ELEKTRİK MAKİNALARININ KONTROLÜ Dr.Öğr.Üyesi Engin HÜNER

ELEKTRİK MAKİNALARININ KONTROLÜ

• ELEKTRİKLE TAHRİK TANIMI VE MEKANİK BİLGİLER

• DC MAKİNA KARAKTERİSTİKLERİ

• ASENKRON MAKİNA KARAKTERİSTİKLERİ

• SENKRON MAKİNA KARAKTERİSTİKLERİ

• KAYNAKLAR

• Prof.Dr. M.Hadi SARUL

ELEKTRİKLE TAHRİK VE TEMEL MEKANİK BİLGİLER

• İşletmede kullanılan makine veya tezgalarda tahrik sistemi olarak elektrik motoru kullanılır. Sanayideki elektrik motolarının %80’ninden fazlasını da asenkron motorlar oluşturur.

• İş makinesi veya tezgah 3 bölümden oluşur.

• Ayar mekanizması; Mil, kavrama, kayış, kasnak dişli gibi kısımlardan oluşur. Ayar mekanizması motor milindeki momenti iş makinesi miline aktarır. Bunu sağlarken de moment ve hız ayarı yapılabilir.

ELEKTRİKLE TAHRİKTE HAREKET ŞEKİLLERİ

1- Doğrusal Hareket

Bir doğru üzerinde hareket eden cismin yaptığı harekete doğrusal hareket denir.

Doğrusal harekette ivmeyi tanımlamaya yarayan şematik diyagram Şekil 1.3’de verilmiştir.

Ortalama ivme, hızdaki değişme miktarının bu süreye bölümüne eşit olup,

İvmenin ani değeri ise,

• v’nin bu değeri (1.1) denkleminde yerine konularak ivme,

• İvme pozitif veya negatif değerler alabilir.

• a’nın pozitif değeri hızın arttığını, negatif oluşu hızın azaldığını gösterir.

• Doğrusal hareket, düzgün doğrusal hareket ve düzgün değişen doğrusal hareket olmak üzere ikiye ayrılır.

1.1- Düzgün doğrusal hareket

Hareket eden cismin ivmesi t’nin her değeri için sıfırdır.

ds/dt=v=sabit olup, s yolunun, başlangıç değeri s0 ile gösterilirse alınan yol

Düzgün doğrusal harekete ait hız-zaman, yol-zaman eğrileri aşağıdadır.

1.2- Düzgün Değişen Doğrusal Hareket

Bu hareket tipinde hareket eden cismin ivmesi sabit olup a=dv/dt ‘dir.vo başlangıç hızı ise;

2. Döner Hareket

Elektrikle tahrikte en çok kullanılan hareket şeklidir.

Hemen hemen tüm makineler döner hareket yaparlar. Gerektiğinde döner hareketten lineer hareket elde edilir.

A noktasından B noktasına giden cisim s yolunu alır. S=R*θ dır.

Delta S yerine konup delta t sıfıra giderken limiti alınırsa ani hız;

maddesel ani açısal hız olup w ile gösterilir.

Açısal hızın ani değeri;

2.1. Düzgün döner hareket

T’nin her değeri için açısal ivme

2.1. Düzgün değişen döner hareket

Açısal hız

Hareket Olaylarının Kinetiği

Cisme etkiyen kuvvetlerin cismin kütlesi ve hareketi arasındaki bağıntıyı sağlar.

Newtonun 2. kanuna göre «Bir cisme etkiyen bileşke kuvvet sıfır değilse, cismin bileşke kuvvet doğrultusunda ve bu kuvvetle orantılı bir ivme kazanır.»

m kütlesi olan bir cisme F kuvveti uygulanırsa F kuvveti ile cismin kazandığı a ivmesi arasında,

ilişkisi vardır.

Serbest düşme yapan bir cisme etkiyen kuvvet kütle ise

Döner hareketteki genel ifadeler için aşağıdaki şekil kullanılır.

m kütlesinin yörünge üzerindeki hareketi için F=m.a bağıntısının her iki tarafı R ile çarpılır.

Döner cisim birden fazla momentin etkisinde ise cebirsel toplamı alınır.

BİRİM SİSTEMLERİ

Günümüzde ondalıklı (metrik) ve İngiliz ölçü birim sistemi olmak üzere başlıca iki temel ölçü birim sistemi kullanılmaktadır.

Burada sadece en fazla kullanılan ondalıklı (metrik) ölçü birim sistemi kısaca incelenecektir.

Ondalıklı ölçü birim sistemi, mutlak sistemler ve Gravitasyonel (çekimsel) sistem olmak üzere ikiye ayrılır.

