mak592 - ac ve dc motorlar

ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ

MAKĠNE FAKÜLTESĠ

MAKĠNE MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ

SĠSTEM DĠNAMĠĞĠ VE KONTROL YÜKSEK LĠSANS PROGRAMI

AC VE DC MOTORLAR

Hazırlayanlar

518101017 Eyüp ÇELEBĠ

503101613 BarıĢ ÖZ

Öğretim Görevlisi

Doç. Dr. Kenan KUTLU

MART 2011

i

ĠÇĠNDEKĠLER

ĠÇĠNDEKĠLER ............................................................................................................................ i

ġEKĠL LĠSTESĠ ........................................................................................................................ iv

1 ALTERNATĠF AKIM MAKĠNELERĠ .............................................................................. 1

1.1 ALTERNATĠF AKIM MAKĠNELERĠNĠN TEMELLERĠ ......................................... 1

1.1.1 Düzgün Bir Manyetik Alandaki Basit Bir Ġletken Çerçeve .................................. 1

1.1.2 Basit Bir Dönen Çerçevede Endüklenen Gerilim ................................................ 1

1.1.3 Akım TaĢıyan Bir Çerçevede Ġndüklenen Moment .............................................. 4

1.2 ASENKRON MOTORLAR ........................................................................................ 7

1.2.1 Bir Fazlı Asenkron Motorlar ................................................................................ 7

1.2.1.1 Yolverme Düzenleri ...................................................................................... 8

1.2.2 Üç Fazlı Asenkron Motorlar ................................................................................ 9

1.3 ASENKRON MOTORLARIN YAPISI .................................................................... 11

1.4 ASENKRON MOTORUN TEMEL KAVRAMLARI .............................................. 14

1.4.1 Asenkron Motorun ÇalıĢma Prensibi ve Hızı .................................................... 14

1.4.2 Asenkron Motorda Rotor Kayması Kavramı ..................................................... 14

1.4.3 Rotorun Elektriksel Frekansı .............................................................................. 16

1.5 ASENKRON MOTORUN EġDEĞER DEVRESĠ ................................................... 16

1.5.1 Asenkron Motorun Transformatör EĢdeğer Devresi .......................................... 17

1.6 ASENKRON MOTORLARDA GÜÇ VE MOMENT .............................................. 20

1.6.1 Kayıplar ve Güç AkıĢ Diyagramı ....................................................................... 20

1.6.2 Asenkron Motorda Güç ve Moment ................................................................... 22

1.6.3 Asenkron Motor Moment-Hız Eğrisi Üzerine Yorumlar ................................... 24

1.6.4 Asenkron Motorlara Yolverme Yöntemleri ....................................................... 26

1.6.4.1 Direk Yolverme .......................................................................................... 27

1.6.4.2 Ön Direnç Ġle Yolverme .............................................................................. 27

1.6.4.3 Oto-Trafo Ġle Yolverme .............................................................................. 28

1.6.4.4 Rotora Direnç Bağlayarak Yol verme ......................................................... 30

1.7 SENKRON MOTORLAR ......................................................................................... 31

1.7.1 Senkron Motor ÇalıĢma Prensibi ....................................................................... 31

1.7.2 Senkron Motor EĢdeğer Devresi ........................................................................ 32

1.7.3 Manyetik Alan BakıĢ Açısından Senkron Motor ............................................... 33

1.8 SENKRON MOTORUN SÜREKLĠ DURUM ÇALIġMASI ................................... 35

ii

1.8.1 Senkron Motor Moment-Hız Karakteristik Eğrisi ............................................. 35

1.9 SENKRON MOTORLARA YOL VERME YÖNTEMLERĠ ................................... 37

1.9.1 KalkıĢ Motoru ile Yol Verme ............................................................................. 37

1.9.2 Senkron Yol Verme ............................................................................................ 37

1.9.3 Asenkron Yol Verme ......................................................................................... 38

1.9.3.1 Senkronlama ............................................................................................... 39

1.9.4 Senkron Makinenin ĠĢletme Biçimleri ve Reaktif Güç Ayarı ............................ 40

1.9.5 Senkron Motorda V-Eğrileri .............................................................................. 41

2 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠ ....................................................................................... 42

2.1 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN TEMELLERĠ ................................................. 42

2.1.1 Eğimli Kutup Alınları Arasında Dönen Basit Bir Ġletken Çerçeve .................... 42

2.1.2 Dönen Çerçevede Ġndüklenen Gerilim ............................................................... 43

2.1.3 Dönen Çerçevede Ġndüklenen Moment .............................................................. 46

2.2 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN SINIFLANDIRILMASI ................................ 48

2.2.1 Sargı ve kutuplara göre sınıflandırma ................................................................ 48

2.2.2 Uyarma geriliminin sağlanma Ģekline göre sınıflandırma ................................. 48

2.3 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN BÖLÜMLERĠ ................................................ 49

2.3.1 Endüvi ................................................................................................................ 49

2.3.2 Stator .................................................................................................................. 50

2.3.3 Kollektör ve Fırçalar .......................................................................................... 50

2.4 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN ÇALIġMA PRENSĠBĠ ................................... 51

2.4.1 Komütasyon ....................................................................................................... 51

2.4.2 Endüvi Reaksiyonu ............................................................................................ 52

2.4.3 Endüvide Endüklenen Gerilimin Ġfadesi ............................................................ 52

2.5 DOĞRU AKIM MOTORLARI ................................................................................. 53

2.5.1 Doğru Akım Motorlarının Sürekli ÇalıĢma (Kararlı Durum) Hali .................... 54

2.5.2 Doğru Akım Motorlarının Uyarma Geriliminin Sağlanma ġekillerine Göre

Sınıflandırılması ................................................................................................................ 55

2.5.2.1 Serbest Uyarmalı Doğru Akım Motorları ................................................... 55

2.5.2.2 ġönt Uyarmalı Doğru Akım Motorları ....................................................... 56

2.5.2.2.i ġönt Motorlarda Hız-Akım Karakteristiği ................................................ 57

2.5.2.2.ii Doğru Akım ġönt Motorlara Yol Verme ................................................. 61

2.5.2.3 Seri Uyarmalı Doğru Akım Motorları ........................................................ 64

2.5.2.3.i Doğru Akım Seri Motorlara Yol Verme ................................................... 66

iii

2.5.2.4 Kompunt Uyarmalı Doğru Akım Motorları ................................................ 67

2.5.3 Doğru Akım Makinelerinde Güç AkıĢı Ve Kayıplar ......................................... 70

2.5.3.1 Doğru Akım Makinelerindeki Kayıplar ...................................................... 71

2.5.3.1.i Elektriksel Veya Bakır Kayıpları .............................................................. 71

2.5.3.1.ii Fırça Kayıpları ......................................................................................... 72

2.5.3.1.iii Demir Kayıpları ...................................................................................... 72

2.5.3.1.iv Mekanik Kayıplar ................................................................................... 73

2.5.3.1.v Dağılma Kayıpları .................................................................................... 73

2.5.3.2 Doğru akım motorlarında güç akıĢ diyagramı ............................................ 73

2.5.4 Doğru Akım Motorlarında Hız Kontrol Yöntemleri .......................................... 74

2.5.4.1 Endüvi Devresine Kademeli Direnç Ekleyerek Yapılan Hız Kontrolü ...... 75

2.5.4.2 Alan Akımı DeğiĢtirilerek Yapılan Hız Kontrolü ....................................... 76

2.5.4.3 DeğiĢken Gerilim Uygulanarak Yapılan Hız Kontrolü............................... 77

2.5.4.3.i Ward-Leonard Sistemi Ġle Hız Kontrolü .................................................. 77

2.5.4.4 Yarı iletkenler ile Hız kontrolü ................................................................... 80

2.5.4.4.i Bir fazlı sürücülerle kontrol ...................................................................... 80

2.5.4.4.ii Üç Fazlı Sürücülerle Kontrol ................................................................... 81

2.5.4.4.iii Kıyıcı (Chopper) sürücüler ..................................................................... 81

2.5.4.5 Darbe GeniĢlik Modülasyonu Ġle Hız Kontrolü .......................................... 83

KAYNAKLAR ......................................................................................................................... 84

iv

ġEKĠL LĠSTESĠ

ġekil 1.1.1 - Düzgün manyetik alan içerisinde bulunan bir makine .......................................... 1

ġekil 1.1.2 - Manyetik alan ve gerilimin fazör diyagramları ..................................................... 2

ġekil 1.1.4 - Manyetik alan ve kuvvetin fazör diyagramları ...................................................... 4

ġekil 1.1.3 - Rotorun manyetik alan içerisindeki yeri ................................................................ 4

ġekil 1.2.1 - Bir fazlı asenkron motorun pozitif ve negatif (fren) moment özeğrileri ve bileĢke

moment özeğrisi ......................................................................................................................... 7

ġekil 1.2.2 - a)YöndeĢ motorun b)KarĢı motorun c)Tek fazlı asenkron motorun eĢdeğer

devreleri ...................................................................................................................................... 8

ġekil 1.2.3 - Yardımcı sargı devresinde a)Kondansatör b)Direnç c)Endüktans kullanılması .... 9

ġekil 1.2.4 - Yol verme düzenleri .............................................................................................. 9

ġekil 1.3.1 - Stator sargılarını gösteren tipik bir asenkron motorun statoru ............................ 11

ġekil 1.3.2 - a)Kafes rotorun taslak çizimi ............................................................................... 12

ġekil 1.3.3 - a)Tipik kafes rotorlu küçük asenkron motorun kesiti b) Tipik kafes rotorlu büyük

asenkron motorun kesiti ........................................................................................................... 12

ġekil 1.3.4 - Asenkron motorlar için tipik bilezikli rotorlar.(Rotor sargılarını bileziklere

bağlayan çubuklara ve bileziklere dikkat ediniz) ..................................................................... 13

ġekil 1.3.5 - Bilezikli bir asenkron motorun kesit diyagramı. Fırça ve bileziklere dikkat ediniz

.................................................................................................................................................. 13

ġekil 1.5.1 - dönüĢtürme oranlı ideal bir transformatör ile bağlı stator ve rotorun olduğu

bir asenkron motor eĢdeğer devresi .......................................................................................... 17

ġekil 1.5.2 - Bir asenkron motor ile transformatörün karĢılaĢtırılmalı mıknatıslanma eğrisi .. 18

ġekil 1.5.3 - : direnci üzerinde yoğunlaĢtırılan tüm frekans etkilerini gösteren rotor devre

modeli ....................................................................................................................................... 19

ġekil 1.5.4 - Bir asenkron motorun faz baĢına eĢ değer devresi .............................................. 20

ġekil 1.6.1 - Bir asenkron motorun güç akıĢ diyagramı ........................................................... 21

ġekil 1.6.2 - Asenkron motor için tipik moment-hız karakteristik eğrisi ................................. 24

ġekil 1.6.3 - Asenkron motorun geniĢletilmiĢ iĢletme aralıklarını (frenleme bölgesi ve

generatör bölgesi) gösteren moment- hız karakteristik eğrisi ................................................. 25

ġekil 1.6.4 - Asenkron Motorun 'L' EĢdeğer Devresi ............................................................... 26

ġekil 1.6.5 - Hattan çekilen akımın efektif değerinin zamana göre değiĢimi .......................... 27

ġekil 1.6.6 - DıĢ Karakteristik DeğiĢimi .................................................................................. 28

ġekil 1.6.7 – Oto trafo Ġle Yolverme Bağlantı ġeması ............................................................. 29



ġekil 1.7.1 - Ġki kutuplu senkron motor ................................................................................... 32

ġekil 1.7.2 - a)Üç fazlı senkron motorun tam eĢdeğer devresi b) Faz baĢına eĢdeğer devre ... 33

ġekil 1.7.3 - a) Geri güç faktöründe çalıĢan bir senkron generatörün fazör diyagramı; b)

KarĢılık gelen manyetik alan diyagramı ................................................................................... 34

ġekil 1.7.4 - a) Bir senkron motorun fazör diyagram; b) KarĢılık gelen manyetik alan

diyagramı .................................................................................................................................. 34

ġekil 1.8.1 - Bir senkron motorun moment-hız karakteristiği. ................................................. 36

ġekil 1.9.1 - Senkron Motorda değiĢik yük momentleri için elde edilen V-eğrileri ................ 41

v

ġekil 2.1.1 - Temel doğru akım makinesi ................................................................................ 42

ġekil 2.1.2 - Dönen çerçevede indüklenen gerilim .................................................................. 43

ġekil 2.1.3 - Rotor ve kutup yüzey alanları .............................................................................. 45

