ÖRNEĞİ (AC REACTOR DESIGN EXAPLE) AA reaktör tasarımı, transformatör tasarımına odukça benzemesine rağmen farkı oarak bağı oduğu hat üzerinde en çok %4 ie %6 arasında bir empedans artışı yapaağı dikkate aınarak endüktans değeri ve buna bağı oarak diğer eektrikse parametreeri beirenmektedir. Çizege 1 deki teknik veriere göre %4,5 geriim düşümü için reaktörün empedans değeri Eş. 5 ie ede ediebiir [8]. f L Ia % Z 100 V a g (5) Çizege 1. Tasarımı yapıan AA reaktöre ait eektrikse özeiker Parametre Değer Sürüü Güü 55 kw Faz Sayısı 3 Anma Geriimi (V a ) 30 V Hat Akımı (I a ) 100 A Hat Frekansı (f) 50 Hz Güç Katsayısı (Cosφ) 0,8 Geriim Düşümü (%) % 4,5 Akım Yoğunuğu (J),5 A/mm Akı Yoğunuğu (B a ) 1 Tesa Penere Kuanım Katsayısı (K u ) 0,35 Daga Form Katsayısı (K f ) 4,44 g / g / 59
İBRAHİ SEFA, SELAİ BALCI, NECİ ALTIN / POLİTEKNİK DERGİSİ, Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) : 57-67 Bu veriere göre tasaranaak oan reaktör nüvesinin boyutandırıması için gereki eektrikse parametreer Çizege de verimiştir. Burada güç kapasitesi görünür güç (VA) oarak Eş. 6 ie ede edimiştir [15,18]. VA A 4 p K f KuBa fj(10 ) (6) Burada K f uyarım geriimin daga form katsayısıdır. Sinüzoida daga formu için 4.44 ve kare daga ie uyarım için 4 oarak dikkate aınmaktadır. K u ise penere bögesine ne kadar ietken sığdırıabieeğini ifade etmektedir. Bu katsayı sargı ietken tipine, katar arası yaıtım ve kabarma payına göre daha çok terübeye dayaı oarak beirenmekte ve nüvenin boyutandırımasında odukça etkii ro oynamaktadır. Bu çaışmada nüve ve sargıar arasındaki soğutma boşuğu, katar arası yaıtım payı ie yan yana geeek komşu sargıarın arasında bırakıması gereken mesafeer düşünüerek 0,35 oarak kabu edimiştir. Akım yoğunuğu değeri J doğa konveksiyon ie soğutma oaağı için 50 A/m oarak beirenmiştir. Böyee sargıarın yapımında 100x0,5 mm bakır foyo kuanıaağı için etkin değeri 100 A oan akımı taşıyabieek kapasitede ietken seçimiş omaktadır. Çizege. Reaktörün %4,5 geriim düşümü için eektrikse parametreeri X L V L S L L 0,1035 Ω 10,35 V 3105 VA 0,33 mh Reaktörer üç fazı üç baakı veya ayrık oarak üç adet bir fazı nüve yapısında tasaranabimektedir. Şeki 3 te görüdüğü gibi penere kuanım aanı (W a ) ie nüve kesiti (A ) boyutandırma için teme teşki etmektedir. Güç kapasitesine göre Eş.7 ie beirenen ürün bögesi (A p ) nüve kesiti ie penere kuanım aanının çarpımına eşit omaktadır [15,18]. A p A Wa (7) Nüve kesiti ve penere aanı beirendikten sonra Çizege 3 te verien penere yüksekiği (H) ie penere genişiğine (G) ait teknik özeiker kuanıabiir. Çizege 3. Nüvenin boyutandırımasında kuanıan teknik özeiker A p A W a G H 1940 m 4 36 m 54 m 45 mm 10 mm Penere yüksekiğinin büyüküğü reaktör sargıarının yapıaağı 100x0,5 mm boyutarındaki foyo sarım mazemesinin yüksekiğine ve sargıar ie nüvenin at ve üst boyunduruk kısımarında bırakıaak boşukara göre 10 mm oarak beirenmiştir. Sargıarın kabarma payarı ve komşu sargıar