Tek başına çalışan asenkron jeneratörlerin bulanık mantık tabanlı uç gerilimi regülasyonu

T.C.

PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ

FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ

ANABĠLĠM DALI

TEK BAŞINA ÇALIŞAN ASENKRON JENERATÖRLERİN

BULANIK MANTIK TABANLI UÇ GERİLİMİ REGÜLASYONU

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER

T.C.

PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ

FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ

ANABĠLĠM DALI

BĠLĠM DALINIZ YOKSA BU SEKMEYĠ SĠLĠNĠZ

TEK BAŞINA ÇALIŞAN ASENKRON JENERATÖRLERİN

BULANIK MANTIK TABANLI UÇ GERİLİMİ REGÜLASYONU

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER

KABUL VE ONAY SAYFASI

Tayyib Lütfullah DÖġER tarafından hazırlanan “TEK BAġINA BAĞIMSIZ BAġINA ÇALIġAN ASENKRON JENERATÖRLERĠN BULANIK MANTIK TABANLI UÇ GERĠLĠMĠ REGÜLASYONU” adlı tez

çalışmasının savunma sınavı 13.06.2014 tarihinde yapılmış olup aşağıda verilen jüri tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim DalıYüksek Lisans Tezi olarak kabul edilmiştir.

Jüri Üyeleri İmza

Danışman

Yrd. Doç Dr. Selami KESLER _...

Üye

Prof. Dr. Ceyhun KARPUZ Pamukkale Üniversitesi

...

Üye

Doç. Dr. Selim BÖREKÇİ

Akdeniz Üniversitesi ...

Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu‟nun ………. tarih ve ………. sayılı kararıyla onaylanmıştır..

... Prof. Dr. Orhan KARABULUT Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

Bu tez çalıĢması Bilimsel AraĢtırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 2011FBE082 nolu proje ile desteklenmiĢtir.

Bu tezin tasarımı, hazırlanması, yürütülmesi, araĢtırmalarının yapılması ve bulgularının analizlerinde bilimsel etiğe ve akademik kurallara özenle riayet edildiğini; bu çalıĢmanın doğrudan birincil ürünü olmayan bulguların, verilerin ve materyallerin bilimsel etiğe uygun olarak kaynak gösterildiğini ve alıntı yapılan çalıĢmalara atfedildiğine beyan ederim.

ÖZET

TEK BAġINA ÇALIġAN ASENKRON JENERATÖRLERĠN BULANIK MANTIK TABANLI UÇ GERĠLĠMĠ REGÜLÂSYONU

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER

PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI

(TEZ DANIġMANI: YRD. DOÇ. DR. SELAMĠ KESLER) DENĠZLĠ, HAZĠRAN - 2014

Bu çalışmada, elektrik şebekesinden bağımsız olarak çalışan ve elektriğin olmadığı yerlerde kullanılan üç fazlı bir asenkron jeneratörün düzenli ya da düzensiz mekanik güç girişlerine karşılık dengeli ve dengesiz yükler altında çıkış geriliminin bulanık mantık tabanlı bir algoritmayla elektronik yük kontrolüne dayalı olarak regüalsyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, tasarlanan sistemin matlab simulink ile modellenmesi yapılmıştır. Daha sonra bu sisteme göre, deneysel çalışma seti oluşturulmuştur. Program algoritması ise, uzman görüşüne dayalı bulanık mantık tabanlı olarak gerçekleştirilmiştir.

ANAHTAR KELĠMELER: Asenkron jeneratörler, Bulanık Mantık, Elektronik

Yük Kontrolü

ABSTRACT

FUZZY LOGIC BASED OUTPUT VOLTAGE REGULATION FOR INDUCTION GENERATOR OPERATING IN STAND ALONE

MSC THESIS

TAYYĠB LÜTFULLAH DÖġER

PAMUKKALE UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING

(SUPERVISOR: ASS. PROF. DR. SELAMĠ KESLER) DENĠZLĠ, JUNE 2014

In this study, corresponding regular or irregular mechanic power input for the three-phase asynchronous generators working stand alone, under balanced or unbalanced loads, output voltage regulation is carried out by fuzzy logic based electronic load controller. For this aim, firstly the proposed system is designed in MATLAB/Simulink environment to analyse trasient and steady state behaviours of the generator. Afterward, proposed system is implemented in laboratuary to conduct some experiments. During the change in customer load and unbalanced power input for the generator, proposed system performs the output voltage regulation succesfully. Obtained results are presented and some conlusions are given by both simulation and experimental studies.

KEY WORDS: Stand Alone, Asynchronous Generators, Fuzzy Logic, Electronic

Load Control.

ĠÇĠNDEKĠLER

Sayfa ÖZET Hata! Yer işareti tanımlanmamış.

ABSTRACT ... Hata! Yer işareti tanımlanmamış.

ĠÇĠNDEKĠLER ... iii

TABLO LĠSTESĠ ... vi

SEMBOL LĠSTESĠ ... vii

ÖNSÖZ ... viii 1. GĠRĠġ ... 1 1.1 Tezin Amacı ... 2 1.2 Literatür Özeti ... 2 1.3 Hipotez ... 6 2. ASENKRON MAKĠNELER ... 7

2.1 Üç Fazlı Asenkron Makinenin Dinamik Modeli ... 7

2.1.1 Rotor Mıknatıslanma Akımı ... 10

2.1.2 Stator Gerilim Denklemleri ... 11

2.1.3 Rotor Gerilim Denklemleri ... 16

3. ASENKRON JENERATÖR ... 18

3.1 Asenkron Jeneratörün Çalışma İlkesi ... 18

3.2 Şebekeye Bağlı Çalışan Asenkron Jeneratör ... 19

3.3 Tek Başına Çalışan Asenkron Jeneratör ... 23

4. ASENKRON JENERATÖRLERDE UÇ GERĠLM REGÜLASYONU 26 4.1 Sürücü Hızı Ve Mekanik Güç Girişine Bağlı Regülasyon ... 26

4.2 Üret-Doğrult-Evir Modeli ... 27

4.3 Elektronik Yük Kontrolörlü Regülasyon Modeli ... 28

5. BULANIK MANTIK DENETLEYĠCĠLER ... 29

5.1 Bulanık Mantık Kavramı ... 29

5.2 BMD Yönteminin Gelişim Süreci ... 30

5.2.1 Bulanık Kümeler ... 31

5.3 Üyelik Fonksiyonları ... 34

5.4 Bulanık Küme İşlemleri ... 37

5.5 Bulanık Çıkarım ve Durulaştırma ... 39

6. TEK BAġINA ÇALIġAN ASG’NĠN MATLAB MODELĠ ... 42

7. TBÇAG ĠÇĠN ELC TABANLI BULANIK MANTIK DENTLEYĠCĠ . 44 7.1 Bulanık Mantık Tasarımı ... 44

8. DENEYSEL ÇALIġMALAR ... 48

8.1 TBÇAG Sistem Modeli ... 48

9. BULGULAR ... 58 9.1 Benzetim Bulguları ... 58 9.2 Deneysel Bulgular ... 62 10.SONUÇLAR VE ÖNERĠLER... 69 10.1Sonuçlar ... 69 10.2Öneriler ... 70 11.KAYNAKLAR ... 71 12.ÖZGEÇMĠġ ... 77

ġEKĠL LĠSTESĠ

Sayfa

Şekil 2.1: Stator büyüklüklerinin dönüşümü ... 8

Şekil 2.2: Rotor büyüklüklerinin dönüşmü ... 9

Şekil 2.3: Mıknatıslanma akımı ve rotor mıknatıslanma akımının vektör diyagramı ... ..11

Şekil 3.1: Asenkron motorun yapısı ... 20

Şekil 3.2: Asenkron jeneratörün fazör diyagramı ... 22

Şekil 3.3: Asenkron jeneratörün eşdeğer devresi ... 23

Şekil 3.4: Asenkron jeneratörün yaklaşık eşdeğer devresi... 23

Şekil 3.5: Asenkron jenerator stator uçlarına üç fazlı uyarma kapasiteleri ... 24