ġekil 2.1.4 - Doğru akım makinesine bağlı bir batarya ............................................................ 46

ġekil 2.1.5 - Doğru akım makinelerinde moment kavramı ...................................................... 46

ġekil 2.3.1 - Endüvi .................................................................................................................. 49

ġekil 2.3.2 - Stator .................................................................................................................... 50

ġekil 2.3.3 - Kollektör .............................................................................................................. 50

ġekil 2.3.4 - Motorun Ġç Yapısı ................................................................................................ 51

ġekil 2.5.1 - Motor endüvi ve uyarma devresi modelleri ......................................................... 54

ġekil 2.5.2 - Serbest uyarmalı doğru akım motorun elektriksel eĢdeğer devresi ..................... 55

ġekil 2.5.3 - Doğru akım Ģönt motorun elektriksel eĢdeğer devresi......................................... 56

ġekil 2.5.4 - Doğru akım Ģönt motorda endüvi momentinin endüvi akımı ile değiĢimi .......... 57

ġekil 2.5.5 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen endüvi direncine ait karakteristikler ........... 59

ġekil 2.5.6 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen endüvi gerilimine ait karakteristikler ......... 60

ġekil 2.5.7 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen alan akımına ait karakteristikler ................. 61

ġekil 2.5.8 - ġönt motora bir kademeli yol verme ................................................................... 62

ġekil 2.5.9 - Üç kademeli yol verme ........................................................................................ 63

ġekil 2.5.10 - ġönt motorun hız-akım yol verme karakteristiği ............................................... 64

ġekil 2.5.11 - ġönt motorun e.m.k-akım yol verme karakteristiği ........................................... 64

ġekil 2.5.12 - Doğru akım seri motor elektriksel eĢdeğer devresi ........................................... 65

ġekil 2.5.13 - DC seri motorun yol verme halindeki n-I karakteristiği .................................... 66

ġekil 2.5.14 - DC seri motorun yol verme halindeki E-I karakteristiği ................................... 66

ġekil 2.5.15 - DC seri motorun yol verme halindeki -I karakteristiği ................................... 66

ġekil 2.5.16 - Uzun Ģönt uyarma .............................................................................................. 67

ġekil 2.5.17 - Kısa Ģönt uyarma ............................................................................................... 67

ġekil 2.5.18 - Arttırmalı ve azaltmalı kompunt motor için indüklenen momentin endüvi

akımına bağlı değiĢimi ............................................................................................................. 68

ġekil 2.5.19 - Arttırmalı ve azaltmalı kompunt motor için hızın endüvi akımına bağlı değiĢimi

.................................................................................................................................................. 69

ġekil 2.5.20 - Kompunt motorun moment-hız değiĢimi ........................................................... 70

ġekil 2.5.21 - Doğru akım motorları için güç akıĢ diyagramı .................................................. 74

ġekil 2.5.22 - DC Ģönt motorun endüvi devresine direnç ilave edilerek elde edilen ayar

karakteristikleri ......................................................................................................................... 76

ġekil 2.5.23 - DC seri motorun endüvi devresine direnç ilave edilerek elde edilen ayar

karakteristikleri ......................................................................................................................... 76

ġekil 2.5.24 - Ward-Leonard DC motor hız kontrol devresi .................................................... 78

ġekil 2.5.25 - Ward-Leonard sistemiyle elde edilen sabit güç ve tork eğrisi ........................... 78

ġekil 2.5.26 - Bir fazlı DC konvertörlü sürücü ........................................................................ 80

ġekil 2.5.27 - Üç fazlı yarım dalga konverterli sürücü devresi ................................................ 81

ġekil 2.5.28 - Kıyıcı devresi ile hız kontrol devresi ve gerilim-zaman eğrisi .......................... 82

ġekil 2.5.29 - DeğiĢken görev saykılına sahip PWM sinyal .................................................... 83

1

1 ALTERNATĠF AKIM MAKĠNELERĠ

1.1 ALTERNATĠF AKIM MAKĠNELERĠNĠN TEMELLERĠ

Alternatif akım makineleri, mekanik enerjiyi alternatif akım elektrik enerjisine dönüĢtüren

generatörler ve alternatif akım elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüĢtüren motorlardan

oluĢur. Alternatif akım makinelerinin temel prensipleri çok basittir. Fakat gerçek makinelerin

karmaĢık yapıları nedeniyle bu basitlik net olarak görülmez. Bu bölümde önce basit örneklerle

alternatif akım makinelerinin çalıĢma prensipleri ele alınacak sonra da gerçek alternatif akım

makinelerinin imalatındaki bazı zorluklara değinilecektir.

1.1.1 Düzgün Bir Manyetik Alandaki Basit Bir İletken Çerçeve

Alternatif akım makinelerinin

incelenmesine düzgün bir manyetik

alanda dönen basit bir iletken çerçeve ile

baĢlayacağız. Düzgün bir manyetik

alandaki bir iletken çerçeve, sinüsoidal

bir alternatif gerilimi üretebilecek en

basit makinedir. Bu durum, gerçek

alternatif akım makinelerini temsil

etmez. Çünkü gerçek alternatif akım makinelerindeki akı hem yön hem de genlik açısından

sabit değildir. Bununla birlikte, çerçeve üzerindeki gerilim ve momenti kontrol eden

büyüklükler, gerçek alternatif akım makinelerindeki gerilim ve momenti kontrol eden

büyüklüklerle aynı olacaktır.

ġekil 1.1.1 esas itibariyle sabit ve düzgün bir manyetik alan üreten sabit büyük bir mıknatısla

bu alan içerisinde dönen bir çerçeveden oluĢan basit bir makineyi göstermektedir. Makinenin

dönen rotordaki gerilimleri hesaplayacağız

1.1.2 Basit Bir Dönen Çerçevede Endüklenen Gerilim

Eğer bu makinenin rotoru döndürülürse, sargı uçlarında bir gerilim endüklenecektir. Gerilimin

Ģekli ve genliğini hesaplamak için, ġekil 1.1.2‟yi inceleyiniz. Gösterilen çerçeve, ve

kenarları kağıt düzlemine, ve kenarları ise kağıt düzlemine paralel olan bir

dikdörtgendir. Manyetik alan, yönü sayfa boyunca soldan sağa doğru olan sabit ve düzgün bir

alandır.

ġekil 1.1.1 - Düzgün manyetik alan içerisinde bulunan bir

makine

2

Çerçeve üzerindeki toplam gerilimi

hesaplamak için, çerçevenin her bir parçasını

ayrı ayrı inceleyecek ve nihai gerilimleri

toplayacağız. Çerçevenin her bir parçası

üzerindeki gerilim Denklem 1.1.1 ile verilir.

(1.1.1)

1. parçası : Bu parçada çerçevenin hızı dönme yönüne teğettir. Bu durumda

manyetik alanı Ģekil 1.1.2.b‟deki gibi sağa doğrudur. vektörünün yönü sayfanın

içine doğru ve parçası ile aynı yöndedir. Bu nedenle, çerçevenin bu parçası

üzerinde indüklenen gerilim Ģu Ģekilde, sayfanın içine doğru olur.

(1.1.2)

2. parçası : Bu parçanın ilk yarısında vektörünün yönü sayfanın içine doğru,

ikinci yarısında ise sayfadan dıĢarıya doğrudur. uzunluğu sayfa düzlem içinde

olduğu için değeri parçanın her iki kısmı için ‟ya diktir. Bu yüzden

parçasındaki gerilim sıfır olur.

(1.1.3)

3. parçası : Bu parçada, sargının hızı dönme yönüne teğettir. Manyetik alan ise

ġekil 1.1.2.c‟de gösterildiği gibi sağa doğrudur. büyüklüğü sayfaya doğru olup,

parçası ile aynı yöndedir. Bundan dolayı sargının bu parçası üzerinde indüklenen

gerilim Ģu Ģekilde sayfadan dıĢa doğru olur.

(1.1.4)

4. parçası : parçasındaki gibi, ‟ye diktir. Bu yüzden bu parçadaki

gerilim de sıfır olacaktır.

(1.1.5)

Çerçeve üzerinde indüklenen gerilim bu kenarların her biri üzerindeki

gerilimlerin toplamına eĢit olur.

ġekil 1.1.2 - Manyetik alan ve gerilimin fazör

diyagramları

3

(1.1.6)

ve olduğunu tekrar edersek indüklenen

gerilim Ģu Ģekilde olur.

(1.1.7)

Tek çerçeveli sistemin davranıĢından hareketle daha büyük bir sistemin, yani gerçek alternatif

akım makinelerinin davranıĢı ile iliĢkilendirilen Denklem 1.1.7‟yi ifade etmenin baĢka bir

yolu daha vardır. Bu alternatif ifadeyi türetmek için ġekil 1.1.2‟nin tekrar incelenmesi uygun

olacaktır. Eğer çerçeve sabit bir açısal hız ile dönüyorsa, bu durumda, çerçevenin açısı

zamanla, doğrusal olarak artacaktır. Bir baĢka ifadeyle açısı ve çerçevenin kenarlarının

çizgisel hızı Ģöyle ifade edilebilir.

(1.1.8)

(1.1.9)

Burada , dönme ekseninden çerçevenin dıĢ kenarına doğru ölçülen yarıçapı, ise

çerçevenin açısal hızını göstermektedir. Bu ifadeleri Denklem 1.1.7‟de yerine koyarak Ģu

ifade elde edilir.

(1.1.10)

ġekil 1.1.1.b‟den çerçevenin A alanının ‟ye eĢit olduğuna dikkat edilecek olursa

gerilim ifadesi revize edilmiĢ olur.

(1.1.11)

Son olarak; çerçeve, manyetik akı yoğunluğu kuvvet çizgilerine dik olduğunda,

çerçeve içinde maksimum akı meydana gelir. Bu akı çerçevenin yüzey alanı ile çerçeve

içindeki akı yoğunluğunun çarpımına eĢittir.

=AB (1.1.12)

Bu nedenle, gerilim denkleminin en son Ģekli aĢağıdaki gibi olur.

4

(1.1.13)

Buna göre, çerçevede üretilen gerilimin genliği içindeki akı ile hızının çarpımına eĢittir.

Bu ifade alternatif akım makineleri için de geçerlidir. Genelde, herhangi bir gerçek

makinedeki gerilim, üç faktöre bağlıdır.

1. Makine içindeki akıya

2. Dönme hızına

3. Makinenin yapısını gösteren bir sabite (çerçeve sayısı vs.)

1.1.3 Akım Taşıyan Bir Çerçevede İndüklenen Moment

ġimdi, çerçeveden yapılmıĢ olan rotorun manyetik

alana göre keyfi bir açısında olduğunu ve ġekil

1.1.3‟te gösterildiği gibi bir akımının da çerçeveden

geçirildiğini kabul edelim. Eğer çerçeveden bir akım

akarsa, çerçeve üzerinde bir moment indüklenir.

Momentin genlik ve yönünü hesaplamak için ġekil

1.1.4‟i inceleyiniz. Çerçevenin her bir parçası

üzerindeki kuvvet Denklem 1.1.14 ile verilir.

ġekil 1.1.4 - Manyetik alan ve kuvvetin fazör diyagramları

ġekil 1.1.3 - Rotorun manyetik alan

içerisindeki yeri

5

(1.1.14)

Burada; Parçadaki akımın genliğini

Akım akıĢ yönünde tanımlanan yönündeki parçanın uzunluğu

Manyetik akı yoğunluğu vektörünü gösterir.

Parça üzerindeki moment bu durumda Ģu denklem ile verilir.

(uygulanan kuvvet)(düĢey mesafe)

(1.1.15)

Burada , r vektörü ile F vektörü arasındaki açıdır. Momentin yönü, kuvvet saat dönüĢ

yönünde döndürmeye çalıĢıyorsa saat dönüĢ yönünde, saatin dönüĢ yönünün aksi yönünde

döndürmeye çalıĢıyorsa saat dönüĢ yönü aksi yönündedir.

1. parçası : Bu parçada, manyetik alan B sağa doğru iken, akımın yönü sayfa

düzleminin içine doğrudur. (ġekil 1.1.4.a). büyüklüğü sayfa düzleminin içine

doğru yönelmiĢtir. Bu nedenle telin bu parçası üzerinde indüklenmiĢ kuvvet aĢağı ve

moment saat ibreleri yönünde olmak üzere Ģu Ģekilde olur.

