ġçġndekġler - Elektrik.gen.TR

ĠÇĠNDEKĠLER
ĠÇĠNDEKĠLER ............................................................................................................................ i
ġEKĠL LĠSTESĠ ........................................................................................................................ iv
1
ALTERNATĠF AKIM MAKĠNELERĠ .............................................................................. 1
1.1
ALTERNATĠF AKIM MAKĠNELERĠNĠN TEMELLERĠ ......................................... 1
1.1.1
Düzgün Bir Manyetik Alandaki Basit Bir Ġletken Çerçeve .................................. 1
1.1.2
Basit Bir Dönen Çerçevede Endüklenen Gerilim ................................................ 1
1.1.3
Akım TaĢıyan Bir Çerçevede Ġndüklenen Moment .............................................. 4
1.2
ASENKRON MOTORLAR ........................................................................................ 7
1.2.1
1.2.1.1
1.2.2
Bir Fazlı Asenkron Motorlar ................................................................................ 7
Yolverme Düzenleri ...................................................................................... 8
Üç Fazlı Asenkron Motorlar ................................................................................ 9
1.3
ASENKRON MOTORLARIN YAPISI .................................................................... 11
1.4
ASENKRON MOTORUN TEMEL KAVRAMLARI .............................................. 14
1.4.1
Asenkron Motorun ÇalıĢma Prensibi ve Hızı .................................................... 14
1.4.2
Asenkron Motorda Rotor Kayması Kavramı ..................................................... 14
1.4.3
Rotorun Elektriksel Frekansı .............................................................................. 16
1.5
ASENKRON MOTORUN EġDEĞER DEVRESĠ ................................................... 16
1.5.1
1.6
Asenkron Motorun Transformatör EĢdeğer Devresi .......................................... 17
ASENKRON MOTORLARDA GÜÇ VE MOMENT .............................................. 20
1.6.1
Kayıplar ve Güç AkıĢ Diyagramı ....................................................................... 20
1.6.2
Asenkron Motorda Güç ve Moment................................................................... 22
1.6.3
Asenkron Motor Moment-Hız Eğrisi Üzerine Yorumlar ................................... 24
1.6.4
Asenkron Motorlara Yolverme Yöntemleri ....................................................... 26
1.7
1.6.4.1
Direk Yolverme .......................................................................................... 27
1.6.4.2
Ön Direnç Ġle Yolverme.............................................................................. 27
1.6.4.3
Oto-Trafo Ġle Yolverme .............................................................................. 28
1.6.4.4
Rotora Direnç Bağlayarak Yol verme ......................................................... 30
SENKRON MOTORLAR ......................................................................................... 31
1.7.1
Senkron Motor ÇalıĢma Prensibi ....................................................................... 31
1.7.2
Senkron Motor EĢdeğer Devresi ........................................................................ 32
1.7.3
Manyetik Alan BakıĢ Açısından Senkron Motor ............................................... 33
1.8
SENKRON MOTORUN SÜREKLĠ DURUM ÇALIġMASI ................................... 35
i
1.8.1
1.9
SENKRON MOTORLARA YOL VERME YÖNTEMLERĠ ................................... 37
1.9.1
KalkıĢ Motoru ile Yol Verme ............................................................................. 37
1.9.2
Senkron Yol Verme ............................................................................................ 37
1.9.3
Asenkron Yol Verme ......................................................................................... 38
1.9.3.1
2
Senkron Motor Moment-Hız Karakteristik Eğrisi ............................................. 35
Senkronlama ............................................................................................... 39
1.9.4
Senkron Makinenin ĠĢletme Biçimleri ve Reaktif Güç Ayarı ............................ 40
1.9.5
Senkron Motorda V-Eğrileri .............................................................................. 41
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠ ....................................................................................... 42
2.1
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN TEMELLERĠ ................................................. 42
2.1.1
Eğimli Kutup Alınları Arasında Dönen Basit Bir Ġletken Çerçeve .................... 42
2.1.2
Dönen Çerçevede Ġndüklenen Gerilim ............................................................... 43
2.1.3
Dönen Çerçevede Ġndüklenen Moment .............................................................. 46
2.2
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN SINIFLANDIRILMASI ................................ 48
2.2.1
Sargı ve kutuplara göre sınıflandırma ................................................................ 48
2.2.2
Uyarma geriliminin sağlanma Ģekline göre sınıflandırma ................................. 48
2.3
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN BÖLÜMLERĠ ................................................ 49
2.3.1
Endüvi ................................................................................................................ 49
2.3.2
Stator .................................................................................................................. 50
2.3.3
Kollektör ve Fırçalar .......................................................................................... 50
2.4
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN ÇALIġMA PRENSĠBĠ................................... 51
2.4.1
Komütasyon ....................................................................................................... 51
2.4.2
Endüvi Reaksiyonu ............................................................................................ 52
2.4.3
Endüvide Endüklenen Gerilimin Ġfadesi ............................................................ 52
2.5
DOĞRU AKIM MOTORLARI................................................................................. 53
2.5.1
Doğru Akım Motorlarının Sürekli ÇalıĢma (Kararlı Durum) Hali .................... 54
2.5.2
Doğru Akım Motorlarının Uyarma Geriliminin Sağlanma ġekillerine Göre
Sınıflandırılması ................................................................................................................ 55
2.5.2.1
Serbest Uyarmalı Doğru Akım Motorları ................................................... 55
2.5.2.2
ġönt Uyarmalı Doğru Akım Motorları ....................................................... 56
2.5.2.2.i ġönt Motorlarda Hız-Akım Karakteristiği ................................................ 57
2.5.2.2.ii Doğru Akım ġönt Motorlara Yol Verme ................................................. 61
2.5.2.3
Seri Uyarmalı Doğru Akım Motorları ........................................................ 64
2.5.2.3.i Doğru Akım Seri Motorlara Yol Verme ................................................... 66
ii
2.5.2.4
2.5.3
2.5.3.1
Kompunt Uyarmalı Doğru Akım Motorları ................................................ 67
Doğru Akım Makinelerinde Güç AkıĢı Ve Kayıplar ......................................... 70
Doğru Akım Makinelerindeki Kayıplar ...................................................... 71
2.5.3.1.i Elektriksel Veya Bakır Kayıpları .............................................................. 71
2.5.3.1.ii Fırça Kayıpları ......................................................................................... 72
2.5.3.1.iii Demir Kayıpları ...................................................................................... 72
2.5.3.1.iv Mekanik Kayıplar ................................................................................... 73
2.5.3.1.v Dağılma Kayıpları .................................................................................... 73
2.5.3.2
2.5.4
Doğru akım motorlarında güç akıĢ diyagramı ............................................ 73
Doğru Akım Motorlarında Hız Kontrol Yöntemleri .......................................... 74
2.5.4.1
Endüvi Devresine Kademeli Direnç Ekleyerek Yapılan Hız Kontrolü ...... 75
2.5.4.2
Alan Akımı DeğiĢtirilerek Yapılan Hız Kontrolü ....................................... 76
2.5.4.3
DeğiĢken Gerilim Uygulanarak Yapılan Hız Kontrolü............................... 77
2.5.4.3.i Ward-Leonard Sistemi Ġle Hız Kontrolü .................................................. 77
2.5.4.4
Yarı iletkenler ile Hız kontrolü ................................................................... 80
2.5.4.4.i Bir fazlı sürücülerle kontrol ...................................................................... 80
2.5.4.4.ii Üç Fazlı Sürücülerle Kontrol ................................................................... 81
2.5.4.4.iii Kıyıcı (Chopper) sürücüler ..................................................................... 81
2.5.4.5
Darbe GeniĢlik Modülasyonu Ġle Hız Kontrolü .......................................... 83
KAYNAKLAR ......................................................................................................................... 84
iii
ġEKĠL LĠSTESĠ
ġekil 1.1.1 - Düzgün manyetik alan içerisinde bulunan bir makine .......................................... 1
ġekil 1.1.2 - Manyetik alan ve gerilimin fazör diyagramları ..................................................... 2
ġekil 1.1.4 - Manyetik alan ve kuvvetin fazör diyagramları ...................................................... 4
ġekil 1.1.3 - Rotorun manyetik alan içerisindeki yeri ................................................................ 4
ġekil 1.2.1 - Bir fazlı asenkron motorun pozitif ve negatif (fren) moment özeğrileri ve bileĢke
moment özeğrisi ......................................................................................................................... 7
ġekil 1.2.2 - a)YöndeĢ motorun b)KarĢı motorun c)Tek fazlı asenkron motorun eĢdeğer
devreleri ...................................................................................................................................... 8
ġekil 1.2.3 - Yardımcı sargı devresinde a)Kondansatör b)Direnç c)Endüktans kullanılması.... 9
ġekil 1.2.4 - Yol verme düzenleri .............................................................................................. 9
ġekil 1.3.1 - Stator sargılarını gösteren tipik bir asenkron motorun statoru ............................ 11
ġekil 1.3.2 - a)Kafes rotorun taslak çizimi ............................................................................... 12
ġekil 1.3.3 - a)Tipik kafes rotorlu küçük asenkron motorun kesiti b) Tipik kafes rotorlu büyük
asenkron motorun kesiti ........................................................................................................... 12
ġekil 1.3.4 - Asenkron motorlar için tipik bilezikli rotorlar.(Rotor sargılarını bileziklere
bağlayan çubuklara ve bileziklere dikkat ediniz) ..................................................................... 13
ġekil 1.3.5 - Bilezikli bir asenkron motorun kesit diyagramı. Fırça ve bileziklere dikkat ediniz
.................................................................................................................................................. 13
ġekil 1.5.1 dönüĢtürme oranlı ideal bir transformatör ile bağlı stator ve rotorun olduğu
bir asenkron motor eĢdeğer devresi .......................................................................................... 17
ġekil 1.5.2 - Bir asenkron motor ile transformatörün karĢılaĢtırılmalı mıknatıslanma eğrisi .. 18
ġekil 1.5.3 - : direnci üzerinde yoğunlaĢtırılan tüm frekans etkilerini gösteren rotor devre
modeli ....................................................................................................................................... 19
ġekil 1.5.4 - Bir asenkron motorun faz baĢına eĢ değer devresi .............................................. 20
ġekil 1.6.1 - Bir asenkron motorun güç akıĢ diyagramı ........................................................... 21
ġekil 1.6.2 - Asenkron motor için tipik moment-hız karakteristik eğrisi ................................. 24
ġekil 1.6.3 - Asenkron motorun geniĢletilmiĢ iĢletme aralıklarını (frenleme bölgesi ve
generatör bölgesi) gösteren moment- hız karakteristik eğrisi ................................................. 25
ġekil 1.6.4 - Asenkron Motorun 'L' EĢdeğer Devresi............................................................... 26
ġekil 1.6.5 - Hattan çekilen akımın efektif değerinin zamana göre değiĢimi .......................... 27
ġekil 1.6.6 - DıĢ Karakteristik DeğiĢimi .................................................................................. 28
ġekil 1.6.7 – Oto trafo Ġle Yolverme Bağlantı ġeması ............................................................. 29
ġekil 1.6.8 - DıĢ Karakteristik DeğiĢimi .................................................................................. 29
ġekil 1.6.9 - DıĢ Karakteristik DeğiĢimi .................................................................................. 30
ġekil 1.7.1 - Ġki kutuplu senkron motor ................................................................................... 32
ġekil 1.7.2 - a)Üç fazlı senkron motorun tam eĢdeğer devresi b) Faz baĢına eĢdeğer devre ... 33
ġekil 1.7.3 - a) Geri güç faktöründe çalıĢan bir senkron generatörün fazör diyagramı; b)
KarĢılık gelen manyetik alan diyagramı ................................................................................... 34
ġekil 1.7.4 - a) Bir senkron motorun fazör diyagram; b) KarĢılık gelen manyetik alan
diyagramı .................................................................................................................................. 34
ġekil 1.8.1 - Bir senkron motorun moment-hız karakteristiği. ................................................. 36
ġekil 1.9.1 - Senkron Motorda değiĢik yük momentleri için elde edilen V-eğrileri ................ 41
iv
ġekil 2.1.1 - Temel doğru akım makinesi ................................................................................ 42
ġekil 2.1.2 - Dönen çerçevede indüklenen gerilim .................................................................. 43
ġekil 2.1.3 - Rotor ve kutup yüzey alanları .............................................................................. 45
ġekil 2.1.4 - Doğru akım makinesine bağlı bir batarya ............................................................ 46
ġekil 2.1.5 - Doğru akım makinelerinde moment kavramı ...................................................... 46
ġekil 2.3.1 - Endüvi .................................................................................................................. 49
ġekil 2.3.2 - Stator .................................................................................................................... 50
ġekil 2.3.3 - Kollektör .............................................................................................................. 50
ġekil 2.3.4 - Motorun Ġç Yapısı ................................................................................................ 51
ġekil 2.5.1 - Motor endüvi ve uyarma devresi modelleri ......................................................... 54
ġekil 2.5.2 - Serbest uyarmalı doğru akım motorun elektriksel eĢdeğer devresi ..................... 55
ġekil 2.5.3 - Doğru akım Ģönt motorun elektriksel eĢdeğer devresi......................................... 56
ġekil 2.5.4 - Doğru akım Ģönt motorda endüvi momentinin endüvi akımı ile değiĢimi .......... 57
ġekil 2.5.5 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen endüvi direncine ait karakteristikler ........... 59
ġekil 2.5.6 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen endüvi gerilimine ait karakteristikler ......... 60
ġekil 2.5.7 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen alan akımına ait karakteristikler ................. 61
ġekil 2.5.8 - ġönt motora bir kademeli yol verme ................................................................... 62
ġekil 2.5.9 - Üç kademeli yol verme ........................................................................................ 63
ġekil 2.5.10 - ġönt motorun hız-akım yol verme karakteristiği ............................................... 64
ġekil 2.5.11 - ġönt motorun e.m.k-akım yol verme karakteristiği ........................................... 64
ġekil 2.5.12 - Doğru akım seri motor elektriksel eĢdeğer devresi ........................................... 65
ġekil 2.5.13 - DC seri motorun yol verme halindeki n-I karakteristiği .................................... 66
ġekil 2.5.14 - DC seri motorun yol verme halindeki E-I karakteristiği ................................... 66
ġekil 2.5.15 - DC seri motorun yol verme halindeki -I karakteristiği ................................... 66
ġekil 2.5.16 - Uzun Ģönt uyarma .............................................................................................. 67
ġekil 2.5.17 - Kısa Ģönt uyarma ............................................................................................... 67
ġekil 2.5.18 - Arttırmalı ve azaltmalı kompunt motor için indüklenen momentin endüvi
akımına bağlı değiĢimi ............................................................................................................. 68
ġekil 2.5.19 - Arttırmalı ve azaltmalı kompunt motor için hızın endüvi akımına bağlı değiĢimi
.................................................................................................................................................. 69
ġekil 2.5.20 - Kompunt motorun moment-hız değiĢimi........................................................... 70
ġekil 2.5.21 - Doğru akım motorları için güç akıĢ diyagramı .................................................. 74
ġekil 2.5.22 - DC Ģönt motorun endüvi devresine direnç ilave edilerek elde edilen ayar
karakteristikleri......................................................................................................................... 76
ġekil 2.5.23 - DC seri motorun endüvi devresine direnç ilave edilerek elde edilen ayar
karakteristikleri......................................................................................................................... 76
ġekil 2.5.24 - Ward-Leonard DC motor hız kontrol devresi .................................................... 78
ġekil 2.5.25 - Ward-Leonard sistemiyle elde edilen sabit güç ve tork eğrisi ........................... 78
ġekil 2.5.26 - Bir fazlı DC konvertörlü sürücü ........................................................................ 80
ġekil 2.5.27 - Üç fazlı yarım dalga konverterli sürücü devresi ................................................ 81
ġekil 2.5.28 - Kıyıcı devresi ile hız kontrol devresi ve gerilim-zaman eğrisi .......................... 82
ġekil 2.5.29 - DeğiĢken görev saykılına sahip PWM sinyal .................................................... 83
v
1 ALTERNATĠF AKIM MAKĠNELERĠ
1.1
ALTERNATĠF AKIM MAKĠNELERĠNĠN TEMELLERĠ
Alternatif akım makineleri, mekanik enerjiyi alternatif akım elektrik enerjisine dönüĢtüren
generatörler ve alternatif akım elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüĢtüren motorlardan
oluĢur. Alternatif akım makinelerinin temel prensipleri çok basittir. Fakat gerçek makinelerin
karmaĢık yapıları nedeniyle bu basitlik net olarak görülmez. Bu bölümde önce basit örneklerle
alternatif akım makinelerinin çalıĢma prensipleri ele alınacak sonra da gerçek alternatif akım
makinelerinin imalatındaki bazı zorluklara değinilecektir.
1.1.1 Düzgün Bir Manyetik Alandaki Basit Bir İletken Çerçeve
Alternatif
akım
incelenmesine
düzgün
makinelerinin
bir
manyetik
alanda dönen basit bir iletken çerçeve ile
baĢlayacağız.
Düzgün
bir
manyetik
alandaki bir iletken çerçeve, sinüsoidal
bir alternatif gerilimi üretebilecek en
basit makinedir. Bu durum, gerçek
alternatif
akım
makinelerini
temsil
ġekil 1.1.1 - Düzgün manyetik alan içerisinde bulunan bir
makine
etmez. Çünkü gerçek alternatif akım makinelerindeki akı hem yön hem de genlik açısından
sabit değildir. Bununla birlikte, çerçeve üzerindeki gerilim ve momenti kontrol eden
büyüklükler, gerçek alternatif akım makinelerindeki gerilim ve momenti kontrol eden
büyüklüklerle aynı olacaktır.
ġekil 1.1.1 esas itibariyle sabit ve düzgün bir manyetik alan üreten sabit büyük bir mıknatısla
bu alan içerisinde dönen bir çerçeveden oluĢan basit bir makineyi göstermektedir. Makinenin
dönen rotordaki gerilimleri hesaplayacağız
1.1.2 Basit Bir Dönen Çerçevede Endüklenen Gerilim
Eğer bu makinenin rotoru döndürülürse, sargı uçlarında bir gerilim endüklenecektir. Gerilimin
Ģekli ve genliğini hesaplamak için, ġekil 1.1.2‟yi inceleyiniz. Gösterilen çerçeve,
kenarları kağıt düzlemine,
ve
ve
kenarları ise kağıt düzlemine paralel olan bir
dikdörtgendir. Manyetik alan, yönü sayfa boyunca soldan sağa doğru olan sabit ve düzgün bir
alandır.
1
Çerçeve üzerindeki toplam gerilimi
hesaplamak için, çerçevenin her bir parçasını
ayrı ayrı inceleyecek ve nihai gerilimleri
toplayacağız. Çerçevenin her bir parçası
ġekil 1.1.2 - Manyetik alan ve gerilimin fazör
diyagramları
üzerindeki gerilim Denklem 1.1.1 ile verilir.
(1.1.1)
1.
parçası : Bu parçada çerçevenin hızı dönme yönüne teğettir. Bu durumda
manyetik alanı Ģekil 1.1.2.b‟deki gibi sağa doğrudur.
içine doğru ve
vektörünün yönü sayfanın
parçası ile aynı yöndedir. Bu nedenle, çerçevenin bu parçası
üzerinde indüklenen gerilim Ģu Ģekilde, sayfanın içine doğru olur.
(1.1.2)
2.
parçası : Bu parçanın ilk yarısında
vektörünün yönü sayfanın içine doğru,
ikinci yarısında ise sayfadan dıĢarıya doğrudur.
olduğu için
uzunluğu sayfa düzlem içinde
değeri parçanın her iki kısmı için ‟ya diktir. Bu yüzden
parçasındaki gerilim sıfır olur.