Şekil 3.6: Asenkron jeneratörün boşta çalışma karakteristiği ... 25

Şekil 3.7: Tek başına çalışan asenkron jeneratörün eş değer devresi ... 26

Şekil 4.1: Türbin kanat açılarının değiştirilmesi ... 27

Şekil 4.2: Üret-Doğrult-Evir modeli ... 28

Şekil 4.3: Elektronik yük kontroolü regülasyon yöntemi ... 29

Şekil 5.1: Bir aracın güvenli durdurulması na ilişkin giriş ve çıkış için bulanık kümeler ... 33

Şekil 5.2: Üçgen üyelik fonksiyonu. ... 35

Şekil 5.3: Sinuzoid üyelik fonksiyonu. ... 36

Şekil 5.4: Yamuk üyelik fonksiyonu. ... 36

Şekil 5.5: Üyelik fonksiyonlarının bazı özellikleri ... 37

Şekil 5.6: Mamdani‟nin max-min bulanık çıkarım yöntemi ... 42

Şekil 5.7: Bulanık çıkışın elde edilmesi ... 42

Şekil 6.1: Matlab Simulink Modeli ... 45

Şekil 7.1: Hata ve hatadaki değişimler için sinüzoi üyelik kümeler. ... 47

Şekil 7.2: Bulanık Mantık Akış Şeması ... 48

Şekil 7.3: TBÇAG Sisteminin Bulanık Mantık Matlab Simulink modeli ... 50

Şekil 7.4: Bulanık Mantık Matlab Simulink yüzey modeli ………..…50

Şekil 8.1: TBÇASG uygulama sistem blok devre modeli ... 51

Şekil 8.2: Deneysel çalışma setinin görüntüsü ... 51

Şekil 8.3: Kontrol kartının devre şeması ... 52

Şekil 8.4: Kontrol kartının resmi ... 52

Şekil 8.5: Gerilim okuma devresi ... 53

Şekil 8.6: Sıfır geçiş yakalama devresi ... 53

Şekil 8.7: HallEffect Sensor resmi ... 53

Şekil 8.8: HallEffect Sensor devresi ... 54

Şekil 8.9: Elektronik yük bankası sürücü devresi ... 54

Şekil 8.10: Elektronik yük bankası resmi ... 54

Şekil 8.11: Sistemin birinci katının resmi. ... 55

Şekil 8.12: Sistemin ikinci katının resmi. ... 55

Şekil 8.13: Sistemin üçüncü katının resmi. ... 56

Şekil 8.14: Asenkron motor sürücü inverteri resmi. ... 56

Şekil 8.15: Kontrol Algoritması. ... 57

Şekil 9.1: Sabit tahrik motor hızı ve sabit uyartım kondansatörü ile değişken yüke göre çıkış gerilimi ve frekansının değişimi ... 58

Şekil 9.2: Sabit yük ve sabit uyartım kondansatörü ile değişken tahrik hızına

göre çıkış gerilimi ve frekansının değişimi ... 59

Şekil 9.3: Sabit tahrik motoru hızı ve yük empedansı ile değişken uyartım kondansatörüne göre yük gerilimi ve frekansının değişimi... 60

Şekil 9.4: Asenkron jeneratörün çıkış gerilimi ... 61

Şekil 9.5: Asenkron jeneratörün çıkış akımı ... 61

Şekil 9.6: Asenkron jeneratörün kararlı haldeki çıkış gerilimi ... 62

Şekil 9.7: Asenkron jeneratör, yük ve EYK ye ait güç değişimi ... 63

Şekil 9.8: Kontrol sistemi devre dışı iken müşteri yükünün düşürülmesi ile jeneratör çıkış geriliminin değişimi ... 63

Şekil 9.9: Kontrol sistemi devre dışı iken müşteri yükünün arttırılması ile jeneratör çıkış geriliminin değişimi ... 64

Şekil 9.10: Jeneratörün aşırı yüklendiği durum ... 64

Şekil 9.11: Elektronik yük bankasının devreye girdiğindeki çıkış gerilimi ... 65

Şekil 9.12: Elektronik yük bankasının ve müşteri yükünün akım sinyalleri .... 65

Şekil 9.13: Elektronik yük bankasının ve müşteri yükünün akım sinyalleri değişimi ... 66

Şekil 9.14: Müşteri yükünün düşürülmesi durumundaki çıkış gerilimi ... 66

Şekil 9.15: Müşteri yükünün arttırılması esnasında çıkış geriliminin değişimi 67 Şekil 9.16: Sabit yük altında jeneratör çıkış gerilimi ... 67

TABLO LĠSTESĠ

Sayfa

Tablo 5.1:Hız ve mesafe girdileri için uygulanacak fren basıncı örnek kural tablosu ... 34 Tablo 7.1:Bulanık çıkış için kural tabanının oluşturulması. ... 49

SEMBOL LĠSTESĠ

us : Durgun referans eksen takımındaki stator gerilimi vektörü

ψs : Durgun referans eksen takımındaki stator akısı vektörü

ur : Durgun referans eksen takımındaki rotor gerilimi vektörü

ψr : Durgun referans eksen takımındaki rotor akısı vektörü

imψr : Rotor mıknatıslanma akımı vektörü

ψmr : Mıknatıslanma kaçak akısı vektörü

imD : Mıknatıslanma akımı vektör direk eksen bileşeni

isD : Stator akımı vektör direk eksen bileşeni

irD : Rotor akımı vektör direk eksen bileşeni

imQ : Mıknatıslanma akımı vektör kuadratür eksen bileşeni

isQ : Stator akımı vektör kuadratür eksen bileşeni

irq : Rotor akımı vektör kuadratür eksen bileşeni

Ls : Stator özendüktansı

Lsl : Stator kaçak endüktansı

Lr : Rotor özendüktansı

Lrl : Rotor kaçak endüktansı

LmD : Durgun referans eksen takımındaki direkt ekseni boyunca mıknatıslanma endüktansı

LmQ : Durgun referans eksen takımındaki kuadratür ekseni boyunca mıknatıslanma endüktansı

LDQ : Stator sargıları arasındaki çapraz- etkileşme endüktansı

ns : Döner alanın senkron hızı

nr : Rotor döner alanın dönme hızı

Pm : Motor mekanik gücü

Pe : Motor elektrik gücü

RFe : Demir kayıpları

Es : Endüklenen gerilim fazörü

Vs : Uç gerilim fazörü

ÖNSÖZ

Bu çalışmada, elektrik şebekesinden bağımsız olarak çalışan ve elektriğin olmadığı yerlerde kullanılan üç fazlı bir asenkron jeneratörün düzenli ya da düzensiz mekanik güç girişlerine karşılık dengeli ve dengesiz yükler altında çıkış geriliminin denetlenmesi, bulanık tabanlı olarak, gerçekleştirilmiştir.

Yüksek lisans öğrenimim sırasında ve tez danışmanlığımı üstlenerek araştırma konusunun seçimi, yürütülmesi ve sunuma hazırlanması sırasında, değerli bilimsel görüş ve önerilerinden faydalandığım Yrd. Doç. Dr. Selami KESLER‟ e teşekkür eder, saygılarımı sunarım.

Bu çalışmam boyunca her konuda fedakârlık gösteren, maddi manevi yardımlarını esirgemeyen sevgili eşime ve aileme teşekkür ederim.

1

1. GĠRĠġ

Günümüz teknolojisindeki hızlı değişim ve artan endüstriyel ihtiyaçlar, artan enerji ihtiyacını karşılamak üzere gerek bilim adamlarını gerekse endüstriyel ar-ge çalışmalarında çevre dostu yenilebilir enerji kaynaklarına yönlendirmiştir. Bu alanda en fazla dikkat çeken enerji kaynakları olarak güneş ve rüzgar öne çıkmaktadır. Ülkemizin rüzgar potansiyeli olan bölgeleri üzerine yapılan çalışmalar olumlu sonuçlar vermiş ve bu alanda önemli yatırımlar yapılmaya başlanmıştır.