(1.1.16)

(1.1.17)

2. parçası : Bu parçasında, akımın yönü sayfa düzlemi içine doğru iken, manyetik

alanı ġekil 1.1.4.b‟de gösterildiği gibi sağa doğrudur. bu yüzden telin bu parçası

üzerinde indüklenen kuvvet

(1.1.18)

Bu parça için, sonuç moment sıfırdır. Çünkü ve vektörleri paraleldir (sayfa düzlemine

doğru) ve açısı sıfırdır.

6

(1.1.19)

3. parçası : Bu parçada, akımın yönü sayfa düzleminden dıĢarı doğrudur. manyetik

alanı ise ġekil 1.1.4.c‟de gösterildiği gibi sağa doğrudur. çarpımı yukarı

doğrudur. Bu yüzden telin bu parçası üzerinde indüklenen kuvvet ve moment Ģu

Ģekilde olur.

yukarı (1.1.20)

saat yön. (1.1.21)

4. parçası : Bu parçada, akımın yönü sayfa düzlemi içinde, manyetik alanı ise ġekil

1.1.4.c‟de gösterildiği gibi sağa doğrudur. çarpımı sayfa düzleminden dıĢarı

doğrudur. Bu yüzden telin bu parçası üzerinde indüklenen kuvvet ve moment Ģu

Ģekilde olur.

sayfanın dıĢına (1.1.22)

(1.1.23)

Çerçeve üzerinde indüklenen moment , çerçevenin her bir parçasındaki

momentlerin toplamıdır.

(1.1.24)

olduğuna göre indüklenen toplam moment Ģu Ģekilde bulunur.

(1.1.25)

7

1.2 ASENKRON MOTORLAR

1.2.1 Bir Fazlı Asenkron Motorlar

Bir fazlı asenkron motorun tek fazlı stator sargısı alternatif gerilimle beslenirse, alternatif bir

alan elde edilir. Söz konusu alan, Euler denklemine göre ifade edilecek olursa, genlik olarak

birbirine eĢit, fakat ters yönde dönen iki döner alan bileĢeni ile ifade edilebilir.

(1.2.1)

ġekil 1.2.1 - Bir fazlı asenkron motorun pozitif ve negatif (fren) moment özeğrileri ve bileĢke moment özeğrisi

Genlikleri alternatif alan genliğinin yarısına eĢit olan bu döner alanlar, rotor kafesinde

endükledikleri rotor akımları ile beraber ters yönlerde etkiyen iki döndürme momenti

oluĢtururlar. Durmada her iki döner alanın rotora göre bağıl hızları, dolayısıyla endükledikleri

akımlar ve oluĢturdukları döndürme momentleri eĢit değerdedir. Bu iki döndürme momenti

ters yönde eĢit değerde olduklarından bileĢke döndürme momenti daima sıfırdır . KalkıĢ

momenti bulunmadığından gerçek tek fazlı motor hiç bir zaman kendi kendine kalkıĢ

yapamaz.

Durmada bu motor tek fazlı transformatör davranıĢı gösterecektir. Motor herhangi bir

Ģekilde bir yöne döndürülecek olursa, ancak o zaman bileĢke moment sıfırdan farklı olacak ve

motor döndürülen yönde hareket edecektir.

Motorun iĢletme davranıĢını açıklayabilmek için simetrili bileĢenler kuramından

yararlanılır. Buna göre tek fazlı asenkron makine yerine aynı mile bağlı ve ters yönlerde

dönmeye çalıĢan iki tane üç fazlı makine alınabilir. Gerçek motorun dönme yönündeki yöndeĢ

8

motor motor bölgesinde, karĢı motor denen diğeri ise fren bölgesinde çalıĢır. Motorlar ortak

milde bağlı oldukları için, aynı yönde “n” devir hızı ile dönerler. Ancak motorların döner alan

yönleri farklı olduğu için, döner alana göre hızları ve kaymaları farklıdır. Biri “s”

kaymasında, pozitif döndürme momenti, diğeri ise “2-s” kaymasında negatif

(frenleme) döndürme momenti üretir. Bunların cebirsel toplamı, tek fazlı asenkron makinenin

döndürme momentini verir.

Her iki motorun edeğer devresi ġekil 1.2.2‟de verilmiĢtir. Bu eĢdeğer devrelerin

birbirine bağlanması ile tek fazlı asenkron motorun eĢdeğer devresi elde edilir.

ġekil 1.2.2 - a)YöndeĢ motorun b)KarĢı motorun c)Tek fazlı asenkron motorun eĢdeğer devreleri

1.2.1.1 Yolverme Düzenleri

Bir fazlı asenkron motorda bir kalkıĢ momentinin oluĢabilmesi için döner alanın

varlığı zorunludur. Bunun içinde uzayda birbirine göre faz farkı yaratılmıĢ en az iki sargının

bulunması ve yine en azından geçici bir süre, farklı fazda alternatif gerilimle beslenmesi

gereklidir. Bu nedenle tek fazlı motorlar günümüzde yardımcı sargılı yapılmakta ve gerçekte

iki fazlı olmaktadır.

Bu sargılardan esas sargı veya iĢletme sargısı doğrudan Ģebekeden, kalkıĢ sargısı ise

genellikle bir kalkıĢ empedansı ile seri bağlandıktan sonra aynı Ģebekeden paralel

beslenmektedir. Yardımcı sargı dairesel biçime az veya çok yaklaĢan bir döner alan elde

edilmesini sağlar. Gerekli ikinci faz akımını aynı Ģebekeden üretmek için yolverme düzenleri

9

ile faz kaydırılması sağlanır. KalkıĢ empedansı olarak bir direnç, ender hallerde bir bobin

veya bir kondansatör yardımcı sargıya seri olarak bağlanır

ġekil 1.2.3 - Yardımcı sargı devresinde a)Kondansatör b)Direnç c)Endüktans kullanılması

Dairesel bir döner alan için en elveriĢli faz kaydırması olan 90 dereceye en çok kondansatör

ile yaklaĢılabilir. Bir direnç veya bobinle elde edilen faz açıları daha düĢüktür. Genelde

ekonomik çözümler direnç veya kondansatör ile sağlanır.

Yardımcı sargıya seri olarak bağlanan kondansatör, sürekli çalıĢmada devrede kalıyorsa,

iĢletme kondansatörlü motor, kalkıĢtan sonra devreden çıkıyorsa kalkıĢ kondansatörlü motor,

hem kalkıĢ hem de iĢletme kondansatörü kullanılıyorsa çift kondansatörlü motor olarak

adlandırılır. Bu motorlara iliĢkin yolverme düzenleri ġekil 1.2.4‟te verilmiĢtir.

ġekil 1.2.4 - Yol verme düzenleri

1.2.2 Üç Fazlı Asenkron Motorlar

Üç Fazlı asenkron motorlar; stator, rotor, rotor yatakları, pervane ve yan kapaklardan

meydana gelmiĢ enerji dönüĢümü yapabilen elektrik makinalarıdır.

10

Stator üzerinde üç fazlı alternatif akım sargıları bulunmaktadır. Bu sargılar uygun

Ģekilde düzenlenerek motorun istenilen kutup sayısında üretilmesi sağlanır. Her bir faza ait

sargı uçları motor gövdesi üzerindeki bağlantı kutusuna toplam altı uç olarak bağlanır. Daha

sonra motorun çalıĢma durumuna göre bu uçlar yıldız veya üçgen bağlanırlar.

Rotor ise kısa devre çubuklu ve sargılı olmak üzere iki değiĢik yapıda olabilir. Kısa

devre çubukları rotor gövdesine açılmıĢ olukların içerisine eritilmiĢ alüminyum dökülerek

oluĢturulur. Bu çubukların uçları rotorun her iki dıĢ kenarlarındaki birer alüminyum halka ile

kısa devre edilmiĢtir. Rotoru sargılı olanlarda ise rotor sargıları statorda olduğu gibi üç fazlı

olarak sarılırlar ve sargı uçları fırça ve bilezikler yardımıyla dıĢarı çıkartılarak motor gövdesi

üzerindeki bağlantı kutusuna bağlanır.

Asenkron motorlar üç fazlı Ģebekeden beslenerek çalıĢtırılırlar. Yani, aynı anda her faz

sargısına da gerilim uygulanması gerekmektedir. Asenkron motorlar statorlarından verilen

elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirerek milinden yüke aktarırlar. Rotor ise gerekli

enerjiyi transformasyon yoluyla statordan alır. Dolayısıyla asenkron motorların çalıĢması için

tek kaynağın (alternatif kaynağın) olması yeterlidir. Senkron makinalarda motorun çalıĢması

için ikinci bir kaynak olan DC kaynağa gerek yoktur. Bundan dolayı asenkron motorlar tek

uyartımlı motorlar sınıfına girerler.

11

1.3 ASENKRON MOTORLARIN YAPISI

Bir asenkron motorun stator yapısı senkron motor ile aynı ancak rotor yapısı farklıdır.

Tipik bir iki kutuplu stator ġekil 1.3.1‟de gösterilmiĢtir. Asenkron makineler statorun içine

yerleĢtirilebilen rotor yapısına göre ikiye ayrılır. Bunlarda ilki bilezikli olarak adlandırılırken

diğeri kafes rotor olarak adlandırılır.

ġekil 1.3.1 - Stator sargılarını gösteren tipik bir asenkron motorun statoru

ġekil 1.3.2 ve ġekil 1.3.3 kafesli asenkron motor rotorlarını göstermektedir. Kafesli bir

asenkron motorun rotor yüzeyine oyulmuĢ oluklardaki seri bağlı iletken çubuklar büyük kısa

devre halkalarıyla her iki uçtan kısa devre edilmiĢtir. Bu tasarım, iletkenlerin oluĢturduğu yapı

içinde sincapların kendi kendilerine koĢturduğu çalıĢma tekerlerine benzediğinden dolayı

kafesli rotor olarak görülür.

12

ġekil 1.3.2 - a)Kafes rotorun taslak çizimi

b)Tipik kafes rotor

ġekil 1.3.3 - a)Tipik kafes rotorlu küçük asenkron

motorun kesiti b) Tipik kafes rotorlu büyük asenkron

motorun kesiti

Diğer rotor tipi bilezikli rotordur. Bilezikli rotor, statordaki sargıların yansıması olan

üç fazlı bir sargı grubuna sahiptir. Üç fazlı rotor sargıları genellikle Y bağlıdır ve rotor

iletkenlerinin uçları rotor mili üzerinde bileziklere bağlıdır. Rotor sargıları bilezikler üzerinde

kayan fırçalar üzerinden kısa devre edilir. Bilezikli asenkron motorlarda, bu nedenle rotor

akımlarına statordaki fırçalar üzerinden ulaĢılabilir ve bunlar sayesinde rotor devresine ek

dirençler bağlanabilir. Motorun bu üstünlüğünden yararlanarak moment-hız karakteristiğini

değiĢtirmek mümkündür. Ġki bilezikli rotor örneği ġekil 1.3.4‟de ve eksiksiz bir bilezikli

asenkron motor örneği Ģekil 1.3.5 de gösterilmektedir.

13

ġekil 1.3.4 - Asenkron motorlar için tipik bilezikli rotorlar.(Rotor sargılarını bileziklere bağlayan çubuklara ve

bileziklere dikkat ediniz)

ġekil 1.3.5 - Bilezikli bir asenkron motorun kesit diyagramı. Fırça ve bileziklere dikkat ediniz

14

Bilezikli asenkron motorlar kafes yapılı asenkron motorlardan daha pahalıdır ve fırça

bilezik sisteminden dolayı daha fazla bakım gerektirirler. Bunun sonucu olarak bilezikli

asenkron motorlar daha az kullanılırlar.

1.4 ASENKRON MOTORUN TEMEL KAVRAMLARI

1.4.1 Asenkron Motorun Çalışma Prensibi ve Hızı

Asenkron motorların stator sargılarına , sargı gerilim değerleri göz önünde

bulundurularak (yıldız-üçgen durumu) üç fazlı gerilim uygulandığında, stator sağılarından

geçen akımlardan dolayı manyetik stator akı yoğunluğu oluĢur. Bu manyetik akı

yoğunluğunun çok az bir kısmı kaçak olarak havadan kendi devresini tamamlarken büyük bir

kısmı da stator demir nüvesi üzerinden, stator-rotor arasındaki hava boĢluğundan ve rotor

demir nüvesi üzerinden devresini tamamlar. Dolayısıyla, hem stator sargılarında hem rotor

sargılarında Faraday yasasına göre bir gerilim endüklenir. Rotor sargıları kısa devre

olduğundan, rotor devresinden kısa devre akımı dolaĢır. Rotor akımından dolayı rotor akı

yoğunluğu oluĢur. Stator sargılarından geçen akımdan dolayı stator döner alanı rotor

sargılarından geçen akımdan dolayı da rotor döner alanı meydana gelir. Stator ve rotor döner

alanlarının karĢılıklı olarak etkileĢimi sonucunda motorda bir dönme torku oluĢur. Stator

manyetik akı yoğunluğu stator döner alan yönünde ve hızında, rotor manyetik akı

yoğunluğu da rotor döner alan yönünde ve hızındadır.

