Üç faz asenkron motorlarda soğutma yönteminin ısıl başarıma etkilerinin sonlu elemanlar yöntemi ile tespitine katkılar

Abstract

Üç faz asenkron motorlar endüstride birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu uygulamalar havalandırma, kompresör, pompa, hidrolik, asansör, yenilenebilir enerji vb. şeklinde görülmektedir. Üç fazlı asenkron motorların performansını ve güvenilirliğini sürekli çalışma altında belirleyici etkilerden birisi de soğutma yöntemleri olarak görülmektedir. Motor çalışması sırasında ortaya çıkan kayıplar nedeniyle ısı oluşturulmakta ve bu ısının etkin bir şekilde uzaklaştırılamaması durumunda motor üzerinde sıcaklık artışı olarak gözlemlenmektedir. Özellikle motor sargılarında oluşan sıcaklık artışı ile motor yalıtımı ve ömrü olumsuz bir şekilde etkileneleceği öngörülmektedir. Rulman ömrü zamanla bu sıcaklık artışları tarafından azaltılmakta ve genleşmeyle beraber eksenel kaçıklıklara neden olabilmektedir. İlave olarak motor sıcaklık artışı ile stator ve rotor kayıpları artırılmakta ve motor veriminde de negatif sonuçlara neden olunabilmektedir. Günümüzde artan enerji verimliliği gereksinimleri, regülasyonlar, maliyet baskıları ve kompakt motor tasarımlarına yönelik eğilim nedeniyle motorlarda daha yüksek güç yoğunluklarında çalışmanın zorunlu hale geldiği görülmüştür. Bu durum motorlarda oluşan ısıl yüklemenin artmasına ve geleneksel soğutma yaklaşımlarının yeterliliği sorgulanmıştır. Dolayısıyla farklı soğutma yöntemlerinin motorun ısıl davranışı üzerindeki etkilerinin karşılaştırmalı olarak incelenmesi tasarım ve uygulama aşamaları açısından önemli bir gereklilik haline geldiği bilinmektedir. Bu tez çalışmasında asenkron motorlarda kullanılan farklı soğutma yöntemlerinin ısıl performans, motor kayıpları ve motorun anma değerleri üzerindeki etkileri sonlu elemanlar yöntemi tabanlı hesaplama ve analizlerle sistematik bir yaklaşımla ele alınmıştır. Bu çalışma kapsamında TEFC (totally enclosed fan cooled), TENV (totally enclosed non-ventilated), TEAO (totally enclosed air over) ve sıvı soğutma şeklinde dört temel soğutma biçimi ele alınmıştır. TEAO çalışma kendi içinde iki farklı türde ele alınmıştır. İlk olarak belirli bir hava üfleme hızı olan bir ortamda iki farklı hız seçeneğinde inceleme yapılmıştır. İkinci olarak ise ticari uygulamalarda daha çok tercih edilen cebri (zorlanmış) fan ve pervane muhafazalı model ele alınmıştır. Her bir soğutma senaryosu için iki farklı sınır koşulunda çalışma gerçekleştirilmiştir. Sınır koşulları iki farklı durum şeklinde, sabit güç altında ve sabit sıcaklık artışı altında olarak belirlenmiştir. Bu sınır koşulları sonucunda anma değerleri, kayıplar, sıcaklık dağılımları, maksimum sıcaklıklar ve yüklenebilirlik parametreleri incelenmiştir. Çalışmaya başlamadan önce kayıplar, çalışma biçimleri, soğutma biçimleri, ısı aktarım yolları, ısıl model ve ısıl eşdeğer devre konularında kapsamlı literatür araştırması gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda motor içindeki ısının yayılımı, malzeme içi ısı iletimi, motor yüzeylerinden gerçekleşen doğal ve zorlanmış konveksiyon xx değerlendirilmiştir. Özellikle soğutma metotlarının ısıl aktarım metotlarıyla eş zamanlı yorumlanması ile sonlu elemanlar analizinde kolaylık sağlanmıştır. Sayısal analizler sonlu elemanlar yöntemi tabanlı bir analiz yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ilk etapta 2,2 kW 2 kutup 50 Hz TEFC soğutma sistemine sahip ticari bir model referans motor olarak kabul edilmiştir. Referans model Ansys Motor-CAD yardımıyla motorun ısıl ve elektromanyetik modelleri oluşturulmuştur. Buna göre radyal ve eksenel bileşenleri oluşturan stator, rotor, sargı, gövde ve diğer mekanik aksamları ayrıntılı bir şekilde tanımlanmıştır. İlave olarak tüm bu parçaların malzeme bilgileri giriş yapılmıştır. Elektromanyetik modülde elde edilen kayıplar ısıl modülde ısı kaynağı olarak kullanılmıştır. Isıl modülde elde edilen sıcaklıklar da elektromanyetik modülde kayıp olarak kabul edilmiştir. Bu çalışma sonuçlar birbirine yakınsayana kadar devam edilmiştir. Isıl modelde doğal konveksiyon ve kendinden fanla soğutma parametresi aktif hale getirilmiştir. Daha sonrasında referans modelin laboratuvar koşullarında IEC 60034-2-1 metot 2-1-2b'ye göre performans deneyi ve ısınma deneyi gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar testi sonucunda kayıplar, sıcaklık artışı ve verim verileri elde edilmiştir. Sonlu Elemanlar Analizi (SEA) sonuçları ve IEC laboratuvarda elde edilen deneysel sonuçlarından motor başarımında anma parametreleri, sıcaklık artışı ve kayıplar açısından çok benzer olduğu sonucuna varılmıştır. Bu şekilde TEFC çalışmada güvenilir bir elektromanyetik ve ısıl model oluşturulmuştur. Bu çalışmada ısıl model olarak çok düğümlü toplu parametreli ısıl model ile hibrit (ısıl-elektromanyetik) model eş zamanlı olarak kullanılmıştır. İlave olarak deney sonuçları ile çok daha güvenilir olmasına katkı sağlanmıştır. Isıl SEA TENV çalışma ile devam ettirilmiştir. TENV çalışmada herhangi bir soğutma etkisi olmadığı için sadece doğal konveksiyon metodu referans yazılımda uygulanmıştır. Isıl ve elektromanyetik tarafta sonuçlar yakınsayana kadar SEA devam ettirilmiştir. Buna göre TENV çalışmanın sabit güç altında referans güçte yalıtım ısıl limitleri altında tam yükünde yüklenemediği gözlemlenmiştir. TEFC koşulun sıcaklık artışı olan değerde ise modelin referans değerden %50'den az yüklenebildiği gözlemlenmiştir. Isıl SEA TEAO çalışma dışarıdan hava üfleyerek soğutma ve cebri fan soğutma ile gerçekleştirilmiştir. TEAO dışarıdan hava üfleme koşulunda iki farklı hız değerinde SEA gerçekleştirilmiştir. Cebri fan simülasyon durumunda ise Ansys Motor-CAD'de doğrudan böyle bir modül olmaması nedeniyle motor TEFC şeklinde geometrik olarak tasarlanıp sabit hava akışı altında SEA gerçekleştirilmiştir. TEAO çalışma sabit güç altında incelendiğinde, ısıl ve performans açısından en verimli modelin cebri fanlı model olduğu gözlemlenmiştir. Dışarıdan hava üflemeli senaryoda motor gövde kanatlarının etkin kullanılamaması nedeniyle soğutmada verimsizlik gözlemlenmiştir. İlave olarak dışarıdan hava üflemeli senaryoda rotor kısmının yeterli soğumaması nedeniyle rotor kayıplarında artış ve devirde düşüş gözlemlenmiştir. TEAO cebri fan senaryosunda ise TEFC ile benzer davranışta fakat daha yüksek bir soğutma performansı stator ve rotor kayıplarına yansıdığı gözlemlenmiştir. TEAO cebri fan senaryosu 30 m/s dışarıdan hava akışlı senaryoya göre daha sıcak olmasına rağmen etkili rotor soğutması nedeniyle daha verimli olarak gözlemlenmiştir. Sabit sıcaklık artışı sınır koşulu altında incelendiğinde ise cebri fanlı TEAO çalışma modeli referans modelden %29,5 