(1.1.3)
3.
parçası : Bu parçada, sargının hızı dönme yönüne teğettir. Manyetik alan
ġekil 1.1.2.c‟de gösterildiği gibi sağa doğrudur.
ise
büyüklüğü sayfaya doğru olup,
parçası ile aynı yöndedir. Bundan dolayı sargının bu parçası üzerinde indüklenen
gerilim Ģu Ģekilde sayfadan dıĢa doğru olur.
(1.1.4)
4.
parçası :
parçasındaki gibi,
‟ye diktir. Bu yüzden bu parçadaki
gerilim de sıfır olacaktır.
(1.1.5)
Çerçeve üzerinde indüklenen gerilim
gerilimlerin toplamına eĢit olur.
2
bu kenarların her biri üzerindeki
(1.1.6)
olduğunu tekrar edersek indüklenen
ve
gerilim Ģu Ģekilde olur.
(1.1.7)
Tek çerçeveli sistemin davranıĢından hareketle daha büyük bir sistemin, yani gerçek alternatif
akım makinelerinin davranıĢı ile iliĢkilendirilen Denklem 1.1.7‟yi ifade etmenin baĢka bir
yolu daha vardır. Bu alternatif ifadeyi türetmek için ġekil 1.1.2‟nin tekrar incelenmesi uygun
olacaktır. Eğer çerçeve sabit bir açısal hız
ile dönüyorsa, bu durumda, çerçevenin
zamanla, doğrusal olarak artacaktır. Bir baĢka ifadeyle
çizgisel hızı
açısı
açısı ve çerçevenin kenarlarının
Ģöyle ifade edilebilir.
(1.1.8)
(1.1.9)
Burada , dönme ekseninden çerçevenin dıĢ kenarına doğru ölçülen yarıçapı,
ise
çerçevenin açısal hızını göstermektedir. Bu ifadeleri Denklem 1.1.7‟de yerine koyarak Ģu
ifade elde edilir.
(1.1.10)
ġekil 1.1.1.b‟den çerçevenin A alanının
‟ye eĢit olduğuna dikkat edilecek olursa
gerilim ifadesi revize edilmiĢ olur.
(1.1.11)
Son olarak; çerçeve, manyetik akı yoğunluğu kuvvet çizgilerine dik olduğunda,
çerçeve içinde maksimum akı meydana gelir. Bu akı çerçevenin yüzey alanı ile çerçeve
içindeki akı yoğunluğunun çarpımına eĢittir.
(1.1.12)
=AB
Bu nedenle, gerilim denkleminin en son Ģekli aĢağıdaki gibi olur.
3
(1.1.13)
Buna göre, çerçevede üretilen gerilimin genliği içindeki akı ile hızının çarpımına eĢittir.
Bu ifade alternatif akım makineleri için de geçerlidir. Genelde, herhangi bir gerçek
makinedeki gerilim, üç faktöre bağlıdır.
1. Makine içindeki akıya
2. Dönme hızına
3. Makinenin yapısını gösteren bir sabite (çerçeve sayısı vs.)
1.1.3 Akım Taşıyan Bir Çerçevede İndüklenen Moment
ġimdi, çerçeveden yapılmıĢ olan rotorun manyetik
alana göre keyfi bir
açısında olduğunu ve ġekil
1.1.3‟te gösterildiği gibi bir
akımının da çerçeveden
geçirildiğini kabul edelim. Eğer çerçeveden bir akım
akarsa, çerçeve üzerinde bir moment indüklenir.
Momentin genlik ve yönünü hesaplamak için ġekil
1.1.4‟i
inceleyiniz.
Çerçevenin
her
bir
parçası
ġekil 1.1.3 - Rotorun manyetik alan
içerisindeki yeri
üzerindeki kuvvet Denklem 1.1.14 ile verilir.
ġekil 1.1.4 - Manyetik alan ve kuvvetin fazör diyagramları
4
(1.1.14)
Burada;
Parçadaki akımın genliğini
Akım akıĢ yönünde tanımlanan yönündeki parçanın uzunluğu
Manyetik akı yoğunluğu vektörünü gösterir.
Parça üzerindeki moment bu durumda Ģu denklem ile verilir.
(uygulanan kuvvet)(düĢey mesafe)
(1.1.15)
, r vektörü ile F vektörü arasındaki açıdır. Momentin yönü, kuvvet saat dönüĢ
Burada
yönünde döndürmeye çalıĢıyorsa saat dönüĢ yönünde, saatin dönüĢ yönünün aksi yönünde
döndürmeye çalıĢıyorsa saat dönüĢ yönü aksi yönündedir.
parçası : Bu parçada, manyetik alan B sağa doğru iken, akımın yönü sayfa
1.
düzleminin içine doğrudur. (ġekil 1.1.4.a).
büyüklüğü sayfa düzleminin içine
doğru yönelmiĢtir. Bu nedenle telin bu parçası üzerinde indüklenmiĢ kuvvet aĢağı ve
moment saat ibreleri yönünde olmak üzere Ģu Ģekilde olur.
(1.1.16)
(1.1.17)
parçası : Bu parçasında, akımın yönü sayfa düzlemi içine doğru iken,
2.
manyetik
alanı ġekil 1.1.4.b‟de gösterildiği gibi sağa doğrudur. bu yüzden telin bu parçası
üzerinde indüklenen kuvvet
(1.1.18)
Bu parça için, sonuç moment sıfırdır. Çünkü
doğru) ve
açısı sıfırdır.
5
ve
vektörleri paraleldir (sayfa düzlemine
(1.1.19)
3.
parçası : Bu parçada, akımın yönü sayfa düzleminden dıĢarı doğrudur.
alanı ise ġekil 1.1.4.c‟de gösterildiği gibi sağa doğrudur.
manyetik
çarpımı yukarı
doğrudur. Bu yüzden telin bu parçası üzerinde indüklenen kuvvet ve moment Ģu
Ģekilde olur.
(1.1.20)
yukarı
saat yön.
4.
(1.1.21)
parçası : Bu parçada, akımın yönü sayfa düzlemi içinde,
1.1.4.c‟de gösterildiği gibi sağa doğrudur.
manyetik alanı ise ġekil
çarpımı sayfa düzleminden dıĢarı
doğrudur. Bu yüzden telin bu parçası üzerinde indüklenen kuvvet ve moment Ģu
Ģekilde olur.
sayfanın dıĢına
(1.1.22)
(1.1.23)
Çerçeve üzerinde indüklenen moment
, çerçevenin her bir parçasındaki
momentlerin toplamıdır.
(1.1.24)
olduğuna göre indüklenen toplam moment Ģu Ģekilde bulunur.
(1.1.25)
6
1.2
ASENKRON MOTORLAR
1.2.1 Bir Fazlı Asenkron Motorlar
Bir fazlı asenkron motorun tek fazlı stator sargısı alternatif gerilimle beslenirse, alternatif bir
alan elde edilir. Söz konusu alan, Euler denklemine göre ifade edilecek olursa, genlik olarak
birbirine eĢit, fakat ters yönde dönen iki döner alan bileĢeni ile ifade edilebilir.
(1.2.1)
ġekil 1.2.1 - Bir fazlı asenkron motorun pozitif ve negatif (fren) moment özeğrileri ve bileĢke moment özeğrisi
Genlikleri alternatif alan genliğinin yarısına eĢit olan bu döner alanlar, rotor kafesinde
endükledikleri rotor akımları ile beraber ters yönlerde etkiyen iki döndürme momenti
oluĢtururlar. Durmada her iki döner alanın rotora göre bağıl hızları, dolayısıyla endükledikleri
akımlar ve oluĢturdukları döndürme momentleri eĢit değerdedir. Bu iki döndürme momenti
ters yönde eĢit değerde olduklarından bileĢke döndürme momenti daima sıfırdır . KalkıĢ
momenti bulunmadığından gerçek tek fazlı motor hiç bir zaman kendi kendine kalkıĢ
yapamaz.
Durmada bu motor tek fazlı transformatör davranıĢı gösterecektir. Motor herhangi bir
Ģekilde bir yöne döndürülecek olursa, ancak o zaman bileĢke moment sıfırdan farklı olacak ve
motor döndürülen yönde hareket edecektir.
Motorun iĢletme davranıĢını açıklayabilmek için simetrili bileĢenler kuramından
yararlanılır. Buna göre tek fazlı asenkron makine yerine aynı mile bağlı ve ters yönlerde
dönmeye çalıĢan iki tane üç fazlı makine alınabilir. Gerçek motorun dönme yönündeki yöndeĢ
7
motor motor bölgesinde, karĢı motor denen diğeri ise fren bölgesinde çalıĢır. Motorlar ortak
milde bağlı oldukları için, aynı yönde “n” devir hızı ile dönerler. Ancak motorların döner alan
yönleri farklı olduğu için, döner alana göre hızları ve kaymaları farklıdır. Biri “s”
kaymasında,
pozitif döndürme momenti, diğeri ise “2-s” kaymasında
negatif
(frenleme) döndürme momenti üretir. Bunların cebirsel toplamı, tek fazlı asenkron makinenin
döndürme momentini verir.
Her iki motorun edeğer devresi ġekil 1.2.2‟de verilmiĢtir. Bu eĢdeğer devrelerin
birbirine bağlanması ile tek fazlı asenkron motorun eĢdeğer devresi elde edilir.
ġekil 1.2.2 - a)YöndeĢ motorun b)KarĢı motorun c)Tek fazlı asenkron motorun eĢdeğer devreleri
1.2.1.1 Yolverme Düzenleri
Bir fazlı asenkron motorda bir kalkıĢ momentinin oluĢabilmesi için döner alanın
varlığı zorunludur. Bunun içinde uzayda birbirine göre faz farkı yaratılmıĢ en az iki sargının
bulunması ve yine en azından geçici bir süre, farklı fazda alternatif gerilimle beslenmesi
gereklidir. Bu nedenle tek fazlı motorlar günümüzde yardımcı sargılı yapılmakta ve gerçekte
iki fazlı olmaktadır.
Bu sargılardan esas sargı veya iĢletme sargısı doğrudan Ģebekeden, kalkıĢ sargısı ise
genellikle bir kalkıĢ empedansı ile seri bağlandıktan sonra aynı Ģebekeden paralel
beslenmektedir. Yardımcı sargı dairesel biçime az veya çok yaklaĢan bir döner alan elde
edilmesini sağlar. Gerekli ikinci faz akımını aynı Ģebekeden üretmek için yolverme düzenleri
8
ile faz kaydırılması sağlanır. KalkıĢ empedansı olarak bir direnç, ender hallerde bir bobin
veya bir kondansatör yardımcı sargıya seri olarak bağlanır
ġekil 1.2.3 - Yardımcı sargı devresinde a)Kondansatör b)Direnç c)Endüktans kullanılması
Dairesel bir döner alan için en elveriĢli faz kaydırması olan 90 dereceye en çok kondansatör
ile yaklaĢılabilir. Bir direnç veya bobinle elde edilen faz açıları daha düĢüktür. Genelde
ekonomik çözümler direnç veya kondansatör ile sağlanır.
Yardımcı sargıya seri olarak bağlanan kondansatör, sürekli çalıĢmada devrede kalıyorsa,
iĢletme kondansatörlü motor, kalkıĢtan sonra devreden çıkıyorsa kalkıĢ kondansatörlü motor,
hem kalkıĢ hem de iĢletme kondansatörü kullanılıyorsa çift kondansatörlü motor olarak
adlandırılır. Bu motorlara iliĢkin yolverme düzenleri ġekil 1.2.4‟te verilmiĢtir.
ġekil 1.2.4 - Yol verme düzenleri
1.2.2 Üç Fazlı Asenkron Motorlar
Üç Fazlı asenkron motorlar; stator, rotor, rotor yatakları, pervane ve yan kapaklardan
meydana gelmiĢ enerji dönüĢümü yapabilen elektrik makinalarıdır.
9
Stator üzerinde üç fazlı alternatif akım sargıları bulunmaktadır. Bu sargılar uygun
Ģekilde düzenlenerek motorun istenilen kutup sayısında üretilmesi sağlanır. Her bir faza ait
sargı uçları motor gövdesi üzerindeki bağlantı kutusuna toplam altı uç olarak bağlanır. Daha
sonra motorun çalıĢma durumuna göre bu uçlar yıldız veya üçgen bağlanırlar.
Rotor ise kısa devre çubuklu ve sargılı olmak üzere iki değiĢik yapıda olabilir. Kısa
devre çubukları rotor gövdesine açılmıĢ olukların içerisine eritilmiĢ alüminyum dökülerek
oluĢturulur. Bu çubukların uçları rotorun her iki dıĢ kenarlarındaki birer alüminyum halka ile
kısa devre edilmiĢtir. Rotoru sargılı olanlarda ise rotor sargıları statorda olduğu gibi üç fazlı
olarak sarılırlar ve sargı uçları fırça ve bilezikler yardımıyla dıĢarı çıkartılarak motor gövdesi
üzerindeki bağlantı kutusuna bağlanır.
Asenkron motorlar üç fazlı Ģebekeden beslenerek çalıĢtırılırlar. Yani, aynı anda her faz
sargısına da gerilim uygulanması gerekmektedir. Asenkron motorlar statorlarından verilen
elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirerek milinden yüke aktarırlar. Rotor ise gerekli
enerjiyi transformasyon yoluyla statordan alır. Dolayısıyla asenkron motorların çalıĢması için
tek kaynağın (alternatif kaynağın) olması yeterlidir. Senkron makinalarda motorun çalıĢması
için ikinci bir kaynak olan DC kaynağa gerek yoktur. Bundan dolayı asenkron motorlar tek
uyartımlı motorlar sınıfına girerler.
10
1.3
ASENKRON MOTORLARIN YAPISI
Bir asenkron motorun stator yapısı senkron motor ile aynı ancak rotor yapısı farklıdır.
Tipik bir iki kutuplu stator ġekil 1.3.1‟de gösterilmiĢtir. Asenkron makineler statorun içine
yerleĢtirilebilen rotor yapısına göre ikiye ayrılır. Bunlarda ilki bilezikli olarak adlandırılırken
diğeri kafes rotor olarak adlandırılır.
ġekil 1.3.1 - Stator sargılarını gösteren tipik bir asenkron motorun statoru
ġekil 1.3.2 ve ġekil 1.3.3 kafesli asenkron motor rotorlarını göstermektedir. Kafesli bir
asenkron motorun rotor yüzeyine oyulmuĢ oluklardaki seri bağlı iletken çubuklar büyük kısa
devre halkalarıyla her iki uçtan kısa devre edilmiĢtir. Bu tasarım, iletkenlerin oluĢturduğu yapı
içinde sincapların kendi kendilerine koĢturduğu çalıĢma tekerlerine benzediğinden dolayı
kafesli rotor olarak görülür.
11
ġekil 1.3.2 - a)Kafes rotorun taslak çizimi
b)Tipik kafes rotor
ġekil 1.3.3 - a)Tipik kafes rotorlu küçük asenkron
motorun kesiti b) Tipik kafes rotorlu büyük asenkron
motorun kesiti
Diğer rotor tipi bilezikli rotordur. Bilezikli rotor, statordaki sargıların yansıması olan
üç fazlı bir sargı grubuna sahiptir. Üç fazlı rotor sargıları genellikle Y bağlıdır ve rotor
iletkenlerinin uçları rotor mili üzerinde bileziklere bağlıdır. Rotor sargıları bilezikler üzerinde
kayan fırçalar üzerinden kısa devre edilir. Bilezikli asenkron motorlarda, bu nedenle rotor
akımlarına statordaki fırçalar üzerinden ulaĢılabilir ve bunlar sayesinde rotor devresine ek
dirençler bağlanabilir. Motorun bu üstünlüğünden yararlanarak moment-hız karakteristiğini
değiĢtirmek mümkündür. Ġki bilezikli rotor örneği ġekil 1.3.4‟de ve eksiksiz bir bilezikli
asenkron motor örneği Ģekil 1.3.5 de gösterilmektedir.
12
ġekil 1.3.4 - Asenkron motorlar için tipik bilezikli rotorlar.(Rotor sargılarını bileziklere bağlayan çubuklara ve
bileziklere dikkat ediniz)
ġekil 1.3.5 - Bilezikli bir asenkron motorun kesit diyagramı. Fırça ve bileziklere dikkat ediniz
13
Bilezikli asenkron motorlar kafes yapılı asenkron motorlardan daha pahalıdır ve fırça
bilezik sisteminden dolayı daha fazla bakım gerektirirler. Bunun sonucu olarak bilezikli
asenkron motorlar daha az kullanılırlar.
1.4
ASENKRON MOTORUN TEMEL KAVRAMLARI
1.4.1 Asenkron Motorun Çalışma Prensibi ve Hızı
Asenkron motorların stator sargılarına , sargı gerilim değerleri göz önünde
bulundurularak (yıldız-üçgen durumu) üç fazlı gerilim uygulandığında, stator sağılarından
geçen akımlardan dolayı manyetik
stator akı yoğunluğu
oluĢur. Bu manyetik akı
yoğunluğunun çok az bir kısmı kaçak olarak havadan kendi devresini tamamlarken büyük bir
kısmı da stator demir nüvesi üzerinden, stator-rotor arasındaki hava boĢluğundan ve rotor
demir nüvesi üzerinden devresini tamamlar. Dolayısıyla, hem stator sargılarında hem rotor
sargılarında Faraday yasasına göre bir gerilim endüklenir. Rotor sargıları kısa devre
olduğundan, rotor devresinden kısa devre akımı dolaĢır. Rotor akımından dolayı rotor akı
yoğunluğu
oluĢur. Stator sargılarından geçen akımdan dolayı stator döner alanı rotor
sargılarından geçen akımdan dolayı da rotor döner alanı meydana gelir. Stator ve rotor döner
alanlarının karĢılıklı olarak etkileĢimi sonucunda motorda bir dönme torku oluĢur. Stator
manyetik akı yoğunluğu
stator döner alan yönünde ve hızında, rotor manyetik akı
yoğunluğu da rotor döner alan yönünde ve hızındadır.
Statorun toplam kutup sayısı P ve uygulanan gerilimin frekansı da f ise statorun
devir/dakika cinsinden senkron hızı
aĢağıdaki gibi ifade edilir.
(1.4.1)
Veya aynı ifade açısal hız
cinsinden yazılmak istenirse;
(1.4.2)
1.4.2 Asenkron Motorda Rotor Kayması Kavramı
Bir asenkron motorun rotor çubuğunda endüklenen gerilim manyetik alana göre
rotorun bağıl hızına bağlıdır. Bir asenkron motorun davranıĢı rotorun gerilim ve akıma bağlı
olduğundan bu göreceli hız hakkında konuĢmak daha mantıklıdır. Rotorun ve manyetik alanın
14
göreceli hareketini anlamak için iki terim yaygın olarak kullanılmaktadır. Birisi, senkron hız
ve rotor hızı arasındaki fark olarak tanımlanan kayma hızıdır.
(1.4.3)
Burada ;
Göreceli hızı tanımlamak için kullanılan diğer terim, yüzde ya da birim değer
cinsinden ifade edilen kaymadır. Yani kayma aĢağıdaki gibi tanımlanır.
(1.4.4)
Bu denklem
açısal hız cinsinden de aĢağıdaki gibi ifade edilebilir;
(1.4.5)
Burada dikkat edilmesi gereken nokta, rotor senkron hızda döndüğünde kaymanın s=0
ve rotor duruyorken s=1 olmasıdır. Tüm normal motor hızları bu iki sınır arasında bir değere
denk gelir.
Senkron hız ve kayma cinsinden rotor milinin mekanik hızını ifade etmek
mümkündür. Mekanik hız için yukarıdaki kayma denklemlerin çözümlediğimizde;
(1.4.6)
(1.4.7)
elde edilir. Bu denklemler asenkron motorun moment ve güç iliĢkilerinin elde
edilmesinde yararlı olmaktadır.