Statorun toplam kutup sayısı P ve uygulanan gerilimin frekansı da f ise statorun

devir/dakika cinsinden senkron hızı aĢağıdaki gibi ifade edilir.

(1.4.1)

Veya aynı ifade açısal hız cinsinden yazılmak istenirse;

(1.4.2)

1.4.2 Asenkron Motorda Rotor Kayması Kavramı

Bir asenkron motorun rotor çubuğunda endüklenen gerilim manyetik alana göre

rotorun bağıl hızına bağlıdır. Bir asenkron motorun davranıĢı rotorun gerilim ve akıma bağlı

olduğundan bu göreceli hız hakkında konuĢmak daha mantıklıdır. Rotorun ve manyetik alanın

15

göreceli hareketini anlamak için iki terim yaygın olarak kullanılmaktadır. Birisi, senkron hız

ve rotor hızı arasındaki fark olarak tanımlanan kayma hızıdır.

(1.4.3)

Burada ;

Göreceli hızı tanımlamak için kullanılan diğer terim, yüzde ya da birim değer

cinsinden ifade edilen kaymadır. Yani kayma aĢağıdaki gibi tanımlanır.

(1.4.4)

Bu denklem açısal hız cinsinden de aĢağıdaki gibi ifade edilebilir;

(1.4.5)

Burada dikkat edilmesi gereken nokta, rotor senkron hızda döndüğünde kaymanın s=0

ve rotor duruyorken s=1 olmasıdır. Tüm normal motor hızları bu iki sınır arasında bir değere

denk gelir.

Senkron hız ve kayma cinsinden rotor milinin mekanik hızını ifade etmek

mümkündür. Mekanik hız için yukarıdaki kayma denklemlerin çözümlediğimizde;

(1.4.6)

(1.4.7)

elde edilir. Bu denklemler asenkron motorun moment ve güç iliĢkilerinin elde

edilmesinde yararlı olmaktadır.

16

1.4.3 Rotorun Elektriksel Frekansı

Bir asenkron motor, makinenin rotorunda indükelenen akım ve gerilimler ile çalıĢır ve

dolayısıyla bazen dönen transformatör olarak adlandırlılr. Bir transformatöre benzer Ģekilde

birincil devre(stator) ikincil devrede(rotorda) bir gerilim indükler, ancak transformatörden

farklı olarak ikincil devre frekansının birincil devre ile aynı olması gerekmez.

Motorun rotoru hareket etmeyecek Ģekilde kilitli tutulursa o zman rotor stator ile aynı

frekansa sahip olacaktır. Diğer taraftan rotor senkron hızda dönüyorsa rotordaki frekans sıfır

olacaktır. Herhangi keyfi bir orandaki rotor hızında rotor frekansı ne olacaktır?

‟da rotoru frekansı ve kayma s=1 dir. için

rotor frekansı ve kayma s=0 dır. Aradaki herhangi bir hızda, rotor frekansı

manyetik alan hızı rotor hızı arasındaki farkla doğru

orantılı olur. Rotorun kayması aĢağıdaki Ģekilde tanımlandığından dolayı;

(1.4.8)

Rotor frekansı da;

(1.4.9)

Ģeklinde ifade edilir.

Bu ifadenin bazen kullanıĢlı birkaç alternatif biçimi vardır. Daha yaygın ifadelerden

biri; kayma denklemini frekans denkleminde yerine koyarak elde edilen;

(1.4.10)

denklemidir. Bu ifade senkron hız ifadesi yerine koyularak daha anlaĢılır bir hale getirilebilir;

(1.4.11)

1.5 ASENKRON MOTORUN EġDEĞER DEVRESĠ

Bir asenkron motorun çalıĢması, daha önce de belirtildiği gibi rotor devresindeki akım

ve gerilimlerin stator devresinde indüksiyonu (Transformatör durumu ) temeline dayanır. Bir

asenkron motorun rotor devresindeki gerilim ve akımın endüklenmesi temel olarak bir

17

transformatör çalıĢması olduğu için asenkron motorun eĢdeğer devresi transformatörünkine

çok benzerdir. Asenkron motorlarda güç sadece stator devresine uygulandığından tek

uyartımlı bir makine olarak adlandırılır. Bir asenkron motor bağımsız uyarma devresine sahip

olmadığından dolayı, modeline bir senkron makinada üretilen dahili gerilim gibi bir dahili

gerilim kaynağı yoktur.

1.5.1 Asenkron Motorun Transformatör Eşdeğer Devresi

Bir asenkron motorun transformatör eĢdeğer devresi ġekil 1.5.1‟de gösterilmektedir.

Herhangi bir transformatördeki gibi makinanın eĢdeğer devresinde temsil edilmesi gereken

birincil(stator) sargılarında belirli bir direnç ve öz indüktans vardır. Stator direnci ve stator

kaçak indüktansı olarak adlandırılacaktır. Bu iki bileĢen makine modelinin giriĢinin

sağında görülmektedir.

ġekil 1.5.1 - dönüĢtürme oranlı ideal bir transformatör ile bağlı stator ve rotorun olduğu bir asenkron motor

eĢdeğer devresi

Yine herhangi bir demir çekirdekli transformatördekine benzer Ģekilde makinadaki

akı, uygulanan gerilim ‟in integrali ile iliĢkilendirilir. Bu makine için manyeto motor

kuvvete karĢı akı eğrisi (mıknatıslanma eğrisi) ġekil 1.5.2 „deki güç transformatörü için

çizilmiĢ eğri ile karĢılaĢtırılır. Asenkron motor manyeto motor kuvvet- akı eğrisinin eğiminin

iyi bir transformatörün eğrisinden daha az olduğuna dikkat edilmelidir. Bu, asenkron motorda

akı yolunun relüktansını önemli ölçüde artıran ve bu nedenle birincil ve ikincil sargılar

arasındaki manyetik kenetlemeyi azaltan hava aralığının var olmasından kaynaklanır. Hava

aralığının neden olduğu yüksek relüktans istenen akı seviyesini elde etmek üzere daha fazla

mıknatıslanma akımı gerektirir. Bu nedenle eĢdeğer devredeki mıknatıslanma reaktansı

sıradan transformatördekinden daha küçük bir değere sahip olacaktır.

18

Birincil iç stator gerilimi ideal bir transformatördeki gibi ikincil gerilimi ile

kenetlenir. Etkin sarım oranı ‟nın bilezikli motor için etkin sarım oranı „ nin

belirlenmesi kolaydır. Temel olarak adım ve dağıtım çarpan farklılıklarıyla değiĢtirilmiĢ

statordaki faz baĢına iletken sayısının rotordaki faz baĢına iletken sayısına oranıdır. Kafes

rotorlu motorun rotorunda kısa devre çubuklar olup ayrı sargılar olmadığından oranını

açıkça görmek mümkün değildir. Her iki durumda da motor için etkin sarım oranları vardır.

Rotordaki sarımda üretilen gerilimi, makinanın kısa devre rotorunda akan akımı

üretmektedir.

Asenkron motorun birincil empedansları ve mıknatıslanma eğrisi transformatör

eĢdeğer devresine denk gelen bileĢenlere çok benzerdir. Bir asenkron motor eĢdeğer devresi,

rotor gerilimi ve rotor empedansları ve ile değiĢen rotor frekansının etkileri

cinsinden esas olarak transformatörün eĢdeğer devresindekinden farklıdır.

ġekil 1.5.2 - Bir asenkron motor ile transformatörün karĢılaĢtırılmalı mıknatıslanma eğrisi

Bir asenkron motorda faz baĢına eĢdeğer devreyi üretebilmek için modelin rotor

bölümünü stator tarafına indirgemek gerekir. Stator tarafına indirgenecek olan rotor devre

modeli, empedans teriminde yoğunlaĢtırılmıĢ tüm hız değiĢimi etkilerini içerecek tarzda ġekil

1.5.3‟te gösterilmiĢtir.

19

ġekil 1.5.3 - : direnci üzerinde yoğunlaĢtırılan tüm frekans etkilerini gösteren rotor devre modeli

Sıradan bir transformatörde cihazın ikincil tarafındaki akım, gerilim ve empedanslar

transformatörün dönüĢüm oranı aracılığı ile birincil tarafa indirgenebilir.

(1.5.1)

(1.5.2)

(1.5.3)

ve

Burada üst nokta akım, gerilim ve empedansın indirgenmiĢ değerlerini göstermektedir.

Tam olarak aynı türden bir dönüĢüm asenkron motorun Ģekilxx de gösterilen rotor

eĢdeğer devresi için de yapılabilir. Bir asenkron motorun etkin dönüĢüm oranı ise

dönüĢtürülmüĢ rotor gerilimi;

(1.5.4)

olur. Rotor akımı,

(1.5.5)

Ve rotor empedansı;

(1.5.6)

olur. ġimdi aĢağıdaki tanımlamaları yaparsak;

20

(1.5.7)

(1.5.8)

Elde ederiz ki, bu durumda asenkron motorun faz baĢına son eĢdeğer devresi ġekil

1.5.4‟te gösterildiği gibi olur.

Rotor direnci ve kilitli-rotor reaktansı ‟ ı belirlemek zordur hatta kafesli

rotorlarda doğrudan belirlemek mümkün değildir. Dolayısıyla etkin dönüĢtürme oranı kafesli

tip motorlar için elde etmek de zordur. ve ayrı olarak bilinmese bile indirgenmiĢ

direnç ve reaktansını doğrudan verecek ölçümleri yapmak mümkündür.

ġekil 1.5.4 - Bir asenkron motorun faz baĢına eĢ değer devresi

1.6 ASENKRON MOTORLARDA GÜÇ VE MOMENT

1.6.1 Kayıplar ve Güç Akış Diyagramı

Asenkron motorlar tek uyartımlı makinalar olduklarından, güç moment iliĢkileri diğer

elektrik motorlarından farklıdır.

Bir asenkron motor, temel olarak dönen bir transformatör olarak adlandırılabilir. GiriĢi

üç fazlı bir gerilim sistemidir. Sıradan bir transformatör için çıkıĢ, ikincil sargılardan elde

edilen elektrik gücüdür. Bir asenkron motordaki ikincil sargılar(rotor) kısa devredir. Ve

normal asenkron motorlarda elektriksel çıkıĢ yoktur. Bu motorun elektriksel güç giriĢi ile

mekanik güç çıkıĢı arasındaki iliĢki ġekil 1.6.1‟deki güç akıĢ diyagramında gösterilmektedir.

21

ġekil 1.6.1 - Bir asenkron motorun güç akıĢ diyagramı

Bir asenkron motorun giriĢ gücü , üç fazlı elektrik akım ve gerilimler cinsindendir.

Makinada karĢılaĢılan ilk kayıplar stator sargılarındaki direnç kayıplarıdır

. Kalan gücün bir miktarı statorda histerisiz ve girdap akımları

olarak kaybolur Bu noktada kalan güç stator ve rotor arasındaki hava aralığı

üzerinden makinanın rotoruna aktarılır. Bu güç makinanın hava aralığı gücü olarak

adlandırılır. Güç rotora aktarıldıktan sonra, bu gücün bir kısmı rotor sargılarında direnç

kayıplarına uğrar ve kalan güç elektrikselden mekaniğe dönüĢtürülür ). Sonuçta

sürtünme ve rüzgar kayıpları ve kaçak kayıplar çıkarılır. Kalan güç motorun çıkıĢ

gücüdür.

Çekirdek kayıpları her zaman yukarıdaki güç akıĢ diyagramında gösterilen noktada

görünmez. Demir kayıplarının doğasından dolayı hiç hesaba katıldıkları makinada oldukça

rastgeledir. Bir asenkron motorun demir kayıplar, kısmen stator devresinden ve kısmen rotor

devresinden kaynaklanır. Bir asenkron motor normal olarak senkron hız civarında bir hızda

çalıĢtığından , rotor yüzeyi üzerinde manyetik alanların göreceli hareketi oldukça yavaĢtır ve

rotor çekirdek kayıpları stator devresinden geldiğinden dolayı tüm çekirdek kayıpları

diyagram üzerindeki bu noktada öbeklenir. Bu kayıplar asenkron motor eĢdeğer devresinde

direnci ile temsil edilmektedir. Çekirdek kayıpları bir devre elemanı yerine sayısal bir

değer olarak daha yüksek bir hızda verilirse , bu mekanik kayıplar ile birliktedir ve diyagram

üzerindeki mekanik kayıpların yer aldığı noktadan çıkarılır.

