335
Archived Theses
0
DOIs Assigned
0%
DOI Rate
Discipline
Elektrik şebekelerinde Fliker sorumluluk oranlarının belirlenmesi
Elektrik güç sistemlerinde gerilim düşümleri, gerilim yükselmeleri, harmonikler, ara harmonikler ve fliker gibi güç kalitesi bozuklukları son dönemlerde sıklıkla görülmektedir. Bu bozukluklardan fliker, hem güç sistemi işletmecisi hem de sistem kullanıcısı açısından ciddi bir güç kalitesi problemi olmaktadır. İnsan sağlığı üzerindeki baş ağrısı, göz zorlanması ve yorgunluk hissi gibi doğrudan etkilerinin yanında elektrik ekipmanlarının hasar görmesi ve yanlış çalışması gibi sonuçları da olmaktadır. Bu nedenle fliker kaynağının doğru bir şekilde tespit edilip bu güç kalitesi bozukluğunun giderilerek kullanıcılara kaliteli enerjinin sağlanması sistem işletmecileri açısından büyük önem arz etmektedir. Fliker ölçümü IEC 61000-4-15 standardında tanımlanan fliker metre ile yapılmaktadır. Bu fliker metrede ölçüm için sadece gerilim işareti alınmaktadır ve fliker nedeni olan kaynağın tespitinde yeterli olmamaktadır. Bununla birlikte sadece fliker metrenin sonucuna bağlı olarak temel neden analizi için yapılan çalışmalar hatalı yorumlara da neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında kaynağın doğru tespit edilip yük ve güç sisteminin fliker probleminde hangi oranlarda sorumlu olduğunun tespiti için bir yöntem önerilmiştir. Tez çalışmamızda son yıllarda çok farklı ve geniş uygulama alanları bulan bir işaret işleme yöntemi olan dalgacık analizi kullanılmıştır. Dalgacık analizini diğer yöntemlere göre daha üstün kılan özelliği işareti farklı frekanslarda farklı çözünürlüklerle analiz etmesidir. Fourier dönüşümü bize frekans bilgisini verir ama bu frekansların ne zaman oluştuğunu belirtemez. Kısa Zamanlı Fourier dönüşümünde zaman-frekans çözünürlüğü sabittir yani zaman penceresi bütün frekanslarda değişmeyen büyüklüktedir. Çoklu Çözünürlük Dalgacık Analizinde ise bu çözünürlük ayarlanabilmektedir ve işaret farklı frekanslarda farklı çözünürlüklerle analiz edilebilmektedir. Çoklu Çözünürlük Dalgacık Analizi, yüksek frekanslarda iyi zaman çözünürlüğü ve zayıf frekans çözünürlüğü; düşük frekanslarda ise iyi frekans çözünürlüğü ve zayıf zaman çözünürlüğü elde etmek için tasarlanır. Bu yaklaşım özellikle incelenecek işaretin kısa süre için yüksek frekans bileşenleri ve uzun süre için düşük frekans bileşenleri içermesi durumunda çok anlamlı olmaktadır. Fliker analizinde incelenecek işaret uzun süre için düşük frekans bileşenlerini içereceğinden dolayı uygulamamızda Dalgacık Analizi kullanılmıştır. Çoklu Çözünürlük Dalgacık Analizi ile fliker frekans aralığına denk gelen katsayılar elde edilerek bilgi kuramı temelli Dalgacık Enerji Entropi değerleri elde edilmiştir. Dalgacık Enerji Entropi, Shannon'un bilgi ölçümü entropi kavramı ile dalgacık analizinin bir birleşimi olarak tanımlanabilmektedir. Elektrik şebekesi normal bir durumdan problemli bir duruma geçtiğinde akım ve gerilim işaretleri değişecektir. Bu değişiklik bilgi entropisi değişimi olarak da karşımıza çıkacaktır. Bir olağan dışı durum ortaya çıktığında işaretin genliği, frekansı ve dolayısıyla entropisi değişecektir. Bu sayede elektrik sistemlerindeki olağan dışı durumlar entropi değişiminin analiz edilmesi ile incelenebilir. Güç sistemlerinden elde edilen gerçek zamanlı veriler sistemin karmaşıklığını ve belirsizliğini içermektedir. Bu belirsizliklerden yorumlanabilir ve kullanılabilir bir bilgi elde etmek büyük öneme sahiptir. Entropi, ayrık olasılık dağılımları ile elde edilen, belirsizliğin bir ölçüsü olarak göz önüne alınabilir. Bilgi kuramı entropisi işaretin içerdiği bilgi miktarını gösteren önemli bir indekstir. Fliker analizinde işaretin içerdiği bilgi miktarını elde etmek amacıyla çalışmalarımızda Dalgacık Enerji Entropi yaklaşımı kullanılmıştır. Çalışmalarımızda benzetim programında oluşturulan fliker kaynağı içeren bir modelden elde edilen veriler ile Marmara ve Ege Bölgesi'nde bulunan farklı demir çelik fabrikalarından alınan gerçek ölçüm verileri kullanılmıştır. Benzetim verilerinde ve gerçek ölçüm verilerinde yükün ve güç sisteminin fliker probleminde sorumluluğunun tespiti için yük devrede iken ve devre dışı iken durumlarına ilişkin veriler kullanılarak Dalgacık Enerji Entropi değerleri elde edilmiştir. Bu değerleri kullanarak fliker sorumluluk tespiti için bir indis önerilmiştir. Önerilen indis fliker emisyon analizlerinde kullanılan Kısa Devre Oranı (Short Circuit Ratio – SCR) ve Kısa Devre Gerilim Düşümü (Short Circuit Voltage Depression – SCVD) olarak adlandırılan büyüklükler ile karşılaştırılarak iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu kapsamda önerilen yöntemin gerçek ölçüm cihazlarına uygulanması hedeflenmektir. Bu sayede yönetmelikler gereği uygulanması gereken düzeltme yöntemlerinin daha net bir şekilde tespit edilip en uygun çözümün uygulanmasına karar verilip sistem işletmecileri ve sistem kullanıcıları arasındaki olası ihtilaf durumunun önüne geçilmesi hedeflenmektedir.
The wavelet-based approach for k-factor filtering method on the evaluation of high voltage impulse signals
In transmission and distribution systems, electrical equipment is commonly exposed to impulse voltage and currents produced by lightning strikes and switching operations. Transformers, insulators, cables, overhead lines, and other electrical equipment suffer malfunctions and insulation problems leading to short circuits and interruptions in electrical networks. The structural defects and production failures of electrical equipment lowers the insulation durability of high voltage transients. Therefore, high voltage equipment is tested with impulse signals to verify its capability to withstand internal and external overvoltages. The high voltage signals used in the tests should be exactly the same to produce consistent outcomes in order to improve insulation material quality and the process of equipment production. In the literature, several studies have been carried out on high voltage testing and the measurement of impulse signals. Numerous studies have focused on the evaluation of waveform parameters to characterize impulse signals. The parameters of peak value, front time, time to half value, and time to chopping are substantial variables in producing a standard impulse waveform. Nevertheless, disturbances like oscillations and/or overshoots may occur in the impulse signals, preventing accurate and precise testing of high voltage equipment. The frequency range of disturbances varies depending on the source such as the equipment itself, test and measurement systems, and ambient conditions. The disturbances may present at the front or near the peak of impulse test signals and at a wide frequency range from several hundred kHz to a level of more than 10 MHz. When analogue oscilloscopes were used for the measurement of impulse signals, the impulse parameters were evaluated manually by test engineers. The values were calculated using mean curves drawn by hand through the trace provided by the analogue oscilloscopes. The disturbances present on the signals negatively affect these efforts, preventing an accurate reproduction of the impulse signals. Within the developments of measurement and evaluation systems including digital oscilloscopes and computer programs, the measurement of impulse signals can be performed with high accuracy. However, impulse parameter estimation is still a matter for research because of these types of disturbances. Several approaches have been proposed in the literature to provide an ideal solution for removing disturbances in order to have accurate evaluations of impulse parameters under oscillations and/or overshoots. Research conducted by working groups, universities, and industrial test laboratories focused on various methods such as exponential fitting algorithms, analysis by derivative equations, applying genetic algorithms, neural networks, Kalman filtering, and Prony series and Fourier based approaches. Causal and non-causal low pass filtering were also discussed in the literature. Eventually, the k-factor filtering approach was suggested in the IEC 60060-1 standard. In this method, the disturbance of oscillations and overshoots are removed from the impulse signal by residual filtering using the k-factor approach. This study is focused on wavelet-based analysis for the evaluation of impulse signals providing curve fitting and the filtering of disturbances resulted from oscillations and/or overshoots. A wavelet transform has the significant features of presenting time and frequency information at the same time while enabling signal de-noising naturally. Fourier based transforms suffer fixed resolution of window function while wavelet-based approaches provide better time and frequency resolutions. The intervals of time and frequency can be arranged by selecting appropriate wavelet parameters. A wavelet-based transform provides sub-band decomposition while presenting curve fitting and de-noising in each level of resolution. In this context, wavelet-based multi-resolution analysis was introduced as a suggestion for k-factor filtering. Real-time impulse signals were produced and measured using an impulse generator and a digital oscilloscope. Then, the sampled waveforms were analyzed through k-factor filtering and wavelet-based multi-resolution analysis. The mean curves and impulse parameters for each sampled signal were calculated using both methods. Afterwards, the differences in the calculated parameters were analyzed in terms of relative errors. An evaluation of the proposed method in comparison to the IEC approach is provided. In the first chapter, the theoretical background on high-voltage testing and impulse signals is presented. A literature survey and the basis of the current IEC standard for the evaluation of impulse signals and its parameters is provided. The motivation and hypothesis of this study is identified. In the second chapter, the internal and external over-voltages are defined. The definitions and the details on the waveforms of impulse signals are presented according to the IEC 60060-1. The definitions of impulse parameters for each type of signal are given. The third chapter presents the mathematical background of the wavelet-based multi-resolution analysis. For this purpose, the concepts of the Fourier transform, the short-time Fourier transform, and the wavelet transform are discussed. In the fourth chapter, the diagram of the experimental setup is given. The details about the impulse generator, the digital oscilloscope, the electrode configuration and case studies are presented. In the fifth chapter, a comparison of the filtering approaches of k-factor and wavelet-based decomposition is provided. The procedures for each approach are introduced. The steps for optimal wavelet function selection and assessment of sub-band levels are discussed. In the sixth chapter, the results obtained by the application of multi-resolution wavelet analysis and the IEC 60060-1 approach are evaluated. The analysis is conducted on several impulse signals produced by the experimental setup. The decomposition level and the wavelet function are determined through the procedures given in the fifth chapter. In the conclusion section, the findings and the contributions of this research are presented. As an alternative solution, the opportunities of multi-resolution wavelet analysis over k-factor filtering are discussed. Based on numerical analysis, it was found that wavelet-based multi-resolution analysis provides very close results to the k-factor approach. In addition, it was shown that the proposed wavelet-based approach provides a compact solution for curve fitting and filtering while enabling further evaluation of frequency content for each sub-band of high-voltage impulse signals.
On steady-state performance estimation of three-phase induction motors
In industry, more than 85 % of the used motors are induction motors, because of two main reasons: rugged in construction and low cost when comparing it to other motors. Recently, increasing higher efficiency interests and protective maintenance trends lead the on-line performance monitoring of induction motors. If it is intended to monitor performances of all motors, this can be only done by using cheaper sensors and by processing the captured information to provide a performance monitoring calculation in a central unit. For this reason, there are multiple types of research on the performance monitoring devices, which are using LTE/4G IoT technology. It is possible to estimate the motor performance by means of captured terminal quantities and motor parameters. The aim of this thesis is to define input and output steady-state performance values of an induction motor via information from simple terminal voltage and current sensors. Since motor parameters are required to estimate performance, by on-line and off-line techniques can determine the motor parameters. By conducting some fundamental tests (no-load, and blocked-rotor), the motor equivalent circuit parameters can be defined. The target of this study is to predict the performance of an induction motor by using only terminal quantities. The experimental work and estimation calculations are applied for a 4-pole, 2.2 kW three-phase squirrel cage induction motor. First, the fundamental tests such as no-load and blocked-rotor tests are conducted and the performance of the motor is monitored experimentally. Then corrected no-load test is conducted to find the more accurate value of core loss resistor and frictional losses. So motor equivalent circuit parameters and motor heating are defined. By using VisSim software, motor input impedance calculation and power distribution algorithms are formed and variation of the input equivalent impedance with the motor slip is obtained. A basic algorithm is developed to calculate the input powers, i.e. input apparent, active and reactive powers from the terminal voltage and current values. In this study, a simple method that is based on total equivalent impedance of T-equivalent circuit is proposed as a scientific contribution. The essence of the method is to find out the relation between equivalent impedance and slip. To extract the slip from the impedance expression is required a substantial of a burden of calculation. Thus, this problem is solved by using a quadratic equation of equivalent impedance that is a function of slip. A MATLAB curve fitting algorithm is used to define input impedance-slip variation with a quadratic equation. The coefficients of the quadratic equation are depending on the motor equivalent circuit parameters. These coefficients can be obtained from the manufacturer or found by means of fundamental tests. So all these calculations including the terminal powers and slip can be done via a microprocessor with a simple code. By adding frictional and stray losses, the output power and shaft torque can be defined. By doing so, the efficiency and loading can be monitored on-line. In the thesis, the tested and calculated results are in agreement. Therefore, it is shown that the performance of an induction motor can be estimated by using only terminal measurements and simple calculations. For future work, it will be searched the ways of determining motor parameters during operation and without implementing any tests. Moreover, the temperature dependency of the related parameters will analyze thoroughly.
Wide-area measurement-based early prediction and corrective control for transient stability in power systems
Electric power systems are designed to supply a persistent, uninterrupted and secure service for their consumers while considering the economic dispatch for the maximum profit for the power system operators. However, the power systems are exposed to various types of faults, such as earthquakes, hurricanes, human operation errors, control system failures, hidden failures in protection system, malicious attacks, weak connections, and a host of other factors, which might cause instabilities or even blackouts. When a severe fault occurs in the power system, it could spread in the system due to the interconnections in the power system, which could endanger the stability of a large portion of the power system, and then may lead to a blackout. In the last decades, many blackouts occurred in different power systems all around the world due to similar scenarios affecting millions of customers and causing enormous economic losses. The blackout that occurred in March 2015 in Turkey can be taken as an example for such blackouts. The tripping of a heavily loaded 400 kV transmission line for a scheduled maintenance caused this blackout; and left 76 million customers without electricity for more than 9 hours. At the beginning, the tripping of the line led to the separation between the Western and Eastern parts of the Turkish power system. Then, it led to a disconnection of the Turkish power system from the European network of transmission system operators for electricity grid, then both Western and Eastern parts of the Turkish power system lose their stability and collapsed into blackout. The largest power system blackout in the history occurred in July 2012 in India, which left more than 620 millions of customers without electricity for two consecutive days. According to a research firm, the annual cost of power outages and fluctuations worldwide was estimated to be between $119 and $188 billion yearly. This indicates the importance of the power system dynamic security, since power system dynamic insecurity clearly have significant economic consequences for the society. This increases the need for the design of comprehensive system monitoring and control strategies to prevent the system from losing its stability, which may lead to catastrophic failures and blackouts. To approach that, the situational awareness capabilities of the power system needs to be improved. The evolution of phasor measurement unit (PMU) technology in the recent years gave the flexibility for the power system operators to use PMUs' measurements in their applications, e.g. monitoring, protection, operation, and control of the power system. PMUs are recognized as the key class of technology for the future situational awareness in the power system. PMUs' measurements can help the power system operators to build an accurate view of the entire power system in real-time since they are synchronized to a common time frame. To prevent the power system loss of stability after a severe fault, wide-area monitoring, protection and control (WAMPAC) systems are used. WAMPAC systems are designed to increase the reliability and security of the power systems to meet the needs of the 21st century. WAMPAC systems use the PMUs' measurements to monitor the power system status and counteract the propagation of severe faults in case of existence. PMUs' measurements are collected at 30 to 120 samples per second, which enables WAMPAC system to capture the power system dynamics and oscillations. This sampling rate is sufficient for analyzing the behavior of the power system during the disturbance and accordingly for taking fast corrective control actions. WAMPAC systems analyze the collected PMUs' measurements in the control center to detect the existence of a disturbance in the power system, and then it can specify the location and the type of that disturbance depending on those measurements. In case of a fault, the wide-area measurements can be used for determining whether the system will eventually be stable or unstable as the system dynamics evolve. WAMPAC systems can then measure the severity of the ongoing fault based on the collected measurements, which can be an indication of the way that the power system dynamics evolve. Post-fault prediction of transient stability and the measurement of the severity of the ongoing fault are crucial to allow sufficient time for taking corrective control actions against a predicted instability. The choice of which corrective control action to be triggered, e.g. fast valving, load shedding, defensive islanding, depends on the impact of the fault on the system. In this thesis, it is aimed to enhance the dynamic security of a large-scale power system against severe contingencies by implementing a comprehensive wide-area control system. The proposed wide-area control methodology has the ability of predicting the transient stability status of the power system directly after clearing the fault, and it can measure the severity of that fault within a short period of time. The proposed wide-area control methodology in this thesis can be divided into three main stages. In the first stage, the post-fault transient stability status of the power system is predicted by using the PMUs' measurements. The proposed novel early prediction algorithm adopts a deep learning neural network, stacked sparse autoencoder, for classifying the transient stability system status to be either stable or not. In the second stage of the proposed wide-area control methodology, the severity of the ongoing fault is measured by using a novel severity index based on the measurements collected from the PMUs. Lastly, in case of severe faults that endanger the stability of the power system, a novel real-time adaptive defensive islanding algorithm is applied on the system to counteract the progress of the severe ongoing fault. Post-fault prediction of transient stability status of power systems has a great impact on the performance of wide-area monitoring, protection and control systems. Situational awareness capabilities of a power system are improved by fast detection of instabilities after severe fault occurrences. This allows sufficient time to take necessary corrective control actions. In this thesis, a novel method based on deep learning neural networks is proposed to predict the post-fault transient stability status of the power system directly after clearing the fault. The proposed early prediction algorithm exploits the measurements from the whole fault-on time period, since the stability of the power system does not only depends on the post-fault system operating point, but also on the pre-fault operating point, the fault location, and its duration. The fault-on time period starts from the fault occurrence lasts up to its clearance. This approach of utilizing the fault-on measurements contrasts to the existing approaches in the literature in which only the post-fault measurements are used. A dataset is generated by extracting some specific points on the trajectories of voltage magnitudes collected from the PMUs to train a deep learning neural network; stacked sparse autoencoder (SSAE); off-line. Then, the trained SSAE is used in an online application for labeling the post-fault stability of the power system directly after clearing the fault. SSAE can automatically extract features from dataset and overcome the shortcomings of conventional machine learning tools. The proposed method is able to correctly predict the post-fault stability status directly at the moment when the fault is cleared, without the need to wait for more post-fault measurements to be used in the machine learning tool as in the existing approach in literature. In case of instability predicted by the use of the aforementioned early prediction method, the proposed wide-area control methodology continues afterwards by measuring the severity level of the ongoing fault. A new knowledge-based severity index that is named as frequency based severity index (FbSI) is used to assess the severity level of the ongoing fault. The proposed severity index FbSI measures the severity of the ongoing contingency and accordingly labels the system status to be one of the following states: secure, insecure but not severe, or, both insecure and severe. The classification between the insecure states is made to specify the most severe contingencies for which the defensive islanding is required. Since islanding is an aggressive and high-cost control action, more attention is needed to specify the cases that require its application. The proposed wide-area measurements based severity index FbSI uses the frequencies of the post-fault generator bus voltages that can be estimated directly by the PMUs from the measured voltage waveforms, as it is indicated in the IEEE standard C37.118.1-2011. In case of a severe fault that may cause a cascading blackout, which is identified by the severity index, the wide-area control method proposes applying an islanding scheme on the power system in order to counteract the propagation of that fault. Multiple islanding schemes candidates are generated by using different model and measurement-based islanding algorithms, and then the best islanding scheme among them is selected for application. As a model-based algorithm, slow coherency based islanding is adopted, while K-means clustering, hierarchical clustering, and fuzzy relational eigenvector centrality-based clustering algorithms are employed in the measurement-based islanding algorithms. The most updated power flow information collected from PMUs are utilized to construct the islanding schemes. The model-based islanding algorithm is based on the most recent pre-fault steady-state PMUs' measurements. Unlike the previous studies in the literature, which use the pre-fault dynamics, for the measurement-based islanding algorithms adopted in this thesis, the post-fault voltage angle trajectories are utilized to generate the islanding schemes. This novel approach, which is proposed in this study, provides disturbance dependent islanding schemes. These schemes can be more advantageous over the disturbance independent ones generated by either model or measurement based algorithms that use the pre-fault measurements. This proposed approach can provide alternative islanding schemes that are tailored for each severe contingency occurring in the network. Using this approach, the resulting islanding scheme tends to isolate the fault in a smaller island, and save the rest of the system from further separation. Thus, the approach can lead to a less load shedding, and an easier restoration process. The proposed wide-area control methodology is demonstrated on two power systems: a 127-bus 37-generator Western States Coordinating Council (WSCC) test system, and the Turkish power system.
Koaksiyel manyetik dişlinin moment analizinin sonlu elemanlar yöntemi ile gerçekleştirilmesi
Dişliler, günlük hayatın neredeyse her alanında yer aldığı; hız değişikliği, moment iletimi, yön değişikliği vb. uygulamaları gerçekleştiren, fiziksel yapılardır. Bu yönüyle dişlilerin yeri ve önemi göz ardı edilemeyecek kadar büyüktür. Hız ve moment büyüklükleri ihtiyaç duyulan değerlere yükseltmesi veya alçaltması dişlileri vazgeçilmez kılmıştır. Taşıtlar, rüzgâr santralleri, saat mekanizmaları başta olmak üzere çeşitli endüstri uygulamalarında örnekleri görülebilen bu fiziksel yapılar aşırı yükten, ısınma, sürtünme ve malzemenin yorulmaya maruz kalması gibi olumsuzluklardan büyük zarar görmektedir. Aşırı yüke ve aşırı ısıya karşı periyodik bakım, yağlama vb. koruyucu önlemler alınmaktadır. Ancak bu önlemlerin sürekliliği maliyetini de beraberinde getirir. Manyetik dişlilerde mekanik temas sonucu meydana gelen mekanik yorulma, sürtünme vb. problemlerin görülmemesi manyetik dişlilerin gündemde yer almasına neden olmuştur. Son yıllarda manyetik dişli kavramı hem endüstrinin hem de araştırma merkezlerinin ilgisini çekmiş ve bu ilgi yakın zamanda hız kazanmıştır. Dergi, makale, patent ve konferans aracılığıyla gerek akademide gerekse endüstride manyetik dişlinin gündemde kalması sağlanmıştır. Ancak manyetik dişlilerdeki moment belli bir üst değerle sınırlıdır. Moment sınır değeri, dişlinin erişebildiği maksimum moment değerinin olması anlamına gelir. Eğer dişlinin sahip olduğu moment değeri moment sınır değerini aşıyor ise dişli çarkta kayma problemi gözükecektir. Uygulamalarda bu problemin gözükmemesi için gerekli önlemler alınarak moment sınır değerin aşılmaması sağlanır. Moment sınır değerinin korunması fiziksel sistemin korunması açısından da son derece önemlidir. Burada karşılaşılan durum ise manyetik dişlide görülebilecek bir dezavantaj olarak nitelendirilebilir. Manyetik dişli kavramının avantajları günlük hayatta öneme sahip olmasına karşın bu kavramın ortaya çıktığı ilk zamanlarında ne akademi ne de endüstri açısından gerekli ilgiyi görememiştir. Bu durumun nedenleri arasında sistemin karmaşıklığı ve sürekli mıknatısların ilk örneklerinin yeterli özelliklerde olmaması olarak sıralanabilir. Dişlerin yerini kutupların yer aldığı bu mekanizmanın ilk örneklerinde elektromanyetik özellik görülüyor iken yirminci yüzyılın ortalarına doğru sürekli mıknatıslardan elde edilmeye başlanmış olup hakkında yayımlanan her patentle gelişime açık hale gelmiştir. Sürekli mıknatıs sınıfında yer alan NdFeB ve SmCo nadir toprak elementlerin yer aldığı mıknatıs türüdür. Diğer sürekli mıknatıslar ise Ferrit ve Alnico olup piyasada yaygın olarak kullanılmaktadır. Tez çalışmasının birinci bölümünde mekanik dişlilerin genel kullanım alanları kısaca tanıtılmış olup günlük hayatta karşılaşılan dezavantajları sıralanmıştır. Bazı uygulamalarda doğrudan tahrik sistemlerin kullanıldığı ve bu sistemden verim alındığı vurgulanarak manyetik dişlinin açıklamasına geçilmiştir. Manyetik dişlide mekanik temasın görülmemesi sonucunda mekanik dişlide karşılaşılan bazı dezavantajlar görülmemektedir. Ancak moment yoğunluğunun düşüklüğü bu tür yapılarda karşılaşılan bir dezavantaj olarak belirtilebilir. Bu bölümde ayrıca manyetik dişlinin geçmişten bugüne kadarki gelişimi, yapılan araştırmalar ve elde edilen sonuçlar literatür çalışması kapsamında tanıtılmıştır. İkinci bölümde dişli sistemlerinin tanımı yapılmış olup günlük hayatta kullanılan dişli türleri; yapısal özellikleri, avantajları ve dezavantajlarıyla birlikte kısaca tanıtılmıştır. Üçüncü bölümde manyetizma kavramlarına ve manyetik malzemelere yer verilmiştir. Manyetik malzemelerin sıcaklıkla etkilenmesi özellikle Curie sıcaklığı kavramı altında kısaca açıklanarak vurgulanmıştır. Bu bölümde aynı zamanda nadir toprak elementleri ve bu malzemelerin günlük hayatta kullanım şekilleri tablo halinde listelenmiştir. Dördüncü bölümde manyetik dişlilerde moment analizini gerçekleştirmek amacıyla yararlanılacak olan sonlu elemanlar yöntemine değinilmiştir. Analitik yöntemle çözümü zaman alan ve zor problemlerin çözümünde bu yönteme başvurulur. Piyasada sonlu elemanlar yöntemi prensibiyle çalışan programlardan COMSOL Multiphysics 5.3 ve FEMM 4.2 tez çalışması kapsamında kullanılmıştır. Beşinci bölümde COMSOL ve FEMM programları kısaca tanıtılmıştır. Programların çalıştırılması için gerekli yönergeler hem şekil ile hem de çizelgeler ile anlatılmıştır. Altıncı bölümde ise COMSOL ve FEMM programları kullanılarak farklı parametredeki manyetik dişlilerin moment analizi yapılmıştır. Her iki programdan elde edilen analiz sonuçları grafiklendirilmiş olup her bir çıktı yorumlanmıştır. Farklı iç ve dış rotor hızlarındaki dişlilerin moment grafikleri statik ve dinamik durumlar için elde edilmiştir. Bu kapsamda manyetik dişlideki dişli kalınlığının moment değerine ve moment verimliliğine olan etkisi incelenmiştir. Bu bölümde ayrıca süperiletken kullanımına ait bazı formülasyonlara yer verilmiştir. Klasik manyetik dişlilerin stator halkasında görülen boşluk yerine süperiletken külçesi yerleştirilerek farklılıklar gözlemlenmiştir. Bu durumda moment miktarında artışa karşın ilgili grafikte dalgalanmalar da gözlemlenen bir sonuçtur. Pek çok olumlu yönleri bulunan bu manyetik dişliler için yapılan çalışmalar oldukça yetersizdir. Buna rağmen teknolojinin gelişmesine paralel olarak manyetik dişliler üzerine yapılacak teorik ve pratik çalışmalar gelişim göstererek gerek verim gerekse moment ve moment yoğunluğu açısından sonuçların olumlu yönde olmasını sağlayacak; ayrıca daha iyi ve daha verimli tasarımların önünü açacaktır. Hem mekanik dişliler hem de manyetik dişliler açısından güvenlik faktörleri önemli rol oynamaktadır. Verim, moment ve kuvvet kapasitesi, güvenlik ve mekanik özelliklerine göre yapılan araştırmaların sonuçlarına bakılacak olursa manyetik dişlilerin mekanik dişliye göre kullanışlı olduğu ve manyetik dişlilerin ilerleyen zaman diliminde mekanik dişlilerin yerini alabileceği öngörülebilir. Hibrit araçlar, rüzgâr santralleri, aerospace, otomotiv endüstrisi vb. dişlilerin kullanılabildiği her alanda kendisini gösterecek ve insanlığa katkısını sunacaktır. Ancak üretim maliyetlerinin ve nadir toprak elementlerinin maliyetlerinin yüksek olması günümüz piyasasında manyetik dişlilerin yaygınlaşmasını engelliyor olsa da teknolojinin gelişmesiyle birlikte maliyet değerlerinin düşmesi ve bu sayede manyetik dişlilerin daha da yaygınlaşması beklenmektedir. Sonuç olarak, manyetik dişliler ile ilgili literatür, endüstriyel uygulamalar için gerçekleştirecek çalışma koşullarının yeterli olduğunu göstermektedir. Bu tezde, elektromanyetik analiz için yaygın olarak kullanılan sonlu elemanlar yöntemi yardımıyla belirli bir manyetik dişli konfigürasyonu incelenmiştir. Manyetik dişlide süperiletkenin kullanımı ayrıca farklı geometrilerin değerlendirilmesiyle birlikte tartışılmıştır.