daha fazla yüklenebilir olarak gözlemlenmiştir. Son senaryo olan sıvı soğutma senaryosu motor gövdesine eksenel su ceketleri eklenerek SEA gerçekleştirilmiştir. Su ceketli tasarımda akışkan olarak su seçilmiştir. xxi İlave olarak su ceketi mekanik tasarımı on altı kanal ile Ansys-Motor-CAD'de tasarlanmıştır. Sabit güç SEA altında su ceketli tasarım ısıl olarak en soğuk sargı sıcaklığına sahip olduğu gözlemlenmiştir. Kendisine ısıl olarak en yakın performans olan TEAO cebri fanlı senaryoya göre daha düşük sıcaklık artışına sahip olmasına rağmen verim olarak aynı seviyede kaldığı tespit edilmiştir . Bunun nedeninin ise su soğutmanın gövde üzerinde çok etkin soğutma sağlamasına rağmen rotor soğutmasının yetersiz kalması olarak görülmektedir. Su soğutma senaryosu daha düşük sargı sıcaklık artışı olmasına rağmen TEFC çalışmayla aynı rotor kaybına sahip olduğu raporlanmıştır. Son olarak ısıl limitler altında su ceketli tasarım üzerinde SEA gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak TEFC çalışmaya göre %34 daha fazla yüklenebildiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmada temel anlamda üç fazlı asenkron motorda farklı soğutma türlerinin motorun anma değerlerine, kayıplarına, verimine, sıcaklık artışına ve sıcaklık dağılımına yönelik sonuçlar elde edilmiştir. Buna göre TENV, TEAO cebri fan çalışma ve TEFC modellerinde motor üzerinde homojen bir ısı dağılımı elde edilmiştir. Bunun aksine TEAO hava üfleme koşulu ve su soğutma senaryolarında rotor ve gövde arasında ciddi sıcaklık farkları olduğu gözlemlenmiştir. Çalışma sonuçlarına göre TENV çalışmada sabit sıcaklık artışı sınır koşulunda soğutma kaynağı eksikliği nedeniyle motorda bir alt gövde büyüklüğünün gücü sağlanabilmiştir. Sıvı soğutma ve TEAO zorlanmış soğutma durumlarının motor stator dış çap kısıtı altında kompaktlık sağladığı ve neredeyse bir üst gövde büyüklüğünün gücüne eriştiği gözlemlenmiştir. Bu tarz soğutma şekillerinin özellikle düşük hızlarda değişken hızlı sürücüyle çalışmada yetersiz soğutmaya fayda sağlayabileceği konusunda kuvvetli destek verisi olarak elde edilmiştir. TEAO ve sıvı soğutmalı modellerdeki sabit soğutma etkisi ihtiyaca ve soğutma şiddetine göre tasarlanabilir olduğu tespit edilmiştir. Sürücüyle çalışmada motor yalıtımındaki tepeden-tepeye zorlanmaları ilave olarak dikkate alınması da soğutma etkisi kadar önemli olduğu ve yalıtım ömrünü uzatacağı öngörülmüştür. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında üç fazlı asenkron motorlarda kullanılan farklı soğutma yöntemleri ve ısıl aktarım mekanizmalarının motor ısıl performans üzerindeki etkileri bütüncül bir yaklaşımla incelenmektedir. Elde edilen bulgular motor tasarımcıları ve uygulayıcılar için uygun soğutma yönteminin motor verimi, işletme güvenilirliği ve servis ömrü üzerindeki belirleyici rolü açıkça ortaya konulmaktadır. Ticari uygulamalarda geleneksel asenkron motor tiplerinin sadece soğutma şekli ve soğutucuya bağlı hız ve debi gibi ikincil değişkenler değiştirilerek farklı güçlerde çalışmasının sağlanabileceğine ve farklı endüstriyel uygulamalarda farklı kısıtlar altında kullanılabileceğine dair somut veriler elde edilmiştir. Ayrıca IEC standartlarına uygun deneysel yöntemlerle desteklenen bu çalışma sayısal ısıl analizlerin motor tasarım ve doğrulama süreçlerinde etkin bir şekilde kullanılabileceği gösterilmiştir.