ENDÜVİ REAKSİYONU VE KOMİTASYON 1 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon Endüvi Reaksiyonu • Endüvi sargılarında herhangi bir akım yok iken kutupların oluşturduğu manyetik akı, endüvi üzerinde düzgün bir dağılım yapar. • Nötr bölgede bulunan bobinde indüklenen emk’ı sıfır olduğundan, nötr bölge düzgün bir komitasyon için fırçaların yerleştirileceği yer olarak seçilir. • Normal dağılımda kutup alanı ile endüvi alanı birbirine diktir. • Endüvi yüklendiğinde her iki akı da aynı anda makine üzerinde gösterildiğinde oluşacak olan manyetik akı dağılımı bozulur. • Endüvi manyetik akısının toplam manyetik akı dağılımına olan etkisine endüvi reaksiyonu denir. • Endüvi reaksiyonundan dolayı kutup ayaklarının bir tarafında manyetik kuvvet çizgilerinde azalma görülür. • Kutup ayağının bir tarafındaki manyetik akının azalması, kutbun diğer tarafındaki manyetik akının artışı tarafından karşılanamaz. Bu nedenle endüvi reaksiyonu toplam akıyı azaltacağından endüvide indüklenecek olan emk 𝑬 = 𝑲. 𝝓. 𝒏 formülüne göre azalır. 2 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon Kutup manyetik alanı (a) ile Endüvi Manyetik Alanı (b) ELP-13203 Elektrik Makineleri I Kutup manyetik alanının bozulmuş hali (Nötr ekseni dönüş yönünde kaymıştır) Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 3 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon Nötr Ekseni Alan bozulma etkileri olmasaydı komitasyon düzleminin yeri merkezde Manyetik Eksen Nötr Ekseni Gerçek Nötr Ekseni Gerçek Manyetik Eksen Gerçek Manyetik Eksen Alan bozulmasının kompanzasyonu için komitasyonun mevcut durumu ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR Öz indüksiyon için fırçaların kaydırılması 4 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon Endüvi reaksiyonundan dolayı nötr ekseninde bulunan fırçalarda ark(şerare) meydana gelir. Bu durum fırça ve kollektörlerin kısa zamanda aşınmasına neden olur. Bu yüzden fırçalar endüvinin dönüş yönünde bir miktar kaydırılır. Endüvi reaksiyonunun makine üzerindeki manyetik akıyı azaltıcı etkisinin önlenmesi amacıyla bazı tedbirler alınır. 1. Kutup Ayaklarını Tarak Şeklinde Yapmak 2. Kutup Ayaklarına Oyuklar Açmak 3. Yardımcı Kutup Kullanmak 4. Kompanzasyon Sargısı Kullanmak 5 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon • Kutup Ayaklarını Tarak Şeklinde Yapmak: Kutupları oluşturan sacların bir kulakları kesilerek bir ters bir düz gelecek şekilde birbirine perçinlenmesiyle kutup ayağı oluşturulur. • Kutup ayağının uç kısmındaki kesit yarıya indirildiğinden çok az bir manyetik akı artışında kutuplar doyuma ulaşır. • Ana kutup alanı ve nötr ekseninde az bir kayma meydana getirilmiş olur. Bu yöntemle fırçaların kaydırılması önlenmiş olur ancak endüvi reaksiyonunun etkisi tam olarak ortadan kaldırılmamıştır. Kutup ayaklarının tarak şeklinde yapılması ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 6 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon • • • • • Kutup Ayaklarına Oyuklar Açmak Ana kutuplar üzerine kutup ekseni paralel olacak şekilde oluklar açılarak endüvi alanının yolu ve dolayısıyla manyetik direnci arttırılmış olacağından endüvi akısının etkisi azaltılmış olur. Kutuplarına oyuklar açılacak makinelerde kutupların doyma sınırının yüksek olması gereklidir. Açılacak olan oyuklar ana manyetik akıyı azaltmayacak şekilde olmalıdır. Aksi halde endüvide indüklenen emk’da bir azalma söz konusu olur. Yöntem endüvi reaksiyonunun etkisini tam olarak ortadan kaldırmaz. Sabit güçlü makinelerde kullanılmalıdır. 