Elektrikli araçlar için gömülü mıknatıslı senkron motor tasarım metodolojisi ve gerçeklenmesi
Bu tez çalışması, bir araca çekiş sağlayacak elektrik makinesinin tasarımı, üretimi ve test edilmesi üzerinedir. Çalışmada öncelikle elektrikli araçlarda kullanılan elektrik makineleri incelenmiş ve tez kapsamında gömülü kalıcı mıknatıslı senkron motor çalışılmasına karar verilmiştir. Ardından, elektrik motorunun tasarım akış diyagramı oluşturularak oluşturulan akış diyagramı doğrultusunda elektrik makinesi tasarımı yapılmıştır. Bu kapsamda, uygulama yapılacak aracın gereksinimleri belirlenerek tasarlanan elektrik makinesinin parametreleri belirlenmiştir. Parametreleri belirlenen elektrik makinesinin tasarımında detaylı analitik hesaplar yapılmıştır. Yapılan analitik hesaplar doğrultusunda elektrik makinesi temel parametrelerin belirlenmesi, boyutlarının belirlenmesi, sargı yapısının belirlenmesi, manyetik devrenin hesaplanması ve endüktans hesaplanması gibi alt başlıklarda bir süreç olarak tasarlanmış ardından sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak analitik hesaplar doğrulanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak elektrik makinesinin çeşitli koşullardaki analizleri koşturularak çeşitli çalışma noktalarındaki çalışma detayları öngörülmüştür. Elektrik makinesinin vuruntu momenti, moment dalgalanması ve üretilen harmonikler incelenmiştir. Ayrıca sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak elektrik makinesinin sac malzemesi optimizasyonu, oluk sayısı optimizasyonu ve oluk ağzı optimizasyonu yapılmıştır. Verim haritası çıkartılmış ve yapısal dayanım analizi yapılmıştır. Analitik hesaplar ile sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılan analizler karşılaştırılmıştır. Analitik hesabı yapılan ve sonlu elemanlar yöntemi ile de doğrulanan elektrik makinesinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Elektrik makinesinin üretimi, stator ve rotor üretimi olmak üzere iki bölümde detaylandırılarak gerçekleştirilmiştir. Üretilen elektrik makinesinin deney düzeneği üzerinde boşta çalışma, motor modda yükleme, generatör modda yükleme ve sıcaklık yükselme deneyleri yapılmıştır. Yapılan deneylerde, uygulama yapılan araç üzerindeki düzeneklerin aynısı deney düzeneğine yerleştirilerek deneyler yapılmıştır. Deney düzeneğinde deneyleri gerçekleştirilen elektrik makinesi, uygulama yapılan araca monte edilerek aracın elektrikli araca dönüşümü sağlanmıştır. Deneyleri tamamlanan elektrik makinesinin sonuçları analitik ve nümerik sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlanan elektrik makinesinde stator oluklarında tek oluk sayısı kullanılarak oluşturulan simetrik olmayan sargı yapısı sayesinde uzay harmonikleri, radyal kuvvetler ve vuruntu momentinin etkisi azaltılmıştır. Dolayısıyla, 57 oluk kullanımı ile moment dalgalanması ve vuruntu momenti azaltılmıştır. Gelecek çalışmalarda alan zayıflatmanın iyileştirilmesi ve relüktans momenti üretiminin artırılması üzerine çalışılacaktır.
Türkiye imalat sanayisinde kullanılan asenkron motorların verimliliğinin incelenmesi
Günümüz dünyasında, enerji talebi ve kullanımı hızlıca artmakta ve bunun kaçınılmaz sonucu olarak da enerji kaynakları hızlıca tükenmektedir. Yükselen hayat standartlarının ve ekonomik gelişmenin sürdürülebilirliğinin sağlanabilmesi adına en önemli kaynak durumundaki enerji zorunlu temel bir ihtiyaç halini almıştır. Enerji türlerinden biri olan elektrik enerjisi; iletiminin ve kullanımının kolay olması sebebiyle hayatın her alanında en çok bilinen, talep edilen ve kullanılan enerji türlerinden birisi olmuştur. Türkiye'de de nüfus artışı ve buna bağlı olarak, gelişen sanayi ve ticaretin artan enerji talebi dolayısıyla, elektrik talebi-tüketimi her yıl artan bir grafik izlemektedir. Ayrıca talep - tüketim ve (sınırlı) enerji kaynak rezervleri arasındaki ilişki, enerji fiyatlarının ciddi oranda artışına sebep olmakla birlikte bu durum var olan enerjinin daha verimli kullanılmasının zorunluluğunu da ortaya çıkarmaktadır. Özellikle son dönemlerde, enerji verimliliği meselesi, dünyada olduğu gibi, Türkiye'de de üzerinde çokça tartışılan (popüler) konulardan birisi olmuştur. Bu bağlamda enerjinin verimli kullanılması amacına yönelik girişimler her geçen gün artarken, toplam enerji tüketiminin en büyük kısmının gerçekleştiği imalat sanayisi sektöründeki enerji verimliliğinin arttırılması, öne çıkan konulardan birisi olmuştur. Bu bağlamda Türkiye imalat sanayisinde kullanılan asenkron motorlarının verimlilik durumlarının tespiti amacıyla belirli bir örneklem (887 sanayi işletmesinin, 7,5 kW ve üzerindeki çıkış gücüne sahip, alternatif akım asenkron motor verileri) üzerinden verimlilik analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda yapılan çalışmaların sonucunda, Türkiye imalat sanayisinde ağırlıklı olarak IE1 standart verim sınıfındaki düşük verimli eski asenkron motorların kullanıldığı tespit edilmiştir. Bu verimsiz motorların yerine daha yüksek verimli (IE2, IE3 ve IE4) asenkron motorların kullanılması sayesinde ortaya çıkacak olan verim artışı ve bunun olumlu sonuçlarından sadece birisi olan ekonomik faydanın niceliği incelenmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak, bu tez kapsamında yapılan analiz çalışmaları ışığında, Türkiye imalat sanayisinde kullanılan asenkron motorlarının verimliliğinin arttırılmasının gerekliliği ortaya konulmuş olup, sanayi işletmelerinin yüksek verimli motorlara yönelmelerinin kendilerine ve dolayısıyla ülkeye sunabileceği faydalar ve bu konuda yapılması gereken çalışmalara yönelik bazı öneriler sunulmuştur.
An optimal generation dispatch for a reliable and environment friendly microgrid using multi-objective optimization
The generation and transmission system play a very important role for a low voltage microgrid, specially for one which is equipped with distributed generation systems. The generation schemes and energy sources define whether a microgrid is environment friendly or not. The renewable energy sources supported distributed generation is environment friendly. But the coordinated generation with different type of renewable power generation sources create an urgency of a cost effective dispatch for the generation systems. Otherwise, the generation system will not be enough to meet the power demand with lower cost and higher reliability. For this reason, an online dispatching technique should be designed for the energy management to supply energy to the customer with least possible cost. The presence of different types of renewable energy sources make it more difficult as the output from these sources are not constant. They vary with the sunlight, wind speed as well as other weather conditions. Moreover, they are not dispatchable sources. Therefore, a special type of algorithm need to be designed for the distributed generation system so that they can meet the power demand and also make the best use of the excessive power when the demand is lower than the power generation from the renewable energy sources. For this reason, a single objective optimal dispatching method has been discussed by proposing two different optimization algorithms for three distinguished scenarios in order to find the best possible dispatching scheme for the renewable energy sources at minimum cost. Three wind power plants, two solar plants and one Combined Heat and Power (CHP) have been considered for this thesis. The CHPs are not technologies, they are approach for applying technologies. In this study, a CHP is considered with solar and wind sources because of its cogeneration capability as well as thermal and overall efficiency. A conventional system of producing power and usable heat has 45 percent combined efficiency, while CHP method can operate at 80% combined efficiency. Therefore, combining CHP with other renewable energy sources is more cost effective and electrically efficient because of the lower efficiency associated with renewable energy sources. Moreover, it is also environment friendly for its cogeneration capability. Three different cases have been considered in terms of supplying power from the CHP and the availability of the renewable energy sources. For the first case, energy storage systems are assumed to be associated with the renewable energy sources in order to make all the sources ava xx cost function has been minimized to find the best economic dispatch for all the available power generation sources at lowest possible cost. For the second case, the same cost function has been minimized to achieve the same objective but no energy storage source is considered. All the renewable energy sources are considered as variable sources and assumed to be able to supply the highest power available at any given time. On the other hand, a third case has been considered for the renewable energy sources where no wind or solar plants are dispatchable. The same quadratic cost function has been considered as objective function to find the cost effective optimal dispatch for the distributed power generation sources. The economic dispatches obtained from these three scenarios are presented and compared in this thesis in order to find the necessity of the energy storage systems and the best distributed generation system at the lowest possible cost. Reliability or risk analysis is also very important for designing an unintervened power supply system for a microgrid. Often the rural microgrids use renewable energy sources where power interruption could occur for many reasons. Therefore, to ensure the continuous power supply to the consumers, reliability analysis should be done for the islanding mode of operation. Moreover, for supplying the power to the customers at highest reliability, risk analysis plays a very important role. Reliability analysis can help the energy management by telling the energy management system what precaution need to be taken in terms of an outage or islanding scenario. For this reasons, the amount of expected energy not served has been forecasted to the energy management system to take precaution and make necessary arrangement to reserve the amount of energy which could not be available in case of failure of any distributed power generation sources and transmission lines. A probabilistic calculation, based on Monte Carlo Simulation has been proposed in this thesis for the corresponding reliability analysis and the results are presented for the above mentioned three different cases. On the other hand, a high voltage microgrid equipped with conventional power generation sources has greater negative impact on the environment because these generators normally use fossil fuel such as coal, oil or gas. All of these fossil fuels have a huge negative impact on the environment. These fuels causes environment pollution to a great extent by emitting pollutant gas such as sulphur oxides and nitrogen oxides. Normally, these gases are emitted from the thermal units of the fossil fueled conventional generation systems. So, in this case, dispatching of the generators are not done depending on the cost of generation or fuel cost alone, it also depends on the amount of pollutant gas emitted in the environment. The primary objective of economic dispatch is the scheduling of generation units according to the load demand and forecast at lowest possible cost. But due to the recent passage of some environmental amendments, utilities are bounded to operate the thermal power generation units with least possible environmental pollution and toxic gas emission. Therefore, researchers have suggested a number of techniques and strategies to reduce the pollutant gas emission. Some of them have proposed to install additional equipment for cleaning pollution. While many researchers have suggested the utility companies to replace the highly pollutant fuels with the low emission fossil fuels. On the other hand, many of the power system researchers have suggested to use cleaner and newer fuel burners for the generation units replacing the old one. All of these suggestions require either installation of additional equipment or complete xxi replacement of the existing equipment causing additional investment cost which finally increase the generation cost and electricity price. Researchers have found a new way to avoid the additional cost in order to balance the tradeoffs between generation cost and pollutant gas emission. They have suggested that economic dispatch considering the environment pollution can solve these issue. To do this, multi-objective optimization techniques need to be implemented to find a cost effective optimal dispatch which will cause the lowest environment pollution. That is why a multi-objective optimal dispatching method has been proposed to find the best trade-off and best compromised solutions between fuel cost and pollutant gas emission from the distributed fossil fueled generation units. Reliability of the generating units have also been considered with the emission as an objective to be optimized. To address all the above mentioned issues, three different illustrations have been considered in this thesis in terms of multi-objective optimization and constraint functions. Firstly, a quadratic fuel cost and emission function have been minimized separately considering restricted generation of the power generation units in order to find the extreme solution points and diversive nature of the pareto optimal solutions resulted from the proposed multi-objective optimization method. This is done to validate the proposed algorithm and demonstrate the effectiveness of the algorithm. The fuel cost function and emission function have also minimized together as multiobjective optimization function in this case too. Secondly, the proposed multi-objective algorithm has been used to optimize three different scenarios considering the power balance constraint. In this illustration, the same fuel cost and emission function have been minimized at first. Then, the fuel cost has been minimized along with the system adequacy parameter, expected energy not served (EENS), as reliability function. System's reliability plays a great role because a huge amount of load receive energy from high voltage microgrids. Therefore, corresponding risk analysis, outage forecast as well as probable amount of unserved energy need to be reserved in the generation system. Therefore, reliability is considered here to make the proposed algorithm more effective. Furthermore, emission function and reliability have been optimized to compare the result with the previous two cases results. Finally, the fuel cost function and emission function have been minimized as multiobjective optimization function considering the power balance and reliability function as constraint functions. The results obtained in this scenario has illustrated a very good similarity with the previous results demonstrating the effectiveness of the proposed multi-objective optimization algorithm. For the system adequacy parameter evaluation, Monte Carlo Simulation based probabilistic approach has been implemented. While the reliability acts as a function, it uses this Monte Carlo Simulation to calculate the EENS for all the possible solution spaces. Then these solutions have been minimized along with the fuel cost function and emission function respectively. On the other hand, when the proposed multiobjective optimization algorithm considered the reliability as a constraint, it has used the same technique to calculate the EENS and try to keep it in a prescribed limit according to the necessity of the algorithm.
Seri paralel rezonans güç çeviricisinin analizi ve sayısal kontrollu tasarımının yapılması
Teknolojinin gelişimiyle birlikte, kullanılan elektronik cihazların artması ve bu cihazların yaygınlaşmasıyla gereken güç tüketiminin artması, güç çeviricilerinin önemini de arttırmaktadır. Güç elektroniğinin getirdiği değişikliklerle bu güç çeviricileri gün geçtikçe daha küçük boyutlarda ve daha yüksek verimlerde çalışmaktadır. Dünyadaki kaynakların sınırlı olması ve tüketilen enerjinin her geçen gün artmasıyla güç çeviricilerindeki enerji kaybının ve verimsizliğin etkisi artmaktadır. Dolayısıyla bu konu üzerinde çalışmalar daha düşük boyutta ve daha yüksek verimde çeviricileri elde edebilmek için süreklilik göstermektedir. Yarı iletken teknolojisinin gelişimiyle birlikte güç elektroniği konusunda çeşitli yapılar ortaya çıkmıştır. Anahtarlama modlu güç çeviricileri yapılarıyla yüksek frekanslarda anahtarlama yapılarak düşük değerli endüktans ve kapasite yapıları kullanılarak daha küçük boyutta ve daha yüksek verimde çalışabilen güç çeviricileri kullanılmaya başlanmıştır. Daha yüksek güçlerin gerektiği alanlarda anahtarlama modlu güç çevirici verimlerinin yetersiz kaldığı ve yüksek elektromanyetik girişimlerin görülmesiyle rezonans güç çevirici yapıları geliştirilmiştir. Rezonans çevirici yapılarıyla yüksek güçlerde daha yüksek verimlere ulaşılmıştır. Bu nedenle rezonans güç çeviricileri endüstride ve tüketici elektroniğinde sıkça kullanılmaktadır. Rezonans güç çevirici yapıları sıfır gerilimde anahtarlama ve sıfır akımda anahtarlama yapabilmeleri sebebiyle anahtarlama modlu güç çeviricilerine göre daha yüksek verimlere ulaşabilmektedir. Bu çalışmada rezonans güç çeviricilerinden bahsedilerek LLC rezonans çeviricisi analizi yapılmıştır. Temel harmonik yaklaşımı yapılarak devre parametrelerinin kazanç üzerindeki etkisi incelenmiş ve çevirici parametrelerinin belirlenme yöntemlerinden bahsedilmiştir. Ayrıca durum uzay analizleri yapılarak devre elemanları üzerindeki gerilim ve akım grafiklerinin frekansa göre değişimi incelenmiştir. Analizler yapıldıktan sonra belirlenen çalışma değerlerinde LLC güç çeviricisi tasarımı yapılarak devre benzetim programı üzerinde denemesi yapılmıştır. Rezonans tankında bulunan endüktans yerine devrede kullanılan transformatörün kaçak endüktansı kullanılmış ve belirlenen parametrelere uygun biçimde devrenin gerçeklemesi yapılmıştır. Gerçeklenen devrede kontrolör olarak Texas Instruments firmasına ait C2000 Launchpad mikrokontrolör kullanılmış ve C kodunda programlanarak sayısal olarak devrenin kontrolü sağlanmıştır. Çıkış geriliminin sabit tutulması için de PI algoritması kullanılmıştır. Devrenin çalışma koşulları içerisinde farklı giriş gerilimleri, farklı yük koşullarında testleri yapılmış ve analiz bölümünde oluşturulan kazanç karakteristikleriyle karşılaştırılmıştır. Bu kısımda rezonans tankında dolaşan akım grafiklerinin farklı çalışma frekanslarındaki değişimleri verilmiştir. LLC güç çeviricisinin sıfır gerilimde anahtarlama yaptığı gözlemlenmiş ve verim grafiği de oluşturularak çalışma sonuçlandırılmıştır.
IE4 verim sınıfı şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı
Enerji verimliliği son zamanlarda artan ilgi ile birlikte bugün artık bir dönüm noktasına ulaşmıştır. Gelişmiş ülkelerin tamamında, gelişmekte olan ülkelerin tamamına yakınında ve az gelişmiş ülkelerin bazılarında, verimli kullanılan enerjinin en ucuz enerji kaynağı olması sebebiyle, enerji verimli ürünlerin kullanımı belli bir takvim çerçevesinde zorunlu kılınmış ve teşvikler ile enerji verimli ürünlerin kullanımının yaygın ve sürdürülebilir hale gelmesi amaçlanmıştır. Kanun koyucuların enerji verimliliği konusunda attıkları kararlı adımların tasarımdan üretime, sistem çözümlerinden sanayinin her alanına kadar karşılık bulduğu en önemli ürünlerin başında elektrik motorları gelmektedir. Sanayide tüketilen elektrik enerjisinin büyük bir kısmının elektrik motorları tarafından kullanılması nedeniyle bu makinaların verimli hale dönüştürülmeleri enerji regülasyonlarının odak noktalarından biri olmuştur. Bu durum motor üreticilerinin yüksek verimli elektrik motoru tasarımı ve üretimini yol haritalarında ana gündem maddesi olarak ele almalarını sağlamıştır. Endüstriyel uygulamalarda kullanılan döner elektrik makinalarına ait verim değerleri ve verim sınıfları IEC tarafından 2008 yılında yayınlanan IEC 60034-30 standardında yer almıştır. Mart 2014'de IEC 60034-30 standardı 60034-30-1 olarak revize edilmiş ve IE4-Süper Çok Yüksek Verim Sınıfı değerleri yayınlanmıştır. Verim sınıflarında çıtanın sürekli yükseltilmesi ile birlikte motor üreticileri yüksek verim değerlerine ulaşmak için farklı motor teknolojileri üzerinde çalışıp farklı motor tiplerini kullanıcıların hizmetine sunmaya başlamışlardır. Kullanım kolaylığı ve uzun ömürlü olmalarından ötürü asenkron motorlar (IM-Induction Motor) sanayide kullanılan elektrik motorlarının başlıcaları arasında yer almaktadır. Verimli elektrik motoru kavramının uluslararası standartlarca belli bir verim değerine göre tariflenmesi ve sınıflandırılması üzerine asenkron motorlar yüksek verim sınıfı geçişlerinde yerini sürekli mıknatıslı senkron motorlar (PMSM-Permanent Magnet Synchronous Motor) ve senkron relüktans motorlara (SynRM-Synchronous Reluctance Motor) bırakmaya başlamıştır. Bu motor tipleri arasında sürekli mıknatıslı senkron motorların türevlerinden biri olan şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motorlar (LSPMSM-Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor) elektronik bir sürücüye ihtiyaç duymaması nedeniyle bir adım öne çıkmıştır. Bu tez çalışmasında IE3-Çok Yüksek Verim Sınıfı seri üretim bir asenkron motor referans alınarak IE4-Süper Çok Yüksek Verim Sınıfı seviyesinde bir elektrik motoru tasarlanması hedeflenmiş ve motor tipi olarak sabit hız gerektiren uygulamalarda rahatlıkla kullanılabilecek olan şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor seçilmiştir. IEC 60034-30-1:2014 standardında 3 kW, 4 kutup, 50 Hz. motorlar için IE3 sınıfı nominal verim değeri %87,7, IE4 sınıfı nominal verim değeri ise %90,4 olarak tanımlanmıştır. Şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motorlar hibrit tip olarak adlandırılabilecek elektrik motorlarındandır. Stator yapıları asenkron motora benzer iken rotor yapıları ise oldukça farklıdır. Bu tip motorlar rotorlarında hem rotor baralarını hem de mıknatıs oluklarını birlikte içermektedir. Rotorunda yer alan bu baralar sayesinde şebekeden doğrudan kalkış yapabilme özelliğine sahip olan bu motorlar kalkış için herhangi bir sürücü devresine ihtiyaç duymamaktadır. Tez çalışması süresince IE3 verim seviyesinde muadil asenkron motorun sargılı stator gövdesi kullanılmış sadece rotor baralı ve mıknatıslı rotor laminasyon tasarımı yapılmıştır. Çalışmanın başında detaylı bir literatür araştırması yapılmıştır. Yapılan çalışmalara bakıldığında IE4 verim seviyesini sağlamak için senkron relüktans motor ya da şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı motor tipi tercih edilmiş ve yine aynı çalışmalarda muadil asenkron motorun stator gövdesi kullanılıp yalnızca rotor tasarımı yapıldığı görülmüştür. Sürekli mıknatıslı senkron motorların türevi olan şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motorlarda rotorda bulunan mıknatısların farklı konumlarda yerleştirilmesinin performansa olan etkileri incelenmiştir. Ayrıca tasarım süresince dikkat edilmesi gereken noktalardan bahsedilmiştir. Şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motorlarda kalkış ve senkronizasyon, tasarımın en zorlayıcı süreçlerindendir. Motorun kalkış ve senkronizasyon süreçleri ise rotor tasarımı ile doğrudan etkilidir. Bu tip motorlar asenkron motor gibi kalkış yapıp sürekli halde senkron motor olarak çalışmaya devam ederler. Bu nedenle rotor bara tasarımı kalkış için önemli bir etkendir. Uygun rotor bara tipi ile elde edilen asenkron momentin kalkış anında mıknatısların meydana getirdiği mıknatıs frenleme momentini yenmesi ile motor kalkış yapar. Rotor tasarımı sürecinde derin oluklu alüminyum rotor baraları tercih edilmiştir. Mıknatıs dizilimine karar verilirken ise literatür araştırması yapılmış, IE4 motor üreticilerinin şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor ürün gamları incelenmiştir. Buna bağlı olarak rotorda kare mıknatıs dizilimi tercih edilmiş ve NdFeB tipi mıknatıslar kullanılmıştır. Tasarım ve iki boyutlu elektromanyetik analiz çalışmaları Flux 2D manyetik analiz programı ile gerçekleştirilmiştir. Başlangıçta referans olarak alınan IE3 verim seviyesi asenkron motor modellenmiş ve doğrulanmıştır. Daha sonra rotor baralı ve mıknatıslı rotor laminasyonu tasarımları yapılmış, analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler süresince farklı mıknatıs boyutları denenmiş ve motorun akım, gerilim, güç faktörü, verim gibi performans parametreleri incelenmiştir. Analizler boyunca motora nominal yük altında kalkış yaptırılıp senkronlanabiliyor olmasına dikkat edilmiştir. Toplamda 5 farklı mıknatıs boyutu denenmiş ve %90,6 verim değeri ile en yüksek verim seviyesine sahip olan ve IE4 verim seviyesini sağlayan 5.tasarımın prototip motora dönüştürülmesine karar verilmiştir. Prototipleme aşamasında yalnızca yeni tasarımı yapılan rotor laminasyonuna göre rotor çekirdeği hazırlanmış, dağıtılmış sargılı stator gövdesi olarak muadil IE3 verim seviyesi asenkron motorunki kullanılmıştır. Rotor çekirdeği hazırlık sürecinde öncelikle NdFeB tipi mıknatıslar parçalı olarak sipariş edilmiştir. Rotor laminasyonları lazer kesim ile hazırlanmıştır. Rotor laminasyonları dorne ile biraraya getirilmiş ve alüminyum enjeksiyon prosesine hazırlanmıştır. Alüminyum enjeksiyon prosesi sonrası mil çakma işlemi gerçekleştirilmiş ve rotora mıknatıslar yerleştirilmiş, epoksi dökülerek rotorun her iki tarafından sabitlenmiştir. Balanslama işlemleri sonrası motor toplanmış ve prototip motor hazır hale getirilmiştir. Prototip motorun performans testleri IEC60034-2-1 standardı Bölüm 7'de senkron motorlar için tanımlanan doğrudan ölçüm yöntemine göre yapılmıştır. Bu yönteme göre motorun nominal yük altında giriş ve çıkış gücü değerleri ölçülerek verim değeri hesaplanmaktadır. Performans testleri öncesi motor ısınma testine alınmış, termal kararlılığa ulaştıktan sonra 6 farklı yük noktasında performans testleri gerçekleştirilmiştir. Testler sonucundan prototip motorun nominal yüklenme durumundaki verim değeri %90,2 olarak hesaplanmış ve IE4 verim seviyesini minimum ile nominal değer aralığında sağladığı görülmüştür. Rotorda bulunan mıknatıslardan dolayı prototip motor için ayrıştırılmış kayıp analizi yapılamamış, sadece bakır kayıpları, bakır kaybı formülü ile hesaplanmıştır. Performans testleri sonrasında motorun stator sargılarında endüklenen gerilimin dalga şekline bakılmış ve analizlerdeki ile tutarlı olduğu görülmüştür. Sonuç bölümünde ise IE4 verim seviyesinde şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımının minimum yatırım ile seri üretim şartlarında kolaylıkla üretilebilecek şekilde doğrulandığı belirtilmiş ve muadil IE3 verim seviyesi asenkron motor ile performans karşılaştırılması yapılmıştır.
Elektrik dağıtım sisteminde çok etmenli sisteme dayalı gerilim regülasyonu
Teknolojik gelişmeler ve insan nüfusundaki artış enerji ihtiyacını her geçen gün artırmaktadır. Sürekli olarak artış gösteren enerji ihtiyacı nedeniyle enerji üretim tesisleri üzerine yapılan çalışmalar da yoğunlaşmıştır. Enerji ihtiyacını farklı kaynaklardan karşılamaya yönelik yapılan çalışmaların neticesinde elektrik şebekelerinin yapısı da değişme uğramaktadır. Önceleri sadece iletim sisteminden bağlı büyük kurulu güçlere sahip merkezi üretim tesislerinden faydalanılır iken son yıllarda küçük ölçekli dağıtık üretimlerin de enerji ihtiyacını karşılamaya yönelik hatırı sayılır derecede katkıları söz konusu olmaktadır. Yenilenebilir enerji veya fosil yakıt bazlı dağıtık üretimler dağıtım şebekesinin hemen her yerinden şebekeye dahil olabilmektedirler. Ülkemizde de dünya genelinde olduğu gibi dağıtık üretimler yaygınlaşmaktadır. Kurulum safhasında çok yönlü enerji akışlarına ve dağıtım seviyesinden yapılan üretim entegrasyonlarına uygun olarak tasarlanmamış elektrik şebekeleri, dağıtık üretim entegrasyonları sonucunda bazı sorunlar ile karşılaşabilmektedir. Dağıtık üretim entegrasyonu kısa devre akımlarında artış, adalaşma riski, kararlı hal gerilimlerinde düzensizlikler gibi üzerine düşünülmesi gereken konuları ortaya çıkarmıştır. Dağıtık üretimlerin şebekeye entegrasyonları uluslararası standartlar ve yerel yönetmeliklerde belirtilen kriterler dahilinde detaylıca incelenmesi gereken bir alan halini almıştır. Bu tezin özelinde dağıtım sisteminde meydana gelen gerilim düzensizliklerini önlemeye yönelik kullanılan geleneksel ve modern ekipmanlar tanıtılmıştır. Dağıtık üretimler ve yük değişimlerinden kaynaklanan gerilim düzensizliklerini ortadan kaldırmak adına çok etmenli sistem ile gerilim regülasyonu yöntemi üzerinde detaylıca durulmuştur. Dağıtım sisteminde gerilim seviyesini izin verilen limitler içerisinde tutmak için gerilim kontrol ekipmanlardan faydalanılmaktadır. Buna ilave olarak modern dağıtık üretimler yapıları gereği şebekeye bağlandıkları noktadan kontrollü bir şekilde sisteme reaktif güç enjekte etme veya absorbe etme kabiliyetlerine sahiptirler. Bu yöntemle gerilim seviyesine etki edebilen dağıtık üretimlerin sisteme dahil olması, dağıtım sistemlerinde gerilim regülasyonunu birçok etmenin koordineli bir şekilde çalışması ile gerçekleştirilebilecek bir olgu haline getirmiştir. Yapılan literatür araştırmaları sonucunda çok etmenli sistem mimarisine dayanan bir algoritma ile gerilim regülasyonu yapmayı amaçlayan kontrol mekanizması Matlab yazılımının Simülink arayüzü üzerinde modellenmiştir. Test sistemi yine Simulink üzerinde radyal bir orta gerilim şebekesi şeklinde modellenmiştir. Modellenen sistemde 4 adet rüzgar santrali, yükler, transformatörler havai hatlar ve yer altı kabloları yer almaktadır. Kararlı hal gerilimini bozmak adına sistemde değişimler meydana getirerek çok etmenli sistem ile gerilim regülasyonunun sonuçları gözlenmiştir. Dağıtık üretimlerin üretim miktarının farklı rüzgar hızları ile değişmesi, santrallerin arıza sebebiyle veya aşırı rüzgar hızı sebebiyle devre dışı kalması, talep yük miktarının değişmesi gibi olası durumların etkileriyle 3 farklı durum için simülasyon çalışması yapılmıştır. Yapılan simülasyon çalışması da göstermiştir ki, şebekede yer alan rüzgar santrali üretim değerlerinde ve talep yük miktarlarında yapılan değişiklikler bara gerilimlerini yükseltebilmekte ve düşürebilmektedir. Gerilimin limit değerlerin dışına çıktığı durumlarda çok etmenli sistem düzensizliği yük etmenleri ile algılayabilmiş, ilgili etmenlerle iletişim kurarak gerilimi yeniden izin verilen değer aralığına başarılı bir şekilde çekebilmiştir. Bu sayede sistem gerilimleri yönetmeliklerde belirtilen aralıkta tutulmuş, sistemde yer alan ekipmanların gerilim düzensizliği sebebiyle zarar görmesi ve devre dışı kalması engellenmiştir. Gerilimi düzenlerken test sisteminde yer alan şönt kondansatör, yük altında kademe değiştirici ve rüzgar santrallerinin reaktif güç kapasitelerinden faydalanılmıştır. Gerilim kontrol ekipmanları koordineli bir şekilde çalıştırılarak manevra sayısı en aza indirilmiştir.
