Geri Dön

Investigation of deep bar effect arisen by space harmonics at the start-up stage of squirrel-cage induction motor for different bar cross-sections

Sincap kafesli asenkron motorda yol verme aşamasında uzay harmoniklerinin oluşturduğu derin oluk etkisinin değişik oluk profillerinde incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 363678
  2. Yazar: AHMET YASİN YEKSAN
  3. Danışmanlar: PROF. AHMET FAİK MERGEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 113

Özet

Alternatif akım makinaları günümüzde elektrik enerjisi üretiminden sanayi uygulamalarına, elektrikli araçlardan ev aletlerine kadar birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makinalardan sincap kafesli asenkron motor, uygulamada en yaygın olarak kullanılan motor çeşitidir. Kullanımının bu kadar yaygın olmasının sebebleri yapısının basit ve ucuza mal olması, bakım masraflarının düşük ve uzun ömürlü olması ve güç elektroniği teknolojisinin gelişmesiyle hız ve moment kontrolünün de kolaylaşması olarak sayılabilir. Yeni nesil motorların üretilmiş olmasına rağmen asenkron motorlar uygulamadaki tercih edilirliğini hiç bir zaman kaybetmemiştir. Asenkron motorların bu denli uzun zamandır ve yaygın bir şekilde kullanılması bir çok problemin ortaya çıkmasına ve araştırmacıların da yoğun bir şekilde asenkron motor uygulamaları üstüne çalışmasına sebep olmuştur. Sincap kafesli asenkron motorlarda en çok incelenen konulardan birisi de derin oluk etkisidir. 1950 yıllarının başında bu etki asenkron motorlarda incelenmeye başlanmış olup günümüze kadar sayısız çalışma ortaya konulmuştur. Derin oluk etkisini en basit manada, alternatif bir manyetik alan etkisi altında kalan rotor çubuklarında akan alternatif akımın, endüklenen eddy akımlarının etkisi ile rotor çubuğu yüzeyine yığılması olarak tanımlayabiliriz. Tanımından da anlaşılacağı üzere aslında derin oluk etkisi, deri etkisinin bir türevidir. Aralarındaki fark ise derin oluk etkisinde, iletkene harici bir alternatif manyetik alanın nüfuz etmesidir. Derin oluk etkisi ilk bakışta olumsuz olarak görünse de bu etkiden yararlanarak kalkış momenti yüksek motorlar tasarlanmıştır. Bashsedilen etki, yukarıda da belirtildiği üzere deri etkisi temelli bir olay olduğu için frekansa bağlıdır. Bilindiği üzere bir asenkron motorun kalkış anında kayma değeri 1'e eşit olacaktır ve bu anda rotor çubuklarında akan akımlar da stator besleme gerilimi frekansına eşit olacaktır. Bu durumda derin oluk etkisi en çok kalkış anında hissedilecek ve kalkış direncini artırarak kalkış momentinin de artmasını sağlayacaktır. Ancak şu da belirtilmelidir ki motorda oluşacak olan istenmeyen harmonik etkileri sebebiyle, derin oluk etkisi motor kayıplarının da artmasına sebep olabilir. Kalkış momentinden ziyade verimin önemli olduğu motor tasarımlarında bu etkinin mümkün olduğunca en az indirgenmesi istenecektir. Bir asenkron motor saf sinüsoidal ve dengeli bir gerilim kaynağından beslense dahi, makinenin iç yapısından dolayı stator sargı dağılımı ve dolayısı ile stator amper-sarım dağılımı sinüsoidal formda olmaz. Bu yapısal özellik nedeni ile uzay harmonikleri açığa çıkacaktır. Bu durumda hava aralığı amper-sarım dağılımı ve rotora ulaşan magnetik alan yoğunluğu da statorda üretilen dalga formu ile aynı dalga formuna sahip olacaktır. Sonuç olarak ise rotor çubuklarında harmonik bileşenleri içeren akımlar akacaktır. Rotor çubuklarının kaçak endüktansı ve akımları bir kaçak akı tanımlayacak ve bu kaçak akı derin oluk etkisinin tanımında bahsedilen harici manyetik alanı oluşturacaktır. Sonuç olarak statorda üretilen amper-sarım fonksiyonu makine içinde endüklenme sonucu ortaya çıkacak olan tüm değerleri etkileyecektir. Bu noktada zaman harmoniklerinin etkisine değinmekte fayda vardır. Asenkron motorun saf sinüs formunda bir gerilimle beslenmemesi durumunda zaman harmonikleri ortaya çıkacaktır. Zaman harmoninklerinin makine üzerinde uzay harmoniklerine benzeyen etkileri olduğu söylenebilir. Kaynak geriliminin harmonik analizi yapıldığında ortaya çıkan her bir bileşenin stator ve rotor için