Orta ve büyük güçlü rüzgar santrallerinde geleneksel olarak kullanılan senkron jeneratörler, sürekli olarak düzenli mekanik güç girişi ve harici bir doğru akım kaynağı ile uyartım gerektirdiğinden ve bu nedenle sık sık bakım gerektiren fırça-bilezik sistemine ihtiyaç duyduğundan, son yıllarda, fazla bakım onarım gerektirmeyen, fırça-bilezik sistemi olmayan, kendinden uyartımlı çalışabilen ve bu nedenle harici bir doğru akım kaynağı gerektirmeyen, belli sınırlar içinde düzenli olmayan mekanik güç girişlerinde de elektrik enerjisi üretebilen asenkron makineler (motorlar), ek bir tasarım ve maliyet gerektirmediğinden, jeneratör olarak tercih edilmeye başlanmıştır. Ancak, şehir elektrik şebekesine entegre çalıştırılan asenkron jeneratörlerde gerekli olan reaktif akım şebekeden sağlanırken, uç gerilimi ve frekans regülasyonu da çok daha kolay yapılabilmesine karşın, elektrik şebeksinin olmadığı yerlerde bağımsız olarak çalıştırılması gereken asenkron jeneratörlerin, sürdüğü yüke uygun olarak gerilim ve frekans regülasyonunun yapılması, mikroişlemci tabanlı özel güç elektroniği düzenleri gerektirmektedir. Yük ve mekanik giriş gücü değişimlerine karşılık yapılacak gerilim ve frekans regülasyonu, jeneratör mili tarafında mekanik düzenlere ihtiyaç duyarken, elektriksel tarafta daha kararlı ve hızlı çalışabilen elektronik düzenler gerektirmektedir. Jeneratör uç gerilimi ve frekansının yüke uygun olarak denetlenmesi, bilinen analog yöntemlerin yanında yapay zeka tabanlı sayısal kontrol yöntemleriyle de sağlanabilmektedir.

Bu çalışma kapsamında, öncelikle şebekeden bağımsız çalışan bir asenkron jeneratörün dinamik modeli oluşturularak geçici ve sürekli durum analizi farklı

2

yükler için yapılmıştır. Jeneratörün mekanik giriş gücündeki ve yük tarafındaki değişimlere göre uç gerilimi ve çıkış frekansı incelenerek istenen çıkış gerilimi ve frekansını sağlayacak olan bulanık mantık tabanlı bir denetleyici, mikroişlemci destekli olarak tasarlanıp ve gerçekleştirilmiştir.

1.1 Tezin Amacı

Bu çalışmada, elektrik şebekesinden bağımsız olarak çalışan ve elektriğin olmadığı yerlerde kullanılan olan üç fazlı bir asenkron jeneratörün düzenli ya da düzensiz mekanik güç girişlerine karşılık dengeli ve dengesiz yükler altında çıkış bulanık mantık tabanlı bir algoritmayla elektronik yük kontrolüne dayalı olarak gerçekleştirmektir.

1.2 Literatür Özeti

Fosil yakıtlardan üretilen enerjinin maliyeti ve azalan kaynaklar göz önüne alındığında, rüzgâr, güneş, biyogaz gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına ilgi gittikçe artmıştır. Ancak bu enerji kaynaklarından faydalanmak için çoğu zaman yerleşim alanlarından uzak bölgeler elverişli olmaktadır. Enerjinin üretildiği alanda kullanılması ya da şebekeye senkronizasyonu farklı sorunları da beraberinde getirmiştir (Singh 2004). Özellikle rüzgar türbini uygulamalarında, değişken hızlı işletimler için jeneratör uç gerilimi ve frekansı denetlenmek üzere, mekanik tarafta da bir regülatör kullanmak kaçınılmaz olmuştur. Yani rüzgar hızlarındaki değişimlerde jeneratörün frekansının değişmemesi için rüzgar türbin kanatlarının açıları değiştirilmektedir (Ermis ve Arikan 1981).

Ayrıca, senkron jeneratörlerde endüvi alanını uyarabilmek için, orta ve büyük ölçekli sistemlerde harici bir doğru akım kaynağına da ihtiyaç duymaktadırlar. Bu da, yapısal olarak makine mili üzerinde karbon fırça ve bileziklerin kullanılmasını gerektirmektedir.

Son yıllarda, asenkron jeneratörler; dönen kontakları olmaması, kolayca yol verilebilmesi, tesis kurulum ucuzluğu, şebekeye bağlanma kolaylığı, şebekeye

3

bağlandığı zaman frekans ve uç gerilimi salınımı oluşturmaması gibi avantajları nedeniyle, tercih edilmiştir. Fakat bu sistemlerde de üretilen gerilimin ve frekansın regülasyonu, kanat açı kontrolü, frenleme kontrolü, türbin yön kontrolü gibi birçok mekaniksel kontrol ile gerçekleştirilmektedir. Bu gibi kontrol sistemlerinin de bakım-onarım ve gürültü gibi sakıncaları bulunmaktadır (Turhal 2009).

Gerilim ve frekans kontrolü için kullanılan mekaniksel sistemlerin sakıncaları görülmeye başlandıkça mekanik parçaların bulunmadığı, uç gerilim ve frekans kontrollerin elektronik olarak sağlandığı sistemler araştırılmaya ve geliştirilmeye başlanmıştır (Singh ve diğ. 2005) (Singh ve diğ. 2005) (Singh ve diğ. 2008).

İlk yapılan araştırmalarda; rüzgârdan tahrik alan bir asenkron jeneratörün ihtiyaç duyduğu reaktif enerjiyi sağlayan kapasitörün seçimi üzerine Sridhar çalışmalar yapmıştır (Shridlar ve diğ.1995). Fakat tekbir kondansatörün çeşitli rüzgar hızlarında jeneratörün ihtiyaç duyduğu reaktif enerjiyi karşılayamadığı yapılan çalışmalarda belirlenmiştir (Murthy ve diğ.1982), (Al-Bahrani ve diğ. 1993). Daha sonra yapılan çalışmlarda, sabit kondasatör gurubuna paralel olarak kontrollü anahtar yardımı ile bir kondansatör grubu daha bağlanmıştır. Rüzgâr hızındaki değişimlerde kontrollü kondansatör grubu devreye girip çıkmaktadır (Elsharkawi ve diğ.1985).

Kondansatör gurubunun sürekli olarak her rüzgar hızına karşılık jeneratörün ihtiyacı olan reaktif enerjiyi sağlayabilmesi üzerine yapılan çalışmalarda, uyartım kondansatör gurubunun PI denetimli anahtarlaması yapılmıştır. Minimum gerekli kondansatör seçimi maksimum güç üretimi göz önüne alınarak yapılan çalışmalar da buna destek sağlamıştır (Mahato ve diğ. 2008).

Güç elektroniğindeki gelişmelerden ve yüksek güçlü yarı iletkenlerin kullanımların artması ile konuyla ilgilenen araştırmacılar jeneratör çıkış gerilimini ve frekansını yarı iletkenleri kullanarak istenilen forma getirmeyi amaçlamışlardır. Yapılan bu çalışmalarda jeneratör çıkış gerilimi diyotlar ile doğrultularak inverter girişine DC olarak verilmiştir. İstenilen şebeke frekansına paralel olarak inverter çıkışı AC sinyale çevirilmiştir (Singh 1995), (Dezza ve diğ.1995). Bu sistemlerde jeneratörden sürekli maksimum güç çıkışı sağlandığı için sistem verimi oldukça yüksektir.