Investigation of hybrid permanent magnet rotor topology
With increasing concerns about environment, technology is evolving towards more efficient usage of materials. The key is to get better performance with less or the same amount of material. Electric motors are one of the most popular research topics in these concerns because it provides mechanical rotation with electrical excitation which is used in almost every single application in world. Moreover, electrical energy is mostly produced and consumed by electric machines and this makes efficient use of materials building up electric machines very critical. For some decades, with the usage of high performance permanent magnets and electrical steel, permanent magnet electric motors find place in applications where induction machines, electrically excited synchronous mahines and DC (brushed) machines mainly used. Especially with the increased usage of wind turbines and electric vehicles, popularity of permanent magnet machines (both DC and AC) has peaked and this lead to major broadening in the PM motor research field. Many different stator and rotor types are investigated, improved and proposed for obtaining better characteristics by detailed work and pushing the limits. In this thesis, a recently propesed hybrid permanent magnet strcture is investigated in order to determine the limits and capabilities. In the literature view part, history of electric machines are broadly mentioned and then detailed literature scan is made for hybrid motors where various motor topologies are represented. Later, theory of permanent magnet machines are studied which were then used in the design part. For the design part, two different stator structures are investigated: fractional slot and integer slot. A surface permanent magnet motor which is used as benchmark motor with fractional slot is analyzed following by the design of an internal permanent magnet (V-type) motor with the same size. After that aforementioned hybrid motor is designed and optimized. For the integer slot part, by using the analytical equations, a surface permanent magnet motor is designed. By using the geometric quantities of the motor an internal permanent magnet motor is designed and optimized by varying magnet shape and position. After the design of IPM motor is completed, by implementing SPM and IPM magnets into the same rotor initial hybrid motor is formed. By appyling wide range optimisation, final hybrid motor design is obtained. After the design phase is completed, integer slot motor is resized for prototyping. A prototype is built and tested in laboratory. Fine agreement between analysis and test results is obtained. Investigated hybrid rotor topology for fractional and integer slot stators are compared with their consequent benchmark surface and internal permanent magnet motors. It is obtained that by using hybrid rotor structure with integer slot stator, it is possible to obtain better performance characteristics in terms of total harmonic distortion and torque ripple.
Yüksek gerilimde kısmi boşalma olaylarının farklı basınç ve gerilim değerlerine bağlı olarak istatistiksel analizi
Yüksek gerilim, enerji sistemlerinin çalışmasında son derece önemli bir yere sahiptir. Gerek enerjinin üretimi ve iletimi, gerekse enerji kayıplarının minimize edilmesi yüksek gerilimle mümkün olmaktadır. Yüksek gerilim sistemlerinin kurulumu, hem ekipmanların maliyeti ve sistem içerisindeki kilit noktalara sahip olmaları (transformatör, orta gerilim hücresi, iletim hattı gibi ekipmanlar olmaları) hem de potansiyel güvenlik riskleri açısından çok ciddi dikkat ve profesyonellik gerektiren bir konudur. Yüksek gerilimin yukarıda bahsettiğimiz avantajları ve de aynı zamanda riskleri, elektrik mühendisleri olarak bizleri bu alandaki dezavantajları araştırmaya ve çözümler üreterek riskleri en aza indirmek yolunda çalışmaya itmiştir. Yüksek gerilimde karşılaşılan arızalar, araştırma alanı geniş mühendislik konularından birisidir. Kısmi boşalmalar da bu arızalardan biri ve en özgün karakteristik değerlere sahip olanıdır. Kısmi boşalma olayları, elektriksel sistemlerin yalıtım bölgelerinde meydana gelen ve tam olarak gerçekleşmeyen boşalma olaylarıdır. Kısmi boşalma olayları sonucunda yalıtım malzemelerinin tamamı veya bir kısmında oluşan arızalar, sistemin tamamını etkileyen ve işletmenin kesintisiz çalışmasını da engelleyebilen durumlardır. Kısmi boşalma olayları bu sebeplerle bu tezin çalışma konusunu oluşturmuştur. Yapılan bu tez çalışmasında, Stuttgart Üniversitesi Enerji İletimi ve Yüksek Gerilim Teknolojisi Enstitüsü Yüksek Gerilim Laboratuvarı' nda % 99 oranında N2 gazı ve % 1 oranında SF6 gazı ile 1 bar, 2 bar ve 3 bar basınçlar altında yapılmış olan ölçümler analiz edilmiştir. İnceleme yapılan gerilim seviyeleri, kısmi boşalma sinyallerinin ortaya çıkmaya başladığı 12 kV' tan başlatılmıştır. Ayrıca, tüm basınç değerleri için alınan ölçümler de grafikler halinde verilmiştir. Ölçümler, Omicron markasının MPD 5400 model cihazı ile kaydedilmiş ve yine Omicron markasının MCU 502 model fiber optik bus denetleyicisi (USB) ile kaydedilmiş olan optik sinyaller elektrik sinyallerine çevrilmiştir. Yapılan ölçümler hem basınç hem de gerilim etkisi yönüyle incelenmek istenmiş, bu amaçla basınç ve gerilim bazında istatistiksel değerler (ortalama değer, standart sapma, çarpıklık, basıklık ve korelasyon katsayıları) hesaplanmıştır. Hesaplanan istatistiksel değerler son bölümde yorumlanmış ve tartışılmıştır. Analizlerin daha kesin sonuçlar ortaya koyalbilmesi için çok daha fazla parametre ile deneylerin ve incelemelerin tekrarlanması gerekmektedir.
Elektrikli araçlar için gömülü sürekli mıknatıslı senkron makine tasarımının en uygunlaştırılmasına katkılar
Tükenen fosil yakıtları, bu yakıtların maliyetlerinin artışı, çevre kirliliği, daha verimli ve daha dinamik sistemlere yönelik araştırmalar hibrit araçların ve nihayetinde ise elektrikli araçların gelişiminde etkili olmuştur. Bu araçların gelişimine paralel olarak, elektrikli tahrik sistemlerinin, dolayısı ile bu tahrik sistemlerinin elektrik makinelerinin gelişimine yönelik araştırmalar hız kazanmıştır. Geçmişten günümüze elektrikli ve hibrit araçlarda farklı türlerde elektrik motoru kullanılmıştır. İlk elektrikli araçlarda doğru akım motoru, asenkron motor, basit rotor yapılı sürekli mıknatıslı senkron motorlar sıkça tercih edilirken teknolojik gelişmelerle birlikte başarımları daha iyi olan gömülü sürekli mıknatıslı senkron makineler ve sürekli mıknatıs destekli senkron makineler daha çok tercih edilmeye başlanmıştır. Literatürde bu elektrik makinelerinin üstünlük ve olumsuzlukları araştırılarak belirtilmiştir. Günümüzde gömülü sürekli mıknatıslı senkron makineler, verimliliklerinin, güç yoğunluklarının, güç faktörlerinin yüksek, alan zayıflatma yeteneklerinin iyi olmasından dolayı ticari otomobil üreticiler tarafından en çok tercih edilen makine türü olmuştur. Bunun yanında ticari elektrikli otomobil elektrik makinelerinde motor başarımını iyileştirmek ve maliyetini azaltmak amacı ile iyileştirme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmada gömülü mıknatıslı senkron makinenin işletme başarımı üzerine etki eden birincil ve ikincil tasarım değişkenlerinin etkisi incelenmiştir. Birincil tasarım değişkenleri olarak motorun ana boyutları, stator oluk tasarımı tanımlanmış ve bu büyüklükler analitik olarak hesaplanmıştır. İkincil tasarım değişkenleri olarak rotorun analitik denklemlerle modellenmesi fazlası ile karmaşık olan büyüklükleri sınıflandırılmıştır. Rotorda mıknatısların gömülerek yerleştirildiği boşlukların boyutlandırılması ve mıknatısların konumu motor başarımı üzerinde doğrudan etkilidir. Ancak bu tasarım büyüklüklerinin etkisinin analitik olarak ifade edilmesi fazlası ile zordur. Buradan yola çıkarak mıknatısların ve mıknatıs boşluklarının boyutları ile şekilleri ve ayrıca rotor hacmindeki konumları ikincil tasarım büyüklükleri olarak tanımlanmıştır. Toplam olarak 7 ayrı rotor değişkeninin irdelenmesi hedeflenmiştir. Tasarıma ticari elektrikli otomobil modellerinin kütleleri ile birlikte, kullandıkları elektrik motor gücü ve buradan yola çıkılarak tasarlanacak olan elektrik motorunun gücü belirlenerek başlanmıştır. Yine ticari elektrikli otomobillerde kullanılan sürekli mıknatıslı motorların rotor yapıları incelenmiştir. Tasarımın ilk boyutlandırmasına analitik denklemler ile başlanmış olup, temel boyutlandırmalarda kullanılan moment yoğunluğu, stator dış çapının iç çapına oranı gibi büyüklükler yine ticari otomobil motorları literatürde incelenerek elde edilmiş ve tasarımda kullanılmıştır. Makinede kullanılan mıknatıs ve laminasyon malzemesi özellikleri verildikten sonra makinenin güvenilirliği açısından kritik olan mıknatısların kalıcı demanyetize olma riskleri göz önünde bulundurularak mıknatısların en küçük uzunluğu sonlu elemanlar analizi ile belirlenmiştir. Makinenin başarımı üzerine en etkili faktörlerden biri olan mıknatısların kaçak akısının olabildiğince azaltılması amacıyla, mıknatıs köprü boyutlarının en küçük sınırı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak mekanik analizlerle belirlenmiştir. Mıknatıs köprü boyutları belirlenirken mekanik olarak güvenli bir rotor tasarımı hedeflenmiş ve merkez kaç kuvvetlerinden kaynaklı rotordaki mekanik zorlanmalar ve şekil değişiklikleri incelenmiştir. İlk tasarımda rotor bazı noktalarda yüksek mekanik zorlanmalara maruz kalmıştır. Ancak bu durumun köşeli geometrilerden kaynaklandığı görülmüş, köşeli geometriler giderilerek ilk tasarımda sorunlu olan yüksek mekanik zorlanmalar azaltılmıştır. Farklı güçlerde ve boyutlarda makine tasarımının ve analizinin çok hızlı bir şekilde yapılıp modellenebilmesi ve makine başarımının en iyileştirilmesi amacıyla, makine geometrisi değişkenlere bağlı olarak oluşturulmuştur. Bu değişkenlerden stator boyutları sabit olmak üzere, 7 tanesi kullanılarak rotor üzerinde bilgisayar destekli en uygunlaştırma yapılmıştır. En uygunlaştırmada hedef tasarım yüksek moment, yüksek moment/mıknatıs hacmi oranı ve düşük moment dalgalılığı olmuştur. En uygunlaştırma çalışmalarında örnek tasarımlar yine bilgisayar destekli olarak analiz edilmiş ve değişkenlerin, ulaşılmak istenen her bir motor başarım ölçütüne etkisi incelenmiştir. Değişkenler hedef işletme büyüklüğü üzerindeki etki derecelerine göre sınıflandırılmış ve o işletme büyüklüğü üzerinde en etkili olanların hedef başarım büyüklükleri ile olan ilişkileri yüzey grafiklerle incelenerek detaylandırılmıştır. Böylece analizlerde her tasarım değişkenin her bir başarım hedefine duyarlığı detaylandırılmıştır. Her bir hedef işletme büyüklüğü için etkili olan boyutlar seçilerek nihai tasarıma ulaşılmıştır. Elde edilen en uygunlaştırılmış makine bilgisayar destekli sonlu elemanlar yöntemi ile zamana bağlı detaylı olarak analiz edilmiş, elektromanyetik başarımı incelenmiştir. Buna ek olarak makine moment-hız karakteristiği ile birlikte, bu tüm çalışma aralığında verim ve moment dalgalılıkları elde edilmiştir. Son olarak makinenin sıvı soğutma kanalları tasarlanmış ve sonlu elemanlar yöntemi ile farklı yüklenmelerde ve farklı hızlarda sargı sonu ve mıknatıs sıcaklıkları incelenmiştir. Ayrıca sıcaklık analizleri sonucunda makinenin her bir parçasının ulaştığı sıcaklık değerleri elde edilmiştir. Çalışmanın sonucunda motor başarımı üzerine etkili olan rotor geometrik tasarım büyüklüklerinin ve şekillerinin belirlenmesi ve hesaplanması konusunda katkı yapan sonuçlara ulaşılması, başarımları daha yüksek motor tasarımının önü açılmıştır.
Çok istasyonlu ve çoklu tren setli bir metro hattının matematiksel modellemesi ve işletim senaryolarının karşılaştırılması
Yolcu taşımacılığında kullanılan raylı sistemler kullanıldığı semtin, şehrin, ülkenin veya kıtanın fiziki ve coğrafi özelliklerine göre, ulusal şebekede kullanılan gerilim, akım ve frekans tercihlerine göre, sahip olunan teknoloji altyapısına göre, insan popülasyonuna göre ve bunlar gibi birçok farklı parametreye ve farklı ihtiyaçlara göre değişiklik gösterebilir. Kimi yerlerde tramvay ve hafif raylı sistemler gibi şehir ile iç içe geçmiş sistemler yolcu taşımacılığında tercih edilirken, kimi yerlerde ise metro ve monoray sistemler gibi şehir trafiğinden yeraltı tünelleri ve yer üstü asma yapılar ile ayrılmış sistemler yolcu taşımacılığında tercih edilmektedir. İstanbul'da Karaköy ile Beyoğlu semtlerinin sahip olduğu coğrafi özellik nedeni ile bu iki semt arasında füniküler bir sistem kullanılırken; yine İstanbul Taksim semtinin sahip olduğu tarihi özellik, insan popülasyonu ve fizik şartlar gibi nedenler ile tramvay sisteminin kullanılması tercih edilmiştir. Her bir raylı sistem kendi içinde farklı karakteristiklere sahiptir. Her yapılan yeni raylı sistem projesinde veya eski bir sistemin revizyonunda mühendislik hesaplarının dikkatlice yapılması oldukça önemlidir. Örneğin, yüksek hızlı trenler hayatımıza girmeden önce inşa edilen demiryolları üzerinde yüksek hızlı trenleri veya tramvay hattı için inşa edilen raylar üzerinde metro veya başka sistemler için üretilmiş trenleri kullanmak gerektiğinde tüm hesaplamaların özenle yapılması oldukça önemlidir. Yeni yapılacak veya revize edilecek bir raylı sistem için hem sosyal hem de teknik yönden birçok analiz yapılmalıdır. Elektrik ile çalışan raylı sistem trenleri, hareket etmeleri ve yardımcı ünitelerini beslemeleri için gereken gücü cer gücü tedarik sistemlerinden alır. Cer gücü tedarik sistemi ise trafo merkezinin sağladığı güç sistemine göre, trenlerin akım toplama sistemine göre ve trenlerde kullanılan motorlara ve sürücülere göre olmak üzere üç farklı tipte sınıflandırılabilir. Trafo merkezleri raylı sistemler için doğru akım veya alternatif akım sağlamaktadır. Trenler ise bu akımı ya havai katener sistemi ile ya da üçüncü ray sistemi ile hareket etmek için toplamaktadır. Trenler, bu hareketi tren bojileri üzerinde bulunan alternatif akım motorları veya doğru akım motorları ve bunları kontrol eden doğru akım sürücü üniteleri veya alternatif akım sürücü üniteleri ile sağlamaktadır. Raylı sistemlerin işletme senaryolarının tasarım aşamasında irdelenebilmesi için matematiksel olarak başarımının elde edilmesi gereklidir. Bunun için sistemin elektriksel güç girişinden itibaren mekanik hareket için çıkış gücüne ulaşana kadar tüm sistem bileşenlerinin matematiksel modellerinin ayrı ayrı oluşturulması ve bütünleşik matematiksel modele ulaşılması gereklidir. Başta transformatör modeli olmak üzere metro besleme hattı, eviriciler, motorlar modellenerek ve mekanik modelle birleştirilerek nihai modele ulaşmak mümkündür. Belirli kabuller dahilinde modeli basitleştirmek olasıdır. Metro hattının topolojik ve fiziksel özellikleri de modellenebilir. Bu sayede tasarım aşamasında sayısal hesaplamalar ile tasarım bileşenlerinin uygunlukları öngörülebilir hale getirilebilir. Kurulan model kullanılarak farklı frenleme, yolverme, arıza ve benzeri işletme senaryoları incelenebilir. Enerji iletim sisteminden başlayarak harmonik, kayıp vb. olumsuz etkiler hesaplanabilir. Birden fazla seçeneğin olduğu tasarım bileşenleri için en uygun olanının da bu model ile seçilmesi sağlanabilir. Bu tezde, çok istasyonlu ve doğrusal hatta sahip bir metro sisteminin cer gücü tedarik sistemi MATLAB ® Simulink programı ile modellenmiştir ve birçok farklı durum için analizler yapılmıştır. Model oluşturulurken şebeke için faz-faz arası gerilimi 154 kV, 3-faz ve 50Hz olarak, indirici trafo merkezleri için ise trafolar 25MVA, 154kV/34.5kV, 50Hz olarak modellenmiştir. Cer trafo merkezlerinde bulunan trafoların giriş gerilimi 34.5 kV çıkış gerilimi 580V olarak, doğrultucular 6, 12, 18 veya 24 darbeli olarak LC filtre üzerinden akımı 3. raya iletecek şekilde modellenmiştir. Üçüncü ray 750V DC gerilim ile beslenecek şekilde oluşturulmuş ve her 1 km için eşdeğer 3. ray, geçiş ve dönüş dirençleri, her bir tren için ise eşdeğer pabuç dirençleri eklenmiştir. Tren setleri 4 araçtan oluşacak şekilde modellenmiştir ancak araçlardan biri sadece taşıyıcı araçtır ve üzerinde motor bulunmamaktadır. Her bir tren seti için toplam 12 adet sincap kafesli asenkron motor, her araçta 4 tane olmak üzere 3 araçta kullanılmıştır. Bu motorların her 2 tanesi 1 IGBT modülü tarafından sürülmektedir. Motorlar, rotor hızına göre değişen yük ile ve %25, %50, %75 ve %100 sabit nominal yük ile yüklenmiştir. Modele eklenen sabit değer fonksiyonu, trenlerde bulunan her bir motora bağlanmıştır ve sabit değer değiştirilerek yüklenme miktarının değişimine olanak sağlanmıştır. Bunun yanında model, eşdeğer 3. ray, geçiş ve dönüş dirençlerinin değerleri değiştirilerek istasyonlar arası mesafelerin değiştirilmesine, tren sayısının ve araç sayısının kolaylıkla değiştirilmesine, basamak fonksiyonu ve DGM sinyali için gecikme fonksiyonu değerleri değiştirilerek trenlerin kalkış zamanlarının değiştirilmesine, cer trafo merkezlerinin 3. ray hattını beslendiği noktaların belirlenmesine, cer trafo merkezlerinin çıkış hattına eklenen kesici ile istenilen zamanda cer trafo merkezlerinden birinin devreden çıkarılmasına, benzeri hataların oluşturulmasına ve bunlar gibi birçok işletme koşullarının değiştirilmesine ve analiz edilmesine olanak sağlamaktadır. Bir trenli, bir istasyonlu model, iki trenli iki istasyonlu model, iki trenli dört istasyonlu model ve dört trenli dört istasyonlu model oluşturulmuştur. Oluşturulan modeller kullanılarak farklı nominal yüklerde, farklı darbe sayısına sahip doğrultucular ve farklı yapıdaki doğrultucu trafoları kullanıldığında, farklı LC filtreler kullanıldığında, farklı kalkış zamanlarında, cer trafo merkezi sayısının farklı olduğu ve sistemi farklı noktalardan beslediği durumlarda, cer trafo merkezlerinden birinin veya ikisinin belli bir süre sonra devre dışı kaldığı durumlarda senaryolar çalıştırılmış, trenlerin kalkış karakteristikleri ve şebekeye harmonik etkileri analiz edilmiştir. Analizler sonucunda birçok farklı veri hakkında bilgi sahibi olunmuştur. Trenlerin kalkış anında sistemden çektikleri yüksek ray akımlarının kısa devre hata akımları ile karıştırılmaması gerektiği anlaşılmıştır. Cer trafo merkezlerinin rayı besledikleri noktaları arasındaki mesafeler arttıkça bazı trenlerin gerekli akımları raydan alamadığından dolayı 750 V DC sistemlerde cer trafo merkezleri arası mesafeler 1-3 km arasında tasarlanması gerektiği sonucuna varılmıştır. Doğrultucuların darbe sayıları arttıkça şebekeyi etkileyen THD değerlerinin azaldığı görülmüştür.
Senkron alçaltan doğru akım çeviricinin PI ve bulanık PI kontrolünün karşılaştırılması
Güç elektroniği, günlük kullandığımız ev aletlerinden, elektrik motor sürcülerine, yenilenebilir enerji kaynaklarından, doğru akım yüksek gerilim iletimine kadar elektrik enerjisiyle çalışan nice sistemde elektrik dalga şeklini çevirmeye yada gerilim ve/veya akım seviyesini ayarlamaya yarayan devreleri konu alan elektrik mühendisliğinin bir alt dalıdır. Doğru gerilimi ayarlı doğru gerilime çeviren devreler ise özellikle motor kontrolü ve güç kaynağı uygulamalarında kullanım alanı bulmaktadır. Başta alçaltan ve yükselten olmak üzere farklı DA çevirici tipleri mevcuttur. Doğru akım alçaltan devreler de güç elektroniğinde önemli yeri olan bir konudur. Vinç sistemeleri, taşıma bantları vb. doğru akım motor kontrol uygulamaları, güneş paneli uygulamaları doğru akım alçaltan devreler için endüstrideki bazı önemli uygulamalarıdır. Klasik doğru akım alçaltan çeviricilerde alt kolda kullanılan serberst geçiş diyodu yüksek güçlü uygulamalarda önemli güç kayıplarına ve tasarımda boyut dejavantajına neden olmaktadır. Serbest geçiş diyodu yerine MOSFET anahtarlama elemanı kullanıldığında ortaya çıkan senkron alçaltan çevirici tasarımı klasik doğru akım çeviriciye göre daha verimli çalışmaktadır. Devre tasarımında önemli bir konuda kontroldür. Kapalı çevrim bir kontrol yöntemiyle tasarlanan devrenin bozucu etkilere rağmen belirli bir çalışma aralığında çalışması sağlanabilir. Birçok uygulamada olduğu gibi doğru akım çeviricilerde de PI kontrol ile oldukça etkili, kolay ve ucuz bir kontrol sağlanabilir. Bunun yanı sıra klasik PI kontrolde Kp ve KI katsayılarının sabit olması yerine bunların sistem değişimlerini dikkate alarak değiştirecek uyarlanabilir bir yöntemle daha etkili bir kontrol yapılabileceği düşünülebilir. Doğru akım çevirici kontrolünde denetim yöntemi olarak bulanık mantık tabanlı bir PI kontrol de fayda sağlar. Böyle bir kontrol devresi tasarlamak için bulanık küme, bulanıklaştırma, üyelik fonksiyonu, bulanık çıkarım, duruluma gibi bulanık kontrolün temel konuları ve uygulamaları kullanılabilir. Bu tezde bir senkron alçaltan çevirici tasarlanarak klasik PI kontrol ile Kp ve KI katsayılarını sistem cevabına göre ayarlayacak bir yöntem olarak Bulanık PI kontrol yöntemi uygulanarak sonuçların karşılaştırılarak yorumlanması amaçlanmıştır. Devreye ait elemanların seçimi için devreninin sürekli haline ilişkin matematiksel modeli elde edilmiştir. Devrenin kararlılığını incelemek ve Kp ve KI katsayısılarını belirlemek için devreninin geçici hal durumundaki matematiksel modeli ve transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Yapılacak uygulamanın MATLAB/Simulink üzerinde benzetim çalışmaları yapılarak devrenin PI kontol ve bulanık PI control durumundaki sonuçları incelenmiştir. Devre tasarımını gerçeklendikten sonra devreninin kontrolünü sağlayacak kontrolör tasarım aşamasına geçilmiştir. Kontrol için Atmel işlemci tabanlı Arduino MEGA kullanılmıştır, PI ve bulanık PI için oluşturlan algoritmalar Arduino derleyicisinde kodlanmıştır. Uygulama çalışmalarının ardından alınan sonuçlarla yapılan karşılaştırmalı değerlendirmelerde bulanık PI kontrolün, PI kontrole karşı yükselme zamanı ve yerleşme zamanı gibi parametrelerde daha üstün olduğu görülmüştür. Bu tezde İTÜ Bilimsel Araştırma Projesi (BAP) desteği alınarak, tezin gerçekleştirilmesine ve İTÜ Elektrik Mühendisliği Elektrik Makinaları Laboratuvarına katkı sağlanmıştır.
Voltage control of a stand alone hybrid system using fuzzy logic controller
Many countries have been faced with danger of energy shortage and many environmentalists have been worried about global warming due effect of CO2 emissions. Furthermore, lack of saving in electrical resources added severe of crisis in these countries. Moreover, many remote areas don't have access to grid. Most of power systems experience a transient mode. In a special case, the operation of solar panel and wind turbine is depended to solar irradiance and wind speed. Also, maintenance DC-link voltage and output AC voltage regardless variations of wind speed and solar irradiation can be a challenging topic. In this thesis, a new strategy based on the stability of DC-bus voltage for a hybrid power system is proposed. Firstly, the operation of DC-bus voltage for a stand-alone hybrid power system consists of solar panel and wind turbine is investigated. In this case, a PI controller is used to regulating at its reference value. Then, the performance of DC-link voltage in a stand-alone hybrid system included a solar PV, wind turbine, battery and the fuel cell is studied. Furthermore, the Fuzzy logic controller is used as a power management energy in this case. Finally, the performance of DC-link voltage in a stand-alone hybrid system under PV system is out of service and when 50% of load is used is studied. The MATLAB/Simulink and SimPowerSystems software packages are used to model a proposed stand-alone hybrid power system. Simulation results show that proposed strategy has better performance under fast variation of irradiance. The first chapter contains literature review. This chapter addresses articles pertaining to design and improve the voltage control algorithm in the power system. In the second chapter, hybrid power system is introduced and the importance of using it in the network to improve the control of the power system is explained. The third chapter describes the componenet mathematic and matlab modeling. The renewable energy conversion systems are used to harvest generated energy in DC busbar and then converted to AC by a three-phase full-bridge inverter. The proposed distributed generation substructure supplies loads with low total harmonic distortion. A new strategy based on stability of DC-bus voltage for a stand alone hybrid power system is proposed in Chapter 4. Finaly the results of Simulink discussed in the fifth chapter.
