Modeling of charging system and control of an alternator of a vehicle

Araç şarj sisteminin modellenmesi ve alternatör kontrolü

PDF İndir

Tez No: 352354
Yazar: MUSTAFA GÖKAY UNUTULMAZ
Danışmanlar: DOÇ. DR. LALE ERGENE
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechatronics Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2013
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 113

Özet

Günümüzde teknolojinin önlemez gelişimi araçlar üzerinde de etkisini göstermektedir. Gelişen teknoloji, araçlarda yeni ek donanımlar olarak kendini göstermektedir. Güvenlik ve konfor donanımlarının artmasıyla ve araç içi eğlence sistemlerinin gelişmesiyle birlikte araçlardaki mevcut elektriksel güç gereksinimi artış eğilimi göstermektedir. İlerleyen yıllardaki bu güç gereksinimini karşılayabilmek için, mevcut elektriksel şarj sisteminin yeterliliği sorgulanmaya başlanmış ve bu konuda çok sayıda yenilikçi çalışmalar yapılmıştır. Bu tezde taşıtlardaki günümüzde kullanılan elektriksel güç üretim ve dağıtım sistemleri incelenmiş ve bu donanımları içeren bir modelleme geliştirilmiştir. Tezin başlangıcında, konuyu ana hatlarıyla inceleyen ve konunun önemini vurgulayan noktalar literatürden toplanarak ve verilerle desteklenerek açıklanmıştır. Tezin bu aşamasında araç şarj sistemlerinin geçmişte nasıl oldukları araştırılmıştır. Ayrıca geçmişte yapılan araç şarj sistemi tasarımlarının günümüze gelene kadar yaşadığı değişiklikler anlatılmıştır. Bu değişikliklerin en temeli ise başlangıçta doğru akım generatörü olarak tasarlanan temel elektriksel güç kaynağının daha sonra neden alternatif akım generatörüne dönüştürüldüğü anlatılmıştır. Araçlarda kullanılmaya başlanan alternatif akım generatörü olan Lundell tipi makinenin geçmişteki patentleri bulunmuş ve incelenmiştir. Yine aynı bölümde, geçmişten günümüze araçlardaki elektriksel güç gereksiniminin artışı güncel kaynaklardan edinilen verilerle gösterilmiştir. Ayrıca yine güncel kaynaklardan edinilen küresel ve ülke çapındaki araç üretim sayıları ile birlikte teknolojik gelişime bir de maliyet yönünden bakılmıştır. İkinci bölümde ise Lundell tipi; diğer bir isimle pençe kutuplu makinenin genel bir incelemesi yapılmış ve sahip olduğu avantaj ve dezavantajlar incelenmiştir. Makinenin genel özellikleri itibari ile senkron bir alternatif akım makinesi olduğu gösterilmiştir. Pençe kutuplu Lundell tipi alternatör geçmişte ve günümüzde, araçlardaki elektriksel gücün üretiminde ana donanım olarak kullanılmaktadır. Sahip olduğu fiziki özellikler, basit bir tasarıma sahip oluşu, yüksek devirlere dayanıklı oluşu ve uzun yıllardır kullanımda olması sebebiyle üretim maliyetinin düşük olması araç üreticileri tarafından tercih edilmesinin temel sebepleridir. Dezavantajları ise sahip olduğu geniş manyetik hava boşlukları nedeniyle makinenin veriminin diğer makinelere göre düşük olmasıdır. Ancak, alternatör üreticileri özel uygulamalara cevap verebilmek için başka tipte makinelerde üretmektedir. Örneğin asenkron makineler her hangi bir fırça-kolektör düzeneği bulundurmamakta ve genel anlamda pençe kutuplu makineye göre daha verimli olabilmektedir. Ancak makineyi araçta kullanabilmek için kontrollü güç elektroniği devreleri kullanılması gerekmektedir ve maliyet artımına sebep olur. Anahtarlamalı relüktans makineleri yine araçlarda alternatör olarak kullanılabilir ancak sahip olduğu fiziksel titreşimler nedeniyle gürültülü çalışmaktadır. Bu da konfor beklentilerini karşılayamamakta ve makine sıralamada geri düşmektedir. Alternatör olarak kullanılabilen ve günümüzde de bazı alternatör üreticileri tarafından üretilen diğer bir makine tipi de sabit mıknatıslı makinedir. Sabit mıknatıslı makineler, fırça bilezik düzenekleri bulundurmadıklarından bakım gerektirmezler. Ayrıca aynı kütleye sahip bir pençe kutuplu makineye göre daha fazla güç üretebilirler. Diğer bir ifadeyle verimleri daha fazladır. Dezavantajı ise sahip oldukları sabit mıknatıslar sebebiyle maliyetlerinin klasik pençe kutuplu makineye göre yüksek