15
1.4.3 Rotorun Elektriksel Frekansı
Bir asenkron motor, makinenin rotorunda indükelenen akım ve gerilimler ile çalıĢır ve
dolayısıyla bazen dönen transformatör olarak adlandırlılr. Bir transformatöre benzer Ģekilde
birincil devre(stator) ikincil devrede(rotorda) bir gerilim indükler, ancak transformatörden
farklı olarak ikincil devre frekansının birincil devre ile aynı olması gerekmez.
Motorun rotoru hareket etmeyecek Ģekilde kilitli tutulursa o zman rotor stator ile aynı
frekansa sahip olacaktır. Diğer taraftan rotor senkron hızda dönüyorsa rotordaki frekans sıfır
olacaktır. Herhangi keyfi bir orandaki rotor hızında rotor frekansı ne olacaktır?
‟da rotoru frekansı
rotor frekansı
ve kayma s=1 dir.
için
ve kayma s=0 dır. Aradaki herhangi bir hızda, rotor frekansı
manyetik alan hızı rotor hızı
arasındaki farkla doğru
orantılı olur. Rotorun kayması aĢağıdaki Ģekilde tanımlandığından dolayı;
(1.4.8)
Rotor frekansı da;
(1.4.9)
Ģeklinde ifade edilir.
Bu ifadenin bazen kullanıĢlı birkaç alternatif biçimi vardır. Daha yaygın ifadelerden
biri; kayma denklemini frekans denkleminde yerine koyarak elde edilen;
(1.4.10)
denklemidir. Bu ifade senkron hız ifadesi yerine koyularak daha anlaĢılır bir hale getirilebilir;
(1.4.11)
1.5
ASENKRON MOTORUN EġDEĞER DEVRESĠ
Bir asenkron motorun çalıĢması, daha önce de belirtildiği gibi rotor devresindeki akım
ve gerilimlerin stator devresinde indüksiyonu (Transformatör durumu ) temeline dayanır. Bir
asenkron motorun rotor devresindeki gerilim ve akımın endüklenmesi temel olarak bir
16
transformatör çalıĢması olduğu için asenkron motorun eĢdeğer devresi transformatörünkine
çok benzerdir. Asenkron motorlarda güç sadece stator devresine uygulandığından tek
uyartımlı bir makine olarak adlandırılır. Bir asenkron motor bağımsız uyarma devresine sahip
olmadığından dolayı, modeline bir senkron makinada üretilen dahili gerilim
gibi bir dahili
gerilim kaynağı yoktur.
1.5.1 Asenkron Motorun Transformatör Eşdeğer Devresi
Bir asenkron motorun transformatör eĢdeğer devresi ġekil 1.5.1‟de gösterilmektedir.
Herhangi bir transformatördeki gibi makinanın eĢdeğer devresinde temsil edilmesi gereken
birincil(stator) sargılarında belirli bir direnç ve öz indüktans vardır. Stator direnci
kaçak indüktansı
ve stator
olarak adlandırılacaktır. Bu iki bileĢen makine modelinin giriĢinin
sağında görülmektedir.
ġekil 1.5.1 -
dönüĢtürme oranlı ideal bir transformatör ile bağlı stator ve rotorun olduğu bir asenkron motor
eĢdeğer devresi
Yine herhangi bir demir çekirdekli transformatördekine benzer Ģekilde makinadaki
akı, uygulanan gerilim
‟in integrali ile iliĢkilendirilir. Bu makine için manyeto motor
kuvvete karĢı akı eğrisi (mıknatıslanma eğrisi) ġekil 1.5.2 „deki güç transformatörü için
çizilmiĢ eğri ile karĢılaĢtırılır. Asenkron motor manyeto motor kuvvet- akı eğrisinin eğiminin
iyi bir transformatörün eğrisinden daha az olduğuna dikkat edilmelidir. Bu, asenkron motorda
akı yolunun relüktansını önemli ölçüde artıran ve bu nedenle birincil ve ikincil sargılar
arasındaki manyetik kenetlemeyi azaltan hava aralığının var olmasından kaynaklanır. Hava
aralığının neden olduğu yüksek relüktans istenen akı seviyesini elde etmek üzere daha fazla
mıknatıslanma akımı gerektirir. Bu nedenle eĢdeğer devredeki mıknatıslanma reaktansı
sıradan transformatördekinden daha küçük bir değere sahip olacaktır.
17
Birincil iç stator gerilimi
kenetlenir. Etkin sarım oranı
ideal bir transformatördeki gibi ikincil
gerilimi ile
‟nın bilezikli motor için etkin sarım oranı
„ nin
belirlenmesi kolaydır. Temel olarak adım ve dağıtım çarpan farklılıklarıyla değiĢtirilmiĢ
statordaki faz baĢına iletken sayısının rotordaki faz baĢına iletken sayısına oranıdır. Kafes
rotorlu motorun rotorunda kısa devre çubuklar olup ayrı sargılar olmadığından
oranını
açıkça görmek mümkün değildir. Her iki durumda da motor için etkin sarım oranları vardır.
Rotordaki sarımda üretilen
gerilimi, makinanın kısa devre rotorunda akan akımı
üretmektedir.
Asenkron motorun birincil empedansları ve mıknatıslanma eğrisi transformatör
eĢdeğer devresine denk gelen bileĢenlere çok benzerdir. Bir asenkron motor eĢdeğer devresi,
rotor gerilimi
ve rotor empedansları
ve
ile değiĢen rotor frekansının etkileri
cinsinden esas olarak transformatörün eĢdeğer devresindekinden farklıdır.
ġekil 1.5.2 - Bir asenkron motor ile transformatörün karĢılaĢtırılmalı mıknatıslanma eğrisi
Bir asenkron motorda faz baĢına eĢdeğer devreyi üretebilmek için modelin rotor
bölümünü stator tarafına indirgemek gerekir. Stator tarafına indirgenecek olan rotor devre
modeli, empedans teriminde yoğunlaĢtırılmıĢ tüm hız değiĢimi etkilerini içerecek tarzda ġekil
1.5.3‟te gösterilmiĢtir.
18
ġekil 1.5.3 - :
direnci üzerinde yoğunlaĢtırılan tüm frekans etkilerini gösteren rotor devre modeli
Sıradan bir transformatörde cihazın ikincil tarafındaki akım, gerilim ve empedanslar
transformatörün dönüĢüm oranı aracılığı ile birincil tarafa indirgenebilir.
(1.5.1)
(1.5.2)
(1.5.3)
ve
Burada üst nokta akım, gerilim ve empedansın indirgenmiĢ değerlerini göstermektedir.
Tam olarak aynı türden bir dönüĢüm asenkron motorun Ģekilxx de gösterilen rotor
eĢdeğer devresi için de yapılabilir. Bir asenkron motorun etkin dönüĢüm oranı
ise
dönüĢtürülmüĢ rotor gerilimi;
(1.5.4)
olur. Rotor akımı,
(1.5.5)
Ve rotor empedansı;
(1.5.6)
olur. ġimdi aĢağıdaki tanımlamaları yaparsak;
19
(1.5.7)
(1.5.8)
Elde ederiz ki, bu durumda asenkron motorun faz baĢına son eĢdeğer devresi ġekil
1.5.4‟te gösterildiği gibi olur.
Rotor direnci
ve kilitli-rotor reaktansı
‟ ı belirlemek zordur hatta kafesli
rotorlarda doğrudan belirlemek mümkün değildir. Dolayısıyla etkin dönüĢtürme oranı kafesli
tip motorlar için elde etmek de zordur.
direnç
ve
ve
ayrı olarak bilinmese bile indirgenmiĢ
reaktansını doğrudan verecek ölçümleri yapmak mümkündür.
ġekil 1.5.4 - Bir asenkron motorun faz baĢına eĢ değer devresi
1.6
ASENKRON MOTORLARDA GÜÇ VE MOMENT
1.6.1 Kayıplar ve Güç Akış Diyagramı
Asenkron motorlar tek uyartımlı makinalar olduklarından, güç moment iliĢkileri diğer
elektrik motorlarından farklıdır.
Bir asenkron motor, temel olarak dönen bir transformatör olarak adlandırılabilir. GiriĢi
üç fazlı bir gerilim sistemidir. Sıradan bir transformatör için çıkıĢ, ikincil sargılardan elde
edilen elektrik gücüdür. Bir asenkron motordaki ikincil sargılar(rotor) kısa devredir. Ve
normal asenkron motorlarda elektriksel çıkıĢ yoktur. Bu motorun elektriksel güç giriĢi ile
mekanik güç çıkıĢı arasındaki iliĢki ġekil 1.6.1‟deki güç akıĢ diyagramında gösterilmektedir.
20
ġekil 1.6.1 - Bir asenkron motorun güç akıĢ diyagramı
Bir asenkron motorun giriĢ gücü
Makinada
karĢılaĢılan
ilk
kayıplar
, üç fazlı elektrik akım ve gerilimler cinsindendir.
stator
sargılarındaki
direnç
kayıplarıdır
. Kalan gücün bir miktarı statorda histerisiz ve girdap akımları
olarak kaybolur
Bu noktada kalan güç stator ve rotor arasındaki hava aralığı
üzerinden makinanın rotoruna aktarılır. Bu güç makinanın hava aralığı gücü
olarak
adlandırılır. Güç rotora aktarıldıktan sonra, bu gücün bir kısmı rotor sargılarında direnç
kayıplarına uğrar
ve kalan güç elektrikselden mekaniğe dönüĢtürülür
sürtünme ve rüzgar kayıpları ve kaçak kayıplar çıkarılır. Kalan güç
). Sonuçta
motorun çıkıĢ
gücüdür.
Çekirdek kayıpları her zaman yukarıdaki güç akıĢ diyagramında gösterilen noktada
görünmez. Demir kayıplarının doğasından dolayı hiç hesaba katıldıkları makinada oldukça
rastgeledir. Bir asenkron motorun demir kayıplar, kısmen stator devresinden ve kısmen rotor
devresinden kaynaklanır. Bir asenkron motor normal olarak senkron hız civarında bir hızda
çalıĢtığından , rotor yüzeyi üzerinde manyetik alanların göreceli hareketi oldukça yavaĢtır ve
rotor çekirdek kayıpları stator devresinden geldiğinden dolayı tüm çekirdek kayıpları
diyagram üzerindeki bu noktada öbeklenir. Bu kayıplar asenkron motor eĢdeğer devresinde
direnci ile temsil edilmektedir. Çekirdek kayıpları bir devre elemanı yerine sayısal bir
değer olarak daha yüksek bir hızda verilirse , bu mekanik kayıplar ile birliktedir ve diyagram
üzerindeki mekanik kayıpların yer aldığı noktadan çıkarılır.
Bir asenkron motorun
daha yüksek hız değerinden yüksek sürtünme, rüzgar ve
dağılma kayıpları oluĢur. Diğer taraftan motorun daha yüksek hız değerlerinden , daha düĢük
çekirdek kayıpları oluĢur. Bu nedenler, bu ü. Kayıp kategorisi bazen bir arada ele alınır. Ve
dönme kayıpları olarak adlandırlır. Kayıp bileĢenleri hızdaki değiĢime göre zıt yönde
21
değiĢtiğinden dolayı, motorun toplam dönme kayıplarının değiĢen hız ile sabit kaldığı
çoğunlukla kabul edilmektedir.
1.6.2 Asenkron Motorda Güç ve Moment
ġekilxx bir asenkron motorun faz baĢına eĢdeğer devresini göstermektedir. EĢdeğer devre
yakından incelenirse motorun çalıĢmasını yöneten güç ve moment denklemlerini çıkartmak
için kullanılabileceği görülür.
Motorun bir faz giriĢ akımı; giriĢ geriliminin toplam eĢdeğer empedansa bölünmesiyle
bulunabilir:
(1.6.1)
Burada
(1.6.2)
Dolayısıyla, stator bakır kayıpları ve rotor bakır kayıpları bulunabilir. Üç fazdaki stator bakır
kayıpları aĢağıdaki gibidir.
(1.6.3)
Demir kayıpları ise;
(1.6.4)
Böylece hava aralığı gücü aĢağıdaki gibi bulunur.
(1.6.5)
Rotorun eĢdeğer devresine yakından bakıldığında, hava aralığı gücünün tüketebileceği
eĢdeğer devredeki tek eleman
direnci olarak görülür. Bu neddenle hava aralığı gücü
aĢağıdaki gibi verilebilir.
(1.6.6)
22
Rotor devresindeki gerçek direnç kayıpları aĢağıdaki denklem ile verilmektedir.
(1.6.7)
Stator bakır kayıpları, çekirdek kayıpları ve rotor bakır kayıpları motorun giriĢ gücünden
çıkartıldıktan sonra kalan güç, elektrikten mekaniğe dönüĢtürülür. DönüĢtürülen bu güç bazen
üretilen mekanik güç olarak adlandırılır ve aĢağıdaki gibi ifade edilir.
(1.6.8)
(1.6.9)
(1.6.10)
(1.6.11)
Ayrıcı hava aralığı ve rotor bakır kayıp güç denklemleri incelenirse aralarındaki iliĢkinin;
(1.6.12)
olduğu görülmektedir.
Bu nedenle makinada, motorun düĢül kayma değerleri için düĢük rotor kayıpları
oluĢur. Rotor dönmediği zaman kayma s=1 dir ve hava aralığı gücü tamamıyla rotorda
tüketilir. Bu sonuç mantıklıdır. Çünkü eğer rotor dönmüyorsa, çıkıĢ gücü
sıfır olmalıdır.
olduğu için bu, hava aralığı gücü ve elektrikten mekaniğe
dönüĢtürülen güç arasındaki diğer bir iliĢkiyi de vermektedir.
(1.6.13)
(1.6.14)
(1.6.15)
Sonuçta sürtünme ve rüzgar kayıpları
aĢağıdaki gibi bulunabilir:
23
ve dağılma kayıpları bilinirse çıkıĢ gücü
(1.6.16)
Makinada indüklenen
momenti, iç elektrikten mekaniğe güç dönüĢümü ile
üretilen moment olarak tanımlanmıĢtır. Bu moment makinadaki sürtünme ve rüzgar
momentlerine eĢit bir miktar kadar motorun uçlarındaki gerçek kullanılabilir momentten
farklıdır. Ġndiklenen moment aĢağıdaki denklem ile verilir.
(1.6.17)
Bu moment, makinanın üretilen momenti olarak da adlandırılır.
Bir asenkron motorun indüklenen momenti farklı bir biçimde de ifade edilebilir.
Yukarıdaki moment denkleminde dönüĢtürülmüĢ gücün hava aralığı gücü cinsinden, ve
mekanik hızın da senkron hız cinsinden yazılması ile ;
(1.6.18)
elde edilir. Bu denklem özellikle faydalıdır. Çünkü indüklenen momenti hava aralığı gücü
ve değiĢmeyen senkron hız cinsinden doğrudan ifade eder.
bilgisi doğrudan indüklenen
tork ifadesini verir.
1.6.3 Asenkron Motor Moment-Hız Eğrisi Üzerine Yorumlar
ġekil 1.6.2 ve ġekil 1.6.3 deki asenkron motor moment-hız karakteristik eğrisi, asenkron
motorların çalıĢması hakkında bir çok önemli bilgiler vermektedir.
ġekil 1.6.2 - Asenkron motor için tipik moment-hız karakteristik eğrisi
24
Bu bilgiler aĢağıdaki gibi özetlenebilir.
1. Senkron hızda motorda indüklenen moment sıfırdır.
2. Moment-hız eğrisi boĢta çalıĢma ve yüklü çalıĢma durum arasında yaklaĢık olarak
doğrusal olarak değiĢmektedir. Bu aralıkta rotor direnci rotor reaktansından daha
büyüktür, böylece rotor akımı, rotor manyetik alanı ve indüklenen moment artan
kayma ile doğrusal olarak artar.
3. AĢılamayan olası maksimum moment vardır. Devrilme veya tepe moment olarak
adlandırılan bu moment motorun nominal yük momentinin 2-3 katıdır.
4. Motorda yol verme momenti kendi tam yük momentinden biraz daha büyük olur ve
böylece motor, tam güçte besleyebileceği herhangi bir yükü taĢımaya baĢlayacaktır.
ġekil 1.6.3 - Asenkron motorun geniĢletilmiĢ iĢletme aralıklarını (frenleme bölgesi ve generatör bölgesi) gösteren
moment- hız karakteristik eğrisi
5. Belirli bir kayma için motordaki momentin uygulanan gerilimin karesi ile
değiĢmektedir.
6. Asenkron motorun rotoru senkron hızdan daha yüksek bir hız ile sürülürse, o zaman
makinada indüklenen momentin yönü ters döner ve makine mekanik gücü elektrik
gücüne dönüĢtüren bir generatör haline gelir.
25
7. Eğer motor manyetik alan yönüne ters yönde dönüyorsa, makine hızlı bir Ģekilde
duracaktır ve makinede indüklenen momente ters yönde onu döndürmeye çalıĢacaktır.
Manyetik alanın dönme yönünün ters çevrilmesi herhangi iki stator faz anahtarının
yerlerini değiĢtirerek mümkün olduğu için, bu gerçek asenkron motoru hızlı
durdurmak için bir yol olarak kullanılabilir. Motoru durdurmak için iki fazın yer
değiĢtirmesi gerçeği „plugging‟ olarak adlandırılır.
Bir asenkron motorda mekanik biçime dönüĢtürülen güç aĢağıdaki ifadeye eĢittir.
(1.6.19)
1.6.4 Asenkron Motorlara Yolverme Yöntemleri
Asenkron motorlara yol vermenin tanımını yapacak olursak; motorun durma anından
nominal hızına çıkana kadar, bağlı olduğu Ģebekeden aĢırı akım çekmemesi ve yol alma
momentinin mümkün olduğunca büyük olması Ģartı ile hızlanma olayıdır.
ġekil 1.6.4 - Asenkron Motorun 'L' EĢdeğer Devresi
ġekil 1.6.4‟de görüldüğü gibi asenkron motorun Ģebeke yanından görülen direnci
kaymaya bağlıdır. Kaymaya olan bu bağlılık
elemanından kaynaklanmakta olup
kalkıĢ anında (s=1) 0 değerindedir. Bu direncin 0 olması makinenin empedansının minimum
olmasına neden olur. Kalkınma anında rotor dönmediği için asenkron motor sekonder tarafı
kısa devre edilmiĢ bir trafo gibi davranır. Motora uygulanacak gerilim nominal olduğu
durumda motor Ģebekeden nominal akıma göre 4-6 kat fazla akım çeker. Bu akım;
26
(1.6.20)
Yol verme akımına gerek Ģebeke gücüne gerekse motor gücü ve milindeki toplam atalet
momentine bağlı olarak; çoğu kez izin verilmez. Bu sebeple 5 HP‟den büyük güçte olan
asenkron motorlara doğrudan yol verilmesi yönetmeliklerce yasaklanmıĢtır. Yol verme
süresince hattan çekilen akımın efektif değerinin zamana göre değiĢimi ġekil 1.6.5„te
verilmiĢtir:
ġekil 1.6.5 - Hattan çekilen akımın efektif değerinin zamana göre değiĢimi
1.6.4.1 Direk Yolverme
Gücü 5 Hp‟ ye kadar olan motorlara uygulanır. Bu güçteki motorların önemli ölçüde gerilim
düĢümüne neden olmayacağı kabul edilmektedir. Ayrıca yolverme süresince motor
sargılarında açığa çıkan ısı artıĢı da küçük olmaktadır. Bu yöntem sincap kafesli motorlarda
kullanılmasına rağmen bilezikli motorlarda kullanılmaz.
