Doğrudan moment kontrol yöntemi kullanılarak raylı sistem aracı elektrikli cer motor kontrolü ve simülasyonu

Raylı sistem araçları için önemli olan kavramlar söylenmek istendiğinde ilk akla gelenler; güvenlik, konfor, hız ve verimliliktir. Güvenlik kavramı için aracı en kısa mesafede durdurma, aracın hareketi esnasında yolcu kapılarının sürekli takibi, kapıların açılması durumunda aracı durdurma, kapıların açık olduğu durumlarda aracı hareket ettirmeme v.b. önlemler alınır. Yolcuların konforu için frenleme ve hızlanma ivmesinin belli sınırların altında olması, araç cer motor hareketlerinin sarsıntıya neden olmaması ve kurplarda yolcuların minimum derecede sarsılmaları istenmektedir. Raylı sistem araçlarında hız kavramı, şehirler arası ulaşım için önemlidir. Şehir içi raylı sistem araçlarında belirlenmiş olan hız sınırları, metro araçlarında 80 km/h olarak belirlenmişken, tramvay araçları için ise 50 km/h olarak belirlenmiştir. Raylı sistem araçlarında verimlilik güvenlikten sonra gelir. Örneğin acil frenleme durumuna geçmiş bir araçta, rejeneratif frenleme ile kazanılan enerji katener hattındaki enerji durumu kontrol edilmeksizin fren rezistörlerinde yakılır. Bunun nedeni 1 saniyelik frenleme gecikmesi, maksimum hızda giden bir aracın normal durması gereken koşuldan yaklaşık 23 metre daha yol alması anlamına gelmektedir. Bunun engellenmesi için katener hattı izlenmeksizin elde edilen enerji fren rezistörlerinde yakılır. Elektrikli raylı sistem araçlarında enerji verimliliği, tam makinist kullanımında tamamiyle makinistin aracı kullanma stiline bağlıyken, sürücüsüz raylı sistem araçlarında verimliliği arttırma üzerine bir algoritma ile araç kontrol edilmektedir. Raylı sistem araçlarının kullanılmaya başlamasından bu güne kadar geçen sürede verimlilik hızla önem kazanırken, gelecekte de verimliliğin ön planda olacağı aşikardır. Üretilen ilk raylı sistem araçlarında buharlı tahrik sistemi kullanılırken su ve suyun ısıtılması için kullanılacak olan yakıt (kömür, fuel oil v.b.) aracın içinde taşınılarak aracın ağırlaşmasına neden olmaktaydı. Bu nedenle araç verimliliği bir hayli düşmekteydi. Elektrik motorlarının kullanılmaya başlanması ile pantograf üzerinden alınan enerji direkt olarak motorlar da kullanılabilmektedir. Böylece araç içerisinde taşınan yakıta gerek duyulmaz, dönüşümler neticesinde oluşan enerji kayıpları minimize edilir ve rejeneratif frenleme neticesinde enerji kazanımı gerçekleştirilebilir. Raylı sistem araçlarında elektrik motorun ilk kullanılmaya başladığı yıllardan 90'lı yıllara kadar süre gelen zaman diliminde doğru akım motorlarının sıklıkla kullanıldığı görülmektedir. 90'lı yıllarda yarı iletken teknolojisinin gelişmesi ile alternatif akım motorlarının raylı sistem araçlarında kullanımı yaygınlaşmıştır. Özellikle asenkron motorun gelişen teknoloji ile kolay kontrol edilebilir hale gelmesi demir yolu araçlarında doğru akım motor kullanımını sonlandırmıştır. Simülasyonda kullanılmak üzere seçmiş olduğumuz cer motorunun uygunluğunun tespiti için cer eğrisi oluşturularak İTA üzerinde kullanılan cer motoru cer eğrisi üzerinden karşılaştırması yapıldı. Aracın basit modelinin oluşturulabilmesi için gerekli olan ray-teker ilişkisi incelendi. Ray teker ilişkisi demir yolu araçlarında önem arz etmektedir. Bunun nedeni düşük sürtünme nedeni ile çekiş gücünün ve frenleme kuvvetinin raylara tam aktarılamaması, bunun neticesinde kayma kızaklama denilen problemlerin yaşanmasıdır. Ayrıca aracın basit modelinde kullanılmak üzere aracın üzerine etkiyen direnç kuvvetleri bu tezde incelendi. Aracın modelinin oluşturulması bu araç için farklı hatlardaki davranışlarının gözlemlenebilirliğini bize sunmaktadır. Asenkron motor kontrol yöntemlerinden skalar kontrol yöntemi, doğrudan vektör kontrol yöntemi ve doğrudan moment kontrol yöntemi incelendi. Bu yöntemler arasında doğrudan moment kontrol yöntemi üzerinde duruldu. Matlab/Simulink ortamında basit raylı sistem araç modeli ile doğrudan moment kontrol yöntemi kullanılarak cer motoru kontrol simülasyonu gerçekleştirildi. Doğrudan kontrol yönteminin simülasyonda kullanılmasındaki nedenlerden biri motor parametrelerinin sisteme olan etkisinin azaltılmak istenmesiyken bir diğer neden ise moment ve akı hatasında oluşabilecek değişimler eviricilerdeki anahtarlama dizisi sayesinde anında düzeltilerek, hızlı bir moment cevabının elde edilebilmesidir. Simülasyonda gerçeğe çok yakın eğim ve kurp değerleri kullanılarak sadece tek motora sahip bir şaftın hareket ettirilmesi simüle edilmeye çalışılmıştır. Bu nedenle hattın eğim ve kurp değerlerinin yüksek olduğu bölümler simülasyon için seçilmiştir. Referans hızın seçilmesinde makinist davranışları göz önünde bulundurularak grafik oluşturulmuştur. Simülasyonun gerçekleştirilmesi sonucunda, referans rotor hız grafiği ile simülasyonda görülen rotor hız grafiği karşılaştırılması yapılmış, moment-zaman grafiğinde yolun ve referans hızın etkisi incelenmiş, katener geriliminin hızlanma ve frenleme ile değişimleri görülmüştür. Ayrıca rotor akımı - zaman grafiği ve akı-zaman grafiği oluşturulmuştur. Simülasyon için kullanılan yol modeli gerçek bir yol modeline çok benzemesi ve referans hızın makinist hareketlerini göz önüne alarak oluşturulması nedeni ile harcanan enerji değerlerinin gerçeğe yakın çıkabileceği düşünülmektedir. Simülasyon sonuçları ile gerçekte araç üzerinden alınan sonuçlar karşılaştırılıp simülasyon değerlerinin araç üzeri değerler ile örtüştürülmesi sağlanabilir.