LİNEER ELEKTRİK MAKİNELERİ VE DEMİRYOLU UYGULAMALARI Mehmed ÇELEBİ E-Posta Adres : mehmed.celebi@bayar.edu.tr : Celal Bayar Üniversitesi, El-Elektronik Bölümü, Muradiye kampüsü, Manisa. Telefon : (236) 241 21 45 Faks : (236) 241 21 43 1
LİNEER ELEKTRİK MAKİNELERİ VE DEMİRYOLU UYGULAMALARI Mehmed ÇELEBİ Celal Bayar Üniversitesi, El-Elektronik Bölümü, 45140, Manisa mehmed.celebi@bayar.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, Lineer Endüksiyon makine türleri kısaca anlatılmış ve demir yolu uygulamaları gösterilmiştir. Lineer Endüksiyon makinesi (LEM) düşük ve yüksek hızlı makine olarak iki kategoriye ayrılmış aralarındaki temel farklara değinilmiştir. Lineer Elektrik Makinelerinin sargı şekillerine göre ürettikleri tahrik güçleri gösterilmiş, konvansiyonel sistemler ile LEM sistemleri karşılaştırılmıştır. Son olarak LEM sistemlerinin demiryolu uygulamalarına örnekler verilip, gelecekteki konumu değerlendirilmiştir. 1. GİRİŞ Lineer endüksiyon makineleri ile endüksiyon makinelerinin arasındaki temel fark hava aralıkları arasındaki yapı farkıdır (şekil 1). Döner endüksiyon makinesi kapalı bir hava aralığına sahip iken, Lineer endüksiyon makinesi giriş ve çıkış ucu olarak, açık bir hava aralığına haizdir. Bu açık hava aralığı bu tip bir makineye olağan dışı bir karakteristik kazandırmaktadır. Daha büyük bir hava aralığı ve sekonder iletken levha, döner ve lineer makineler için araştırma konusu olmuştur. Lineer makine için birçok araştırma daha büyük bir hava aralığı ve sekonder iletken levhadan kaynaklanan problemler üzerine yapılmış; açık hava aralığından doğan bir sorun olan uç etkisinin çözümüne ilişkin fazla bir araştırma yapılmamıştır. Bunun sebebi düşük hızlarda uç etkisi anlamsız olmasıdır. Bazı özel durumlarda uç etkisi için birtakım yaklaşım yöntemleriyle hesaplama yapılabilir. Eğer senkron hızı çok yüksek değilse, lineer endüksiyon makinesi itme kuvveti üretmede yeterli olur. Yüksek hızlı lineer endüksiyon makinesinin karakteristiklerinin karşılaştırılmasında uç etkisinin itme kuvvetinde düşme, güç faktöründe önemli bir azalmaya sebep olduğu ve makinenin çoğunlukla çalıştığı bölge olan küçük s kaymalarında verimi düşürdüğü gözlemlenmiştir. Motorun performansının azalması, yüksek hız lineer endüksiyon makinesinin fizibilitesinde düşünülmesi gereken sorunlardan biridir. 2
Şekil 1. Lineer endüksiyon makinesi [1] 2. LİNEER ELEKTRİK MAKİNESİ TÜRLERİ Lineer Asenkron Motorlar Yaygın LEM (Lineer Elektrik Makinesi) şekli çok fazlı olan LEM lerdir. Çok fazlı döner endüksiyon motorunda olduğu gibi, çok fazlı bir LEM de hava aralığı, hareket eden bir manyetik alana sahiptir. LEM in hava aralığı döner makinenin aksine, genelde bir ileri, bir geri bileşeni ve manyetik devresindeki süreksizlik yüzünden bir titreşim bileşenine sahiptir. İleri bileşen baskındır ve sekonderde indüklenen akımlara bağlı olarak güç üretiminde etkendir. Yine, döner motorda devir üretimine karşılık, LEM doğrusal hareket eden primere (sekonder sabitlenmiş ise) veya doğrusal hareket eden bir sekondere (primer sabitlenmiş ise) sahip olabilir. Primer ve sekonder uzunluklarına bağlı olarak, bir LEM kısa primerli veya kısa sekonderli olabilir; çift taraflı denilen (DSLIM) karşılıklı iki primere sahip bir makine de olabilir (şekil 2). Eğer tek taraflı ise tek taraflı LEM (SLIM) denir (şekil 3). Şekil 2 Kısa primerli DSLIM [3]. 3
