Asenkron motorun vektör denetimi ile rüzgâr türbinleri için fiziksel emülatör tasarımı ve deneysel uygulaması

Abstract

Rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemlerinin laboratuvar ortamında araştırılıp geliştirilmesini sağlamak maksadıyla, rüzgâr türbini dinamik davranışlarını temsil eden rüzgâr türbini emülatörleri kullanılmaktadır. Rüzgâr türbini emülatörlerinde denetiminin basit olması nedeniyle doğru akım motorları tahrik motoru olarak sıklıkla tercih edilmiştir. Doğru akım motorları pahalı, bakım süreçleri uzun ve maliyetlidir. Asenkron motorlar ise ucuz ve dayanıklı, bakım gereksinimi az olan elektrik motorlarıdır. Bu yüzden, MW seviyesinde rüzgâr türbini emülatörlerinde asenkron motorların kullanılması çok avantajlıdır. Ayrıca, mikrodenetleyiciler ve güç yarı iletkenlerinde yaşanan gelişmeler sayesinde, günümüzde asenkron motorları doğru akım motorları gibi yüksek performanslı bir şekilde sürmek mümkün hale gelmiştir. Bütün bunlar nedeniyle, bu tez çalışmasında rüzgâr türbini emülatörü için tahrik motoru olarak asenkron motor tercih edilmiştir. Bu çalışmada, önce rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemlerinin temel kavramları ele alınmış, sonra asenkron motorun matematiksel modeli ve rotor alanı yönlendirmeli vektör denetim yöntemi detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca evirici yapıları ve darbe genişlik ayarı yöntemleri analiz edilmiştir. Son kısımda, deney düzeneğinin tasarımı detaylı olarak verilmiş ve yarı iletken güç anahtarlarının korunması için alınan önlemler açıklanmıştır. Tasarlanan sistemin başarımını olumsuz yönde etkileyen elektromanyetik girişimin etkileri azaltılmıştır. Güvenli bölgede çalışmanın sağlanması için alınan önlemler ve bu önlemlerin sonuçları analiz edilmiştir. Bu çalışmada tasarlanan rüzgâr türbini emülatörü, seçilen rüzgâr türbininin dinamik davranışını büyük bir doğrulukla temsil etmiş ve teorik tasarımlar deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır.

Wind turbine emulators representing the dynamic behaviors of wind turbines are used in order to enable the search and development of wind energy conversion systems in laboratory environment. Direct current motors are often preferred as driving motors since the control of wind turbine emulators is simple. Direct current motors are expensive maintenance processes are long and costly. On the contrary, asynchronous motors are cheap and durable electric motors that require low maintenance. Therefore, the use of asynchronous motors in wind turbine emulators at the MW level is very advantageous. In addition, it is now possible to drive asynchronous motors with a high-performance as direct current motors by means of the improvements in microcontrollers and power semiconductors. Because of these reasons, in this thesis study, induction motor was preferred as the driving motor for wind turbine emulator. In this study, firstly, the basic concepts of wind energy conversion systems were discussed, then the mathematical model of the asynchronous motor and the rotor field oriented vector control method were examined in detail. In addition, the inverter structure and the used pulse width modulation method were theoretically expressed. In the final part of the study, the design of the experimental setup was described in detail and the precautions taken to protect the semiconductor power switches were explained. The precautions taken to reduce the effects of the electromagnetic interference which adversely affect the performance of the designed system and to ensure that it operates in a safe area and the results of these precautions were analyzed. The wind turbine emulator designed in this study was able to represent the dynamic behavior of the selected wind turbine with great accuracy and the theoretical analysis was confirmed by experimental results.