7 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon • • • • • Yardımcı Kutup Kullanmak Endüvinin meydana getirdiği alan nötr ekseni doğrultusundadır. Eğer bu bölgedeki alana eşit ve zıt yönde bir alan meydana getirirsek, her iki alan birbirini yok edeceğinden endüvi alanının etkisi ortadan kalkar. Nötr eksenine yerleştirilen yardımcı kutuplar kullanılır. Yardımcı kutupların meydana getireceği alanın endüvi alanına eşit olması için endüvi akımı yardımcı kutup sargılarından da geçirilir. Endüvi dönüş yönüne göre ana kutuptan sonra gelen yardımcı kutuplar ana kutbun tersi olarak adlandırılır. Endüvi reaksiyonunun etkileri tam olarak önlenemez. Çünkü yardımcı kutbun alanı ana kutupların altındaki bölgede etkili olmaz. Yardımcı kutupların durumu ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 8 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon • • • • Kompanzasyon Sargısı Kullanmak Büyük güçlü makinelerde endüvi reaksiyonunun etkisi gidermede kullanılan yöntemdir. Kompanzasyon sargıları ana kutuplar altına açılan oyuklara yerleştirilir. Kompanzasyon sargılarından geçen akım endüvi sargılarından geçen akımın tersi yönündedir. Bu nedenle oluşacak olan manyetik alanlar birbirinin tersi yönünde olur. Oluşacak olan manyetik alanların birbirine eşit olması için endüvi sargılarından geçen akım kompanzasyon sargılarından da geçirilir. Böylece endüvi alanının etkisi ortadan kaldırılmış olur. 9 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon • Komitasyon Rotorla birlikte hareket eden iletkenlerdeki akımın yönü, iletkenin bir kutbun altından diğer kutbun altına geçmesiyle yön değiştirmesi olayına komitasyon adı verilir. • Endüvi hızla dönerken bobinden geçen akımın yön değiştirmesi çok ani olur. Bu nedenle bobin üzerinde Lenz Kanununa göre alanın azalmasını önleyecek şekilde küçük bir öz indüksiyon emk’sı indüklenir. Bu gerilim komitaston esnasında fırçalar ve kollektör arasında ark meydana getirir. • Arkın önlenmesi amacıyla komitasyonu kolaylaştırıcı bazı önlemler alınır. Fırçaları kaydırmak Yardımcı kutup kullanmak. 10 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon 11 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon • • • Fırçaları Kaydırmak Fırçalar, endüvinin dönüş yönünde bir miktar kaydırılırsa, üzerindeki akımın yön değiştir. Bobin zıt kutbun etkisi altına gireceğinden öz indüksiyon emk’sının etkisi yok olur, akım kolaylıkla yön değiştirir ve yön değiştirme esnasında ark meydana gelmez. Akım hızlandırılmış komitasyon eğrisini izler. Komitasyondaki bobinde akım eğrileri ELP-13203 Elektrik Makineleri I Komitasyonu kolaylaştırmak için fırçaların kaydırılması Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 12 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon • • b) Yardımcı Kutup Kullanarak: Yardımcı kutup yöntemi, fırçaları nötr ekseninden