Şekil 3. Kısa sekonderli tek taraflı SLIM [3]. Bazı lineer makinelerde sekonderi manyetik materyal ile desteklenen, sekonder bir levha veya plaka bulunabilir; veya sekonderi genel kafes tipinde olabilir. Sargılı sekonder türü yaygın değildir. Döner motorda olduğu gibi LEM de bir, iki veya üç fazlı olabilir. Bütün LEM lerin primer bağıntıları döner makinelerinkine benzer, fakat LEM in sonundaki oluklara şekil 4 te görüldüğü gibi bazen yarım sargı konur. Tek fazlı bir LEM i başlatma mekanizması, eşdeğeri olan döner makineninkinin aynısıdır. Tek fazlı LEM gölge kutuplu tipte veya bir kapasiteyle bağlanan yardımcı bir tahrik sargısına da haiz olabilir. Şekil 5 ten görüleceği üzere Lineer makineler değişik çekirdek tiplerinde de tasarlanabilirler. LEM lerin sınıflandırılması şekil 6 da görülmektedir. Şekil 4. Uç kısımlardaki olukları yarı doldurulmuş bir LEM in primeri [3] Şekil 5. C - çekirdekli çift taraflı geliştirilmiş sargısıyla TFLIM [3]. 4
Lineer Endüksiyon Motoru Kısa Primerli Kısa Sekonderli Primer Hareketli Sekonder Hareketli Kompozit sekonderli Düzlemsel motor Plaka sekonderli Tubular Motor Ters akılı Düzlemsel akılı Düzlemsel akılı Ters akılı Yüzey primer sargılı Çift taraflı magnetik Tek taraflı magnetik Tek taraflı Çift taraflı Tek taraflı elektriksel elektriksel elektriksel Açık primer magnetik devre Kapalı Primer magnetik devre Şekil 6. LEM lerin sınıflandırılması [3]. Lineer Senkron Makineler Lineer Senkron Makine döner eşdeğeriyle temelde benzerdir. Lineer senkron makine son on yılda yüksek hız raylı taşımacılık için önem kazanmıştır. Konvansiyonel senkron motorda olduğu gibi, Lineer senkron makinenin da statoru ve DC alan uyartımı vardır. Alan uyartımı şekil 7 de görüldüğü gibi taşıt üzerinden veya süper iletken mıknatıs kullanılarak kendinden uyartılabilir. Şekil 7. Kutupları açık Lineer Senkron Makine (LSM) [3]. Süper iletken mıknatısların kullanıldığı lineer motorlar senkron tip lineer motorlardır. Senkron motorun statorunu, sabit ve hassas bir yapıya sahip yolların içine yerleştirilmiş ve üç fazlı döner alan oluşması için üç fazlı besleme yapılabilen şebekeyle beslenmekte olan sargılar oluşturmuştur. Rotoru ise, sabit bir mekanizmaya yerleştirilen sürekli mıknatısların N -S, N - S şeklinde sıralanmasından oluşmuştur. Tipik bir lineer senkron motor olan bu sistem 5
hızlı taşımacılık sistemi olan MAGLEV teknolojisinde kullanılmaktadır. 300 km/saat hızın çok daha üstüne çıkmak bilimsel çalışmaların hedefi olduğundan bu sistem, süper iletken mıknatıslar kullanılarak geliştirilmeye çalışılmaktadır. Genelde, Maglev sisteminde sabit mıknatıslı senkron motor kullanıldığından makinenin aktif rotor kısmı, taşıt içine yerleştirilmiş sürekli mıknatıslardan oluşmuştur. Stator ise raylara yerleştirilen sargılardan oluşmaktadır. Sargılar, sabit yolda montajlı olduklarından tahrik enerjisi taşıt ile bağımsız olarak yola verilmiş olur. Yol sargıları paralel iki sargıdan oluşabilir. Bunlardan istenen alan şiddetine göre paralel, seri, seri - paralel veya her iki sargı da bağımsız