Bir asenkron motorun daha yüksek hız değerinden yüksek sürtünme, rüzgar ve

dağılma kayıpları oluĢur. Diğer taraftan motorun daha yüksek hız değerlerinden , daha düĢük

çekirdek kayıpları oluĢur. Bu nedenler, bu ü. Kayıp kategorisi bazen bir arada ele alınır. Ve

dönme kayıpları olarak adlandırlır. Kayıp bileĢenleri hızdaki değiĢime göre zıt yönde

22

değiĢtiğinden dolayı, motorun toplam dönme kayıplarının değiĢen hız ile sabit kaldığı

çoğunlukla kabul edilmektedir.

1.6.2 Asenkron Motorda Güç ve Moment

ġekilxx bir asenkron motorun faz baĢına eĢdeğer devresini göstermektedir. EĢdeğer devre

yakından incelenirse motorun çalıĢmasını yöneten güç ve moment denklemlerini çıkartmak

için kullanılabileceği görülür.

Motorun bir faz giriĢ akımı; giriĢ geriliminin toplam eĢdeğer empedansa bölünmesiyle

bulunabilir:

(1.6.1)

Burada

(1.6.2)

Dolayısıyla, stator bakır kayıpları ve rotor bakır kayıpları bulunabilir. Üç fazdaki stator bakır

kayıpları aĢağıdaki gibidir.

(1.6.3)

Demir kayıpları ise;

(1.6.4)

Böylece hava aralığı gücü aĢağıdaki gibi bulunur.

(1.6.5)

Rotorun eĢdeğer devresine yakından bakıldığında, hava aralığı gücünün tüketebileceği

eĢdeğer devredeki tek eleman direnci olarak görülür. Bu neddenle hava aralığı gücü

aĢağıdaki gibi verilebilir.

(1.6.6)

23

Rotor devresindeki gerçek direnç kayıpları aĢağıdaki denklem ile verilmektedir.

(1.6.7)

Stator bakır kayıpları, çekirdek kayıpları ve rotor bakır kayıpları motorun giriĢ gücünden

çıkartıldıktan sonra kalan güç, elektrikten mekaniğe dönüĢtürülür. DönüĢtürülen bu güç bazen

üretilen mekanik güç olarak adlandırılır ve aĢağıdaki gibi ifade edilir.

(1.6.8)

(1.6.9)

(1.6.10)

(1.6.11)

Ayrıcı hava aralığı ve rotor bakır kayıp güç denklemleri incelenirse aralarındaki iliĢkinin;

(1.6.12)

olduğu görülmektedir.

Bu nedenle makinada, motorun düĢül kayma değerleri için düĢük rotor kayıpları

oluĢur. Rotor dönmediği zaman kayma s=1 dir ve hava aralığı gücü tamamıyla rotorda

tüketilir. Bu sonuç mantıklıdır. Çünkü eğer rotor dönmüyorsa, çıkıĢ gücü sıfır olmalıdır.

olduğu için bu, hava aralığı gücü ve elektrikten mekaniğe

dönüĢtürülen güç arasındaki diğer bir iliĢkiyi de vermektedir.

(1.6.13)

(1.6.14)

(1.6.15)

Sonuçta sürtünme ve rüzgar kayıpları ve dağılma kayıpları bilinirse çıkıĢ gücü

aĢağıdaki gibi bulunabilir:

24

(1.6.16)

Makinada indüklenen momenti, iç elektrikten mekaniğe güç dönüĢümü ile

üretilen moment olarak tanımlanmıĢtır. Bu moment makinadaki sürtünme ve rüzgar

momentlerine eĢit bir miktar kadar motorun uçlarındaki gerçek kullanılabilir momentten

farklıdır. Ġndiklenen moment aĢağıdaki denklem ile verilir.

(1.6.17)

Bu moment, makinanın üretilen momenti olarak da adlandırılır.

Bir asenkron motorun indüklenen momenti farklı bir biçimde de ifade edilebilir.

Yukarıdaki moment denkleminde dönüĢtürülmüĢ gücün hava aralığı gücü cinsinden, ve

mekanik hızın da senkron hız cinsinden yazılması ile ;

(1.6.18)

elde edilir. Bu denklem özellikle faydalıdır. Çünkü indüklenen momenti hava aralığı gücü

ve değiĢmeyen senkron hız cinsinden doğrudan ifade eder. bilgisi doğrudan indüklenen

tork ifadesini verir.

1.6.3 Asenkron Motor Moment-Hız Eğrisi Üzerine Yorumlar

ġekil 1.6.2 ve ġekil 1.6.3 deki asenkron motor moment-hız karakteristik eğrisi, asenkron

motorların çalıĢması hakkında bir çok önemli bilgiler vermektedir.

ġekil 1.6.2 - Asenkron motor için tipik moment-hız karakteristik eğrisi

25

Bu bilgiler aĢağıdaki gibi özetlenebilir.

1. Senkron hızda motorda indüklenen moment sıfırdır.

2. Moment-hız eğrisi boĢta çalıĢma ve yüklü çalıĢma durum arasında yaklaĢık olarak

doğrusal olarak değiĢmektedir. Bu aralıkta rotor direnci rotor reaktansından daha

büyüktür, böylece rotor akımı, rotor manyetik alanı ve indüklenen moment artan

kayma ile doğrusal olarak artar.

3. AĢılamayan olası maksimum moment vardır. Devrilme veya tepe moment olarak

adlandırılan bu moment motorun nominal yük momentinin 2-3 katıdır.

4. Motorda yol verme momenti kendi tam yük momentinden biraz daha büyük olur ve

böylece motor, tam güçte besleyebileceği herhangi bir yükü taĢımaya baĢlayacaktır.

ġekil 1.6.3 - Asenkron motorun geniĢletilmiĢ iĢletme aralıklarını (frenleme bölgesi ve generatör bölgesi) gösteren

moment- hız karakteristik eğrisi

5. Belirli bir kayma için motordaki momentin uygulanan gerilimin karesi ile

değiĢmektedir.

6. Asenkron motorun rotoru senkron hızdan daha yüksek bir hız ile sürülürse, o zaman

makinada indüklenen momentin yönü ters döner ve makine mekanik gücü elektrik

gücüne dönüĢtüren bir generatör haline gelir.

26

7. Eğer motor manyetik alan yönüne ters yönde dönüyorsa, makine hızlı bir Ģekilde

duracaktır ve makinede indüklenen momente ters yönde onu döndürmeye çalıĢacaktır.

Manyetik alanın dönme yönünün ters çevrilmesi herhangi iki stator faz anahtarının

yerlerini değiĢtirerek mümkün olduğu için, bu gerçek asenkron motoru hızlı

durdurmak için bir yol olarak kullanılabilir. Motoru durdurmak için iki fazın yer

değiĢtirmesi gerçeği „plugging‟ olarak adlandırılır.

Bir asenkron motorda mekanik biçime dönüĢtürülen güç aĢağıdaki ifadeye eĢittir.

(1.6.19)

1.6.4 Asenkron Motorlara Yolverme Yöntemleri

Asenkron motorlara yol vermenin tanımını yapacak olursak; motorun durma anından

nominal hızına çıkana kadar, bağlı olduğu Ģebekeden aĢırı akım çekmemesi ve yol alma

momentinin mümkün olduğunca büyük olması Ģartı ile hızlanma olayıdır.

ġekil 1.6.4 - Asenkron Motorun 'L' EĢdeğer Devresi

ġekil 1.6.4‟de görüldüğü gibi asenkron motorun Ģebeke yanından görülen direnci

kaymaya bağlıdır. Kaymaya olan bu bağlılık elemanından kaynaklanmakta olup

kalkıĢ anında (s=1) 0 değerindedir. Bu direncin 0 olması makinenin empedansının minimum

olmasına neden olur. Kalkınma anında rotor dönmediği için asenkron motor sekonder tarafı

kısa devre edilmiĢ bir trafo gibi davranır. Motora uygulanacak gerilim nominal olduğu

durumda motor Ģebekeden nominal akıma göre 4-6 kat fazla akım çeker. Bu akım;

27

(1.6.20)

Yol verme akımına gerek Ģebeke gücüne gerekse motor gücü ve milindeki toplam atalet

momentine bağlı olarak; çoğu kez izin verilmez. Bu sebeple 5 HP‟den büyük güçte olan

asenkron motorlara doğrudan yol verilmesi yönetmeliklerce yasaklanmıĢtır. Yol verme

süresince hattan çekilen akımın efektif değerinin zamana göre değiĢimi ġekil 1.6.5„te

verilmiĢtir:

ġekil 1.6.5 - Hattan çekilen akımın efektif değerinin zamana göre değiĢimi

1.6.4.1 Direk Yolverme

Gücü 5 Hp‟ ye kadar olan motorlara uygulanır. Bu güçteki motorların önemli ölçüde gerilim

düĢümüne neden olmayacağı kabul edilmektedir. Ayrıca yolverme süresince motor

sargılarında açığa çıkan ısı artıĢı da küçük olmaktadır. Bu yöntem sincap kafesli motorlarda

kullanılmasına rağmen bilezikli motorlarda kullanılmaz.

1.6.4.2 Ön Direnç İle Yolverme

Bu yöntemde motor terminallerine seri bağlanan dirençler yardımıyla motorun uçlarında

görülen gerilim düĢürülerek motorun daha küçük bir akım ile yol alması sağlanır. Yol verme

bağıntısı;

28

(1.6.21)

olup motor terminallerine seri bağlanan Rö direncinin değeri arttıkça yol alma akımı azalır.

makinenin momenti ile yolverme akımı arasında karesel bir iliĢki söz konusu olduğundan

Makinenin momentinin değiĢimi ġekil 1.6.6‟daki gibi olur:

ġekil 1.6.6 - DıĢ Karakteristik DeğiĢimi

1.6.4.3 Oto-Trafo İle Yolverme

Motor terminallerine gelen gerilimi küçülterek yol verme akımını sınırlayan bir yöntemdir.

Büyük güçlü motorlarda gerilim, oto-trafo üzerindeki sürgü kolu ya da kademe atlayarak

artırılır ve motor nominal devrinin %70‟ine ulaĢtığında oto-trafo devre dıĢı bırakılır.

29

ġekil 1.6.7 – Oto trafo Ġle Yolverme Bağlantı ġeması

ġekil 1.6.7‟de verilen devrede ilk olarak A ve B anahtarı kapatılır. Oto-trafo üzerinden gerilim

yavaĢça artırılır, motor nominal devrinin %70‟ine ulaĢtığı anda A anahtarı kapatılıp C anahtarı

açılarak motor Ģebekeye doğrudan bağlanmıĢ olur. Bu süre içinde motorun dıĢ

karakteristiğindeki değiĢim ġekil 1.6.8‟deki gibidir.


30

1.6.4.4 Rotora Direnç Bağlayarak Yol verme

Bilezikli makinelerde bilezikler üzerinden rotora direnç bağlanarak rotor devresinin

toplam direnci artırılır. Rotor devresinin direncinin artması eĢdeğer devrede Ģebeke tarafından

bakıldığında görülen empedansı artırır. Böylece motorun Ģebekeden çekeceği akım azaltılır.

Bileziklere bağlanan direncin değeri maksimumdan baĢlayarak yavaĢ yavaĢ minimuma

getirilerek yol verilir. Bu yöntemle Ģebekeden çekilen akım azalmasına rağmen motorun

kalkıĢ momenti artar. Ayrıca bu direncin değeri uygun seçilerek motorun maksimum moment

ile yol alması da sağlanabilir. Rotor sargılarına direnç bağlandığında yol verme moment

ifadesi Ģu Ģekilde olacaktır;

(1.6.22)

Bu eĢitlikte direncinin statora indirgenmiĢ değeri olup yol verme moment

ifadesi bu değere doğrudan bağlıdır. Rotor devresine direnç bağlayarak yol verme yönteminde dıĢ

karakteristik değiĢimi ġekil 1.6.9‟da gösterilmiĢtir.


