48 oluklu asenkron makinelerde uzay harmoniklerinin etkilerinin azaltılması ve işletme başarımının tespiti
Reducing of space harmonics effects and determination of operational success in 48 slotted induction machines
Yazar: OĞUZ KAAN ÖZTÜRK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Asenkron makineler = Induction machinery ; Asenkron motorlar = Induction motors ; Benzetim programları = Simulation programs ; Elektrik makineleri = Electric machinery ; Harmonik analiz = Harmonic analysis ; Makine tasarımı = Machine design ; Manyetik analiz = Magnetic analysis ; Paket programlar = Packaged softwares ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Üç fazlı asenkron motorlar = Three phase induction motors

Özet:
Asenkron motorların günümüz endüstrisindeki kullanım alanı oldukça geniştir. Endüstrideki bu geniş kullanım alanı sebebiyle asenkron motorların geliştirilmesi elektrik mühendisliğindeki önemli araştırma alanlarından birini yaratmıştır. Asenkron motorun geliştirilmesiyle ilgili ele alınan önemli konulardan biri ise asenkron makinadaki harmoniklerdir. Asenkron makinada harmonikler zaman harmonikleri ve uzay harmonikleri olan iki grupta incelenmektedir. Zaman harmonikleri motorun besleme geriliminin saf sinüs biçiminde olmamasından kaynaklanmaktadır. Bu durum, zaman harmonikleri konusunun güç elektroniğinin önemli bir inceleme alanlarından dönüşmesine ön ayak olmuştur. Bu noktada gerilim işaretindeki harmonik bileşenleri yok edilmesi geliştirme çalışmalarının hedefidir. Sinüs biçimli çıkış vermeyen motor sürücü devrelerinde darbe genlik ve darbe genişlik modülasyonları kullanılarak harmonikler çok büyük dereceli harmoniklere ötelenir ve motorda yaratılan olumsuz etkiler yok edilmeye ve/veya azaltılmaya çalışılır. Çözüm yöntemi sayısal bir işaret olan gerilim üzerinde uygulandığından ve matematiksel yöntem tabanlı olarak gerçeklendiğinden oransal olarak çözüme ulaşması kolay ve yaygındır.
Asenkron motorlarda harmonikler konusunun diğer önemli ayağını ise uzay harmonikleri oluşturmaktadır. Uzay harmonikleri makinanın silindirik geometrisinden yani makinadaki sargı ve dişlerin tekrarlı yapısından kaynaklanmakta olup sarım dağılımı ve akımın zamanla değişimine bağlıdırlar. Doğrudan sargı dağılımı ile ilişkili olmaları sebebi ile uzay harmoniği olarak anılırlar. Akı, endüklenen gerilim ve moment üst titreşimleri olarak etkileri hissedilebilir. Besleme gerilimi saf sinüs biçiminde olsa bile hava aralığı alan şeklinin anlık görüntüsünün basamaklı sinüs dalgası şeklinde olması sebebi ile doğal olarak var olurlar. Yok etmek için zaman harmoniklerinden farklı olarak makinanın yapısal tasarımı değiştirilmelidir. Motorun hava aralığı amper-sarım dağılımının değiştirilerek hava aralığı akısının dalga şeklini değiştirilebilir. Hava aralığı amper-sarım dağılımı ise ancak motorun statorundaki sargı yapısının, olukların konumlarının ve oluk boyutlarının değiştirilmesi ile mümkün olabilir. Matematiksel yöntemlerle bulunacak her çözümün fiziksel gerçeklenebilirliği olmayabilir. Bu harmonikler ancak daha büyük dereceli harmoniklere ötelenebilirler.
Bu çalışmanın temel amacı literatürde daha önce uzay harmonik etkilerinin tespiti, analizi ve azaltılması için kullanılmış yöntemlerden birine odaklanarak daha önce uygulaması yapılmamış bir tasarımın gerçeklenmesi ve işletme başarımının elde edilmesidir. 48 oluklu bir asenkron motorda hava aralığı amper-sarım dağılımı iyileştirilmiş, uzay harmonik etkilerini hedef alarak elde edilmiş matematiksel çözümlerin tasarım anlamında uygulaması yapılmış ve uzay harmonikleri literatürüne katkı sağlanmıştır.
Elde edilen sayısal çözümlerin tasarımda kullanılması için sıra dışı yaklaşımlar gereklidir. Literatürde olmayan yeni motor tasarımı için gerekli oluk ve diş tasarımları birbirinden şekil ve açısal konum olarak farklıdır. Bu sebeple motor tasarımı için kullanılan ticari programlarla bu tip motorların tasarlanması mümkün değildir. Çalışma kapsamında öncelikle yeni tasarımın temel niteliklerini karşılayabilecek bir "tasarım programı" oluşturulmuştur. Bu tasarım hesabının sağlaması gerçek bir motor ile yapılmış ve örnek motor olarak Arçelik A.Ş.‟nin üretimi olan 48 oluklu, 2 kutuplu bir standart asenkron motor kullanılmıştır. Üretici firmanın tasarım verileri ile hazırlanan programın çıktıları karşılaştırılarak tasarım yöntemi ve programının güvenilirliği teyit edilmiştir. Tasarım programı sonlu elemanlar yöntemi tabanlı manyetik analiz ve geçici hal analizleri ile desteklenmiştir.