bağlantısız olarak ayrı ayrı beslenebilir. Bu sargılar 3 fazlı bir AC şebekeden beslendiklerinde bir döner alan (ilerleyen alan) oluştururlar. Yarı çapı sonsuz olan statordaki bu döner alan taşıtta ve bu sargıların altında bulunan sürekli mıknatısları çekerek yukarı kaldırırlar. Kaldırılan mıknatıslar taşıtı da kaldırmış olur. Hareketi sağlayan, yine sargılardaki döner alan ve sürekli mıknatısların senkron motor gibi özellik göstermesi sonucu gerçekleşen lineer motor özelliğidir. Sürekli mıknatıslar bu tip sistemlerde hem kaldırma hem de hareket ettirmede görev yaparlar. Dolayısıyla, mıknatısların özellikleri ne kadar iyi olursa motor verimi ve hızı o oranda yüksek olacaktır. Bu aşamada süper iletken mıknatıslar devreye girmektedir. Taşıt içinde kullanılan iletken mıknatıslar taşıtın içindeki helyum ile soğutularak süper iletken mıknatıs özelliği elde edilir. Güç elektronikli elemanlar aracılığıyla bilgisayar denetimli tam otomatik kontrollü sistem 517 km/saat lik deneme hızına ulaşmıştır. Yol sargıları sürekli enerjili olmayıp birçok parçalara ayrılmıştır. Taşıt hareket halindeyken bu bölümlerden sadece biri enerjilenmektedir. Taşıt bu parçayı terk ettiği anda bu parçanın enerjisi kesilmekte, taşıtın gittiği yönde bir sonraki yol parçası enerjilenmektedir. Böylece kalın sargılardan oluşmuş stator sargılarında aşırı kayıplar oluşmamaktadır [3]. Bununla birlikte, Lineer senkron makinenin hareket eden bir endüviye mi yoksa sargı alanına mı sahip olacağı uygulama alanına göre değişir. Stator sargılarının zeminden beslendiği motor tipi, yüksek hızlı ulaşım için daha avantajlıdır. Şekil 8 de LSM lerin sınıflandırılması görülmektedir. 6
Lineer Senkron Motorlar Magnetik çekirdekli Taşıt üzeri hava çekirdekli Süper iletken tahrik Taşıt üzerinden tahrikli motor ve yerde yol boyunca üç faz sargılı stator Lineer relüktans motor Yer üstü tek taraflı üç fazlı endüvi Yer üstü çift taraflı üç fazlı endüvi Kısa darbeler için Yüksek hızlı taşıtlar için sekonderi Taşıt üzerinde ferro magnetik ve üç fazlı stator t t sargıları t yol boyunca yer üstünde Şekil 8. LSM lerin sınıflandırılması [3] 3. LİNEER ENDÜKSİYON MAKİNELERİNİN SARGI ŞEKİLLERİ Lineer endüksiyon makinesinin primer sargısı tabii olarak döner alan endüksiyon makinesinin sargısının aynısıdır. Dengeli üç fazlı gerilimle beslendiğinde uzayda sinüzoidal, hareket eden bir magneto motor kuvvet üretmesi gerekir. Lineer endüksiyon makinesinin primer sargısı döner endüksiyon makinesinin primer sargı çekirdeğinin mil eksenine göre ortadan ikiye kesilip düzlem boyunca yayılmasıyla elde edilir. Lineer makinede hava aralığındaki akı dağılımı, uç etkisinden dolayı bozuktur. Uç etkisi hava aralığı ve hava aralığının tüm kısımlarında manyetik akıyı zayıflatır. Şekil 9 da Alman M-Bahn raylı sisteminin Lineer motor bağlantı şekilleri görülmektedir. Bağlantı şekilleri değiştirilerek cer kuvveti / hız karakteristikleri ulaşım şekline bağlı olarak ayarlanabilir. Şekil 9(a) da görüldüğü gibi bütün bobinlerin seri bağlanmasıyla, hat akımı motoru iki defa dolaşacağından iki kat daha fazla tahrik kuvveti üretilecektir. Fakat bununla birlikte iki kat EMK üretilmesine rağmen, bu bağlantı şekli hızı yarıya düşürecektir. Seri