3 FAZLI ASENKRON MOTOR hız kontrolü

1

3 FAZLI ASENKRON MOTORUN SABIT V/F ORANLI KAPALI DÖNGÜ HIZ DENETIMI Öncelikle asenkron motorlarla ilgili genel bilgileri ve asenkron motorların çalışma prensiplerini inceleyip daha sonra makalemizde anlatılan "3 FAZLI ASENKRON MOTORUN SABIT V/F ORANLI KAPALI DÖNGÜ HIZ DENETIMI" konusuna geçeceğiz. ASENKRON MOTORLAR HAKKINDA GENEL BİLGİ Elektrik enerjisinin kural olarak üç fazlı A.C. şeklinde üretim , tasıma ve dağıtımı A.C. motorların elektrikle tahrikinde geniş ölçüde kullanılmalarının başlıca nedeni olmuştur. Elektrikle tahrik sisteminde kullanılan şönt ve seri karakterislikli pek çok çeşit A.C. motoru vardır. Özellikle yapısı basit ve ucuz , pratik olduğu için son derece kullanışlı olduğundan dolayı irili ufaklı bir çok tahrikte üç fazlı asenkron motorlar kullanılır. Üç fazlı asenkron motor üç fazlı dağıtım sisteminde dengeli endüktif bir yük teşkil eder. Asenkron motorun farklı iki yapısı vardır. 1 - ) Kısa devre rotorlu ( Sincap Kafesli ) asenkron motorlar 2 - ) Rotoru sargılı ( Bilezikli ) asenkron motorlar Bu iki tip asenkron motorun statorlarını tamamen aynı , yalnız rotorların yapı tarzları farklıdır. Normal olarak statorlarında yıldız veya üçgen olarak bağlanabilen üç fazlı bir sargı mevcuttur. Kısa devre rotorlu asenkron motorun rotorunda kısa devre halinde sincap kafesli ; bilezikli tip asenkron motorun rotorunda ise kural olarak yıldız bağlı üç fazlı diğer bir sargı bulunur. Her iki tip asenkron motorda üç fazlı stator sargısının uçları ( üç giriş ile üç çıkış ) bir bağlantı kutusuna bundan ayrı olarak sadece rotoru sargılı üç fazlı asenkron motorun yıldız bağlı olan rotor sargısının sadece üç giriş ucu bilezik ve fırça takımı üzerinden diğer bir bağlantı kutusuna taşınmıştır. Çünkü asenkron motorlarda Us = k * F1 * ø bağıntısından anlaşılacağı gibi manyetik alanın değişmesi için U / f oranın sabit olması gerekmektedir. Yani primer şebeke frekansı ile birlikte şebeke gerilimi de aynı oran dahilinde değiştirildiğinde motorun manyetik alanı ve netice olarak devrilme momenti ve yüklenilebilirlik kabiliyeti sabit kalır. Aslında düşük frekanslarda statordaki gerilim düşümünün artmasından dolayı devrilme momentinde bir miktar düşme görülür. Endüstride birçok makinesi , değişik birkaç dönme sayısı yada çoğu zaman sürekli hız ayarı yapılabilen motora ihtiyaç gösterir. Tahrik motorlarına olan bu talep tahrik makinelerine olan ihtiyacı artırmıştır. Elektrik enerjisinin üretilmesi ile birlikte elektrik makineleri önem kazanmıştır. Elektriğin kolayca taşınması , istenildiği zaman kullanılması , elektrik makinelerin verimini diğer makinelere göre yüksek olusu , elektrikle çalışan makinelerin daha fazla kullanılmasını şağlamıştır. Günümüzde endüstride en çok kullanılan hareketli elektrik makinesi asenkron motorlardır. Çalışma ilkesi bakımından bu makinelere endüksiyon makinesi de denilebilir. Ucuz olması , fırça ve kollektörün bulunmaması nedeni ile az arıza yaparak çalışmaları daha sık uygulamalarda kullanılmalarına sebep olmuştur. Alternatif akım makinelerinden olan asenkron motorların üretimleri doğru akım makinelerine göre daha ucuz ama kontrol edilmeleri daha zor ve pahalıdır. Bir asenkron makinenin devir sayısı kontrolü için ( mil momenti sabit kalmak ) şartı ile diğer asenkron makineye yada güç elektroniği elemanlarına ihtiyaç vardır. Gelişmiş birçok ayar sistemi arasında son yıllarda endüstride yaygın olarak kullanılan

