Zaman harmonikli gerilimlerin kafesli asenkron makinada yarattığı etkilerin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi
Finite element analysis of effects of time harmonic voltages on squirrel cage induction machine
Yazar: DUYGU BAYRAM
Danışman: PROF. DR. A. FAİK MERGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik motorları = Electric motors

Özet:
Asenkron makinalar, basit yapısı ve güvenilirliği dolayısıyla çok tercih edilen makinalardır. Günümüzde, güç elektroniği düzenlerinin gelişmesiyle de kontrolü son derece kolaylaşan bu makinalar, kontrol amacına yönelik olarak, her zaman saf sinüzoidal gerilimle beslenmeyebilirler. Bu durum, makina içinde zaman harmonikleri oluşmasına neden olur. Zaman harmoniğinin frekansı temel frekanstan farklıdır. Bu durumuyla makina, farklı frekanslarda bileşenler içeren karmaşık bir sistem haline gelmiştir. Zaman harmonikleri, elektrik makinalarında, milde titreşim ve ses gibi problemler oluşturabilir. Bu karmaşık sistemi çözümleyebilmek için süperpozisyon ilkesinden yararlanılmaktadır.Bu çalışmada, çeşitli zaman harmoniği bileşenleri içeren kaynaklar bir asenkron makinaya uygulanmış ve problemlere ilişkin performans grafikleri ve alan dağılımları çıkartılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi yardımı ile yapılan bu inceleme sonrasında çıkan sonuçların, analitik gerçeklerle uyuşup uyuşmadığı hakkında yorumlar yapılmıştır.Bu amaçla, incelemenin üstüne kurulduğu yöntem olan sonlu elemanlar yönteminin genel makina analizi ve makinanın harmonik analizindeki yeri birinci bölümde açıklanmıştır. Yapılan çalışmayı tüm boyutlarıyla görebilmek amacıyla sonlu elemanlar yöntemi, ikinci bölümde ayrıntısıyla tanıtılmıştır. Ardından, tez konusunun aslında sonlu elemanlar yöntemiyle çözülecek bir elektromanyetik problemi olduğu düşünülerek, üçüncü bölümde elektromanyetik alanlar hakkında temel bilgiler verilmiştir. Dördüncü bölümde, çalışmanın hareket noktasını oluşturan harmonik kavramı ve asenkron makinadaki etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Bu bağlamda, zaman harmoniği içeren kaynakla beslenen asenkron makinanın analitik çözümü anlatılmıştır.Buna ek olarak, çözümde yararlanılan program olan Maxwell 2D ve RMxprt hakkında özet bilgi de, okuyucuyu bilgilendirmek üzere beşinci bölümde sunulmuş, izlenecek yol ve yöntem açıklanmıştır. Son olarak, altıncı bölümde, problem ve çözümü sunulmuş, durum analitik sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Induction machines are widely preferred electric machines due to their simple construction and reliability. With the advances in the field of power electronics, the control of these machines has become very simple. For control reasons, these machines may not always be fed by pure sinusoidal voltage waveforms. This situation causes time harmonics to occur within the machine. The frequency of time harmonics is different from the fundamental frequency. At this point, the machine becomes a complex system, containing different frequency components. Time harmonics may cause problems such as vibrations on the shaft and noise in electric machines. In order to solve this complex system, the principle of superposition is used.In this study, sources with various time harmonic components have been applied to an induction machine and performance plots and field distributions have been obtained for each problem. This evaluation has been performed through the Finite Elements Method and has been analyzed through a comparison with analytical facts.For this aim, the importance of the finite elements method, which is the basis of this study, in the analysis of general machinery and the harmonic analysis of electric machines has been explained in the first chapter. In the chapter two, the method of finite elements has been thoroughly presented in order to visualize the study with all its aspects. The third chapter has been prepared to provide basic information on electromagnetics, as the main subject of the thesis is an electromagnetic problem solved through finite elements method. The forth chapter gives detailed information on the harmonics concept, which is the starting point of this study and explores the effects of harmonics on induction machines. The chapter also includes the analytical solution of an induction machine fed with a source containing time harmonics.In addition to this, a summary has been prepared in order to inform the reader about the programs used for the analysis, Maxwell 2D and RMxprt and the followed methodology has been explained in the fifth chapter. The sixth chapter defines the problem explored in this study and gives the solution, in comparison to analytical results.