Lineer indüksiyon fırlatıcıların çoklu eviriciler ile tasarımı
Design of linear induction launchers with multi-stage inverters
Yazar: SERKAN DOĞANGÜNEŞ
Danışman: PROF. DR. ABDULKADİR BALIKÇI
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
Elektromanyetik fırlatıcılar Lorentz kuvvetini kullanarak elektrik enerjisini kinetik enerjiye çeviren ve bir mermiyi ya da faydalı yükü fırlatan sistemlerdir. Bu fırlatıcılar yapısına göre raylı fırlatıcı ve bobinli fırlatıcı olmak üzere iki ana gruba ayrılmaktadır. Lineer indüksiyon fırlatıcılar (LIL) ise bobinli fırlatıcıların bir alt tipidir ve temelde asenkron makine prensibiyle çalışmaktadır. Ancak LIL'ler bu elektrik makinaların aksine sürekli rejimde değil yüksek güçlerde (>megawatt) geçici rejimde çalışmaktadır. Bu yüzden literatürdeki LIL için uygulanan kontrol yöntemlerinde milisaniye mertebesinde yüksek güçlerde kontrol zorluğu ve düşük verim problemleri
bulunmaktadır. Bu çalışmada literatürde karşılaşılan zorlukların üstesinden gelmek için namlu boyunca merminin olmadığı yerleri enerjilendirmeyen ve düşük adım aralıklarla yumuşak geçiş özelliğine sahip V/f kontrol yapabilen yüksek verimli yeni bir güç sistemi geliştirilmiştir.
Sistem modeli modüler fırlatıcı bölümleri, bu bölümleri ayrı ayrı enerjilendirebilen Hköprü eviriciler ve bu eviricileri kontrol eden merkezi kontrol biriminden oluşmaktadır. FPGA tabanlı kontrol birimi, namlu boyunca skaler V/f kontrolü için evirici IGBT anahtarlara bipolar sinüzoidal PWM fiber optik sinyaller gönderir. Bu sayede fırlatıcı bölüm bölüm enerjilendirilmesine rağmen namlu boyunca düzgün bir hareket eden elektromanyetik dalga paketi oluşturur ve merminin bu paketi bir kayma ile takip etmesi sağlanır. Bu çalışmada fırlatıcıdaki sürücü bobinlere uygulanacak algoritmanın optimizasyonu için 3 boyutlu FEM analizi yöntemi kullanılarak akım, gerilim, frekans ve faz bilgileri elde edilmiş ve namlu boyunca pozitif ve az dalgalanmaya sahip kuvvetlerin elde edilmesi sağlanmıştır. Bu algoritmayı uygulayabilmek için laboratuvar ölçeğinde fırlatıcı ve 0.25 Mj enerji depolama kapasitesine sahip, 25 MW güç üretebilen bir güç sistemi tasarlanmıştır. Güç sistemindeki H-köprü evirici modüllerinde 3300 V-1200 A IGBT'ler ve 8.8 mF-2000 V DC-Link kapasitörler kullanılmıştır. Fırlatıcı üzerinde deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiş ve merminin 32 m/s hıza ulaşılması da dahil olmak üzere elde edilen sonuçların 3B FEM simülasyonlarıyla uyumlu olduğu görülmüştür. Önerilen sistemle beslenen fırlatıcının, tek bir evirici ile beslenen versiyona kıyasla yaklaşık %57,14 daha verimli olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca diğer fırlatıcılardaki kontrol zorlukları giderilerek elektrik makinalarında uygulanan SPWM yöntemiyle yüksek hassasiyetle fırlatıcı kontrolü sağlanmıştır.

Abstract:
Electromagnetic launchers are systems that convert electrical energy into kinetic energy using the Lorentz force and launch a projectile or payload. These launchers are divided into two main groups according to their structure: rail launchers and coil launchers. Linear Induction Launchers (LIL) are a subtype of coil launchers and basically operate on the asynchronous machine principle. However, unlike these electric machines, LILs operate in transient mode at high power levels (>megawatts) rather than in steady state. Consequently, the control methods applied to LILs in the
literature face challenges related to the difficulty of controlling high power levels within the millisecond range and issues with low efficiency. In this study, to overcome the challenges encountered in the literature, a new power system capable of V/f control with smooth transitions at fine step intervals and deenergizing the sections of the barrel where the projectile is not present has been developed. The system model consists of modular launcher sections, H-bridge inverters that can energize these sections separately, and a central control unit that controls these inverters. The FPGA based control unit sends bipolar sinusoidal PWM fiber optic signals to the inverter IGBT switches for scalar V/f control along the barrel. In this way, although the launcher is energized section by section, it creates a smoothly moving electromagnetic wave package along the barrel and the projectile follows this package with a slip. In order to optimize the algorithm to be applied to the driver coils in the launcher, current, voltage, frequency, phase and slip data were obtained by using the 3D FEM analysis method and positive forces with low ripple were achieved along the barrel. In order to apply this algorithm, a laboratory-scale launcher and a power system with 0.25 MJ energy storage capacity and 25 MW power generation capacity were designed. In this study, 3300 V-1200 A IGBTs and 8.8 mF-2000 V DC-Link capacitors were used in the H-bridge inverter modules. Experimental studies were carried out on the launcher and it was observed that the results obtained, including the projectile reaching a speed of 32 m/s, were consistent with the 3D FEM simulations. It was observed that the launcher fed with the proposed system was approximately 57.14% more efficient than the version fed with a single inverter. In addition, the control difficulties were eliminated and the launcher control was achieved with high precision with the SPWM control method.