Anahtarlamalı Relüktans Motorda Moment Dalgalılığını Enazlama Üzerine Bir Çalışma

Abstract

Bu çalışmanın amacı, Anahtarlamalı Relüktans (AR) Motorda moment dalgalılığını enazlayacak önlemleri ortaya koymak, bu önlemlerin uygulanabilirliğini araştırmak ve bu çerçevede motor kontrolunda alınacak önlemleri hızlı şekilde inceleyebilen bir yöntem geliştirmektir. Bugüne kadar yapılmış çalışmalarda moment dalgalılığını azaltlamak üzere iki farklı yaklaşım kullanılmıştır. Bu yaklaşımlar motor manyetik devre tasarımı ve motor kontrol tasannu çerçevesinde ele alınmışlardır. Motorun manyetik devresi üzerinde yapılan çalışmalar ile moment dalgalılığı bir ölçüde azaltılabilmektedir ancak manyetik devrede alınabilecek önlemler sınırlıdır. Elektronik kontrol devresi esnek bir yapıya sahiptir ve elektronik kontrol devresinde alınan önlemler ile moment dalgalılığını azaltma yönünde bir çok çalışmanın yapılmış olduğu görülmüştür. Bu çalışmada, moment dalgalılığını enazlamak üzere elektronik kontrolda alınabilecek önlemler irdelenmiş ve motorun dinamik davranışını da kapsayan bir inceleme yöntemi geliştirilmiştir. Çalışmada, her bir fazm oluşturacağı momenti kontrol ederek moment dalgalılığının enazlanması hedeflenmiştir. Öncelikle, AR motoru tanımlayan ve performansını incelemeye izin veren motor elektromanyetik karakteristikleri çıkartılmıştır. Bunun için sayısal manyetik alan analiz hesaplamaları kullanılmış ve ayrıca deneysel çalışma için yeni bir deney düzeneği önerilmiştir. Deneysel olarak sayısal manyetik alan hesaplamalarının doğruluğu onaylanmıştır. Bu aşamadan sonra çalışma, statik ve dinamik olarak iki farklı inceleme ile devam etmiştir. Statik incelemede, dalgalılığı azaltacak her bir faza ait bir moment profili öngörülmüş ve bu moment profilini oluşturacak akım profilini hesaplayan yöntem verilmiştir. Ayrıca bu incelemede motorun verimli çalışmasını sağlayacak ve yarıiletken güç anahtarlarım en az zorlayacak moment profillerini belirleyen ölçütler çıkartılmıştır. Dinamik xiv incelemede ise, statik olarak elde edilen bu akım profillerinin değişken besleme gerilimi ve motor hızına göre kontrol edilebilirliği incelenmiştir. Akımın kontrol edilebilirlik ölçütleri ve bu alam profillerinin moment dalgalılığı üzerindeki etkisini belirlemek üzere AR motor sayısal benzetim modeli oluşturulmuştur. Sayısal benzetim çalışması ile farklı besleme gerilimlerinde ve farklı hızlarda akım profillerinin ayrı ayrı incelenmesinin zorluğunu yenmek üzere bir inceleme yöntemi ortaya konmuştur. Bu inceleme yönteminde yeni bir tanım olarak, "Gerilim Katsayısı" tanımı yapılmış ve bu tanım ile sayısal benzetime gerek kalmadan akımın kontrol edilebilirliği, farklı gerilim ve motor hızlan için incelenebilmiştir. Çalışmanın sonunda, ortaya konulan inceleme yöntemine uygun olarak elde edilmiş akım profillerinin uygulanabiliğini test etmek üzere laboratuvar ortamında bir deney düzeneği hazırlanmış ve bu düzenek ile dinamik moment ölçülmüştür. Moment dalgalılığını enazlamak üzere yapılan bu çalışmada kayda değer sonuçlar elde edilmiştir. Öncelikle, sayısal manyetik alan analiz ve önerilen deney düzeneği ile deneysel olarak elde edilen motor elektromanyetik karakteristiklerinin karşılaştırılması sonucunda, hem önerilen deney düzeneğinin hem de değerlendirme yönteminin yeterli olduğu görülmüştür. Ayrıca her iki sonuç arasındaki farklılığın nedenleri ortaya çıkartılmış ve sayısal manyetik alan analizi yapılırken dikkat edilecek noktalar ortaya konulmuştur. Statik olarak moment dalgalılığını enazlayacak, motor ve yarıiletken güç anahtarlarının en verimli çalışmasını sağlayacak akım profillerinin en küçük etkin ve tepe değere sahip olma ölçütleri saptanmıştır. Moment profilini tanımlayan komutasyon genişliği ve merkez noktası bu ölçütler ile belirlenerek, teorik olarak sonsuz sayıda olan moment profillerinin sayısı pratik olarak incelenebilir sayıya indirilmiştir. Statik incelemede elde edilen en temel sonuç olarak, etkin akım üzerinde komutasyon merkez noktasının, tepe akım üzerinde ise hem komutasyon merkez noktasının hem de az olmakla birlikte komutasyon genişliğinin etkili olduğu ortaya çıkmıştır. Statik incelemede elde edilen sonuçların moment dalgalılığı açısından uygunluğu, deneysel elektromanyetik karakteristiklerini kullanan sayısal benzetim modeliyle gösterilmiştir. Dinamik incelemede, "Gerilim Katsayısı" tanımı kullanılarak sabit besleme durumunda bir akım profilinin kontrol edilebileceği bir enbüyük hızın var olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca, bu enbüyük hızın moment profilini tanımlayan komutasyon genişliğine duyarlı olduğu görülmüştür. Komutasyon genişliğinin XV büyümesiyle akım değişim hızının küçülmekte olduğu, dolayısıyla da akımın kontrol altında tutulması için gerekli enküçük besleme gerilim ihtiyacının azaldığı belirlenmiştir. Buna bağlı olarak, komutasyon genişliğinin büyümesiyle sabit besleme durumunda motorun daha büyük hızlarda çalışabileceği sonucu elde edilmiştir. Bu sonuçların yardımı ile moment dalgalılığını enazlayan bir akım profilinin çalışma hız aralığı belirlenmiştir. Dinamik moment ölçüm deney düzeneğinde örnek seçilen alam profilleri ile motor çalıştırılarak dinamik moment ölçülmüş ve moment dalgalılığının önemli ölçüde azaldığı görülmüştür. Ayrıca deney sonuçları ile sayısal benzetim sonuçlarının karşılaştırılması yapılmış, hem sayısal benzetim modelinin hem de elektromanyetik karakteristikleri belirleyen deney düzeneğinin kullanılabilir ve yeterli doğrulukta olduğu görülmüştür.