1.6.4.2 Ön Direnç İle Yolverme
Bu yöntemde motor terminallerine seri bağlanan dirençler yardımıyla motorun uçlarında
görülen gerilim düĢürülerek motorun daha küçük bir akım ile yol alması sağlanır. Yol verme
bağıntısı;
27
(1.6.21)
olup motor terminallerine seri bağlanan Rö direncinin değeri arttıkça yol alma akımı azalır.
makinenin momenti ile yolverme akımı arasında karesel bir iliĢki söz konusu olduğundan
Makinenin momentinin değiĢimi ġekil 1.6.6‟daki gibi olur:
ġekil 1.6.6 - DıĢ Karakteristik DeğiĢimi
1.6.4.3 Oto-Trafo İle Yolverme
Motor terminallerine gelen gerilimi küçülterek yol verme akımını sınırlayan bir yöntemdir.
Büyük güçlü motorlarda gerilim, oto-trafo üzerindeki sürgü kolu ya da kademe atlayarak
artırılır ve motor nominal devrinin %70‟ine ulaĢtığında oto-trafo devre dıĢı bırakılır.
28
ġekil 1.6.7 – Oto trafo Ġle Yolverme Bağlantı ġeması
ġekil 1.6.7‟de verilen devrede ilk olarak A ve B anahtarı kapatılır. Oto-trafo üzerinden gerilim
yavaĢça artırılır, motor nominal devrinin %70‟ine ulaĢtığı anda A anahtarı kapatılıp C anahtarı
açılarak motor Ģebekeye doğrudan bağlanmıĢ olur. Bu süre içinde motorun dıĢ
karakteristiğindeki değiĢim ġekil 1.6.8‟deki gibidir.
ġekil 1.6.8 - DıĢ Karakteristik DeğiĢimi
29
1.6.4.4 Rotora Direnç Bağlayarak Yol verme
Bilezikli makinelerde bilezikler üzerinden rotora direnç bağlanarak rotor devresinin
toplam direnci artırılır. Rotor devresinin direncinin artması eĢdeğer devrede Ģebeke tarafından
bakıldığında görülen empedansı artırır. Böylece motorun Ģebekeden çekeceği akım azaltılır.
Bileziklere bağlanan direncin değeri maksimumdan baĢlayarak yavaĢ yavaĢ minimuma
getirilerek yol verilir. Bu yöntemle Ģebekeden çekilen akım azalmasına rağmen motorun
kalkıĢ momenti artar. Ayrıca bu direncin değeri uygun seçilerek motorun maksimum moment
ile yol alması da sağlanabilir. Rotor sargılarına direnç bağlandığında yol verme moment
ifadesi Ģu Ģekilde olacaktır;
(1.6.22)
Bu eĢitlikte
direncinin statora indirgenmiĢ değeri olup yol verme moment
ifadesi bu değere doğrudan bağlıdır. Rotor devresine direnç bağlayarak yol verme yönteminde dıĢ
karakteristik değiĢimi ġekil 1.6.9‟da gösterilmiĢtir.
ġekil 1.6.9 - DıĢ Karakteristik DeğiĢimi
30
1.7
SENKRON MOTORLAR
Senkron motorlar elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüĢtürmek için kullanılan
senkron makinalarıdır. Senkron motorlar stator ve rotor çevrelerinin düzgün olup olmayıĢına
göre ikiye ayrılırlar. AĢağıda bu iki tip senkron motorun kesitleri gösterilmiĢtir.
a) Silindirik rotorlu senkron makineler
Silindirik rotorlu senkron makinelerde hava
aralığı çevre boyunca sabit olduğundan stator
ve rotor sargılarının özendüktansları rotorun
dönme açısına bağlı değildir. Yandaki Ģekilde
silindirik rotorlu bir senkron makinenin kesiti
gösterilmiĢtir.
b) Çıkık rotorlu senkron makineler
Çıkık kutuplu (rotorlu) senkron makinelerde
hava aralığı çevre boyunca sabit olmadığından
dolayı
stator
ve
rotor
sargılarının
özendüktansları rotorun dönme açısına bağlı
değildir. Yandaki Ģekilde çıkık kutuplu bir
senkron makinenin kesiti gösterilmiĢtir.
1.7.1 Senkron Motor Çalışma Prensibi
Bir senkron motorun genel çalıĢma yapısını anlamak için ġekil 1.7.1 incelenmelidir.
ġekildeki iki kutuplu bir senkron motor gösterilmiĢtir. Motorun alan akımı
rotor manyetik alanı
, sürekli durum
‟ yi üretir. Makinanın statoruna üç fazlı gerilimler uygulanır. Bu
gerilimler sargılardan üç fazlı akım akıtır.
31
ġekil 1.7.1 - Ġki kutuplu senkron motor
Endüvi sargılarından akan akımlar düzgün dönen
manyetik alanını üretirler.
Dolayısıyla, makinada iki manyetik alan vardır ve iki mıknatıs çubuğun birbirine yakın
yerleĢtirildiklerinde üst üste gelmeye çalıĢmalarındaki gibi, rotor alanı stator alanı ile
çakıĢmaya çalıĢacaktır. Stator manyetik alanı döndüğünden, rotor manyetik alanı (ve rotorun
kendisi)sabit olarak onu yakalamaya çalıĢacaktır. Ġki manyetik alan arasındaki açının
büyümesi makinanın rotoru üzerindeki momenti daha büyük yapacaktır. Senkron motor
çalıĢmasının temel ilkesi rotorun bir daire çevresinde dönen stator manyetik alanını asla ona
tam yetiĢmeden kovalamasıdır.
1.7.2 Senkron Motor Eşdeğer Devresi
Bir senkron motor, güç akıĢ yönünün ters dönmesi dıĢında bir senkron generatörle
benzerdir. Makinadaki güç akıĢ yönü ters döndüğünden, statordan akan akımın yönünün de
ters döndüğü kabul edilir. Bir senkron motorun tam eĢdeğer devresi ġekil1.7.2a‟da ve faz
baĢına eĢdeğer devre ġekil 1.7.2b‟de gösterilmiĢtir. Tüm elektrik makinalarında olduğu gibi
senkron motorların da stator sargıları yıldız veya üçgen bağlanbilir.
32
ġekil 1.7.2 - a)Üç fazlı senkron motorun tam eĢdeğer devresi b) Faz baĢına eĢdeğer devre
Yukarıdaki ġekil1.7.2‟de de görülen eĢdeğer devreler için Kirchoff‟un gerilim
denkleminin yazılması ile;
(1.7.1)
(1.7.2)
elde edilir. Bu denklem, akım iĢaretinin ters çevrilmesi haricinde bir generatör için yazılan
denklemle tam olarak aynıdır.
1.7.3 Manyetik Alan Bakış Açısından Senkron Motor
Senkron motorun çalıĢmasını anlayabilmek için, senkron generatörün sonsuz güçlü bir
Ģebekeye bağlı olduğu kabul edilecek ve incelemelerle bu bakıĢ açısından baĢlanacaktır.
Senkron generatör, rotorunu dıĢarıdan döndüren bir tahrik kaynağına sahiptir. Tahrik
33
kaynağından ugulanan momentin yönü hareket yönündedir, çünkü tahrik makinası önce
generatörü döndürmektedir.
Büyük bir uyarma akımı ile çalıĢan generatörün fazör diyagramı ġekil 1.7.3a‟da karĢılık
gelen manyetik alan
fazör diyagramı
da
ġekil1.7.3b‟de gösterilmiĢtir.
üretir. Hem fazör diyagramı ve hem de manyetik alan dönüĢ yönü
saat ibresinin ters yöndedir.
ġekil 1.7.3 - a) Geri güç faktöründe çalıĢan bir senkron generatörün fazör diyagramı; b) KarĢılık gelen manyetik alan
diyagramı
ġekil 1.7.4 - a) Bir senkron motorun fazör diyagram; b) KarĢılık gelen manyetik alan diyagramı
Generatörde indüklenen moment manyetik alan diyagramından bulunabilir;
(1.7.3)
(1.7.4)
ile verilir.
34
Manyetik alan diyagramından bu makinada indüklenen momentin dönme yönünün tersine
saat ibresi yönünde olduğu görülmektedir. Diğer bir deyiĢle, generatörde indüklenen moment,
dıĢarıdan uygulanan momentin
dönüĢ yönüne zıt yönde olan bir zıt momenttir.
Hareket yönünde rotoru döndürme
yerine, tahrik makinasının gücünün aniden
kaybolduğunu ve senkron makinanın rotoru tarafından döndürülmeye baĢladığını kabul
edilirse, senkron makinanın rotoru yavaĢlar ve rotor manyetik alanı makinadaki net manyetik
alanın gerisinde kalmaya baĢlar. Rotor
de yavaĢlar ve
‟in gerisine düĢer makinanın
çalıĢması ani olarak değiĢir. Dolayısıyla da yukarıdaki moment ifadesi dikkate alınırsa,
indüklenen momentin yönü ters döner ve saat ibresi tersi yönünde olur. Diğer bir deyiĢle,
makinanın momenti Ģimdi hareket yönündedir ve makine bir motor olarak çalıĢır. Moment
açısı δ‟nın artması sonucunda, dönme yönündeki moment gittikçe artar. Bu artıĢ, motorda
indüklenen moment, milindeki yük momentine eĢit oluncaya kadar devam eder. Bu noktada
makine Ģimdi motor olarak sürekli durumda ve tekrar senkron hızda çalıĢacaktır.
Senkron makinalarda motor ve generatör çalıĢma arasındaki temel fark hem manyetik alan
diyagramından hem de fazör diyagramından görülebilir. Bir generatörde
ilerisindedir ve
,
‟nin
‟ten geride bulunur. Bir motorda indüklenen moment hareket
yönünde ve bir generatörde indüklenen moment de hareket yönüne ters yönde zıt bir
momenttir.
1.8
SENKRON MOTORUN SÜREKLĠ DURUM ÇALIġMASI
1.8.1 Senkron Motor Moment-Hız Karakteristik Eğrisi
Senkron motorlar genelde sabit hız gereksinimi olan yüklere güç sağlarlar. Genellikle bir
tek motorun bağlandığı güç sistemlerinden çok daha büyük güç sistemlerine bağlanırlar.
Bundan dolayı güç sistemi motorlar için sonsuz güçlü Ģebeke gibi görünür. Sonsuz güçlü
Ģebeke demek; terminal gerilimi ve sistem frekansı motor tarafından çekilen güce bağlı
olmaksızın sabit olan Ģebeke demektir. Motorun hızı uygulanan elektriksel frekans ile kilitli
olduğundan, motor hızı yükten bağımsız olarak sabit olur. Senkron Motorun moment-hız
karakteristik eğrisi ġekil 1.8.1‟de gösterilmiĢtir.
35
ġekil 1.8.1 - Bir senkron motorun moment-hız karakteristiği.
Motorun sürekli durum hızı boĢsta çalıĢma hızından, motorun üretebildiği maksimum
moment (devrilme momenti olarak isimlendirilir) değerine kadar sabit olur, dolayısıyla bu
motorun hız regülasyonu yüzde sıfırdır.
Moment denklemi ise;
(1.7.5)
(1.7.6)
Maksimum veya devrilme momenti δ=90 da meydana gelir. Bununla birlikte senkrın
motorların normal tam yük momentleri bu değerden küçüktür. Gerçekte, devrilme momenti
tipik olarak makinanın tam yük momentinin 3 katına yakın olabilir..
Bir senkron motorun mili üzerindeki moment; devrilme momentini aĢtığında, rotor,
stator ve net manyetik alanlara uzun süre kilitli kalamaz. Rotor yavaĢlarken, stator manyetik
alanı defalarca rotor manyetik alanını keser ve rotorda indüklenen momentin yönü her bir
fazla ters döner. Sonuçta çok büyük moment dalgalanmaları oluĢur. Bu dalgalanmalar
motorda çok büyük vibrasyonlara neden olur. Devrilme momentinin aĢılmasından sonra
senkronizasyonun kaybolması kutup kayması olarak bilinir.
36
Motorun maksimum veya devrilme momenti:
(1.7.7)
(1.7.8)
ile verilir. Bu denklemler; daha büyük alan akımında motorun daha büyük maksimum
momente sahip olduğunu gösterir. Dolayısıyla motor çalıĢmada alan akımı veya
değerinin
büyük olması kararlılık açısından önemli avantajlar sağlar.
1.9
SENKRON MOTORLARA YOL VERME YÖNTEMLERĠ
Senkron motorlar için üç temel yol verme biçiminden söz edilebilir. Bunlar, kalkıĢ
motoru ile yol verme, senkron yol verme ve asenkron yol vermedir. Diğer yol verme
yöntemleri bu üç temel yol verme biçiminin özel uygulamalarıdır. KalkıĢ motoru ile yol
verme dıĢındaki yöntemler, güç elektroniği düzenleri açık veya kapalı kontrol çevrimleri
yapılarak kullanılabilir.
1.9.1 Kalkış Motoru ile Yol Verme
Bu yöntem amortisör (söndürüm) sargısı olmayan, rotoru sac paketinden yapılmıĢ
senkron motorlarda kullanılır. Motor bir kalkıĢ motoru yardımıyla senkron hız yakınlarına
kadar hızlandırılır. Daha sonra, senkron motorun endüvi ve uyarma sargıları aynı anda
beslenerek senkronlanması sağlanır. 1950‟li yıllara kadar yaygın biçimde kullanılan bu
yöntem, senkron motoun uyarma ve söndürüm devrelerinin daha iyi incelenmesi ve güç
elektroniği düzenlerindeki geliĢmeler nedeniyle önemini yitirmiĢtir. Bununla birlikte tahrik
edilen iĢ makinesinin yük ve eylemsizlik momentine bağlı olmak üzere oldukça ucuz ve
kullanıĢlı bir yöntemdir.
1.9.2 Senkron Yol Verme
DüĢük frekansla yol verme olarak da adlandırılan senkron yol verme yöntemi,
çoğunlukla rotoru sac paketli ve söndürüm sargısı bulunmayan senkron motorlarda ve
yumuĢak (darbesiz) kalkıĢ istenen uygulamalarda kullanılır. Motor senkron moment ile
ivmelenir.
Bu yöntemde ilk önce senkron motorun uyarma sargısı doğru akımla uyarılır ve
motorun endüvi sargısı, anma frekansının %1 ine eĢit frekansta düĢük bir gerilim ile beslenir.
Motor, uyarma sargısı uyarılmıĢ olduğu için senkronlayıcı momentin etkisi ile senkronlanır.
37
Besleme frekansına karĢı gelen senkron hızda çalıĢır. Motorun besleme gerilimi ve frekansı
düzenli olarak arttırıldığında, senkron devir hızı ve döndürme momenti artar. Böylece
motorun senkronluktan çıkmadan anma devir hızına kadar ivmelenmesi sağlanır.
DeğiĢken frekanslı gerilim kaynağı olarak tahrik edilen iĢ makinesinin özelliklerine
göre, doğrudan veya ara devreli frekans dönüĢtürücüler kullanılabilir. Senkron kalkıĢta en
önemli sorun, motorun tüm sistemin eylemsizliğine karĢın ivmelenmesini sağlamaktır. Bu
nedenle uyarma sargısı olası en büyük akım değeri ile uyarılarak ve motor yeterli bir gerilim
değeri ile beslenerek, senkron motorun olası en büyük momenti üretmesi sağlanır.
Motorun besleme gerilimi ve uyarma akımı değerleri makine büyüklüklerine bağlı
olarak hesaplanabilir .
Senkron yol vermede motor kalkıĢ için doğrudan beslenmediği ve senkron hız
yakınlarına geldiği zaman uyarma sargısı aniden uyarılmadığı için, güç sisteminde ani
değiĢimler ve üst titreĢimler görülmez. Bu nedenle yol verme iyiliği asenkron yol vermeye
göre daha üstündür.
1.9.3 Asenkron Yol Verme
Asenkron yol verme diğer kalkıĢ yöntemlerine göre daha basittir ve günümüzde en
yaygın kullanılan yol verme yöntemidir. Amortisör (söndürüm) sargılı ve/veya yuvarlak
kutuplu senkron motorlarda kullanılır. Motor yalnız asenkron kalkıĢ momentinin etkisi ile
ivmelenir.
Bu yöntemde motor, uyarma sargısı uyarılmaksızın doğrudan Ģebekeye bağlanır ve
aynı asenkron motorda olduğu gibi kısa devre söndürüm sargıları üzerinden yolalır.
Senkronlanıncaya kadar belli bir kayma değerinde asenkron motor olarak çalıĢır . Bu nedenle
senkron makine için kalkıĢ boyunca yapılan matematiksel inceleme, asenkron makine için de
geçerlidir.
Çıkık kutuplu senkron motorlarda kalkıĢ sırasında kütlesel kutup yüzeylerinden akan
Fuko (girdap) akımlarının yarattığı asenkron momentten de yararlanılır. Böylelikle toplam
kalkıĢ momenti arttırılabilir veya motorda yalnız bu momentle kalkıĢ yaptırılabilir. Ancak
Fuko akımlarının yarattığı moment, motoru tek baĢına ivmelendirmek için yeterli olamaz.
Sonuç olarak asenkron kalkıĢ için önemli olan, rotorda söndürüm etkisinin yaratılabilmesidir.
38
Söndürüm etkisi rotor kutuplarının yapım biçimine göre çeĢitli biçimlerde yaratılabilir.
Saç paketinden yapılan kutuplarda iletken sarımlardan yapılmıĢ söndürüm sargısı
kullanılabileceği gibi, genellikle kutup yüzeylerine yerleĢtirilmiĢ kafes yapıdaki kısa devre
iletken çubuklar kullanılır. Kütlesel kutuplu senkron motorlarda ise, iletken kutup yüzeyleri
söndürüm etkisini sağlar. Buna rağmen kalkıĢ momentini arttırmak için, kutup yüzeylerine
yerleĢtirilen iletken çubuklar, kısadevre bilezikleri ile birbirine bağlanir.
Amortisör (söndürüm) sargıları genellikle bakırdan yapılır. KalkıĢ momentini
arttırmak için, pirinç veya tunç gibi daha büyük dirençli alaĢımlar kullanılabilir. KalkıĢ
momentinin değerine etkiyen diğer bir büyüklük de durmadaki güç katsayısıdır.
Asenkron kalkıĢta en önemli sorun uyarma sargısının kalkıĢ süresince zarar görmesini
önlemektir. Senkron makinenin uyarma sargısı çok sarımlıdır. Bu nedenle asenkron kalkıĢ
sırasında bu sargıda büyük değerde bir gerilim endüklenir ve bu gerilim sargıya zarar
verebilir. Bu sorunu önlemek için uyarma sargısı kalkıĢ süresince uyarma sargısı direncinin
5...10 kat, değerinde bir dirençle kısa devre edilir. Bu direncin değeri uygulamada genellikle
9Rf olarak alınır. Literatürde kutupların yapım biçiminin ve uyarma sargısı kısa devre
direncinin ve değerinin asenkron yol alma momentine etkilerini inceleyen yayınlar vardır .
Asenkron motorlarda kullanılan yol verme yöntemleri senkron motorun asenkron
kalkıĢında da kullanılabilir. Bu yöntemler içerisinde en uygun olanı, düĢük kalkıĢ akımı ile
yüksek kalkıĢ momentinin elde edildiği transformatörle yol vermedir.
Çıkık kutuplu senkron makinelerde manyetik simetrisizlik nedeniyle, asenkron
iĢletmede endüvi akımının genliği maksimum ve minimum değerler arasında salınır. Ayrıca,
uyarma sargısı bir direnç üzerinden kısadevre edilmiĢ bütün senkron makinelerde, asenkron
iĢletmede, uyarma sargısının tek fazlı oluĢu, yani elektriksel simetrisizliği nedeniyle stator
elektriksel büyüklüklerinde (1-2s), döndürme momentinde ise 2s frekansında salınan üst
titreĢimler vardır .