2

kontrollü diyotlar ( tristörler ) asenkron motor hız ayarı alanında hiç kuşkusuz yeni bir çığır açmıştır. ASENKRON MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ Asenkron motorlar stator ve rotordan ibaret olup stator ve rotor üzerine açılan oluklara yerleştirilen sargılardan oluşur. Stator üzerine yerleştirilen sargılar ya üçgen şeklindeki sargılardan yada yıldız bağlı sargılardan oluşmaktadır. Stator sargılarından geçen akım alternatif akım olduğundan manyetik devrede periyodik olarak değişen bir alan meydana getirir. Bu alana alternatif alan denir. Bu alternatif alanı fourier serisi ile yazmak mümkündür. Alternatif alanın her bir harmoniğini iki döner alana ayırabiliriz. Bu döner alanlardan birisi saat ibresi yönünde dönüyorsa diğeri saat ibresi tersi yönünde döner ve her ikisinin de dönüş açısal hızı aynıdır. Üç fazlı asenkron motorlarda birbirinden 120 derecelik farklı olan akımlar stator sargılarından geçerek üç adet alternatif alan meydana getirecektir. Üç alternatif alanın sadece birinci harmoniğini dikkate alırsak altı adet döner alan meydana gelir. Bu altı adet döner alandan üçü saat ibresi yönünde , üçü de saat ibresinin tersi yönündedir. Bunların açısal hızları aynı olup Ws tir. Sağa doğru dönen döner üç alan çakışık olarak döndüğü taktirde sola döner alanlar arasında 120 derecelik faz farkı olduğu için bileşke değeri sıfır olur, ve motor sağa doğru dönen çakışık üç döner alanın oluşturduğu moment ile sağa doğru döner . bu açıklamadan anlaşılabileceği gibi stator sargılarından geçen akımlar Ws açısal hızı ile döner stator alanı oluşturur. Motora ilk gerilim uygulandığı anda motor duracaktır. ns hızıyla dönen stator döner alanı durmakta olan rotor iletkenini aynı hızda keser ve rotor alternatif gerilimin oluşmasını sağlar. Bu gerilim frekansı f1 olup bu değer şebeke frekansına eşittir. Motor senkron devir sayısında dönseydi bu taktirde senkron devirde dönen stator alanı rotor iletkenlerini kesmeyecekti. Son uçta rotor sargılarında alternatif gerilim meydana gelmeyecektir. Akım geçmeyince döndürme momenti de sıfır olacaktır. Bu nedenle rotor devir sayısı senkron devir sayısını altında olacaktır. Bu açıklamadan anlaşılacağı gibi asenkron motorun motor halinde çalışması halinde rotorun senkron devirde dönmesi mümkün değildir. Rotor senkron devirde daha küçük olan ve yük ile değişen devirde döner. Elektrik ile tahrikte geniş bir uygulama alanına sahip olan asenkron motor esas itibariyle şönt karekterislikli sabit devir sayılı bir tahrik makinesidir. Genellikle motor olarak kullanılmakla birlikte bazı koşulların sağlanması ile birlikte generatör olarak çalışabilirler. Asenkron motorlar eş zamanlı olmayan makinelerden , yani stator sargılarının oluşturduğu döner alan hızı ile rotorun dönme hızı birbirinden farklıdır. Rotor dönme hızı motor çalışmada asenkron hızdan küçük , generatör çalışmada ise senkron hızdan büyüktür. İşletme özellikleri bakımından doğru akım şönt motoru ile boy ölçüşebilecek şekilde değilse bile sürekli devir sayısı ayar imkanına sahiptir. Bir, iki, üç ve çok fazlı olarak imal edilebilirler. En fazla kullanılan motorların birisi yukarıda da belirtildiği gibi kısa devre rotorlu veya sincap kafesli asenkron motor ve de rotoru sargılı veya bilezikli asenkron motorlardır. Bilezikli asenkron makinelerin rotor oluklarına genellikle üç fazlı sargılar yerleştirilir. Üç fazlı rotor sargısı yıldız olarak bağlanır ve yıldız noktası dışarı çıkartılmaz . Mil üzerine bağlı ve milden yalıtılmış üç bilezik rotor ile birlikte döner. Bilezikler üzerinde sabit duran fırçalar yardımı ile dış kaynaktan gerilimi ve frekansı değiştirilebilen gerilim uygulanabildiği gibi sargılara dışarıdan empedansa bağlanabilir. Rotor bileziklerine yol alam direnci bağlayarak yol alam akımı sınırlayarak yol alam direnci büyütülebilir. Ayrıca rotora frekans ve güç faktörü kontrolü yapılabilir. Rotoru sargılı asenkron makinelere uygulanan bu kontrol sistemi sincap kafesli motora uygulanan hız kontrolün den daha ucuzdur. Bununla rotor sargıları rotorda oldukça yer