31

1.7 SENKRON MOTORLAR

Senkron motorlar elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüĢtürmek için kullanılan

senkron makinalarıdır. Senkron motorlar stator ve rotor çevrelerinin düzgün olup olmayıĢına

göre ikiye ayrılırlar. AĢağıda bu iki tip senkron motorun kesitleri gösterilmiĢtir.

a) Silindirik rotorlu senkron makineler

Silindirik rotorlu senkron makinelerde hava

aralığı çevre boyunca sabit olduğundan stator

ve rotor sargılarının özendüktansları rotorun

dönme açısına bağlı değildir. Yandaki Ģekilde

silindirik rotorlu bir senkron makinenin kesiti

gösterilmiĢtir.

b) Çıkık rotorlu senkron makineler

Çıkık kutuplu (rotorlu) senkron makinelerde

hava aralığı çevre boyunca sabit olmadığından

dolayı stator ve rotor sargılarının

özendüktansları rotorun dönme açısına bağlı

değildir. Yandaki Ģekilde çıkık kutuplu bir

senkron makinenin kesiti gösterilmiĢtir.

1.7.1 Senkron Motor Çalışma Prensibi

Bir senkron motorun genel çalıĢma yapısını anlamak için ġekil 1.7.1 incelenmelidir.

ġekildeki iki kutuplu bir senkron motor gösterilmiĢtir. Motorun alan akımı , sürekli durum

rotor manyetik alanı ‟ yi üretir. Makinanın statoruna üç fazlı gerilimler uygulanır. Bu

gerilimler sargılardan üç fazlı akım akıtır.

32

ġekil 1.7.1 - Ġki kutuplu senkron motor

Endüvi sargılarından akan akımlar düzgün dönen manyetik alanını üretirler.

Dolayısıyla, makinada iki manyetik alan vardır ve iki mıknatıs çubuğun birbirine yakın

yerleĢtirildiklerinde üst üste gelmeye çalıĢmalarındaki gibi, rotor alanı stator alanı ile

çakıĢmaya çalıĢacaktır. Stator manyetik alanı döndüğünden, rotor manyetik alanı (ve rotorun

kendisi)sabit olarak onu yakalamaya çalıĢacaktır. Ġki manyetik alan arasındaki açının

büyümesi makinanın rotoru üzerindeki momenti daha büyük yapacaktır. Senkron motor

çalıĢmasının temel ilkesi rotorun bir daire çevresinde dönen stator manyetik alanını asla ona

tam yetiĢmeden kovalamasıdır.

1.7.2 Senkron Motor Eşdeğer Devresi

Bir senkron motor, güç akıĢ yönünün ters dönmesi dıĢında bir senkron generatörle

benzerdir. Makinadaki güç akıĢ yönü ters döndüğünden, statordan akan akımın yönünün de

ters döndüğü kabul edilir. Bir senkron motorun tam eĢdeğer devresi ġekil1.7.2a‟da ve faz

baĢına eĢdeğer devre ġekil 1.7.2b‟de gösterilmiĢtir. Tüm elektrik makinalarında olduğu gibi

senkron motorların da stator sargıları yıldız veya üçgen bağlanbilir.

33

ġekil 1.7.2 - a)Üç fazlı senkron motorun tam eĢdeğer devresi b) Faz baĢına eĢdeğer devre

Yukarıdaki ġekil1.7.2‟de de görülen eĢdeğer devreler için Kirchoff‟un gerilim

denkleminin yazılması ile;

(1.7.1)

(1.7.2)

elde edilir. Bu denklem, akım iĢaretinin ters çevrilmesi haricinde bir generatör için yazılan

denklemle tam olarak aynıdır.

1.7.3 Manyetik Alan Bakış Açısından Senkron Motor

Senkron motorun çalıĢmasını anlayabilmek için, senkron generatörün sonsuz güçlü bir

Ģebekeye bağlı olduğu kabul edilecek ve incelemelerle bu bakıĢ açısından baĢlanacaktır.

Senkron generatör, rotorunu dıĢarıdan döndüren bir tahrik kaynağına sahiptir. Tahrik

34

kaynağından ugulanan momentin yönü hareket yönündedir, çünkü tahrik makinası önce

generatörü döndürmektedir.

Büyük bir uyarma akımı ile çalıĢan generatörün fazör diyagramı ġekil 1.7.3a‟da karĢılık

gelen manyetik alan fazör diyagramı da ġekil1.7.3b‟de gösterilmiĢtir.

üretir. Hem fazör diyagramı ve hem de manyetik alan dönüĢ yönü

saat ibresinin ters yöndedir.

ġekil 1.7.3 - a) Geri güç faktöründe çalıĢan bir senkron generatörün fazör diyagramı; b) KarĢılık gelen manyetik alan

diyagramı

ġekil 1.7.4 - a) Bir senkron motorun fazör diyagram; b) KarĢılık gelen manyetik alan diyagramı

Generatörde indüklenen moment manyetik alan diyagramından bulunabilir;

(1.7.3)

(1.7.4)

ile verilir.

35

Manyetik alan diyagramından bu makinada indüklenen momentin dönme yönünün tersine

saat ibresi yönünde olduğu görülmektedir. Diğer bir deyiĢle, generatörde indüklenen moment,

dıĢarıdan uygulanan momentin dönüĢ yönüne zıt yönde olan bir zıt momenttir.

Hareket yönünde rotoru döndürme yerine, tahrik makinasının gücünün aniden

kaybolduğunu ve senkron makinanın rotoru tarafından döndürülmeye baĢladığını kabul

edilirse, senkron makinanın rotoru yavaĢlar ve rotor manyetik alanı makinadaki net manyetik

alanın gerisinde kalmaya baĢlar. Rotor de yavaĢlar ve ‟in gerisine düĢer makinanın

çalıĢması ani olarak değiĢir. Dolayısıyla da yukarıdaki moment ifadesi dikkate alınırsa,

indüklenen momentin yönü ters döner ve saat ibresi tersi yönünde olur. Diğer bir deyiĢle,

makinanın momenti Ģimdi hareket yönündedir ve makine bir motor olarak çalıĢır. Moment

açısı δ‟nın artması sonucunda, dönme yönündeki moment gittikçe artar. Bu artıĢ, motorda

indüklenen moment, milindeki yük momentine eĢit oluncaya kadar devam eder. Bu noktada

makine Ģimdi motor olarak sürekli durumda ve tekrar senkron hızda çalıĢacaktır.

Senkron makinalarda motor ve generatör çalıĢma arasındaki temel fark hem manyetik alan

diyagramından hem de fazör diyagramından görülebilir. Bir generatörde , ‟nin

ilerisindedir ve ‟ten geride bulunur. Bir motorda indüklenen moment hareket

yönünde ve bir generatörde indüklenen moment de hareket yönüne ters yönde zıt bir

momenttir.

1.8 SENKRON MOTORUN SÜREKLĠ DURUM ÇALIġMASI

1.8.1 Senkron Motor Moment-Hız Karakteristik Eğrisi

Senkron motorlar genelde sabit hız gereksinimi olan yüklere güç sağlarlar. Genellikle bir

tek motorun bağlandığı güç sistemlerinden çok daha büyük güç sistemlerine bağlanırlar.

Bundan dolayı güç sistemi motorlar için sonsuz güçlü Ģebeke gibi görünür. Sonsuz güçlü

Ģebeke demek; terminal gerilimi ve sistem frekansı motor tarafından çekilen güce bağlı

olmaksızın sabit olan Ģebeke demektir. Motorun hızı uygulanan elektriksel frekans ile kilitli

olduğundan, motor hızı yükten bağımsız olarak sabit olur. Senkron Motorun moment-hız

karakteristik eğrisi ġekil 1.8.1‟de gösterilmiĢtir.

36

ġekil 1.8.1 - Bir senkron motorun moment-hız karakteristiği.

Motorun sürekli durum hızı boĢsta çalıĢma hızından, motorun üretebildiği maksimum

moment (devrilme momenti olarak isimlendirilir) değerine kadar sabit olur, dolayısıyla bu

motorun hız regülasyonu yüzde sıfırdır.

Moment denklemi ise;

(1.7.5)

(1.7.6)

Maksimum veya devrilme momenti δ=90 da meydana gelir. Bununla birlikte senkrın

motorların normal tam yük momentleri bu değerden küçüktür. Gerçekte, devrilme momenti

tipik olarak makinanın tam yük momentinin 3 katına yakın olabilir..

Bir senkron motorun mili üzerindeki moment; devrilme momentini aĢtığında, rotor,

stator ve net manyetik alanlara uzun süre kilitli kalamaz. Rotor yavaĢlarken, stator manyetik

alanı defalarca rotor manyetik alanını keser ve rotorda indüklenen momentin yönü her bir

fazla ters döner. Sonuçta çok büyük moment dalgalanmaları oluĢur. Bu dalgalanmalar

motorda çok büyük vibrasyonlara neden olur. Devrilme momentinin aĢılmasından sonra

senkronizasyonun kaybolması kutup kayması olarak bilinir.

37

Motorun maksimum veya devrilme momenti:

(1.7.7)

(1.7.8)

ile verilir. Bu denklemler; daha büyük alan akımında motorun daha büyük maksimum

momente sahip olduğunu gösterir. Dolayısıyla motor çalıĢmada alan akımı veya değerinin

büyük olması kararlılık açısından önemli avantajlar sağlar.

1.9 SENKRON MOTORLARA YOL VERME YÖNTEMLERĠ

Senkron motorlar için üç temel yol verme biçiminden söz edilebilir. Bunlar, kalkıĢ

motoru ile yol verme, senkron yol verme ve asenkron yol vermedir. Diğer yol verme

yöntemleri bu üç temel yol verme biçiminin özel uygulamalarıdır. KalkıĢ motoru ile yol

verme dıĢındaki yöntemler, güç elektroniği düzenleri açık veya kapalı kontrol çevrimleri

yapılarak kullanılabilir.

1.9.1 Kalkış Motoru ile Yol Verme

Bu yöntem amortisör (söndürüm) sargısı olmayan, rotoru sac paketinden yapılmıĢ

senkron motorlarda kullanılır. Motor bir kalkıĢ motoru yardımıyla senkron hız yakınlarına

kadar hızlandırılır. Daha sonra, senkron motorun endüvi ve uyarma sargıları aynı anda

beslenerek senkronlanması sağlanır. 1950‟li yıllara kadar yaygın biçimde kullanılan bu

yöntem, senkron motoun uyarma ve söndürüm devrelerinin daha iyi incelenmesi ve güç

elektroniği düzenlerindeki geliĢmeler nedeniyle önemini yitirmiĢtir. Bununla birlikte tahrik

edilen iĢ makinesinin yük ve eylemsizlik momentine bağlı olmak üzere oldukça ucuz ve

kullanıĢlı bir yöntemdir.

1.9.2 Senkron Yol Verme

DüĢük frekansla yol verme olarak da adlandırılan senkron yol verme yöntemi,

çoğunlukla rotoru sac paketli ve söndürüm sargısı bulunmayan senkron motorlarda ve

yumuĢak (darbesiz) kalkıĢ istenen uygulamalarda kullanılır. Motor senkron moment ile

ivmelenir.

Bu yöntemde ilk önce senkron motorun uyarma sargısı doğru akımla uyarılır ve

motorun endüvi sargısı, anma frekansının %1 ine eĢit frekansta düĢük bir gerilim ile beslenir.

Motor, uyarma sargısı uyarılmıĢ olduğu için senkronlayıcı momentin etkisi ile senkronlanır.

38

Besleme frekansına karĢı gelen senkron hızda çalıĢır. Motorun besleme gerilimi ve frekansı

düzenli olarak arttırıldığında, senkron devir hızı ve döndürme momenti artar. Böylece

motorun senkronluktan çıkmadan anma devir hızına kadar ivmelenmesi sağlanır.

DeğiĢken frekanslı gerilim kaynağı olarak tahrik edilen iĢ makinesinin özelliklerine

göre, doğrudan veya ara devreli frekans dönüĢtürücüler kullanılabilir. Senkron kalkıĢta en

önemli sorun, motorun tüm sistemin eylemsizliğine karĢın ivmelenmesini sağlamaktır. Bu

nedenle uyarma sargısı olası en büyük akım değeri ile uyarılarak ve motor yeterli bir gerilim

değeri ile beslenerek, senkron motorun olası en büyük momenti üretmesi sağlanır.

Motorun besleme gerilimi ve uyarma akımı değerleri makine büyüklüklerine bağlı

olarak hesaplanabilir .

Senkron yol vermede motor kalkıĢ için doğrudan beslenmediği ve senkron hız

yakınlarına geldiği zaman uyarma sargısı aniden uyarılmadığı için, güç sisteminde ani

değiĢimler ve üst titreĢimler görülmez. Bu nedenle yol verme iyiliği asenkron yol vermeye

göre daha üstündür.