1.9.3.1 Senkronlama
Senkron motorun uyarma sargısına doğru gerilim uygulanmasıyla, motorun asenkron
iĢletme noktasından senkron iĢletme noktasına geçiĢine senkronlama denir. Daha önce de
belirtildiği gibi senkron motor, kısadevre edilmiĢ amortisör (söndürüm) sargıları üzerinden
veya Fuko (girdap) akımlarının etkisiyle asenkron olarak kalkıĢ yapar ve uyarma sargısı doğru
gerilimle uyarılıncaya kadar, asenkron anma noktasında çalıĢır. Motor senkron hız
39
yakınlarında küçük kayma değerinde çalıĢırken uyarma sargısı uyarıldığında, rotor sargısı
mıknatıslanır, kutuplar oluĢur. Eğer bu anda stator ve rotor döner alanlarının karĢıt kutupları
karĢı karĢıya gelirse, çekme kuvvetinin etkisiyle stator döner alanı rotor döner alanını sürükler
ve her iki alan senkron hızda kenetlenir. Böylelikle motor senkron iĢletme özeğrisine geçer
1.9.4 Senkron Makinenin İşletme Biçimleri ve Reaktif Güç Ayarı
Senkron makinede uyarma akımı değiĢtirilerek, Ģebeke ile arasındaki reaktif güç alıĢ
veriĢi ayarlanabilir. Makinenin bu özelliği uygulamada tercih nedenidir ve dinamik
kompanzasyon amacıyla kullanılır.
Senkron makine motor olarak çalıĢırken,
1. Uyarma akımı, cosφ=1 durumuna göre, büyük ise motor kapasitif yüklenmiĢtir.
Ģebekeden çekilen aktif gücün yanında kapasitif güç de çeker, fakat Ģebekeye endüktif
güç verir.
2. Uyarma akımı, cosφ=1 durumuna göre, küçük ise motor endüktif yüklenmiĢtir.
Ģebekeden çekilen aktif gücün yanında, endüktif güç çeker, Ģebekeye kapasitif güç
verir.
3. Birim yüklemede Ģebekeden yalnız aktif güç alır, Ģebeke ile arasında reaktif güç alıĢ
veriĢi yoktur.
Senkron makinede reaktif güç ayarı uyarma akımı ile yapılır. Endüvi akımının
geometrik yeri, akımın aktif bileĢeni sabit tutulmak koĢuluyla, uyarma akımının büyüklüğüne
bağlı olarak motor çalıĢma bölgesinde herhangi bir yerde bulunabilir. Böylelikle uyarma
akımı azaltılıp, çoğaltılarak, yani endüvi akımının reaktif bileĢeninin büyüklüğü değiĢtirilerek,
motorun Ģebekeden aldığı veya Ģebekeye verdiği reaktif gücün büyüklüğü değiĢtirilebilir.
Büyük uyarma akımı değerlerinde motor kapasitif yüklenir ve Ģebekeye reaktif güç verir.
Azalan uyarma akımı değerlerinde önce Ģebekeye verdiği reaktif güç azalır, sonra motor birim
güç katsayısında çalıĢır. Eğer uyarma akımı azaltılmaya devam edilirse, motor endüktif
yüklenerek Ģebekeden reaktif güç alır. Motorun Ģebekeden alabileceği aktif güç, kararlı
çalıĢma yük açısı sınır değeri π/2 ile, verebileceği reaktif güç ise, endüvi ve uyarma akımının
anma değeri ile sınırlıdır.
40
1.9.5 Senkron Motorda V-Eğrileri
Senkron motorda uyarma akımı ile, endüvi akımının değiĢim eğrisine V- eğrileri denir
(ġekil 1.9.1). Bu eğri ailesi ile tepki gücün akıĢ yönü ve motorun yükleme biçimi
ġekil 1.9.1 - Senkron Motorda değiĢik yük momentleri için elde edilen V-eğrileri
incelenebilir. ġekil 1.9.1„de görüldüğü gibi yük momentinin sabit olması koĢulu ile, endüvi
akımının herhangi bir değeri, uyarma akımının hem büyük, hem de küçük değerinde elde
edilir. V-eğrilerinin minimum değerinde ise, endüvi akımının en küçük değeri, uyarma
akımının yalnız bir değeri ile elde edilir. Bu nokta motorun birim güç katsayısı ile çalıĢma
biçimine karĢı gelir.
ÇeĢitli yük momenti değerleri için elde edilen V eğrilerinin minimum noktaları sınır
alınırsa, aynı endüvi akımının büyük uyarma akım değerlerinde elde edildiği bölge kapasitif
yükleme, küçük uyarma akım değerlerinde elde edildiği bölge ise endüktif yükleme
bölgesidir.
41
2 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠ
2.1
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN TEMELLERĠ
Doğru akım makinelerinde kutuplar duran kısımda, endüvi rotordadır. Doğru akımla
beslenen uyarma sargıları stator üzerinde bulunan çıkık kutuplara ve endüvi sargıları silindirik
rotor üzerindeki oluklara yerleĢtirilir. Bir doğru akım generatöründe endüvide alternatif
gerilim endüklenir. Endüvi sargılarında endüklenen alternatif gerilim rotor üzerine monte
edilmiĢ kollektör ile doğrultulur. Kollektör, lamel adı verilen birbirlerinden yalıtılmıĢ bakır
levhalardan oluĢur. Kollektör üzerinde bulunan fırçalar, bobin kenarları nötr eksen üzerinde
olduğunda komütasyon olacak Ģekilde ana kutupların arasına yerleĢtirilirler.
Doğru akım makinelerinin çalıĢma prensibi ise Ģu Ģekildedir. Uyarma sargısından geçen
doğru akım bir uyarma alanı oluĢturur. Ayrıca kollektörün etkisiyle fırçalardan doğru akım
geçince endüvide de uyarma akısı eksenine dik bir alan oluĢur. Bu iki alanın etkisiyle doğru
akım makinesinde motor olarak çalıĢmada dönüĢ yönünde, generatör olarak çalıĢmada ise ters
yönde olacak Ģekilde bir moment oluĢur.
2.1.1 Eğimli Kutup Alınları Arasında Dönen Basit Bir İletken Çerçeve
Olası bir temel doğru akım makinesi ġekil 2.1.1‟de gösterilmiĢtir. Bu, makine belirli
bir eksen etrafında dönebilen tek bir iletken çerçeveden oluĢmaktadır. Makinenin dönen kısmı
rotor ve duran kısmı stator olarak adlandırılır. Makine için manyetik alan ġekil 2.1..1‟de
gösterilen
stator
üzerindeki
kuzey
ve
güney
manyetik kutuplarıyla sağlanır.
Rotordaki iletken çerçeve ferromanyetik bir
çekirdek üzerine oyulmuĢ oluğa yerleĢtirilir. Kutup
alınlarının eğimli biçimi ile birlikte, demir rotor,
rotor ve stator arasında sabit geniĢlikli hava aralığı
sağlar. BoĢluğun relüktansı, makinedeki demirin
relüktansından çok daha yüksektir. Makinedeki akı
yolunun relüktansını minimize etmek için manyetik
akı, kutup alnı ve rotor yüzeyi arasındaki boĢluktan
olası en kısa yolu geçmelidir.
42
ġekil 2.1.1 - Temel doğru akım makinesi
Manyetik akı, boĢluklta en kısa yolu geçmesi gerektiğinden, kutup alınları altındaki
her yerde rotor yüzeyine diktir. Keza hava aralığı düzgün geniĢlikte olduğundan dolayı
relüktans, kutup alınları altında her yerde aynıdır. Manyetik akı yoğunluğunun kutup alınları
altındaki her yerde aynı olması, düzgün relüktans demektir.
2.1.2 Dönen Çerçevede İndüklenen Gerilim
Bu makinenin rotoru döndürülürse
iletken çerçevede bir gerilim indüklenecektir.
Gerilimin büyüklük ve Ģeklini belirlemek için
ġekil 2.1.2 incelenmelidir. Gösterilen iletken
çerçeve sayfa düzlemine dik
ve
kenarları ile dikdörtgen Ģeklindedir. Manyetik
alan sabittir ve kutup alınları altındaki her
yerde rotor
ġekil 2.1.2 - Dönen çerçevede indüklenen gerilim
yüzeyinde diktir ve kutup
kenarlarının ötesinde hızlı bir Ģekilde sıfıra düĢer.
Çerçevedeki
toplam gerilimi belirlemek için, ayrı ayrı her bir çerçeve parçasını
incelemek ve tüm sonuç gerilimleri toplamak gereklidir. Her bir parçadaki gerilim Denklem
2.1.1 ile verilir.
(2.1.1)
1.
parçası : Bu parçada iletkenin hızı dönüĢ yolunun tanjantıdır.
manyetik alanı
kutup alnı altındaki her yerde rotor düzeyine diktir ve kutup alnının kenarlarının
ötesinde sıfırdır. Kutup alnı altında
hızı
‟ye diktir ve
sayfaya doğrudur.
Dolayısıyla parçada indüklenen gerilim Ģu Ģekilde olur.
(2.1.2)
Sayfaya doğru pozitif
Kutup alnı altında
Kutup kenarlarının ötesinde
2.
parçası : Bu parçada
(2.1.3)
büyüklüğü ya sayfaya ya da dıĢına doğrudur.
uzunluğu sayfanın düzlemindedir, böylece
parçasındaki gerilim sıfır olacaktır.
43
,
‟ye diktir. Dolayısıyla
(2.1.4)
3.
parçası : Bu parçada iletkenin hızı dönüĢ yolunun tanjantıdır. Manyetik alan B
kutup alnının altındaki her yerde rotor düzeyine dik yöndedir ve kutup alnının
kenarlarının ötesinde sıfırdır. Kutup alnının altında v hızı B‟ye diktir ve
büyüklüğü sayfadan dıĢarıyı iĢaret eder. Dolayısıyla parçada indüklenen gerilim Ģu
Ģekilde olur.
(2.1.5)
Sayfanın dıĢına doğru pozitif
Kutup alnı altında
Kutup kenarlarının ötesinde
4.
parçası : Bu parçada
(2.1.6)
büyüklüğü ya sayfaya ya da dıĢına doğrudur.
uzunluğu sayfanın düzlemindedir, böylece
,
‟ye diktir. Dolayısıyla
parçasındaki gerilim de sıfır olacaktır.
(2.1.7)
Sonuç olarak çerçevede indüklenen toplam gerilim
aĢağıdaki gibidir.
(2.1.8)
Kutup alnı altında
Kutup kenarlarının ötesinde
Çerçeve
döndüğü zaman,
(2.1.9)
parçası güney kutup alnı yerine kuzey kutup alnının
altındadır. Bu anda parça üzerindeki gerilimin yönü ters döner ama büyüklüğü sabit kalır.
Denklem 2.1.9‟u açıklamak için tek bir çerçevenin davranıĢını daha büyüğüne, gerçek
doğru akım makinelere, iliĢiklendiren alternatif bir yol vardır. Çerçevenin kenarlarının
tanjantsal hızı
aĢağıdaki gibi yazılabilir.
(2.1.10)
Burada
, çerçevenin dıĢ kenarına dönüĢ ekseninden yarıçapı ifade eder ve
çerçevenin açısal hızıdır. Buna göre Denklem 2.1.9 tekrar yazılacak olursa Ģu ifade elde edilir.
44
Kutup alnı altında
(2.1.11)
Kutup kenarlarının ötesinde
ġekil 2.1.3 - Rotor ve kutup yüzey alanları
ġekil 2.1.3‟te görüleceği üzere rotor yüzeyi bir silindirdir, böylece rotor yüzeyinin
alanı ,
‟ye eĢittir. Ġki kutup olduğundan dolayı her bir kutbun alnındaki rotorun alanı
(kutuplar arasındaki boĢlukları ihmal ederek)
olur ve dolayısıyla Ģu eĢitlik
yazılabilir.
Kutup alnı altında
(2.1.12)
Kutup kenarlarının ötesinde
Akı yoğunluğu
, kutup alanları altındaki hava aralığı her yerde sabit olduğundan her
bir kutup altındaki toplam akı, kutbun alanı ile kendi akı yoğunluğunun çarpımıdır.
(2.1.13)
Dolayısıyla gerilim denkleminin son biçimi Ģöyle olur.
Kutup alnı altında
(2.1.14)
Kutup kenarlarının ötesinde
Böylece, makinede üretilen gerilim, makinenin yapısını temsil eden bir sabit ile
makinenin içindeki akı ve makinenin dönme hızının çarğımına eĢittir. Genelde herhangi bir
gerçek makinedeki gerilim benzer üç faktöre bağımlı olacaktır.
45
1. Makinedeki akı
2. Dönme yönü
3. Makinenin yapısını temsil eden bir sabit
2.1.3 Dönen Çerçevede İndüklenen Moment
ġekil 2.1.4 - Doğru akım makinesine bağlı bir batarya
Bir bataryanın ġekil 2.1.4‟deki makineye
bağlandığı
varsayılacak
olursa,
yapılandırma ġekil 2.1.5‟deki
oluĢan
gibi olacaktır.
Momenti belirlemek için ġekil 2.1.2‟de gösterilen
çerçeveyi incelemek gerekecektir. Çerçevedeki
momentin belirlenmesinde uygulanan yaklaĢım,
herhangi bir anda çerçevenin bir parçasına
bakmaktır ve sonra tek tek tüm parçaların etkilerini
ġekil 2.1.5 - Doğru akım makinelerinde moment
kavramı
toplamaktır. Çerçevenin bir parçasındaki kuvvet ve parçadaki moment aĢağıdaki gibi verilir.
(2.1.15)
(2.1.16)
Burada ,
ve
arasındaki açıdır. Çerçeve ne zaman kutup kenarlarının ötesinde ise
temel olarak moment sıfır olur. Çerçeve kutup alaınlarının altında iken moment yine dört
parça halinde irdelenir.
1.
parçası : Bu parçada, gerilim kaynağından doğrudan gelen akım sayfanın dıĢına
doğrudur. kutup alnının altındaki manyetik alan radyal olarak rotordan dıĢarı
doğrudur, böylece iletkendeki kuvvet hareketin yönüne teğet ve bu kuvvetin
46
rotorda oluĢturduğu moment saat yönünün tersine olmak üzere aĢağıdaki gibi
verilir.
(2.1.17)
(2.1.18)
2.
parçası : Bu parçada, gerilim kaynağından akan akım, sol üstten sağ üste doğru
akar. Ġletkende indüklenen kuvvet ve bu kuvvetin neden olduğu moment aĢağıdaki
gibi verilir.
(2.1.19)
(2.1.20)
3.
parçası : Bu parçada, gelen akım gerilim kaynağından doğrudan sayfa
düzlemine doğrudur. kutup alnının latındaki manyetik alan radyal doğrultuda
rotorun içine doğrudur, böylece iletken üzerindeki kuvvet hareketin yönüne teğet
ve bu kuvvetin neden olduğu moment saat yönünün tersine olmak üzere aĢağıdaki
gibi verilir.
(2.1.21)
(2.1.22)
4.
parçası : Bu parçada, bataryadan gelen akım sayfada sol üstten sağ alta doğru
aktığına göre iletkende indüklenen kuvvet ve bu kuvvetin neden olduğu moment
aĢağıdaki gibidir.
(2.1.23)
(2.1.24)
Çerçevede indüklenecek toplam indüklenen moment aĢağıdaki bağıntıyla hesaplanır.
(2.1.25)
Kutup alnı altında
Kutup kenarlarının ötesinde
47
(2.1.9)
dönüĢümlerini kullanarak, moment ifadesi aĢağıdaki eĢitliğe
ve
indirgenebilir.
Kutup alnı altında
(2.1.14)
Kutup kenarlarının ötesinde
Böylece makinede üretilen moment, makinedeki akı ve akımın, makinenin mekanik
yapısını temsil eden bazı büyüklüklerden oluĢan bir çarpan ile çarpımıdır. Genelde herhangi
bir gerçek makinedeki moment üç faktöre bağımlı olacaktır.
1. Makinedeki akı
2. Makinedeki akım
3. Makinenin yapısını temsil eden bir sabit
2.2
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN SINIFLANDIRILMASI
Doğru akım makineleri motor ve generatör olarak çalıĢabilecek Ģekilde dizayn
edilmiĢlerdir. Dolayısıyla basit olarak doğru akım makineleri; doğru akım generatörleri ve
doğru akım motorları olarak ikiye ayrılabilirler. Bu ayrımın yanında sargı ve kutuplara göre
ve uyarma geriliminin sağlanma Ģekline göre sınıflandırma yapılabilir.
2.2.1 Sargı ve kutuplara göre sınıflandırma
I. Komütasyon kutuplu
II. Komütasyon kutupsuz
III. Kompanzasyon sargılı
2.2.2 Uyarma geriliminin sağlanma şekline göre sınıflandırma
I. Yabancı uyarmalı : Yabancı uyarmalı makinelerde uyarma gerilimi ayrı bir doğru
akım kaynağı tarafından sağlanır.
II. Kendinden uyarmalı: Bu makinelerde ise uyarma gerilimi, uyarma sargısının endüvi
uçlarına değiĢik bağlantı Ģekilleriyle endüvi tarafından üretilen gerilim ile
sağlanabilir. Kendinden uyarmalı doğru akım makineleri de kendi aralarında üçe
ayrılırlar.
48
i. Seri uyarma : Uyarma sargıları endüvi devresine seri bağlıdır. Dolayısıyla
uyarma gerilimi endüvi gerilimine eĢittir.
ii. ġönt uyarma : Uyarma sargıları endüvi devresine paralel (Ģönt) bağlıdır.
Dolayısıyla uyarma gerilimi endüvi gerilimine eĢittir.
iii. Kompunt uyarma: Bu durumda hem Ģönt hem de seri uyarma sargısı
kullanılır. Endüviye seri bağlanan seri alan sargısı büyük kesitli
iletkenlerden sarılır. ġönt alan sargısı ise endüvi sargısı ile seri bağlı
uyarma sargısı uçlarına bağlanır ve ince kesitli iletkenlerden sarılır.
Kendinden uyarmalı doğru akım makineleri ileride detaylı bir Ģekilde incelenecek ve
eĢdeğer devreleri verilecektir.
2.3
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN BÖLÜMLERĠ
Doğru akım makinaları akımı elde ediliĢi ve kullanıĢ amacına göre generatör ve motor
olarak ikiye ayrılır. Fakat yapıları yönünden aralarında fark yoktur. Sadece kullanıĢ amacına
göre farklılık gösterirler. Eğer doğru akım elektrik enerjisini dairesel mekanik enerjiye
dönüĢtüren doğru akım motorları incelenecek olursa, motorun bölümlerini üç alt baĢlık
halinde açıklamak uygun olacaktır.
2.3.1 Endüvi
Endüvi; doğru akım motorunun dönen kısmıdır.
Bu
eleman,
0,3-0,7
mm
kalınlığında
çelik
saclardan yapılmıĢ silindirik gövde üzerine açılmıĢ
ve oluklara yerleĢtirilmiĢ sargılardan oluĢmuĢtur.
Endüvi sargılarının uçları, bakır dilimlerinden
yapılmıĢ olan ve üzerine fırçaların temas ettiği
kısma (kollektöre) bağlanmıĢtır. Yandaki Ģekilde
örnek bir endüvi parçası görülmektedir.
ġekil 2.3.1 - Endüvi
49
2.3.2 Stator
Doğru akım makinesinin duran kısmı stator, karkas
ve bunun üzerine yerleĢtirilen ana ve yardımcı
kutuplardan oluĢur. Ana kutuplar üzerine uyarma
sargıları yerleĢtirilmiĢtir ve bu sargılar doğru
akımla beslenirler. Karkas, makinede gövde görevi
görür ve genellikle yumuĢak dökme çelikten
yapılır.
