SICAKLIĞIN CER MOTORLARINDAKİ STATOR SARGI

SICAKLIĞIN CER MOTORLARINDAKİ STATOR SARGI DİRENCİNİDEKİ
KAYIPLARA ETKİSİ
Mine Sertsöz, Mehmet Fidan
ÖZET
Türkiye’de elektrik yükü kullanımının yaklaşık %40’ı asenkron motorlar tarafından
yapılmaktadır. Hatta endüstri kuruluşlarının kullandığı yük durumuna bakıldığında bu oran
%80’lere kadar çıkmaktadır. Bu durumda asenkron motorların verimlerinde yapılacak
iyileştirmeler enerji verimliliğine büyük katkı sağlayacağı açıkça görülmektedir.
Asenkron motorlarda da diğer elektrik makinalarında olduğu gibi demir, bakır ve sürtünme vantilasyon kayıpları mevcuttur. Bu çalışmada Marmaray’da kullanılan, tipi Sincap Kafesli
Asenkron Motor olan Cer Motoru kullanılmış ve boşta çalışmada kayıp değeri 5.3 kW olarak
ölçülmüştür. Bu deneyde rotorun demir ve bakır kayıpları ihmal edilebilecek kadar küçüktür.
Normal şebeke gerilimi altında boşta çalışan asenkron motorun stator sargılarından geçen
akımlar bu sargılarda bakır kayıplarına sebep olur.
Bir diğer testte ise stator sargı direnci 28º C'de ölçülmüş ve diğer değerler formülize edilerek
hesaplanmıştır. Sonuçlarda her 25º C artışta direnç değerinin yaklaşık 1.09-1.07 kat arttığı
görülmüştür. Bu çalışma, enerji kaybını azaltmak için stator sargı direnç sıcaklığının önemini
göstermektedir.
ABSTRACT
Approximately 40% of the electric charge is carried out by induction motors used in Turkey.
Even when we look at the loads used by industry organizations this rate rises to 80 %. In this
case the improvements making in the efficiency of an induction motor is evident that
contribute to greater energy efficiency.
In asynchronous motors as well as in other electrical machine, there are iron, copper, friction
and ventilation losses. In this study, traction engine which is squirrel cage induction motor in
Marmaray is used. Lost value is measured as 5.3 kW in no-load in the test. This value
indicates that copper losses caused by stator winding resistance if rotor’s iron and copper
losses are omitted because of value is less.
In another test the stator winding resistance measured at 25º C and the other values are
calculated in closed form. Results demonstrated that resistance value increases approximately
1.09-1.07 times at each 25º C increase. This study aims to demonstrate the importance of the
stator winding resistance in order to reduce the loss of temperature for to reduce the energy
losses.
1. ASENKRON MOTORLAR
Şekil 1. Asenkron Motor Görünüşü
Endüstride ve sanayi kuruluşlarında kullanılmakta olan en sağlam, en az arıza veren ve en
ucuz olan motorlar asenkron motorlardır. Asenkron motorlara (ASM) indüksiyon motorları
adı da verilmektedir. Senkron motorlardan farkı sabit hızda dönmemeleridir ve bu hız senkron
hızdan daha azdır. ASM’ler bir, iki, üç ve çok fazlı olarak imal edilirler. ASM’ler mesken
veya sanayi kuruluşlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
3 fazlı, 2 kutuplu bir asenkron motora şebeke gerilimi uygulandığında, statordaki sargılardan
geçen alternatif akımlar, 3 fazlı döner alanları meydana getirirler. Stator sabit olduğu halde,
döner alanlar ortada bulunan kısa devreli rotorun çubuklarını kestiğinden, rotorun
çubuklarından endüksiyon akımlarının geçmesine neden olurlar.
Bu endüksiyon akımları rotorun kutup alanlarını meydana getirirler. Döner stator kutup
alanları rotorun kutuplarını etkileyerek (benzer kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar birbirini
çeker prensibinden hareket ile) N kutbunun altındaki rotor çubukları bir yöne, S kutbunun
altındaki rotor çubukları diğer yöne doğru iterler. Bu itme kuvvetlerinin meydana getirdiği
döndürme momenti rotorun döner alan yönünde dönmesini sağlar.