arasındaki mesafeer ie birikte nüve ve sargı arasındaki soğuma boşuğu 8 mm düşünüerek penere genişiği için 45 mm yeteri omaktadır. Böyee 1940 m 4 büyüküğündeki üç fazı üç baakı reaktör nüvesi için 3105 VA güü taşıyabieek kapasitede boyutandırma yapımıştır. Reaktörerde sarım sayısı transformatörerde oduğu gibi uyarım geriiminin etkin değeri dikkate aınarak Faraday Kanunu'na göre Eş. 8 ie hesapanabimektedir. Anak reaktörerde sarım sayıarı %4,5 geriim düşümü değerine göre beirenmektedir [15,18]. N f a (%4,5) V 10 K B fa 4 a (8) Böyee reaktörün eşdeğer endüktans değerinin 0,33 mh oabimesi için gereki sarım sayısı 17 tur ve nüvedeki topam hava araığı mesafesi ise Eş. 9 ie 4 mm oarak beirenmiştir [1,15]. 0,4N A L 8 10 m g, (9) Hava araıkarı nüvenin at ve üst boyundurukarı ie baak kısımarı arasında xmm oarak H W a W a G G A Şeki 3. odeenen üç fazı üç baakı reaktörün görünüşü 60
SONLU ELEANLAR ETODU İLE AA HAT REAKTÖRLERİNİN TASARII Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) :57-67 düşünümektedir. Buna göre boyutandırma işeminde 60 mm genişiğindeki aminasyonun kuanıması durumunda metrik oarak nüvenin öçüeri Şeki 4 te verimiştir. görüen manyetik eşdeğer devrede doaşan akıar için beirtien yönerdeki çevre denkemeri sırasıya Eş. 10-15 ie verimiştir. Asimetri etkisiye orta baak akısının dıştaki baakara göre daha büyük oaağı açıkça görümektedir [19]. 60 mm 70 mm 60 mm 60 mm mm 60 mm 44 mm 45 mm 10 mm 100 mm mm (a) 9 mm (b) 10 mm 8 mm () Şeki 4. odeenen reaktörün görünüşü ve boyutarı (a) ön görünüşü, (b) yan görünüşü, () üst görünüşü 3.1.Üç Fazı Üç Baakı Reaktör Nüvesinin atematikse odei (athematia ode of The Three-Phase Three-Leg Reator Core) Üç fazı üç baakı nüve yapıarındaki asimetrik davranış sebebiye eşdeğer endüktans değeri dikkate aınarak matematikse modei geiştiriebiir. Şeki 5 te i 1 A 1 (10) i B 1 (11) i 3 C 1 (1) (13) B A C b =10 mm =180 mm 1 1 1 A i1 i 3 B C i Şeki 5. Üç fazı üç baakı nüve ve eşdeğer devresi 61
İBRAHİ SEFA, SELAİ BALCI, NECİ ALTIN / POLİTEKNİK DERGİSİ, Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) : 57-67 N i 1 N i1 1 i1 i3 1 N i3 1 (14) i (15) Bu devrede 1 ve sırasıya nüvenin baak ve boyunduruk kısımarının reüktansını ifade etmektedir. Üç baakı nüve yapıarında boyunduruk ve baak boyutarına bağı oarak asimetri oranı değişmektedir. Böyee asimetri oranı (θ) per-unit oarak Eş. 16 ie beirenebimektedir []. b (16) N sargıı bir reaktör için Amper Kanunu Eş. 17 ie tanımanmaktadır [0]. Doayısıya üç fazı üç baakı nüvenin boyunduruk ve baak kısımarında manyetik aan şiddeti için denkemer sırasıya Eş. 18 ve 19 oarak ede ediebiir. H d N i (17) H b b H N( i ) 1 i3 (18) N i (19) Nüvenin boyunduruk ve baak boyutarının büyüküğüne göre Eş. 16 ie ifade edien asimetri oranı için manyetik aan şiddetine göre Eş. 0 yazıabimektedir. N i1 i3 Hb Ni H (0) Ni H Buradan Şeki 5 te verien nüvedeki boyunduruk ve baak boyutarına göre asimetri oranı 1/6 kadar omaktadır. Transformatör