Kutuplar
ise
demir
sac
levhalar
paketlenerek yapılır ve üzerlerine uyarma sargıları
ġekil 2.3.2 - Stator
yerleĢtirilir. Kutupların alt kısmı, hava aralığında
alan dağılımına istenilen Ģekli verebilmek için yaygın yapılır. Doğru akım makinelerinde
makine büyüdükçe kutup sayısı da artar. Uyarma sargıları, komĢu kutuplar zıt polariteleri
oluĢturacak Ģekilde bağlanırlar. Yandaki Ģekilde örnek bir stator parçası görülmektedir.
2.3.3 Kollektör ve Fırçalar
Kollektör, bakır levhalardan meydana gelir. Levhalar
arası mika ile yalıtılır ve makine mili üzerine monte
edilir. Endüvide üretilen alternatif gerilim, kollektör
tarafından doğrultulur ve kollektör üzerine kayarak
temas eden fırçalar yardımıyla dıĢ devreye iletilir.
Endüvide herhangi bir simetri veya denge bozukluğu
kollektör ile fırçalar arasında istenmeyen kıvılcımlara
neden olur. Endüvi sargılarının kollektöre bağlanıĢ
Ģekli sarım tipini tanımlar. Endüvi sarımı paralel
(büklümlü) veya seri (dalgalı) olabilir. Fırçalar,
ġekil 2.3.3 - Kollektör
makinenin akım ve gerilim değerine göre farklı özelliklerde (sert, orta sert, yumuĢak karbon,
karbon-bakır alaĢımlı vb.) üretilir. Fırçaların kollektöre düzgünce basmasını sağlamak ve
kollektör ile fırçalar arasında oluĢabilecek arkları engellemek için baskı yayları kullanılır.
Fırçalar, aĢınıcı olduklarından zamanla biterler. Bu durum makinenin sesinden veya
kollektörde aĢırı kıvılcım oluĢmasından anlaĢılabilir.
Sonuç olarak; motorun iç yapısı, yukarıda anlatılan üç kısımdan oluĢur. AĢağıdaki
Ģekil, bu kısımların yerleĢimini görebilmek için yeterli olacaktır.
50
ġekil 2.3.4 - Motorun Ġç Yapısı
2.4
DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN ÇALIġMA PRENSĠBĠ
Manyetik alan içinde ve kuvvet çizgilerini kesecek Ģekilde hareket eden bir iletkenin
uçları arasında bir elektro motor kuvveti doğar. Bu iletkende endüklenen e.m.k değeri birim
zamanda kesilen kuvvet çizgisi sayısı ile orantılıdır. Ġletkenin iki ucu bir direnç üzerinden
birleĢtirilirse devreden bir akım geçer. Bu akıma endüklenme akımı denir. Eğer iletken,
kuvvet çizgilerine eğik hareket ediyorsa, aynı süre içerisinde dik harekete göre daha az kuvvet
çizgisi kesecektir. Benzer olarak doğru akım makinelerinde endüvi sargıları dönerken
manyetik akı çizgilerini keser ve dolayısıyla sargılardaki bobinlerin manyetik alan içinde
hareket etmesi ile sargı iletkenlerinde endüklenen e.m.k her an yön ve Ģiddet değiĢtirmiĢ olur.
Buradan da anlaĢılacağı gibi kutuplar arasında dönen bir bobinde endüklenen e.m.k alternatik
e.m.k‟dır. sargı bobinlerinde endüklenen e.m.k akımı, kollektör vasıtasıyla doğrultularak
fırçalardan dıĢarıya alınır. Doğru akım makinelerinin çalıĢma karakteristikleri içinde önemli
olan iki tane olay vardır.
2.4.1 Komütasyon
Doğru akım makinelerinde fırçaların simetri ekseninde bulunmasıyla oluĢan fırça
konumuna tarafsız bölge veya nötr eksen denir. Endüvi sargılarından alternatif akım geçer.
Kollektör lamelleri, fırçaların altından geçerken bunlara bağlı bobinlerde akım yön değiĢtirir.
Endüvi iletkenlerinin tarafsız bölgeden geçerken akımın bu yön değiĢtirmesi olayına
komütasyon denir. Komütasyonu bozan elektriksel sebeplerden biri yardımcı kutuplardaki
bobinlerin bağlantılarının ters olması, ikinci sebep ise yardımcı kutup alanının çok zayıf ya da
kuvvetli olmasıdır.
51
Komütasyon nedeniyle fırçalarla kollektör arasında ark oluĢabilir. Ġki komĢu kollektör
lameline bağlı her endüvi bobininde akımın yön değiĢtirmesi sırasında bir yandan fırça bu
bobini kısa devre eder, öte yandan bu bobinde reaktans gerilimi denen bir özendükleme
gerilimi oluĢur. Bu reaktans gerilimi, makinenin devir sayısı ve endüvi akımıyla orantılıdır
yani sabit bir değerde kalmaz, endüvi akımı ve dönme hızı ile artar. Kısa devre olan bobinde
bir kısa devre akımı oluĢtuğundan, bu gerilim son derece zararlıdır. Buna karĢı alınması
gereken en etkili önlem, yardımcı kutuplar yardımıyla kısa devre olan bobinde ters yönlü bir
gerilim endükleyerek reaktans gerilimini yok etmektir.
Komütasyonu bozabilecek diğer dıĢ etkenler ise yatakların aĢınması ve kollektör lamelleri
arasındaki izolasyonun kötü olmasıdır.
2.4.2 Endüvi Reaksiyonu
Endüvi sargıları içinden geçen akım, güçlü bir manyetik alan oluĢturur. Bu alan,
kutuplardan gelen akıları bozar ve zayıflatır. Endüvi alanının, uyarma alanına etkisi ile
uyarma alanının Ģeklinin bozulması olayına endüvi reaksiyonu denir. Endüvi reaksiyonu
sonucunda makine generatör olarak çalıĢıyorsa gerilim düĢümü, motor olarak çalıĢıyorsa devir
sayısında artma görülür. Endüvi reaksiyonunu önlemek için makinenin ana kutup ve yardımcı
kutuplarına ek olarak ana kutup tabanlarına kompanzasyon sargıları yerleĢtirilir.
Kompanzasyon sargıları, endüvi sargılarına seri olarak bağlanır ve uyarma alanının
zayıflamasına neden olan endüvi alanına zıt yönde bir alan üretirler.
Faraday yasasına göre endüvide endüklenen gerilimin ifadesi Ģu Ģekilde geliĢtirilir.
2.4.3 Endüvide Endüklenen Gerilimin İfadesi
Bir iletken manyetik alan içerisinde hareket
ettiğinde endüklenen e.m.k Ģu Ģekildedir.
(2.4.1)
Bir kutba karĢılık gelen endüvi çevre alanı ise
aĢağıdaki eĢitlik ile hesaplanır.
Endüvideki çift paralel kol
sayısı
Endüvideki tek paralel kol
:
sayısı
Endüvideki toplam iletken
:
sayısı
: Devir sayısı (d/d)
:
: Bir kutup akısı (Weber)
: Çift kutup sayısı
(2.4.2)
: Tek kutup sayısı
: Endüvi çapı
: Endüvi uzunluğu
52
Ortalama manyetik akı yoğunluğu ;
(2.4.3)
Endüvi bir dönüĢte çevreyi kat edeceğinden ve saniyede
devir yapacağından iletkenin
hızı;
(2.4.4)
olur ve böylece bir iletkende endüklenen gerilim;
(2.4.5)
Ģeklinde elde edilir. Endüvideki iletken sayısı
ve paralel kol sayısı
olduğundan endüvide
endüklenen gerilim;
(2.4.6)
(2.4.7)
olarak yazılırsa, endüvide fırçalar arası endüklenen gerilim Ģu Ģekilde elde edilir.
(2.4.8)
2.5
DOĞRU AKIM MOTORLARI
Doğru akım motorlarının yol alma momentleri yüksektir ve devir sayıları geniĢ bir saha
boyunca ayarlanabilir. Doğru akım motorlarında uyarma akımı sargılara ve endüviye
dıĢarıdan verilir. 20 kW‟lık bir güce kadar yapılan bazı doğru akım motorlarında sabit
mıknatıslar bulunur ve bu nedenler bu tür motorlar uyarma akımına ihtiyaç duymazlar. Ġster
mıknatıslı, ister uyarma sargılı tüm doğru akım makinelerindeki ortak taraf stator manyetik
alanının oluĢturulmasıdır. Stator manyetik alanı içerisinde oluĢan itme çekme kuvvetinden
dolayı bir döndürme momenti etkir. Endüvinin dönmesi sırasında endüvi manyetik alanı
uyarma sargısı alanı ile aynı yöne olmak ister. Ancak kollektör nedeniyle devre akımı devamlı
53
olarak bir sonraki endüvi sargısına verildiği için, endüvi alanı kendine özgü yönü korumak
zorunda kalır.
2.5.1 Doğru Akım Motorlarının Sürekli Çalışma (Kararlı Durum) Hali
ġekil 2.5.1 - Motor endüvi ve uyarma devresi modelleri
, endüvi akımı olmak üzere, fırçalar ve kollektör üzerindeki geçiĢ dirençlerinden
dolayı oluĢan küçük gerilim düĢümleri ihmal edilerek ġekil 2.5.1‟deki motor endüvi ve
uyarma eĢdeğer devre modellerinden endüvi devresi için;
(2.5.1)
ve uyarma devresi için;
(2.5.2)
olarak yazılır.Bu denklemlerde;
: Motora Ģebekeden uygulanan gerilim
: Endüvi devresi dirençleri toplamı
(2.5.3)
: Endüvi sargısı direnci
: Yardımcı kutup sargısı direnci
: Seri uyarma sargısı direnci
: Kompanzasyon sargısı direncidir.
54
Devir sayısını bulmak için Denklem 2.4.8, Denklem 2.5.1‟de yerine yazılırsa devir sayısı
ifadesi elde edilir.
(2.5.4)
Doğru akım motorları, uyarma sargılarının endüvi devresine bağlanıĢ Ģekline göre
serbest veya kendinden uyarmalı motorlar olarak, kendinden uyarmalı motorlar da kendi
içinde Ģönt, seri veya kompount uyarmalı olarak sınıflandırılırlar. Uyarma sargısı Ģönt
motorda, endüvi sargısına paralel, seri motorda ise seri olarak bağlanır. Bu iki bağlantının
birleĢiminden ise doğru akım kompount motor elde edilir.
Doğru akım motorlarında endüvide üretilen güç ve endüvide endüklenen moment Ģu
bağıntılar ile gösterilir.
(2.5.5)
(2.5.6)
2.5.2 Doğru Akım Motorlarının Uyarma Geriliminin Sağlanma Şekillerine Göre
Sınıflandırılması
2.5.2.1 Serbest Uyarmalı Doğru Akım Motorları
Serbest uyarmalı motorlarda uyarma sargısı
endüviye bağlanmaz. Uyarma akımı bağımsız bir gerilim
kaynağından sağlanır. Uyarma sargıları yerine sabit
mıknatıslar bulunan motorlar bir bakıma serbest uyarmalı
motorlar
olarak
sayılabilirler.
Yardımcı
kutupları
olmayan bu motorların kullanım alanlarına örnek olarak
otomobillerdeki cam silecekleri verilebilir. Bu motorların
devir sayıları yük altında fazla değiĢtiği için, devir sayısı
ayarlarının önemli olduğu uygulamalarda (torna, freze
makineleri vb.) kullanılabilirler. ġekil 2.5.2‟de serbest
uyarmalı
motorların
elektriksel
eĢdeğer
verilmiĢtir.
55
devresi
ġekil 2.5.2 - Serbest uyarmalı doğru
akım motorun elektriksel eĢdeğer
devresi
2.5.2.2 Şönt Uyarmalı Doğru Akım Motorları
ġönt motorlarda uyarma sargısı, endüviye paralel olarak bağlanmıĢtır. Bu motorlarda
devir ayarı yol verme direnci ve alan ayarlayıcı direnç yardımıyla yapılır. ġönt motorlarda
yüksüz durumda devir kendiliğinden yükselmez. Devir sayıları yük altında çok az değiĢir.
Fakat yol alma momentleri fazla yüksek değildir. ġönt motorlar bu özelliklerinden dolayı
yüksek kalkıĢ momenti istenmeyen ve devir sayısının sabit kalması istenen yerlerde
kullanılırlar. Kağıt fabrikaları, dokuma tezgahları, dokuma tezgahları kullanım alanlarına
örnek olarak verilebilir.
Doğru akım Ģönt motorun iĢletme karakteristikleri,
elektriksel
eĢdeğer
devresine
ait
gerilim
denklemlerinden çıkarılır. ġekil 2.5.3‟de doğru akım
Ģönt
motorun
elektriksel
eĢdeğer
devresi
gösterilmiĢtir.
(2.5.7)
(2.5.8)
Uyarma akımı ve uç gerilimi ise aĢağıdaki eĢitlikler
ile ifade edilir.
ġekil 2.5.3 - Doğru akım Ģönt motorun elektriksel
eĢdeğer devresi
(2.5.9)
(2.5.10)
Ayrıca;
(2.5.11)
(2.5.12)
(2.5.13)
56
(2.5.14)
dönüĢümleri yapılırsa moment ifadesi hakkında bazı saptamalarda bulunulabilir. Doğru akım
Ģönt motorda endüvide endüklenen moment, endüvi akımı ile doğru orantılı olarak değiĢir.
ġekil 2.5.4‟te endüvi momentinin endüvi akımı ile değiĢimi gösterilmiĢtir.
Denklem 2.5.13‟ten devir sayısı çekilip
yerine yazılırsa, yüklü ve yüksüz durum için hız
denklemi Ģu Ģekilde kurulur.
(2.5.15)
(2.5.16)
(2.5.17)
Bu ifadede
ġekil 2.5.4 - Doğru akım Ģönt motorda
endüvi momentinin endüvi akımı ile
değiĢimi
değeri genellikle çok küçük olduğundan ihmal edilebilir.
Dolayısıyla doğru akım Ģönt motorlarda devir sayısı yaklaĢık olarak sabittir. ġönt motorlarda
hızın endüvi akımı ile değiĢimi önemli bir konu olduğundan dolayı detaylı inceleme yapılması
uygun olacaktır.
2.5.2.2.iŞönt Motorlarda Hız-Akım Karakteristiği
Denklem 2.4.8‟de gösterilmiĢ olan endüklenen gerilim ile Denklem 2.5.1‟deki ifade
birleĢtirilerek „n‟ nominal indisini göstermek üzere,
,
,
durumuna
göre Ģu eĢitlik yazılabilir.
;
(2.5.18)
57
Motorun boĢtaki devir sayısı, Denklem 2.5.18‟de
yazılır, bu değer nominal
devir sayısına oranlanır ve gerekli düzenlemeler yapılırsa;
;
(2.5.19)
eĢitliği elde edilir. Motorun hız ifadesinde, gerilim
parametrik değiĢkenler olup, akım
, endüvi devresi direnci
esas değiĢkendir. Dolayısıyla
ve alan
hız-akım
karakteristikleri bu husus dikkate alınarak üç farklı durum için aĢağıdaki gibi elde edilir.
1.Durum;
gerilimi ve
akısı sabit kalmak Ģartı ile endüvi devresine direnç ilave
edilirse, hız ifadeleri ve karakteristiklerin eğimi aĢağıdaki gibi yazılabilir.
Yukarıdaki ifadelerde,
olmak üzere endüvi
devresinin toplam direnci gösterilmektedir. Bu ifadelerin belirlediği
karakteristikleri ġekil 2.5.5‟teki gibi olacaktır.
58
ġekil 2.5.5 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen endüvi direncine ait karakteristikler
2.Durum;
direnci ve
akısı sabit kalmak Ģartıyla endüvi gerilimi
olacak Ģekilde değiĢtirilirse, hız ifadeleri ve karakteristiklerin
eğimini veren ifadeler Ģu Ģekilde yazılabilir.
Yukarıdaki ifadelerin belirlediği
karakteristikleri ġekil 2.5.6‟daki gibi
olacaktır.
59
ġekil 2.5.6 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen endüvi gerilimine ait karakteristikler
3.Durum;
gerilimi
ve
direnci
sabit
kalmak
Ģartıyla
olacak Ģekilde değiĢtirilirse, devir sayısı ve
karakteristiklerinin eğimine ait ifadeler aĢağıdaki gibi yazılabilir.
Yukarıdaki ifadelerin belirlediği
karakteristikleri ġekil 2.5.7‟deki gibi
olacaktır.
60
akısı,
ġekil 2.5.7 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen alan akımına ait karakteristikler
2.5.2.2.ii Doğru Akım Şönt Motorlara Yol Verme
Sistemi çalıĢmaz durumdan normal iĢletme durumuna geçirmeye yol verme, bu süreye
yol verme süresi, bunun için kullanılan cihazlara yol verme cihazları, gerekli bağlantılara da
yol verme bağlantıları denir.
Normal yapı tarzındaki doğru akım motorları kalkıĢ anında tam yük akımının 10 ile 20
katını, asenkron makineler ise tam yük akımının 4 ile 8 katını çekerler. Bu yüksek yol alma
akımlarını düĢürmek ve yol alma momentlerini tahrik sistemi için uygun değerlere ayarlamak
için yol verme cihazları ve yol verme bağlantıları kullanılır. Motorun ilk andaçektiği akımı
sınırlandırmak ve momenti istenilen değere ayarlamak için ya endüvi devresine direnç ilave
edilir ya da motora uygulanan gerilim düĢürülür. Motora toplam değeri
olan yol verme dirençleri ile yol verilmesi durumunda, baĢlangıçta
tamamı devrede olan yol verme dirençleri, motor yol aldıkça sondan itibaren devre dıĢı edilir.
Yol verme dirençlerinin tamamı devre dıĢı edildikten sonra normal karakteristik üzerinde
sürekli çalıĢma noktasına ulaĢılır.
AĢağıda örnek olarak bir kademeli ve üç kademeli yol verme bağlantıları, kumanda
Ģemaları yardımıyla incelenmiĢtir.
61
Bir Kademeli Yol Verme
ġekil 2.5.8‟de bir Ģönt motora bir kademe dirençle yol vermeye ait bağlantı Ģeması
verilmiĢtir. Bu devrede motorun maksimum momentle yol almasını sağlamak için, Ģönt sargı
devamlı olarak Ģebekeye bağlı tutulur. Bu devrenin en büyük özelliği, bağlantıda zaman
rölesinin kullanılmamıĢ olmasıdır. Zaman rölesinin görevini bu bağlantıda (A) kontaktörü
yapar.
ġekildeki
devrede
baĢlatma
butonuna
basıldığında, (M) kontaktörü enerjilenir. (M)
mühürleme kontağı kapanır ve sürekli çalıĢma
sağlanır. Güç devresinde (M) kontağı kapanınca,
endüvi yol verme direnci üzerinden Ģebekeye
bağlanır. Yol verme direncindeki gerilim düĢümü
nedeniyle, motor düĢük gerilimle yol almaya baĢlar.
Devir sayısı yükseldikçe, endüvüdeki zıt E.M.K da
artar. Yol vermenin uygun bir anında, endüvüdeki
zıt E.M.K nedeniyle (A) kontaktörü çalıĢır. (A)
kontağı kapanır ve (RY) yol verme direnci kısa
devre olur. Endüvi normal Ģebeke gerilimine
ġekil 2.5.8 - ġönt motora bir kademeli yol verme
bağlanır. Durdurma butonuna basılıncaya kadar,
motor normal Ģebeke geriliminde çalıĢır.
ġekilde görülen yol verme devresi, önceki incelenen yol verme devrelerinden oldukça
farklı çalıĢır. Örneğin dirençle yol verme devresinde, yol verme dirençleri belirli zaman
aralıklarıyla devreden çıkartılırlar. Dirençlerin devreden çıkma zamanını, zaman röleleri
belirler. ġekildeki devrede yol verme direncinin devreden çıkması, motorun devir sayısına
bağlıdır. ġebeke geriliminin düĢmesi ve motor milindeki yükün artması nedeniyle motorun
yol alması gecikirse, yol verme direncinin devreden çıkması da gecikir. Böylece motora daha
düzgün bir Ģekilde yol verilmesi sağlanmıĢ olur.