Elektrikli araç otoparklarının dağıtım sistemi güvenilirliğine etkilerinin incelenmesi
Yakın geçmişe kadar elektrik enerjisi, kaynağın olduğu yerde, büyük güçlü üreteçlerle üretilip uzun iletim hatları ile tüketiciye ulaştırılmaktaydı. Ayrıca, güç sistemlerinin yönetimi (üretim, iletim ve dağıtım şebekelerinin yönetimi) tek elden yapılmaktaydı. Bugünün dünyasında, gelişen ve büyüyen güç sistemlerinde bu yapı ihtiyaca cevap vermemektedir. Çünkü katı düzenlemeler enerji kaynaklarından etkin şekilde yararlanmayı engellemektedir. Yeni yapılanma ile açık-erişim ortamında, tüketiciler elektrik sağlayıcılarını serbestçe seçebilmektedirler. Serbestleştirmenin ortaya çıkışıyla, elektriğe olan arz ve talep esnekleşmektedir. Bu durumda yapılması gereken, tüketici ihtiyaçları göz önüne alınarak, mevcut sistemlerde iyileştirme yapmak veya tüketicilere kendi elektriğini üretip fazlasını da satabilme olanağını vermektir. Bu değişikliği yapabilmek, uzun yıllardır uygulanan modelin değiştirilmesi anlamına gelmektedir. Yeni oluşan yapı, dağıtık enerji kaynaklarının (DEK) düşük yatırım maliyetleri, çevreye duyarlı yapıları ve yüksek esnekliğe sahip özelliklerinden dolayı cazip bir üretim ve depolama çeşidi haline getirmektedir. DEK'ler, dağıtım sistemlerine bağlanan küçük ölçekli üretim ve depolama sistemleridir. Değişen ve gelişen güç sistemlerinde yeni aktörlerden biri de elektrikli araçlardır (EA). EA'lar dağıtım sistemleri için yeni olanaklar ve yeni bir rekabeti ortaya çıkartmaktadır. Çünkü EA'lar ilerleyen yıllarda artan kullanımlarıyla dağıtım sistemi planlamasında dikkat edilmesi gereken bir yük olmasının yansıra, sistem için bir depolama seçeneği de olacaktır. Elektrikli araçların, depoladıkları enerjiyi, sistem kaynaklarında bir yetersizlik ve/veya bileşenlerde bir arıza olduğunda şebekeye vererek sistem güvenilirliğinde iyileşme sağlamak mümkündür. Teknik getirisi yanında, sistemin tepe yükte çalıştığı saatlerde yükselen enerji fiyatları durumunda, tepe-tıraşlama amaçlı kullanılabilecek bir ekonomik donanım olarak da işlev görmesi olasıdır. Diğer taraftan kısıtlı batarya kapasiteleri (12-90 kWh), EA'ların şebekeye yapacakları katkıyı sınırlamaktadır. Bu noktada, birleştirici yapılarından dolayı EA park alanları, tepe tıraşlama veya yedek güç biçiminde çalışan yeni bir DEK olarak kullanılabilir. Çünkü EA'lar günün büyük bir kısmında park halindedir. Bu çalışmada, EA otoparkının olasılıksal depolama kapasitesinin (ODK) dağıtım sistemi güvenilirliğine etkileri incelenmektedir. İstanbul gibi büyükşehirlerde 400-500 araç kapasitesine sahip birçok otopark bulunmaktadır. Gelecekte sürücü alışkanlıklarındaki değişiklik de göz önüne alındığında, böyle bir park alanındaki depolanan enerji, öğle tepe yük süresinde şebeke 2-3 saat boyunca 1 MW güç sağlayabilir. Bu çalışmada, EA otoparkının ODK'nin dağıtım sistemi güvenilirliğine etkilerini belirlemek için bir depolama modeli, yük modeli ve dağıtım sistemi modeli olmak üzere üç temel model geliştirilmiştir. İlk aşamada EA otoparkının ODK modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan modelin en önemli parametrelerinden biri, araçların otoparka geliş/gidiş örüntüsüdür. İSPARK tarafından sağlanan Hacıosman katlı otoparkının araç geliş/gidiş zaman verisi kullanılarak, bu örnek otoparkın araç geliş/gidiş zamanlarının dağılımı elde edilmiştir. Bu dağılımlara uygun geliştirilen rastlantısal araç geliş/gidiş örüntüsü ile birlikte araçların otoparka ulaştıklarındaki batarya doluluk yüzdesi (State of Charge - SoC) ve doldurma cihazı gücü belirlenerek Monte-Carlo (MC) benzetimi ile her gün içi saat için EA otoparkının ortalama ODK değeri hesaplanmıştır. Ayrıca, model parametrelerinin etkisini gözlemlemek için çeşitli duyarlılık analizleri yapılmış ve otopark ODK'nin mevsimsel olarak değişimi incelenmiştir. İkinci aşamada, otoparkta EA'ların dolma sırasında ihtiyaç duyduğu güç hesaplanmıştır. EA'lar, sabah saatlerinde (07.00-11.00) doldurulur, otoparkın depolama kapasitesinin en yükseğe ulaştığı zaman diliminde (11.00-14.00) sistemde arıza veya kesiti olursa boşaltılır. Belirlenen bu çalışma ilkesine göre, ilk aşamada geliştirilen otoparkın araç geliş/gidiş örüntüsü ve lityum-iyon batarya dolma özelliği kullanılarak otoparkın yük eğrisi bulunmuştur. Daha sonra, BEDAŞ tarafından sağlanan otoparkın şebekeye bağlanacağı dağıtım fiderinin yük verisi işlenerek bu fiderin yük modeli oluşturulmuştur. Son aşamada BEDAŞ tarafından sağlanan veri kullanılarak güvenilirlik analizi için fiderde bulunan elemanların güvenilirlik parametreleri belirlenmiştir. Otoparkın depolama kapasite modeli, otoparkın ve fiderin yük modelleri ve fider elemanlarının güvenilirlik parametreleri birleştirilerek ve belirlenen dört farklı çalışma senaryosu için dağıtım sistemi güvenilirlik ölçütleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar EA otoparkının sistem güvenilirlik ölçütlerinde % 42'e varan iyileşme sağladığını göstermektedir. Ayrıca, EA otoparkının güvenilirlik ölçütlerinde sağladığı iyileşmeyi güçlendirmek için şebekeden araca (G2V) ve şebekeden araca (V2G) enerji akışı işlemlerinden elde edilen ekonomik fayda hesaplanmıştır. Bu çalışmanın en önemli özelliği, gerçek veriler kullanılarak bir otopark depolama kapasite modeli oluşturulması ve bu modeli kullanarak yine gerçek bir dağıtım fideri verileri ile bu fidere bağlı EA otoparkının, fiziksel kısıtları da dikkate alarak, olası farklı çalışma koşulları için dağıtım sistemi güvenilirliğine etkisinin incelenmesidir. Literatürdeki çalışmalarda genellikle örnek test sistemleri kullanılmakta ve çoğu kez dağıtım fiderine kıyasla oldukça güçlü bir otopark kapasitesinden hareketle analizler yapılmakta; bunun sonucunda da abartılı teknik ve ekonomik getiriler hesaplanmaktadır. Bu çalışmalar, V2G işletme şekli için geleceğin akıllı şebekelerinde, güvenilirlikteki iyileşmelerle ilgili bir beklentiyi ortaya koymaktadır. Fakat bu beklentinin mertebesi biraz abartılı olup, bu çalışma ile otoparkların elektrik şebekesi açısından teknik ve ekonomik getirileri daha somutlaşmaktadır. Bu çalışma sonuçları aynı zamanda, otopark işletmecileri ve dağıtım şebekesi ilgililerine, tercih ve yatırımları için yol gösterici bir özellik taşımaktadır. Bu çalışmanın sonuçları kullanılarak, var olan veya yeni kurulacak otoparkların elektrik altyapı ihtiyaçları, sadece G2V değil, V2G çalışma da dikkate alınarak belirlenebilir. Son olarak, daha küresel ölçekte bakıldığında, mevcut bir potansiyelin kullanılması ile ek enerji kaynağı yatırımlarının önleneceği gerçeğinden hareketle, çalışmanın sonuçları, kamu otoritesinin bu tarz girişimlere sağlayacağı destekler açısından da önem kazanmaktadır. Diğer yandan bu çalışma mevcut otoparklar veya konumu belli olan yeni kurulacak otoparklar ve dağıtım şebekesi bilgisine odaklanarak, bu koşullar altında, farklı çalışma senaryoları için güvenilir değerlendirmesini içermektedir. Otopark konumlandırma (en uygun otopark şebeke bağlantı noktası belirleme) veya boyutlandırma (en uygun otopark araç boyutu belirleme) problemleri, çalışma kapsamı dışındadır. Gelecekte, EA ve batarya teknolojilerinde yaşanacak gelişmeler ve elektrik piyasasındaki yeni yönelimler, çalışma sonuçlarının önemi ve anlamını daha da belirginleştirecektir.
Optimization of PMSM using halbach arraysto maximize motor efficiency
Permanent magnet synchronous motors are widely used in technological applications. Various permanent magnet synchronous motors are preferred for different type of purposes such as in home applications, military needs, air-space applications, automotive, health applications, etc. They can provide low cost solutions in high performance load needs depends on its durability, simple construction, control capacity and energy efficient structure.Because of the wide usage of electrical motors in both industrial and home applications, they are becoming integral part of technological applications. Efficient usage of energy sources and efficiency issues about industrial and home systems becoming more important day by day with growing energy demand of world population. As a result, goverment and world energy organizations began to use new standards and regulations to organise energy demand and usage of world. Energy consumption and energy classes of electrical motors became an important issue also for the energy regulations because of wide usage of electrical motors. Moreover, these regulations lead to motor designers to find out new methods about design issues for electrical motors.Halbach magnet array discovered by Mallinson in 1973, depends on his researhes about magnets and magnet based structures. Halbach magnet arrays were used in energy storage applications, accelarators and recorders at the beginning. After its structure is approved, they are applied in different fields like electrical motors. Moreover, optimizations problem based on analytical calculations started to use for best solutions in engineering problems to obtain optimum solutions, rather than empirical formulas. Optimization methods basically classify into mathematical optimization and metaheuristic optimization. Metaheuristic optimization methods like particle swarm optimization, genetic algorithm, artificial bee colony and etc. lead best solutions for engineering problem because of their nature based algorithms. In this research, Halbach array implementation is applied for a pump motor used in household applications. Particle swarm optimization and genetic algorithm are used to optimize the Halbach arrayed design. Finite element method and analytical calculations were used for the motor design. The designed motor is compared to the reference motor in terms of motor performance indicators such as magnetic flux results, efficiency, cost and weight. Results shows that, it is possible to enhance efficiency and output torque at same conditions with using optimized Halbach array as mentioned in the literature. All electrical and magnetic contributions and disadvantages of using Halbach array implemetation are evaluated in the thesis in detail.
The effects of communication delay on the operation ofdistributed energy resources in power distribution systems
Main objective of Power Electrical system is providing electrical energy for demanding consumers, as much as possible. The hierarchy of electrification starts from the high voltage generating units. The generated electrical energy reaches to the consumers passing through lines that are responsible for transmitting high level and medium level voltages and distribution systems, respectively. In the recent years, power system is growing in their size and complexity. It is determined by many factors and leads to several consequences. Environmental and economic aspects, as well as deregulation in power industry, are the important reasons that drive power system evolution. Mainly the environmental factors, such as limiting CO2 emission, lead to growing usage of the small renewable energy sources (RES) systems, what pushes currently centralized power generation paradigm towards more distributed approach in the future. On the other hand, the integration of more RES, which are usually intermittent sources of energy, adds some complexity to the monitoring and control of the power system. Micro-grids and Distributed Generation (DG) concepts have been introduced to the power system in order to meet the aims with both higher quality and quantity. However, there are some draw backs or at the more precise meaning of the word, Challenges, that are brought to the power system analysis using distributed generations. The aforementioned challenges in evolution of the power system determine inseparable challenges for diverse communication infrastructure. Those challenges include, for example, the synchronization between different entities in case of deregulated power industry, but most importantly challenges more directly related to integration of the new sources. Due to the intermittent behavior, small-scale and high number generation of distributed RES, their management, control, and protection become a difficult task. In order to provide reliable, economically feasible and safe operation, proper coordination through communication of measurement data and control data is essential. The communication infrastructure can exchange crucial data; however, it also brings new threats in the control and management of the power system. It is well known that the delays such as communication delays in the power system reduce the system damping performance and may even lead to instability if the delay margins are exceeded. Standards such as DNP3 and IEC 61850 communication protocols provide definition of intelligent electronic devices at electrical substations of medium voltages that let the power system operate more reliably and wisely. From which the second one has proved its better performance and application feasibility, interoperability and better scalability. IEC 61850 is widely used all around the world due to its in detail specifications, as well. One vital difference between DNP3 and IEC 61850 is that the second one not only includes the details of sending and receiving data and information, but also includes descriptions about the storages and executions. It will be explained that even IEC 61850 does not guarantee the system operation with absolutely no failure or fault. Nevertheless, it provides the opportunity and necessary information that paves the way of having a robust system. On the other hand, as it is mentioned above, failure analysis is not addressed in these protocol. Hence, it is important to investigate the effects of these failures in the system to predict the system behavior under different conditions. These potential hidden failures are important to analyze since they endanger the robustness, reliability, security and stability in the system with communication infrastructure which may result in black outs our outages in system. Pocket loss, link failure, data corruption and delays, etc. are failures which attract more attention of engineers due to their probability of occurrence. From which, the last one is the most frequent one and it couldn't be ignored in the system. On the other hand of the story, the control system over the distributed energy resources (DER) that aims at the frequency restoration, voltage regulation and active-reactive power sharing operates under the rules of hierarchy control, mostly. Droop control laws are used for the primary level of the control structure. This droop control enhances the performance of the system, however, it may not guarantee the stability and robustness, as well. Hence, the secondary layer should be implemented. That is where communication infrastructure is needed for data transmission. The control methodologies could be classified due to this communication between the DERs. These control methodologies have been studied in this thesis. Pros and cons are investigated and a case study with the most appropriate one and the most frequent failure, i.e. constant delay is going to be discussed. Stability analysis considering primary and secondary control and eventually, communication failure (or more specifically latency) is a challenge in power system. Most studies either include simple structures of the power system or excludes some dynamics within the power system. However, this study tries to be as comprehensive as possible. This comprehensiveness aids to get some instable regions of the frequency domain analysis revealed and have the system better known. The algorithm provided and used for the thesis does not use any simplification, as well. All in All, power system and the communication used in, should be able to preserve stability and reliability of the system, regardless of the frequent transients and communication failures imposed on system.
Arc-based modeling, condition monitoring and failure detection of on-load tap-changers
Power transformers are highly valuable units that are extensively used throughout the power systems to change and regulate different voltage levels. The safe, reliable, and continuous operation of power transformers is extremely critical for safeguarding the continuity of power delivery. One of the most expensive and vulnerable parts of power transformer is its on-load tap-changer (OLTC), i.e., an electro-mechanical switching equipment which operates to regulate the output voltage level of power transformer to compensate the over and under voltages resulted from load variations by changing the winding step ratio. An OLTC is also considered as the most vulnerable equipment of power transformers, because it is the only moving part of transformers. Therefore, it is very important to continuously monitor the operating conditions of OLTC. There is a sequence of switching incidents with certain timings during each OLTC operation. These switching events can be compared to the switching incidents of circuit breakers (CBs). CBs are electro-mechanical switching devices which operate widely within the power systems. The principle objective of CBs is to interrupt the fault current in a safe, reliable, and timely manner. As a CB operates through its lifetime, it undergoes severe electrical, mechanical, and thermal stresses that degrade its operating condition. This is the case for OLTCs as well, because they operate in a very similar manner. Thereby, it is highly crucial to continuously monitor the operating conditions of OLTCs for each tap-changing operation. There are three types of condition monitoring (CM) and failure detection (FD) methods applicable for CBs and OLTCs that include off-line, on-line, and real-time. In off-line methods, all measurements are obtained from de-energized equipment during out of service conditions. In on-line techniques, measurements can be taken from equipment under normal operating conditions whenever required, whereas in real-time methods, measurements must be collected continuously utilizing real-time sampling techniques. Considering recent developments in measurement technologies and smart grid plans, the CM and FD techniques based on real-time approaches have become more realistic and justifiable. This thesis presents a new modeling principle for OLTCs based on the CB arc models. The working principle of OLTCs is based on a sequence of switching operations with certain timing intervals. These switching operations are individually modeled and thus a full arc model of OLTC which is capable of performing a full tap-changing operation is derived. Fault location algorithms are influenced by the OLTC operation because it changes the impedance, characteristic impedance, and therefore the traveling wave velocity of the transmission and distribution lines. The proposed OLTC model can be effectively used to further investigate the probable effects of tap-changing operations on different types of fault location algorithms and improve the performace of these techniques. Whenever a CB operates, the medium between its separating contacts becomes highly ionized because of the high temperature originated by the high current flow before its interruption. In this case, the arcing current of CB continues to flow even after the full physical separation of CB's arcing contacts. This phenomenon is called an electric arc which is the key point in CB modeling. Several arc models have been proposed in the literature during the past decades. The combination of two well-known arc models will be used in this thesis. The first model has been introduced by A. M. Cassie in 1939, in which an electric arc channel with fixed values of temperature, electric field intensity, and current density is considered. In this model, the arc conductance is a function of the arc cross section and the arcing energy is obtained by the convection law. It can characterize the arc behavior in high current vicinities. The second arc model has been proposed by O. Mayr in 1943, in which the arc temperature is highly variable but the size and shape of the arc column is fixed. Therefore, the principal mechanism of energy losses is based on the thermal conduction law. It can model the arc characteristics in low current vicinities accurately. As mentioned earlier, the Cassie and Mayr arc models can represent the arc behaviors in high and low current vicinities, respectively. Therefore, the combination of both arc models can simulate the arc behaviors within the entire current spectrum. The difference between the instantaneous power of the input and output terminals of CBs and tap-changing transformers is used to calculate the instantaneous arcing power and its related energy relating to the CB and OLTC operations. The power difference of a CB is always zero as long as a CB is fully closed or open. On the other hand, under normal operating condition, the instantaneous power difference of transformers equals the transformer power loss. However, during the CB and OLTC operations, the power difference becomes the arcing power of CBs and tap-changing transformers. For CBs, the instantaneous arcing power is directly available under arcing conditions. However, in case of OLTCs, the instantaneous power loss of power transformers must be estimated and subtracted from the instantaneous power difference in order to obtain the instantaneous arcing power. Then, the cumulative arcing energy and the integration of arcing power are used to propose a novel CM and FD algorithm for CBs and OLTCs. In this thesis, it has been demonstrated that the cumulative arcing energy of CBs and OLTCs is a good indication of the electrical wear of CB's and OLTC's arcing contacts. Therefore, it is used for the CM of CBs and OLTCs. In addition to the CM section, the integration of arcing power for a period of a single opening or tap-changing operation is used to identify any failure in CB or OLTC operation. The moving average filter has been used to smooth the output sequence. In this regard, certain number of points has been taken from the input sequence to produce the output data points. Therefore, more reliable data will be available for the proposed algorithms. The CM threshold quantity which remains constant throughout the implementation of CM algorithm is predetermined for each type of CB and OLTC based on the number of permissible operations at the rated capacity of CB and rated step capacity of OLTC which is defined by manufacturers. The alarm criteria of the proposed CM algorithm is evaluated using the cumulative arcing energy associated to CB or OLTC operations. In this regard, the cumulative integration/summation of the measured arcing powers associated to CB or OLTC operations (i.e., the cumulative arcing energy) is compared to the CM threshold quantity of the proposed CM algorithm following each opening or tap-changing operation. Whenever the accumulated value exceeds the predefined threshold value, an alarm signal is initiated to inform the system operator. This alarm signal indicates that the maximum contact wear of CB or OLTC has been reached and the inspection has become necessary. Otherwise, the algorithm continues to measure and store the arcing energy. On the other hand, the maximum permissible arcing times of CBs are usually defined by manufacturers and are slightly different for various types of CBs. Their values are ranging from 15 ms to 25 ms that indicate the maximum arcing durations that CBs can safely undergo without being defected. Clearly, the measurement of CB arcing times is a highly complicated job. Therefore, the proposed FD algorithm indirectly evaluates the CB arcing times utilizing the integration of arcing powers over time that is actually the arcing energy related to various arcing durations. If the integration of normalized arcing power is greater than the FD threshold quantity, the CB has failed to function properly and therefore a trip signal is initiated to the same CB once again or upstream CBs for fault isolation. Regarding the OLTCs, whenever the estimated arcing energy for a single tap- changing operation reaches the FD trip level, a trip command is initiated to disconnect the power transformer from the power system. Otherwise, the FD algorithm remains stable and evaluates next tap-changing operations. The results of the computer simulation studies prove that the CM algorithm effectively monitors the electrical wear of CB's or OLTC's arcing contacts to evaluate the time of maintenance. On the other hand, the results obtained from the FD algorithm show that the FD algorithm is capable of distinguishing between the successful and faulty opening or tap-changing operations of CBs or OLTCs and effectively detects failure conditions. Chapter 1 includes an introcution and a literature review on CM and FD of OLTCs. Tap-changing effects on fault location algorithms and the motivations of the thesis are explained in Chapter 2. A brief explanation of different arc models of CBs and the implementation of Habedank arc model within electro-magnetic transient program restructured version (EMTP-RV) are discussed in Chapter 3. Chapter 4 contains the existing techniques for CM of CBs and a proposed CM algorithm which uses the measurement of CB power loss caused by arcing condition for this purpose. Chapter 5 discusses an available practice and a new power-based algorithm for FD of CBs. The real-time test studies for the performance analysis of the CM and FD algorithm for CBs are discussed in Chapter 6. An original modeling concept for OLTCs and its implementation details have been introduced in Chapter 7. Chapter 8 contains a modified version of the proposed power-based algorithm and the related computer simulation studies for CM of OLTCs. Another modification of the same power-based algorithm and simulation studies for FD of OLTCs are explained in Chapter 9. The real-time test studies for the performance analysis of the OLTC operation is performed in Chapter 10. The conclusions, recommendations and future research opportunity are discussed in Chapter 11.
Talep cevabına katılım oranının elektrik dağıtım sistemi işletimi üzerindeki etkisinin incelenmesi
Elektrik hizmetinin üreticiden tüketiciye ulaşmasında önceleri üretim, iletim ve dağıtım sistemleri dikey bütünleşik yapıdaydılar. Bu yapılarda görülen çapraz sübvansiyonlar, tekelleşme, altyapı yatırımlarında yetersizlikler, teşebbüsler arası koordinasyon bozukluğu, uyumlu eylemde bulunma ve birlikte hakim durumda bulunma gibi nedenlerden ötürü piyasa rekabetini engelleyici gelişmeler yaşanmıştır. Üstelik verimsizlik nedeniyle hizmet kalitesinde de düşüşler görülmüştür. Bu nedenle 90'lı yılların sonuna doğru dünyada elektrik sektöründe serbestleşme süreçlerine girilmiş ve dikey bütünleşik yapıların yeniden yapılandırma yoluyla elektrik üretim, iletim, dağıtım, ticaret ve düzenleyici kurumları birbirinden ayrılarak çapraz sübvansiyonlar engellenmiş ve daha verimli çalışan bir sisteme geçilmiştir. Ayrıca elektrik enerjisini üreten, tüketen ve aracılık yapanlar arasında rekabetçi piyasalar oluşturulmuştur. Avrupa ülkelerindeki elektrik toptan satış piyasalarının yoğunlaşma endekslerinin yüksek olduğu görülmüştür. Bu ülkelerinin yarısından fazlasında, en büyük güçlü üretim santrallerinin piyasa paylarının yüzde ellinin üzerinde olması piyasada rekabet ortamının düşük olduğunu göstermektedir. İskandinav elektrik piyasasında düzenleyici kuruluş olan NordREG, piyasaları izlemek ve geliştirmekle sorumlu olup perakende piyasalarında rekabetin ölçümlenmesi ve karşılaştırılması amacıyla; tedarikçi sayısı, tedarikçi değiştirme oranı, fiyat marjı ve piyasa yoğunlaşma endeksi olmak üzere dört adet gösterge belirlemiştir. Tüketicilerin tedarikçisini değiştirebilme serbestliğini gösteren piyasa açıklık oranı ise rekabetin izlenmesi açısından bir diğer önemli göstergedir. Avrupa'da ve Türkiye'de teorik piyasa açıklığı yüksek olmasına karşın, serbest tüketici hakkını kullanan tüketicilerin toplam tüketimdeki oranı düşüktür. Bunun nedenleri ise tedarikçilerin yerleşik şirketler olmasından kaynaklanan avantajlar, tedarikçiler arası geçiş maliyetlerinin yüksekliği ve piyasa katılımcıları arasındaki rekabet kültürünün henüz tam anlamıyla gelişmemiş olmasıdır. Dolayısıyla perakende piyasadaki rekabetin bir süre daha bölgesel nitelikte olacağı söylenebilir. ABD Federal Enerji Düzenleme Kurumu (FERC) 2009 yılında yaptığı 10 yıllık talep cevabı katılım potansiyeli araştırmasıyla 2019 yılı için %20 oranında puant güç düşüşü potansiyeli öngörmüştür. Ancak bu artış teknolojili fiyatlandırma ile özellikle akıllı termostatlı HVAC sistemleri ve diğer ev aletlerinin fiyatlara otomatik cevap verdiği bir yapıda gerçekleşmektedir. Bu tez kapsamında dağıtım şebekesi ve tüketicisi tarafında öncelikli olarak HVAC sistemlerinin piyasa fiyat tabanlı talep katılımını incelemek için içerisindeki ev aletlerinin de olduğu toplam 320 adet birer ailenin yaşadığı evler olan bir elektrik şebekesi GridLAB-D programında analiz edilmiştir. Ev aletlerinin enerji tüketimi terminal gerilime, kullanıcıların sayısı, konfor seviyesi ve sosyal ve ekonomik verilere de bağlıdır. Örneğin, dış ortam sıcaklığı evin termal yalıtımına göre iç ortam sıcaklığını değiştirmektedir. Ayrıca ortamdaki cihazlar, insanlar ve ev hayvanlarının yaydığı ısı da iç ortam sıcaklığını değiştirmektedir. Bu sebeple GridLAB-D programı ile dairelerin enerji tüketimleri için çevresel etkenleri de içeren termal ısıl modelleri (ETP) kullanılmıştır. Piyasada ihale yöntemiyle alıcı ve satıcılar uzlaştırılmaktadır. HVAC cihazlarının piyasa fiyatına göre enerji tüketimini değiştirmesi ve piyasaya alış teklifi vermesi için GridLAB-D içindeki uygun kontrolör yapıları kullanılmıştır. İlk olarak sabit, üç zamanlı ve saatlik kullanım zamanlı tarifeler (Time of Use Pricing, TOU) kullanılarak kontrolör sahibi olmayan ev aletlerinin ve kontrolör sahibi olan HVAC sistemlerinin bu tarifelerdeki talep cevabı katılımları neticesinde evlerin günlük yüklenme eğrilerinde meydana gelen değişiklikler incelenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, piyasa fiyatının gün boyu değişmediği sabit tarifelerde beklendiği gibi kontrolörlerin tepkisiz kaldığı görülmüştür. Bu durumda HVAC ve diğer ev aletlerinin yüklenme profilleri yalnız sıcaklığa bağlı olarak oluşmaktadır. Diğer TOU tarifelerde ise fiyatın düşük olduğu dönemlerde HVAC sistemleri talep cevabı katılımıyla tüketimi arttırmıştır. Ancak fiyat değişiminin ani ve çok büyük olduğu durumlarda talep katılımının yüksek olması nedeniyle puant gücün de aşıldığı gözlenmiştir. Puant gücün aşılması elektrik şebekesi üzerinde arz güvenliği ve iletim sorunlarına yol açmaktadır. Literatürde TOU tarifelerdeki bu sorunun çözümüne yönelik pek çok çözüm sunulmuştur. Bunlardan biri olan piyasa mekanizmasına satış miktarı kısıtı koyulması bu tez kapsamında incelenmiştir. Analiz sonuçlarında piyasa satış kapasitesi kısıtı sayesinde TOU tarifelerdeki puant aşımı sorununun ortadan kalktığı görülmüştür. Ancak hava sıcaklığının HVAC kontrolörlerinin üst limitlerini aşması durumunda kontrolörler en yüksek fiyattan alış teklifi vermektedir. Bu nedenle piyasa fiyatları belli bir süre en yüksek seviyede kalmaktadır. Analizler sonucunda kapasite kısıt miktarı ile fiyatların en yüksek seviyede kalma süresinin ters orantılı olduğu görülmüştür. Sonuçta elektrik tüketicilerine ait fatura bedelleri yükselmiştir. Bu çalışmada elektrik dağıtım bölgelerindeki tüketicilerin talep cevabı katılımlarının dağıtım sistemi işletimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu amaçla örnek sistem üzerindeki tüketicilerin farklı oranlarda talep cevabı katılımları ile analizler gerçekleştirilmiştir. Sonuçta talep cevabının etkisinin katılım oranının büyüklüğüne, kullanılan piyasa ve tarife yapılarına bağlı olarak elektrik şebekesinde eşzamanlılığın bozulmasına yol açtığı gözlenmiştir.