The objective of this thesis is to introduce measures to minimize torque ripple on Switched Reluctance (SR) Motors, to investigate the practicability of these measures and to develop a method for rapid examination of the above mentioned measures of motor control. Two approaches have been used until today to reduce torque ripple. These approaches are based on motor magnetic circuit design on one hand and motor control design on the other. The torque ripple can moderately be reduced through studies on the magnetic circuit of the motor whereby measures that can be taken on the magnetic circuits are limited. Electronic control circuit has a flexible structure. It has been seen that there are many studies on torque ripple reduction that include measures taken on the control circuits. In this study, measures to be taken on electronic control to minimize torque ripple are examined and an investigation method has been developed that embraces the dynamic behavior of the motor. The study aims at minimizing the torque ripple by controlling the torque generated by each phase. First of all, the electromagnetic characteristics that define the SR motor and allow investigating its performance have been determined. For this purpose, numerical magnetic field calculations have been used and a new experimental arrangement has been proposed. Numerical magnetic field calculations have been verified experimentally. Later the study has continued with static and dynamic analyses. In the static analysis, for each phase one torque profile has been assigned in order to reduce ripple and a method was developed to calculate the current profiles that will generate such torque profiles. Further, the criteria was derived for determining the torque profiles that will provide efficient operation of the motor and that will minimize strain on the semiconductor power switches. In the dynamic analysis, the controllability of these statically obtained current profiles with xvii variable supply voltages and motor speeds has been examined. On order to determine the criteria for the controllability of the current and the effect of the current profiles on the torque ripple, a numerical simulation model of an SR motor has been developed. A new analysis method has been proposed to overcome the difficulty of separately examining current profiles at different supply voltages and different speeds within the numerical simulation model. For this purpose a so called "Voltage Coefficient" has been defined and the controllability of current at different voltages and motor speeds has been examined by applying this new definition without using the numerical simulation. At the end of the study, an experimental arrangement in the laboratory has been build up in order to test the practicability of the current profiles obtained by the proposed examination method and dynamic torque has been measured with this arrangement. In this study on minimizing torque ripple significant results have been obtained. First of all, from the comparison of motor electromagnetic characteristics derived experimentally by the proposed experimental arrangement and the numerical magnetic field analysis it has been seen that both the experimental arrangement and the evaluation method are working. For variations between the two results, reasons have been presented and important points to be considered in using numerical magnetic field analysis have been shown. Criteria for minimum RMS and peak values of current profiles were established, which provide for the most efficient functioning of motor and semiconductor power switches and statically minimization of torque ripple. By determining the commutation width and the center point - which in turn define the torque profile - according to the above-mentioned criteria, the number of torque profiles, which is theoretically infinite, has been reduced to a practically investigatable number. The major result of the static analysis is, that the commutation center point influences the RMS current and that both the commutation center point and to a lesser extent the commutation width, have impact on the peak current. The suitability of the static analysis results concerning the torque ripple is demonstrated by the numerical simulation based on the experimental electromagnetic characteristics. In the dynamic analysis using the "Voltage Coefficient" with fixed supply voltage, it has been concluded that there is a maximum speed for controlling a current profile. Besides, it has been seen that this maximum speed is responsive to the commutation xviii width that describe the torque profile. Increasing the commutation width decreases the rate of current change; thus reducing the minimum supply voltage requirement for holding the current under control. Consequently, it was seen that with increasing commutation width at fixed supply voltage, the motor can operate at higher speeds. Based on these results, the range of motor speeds in a current profile that minimize torque ripple has been determined. The motor has been run with the current profiles selected as sample and dynamic torque has been measured with the experimental arrangement. It was observed that torque ripple was effectively reduced. The experimental and the numerical simulation results have been compared and it has been seen that both the numerical simulation model and the experimental arrangement determining the electromagnetic characteristics are usable and of sufficient exactness.