RÜZGAR TÜRBİNLERİNDE ÇİFT BESLEMELİ ASENKRON MOTORLAR

Günümüzde dünyamızın bulunduğu enerji dar boğazında, yenilenebilir enerji kaynaklarına ihtiyaç artmaktadır ve bu yeni aynı zamanda temiz enerjilerden olan rüzgar enerjisine olan ilgi ve yatırımlarda gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Böylece rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri yaygınlaşmaktadır. Rüzgar enerjisinden yararlanarak mekanik enerjinin elektriksel enerjiye dönüştürülmesinde kullanılan jeneratör sistemlerinin önemi büyüktür. Bu çalışmamda rüzgar enerjisinde kullanılan çift beslemeli asenkron motorları inceleyeceğiz.

İlk olarak asenkron motorları tanıyalım.

ASENKRON MOTOR

Asenkron motorlar ucuz olmaları az bakım gerektirmeleri ve çalışma sırasında ark oluşturmamaları nedeniyle endüstride en çok tercih edilen motorlardır. Bu motorlara asenkron denmesinin sebebi üç fazlı stator sargılarında endüklenme ile oluşan döner manyetik alanın dönüş hızı ile rotorun dönüş hızının farklı olmasıdır. Rotorun hızı motor çalışmada döner alan hızından daima azdır; generatör çalışmada ise döner manyetik alanın hızından fazladır. Onun için bu motorlara uyumlu olmayan anlamına gelen asenkron motor denir [5]. Görselde asenkron makinanın hız moment eğrisini inceleyebilirsiniz. Grafiği açıklamak gerekirse; görüldüğü gibi makinanın ürettiği momentin büyüklüğü ve yönü doğrudan senkron hızı referans alındığında rotor hızının kaldığı noktayla orantılıdır. Yine görüldüğü üzere rotor hızı ve senkron hız eşitlendiğinde makine sıfır moment üretmektedir.

ASENKRON MOTORUN ÇALIŞMA PRENSİBİ

Asenkron motor Alternatif akım ile beslendiği anda statorun içinde bulunan sarılı iletkenlerde döner bir manyetik alan meydana gelir. Bunu Faradayın “iletkenden geçen akım çevresinde manyetik alan yaratır” tezi ile açıklayabiliyoruz. Oluşan bu alanın bileşeni sabit dönüş hızı şebeke frekansına ya da beslendiği kaynağa bağlıdır ve senkron hız alanı denir. Asenkron motorlarda rotor, stator alanda endüklenen senkron hızdan daha yavaş dönmektedir. Oluşan bu hız farkından (biz buna kayma deriz) rotor sargılarında gerilim endüklenir; rotorda kısa devre edilmiş olan iletkenlerden akım geçer ve statorda oluşan manyetik alan tarafından kuvvet meydana gelir ve rotor döner. Bu olayı da Lenz Yasası ile açıklıyoruz.

ASENKRON MAKİNALARIN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI

Asenkron makinaların sanayide yüksek oranda tercih edilmesindeki ana motivasyon sağlamlığı ve fiyatının düşük olmasıdır. Bunu özellikle mekanik anlamdaki basit yapısına borçludur

• Öte yandan bir diğer önemli özelliği doğrudan şebekeden beslenebilir olması şebeke ile kalkış yapabilmesidir. Orta büyüklükte çoğu motor ise basit bir yıldız üçgen kontak sistemi ile kalkış yapabilmektedir.
• Değişken yüklerde kontrolü oldukça basittir. Ani rüzgar artışında oluşan moment titreşimlerini azaltmada oldukça iyidir, çünkü ani rüzgar hızı değişimi, kaymanın da artması veya azalması ile neticelenir; bu özellik mekanik ekipmanlar üzerinde rüzgarın oluşturduğu şokların absorbe edilmesinde yardımcı olur.
• Genellikle bir dişli kutusu rotor kanatlarının hızını ayarladığı için asenkron jeneratör, senkron jeneratörde olduğu gibi şebekeyle senkronize olmak zorunda değildir.
• Asenkron jeneratörlerde reaktif güç kompanzasyonu bir sorun olmakla birlikte direkt olarak şebekeye bağlı olduğu için reaktif gücü, bu durumda şebeke üzerinden çekecektir, ya da rüzgar türbinine yerleştirilecek kapasite guruplarının reaktif gücü kompanze etmeleri sağlanacaktır.
• En büyük dezavantajı ise duran kısım statorun, reaktif mıknatıslanma akımına olan ihtiyacıdır. Bunun için genellikle türbinlerde kondansatör grupları kullanılmaktadır
• Yeni nesil IE4 yüksek verim sınıflarına çıkmak istendiğinde asenkron makinalar yetersiz kalmaktadır
• Motor boyutu büyüdükçe, asenkron motor şebekeye bağlantı esnasında oldukça yüksek bir başlangıç akımına neden olurlar. Bu yüzden en azından soft starter düzeneğine ihtiyaç duyarlar[6][7]