Mikro şebekeye bağlı fotovoltaik panelden beslenen lityum batarya sisteminin farklı yük durumlarına göre enerji yönetimi
Elektrik enerjisinin büyük bir çoğunluğu başından beri fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Bugün, enerji stratejik bir değer olup ülkelerin kalkınma düzeyi için gösterge haline gelmiştir. Ancak, fosil yakıtların sebep olduğu kirlilik problemi ve fosil yakıtlarla ilişkili olan karbon emisyon miktarı tehlikeli bir düzeye ulaşmış ve dünya dengesine zarar vermektedir. Bu durum hükümetleri yenilenebilir enerji kaynakları bulmaya zorlamıştır. Karbon emisyonlarını azaltma hedefine ulaşmak için, gelecekteki elektrik üretimi, fosil yakıtlara olan bağımlılığın azalması, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artması ve çevre için daha büyük bir ilgi ile ilerleyecektir. Şu anda fosil yakıtlara alternatif kaynaklar olarak sunulan yenilenebilir enerji kaynakları popülerlik kazanmıştır. Bununla birlikte, dünya enerjisinin büyük bir kısmı hala fosil yakıtlardan tedarik edilmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından en çok kullanılan sistemler güneş ve rüzgardan türetilmiş sistemlerdir. Bu yenilenebilir enerji kaynakları çevre dostu ve sürdürülebilir bir yapıya sahip olduğu için kullanım oranları giderek artmaktadır. Öte yandan, çevre dostu ve kullanışlı olmalarına rağmen, doğaya bağlı bir özellikleri de vardır. Örneğin yenilenebilir enerji kaynaklarının birçoğu doğası gereği sürekli değildir. Bu da şebeke dengesi, güvenilirliği, enerji üretimi ve yük dengesi bakımından zorluk oluşturmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik sistemlerine eklenmesiyle ilgili en önemli sorunlardan biri, bu kaynaklardan üretilen enerjinin iklim koşullarına bağlı olarak genellikle değişken olmasıdır. Güneş çok iyi parladığında, güneş enerjisinden elektrik üretilebilir. Enerji üretim değerleri, iklim koşullarına (güneş parlaklığı) göre sürekli değişmektedir. Güneş en parlak olduğunda, fotovoltaik sistemler elektrik enerjisini istikrarlı bir şekilde üretirken, elektrik üretimi bulutlu durumda azalır ve sonunda elektrik üretimi akşamları durur. Rüzgar enerjisi sistemlerinden üretilen elektrik ise, rüzgarın hızı gibi çevresel koşullara bağlıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının istikrarsız ve aralıklı olma niteliği, enerji üretiminin sürekliliği için önemli sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerji, genel enerji talebi ile senkronize değildir. Bu nedenle, kullanıcılar enerji talebinde bulunmadıklarında ve yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen pik enerji miktarının büyük olması durumunda enerji depolama sistemleri gerekli hale gelir. Yenilenebilir enerji kaynağı söz konusu olduğunda, hidroelektrik enerji kaynakları önce gelir. Bununla birlikte, hidroelektrik santraller sadece doğal ortamlarında bulundukları yerlere uygulanabilir. Son yıllarda rüzgar ve güneş enerjisi gibi önemli yenilenebilir enerji kaynakları ile ilgili çalışmalar hızlanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının süreksiz güç özellikleri, elektrik sağlama sistemi için çeşitli kalite ve güvenilirlik problemlerini ortaya çıkarmaktadır. Bu sorunların üstesinden gelmek ve yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma oranını arttırmak amacıyla öncelikle enerji depolama çözümleri devreye girmiştir. Enerji depolama teknolojileri enerji kaynaklarını temsil etmese de, istikrarı, güç kalitesini ve arz güvenilirliğini geliştirmek için değerli faydalar sağlar. Pratik elektrikli araçların ve uygulamalarının zorluklarını karşılamak için batarya teknolojileri önemli ölçüde geliştirilmiştir. Şebeke, öngörülemeyen günlük ve mevsimsel değişimlerle talebi karşılamak için iletim ve dağıtımda büyük zorluklarla karşı karşıyadır. Elektrik enerjisi depolaması, kullanılan teknolojiye göre belirli bir formda depolandığı ve gerektiğinde elektrik enerjisine dönüştürülen bir mekanizma olarak tanımlanabilir. Çeşitli enerji depolama şekilleri vardır. Özellikle bataryalar, teknolojinin gelişmesiyle birlikte depolama birimi olarak vazgeçilmezler arasındadır. Enerji talebi ile enerji üretimi arasındaki farkın artması sebebiyle kaliteli güç üreten merkezi elektrik santrallerinin enerji depolama teknolojilerinin kullanımını gerekli kılmıştır. Bu tezde, önce enerji depolama teknikleri tanıtılmıştır. Bu kapsamda, batarya, sıkıştırılmış su depolama, basınçlı hava enerji depolama, volan enerji depolama, süper iletken manyetik enerji depolama ve süper kapasite enerji depolama gibi önemli enerji depolama yöntemlerine yer verilmiştir. Mevcut enerji depolama teknikleri kullanılarak güneş ve rüzgâr enerjisi sistemleriyle hibrid depolama sistemleri oluşturulabilir. Günümüzde güç sistemleri, yük merkezlerine daha yakın yerel sistemlere odaklanmaktadır. Enerji depolama sistemleri çoğunlukla üç amaç için kullanılır; enerji dengesi, yük talebini karşılayacak kapasite ve güç dağılımı. Enerji dengesi, yükün sık sık değişmesine rağmen, dağıtık üretimin enerji depolama sistemleri yardımıyla sabit bir çıkışta çalışmasına izin verir. Dağıtık üretim birimi yük değişikliklerine hızlı bir şekilde cevap veremediğinden, güç kalitesi sorunları daha da artmaktadır. Enerji depolama birimi yüke paralel olarak bağlanırsa, enerji depolama birimi, enerji ihtiyacında ani bir değişiklik için bu ihtiyacı karşılayabilir. İhtiyaç düşük olduğunda, dağıtılan üretim birimi tarafından yüklenebilir ve böylece dağıtılan üretim sürekli olarak hizmet verir. Bu tezde, yenilenebilir enerji kaynağı olan fotovoltaik sistemin performansının artırılması amacıyla etkin bir enerji depolama yöntemi olan batarya sistemi kullanılmıştır. Batarya sisteminin karşılaştırmalı durum analizi için farklı amaçlara göre sınıflandırılmış farklı enerji depolama sistemleri de incelenmiştir. Tezin giriş bölümünde genel olarak Türkiye'deki enerji sistemi incelenmiş ve bunu akıllı şebeke sistemine giriş takip etmiştir. Fosil yakıtlar ve yenilenebilir enerji sistemleri karşılaştırmalı olarak anlatılmış ve bu enerji sistemlerinin avantaj ve dezavantajları irdelenmiştir. Akıllı şebekelerle yenilenebilir enerji kaynaklarıyla beslenen enerji depolama birimlerinin entegrasyonu tanımlanarak detaylı olarak incelenmiştir. Bu kapsamda, güneş enerjisinin tarihçesi, güneşten nasıl enerji elde edildiği ve Türkiye'deki güneş enerjisi potansiyeli anlatılmıştır. Tezin asıl amacı olan mikroşebekede, güneş paneli ve enerji depolama birimi olan batarya ile matlab simulink ortamında modelleme gerçekleştirilmiştir. Değişik yüklerde şebeke bağlantılı ve ada modlu şebeke tasarımı yapılmıştır. Bataryanın şarj, deşarj durumları, güneş panelin farklı periyotlardaki durumu ile birlikte güç ve gerilim düşümü benzetim (simülsayon) sonuçları yorumlanmıştır. Sonuç olarak şebekenin çalışma sistemi matlab simulink programı kullanılarak senaryolaştırılmış ve sonuçlar sayısal uygulama bölümünde irdelenmiştir.
Yüksek gerilim model transformatöründe frekansa bağlı kayıp katsayısının yalıtkanlık analizi
Güç trafolarının günümüz enerji dünyasında büyük bir öneme sahip olduğu bilinmektedir. Bu cihazlar oldukça pahalı olmasının dışında sürekli bakıma ihtiyaç duyan elektrik ekipmanlarından biridir. En çok bakıma ihtiyaç duyulan kısmı ise şüphesiz yalıtım sistemleridir. Yağlı kağıt yalıtım sistemleri normal çalışma esnasında bile bozulabilmektedir. Eğer bu bozulmalar zamanında fark edilemezse beklenmeyen arızalar ve plansız elektrik kesintisi gibi durumların dışında, yangın gibi felakete de yol açabilir. Günümüzde hâlâ kullanılmakta olan çok sayıda eskimiş trafo vardır. Eğer bu trafolar çalışabilecek durumdalarsa ömürlerinin uzatılması ve çalışmaya devam etmelerinin sağlanması maliyet açısından önemlidir. Bunu yapmanın yolu da trafonun izolasyon kalitesini arttırmaktan geçmektedir. Eğer biz trafonun izolasyon durumunu öğrenebilirsek, trafonun ömrü ile ilgili daha iyi bilgi sahibi olabiliriz. İşte bu yüzden trafoların yalıtım durumunu öğrenebilmek için bazı yöntemler bulunmuştur(RVM, PDC). Bu yöntemlerin birbirlerine göre bazı avantajları ve dezavantajları olduğu tespit edilmiştir ve araştırmalara devam edilmiştir. En son olarak FDS(frekans alan spektroskopisi) yöntemi geliştirilmiştir. FDS yönteminin diğer iki yönteme göre üstünlükleri bulunmaktadır. Bu çalışmada genel anlamda trafo sargılarından, trafo arızalarından ve nedenlerinden, trafo korumalarından bahsedilmiştir. Bazı koruma cihazları tanıtılmıştır. Ayrıca yukarıda söylenen yöntemlerin avantajlarından ve dezavantajlarından karşılaştırmalı olarak bahsedilmiştir. Farklı yağ oranlarına sahip bir pancake model transformatör geliştirilmiştir. Bu pancake transformatörünün yağ oranları % 85 ila % 0 arasında değişiklik göstermektedir. FDS yöntemi ile pankek deney transformatöründe farklı yağ oranlarında kayıp faktörü ve güç faktörü ölçümleri alınmıştır. Bu ölçümler analiz edilmiştir. Pancake deney transformatöründe sabit gerilim altında, farklı frekanslarda kayıp faktörü, güç faktörü, imajiner(sanal) kapasite ve reel (gerçek) kapasite ölçümleri alınmıştır. Frekans ile kayıp faktörü, güç faktörü, imajiner (sanal) ve reel (gerçek) kapasite değişimleri analiz edilmiştir. Ayrıca nemin, sıcaklığın ve yaşlanmanın da kayıp faktörü ve güç faktörü üzerindeki etkileri yardımcı ölçütler ile değerlendirilmiştir. Frekans büyüklüğünün kayıp faktörünü değerlendirme açısından önemine vurgu yapılmıştır. Bununla birlikte kayıp faktörü ve güç faktörünün eşdeğer devre ve vektör diyagramı yardımıyla birbirleriyle ilişkisinden bahsedilmiştir. Bu iki olgunun düşük, orta ve yüksek frekanslarda davranışının nasıl olduğu bilinmelidir. FDS yöntemine hâkim olabilmek için bu iki olgunun anlaşılması çok önemlidir. Yapılan çalışmalarda FDS ile, yalıtım malzemesindeki bozulmanın tam olarak çevre koşulundan mı yoksa yalıtım bozulmasından mı kaynaklandığı ayırt edilebilmektedir. Deney sonuçları, sıcaklığın ve yaşlanmanın yalıtım malzeme üzerindeki etkisinin FDS sonuçlarını düşük frekanslarda etkilediği görülmüştür. Düşük frekanslarda yapılan çalışmalarda kayıp faktörü, güç faktörü, imajiner(sanal) kapasite ve reel(gerçek) kapasite değerlerinin ölçüm sıcaklığı ve yaşlanma süreleri ile birlikte doğru orantılı olarak arttığı görülmüştür. Ayrıca trafo yalıtımındaki yağ oranı azaldıkça imajiner(sanal) kapasite, reel(gerçek) kapasite ve kayıp faktörü değerlerinin de azaldıkları görülmektedir. Farklı gerilimler uygulanarak (50 V, 75 V, 100 V, 140 V) imajiner(sanal), reel(gerçek)kapasite ve kayıp faktörü değişimleri incelenmiştir. Kapasite eğrilerinin farklı gerilimler altında neredeyse aynı eğrilere sahip olduğu gözlenmiştir. Kayıp faktöründe ise gerilim arttıkça eğrilerin tepe değerlerinin daha yüksek frekanslarda olduğu görülmüştür. Aynı bağlantı noktası ve eşit gerilimler(140 V) altında farklı sargı yerlerinin ölçümleri alınıp grafikleri çizdirilmiştir. CL ve CH için kayıp faktörü, kapasite ve güç faktörü eğrilerinin benzerlik gösterdikleri söylenebilir. Kayıp faktörü ve güç faktörü 0.1 Hz seviyelerinde tepe noktasına ulaşmıştır. C1H1, C1H2, C1H3 için kayıp faktörü, kapasite ve güç faktörü eğrileri ile C2H1, C2H2, C2H3 eğrilerinin benzer oldukları söylenebilir. Fakat CHL için kayıp faktörü, kapasite ve güç faktörü eğrileri diğer durumlardan biraz ayrışmaktadır. CHL'de kayıp faktörü ve güç faktörünün tepe noktası yaklaşık olarak 0.1 Hz de, kapasitenin ise 0.001 Hz seviyelerinde gözükmektedir. Yapılan ölçümler ile tüm bağlantı şekillerinde (CH-B, DG-CH, E-DG ve F-E) ve tüm sargı yerlerinde(CHL, CH, CL, C1H1, C1H2, C1H3, C2H1, C2H2 ve C2H3) güç faktörü, kapasite ve kayıp faktörü eğrilerinin yüksek frekans aralığında birbirlerine çok yakın oldukları bulunmuştur. Ancak bu değerler düşük frekanslarda farklılık göstermişlerdir. Yani bizim için belirleyici olan düşük frekanslardır. Frekans alanı spektroskopisi (FDS), diğer yalıtım teşhis yöntemlerinden(RVM, PDC) daha az gürültülüdür ve transformatörün şeklinden bağımsızdır. Ayrıca dış faktörlerden de en az etkilenen ölçüm yöntemidir. Bu nedenle FDS'nin en etkili ölçüm yöntemi olduğu söylenebilir.
RTV silikon kaplamanın iz-erozyon ve hidrofobik özelliklerinin analizi
Bu tez çalışmasında farklı kalınlıktaki RTV (Room Temperature Vulcanizing) silikon kauçuk kaplı seramik numunelerin iz-erozyon ve hidrofobik özelliklerinin analizi deneysel olarak incelenmiştir. Elektrik enerjisi yaşam kalitesi açısından günümüzün vazgeçilmez unsuru haline gelmiştir. Dolayısıyla enerjinin sürekliliği iletim hatlarındaki elemanların her türlü elektriksel yalıtkanlığı ve çevresel etkilerden kaynaklı kaçak akım etkilerinden korunması ile mümkündür. İletim hatlarındaki en önemli elemanlardan biri de izolatörlerdir. Günümüzde, porselen, cam, epoksi reçine ve silikon yalıtkanından üretilmiş izolatörler yüksek gerilim iletim ve dağıtım sistemlerinde kullanılmaktadır. İzolatörlerin her türlü çevresel etkilerden (yağmur, sis, kar…vs) korunarak kısa devre akımlarından dolayı atlamalara maruz kalmaması en büyük hedeftir. Zamanla izolatörler üzerinde oluşan kirlerin yağmur, kar, sis vs ile iletken tabaka oluşturmasından kaynaklı arklardan meydana gelen atlama sonucu enerji kesintileri meydana gelmektedir. Bu durum yaygın olarak kullanılan cam ve porselen izolatörlerin hidrofilik özelliğinden kaynaklanmaktadır. Bütün bu olumsuzlukları engellemek için son yıllarda izolatör yüzeyleri RTV (Room temperature vulcanizing) silikon kauçuk malzeme ile kaplanarak elektriksel performansları arttırılmıştır. RTV ile kaplanan cam ve porselen izolatörlerin yüzeyleri hidrofilikten hidrofobikliğe dönüşmektedir. Dolayısıyla izolatör yüzeylerinde suyun damlacıklar halinde akması sağlanarak iletken tabaka oluşması engellenmektedir. Yapılan laboratuar çalışmalarında da bu kaplamanın izolatörlerin ömrünü uzattığı ve elektriksel dayanımını arttırdığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmada da RTV kaplı seramik numunelerin elektriksel performansları incelenmiştir. İlk bölümde konu ile ilgili literatür araştırması yapılarak RTV kaplama ile ilgili yapılan çalışmalardaki sonuçlar irdelenmiştir. Ayrıca RTV silikon kauçuk kaplamanın kimyasal yapısı, iz ve erozyona karşı direnci, hidrofobikliği gibi karakteristik özellikleri incelenmiştir. Yapılan literatür taramasında Dinamik Damla Deneyi (Dynamic Drop Test, DDT) kullanılarak RTV kaplamalarla yapılan herhangi bir çalışmaya rastlanmamıştır. Ayrıca yine literatür taramalarında eğik düzlem deneyi ile yapılmış sıcaklık-kaçak akım ilişkisi hakkında herhangi bir çalışmaya rastlanmamıştır. Dolayısıyla bu tez çalışmasındaki RTV kaplamanın DDT deneyi, yine RTV kaplamanın eğik düzlem deneyi ile sıcaklık-kaçak akım ilişkisi özgün bir çalışma özelliği taşımaktadır. İkinci bölümde RTV kaplamanın ana malzemesinin silikon kauçuk olmasından dolayı Silikon Kauçuğun termal, kimyasal, yüzey ve yalıtım özellikleri araştırılmıştır. Üçüncü bölümde RTV kaplı izolatörlerin çevresel koşullardan kaynaklı kuru bant arkı, korona, su damlalarının temas açısı, ultraviyole ışınları ve oksidasyon kararlılığı kavramları açıklanmıştır. Dördüncü bölümde eğik düzlem deney düzeneğinin kurulması aşamalarına değinilmiştir. 4 farklı kaplama kalınlığından (ıslak kalınlıkları=0.25 mm, 0.50 mm, 0.75 mm ve 1.00 mm) 5 adet numunenin 6 saatlik deney sonucuna göre iz ve erozyon performansları incelenmiştir. Dolayısıyla sıcaklık harmonik ilişkisine, RMS, Maksimum ve harmonik kaçak akım değerlerinin karşılaştırılması ile ilgili verilerin sonuçlarına yer verilmiştir. Son bölümde dinamik damla deneyi (Dynamic Drop Test, DDT) düzeneğinin kurulması aşamalarına değinilmiştir. Bu düzenek yardımıyla kaçak akım ölçümü yapılarak RTV kaplamaların hidrofobiklik performansları değerlendirilmiştir. DDT deneyinde eğik düzlem deneyi gibi 4 farklı kaplama kalınlığı ile her kalınlıktan 5 numune kullanılmış olup deney süresi sınırlandırılmamış ve kaplamaların bozulma anına kadar deney sürdürülmüştür. Çıkan veriler doğrultusunda numunelerin RMS, Maksimum ve sıcaklık değerleri karşılaştırılarak en uygun kaplama kalınlığı tespitine çalışılmıştır. Ayrıca deneylerde kullanılan RTV silikon kaplamanın Elemental analizi, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analizi, SEM (scanning electron microscope) analizi, TGA(Termogravimetrik) analizi ve CA (Contact Angle) analizi yapılarak malzeme ile ilgili sağlıklı veriler elde edilmiştir.
Short-term forecasting of wind power production using machine learning and deep learning methods
The primary purpose of this thesis is, by using relating data, to make short-term wind power prediction with the aid of Deep Learning and Machine Learning technology. The main methods of the research presented in these studies have implemented in the Regression Methods and Artificial Neural Network Method. The related turbines are located in the wind farm on Harmanlık in Bursa. It had established in the middle of 2015, and the wind park consists of 16 number Vestas 112 wind turbines models. Power generation capacity is 52.8 MW as annual. In this thesis is going to focus on only eight turbines. Machine Learning has been on the predictable and applicable a model. This study is constituted the prediction algorithm with various regression methods which are Multi Linear Regression, Support Vector Regression, K-Nearest Neighbors, and Decision Tree Regression. These prediction algorithms have been to improve a software application in Python programs. Furthermore, Deep Learning provides a significant part in the implement of optimization. These method has also been to establish the optimum configuration in a software application Python programs to reach the prediction of wind power. These regression methods and Artificial Neural Network has used on various data containing the wind speed, the temperature, and past-wind power production. The processed data was received during years from 01.09.2016 to 31.08.2018 by Borusan Enbw energy company and the Borusan Enbw meteorological sensor in the wind farm. Based on the comparison of daily data has indicated that the artificial neural network and the whole regression analyses might obtain performances, that is the regular (24 hours) forecasting for a single turbine, whether which prediction results are equal or even better compared to each other. After all simulation, it will decide that the best method to adopt for this the prediction of wind power within among methods. All forecast result generated with these identified methods. All considered models are using wind speed of the location and the temperature of the area from sensors. Moreover, it has been to apply the most critical data which is past production data from 01.09.2016 to 31.08.2018 as an hourly. After that, it has implemented two analysis. One of them will compare between the prediction results, which obtains only wind speed and, the prediction results, which receive both wind speed and the temperature to each other for one turbine by using the Regression Methods and Artificial Neural Network. According to these solutions, it was decided to use two input parameters, which are the wind speed and the temperature. It was implemented the related inputs for five methods. It has a presentation of graphs detailing how well the methods ("Multi Linear Regression," "Support Vector Regression," "K-Nearest Neighbors," "Decision Tree Regression" and "Artificial Neural Network") perform in the studies. Furthermore, the second analysis has compared to the accuracies for eight turbines by using target data and prediction data. These results are also briefly explain in this thesis. It is shown the various prediction results and their relative performance by measuring MSE, MAE, RMSE.
Contributions to design of dsp controlled pulse width modulated ac-ac converters with new generation semiconductor switches
AC-AC Converters are the circuits designed for providing adjustable output voltages from a fixed or variable input voltage. As AC sources and loads are the main parts of the industry, AC-AC Converter is an important topic. These converters have a wide range of application areas such as lighting control, industrial heating, soft starters for induction machines and speed control of pump or fan motors. Basicly, AC-AC Converters could be grouped in two main topics, which are autotransformers and power electronic converters. Autotransformers are conventional forms of AC-AC Conversion systems. They were invented decades ago from the semiconductor switches. They have been widely used in regulation systems. However, there are some important disadvantages of autotransformer based AC converter systems. Size and weight of those devices are significantly higher than the power electronic converters. As autotransformers are heavy and massive devices, it is impossible to use them in weight-restricted systems such as planes, cars or ships. In voltage regulation manner, the response time of the transformers are quite long when comparing with the power electronic converters. The intertia of those servo motors limits the response time of them as servo motors are used for regulation tap changing. To solve this problem, with developing semiconductor technology, thyristor based solid-state power converters have been invented. Their response time is very short when compared to that of autotransformers. Also, with the other developments in semiconductor technology, their power-range is also increased. Although the thyristor based converters solved the slow response problem, they were causing crucial low frequency harmonics in both output and input sides. Besides, their filter size and weight requirements are very high as they are operating at low frequency levels without changing the utility frequency (due to the nature of thyristor). Several decades ago, power transistors having fast response and high electrical limits are started to be produced. In these days, numerous types of high-power IGBT's and MOSFET's can be found in the market. As control techniques are improved, previously mentioned developments in semiconductor technology made AC-AC PWM Converters a beneficial choice for numerous cases needing less harmonic distortion such as motor drive applications, lighting control, industrial heating, regulators and soft starting systems of alternating current machines. In the last decade, Gallium Nitride (GaN) based new generation power semiconductor switches has been announced with their low conduction and switching losses. They are started to be used in several industrial systems and academical studies. Actually, those switches has been used in high-frequency, low-power systems such as radio applications for decades. From the beginning of 2010's, semiconductor production technologies allowed to develop high-voltage/high-current GaN switches and several companies started to produce commercial new generation GaN based semiconductor switches for high-voltage/high-current applications. Main advantages of these new generation switches can be listed as their low on-state-resistance, low turn-on and turn-off times, low power consumptions and lower gate threshold voltages when compared to state-of-art transistors. As in every aspects of engineering, advantages result in some trade-offs, too. These mentioned properties of new generation power switches demand extra attention on the gate drive circuit and PCB routes. As the response time and threshold voltage of the GaN switches are very low, any unfiltered noise may cause dangerous situations for the converter. Due to that reason, noise margin of the gate drive circuit is very narrow and PCB must be designed carefully. To sum up, the main advantages of PWM Power Converters are their lower input and output harmonics, low size, low weight, high quality outputs and high response time. Also, as these transistors can operate at high switching frequencies, size and weight of the filtering elements are also becomes smaller. Since abovely mentioned properties are making PWM AC-AC Converters a good choice for AC-AC Conversion systems, the advantages and disadvantages of installing GaN switches to the PWM AC-AC converters are needed to be investigated. In this thesis, a pulse width modulated digital signal processor controlled single-phase AC-AC converter was designed by GaN switches. The circuit was designed and analysed both in simulation environment and laboratory. The circuit design was improved according to the simulation results and the optimised circuit was tested practically. The relations of load current, load angle, switching frequency between total converter efficiency and input power factor were obtained. Efficient operational limits and performance for a low power PWM controlled AC-AC converter designed by GaN switches were achieved.
Yıldırım yakalama çubuğunun elektromanyetik alan bakımından koruma bölgesinin moment yöntemi ile hesabı
Bir iletkenin moment yöntemi ile elektromanyetik alan analizi dielektrik ortamda uzun paralel iletim hatlarının ve paralel düzlemlerde bulunan üç boyutlu iletkenleri içeren sistemler gibi problemler için geniş kullanım alanına sahiptir. Bu tezde, yıldırım yakalama çubuğu çevresindeki elektromanyetik alan bakımından koruma bölgesinin belirlenmesi için Moment Yöntemi (MoM) kullanılmıştır. Çubuk üzerindeki yük dağılımı ve çevresindeki alanlar nokta yerleştirme (point-matching) yöntemi ile hesaplanmıştır. Temel işlev olarak basamak işlevi, sınama fonksiyonu olarak Dirac-Delta temel işlevi seçilmiştir. Moment yöntemi kullanırken ortaya çıkan matrislerdeki teklik problemi yaklaşık integral denklem çözümleri kullanılarak giderilmiştir. İletken düzlemlerin modellenmesi için kullanılan görüntü yöntemi, yer düzlemini temsil etmesi için kullanılarak serbest uzay Green fonksiyonları görüntü yöntemine göre değiştirilmiştir. Bu çalışma, yıldırımın oluşumu ile ilgili temel bilgiler vererek başlamaktadır. Genel olarak elektro geometrik model ile açıklanan yıldırım yakalama çubuğu koruma bölgesi hesabı ile ilgili temel bilgiler verilerek, yuvarlanan küre yöntemi ve koruma açısı kavramlarına açıklık getirilmektedir. Daha sonra statik elektromanyetiğin temellerini gözden geçirerek devam etmektedir. Ardından farklı yöntemler, Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY), Sonlu Farklar Yöntemi (SFY) vb. gibi literatürde çokça kullanılan yöntemlerin temellerini karşılaştırmalı olarak açıklayarak literatürde kısıtlı sayıda bilgi ve uygulamaya sahip Moment Yöntemi (MoM) nispeten basit bir fiziksel problemin çözümü üzerinden anlatılmaktadır. Problemi tanımlamak için Moment Yöntemine ek yüzey tabanlı integral denklem metodolojisi kullanılmaktadır. Volumetrik yöntemlerle karşılaştırıldığında, daha küçük boyutlu ve iyi koşullandırılmış sistemle problemi çözmektedir. Bu tez çalışmasında, farklı uzunluklarda, farklı çaplarda ve farklı koordinatlara yerleştirilen üç boyutlu yıldırım yakalama çubuğu üzerindeki yükler Matlab yazılımı kullanılarak MoM yöntemi ile çözülmüştür. Elde edilen yük dağılımına göre yakalama çubuğu çevresindeki elektrik alan dağılımları yine Matlab yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır. Çubuk çevresinde belirlenen koordinatlarda elektrik alan değerlerine ek olarak manyetik alan değerleri Matlab yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre yakalama çubuğu çevresinde oluşacak elektromanyetik alan bakımından koruma bölgeleri belirlenmiş, çubuk boyutlarının ve koordinatlarının koruma bölgesine etkisi tartışılmış ve geleneksel yöntemler kullanılarak bulunan yıldırımdan koruma bölgeleri ile karşılaştırılmıştır.
Makine öğrenmesi ile nohutta verim ve tür tahmini
Tarım sektöründe üretimin artışı; ekilebilen tarım alanlarının genişletilmesi bakımın, sulamanın uygun yöntemlerle zamanında yapılması ve uygun tohum türlerinin secimi gibi parametrelere bağlıdır. Artmakta olan insan nüfusuna sağlıklı ve yeterli gıda üretilebilmesi için tarım alanları yetersiz kalmaktadır. Sağlıklı ve yeterli gıda ihtiyacının karşılanabilmesi için birim alandan sağlıklı ve çok ürün elde etmenin gerektiği anlaşılmıştır. Verimliği artırmanın ön koşulu ise uygun tohum türlerin seçilmesi olduğu görülmüştür. Yapılan bu çalışma iki aşamada gerçekleşmiştir. Birinci aşamada nohut bitkisine ait özelliklerden makine öğrenme yöntemleri ile sınıflandırma işlemi yapılarak nohut tür tahmini yapıldı ikinci aşamada türlere ait verim değerleri regresyon yöntemi ile tahmin edilmiştir. Verilerin test ve eğitim için ayrıştırılmasında çapraz doğrulama 5 ve %50 eğitim %50 test şeklinde gerçekleşmiştir. Makine öğrenmesi sınıflandırma yöntemlerinden karar ağaçları (KA), destek vektör makineleri (DVM) ve k en yakın komşuluk (KNN) yöntemleri uygun görülmüş ve kullanılmıştır. Başarı ölçütü olarak doğruluk kullanılmıştır. Ham veri seti, ham + sentetik veri seti ve sadece sentetik veri setinden oluşan üç sınıfta işlem yapılmıştır. Elde edilen sonuçların başarı oranları karşılaştırıldığında yalnızca ham veriler kullanılarak yapılan sınıflandırmada en yüksek başarı oranı %90.6 doğruluk oranı ile DVM olmuştur. Aynı şekilde ham veriler ile birlikte oluşturulan sentetik verilerin kullanıldığı veri setinin sınıflandırma başarı oranı en yüksek %100 doğruluk oranı ile KA olmuştur. Sadece sentetik verilerden oluşan veri seti kullanıldığında sınıflandırmada en yüksek başarı oranı %95.4 doğruluk oranı ile KNN olmuştur. Başarı performanslarının yüksek olması makine öğrenme yöntemlerinin bu alanda kullanılabileceğini göstermiştir.
Detection and localization of energy theft in distribution networks using artificial intelligence neural networks
This study investigates the pervasive issue of non-technical losses, specifically energy fraud, and theft, in distribution networks. It proposes a new approach for the accurate detection and localization of theft incidents using an artificial intelligence neuron network and the forward propagation method. A simulated smart network is utilized, comprising smart energy meters and a central server-connected information processing unit. Technical losses are determined and optimal voltage drop values are calculated through analysis of load data, voltage drop measurements, and energy flow data. The proposed neuron network algorithm in MATLAB compares ideal and actual voltage dips to identify theft locations. Comparative analysis with industry-standard equation-based algorithms demonstrates the superior detection accuracy of the neuron network approach. Unlike fixed algorithms based on predetermined voltage drop values, the neuron network exhibits adaptability to changing load conditions, offering a robust and reliable theft detection mechanism. Continuous training of the neuron network using anticipated data is essential for sustaining optimal performance. Regular updates incorporating relevant network data and customer load profiles can enhance theft detection accuracy and efficiency. The findings of this study contribute to the ongoing efforts in combating energy theft and fraud in distribution networks. The proposed neuron network-based methodology provides a promising solution for precise theft localization, empowering energy providers to effectively mitigate non-technical losses. Future research can explore innovative techniques to further improve the neuron network's training process, aiming for enhanced overall performance and higher detection rates. Keywords: Theft Energy, Neural Network, Distribution System, Transformer, theft current, Drop voltage.
Design of low power continuous time σ − ∆ analog to digital converters
A second order CT Σ − ∆ modulator for audio frequency sensory systems in 180nm TSMC CMOS process is presented. The design incorporates a C-gm based current mode structure with 2nd order noise shaping, a 25 kHz bandwidth, a sampling frequency of 12.8 MHz marking an OSR of 256 and a total power consumption of 5.9$\mu$W. Consequently the proposed loop achieves a FOM of 2.8fJ/conv. The overall power consumption is distributed evenly among segments of the loop to attain adequate number of bits without the need to sacrifice power. Two representations of overall design, a robust Voltage input circuit and a high precision current input modulator, are introduced.