nüveerinde hava araıkarı buunmadığı için asimetri etkisi daha faza ouşmaktadır. Anak reaktörerde transformatörerden farkı oarak hava araıkarının etkisiye nüvenin baak kısımarındaki reüktans çok büyük değerde oduğundan asimetri oranı çok küçük değerdedir. Hava araıkı nüveerde asimetri oranı boyunduruk ve baak kısımarının reüktans değererinin birbirine orananmasıya Eş. 1 ie ede edimektedir []. Nüvenin yapısa asimetrisi reaktörerin eşdeğer endüktans değerini değiştirdiğinden fitreeme performansına etki etmektedir. 1 g (1) Ü ç baakı nüvede sargıarın öz ve karşııkı endüktans değereri bağaşım etkisiye ouşmaktadır. Buna bağı oarak reaktörün eşdeğer endüktans değerinin tasarım aşamasında dikkate aınması gerekmektedir. Reaktöre ait üç fazı sargı eşdeğer devre modei Şeki 6 da görümektedir. 13 L 1 L L 3 1 3 Şeki 6. Reaktörün üç fazı sargı modei []. Tanımanan sargı modeine göre endüktans matrisi Eş. de veridiği gibi ouşturuabiir. Burada L 1, L ve L 3 sargıarın öz endüktansarı, ij ise karşııkı endüktansarı ifade etmektedir. L L 1 1 31 L 1 3 L 13 3 3 () Her sargı için öz ve karşııkı endüktans değererinin asimetri oranına göre değişimi sırasıya Eş. 3-6 ie verimiştir []. Böyee üç baakı nüve için dıştaki baakarın endüktans değereri ie komşu sargıarın karşııkı endüktans değereri birbirine eşit omaktadır. L eq L 1 L3 (3) 3 1 L eq L (4) 3 L eq 1 3 (5) 3 L eq 13 (6) 3 1 SEA ie modeenen reaktör sargıarına ait endüktans değereri Çizege 4 te verimiştir. Buradan reaktörün bağı oduğu hat üzerinde ouşturaağı empedans için eşdeğer endüktans değeri koayıka ede ediebimektedir. Çizege 4. Reaktör sargıarının SEA ie ede edien endüktans değereri L 1 L L 3 1 3 13 L eq 0,4 mh 0,3 mh 0,4 mh 0,113 mh 0,113 mh 0,113 mh 0,34 mh 6
SONLU ELEANLAR ETODU İLE AA HAT REAKTÖRLERİNİN TASARII Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) :57-67 4. FARKLI NÜVE ALZEELERİ İÇİN AA REAKTÖRÜN ANALİZİ (ANALYSIS of AC REACTOR for DIFFERENT CORE ATERIALS) Eektrikse parametreeri beirenen reaktörün farkı nüve mazemeeri kuanıdığı durumda performans testeri SEA yazıımı kuanıarak yapımıştır. Reaktörün kısa sürei aşırı yükenme durumunda dahi görevini yerine getirebimesi için geneike anma akım değerinin %150 sine kadar endüktans değerinin kararı oması gerekmektedir. Ayrıa herhangi bir kısa devre durumunda sürüü girişindeki yarıietkeneri korumak için aşırı akımardaki reaktör empedansı büyük önem taşımaktadır. Bundan doayı reaktörün yarıietkenerde ouşabieek kısa devre durumundaki endüktans değeri tamamen sıfıra gitmemeidir. Doymaya bağı endüktans değişimini test etmek için SEA parametrik çözüüsü kuanıarak sargıardan geçen akım değeri 10 A adım araığında 400 A değerine kadar artırımıştır. Böyee, 330-35A, 330-50A yönendirimemiş mazemeer ie 150-30S tip yönendirimiş mazemenin karşıaştırıması yapımıştır. Parametrik anaiz sonuunda Şeki 7 de görüen endüktans değişim grafiği ede edimiştir. Anma akım değerinin 4 katında dahi endüktans değeri 0,4 mh seviyesindedir. Ayrıa, anma akımının katına kadar reaktörün eşdeğer endüktansı boştaki değerinin yakaşık %70 i kadar omaktadır. 