Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Anabilim Dalı

2017

60 oluklu asenkron motorlarda uzay harmoniklerinin etkilerinin azaltılması ve işletme başarımının artırılması

Reducing of the space harmonics effect for 60 slot induction motor and improving of the motor performance

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 467237

Tezi Bul
Özet:

Son yıllarda enerji verimliliğin ön plana çıkması ve teknolojik gelişmeler neticesinde motor uygulamalarındaki çeşitliğin artması asenkron motorların performansını artırmaya yönelik çalışmaları beraberinde getirmiştir. Asenkron motorların elektriksel ve mekanik performansını artırmaya yönelik hem sürüş hem de tasarım tarafında pek çok iyileştirme çalışması yürütülmekledir. Elektronik teknolojisindeki gelişmelerle birlikte asenkron motorlar saf sinüs dalga şekliyle sürüşe imkân verip zaman harmoniklerinin genliklerini düşük seviyelere indirgemek mümkündür. Asenkron makinalarda zaman harmoniklerinin yanı sıra hava aralığı amper sarım dağılımı saf sinüs biçimli olmadığından dolayı uzay harmonikleri etkisini göstermektedir. Uzay harmonikleri direkt olarak hava aralığı ampersarım (MMF) dağılımı ile ilişkilidir. Ampersarım dağılımı makine uzayı boyunca stator oluk konumu ve ilgili oluk içerisinden akan akımın bir fonksiyonu olarak ortaya çıkar. Makine uzayı içerisindeki ampersarım dağılımını değiştirmek için yapısal değişiklikler gereklidir. Bu tez çalışmasında stator oluk konumlarının değiştirerek hava aralığı ampersarım dağılımı içerisindeki harmonikleri yok etmek amaçlanmıştır. Tez kapsamında Arçelik A.Ş. tarafından üretilen 90kW 2 kutuplu 48 oluklu IE2 verim sınıfı asenkron motor referans motor olarak incelenmiştir. Referans motorun analitik ve sonlu elemanlar analizi yapıldıktan sonra test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Tasarım çıktıları ile motor test sonuçlarının örtüştüğü ispatlanmıştır. Tasarımı ve performansı doğrulanmış olan 48 oluklu motorun rotor geometrisi sabit tutularak stator ve rotor akı yoğunlukları sabit kalmak kaydı ile q/2=5 60 oluklu 2 kutuplu klasik sargılı asenkron motor tasarımı yapılmıştır. 60 oluklu klasik sargılı referans motorun tasarımı sonlu elemanlar analizinde doğrulandıktan sonra referans motor parametrelerine göre 60oluklu 2 kutuplu uzay harmonikleri azaltılmış motorun tasarımı yapılmıştır. Harmonikleri azaltılmış makinenin tasarımı daha önce q/2=5 için ortaya konulan oluk konumları ve ampersarım dağılımı referans alınarak yapılmıştır. Kullanılan tasarım yönteminde belirtilen oluk konumları ve amper sarım dağılımına göre q/2=5 için 29.harmoniğe kadar bütün harmoniklerin etkilerinin sıfırlandığı bilinmektedir. Yapılan analizlerin sonuçları ve eşdeğer devre parametleri her üç makina için karşılaştırmalı olarak verilmiş olup analiz çıktılarına göre harmonikleri azaltılmış makinede elde edilen sonuçlar tatmin edicidir. Harmonik etkilerinin azaltılmasın neticesinde hava aralığında sinüse daha yakın bir MMF dağılımı elde edilmekle beraber rotor akımları iyileştirilmiştir. Rotor akımlarının azalması neticesiyle rotor iletken kayıplarında ciddi oranda iyileşme görülmüştür. Yok edilen harmoniklerin bozucu momentlerinin iyileştirilmesi sonucu yol alma karakteristiğinde iyileşme gözlemlenmiştir. Yapılan yeni sargı tasarımıyla beraber bobin adımları kısalmış olmakla beraber daha az bakır kullanımı neticeyle bakır kayıpları azalmış olup motor veriminde artış görülmüştür. Kullanılan bakır miktarının azalmasından dolayı motor maliyetinde iyileşme ve aynı zamanda verim artışı sayesinde anlık güç tüketimindeki azalma sayesinde ülke ekonomisine katkıda bulunulmuştur.