Ev tipi endüksiyon ocaklarda yük karakteristiğinin belirlenmesi
Ev tipi endüksiyon ocaklarda en büyük problem yük olarak tanımlanan tencerenin çok çeşitli olması ve kullanıcı tarafından belirlenmesidir. Bobin-tencere sistemi eşdeğer direnç ve endüktans olarak modellenmektedir. Tencere malzemesi, tencere taban çapı, çalışma frekansı, besleme gerilimi gibi değişkenler direnç ve endüktans değerinde belirleyicidir. Tezde tencere türüne göre beş farklı tencere tipi seçilmiş, uygulama devresi ile enerjili olarak ve de LCR metrede ölçümler alınarak analizler yapılmıştır. Yapılan analiz sonuçlarına göre direnç değişiminde etkili olan faktörlerin frekans ve tencere türü olduğu görülmüştür. Bobin-tencere kapsama oranı azaldıkça her tencerede aynı olmamakla birlikte genellikle endüktans değeri artmaktadır. Uygulama devresi ile yapılan enerjili testlerde besleme gerilimi arttığında veya azaldığında tencere türüne bağlı olarak aynı frekansta yük karakteristiği değişebilmektedir. Optimum ve güvenilir bir tasarım için yük karakteristiğini bilmek çok önemlidir. Bunun için deneylerde elde edilen veriler kullanılarak MATLAB ortamında geri yayılım algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritma ile eğitilen yapay sinir ağı ile endüksiyon ocakta yük karakteristiği belirlenerek endüksiyon ocak mikro denetleyicisine uygulanmıştır. Deneylerde kullanılmayan farklı tencereler için ölçümler alınarak ölçüme ve yapay sinir ağlarına göre karşılaştırmalar yapılmıştır. Çıkan sonuca göre yapay sinir ağları ile yük karakteristiği iyi bir doğrulukla tespit edilebilmektedir.
Impacts of distributed generations on distribution system reliability
A stable and reliable electric power supply system is an inevitable pre-requisite for the technological and economic growth of any nation. Due to this, utilities must strive and ensure that the customer's reliability requirements are met and the regulators requirements satisfied at the lowest possible cost. It is known fact around the world that 90% of the of the customer service interruptions are caused due to failure in distribution system. The electric utility company will strive to achieve this objective via many different means, one of which is to defer the capital distribution facility requirements in favor of a renewable distributed generation solution by an independent power producer to meet the growing customer load demand. The evaluation of reliability of distribution networks including renewable and non-renewable distributed generations, is presented in this master thesis. The Monte Carlo simulation algorithm is applied to a test network. The network includes three types of distributed energy resources solar photovoltaic (PV), wind turbine (WT) and gas turbine (GT). In order to make the study more realistic, an stochastich model for the renewable sources has been developed. PV and WT stochastic models have been used to simulate the randomness of these resources. Wind velocity and sunlight intensity are those important paramteres that are variable of time and in this master thesis for wind velocity weibull distribution and for the sunlight insolation normal distribution have appiled to measure their uncertainity. This study shows that the implementation of distributed generations can improve the reliability of the distribution networks. Modeling of DGs in reliability assessment and computing of related indices such as SAIFI, SAIDI is introduced. Using model development and case studies it is discussed and shown that location and numbers of DGs effect in distribution reliability indices. Finally, analysis results demonstrates that DG has the ability of improving the reliability of system and customer.
Yeni bir yaklaşımla yük profillerinin oluşturulması ve dağıtım sistemlerinde teknik kayıpların tahmini
Bir dağıtım şebekesinin karakteristiğinin bilinmesi, şebekenin işletilmesi ve yeni yatırımların yapılması açısından büyük önem arz etmektedir. Şebekenin karakteristiği, kullanılan teçhizatlar, şebekenin radyal veya kapalı olması, şebekeye bağlı bulunan abonelerin dağılımı, tüketimi gibi birçok parametreye dayalıdır. Tüm bu parametrelerin yanında, şebekeye bağlı bulunan abonelerin yük eğrileri büyük önem taşımaktadır. Üretilen enerji, iletim ve dağıtım şebekeleri aracılığıyla abonelere ulaştırılır. Üretilen elektrik enerjisi ile tüketilen elektrik enerjisi arasında bazı farklılıklar meydana gelir. Bu farklılıklara teknik ve teknik olmayan kayıplar neden olmaktadır. Teknik kayıplar, abonenin yüklenme durumuna göre şebekenin teçhizatlarında meydana gelen kayıplardır. Akıma ve gerilime bağlı olarak meydana gelirler. Teknik olmayan kayıplar ise faturalandırılmayan veya ölçülemeyen enerjiden kaynaklanan kayıplardır. I^2*R kayıpları olarak bilinen ve akıma bağlı meydana gelen teknik kayıpların hesaplanmasında yük eğrisinin bilinmesi büyük önem arz etmektedir. kWh olarak aynı enerji tüketim değerine ancak farklı yük eğrilerine sahip olan iki abonenin şebekede neden olacağı teknik kayıplar birbirinden farklıdır. Literatürde teknik kayıpların hesaplanması için 2 farklı yöntem vardır. Bunlardan birincisi yük ve yük kayıp faktörlerine bağlı olarak yapılan hesaplamalardır. Toplam güç değeri ve en yüksek güç değerine bağlı olarak yapılan hesaplamalara dayalıdır. Pratik bir yöntem olmakla birlikte, güç ve güç kayıp değerlerine bağlı olarak enerji kaybının hesaplanmasında hatalı hesaplama olasılığı yüksektir. İkinci yöntem, yük eğrilerine dayalı olarak enerji kayıplarının hesaplanmasıdır. Dakikalık veya saatlik olarak kaydedilen verilerden oluşan yük eğrisinin altında kalan alanın hesaplanmasına dayalıdır. Yük eğrilerine dayalı olarak yapılan kayıp hesaplaması ile gerçeğe en yakın sonuçlar elde edilmektedir. Farklı tip abonelerin 24 saatlik yük eğrilerinde tepe yüklenme değerine ulaştığı saatlerin, günlere hatta mevsimlere göre değişiklik göstermesi nedeniyle şebekeye etkisi farklıdır. Örneğin, sokak aydınlatması gece saatlerinde tepe yüklenme değerinde iken, plaza ve iş merkezleri gündüz saatlerinde tepe yüklenme değerine ulaşır. Şebekenin karakteristiğini en doğru şekilde anlayabilmek için uzaktan okumalı sayaçlar ile abonelerin yük eğrilerinin ölçülmesi gerekmektedir. Ancak, yatırım maliyetleri göz önüne alındığında bu pek mümkün değildir. Bu nedenle dağıtım şirketinin abonelerinin yük eğrilerini tahmin etmesi gerekmektedir. Literatürde yük eğrilerinin oluşturulması için kullanılan 4 farklı kümeleme yöntemi vardır. Bu yöntemler, sırasıyla K-ortalama algoritması, bulanık C-ortalama algoritması, hiyerarşik kümeleme yöntemi ve PCA metodudur. Bu yöntemler, özellikle bilinmeyen verilerin çok olası durumunda kullanılmaktadır. Ancak bu kümeleme yöntemleri, kümeleme yaparken abonenin tüketim değeri gibi hata yapma oranı yüksek veya karmaşık yöntemler olması nedeniyle tek başına yetersiz veya etkisiz olan yöntemlerdir. Örneğin 3 vardiyalı olarak çalışan bir sanayi abonesi ile alışveriş merkezinin aylık enerji tüketim değeri aynı olsa da yük eğrileri birbirinden oldukça farklıdır. Ayrıca bu yöntemler uygulanabilirlik anlamında pratik değildirler. Bu çalışma, yük eğrilerinin karakteristiğinin anlaşılmasında abonelerin bağlı bulunduğu alt gruba göre ayrıştırılmasının temel olduğunu savunmaktadır. Aynı abone alt grubuna bağlı olan ancak enerji tüketim değerleri birbirinden farklı olan 2 abonenin yük eğrileri benzerlik göstermektedir ancak farklı abone alt grubunda bulunan benzer enerji tüketim değerine sahip olan abonelerin yük eğrilerinin benzerlik gösterme olasılığı düşüktür. Literatürde bulunan diğer kümeleme yöntemleri toplam enerji tüketim değeri gibi hata olasılığı yüksek parametrelere dayanmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada yeni bir yaklaşımla aboneler alt gruplarına göre ayrıştırılarak incelenmiştir. Bu çalışmada, bir dağıtım şirketinden alınan gerçek verilere dayalı olarak yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir. Çalışma kapsamında abonelerin bulunduğu alt gruplara göre kümeleme yapılmıştır. Aboneler ilk olarak sanayi, mesken, ticarethane ve aydınlatma olmak üzere 4 abone grubuna ayrıştırılmıştır. Ardından ticarethane aboneleri türlerine göre(market, banka gibi) 9 farklı abone alt grubuna ayrıştırılmıştır. Sanayi grubu aboneleri ise 1,2 ve 3 vardiyalı olmak üzere 3 farklı abone alt grubuna ayrıştırılmıştır. Ayrıştırılan bu kümelerin farklı mevsim ve günlerdeki 24 saatlik ve 12 aylık verileri alınarak temek karakteristik özellikleri açıklanmıştır. Ardından bu kümeler çalışma saatlerine göre gruplandırılarak kendi aralarında var olan benzerlik ve farklılıkları açıklanmıştır. Elde edilen bu kümeler için birim profiller oluşturulmuş ve bu birim profiller fatura tüketim değerleri ile ölçeklendirilerek abonenin, kofranın, fiderin veya bir dağıtım transformatörü bölgesinin yük eğrisini hesaplayan bir hesaplama aracı geliştirilmiştir. Bu çalışmada, geliştirilen hesaplama aracı kullanılarak hem abone gruplarına göre hem de abone alt gruplarına göre dağıtım şebekesinden alınan gerçek bir dağıtım transformatörü bölgesinde bulunan abonelerin bağlı bulunduğu kofraların 2 farklı durum için yük eğrisi tahmini yapılmış ve transformatör üzerinde bulunan uzaktan okumalı sayaçtan alınan veriler ile karşılaştırılmıştır. İlk olarak, örnek dağıtım transformatörü bölgesinde bulunan abonelerin fatura tüketim değerleri kullanılarak abone gruplarına göre eğrileri hesaplanmıştır. Abone gruplarına göre hesaplanan yük eğrileri kullanılarak güç sistemleri analizi yapılmasına olanak sağlayan bir bilgisayar simülasyonu yardımıyla örnek dağıtım transformatörü bölgesi için 2015 Aralık ayı için yük akışı yapılmış ve transformatör üzerinde meydana gelen yük eğrileri ve teknik kayıpları tahmin edilmiştir. İkinci olarak, örnek dağıtım transformatörü bölgesinde bulunan abonelerin fatura tüketim değerleri kullanılarak abone alt gruplarına göre eğrileri hesaplanmıştır. Abone alt gruplarına göre hesaplanan yük eğrileri kullanılarak güç sistemleri analizi yapılmasına olanak sağlayan bir bilgisayar simülasyonu yardımıyla örnek dağıtım transformatörü bölgesi için 2015 Aralık ayı için yük akışı yapılmış ve transformatör üzerinde meydana gelen yük eğrileri ve teknik kayıpları tahmin edilmiştir. Ardından bu profiller, transformatör üzerinde yer alan otomatik sayaç okuyucudan alınan 2015 Aralık ayı verileri ile karşılaştırılarak sonuçları incelenmiştir. Aynı enerji tüketim değeri için tahmin edilen teknik kayıplar karşılaştırıldığında aboneler sadece alt gruplarına göre ayrıştırıldığında 2.23%'lik sapma ile, abone alt gruplarına göre ayrıştırıldığında 1.9%'lik sapma ile gerçeğe yakın tahminlerde bulunulmuştur. Çalışma kapsamında abonelerin abone alt gruplarına ayrıştırılmasının gerçek sonuçlara yaklaşması elde edilen sayısal verilerle gözlemlenmiş ve abonelerin yük eğrilerinin abone alt gruplarına göre ayrıştırılmasının önemi vurgulanmıştır. Ayrıca, elektrik dağıtım şirketlerinin kullanabileceği, bir abonenin, kofranın, transformatörün veya fiderin tahmini yük eğrisinin hesaplanmasında daha kullanışlı ve gerçeğe yakın sonuçlar elde edilebilen bir hesaplama aracı geliştirilmiştir.
IE4 verim sınıfı senkron relüktans motor tasarımı
Dünyada hızla artan enerji talebi karşısında enerji kaynaklarının sınırlı kalması 21. Yüzyılda enerji problemlemini beraberinde getirmiştir. Bu sorun son yıllarda mevcut kaynakların etkin kullanılmasına başka bir deyiş ile enerji verimliliği kavramının hayatımızda önemli bir yere konumlanmasına sebep olmuştur. Günümüzde neredeyse bütün endüstriyel ürünler enerji verim sınıflarına göre üretilip sınıflandırılmaktadır. Enerji kaynak yönetimini etkin şekilde planlayabilmek adına hükümetler tarafından hazırlanan regülasyonlar aracılığıyla enerji verimli ürünlere yönelik çalışmalar yoğun olarak sürdürülmektedir. Enerji tüketim verileri incelendiğinde, elektrik motorlarının tüketim olarak endüstriyel, konut ve ticari alanlarda en yüksek tüketim yapan araçlar arasında yer aldığı gözlemlenmiştir. Elektrik motorları özelinde ise en çok kullanılan motor türünün asenkron motorlar olduğu bilinmektedir. Yapılan bir araştırmaya göre asenkron motorların verim seviyelerinde yapılacak 1%'lik bir artış yıllık 20 milyar kWh değerinde bir enerji kazanamına yardımcı olacaktır [1]. Endüstriyel motorlar için halihazırda tariflenen en üst verim düzeyi IE3 olarak adlandırılmıştır. Buna karşın regulasyonlar aracılığı ile IE3 verim seviyesinden daha yüksek verim düzeyine sahip IE4 verim sınıfı motorlar yakın zamanda endüstride kullanılmaya başlanacaktır. Özellikle 7.5 kW ve altı güçlerde verim seviyelerinde iyileştirmeler yaparak IE3 verim seviyesindeki bir motoru maliyet ve üretilebilirlik kısıtları altında IE4 verim seviyesine taşımak 7.5 kW üstü güçlere kıyasla oldukça zordur Yapılan bu çalışmada, IE3 verim düzeyinde üç fazlı 2.2 kW gücünde dört kutuplu bir asenkron motorun yerine geçebilecek IE4 verim seviyesinde bir senkron relüktans motor tasarım çalışması gerçekleştirilmiştir. Senkron relüktans motorlar, asenkron motor ve kalıcı mıknatıslı senkron motorlar ile aynı stator yapısını kullanan, rotorunda yer alan bariyerler yardımı ile d ve q eksen takımlarında oluşan relüktans farkı prensibine dayalı olarak moment üretimi gerçekleştiren motorları temsil etmektedir. Senkron relüktans motorlar asenkron motorlar ile kıyaslandığında rotorunda herhangi bir iletken malzeme bulunmaması sebebiyle rotorunda bakır kayıplarının olmaması, kalıcı mıknatıslı senkron motorlar ile kıyaslandığında ise rotorunda sürekli mıknatısa ihtiyaç duymadan çalışabilmesi sebebiyle maliyet avantajını beraberinde getirmektedir. Bu çalışmada yukarıda tariflenen mevcut asenkron motorun stator yapısı kullanılarak rotor yapısı yeniden tasarlanarak senkron relüktans motor modelleri oluşturulmuştur. Tasarımlar oluşturulurken, senkron relüktans motor için en önemli tasarım girdilerinden olan bariyer sayısı, bariyer şekli, izolasyon oranı açısından tasarımlar irdelenerek en iyi çözüm bulunmaya çalışılmıştır. Çalışmada sayısal analiz yöntemlerinden biri olan sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi kullanan paket bir program aracılığı ile iki boyutlu modelleme ve analiz yapılarak manyetik devre sonuçlarına ulaşılmıştır. Modelleme ve analiz basamaklarının doğru bir şekilde yapıldığından emin olmak için test sonuçları varolan mevcut asenkron motorun sonlu elemanlar yöntemi kullanan paket program ile modelleme ve analizi gerçekleştirilmiştir. Test ve manyetik analiz sonuçlarının tutarlı olduğu tespit edilerek mevcut asenkron motordan yola çıkılarak senkron relüktans motor tasarım çalışmaları yapılmıştır. iki boyutlu modelleme ve analiz yapılması sebebiyle uç sargı etkileri gibi bir takım parametreler ihmal edilerek tasarım çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Buna karşın senkron relüktans motor tasarımlarının iki boyutlu olarak modelleme ve analize tabi tutulması sebebiyle tasarım çıktılarının elde edilmesi için geçen süre üç boyutlu modelleme ve analize kıyasla oldukça zaman tasarrufu sağlamıştır. Çalışmanın son basamağında belirlenen ve iyileştirilen bir tasarım modeli için prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Prototip motor performans testleri gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak belirlenen model için manyetik analiz sonuçları ve performans test sonuçlarının tutarlı olduğu ve IE4 verim seviyesini gerçeklediği gözlemlenmiştir.
Başlangıç manyetik geçirgenliği düşük nüveli arıza akımı sınırlayıcı tasarımı
Elektrik tüketiminin artışı ve elektrik güç şebekesinin sürekli olarak büyümesi arıza akımlarının artmasını da beraberinde getirmektedir. Bu arızaları gidermek amacıyla kullanılan mevcut kesiciler ve koruma elemanları yeterli olmamakta ve şebekenin sağlıklı işleyişine devam edebilmesi için, oluşan bu arıza akımlarının koruma elemanlarının giderebileceği seviyeye sınırlandırılması gerekmektedir. Arıza akımı sınırlandırıcılarının (AAS) arızanın oluşmadığı normal çalışma durumlarında (ND), görünmez olmaları gerekmekle birlikte minimum güç tüketmeleri de beklenir. Bu şartları sağlamak için, arıza akımını sınırlaması istenen cihazın içerdiği nüvenin sürekli olarak doyumda olması gerekliliği söz konusudur. Böylece, bu tür AAS'lar doymuş bölge içerisinde görünmez olmakla birlikte bağlı oldukları şebekeden çektikleri güç miktarı da minimum seviyede kalmaktadır. Bu tez çalışmasında, özellikle doymuş nüveli arıza akımı sınırlayıcı tasarımı ele alınarak bu tasarımda karşılaşılan soruna argüman üretilme yoluna gidilmiştir. Bu kapsamda öncelikle, nüvenin hiçbir şekilde doyuma ulaştırılmayarak veya doyuma ulaşmamış bölgede çalıştırıldığı halde şebekeye karşı görünmez olup olamayacağı sorusunun cevabı araştırılmıştır. Bunun başarılması durumunda, nüvenin doyuma ulaşmasına gerek kalmayacak ve böylelikle bu görevi gören sürekli mıknatıslara ve/veya bobinin doğru akım (DA) ile sürekli olarak ikaz edilmesine gerek kalmayacaktır. Literatür araştırmaları sonucunda, doymamış bölge içerisinde başlangıç geçirgenliği olarak bilinen, manyetik alan şiddeti değerinin düşük miktarda olduğu bir bölgede düşük manyetik geçirgenliğe sahip düşük karbonlu çelik SAE 1020 vb. malzemelerin varlığı tespit edilmiş ve bu tez çalışması için ortaya konan argümanı destekleyecek değerlere sahip olduğu belirlenmiştir. Bu malzemelerin başlangıç manyetik geçirgenlikleri aynı zamanda hemen hemen sabit kabul edilebilir değerlere sahiptir. Bunun sonucunda, tespit edilen nüve malzemelerinin normal çalışma durumunda başlangıç geçirgenliği bölgesinde çalıştırılıp çalıştırılamayacağı konusu üzerinde durulmuştur. Bu amaçla, başlangıç manyetik geçirgenliğine sahip nüveli arıza akımı sınırlayıcı tasarımının şekli, boyutları ve ilgili parametreleri hesaba katılarak Maxwell sonlu elemanlar programında benzetimi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde benzetimlerin ortaya konan argümanı destekleyici nitelikte olduğu görülmüştür. Başlangıçta gerçekleştirilen benzetimlerde girilen değerlere bağlı olarak tasarımların boyutları böyle bir arıza akımı sınırlayıcının uygulanabilirliğini pratik açıdan kısıtlayıcı nitelikte olmuştur. Bunun üstesinden gelmek için, tasarımda ve parametreler üzerinde değişikliklere gidilerek boyutların küçültülmesine çalışılmıştır. Boyutları küçültmek amacıyla nüveye hava boşluğu eklenmesi değerlendirilmiştir. Hava boşluğunun eklenmesi, nüvenin boyutlarını azaltmakla birlikte, arıza akımı sınırlama performansını da kötüleştirdiği ortaya çıkmıştır. Ancak, yapılan tasarımlarda hava ve nüve bileşenlerinden oluşan nüvenin sadece havadan oluşan nüveye göre daha iyi bir performans sergilediği gözlenmiştir.
Elektrik dağıtım sistemlerinde gerilim profilinin, güç kayıpları ve maliyet minimizasyonunun dağıtık üretim kaynakları ve kademe değiştiriciler ile iyileştirilmesi
Teknolojinin gelişmesiyle birlikte artan enerji tüketimi elektrik şebekelerinin yenilenmesi ihtiyacını da beraberinde getirmiştir. Artan ihtiyacı karşılamak için akıllı şebekeler konusu gündeme gelmiştir. Bu tezde akıllı şebekeler konusunun bir parçası olan dağıtım sistemlerinin geliştirilmesi üzerinde durulmuştur. Dağıtım şebekelerinde yapılan değişiklikler neticesinde karşılaşılabilecek problemlerden bahsedilmiş bu konuda yapılan çalışmalar aktarılmıştır. Bu çalışmada kullanılan çok amaçlı eniyileme probleminde amaç fonksiyonları: 1) Gerilim profilinin düzeltilmesi, 2) Güç kayıplarının azaltılması, 3) Maliyetin azaltılmasıdır. Bu amaçları gerçekleştirmek için sistem üzerinde değişiklik yapmadan önce şebekedeki baraların gerilim profilleri ve kayıp değerleri incelenmiştir. Baraların gerilim profillerini ve kayıp değerlerini elde edebilmek için otuzüç baralı bir radyal dağıtım sisteminin saatlik yük akış analizi yapılmıştır. Gerilimin 1 pu değerinden uzaklaştığı baralarda gerilimi yükseltmek için, uygun bulunan baralara dağıtık üretim kaynağı ve kademe değiştirici eklenerek gerilim profili düzeltilmiştir, kayıplar ve maliyet azaltılmıştır. İlk olarak hem dağıtık üretim kaynağının hem de kademe değiştiricinin olmadığı durumda yük akış analizi yapılmış, her saat için her baradaki gerilim değeri, gerilim profili, toplam güç kaybı, ve güç profili bulunmuştur. Elde edilen gerilim profili incelenerek, hangi saatte hangi barada en fazla gerilim dalgalanması olduğu bulunmuştur. Sonuçlar göz önünde bulundurularak, 3 farklı durum için benzetim yapılmıştır. Uygun bulunan baralara gerilim profilini düzeltmek ve güç kaybını azaltmak için ilk olarak sadece kademe değiştirici ikinci olarak sadece dağıtık üretim kaynağı ve üçüncü olarak hem dağıtık üretim kaynağı hem de kademe değiştirici eklenmiştir. Eklenen kademe değiştirinin değeri ve dağıtık üretim kaynağının aktif ve reaktif güç çıkışları eniyileştirilmiştir. İkinci durumda eklenen dağıtık üretim kaynağının aktif gücü 200kW olduğu durumlarda en uygun olan reaktif güç değerleri MATLAB'da NSGA II yazılımı kullanılarak bulunmuştur. Benzer şekilde, birinci durumda sadece kademe değiştirici eklenmiş, en uygun kademe değiştirici değeri MATLAB'da NSGA II yazılımı kullanılarak bulunmuştur. Üçüncü olarak hem dağıtık üretim kaynağı hem de kademe değiştirici eklenmiş, dağıtık üretim kaynağının maliyeti minimize eden aktif güç değeri, dağıtık üretim kaynağının reaktif güç değeri aynı zamanda en uygun kademe değiştirici değeri yine MATLAB'da NSGA II yazılımı kullanılarak bulunmuştur. Üçüncü durumda sisteme eklenen dağıtık üretim kaynaklarının belirlenen aktif ve reaktif güç değerleri ile sisteme eklenen kademe değiştiricilerin kademe değerleri kullanılarak yük akış analizi yapılmış, sonuçta gerilim profilinin düzeldiği ve güç kaybının azaldığı görülmüştür. Bütün durumlar için, eniyileme sonucunda bulunan değerler kullanılarak yük akış analizi yapılmıştır. Sistem değiştirildikten sonra gerilim profilinin düzenlendiği, güç kayıplarının ve maliyetin azaldığı görülmüştür. Benzetim sonuçları karşılaştırıldığında, daha iyi gerilim profilinin, daha az güç kaybının sadece gerilim regülatörü eklendiği durumda olduğu görülmüştür. Uzun vadede durum incelendiğinde, yenilenebilir enerji kaynağının daha ekonomik ve çevreyi korumak için daha iyi olduğu bilinmektedir. Ayrıca yenilenebilir enerji kaynakları limitsizdir. Gerilim regülatörü ise mekanik bir ekipmandır ve uzun zaman kullanıldığında bozulabilir. Ayrıca gerilim regülatörü pahalıdır. Bu nedenlerden dolayı sisteme dağıtık üretim kaynağı eklemek daha avantajlıdır. Dağıtık üretim kaynağının sisteme eklenmesi, verimli olarak kullanılması, dağıtık üretim kaynağının aktif ve reaktif çıkışlarının optimize edilmesi, sistemde değişiklik yapılmasından sonra ortaya çıkabilecek problemler bu çalışmada açıklanmıştır. Ayrıca, kademe değiştiricilerin sisteme eklenmesi, verimli olarak kullanılması, sistemde değişiklik yapılmasından sonra ortaya çıkabilecek problemler de bu çalışmada açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler : Dağıtım sistemlerinde gerilim profilinin düzeltilmesi, dağıtım sistemlerinde güç kayıplarının azaltılması, dağıtım sistemlerinde maliyetin azaltılması, çok amaçlı fonksiyonların eniyilemesi
Elektrik iletim sistemi güç transformatörleri için güvenilirlik merkezli donanım yönetimi sürecinin kurulması ve değerlendirilmesi
Yatay rekabetçi piyasa ve akıllı şebeke yapısına doğru evrilen elektrik endüstrisinde, artan bakım maliyetleri, bakım süreçlerinin etkinliğinin artırılması ve donanım ömrünün uzatılması için, sözkonusu süreçlerin geliştirilmesi gereksinimini ortaya çıkarmıştır. Güvenilirlik Merkezli Donanım Yönetimi, bu gereksinimin karşılanması için, zaman içinde aşamalı olarak gelişmiş bir donanım yönetimi tekniğidir. Bakım, yönetim sürecinin önemli bir öğesidir. Yönetim süreçleri, güvenilirliğin artırılmasını ve maliyet-etkinliğini hedefleyen bakım tekniklerinin geliştirilmesini de içerir. Etkin bakım programları uygulanmamasının, tüketici ve donanım kaybına kadar varan olumsuz etkileri; etkin bakımın, rekabetçi endüstriyel yapının vazgeçilmez unsurlarından biri olmasına neden olmuştur. Günümüz elektrik enerji sistemlerinde uygulanan bakım programları, bakım nedeniyle oluşan elektrik kesintilerini ve donanımların yaşlanarak zamanla özelliğini yitirmesinin güvenilirliğe olan olumsuz etkilerini de göz önünde bulundurmak zorundadır. Modern bakım süreçlerinin maliyet-etkin, tekil bileşenler bazında yapılacak uygulamalarla değil, elektrik sisteminin bir bütün olarak düşünülmesi ve buna uygun yapılandırma ile erişilebileceğini göstermiştir. Bu gerçek, donanım yönetimi kavramının ortaya çıkmasının ve bir teknik disiplin kabul edilerek uygulanmasının yolunu açmıştır. Donanım yönetiminin sağladığı maliyet-etkin bakım hedefinin, yüksek güvenilirlik amacıyla da desteklenmesi, Güvenilirlik Merkezli Donanım Yönetimi ile sağlanmıştır. Güvenilirlik Merkezli Donanım Yönetimi, elektrik sistem bileşenlerinin devre dışı kalmalarını en aza indirmek suretiyle, en yüksek güvenilirliği, en uygun maliyette sağlamayı hedefler. Bu tez çalışması, Elektrik İletim Sistemi Güvenilirlik Merkezli Donanım Yönetimi sürecinin oluşturulmasını kapsamakta ve Türkiye Elektrik İletim A.Ş. Trakya bölgesine ait 154 ve 380 kV güç transformatörleriiçin bir örnek uygulama verilmektedir. Çalışma genel olarak, ilki iletim sistemi bileşenleri düzeyinde, ikincisi ise iletim sistemi düzeyinde olmak üzere iki aşamada yürütülen faaliyetleri içermektedir. Güvenilirlik Merkezli Donanım Yönetimi, sistemin maliyet-etkinliğini artıracak Şekilde, donanımlara uygulanacak en uygun bakım tekniklerinin (düzeltici, önleyici ve kestirimci) ve parametrelerinin belirlenmesi olarak tanımlanır. Bu amaçla çalışmanın ilk fazının birinci adımında, elektrik iletim sistemi, bakım planlamasına uygun, bileşen ve alt bileşenlere ayrılmıştır. Ardından bileşenler ve alt bileşenler için, çeşitli tip arızalar, sisteme olan etkileri ve bakım gereksinimleri açısından ağırlıklandırılmış; bu ağırlık değerlerine göre, bileşenlere uygulanacak bakım yöntemlerine karar verilmiştir. İlk fazın ikinci adımından itibaren, arz güvenilirliğine etkisi ve maliyeti dikkate alınarak, iletim sisteminin ana bileşenlerinden güç transformatörleri üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu adımda, halen Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi (TEİAŞ) tarafından güç transformatörlerine uygulanmakta olan bakım sürecinin durum uzayı (Markov) modeli oluşturulmuştur. Model oluşumunda, TEİAŞ tarafından sağlanan kayıtlı arıza/onarım verileri kullanılmış ve TEİAŞ bakım personelinin deneyime dayalı bilgilerinden yararlanılmıştır. Kurulan Markov modeli kullanılarak, mevcut durum için durum olasılıkları, kullanılabilirlik, arıza sıklığı, ortalama onarım süresi ve ortalama ömür gibi güvenilirlik indisleri ve arıza ve bakım maliyeti gibi ekonomik büyüklükler hesaplanmıştır. İlk fazın üçüncü adımında, mevcut bakım süreci için, bakım görevlerinin içeriğinde herhangi bir değişiklik yapılmaksızın; güvenilirliği artırıp maliyeti düşürecek bir iyileştirme yapmak amacıyla, bakım parametrelerinde değişiklik önerisinde bulunulmuştur. Revize bakım parametrelerinden kaynaklanan diğer parametre değişimleri için duyarlılık analizi yapılarak, güç transformatörlerinin yokluk, arıza sıklığı ve ortalama onarım süresi üzerindeki etkileri belirlenmiştir. İlk fazın son adımında ise, önerilen yeni bakım sürecinin, bileşen düzeyinde, güvenilirlik göstergeleri ve maliyet değerlerindeki iyileşmeler, parametrik olarak hesaplanmıştır. Çalışmanın ikinci fazında, ilk fazda yapılan bileşen düzeyindeki hesaplama ve analizler, sistem düzeyine çıkarılmıştır. İlk adımda, öncelikle TEİAŞ Trakya bölgesindeki her bir güç transformatörünün, sistemdeki öneminin (önceliğinin) belirlenmesi için kritiklik analizi yapılmıştır. Çok Kriterli Bulanık Puanlama Yöntemi kullanılarak yapılan kritiklik analizleri sonucu, transformatörler önem derecelerine göre sınıflandırılmıştır. Bu derecelerendirme de dikkate alınarak, birinci aşamada önerilen bakım parametreleri revize edilmiş ve elektrik iletim sistemi için donanım yönetimi planı oluşturulmuştur. Çalışmanın ikinci fazının ikinci adımında, önerilen nihai bakım planının doğrulanması ve getirilerinin ortaya konması hedeflenmiştir. Bu adımda, TEİAŞ Trakya bölgesi transformatörleri için, mevcut durumda ve önerilen donanım yönetimi planının uygulanması durumunda tahmini güvenilirlik indisleri (göstergeleri) hesaplanmış ve teknik ve ekonomik karşılaştırmalar yapılmıştır. Doğaldır ki, gerçek iyileşmeler, önerilen planın belirli bir süre uygulanması sonrasında elde edilecek istatistiki sonuçlara göre belirlenebilecektir. Yapılan Güvenilirlik Merkezli Donanım Yönetimi çalışmasında, TEİAŞ güç transformatörleri için bileşen düzeyindeki bakım süreci iyileştirme önerisinin, sistem düzeyine taşınması ile, iletim sistemi için güvenilirliği artıracak maliyet-etkin bir bakım stratejisi elde edilmiştir. Önerilen bakım planının uygulanması ile elde edilmesi olası yararlar hesaplanmıştır. Maliyet-etkin bir bakım stratejisi oluşturma konusunda yapılan çalışmaların hemen tamamı incelendiğinde, bu çalışma, elektrik iletim sistemlerinde, güç transformatörlerine ilişkin bakım parametrelerinde yapılacak değişiklikler ile, sistem düzeyinde maliyet-etkin bir bakım stratejisi sağlama açısından bir ilktir.