Mutlak Sistemler

1-CGS Birim Sistemi

Bu sistemde temel büyüklükler uzunluk, kütle ve zaman olup, birimleri sırasıyla santimetre (cm), gram (gr) ve saniye (s) dir. 2-MKS (Giorgy) Sistemi

Bu sistemde, temel büyüklükler uzunluk, kütle ve zaman olup, birimleri sırasıyla metre(m), kilogram(kg) ve saniye(s) ‘dir. 3- Gravitasyonel Sistem (MkpS)

Bu sistemde temel büyüklükler uzunluk (m), kuvvet (kilogram-kuvvet veya kp) ve zaman (s)’dır. 1 kilopond veya 1 kilogram-kuvvet’lik kuvvet 9.81 Newton’a eşittir.

İŞ GÜÇ ENERJİ

1- Bir kuvvetin işi

Bir maddesel nokta (cisim), Şekil 1.10’da görüldüğü gibi, F kuvvetin tesiriyle A noktasından B noktasına kadar s yörüngesi üzerinde ds yolunu kat ederse yapılan iş,

1

Güç

Bir eksen etrafında dönecek şekilde yataklandırılmış R yarıçaplı bir motor endüvisinin çevresine etkiyen F kuvvetinin (α=0) yaptığı iş;

Kp = kilo pond

Tahrik Motoru Gücünün Hesabı

Doğrusal hareket eden bir cisme tahrik motorunun uyguladığı cer kuvveti F(kp), cismin bu kuvvet doğrultusundaki hızı v (m/s) ise, motorun mil gücü;

Şayet kuvvet ve hız vektörleri aynı yön ve doğrultuda değillerse, yukarıdaki bağıntıların sağ tarafları iki vektör arasındaki açısının kosinüsü ile çarpılmalıdır.

Düzgün döner hareketli bir cisme tahrik motorunun uyguladığı döndürme momenti M (kpm), dakikadaki devir sayısı n ise, motor mil gücü,

Enerji

İki önemli enerji şekli potansiyel ve kinetik enerjidir.

1- Potansiyel enerji Bir cismin durum veya pozisyonundan dolayı sahip olduğu enerji olup, örneğin G ağırlığında ve yerden h yüksekliğinde olan bir cismin sahip

olduğu potansiyel enerji,

2- Kinetik enerji

3- Bir Eksen etrafında dönen cismin kinetik enerjisi

W açısal hızı ile dönen R yarıçaplı ince cidarlı içi boş silindir şeklindeki cisim m kütlesine sahip olsun. Kinetik enerjide

yukarıda formülde çizgisel hız yerine v=R.w yazılırsa

Elektrik Motorlarında Isınma ve Soğuma

Elektrik motoru seçiminde motorun uygun güç ve hız – moment karakteristiğinin yanında, aşağıdaki özelliklerin de sağlanması gerekir.

Motor yüklendiğinde kararlı hal sıcaklık artışı, yalıtım sınıfına göre kabul edilebilir seviyelerde

olmalıdır.

Geçici durumlardan kararlı hale geçene kadar motorun tatminkâr bir rejim izlemesi beklenir.

Yük, moment, güç ve akım diyagramlarından bu seçim yapılabilir.

Yük diyagramı yardımıyla bir motor seçildiğinde tam yükte ısı artışı olmamasına dikkat edilmelidir.

Kısa süreli aşırı yüklenmelerde stabil ve motoru istenilen hıza istenilen zamanda ulaştırması için sağlanan

momentin uygun olması gerekir.

Güç kayıpları ve elektrik motorlarının ısınması

Bir elektrik motoru, armatürlerden ve uyarma sargıları yüzünden, bakır kayıplarına, histerezis ve fuko akımlarından

kaynaklanan demir kayıplarına, sürtünme vantilasyon gibi mekanik kayıplara maruz kalır.

Bu önlenemeyen kayıplar bölgesel ısınmaya, dolayısıyla motorun sıcaklığının artmasına neden olur.

Isı oluştuğu yerden, daha soğuk dış ortama doğru akar. Bu yüzden motorlarda ısı ve sıcaklık artışı denklemi

kayıplardan meydana gelen bir fonksiyondan oluşur.

Isıl denge ve makinenin soğuması

Boşta çalışma veya hafif yüklü çalışmalarda ısı akışı demir kısımlardan hava aralığına doğruyken,

yüklenme arttıkça ısı akışının yönü değişerek hava aralığından demir çekirdeğe doğru akar.

