1,5kW IE4 verim sınıfı asenkron motor ve şebeke kalkışlı daimi mıknatıslı senkron motor tasarımları ve performans karşılaştırması

Abstract

Dünyada enerji kaynakları hızla tükenirken ve sera gazı salınımları hızla artarken karar vericiler ve politika uygulayıcılar enerji verimliliği ile ilgili ciddi çalışmalar yapmaya başlamıştır. İklim sözleşmeleri ve bunun uygulama adımları olan regülasyonlar sayesinde enerji tüketen ürün ve cihazların verim değerleri ile ilgili zorunluluklar yürürlüğü girmiştir. Elektrik motorları, enerji tüketimindeki ciddi payı sayesinde regülasyonların radarına giren ilk ürünlerden biri olmuştur. 1990'lı yılların sonunda CEMEP tarafından verimli elektrik motorları için bir gruplama yapılmış, motorlar devir sayısı ve güçlerine göre belli verim değerleri ile artan verim sınıfına göre sırasıyla EFF3, EFF2 ve EFF1 olarak gruplanmıştır. Verimlilik konusunda yapılan çalışmalar neticesinde öncelikle 2008 yılında IEC 60034-30 standardı yayımlanarak verimli motor kapsamı, tanımı ve değerleri uluslararası geçerliliği olan bir şekle dönmüştür. En düşük verim sınıfı IE1 olmak üzere IE2, IE3 ve IE4 şeklinde tariflenen motorlar, 2009 yılında Avrupa Birliği'nde yayınlanan 640/2009 regülasyonu ile zorunlu bir üretim ve kullanıma tabi olmuştur. Öncelikle IE2 ve IE3 motor kullanımını zorunlu hale getiren regülasyon Temmuz 2021 itibari ile çıtayı yükselterek 0,75kW altı motorlar haricinde IE2 motorları yasaklamış, ilave olarak 2023 yılında IE4 verim sınıfını büyük güçlü motorlarda zorunlu hale getirmiştir. Regülasyonlar ile verim çıtasının daimi yükseltildiği motor sektöründe pazara ciddi oranda hakim olan asenkron motorlarda verimi arttırıcı faaliyetler hız kazanmış, bununla beraber bu motorlara alternatif olabilecek diğer motor türlerinin endüstride yer bulabilmesi adına çalışmalar başlamıştır. Elektrik motorlarının kullanım alanları arasında ciddi orana sahip olan pompa, fan, kompresör gibi uygulamalar değişken devirli uygulamalar olmalarına rağmen inverter kullanımı çok düşük olduğu için asenkron motorlara alternatif olabilecek dikkat çekici motorlardan biri şebeke kalkışlı daimi mıknatıslı motorlar olmuştur. Bu tez çalışmasında IE3 verim sınıfı 1,5kW 4p 90 gövde bir asenkron motor referans alınarak öncelikle klasik yöntemler ile IE4 verim sınıfı seviyesine çıkarılmıştır. Bu çalışmanın yanında IE3 asenkron motorun statoru sabit tutularak yeni bir rotor tasarımı sayesinde IE4 verim sınıflı şebeke kalkışlı daimi mıknatıslı senkron motor tasarlanmış ve doğrulanmıştır. Motor gövdesi, kapaklar ve diğer mekanik parçalar IE3 verim sınıfı motora ait olup tez çalışması kapsamında tasarlanan parçalar değildir. Elektrik ve elektromanyetik tasarımlar Flux 2D ve SPEED manyetik analiz programları ile gerçekleştirilmiştir. Öncelikle var olan IE3 verim sınıfı asenkron motor modellenerek diğer çalışmalar için referans oluşturması sağlanmıştır. Klasik yöntemlerden paket boyunun arttırılması, verimli sac kullanımı, verimli rulman kullanımı gibi yöntemlerle IE4 asenkron motor tasarımı yapılmıştır. İlave olarak yeni bir rotor tasarımı ile hem mıknatıs hem de alüminyum çubuklardan oluşan hibrit bir yapı ile şebeke kalkışlı senkron motorun tasarımı tamamlanmıştır. Yapılan tasarımlar prototiplenerek IEC 60034-2-1 standardına göre sırasıyla ısınma testi, performans testi ve boşta test adımlarına tabi tutularak test edilmiştir. Yapılan testler neticesinde her iki motorun da IE4 verim değerini yakaladığı tespit edilmiştir. Başarılı tasarım ve doğrulama çalışmalarından sonra her iki motor tipinin performans değerleri karşılaştırılarak uygulama alanına göre kullanıcılar tarafından değerlendirilebilmeye sunulmuştur.