Sirkülasyon pompaları için yüksek verimli senkron relüktans motor ve sürücü tasarımı

Abstract

Sirkülasyon pompaları, hidrolik pompa, elektrik motoru ve değişken hız sürücüsü içeren bütünleşmiş yapılar olarak tanımlanabilir. Dolaşım pompaları, yeterli basınçla ısınma veya soğutma akışkanlarını konutlar, endüstriyel tesisler ve ofis binaları için taşımak amacıyla kullanılır. Dünya genelinde, elektrikli makinelerin toplam enerji tüketiminin büyük bir kısmına karşılık gelen bu sistemlerde yüksek verimli motorların ve sürücülerin kullanılması enerji maliyetlerini ve karbon emisyonunu azaltmaktadır. Güvenilirlikleri ve basit yapıları sebebiyle, indüksiyon motorları (IM) günümüze kadar pompa uygulamalarında en çok tercih edilen motor tipi olmuştur. Ancak, bu motorlar, Avrupa Birliği'nin belirlediği yeni enerji verimliliği standartlarını karşılayamadığı için yüksek verimli kalıcı mıknatıslı senkron motorlara (KMSM) bir eğilim oluşmaktadır. KMSM’lar enerji verimliliği standartlarını sağlayan yüksek enerji yoğunluğuna sahip motorlardır. Ancak rotor yapısında kullanılan mıknatıslar ülkemizde bulunmayan nadir elementlerdir. Motor üretilebilirliğini azaltarak sistem maliyeti arttırırlar. Yüksek sıcaklık uygulamalarında demagnetizasyon sonucunda moment kayıplarına neden olabilirler. Bu bağlamda, nadir ve hassas elementleri içermeyen yapıları ile dikkat çeken ve yüksek verimlilik sınıfında konumlanan senkron relüktans motorları (SynRM), bu standartları karşılamak adına önemli bir potansiyele sahip olmasına rağmen düşük güç faktörü ve kontrol algoritmasının nispeten zor olmasından dolayı sektörde pek tercih edilmemektedir. Bu tez kapsamında, sirkülasyon pompaları için 750 W gücünde SynRM’un tasarımı ve üretimi yapılmıştır. Güç faktörü düzeltmeli (GFD) bir motor sürücü tasarlanarak alan yönlendirmeli denetim algoritması ile kontrol edilmiştir. GFD devresi sayesinde motor sürücü performansı arttırılmış ve senkron relüktans motorlarının düşük güç faktörünün şebekeye olumsuz etkisi önlenmiştir. Geliştirilen alan yönlendirmeli denetim algoritması ile kararlı bir motor kontrolü sağlanmış ve motorun en verimli çalıştığı akım vektörü açısı belirlenerek motor verimi IE5 sınıfına yükseltilmiştir. Verimlilik standartlarını karşılamak için IM motorlardan KMSM motorlara geçişte SynRM’ların yüksek potansiyele sahip olduğu uygulamalı olarak gösterilmiştir.

Circulation pumps can be defined as integrated structures comprising a hydraulic pump, electric motor, and variable speed drive. These pumps are utilized to convey heating or cooling fluids with sufficient pressure for residential, industrial, and office buildings. The utilization of high-efficiency motors and drives in these systems, which account for a significant portion of the overall energy consumption of electrical machines worldwide, contributes to the reduction of energy costs and carbon emissions. Due to their reliability and simple construction, induction motors (IM) have been the most preferred motor type in pump applications to date. However, as these motors fail to comply with the new energy efficiency standards set by the European Union, there is a growing inclination towards high-efficiency permanent magnet synchronous motors (PMSM). PMSMs are motors with high energy density that meet energy efficiency standards. Nevertheless, the magnets used in the rotor structure contain rare elements not found in our country, reducing motor manufacturability and increasing system costs. In high-temperature applications, demagnetization can lead to torque losses. In this context, synchronous reluctance motors (SynRM) stand out for their structures that do not contain rare and sensitive elements, positioning them in the high-efficiency class. Despite their significant potential to meet these standards, SynRMs are not widely preferred in the industry due to their low power factor and relatively complex control algorithms. In the scope of this thesis, the design and production of a 750 W SynRM for circulation pumps have been conducted. A power factor-corrected (PFC) motor drive has been designed, controlled by a field-oriented control algorithm. The PFC circuit has enhanced motor drive performance, preventing the adverse impact of the low power factor of synchronous reluctance motors on the grid. The developed field-oriented control algorithm ensures stable motor control, determining the current vector angle at which the motor operates most efficiently and elevating the motor efficiency to the IE5 class. The practical demonstration within the thesis showcases the high potential of SynRMs in transitioning from IM motors to PMSM motors to meet efficiency standards.