4

Asenkron jeneratör olarak kullanılabilen bilezikli asenkron makineler üzerine yapılan çalışmalarda, jeneratörün stator sargı uçları direk olarak şebekeye bağlanır ve rotor sargı uçlarından şebekeden bağlı AC-DC-AC çeviriler vasıtasyıla gerekli rotor uyartımı verilmektedir (Vicatos ve Teqopoulos 1989) (Eskanser ve El-Hagry 1998) (Cadirci ve Ermis 1992) (Pena ve diğ.1996) (Vernados ve diğ.1993) (Slootweg ve diğ. 2001) (Loannides ve diğ. 1994) (Hofmann ve diğ. 1997) (Utug ve diğ. 1994) (Giraud ve Salameh 1998) (Loannides 1992) (Salahmeh ve Wang 1989) ( Salameh ve Kazda 1987) (Salameh ve Kazda 1986). Bu konu ile ilgili yapılan bir diğer çalışmada, sabit güç ve frekans çıkışı sağlamak üzere bağlandığı şebekeye güç geri kazanımı da sağlayan bir tür regeranatif modlu motor-jeneratör kullanımı başarı ile gerçekleştirilmiş ve motor çalışma hızı bulanık mantık tabanlı olarak bir DSP tabanlı güç elektroniği sürücüsüyle gerçekleştirilmiştir (Kesler ve diğ. 2008). Fakat bu bilezikli asenkron jeneratörlerin kullanımının, yaygın bulunaması, bakım giderlerinin yüksek olması, güç faktörünün düşük olması, fırçalarından dolayı güvenilirliğinin az olması gibi dezavantajları mevcuttur. Ayrıca şebekeden bağımsız uygulamalar için uygun değildir. Çünkü uyartım için güç kaynağına ihtiyaç duymaktadırlar.

Asenkron jeneratörlerin uç gerilimi ve frekansını denetlemek üzere kullanılan bir başka yöntem de bir statik kompanzatör üzerinde her faz çıkışını yüke ve çıkış gerilimine uyumlu sarım oranında transformatörle güçlendirmektir. Böyle bir çalışmada hem uyartım kondansatörleri hem de çıkış gerilimi uygun seviye için anahtarlanmaktadır. Referans gerilim seviyesine göre sistem için uygun PID katsayıları hesaplanarak denetim gerçekleştirilmekte olup sistem dinamik modeli ve değişen güç oranlarına göre PID denetim hem matematiksel zorluk çıkarmakta hem de yeniden parametre kestirimi gerektirmektedir (Singh ve Kasal 2008).

Değişen sistem parametrelerinin kestirimini kolaylaştıran ve dinamik modele çok bağlı olmayan bulanık mantık veya genetik algoritma gibi uzman görüşüne dayalı yapay zekâ tabanlı seçici denetim sistemleri şebekeye paralel bağlı asenkron jeneratörlerin gerilim ve frekans denetiminde de kullanılmaya başlanmış ve yüksek başarımlar sağlamıştır (Soliman ve diğ. 2006) (Attia ve diğ.2006).

Elektrik şebekesinin olmadığı veya kullanılmak istenmediği yerlerde asenkron jeneratörler, uygun yenilebilir enerji kaynağı potansiyeli olan bölgeler için, şebekeden bağımsız olarak kullanıldığından, gerilim ve frekansının da yük

5

değişimlerine uygun olarak bağımsız denetlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla yapılan çalışmada elektronik yük bankası kullanımıştır. Uygulanan projede kontrol sistemi PID tabanlı ve sistem dinamik modeline son derece bağımlıdır (Juan ve Emmanuel 2007).

Şebekeden bağımsız olarak kullanılan asenkron jeneratörün uç geriliminin regülasyonu için uyartım kondansatörlerinin anahtarlanması ile ilgili çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmada uyartım kondansatörleri çift yönlü IGBT‟ler ile kontrol edilen asenkron jeneratörün değişik yük ve hız değerlerinde geriliminin değişmemesi için PSPICE de kurulan benzetim modelinden elde edilen sonuçlar incelenmiştir (Sencer ve diğ. 2008).

Kendinden uyartımlı asnekron jeneratörlerin modellenmesini ilk olarak Krause d-q referans ekseninde gerçekleştirmiştir (Krause ve Thomas 1965). Ardından birçok araştırması bu modeli geliştirmiştir. Novatay yaptığı bir çalışmada, d-q referans modeline senkron dönen rezistif yük bağlı invertörün asekron jeneratörün çıkışına bağlı bir sistemin analitik modelini geliştirmiştir (Novotony ve diğ. 1977). Bu sistemin transient performansı ve dengesiz yüklerdeki davranışda arştırılmıştır (Hallenius ve diğ. 1991) (Grantham ve diğ. 1993) (Natarajan ve diğ. 1987) (Shridhar ve diğ. 1995) (Al-Bahrani ve Malik 1990). Kendinden uyartımı asenkron jeneratörün empedans tabanlı modellenmesi üzerine çalışmalarda yapılmıştır (Murthy ve diğ.1982). Bu çalışmlarda, şebekeden bağımsız çalışan jeneratöre ait sürekli durum performans karakteristik dneklemleri geliştirşmiştir. Ardından şaft etkilerinin varyasyonları (Narayanan ve Johnny 1986), farklı jeneratör kutup sayılarında (Singh ve diğ. 1992) ve paralel çalışma uygulamarı üzerine çalışmalar yapılmıştır (Bim ve diğ. 1989). Quazere yaptığı çalışmada, üç fazlı omik yük bağlı tek fazlı jeneratör eşdeğer devre üzerinde admitans modeli geliştirmiştir (Quazene ve McPherson 1983). Çalışma frekansı ve manyetik reaktansı belirlemek için rotorun ve statorun fazlarındaki toplam admitansların real ve imajinel kısımları sıfıra eşitlenmiştir. Bu metod manyetik reaktans için, jeneratör frekans ve diğer manyetik parametre şartlarında uygun değerler vermektedir.

6

1.3 Hipotez

Düzenli ya da düzensiz mekanik güç girişlerinin elde edildiği rüzgar bölgelerinde, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına imkân sağlayan, şebekeye bağlı ya da şebekeden bağımsız çalışabilen asenkron jeneratörlerin kullanımı maliyet ve bakım-onarım açısından diğer makinelere göre daha uygundur. Ancak, elektrik şebekesinden uzak yerlerde, yenilebilir enerji kaynaklarından faydalanmayı sağlayan, küçük ve orta ölçekli uygulamalarda asenkron jeneratörler çoğunlukla şebekeden bağımsız olarak işletilmektedirler. Bu nedenle, mekanik güç girişinin düzensizliği veya jeneratör yükünün dengesizliği durumunda, jeneratör uç geriliminin yüke uygun olarak düzenlenmesi gerekmektedir. Bunu sağlamak amacıyla bu çalışmada; uzman görüşüne dayalı, insan düşünme mantığına yakın bir denetleyici modeli olarak bilinen Bulanık Mantık Denetleyici tabanlı bir kontrol sistemi mikroişlemci ve güç elektroniği düzenekleriyle sağlanmıştır. Böylece, hızlı ve yüksek doğruluklu bir uç gerilimi denetimi, yükten ve mekanik giriş gücünden bağımsız olarak gerçekleştirildiğinden, endüstriyel ya da küçük ölçekli mesken kullanımlarına uygun bir sürücü düzeneği ve kontrol sistemi, kompakt ve adaptif bir cihaz olarak tasarlanmıştır. Böyle bir denetleyici modelinin tasarımı, makine dinamik modelinden de bağımsız olarak çalışabilmesine imkan sağlar şekilde yapıldığından, gerilim set değerleri dışarıdan değiştirilebilen, farklı güçlerdeki asenkron jeneratör uygulamalarında da kullanılabilen, dolayısıyla yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını daha etkin ve daha ekonomik kılan bir tasarım gerçekleştirilmiştir.