330-50A kuanıdığında %150 yükenmede doymadan doayı endüktans değeri azamaya başamaktadır. 0 E1 E E3 Winding1_in Winding_in Winding3_in Winding1_out Winding_out Winding3_out Şeki 8. Eş zamanı SEA benzetimi için test devresi Bu devrede doğrutuu çıkışına fitre kondansatörü oarak seri eşdeğer seri direnç (ESR) değeri 1 mω oan 10000 µf kondansatör bağanmıştır. axwe yazıımında üç boyutu oarak modeenen reaktörün eşdeğer devresi doğrutuu giriş hattına seri oarak bağanmıştır. Böyee, eş zamanı benzetim yapıarak reaktörün performansı gerçek çaışma şartarına yakın oarak Şeki 9'da görüen üç fazı tam daga doğrutuunun harmonik bieşener içeren akımarı ie test edimiştir. B6U B6U1 D1 D3 D5 D D4 D6 R5 C1 R4 0,36 0,34 150-30S Şeki 9. Doğrusa omayan yük durumunda reaktör faz akımarı L (mh) 0,3 0,30 0,8 330-50A 330-35A Ayrıa, 6-darbei doğrutuunun bağı oduğu durumda reaktör sargıarı üzerine düşen geriim daga formu Şeki 10'da verimiştir. 0,6 0 100 00 300 400 I rms (A) Şeki 7. Yük akıma bağı oarak AA reaktörerdeki endüktans değişimeri Nüve kaybı açısından karşıaştırma yapabimek için sinüsoida (omik) ve doğrusa omayan akım durumarında anaizer yapımıştır. Doğrusa omayan yük oarak yaygın biçimde kuanıan 6 darbei oarak da biinen üç fazı tam daga kontrosüz doğrutuu devresi Şeki 8 de görüdüğü gibi Simporer yazıımında ouşturumuştur. SEA geçii durum çözüüsü kuanıarak 10 µs adımara 100 ms periyot için eş zamanı oarak benzetim yapımıştır. Şeki 10. Doğrusa omayan yük durumunda reaktör sargıarı üzerinde düşen geriim SEA ie modeemesi yapıan reaktör nüvesinin sonu eeman ağara böünmüş durumu Şeki 11 de görümektedir. Burada sonu eemanarın sayısı 1117 dir.nüvenin hava araığı buunan kısımarında ağarın daha sık biçimde ayrıntıı örüdüğü görümektedir. Sonu eeman ağarın sayısına ve 63
İBRAHİ SEFA, SELAİ BALCI, NECİ ALTIN / POLİTEKNİK DERGİSİ, Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) : 57-67 boyutuna göre SEA çözüm süresi uzamakta anak daha doğru sonuçar ede ediebimektedir. Doğrusa omayan uyarım durumunda akımın harmonik bieşeneri sebebiye nüve kaybı grafiğinde ani artışar ouşmaktadır. Bu grafikerin ortaama değeri aındığında nüve kaybı verieri ede edimektedir. Şeki 11. Nüvenin sonu eemanara böünmüş hai (a) Nüve mazemesinin tipine göre ede edien nüve kaybı değereri Çizege 5 te verimiştir. Bu çizegeye göre hem sinüzoida uyarım hem de doğrusa omayan uyarım durumarında en az nüve kaybı 150-30S (5) mazemenin kuanıdığı tasarımdır. En faza kayıp 330-50A mazemede gerçekeşmiştir. Benzetimerde sargı kayıparı sabit tutuduğundan verien değerer nüveerin kayıp değereridir. Uyarım durumuna göre kayıparın değişimi için 150-30S tip nüve mazemesi kuanıan reaktör için nüve kaybı grafikeri Şeki 1 de görümektedir. Böyee sinüzoida ve doğrusa omayan akım ie uyarım durumarı