Rotorun devir sayısı arttıkça, döner alanın rotor çubuklarını kesmesi azalacağından, rotor
çubuklarında endüklenen emk’ler ve kısa devre çubuklarından geçen endüksiyon akımları
azalır. Dolayısıyla, rotoru döndüren moment azalır. Böylece rotorun devir sayısında artış
olmaz. Motor boşta çalışırken rotorun devir sayısı senkron devir sayısına (döner alanın
devrine) yaklaşır ama hiçbir zaman eşit olamaz.
Çünkü bu iki devir sayısı eşit olursa, stator döner alanı rotor çubuklarını kesmez. Bu da
rotorda döndürme momentini oluşturan endüksiyon akımının geçmemesine neden olur.
Böylece rotorun kutup alanları oluşmaz ve rotor dönmez. Bu yüzden motorun momentini
belirlemede etkili olan kayma kavramı ortaya çıkmıştır. Döner alanın devir sayısı ile rotor
devir sayısı arasındaki farka “Rotorun Kayması” denilmektedir. Diğer bir ifade ile, rotor
devrinin senkron devirden geri kalmasına “Kayma” denilmektedir. Kayma
𝑛𝑠 − 𝑛𝑟
. 100
𝑛𝑠
𝑛𝑟 = (1 − 𝑠)𝑛𝑠
%𝑠 =
Şeklinde ifade edilmektir. Burada:
s=Kayma,
ns=Senkron hız [d/d]
nr=Rotor hızı [d/d]
2. ASENKRON MOTORLARDA KAYIPLAR
Genel olarak, bütün elektrik makinelerinde olduğu gibi, asenkron makinelerde de çeşitli
kayıplar meydana gelir. Bunlar:
•
•
•
Demir kayıpları
Bakır kayıpları
Rüzgâr ve sürtünme kayıpları
2.1. Demir Kayıpları
Demir kayıpları; stator ve rotor saçlarında meydana gelen histerezis ve fuko kayıplarıdır. Bu
kayıplar, frekans ve manyetik endüksiyon ile oranlıdır. Stator demir kayıpları, stator frekansı
sabit olduğuna göre değişmemektedir. Yalnız rotor demir kayıpları, rotor frekansı ile değişir.
Ancak boş ve yüklü çalışmada, rotor frekansı çok küçüktür. Bu sebeple rotor demir kayıpları
çok küçük olur ve ihmal edilebilir. O halde, bir asenkron motorun demir kayıpları, stator
demir kayıplarına eşittir denebilir. Stator frekansı sabit olduğundan, demir kayıpları da bütün
yükler için sabittir.
2.2. Bakır Kayıpları
Asenkron motorlarda, stator ve rotor omik dirençlerinden dolayı değerinde bakır kayıpları
meydana gelir. Bakır kayıpları; sargı dirençleri sabit olduğuna göre, yük akımları ‘nin karesi
ile değişir. Şu halde bu kayıplar yükle değişen kayıplardır. Rotor ve stator bakır kayıplarını
bulabilmek için; akım ve dirençlerin bilinmesi gerekir. Genel olarak bakır kayıpları, motorun
kısa devre deneyinden tüm olarak hesaplanır.
2.3. Rüzgâr ve Sürtünme Kayıpları
Asenkron motorlarda sürtünme ve rüzgâr kayıpları devir sayısı ile biraz değişirse de bu
değişim çok az olduğu için sabit kabul edilebilir. Sürtünme ve rüzgâr kayıpları; boş çalışma
deneyinde, demir kayıpları ile birlikte bulunur. Demir kayıpları ile rüzgâr ve sürtünme
kayıplarına sabit kayıplar denir.
3. KAYIPLARIN BULUNMASINDA YAPILAN DENEYLER
Üç fazlı asenkron motorun kayıplarının bulunmasında en iyi bilinen yöntem boşta çalışma ve
kısa devre deneyleri kullanılarak hesaplanmasıdır. Bu metot ile hesaplanan parametreler
sabittir[1].
3.1. Boşta çalışma deneyi:
Normal frekanslı, şebeke gerilimi altında çalışan asenkron motorun şebekeden çektiği güç,
stator demir kayıpları ile sürtünme ve rüzgâr kayıplarının toplamını verir. Boşta çalışan
motorun devir sayısı döner alanın devrine yakın (kayma çok küçük) olduğundan, rotorun
demir ve bakır kayıpları oldukça küçüktür. Normal şebeke gerilimi altında boşta çalışan
asenkron motorun stator sargılarından geçen akımlar bu sargılarda (Io2R1) watt bakır
kayıplarına neden olur. Bu kayıplar bulunduktan sonra motorun şebekeden çektiği güçten
çıkarılırsa, geriye kalan güç stator demir kayıpları ile sürtünme ve rüzgâr kayıplarının
toplamını verir. Şekil 2’de Asenkron motorun boşta çalışma deneyi bağlantı şeması
gösterilmiştir.
