Yuvarlak rotorlu senkron generatörlerde hava aralığı alan şeklinin iyileştirilmesine katkılar

Abstract

Yüksek hızlı türbinler tarafından tahrik edilen yuvarlak rotorlu senkron generatörler, elektrik enerjisi üretiminde sıklıkla kullanılmaktadır. Bir senkron generatörün güç kalitesi, uyarma alanı harmonikleri ile doğrudan ilişkilidir. En belirgin harmonikleri ortadan kaldırmanın geleneksel yöntemi, eş olukları rotor çevresinin 2/3'üne eşit oluk aralıkları ile dağıtıp, rotor çevresinin 1/3'ünü oluksuz bırakmaktır. Rotor üzerine yerleştirilmiş tüm oluklar aynı boyut ve sarım sayısına sahip olup, aynı uyarma akımını taşırlar. Bu geleneksel rotor sargı yayılımı, en belirgin harmonikleri, özellikle de 3. harmoniği, ortadan kaldırarak güç kalitesine etkin bir katkı sağlasa da, daha fazla harmoniğin yokedilmesi imkanı mevcuttur. Bu tez çalışmasında, bir yuvarlak rotorlu senkron generatörde en belirgin harmonikleri ortadan kaldırmak için yeni oluk konumları ve oluklardaki yeni sarım sayıları Newton-Raphson algoritması kullanılarak hesaplanmıştır. Fiziksel olarak uygulanabilir en uygun çözüm belirlenmiş ve geleneksel bir generatörün rotoruna uygulanmıştır. Stator ve diğer rotor boyutlarında herhangi bir değişiklik uygulanmazken yalnızca oluk boyutları ve oluklardaki sarım sayıları gibi gerekli büyüklükler değiştirilmiştir. Sonrasında yeni tasarımın işletme başarımı geleneksel tasarımla elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Toplam harmonik bozunumu, kullanılan malzeme miktarı ve toplam kayıpların azaldığı, verimde hafif bir artış ile güç kalitesi ve güç faktörünün iyileştiği izlenmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde geleneksel yuvarlak rotorlu senkron generatör imalat aşamaları verilmiştir. Literatürde farklı tasarım süreçleri ve örnekleri bulunurken, çalışma bunlardan biri olan ve saygın bir referanstan alınan bir örnek üzerinde yoğunlaşmıştır. Tasarım aşamaları doğrultusunda söz konusu geleneksel tasarımla ilişkili harmonik çeşitliliği ve sargı faktörleri incelenmiştir. Çeşitli rotor oluk sayıları için harmonik çeşitliliği ve sargı faktörleri verilmiş ve elde edilen sonuçlara göre problem, toplam harmonik bozunumunu azaltarak güç kalitesini arttırmak amacıyla uyarma alanındaki mevcut harmonikleri ortadan kaldırmak için uyarma alanında bir eniyileştirme gereksinimi olarak tanımlanmıştır. Elde edilensonuçlar, eniyileştirilmiş sonuçlarla karşılaştırma amacıyla kullanılmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde, uyarma alanındaki mevcut harmonikleri mümkün olduğunca ortadan kaldırarak uyarma alanını eniyileştirmek için bir yöntem geliştirilmiştir. Bu amaçla Newton-Raphson algoritması kullanılmıştır. Bu algoritma sadece kolay ve güvenilir olduğu için değil, aynı zamanda hızlı olması nedeniyle çözümün tekilliğini kontrol etmek için de tercih edilmiştir. Bu noktada, uyarma alanının temel bileşeninde bir azalmayı önlemek için, uyarma sargısındaki toplam rotor oluk sayısı ve toplam sarım sayısının sabit tutulduğu belirtilmelidir. Öte yandan, rotor oluk konumları, rotor oluk boyutları ve her bir rotor oluğundaki sarım sayısı ayarlanarak daha üstün güç kalitesi sağlanmıştır. Rotor oluk sayısı ile temizlenecek harmonik adedi arasında bir ilişki olduğu izlenmiştir. Yöntem önceki bölümde bahsedilen rotor sargı şemalarına uygulanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin harmonikleri gidermede ve güç kalitesini artırmada geleneksel yönteme göre daha etkili olduğu ortaya konmuştur. Ortaya çıkan sonuçlar, belirli bir makineye uygulanarak çalışmanın bir sonraki aşamasına geçilmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümünde, bir önceki aşamada elde edilen çözümlerden biri, birinci bölümde bahsedilen geleneksel yöntemle tasarlanmış örnek bir yuvarlak rotorlu senkron generatöre uygulanmıştır. Bu aşamada, örnek yuvarlak rotorlu senkron generatörün rotor sargı şeması hem geleneksel hem de önerilen yöntem için tasarlanırken, stator boyutları, rotor çapı, rotor oluk sayısı ve uyarma sargısındaki toplam sarım sayısı değiştirilmemiştir. Daha sonra her iki tasarım da yüksüz ve tam yük koşulları için sonlu elemanlar tabanlı bir yazılım kullanılarak benzetilmiştir. Her durum için hava aralığı manyetik alanının radyal bileşeninin harmonik çeşitliliği ve sargı faktörleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Ayrıca her iki tasarım için başarım ve malzeme tüketimi karşılaştırması yapılmış ve sonuçlar sergilenmiştir. Söz konusu problemle ilgili çok sayıda çalışma olmasına rağmen, yuvarlak rotorlu senkron generatörler için güç kalitesine güçlü katkı sağlayan yeni ve sıra dışı bir uyarma sargısı tasarım yöntemi ortaya çıkarılmıştır. Yöntemin etkinliği ve başarısı benzetim, çözümleme ve karşılaştırma adımları ile doğrulanmıştır. Çalışma, yuvarlak rotorlu senkron generatörlerde uyarma alanındaki harmoniklerin daha fazla ortadan kaldırılması için hala imkan bulunduğunu göstermektedir. Bu tez çalışması İTÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından 1424 proje numarasıya desteklenmiştir.