Raylı taşıtlardaki dalgalı DC gerilim altında çalışan eviricilerde tork kompanzasyonu
Torque ripple compensation of inverters under the fluctuating DC voltage in railway vehicles
- Tez No: 860664
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Elektrikli ulaşım sistemlerinin en büyük bileşenlerinden birisi olan raylı taşıtlar, farklı perspektiflerden birçok geliştirmeye ve çalışmaya uygun bir alandır. Metro, tramvay, lokomotif, hızlı ve bölgesel trenler bu taşıtlardan öne çıkanlardır. Verimli, güvenli, hızlı ve çevreci olması noktalarından dolayı raylı ulaşım bütün dünyada ilginin arttığı bir alandır. Sinyalizasyon, elektrifikasyon, güvenlik ve bakım onarım gibi birçok konu hakkında geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Elektrifikasyon başlığı altında incelenebilecek yegane konu cer sistemidir. Elektrikli raylı taşıtların enerjisini aldığı bir hat, bu enerjinin istenilen tork değerlerinde mekanik enerjiye dönüştüren bir konvertör, dişli kutusu ve motor çifti bulunur. Tez kapsamında AC beslemeli hattan enerjisini alan bir konvertör için tork kompanzasyon algoritması geliştirilmiştir. Girişine AC gerilim verilen konvertör bu gerilimi motorlara kontrollü bir şekilde aktarmak için önce doğrultması gerekmektedir. Doğrultucuların doğası gereği, doğrultma işlemi sonrasında giriş AC gerilimin iki katı frekansda bir bileşen DC gerilimde görülmektedir. DC gerilimin dalgalanması ise eviricinin çalışma performansını etkiler ve çıkışındaki AC akımlar üzerinde de aynı dalgalanmaya sebep olur. Akım üzerindeki dalgalanma direkt olarak elektrik motorunun torkunu dalgalandırır ve birçok nedenden dolayı istenmez. Cer sistemlerinde en yaygın şekilde kullanılan, stator(durağan kısım) ve rotor(haraketli kısım) ikilisinden oluşan asenkron motoların vektör kontrol, skaler kontrol gibi farklı sürüş metodları vardır. Motor tipine asenkron ismi verilmesinin sebebi stator ve rotor kısımlarının frekansları birbirinden kayma değeri ile ayrılıp farklı olmasından kaynaklı olup bu kayma değeri tork üretimi için gereklidir. Sıklıkla kullanılan ve tez kapsamında incelenen kontrol metodu olan skaler kontrol metodunda ise motorun tasarımıyla ortaya çıkan gerilim/frekans eğrisine göre kontrol yapılır. Motorun döndüğü hıza ve istenen torka göre bir kayma değeri hesaplanarak evirici çıkışında üretilecek stator frekansı belirlenir. Anahtarlama işaretleri de bu stator frekansına göre PWM üretecinden üretilerek yarıiletkenler anahtarlanır. DC gerilimdeki dalgalanma bu kontrol metodunda direkt olarak evirici çıkışına yansıyarak motor akımlarının dalgalanmasına dolayısıyle torkun da dalgalanmasına sebep olur. Dalgalı bir tork oluşması mekanik streslere, konfor düşümüne, titreşime ve standartlar dışını çıkılmasına sebep olabileceğinden ötürü bir problemdir. Problemin çözümü için tez kapsamında skaler kontrole ek olarak bir kompanzasyon algoritması geliştirilmiştir. Algoritma dalgalanan DC gerilim içerideki AC komponenti farklı filtreler kullanarak ölçererek bu komponentin genlik ve fazına göre anahtarlama sinyallerini manipüle eder. Manipüle edilmiş anahtarlama sinyalleri sonrasında motor akımlarının analizi yapılarak tork dalgalanmasının azaldığı gözlenmiş olur. MATLAB®/Simulink® ortamında skaler kontrol ile asenkron motor kontrolü ve buna ek olarak da tork dalgalanmasını azaltacak olan algoritmanın simulasyonu yapılmıştır. Simulasyonda belirlenen kontrolcü ve filtre katsayıları deney düzeneği için başlangıç noktası oluşturmuştur. Gerilim ölçümünde kullanılan sensörün gecikmesi, analog veriyi algılamak için kullanılan devre yapısında tasarlanan filtrenin gecikmesi, diferansiyel olarak ölçülen gerilim sinyal düzeyinin işlemciye uygun hale getirilmesi için kullanılan opampların gecikmesi ve devredeki diğer kapasitörlerden gelen gecikmeler hem simulasyonda hem de deneyde dikkate alınarak algoritmaya entegre edilmiştir. Simülasyonu yapılan modelin test düzeneğini hazır hale getirilip güvenli bir hızda test gerçekleştirilmiştir. Test prosedürü ve sonuçları gözlemlenmiş olup evirici çıkışındaki akımlarda iyileştirmeler sağlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Rail vehicles, one of the largest components of electric transportation systems, are an area suitable for many developments and studies from different perspectives. Metro, tram, locomotive, high-speed and regional trains are the prominent ones among these vehicles. Rail transportation is an area of increasing interest all over the world because it is efficient, safe, fast and environmentally friendly. Development work continues on many issues such as signaling, electrification, security and maintenance. The only issue that can be examined under the heading of electrification is the traction system. There is a line from which electric rail vehicles receive their