1.9.3 Asenkron Yol Verme

Asenkron yol verme diğer kalkıĢ yöntemlerine göre daha basittir ve günümüzde en

yaygın kullanılan yol verme yöntemidir. Amortisör (söndürüm) sargılı ve/veya yuvarlak

kutuplu senkron motorlarda kullanılır. Motor yalnız asenkron kalkıĢ momentinin etkisi ile

ivmelenir.

Bu yöntemde motor, uyarma sargısı uyarılmaksızın doğrudan Ģebekeye bağlanır ve

aynı asenkron motorda olduğu gibi kısa devre söndürüm sargıları üzerinden yolalır.

Senkronlanıncaya kadar belli bir kayma değerinde asenkron motor olarak çalıĢır . Bu nedenle

senkron makine için kalkıĢ boyunca yapılan matematiksel inceleme, asenkron makine için de

geçerlidir.

Çıkık kutuplu senkron motorlarda kalkıĢ sırasında kütlesel kutup yüzeylerinden akan

Fuko (girdap) akımlarının yarattığı asenkron momentten de yararlanılır. Böylelikle toplam

kalkıĢ momenti arttırılabilir veya motorda yalnız bu momentle kalkıĢ yaptırılabilir. Ancak

Fuko akımlarının yarattığı moment, motoru tek baĢına ivmelendirmek için yeterli olamaz.

Sonuç olarak asenkron kalkıĢ için önemli olan, rotorda söndürüm etkisinin yaratılabilmesidir.

39

Söndürüm etkisi rotor kutuplarının yapım biçimine göre çeĢitli biçimlerde yaratılabilir.

Saç paketinden yapılan kutuplarda iletken sarımlardan yapılmıĢ söndürüm sargısı

kullanılabileceği gibi, genellikle kutup yüzeylerine yerleĢtirilmiĢ kafes yapıdaki kısa devre

iletken çubuklar kullanılır. Kütlesel kutuplu senkron motorlarda ise, iletken kutup yüzeyleri

söndürüm etkisini sağlar. Buna rağmen kalkıĢ momentini arttırmak için, kutup yüzeylerine

yerleĢtirilen iletken çubuklar, kısadevre bilezikleri ile birbirine bağlanir.

Amortisör (söndürüm) sargıları genellikle bakırdan yapılır. KalkıĢ momentini

arttırmak için, pirinç veya tunç gibi daha büyük dirençli alaĢımlar kullanılabilir. KalkıĢ

momentinin değerine etkiyen diğer bir büyüklük de durmadaki güç katsayısıdır.

Asenkron kalkıĢta en önemli sorun uyarma sargısının kalkıĢ süresince zarar görmesini

önlemektir. Senkron makinenin uyarma sargısı çok sarımlıdır. Bu nedenle asenkron kalkıĢ

sırasında bu sargıda büyük değerde bir gerilim endüklenir ve bu gerilim sargıya zarar

verebilir. Bu sorunu önlemek için uyarma sargısı kalkıĢ süresince uyarma sargısı direncinin

5...10 kat, değerinde bir dirençle kısa devre edilir. Bu direncin değeri uygulamada genellikle

9Rf olarak alınır. Literatürde kutupların yapım biçiminin ve uyarma sargısı kısa devre

direncinin ve değerinin asenkron yol alma momentine etkilerini inceleyen yayınlar vardır .

Asenkron motorlarda kullanılan yol verme yöntemleri senkron motorun asenkron

kalkıĢında da kullanılabilir. Bu yöntemler içerisinde en uygun olanı, düĢük kalkıĢ akımı ile

yüksek kalkıĢ momentinin elde edildiği transformatörle yol vermedir.

Çıkık kutuplu senkron makinelerde manyetik simetrisizlik nedeniyle, asenkron

iĢletmede endüvi akımının genliği maksimum ve minimum değerler arasında salınır. Ayrıca,

uyarma sargısı bir direnç üzerinden kısadevre edilmiĢ bütün senkron makinelerde, asenkron

iĢletmede, uyarma sargısının tek fazlı oluĢu, yani elektriksel simetrisizliği nedeniyle stator

elektriksel büyüklüklerinde (1-2s), döndürme momentinde ise 2s frekansında salınan üst

titreĢimler vardır .

1.9.3.1 Senkronlama

Senkron motorun uyarma sargısına doğru gerilim uygulanmasıyla, motorun asenkron

iĢletme noktasından senkron iĢletme noktasına geçiĢine senkronlama denir. Daha önce de

belirtildiği gibi senkron motor, kısadevre edilmiĢ amortisör (söndürüm) sargıları üzerinden

veya Fuko (girdap) akımlarının etkisiyle asenkron olarak kalkıĢ yapar ve uyarma sargısı doğru

gerilimle uyarılıncaya kadar, asenkron anma noktasında çalıĢır. Motor senkron hız

40

yakınlarında küçük kayma değerinde çalıĢırken uyarma sargısı uyarıldığında, rotor sargısı

mıknatıslanır, kutuplar oluĢur. Eğer bu anda stator ve rotor döner alanlarının karĢıt kutupları

karĢı karĢıya gelirse, çekme kuvvetinin etkisiyle stator döner alanı rotor döner alanını sürükler

ve her iki alan senkron hızda kenetlenir. Böylelikle motor senkron iĢletme özeğrisine geçer

1.9.4 Senkron Makinenin İşletme Biçimleri ve Reaktif Güç Ayarı

Senkron makinede uyarma akımı değiĢtirilerek, Ģebeke ile arasındaki reaktif güç alıĢ

veriĢi ayarlanabilir. Makinenin bu özelliği uygulamada tercih nedenidir ve dinamik

kompanzasyon amacıyla kullanılır.

Senkron makine motor olarak çalıĢırken,

1. Uyarma akımı, cosφ=1 durumuna göre, büyük ise motor kapasitif yüklenmiĢtir.

Ģebekeden çekilen aktif gücün yanında kapasitif güç de çeker, fakat Ģebekeye endüktif

güç verir.

2. Uyarma akımı, cosφ=1 durumuna göre, küçük ise motor endüktif yüklenmiĢtir.

Ģebekeden çekilen aktif gücün yanında, endüktif güç çeker, Ģebekeye kapasitif güç

verir.

3. Birim yüklemede Ģebekeden yalnız aktif güç alır, Ģebeke ile arasında reaktif güç alıĢ

veriĢi yoktur.

Senkron makinede reaktif güç ayarı uyarma akımı ile yapılır. Endüvi akımının

geometrik yeri, akımın aktif bileĢeni sabit tutulmak koĢuluyla, uyarma akımının büyüklüğüne

bağlı olarak motor çalıĢma bölgesinde herhangi bir yerde bulunabilir. Böylelikle uyarma

akımı azaltılıp, çoğaltılarak, yani endüvi akımının reaktif bileĢeninin büyüklüğü değiĢtirilerek,

motorun Ģebekeden aldığı veya Ģebekeye verdiği reaktif gücün büyüklüğü değiĢtirilebilir.

Büyük uyarma akımı değerlerinde motor kapasitif yüklenir ve Ģebekeye reaktif güç verir.

Azalan uyarma akımı değerlerinde önce Ģebekeye verdiği reaktif güç azalır, sonra motor birim

güç katsayısında çalıĢır. Eğer uyarma akımı azaltılmaya devam edilirse, motor endüktif

yüklenerek Ģebekeden reaktif güç alır. Motorun Ģebekeden alabileceği aktif güç, kararlı

çalıĢma yük açısı sınır değeri π/2 ile, verebileceği reaktif güç ise, endüvi ve uyarma akımının

anma değeri ile sınırlıdır.

41

1.9.5 Senkron Motorda V-Eğrileri

Senkron motorda uyarma akımı ile, endüvi akımının değiĢim eğrisine V- eğrileri denir

(ġekil 1.9.1). Bu eğri ailesi ile tepki gücün akıĢ yönü ve motorun yükleme biçimi

ġekil 1.9.1 - Senkron Motorda değiĢik yük momentleri için elde edilen V-eğrileri

incelenebilir. ġekil 1.9.1„de görüldüğü gibi yük momentinin sabit olması koĢulu ile, endüvi

akımının herhangi bir değeri, uyarma akımının hem büyük, hem de küçük değerinde elde

edilir. V-eğrilerinin minimum değerinde ise, endüvi akımının en küçük değeri, uyarma

akımının yalnız bir değeri ile elde edilir. Bu nokta motorun birim güç katsayısı ile çalıĢma

biçimine karĢı gelir.

ÇeĢitli yük momenti değerleri için elde edilen V eğrilerinin minimum noktaları sınır

alınırsa, aynı endüvi akımının büyük uyarma akım değerlerinde elde edildiği bölge kapasitif

yükleme, küçük uyarma akım değerlerinde elde edildiği bölge ise endüktif yükleme

bölgesidir.

42

2 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠ

2.1 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN TEMELLERĠ

Doğru akım makinelerinde kutuplar duran kısımda, endüvi rotordadır. Doğru akımla

beslenen uyarma sargıları stator üzerinde bulunan çıkık kutuplara ve endüvi sargıları silindirik

rotor üzerindeki oluklara yerleĢtirilir. Bir doğru akım generatöründe endüvide alternatif

gerilim endüklenir. Endüvi sargılarında endüklenen alternatif gerilim rotor üzerine monte

edilmiĢ kollektör ile doğrultulur. Kollektör, lamel adı verilen birbirlerinden yalıtılmıĢ bakır

levhalardan oluĢur. Kollektör üzerinde bulunan fırçalar, bobin kenarları nötr eksen üzerinde

olduğunda komütasyon olacak Ģekilde ana kutupların arasına yerleĢtirilirler.

Doğru akım makinelerinin çalıĢma prensibi ise Ģu Ģekildedir. Uyarma sargısından geçen

doğru akım bir uyarma alanı oluĢturur. Ayrıca kollektörün etkisiyle fırçalardan doğru akım

geçince endüvide de uyarma akısı eksenine dik bir alan oluĢur. Bu iki alanın etkisiyle doğru

akım makinesinde motor olarak çalıĢmada dönüĢ yönünde, generatör olarak çalıĢmada ise ters

yönde olacak Ģekilde bir moment oluĢur.

2.1.1 Eğimli Kutup Alınları Arasında Dönen Basit Bir İletken Çerçeve

Olası bir temel doğru akım makinesi ġekil 2.1.1‟de gösterilmiĢtir. Bu, makine belirli

bir eksen etrafında dönebilen tek bir iletken çerçeveden oluĢmaktadır. Makinenin dönen kısmı

rotor ve duran kısmı stator olarak adlandırılır. Makine için manyetik alan ġekil 2.1..1‟de

gösterilen stator üzerindeki kuzey ve güney

manyetik kutuplarıyla sağlanır.

Rotordaki iletken çerçeve ferromanyetik bir

çekirdek üzerine oyulmuĢ oluğa yerleĢtirilir. Kutup

alınlarının eğimli biçimi ile birlikte, demir rotor,

rotor ve stator arasında sabit geniĢlikli hava aralığı

sağlar. BoĢluğun relüktansı, makinedeki demirin

relüktansından çok daha yüksektir. Makinedeki akı

yolunun relüktansını minimize etmek için manyetik

akı, kutup alnı ve rotor yüzeyi arasındaki boĢluktan

olası en kısa yolu geçmelidir.

ġekil 2.1.1 - Temel doğru akım makinesi

43

Manyetik akı, boĢluklta en kısa yolu geçmesi gerektiğinden, kutup alınları altındaki

her yerde rotor yüzeyine diktir. Keza hava aralığı düzgün geniĢlikte olduğundan dolayı

relüktans, kutup alınları altında her yerde aynıdır. Manyetik akı yoğunluğunun kutup alınları

altındaki her yerde aynı olması, düzgün relüktans demektir.

2.1.2 Dönen Çerçevede İndüklenen Gerilim

Bu makinenin rotoru döndürülürse

iletken çerçevede bir gerilim indüklenecektir.

Gerilimin büyüklük ve Ģeklini belirlemek için

ġekil 2.1.2 incelenmelidir. Gösterilen iletken

çerçeve sayfa düzlemine dik ve

kenarları ile dikdörtgen Ģeklindedir. Manyetik

alan sabittir ve kutup alınları altındaki her

yerde rotor yüzeyinde diktir ve kutup

kenarlarının ötesinde hızlı bir Ģekilde sıfıra düĢer.

Çerçevedeki toplam gerilimi belirlemek için, ayrı ayrı her bir çerçeve parçasını

incelemek ve tüm sonuç gerilimleri toplamak gereklidir. Her bir parçadaki gerilim Denklem

2.1.1 ile verilir.

