Madenlerde kullanılan akülü lokomotiflerde seri DC motor sürücülerinin değişken anahtarlama frekansı ile kontrolü ve sistem optimizasyonu
Control and system optimization of series DC motor drives via variable switching frequency in battery-powered locomotives used in mines
Yazar: ERKAN EREN
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN KAYA ; DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, madenlerde kullanılan akülü lokomotiflerde yer alan seri DC motor kontrol ünitesinin performansını ve sistem bileşenlerinin ömrünü artırmaya yönelik bir kontrol ve optimizasyon yaklaşımı önerilmektedir. Madencilik sektöründe, akülü elektrikli lokomotifler kritik bir rol oynamaktadır. Yüksek kalkış momenti, maliyet etkinliği ve dayanıklılık özellikleri nedeniyle bu lokomotiflerde yaygın olarak seri DC motorlar tercih edilmektedir. Ancak, bu akülü lokomotiflerin performansını etkileyen temel problemlerden biri, motor akımı dalgalanmaları ve Yalıtımlı Kapılı Bipolar Transistör (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT) anahtarlama elemanları üzerindeki sıcaklık dalgalanmalarıdır. Bu dalgalanmalar güç elektroniği bileşenlerinin ömrünü kısaltmakta ve sistem verimliliğini düşürmektedir.
Tezin temel amacı, motor akımı ve IGBT bağlantı noktası sıcaklık dalgalanmalarını minimize ederek, güç elektroniği bileşenlerinin ömrünü artıran bir değişken anahtarlama frekansı kontrolü geliştirmektir. Bu amaçla, PWM (Pulse Width Modulation - Darbe Genişlik Modülasyonu) sinyalinin doluluk oranını, motor akımı ve IGBT bağlantı noktası sıcaklık değerlerine göre adaptif olarak ayarlayan bir değişken anahtarlama frekansı kullanılmıştır. 
Çalışma kapsamında, motorun farklı yük ve frekans koşullarındaki davranışları teorik modellemeler, benzetim sonuçları ve sahada yapılan deneysel çalışmalar ile analiz edilmiştir. Bu analizler sonucunda oluşturulan veri seti ile elde edilen yapay sinir ağı (YSA) tabanlı değişken anahtarlama frekans kontrolü yardımıyla IGBT'lerin anahtarlama ve iletim kayıpları, motor akım dalgalanmaları gibi kritik parametreler optimize edilmiştir. Önerilen yöntem ile maksimum motor akım dalgalanması belirli bir eşik değeri altında tutulurken IGBT üzerindeki sıcaklık dalgalanmasının da minimum seviyede olması sağlanmıştır. Bu sayede, işletme süresince sıcaklık farkının azaldığı durumlarda değişken anahtarlama frekans kullanılması durumunda IGBT ömründeki artış oranın arttığı (sabit 1 kHz için 20 kat), ortalama motor akımı dalgalanma değerinin de %5'in altında tutulduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
This thesis proposes a control and optimization approach aimed at enhancing the performance of series DC motor drives and extending the lifespan of system components used in battery-powered locomotives in mining operations. Battery-electric locomotives play a critical role in the mining sector, where series DC motors are widely preferred due to their high starting torque, cost-effectiveness, and durability. However, one of the primary issues affecting the performance of these battery-powered locomotives is current fluctuations in the motor and temperature fluctuations in the IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) switching elements. These fluctuations reduce the lifespan of power electronics components and decrease system efficiency.
The primary objective of this thesis is to develop a variable switching frequency control that minimizes motor current and IGBT junction temperature fluctuations, thereby extending the 
lifespan of power electronics components. For this purpose, a variable switching frequency that is adaptively adjusted according to the motor current and IGBT junction temperature values has been employed by modulating the duty cycle of the PWM (Pulse Width Modulation) signal. Within the scope of this study, the behavior of the motor under different load and frequency 
conditions was analyzed through theoretical modeling, simulation results, and field-based experimental studies. Based on the data set generated from these analyses, an artificial neural network (ANN)-based variable frequency control was employed to optimize critical parameters such as IGBT switching and conduction losses and motor current fluctuations. The proposed method ensures that the maximum motor current ripple remains below a certain threshold while minimizing temperature fluctuations on the IGBT. Consequently, the operating lifespans of the DC bus capacitors and IGBT components have been extended. Thus, it has been determined that utilizing variable switching frequency during periods of reduced temperature variation throughout operation results in a significant increase in IGBT lifespan (20-fold compared to a fixed 1 kHz frequency), while maintaining the average motor current ripple below 5%.