arasındaki fark daha net ineenebimektedir. Şeki 1. (b) 150-30S nüve mazemesi için uyarım durumuna göre nüve kaybı grafikeri (a) Sinüzoida uyarım durumu (b) Doğrusa omayan uyarım durumu Çizege 5. Nüve ateryai çeşidi ve yük seviyesine bağı oarak doğrusa ve doğrutuu yükerine göre nüve kaybı değereri Yük Yüzdesi ve Tipi Nüve aterya Tipi 330-35A 330-50A 150-30S Omik Doğrutuu Omik Doğrutuu Omik Doğrutuu %5 1,1 W 11,9 W 1,9 W 15,8 W 0,8 W 9,5 W %50 3,9 W 7,8 W 5,8 W 34,8 W,4 W 3,4 W %75 9,1 W 39,5 W 10,8 W 50, W 5,7 W 30,7 W %100 17,4 W 50,9 W 3,1 W 67,9 W 10, W 36, w %150 30,6 W 64,4 W 35,9 W 80,7 W,7 W 43,8 W %00 36,7 W 95.6W 54,7 W 15,1W 31,4 W 66,4 W (a) (b) () Şeki 13. Sinüzoida uyarım durumunda maksimum 1,5 T için akı dağıımarı (a) 330-35A (b) 330-50A () 150-30S 64
SONLU ELEANLAR ETODU İLE AA HAT REAKTÖRLERİNİN TASARII Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) :57-67 Sinüzoida uyarım durumu için akı dağıımı nüve mazemesinin farkıığına göre Şeki 13 te verimiştir. Bu dağıımar 85.ms deki ani akım değererine göre çizdirimiştir. Sinüzoida uyarım durumunda tasarım aşamasında öngörüen akı değerinin doğruuğu test edimiş ve bu reaktör nüvesi için x mm hava araığının uygun oduğu görümüştür. Eğer nüvede doyma ouşursa eektrikse ve manyetik parametreerin tekrar gözden geçirimesi gerekmektedir. SEA yazıımında parametreer yeniden kuruarak optimizasyon için gereki önemer hızı bir şekide aınabimektedir. Ayrıa, tasarımı yapıan reaktörün gerçek şartarda anaiz ediebimesini sağayan güç eektroniği benzetim yazıımı ie eektromanyetik tasarımın yapıdığı SEA yazıımı eş zamanı oarak çaıştırımıştır. Böyee, doğrusa omayan harmoniki akım uyarım durumundaki nüve davranışı ve kayıpar beirenebimektedir. Doğrusa omayan uyarım durumu için akı dağıımı nüve mazemesinin farkığına göre Şeki 14 te verimiştir. Burada 55 kw güünde üç fazı 6 darbei kontrosüz doğrutuu hattına bağanan reaktör nüveeri için akı dağıımarı ineendiğinde en uygun mazemenin 150-30S oduğu görümektedir. Nüvenin hava araıkarına yakın oan kısımarında meydana geen saçak akıarın etkisinin görüebimesi için Şeki 15 te maksimum 0,1 T için saçak akı dağıımarı verimiştir. Saçak akıarın maksimum geniği nüvede doaşan faydaı akı değerinin yakaşık oarak % 10 u kadar ouşmuştur ve ihma ediebieek kadar küçük değerdedir. Ayrıa, karşıaştırmanın daha iyi yapıabimesi açısından hava araıkarı buunmayan nüvedeki akı dağıımı da verimiştir. Bu akı dağıımarı iki boyutu D düzemse oarak ede edimiştir. Ayrıa reaktörün giriş akımındaki topam harmonik bozuumun tespiti IEC normarına uygun oarak 51. harmonik bieşene kadar oan etki dikkate aınmıştır. Reaktörsüz durumdaki anaizerde, gerçek şebekeye uygun oaak şekide hat empedansı 0, Ω oarak kabu edimiştir. Bu anaizerin sonuçarına göre reaktörün kuanımaması hainde % 80 ivarında oan giriş akım (a) (b) () Şeki 14. Doğrusa omayan uyarım durumunda maksimum 1,5 T için akı dağıımarı (a) 330-35A (b) 330-50A () 150-30S (a) (b) Şeki 15. Reaktör nüvesindeki saçak akı dağıımarı (a) Hava araıkı durum, (b) Hava araıksız durum 65
