Katodik koruma sistemleri için 4 bölgeli doğrultucu tasarlanması
Design of four-quadrant rectifier for cathodic protection systems
Yazar: MEHMET AKİF ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. MEHMET TİMUR AYDEMİR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Doğru akım (DA) raylı sistemlerinden toprağa sızan kaçak akımlar yakınlarındaki düşük dirençli akım yolunu temsil eden boru hattı gibi metal yapılar üzerinden devresini tamamlaması sonucu katodik koruma sistemlerinin işleyişini olumsuz yönde etkilemekte ve boru hatlarını korozyona karşı savunmasız kılmaktadır. Bu çalışmanın ilk aşamasında raylı sistemlerde kaçak akımların oluşmasına neden olan ray potansiyelinin, topraktaki dağılımı ve boru hattı üzerinde oluşturduğu potansiyel farkı incelemek adına ray hattı, boru hattı ve toprak direnç ağı olarak modellenmiştir. Oluşturulan model yakınsamalı bir yöntem ile çözülüp tren konumunun ve ray topraklama çeşitlerinin, boru hattının potansiyeline etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan ray ile boru hattı arasına rayda oluşan potansiyele ters bir potansiyel oluşturarak boru hattına doğru olan kaçak akımların yönünü değiştirmeyi amaçlayan özgün bir yöntem önerilmiştir. Tren konumunun 2 farklı senaryosunda oluşan ray potansiyelinin tersini oluşturmak için ray ve boru hattı arasına doğru akım kaynağı veya kaynaklarının anot ve katotları 29 farklı dizilimde yerleştirilmiştir. Her bir senaryo ve dizilim için boru hattı ile toprak arasındaki potansiyeli minimuma indiren kaynak akım ve gerilimleri optimizasyon yöntemiyle elde edilmiştir. Önerilen yöntem ile elde sonuçlardan uygun anot katot diziliminin, ray potansiyelinin boru ile toprak arasında oluşturduğu gerilimi %80 üzerinde azaltabildiği gözlemlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında gerekli akım ve gerilim değerlerini hızlı bir şekilde verebilen iki aşamalı 4 bölgeli doğrultucu tasarlanmıştır. Doğrultucunun ikinci aşamasında kullanılan tam köprü dönüştürücünün hem kesikli iletim modunda hem de sürekli iletim modunda hızlı tepki vermesi gerektiğinden dönüştürücünün 4 çalışma bölgesindeki küçük işaret devreleri iki iletim modu için de elde edilmiştir. Elde edilen devrelerden transfer fonksiyonları türetilmiş ve kontrolü etkileyen parametreler analiz edilmiştir. Bu parametreler ile 'katsayıları yüke bağlı değişen ardışık (kaskat) PI kontrolcü tasarımı' özgün yöntemi sunulmuştur. Önerilen kontrolcü ile ardışık PI kontrolcü PLECS benzetim ortamında karşılaştırılmıştır. Son olarak önerilen kontrolcü yöntemi 100W'lık prototip üzerinde uygulanmıştır. Deneysel sonuçlar önerilen yöntemin etkinliğini kanıtlamıştır.

Abstract:
Metallic structures such as pipe lines near the direct current (DC) railway systems provide low resistance paths to stray currents. These stray currents adversely affect the operation of cathodic protection systems and leave the pipelines defenseless against corrosion. At the first stage of this thesis running rail, pipeline and the earth have been modelled as a resistive network to investigate the potential distribution created by the rail on the ground and over the pipeline. This model has been analyzed by using a converging method to investigate how the position of trains and running rail grounding schemes affect the potential over pipelines. Using the results of this, a novel method that diverts the stray currents away from the running rails by generating a potential which opposes the potential between the rail and pipeline. Twenty-nine different layouts of anodes and cathodes of the dc sources have been tested for two different train position scenarios to observe this reverse potential. Source current and voltages to minimize the potential difference between the pipeline and the ground have been obtained by using an optimization method for each case. The results show that the proposed method reduces the potential difference more than 80% with a proper anode-cathode layout. At the second part of the thesis a two-stage four-quadrant rectifier that can provide the required currents and voltages in a very short time was designed. The full-bridge converter at the second stage of the rectifier needs to respond fast both at continuous and discontinuous conduction mode, and therefore an adequate controller design is necessary. For that, the small signal models in each quadrant for both types of operation have been obtained. Transfer functions have been developed based on these models and parameters that affect the control have been analyzed. A novel method to design a cascade PI controller with load dependent coefficients has also been developed in the thesis. The proposed controller has been compared to the classical cascade PI controller in PLECS simulation environment. Finally, the proposed method has been implemented on a 100W prototype. The experimental results prove the effectiveness of the proposed method.