Diğer taraftan, asenkron jeneratörler, uyartım modelinin yapısı gereği, aşırı yük akımı ya da kısa devre durumunda, kendiliğinden elektrik üretimini durdurduğundan, sistemin güvenliği de otomatik olarak sağlanmaktadır. Bu yönüyle de üretilen enerjinin kullanıldığı pano ve yük gruplarında ihtiyaç duyulan şalt ve koruma elemanlarında da indirgeme yapmak mümkün olmaktadır. Daha önceki çalışmalardan farklı olarak; denetim sisteminin bulanık mantık tabanlı yapılmasının yanı sıra, jeneratör çıkış gerilimlerinin üç fazını da tek bir doğrultma sistemi üzerinden denetlemek yerine fazların dengesiz yüklenmesi durumuna karşılık her fazın kendi denetim sisteminin ayrı ayrı oluşturulması bu çalışmada öngörülmüştür.

7

2. ASENKRON MAKĠNELER

Asenkron makineler, transformatörler gibi hareket etmeyen makineler ile girişine uygulanan enerjinin şeklini çıkışa değiştirerek veren, yani hareket eden makinelerdir. Hareket eden elektrik makineleri, girişine uygulanan enerjinin şekline göre motor ve jeneratör olarak ikiye ayrılır. Asenkron makineler, motor olarak çalı şırken stator sargıları ile aldığı elektrik enerjisini rotorundan dönme hareketi olarak mekanik enerjiye çevirir. Jeneratör olarak çalıştıklarında ise rotorundan aldıkları mekanik enerjiyi bazı koşullar altında stator sargılarından elektrik enerjisine çevirirler.

Motor olarak birkaç wattan 300MW gücüne kadar üretilmektedir. Jeneratör olarak rüzgâr enerjisinden elektrik elde etmek amacı ile rüzgâr türbini ile birlikte kullanılmaktadır. Stator sargı gerilimleri 220V‟dan 22kV‟a kadar değişmektedir. Dönme sayıları sabit değildir, fakat dönme sayısı yükle az değişir. Dönen diğer elektrik makinelerine kıyasla daha sağlam, daha az bakım isteyen ve daha ucuz makinelerdir.

2.1 Üç Fazlı Asenkron Makinenin Dinamik Modeli

Vektör gerilim denklemlerini, ωg hızında dönen genel referans eksen takımında elde etmek üzere Şekil 2.1 göz önüne alınmıştır. Asenkron makina olarak simetrik iki kutuplu, üç faz sargılı ve düzgün hava aralıklı ele alınmıştır. Boşluk harmonikleri dikkate alınmayıp demir parçanın magnetik geçirgenliği sonsuz, akı yoğunluğunun radyal olduğu ve demir kayıpları ihmal edilmiştir. Genel referans eksen takımındaki vektör gerilim denklemleri (2.1) - (2.12)‟de verilmiştir.

8

Şekil 2.1 Stator büyüklüklerinin dönüşümü

Genel eksen referans takımında direk ve kuadratür eksenleri x ve y, g

g

d dt



  genel hızında döner. Şekil 2.1‟de gösterildiği gibi θg, durgun referans eksen takımının direkt eksen bileşeni sD ile genel referans eksen takımının gerçel bileşeni x arasındaki açıdır. Genel referans eksen takımında, atator akımı vektörü aşağıdaki şekilde ifade edilir.

j g

sg s sx sy

i



i e

 

 

i

ji

(2.1) Genel referans eksen takımında, stator gerilim ve akı vevektörleri de benzer şekilde elde edilir. j g sg s sx sy

u



u e

 



u



ju

(2.2) j g sx sy sg s

e

j





_





_



_



(2.3) Burada us ve ψs durgun referans eksen takımındaki stator gerilimi ve stator

akısı vektörleridir. Benzer yaklaşımlar kullanılarak rotor gerilimi, rotor akımı ve rotor akısı da elde edilir. Şekil 2.2‟de üç ayrı referans eksen takımı gösterilmiştir. Bu eksen takımları genel, rotora ve statora göre referans eksen takımlarıdır. Rα ve rβ, rotor sargılarının magnetik eksenleri olup rα ekseni stator referans ekseninin direkt ekseninden (sD) θr açısı kadar farklı konumda yerleştirilmiştir.

9

Şekil 2.2: Rotor büyüklüklerinin dönüşmü

Şekil 2.2‟den hareket ederek, rotora göre referans eksen takımında, rotor akımı vektörü

i

_r



i e

_r j r

i

_rg



i e

_r j r 'olarak ifade edilir. Bununla birlikte, Şekil 2.2‟den de görülebileceği gibi, genel referans eksen takımının gerçel ekseni (x) ile rotorla birlikte dönen referans eksen takımının gerçel bileşeni (rα) arasındaki açı θg

-θr olduğu için, genel referans eksen takımındaki rotor akımı vektörü

'

j r rg r

i



i e



olarak ifade edilir. Burada



_r '



_r (



_g 



_r)dir. Buradan;

( _{g r}) ( _{g r})

r j j

j

rg r r rx ry

i



i e



e

  



i e

  

 

i

ji

(2.4) elde edilir. Benzer, şekilde, rotor gerilimi ve rotor akısı vektörleri de genel referans eksen takımında aşağıdaki şekilde ifade edilir.

( g r) j rg r rx ry

u



u e

  



u



ju

(2.5) ( g r) j rx ry rg re j  





 





   _(2.6)

Genel referans eksen takımında, stator ve rotor vektör gerilim ifadeleri

sg sg s sg g _sg d u R i j dt



 

   (2.7) ( ) rg rg r rg g r _rg d u R i j dt        (2.8)

10

Şeklinde elde edilir. Genel referans eksen takımındaki stator ve rotor akı vektörleri, stator ve rotor akımı vektörleri cinsinden

sg rg s m sg

L i

L i







(2.9) rg sg r m rg

L i

L i







(2.10) olarak ifade edilir. (7)-(10) ifadeleri birleştirilirse;

(

)

(

)

(

)

sg s sg s sg m rg g s sg m rg

d

d

u

R i

L i

L i

j

L i

L i

dt

dt













(2.11) ( ) ( ) ( )( ) rg r rg r rg m sg g r r rg m sg d d u R i L i L i j L i L i dt dt         (2.12)

Gerilim denklemleri elde edilir.

2.1.1 Rotor Mıknatıslanma Akımı

Rotor özendüktansının, rotoru kaçak ve mıknatıslanma endüktanslarının toplamı olduğu kabul edilerek, rotor mıknatıslanma akımı vektörünün genliği aşağıdaki şekilde yazılır.

(

)

rl rl r mr r r s r r r r r s r r r m r m m m

L

L

L

i

i

i

i

i

i

i

i

L

 

L

  

L

 















_(2.13) j m r s r r r m

i

_



i

_



i

_



i

e

 (2.14)

11

Şekil 2.3: Mıknatıslanma akımı ve rotor mıknatıslanma akımının vektör diyagramı Burada imψr rotor akınına göre referans eksen takımındaki rotor mıknatıslanma akımı vektörüdür. Ayrıca im durgun referasn eksen takımındaki mıknatıslanma akımı vektörü |im| ise onun genliğidir. μm , im vektörünün durgun referans eksen takımının gerçel ekseni ile yaptığı açı, μm= μm –ρrise im vektörü ile rotor akısına göre referans eksen takımının gerçel ekseni arasındaki açıdır. Şekil 2.3‟de durgun ve rotor akısına göre referasn eksen takımlarında im ve imr vektörleri gösterilmiştir. Kaçak endüktans sıfırdan farklı olduğu için mıknatıslanma akımı vektörü ile rotor akısı vektörü eş eksenli değildir. Bu yüzden im ve imr de eş eksenli olmayacaktır. Stator ve rotor gerilim denklemleri elde edilirken |imr| terimi yerine |im| terimi kullanılacaktır. |imr| ile |im| arasındaki ilişki aşağıdaki şekilde verilir.

