Dalgıç Pompa Uygulamaları İçin Doğrudan Yol Vermeli Senkron Relüktans Motorunun Tasarım Optimizasyonu Ve Gerçeklemesi

Abstract

Günümüzde doğal kaynakların korunması ve enerji maliyetlerinin düşürülmesi için enerji kayıplarının azaltılması ortak bir amaç olarak görülmektedir. Elektrik tahrik sistemlerinin küresel enerji tüketiminin yaklaşık %40?ını oluşturduğu düşünüldüğünde elektrik makinalarının verimlerinin artırılması ile sağlanacak avantajların hem ülke bazında hem de evrensel olarak büyük bir öneme sahip olduğu görülmektedir. Uygulama odaklı olarak bakıldığında yer altından su, petrol vb. çıkarmakta kullanılan pompa motorlarının endüstride kullanılmakta olan motorlar arasında oldukça büyük bir paya sahip olduğu görülmektedir. Özellikle dalgıç pompa uygulamalarında kullanılmakta olan pompa motorları gerek motor tasarım hatalarından, gerekse de yanlış motor-pompa konfigürasyonları seçiminden kaynaklanan hatalar nedeniyle çok düşük verimlerle çalışmaktadır. Sağlamlık, ucuzluk ve doğrudan yol verme gibi özelliklerinden dolayı pompa uygulamalarında genellikle indüksiyon motorları (İM) tercih edilmektedir. Fakat İM?lerin en büyük sorunu özellikle küçük ve orta güçte düşük enerji verimi ile çalışmalarıdır. Doğrudan yol vermeli sürekli mıknatıslı motorlar (DY-SMSM) yüksek güç yoğunluğuna sahip olmaları sebebiyle verimi yükseltmek adına İM?lere uygun bir alternatiftir. Fakat bu makinalarda doğrudan yol verme esnasında mıknatısların demagnetizasyonu ve en önemlisi doğada nadir bulunan mıknatısların kullanımından kaynaklı yüksek maliyet ve dışa bağımlılık sorunları araştırmacıları bu makinalara yeni bir alternatif arayışı içine itmektedir. Bu doğrultuda hem doğrudan yol verme özelliği hem de mıknatıs içermeyen yapısı ile doğrudan yol vermeli senkron relüktans motorlar (DY-SenRM) İM?lere uygun bir alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. En basit tanımla bu tip motorlar çalışma prensibi bakımından relüktans motor ve İM?nin bir kombinasyonudur. DY-SenRM?de makinanın rotoruna uygun şekilde gömülen rotor barları ile doğrudan yol verme özelliği kazandırılırken, İM?lerin aksine rotor bakır kayıpları sürekli rejimde sıfıra indirilmektedir. Dahası SenRM?ler İM?lere kıyasla daha yüksek güç ve moment yoğunluğuna sahiptir. SenRM?lerin dezavantajlarına bakıldığında düşük güç faktörü ile çalışma ve rotordaki açıklıklardan kaynaklı yapısal entegrasyon problemleri göze çarpmaktadır. Bu problemler tasarım aşamasında iyi incelenip gerekli önlemler alınmalıdır. Gerekli olduğu durumlarda nadir element bulundurmayan mıknatısların kullanımı güç faktörü sorununu ortadan kaldırdığı gibi verimi de artırmaktadır. Bu projede dalgıç pompaları için 4 kW gücünde DY-SenRM tasarımı üzerine çalışılacaktır. Özellikle sulama amaçlı üretilen yer altı pompa sistemlerinde en çok tercih edilen 6 inç çapındaki dalgıç pompalarına uygun, yüksek verimli 4 kW gücünde bir DY-SenRM?nin tasarım optimizasyonunun yapılması ve gerçeklemesi amaçlanmaktadır. Optimizasyon algoritması olarak çoklu amaç diferansiyel evrim algoritması, benzerlerine göre öne çıkan hızlı yakınsama ve doğru sonuçlara ulaşma özellikleri göz önüne alınarak seçilmiştir. Tasarlanacak DY-SenRM?nin geçici rejim performansı, senkronize olabilme yeteneği, senkron çalışma performansı ve boyutu optimizasyonda göz önüne alınacak metriklerdir. Bu çalışmanın başarıyla sonuçlanması ile DY-SenRM?nin sadece pompa uygulamaları değil, diğer sabit hız uygulamalarında da düşük verimli İM?lerin yerini alması; dolayısıyla düşük maliyetli, yüksek verimli motor teknolojisinin yaygın hale gelmesi ön görülmektedir.

Today, reducing energy losses has become a common goal worldwide for preserving natural sources and reducing energy costs. Considering the electric drive systems constitute roughly 40% of the global energy production, improving electric machine efficiencies provides important nationwide and global scale advantages. Among the electric motors used in the industry, a major portion of them is pump motors used for pumping underground waters and petroleum products. Especially the motors used in the submersible pump applications run at very low-efficiency levels because of the motor design issues and wrong selection of motor-pump configurations. Due to the features like robustness, low cost, line start capability, induction machines (IM) are generally the first choice for pump applications. However, the major issue with the IMs is they work with low efficiency, especially at low and medium power levels. Line start permanent magnet synchronous machines (LS-PMSM) are a good alternative as they have higher power density and better efficiency. However, problems like demagnetization during start-up through line voltage and having high costs and external dependency due to containing rare earth elements lead researchers to find new alternatives to these motors. Accordingly, line start synchronous reluctance machines (LS-SenRM) come to the scene as a reasonable alternative to the IMs by having the line start capability and not having rare earth permanent magnets as well. Basically, the working principle of these machines is a combination of a reluctance machine and an IM. In LS-SenRM, a rotor cage is inserted in the rotor for the machine to start with the line voltage but the rotor copper losses become zero when the machine operates at the continuous synchronous speed. Moreover, SenRMs have higher power and torque density comparing with the IMs. Running at lower power factor levels and structural integrity problems when running at high speeds can be seen as the disadvantages of the SenRMs. If necessary, simple non-rare earth magnets are used to improve the power factor and the efficiency of the machine. In this project, a 4 kW LS-SenRM submersible pump motor is considered. It is aimed to do a design optimization and implementation of an efficient 4 kW LS-SenRM especially for 6-inch diameter submersible pumps used for irrigation purposes. The optimization algorithm is selected as a multi-objective differential evolution algorithm considering the features like fast convergence and having higher quality solutions comparing with similar algorithms. The transient performance, synchronization capability, synchronous working performance, and size are the metrics that will be considered in the optimization process. After the successful completion of this project, the LS-SenRM machines will replace the inefficient IMs not only in pump applications but also in a wide range of constant speed applications. Therefore, it can be foreseen that this low-cost and efficient motor technology will become more widespread.