Üç Kademeli Yol Verme
ġekil 2.5.9‟da bir Ģönt motora üç kademe dirençle yol vermeye ait bağlantı Ģeması
verilmiĢtir. Bu devrede kullanılan (D), (E), (F) röleleri motorun devir sayısına bağlı olarak
enerjilenirler. Motorun maksimum momentle yol almasını sağlamak için, Ģönt sargı Ģebekeye
62
bağlı tutulur ve (P1) devir ayar reostası normalde kapalı (C) kontağı ile kısa devre edilir. ġönt
sargıdan geçen akımın kesilmesinden doğan indüksiyon gerilimi, (VR1) varistörüyle
söndürülür. Direnci, uçlarındaki gerilimle ters orantılı olarak değiĢen elemana varistör adı
verilir. Varistörün uçlarındaki gerilim büyüdüğünde, varistörün direnci çok azalır.
ġekildeki devrede Ģönt sargıda doğan indüksiyon geriliminin değeri çok büyük
olduğundan, bu gerilime bağlı bulunan varistörün direnci çok küçülür. Doğan indüksiyon
gerilimi, varistör üzerinden kısa devre olur dolayısıyla kolayca söner.
ġekilde verilen devrede baĢlatma
butonuna
basıldığında
enerjilenir.
Kapanan
(M)
(M)
kontaktörü
mühürleme
kontağı devrenin sürekli çalıĢmasını sağlar.
Güç devresinde (M) kontağı kapanınca,
endüvi yol verme dirençlerinin üzerinden
Ģebekeye bağlanır. Yol verme dirençlerindeki gerilim düĢümleri nedeniyle, motor
düĢük
gerilimde
yol
almaya
baĢlar.
Endüvinin devir sayısı ve endüvide doğan
zıt E.M.K gittikçe yükselir. Endüvideki zıt
E.M.K Ģebeke geriliminin %50 değerine
ulaĢtığında , (D) rölesi enerjilenir. (D)
kontağı
kapanır
ve
(A)
kontaktörü
ġekil 2.5.9 - Üç kademeli yol verme
devreye bağlanır. Kapanan (A) kontağı
(R1) yol verme direncini kısa devre eder. Endüviden geçen akım ve meydana gelen döndürme
momenti artar.
Endüvinin devir sayısı ve endüvide doğan zıt E.M.K yükselir. Endüvide doğan zıt
E.M.K Ģebeke geriliminin %70 ine ulaĢtığında, (E) rölesi enerjilenir. (E) kontağı kapanır ve
(B) kontaktörü devreye bağlanır. Kapanan (B) kontağı (R2) yol verme direncini kısa devre
eder. Endüviden geçen akım ve bu akımın yarattığı döndürme momenti artar. Motorun devir
sayısı ve endüvide doğan zıt E.M.K yükselir. Endüvide doğan zıt E.M.K Ģebeke geriliminin
%85'ine ulaĢtığında (F) rölesi enerjilenir.(F) kontağı kapanır ve (C) kontaktörü devreye
bağlanır. Kapanan (C) kontağı (R3) yol verme direncini kısa devre eder. Böylece endüvi
normal Ģebeke gerilimine bağlanır.
63
Motorun normal geriliminde çalıĢması, durdurma butonuna basılıncaya kadar devam
eder. (C) kontaktörü enerjilenince, normalde kapalı (C) kontağı açılır. (P1) devir ayar reostası
Ģönt sargıya bağlanır. Motorun devir sayısı önceki ayarlandığı değere yükselir. Yol verme
dirençleri, motorun devir sayısına bağlı olarak devreden çıkarlar.
Doğru akım Ģönt motorun kademeli yol verme dirençleri ile yol verilmesi durumunda
genel hız-akım
ve elektromotor kuvvet-akım
karakteristikleri ise
ġekil 2.5.10-11‟deki gibi olurlar.
ġekil 2.5.10 - ġönt motorun hız-akım yol verme
ġekil 2.5.11 - ġönt motorun e.m.k-akım yol verme
karakteristiği
karakteristiği
2.5.2.3 Seri Uyarmalı Doğru Akım Motorları
Seri motorlarda uyarma sargısı endüviye seri bağlanmıĢtır. Endüvi akımının tümü
uyarma sargısından geçer. Bu nedenle endüvi akımı yükseldikçe uyarma akımı yükselir. Bu
durum yol alma esnasında momentin yüksek olmasını sağlar. Seri motorların kalkıĢ
momentleri diğer motorlardan daha büyüktür. Seri motor yüklendikçe, endüvi akımı ve buna
bağlı olarak uyarma akımı yükselir. Uyarma akımının yükselmesi sonucu döndürme momenti
artarken devir sayısı düĢer. Motor yüksüz olarak çalıĢtırıldığında endüvi akımı, yani uyarma
akımı, küçük olacağından devir sayısı giderek yükselir. Bu nedenle seri motor, yüksek
hızlarda kayıĢ kopma ihtimali göz önünde bulundurularak, kayıĢlı bir makineyi tahrik amaçlı
olarak kullanılmamalıdır. Seri motorlar özellikle elektrikli ulaĢım sistemlerinde sıklıkla
kullanılırlar.
64
Doğru
akım
seri
motorun
iĢletme
karakteristikleri, elektriksel eĢdeğer devresine ait
gerilim denklemlerinden çıkarılır. ġekil 2.5.12‟de
doğru akım Ģeri motorun elektriksel eĢdeğer devresi
gösterilmiĢtir.
Uç gerilimi
, Ģebekeden çekilen akım
endüvide üretilen zıt e.m.k
endüklenen güç
,
ve endüvide
olarak gösterilmek üzere Ģu
bağıntılar yazılabilir.
ġekil 2.5.12 - Doğru akım seri motor elektriksel
eĢdeğer devresi
(2.5.20)
(2.5.21)
(2.5.22)
(2.5.23)
Denklem 2.5.22‟nin revize edilmesiyle moment ifadesine ulaĢılabilir.
(2.5.24)
(2.5.25)
Bu denklemden endüklenen gücün endüvi akımıyla değiĢiminin parabol Ģeklinde
olduğu açıkça görülmektedir. Denklem 2.5.20‟de
yerine Denklem 2.5.22 yerine yazılırsa
Ģu eĢitlikler elde edilir.
(2.5.26)
(2.5.27)
65
Denklem 2.5.27‟den de görüldüğü gibi seri motor boĢta çalıĢırsa
devir sayısı
çok yükselir, dolayısıyla bu motorlar daima mile yükün bağlı olduğu gösterilmiĢtir. Bu
denklemden endüvi akımı çekilirse Ģu tanım elde edilir ve moment bağıntısı bulunabilir.
(2.5.28)
(2.5.29)
2.5.2.3.iDoğru Akım Seri Motorlara Yol Verme
Doğru akım seri motorun ilk anda çektiği akımı sınırlandırmak ve aynı zamanda tahrik
sistemi için yeterli momenti sağlamak için iki farklı yol verme yöntemi kullanılır. Bunlardan
birincisi endüvi devresine direnç ilave etmek (yol verme reostası), diğeri ise motora düĢük
gerilimle yol vermektir. Bu bölümde kademeli direnç ile yol verme sonucu ortaya çıkan
karakteristikler gösterilecektir. Bu tip yol vermede, yol verme baĢlangıçta bütün kademe
dirençleri devrede olduğu halde motora yol verilir ve motor yol aldıkça sondan itibaren sıra
ile kademe dirençleri devre dıĢı edilir.
ġekil 2.5.13 - DC seri motorun yol verme halindeki n-I
ġekil 2.5.14 - DC seri motorun yol verme halindeki E-I
karakteristiği
karakteristiği
ġekil 2.5.15 - DC seri motorun yol verme halindeki
66
-I karakteristiği
Kademeli dirençle yol verilen seri motora ait
,
ve
karekteristikleri ġekil 2.5.13-14-15‟te gösterilmiĢtir.
2.5.2.4 Kompunt Uyarmalı Doğru Akım Motorları
Kompunt motorun elektriksel eĢdeğer devresi ġekil 2.5.16-17‟de gösterilmiĢtir. ġekil
2.5.16‟da gösterildiği gibi seri uyarma sargısının endüvi sargısı ile seri bağlı ve Ģönt uyarma
sargısının uç DC kaynağa paralel bağlandığı Ģekle uzun Ģönt kompount motor denir. ġekil
2.5.17‟de gösterildiği gibi seri uyarma sargısının DC kaynağa seri bağlı ve Ģönt uyarma
sargısının endüvi uçlarına paralel bağlandığı Ģekle ise kısa Ģönt kompunt motor denir.
ġekil 2.5.16 - Uzun Ģönt uyarma
ġekil 2.5.17 - Kısa Ģönt uyarma
Seri uyarma sargısının meydana getirdiği alanın etkisi, Ģönt uyarma sargısının
meydana getirdiği alanı destekleyecek yönde ise makine, arttırmalı kompunt, zayıflatacak
yönde ise azaltmalı kompunt olarak isimlendirilir.
Arttırmalı kompunt makinelerde uyarma akısı;
(2.5.30)
Azaltmalı kompunt makinelerde uyarma akısı;
67
(2.5.31)
Ģeklinde yazılır.
ve
, doymanın ihmal edilmesi durumunda Ģönt ve seri sargı
parametrelerini temsil ederler. Kompunt motor için uç gerilimi ifadesi
ve uyarma akımı
Ģu Ģekilde yazılırlar.
(2.5.32)
(2.5.33)
Endüvi gerilimi ve endüvide indüklenen moment ise Ģu Ģekilde ifade edilir.
(2.5.34)
(2.5.35)
Bu denklem; kompunt motor tarafından üretilen momentin ġekil 2.5.18‟de gösterildiği
gibi hem Ģönt, hem de seri motor karakteristiklerinin bileĢkesi olduğunu gösterir. Arttırmalı
kompunt motor, aynı endüvi akımında Ģönt motordan daha yüksek moment üretmektedir.
Azaltmalı kompunt motor ise aynı endüvi akımında Ģönt motordan daha düĢük bir moment
üretmektedir.
ġekil 2.5.18 - Arttırmalı ve azaltmalı kompunt motor için indüklenen momentin endüvi akımına bağlı değiĢimi
Denklem 2.5.32 ve 2.5.34 kullanılarak motor hızı, endüvi akımı ile ifade edilebilir.
68
(2.5.36)
Denklem 2.5.36 kullanılarak arttırmalı kompunt motor hız denklemi için 2.5.37
denklemi, azaltmalı kompunt motor hız denklemi için ise 2.5.38 denklemi yazılabilir.
(2.5.37)
(2.5.38)
ġekil 2.5.19‟da arttırmalı ve azaltmalı kompunt motorda hızın endüvi akımına bağlı
değiĢimi verilmiĢtir.
ġekil 2.5.19 - Arttırmalı ve azaltmalı kompunt motor için hızın endüvi akımına bağlı değiĢimi
Kompunt motorun moment-hız karakteristiği seri ve Ģönt motorların karakteristiklerinden elde edilebilir. Denklem 2.5.35 ifadesinde
yerine
yazılır ise;
(2.5.39)
(2.5.40)
(2.5.41)
olur. Hızın bir fonksiyonu olarak Denklem 2.5.36‟dan endüvi akımı çekilirse Ģu ifade elde
edilir.
69
(2.5.42)
Bu denklem, Denklem 2.5.35 ifadesinde yerine yazılırsa, sonuç olarak motorun
moment denklemi elde edilir.
(2.5.43)
Momentin hıza bağlı değiĢimi ise ġekil 2.5.20‟de gösterildiği gibi olur.
ġekil 2.5.20 - Kompunt motorun moment-hız değiĢimi
2.5.3 Doğru Akım Makinelerinde Güç Akışı Ve Kayıplar
Doğru akım generatörle mekanik enerjiyi alıp elektrik enerjisi üretirler, motorlar ise elektrik
enerji alıp mekanik enerji üretirler. Her iki durumda doğru akım makineye giren tüm güç
diğer uçtan yararlı hale dönüĢmez. Süreçle birlikte kayıplar mutlaka vardır.
Doğru akım makinenin verimi aĢağıdaki denklem ile tanımlanır.
(2.5.44)
Makinenin giriĢ gücü ve çıkıĢ gücü arasındaki fark, içinde oluĢan kayıplardır. Dolayısıyla Ģu
eĢitliği yazmak uygun olacaktır.
(2.5.45)
70
2.5.3.1 Doğru Akım Makinelerindeki Kayıplar
Doğru akım makinelerinde oluĢan kayıplar beĢ temel kategoriye bölünebilir.
1. Elektriksel veya bakır kayıpları (
kayıpları)
2. Fırça kayıpları
3. Demir kayıpları
4. Mekanik kayıplar
5. Dağılma yük kayıpları
Bu kayıplar detaylı bir Ģekilde incelenmeye çalıĢılacaktır.
2.5.3.1.iElektriksel Veya Bakır Kayıpları
Doğru akım makinelerinin çeĢitli kısımlarındaki sargılarda akım geçiĢinden dolayı ısı
açığa çıkar. Meydana gelen ısı, Joule kanununa göre
Ģeklinde ifade edilir. Bu ısı hiçbir iĢe
yaramadığından makine için bir kayıptır. Bu kayıp Joule kaybı veya bakır kaybı olarak
adlandırılır. Bakır kayıpları aĢağıdaki gibi sınıflandırılabilirler.
a. Endüvi bakır kayıpları: Endüvi iletkenlerinin direnci
‟dan dolayı meydana gelir ve
olarak yazılır. Endüvi akımı yükle değiĢtiğinden endüvi bakır kaybı değiĢken
kayıplardandır.
b. ġönt sargı bakır kayıpları: ġönt sargı bakır kayıpları, Ģönt ve kompunt makinelerde
mevcuttur. ġönt sargı direnci
ve Ģönt sargılarından geçen akım
olduğuna göre, Ģönt sargı bakır kaybı;
(uyarma akımı)
olur. ġönt sargı akımı hemen hemen
sabit olduğundan bu kayıp sabit kayıplardandır.
c. Seri sargı bakır kayıpları: Seri sargı bakır kayıpları, seri ve kompunt makinelerde
mevcuttur. Seri sargı direnci
bakır kaybı
ve bu sargıdan geçen akım
olduğuna göre seri sargı
olur. Seri sargıdan geçen akım yükle değiĢtiğinden, seri sargı bakır
kaybı değiĢken kayıplardandır.
d. Yardımcı kutup ve kompanzasyon sargısı bakır kayıpları: Doğru akım makinelerinde
yardımcı kutup (komütasyon kutbu) sargısı ve kompanzasyon sargısından geçen akım,
71
endüvi akımıdır. ġu halde bu kayıplar da yük akımı ile değiĢtiğinden değiĢken
kayıplardır. Yardımcı kutup sargısı direnci
olduğuna göre bu kayıplar
, kompanzasyon sargı direnci
Ģeklinde ifade edilir.
ve
2.5.3.1.ii Fırça Kayıpları
Fırça gerilim düĢümü kaybı makinenin fırçalarının temas potansiyelinin arasındaki güç
kaybıdır.
, fırça kaybı;
fırçadaki gerilim düĢümü;
endüvi akımı olmak üzere bu güç
kaybının değeri aĢağıdaki denklem ile verilir.
(2.5.46)
Fırça kayıpları da endüvi akımının sebebiyet verdiği kayıplardan olduğu için bakır
kaybı olarak sayılabilir.
2.5.3.1.iii Demir Kayıpları
Endüvinin uyarma alanı içindeki hareketi nedeniyle makinenin hareket eden kısımlarında
ve uçlarında kayıplar meydana gelir. Bu kayıplara demir kayıpları denir. Demir kayıpları,
histerizis ve fukolt (foucoult) kayıpları olmak üzere ikiye ayrılırlar.
a. Histerizis kayıpları: Histerizis kayıpları, manyetik alan içinde hareket eden endüvinin
demir kısmında meydana gelir. Endüvinin hareketinde demir molekülleri, ana alana
göre daima hareket halindedirler. Bu hareket kendisini ısı Ģeklinde belirtir. Bu kayba
histerizis kayıpları denir ve
ile gösterilir. Doğru akım makinelerinde histerizis
kaybını azaltmak için endüvi sacları silis alaĢımlı yapılır.
b. Fukolt kayıpları: Endüvinin hareketinde demir kısımlar üzerinde bir e.m.k meydana
indüklenir. Ġndüklenen bu e.m.k, endüvi demir gövdesi üzerinde dolaĢan akımları
meydana getirir. Bu akımlar demir kısımları ısıtır ve bu yaĢanan ısı kaybına fukolt
kaybı denir,
ile gösterilir. Bu kayıpları azaltmak için endüvi, birer tarafı yalıtılmıĢ
ince saclardan yapılır ve böylece dolaĢan akımların değeri azaltılır. Dolayısıyla fukolt
kayıpları en aza indirilmiĢ olur.
Demir kayıpları, sabit kayıplar olarak kabul edilirse de yükle bir miktar değiĢim
gösterirler. Endüvi reaksiyonundan dolayı kutup uçlarında meydana gelen yığılma, endüvi
diĢlerindeki demir kayıplarını arttırır. Ayrıca endüvi alanı, kutupların altında demir kayıpları
72
meydana getirir. Bunlar demir kayıplarının yükle bir miktar değiĢmesine neden olur. Tüm
demir kayıpları
ile gösterilirse Ģu eĢitlik kolaylıkla yazılabilir.
(2.5.47)
2.5.3.1.iv Mekanik Kayıplar
Bir doğru akım makinesindeki mekanik kayıplar, mekanik etkiler ile iliĢkili kayıplardır.
Doğru akım makinelerinde meydana gelen sürtünme ve vantilasyondan dolayı bir enerji kaybı
olur. Bu kayıp; fırça, yatak ve endüvinin dönerken hava ile sürtünmesi ve makineyi soğutmak
için kullanılan vantilatörün meydana getirdiği kayıpların tümüdür. Mekanik kayıplar da sabit
kayıplardandır.
Fırçalarda meydana gelen kayıplar; fırça cinsine, kollektör yüzeyinin temizliğine, fırça
basıncına, fırçanın kollektöre olan temas yüzeyine ve kollektörün çevre hızına bağlıdır.
Makinenin yataklarında meydana gelen sürtünme kayıpları; yatağın, bilezikli metal
yatak veya vilyeli yatak olmasına göre değiĢir. Bilezikli yataklarda sürtünme kayıpları, bilyeli
yataklara göre daha fazladır. Rüzgar ve sürtünme kayıpları
ile gösterilir.
2.5.3.1.v Dağılma Kayıpları
Stray kayıpları önceki kategorilerin her birinde yer alamayan kayıplardır. Ne kadar
dikkatli bir Ģekilde bu kayıpların hesaba katılacağı önemli değildir. Bazıları yukarıdaki
kategorilerin birine dahildir. Tüm bu tür kayıplar stray kayıplarında toparlanır. Teoride adı
geçtiği için burada kendisine yer verilmiĢtir.
2.5.3.2 Doğru akım motorlarında güç akış diyagramı
Doğru akım motorları için güç akıĢ diyagramı ġekil 2.5.21‟de verilmiĢtir.
73
ġekil 2.5.21 - Doğru akım motorları için güç akıĢ diyagramı
2.5.4 Doğru Akım Motorlarında Hız Kontrol Yöntemleri
Doğru akım motorlarında hız kontrol yöntemleri Ģu Ģekilde sıralanabilirler.