ju rl mr r r m m

L

i

i

i e

L









_

_







(2.15)

2.1.2 Stator Gerilim Denklemleri

Stator özendüktansının (Ls), stator kaçak endüktansı(Lsl) ile mıknatıslanma endüktansının toplam olduğu ve stator kaçak endüktansının sabit olup sadece mıknatıslanma endüktansının doyma ile değiştiğini kabul ederek stator stator gerilim denklemleri olarak;

(

j

)

(

j

)

s r s s r sl m m mr sl s r m m

d

u

R i

L

L i e

j

L i

L i e

dt

  















(2.16)

12 Elde edilir. Bu denklemde;

m r m m mr

L

i

i









_(2.17)

dir. Yine aynı denklemde;

'

(

)

j j m s r m _mr m mx my

L i e









L i



i e

 







j



(2.18)

olup ψmr rotor akısına göre yazılan referans eksen takımındaki mıknatıslanma kaçak akısı vektörüdür. Genellikle rotor akısı ile eş eksenli olmadığı için ( yalnızca μ=0 olduğu zaman eş eksenlidir. ) doymalı koşullar altında dψmr / dt türev ifadesi direkt ve kuadratür eksenleri stator gerilimleri arasındaki çapraz etkileşmeyi gösterir. (16) ifadesi gerçel ve sanal bileşenlerine ayrılırsa;

(

)

sx mx sx s sx sl mr sl sy my

di

d

u

R i

L

L i

dt

dt



_

_











(2.19)

(

)

sy my sy s sy sl mr sl sx mx

di

d

u

R i

L

L i

dt

dt

















(2.20)

Ifadeleri elde edilir. Burada ;

(

)

mx

L i

m sx

i

rx

L i

m mx









(2.21)

(

)

my

L i

m sy

i

ry

L i

m my









_(2.22)

dir. (2.21) ve (2.22) ifadelerindeki imx ve imy rotor akısına göre yazılan referans eksen takımındaki mıknatıslanma akımı vektörünün gerçel ve sanal eksen bileşenleridir. (2.19) ve (2.20) ifadelerindeki dmx dt ve dmy dt ifadeleri (2.21) ve (2.22) ifadelerinin zamana göre türevi alnarak elde edilir.

(

)

mx mx m m mx m mx

d

d

di

dL

L i

L

i

dt

dt

dt

dt



_

_

_

(2.23)

(

)

my my m m my m my

d

d

di

dL

L i

L

i

dt

dt

dt

dt









(2.24)

13

Bu eşitliklerdeki mıknatıslanma endüktansının birinci mertebe türevi doymalı koşullar altında sıfırdan farklıdır. Mıknatıslanma endüktansının zamana göre türevi alınırsa;

(

)

m m m m d m m m

d i

d i

dL

dL

L

L

dt

d i

dt

i

dt







_(2.25)

elde edilir. Burada;

m d m

d

L

d i





_(2.26)

ifadesi dinamik endüktans olarak adlandırılır ve doymalı koşullar altında sıfırdan farklıdır. Doğrusal magnetik koşullar altında ise mıknatıslanma endüktansı Lm‟ye eşittir. (2.25) ifadesinde kullanılan mıknatıslanma akımı vektörünün genliği direkt ve kuadratür eksenleri bileşenlerinden oluşmakla birlikte aynı zamanda direkt ve kuadratür eksenleri stator ve rotor akımlarınıda içermektedir. Bundan dolayı dLm/dt ifadesi çapraz-doyma etkileşim ifadesine katılacaktır. Matematiksel olarak

2 2 1/2

(

)

my my

cos

sin

my m mx mx mx mx my m m

i

di

di

d i

d

i

di

di

i

i

dt



dt





i

dt



i

dt





dt





dt

(2.27) olduğu düşünülerek ve

cos

m mx

i



i



(2.28)

sin

m my

i



i



(2.29) olduğu göz önüne alınarak (2.23)-(2.27) ifadeleri kullanılırsa,

my mx mx mx xy di d di L L dt dt dt



_{ } (2.30) my my mx my xy d di di L L dt dt dt



  (2.31)

14

ifadeleri elde edilir.Burada Lmx ve Lmy,direkt (x) ve kuadratür (y) eksenleri boyunca mıknatıslanma endüktansları, Lxy ise direkt (x) ve kuadratür (y) eksenleri arasındaki çapraz etkileşme endütansıdır.

2 2 2 2

cos

sin

cos (

)

sin (

)

mx d m d m r m m r

L



L





L





L









L







(2.32)

2 2 2 2

cos

sin

cos (

)

sin (

)

my m d m m r d m r

L



L





L





L









L







(2.33)









1

1

(

) sin(2 )

(

) sin 2(

)

2

2

xy d m d m m r

L



L



L





L



L







(2.34)

Doğrusal magnetik koşullar altında Ld=Lmx=Lmy=Lmve Lxy=0‟dır. (2.21), (2.22), (2.30), (31) ifadeleri (2.19) ve (2.20) ifadelerinde kullanılırsa stator gerilim denklemleri; ( ) sy ry sx rx sx s sx sx mx xy mr sl sy m sy ry di di di di u R i L L L L i L i i dt dt dt dt



        _  _ _   _   (2.35)



(

)



sy ry sx rx sy s sy sy my xy mr sl sx m sx rx

di

di

di

di

u

R i

L

L

L

L i

L i

i

dt

dt

dt

dt













_



_











(2.36)

olarak elde edilir. Burada,

sx sl mx

L



L



L

(2.37)

sy sl my

L



L



L

(2.38) Rotor akısına göre referans eksen takımında direkt ve kuadratür eksenleri boyunca stator sargılarının özendüktanslarıdır. Doymanın bir sonucu olarak Lsx Lsy dir. Doğrusal koşullar altında ise L_sxL_sy L_slL_m ‟dir. (2.35) ve (2.36) ifadelerinden de görülebileceği gibi rotor akısına göre referans takımının hızı

0

mr

  olsa bile bu iki stator gerilim denklemi doymanın bir sonucu olarak birbiri ile etkileşimlidir. Eğer r 0 alınırsa rotor akısına göre referans eksen takımı ile

durgun referans eksen takımı üst üste çakışır. Bu durumda r 0

mr

d dt



15

gözönüne alınarak durgun referans eksen takımındaki stator gerilim denklemleri elde edilir. (2.32)-(2.36) ifadeleri kullanılarak;

sD mD sD s sD sl di d u R i L dt dt



   (2.39) sQ _mD sQ s sQ sl

di

_d

u

R i

L

dt

dt









(2.40)

elde edilir. Burada mD ve mQ sırasıyla durgun referans eksen takımındaki mıknatıslanma akısı vektörünün direkt ve kuadratür ekseni bileşenidir.

( ) mD L im mD L im sD irD



   (2.41) ( ) mQ L im mQ L im sQ irQ



   (2.42) mQ mD mD mD DQ

di

d

di

L

L

dt

dt

dt







(2.43) mQ mD mD mQ DQ

di

d

di

L

L

dt

dt

dt



_

_

(2.44)

Burada imD, isD, irD ve imQ, isQ, irq durgun referans eksen takımında sırasıyla mıknatıslanma, stator ve rotor akımları vektörlerinin direkt ve kuadratür eksenleri bileşenleridir. LmD ve LmQ durgun referans eksen takımındaki direkt ve kuadratür eksenleri boyunca mıknatıslanma endüktansları, LDQ ise stator sargıları arasındaki çapraz- etkileşme endüktansıdır.