İBRAHİ SEFA, SELAİ BALCI, NECİ ALTIN / POLİTEKNİK DERGİSİ, Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) : 57-67 bozuumu (THDi) değeri tasaranan reaktöre % 30 ivarına düşmüştür. 5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Bu çaışmada 55 kw güündeki bir motor sürüüsünün doğrutuu girişine % 4,5 empedans artışı ouşturaak şekide AA reaktörerin SEA ie tasarımı ve anaizi yapımıştır. Reaktör nüve mazemesi çeşidinin işetme performansına etkisi ineenmiş ve parametrik anaiz you ie endüktans kararııkarı test edimiştir. Nüve mazemesi oarak bu türden bir tasarımda en çok terih ediebieek yönendirimemiş 330-35A, 330-50A ve yönendirimiş 150-30S siisi saar kuanımıştır. Bu mazemeer ie tasaranan reaktörerin nüve kayıparı ie akıma bağı endüktans değişimeri anaiz edimiştir. Böyee doğrutuu girişerindeki reaktörerin kasik hesapamaarı doğrusa akımara göre yapımakta ise de, gerçekte doğrusa omayan akım taşıdıkarı, tepe değeri daha büyük oan bu akımarın ise yakaşık üç kat daha yüksek nüve kayıparına sebep oduğu görümüştür. Reaktörerin tasarımında yönendirimemiş mazemeere göre yönendirimiş taneiki mazemeerin kayıp ve sıakık artışı açısından daha uygun oduğu anak, düşük maiyeti yönendirimemiş taneiki mazemeerden daha büyük kesiti nüvenin ouşturuması ie nüve kayıparı sabit tutuabieektir. Hangi mazemenin kuanıaağı kararı ise, mazemeerin o andaki temin bedei, reaktörün boyutarındaki kısıtııkar gibi kriterere göre aınaaktır. Çaışmada, güç eektroniği devresi ie manyetik devre eş zamanı oarak benzetimi yapımış böyee anaiz sürei kısamış ve daha gerçekçi sonuçar ede edimiştir. 5. KAYNAKLAR (REFERENCES) 1. Bai, S.,Atin, N., Özdemir, S. and Sefa I., FE Based Parametri Anaysis of AC Line Reators, IEEE (POWERENG) 4th Internationa Conferene on Power Engineering, Energy and Eetria Drives, Istanbu, 138-1333, (013). Rodriguez, J..C., Orajo G.A., Garia C.H.R., eero.g., Cabanas.F. and Gonzaez F.P., Anaysis of the Effets Caused by Strutura Asymmetries in the Performane of Three-Limb Core Three-Phase Indutive Fiters, IEEE Transations on Energy Conversion, (3), 600-607, (007) 3. Rie, D.E., Adjustabe Speed Drive and Power Retifier Harmonis-Their Effet on Power Systems Components, IEEE Transations on Industry Appiations, IA (1), 161-177, (1986) 4. Date, T.N. and Kushare, B.E., Evauation of Performane of AC Drive Under Unbaaned Votage Conditions and AC Line Reator Harmoni itigation Performane at Various Loading Conditions, IET-UK Internationa Conferene on Information and Communiation Tehnoogy in Eetria Sienes (ICTES 007), Dr..G.R. University, Chennai, Tami Nadu, India, 308-314, (007) 5. Shipp, D.D. and Vihek, W.S., Power Quaity and Line Considerations for Variabe Speed AC Drives, IEEE Transations on Industry Appiations, 3 (), 403-410, arh/apri 1996. 