bağlantı şekli, %10 dan dik eğimlerde ve ivmelendirme ve frenlemede kullanılırlar. Her oluk başına iki bobinli başlangıç cer kuvveti (bu 1100 amper - sarım demektir), aracı 40 km/saat lik hıza çıkaran 32 kn luk bir kuvvettir. Daha yüksek hızlarda, şekil 9(c) de görülen, her oluk başına bir iletken düşen (550 amper-sarım) paralel bağlantı şekli kullanılır. Gerilimdeki kısıtlamalar sebebi ile amper - sarım sayısının azaltılışı, 16 kn luk bir cer kuvvetini netice verir. Genelde bütün tahrik sistemlerinde, güçteki sınırlamalar nedeni ile daha yüksek hızlarda 7
bu ivme yetersiz kalır. Primeri çift taraflı bir LEM de, şekil 9(b) de gösterildiği gibi, sağ taraftaki bobinlerin seri, sol taraftakilerin paralel bağlandığı bir bağlantı şekli, her oluk başına 1.5 etkin iletken gücü sağlar. Bu da ara istasyonlarda kullanılmasına olanak verir. Tahrik sistemlerinde yüksek cer kuvveti ve yüksek hız için, ekonomik olarak dizayn edilmiş cer kuvveti / hız karakteristikleri şekil 10 da verilmiştir [4]. Şekil 9. Her oluğunda iki iletken bulunan Lineer Motorun sargı bağlantı şekilleri. a) seri bağlantı, b) seri / paralel bağlantı, c) paralel bağlantı, d) birbirinden bağımsız bağlantı [4]. 8
F(kN) 60 n = 2 50 n = 1.5 Motor gerilimi 40 30 n = 1 20 10 F = f(v) 0 0 20 40 60 80 v(km /h) Şekil 10. Oluk başına iletken sayısı n = 2, n = 1.5, n = 1 için, iki taşıtlı bir trende cer kuvveti ve motor için gerilim / hız diyagramı (M-Bahn treni, Almanya) [4]. 4. LİNEER ELEKTRİK MAKİNELERİ UYGULAMALARI LEM lerin demiryolu ulaşımı uygulamalarının başlıcası, yüksek hız kara taşımacılığı için itme ve kaldırma sistemleridir. Döner motorlar 250 km/saat üstündeki hızlar için zayıf bir seçenektir. Çünkü aşırı hızdan dolayı rotor milinde bükülme ve diğer mekanik aşınma sorunları ortaya çıkar. Öte yandan bir lineer motor 250 km/saat i geçen hızlar için ideal, uygun bir itme kuvveti vermektedir. Lineer makineler mekanik kontakların düşünülmediği hızlar için, manyetik süspansiyon sistemlerinde kaldırma makinesi olarak kullanılmak için geliştirilmektedir. HSGT (High Speed Ground Transportation) araçlarında, itme ve kaldırma için, lineer motorlar dizayn edilmiş ve ABD, İngiltere, Fransa, Japonya da test edilmektedir. Bir HSGT aracı için lineer motor olarak LSM veya LEM kullanılabilir. Sekonder olan alimünyum reaksiyon rayıyla birlikte taşıtın kısa primerli LEM olduğu (içerden güç kaynaklı) bir sistem halen test edilmektedir ve şekil 11 de ABD de yapılan 1800 kw lık bu test aracının genel görünüşünü görülmektedir. 9
Şekil 11. Çift taraflı bir LEM ile geliştirilen bir test aracı [3]. Demir karışımlı alimünyumdan bir sekonder ve taşıt üzerinde kısa primerli tek taraflı bir LEM, yüksek hız uygulamaları için de geliştirilmektedir. Fakat büyük güçte test araçları üretilmemektedir. Lineer senkron makine modellerinde ise araçtaki süper-iletken mıknatıslar, LSM nin manyetik alan tahriği için kullanılmaktadır ve endüvi ile taşıt arasındaki hava boşluğu oluşturacaktır. Bu şekilde LSM den, kaldırma kuvveti elde edilerek faydalanılabilir. Bir Lineer Elektrik makinesi aynı zamanda bir kaldırma makinesi olarak yüksek hızlı araca süspansiyon sağlamada kullanılabilir. Bu kaldırma sistemi itme tipi veya