Endüstriyel tesislerde enerji kalitesinin maliyeti
18. ve 19. Yüzyıllarda meydana gelen sanayi devrimiyle dünyamızda önemli bir yer sahibi olmaya başlayan enerji, yıllar geçtikçe önemini artırmış ve günümüz dünyasında vazgeçilmez bir hal almıştır. Hem ekonomik olarak hemde siyasi olarak büyük bir güç haline gelen enerji, ülkelerin gelişmişlik göstergelerinde kullanılan parametrelerden biri olduğu gibi ülke ekonomisi üzerindeki etkisi büyük bir önem arz etmektedir. Türkiye gibi enerji kaynakları bakımından dışa bağımlı olan ülkeler için enerjinin önemi ekonomik açıdan olduğu kadar sürdürülebilirlik açısında da önemli bir yer tutmaktadır. Bu sebeple enerji kullanımında dışa bağımlı olan ülkelerin enerji politikaları iki temel üzerine dayandırılabilir. Kendi ülkelerinde olan kaynaklara yönelme ve mevcut enerji tüketiminde verimliliğe dikkat ederek aynı işi daha az enerji kullanarak yapmaya özen göstermektir.Endüstriyel işletmeler enerji verimliliğiyle ilgili çeşitli projeler geliştirmektedir. Bu projeler elektriksel ve mekaniksel olarak temelde ikiye ayrılmaktadır. Elektrik ile ilgili hazırlanan projeler; verimli elektrik motorları kullanımı, verimli aydınlatma sistemleri kullanımı, atık ısıdan elektrik üretimi, kullanılan elektrik enerjisinin kaliteli hale getirilmesi gibi çeşitli başlıklar içermektedir. Bu tez çalışmasında endüstriyel işletmelerin enerji kalitesi analiz edilmiştir. Analiz sonuçlarından yola çıkılarak bazı tesislerin enerji kalitesi parametrelerinde olağandışı durumlar tespit edilmiştir. Bu durumların işletmelerin elektrik enerjisi maliyetine etkisi hesaplanmıştır.
Manyetik alanın kısmi boşalmaya etkisi
Elektriğin sorunsuz ve verimli bir şekilde üretilmesi, dağıtılması, iletilmesi elektrik mühendisliğinin önemli konularından biridir. Elektrik sisteminin kararlığı özellikle sistemde kullanılan yüksek gerilim elemanlarının durumlarıyla ilişkilidir. Sistemde kullanılan yüksek gerilim elemanlarında ortaya çıkabilecek sorunlar sistemin kararlılığını etkileyerek sistemden istenilen verimin alınamamasına neden olur. Bu şekilde sistemdeki elemanlar için sorun çıkarabilecek olaylardan biri elektriksel boşalmalardır. Elektriksel boşalmalar geçmişten beri önemini koruyan bir konudur. Elektriksel boşalmalar kısaca "yük veya elektrikten kurtulma" olarak tanımlanır. Elektriksel boşalmalar yalıtkanlarda gerçekleşmektedir. Yalıtkan malzemeler normal koşullarda elektrik akımını iletmezler. Yalıtkan malzemenin elektriği iletir hale geçtiği durum olarak adlandırılan elektriksel boşalmalar iki grupta (tam ve kısmi boşalmalar) incelenmektedir. Gerçekleştirilen tez çalışmasında kısmi boşalma sinyalleri incelenmiş ve deneyler yapılmıştır. Kısmi boşalmalar belirli bir bölgede meydana gelen ve yalıtımı kısmen köprüleyen elektriksel boşalmalardır. Tam boşalma olayı bir elektrik sisteminin performansını kötü yönde etkileyerek sistemde düzeltilemeyecek arızalara neden olabilmektedir. Bu yüzden tam boşalma olayını gerçekleşmeden önlemek için kısmi boşalma ölçümleri yapılmaktadır. Böylece arızalar daha oluşmadan sorun belirlenmektedir. Kısmi boşalma konusu ile ilgili geçmişten bugüne birçok çalışma yapılmıştır. Bu tez çalışmasında manyetik alanın kısmi boşalma sinyallerine etkileri gerekli deney düzenekleri hazırlanarak araştırılmıştır. Gerçekleştirilen çalışma için çubuk-düzlem elektrot sistemi ve bu elektrot sisteminde 30 mm, 35 mm, 40 mm elektrot açıklıkları deney için seçilmiştir. Manyetik alan üretimi için 20 mm çap ve 10 mm kalınlık değerlerine sahip iki adet Neodyum silindir mıknatıs kullanılmıştır. Mıknatıs aralıkları pleksiglas bir kap yardımıyla 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm ve 30 mm olarak ayarlanarak manyetik alanın değiştirilmesi sağlanmıştır. Ayrıca 40 mm uzunluk, 10 mm genişlik ve 20 mm kalınlığa sahip iki adet Neodyum dikdörtgen mıknatıs da 30 mm elektrot açıklığında ve üç farklı kap açıklığı için deneylerde manyetik alan üretmek amacıyla kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar iki ana başlıkta özetlenebilmektedir. İlk önce sistemde manyetik alan yokken üç farklı elektrot ve beş farklı pleksiglas kap açıklığı için kısmi boşalma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerin verileri Haefely marka DDX-9121 model kısmi boşalma ölçüm cihazı ve bilgisayar yardımıyla kaydedilmiştir. Deneyde alınan veriler kısmi boşalma başlangıç gerilimi ve kısmi boşalma sinyalinin fazı, boşalma genliği ve sayısı ile ilgilidir. Manyetik alanın olmadığı durum için elde edilen veriler kaydedildikten sonra aynı sisteme silindir mıknatıslar dahil edilerek manyetik alanlı durum oluşturulmuştur. Manyetik alansız durumda gerçekleştirilen aynı deneyler bu sefer değişen manyetik alan durumu için tekrarlanmıştır. Silindir mıknatıslarla ilgili deneyler tamamlandıktan sonra dikdörtgen mıknatıslar üç kap açıklığı için kullanılmıştır. Veriler ve ölçümler alındıktan sonra bunların analiz kısmına geçilmiştir. Elde edilen verilerin analizinde öncelikle kısmi boşalmanın başlangıç gerilimine olan etki araştırılmıştır. Manyetik alan varlığının kısmi boşalma başlangıç gerilimine etkisini incelemek için yatay ve düşeyde aynı açıklık değerleri için manyetik alan yokken bulunan veriler ile manyetik alan varlığında bulunan veriler birbirleriyle kıyaslanmıştır. İlk önce manyetik alansız durumda elde edilen on beş veriyle silindir mıknatıslarla oluşturulmuş manyetik alan varlığında elde edilen on beş veri aynı açıklıklar için kıyaslanmıştır. Bu kıyaslamalar grafikler verilerek yapılmıştır. Manyetik alanın kısmi boşalma başlangıç gerilimini ne şekilde ve hangi oranda etkilediği belirlenmiştir. Silindir mıknatıslar için yapılan benzer kıyaslamalar daha sonra dikdörtgen mıknatıslar içinde yapılmıştır. İkinci olarak n-q-p analizi gerçekleştirilmiştir. N-q-p analizi kısmi boşalmanın karakteristiği hakkında birçok bilgi içermesi bakımından önemlidir. Bu analiz sayesinde manyetik alanın kısmi boşalmaya etkisi 2 ve 3 boyutlu grafiklerle faz, boşalma genliği ve boşalma darbe sayısı bakımından karşılaştırılarak incelenmiştir. N-q-p analizinde öncelikle silindir mıknatısların oluşturduğu manyetik alanların, manyetik alansız durumdaki n-q-p verilerine etkileri farklı açıklıklar için incelenmiştir. Daha sonra benzer analiz dikdörtgen mıknatısların kullanıldığı durumlarla, manyetik alansız durumlar arasında yapılmıştır. En son analizde oluşturulan sistemlerdeki manyetik ve elektrik alan dağılımları ayrı ayrı incelenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemine dayanan FEMM programı yardımı ile deneylerde oluşturulmuş sistemler modellenerek bunların elektrik ve manyetik alan dağılımları ayrı ayrı bulunmuştur. Yapılan deneyler ve deneylerden elde edilen verilerin incelenmesi sonucunda kısmi boşalma sinyallerinin manyetik alan varlığından etkilendiği görülmüştür. Özellikle yapılan çalışma sonucu kısmi boşalma başlangıç geriliminde ve n-q-p verilerinde meydana gelen değişimler ortaya konulmuştur. Manyetik akı yoğunluğunun büyük olduğu durumlarda kısmi boşalma başlangıç geriliminde azalmalar ve n-q-p verilerindeki değişimler daha net görülmüştür. Ayrıca elektrot açıklığı arttıkça kısmi boşalma başlangıç geriliminin de arttığı, Neodyum mıknatıslar arası mesafe arttıkça ürettikleri manyetik akı yoğunluğu değerlerinin de azaldığı yapılan çalışma sonucunda belirlenmiştir.
Elektriksel kısmi boşalmayı etkileyen etkenlerin incelenmesi ve sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmesi
Elektrik üretimi ve iletiminde yüksek gerilim kullanılmasıyla birlikte elektriksel kısmi boşalma ve kısmi boşalmanın yüksek gerilim güç bileşenlerinin yalıtım sistemlerine zararlı etkileri de ortaya çıkmaya başlamıştır. Yalıtım sistemlerinde meydana gelen hasarlar, yüksek gerilim güç sistemlerinin zarar görmesine ve dolayısıyla, hem maddi hem zaman kayıplarına sebep olmuştur. Böylelikle, kısmi boşalma ölçümlerinin ve kısmi boşalma algılama yöntemlerinin önemi artmıştır. Kısmi boşalma, iletkenler arasındaki yalıtkan malzemenin kısmi bozulması sonunda oluşan kısmi köprüler aracılığıyla meydana gelen elektriksel boşalmalardır. Kısmi boşalma, yüksek gerilim sistemlerinin güvenliğini tehdit eden önemli bir olaydır. Bu yüzden, kısmi boşalma olayının incelenme sebebi, kısmi boşalmayı etkileyen etkenleri analiz ederek modellemesini yapmaktır. Bu tez çalışmasında, elektriksel kısmi boşalma olayı, kısmi boşalmayı etkileyen etkenler ve kısmi boşalma ölçümü incelenmiştir. Kısmi boşalmayı etkileyen etkenlerin belirlenmesi için deneyler yapılmış, bu deneyler için çubuk elektrot ve düzlem elektrot sistemi kullanılmıştır. Ayrıca, sonlu elemanlar yöntemi açıklanmış, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellemeler yapılmış, benzetim sonuçları yorumlanmış ve laboratuvar ortamında elde edilen sonuçlar ile kıyaslanmıştır. KB karakteristiğinin belirlenmesi için KB başlangıç gerilimi ve KB sönme gerilimi belirlenmelidir. KB başlangıç gerilimi, bir deney cismine uygulanan gerilim yavaş yavaş yükseltildiğinde, kısmi boşalmaların başladığı veya belirli bir yeğinliği geçtiği en küçük gerilimdir. KB sönme gerilimi ise bir deney cismine uygulanan gerilim en az kısmi boşalma başlangıç geriliminden başlayarak yavaş yavaş azaltıldığında, kısmi boşalmaların söndüğü veya belirli bir yeğinlikten daha az olduğu gerilimdir. İTÜ Yüksek Gerilim Laboratuvarı'nda gerçekleştirilen deneylerle üç farklı elektrotun iki farklı düzlem ile beş farklı açıklıktaki kısmi boşalma karakteristiği incelenmiştir. Deneyler esnasında, varyak yardımıyla gerilim yükseltilmiş ve kısmi boşalma tespit edildikten sonra da belirli bir düzeye kadar yükseltilmeye devam etmiştir. Sonrasında, gerilim yavaş yavaş azaltılarak deney sonlandırılmıştır. Ayrıca, tüm deney süreci kısmi boşalma ölçüm cihazı ile ölçülerek kayıt altına alınmıştır. Deneylerde öncelikle atlama gerilimleri belirlenmiştir. Atlama gerilimi, iletkenler arasındaki yalıtkan malzemenin dayanma gerilimini aşarak yalıtkanın delinmesine ve dolayısıyla da iletkenler arasında kısa devre olmasına sebep olan gerilimdir. Genel olarak bütün sonuçlar incelendiğinde, atlama gerilimlerinin açıklık arttıkça yükseldiği ve elektrot yarıçapı büyüdükçe de yükseldiği görülmektedir. Laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deneylerde elde edilen veriler karşılaştırılmış ve elektrot yarıçapının, düzlem özelliğinin ve elektrot ile düzlem arası açıklığın kısmi boşalma karakteristiğini nasıl etkilediği belirlenmiştir. Söz konusu çalışmada, elektrot yarıçapının artması kısmi boşalma başlangıç geriliminin yükselmesine neden olduğu tespit edilmiştir. Benzer şekilde elektrot ile düzlem arası açıklığın artması da kısmi boşalma başlangıç geriliminin yükselmesine neden olmaktadır. Deneyler sırasında kullanılan disk ve Rogowski olmak üzere iki farklı düzlemin kısmi boşalma karakteristiğini nasıl etkilediği de bu çalışmada belirlenmiştir. Laboratuvar ortamında, elektrot ile disk düzlem deneyleri alçak basınçta da gerçekleştirilerek alçak basıncın kısmi boşalma etkisi incelenmiştir. Bu deneyler, dört farklı alçak basınç altında yapılmıştır. Sonucunda, alçak basınçta kısmi boşalma başlangıç gerilimlerinin normal duruma göre daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, basınç düştükçe kısmi boşalma başlangıç gerilimi de daha düşük olmaktadır. Deneylerin tamamlanmasından sonra kısmi boşalma karakteristiği sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi, mühendislik problemlerinin çözümünde sağladığı kolaylık sebebiyle pek çok mühendislik dalında tercih edilmektedir. Sonlu elemanlar yöntemindeki temel mantık, çözüm bölgesini çok sayıda, basit, küçük, birbirine bağlı, sonlu eleman adı verilen alt bölgelere ayırmaktır. Bu modelleme için bilgisayar yazılımından faydalanılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemini baz alarak oluşturulan FEMM 4.2 programı kullanılarak aynı deney düzeneğindeki gibi elektrot-düzlem düzeni çizilmiş, malzeme ve ortam özellikleri, sınır değerleri gibi bilgiler girilerek matematiksel model sonuçları elde edilmiştir. Bilgisayar ortamında yapılan matematiksel modelleme sonucunda elektrotların ve düzlemlerin geometrisi, sonlu elemanlar ağı, ortamdaki potansiyel dağılımı, eşpotansiyel çizgiler, elektriksel alan dağılımı, elektrot ile düzlem arasındaki yüzey üzerinde potansiyel değişim, elektrot ile düzlem arasındaki yüzey üzerinde teğetsel elektrik alan bileşeni ve elektriksel alanın büyüklüğü gibi parametreler tespit edilmiştir. Modelleme ile elde edilen sonuçlar, elektrot ile düzlem arasındaki açıklığın en az olduğu durumda en büyük elektrik alanın oluştuğunu ve dolayısıyla, elektrot ve düzlemin birbirine yaklaşmasının, atlama ve delinme riskinin artmasına sebep olduğunu göstermektedir. Elde edilen modelleme sonuçlarına göre, aynı açıklıkta elektrot yarıçapının küçülmesi de elektrik alanın artmasına dolayısıyla atlama ve delinme riskinin yükselmesine sebep olmaktadır. Sonuçlar kısmi boşalma açısından değerlendirildiğinde, laboratuvar ortamında gerçekleştirilen KB ölçüm sonuçlarının, FEMM programında elde edilen sonuçlarla paralel olduğu görülmektedir. Örneğin, KB başlangıç geriliminin, açıklık arttıkça veya aynı açıklıkta elektrot yarıçapı büyüdükçe yükseldiği görülmüştür. Dolayısıyla, aynı gerilim altında ve diğer fiziksel ve ortam koşullarını aynı olması durumda, açıklığın azalması veya aynı açıklıkta elektrot yarıçapının küçülmesi, kısmi boşalma riskini de arttırmaktadır. FEMM 4.2 programı yardımıyla yapılan modelleme sonunda elde edilen sonuçlar, laboratuvar ortamında elde edilen sonuçlar ile genel olarak örtüşmektedir. Bunun önemli sebeplerinden birisi, sonlu elemanlar yöntemini kullanarak çözüm yapan FEMM programı, incelenecek sistemin geometrisinin oluşturulmasına, malzeme özelliklerinin ve sınır koşullarının girilmesine, ağ yapısının oluşturulmasına imkan veren ve sonucunda son derece gerçekçi sonuçlar elde edilmesine olanak sağlayan bir program olmasıdır. Sistem davranışını anlama açısından son derece faydalı olacak olan bu çalışma, yalıtım sistemlerinin üretilmesi veya yüksek gerilim sistemlerinin kurulmasında tasarım açısından yardımcı olabilir. Ayrıca bu çalışma, daha farklı durumlar veya koşullar yaratarak geliştirilebilir. İhmal edilen veya öngörülemeyen pürüzler dahil edilerek daha etkin sonuçlara ulaşılabilir. Farklı elektrot sistemlerinin kullanılması, farklı gaz basınçları altında deneylerin yapılması, farklı dielektrik malzemeler kullanılması gibi durumlar için çalışma geliştirilebilir ve kısmi boşalma karakteristiği hakkında daha fazla bilgi toplanabilir.
Mıknatıslı anahtarlamalı relüktans makinesinin kontrolü ve performans analizi
Anahtarlamalı Relüktans Makinesi (ARM) asenkron ve senkron makinelere kıyasla daha basit yapılı, daha sağlam ve üretimi daha ucuz bir makinedir. ARM'ler değişken hızlı uygulamalarda yüksek performans sağlar. Rotorunda sargı olmaması nedeniyle ARM'nin verimi aynı güçteki asenkron ve senkron makinelerden daha yüksek olabilmektedir. Sargısız rotorun bir diğer avantajı ise atalet momentinin oldukça düşük olması ve yüksek hız seviyelerine kolayca çıkabilmesidir. ARM'nin yukarıda bahsedilen avantajlarına rağmen analitik modelleme yapılması oldukça zordur. Günümüzde tasarım ve analizi bilgisayar üzerinde koşturulan sonlu elemanlar tabanlı yazılımlar ile yapılmaktadır. Klasik ARM'ler üzerine yapılmış pek çok çalışma mevcut olmakla beraber bunların çoğunluğu ticarileşme fırsatı bulamamıştır. ARM'nin maliyetinin asenkron ve senkron makinelere göre çok düşük olasına rağmen ihtiyaç duyduğu güç elektroniği sürücü devresinin piyasada seri üretiminin bulunmamasının getirdiği maliyet artışı mevcuttur. ARM'ler üzerine yapılan çalışmalar arttıkça yakın gelecekte sözkonusu maliyet artışının önleyecek yöntemler geliştirilebileceği ve böylece ARM'lerin özellikle değişken hız uygulamalarında tercih edilebileceği düşünülmektedir. Bu çalışmanın motivasyon kaynağını ARM'lerde ciddi bir maliyet artışına neden olmadan güç üretiminin arttırılabileceği düşüncesi oluşturmuştur. Güç ve moment artışı klasik ARM'deki stator üzerine yerleştirilen maliyeti ucuz mıknatıslar sayesinde sağlanmıştır. Bu mıknatısların sağladığı diğer avantajlar ise klasik ARM'nin hız cevabını, moment dalgalılığını iyileştirmesi ve faz arızası esnasında devamlı dönüşü sağlayacak yeterli moment üretimine olanak sağlamasıdır. Yapılan çalışma neticesinde ARM'nin yapısında ucuz mıknatıslar yerleştirilerek performansının arttırılabileceği ve aynı zamanda güvenirliğinin daha da iyileştirilebileceği görülmüştür. Bu çalışmada, 1. bölümde tezin literatürdeki yeri ve çalışmanın amacı verilmiş daha sonra 2.Bölümde ARM'ler hakkında teorik bilgi verilmiştir. 3. Bölümde; 6/4 yapıdaki bir ARM ile yine aynı motorda statora Alnico-5 mıknatıs yerleştirilerek elde edilmiş SMARM'nin AutoCAD programı ile yapılmış çizimleri verilmiştir. Tasarlanan bu iki motorun FEMM programı aracılığıyla manyetik analizi yapılmıştır. FEMM programında ilk önce belirli bir akı ve rotor konumunda iken motorda oluşan akım ve moment daha sonra bu değerler ile iki boyutlu akı ve moment tabloları oluşturulmuştur.4. bölümde motor ve asimetrik yarım köprü doğrultucunun matematiksel olarak modelleri Simulink de oluşturulmuş ve FEMM den alınan akı ve moment tabloları kullanılarak kullanılarak oluşturulan model yardımıyla motorların çalışması incelenmiştir. Oluşturulan modelde akım ve hız kontrolleri uygulanmıştır. Daha sonra 5. Bölümde sürekli halde, değişken yük koşullarında ve son olarak arıza durumunda analiz yapılmıştır. Sonuç kısmında ise standart ARM'de mıknatıs kullanılması durumunda motorda olan iyileştirmeler belirtilmiş ve öneri olarak SMARM'nin geleceği üzerinde yorumlarda bulunulmuştur
Wavelet frames and redundant wavelet transforms for fault detection
Wavelet Analysis has been a very strong signal analysis technique in the last two decades compared to classical methods like Fourier and Short-Time Fourier transforms and widely used by researches on many different kinds of applications. Wavelets are very powerful in detecting and revealing signal characteristics of which other transforms lack or are not capable. Since there have been thousands of wavelet applications in the literature, it becomes too difficult to classify their fields of application. Hence, the most popular wavelet methods are compressing and de-noising signal applications. The most significant feature which put Wavelet Analysis aside from the other classical methods is that it provides both time and frequency information. It provides a fix to resolution problem that Short-Time Fourier transform suffers – the problem which arises from the usage of fixed window functions. However, wavelet functions can be chosen more freely as opposed to window functions in Short-Time Fourier analysis. Since they have an adaptive structure, they provide better time resolution in high frequencies which also makes them more selective methods. Wavelet applications in the literature usually do not touch base with wavelet functions which are used in applications as most of the researches are tend to utilize ready-to-use toolboxes. Some of these studies do not even mention which type of wavelet transform was used and the researchers need to read through all the text in order to understand which type of wavelet transform is considered. A vast majority of these studies do not literally question the usage of wavelet functions in terms of orthogonality. Furthermore, they do not make any pre-analysis for a given wavelet function and scale/level selection in order to optimize the analysis. Hence, this is a very important gap that the researchers have to fill. Since wavelet transforms are considered as very redundant methods, those considerations over scale/level, function and wavelet type selections will affect the redundancy of analysis. Redundancy term has two different usages in the literature. The first concept of redundancy is mentioned in Frame Theory as the redundancy ratio. Redundancy ratio is used a measure of orthogonality for a given frame which is defined in a Hilbert Space. The second concept of redundancy term has a broad definition and literally comprise the first concept of redundancy definition. It is used to define how robust a transform is by all means. For example, if a vector in a Euclidian space is defined with three dimensional vectors, this actually points the second concept redundancy whereas the first concept is explicitly applicable to Frame Theory. Even though the redundancy of wavelet functions can be related to the first concept of redundancy term, the redundancy of wavelet transforms should be related to the second concept. Daubechies did a calculation for frame boundaries (a.k.a. redundancy ratios) of her wavelet functions and the others in her book, Ten Lectures on Wavelet, where she had defined the mathematical structures of wavelet functions. She also encouraged the researchers to investigate the frames further. However, in this study, the second concept of redundancy definition will be considered and the most redundant wavelet transform which is the Continuous Wavelet Transform will be examined. The product of CWT transform which are the redundant subscale signals will be reconstructed under pre-defined conditions in order to build a more redundant signal representation compared to the original signal. It is argued that this so-called redundant signal representation provides more sensitivity to fault detection. A new method which is called as Partial Feature Construction (PFC), has also been introduced when reconstructing these new redundant signals. The flow chart of this method and its mathematical representations have also been explained throughout this study by testing it with both artificial and real data. The main goal is not a perfect reconstruction of the original signal but it is to construct redundant signal representations which will reveal faulty characteristics. Furthermore, the redundancies of the new signals are calculated with a variance based estimation. The first Chapter starts with a bit of historical background of wavelet transforms. It also includes a large literature survey of wavelet transforms on fault detection applications. Thus, it mentions about redundant wavelet transforms and their explorations by the researchers. The second Chapter talks about the mathematical background of wavelet transforms which is a very critical concept to understand the behavior of wavelet functions. It also mentions inner product spaces and orthogonality in Hilbert space and of course Frame Theory. The main goal of this chapter is to explain the researcher the orthogonality which produce redundancy in transforms. In addition, the general concepts of vector spaces are explained in Appendix A. In Chapter 3, wavelet function types are discussed as well as wavelet transforms. Continuous Wavelet Transform which is defined as the most redundant wavelet transform and which will be the core focus of this thesis is discussed at first. And next, Discrete Wavelet and Stationary Wavelet Transforms which are also be considered as a redundant transform are represented. Chapter 4 explains the proposed Partial Feature Construction method which helps to create redundant signal representations. The PFC algorithms' flow chart and the related mathematical equations are also given. Also, this chapter discusses the redundancy calculations for the first and seconds concept of redundancy terms. Chapter 5 includes artificial data applications using Continuous and Stationary Wavelet Transforms introduced in Chapter 4. Two artificial signals, stationary and non-stationary respectively, have been simulated. Each of them has been analyzed by Continuous and Stationary Wavelet Transform with using orthogonal and non-orthogonal wavelet functions. The effect of orthogonality has also been investigated. With the proposed PFC method, the entropy based functions are used to integrate redundant signals so that the redundancy effect of these transforms and functions are able to be investigated. Thus, as a comparison with wavelet transforms, the Short-Time Fourier application over these two signals are introduced in Appendix B in order to give the researcher to see the differences between a classical method and wavelets. In Chapter 6 and 7, the real data applications have been introduced with only using Continuous Wavelet Transform. In Chapter 6, a bearing damage vibration data from an electrical discharge machining is considered. In Chapter 7, the ferroresonance data from a power system is tested. Both data have been applied by Partial Feature Construction method. It is seen that the redundant signals which are generated by PFC can be used in fault detection as a sensitive method. In the last Chapter 8, the results and findings of these applications and proposed Partial Feature Construction method have been discussed. Based on the findings, Partial Feature Construction method seems very promising as a feature extraction method. In this manner, it can be planned to use with neural network applications. This study can be extended to be a real-time application for critical systems. It can be modelled as a condition monitoring tool and faults can be detected more sensitively by using redundancy feature. This would reduce the maintenance cost of industrial plants and factories where the continuous operations must be held.