Şekil 2. Asenkron motorun boşta çalışma deneyi bağlantı şeması
3.2. Kısa devre çalışma deneyi:
Asenkron motorun kısa devre deneyi, transformatörün kısa devre deneyine benzer. Çünkü
rotoru kilitli bir asenkron motor sekonderi kısa devre edilmiş bir transformatör gibidir.(s=1)
Şekil 2’deki gibi bir motor bağlantısı yapılır. Oto transformatör ile motora uygulanan gerilim
sıfırdan başlanarak kademe kademe artırılır. Motorun çektiği akım, motorun etiketinde
yazılan normal akım değerine ulaşıncaya kadar geriliminim artırılmasına devam edilir.
Motorun normal akımına eşit kısa devre akımının geçmesine sebep olan Uk kısa devre
gerilim, normal gerilimin %20-%35 i civarındadır. Bu arada motorun çektiği güç Pk, kısa
devre gücü bakır kayıplarını verir. Kilitli rotorda sürtünme ve rüzgâr kayıpları, rotor
dönmediği için sıfırdır. Motora uygulanan gerilimin düşük olması ve rotor manyetik alanın
hava aralığındaki manyetik akıyı zayıflatması gibi sebeplerden dolayı motordaki demir
kayıpları ihmal edilebilir.
Şekil 3’de Asenkron motorun kısa devre çalışma deneyi bağlantı şeması gösterilmiştir.
Şekil 3. Asenkron motorun kısa devre çalışma deneyi bağlantı şeması
Bu çalışmada Boşta çalışma deneyinden faydalanılacaktır.
4. LİTERATÜR İNCELEMESİ
Fernandez ve diğ., asimetrik güç kaynağı ile beslenen üç fazlı sincap kafesli asenkron
motorun ısıl performansını incelemişlerdir [2]. Lee ve diğ., gerilim kaynaklı girdap akım
problemlerini çözerek dağıtılmış ısı kaynaklarını hesaplamışlardır. Sonlu elemanlar
yönteminde ısı kaynakları ve sıcaklık dağılımının iyi sonuçlar verdiğini göstermişlerdir [3].
Bastos ve diğ., asenkron makinayı ısıl olarak değerlendirmek yerine, geçici durumları da
hesaba katabilmek amacıyla, elektriksel ve ısıl olguyu birleştirmeyi amaçlamışlardır. Bu
sayede, ısıl inceleme için hava aralığını da hesaba katan yeni bir yaklaşım oluşturmuşlardır
[4]. Huai ve diğ., asenkron motorlarda kayıpların hesabı ve ısıl olgunun tanımlanması için
deneysel olarak bir model geliştirmişler ve güncellemişlerdir. Oluşturdukları modeli sıcaklık
artışının tahmini için TEFC asenkron motora uygulamışlardır [5]. Asenkron makina
modelinde, enerji dengesi ve noktalar arası iletim ve taşınım ısı aktarımını temsil eden uygun
nokta etkileşim ifadeleri, aynı zamanda her bir nokta için ısı kapasite ifadeleri geliştirmişlerdir
[6]. Bottauscio ve diğ., farklı teorik demir kayıpları hesap yöntemlerini, eş-zamanlı sonlu
elemanlar hesaplarını ve malzeme modellerini karşılaştıran bir çözümleme yapmıştır.