 Endüvi devresine kademeli direnç ilave ederek
 Alan akımı değiĢtirilerek
 DeğiĢken gerilim uygulanarak (Ward-Leonard sistemi)
 Yarı iletkenler kullanılarak
 Darbe GeniĢlik Modülasyonu (PWM) kullanılarak yapılan kontrol
Endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan elektrik motorları yapı olarak
birbirlerine göre farklılıklar gösterirler. Bu motorlarının ortak yanı; elektrik enerjisini
mekanik enerjiye dönüĢtürmeleridir. Ġhtiyacın da farklılıklar göstermesi, farklı tip motorların
farklı Ģekillerde kontrol edilmesini gerektirmektedir. DC motorlar kolay kontrol edilmeleri ve
yüksek performansları nedeniyle endüstriyel uygulamalarda önemli bir yer edinmiĢtir.
Konum ve hız kontrolü için her elektrik motoru uygun olmayabilir. Bu durumda kontrol
edilmek istenilen büyüklüğe uygun bir motor seçimi yapılmalıdır. Konum kontrolü yapılması
gereken uygulamalarda genellikle adım motoru yada servomotor kullanılır. Adım motorları
daha çok küçük güçlü sistemlerde ve düĢük moment gerektiren kontrollerde tercih edilir.
Bunun yanında büyük güç, yüksek moment ve hızlı tepki gerektiren sistemlerde ise daha
çok servomotorlar kullanılır. Ayrıca motorun kalkıĢ ve duruĢ anında, motorun kontrolünü
74
daha yumuĢak bir Ģekilde yapmak kolaydır. Böylelikle motorun kalkıĢ ve duruĢ sırasında,
mile bağlı yükün ve ürünün zarar görmesi önlenebileceği gibi aynı zamanda motorun kalkıĢ
anında yüksek akım çekmesi de önlenmiĢ olur. Motor hızının değiĢtirilmesi, motora
uygulanan gerilimin ayarlanması ile yapılır. Motora uygulanan gerilimin ayarlanmasında daha
çok yarıiletken elemanlar kullanılır. Bu yarıiletken elemanların kontrolü ise mikroiĢlemci,
mikro denetleyici gibi donanım elemanları ve yazılım aracılığı ile yapılır.
Bir doğru akım ayarlayıcısına değiĢik yöntemlerle kumanda ederek akım ayarlanabilir; Bu
yöntemlerden birkaçı, darbe geniĢlik modülasyonu (PWM), darbe periyodu modülasyonu
(PFM) dir. PWM ile PFM arasında ki fark; PWM‟ de periyot (frekans) sabit tutularak
darbenin geniĢliği ayarlanmakta iken PFM‟ de ise darbe geniĢliği sabit tutulup periyot
değiĢtirilmektedir. Bu çalıĢmada darbe geniĢlik modülasyonu yöntemi kullanılmıĢtır. Çünkü
değiĢken frekanslı sistemlerde filtre etme güçlükleri söz konusudur.
Kolay kontrol edilebilme ve yüksek performans gibi üstünlüklere sahip olan DC
motorlarının hızları geniĢ sınırlar içerisinde ayarlanabilmektedir. DC motorları endüstride
hızlı taĢımacılık, elektrik trenleri, elektrikli taĢıtlar, elektrikli vinçler, yazıcı, disket sürücü,
kağıt endüstrisi gibi yerlerde ayarlanabilir hız ve hassas konumlandırma uygulamalarında
kullanılırlar. Son yıllarda teknolojik geliĢmelerle birlikte ev aletleri uygulamalarında, düĢük
güçlü ve düĢük maliyet istenen ayarlanabilir hız gereken yerlerde yaygın bir kullanım alanı
bulmuĢtur.
Bir çok uygulamada DC motor devir sayısının geniĢ sınırlar içerisinde ayarlanması
gerekir. Motor devir sayısının ayarlanabilmesi için DC motor sürücüleri kullanılır. DC motor
hız kontrolü analog ve sayısal olmak üzere iki tipte yapılabilmektedir. GeçmiĢte endüstriyel
uygulamalar için hız ayarı yarı iletken kontrollü ayarlı gerilim kaynaklı analog DC motor
sürücüleri ile yapılırken, güç elektroniğindeki geliĢmeler sonucunda analog kontrol yerini
sayısal hız kontrol sistemlerine bırakmıĢtır.
2.5.4.1 Endüvi Devresine Kademeli Direnç Ekleyerek Yapılan Hız Kontrolü
Bu ayar metodunda prensip, uygulanan gerilim ve alan sabit kalmak Ģartı ile motorun
endüvi devresine kademeli direnç ilave etmektir. Bu uygulamada kullanılan seri dirençler
sürekli olarak kullanımda kalırlarsa dirençler üzerinde önemli ölçüde güç kaybı meydana
gelecektir. Bu nedenle endüvi direncinin değiĢtirilmesi, sürekli hız değiĢimi gerektiren
75
yerlerde tercih edilmez. Bu Ģartlar altında doğru akım Ģönt ve seri motorlar için elde edilen
karakteristikler ve çalıĢma noktaları ġekil 2.5.22 ve ġekil 2.5.23‟de verilmiĢtir.
ġekil 2.5.22 - DC Ģönt motorun endüvi devresine direnç
ilave edilerek elde edilen ayar karakteristikleri
ġekil 2.5.23 - DC seri motorun endüvi devresine direnç
ilave edilerek elde edilen ayar karakteristikleri
Bu ayar metodunun baĢlıca özellikleri aĢağıdaki gibi sıralanabilir.
 Motorun devir sayısı ayarı ancak dar bir alanda gerçekleĢtirilebilir.
 Ayar sürekli olmayıp, kademelidir.
 Hız azaldıkça karakteristiklerin eğimi arttığından, yükteki değiĢimlerde, hızdaki
değiĢim artmaktadır.
 Hız, ilave edilen dirençlere bağlı olarak değiĢtiğinden, herhangi bir ayar cihazına gerek
yoktur.
 Hız ayarı tek yönlü olup, motorun hızı sadece nominal devir sayısının altındaki
hızlarda ayarlanır.
 Ayar dirençlerinden hat akımının yaklaĢık tamamı geçtiğinden, ayar kayıpları son
derece yüksektir.
2.5.4.2 Alan Akımı Değiştirilerek Yapılan Hız Kontrolü
Motora uygulanan gerilim ve endüvi devresi direnci sabit kalmak Ģartı ile
olacak Ģekilde alan akımı değiĢtirilirse (zayıflatılırsa) elde edilen
karakteristikler daha önce ġekil 2.5.6‟da verilmiĢti. Doğru akım Ģönt motorda alan akımı
değiĢtirilirse motorun boĢtaki devir sayısı yükselir ve karakteristiğinin eğimi artar. Ancak elde
edilen karakteristikler yaklaĢık birbirine paralel olarak kabul edilebilir. Bu metodda, motorun
76
devir sayısı, nominal devir sayısının üzerindeki devir sayılarında ayarlanabilir. Ġdeal bir devir
sayısı yöntemi olup, ayar kayıpları son derece düĢüktür.
2.5.4.3 Değişken Gerilim Uygulanarak Yapılan Hız Kontrolü
Bu ayar metodunda prensip, endüvi devresi direnci sabit kalmak ve alan sargısı
bağımsız bir doğru akım kaynağından beslenmek Ģartıyla, motorun endüvisine değiĢken
gerilim uygulamaktır. Motorun endüvi devresine
olacak Ģekilde
değiĢken gerilim uygulanarak yapılır.
Bu tip hız ayarı doğru akım motorları için ideal bir hız kontrol yöntemi olup, tahrik
sistemlerinde geniĢ ölçüde kullanılmaktadır. Hız ayarının baĢlıca özellikleri ise aĢağıdaki gibi
sıralanabilir.
 Devir sayısı ayar alanı son derece geniĢtir
 Stabilite Ģartları değiĢmez. Karakteristiklerin eğimleri eĢit olduğundan, yükteki
değiĢimlerde devir sayısındaki artıĢ aynı kalır.
 Ayar sürekli olup, kademeli gerilim uygulanması durumunda ise kademeli devir sayısı
elde edilir.
 Ayar iki yönlü olup, motorun devri nominal devrin altında ve üstünde ayarlanabilir.
 Ayar ekonomisi son derece iyidir.
 Tek sakıncası değiĢken gerilimli doğru akım kaynağına ihtiyaç göstermesidir.
Doğru akım motorlarına değiĢken gerilimli doğru akım kaynağı sağlamak amacıyla
dinamik ve statik sistemler kullanılmaktadır. Dinamik sistemlerde, değiĢken gerilim elde
etmek için aralarında mekanik ve/veya elektriksel bağlantı olan motor ve generatör
gruplarından yararlanılır. Dinamik sistemlerin en önemli ve ilk uygulaması Ward-Leonard
tahrik sistemidir. Bu nedenle, bu hız kontrol çeĢidinde yüzeysel bir inceleme yapmak uygun
olacaktır.
2.5.4.3.i Ward-Leonard Sistemi İle Hız Kontrolü
Serbest uyarmalı doğru akım kaynağı ile ayarlanan endüvi gerilimi ve bu gerilimle
beslenen motor-jeneratör grubu Ward-Leonard sistemi olarak adlandırılır. DC motor hızının
geniĢ sınırlar arasında ayarlanmasını ve her iki yöne doğru dönmesini sağlamak için WardLeonard sistemi kullanılır. Ayarlanabilir endüvi gerilimi ya bir transformatör doğrultmaç
77
grubu yardımı ile alternatif gerilim kaynağından veya serbest uyarmalı bir doğru akım
kaynağından sağlanır.
ġekil 2.5.24 - Ward-Leonard DC motor hız kontrol devresi
ġekil 2.5.24 de Ward-Leonard kontrol devresi gösterilmektedir. Sistemin çalıĢması
asenkron motorla uyartılan serbest uyartımlı bir doğru akım jeneratörünün leonard motoruna
doğru akım üretmesiyle gerçekleĢir. Bir çok sistemde Leonard jeneratörü uyartım akımını bir
amplidin jeneratör veya bir yarı iletken doğrultucu üzerinden sağlar. Ward-Leonard hız
kontrol sisteminin en önemli özellikleri sabit fark ve güç sağlamasıdır. ġekil 2.5.25 de WardLeonard sistemiyle elde edilen sabit güç ve tork iliĢkisi görülmektedir.
ġekil 2.5.25 - Ward-Leonard sistemiyle elde edilen sabit güç ve tork eğrisi
78
Ward-Leonard sisteminin özellikleri ise Ģöyle yazılabilir.
 GeniĢ bir alan içinde sıhhatli ve seri devir sayısı ayar imkanı sağlar. Motorun alan
akımı da değiĢtirilerek ayar alanı iki yönde komütasyon sınırına kadar geniĢletilebilir.
 DönüĢ yönü kolayca değiĢtirilebilir. Çift yönlü olan reostası yardımıyla generatörün
ikaz akımının yönü değiĢtirilirse, motora uygulanan gerilimin polaritesi değiĢir ve
motorun dönüĢ yönü değiĢir.
 Çok geniĢ bir alanda faydalı fren olarak çalıĢabilir.
 Yol verme kayıpları son derece azaltılmıĢtır. Ayar için sadece generatörün alan
akımını ayarlamak ve yönünü değiĢtirmek yeterlidir.
 Son derece duyarlı bir hız ayar sistemidir. Normal generatör yerine özel yapıda ayar
generatörü kullanılarak sistemin cevap verme süresi kısaltılabilir.
Sakıncaları ise Ģunlardır.
 Sistemin kuruluĢ ve iĢletme masrafları yüksektir.
 Sistemin mekanik verimi düĢüktür. Sistemin içinde enerji üç defa Ģekil değiĢtirdiği
için, her makinede enerjinin bir kısmı kaybolur. Sistemin toplam verimi Ģu Ģekilde
yazılabilir.
(2.5.48)
Ward-Leonard sisteminin uygulama alanları ise Ģu Ģekilde sıralanabilir.
 Geri dönüĢlü çelik hadde tesisleri ve kağıt haddeleri
 Yüksek binalarda kullanılan asansörler, maden kuyusu asansörleri
 Sac ve profil kesme makineleri ile preslser
 Hassas torna tezgahları ve frezeler
79
2.5.4.4 Yarı iletkenler ile Hız kontrolü
Güçlü silikon diyotlar ve tristörlerin geliĢtirilmesi, alternatif akımın doğrultularak DC
motor kontrol devreleri için yeni bir kontrol metodu ortaya çıkarmıĢtır. Bu metod motor
jeneratör sistemlerinden daha güvenilir ve verimli bir metottur. Yarı iletkenler motorların
uyartım ve endüvi devresi elektriki zaman gecikmesini azaltır ve tepki hızlarının artmasını
sağlar. Yarı iletkenlerle kontrol devreleri üç grupta toplanır.
 Bir fazlı kontrol
 Üç fazlı kontrol
 Kıyıcı (Chopper) sürücüler
2.5.4.4.iBir fazlı sürücülerle kontrol
DC motorun endüvi devresindeki giriĢ gerilimi, tristör ya da diyot kullanılarak tek
fazlı bir alternatif geriliminden elde edilmektedir. Motor uçlarındaki gerilim, tristörün
tetikleme açısı değiĢtirilerek ayarlanır. Uygulanan gerilimin yarısı kullanılarak motor
beslendiğinden verim oldukça düĢüktür.
ġekil 2.5.26 - Bir fazlı DC konvertörlü sürücü
ġekil 2.5.26‟da gösterilen bir fazlı yarım dalga sürücü kullanılarak bir DC motor kontrol
edildiğinde, endüvi geriliminin değeri,
tetikleme açısı
ile
arasında değiĢtirilmek
suretiyle;
(2.5.49)
olarak hesaplanır. Burada
, AC kaynak geriliminin maksimum değeridir. Kontrol iĢlemini
tam dalga olarakta gerçekleĢtirmek mümkündür.
80
2.5.4.4.ii Üç Fazlı Sürücülerle Kontrol
Yüksek güçlü motorlarda üç fazlı sürücüler kullanılır. Bu tür sürücülerde endüvi
devresi gerilimindeki dalgalanmaların frekansı tek fazlı sürücülere göre daha yüksektir
bu nedenle bu sürücü modelinde süzgeçleme kullanılır. Üç fazlı tam dalga yarım kontrollü
sürücü ġekil 2.5.27‟de görülmektedir.
ġekil 2.5.27 - Üç fazlı yarım dalga konverterli sürücü devresi
DC motorun endüvi gerilimi ise;
(2.5.49)
olarak bulunur. Bu tür sürücülerde tetikleme açısı 90 nin üstünde olduğunda kosinüsün
eĢitliğe etkisi ele alındığında motorun jenaratör olarak çalıĢacağı görülmektedir. Bu sürücü
türünde de yarım dalganın yanı sıra tam dalga konvertör de kullanılabilmektedir.
2.5.4.4.iii Kıyıcı (Chopper) sürücüler
Endüvi gerilimini değiĢtirmek için bir DC kıyıcı, sabit gerilimli bir DC kaynak ile DC
motorun arasına bağlanır. Kıyıcılar motor endüvi devresi ile güç kaynağı arasındaki
bağlantıda devre kesici yardımıyla saniyede yüzlerce kez açılıp kapanma esasına göre
çalıĢırlar. Kıyıcı tipi sürücülerde verim oldukça yüksek olup, hızın kontrolü sürekli olarak
değiĢtirilebilir ve motor gerekli durumlarda bir jeneratör olarak frenlenebilir.
81
ġekil 2.5.28 - Kıyıcı devresi ile hız kontrol devresi ve gerilim-zaman eğrisi
ġekil 2.5.28‟de görülen kıyıcı devre ile hız kontrol devresi, endüstriyel tahrik sistemlerinde,
troley, elektrik ile çalıĢan trenlerde tercih edilen sistemdir. Kıyıcı devresindeki tristör, kesici
görevi yapar ve endüvi devresi gerilimini saniyede yüzlerce kez açıp kapatır. ġekil 2.5.28‟de
kıyıcı devrenin gerilim zaman iliĢkisi görülmektedir. Endüvi devresinin iletim süresi , kesim
süresi
istenildiği gibi azaltılıp çoğaltılarak motora uygulanan gerilimin
etkin değeri ve
dolayısıyla motor dönüĢ yönü ve hızı istenildiği gibi ayarlanılabilir. Bu durumda yük
uçlarında oluĢan gerilim Ģu Ģekilde hesaplanır.
(2.5.50)
82
2.5.4.5 Darbe Genişlik Modülasyonu İle Hız Kontrolü
DC motorun hızını, sabit bir frekansa sahip PWM geriliminin görev saykılını
değiĢtirerek ayarlamak mümkündür.
ġekil 2.5.29 - DeğiĢken görev saykılına sahip PWM sinyal
ġekil 2.5.29‟da gösterilen PWM sinyali için görev saykılı Ģu Ģekildedir.
(2.5.51)
Görev saykılının sıfır olması durumunda motorun hızı da sıfır olur. Görev saykılının 1
olması durumunda ise maksimum gerilim sabit olarak uygulanmıĢ olur ve böylece motor
maksimum hıza ulaĢır. Görev saykılı istenen düzeyde ayarlanarak hız kontrolü yapılmıĢ olur.
Uygulanacak PWM sinyalinin frekansı; kullanılan doğru akım motorunun özelliklerine
ve duyma eĢik frekansı göz önüne alınarak seçilmelidir. GeçmiĢ yıllarda bu değerler için en
uygun aralık 400-1000 Hz aralığı olarak ifade edilirken doğru akım motor sürücü devrelerinin
geliĢmesiyle bu sınırın üst aralığı 100 KHz sınırına ulaĢmıĢtır.
Doğru akım motorunda hız kontrolünün yanı sıra devir sayısı ayarı kontrolü de
yapılabilmektedir. Ayrıca hız kontrol uygulamaları yapılırken sıklıkla baĢvurulan doğru akım
sürücü devreleri de mevcuttur.
83
KAYNAKLAR
Chapman, J. S. ,Electric Machinery Fundamentals, 4. Baskı, Mc Graw Hill, 2005
Mergen, F. Zorlu S., Elektrik Makineleri II Asenkron Makineler, Birsen Yayınevi,ĠTÜ,2005
Fitzgerald, A. E., Electric Machinery, 6. Baskı, Mc Graw Hill,2003
Mergen, F. Zorlu S., Elektrik Makineleri III Senkron Makineler, Birsen Yayınevi,ĠTÜ,2005
SCHUISKY W., ÇETIN Ġ., Elektrik Motörleri 1. Kısım, Fatih Yayınevi Matbaası, Ġstanbul
1987.
Sen, P. C., Principles of Electrical Machines and Power Electronics, John Wiley and Sons
Press, New York, 1997
KocabaĢ, A. , Deney Föyleri, ĠTÜ, 2010.
Turan, M., Elektrik Makinaları Ders Notları, SAU,2008.
Binder, A., EMD Ders Notları, TU Darmstadt 2006.
Bodur H., Elektrik Makinelerinin Endüstriyel Uygulamaları Ders Notları, YTÜ, 2005
Bekiroğlu N., Elektrik Makineleri I Ders Notları, YTÜ, 2006
ġenol Ġ., Elektrik Makineleri II Ders Notları, YTÜ, 2005
ġenol Ġ., Bekiroğlu N., Aybar O., Elektrik Makineleri 1, Birsen Yayınevi, 2005
Bekiroğlu N, ġenol Ġ., Aybar O., Zorlu S., Aydeniz M., Önel Ġ., Ayçiçek E., Özçıra S.,
Elektrik Makineleri Deneyleri, Birsen Yayınevi, 2006
Güzelbeyoğlu N., Elektrik Makineleri I-II, Birsen Yayınevi, 2005
Büyükdeğirmenci, V. T., DC Motor Hız Kontrol Yöntemleri, Elektrik Mühendisliği Bitirme
ÇalıĢması, ĠTÜ, 2008
84