Summary:

In recent years, energy efficiency has come to the forefront and technological developments have led to the development of improving the performance of asynchronous motors. A lot of improvement on both the drive and design side is carried out to improve the electrical and mechanical performance of asynchronous motors. Along with improvements in electronics technology, it is possible to drive asynchronous motors with a pure sine waveform and reduce the amplitudes of the time harmonics to low levels. In induction machine, space harmonics appear as well as the time harmonics .The mmf distribution of the induction motor is not pure sinusoidal, so mmf distribution have harmonic compounds. The space harmonics are directly related to the airgap MMF distribution. The amperage distribution occurs along the machine space as a function of the stator slot position and the current flowing through the respective slot. A structural changes are necessary to change the MMF distribution in the machine space. When the space harmonics are examined; the amplitude of the double harmonics is zero due to the 3-phase current-voltage waveform. Harmonics of 3 and 3 times are insignificant because they do not form a rotational field. Space harmonics appear in every 6k ± 1. k is the level of the harmonics. The most effective space harmonics are 5th and 7th harmonics. The harmonics of level 6k-1 generate rotating field in the negative direction and the harmonics of level 6k+1 have rotating field in the positive direction. Historical development of space harmonics has started with the definition of mathematical equations for classical windings of harmonics and continue with various calculation methods have been established for all motors respectively and methods have been developed to reduce harmonics. Although there is no current method for all rotating electric machines today, there are methods to reduce harmonics under certain criteria. In this thesis study, it is aimed to eliminate the harmonics in the air gap MMF distribution by changing the stator groove positions and ampere turn of the respective slot. The first important academic research of space harmonics was carried out by B. Hague in 1917. The mathematical model of the harmonics in the MMF distribution is presented with this research. Then the effect of the space harmonics on motor torque xxii were investigated by K.L Hansen in 1922 (Torque Components Due to Space Harmonics in Induction Motors). After the concept of space harmonics has been defined, some studies have been done to calculate the harmonic components. One of the most important works was carried out by J. Stepina in 1987 (Matrix analysis of space harmonics of asymmetrical stator windings). The MMF expression is solved in these matrices and the harmonic components are obtained by opening to the fourier series. Since the position matrix is given as an input here, this method can be applied for any symmetrical or asymmetric windings. It is very important because it is the basis of the method of changing the slot locations used in this thesis study. MMF expressions obtained for different q values in the work "Reducing the Effects of Space Harmonics on Asynchronous Machines" made by Kocabaş D. A in 2004 were solved by the Newton Raphson iteration method in terms of the slot position matrix. For each q value, the stator slot locations that make the least harmonic components are calculated. In this method it is possible to eliminate harmonics as much as 1 minus the q value calculated. For example, q = 10 for the 60 poles and 2 poles used in this thesis. 9 pcs harmonics can be eliminated and the first space harmonics available is 31st harmonic. Within the scope of the thesis, 90kW 2-pole 48-Slot IE2 Efficiency class asynchronous motor is examined as the reference motor. After that, it was compared with the test results. The analytical and finite elements analysis of the reference motor were compared with the test results after analysis. It has been proven that the design outputs match the motor test results. The design of the 48 corrugated motors whose design and performance have been verified .Then reference 60 pole motor will be designed consider the same rotor geometry with 48 slot machine. The design of the 60 slot reference motor with classical winding has been verified in the analysis of the finite elements and then the design of the 60-pole 2-pole space harmonics reduced motor according to the reference motor parameters. Slot location and ampere turn distribution which is stated by D.A.Kocabaş for q/2=5 will be used for design of reduced harmonics machine. It is known that the effects of all harmonics up to 31. harmonics to be eleminated by using this method. The results of analyzes made and the equivalent circuit parameters are given comparatively for all three machines and the results obtained with the machine with reduced harmonics according to the analysis outputs are satisfactory. As a consequence of reducing the harmonic effects, the rotor currents are improved, while a more similar sine wave MMF distribution is obtained in the air gap. s a result of the reduction in rotor currents, there is a serious improvement in rotor conductor losses. With the Improvement of the destructive torque has been observed to improve the starting characteristic of the induction motor. With the new winding design being made, the coil steps have been shortened and the usage of less copper has resulted in a decrease in copper losses and an increase in motor efficiency.