Motor sıcaklık artışını hesaplamak için önemli ölçüde bir basitleştirmeye gereksinim duyulur. Bir elektrik motorunun ısınma ve soğuma hesapları aşağıdaki basitleştirmelere dayanır:

Makine, sıcaklık dağılımı değişmeyen, büyük ölçüde homojen bir gövdeye sahip olmalıdır.

Isı oluşan her noktanın sıcaklığı aynı değere sahip olmalıdır.

Soğutma ortamına dağıtılan ısı da aynı değere sahip olmak durumundadır.

Meydana gelen ısı dağılımı, gövde ve ortam sıcaklıkları arasındaki fark ile orantılı olmalıdır.

Isı dağılım oranı tüm sıcaklık değerleri için aynı olmalıdır.

Sürekli İşletmeler

Sabit yükle çalışan işletmeler, cismin sıcaklığı arttıkça ortama ısı yayar bu artış ısı alışverişi eşit oluncaya kadar devam eder. Sürekli işletmede ısınma olayı (Motorun Isınması) Makine homojen yapıda olduğu kabul edilir.

Çevredeki ortamlar temasta bulunan her yerde sıcaklık derecesi aynı kabul edilir. Bunlar dikkate alınarak; Q (Joule /s=Watt): Motorun içinde birim zamanda meydana gelen ısı miktarı A (Joule / s ) : Motorun ısı yayma katsayısı : 1 lik bir sıcaklık ve birim zamanda motorun çevresindeki ortama verdiği ısı miktarı C (Joule / ) Motorun ısıl kapasitesi çevreye göre motorun 1 ısı artışında içeride biriken ısı miktarı Motorun çevreye göre üst sıcaklık derecesi farkıdır.

dt zaman aralığında motorda çıkan ısı Q.dt (joule, watt.s)

Motor sıcaklığındaki artış miktarı

dt zamannın ortama bırakılan ısı miktarı

Sıcaklık artışında motorda biriken ısı

Isıl denge denklemi

motorda çıkan ısı ortama bırakılan ısı miktarı motorda biriken ısı

Motor ısınma bakımından homojen kabul edilip A, C sabit alınıp denklem düzenlenirse

Motorun ısınma sabiti

ilk sıcaklık derecesi

Isınma zaman sabiti motorun çevresindeki ortama hiç ısı vermeksizin sürekli rejim sıcaklığına erişmesi için geçen süredir.

Küçük güçlü motorlarda 10-20dk

Büyük güçlü motorlarda birkaç saattir.

t=0 anında ise

makinanın sıcaklık derecesini gösterir.

Isınma eğrisi

Sürekli işletmede motorun soğuması

Motor belirli bir üst sıcaklık dercesine eriştikten sonra akım kesilirse Qdt=0 olur. Bu durumda soğuma için;

burdan

elde edilir

Soğuma eğrisi

Elektrik motorlarının işletme karakteristikleri

Elektrikle tahrikte, doğru ve alternatif akımla çalışan yapı, çalışma ve kullanım alanları farklı elektrik

motorları, işletme karakteristiklerine göre şönt ve seri karakteristikli motorlar olmak üzere iki ana

gruba ayrılır. Şekil 2.13’de seri ve şönt karakteristikli motorların Hız-Moment karakteristikleri

görülmektedir

Seri ve şönt karakteristik arasında en önemli fark yükle devir sayısının değişim hızlarının farklı

olmasıdır.

Şönt karakteristikli motorlarda değişim hızı çok düşük ve yaklaşık olarak sabit iken, seri

karakteristikli motorlarda yük ile birlikte geniş ölçüde değişir.

Şekil 2.14’de ise her iki motor grubuna ait Moment-Akım karakteristikleri gösterilmiştir.

DC şönt motoru, tek ve üç fazlı asenkron ve senkron motorlar, tek ve üç fazlı kolektörlü şönt

motorlar şönt karakteristiğe sahiptirler.

Buna karşın DC seri motoru, tek ve üç fazlı alternatif akım seri motoru seri karakteristiğe

sahiptir.

Seri motorlar, şönt motorlara göre daha yüksek bir yol alma momentine sahiptir.

Bu nedenle seri motorlar ağır yük altında yolalan tahrikler için elverişli olup, hassas devir sayısına

ihtiyaç duyulan tahrik sistemlerinde kullanılması uygun değildir.

Ayrıca seri motorlar hız moment karakteristiğinin doğal sonucu olarak boşta çalıştırılamazlar.

Bu nedenle yüksüz kalan tahrik sistemlerinde seri motor kullanılması sakıncalıdır.

Seri karakteristikli motorlar ulaşım sistemlerinde, düşük güçlü ev aletlerinde geniş ölçüde kullanılır.