etkileri olacaktır. Her bir zaman harmoniği bileşeni kendisi için bir eş değer devre tanımlayacaktır. Uzay harmonikleri ile zaman harmonikleri arasındaki temel farklılık aslında buradan gelmektedir. Uzay harmonikleri etkisi sadece rotorda gözlenirken, zaman harmonikleri hem statorda hem de rotorda etkisini gösterecektir. Bu durumda her bir zaman harmoniği bileşenin eşdeğer devresi, içinde her bir uzay harmoniği bileşeninin rotordaki etkisini gösterecek şekilde ifade edilir. Bu çalışma kapsamında ise asenkron motorun gerilim kaynağının bozucu harmonik bileşenleri içermediği kabul edilmiştir. Bu kabulün altında yatan temel neden ise, uzay harmoniklerinin makine iç yapısı kaynaklı olmaları ve hiçbir zaman tamamen yok edilememeleridir. Bu durum ise makine tasarım değişkenlerini etkileyen bir etken olacaktır. Uzay harmoniklerinin herhangi bir değişkene yada kayıba etkisinin tespit edilmesi durumunda, zaman harmoniklerinin etkisini tayin etmek daha kolay olacaktır ve basitçe tespit edilen etkileri katlayarak artıracağı söylenebilir. Literatürde derin oluk etkisi ile ilgili bir çok çalışma varken, uzay harmonikleri ve derin oluk etkisini inceleyen çalışma sayısı oldukça azdır. Halbuki yukarıda bahsedilen durumun motor performansına etkileri kaçınılmazdır. Bu noktadan yola çıkarak bahsedilen etkinin incelenmesi ve sonuçlarının ortaya konması, bu konudaki eksikliğin giderilmesine katkı sağlayacağı düşünülmüş ve üç fazlı sincap kafesli asenkron motorda uzay harmoniklerinin oluşturduğu deri etkisinin değişik rotor çubuk kesitlerinde incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında yapılan çalışmada Arçelik Motor İşletmesi tarafından üretilen üç fazlı sincap kafesli bir asenkron motorun verileri kullanılmıştır. Motor verileri ve sargı şeması kullanılarak motorun sargı fonksiyonu matematiksel olarak elde edilmiştir. Bu kısımda MATLAB'da yazılan bir kod kullanılmıştır. Bu kod yarıdımıyla tek ve üç faz amper-sarım fonksiyonları da üretilmiştir. Yine aynı kod yardımıyla toplam amper-sarım dağılımının harmonik bileşenleri elde edilmiştir.Ayrıca kullanılan motorun değişkenleri ve tasarlanan rotor çubuğu kesitleri kullanılarak manyetik analiz için gerekli olan bir takım değerler analitik olarak hesaplanmıştır. Ayrıca bazı ek hesaplamalar, çalışma sonuçlarının yorumlanabilmesi ve gerekli kontrollerin yapılabilmesi için çalışmaya eklenmiştir. Sonraki aşamada gerçek rotor geometrisi AutoCAD 2014 programı yardımıyla çizilmiş ve manyetik model oluşturulmuştur. Oluşturulan manyetik modelin çözümünde en hızlı ve güvenilir sonucu, uygulamadaki örneklerden yola çıkarak sonlu elemanlar yönteminin vereceğine karar verilmiştir. Bu yönde bir benzetim programı seçilmesine ve Ansoft Maxwell 14 yazılımının tez kapsamında kullanılmasına karar kılınmıştır. Kullanılan yazılım sonlu eleman ağ ataması sırasında, deri etkisi kalınlığına göre ağ atanmasına izin vermekte ve deri etkisini tüm malzemelere uygulayabilmektedir. Tez kapsamında dört farklı rotor çubuğu tasarlanmıştır. Bunlar sırayla yuvarlak, kare, derin oluk ve çift yollu rotor çubuğu olarak belirlenmiştir. Bu farklı kesit şekillerine sahip rotor çubuklarının iletken malzemeleri de değiştirilmiştir. Bu şekilde belirlenen özelliklerle manyetik benzetimler gerçekleştirilmiştir. Farklı harmonik bileşenlerin tamamı rotor çubuğuna uygulanmış yada bir kısmı elenerek rotor çubuğuna uygulanmıştır. Bu şekilde farklı harmonik bileşenleri farklı malzemeden yapılmış iletkenlerde ve kesitlerde incelenmesi yapılmıştır. Ayrıca rotor çubuk geometrisinin harmonik bileşenlerle olan etkileşiminin ortaya çıkarılması için farklı bir model daha kurulmuş ve bu modelin de benzetimleri çözdürülmüştür. Elde edilen tüm çalışma sonuçları maddelendirilerek, nedenleri de açıklanarak verilmiştir. Yapılan çalışma sonunda elde edilen sonuçlar son derece olumlu ve yeni bir sincap kafesli asenkron motor tasarımının yapılmasına imkan verecek ölçüdedir. Sonuç olarak derin oluk etkisi ile uzay harmonikleri ve değişik rotor iletken kesitleri ve malzemeleri arasındaki ilişki ortaya koyulmuştur.