olmasıdır. Fakat bu dezavantajına rağmen, motor sporları ve bazı ağır yük araçları gibi özel uygulamalarda kendilerine yer bulabilmektedirler. Tezin içerisinde farklı tiplerdeki bu alternatörlerin karşılaştırmaları detaylı bir şekilde yapılmaktadır. Tezin üçüncü bölümünde Lundell tipi makinenin konstrüksiyonu detaylı bir şekilde incelenmiştir. Pençe kutuplu alternatörler temelde senkron generatörlerdir ve üç fazlı alternatif akım üretirler. Stator kısmında üç fazlı alternatif akım sargısı bulunur ve yapısı senkron ya da asenkron makineler gibi diğer alternatif akım makineleriyle benzerlik gösterir. Ancak pençe kutuplu rotorun konstrüktif yapısı diğer makinelerden farklılık gösterir. Genellikle döküm olarak işlenen rotorun demir kısmı, uyarma sargısının dışında etraflıca pençeler şeklinde bulunmaktadır. Rotorun bu yapıda olması, pençe kutuplu alternatöre yüksek devirlerde merkez kaç kuvvetine karşı dayanım avantajını getirir. Rotor sargıları merkez kaç kuvveti nedeniyle açılma ve dağılma eğilimi gösteremezler. Rotor ve statora ek olarak ayrıca alternatörün üzerine yerleştirilmiş bir uyarma akım kontrolcüsü bulunmaktadır. Bu kontrolcü, değişen motor devrine göre ve değişen akü gerilimi gereksinimine göre uyarma akımını sürekli olarak kontrol eder. Böylelikle değişken motor devrine rağmen alternatörün çıkış gerilimi sabit kalır. Bütün olarak alternatör parçası ise aracın içten yanmalı motorunun üzerine sabitlenir ve bir kayış kasnak mekanizması ile motor milinden güç alması sağlanır. Dolayısıyla içten yanmalı motorun ürettiği momentin bir bölümü kayış kasnak mekanizması ile birlikte alternatöre aktarılır. Makinenin konstrüksiyonun detaylı bir şekilde anlatımıyla birlikte bir sonraki bölümde bu özelliklerin matematiksel ifadelerine geçilmiştir. Öncelikle makinenin mekanik ve elektriksel parametreleri kullanılarak makine için literatürde de kullanılan genel denklemler çıkarılmıştır. Burada rotor ve stator sargıları için öncelikle genel devre şemaları verilmiştir. Daha sonra matematiksel ifadelerin çıkarılacağı eşdeğer devreler çizilmiştir. Rotor devresi yani uyarma devresine verilen akımla birlikte ortaya çıkan manyetik akının makine içerisindeki yolu çizilmiştir. Ayrıca statorda bulunan pençelerin ve makinenin diğer yapılarının fiziksel ölçümlendirmeleri ve boyutları parametrik olarak denklemlerin içine yerleştirilmiştir. Burada endüvi reaksiyonu ile birlikte stator reaksiyonları ve endüklenen gerilimin temel bileşeni ile ifadesi sağlanmıştır. Ortaya çıkan ana denklemde makinedeki fiziksel ve tasarımsal sabitler genel bir makine sabitine indirgenmiştir. Son olarak ise uyarma akımına, alternatörün mekanik hızına ve makine sabitine bağlı bir endüklenen gerilim denklemine ulaşılmıştır. Bütün bu denklemler uyarma akımıyla başlayarak matematiksel bir akış ile çıkarılmıştır. Pençe kutuplu makinenin genel özelliklerinin çıkarılmasıyla birlikte, modelin tamamlanması için gerekli son aşama olan kayıpların hesaplanmasına ve modellenmesine bir sonraki bölümde geçilmiştir. Rotor ve stator için elektriksel ve manyetik kayıpların çıkarımı yapılmış ve matematiksel olarak hesaplanmıştır. Bu bölümde öncelikle makinedeki elektriksel kayıplar belirlenmiş ve matematiksel çıkarımları yapılmıştır. Başlıca elektriksel kayıplar stator ve rotor sargı bakır kayıpları, fırça-bilezik düzeneği temas direnci kaybı ve kontrol devresinde kullanılan anahtarlama elemanının kayıplarıdır. Ayrıca alternatörün çıkış gerilimini doğrultan doğrultucuda bulunan diyotların da kaybı hesaplanmıştır. Daha sonra manyetik kayıplara geçilmiştir. Elektriksel kayıplarda olduğu gibi burada da histerizis kaybı ve girdap akım kayıpları incelenmiş ve matematiksel olarak ifade edilmiştir. Son olarak alternatörde bulunan mekanik kayıp bileşenleri açıklanmış ve matematiksel olarak ifade edilmiştir. Alternatör için belirtilen bu matematiksel ifadeler MATLAB® Simulink ortamına aktarılarak bir model haline getirilmiştir. Tezin bir sonraki bölümünde parametrik olarak hesaplanan alternatör