Asenkron makinalarda uzay harmoniklerini ve etkilerini azaltmaya yönelik yöntemlerin sonlu elemanlar ile analizi
Analysis of methods to reduce space harmonics and its effects in asynchronous machines with finite elements
Yazar: İSMETHAN HANEDAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde azalan fosil kaynakları ve çevre kirliliği gibi nedenlerle enerji verimliliği önemli bir konu haline gelmiştir. Üretilen elektrik enerjisinin büyük bir kısmı asenkron motorlar tarafından tüketilmektedir. Bu sebeple endüstride çok yaygın bir şekilde kullanılan asenkron motorların performansının geliştirilmesi önemli bir araştırma konusu olmuştur. 
Asenkron motorun performansını etkileyen önemli parametrelerden birisi de harmoniklerdir. Bu harmoniklerden birisi olan zaman harmoniği güç elektroniği alanındaki gelişmeler ile etkileri oldukça azaltılmıştır. Yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler ile birlikte yeni nesil elektrik motoru sürücüleri harmoniği azaltılmış saf sinüse yakın bir akım ile asenkron motoru besleyerek zaman harmoniklerinin genliklerini azaltarak motor performansına olan negatif etkilerini de azaltmak mümkün olmuştur. 
Uzay harmonikleri sargının stator uzayına sinüzoidal bir şekilde dağıtılamamasından dolayı oluşur. Manyetomotor kuvvet dağılımı basamaklı bir yapıya sahip olmasından ötürü harmonik bileşenleri vardır. Asenkron motorlar saf sinüzoidal bir gerilim ile beslenseler dahi ampersarım dalga şekli harmonikli bir yapıya sahiptir. Oluk konumlarına, sarım sayısına ve sargının akım değerine bağlı olarak değiştiği için hem zamana hem de geometriye bağlı olarak değişirler.
Asenkron makinanın yapısı gereği oluşan ampersarım dalga şeklinin simetrik olmasından dolayı tek katsayılı uzay harmonikleri oluşurken çift katsayılı harmonikler oluşmaz. 3 fazlı bir asenkron motorda 3 ve 3'ün katı olan uzay harmonikleri döner bir manyetik alan oluşturmadığı için dikkate alınmaz. Bu nedenle negatif etkisi en yüksek olan uzay harmonikleri 5. ve 7. harmoniklerdir. Uzay harmonikleri asenkron motorda moment titreşimi, ek kayıplar ve kalkış sırasında vuruntulu çalışma gibi etkileri vardır. 
Uzay harmoniklerinin etkisi azaltmak için bir çok yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin çoğunda sargı yapsını modifiye edilerek uzay harmonikleri elimine edilmeye çalışılmıştır. Bununla birlikte oluk konumlarını ve oluk boyutlarını optimize ederek uzay harmoniklerini azaltan çalışmalar da mevcuttur.
Bu tez kapsamında literatürde bulunan ve uzay harmoniklerini azaltmak için geliştirilmiş 8 farklı sargı tipi incelenmiştir. Bu incelenen sargı tipleri 12/15 ve 13/15 oranında kirişlenmiş sargı modeli, iç içe geçmiş sargı modeli, 12/15, 13/15 ve 10/15 oranında kirişlenmiş iç içe geçmiş sargı modeli, basamaklı sargı modeli ve oluk konumları ve sarım sayısı optimize edilmiş sargı modelidir. Bu sargı tiplerini karşılaştırmak için klasik sargılı bir asenkron motor referans olarak seçilmiştir. 
Referans motor olarak 3 fazlı, 90 kW, 2 kutuplu ve 60 oluklu bir asenkron motor seçilmiştir. Belirlenen uzay harmoniğini azaltan 8 farklı sargı modeli referans motora uygulanarak tasarımları yapılmıştır. Bu sırada karşılaştırılmanın makul olması için sargı modeli haricinde motorun stator dış çapı, stator iç çapı ve uzunluğu gibi temel büyüklükleri sabit kalmıştır. Stator oluk yapısı ise sargı modelinin yapısı gereği gerekmedikçe değiştirilmemiştir. Rotor dış çapı, iç çapı, oluk sayısı, oluk alanları bütün tasarımlarda aynı kalmıştır. Tasarlanan motorlar ANSYS Maxwell programı kullanılarak sabit güç altında sonlu elemanlar yöntemi ile manyetik analizleri yapılmıştır. Sonlu elemanlar analizi sonucunda her bir motorun verimi, manyetik akı yoğunluğu dağılımı, manyetik akı çizgileri, hava aralığı manyetik akı yoğunluğunun radyal bileşeni ve motorun moment eğrisi elde edilmiştir. Hava aralığı manyetik akı yoğunluğu Fourier serisine açılarak uzay harmoniklerinin değerleri ve toplam harmonik bozumları hesaplanmıştır. Kompleks sargı faktörü yöntemi kullanılarak incelenen sargıların uzay harmoniklerine ait sargı faktörleri hesaplanmıştır.
