Systematic design optimization and implementation of line-start synchronous reluctance machine for down-hole submersible water pump applications

Abstract

Considering the electric drive systems constitute roughly 40% of 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 are pump motors used for pumping underground waters and petroleum products. Especially the motors for 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, and line start capability, induction machines (IM) are generally the first choice for pump applications. However, IMs work with low efficiency, especially at low and medium power levels. Line start synchronous reluctance machines (LS-SynRM) come to the scene as a reasonable alternative by having the line start capability and not having rare earth permanent magnets as well. The working principle of these machines is a combination of a reluctance machine and an IM. In LS-SynRM, 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 synchronous speed. Moreover, SynRMs have higher power and torque density. In this thesis study, it is aimed to reduce the overall cost of the submersible water pump system by designing and optimizing a LS-SynRM as a submersible pump motor with higher efficiency compared to conventional IMs. Increasing the efficiency of the pump motor used in industry will improve the overall system performance. Accordingly, it lowers energy and maintenance costs, and easy process control will be achieved. This way, while reducing energy consumption nationwide significantly, not only the natural resources will be protected, but also huge amounts of money will be saved.

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 motor tasarımı sırasında oluşan 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. 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. DY-SenRM'de makinanın rotoruna gömülen rotor barları ile doğrudan yol verme özelliği kazandırılırken, İM'lerin aksine rotor bakır kayıpları sürekli rejimde sıfıra indirilmektedir. Dahası yüksek güç ve moment yoğunluğuna sahiptir. Bu tez çalışmasında, dalgıç pompa motorları için verimi İM'lere kıyasla daha yüksek bir DY-SenRM tasarımı ve optimizasyonu yapılarak toplam sistem maliyetinin büyük oranda azaltılması amaçlanmıştır. Endüstride sıklıkla kullanılan bu pompa motorlarının verimindeki artış pompa sisteminin performansını önemli ölçüde artırarak, enerji maliyetini ve bakım masrafalarını düşürerek kolay bir kontrol sağlayacaktır. Böylece, ulusal çapta enerji tüketimi azaltılacak ve nadir mıknatıslar gibi doğal kaynaklarının korunması sağlanıyorken aynı zamanda maliyet ciddi oranda azalacaktır.