Karşılaştırma modelini bir asenkron motor üzerine uygulamıştır ve sonuçları karşılaştırmıştır
[7]. Salman E., üzerinden akım geçen stator sargıları ve rotor kafes çubukları birer ısı kaynağı
olarak modellenmiştir. Yapılan benzetim sonucunda elde edilen veriler ile deneysel çalışma
sonucu elde edilen sıcaklık verileri karşılaştırıldığı zaman stator sargı sıcaklığının büyük bir
doğrulukla hesaplandığı görülmektedir. [8]
5. YAPILAN DENEYLER
Tablo 1. Stator Sargı Direnci [9]
Direnç
U-V (Ω)
V-W (Ω)
W-U (Ω)
Referans
Değeri
28 ºC
150 ºC
0.1679
0.2458
0.1679
0.2458
0.1685
0.2467
GEÇTİ
0.2453Ω±10%
Güç (kW)
5.3
Açıklama
GEÇTİ
Tablo 2. Yüksüz Karakteristik Testi [9]
Gerilim (V)
1369
Frekans (hz)
66
Akım (A)
53.5
Yukarıda verilen Tablo 1’de direnç değeri 28 ºC’de ölçülerek bulunmuştur. 150 ºC’de ise
aşağıda verilen formül ile bulunmuştur:
Rson =
234.5+Tson
234.5+Tilk
Rilk
(1)
Bu formül kullanılarak:
Direnç
28 ºC
53 ºC
78 ºC
103 ºC
128 ºC
153 ºC
U-V (Ω)
0.1679
0.1838
0.1998
0.2158
0.2318
0.2478
V-W (Ω)
0.1679
0.1838
0.1998
0.2158
0.2318
0.2478
W-U (Ω)
0.1685
0.1845
0.2005
0.2166
0.2326
0.2487
6. SONUÇ
Kayıp değerlerinin artan direnç değeri ile doğrusal olarak arttığı düşünülürse kayıp güç
değerinin de her 25ºC artışta 1.09-1.07 kat arasında artacağı aşikârdır. Bu durumda 153ºC
‘deki direnç değerinin normal şartlar olarak kabul edebileceğimiz 28ºC’deki çalışma
sıcaklığındaki direnç değerinin 1,47 kat artacağı yapılan hesaplamalar sonucunda
görülmüştür. Bu değer normal olarak engellenemez kayıp olarak kabul edilen 5.3 kW
değerine ek 2.5 kW bir kayıp demektir. Bu kayıp değeri oldukça yüksek bir değer olup bu
neredeyse bir evin elektrik ihtiyacını karşılamaktadır. Tek bir motorun tek bir sefer
çalıştırılması ile bu denli bir kayıp sanayideki tüm motorlar göz önüne alındığında devasa bir
kayba işaret etmektedir. Bu sebeple bu çalışmada yapılan gerek deneysel gerekse teorik
sonuçlar asenkron motorlardaki sıcaklığa bağlı kayıpları önlemek için önlemler alınması
gerektiğinin açık bir ispatıdır. Bu çalışma sadece stator sargılarındaki kayıpların bile
sıcaklıkla ne kadar etkilendiğini göstermek için yapılmıştır.
KAYNAKLAR
[1] Yetgin A.G., 2004 , Üç fazlı asenkron makina tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemi ile
analizi, Yüksek Lisans tezi, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 139s.
[2] Fernandez, X. M. L., Coimbra, A. P., Pinto, J. A. D., Antunes, C. L. And Donsion, M. P.,
1998, Thermal Analysis of an Induction Motor Fed by Unbalanced Power Supply Using a
Cdmbined Finite Element Symmetrical Components Formulation, IEEE, 620-624.
[3] Lee, Y., Lee, H. B. and Hahn, S. Y., 1997, Temperature Analysis of Induction Motor with
Distributed Heat Sources by Finite Element Method, IEEE.
[4] Bastos, J. P., Cabreria, M. F. R. R., Sadowski, N. and Arruda, S. R., 1997, A Thermal
Analysis of Induction Motors Using a Weak Coupled Modeling, IEEE Transactins on
Magnetics, Vol. 33, No. 2, 1714- 1717. TransactionsonMagnetics, Vol. 33, No. 2, 1718-1721.
[5] Huai, Y., Melnik, R. V. N. and Thogersen, P. B., 2003, Computational Analysis of
Temperature Rise Phenomena in Electric Induction Motors, Applied Thermal Engineering,
No. 23, 779–795.
[6] Jankovski, T. A., Prenger, F. C., Hill, D. D., O’Bryan, S. R., Sheth, K. K., Brookbank, E.
B., Hunt, D. F. A. and Orrega, Y. A., 2010, Development and Validation of a Thermal Model
for Electric Induction Motors, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1-12.
[7] Bottauscio, O., Canova, A., Chiampi, M. and Repetto, M., 2002, Iron Losses in Electrical
Machines: Influence of Different Material Models, IEEE Transactionson Magnetics, Vol. 38,
No. 2, 805-808.
[8] Salman E., Üç Fazlı Sincap Kafesli Asenkron Motorun Sıcaklık Dağılımının Çıkarılması,
Yüksek Lisans Tezi, Ocak 2011.
[9] Tülomsaş Rotem Cer Motor Test Föyü.