İncelenen uzay harmoniklerini azaltmak için geliştirilmiş 8 farklı sargı modeline sahip asenkron motor ile referans motor analiz edilmiştir. Analiz sonucu her bir motorun hava aralığı akı yoğunluğunun radyal bileşeni elde edilip ilk 61 harmonik için Fourier serisine açılmıştır. Hava aralığı manyetik akı yoğunluğunun teğetsel bileşenini dikkate almak için moment dalgalılığı incelenmiştir. Kompleks sargı faktörü yöntemi ile tasarlanan bütün motorların sargı faktörleri ilk 61 harmonik için hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar karşılaştırılmalı olarak verilmiş ve yorumlanmıştır. Motorda etkisi en yüksek olan 5. ve 7. uzay harmoniklerinin en çok baskılandığı sargı tipleri belirtilmiştir. Böylelikle farklı sargı tiplerinin motorun uzay harmoniklerine, sargı faktörüne, moment dalgalılığına ve verime olan etkisi karşılaştırılmalı olarak incelenmiş olup literatüre katkıda bulunmuştur.

Abstract:
Nowadays, energy efficiency has become an important issue due to decreasing fossil resources and environmental pollution. Most of the electrical energy produced is consumed by asynchronous motors. For this reason, improving the performance of asynchronous motors, which are widely used in the industry, has been an important research topic.
One of the important parameters that affect the performance of the asynchronous motor is harmonics. Time harmonics, one of these harmonics, has been significantly reduced with the developments in the field of power electronics. With the advances in semiconductor technology, new generation electric motor drivers have been able to reduce the negative effects of the time harmonics on motor performance by feeding the asynchronous motor with a current close to the pure sinus with reduced harmonics, reducing the amplitudes of the time harmonics.
Space harmonic occurs because the winding cannot be distributed to the stator space in a sinusoidal way. Since the magnetomotor force distribution has a step structure, it has harmonic components. Asynchronous motors have a harmonic structure with an ampere-turn waveform even if they are fed with a pure sinusoidal voltage. They vary depending on both time and geometry, as they vary depending on the slot locations and the current value of the winding. 
Due to the structure of the asynchronous machine, since the ampere-turn waveform is symmetrical, single coefficient space harmonics occur while double coefficient harmonics do not occur. In a 3-phase asynchronous  motor, space harmonics with the coefficient of 3 and 3 times are not taken into account, as they do not create a rotating magnetic field. Therefore, the harmonics with the greatest negative influence are the 5th and 7th harmonics. Space harmonics have effects such as torque vibration, additional losses and knock-on operation during starting.
Many methods have been developed to reduce the effect of space harmonics. In most of these methods, space harmonics are tried to be eliminated by modifying the winding structure. However, there are also studies that reduce space harmonics by optimizing slot positions and slot dimensions.
Within the scope of this thesis, 8 different types of windings developed to reduce space harmonics in the literature are examined. These inspected winding types are ratio of 12/15 and 13/15 chorded winding model, interspersed winding model, ratio of 12/15, 13/15 and 10/15 chorded interspersed winding model, graded winding and winding model with optimized slot positions and number of turns. To compare these winding types, a classic winding asynchronous motor is selected as reference motor.
As the reference motor, a 3-phase, 90 kW, 2-pole and 60-slots asynchronous motor was chosen. 8 different winding models that reduce the space harmonics are applied to the reference motor and designed. In the meantime, except for the winding model, the basic dimensions of the motor such as the stator outer diameter, stator inner diameter and length remained constant in order to be reasonable to compare. The stator slot structure has not been changed unless necessary due to the structure of the winding model. Rotor outer diameter, inner diameter, slot number, slot areas remained the same in all designs. The designed motors were analyzed by using ANSYS Maxwell program under the constant power by using the finite element method. As a result of the finite element analysis, efficiency, the magnetic flux density distribution, magnetic flux lines, the radial component of the air gap magnetic flux density and the motor's torque curve of each motor are obtained. By applying Fourier series expansion to the air gap magnetic flux density, the values of space harmonics are calculated. The winding factors of the space harmonics of the each winding examined were calculated using the complex winding factor method.
Asynchronous motor with 8 different winding models developed to reduce the space harmonics was analyzed with the reference motor. As a result of the analysis, the radial component of the air gap flux density of each motor was obtained and calculated by the Fourier series for the first 61 harmonics. Torque ripple was investigated to take into account the tangential component of the air gap magnetic flux density. The winding factors of all motors designed by the complex winding factor method were calculated for the first 61 harmonics. The results obtained are given comparatively and interpreted. The types of windings in which the 5th and 7th space harmonics that have the highest impact on the motor are most reduced are specified. Thus, the effects of different winding types on the motor's space harmonics, winding factor, torque ripple and efficiency were examined comparatively and contributed to the literature.