denklemlerini bir sonuca ulaştırabilmek için piyasadan bir alternatör seçilmiş ve bu alternatör üzerinden ölçümlendirmeler yapılmıştır. Alternatörün seçiminin yapılmasıyla birlikte, bir test düzeneği oluşturulmuştur. Oluşturulan test düzeneğinde devri okunabilen bir doğru akım motoru kullanılmıştır. Bu motora kayış kasnak düzeneği ile birlikte piyasadan edinilen alternatör bağlanmıştır. Ayrıca makinenin uyarma akımını sağlayabilmek için alternatörün kontrolcüsü devre dışı bırakılmış ve uyarma sargısından uçlar çıkartılarak, uyarma akımının ekstra bir güç kaynağı ile kontrol edilmesi sağlanmıştır. Bu test düzeneğiyle birlikte alternatörü farklı devirlerde döndürme ve uyarma gerilimi ile besleme yetenekleri kazanılmıştır. Kurulan bu test düzeneğiyle birlikte farklı devir ve uyarma akımlarından ölçümlendirmeler yapılmış ve alternatör parametrelerinin belirlenmesi sağlanmıştır. Ayrıca, stator sargı direnci ve endüktansı, rotor sargı direnci ve endüktansı, fırça-bilezik temas direnci ve makinenin diğer parametreleri ölçülmüş ve hesaplanmıştır. Yapılan bu ölçümlendirmeler tekrarlanarak, ölçüm hataları minimize edilmiştir ve çıkan sonuçların ortalamaları alınarak modelde kullanılmıştır. Tezin bir sonraki aşamasında ise oluşturulan MATLAB® Simulink modelinin bileşenleri açıklanmıştır. Öncelikle, araç elektriksel şarj sisteminin diğer temel unsuru olan elektriksel yükler açıklanmıştır. Literatürde günümüzde kullanılan araçlarda bulunan elektriksel yükleri ve tükettiği güçler bulunabilmektedir fakat modelin araçtan toplanan veriyle birlikte uyumlu bir sonuç verebilmesi için, elektriksel yüklerin güçleri seçilen bir araçtan toplanan verilerle birlikte hesaplanmıştır. Hesaplanan bu yükler matematiksel olarak saf omik, omik ve endüktif tiplerde ifade edilerek modellenmiştir. Modellenen bu yükler oluşturulan ana modele gömülerek final simülasyonuna entegre edilmiştir. Daha sonra tezde bu aşamaya kadar anlatılan bütün matematiksel ifadelerin model haline getirilişi bloklar halinde anlatılmıştır. İlk blok olan mekanik model bloğunda içten yanmalı motorun devri olan giriş verisi alternatörün mekanik devrine dönüştürülerek diğer bloklara aktarılmaktadır. Ayrıca diğer temel veriler olan elektriksel ve mekanik frekans verileri de bu blokta hesaplanmaktadır. Daha sonra uyarma akım devresi bloğu ile birlikte modellenen kontrolcü devresi endüvi reaksiyonları bu blokta işlenmiştir. Ayrıca kontrolcüdeki anahtarlama elemanı modellenmiş ve yine bu bloğun içine konmuştur. Dolayısıyla kontrolcünün çıkışı olan darbe genişlik modülasyonu bu blokta hesaplanmaktadır. Yine aynı bloğun içinde uyarma ve kontrolcü devrelerinin kayıpları hesaplanmıştır. Bir diğer blok olan stator devresinin incelendiği model bloğunda ise stator reaksiyonları ve doğrultucu modeli gerçekleştirilmiş ve yine kayıpları bu model bloğu içerisinde hesaplanmıştır. Yapılan bu çalışmalar ve hesaplanan değerler ışığında MATLAB® Simulink ortamında alternatörü ve araç yüklerini içeren bir bütün model oluşturulmuştur. Modelin çalışmasını sağlayabilmek için ise, araçtan motor devri, alternatör devri, yüklerin aktivasyon zamanları ve ne kadar süre aktif kaldıkları gibi süreler toplanmıştır. Toplanan bu veriler ile birlikte model koşturularak, aktif olan yüklere karşılık gerekli olan uyarma akımı, stator akımı ve kayıplar hesaplanmıştır. Çıkan sonuçlar ve araçtan toplanan veriler karışlaştırmalı bir şekilde grafiklenerek sonuç bölümünde gösterilmiştir. Ayrıca farklı yapıdaki kontrolcünün sistemi nasıl etkilediği görülmüş ve grafiklerle açıklanmıştır. Sonuç olarak değişken referans girişine sahip olunması ve etkileyen gürültü faktörlerinin sistem çıkışına etkisini minimize edebilmek için P kontrolcü ile birlikte integratör bileşeni olan PI kontrolör kullanılmıştır. Oluşturulan Simulink modelleri sayesinde hem uzun dönemli araç verileri işlenip sistemin genel durumu hakkında fikir edinilebilindiği gibi ayrıca yüklerin devreye giriş ve çıkış anlarındaki dinamik davranışlarda incelenebilmektedir.