kaydırmadan bobinin diğer kutbun etkisine girerken üzerinde oluşacak özindükleme emk’sının yok edilmesi ve dolayısıyla fırçalarda ark meydana gelmesinin önlenmesi mantığına dayanır. Tam olarak nötr ekseni üzerine yerleştirilmiş olan yardımcı kutuplar, bobinin kurtulduğu kutbun zıttı olacak şekilde kutuplandırılır. • Yardımcı kutuplardan endüvi akımı geçirildiğinden, yüke göre değişen endüvi manyetik alanına karşılık aynı oranda ve zıt yönde yardımcı kutbun değeri de herhangi bir ayarlamaya gerek kalmadan değişecektir. • Yardımcı kutupları bulunan bir DA makinenin hem endüvi reaksiyonuna karşı hem de komitasyonu kolaylaştırıcı işlevini yardımcı kutuplar yapar. Yardımcı kutup kullanarak komitasyonu kolaylaştırmak ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 13 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Endüvi Reaksiyonu ve Komitasyon Komitasyonu Bozan Mekaniki Etkenler • • • • • • • Endüvi kollektörünün tam yuvarlak olmaması ya da ısınınca yuvarlaklığını kaybetmesi Kollektör dilimleri arasındaki mikanın yüzeyden taşması Fırçanın fırça tutucusuna bağlanışındaki hatalar Fırçanın kollektöre olan basıncının uygun olmaması Fırçalar arasındaki mesafenin birbirine eşit olmaması Fırçaların iyi kalitede olmaması Endüvi ile kutuplar arasındaki mesafenin her yerde aynı olmaması 14 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİNDE KAYIPLAR 15 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Doğru akım makinelerinde kayıplar üç grupta toplanır. • Mekanik kayıplar, • Manyetik kayıplar, • Bakır kayıplar. Bu üç grup kayıptan başka hesap edilemeyen kaçak yük kayıpları da mevcuttur. Mekanik Kayıplar Mekanik kayıplar makinenin; • Yataklarındaki sürtünmeden, • Kollektör ve fırçalar arasındaki sürtünmeden • Endüvinin oluşturduğu rüzgardan Yataklardaki sürtünme kaybı • Bilyadaki milin çapına, • Endüvi hızına ve • Yataklardaki sürtünme katsayısı Alınacak önlem: Sürtünme katsayısını azaltmak için yataklar zaman zaman yağlamak ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 16 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Mekanik Kayıplar Fırçalardaki sürtünme kayıpları • Kollektörün dönüş hızına, • Fırçaya uygulanan kuvvete, • Fırça ile kollektör arasındaki sürtünme katsayısına Alınacak önlem Fırçaların grafitten yapılması ile sürtünme katsayısı azaltılır. Rüzgar kayıpları; • Endüvinin hızına, • Endüvinin boyuna • Endüvideki oluk sayısına Mekanik kayıpların elde edilmesi Mekanik kayıpları tanımlayabilmek için kutupları uyartılmamış bir doğru akım makinesi kalibre edilmiş bir makine ile anma hızında döndürülür. Doğru akım makinesinin çıkışında herhangi bir yük olmadığından doğru akım makinesine uygulanan giriş gücü mekanik kayıplara eşit olur. Mekanik kayıplar Ps ile gösterilir. ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 17 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Manyetik Kayıplar (Demir Kayıpları) Manyetik Kayıplar (Demir Kayıpları) Endüvinin iletkenlerinde endüklenen emk, endüvinin dönüş hızına ve makinenin kutup sayısına bağlı olduğundan Doğru akım makinesinde manyetik kayıplar (histerisiz ve fuko kayıpları) oluşur. Manyetik kayıplar Pm ile gösterilir. Histerisiz kayıpları • Üretilen emk’ nın frekansına, • Histerisiz eğrisinin oluşturduğu alana, • Manyetik akı yoğunluğuna • Manyetik malzemenin kalitesine 𝑷𝒉𝒊𝒔 = 𝑲𝒉𝒊𝒔 𝒇. 𝑩 𝟏,𝟔 Yumuşak malzemelerin oluşturduğu histerisiz eğrisi sert manyetik malzemelerinkinden küçüktür. Bundan dolayı elektrik makinelerinde kullanılan manyetik malzemeler yumuşak manyetik malzemedir. 18 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Manyetik Kayıplar (Demir Kayıpları) • • • Manyetik malzemeler üçe ayrılırlar. Ferromanyetik malzemeler Paramanyetik Malzemeler Diyamanyetik Malzemeler Ferromanyetik malzemeler: Demir, Nikel, Çelik, Kobalt, Alniko gibi iyi mıknatıslanma etkisine sahip malzemelerdir. Manyetik alandan uzaklaştırılsalar da mıknatıslık özelliği gösterirler. Bu tür maddeler mıknatıs, elektrik motoru, jeneratör, trafo ve sabit disk gibi araçların yapımında kullanılır. Malzeme ELP-13203 Elektrik Makineleri I Manyetik duyarlılık Demir 5000 Yumuşak Demir 2000 Nikel 600 Kobalt 250 Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 19 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Manyetik Kayıplar (Demir Kayıpları) Paramanyetik Malzemeler: Ferromanyetik malzemelerin tersine sadece manyetik alan altında iken mıknatıslanırlar. Alüminyum, Bakır, Kalsiyum, Krom, Magnezyum, Platin, Tungsten gibi malzemelerdir. Malzeme Manyetik duyarlılık (×10−5) Tungsten 6.8 Sezyum 5.1 Alüminyum 2.2 Lityum 1.4 Magnezyum 1.2 Sodyum 0.72 20 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Manyetik Kayıplar (Demir Kayıpları) Diyamanyetik Malzemeler: Diyamanyetik maddeler, herhangi bir mıknatıs tarafından, o mıknatısı manyetik alanı içerisindeyken manyetik alan çizgilerine zıt yönde mıknatıslaştırılmaya uğrayabilen Civa, Altın, Bakır, Bizmut, Elmas, Gümüş, Kurşun, Silikon v.s. gibi maddelere denir. Malzeme Kendisini mıknatıslaştıran cisim tarafından itilirler. Manyetik alan yayılım frekansına göre moleküler çapta ters yönlenme eğilimi gösterirler. Bir mıknatısa yaklaştırıldığında kuzey kutbu gören maddenin yakın tarafı kuzey kutbu olarak yönelecektir. İtkisel bir yapı oluşmasına sebep olan bu maddeler yeni bir fenomendir. Su, bu yapıya sahip maddelerden biridir. ELP-13203 Elektrik Makineleri I Manyetik duyarlılık χv (×10−5) Su −0.91 Süperiletken −105 Gümüş −2.6 Pirolitik Karbon −40.0 Civa −2.9 Kurşun −1.8 Bakır −1.0 Karbon (Grafit) −1.6 Karbon (Elmas) −2.1 Bizmut −16.6 Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 21 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Manyetik Kayıplar (Demir Kayıpları) Yumuşak manyetik malzeme Sert manyetik malzeme Güç kayıpları ile histerisiz çevrim alanı arasındaki ilişki Küçük çevrim alanı =Düşük histerisiz kaybı ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR Geniş çevrim alanı =Yüksek histerisiz kaybı 22 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Manyetik Kayıplar (Demir Kayıpları) Endüvi ince dilimli saclardan oluşturulmuş olmasına rağmen her bir dilimde fuko (Eddy) kayıpları oluşur. Fuko akımları kayıpları; • Kullanılan sacın kalınlığına, • Manyetik akı yoğunluğuna, • İndüklenen gerilimin frekansına • Manyetik malzemenin kalitesine 𝑷𝒇𝒖𝒌𝒐 = 𝑲𝒇𝒖𝒌𝒐 𝒇. 𝑩. 𝝀 𝟐 Eddy (Girdap) akımlarını azalması için iletkenlerin paralel dilimlenmesi 23 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Manyetik Kayıplar (Demir Kayıpları) • • • Doğru akım makinelerinin analizinde manyetik kayıplarla mekanik kayıplar genellikle beraber alınır. Bu kayıpların toplamına döner kayıplar adı verilir ve Pr ile gösterilir. Doğru akım makinesinin döner kayıpların belirlemek için makine yüksüz durumda yabancı uyartımlı makine gibi çalıştırılır. Endüvi sargılarına uygulanan gerilim uygun bir şekilde ayar edilerek sargılarda indüklenen gerilimin anma değerinde olması sağlanır. Eğer Vt terminal gerilim ve Ra da endüvi sargı direnci ise endüvi sargılarına uygulanacak gerilim; Generatör durumu için 𝑬 = 𝑼 + 𝑰𝒂 𝑹𝒂 Motor durumu için𝑬 = 𝑼 − 𝑰𝒂 𝑹𝒂 Döner Kayıpların Elde Edilmesi E gerilimi endüvi sargılarına uygulanır ve anma hızına ulaşıncaya kadar uyartım akımı arttırılır. Bu durumda endüvi akımı ölçülür. Boşta iken makinenin çektiği akım tam yük akımının çok küçük bir parçası olduğundan endüvi sargılarındaki bakır kayıpları ihmal edilebilir. Doğru akım makinesi boşta çalışırken çıkış gücü sıfırdır. Dolayısıyla makineye uygulanan 𝑬. 𝑰𝒂 gücü makinenin döner kayıplarına eşit olur. Mekanik kayıplar bilindiğinden manyetik kayıplar bulunmuş olur. ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR 24 DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Bakır (Elektrik) Kayıpları • Bakır Kayıpları Herhangi bir iletkenden akım geçtiği sürece bakır kayıpları oluşur. Bakır kayıpları ya da elektriki kayıplar aşağıdaki şekilde makinenin sargı bulunduran değişik bölgelerinde meydana gelir. Endüvi sargı kayıpları 𝑷𝒂 = 𝑰𝟐𝒂 . 𝑹𝒂 Şönt alan sargı kayıpları 𝑷ş = 𝑰𝟐ş . 𝑹ş Seri alan sargı kayıpları 𝑷𝒔 = 𝑰𝟐𝒔 . 𝑹𝒔 Dahili kutup alan sargı kayıpları 𝑷𝒘 = 𝑰𝟐ş . 𝑹𝒘 (şönt ve kompunt) 𝑷𝒘 = 𝑰𝟐 . 𝑹𝒘 (seri) Kompanzasyon alan sargı kayıpları 𝑷𝒌 = 𝑰𝟐 . 𝑹𝒌 25 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR DOĞRU AKIM MAKİNELERİ – Doğru Akım Makinelerinde Kayıplar Kaçak Yük Kayıpları Kaçak Yük Kayıpları Bir makinede hesap edilmeyen kayıplar her zaman mevcuttur. Bu kayıplara kaçak yük kayıpları adı verilir. Doğru akım makinesindeki kaçak yük kayıpları; • • Endüvi reaksiyonundan dolayı akıdaki bozulmadan; Komitasyona giden bobindeki kısa devre akımından 100HP ve daha büyük güçlü elektrik makinelerinde kaçak yük kayıpları çıkış gücünün %1’i oranında alınır. Küçük güçlü makinelerde kaçak yük kayıpları ihmal edilir. Bir doğru akım generatörü, uygulanan mekanik enerjiyi endüvi sargılarında elektrik enerjisine dönüştürür. Uygulanan mekanik enerjinin bir kısmı döner kayıp olarak ortaya çıkar. Dolayısıyla elektrik enerjisine dönüştürülecek olan güç giriş gücünden çıkarılarak elde edilir. Makinenin çıkış gücünü elde etmek için ise bakır kayıpları üretilen güçten çıkarılır. 26 ELP-13203 Elektrik Makineleri I Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR KAYNAKLAR • OĞUZ, Necati; GÖKKAYA, Muhittin; Elektrik Makineleri I, MEB Yayınları, 1992 • PEŞİNT, M.Adnan; ÜRKMEZ, Abdullah; Elektrik Makineleri II, MEB Yayınları, 1992 • BAL, Güngör; Doğru Akım Makineleri ve Sürücüleri, Seçkin Yayıncılık, Ağustos 2001 • ALTUNSAÇLI, Adem; Elektrik Makineleri I, 2010 • www.wikipedia.org 27