48 oluklu bir asenkron motor için daha önce hava aralığı ampersarım dağılımında yer alan uzay harmoniklerini azaltacağı tespit edilmiş ve gerçeklenmemiş matematiksel çözüm, kıstas alınan standart tip 48 oluklu bir motora yeni hazırlanan tasarım programı kullanılarak uygulanmıştır. Literatürde fiziksel uygulanabilirliği ispatlanmış bir yöntemin ışığında standart makinanın yapısal tasarımı büyük ölçüde değiştirilmiş ve "48 oluklu yeni motor" tasarlanmıştır. Yeni motor tasarlanırken standart motorun stator oluk yapısı, stator oluk konumları ve sarım düzeni değiştirilmiştir. Tasarım programı yardımıyla yeni motorun parametreleri ve işletme verileri hesaplanarak standart motor ile karşılaştırılmıştır. Yeni tasarımın başarımı elde edilmiş, sonlu elemanlar tabanlı manyetik analiz ve geçici hal analizleri tamamlanmıştır.
Çalışmanın son kısmında 48 oluklu standart tasarım ile yeni tasarım verileri karşılaştırılarak başarımlar kıyaslanmış ve elde edilen veriler sunulmuştur. Her iki motorun hava aralığı akısının harmonik spektrumu karşılaştırılmış ve 25. harmoniğe kadar olan harmoniklerde kayda değer bir düşüş gözlenmiştir. İşletme başarımında artış gözlenmiştir. Ayrıca yeni tasarımın bakır ve demir ağırlıkları azaltılmış olup makinanın üretim masrafında önemli bir yer tutan malzeme gideri düşürülmüştür. Böylelikle verimin arttırılması ve malzeme tasarrufu sebebi ile ülke ekonomisine katkı sağlanmıştır.

Abstract:
The use of induction motors in modern-day industry is quite widespread. Due to extensive usage in industry, development of induction motors became the most important topics in electrical engineering. One of the most important concerns about induction machine development is harmonics. Harmonics in induction machines are studied in two main topics as time harmonics and space harmonics. Time harmonics are rooted in non-sinusoidal supply voltages and this case made time harmonics an important topic in power electronics. At that point, elimination of harmonic components in supply voltage waveform is the main aim of research studies. In non-sinusoidal output motor drive circuits, lower order harmonics are shifted to higher orders by using pulse amplitude modulation and/or pulse width modulation for preventing or reducing negative effects of harmonics on motors. Solution method is applied on supply voltage which is a numerical signal so that finding out an aopplicable solution is proportionally easy and frequent.
Another important topic in harmonics in induction machines is space harmonics. Space harmonics are derived from cylindrical geometry of machines. In other words, it is created by the repetitive structure of winding in slots and teeth and it is depended on winding distribution and time depended variation of current. They are called space harmonics, since it is directly related to winding distribution. Space harmonics effects can be observed as flux, induced voltage and disturbing torque vibrations. Even if supply voltage is a perfect sinusoidal wave, these harmonics come into existence naturally due to the stepped wave form of air gap field. Elimination procedure differs from time harmonics, since it requires the machine‟s structure to be modified. Air-gap waveform could be changed by modifications to air-gap ampere-turn distribution of motor. Air-gap ampere-turn distribution could only be modified by changing stator winding structure, stator slot positions and stator slot dimensions. Every calculated mathematical solution found by mathematical methods is not physically manufacturable. Space harmonics could be only shifted into higher degree harmonics.
Main aim of this study, to realise a design which has never been performed before while focusing on a method in the literature that is used before to verify, analyse and reducing the effects of space harmonics and also to verify the operational efficiency of this design. In this study, air-gap ampere-turn distribution of a 48 slotted motor was improved and practical application of a mathematical solutions which was obtained for targeting the effects of space harmonics was realized. A contribution to space harmonics literature was made.
Unconventional approaches are needed for using the calculated numerical solutions in the design. The needed slot and teeth designs are different from each other in terms of form and angular position for the design of the new motor which does not exist in the literature,. Therefore, it is impossible to design the motor by using commercial motor design softwares. Within the context of the study, firstly, a "design software" that is capable meet the needs of design study was prepared. Verification of the design study was made by using a real induction motor. A standard induction motor with 48 slots, 2 poles that was produced by Arçelik A.S. was used as a sample conventional motor. The adta obtained form the manufacturer and the output data of the design programme was compared to verify the relialibity of the design method and the calculation software. The design programme was supported by magnetic analysis and transient analysis results based on finite elements method.
For an induction motor with 48 slots, an unimplemented mathematical solution data set that was confirmed before in terms of reducing the effects of space harmonics in air-gap ampere-turn distribution was implemented to a regular induction motor with 48 slots that was designed by the prepared design software. In the light of a method in the literature that was proven to be physically applicable, the structural design of a conventional motor was changed on a large scale and a novel motor with 48 slots were designed. Stator slot structure, angular positions of stator slots and stator winding arrangement are changed. Parameters and operational data of the novel motor that was calculated by the design software was compared with that of a standard motor. The efficiency of the novel design was calculated and magnetic analysis and transient state analysis based on finite elements method was completed.
In the last section of the study, data obtained from the standard design with 48 slots was compared with that of the novel design and the data obtiained was presented. Air-gap flux harmonic spectrum of both motors are compared with each other and significant decrease was observed in harmonics up to 25th harmonic. It was seen that operational performance of the novel design was improved. Additionally, copper and iron weights are decreased and thus, material costs of the machine which occupies a lot in manufacturing costs were decreased. In this way, by increased efficiency and savings in material costs, a contribution to national economy was provided.