energy, a converter, gear box and motor pair that converts this energy into mechanical energy at the desired torque values. Within the scope of the thesis, a torque compensation algorithm has been developed for a converter that receives its energy from the AC powered line. The converter, whose input is supplied with AC voltage, must first rectify it in order to transfer this voltage to the motors in a controlled manner. Due to the nature of rectifiers, after the rectification process, a component at twice the frequency of the input AC voltage appears in the DC voltage. The fluctuation of the DC voltage effects the operating performance of the inverter and causes the same fluctuation on the AC currents at its output. The fluctuation on the current directly fluctuates the torque of the electric motor and is undesirable for many reasons. Asynchronous motors, which are the most commonly used in traction systems and consist of a stator (stationary part) and rotor (moving part) duo, have different driving methods such as vector control and scalar control. The reason why the motor type is called asynchronous is because the frequencies of the stator and rotor parts are separated from each other by the slip value, and this slip value is necessary for torque production. In the scalar control method, which is the control method that is used and examined within the scope of the thesis, control is made according to the voltage/frequency curve that occures with the design of the motor. The stator frequency to be produced at the inverter output is determined by calculating a slip value according to the speed at which the motor rotates and the desired torque. Switching signals are generated from the PWM generator according to this stator frequency and the semiconductors are switched. In this control method, the fluctuation in DC voltage is directly reflected on the inverter output, causing the motor currents to fluctuate and therefore the torque to fluctuate. A fluctuating torque is a problem because it can cause mechanical stress, decreased comfort, vibration and non-standards. To solve the problem, a compensation algorithm has been developed in addition to scalar control within the scope of the thesis. The algorithm measures the fluctuating DC voltage inside the AC component using different filters and manipulates the switching signals according to the amplitude and phase of this component. By analyzing the motor currents after the manipulated switching signals, it is observed that the torque fluctuation has decreased. Asynchronous motor control with scalar control and the algorithm that will reduce torque fluctuation have been simulated in the MATLAB®/Simulink® environment. The controller and filter coefficients determined in the simulation formed the starting point for the experimental setup. The delay of the sensor used in voltage measurement, the delay of the filter designed in the circuit structure used to detect analog data, the delay of the opamps used to adapt the differentially measured voltage signal level to the processor, and the delays from other capacitors in the circuit are taken into account in both simulation and experiment and integrated into the algorithm. The test setup of the simulated model was prepared and the test was carried out at a safe speed. The test procedure and results were observed and improvements were made in the currents at the inverter output.
Benzer Tezler
- Raylı taşıtlar için hava süspansiyon körüğü tasarımı, prototip imalatı ve mekanik performanslarının belirlenmesi
Design of air suspension for railway vehicles, prototype manufacturing and determination of the mechanical performance
BURHAN SARIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Mühendislik BilimleriUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ DURMUŞ
- Raylı taşıtların aktif süspansiyon kontrolü
Active suspension control of railway vehicles
ARDA GÜRSEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Makine Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURKAN YAĞIZ
- Bir hızlı tren modelinde süspansiyon parametrelerinin optimizasyonu ve araç dinamiğine etkisi
Optimization of suspension parametres in a high speed train model and its effect on vehicle dynamics
MUAMMER TAHTALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MERAL BAYRAKTAR
- Raylı taşıtlarda ısıtma, soğutma ve klima sistemleri
Heating, cooling and air conditioning systems of railway vehicles
ERDAL YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Makine MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEMAL TANER
- Ulaştırmanın iklim değişimine etkisi ve raylı sistem açısından inceleme
Başlık çevirisi yok
NURİ METİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiRaylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK