elektrđk motorları sürücülerđ eelp212 ders

ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
EELP212
DERS – 04
Özer ŞENYURT
Nisan 10
1
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
ELEKTRĐK MOTORLARI
Özer ŞENYURT
Nisan 10
2
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
ELEKTRĐK MOTORLARI
Özer ŞENYURT
Nisan 10
3
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
ASENKRON MOTORLAR
Endüstride en fazla kullanılan motorlardır.
Doğru akım motorlarına göre avantajları
Daha ucuzdurlar,
Bakıma az ihtiyaç gösterirler,
Çalışma sırasında elektrik arkı meydana gelmez,
Bir ve üç fazlı olarak yapılırlar,
Birkaç watt dan 3500kW a kadar güçte imal
edilmektedir,
Momentleri yüksektir,
3 fazlı motor
Devir sayıları yükle çok az değişir,
DC Motor
Frekans değiştirilerek istenilen devir sayısı elde edilir.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
4
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Rotor yapılarına göre iki çeşit asenkron motor vardır:
Sincap kafes (kısa devre) rotorlu asenkron motor,
Sargılı rotorlu asenkron motor.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
5
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Asenkron motorların yapısında;
Stator,
Rotor,
Yataklar ve kapaklar
bulunur.
Sargılı rotorlu asenkron motorda bilezik ve fırçalar da
bulunmaktadır.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
6
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Asenkron motorun yapısı
Stator manyetik alanın meydana geldiği
kısımdır.
Rotor ise asenkron motorun dönen kısmıdır.
Sincap kafesli rotorlarda kısa devre
çubukları silisli sacların oluşturduğu kanallara
yerleştirilmiş, birer tarafları bakır halkalarla
kısa devre edilmiştir.
Sargılı rotorlu asenkron motorlarda sacların
paketlenmesiyle oluşturulmuş ve üzerindeki
kanallara üç faz sargıları yerleştirilmiştir.
Sargılar yıldız veya üçgen bağlanarak rotor
mili üzerindeki üç bileziğe uçları
bağlanmıştır. Fırçalar yardımı ile rotor
sargıları kısa devre edilerek rotor
sargılarında akım dolaşması sağlanır.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
7
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Özer ŞENYURT
Nisan 10
8
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Bir rotorun dönebilmesi için gerekli şartlar
- Rotor iletkenlerinden bir akımın geçmesi
- Rotor iletkenlerinin dönen bir manyetik alan içerisinde
bulunması
Döner alan içindeki rotorun dönüşü
Stator sargılarından geçen üç fazlı alternatif akım, stator sargılarında
dönen bir manyetik alan oluşturuyor.
Dönen manyetik alan içinde bulunan bir iletkende gerilim indüklenir.
Kısa devre edilmiş rotordan bir akım geçer.
Bu akımlar rotorda N ve S kutuplarını meydana getirir.
Dönen stator kutupları, rotor kutuplarını etkileyerek rotorun dönmesini
sağlar.
Nisan 10
Özer ŞENYURT
9
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Senkron Hız
Döner alanın devir sayısına senkron devir veya senkron hız
denir. ns ile gösterilir.
ns =
60. f
P
Asenkron Hız
Rotor hızına asenkron hız veya asenkron devir denir. Asenkron hız rotordan turmetre
ile ölçülür. Rotor hızının senkron hıza ulaşamaması nedeniyle asenkron hız denir.
Kayma
Bir asenkron motorda kayma iki şekilde ifade edilir:
Devir cinsinden kayma – senkron hız ile rotor hızı arasındaki farktır.
n = n s − nr
Yüzde cinsinden kayma – senkron hız ile rotor hızı arasındaki farkın senkron hıza oranıdır.
s=
Özer ŞENYURT
ns − nr
ns
Nisan 10
%s =
ns − nr
.100
ns
10
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Asenkron Motorlarda Yol Alma Akımı
Asenkron motorlar yol alma sırasında büyük akım çekerler. Bu akıma yol alma akımı veya
kalkış akımı denir.
Đlk yol almada rotor devri sıfır olduğundan s (kayma) %100 olur. Motorun yüklü
çalışmasında ise kayma sıfıra yaklaşacaktır. Başlangıçta %100 kaymanın olması rotor
devre direncinin küçük olmasına, bu da kalkış akımının büyük olmasına sebep olur.
Uf
Is =
Motorun ilk kalkınmada şebekeden çektiği faz akımı
2
( Rs + R2 ) 2 + X e
Is =
Uf
( Rs + R2 / s ) 2 + X e
2
Motorun s kaymasına bağlı olarak şebekeden çektiği faz akımı
Asenkron Motorlarda Yol Alma Akımının Yüksek Olmasının Nedenleri
Rotor çubuklarını kesen manyetik akı en büyük değerde olduğundan rotor indükleme
akımı ve rotor alanı en büyüktür. Rotor alanının stator alanına etkisi olacağından, stator
manyetik akısı ve stator sargılarının zıt emk sı en küçük değerde olur. Şebekeden de en
büyük akımı çeker.
Rotor harekete başlayınca rotor hızı artar. Rotor manyetik alan hızı azalır ve stator zıt
emk sı artacağından motorun şebekeden çektiği akım azalmaya başlar.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
11
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Yol Alma Akımının Şebeke Üzerinde Etkisi
Asenkron motorlar yol alma anında normal akımlarının 4-8 katı kadar akım çekerler.
Rotorun hareketlenmesi akımın normal seviyesine gelmesini sağlar. 3-5 saniye kadar olan
bu kalkış akımı motora zarar vermez.
Yüksek güçlü motorların kalkış akımları çalıştıkları ortamda gerilim düşümünün artmasına
sebep olurlar. Bu gerilim dalgalanmaları alıcıların çalışmasını etkileyecektir.
Bu sebeple kalkış akımının düşürülmesi gerekmektedir. Gücü 5 kW’tan büyük motorlarda
yol verme yöntemleri uygulanır.
Asenkron Motorlara Yol Verme Yöntemleri
o Yıldız üçgen yol verme
o
Oto trafosu ile yol verme
o
Tristörlerle yol verme (gerilim – frekans değiştirmek)
Soft starter ile yol verme (gerilimi değiştirerek)
Frekans çeviricilerle yol verme (frekansı değiştirerek)
o
Sargılı rotorlu asenkron motora yol verme
Özer ŞENYURT
Nisan 10
12
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Yıldız Üçgen Yol Verme
Bir asenkron motorun üçgen çalışma gerilimi şebeke gerilimine eşitse o motora yıldızüçgen yol verilir. Kalkış akımını düşürmenin en ekonomik yöntemi olduğundan küçük
güçlü motorlarda çok kullanılır.
Motor yıldız bağlanması ile düşük gerilimle çalışmaya başlatılmış olur. Normal devrine
ulaştığında ise üçgen bağlanarak çalışmasına devam eder.
Yıldız bağlı yük
Üçgen bağlı yük
Nisan 10
Özer ŞENYURT
13
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Üç faz sargıları aralarında 120 derece açı
farkı olacak şekilde stator oluklarına
yerleştirilmişlerdir.
Motorun sargı uçları:
R fazı
U giriş
X çıkış
S fazı
V giriş
Y çıkış
T fazı
W giriş
Z çıkış
U
V
W
Z
X
Y
olarak isimlendirilmiştir.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
14
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Üç fazlı yıldız bağlı sistem
Özer ŞENYURT
Üç fazlı üçgen bağlı sistem
Nisan 10
15
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Yıldızdan üçgene geçiş için motorun normal devrine ulaşması beklenir. Geçiş süresinin
kısa olması gereklidir.
Yıldızdan üçgene geçiş için iki şart aranmalıdır
Yük momenti motor momentine eşit olmalı
Yıldız bağlamada motorun devri nominal devre yakın olmalı
Eğer yıldızdan üçgene geçiş süresi kısa olursa üçgene geçişte ani akım yükselmeleri
olur. Kontaktör kontaklarında hasarlara yol açabilir.
Eğer yıldızdan üçgene geçiş süresi uzun olursa motor yaklaşık olarak 1/3 momentle
yükü karşılamaya çalışır. Yük momenti büyükse motor aşırı yüklenmiş olur.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
16
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Oto trafosu ile yol verme
Büyük güçlü motorlara frekansla yol verme uygulanmıyorsa oto trafosu ile yol
verilebilir.Büyük güçlü ve yük altında olan motorlarda iki kademeli yol verme uygulanır.
Oto trafosu ile yol vermede kademe geçişlerinde stator akımı kesilir. Rotor akımı ise sıfır
olmayıp, rotor devir sayısına bağlı olarak stator sargılarında şebeke frekansına yakın
değerlerde emk lar indüklenir. Sonraki kademe gerilimleri uygulandığı anda statordan
büyük akımların geçmesine neden olabilir.
Bu mahsuru önlemek için oto trafosu ile
kademeli olarak asenkron motora yol verilir.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
17
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Oto trafosu ile yol vermede motorun çekeceği akım sekonder akımı, şebekeden çekilen
akım ise primer akımıdır.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
18
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Tristörlerle asenkron motorlara yol verilmesi
Asenkron motorlara yol vermede ve devir ayarında yararlanılan
statora uygulanan gerilimin etkin değerini ve frekansını değiştirmek
için tristörler kullanılır.
Yumuşak yol verici (Soft starter) ile yol verme
Motordaki moment akım ilişkisinin zamana bağlı olarak yavaşça
ayarlanması ile motorun devreye girmesi soft starter ile ayarlanır.
Vuruntulu olmayan yumuşak kalkış ve duruş yapılması istenen
pompalar, kompresörler, yürüyen merdivenler, asansörlerde
uygulanmaktadır.
Soft starter motor ile şebeke arasına direk olarak bağlanmaktadır.
Motor gerilim ve akımı soft starter ile kontrol edilir. Motorun yol
verilmesinde şebeke geriliminin %30’dan başlayıp %100’e kadar
motora uygular.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
19
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Frekans değiştiricilerle yol verme
Devir sayısı formülüne göre frekans değiştirildikçe
devir sayısı da değişir. Bununla birlikte stator
gerilimi de değiştirilirse motorun momenti sabit
kalacaktır.
ns =
60. f
P
En gerlişmiş frekans çeviriciler DC gerilim ara
devreli olarak tasarlanırlar.
Frekans çeviricide motora uygulanacak olan gerilim
doğrultucudan geçirilerek doğru gerilime çevrilir.
Bu ara gerilim şebeke geriliminin 1,41 katına kadardır. DC gerilimin dengeli bir şekilde
yükselmesini ve sınır değerlerini aşmamasını sağlamak için bobin ve filtrelemek için
kondansatörler kullanılır.
Doğru gerilimden frekansı ve gerilimi ayarlanabilen alternatif gerilim eviriciden elde
edilmektedir. Frekans ayarı 0,5Hz ile 2kHz aralığında aralığında ayarlanmaktadır.
Frekans dönüştürücülerin en önemli ünitesi kontrol birimidir.
Üretilen bu gerilim ve frekans sayesinde asenkron motorların geniş hız sınarlar içinde
verimli olarak çalıştırılır.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
2
0
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Ara devreli frekans çeviricilerde, şebeke gerilimi modüler doğrultmaçlar ile doğrultulur.
Doğrultulan gerilim, filtre edilerek düzleştirilir. Düzleştirilen doğru gerilim, üç fazlı
dalgalayıcı ile PWM (Pulse Width Modulation= Darbe Genişlik Modülasyonu) yöntemiyle
motoru besleyecek değişken, frekanslı üç fazlı alternatif gerilime çevrilir.
Asenkron motorların stator sargılarında oluşturulan manyetik akımın
değeri, bütün yüklerde gerilimle doğru frekansla ters orantılıdır. Anma
gerilim ve anma frekansında çalışan motorun momenti anma değerindedir.
Gerilim sabit tutularak frekans azalırsa manyetik akım artar, frekans
arttırılırsa manyetik akım azalır. Motorun döndürme momenti, faydalı
akımın karesine orantılıdır. Bir motorun anma döndürme momentinde
çalışması durumundaki manyetik akı değeri anma manyetik akısıdır.
Motorun değişik devir hızlarında anma momenti ile çalışabilmesi ancak
anma manyetik akısında çalıştırılırsa mümkündür. Motorun gücü ise, devir
hızı ve momentinin çarpımı ile orantılıdır. Yani güç, hız ve moment değerine
bağlı değişir.
Gerilim sabit tutularak frekans azaltılırsa, manyetik akı artarak doymaya
girer. Bu nedenle frekansla beraber gerilimin de düşürülmesi zorunludur.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
21
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Akı bağıntısına göre, hava aralığı akısının ve döndürme momentinin sabit kalması için,
gerilim-frekans oranı (U/f=k) sabit tutulmalıdır. Frekans çeviricinin çıkış gerilimi,
frekansa doğrudan orantılı ayarlanmalıdır. Bu oran, çok düşük frekanslarda yetersiz kalır.
Hava aralığı akısı ve döndürme momenti çok düşer. Bu sakıncayı önlemek için, düşük
frekanslarda gerilim biraz arttırılır. Böylece düşük frekans bölgelerinde aşırı uyarma
önlenir ve motor anma momentini verebilir. Dolayısıyla frekans çeviricilerle yol vermede,
motorun kalkış sorunu yoktur. Düşük frekansla çalışmada, hız azaldığından soğutma
pervanesinin soğutması yetersiz kalır ve motor ısınır. Bu bakımdan azalan frekanslardaki
çalışmada, motor dışardan bir tahrikle soğutulmalıdır.
Darbe genişlik modülasyonlu (PWM) frekans çeviricilerde, hem frekans hem gerilim ayarı
dalgalayıcıda gerçekleştirilir. Sabit momentle işletme U/f oranının sabit tutulması ile
olur.
Değişken momentle işletme,
oranının sabit tutulması prensibidir.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
22
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Motorların sargı yalıtımları, mekanik düzenleri, anma
gerilim ve diğer anma değerlere göre tasarlanarak
yapılmıştır. Pratikte motor, anma gerilim değerinin
üzerinde çalıştırılmaz. Anma frekanstan sonra frekans
artışı sürdürülürse, gerilim sabit tutulur. Gerilim-frekans
sabit oranı (U/f=k) bozulur. Artan frekansta manyetik akı
ve döndürme momenti giderek azalır. Buna karşın hız
arttığından güç sabit kalabilir. Artan frekanslarda, anma
hızının üzerindeki hızlarda motor, anma momenti ile
yüklenemez. Artan frekanslarda devir kayıpları, hızın
yükselmesinden sürtünme ve rüzgâr kayıpları artar. Bunun
sonucu olarak kayıplar arttığından, motorun verimi de
düşer.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
23
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Rotoru sargılı asenkron motora yol verme
Rotor devresine omik direnç bağlamak suretiyle
normal gerilim altında motorun devir sayısını, yol
alma akımını ve döndürme momentini kademeli
olarak ayarlamak mümkündür.
Yol verme dirençleri devreye alınırken;
o Yol verme dirençleri kademelere bölünür.
o Başlangıçta bütün dirençler devrededir.
o Rotor yol aldıkça dirençler kademeli olarak
devreden çıkarılır.
o Motor yol aldıktan sonra rotor sargıları kısa
devre edilir.
Özer ŞENYURT
Nisan 10
24
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Asenkron motorlarda momentler
Kalkış momenti
Motor devreye bağlandığında s (kayma) %100’dür. Bu anda rotor frekansı stator frekansı
ile aynıdır. Rotor reaktansı rotor direncine göre çok büyük ve rotorun güç katsayısı çok
küçüktür. Rotor akısı stator akısının gerisinde ve aralarındaki faz açısı oldukça küçüktür.
Đki alanın etkisi az ve yol alma dönme momenti küçüktür.
Motorun hızı artınca yüzde kayma ve frekansı küçülür. Frekansın düşmesi rotor
reaktansını küçültür. Stator alanı ile rotor alanı arasındaki faz açısı küçülür. Yaklaşık %20
kaymada dönme momenti en büyük değerindedir. Rotor hızlandıkça dönme momenti, motor
yükü için gerekli dönme momentine ulaşıncaya kadar azalır. Bu sırada kayma %2 – 3
civarındadır.
Yol alma stator alanı, rotor çubuklarını, dönme anındakine göre daha büyük bir hızla keser
ve rotorda oldukça yüksek gerilimler indüklenir. Rotor akımı yüksektir, dolayısıyla stator
akımı da yol almada yüksektir.
Momenti;
Motorun kalkınmada şebekeden çektiği faz akımı;
Is =
Uf
( Rs + R2 ) 2 + X e
2
2
2
Rotorun
U f .R2
giriş gücü; Pr giriş = ( R + R ) 2 + X 2
s
e
2
kgm
Md =
0,975.U f .R2
[(R + R )
2
s
2
2
Nisan 10
Özer ŞENYURT
kgm
]
+ X e nS
25
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Çalışma anında momentin bulunması
Asenkron motorun milindeki dönme momenti Md ve dakikadaki devir sayısı nr ise;
M .n
M .n
motorun milinden alınan mekanik güç;
Pa = d r Hp
Pa = d r kW
716
975
Motordan alınan güç Pa rotorun açısal hızına bölünürse, Newtonmetre olarak döndürme
momentini verir
Pa
Motorun milinden alınan güç (kW)
Pa
Pa
Md =
=
n2
rotorun saniyedeki devir sayısı nr/60
ωr 2.π .n2
ωr
rotorun devrine göre açısal hızı (rd/s)
716.Pgiriş
975.Pgiriş
Md =
Md =
Md
döndürme momenti (Nm)
ns
ns
Motorun çektiği faz akımı I s =
Uf
Motorun döndürme momenti
2
( Rs + R2 / s ) + X e
2
Rotor giriş gücü Pr
Özer ŞENYURT
giriş
= Is
2
2
Uf
R2
R2
=
2
2
s ( Rs + R2 / s ) + X e s
Nisan 10
2
Md =
3.U f .R2
0,975
nS s. ( Rs + R2 / s ) 2 + X e 2
[
]
kgm
26
ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ
Özer ŞENYURT
Nisan 10
27