6. Liang, X., Obinna, I. and Lim, J., Infuene of Reators on Input Harmonis of Variabe Frequeny Drives, IEEE Transations on Industry Appiations, 47 (5), 195-03, (011) 7. Skibinski, G. L.,Taam, R.., Pande,., Kerkman, R.J. and Shege, D. W., System Design of Adjustabe Speed Drives, Part -System Simuation and A Line Interations, IEEE Industry Appiations agazine, (01) 8. Koman, S. and Orsag, P., Effiieny Evauation of Various Assembies of Variabe Speed Drive, IEEE (EEEIC) 14th Internationa Conferene on Environment and Eetria Engineering, Krakow, Poand, (014) 9. IEEE Standard for Performane of Adjustabe-Speed AC Drives Rated 375 kw and Larger, IEEE Industry Appiations Soiety, (015) 10. Donuk, A., odeing and Design of Iron-Core Shunt Reators with Disretey Distributed Air-Gaps, A Thes is Submitted to the Graduate Shoo of Natura and Appied Sienes of idde East Tehnia University In Partia Fufiment of the Requirements for the Degree of Dotor of Phiosophy in Eetria and Eetronis Engineering, (01) 11. Donuk, A., Rotaruand,. and Sykusk, J.K., Definingand Computing Equivaent Indutanes of Gapped Iron Core Reators, ISEF 011-XV Internationa Symposium on Eetromagneti Fieds in ehatronis, Eetria and Eetroni Engineering, Funha, adeira, (011) 1. Kohsaka, T., Takahashi, N., Nogawa, S. and Kuwata,., Anaysis of agneti Charateristis of Three-Phase Reator ade of Grain-Oriented Siion Stee, IEEE Transations on agnetis, 36 (4), 1894-1897, (000) 13. Namikawa,., Ninomiya, H. and Yamaji, T., High Siion Stee Sheets Reaizing Exeent High Frequeny Reator Performane, JFE Tehnia Report, 6, (005) 14. Baı, S., Evirii Çıkış Transformatörerinin odeenmesi ve Anaizi, Gazi Üniversitesi Fen Biimeri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, (010) 15. Lyman, C.W.T., Transformer and Indutor Design Handbook, are Dekker, In., (004) 16. Gao Y., uramatsu K., Hatim.J., Fujiwara K., Ishihara Y., Fukuhi S., Takahata T., Design of a Reator Driven by Inverter Power Suppy to Redue the Noise Considering Eetromagnetism and agnetostrition, IEEE Transations on agnetis, 46 (6), 179-18, (010) 17. Kuwata,., Nogawa, S., Takahashi, N., iyagi, D. and Takeda, K., Deveopment of oded-core-type Gapped Iron-Core Reator, IEEE Transations on agnetis, 41 (10), 4066-4068, (005) 18. Bai, S., Sefa, I. and Bayram,.B., "Core ateria Investigation of edium-frequeny Power Transformers", IEEE-16th Internationa Power Eetronis and otion Contro Conferene and Exposition, PEC, Antaya, 861-866, 1-4, (014) 19. Atin, N., Bai, S., Ozdemir, S. and Sefa, I., A omparison of singe and three phase DC/DC onverter 66
SONLU ELEANLAR ETODU İLE AA HAT REAKTÖRLERİNİN TASARII Poiteknik Dergisi, 015; 18 (4) :57-67 strutures for battery harging, IEEE Internationa Conferene on Renewabe Energy Researh and Appiations (ICRERA), adrid, 18-133, (013) 0. Wojda, R.P. and Kazimierzuk,.K., "Anaytia winding size optimisation for different ondutor shapes using Ampère s Law", Power Eetronis, IET, 6 (6), 1058-1068, (013) 67