Özet (Çeviri)

Alternating current machines are widely used in many industrial and small power applications. Induction motors are the most preferred type in alternating current machines. This is because their construction is simple, manufacturing and maintenance costs are less and their control has become easier by power electronic converters. Hence, there have never been a decrement in their popularity in applications. Deep bar effect is a phenomenon in squirrel-cage induction motors and many researches have been done about this subject. Deep bar effect can be simply defined as current displacement in rotor bars due to alternating magnetic field in the machine. The problem itself relies on skin effect actually. Because of the external magnetic field in the rotor bars, more eddy currents induced in the conductor and these currents pushes the bar current towards the top of the conductor. Since induced currents depends on the current frequency, this effect shows its maximum influence on the machine at the start-up. Deep bar effect can be seen as an disadvantage at first glance. However, this effect is used in some motor applications as an advantage. Because, induction motors that have deep rotor bars can start at high torque values. On the other hand, power losses in the motor can increase due to undesired effects of harmonics in the machine.If the efficiency is a severe problem in the machine, deep bar effect should be minimized. As it is mentioned before, deep bar effect is caused by external alternating magnetic field. This field is arisen in the motor by leakage inductance of rotor bars. Leakage flux is induced by rotor currents and rotor bar current is induced by stator magnetic field. Even if the supply voltage and current is in sinusoidal form, due to construction of the machine winding distribution is not in sinusoidal waveform. As a result MMF function in the machine is not in sinusoidal waveform and MMF function in the motor affects all other induced magnitudes in the machine. Thus, space harmonics occur in the machine due to winding distribution in the stator. Space harmonics can not be avoided and their effect can not be ignored in the motor. This study concentrates on the deep bar effect arisen by space harmonic components in a three-phase squirrel-cage induction motor. Another objective of the thesis is to investigate the effect of different bar geometries on deep bar effect and space harmonics. In the literature there are tremendous number of studies about deep bar effect and skin effect. However, studies that cover deep bar effect and space harmonics are very less. This study tries to compensate mentioned deficiency in the literature. In this thesis, a three-phase squirrel-cage induction motor, which was manufactured by Arcelik Motor Company was used. A MATLAB code was generated to compute the winding function and MMF function of the motor by using motor parameters and winding lay-out of the motor. Space harmonic components of the MMF function were obtained by using the same MATLAB code. As a next step, rotor model was drawn through AutoCAD 2014 software and a magnetic simulation model was created. Computed values were used in this model. Finite element method was the best and fastest method to solve the created model. Because of this reason, Ansoft Maxwell 14 was used to simulate the magnetic model. This simulation software uses the finite element method to solve the given problem and allows to assign mesh operation according to skin depth and takes skin effect in account. The effects of space harmonic and different cross-section rotor bars on deep bar effect were observed by using this software. Four different rotor bar cross-sections that are round, square, deep bar and a novel two-way rotor bar were investigated. The effect of conductor material was also investigated by using copper and aluminum as rotor bar conductor.Procured results are very constructive and according to study results a novel squirrel-cage induction motor can be designed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    890715

    Karbon malzemelerin ılık derin çekme prosesinde yağlayıcı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması ve sıcak koşullar için düşük maliyetli yağlayıcı geliştirilmesi

    Investigation of the usability of the carbon materials as lubricant in warm deep drawing process and development of low cost lubricant for hot conditions

    ÖZGÜR ERDEM YURT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUHAMMET HÜSEYİN ÇETİN

    DOÇ. DR. NURİ ŞEN

  2. Tez No

    747212

    Dual fazlı çeliklerin erozif aşınma davranışlarının incelenmesi

    Investigation of erosive wear behavior of dual phase steels

    İREM ÖZGE AKPINAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAMER SINMAZÇELİK

  3. Tez No

    455397

    Kompakt grafitli dökme demirin delik delme işleminin incelenmesi ve sıcaklık modelinin oluşturulması

    Investigation and thermal modelling of compacted graphite iron drilling

    ALİ TANER KUZU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL

  4. Tez No

    886726

    Effects of corn cob ash and rice husk ash usage in mortar productions

    Harç üretiminde mısır koçanı ve pirinç kabuğu külleri kullanımının etkileri

    MOHAMAD SRORMALAH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR EKİNCİOĞLU

  5. Tez No

    876344

    Development of QCM sensors for measuring particulate matter concentration

    QCM sensörlerinin partikül madde konsantrasyonunu ölçmek için geliştirilmesi

    MAJID JAVADZADEHKALKHORAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

Geri Dön