Şimdi de biraz detaya girelim ve çift beslemeli asenkron motorları inceleyelim.

ÇİFT BESLEMELİ ASENKRON MOTORLAR

Yaklaşık 100 yıldır insanlığın hizmetinde olan asenkron motorlar, üretim tekniklerinin geliştirilmesi ve güç elektroniği alanındaki gelişmeler sonucu kontrol edilebilirliklerinin artması sebebiyle günümüzde endüstride en çok kullanılan motor tipi haline gelmiştir. Çift beslemeli motorlarda temel prensip, kutup sayısının değiştirilerek motor devrinin değiştirilmesidir. Çünkü asenkron motorlarda devir sayısını değiştirmek için besleme frekansını ya da motorun kutup sayısını değiştirmek gerekir. Diğer bir motor tipi ise statora 2 adet bağımsız sargı sarılarak imal edilir. Yine oluk alanı yarıya düşer ve her devir için ayrı sargı devrede olur. Böylelikle çıkış gücü azalacaktır. Rotorunda sargıya ihtiyaç duyması ve daha fazla bakım gereksinimi bilezikli asenkron motorların popülaritelerinin azalmasına neden olmuştur. [5][2]

ÇBAG ve şebeke bağlantısı

Resimde çift beslemeli asenkron jeneratörün (ÇBAG) kullanıldığı bir rüzgar güç sistemi görülmektedir. Bu sistemde, stator sargısı şebekeye doğrudan bağlanmıştır. Rotor sargısı ise iki adet back-to-back gerilim kaynaklı inverterden oluşan, dört bölgeli güç çeviricisi üzerinden şebekeye bağlanmıştır. Rotor sargıları ve şebeke arasında konumlanan konverter kontrol sistemi, rotor sargılarından akan akımın büyüklüğü ve frekansını düzenleyerek elektromanyetik torku düzenler ve makinenin manyetizasyonunu sürdürebilmesi için reaktif güç sağlar. Bu sayede generatörü tüm çalışma koşullarında enerji üretmesini sağlar.

Çift beslemeli asenkron motorlar;

• Stator sargısı şebekeye doğrudan bağlanmıştır.
• Rotor sargısı ise iki adet DGM tekniğini kullanan eviriciden oluşan, dört bölgeli güç çeviricisi üzerinden şebekeye bağlanmıştır.
• Rotor tarafındaki çevirici kontrol sistemi, elektromanyetik momenti düzenler ve makinenin mıknatıslanmasını sürdürebilmesi için reaktif güç sağlar.
• Harici bozucu etkilere karşı dayanıklılık ve kararlılık göstermektedir. [3]

Şebeke tarafındaki konverter kontrol sistemi ise, DA linkini düzenler. Senkron jeneratörlerle karşılaştırıldığında, ÇBAG ’ün aşağıda belirtilen bazı avantajları vardır: 

Sadece rotorun kayma gücünü kontrol etmeye yarayan konverter sistemine sahip olduğu için, toplam sistem gücünün yaklaşık %25 ’i oranında bir inverter kullanılmaktadır. Bu da inverter maliyetini azaltır.  Sistemde kullanılan filtreler toplam sistem gücünün 0.25 p.u.’lik kısmı için gerekli olduğundan, inverter filtrelerinin maliyeti azalmaktadır. Aynı zamanda inverter harmonikleri, toplam sistem harmoniklerinin daha küçük bir bölümünü temsil etmektedir. Ayrıca bu makine harici bozucu etkilere karşı dayanıklılık ve kararlılık göstermektedir.