Yüksek gerilim güç sistemlerinde ark patlamalarının modellenmesi ve analizi
Güç sistemi şebekelerinin en önemli parçalarından birisi anahtarlama tesisleridir. Anahtarlama tesislerinde elektriksel bir arızanın meydana gelmesi, elektrik enerjisi sürekliliğini olumsuz olarak etkilemektedir ve son kullanıcılara elektriğin sağlıklı bir şekilde ulaştırılamamasına neden olmaktadır. Elektrik kesintileri, elektriksel ve mekanik arızalar sebebiyle oluşmaktadır. Güç sistemlerinde elektriksel kesintilere neden olan en yıkıcı arızalardan biri, yüksek gerilim (YG) anahtarlama tesislerinde meydana gelen ark arızasıdır. Ark bir gazın içinde kendi kendini besleyebilen elektriksel bir boşalmadır. Gaz iyonizasyonu sebebiyle oluşur ve iyonizasyon nedeniyle değişik potansiyeldeki elektrotlar arasında ya da elektrot ve toprak arasında iletken bir bağlantı oluşturur. Ark patlaması terimi bir elektriksel tesisat içerisinde arızadan kaynaklanan ark için kullanılmaktadır. Ark patlaması sırasında yoğun ısı ve ışık formunda büyük miktarda kontrol edilemeyen enerji ortaya çıkmaktadır. Ark patlaması, anahtarlama tesislerinde bulunan ekipmanlara zarar vermekte, elektrik kesintilerine yol açmakta ve ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Ayrıca personeller için ciddi yanık tehlikesi (ölüme kadar giden) ve diğer birçok güvenlik tehlikesi oluşturmaktadır. Ark patlaması, iletken üzerinde toz birikimi, korozyon, nem ve hayvanların kasıtsız teması nedeniyle kendiliğinden olabileceği gibi hatalı ekipman montajı, bakım çalışmalarında yapılan ihmaller nedeniyle de meydana gelebilmektedir. Ayrıca, hatalı sistem tasarımı veya iletken malzemelerin bakım-onarım esnasında enerjili kısımla temas etmesiyle de olabilmektedir. Sebep teknik veya çoğu kez şahısların yanlış davranışıdır. Elektriksel tesisat içerisinde oluşan hemen hemen bütün kısa devreler ark patlamasına neden olur ve çok büyük enerjiler ortaya çıkartır. Bu tez çalışmasında, YG şebekeleri anahtarlama tesislerinde ortaya çıkabilecek ark patlaması enerji düzeyi hesaplamaları yapılmıştır. Ark patlaması arızası sırasında ortaya çıkacak ark patlaması enerjisi hesaplamaları yapılırken akım, güç gibi arıza değerleri IEC ve ANSI standartlarına göre bulunmuştur. Ark patlaması analizi için ise NFPA ve IEEE standartları göz önüne alınmıştır. Neplan adlı paket yazılım programı ile oluşturulan örnek şebeke modeli üzerinde farklı arıza parametreleri kullanılarak ark patlaması analizleri gerçekleştirilmiştir. Ark patlaması enerjisini ve riskini azaltmak için kullanılabilecek yöntemler detaylı olarak incelenmiştir. Ark akımı ile ark süresinin ark patlaması enerjisi üzerine etkileri değerlendirilmiştir. Bulunan sonuçlara göre personel güvenliğinin sağlanması amacıyla ark patlaması tehlike etiketleri ve kullanılması gereken kişisel koruyucu donanımlar (KKD) belirlenmiştir. Analizler sonucunda elde edilen veriler karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda kısa devre akımı, ark akımı, ark süresi gibi parametrelerin nasıl yorumlanması gerektiği konusu irdelenmiştir. Böylece ark patlaması enerjisi oluşumunda hangi parametrelerin izlenmesi gerektiği analizler ışığında araştırılmıştır.
Bir yüksek gerilim yeraltı kablosunun farklı işletme koşullarında ısıl ve elektriksel birleşik analizi
Yüksek gerilim kablolarının değişik ortam koşullarına göre davranışlarının ısıl olarak analiz edildiği bu çalışmada, modellenen kablo için izin verilen en yüksek işletme sıcaklığına göre akım taşıma kapasiteleri belirlenmiştir. Değişen ortam koşullarının, yüksek gerilim kablolarının sıcaklık dağılımlarını nasıl etkilediği gözlemlenmiş ve bu değişim ile akım taşıma kapasiteleri arasında da ilişki kurulmuştur. Böylelikle yüksek gerilim kablosunun daha verimli halde işletilebilmesi için gerekli ortam ve döşeme koşulları hakkında öneriler sunulmuştur. Tezin birinci bölümünde konuya genel olarak bir giriş yapılmış ve literatürde bu konuyla ilgili yapılan sayısal ve analitik çalışmalardan detaylı olarak söz edilmiştir. Tezin ikinci bölümünde kısaca yeraltı kablolarının avantaj ve dezavantajları sıralanmıştır. Yine aynı bölümde, yüksek gerilim yeraltı kablolarının genel yapısından, kabloyu oluşturan katmanlardan ve malzemelerden bahsedilmiştir. Tezin üçüncü bölümünde yeraltı kablolarının doğru akım ve alternatif akım direncinin hesaplanmasından, kablolarda meydana gelen kayıplardan ve bu kayıpların hesaplamasından, yeraltı güç kablosunun akım taşıma kapasitesini belirleyebilmek için kullanılan yöntemlerden bahsedilmiştir. Tezin dördüncü bölümünde ise kabloların akım taşıma kapasitesini hesaplayabilmek için yapılan ısıl analizin temel yönlerinden söz edilmiştir. Kablolarda ısıl dirençlerin nasıl hesaplandığına değinilip, ısıl iletimin çeşitlerinden ve nasıl gerçekleştiğinden bahsedilmiştir. Tezin sayısal uygulamaları içeren beşinci bölümünde ise sonlu elemanlar yöntemine göre çoklu fiziksel analizler yapabilen Comsol Multiphysics programı kullanılarak ısıl ve elektriksel analizler yapılmıştır. İlk olarak Comsol Multiphysics programının tanıtımı yapılmış, analiz metodolojisinden söz edilmiştir. Daha sonra 89/154 kV'luk 1000 mm2 iletken kesitine sahip yüksek gerilim kablosu tek ve üç adet yan yana dizilmiş olarak ayrı ayrı modellenmiştir ve direkt olarak toprağa gömülme durumu için sıcaklık dağılımları ve akım taşıma kapasiteleri elde edilmiştir. Daha sonra 3 adet yatay düzlemde yan yana yerleştirilmiş kablo modelinin belirtilen döşeme modeline göre ısıl ve elektriksel analizi yapılmıştır. Analizler yapılırken dolgu maddesinin ısıl iletim katsayısının, kablolar arası yatay mesafenin, kabloların döşenme derinliğinin, tuğla dikey boyutunun ve tuğla malzemesinin ısıl iletim katsayısının, yüzey sıcaklığının ve rüzgar hızının değişiminin kabloların sıcaklık dağılımınlarına ve akım taşıma kapasitelerine etkileri gözlenmiştir. Elde edilen akım değerleri ve sıcaklık değişimleri kullanılarak bir ömür denklemi ile kabloların değişen koşullara göre ömür analizleri de yapılmıştır. Ayrıca kablo özelinde paket bir program olan ve IEC 60287 standardını esas alan Cymcap isimli yazılımla da ısıl ve elektriksel analizler yapılmıştır ve sonuçlar Comsol Multiphysics programında elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Çalışmanın sonuç ve öneriler bölümünde ise yapılan analizler yorumlanmış ve değişen ortam koşullarına göre kabloların işletilmesiyle ilgili önerilere yer verilmiştir.
Sürekli mıknatıs destekli senkron relüktans motor tasarımı
Senkron relüktans ve sürekli mıknatıs destekli senkron relüktans motorlar, motor tasarımcıları için gün geçtikçe artan bir ilgi ile değişik uygulama alanlarında farklı araştırmalara konu olmaktadırlar. Boşluklu ve sargısız rotor yapısı, düşük ağırlık, düşük maliyet ve az bakım gerektirme gibi sebeplerden ötürü senkron relüktans motorlar; asenkron ve sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım motorlarla kıyaslanabilir ve hatta yerine göre onlara tercih edilebilir bir motor haline gelmiştir. Senkron relüktans ve mıknatıs destekli senkron relüktans motorlar; herhangi çok fazlı asenkron veya mıknatıslı motor ile aynı stator yapısına sahiptir. Senkron relüktans motorların en büyük farkı ve asıl performans kriterini oluşturan tasarımsal tarafı, rotorlarıdır. Senkron relüktans motorlarının rotorlarında bir uyarma sargısı yoktur. Rotor içerisindeki manyetik alan, stator akısının geçeceği yolların hava boşlukları ile belirlenmesiyle, rotor malzemesinin stator tarafından uyartılması ile oluşturulur. Bu eksenel hava boşluklarına 'akı bariyerleri' (İng.: flux barrier) adı verilir. Akı bariyerleri rotorda manyetik bir anizotropi oluşturur ve stator akısı rotor üzerinde bir moment indüklenmesini sağlar. Oluşturulan bu manyetik anizotropik yapıda geometrik olarak en düşük manyetik dirence (relüktansa) sahip akı yolu üzerine d-ekseni ve en yüksek relüktansa sahip akı yolu üzerine de q-ekseni tanımlanır. Akı bariyerleri rotor içerisinde d-ekseni üzerindeki relüktansı en aza indirecek ve q-ekseni üzerindeki relüktansı en yüksek yapacak şekilde yerleştirilir. Rotorda indüklenecek momenti ve dolayısı ile de motorun performansını belirleyen en önemli gösterge bu d ve q-eksenleri arasındaki indüktans farkıdır. Literatür incelendiğinde bu ana performans kriteri üzerine sayısız çalışma görülecektir. Sürekli mıknatıs destekli senkron relüktans motorlarda ise q-ekseni üzerinde uyartım yapacak olan stator akısına karşı olacak şekilde mıknatıslar yerleştirilerek q-ekseni indüktansının daha da azaltılması ve performans artışı sağlanması hedeflenir. Dolayısı ile yerleştirilen mıknatıslar, sadece moment arttıracak bir kaynak olmayacak, aynı zamanda q-ekseni üzerinden akan akıyı minimize ederek hem q-ekseni indüktansını düşürecek hem de bu akının d-ekseni akısı üzerindeki etkisini azaltarak (çapraz manyetizasyon) d-ekseni indüktansını bir miktar yükseltecektir. Bu da daha yüksek bir moment indüklenmesi ile sonuçlanacak ve performans artışı sağlayacaktır. Sürekli mıknatıs destekli senkron relüktans makineleri tasarlanırken hem stator hem de rotor tarafında bir çok tasarım kriteri vardır. Stator tarafında oluk sayısı, diş genişliği, boyunduruk genişliği ve sargı tipi (dağıtık veya konsantrik) gibi parametreler motor karakteristiğine önemli ölçüde etki etmektedir. Rotor kısmında ise çok daha karmaşık bir tasarım süreci düşünülmelidir. Rotor içerisindeki akı bariyeri sayısı, demir bölütlerin (İng.: iron segments) ve akı bariyerlerinin genişliği, mıknatısların konumu ve izolasyon oranları (İng.: insulation ratio) gibi parametreler detaylıca incelenmelidir. Bu çalışmada öncelikle geometrik boyutlar ve çalışma koşullarındaki performans kısıtları belirlenmiş ve bu kısıtlara göre ön tasarım süreci ile tasarıma başlanmıştır. Bu ön tasarım sürecinde öncelikle stator yapısı incelenmiş daha sonra karar verilen stator tasarımı üzerine eniyileme yapılarak ardından rotor yapıları incelenmiştir. Rotor yapısında bariyer sayısının, izolasyon oranının ve mıknatıs yerleşiminin etkileri incelenmiş ve en uygun modeller üzerinde eniyileme çalışmaları yapılarak sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Moment üretme kabiliyeti, moment titreşimi, manyetik alan dağılımları, indüklenen gerilimler ve verimler göz önüne alınarak en iyi model seçilmiş ve prototip bir motor üretilmiştir. Bu aşamalarda sadece iki boyutlu sonlu elemanlar yöntemi (SEY) ile analizler yapılmıştır. Geçici hal (İng.: transient – zamana bağlı) ve sürekli hal (İng.: steady state-frekansa bağlı) manyetik analizler yapabilen bir ticari paket program (ANSYS Maxwell 2D) ile iki boyutlu düzlemde oluşturulan modeller ile sonuçlar elde edilmiştir. Üretilen prototip; laboratuvar ortamında standartlara uygun testlere tabi tutulmuş ve test sonuçları ile prototip SEY modelinin sonuçları karşılaştırmalı olarak verilerek de analizlerin tutarlılığı ortaya konmuştur.
Rüzgar türbinlerinin şebekeye entegrasyonu ve performanslarının incelenmesi
Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretiminde kullanılması, fosil yakıt tüketimlerinin artması ve dünya nüfusunun hızla çoğalması nedeniyle günümüzde oldukça yaygınlaşmıştır. Rüzgar gücüne dayalı elektrik sistemleri bu ihtiyacı karşılama yolunda hızla gelişmiş ve büyük önem kazanmaya başlamıştır. Öncelikle rüzgar enerjisinden elektrik üretmenin avantaj ve dezavantajları, rüzgar enerjisinin Türkiye ve Dünyadaki genel durumu hakkında irdelenecek, ardından rüzgar türbinleri ile elektrik üretimi başlığı altında rüzgar enerjisi, rüzgar türbini tasarımları ve parçaları, kullanılan generatör tipleri ve özellikleri, gerilim kararlılığı sağlanması ve rüzgar enerjisinden elektrik üretme tekniği hakkında bilgi verilecektir. Rüzgârdan çok değişken biçimde elektrik enerjisi üretilmesi nedeniyle, büyük güçlerdeki rüzgar çiftliklerinin şebekeye entegrasyonu beraberinde çeşitli elektrik kalite problemleri de getirebilmektedir. Şebekeye bağlı rüzgâr türbinlerinin sayısının artması elektrik sisteminde gerilim kararsızlığı, reaktif güç ve frekans kontrolündeki zorluklar elektrik kalitesi problemlerini beraberinde getirmektedir. Şebekeye bağlı rüzgar sistemlerinin bölgesel ve sistem üzerinde olan bozucu etkileri, büyük rüzgar santrallerinin planlanmasında yaşanabilecek sorunlar hakkında bilgiler üçüncü bölümde verilmiştir. Bahsedilen elektrik kalite problemleri ve bunların ölçümleri incelenmiş, elektrik piyasası şebeke yönetmeliğine göre, şebekeye bağlı rüzgar türbinlerinin için reaktif güç, aktif güç, frekans değişimlerine bağlı toleransları, ayrıca gerilim düşümü, fliker ve harmonik sınırlamaları değerlendirilmiştir. Son bölümde rüzgar türbini sistemlerinde en çok kullanılan SKAG ve ÇBAG bağlı rüzgar türbini sistemleri incelenmiştir. SKAG ve ÇBAG bağlı rüzgâr türbinleri modelleri MATLAB- Simulink programıyla geliştirilerek farklı rüzgâr hızları için simule edilerek rüzgâr çiftliği kurulurken hangi rüzgâr türbin topolojisinin değişken rüzgâr hızlı sisteme daha uygun olduğu incelenmiştir. Geliştirilen benzetim sistemlerinde iki rüzgar türbini modelinin farklı seviyelerdeki rüzgar değişikliklerine verdikleri tepkiler, harcadıkları reaktif güç miktarı, ortak bağlantı noktasındaki gerilim kararlılığına etkilerini gösteren simülasyon yapılmıştır. Bunun yanında iki benzetim sistemi için tek-faz toprak, üç faz ve faz-faz kısa devre arızası durumlarında türbinlerin verdiği tepkiler ölçülerek, hangi generatörün bağlı bulunduğu benzetim sisteminin elektrik kalitesi üzerinde daha olumlu sonuçlar doğurduğu incelenmiştir. Yapılan benzetim çalışmalarının ardından varılan analizler ve sonuçlar, şekiller halinde sunulmuştur.
Akıllı şebekeler kapsamında meskenlerde talep tarafı yönetimi ve enerji verimliliği
Güç sistemlerinde puant talep; nüfus artışı, yeni teknolojiler ve bunların sisteme entegre edilmesi, verimsiz elektrikli cihazların kullanımı, kullanıcı tercihleri ve gereksiz enerji israfları nedeniyle son yıllarda artış göstermiştir. Ayrıca elektrik enerjisine olan talepte bu nedenlerden dolayı dalgalanmalar yaşanmaktadır. Üretilen elektrik enerjisi depolanamadığından dolayı son kullanıcıya elektriğin hemen ulaştırılması gerekmektedir. Bu sebepten ötürü üretimin ve tüketimin her an belirli bir dengede tutulması gerekmektedir. Elektrik enerjisine olan tüketim miktarının ve talebin mevsimlere, bölgelere ve günün belirli saatlerine göre büyük değişiklikler göstermesi dalgalanmaların yaşandığının en büyük göstergesidir. Artan elektrik enerjisi talepleri, şebekenin dengesiz yüklenmesine, düşük yük faktörünün oluşmasına ve şebekede oluşan kayıpların artmasına neden olmaktadır. Enerji çeşitlerinden biri olan elektrik enerjisinin üretimi, iletimi, dağıtımı ve tüketimi sonunda elektrik enerjisinin yanlış kullanımı sonucunda kayıplar oluşmaktadır. Bu kayıpların oluşmasında en büyük paya sahip olan da tüketicilerdir. Bu sebepten ötürü üretimin yönetilmesi yerine meydana gelen bu talep gücünün puant talebi azaltacak yönde yönetilmesi yani kontrol mekanizmasının üretim tarafından tüketim tarafına kaydırılması hem elektrik şirketleri açısından hem de tüketiciler açısından büyük bir önem taşımaktadır. Tüketicilerin teşvik ve/veya talimat üzerine tüketimlerini değiştirebilme yeteneklerine Talep Yönetimi denmekte ve bunun elektrik piyasalarında yer bulmuş haline ise Talep Tarafı Katılımı denmektedir. Puant zaman dilimlerinde yani elektrik tüketiminin en fazla olduğu saat dilimlerinde (17:00-22:00) tüketici taleplerine göre üretim profili oluşturmak yerine tüketici taleplerini azaltmaya yönelik uygulamalar Talep Tarafı Yönetimi kapsamında değerlendirilmektedir. Elektrik enerjisi tüketimlerinin azaltılması veya tüketiciler tarafından elektrik tüketim alışkanlıklarının değiştirilmesi hem elektrik şirketleri açısından hem de tüketiciler açısından çok önemlidir. Tüketiciler, enerji tüketimlerini enerji birim fiyatının daha düşük olduğu zaman dilimlerine ötelemesiyle fatura bedellerini azaltmış olacak; enerji şirketleri ise bu sayede işletim maliyetlerini azaltabilecektir. Yük öteleme, enerji talebinin daha az olduğu zaman dilimlerine kaydırılmasını amaçlayan Talep Tarafı Yönetimi programlarından birisidir. 2016 yılındaki EMO verilerine göre mesken grubu içerisindeki elektrik tüketimi toplam Türkiye elektrik tüketiminin % 22'si kadardır ve tüketimin en çok 17:00-22:00 saatleri arasında olduğu görülmektedir. Bu tez çalışması ile puant zaman dilimlerinden puant olmayan zaman dilimlerine yapılacak olan yük ötelemesi ile hem şebekenin rahatlaması sağlanmış olacak hem de Talep Tarafı Yönetimi programlarından biri olan enerji verimliliği sayesinde meskenlere ait elektrik tüketiminin azaltılması sağlanacaktır. Yüksek lisans tezi kapsamında; kent merkezinde yaşayan dört kişilik bir ailenin aralık ayı boyunca elektrik tüketimleri incelenmiştir. Eş zamanlı verilerin toplanabilmesi için aynı anda 12 tane akıllı priz ve 1 tane akıllı termostat kullanılmıştır. Elektrikli cihazların uzaktan kontrol edilebilmesi ve yüklerin ötelenebilmesi için akıllı prizler tercih edilmiştir. Akıllı prizler sayesinde hem mesken içerisindeki en çok elektrik tüketen cihazların ne kadar elektrik tükettiği belirlenmiş olacak hem de puant zaman dilimlerinde çalışan çamaşır makinesi, bulaşık makinesi gibi yönetilebilir yüklerin uzaktan kontrolü sağlanarak puant olmayan zaman dilimlerine ötelenmesi sağlanacaktır. Akıllı prizler yüklerin ötelenebilmesini sağlaması dışında ayrıca tüketicilere evlerindeki cihazların ne kadar verimli çalışıp çalışmadığı hakkında da farkındalık sağlayacaktır. Aralık ayı boyunca akıllı prizlerle yapılan ölçümler sonucunda en fazla elektrik tüketimine sahip olan yükün %22 payla aydınlatma olduğu gözlemlenmiştir. Örnek evin 3 odasında 20W gücünde 18 adet kapsül halojen lambanın kullanılması sonucunda aydınlatma payı bu denli yüksek çıkmıştır. 18 adet kapsül halojen lambanın aynı ışık renginde ve lümen değerinde 22 adet 3W gücünde LED lamba ile değiştirilmesiyle aydınlatma payı %22'tan %7'ye düşmesi sağlanmıştır. Aralık ayı süresince manuel kontrollü yönetilebilir yüklerin puant zaman dilimlerinden puant olmayan zaman dilimlerine ötelenmesi sağlanmıştır. Analiz sonucunda yönetilebilir yüklerin %33.24'lük kısmı elektrik birim fiyatının daha ucuz olduğu puant olmayan zaman dilimlerine ötelenmiştir. Aydınlatma tarafından yapılan enerji verimliliği ve manuel kontrollü yönetilebilir yüklerin puant olmayan zamanlara ötelenmesi tüketici bütçesinin iyileşmesini sağlamıştır. 1 mesken için yapılan bu çalışmanın bütün meskenlerde yapılabildiği düşünülürse hem şebekelerde meydana gelen puant yüklenmeler azalmış olacak hem de ülke ekonomisine katkısının büyüklüğü fazla olacaktır. Kombi testleri için hem akıllı termostat hem de akıllı priz kullanılmıştır. Akıllı priz sayesinde elektrik tüketimi ölçülürken akıllı termostat sayesinde de uzaktan ısı kontrolü sağlanmıştır. Bu testler sayesinde kombinin en ekonomik hangi şartlarda yakılması gerektiği araştırılmıştır. Özellikle evde yaşayan bireyler 09:00-17:00 evlerinde değillerse kombinin bu süreler içinde kapatılması tüketici bütçesinin iyileşmesini sağlayacağı gözlemlenmiştir. Tüketicilere enerji konusunda farkındalık yaratabilmek adına Excel tabanlı Visual Basic Application kullanılarak grafiksel bir ara yüz oluşturulmuştur. Bu ara yüz sayesinde tüketiciler evlerinde kullandıkları tüm elektrikli cihazları programda markalarını ve modellerini seçerek cihazların ne kadar elektrik tükettiklerini program içerisinde gömülü olan veritabanından görebileceklerdir. Cihaz seçimlerinden sonra cihazların hangi saatler arasında çalıştığı bilgilerini de girerek istedikleri tarihler arasındaki toplam elektrik tüketimini, toplam maliyeti ve elektrik tüketiminin saatlik tüketimini grafiksel olarak görebileceklerdir. Ayrıca Türkiye'de elektrik enerjisinin fiyatlandırılmasında 1 zamanlı tarife ve 3 zamanlı tarife uygulanmaktadır. Bu program sayesinde kullanıcılar bulundukları tarifenin onlar için avantaj sağlayıp sağlamadığını da öğrenebileceklerdir.
A probabilistic dynamic security assessment of large power systems using artificial neural networks
Due to extensive utilization of intermittent energy sources in recent years, probabilistic dynamic security assessment has attracted much more attention. Conventional deterministic studies may not provide accurate security assessments for the power systems under uncertainties. Therefore, probabilistic approaches are necessary for decision makers to take appropriate preventive control actions based on more reliable assessments. In this thesis, a new methodology is proposed to perform probabilistic security assessment for one forecasted operating point of a large power system. This approach can be applied for both transient and small-signal angle stability analyses. The main uncertainty in a power system originates from the uncertainties of loads and wind generation units; therefore, the active power output of wind generation units and active power demand of loads are considered as random variables. The main purpose of the proposed methodology for dynamic security assessment of a large power system is to compute the risk for one forecasted operating condition. In order to compute the risk, probability distribution of the system's dynamic performance is required. To obtain the probability distribution of the system performance, Monte-Carlo simulation method is used with some additional efforts to increase the accuracy and to decrease the computational burden of the process. To obtain the probability distribution of the system performance more precisely, left tailed region of the distribution is fitted by a Generalized Pareto (GP) distribution and the remaining part is fitted by a normal distribution. For fitting the GP distribution, an exceedance sample, which can be obtained by a time consuming process if dynamic simulations are solely used to distinguish each exceedance instance, is required. To decrease the computational burden of the exceedance sample generation process, machine learning approaches such as neural-networks and feature selection methods are utilized. xxii The procedure starts with the creation of a dataset for training a neural network. The trained neural network is utilized to predict the system performance of an operating point for an exceedance sample generation process. The exceedance sample involves instances which result in system performances below a predefined threshold. Due to the fact that most of these instances have a low probability to be sampled, a large number of instances must be examined in order to get a reasonably large sample. However, using dynamic simulations to directly distinguish all the instances in such a large sample would not be suitable for online applications. Instead of the extensive dynamic simulations requiring an excessive computational effort, the trained neural network is used to generate an exceedance sample with a proper size as it predicts the system performance of each operating point more efficiently. Latin Hypercube Sampling technique is used to sample the space of random variables evenly and produce instances of the dataset for training the neural network. For each instance, Optimal Power Flow solution is found and new operating points are obtained. For each operating point produced, a series of dynamic simulations is applied and the system performance is computed. Since the initial dataset created for training the neural network will most likely involve features which are not relevant to the system performance, a reliable and fast feature selection algorithm, namely Relief, is used to find the relevant features. Thus, with this approach the accuracy of the neural network can be improved as its training time is reduced. The next step of the methodology is to generate instances by an appropriate MonteCarlo sampling technique and to obtain an initial probability distribution of the system performance. Gibbs sampling technique, which is a type of Markov-Chain MonteCarlo sampling method, is used to generate the operating conditions which are used to fit a normal distribution for the system performance. Considering the existence of correlation between the random variables, Gibbs sampling is selected as an appropriate method to produce new operating conditions. For each newly produced operating condition, an Optimal Power Flow (OPF) solution is found and the system performance for the resulting operating point is computed by dynamic simulation. xxiii The required number of operating points for Gibbs sampling is determined according to the sample standard deviation of the system performance and specified error and confidence level. The sample standard deviation of the system performance is calculated based on the previously generated training dataset for the neural network. In this study, the maximum tolerable error and the confidence level are specified as 5% and 95%, respectively. It means that we are 95% sure that error we make is less than 5%. The exceedance sample which is required for Generalized Pareto (GP) distribution fitting is produced with the help of trained neural network. First, a large number of instances is generated by LHS method and, then, we randomly select one instance at a time, without a replacement, as a candidate exceedance instance. The performance of each selected instance is predicted by the trained neural network. If the system performance is less than the specified threshold, this candidate is included in the exceedance sample; otherwise it is discarded. The system performance of each exceedance instances are also computed through dynamic simulation, which also confirm their exceedance. This process continues until the required number of exceedance instances are collected. The system performance at these operating points are used to fit the GP distribution. The overall probability distribution of the system performance is obtained by combining the two fitted (normal and GP) distributions above for a given forecasted operating condition. A risk analysis has been done to give a probabilistic security assessment for the forecasted operating condition. In order to perform the risk analysis, a severity function related to the system performance is selected. In this study, the severity function is the combination of a unit step and a quadratic function. The product of the probability density function of the system performance and the corresponding severity function is used to calculate the risk of the forecasted operating condition.
Design of permanent magnet synchronous motor for elevator application
This thesis is about low speed high torque permanent magnet synchronous motors (PMSM) which is used in elevator with commercial name of gearless (direct drive) motors. This motor is mounted in the elevator well, there is lack of adequate space for installation of the motor. The motor must lift a cabin with maximum load of 630 kg and speed of one meter per second in 2:1 suspension elevator system. In first chapter, introduction, general information is given about the thesis. Also, target and aims of this thesis is determined in purpose. And literature review present papers which are interesting in the Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) and application of the in elevator industry. In chapter two, more detailed information is given about elevators and types of them. Among various kind of elevators, traction one is the type which is analyzed, then more information is given about this model. Some component of elevator system which is very important such as: driver, cabin, encoder and so on is introduced in section. In chapter three, more technical information is available about PMSM which is the main topic of this thesis. After giving some general definitions about electric machines, component of a PMSM is introduced. In chapter four, an analytical calculation is achieved with regard to the traction elevators system. Speed and the maximum load of cabin (speed = 1 meter per second and maximum load = 630kg) specify the power, torque and speed of PMSM; this technical information help engineers to calculate the main dimension of motor, copper winding sized and etc. In chapter five, an experimental test will be done on the motor which is available in the market. The technical information of this motor is as like as designed motor in chapter four. In chapter six, both designed motors given in chapter four and tested motor in chapter five are modeled in ANSYS Maxwell 2D software which is based on Finite Element Method (FEM). The methodology is validated by means the results of the experimental test and FEM simulations. In chapter seven, experimentally tested motor is redesigned and produced. The redesign aims were to increase the efficiency of motor and made it more compact, also made winding process simpler. After production of redesigned PMSM, it will be tested experimentally and analyzed under finite element method in ANSYS Maxwell 2D. In chapter eight, the results of analytically designed motor, experimentally tested motor and redesigned motor will be compared. Finally, in chapter nine, conclude the result of all activities in the thesis.