2 2

cos

sin

mD d m m m

L



L





L



(2.45) 2 2

cos

sin

mQ m m d m

L



L





L



(2.46)

(

) sin

cos

DQ d m m m

L



L



L





(2.47) (2.39)-(2.47) ifadeleri birleştirilerek;

16 ( ) sQ rq sD rd sD s sD sD mD DQ r sl sQ m sQ rq di di di di u R i L L L L i L i i dt dt dt dt    _{ }     _  _ _   _   (2.48)



( )



sQ rq sD rd sQ s sQ sQ mQ DQ r sl sD m sD rd di di di di u R i L L L L i L i i dt dt dt dt        _  _     (2.49)

şeklinde yazılabilir. Burada,

sD sl mD

L



L



L

(2.50)

sQ sl mQ

L



L



L

(2.51) olup durgun referans eksen takımında direkt ve kuadratür eksenleri boyunca stator sargılarının özendüktanslarıdır ve doymanın bir sonucu olarak eşit değildirler.

2.1.3 Rotor Gerilim Denklemleri

Rotor özendüktansı Lr=Lrl+Lm olup rotor kaçak endüktansı Lrl‟nin doyma ile birlikte değişmediği varsayılacaktır. Genel referans eksen takımındaki rotor gerilim denklemindeki ωg terimi yerine rotor akısına göre referans eksen takımının hızı ωmr alınacaktır.

0

r r m r

(

)(

)

r r r r r rl mr r rl r r _{m r}

di

di

u

R i

L

j

L i

dt

dt

  

 





















_ (2.52)

ifadesi rotora göre referans eksen takımındaki rotor vektör gerilim denklemi ifadesidir. Bu ifadede ωmr=0 alınıp gerçel ve sanal bileşenlerine ayrılırsa durgun referans eksen takımında rotor gerilim denklemleri elde edilir.

(

)

0

rd mD rd r rd rl r r rq m sQ

di

d

u

R i

L

L i

L i

dt

dt



_













(2.53)

(

)

0

rq mQ rq r rq r r rd m sD

di

d

u

R i

L

L i

L i

dt

dt

















(2.54)

(2.43) ve (2.44) ifadeleri bu ifadelerde yerine yazılırsa doymalı durumunda asenkron makina için rotor gerilim denklemleri elde edilmiş olur.

17

(

)

0

sQ rq rd sD rd r rd rd mD DQ r r rq m sQ

di

di

di

di

u

R i

L

L

L

L i

L i

dt

dt

dt

dt















_



_











(2.55) ( ) 0 rq sQ sD rd rq r rq rq mQ DQ r r rd m sD di di di di u R i L L L L i L i dt dt dt dt



      _  _     (2.56)

Burada, L_rd L_rl L_mD ve L_rq L_rl L_mQ olup rotorun durgun referans eksen takımındaki direkt ve kuadratür eksenleri özendüktansları ve Lr Lrl Lm ‟dir. Doymanın bir sonucu olarak Lrd Lrq Lr ‟dir. (2.48), (2.49) ve (2.55), (2.56) ifadeleri birleştirilir ve matrisel forma getirilirse doymalı koşullar altında üç fazlı asenkron makinanın durgun referans eksen takımındaki dinamik denklem takımı aşağıdaki gibi elde edilir.

sD s sD DQ mD DQ sD sQ DQ s sQ DQ mQ sQ rd mD r m DQ r rd r r DQ rd rq r m DQ mQ r m DQ r rd rq u R L L L p L p i u L R L p L p L p i u L L L p R L p L L p i u L L p L p L L p R L p i                 _      _               _{    }                (2.57)

18

3. ASENKRON JENERATÖR

3.1 Asenkron Jeneratörün ÇalıĢma Ġlkesi

İçinde endüktif akım verebilen bir alternatif gerilim şebekesine bağlı asenkron motorun rotoru, stator döner alanı yönünde ve döner alandan biraz daha küçük bir hızla dönerek statordan aldığı elektrik enerjisini, milinden mekanik enerji olarak verir. Rotor, dışarıdan bir mekanik sürücü ile döner alan yönünde ve hızında döndürülürse, makine rotoru sargılarında bir gerilim ve akım endüklenmez. Bu çalışma türü, ne motor ne de jeneratör çalışmasına karşı düşer. Şimdi rotoru, mekanik sürücü ile döner alanın hızı ile aynı yönde ve asenkron hızından daha büyük hızla döndürelim. Döner alanın senkron hızı ns, rotor döner alanın dönme hızı nr ise (kutup çifti sayısı p=1 için), aşağıdaki özellikler oluşur.

a) n = ns + nr rotor dönme sayısı n >ns

b) s ns n 0 ns



 

c) Stator akımı Is‟nin fazı 180º değişir ve jeneratör şebekeye elektrik gücü verir. d) Pe= 3Vs Is cosφs< 0 elektrik gücü motor çalışmasına göre yön değiştirir.

e) Makine milinden mekanik güç alır ve elektrik uçlarında bağlı olduğu şebekeye elektrik enerjisi verir. Pm > 0 ve Pe< 0 olur.

19

Şekil 3.1: Asenkron motorun yapısı

3.2 ġebekeye Bağlı ÇalıĢan Asenkron Jeneratör

Asenkron motorun, (3.1) ve (3.2) bağıntıları ile verilen fazör gerilim denklemlerinde s < 0 alınırsa, asenkron jeneratörün fazör gerilim denklemleri elde edilir. ( ) 2 2 s s _ı s s s m S S m sm s r V R Ġ j X Ġ j X Ġ Ġ      (3.1) 0 ( ) 2 2 ı r _ı r _{ı ı} s _ı r r r sm s r R m m Ġ j X Ġ j X Ġ Ġ s       (3.2) ( ) 2 2 s s _ı s s s S S sm s r m m V R Ġ j X Ġ j X Ġ Ġ      (3.3)

20 0 ( ) 2 2 ı r _ı r _{ı ı} s _ı r r r sm s r R m m Ġ j X Ġ j X Ġ Ġ s        (3.4)

Rotora ilişkin denklem düzenlenirse,

( ) 2 2 ı r _ı r _{ı ı} s _ı r r r sm s r R m m Ġ j X Ġ j X Ġ Ġ s      (3.5)

olur. Kayma negatif olunca R’r / s direnci negatif bir direnç olur. Negatif direnç, bir

üreteç gibi etki yapacak ve rotor akımının fazı değişecektir. Jeneratör denklemlerini kullanarak fazör diyagramı ve eşdeğer devresi verilebilir. Şekil 3.1‟de asenkron jeneratörün fazör diyagramı ve Şekil 3.2‟de eşdeğer devresi verilmiştir. Demir ve sürtünme kayıpları eşdeğer devre ve fazör diyagramlarına sonradan eklenmiştir.

Fazör diyagramı, (3.3) ve (3.5) denklemleri yardımı ile çizilirken bazı büyüklük ve parametrelerin bilinmesi gerekir.

Bilinenler: R’r , Rs , Ġsm , Xsm , 2 s s m X , 2 r _ı r m X , s , s s r r K N a K N  Bulunması istenenler: Vs , Ġ’r , Ġs , φsg , φrg

Fazör diyagramını çizmek için aşağıdaki işlemler yapılır:  Ġsm ve buna dik olan

2 sm sm m j X Ġ çizilir.  ır _ı r R Ġ

s ile E’r arasındaki açı φr faz açısı tan

2 r _ı r r ı r m X R s    bağıntısından belirlenir.  (3.5) denklemindeki 0 2 s sm sm m j X Ġ A   çizilir.

 0A = E’r den φr alınarak Ġ’r doğrultusu bulunur.

 A noktasından bu doğrultuya bir dikme indirilir, B noktası bulunur.

0 ı r _ı r R B Ġ s  ve 2 r _{ı ı} r r m

21 0

ı s sm r

Ġ Ġ Ġ  Kstator akımı bulunur.  2 s s sm sm m OD E j X Ġ    alınır.  D noktasından Rs Ġsm, 2 s s s m

j X Ġ fazörleri alınarak |OL|= V_s ve φs bulunur. Fazör diyagramlarında fazörler ok yönünde dönerler. Jeneratörlere ilişkin fazör diyagmanlarında endüklenen gerilim fazörleri, jeneratörün uç geriliminden dönüş yönünde her zaman önde bulunur. Şekil 3.1‟de Es endüklenen gerilim fazörü, uç

gerilim fazörü Vs „den önde olduğu görülmektedir.