çekme tipi olabilir. Çekiş tipi bir süspansiyon sistemi şekil 12 ve 13 te görüldüğü gibi Batı Almanya da test edilmiştir. Sistemdeki elektromıknatıs ve çelik kılavuz yol arasındaki çekiş kuvveti kaldırma ve yolda tutmayı sağlar. İstenen ağırlık için ton başına yaklaşık 1 kw güç sarfiyatı ile mıknatıs ve ray arasında 15 mm lik bir hava aralığı sağlanabilir. Bir geri besleme sistemi hava aralığını izler ve çekiş sisteminin kararlı olmayan durumlarının üstesinden gelebilmek için, elektromıknatıstaki akımı ayarlar. Test aracının gücü yaklaşık 350 kw civarındadır. Bazı durumlarda lineer motor sadece itme için kullanılır ve araç, ray veya hava yastıkları ile desteklenebilir. Bu durumda lineer motor, sabit hızda araca dengeli bir tahrik sağlamalı, aracı sıfırdan uygun seyir hızına ivmelendirmeli ve aracın frenlenmesinde etkili olabilmelidir. Değişik tren yolcu kombinasyonlarına göre itme kuvveti gereksinimleri, konvansiyonel ve LEM sistemleri arasında tablo 1 de karşılaştırılmıştır. Bu tablodan görüldüğü küçük yolcu kapasiteleri için LEM sistemlerinin güç gereksinimleri azdır. 10
Şekil 12. Krauss-Maffei deney aracının kesiti (Almanya) [3]. Şekil 13. Krauss-Maffei manyetik yastıklı deney aracı ve kılavuz yolu (Almanya) [3]. 11
Tablo 1. Konvansiyonel ve LEM tahrik gücü gereksinimleri [5]. Güç gereksinimi (MW) Sistem ve Hızı 100 yolculu 400 yolculu 800 yolculu Klasik ray (400 km / saat) 7.1 8 13 İtiş tipi LEM (480 km / saat ) 4.7 12 21 Çekiş tipi LEM (480 km / saat ) 5.7 16 29 SONUÇ Lineer asenkron makinenin kılavuz yol ile birlikte etkileşimi noktasından bakılırsa, tek taraflı motorun çift taraflı motora olan üstünlüğü açıktır çünkü aracın anahtarlamalarını büyük ölçüde kolaylaştırır ve daha basit ve daha ekonomik kılavuz yol yapımına izin verir. Bu sebeple, Lineer Asenkron makineler düşük hızlarda ekonomikliği ile üstünlük sağlarken, süper-iletken mıknatıs kullanımı ile yüksek hızlara erişilebildiğinden, lineer makineler içinde en hızlı ulaşımın Lineer Senkron Makinelerle yapılabileceği görülmektedir. Bölüm 4 te gösterilen bazı örnekler lineer motorların yakın bir zamanda geleceği yeri göstermektedir. Lineer motorların endüstriyel uygulamaları sınırlı sayıdadır fakat doğal olarak görülmektedir ki, lineer motorlar, tasarımı basit, ucuz ve güvenli olmalarından dolayı mekanik dişli ve döner / lineer dönüştürücü istenmeyen durumlarda daha fazla uygulama alanı bulacaktır ve ulaşım alanında söz sahibi olacaktır. KAYNAKÇA 1. YAMAMURA, S., (1978), Theory Of Linear Induction Motors, Second edition, University of Tokyo Press, pp 3-58, Japan. 2. NASAR, S. A., BOLDEA, I., (1976), Linear Motion Electric Machines, A Wiley - Interscience Publication JOHN WILEY & SONS, pp. 19-63, New York. 3. ABUT, N., (1991), MAGLEV sistemleri, 2. Raylı Taşıt Sempozyumu Raytaş 91, Türkiye Lokomotif ve Motor Sanayi A.Ş., makine Mühendisliği Odası, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir. 4. ABUT, N., (1988), The Magnetic Levitation System and Its Applications, Research Report, Magnetbahn and AEG, Berlin. 12
5. GUARINO M., Jr., (1974), Linear Electric Machine Systems for high speed ground transportation, International Linear Electric Machine Symposium, Lyon, France. 13