Şönt karakteristikli motorlar ise, seri karakteristikli motorların uygulama alanları dışında kalan ve

hassas devir sayısı ayarına ihtiyaç gösteren çeşitli iş makinesi ve takım tezgâhlarında geniş ölçüde

kullanılmaktadır.

İşletme Özellikleri

Tahrik sistemlerinde normal sürekli çalışmanın yanı sıra, devir sayısı ayarı, dönüş yönünün

değiştirilmesi ve motorun fren olarak çalıştırılması istenir.

İşletme özellikleri olarak tanımlanan bu üç husus tahrik sistemlerinin önemli bir bölümünü teşkil eder.

Devir Sayısı Ayarı:

Çoğu iş makineleri ve takım tezgâhlarının tahrikinde iş hacmini yükseltmek ve istenen iş kalitesini

elde etmek için devir sayısı ayarına gerek vardır.

Elektrik motorlarında kullanılan genel devir sayısı ayar metotlarına geçmeden önce devir sayısı ayar

metotlarının izahına yarayan ve birinin diğeri ile karşılaştırılmasına imkân veren hususları inceleyelim.

1-Ayar alanı: Bir tahrik sisteminde maksimum devir sayısının minimum devir sayısına oranı olarak

tanımlanır ve aşağıdaki gibi yazılabilir.

2- Süreklilik

İki komşu devir sayısı arasındaki orandır.

ks 1’e yaklaştıkça devir sayısı o kadar süreklidir.

3- Ayar ekonomisi

Devir sayısı ayarında toplam kayıplar delta P ve motor milindeki güç P ise sistem verimi

Sürekli bir devir sayısı ayarı halinde ortalama verim

4- Stabilite (Dinamik Performans)

Stabilite hızdaki değişim miktarının momentteki değişim miktarına oranı olarak tanımlanır

5- Ayar Yönü

Ayar sırasında devir sayısının nominal devir sayısına göre düşmesi veya artması

6- Aşırı yükler

Devir sayısı ayarı ile motor milindeki yük momenti değişir.

Devir sayısı düştükçe yük momentinde, dolayısıyla yük akımı ve yük kayıplarında artış görülür.

Elektrik makinalarında aşırı yük motorun ısınmasından başka mekanik dayanıklılık devrilme momenti ve komütasyon

gibi faktörlerle sınırlıdır.

Elektrik Motorlarında kullanılan genel devir sayısı ayar metotları

- Endüvi (Rotor) devresine ilave edilen kademeli dirençle devir sayısı ayarı

- Endüvi (Stator) devresine değişken gerilim uygulayarak

- Alan akımı değiştirilerek

- Stator geriliminin frekansı değiştirilerek

- Fırça kaydırılarak

Dönüş yönünün değiştirilmesi

Elektrikle tahrikte bazı uygulamalarda dönüş yönünün değiştirilmesi istenir.

Doğru akım makinalarında evdüvi veya alan akımının yönü değiştirilerek

Asenkron ve senkron motorlarda döner alanın yönü değiştirilerek

Elektrik motorunun fren olarak çalıştırılması

Elektrikle tahrik sistemlerinde sık sık devir yönü değişimi, sık sık yol verilen durumlarda ve enerji tüketiminde ekonomi sağlamak, iş

üretim kalitesi ve kapasitesini yükseltmek ve normal olmayan çalışma durumlarında doğacak tehlikeleri ortadan kaldırmak için tahrik

motoru fren olarak çalıştırılır.

Elektrik motorlarında

1- Faydalı

2- Direnimle

3- Ters akım bağlantısı ile frenleme yapılır ve generatör olarak çalışır

1- Faydalı Fren Çalışması

Faydalı fren çalışmada tahrik edilen sistemin mekanik enerjisi tahrik makinesi (generatör) tarafından elektrik enerjisine çevrilerek şebekeye geri verilir.

2- Direnimle Fren Çalışma

Bu fren çalışmada motorun endüvisi şebekeden ayrılarak kademeli bir direnç üzerinden kapatılır ve enerji bu dirençlerde harcanır. Şekil 2.17’de direnimle fren çalışmaya ait esas güç devresi gösterilmiştir

3- Ters akım bağlantısı ile fren çalışma

Bu fren çalışmada motorun şebeke ile bağlantısı devam eder ve generatör halde endüvi bağlantısında değişiklik yapılarak devresine direnç ilave edilir. Şekil 2.18’de ters akım bağlantısı ile fren çalışma şekline ait esas güç devresi gösterilmiştir

İşletme Özellikleri

Tahrik sistemlerinde normal sürekli çalışmanın yanı sıra, devir sayısı ayarı, dönüş yönünün