22

Şekil 3.2 ve Şekil 3.3‟de asenkron jeneratörün normal ve yaklaşık eşdeğer devreleri gösterilmiştir. RFe demir kayıplarını gösterir; matematik modelin elde edilişinde böyle bir terimin varlığı gözönüne alınmamıştır, modele sonradan eklenmiştir.

Şekil 3.3: Asenkron jeneratörün eşdeğer devresi

23

3.3 Tek BaĢına ÇalıĢan Asenkron Jeneratör

Senkron jeneratörlerin bulunmadığı bir şebekede asenkron jeneratör çalışamaz. Çünkü mıknatıslanma akımı Ism endüktif bir akımdır ve bu akım ya

senkron jeneratör ya da kapasitörler tarafından verilebilir. Doğrudan şebekeye bağlı asenkron jeneratörün frekansı sabit olmadığından, frekansın sabitliğini senkron jeneratörler belirler. Ancak günümüz rüzgar türbini jeneratör uygulamalarında olduğu gibi asenkron jeneratörün gerilimi dört bölgede çalışan bir evirici (inverter) üzerinden şebekeye bağlanırsa çıkı frekansı 50 yada 60 Hz‟de sabit tutulur.

Bir asenkron makinanın tek başına jeneratör olarak çalışabilmesinin gerek ve yeter koşulları:

1. Makinanın senkron hız üstünde döndürülmesi ve endüktif bir akım olan Ism

mıknatıslanma akımının sağlanması.

2. Makinanın daha önceki çalışmalarından kalan bir kalıcı ( residual ) mıknatısiyet alanın olmasıdır.

Daha önceki çalışmalardan asenkron makinanın kalıcı mıknatısiyetinin var olduğunu kabul edelim. Böylece yukarıda gerek ve yeter koşul olarak verilen 2. Koşul yerine getirilmiş olur. Gerek ve yeter koşulun 1.cisi, asenkron makine uçlarına gerekli olan üç fazlı kapasite bağlanarak, sağlanır. Şekil 3.5‟de bu kapasitelerin bağlantı şekli gösterilmiştir. Kapasite grubuna uyarma kapasitesi denir.

24

Asenkron jeneratörün, önce Vs f I

 

s |_{n ns} bağıntısı ile verilen boştaki karakteristiğini tanımlayalım. Asenkron makine n = ns sabit dönme sayısı ile

döndürülerek, stator sargılarına 0‟dan Vs‟e kadar değişen bir gerilim uygulanarak

elde olunan Vs f I

 

s karakteristiğine boştaki karakteristik denir. Bu karakteristik Şekil 3.5‟de gösterilmiştir. Bir kapasiteden geçen akım I, kapasitenin değeri C (farad) ise uçlarındaki gerilim 1

m

V I

C

 olur. Cω sabit ise Vs f I

 

bir doğru gösterir ve bunun eğimi tan 1

C 



 ‟dır. Kapasite çok büyük ise bu doğrunun eğimi çok küçük, kapasite değeri küçük ise eğim büyük olur.

Şekil 3.6 : Asenkron jeneratörün boşta çalışma karakteristiği Cα , Cβ , Ct kapasitelerine ilişkin 1 V I C_  , V 1 I C_  ve 1 t V I C  doğrular Cα> Ct > Cβ dır. Şekil 3.6‟de Cα> Ct > Cβ olmak üzere üç farklı kapasite doğrusu

gösterilmiştir. Cα ile gösterilen doğru boşta çalışma karakteristiğini P noktasında

25

Bu halde asenkron jeneratör başlangıçta Vr kalıcı mıknatısiyet geriliminden kendi

kendini uyararak Vp gerilimine ulaşır. Buna asenkronun kendi kendini uyarması

denir. Kapasite değeri küçültülürse, örneğin Cα> Ct için kapasite doğrusu boşta

çalışma karakteristiğine teğet olur; bu halde Ct doğrusu ile boşta çalışma eğrisinin

belli bir kesişme noktası yoktur. Kararlı bir çalışma elde edilemez. Kapasite biraz daha küçültülürse, Cα> Ct > Cβ koşulu ile Cβ doğrusu çizilirse bu doğruboştaki

karakteristiği hiçbir noktada kesmez ve sonuç olarak asenkron jeneratör kendi kendini uyaramaz. C> Ct koşulu her zaman bir çalışma noktası verir ise de C‟nin

büyük değerlerinde stator uç gerilimi Vs çok büyük değerler alabilir. Uyarma

kapasitesini belirlemek için Şekil 3.6‟de VsN nominal geriliminden bir yatay çizilerek

PN noktası elde edilir. PN , 0 noktasına birleştirilerek nominal kapasite değeri CN elde

edilir.

26

4. ASENKRON JENERATÖRLERDE UÇ GERĠLĠM

REGÜLASYONU

4.1 Sürücü Hızı Ve Mekanik Güç GiriĢine Bağlı Regülasyon

Asenkron jeneratörün çıkış geriliminin ve frekansının regülasyonun, jeneratör rotor dönüş hızının mekaniksel yöntemler ile sabit tutulmaya çalışarak yapılmasıdır. Bu sistemlerde rüzgar hızındaki değişimlerde rotor hızınında ki değişimi engellemek için rüzgar türbin kanatlarının açıları değiştirilerek, şaft üzerinde bulunan firenleme sistemi ve çift hızlı asenkron jeneratörler kullanılarak rotor hızı sabit tutulmaya çalışılmıştır. Bu sayede çıkış frekansı ve gerilimi regülasyonu yapılmaktadır. Şekil 3.1‟de kanat açılarının değiştilmesine örnek bir çizim verilmiştir.

27

4.2 Üret-Doğrult-Evir Modeli

Asenkron jeneratörlerde uç gerilim ve frekans regülasyonun bir diğer yöntemi de Şekil 4.2‟de gösterilmiştir.

Şekil 4.2 : Üret-doğrult-evir modeli.

Bu sistemde stator sargısı, DA linkinin iki tarafına back-to-back bağlı gerilim kaynaklı iki DGM eviriciden meydana gelen, dört bölgeli güç çeviricisi üzerinden şebekeye bağlanır. Stator tarafındaki çeviricinin kontrol sistemi, elektromanyetik momenti regüle eder ve makinanın manyetik alan üretebilmesi için reaktif güç sağlar. Şebeke tarafındaki çevirici, sistemden şebekeye aktarılan aktif ve reaktif gücü ve aynı zamanda DA linkini regüle eder. Rüzgâr güç sistemlerinde kullanılan SKAG‟ninsağladıgı avantajlar aşağıda verilmiştir:

 Sincap kafesli asenkron makinalar, fırçasız, güvenilir, ekonomik ve sağlam biryapıya sahip olmaları nedeniyle uygulamada sıkça kullanılmaktadırlar.

 Doğrultucu, jeneratör için programlanabilir bir uyartım oluşturabilmektedir.

 Evirici, harmonikkompanzatör olarak çalıştırılabilmektedir.

Jeneratör parametrelerinin sıcaklık ve frekansla değişerek sistemin kontrolünükarmaşıklaştırması ve stator tarafındaki çeviricinin, makinanın ihtiyaç duyduğumanyetik alanı sağlamak için nominal güce göre % 30-% 50 oranında daha büyükölçülerde yapılması, bu sistemin dezavantajları arasında yer alır. Ayrıca yukarıda anlatılan jeneratörlerin dışında; fırçasız çift beslemeli jeneratörler, değişken relüktanslı jeneratörler ve çift hızlı asenkron jeneratörler de bazen, rüzgâr güç sistemlerinde özel uygulamalar için kullanılmaktadırlar.