Özet (Çeviri)

Vehicle electrical charging system is getting more important than the past because of the consumers? demands. The vehicle manufacturing companies add many technological specifications to their products to satisfy these demands. The additional specifications in comfort, safety and in car entertainment results in the requirement of more electrical power. Lundell type of alternator is the main component which used in the vehicles with the aim of vehicle electrical power generation. Even though the conventional methods have been still used to charge the vehicle battery system new methods of intelligent electrical power generation are becoming more popular. This thesis investigates the alternator component and vehicle electrical charging system. Alternator types, Lundell type of alternators and the charging system are investigated together with the electrical loads. The first part of the thesis is the introduction. In addition, literature was reviewed to proof the rising importance of this topic in the future. There are also different types of electrical machines to be used as electrical power generation in vehicles. A general comparison of these machines are presented. The Lundell type of alternator is a three phase synchronous machine that consists of a stator, claw pole rotor and the excitation current controller. The construction is overviewed and machine parameters are shown and explained. Mathematical model of the alternator is prior to set up a vehicle electrical charging simulation and control. Equivalent circuits of the stator and the rotor are derived and explained in terms of machine parameters in the second section of the thesis. Alternator losses play an important role in the system power distribution and efficiency calculation. Although it seems to be hard to satisfy required electrical power with Lundell type of alternator, there are methods to increase the efficiency with modification of machine parameters while keeping the main construction the same. The system losses are also obtained and considered in the final simulation. An alternator which is produced by an Original Equipment Manufacturer (OEM) is used to measure the machine parameters to finalize the system model. A test set up was prepared and alternator machine constant, excitation and armature winding resistances and inductances, slip ring-brush resistances were measured in different speeds and excitation current states. In addition, vehicle electrical load power values are measured from a test vehicle and load parameters are also calculated. Finally, a MATLAB® model is established to see the whole control system which are investigated in the thesis. The model contains the alternator stator reactions, alternator excitation and field current controller; vehicle loads activation conditions and engine speed. All the model inputs and parameters are measured from the real systems and components to satisfy a robust simulation result.

Benzer Tezler

Tez No
552389
Ağır ticari araçların alternatör ve batarya yönetim sisteminin matematiksel modellenmesi ve enerji verimliliğine katkılar
Mathematical modeling of alternator and battery management system of heavy commercial vehicles and contributions to energy efficiency
TEOMAN AKDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektrik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
Tez No
507970
Bataryalarda empedans analizine dayalı doluluk oranı, sağlamlık ve fonksiyonellik takibi yöntemlerinin geliştirilmesi
On the compatibility of electric equivalent circuit models for enhanced flooded lead acid batteries based on electrochemical impedance spectroscopy
ZİYA CAN AKSAKAL
Doktora
Türkçe
2018
Enerji İstanbul Teknik Üniversitesi
Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HACI OSMAN ALTUĞ ŞİŞMAN
Tez No
389354
Design of an intelligent boost pressure controller for a series sequential turbocharged diesel engine
Seri bağlı aşırı doldurma sistemine sahip dizel motorlar için akıllı manifold basıncı kontrolcüsü tasarımı
MUSTAFA ENGİN EMEKLİ
Doktora
İngilizce
2015
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLİN AKSUN GÜVENÇ
Tez No
812901
Elektrikli araç bataryalarının akıllı şebeke uygulamalarında alternatif enerji depolama sistemi olarak modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of electric vehicle batteries as an alternative energy storage system in smart grid applications
BÜNYAMİN KUZU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol İnönü Üniversitesi
Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TEOMAN KARADAĞ
DR. OZAN AKDAĞ
Tez No
826463
Değişken hızlı rüzgâr türbinlerinde çift beslemeli asenkron generatörün tasarımı, modellenmesi ve kontrolü
Development, modeling and control of doubly feed induction generator in variable speed wind turbines
EMİNE AMAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Enerji Kocaeli Üniversitesi
Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KADİR YILMAZ

Geri Dön