ÇBAG için en büyük dezavantaj ise bünyesinde periyodik bakıma ihtiyaç duyan bilezik tertibatının bulunmasıdır.[1]

Asenkron Jeneratörlerin Rüzgar Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanılması

Hem sincap kafesli hem de bilezikli asenkron jeneratör, rüzgar enerjisinden elektrik üretmek için kullanılırlar. Dünyada üretilen çoğu rüzgar türbinlerinde, sincap kafesli asenkron jeneratör kullanılmaktadır. Asenkron jeneratörün seçilme nedeni, güvenilir ve ucuz olmasının yanında Kw/kg oranının makul seviyede olmasıdır. Rotor sargısı bakır yada alüminyum çubuklardan imal edilir. Asenkron jeneratörler rüzgar türbini rotoruna bir dişli takımı üzerinden bağlanmışlardır. Rüzgar türbinine bir dişli sistem üzerinden bağlanan asenkron jeneratöre ilişkin basit bir prensip şeması verilmiştir. Değişken hızla çalışan türbinlerin tahrik ettiği asenkron jeneratörlerin kendi kendini uyarması için, stator sargı uçlarına kondansatörler bağlanır. Kondansatörler asenkron jeneratörün mıknatıslanma akımını vererek jeneratörün alternatif gerilim üretmesi sağlarlar. Rüzgarın hızı değiştiğinden türbinin ve buna bağlı olarak jeneratörün rotor hızı değişir, sonuç olarak asenkron jeneratörün ürettiği gerilimin frekansı değişir. Bu gerilim diyotlardan oluşmuş üç fazlı kontrolsüz bir doğrultucu köprü ile doğrultulur, büyük kondansatörlerle süzülerek bir doğru gerilim elde edilir. Bu gerilim, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) kullanan eviricilerle 50 veya 60 Hz frekanslı çıkış gerilimine dönüştürülür. Evirici, temel bileşenin frekansı şebeke frekansına eşit olan sinüzoidal darbe genişlik modülasyonu. (Puls Width Modulation; PWM ) çıkış gerilimleri üretmektedir. IGBT li güç anahtar elemanlarını evirici katında kullanılması ile uygun anahtarlama yöntemleri ve yüksek anahtarlama frekanslı PWM işaretlerle rüzgar türbin sistemi, şebekeyi toplam harmonik bozuntusu küçük akımlarla besler.[4]

Çift Beslemeli Sistemin Rotor Sargılarını Besleyen Evirici Düzeneği

Bu yazımda sizlerle birlikte asenkron motorları tanıyalım istedim .Biraz daha detaya inip rüzgar türbinlerindeki çift beslemeli asenkron motorların çalışma prensiplerini sizlerle paylaşmak ve rüzgar enerjisini bizler için faydalı hale getirirken bize ne kadar çok avantaj sağladıklarını birlikte inceleme imkanı sunmaya çalıştım. Okuduğunuz için çok teşekkür ederim. Unutmayalım ki şimdinin ve geleceğin gücü enerjide. Umarım şimdiki ve gelecekteki bizlere, fikirlerimize ışık tutabilmişimdir. Hepimizin daima enerjiyle kalması ve yeniden görüşmek dileğiyle :)…

REFERANSLAR

[1]Prof. Dr. İsmail H. TAVMAN, Mehmet Sülün, “Rüzgar Enerjisi” , İzmir 1999

[2] Murat UYAR, Muhsin Tunay GENCOĞLU, Selçuk YILDIRIM, Değişken Hızlı Rüzgar Türbinleri İçin Generatör Sistemleri, 2006 .

[3]Onur Çopçuoğlu, Güven Önbilgin,”Yel Enerjisi Dönüşüm Sistemleri İçin Uygun Generatör Türlerinin Değerlendirilmesi” , 2008

[4]Patel, M.R., “Wind and Solar Power Systems” CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington, 1999

[5]Nicolás, C.V, Lafoz, M. And Iglesias, J. “ Guidelines For the Design and Control of Electrical Generator Systems for New Grid Connected Wind Turbine Generator.” IECON 2002

[6]SARIOĞLU, K. ve ark. 2003. Asenkron Makinalar ve Kontrolü. Birsen Yayınevi, İstanbul, 392s.

[7]SHARMA, H. ve ark. 2001. Effect of Pitch Control and Power Conditioning on Power System Quality of Variable Speed Wind Turbine Generators. Murdoch University Energy Research Institute (MUERI), Murdoch University, WA