Doğrultucularla kontrol edilen dc motorlarda modların tanımlanması ve analizi

Abstract

Bu çalışmada, dc motorların kontrollü tek-fazlı ve üç-fazlı doğrultucular ile sürülmesi esnasındaki çalışma modları incelenmiştir. Doğrultucu ateşleme açısı, motor parametreleri, motor yükü (veya hızı), besleme gerilimi ve frekansa bağlı olarak motor performansı farklı davranış göstermektedir. Motor çalışma modu olarak adlandırılan bu farklı çalışma durumlarının herbirinde motor üzerindeki gerilim ve motordan geçen akım farklı şekiller almaktadır. Motor akımı ve motor geriliminin ortalama değerlerinin bulunabilmesi için bunların bir periyodunun matematiksel modelinin belirlenmesi gerekmektedir. Böylece, motorun kararlı hal performansı süresince motor üzerindeki gerilimin ortalama değeri ve motor armatür sargılarından geçen akımın ortalama değeri belirlenebilir. Bu çalışmalar elektrik zaman sabitinin (motor direnci, endüktansı ve besleme frekansı ile ilgili), mekanik zaman sabitinden (özellikle motor yükü ve motor milinin toplam eylemsizlik momenti ile ilgi) çok daha küçük olduğu zaman, motorun sabit çalışma hızında ve dolayısıyla motorun zıt elektromotor kuvvetinin sabit olarak kabul edildiği durumda yapılmıştır. Buradaki analiz ve simülasyonlar kontrollü doğrultucuların üç farklı tipleri için yapılmıştır:a) Tek-fazlı tam kontrollü köprü doğrultucuDC sürücü bu devre ile kontrol edilirken dört farklı çalışma modu tanımlanmış ve bu modlar Mod-1, Mod-2, Mod-3 ve Mod-4 olarak adlandırılmıştır. Bu tez çalışmasında adı geçen modların her biri için analiz ve simülasyonlar ayrıntılı olarak sunulmuştur.b) Boşluk diyodunun dahil edildiği tek-fazlı yarım kontrollü köprü doğrultucu DC sürücü bu devre ile kontrol edilirken üç ayrı çalışma modu tanımlanmış ve bu modların her biri Mod-5, Mod-6 ve Mod-7 olarak adlandırılmıştır. Yine bu modların her birinin ayrıntılı analizleri ve simülasyonları çalışmanın ilgili bölümünde gösterilmiştir.c) Üç-fazlı tam kontrollü köprü doğrultucuDC sürücü bu şekildeki bir devre ile kontrol edilirken üç farklı çalışma modu sunulmuş ve bu modlar da Mod-8, Mod-9 ve Mod-10 olarak adlandırılmışlardır. Benzer şekilde tüm bu modların analiz ve simülasyonları ilgili bölümde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.Kısaca, motor üç farklı doğrultucu devre ile sürülürken DC sürücü, her biri farklı karakteristiğe sahip olan 10 adet çalışma modu ortaya çıkarmıştır. Dolayısıyla uygulama ile ilgilenen mühendisler ve güç mühendisliği öğrencileri bu çalışma modlarını tamamen anlamadıkça DC sürücülerin performansını doğru bir şekilde değerlendiremezler. Çünkü aynı yük, sürekli akım veya süresiz akımların farklı türlerindeki DC sürücüler ile sürülebilir. Motor akımının süreksiz olduğu durumda akım toplam harmonik bozulma faktörü yüksek olacaktır. Hatta daha önemlisi motor armatüründe kıvılcımlı komütasyon oluşacaktır ki bu durum motorun komütatör ömrünün azalmasına yol açacaktır.Öyleyse bu çalışmanın temel amacının dc sürücülerin çalışma modlarını anlamak ve uygulama ile ilgilenen mühendisler ile güç mühendisliği öğrencilerinin bu sürücülerin davranışlarını daha iyi anlamasına olanak sağlamak olduğu söylenebilir.

In this study, operating modes of controlled single-phase and three-phase rectifier driven DC motors have been investigated. Depending on the combined interaction of the rectifier firing angle, motor parameters, motor load (or speed), supply voltage and frequency, the motor performance exhibits different behaviour. Voltage across the motor and the current through the motor takes different shapes in each of these different states which are named as motor operating modes. Since the steady-state performance of the motor is determined by the average values of the voltage across the motor and the current through the motor armature winding, therefore one has to determine the mathematical models of the motor current and motor voltage in time domain in order to determine their average values. These studies are performed in the case of the steady-state operation speed of the motor and hence the back emf of the motor is constant, while the electrical time constant (related to motor resistance, inductance and supply frequency) is much smaller than the mechanical time constant (mainly related to the total moment of inertia of the motor shaft and the load). Analysis and simulations have been conducted for three different types of controlled rectifiers:a) Single-phase fully controlled bridge rectifierIn the case of controlling the DC drive with this circuit, four different types of distinct modes of operation are identified, which are labelled as Mode-1, Mode-2, Mode-3 and Mode-4. In this thesis, the analysis and simulation of each these modes are presented in details.b) Single-phase half controlled bridge rectifier including a freewheeling diodeWith this circuit the drive exhibits three distinct modes of operation, labelled as Mode-5, Mode-6 and Mode-7, which are analysed and simulated in details in the related chapter of the thesis.c) Three-phase fully controlled bridge rectifierIn the case of the DC drive is controlled by this type of rectifier, the drive exhibits three distinct modes of operation, labelled as Mode-8, Mode-9 and Mode-10. Similarly the detailed analysis and simulation of these modes are given in the related chapter of the thesis.As evident from preceding summary when motors are driven by the above three types of rectifier circuits, the DC drive exhibits 10 distinct MODES each performing different characteristics. Without fully understanding of these modes, practicing engineers and power engineering students can't evaluate the correct performance of the DC drives. For example same load can be driven by a DC drive under continuous current or different types of discontinuous currents. In the case of discontinuous current case, the motor current will have high current total harmonic distortion factor and most importantly the motor will have sparkly commutation in armature. This will shorten the commutator life of the motor