3

kapladığı için sincap kafesli motorlara göre bilezikli asenkron motorlardan daha az güç elde edilir. Sincap kafesli asenkron motorların statorlarında döner alan oluşturan sargılar vardır. Rotor kısa devre çubuklarının oluşturduğu hacim sincap kafesinkine benzediği için motora bu isim verilmiştir. Normal çalışma şartlarında rotor çubuklarında endüklenen gerilim 10 V altındadır. Bu yüzden kısa devre çubukları rotor saç paketinden yalıtılmaz . Rotorda yalıtkan malzeme için yer kaplanmadığı için bu motorda birim hacime düşen güç bilezikli asenkron motorlardan daha fazladır. Bilezikli asenkron motorlarda rotorun sargılı olması ile bileziklerin getirdiği avantaj devir sayısının kolaylıkla ayarlanmasını kalkış momentinin değiştirilebilmesi üstünlüğünü sağlar . Sincap kafesli makinede ise rotor sayısı yerine kısa devre edilmiş iletken çubukların bulunuşu makinenin hem kalkış momentini , hem de devir sayısı ayarı yapabilme yeteneklerini kısıtlamaktadır. Bu nedenle sincap kafesli makineler daha çok kalkış momenti değişmeyen ve devir sayısı mümkün olduğu kadar sabit olan iş makinelerinin tahrikinde kullanılır. Ancak yapım kolaylığından dolayı bilezikli makineye göre iki kat daha ucuzdur. ASENKRON MOTORLARDA AYARININ YAPILMASI

V/ F

ORANINI SABİT

TUTARAK HIZ

Asenkron motorlarda normal çalışma bölgesinde dönme sayısı sabit kalmaktadır. Endüstride birçok iş makinası , değişik birkaç dönme sayısı ya da çoğu zaman sürekli hız ayarı yapılabilen motorlara ihtiyaç gösterir. Ayrıca hava kirlenmesi nedeni ile elektrik motorlu taşıt araçlarında, yakıt bataryası almak ve elektrik motorunun kullanılması öngörülmektedir. Asenkron motorun ucuz olması fırça ve kollektorunun bulunmaması nedeni ile az arıza yaparak çalışma olanağının bulunması, bu motorların yaygın olarak kullanılmasına ve hız ayarının gene asenkron motorlar yardımı ile yapılmasına yol açmıştır. Geliştirilmiş birçok ayar yöntemi arasında son yıllarda endüstride yaygın olarak kullanılan kontrollu diyotlar ( Tristör ) asenkron motorların hız ayarı alanında , hiç kuşkusuz yeni bir uygulama alanı açmıştır. Elektrikle tahrikte önemli bir uygulama alanına sahip bulunan üç fazlı asenkron motor esas itibariyle şönt karakteristikli sabit devir sayılı bir tahrik makinasıdır. İşletme özellikleri bakımından her ne kadar doğru akım şönt motoru ile bot ölçüşecek boyutta değilse de kademeli ve sürekli devir sayısı ayar imkanlarına sahiptir. Bu nedenle devir sayısı ayarı istenen bazı tahrik sistemlerinde de kullanılmaktadır . ASENKRON MOTORLARDA HIZ AYAR İLKELERİ Asenkron motorlarda hız ayar ilkeleri aşağıdaki gibi sıralanabilir. 1-) Statora uygulanan gerilim frekansının değiştirilmesi 2-) Statora uygulanan gerilim değerinin değiştirilmesi 3-) Stator sargısı kutup sayısının değiştirilmesi 4-) Rotora bağlanan direncin değiştirilmesi 5-) Rotor sargılarına dış kaynaktan uygun gerilim uygulanması

4

3 FAZLI ASENKRON MOTORUN SABIT V/F ORANLI KAPALI DÖNGÜ HIZ DENETIMI (MAKALEMIZDEKI KONU) Yazılan bu makalede üç fazlı asenkron motorun hız ayarı için genlik/frekans oranını sabit tutmak şartıyla, altı adımlı evirici devresi gerçekleştirilmiştir. Bu evirici tasarımında önce 220V alternatif gerilim doğrultularak 314V DC gerilim elde edilir. Elde edilen bu 314V DC gerilimden elektronik anahtarlama elemanları (mosfetler) kullanılarak birbirinden 120'şer derece faz farklı 0-220V arasında RMS ve 0-50Hz arasında ayarlanabilen frekans değerlerine sahip 3 fazlı değişken bir sinyal üretilir. Üretilen bu sinyalin en önemli özelliği genlik ve frekans değerlerinin istenen değerlere ayarlanabilmesidir. Makalede gerçekleştirilen devrenin 4 ana alt devresi bulunmaktadır. a) Gerilim Dogrultma ve Sınırlandırma Devresi Bu basamakta güç devresine gönderilen DC gerilimin değeri belirlenir. b) Matrix 1/6 ve Optik Yalıtıcı Katı Bu bölgenin görevi; üç fazlı asenkron motora uygulanacak birbirinden 120'şer derece faz farklı üç adet sinüs sinyalinin oluşturulması için gerekli tetikleme sinyallerini üretmektir. c) 3.3. Güç ve Kontrol Devresi Güç ve kontrol devresinin görevi motorun çalışabilmesi için gerekli olan üç fazlı AC sinyali üretmektir. d) Karşılaştırıcı ve Yorumlayıcı Katı Bu bölümün detayları makalede verilmiş olup devre şeması üzerinde incelenesi daha doğru olacaktır. Bu katın sonunda istenilen genlikteki DC gerilim üretilmektedir. Deneyde kullanılan elemanların bilgilerine ekten ulaşılabilir.