(2.1.1)

1. parçası : Bu parçada iletkenin hızı dönüĢ yolunun tanjantıdır. manyetik alanı

kutup alnı altındaki her yerde rotor düzeyine diktir ve kutup alnının kenarlarının

ötesinde sıfırdır. Kutup alnı altında hızı ‟ye diktir ve sayfaya doğrudur.

Dolayısıyla parçada indüklenen gerilim Ģu Ģekilde olur.

(2.1.2)

Sayfaya doğru pozitif Kutup alnı altında (2.1.3)

Kutup kenarlarının ötesinde

2. parçası : Bu parçada büyüklüğü ya sayfaya ya da dıĢına doğrudur.

uzunluğu sayfanın düzlemindedir, böylece , ‟ye diktir. Dolayısıyla

parçasındaki gerilim sıfır olacaktır.

ġekil 2.1.2 - Dönen çerçevede indüklenen gerilim

44

(2.1.4)

3. parçası : Bu parçada iletkenin hızı dönüĢ yolunun tanjantıdır. Manyetik alan B

kutup alnının altındaki her yerde rotor düzeyine dik yöndedir ve kutup alnının

kenarlarının ötesinde sıfırdır. Kutup alnının altında v hızı B‟ye diktir ve

büyüklüğü sayfadan dıĢarıyı iĢaret eder. Dolayısıyla parçada indüklenen gerilim Ģu

Ģekilde olur.

(2.1.5)

Sayfanın dıĢına doğru pozitif Kutup alnı altında (2.1.6)


4. parçası : Bu parçada büyüklüğü ya sayfaya ya da dıĢına doğrudur.

uzunluğu sayfanın düzlemindedir, böylece , ‟ye diktir. Dolayısıyla

parçasındaki gerilim de sıfır olacaktır.

(2.1.7)

Sonuç olarak çerçevede indüklenen toplam gerilim aĢağıdaki gibidir.

(2.1.8)

Kutup alnı altında


(2.1.9)

Çerçeve döndüğü zaman, parçası güney kutup alnı yerine kuzey kutup alnının

altındadır. Bu anda parça üzerindeki gerilimin yönü ters döner ama büyüklüğü sabit kalır.

Denklem 2.1.9‟u açıklamak için tek bir çerçevenin davranıĢını daha büyüğüne, gerçek

doğru akım makinelere, iliĢiklendiren alternatif bir yol vardır. Çerçevenin kenarlarının

tanjantsal hızı aĢağıdaki gibi yazılabilir.

(2.1.10)

Burada , çerçevenin dıĢ kenarına dönüĢ ekseninden yarıçapı ifade eder ve

çerçevenin açısal hızıdır. Buna göre Denklem 2.1.9 tekrar yazılacak olursa Ģu ifade elde edilir.

45



(2.1.11)

ġekil 2.1.3 - Rotor ve kutup yüzey alanları

ġekil 2.1.3‟te görüleceği üzere rotor yüzeyi bir silindirdir, böylece rotor yüzeyinin

alanı , ‟ye eĢittir. Ġki kutup olduğundan dolayı her bir kutbun alnındaki rotorun alanı

(kutuplar arasındaki boĢlukları ihmal ederek) olur ve dolayısıyla Ģu eĢitlik

yazılabilir.



(2.1.12)

Akı yoğunluğu , kutup alanları altındaki hava aralığı her yerde sabit olduğundan her

bir kutup altındaki toplam akı, kutbun alanı ile kendi akı yoğunluğunun çarpımıdır.

(2.1.13)

Dolayısıyla gerilim denkleminin son biçimi Ģöyle olur.



(2.1.14)

Böylece, makinede üretilen gerilim, makinenin yapısını temsil eden bir sabit ile

makinenin içindeki akı ve makinenin dönme hızının çarğımına eĢittir. Genelde herhangi bir

gerçek makinedeki gerilim benzer üç faktöre bağımlı olacaktır.

46

1. Makinedeki akı

2. Dönme yönü

3. Makinenin yapısını temsil eden bir sabit

2.1.3 Dönen Çerçevede İndüklenen Moment

ġekil 2.1.4 - Doğru akım makinesine bağlı bir batarya

Bir bataryanın ġekil 2.1.4‟deki makineye

bağlandığı varsayılacak olursa, oluĢan

yapılandırma ġekil 2.1.5‟deki gibi olacaktır.

Momenti belirlemek için ġekil 2.1.2‟de gösterilen

çerçeveyi incelemek gerekecektir. Çerçevedeki

momentin belirlenmesinde uygulanan yaklaĢım,

herhangi bir anda çerçevenin bir parçasına

bakmaktır ve sonra tek tek tüm parçaların etkilerini

toplamaktır. Çerçevenin bir parçasındaki kuvvet ve parçadaki moment aĢağıdaki gibi verilir.

(2.1.15)

(2.1.16)

Burada , ve arasındaki açıdır. Çerçeve ne zaman kutup kenarlarının ötesinde ise

temel olarak moment sıfır olur. Çerçeve kutup alaınlarının altında iken moment yine dört

parça halinde irdelenir.

1. parçası : Bu parçada, gerilim kaynağından doğrudan gelen akım sayfanın dıĢına

doğrudur. kutup alnının altındaki manyetik alan radyal olarak rotordan dıĢarı

doğrudur, böylece iletkendeki kuvvet hareketin yönüne teğet ve bu kuvvetin

ġekil 2.1.5 - Doğru akım makinelerinde moment

kavramı

47

rotorda oluĢturduğu moment saat yönünün tersine olmak üzere aĢağıdaki gibi

verilir.

(2.1.17)

(2.1.18)

2. parçası : Bu parçada, gerilim kaynağından akan akım, sol üstten sağ üste doğru

akar. Ġletkende indüklenen kuvvet ve bu kuvvetin neden olduğu moment aĢağıdaki

gibi verilir.

(2.1.19)

(2.1.20)

3. parçası : Bu parçada, gelen akım gerilim kaynağından doğrudan sayfa

düzlemine doğrudur. kutup alnının latındaki manyetik alan radyal doğrultuda

rotorun içine doğrudur, böylece iletken üzerindeki kuvvet hareketin yönüne teğet

ve bu kuvvetin neden olduğu moment saat yönünün tersine olmak üzere aĢağıdaki

gibi verilir.

(2.1.21)

(2.1.22)

4. parçası : Bu parçada, bataryadan gelen akım sayfada sol üstten sağ alta doğru

aktığına göre iletkende indüklenen kuvvet ve bu kuvvetin neden olduğu moment

aĢağıdaki gibidir.

(2.1.23)

(2.1.24)

Çerçevede indüklenecek toplam indüklenen moment aĢağıdaki bağıntıyla hesaplanır.

(2.1.25)



(2.1.9)

48

ve dönüĢümlerini kullanarak, moment ifadesi aĢağıdaki eĢitliğe

indirgenebilir.



(2.1.14)

Böylece makinede üretilen moment, makinedeki akı ve akımın, makinenin mekanik

yapısını temsil eden bazı büyüklüklerden oluĢan bir çarpan ile çarpımıdır. Genelde herhangi

bir gerçek makinedeki moment üç faktöre bağımlı olacaktır.

1. Makinedeki akı

2. Makinedeki akım

3. Makinenin yapısını temsil eden bir sabit

2.2 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN SINIFLANDIRILMASI

Doğru akım makineleri motor ve generatör olarak çalıĢabilecek Ģekilde dizayn

edilmiĢlerdir. Dolayısıyla basit olarak doğru akım makineleri; doğru akım generatörleri ve

doğru akım motorları olarak ikiye ayrılabilirler. Bu ayrımın yanında sargı ve kutuplara göre

ve uyarma geriliminin sağlanma Ģekline göre sınıflandırma yapılabilir.

2.2.1 Sargı ve kutuplara göre sınıflandırma

I. Komütasyon kutuplu

II. Komütasyon kutupsuz

III. Kompanzasyon sargılı

2.2.2 Uyarma geriliminin sağlanma şekline göre sınıflandırma

I. Yabancı uyarmalı : Yabancı uyarmalı makinelerde uyarma gerilimi ayrı bir doğru

akım kaynağı tarafından sağlanır.

II. Kendinden uyarmalı: Bu makinelerde ise uyarma gerilimi, uyarma sargısının endüvi

uçlarına değiĢik bağlantı Ģekilleriyle endüvi tarafından üretilen gerilim ile

sağlanabilir. Kendinden uyarmalı doğru akım makineleri de kendi aralarında üçe

ayrılırlar.

49

i. Seri uyarma : Uyarma sargıları endüvi devresine seri bağlıdır. Dolayısıyla

uyarma gerilimi endüvi gerilimine eĢittir.

ii. ġönt uyarma : Uyarma sargıları endüvi devresine paralel (Ģönt) bağlıdır.

Dolayısıyla uyarma gerilimi endüvi gerilimine eĢittir.

iii. Kompunt uyarma: Bu durumda hem Ģönt hem de seri uyarma sargısı

kullanılır. Endüviye seri bağlanan seri alan sargısı büyük kesitli

iletkenlerden sarılır. ġönt alan sargısı ise endüvi sargısı ile seri bağlı

uyarma sargısı uçlarına bağlanır ve ince kesitli iletkenlerden sarılır.

Kendinden uyarmalı doğru akım makineleri ileride detaylı bir Ģekilde incelenecek ve

eĢdeğer devreleri verilecektir.

2.3 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN BÖLÜMLERĠ

Doğru akım makinaları akımı elde ediliĢi ve kullanıĢ amacına göre generatör ve motor

olarak ikiye ayrılır. Fakat yapıları yönünden aralarında fark yoktur. Sadece kullanıĢ amacına

göre farklılık gösterirler. Eğer doğru akım elektrik enerjisini dairesel mekanik enerjiye

dönüĢtüren doğru akım motorları incelenecek olursa, motorun bölümlerini üç alt baĢlık

halinde açıklamak uygun olacaktır.

2.3.1 Endüvi

Endüvi; doğru akım motorunun dönen kısmıdır.

Bu eleman, 0,3-0,7 mm kalınlığında çelik

saclardan yapılmıĢ silindirik gövde üzerine açılmıĢ

ve oluklara yerleĢtirilmiĢ sargılardan oluĢmuĢtur.

Endüvi sargılarının uçları, bakır dilimlerinden

yapılmıĢ olan ve üzerine fırçaların temas ettiği

kısma (kollektöre) bağlanmıĢtır. Yandaki Ģekilde

örnek bir endüvi parçası görülmektedir.

ġekil 2.3.1 - Endüvi

50

2.3.2 Stator

Doğru akım makinesinin duran kısmı stator, karkas

ve bunun üzerine yerleĢtirilen ana ve yardımcı

kutuplardan oluĢur. Ana kutuplar üzerine uyarma

sargıları yerleĢtirilmiĢtir ve bu sargılar doğru

akımla beslenirler. Karkas, makinede gövde görevi

görür ve genellikle yumuĢak dökme çelikten

yapılır. Kutuplar ise demir sac levhalar

paketlenerek yapılır ve üzerlerine uyarma sargıları

yerleĢtirilir. Kutupların alt kısmı, hava aralığında

alan dağılımına istenilen Ģekli verebilmek için yaygın yapılır. Doğru akım makinelerinde

makine büyüdükçe kutup sayısı da artar. Uyarma sargıları, komĢu kutuplar zıt polariteleri

oluĢturacak Ģekilde bağlanırlar. Yandaki Ģekilde örnek bir stator parçası görülmektedir.

2.3.3 Kollektör ve Fırçalar

Kollektör, bakır levhalardan meydana gelir. Levhalar

arası mika ile yalıtılır ve makine mili üzerine monte

edilir. Endüvide üretilen alternatif gerilim, kollektör

tarafından doğrultulur ve kollektör üzerine kayarak

temas eden fırçalar yardımıyla dıĢ devreye iletilir.

Endüvide herhangi bir simetri veya denge bozukluğu

kollektör ile fırçalar arasında istenmeyen kıvılcımlara

neden olur. Endüvi sargılarının kollektöre bağlanıĢ

Ģekli sarım tipini tanımlar. Endüvi sarımı paralel

(büklümlü) veya seri (dalgalı) olabilir. Fırçalar,

makinenin akım ve gerilim değerine göre farklı özelliklerde (sert, orta sert, yumuĢak karbon,

karbon-bakır alaĢımlı vb.) üretilir. Fırçaların kollektöre düzgünce basmasını sağlamak ve

kollektör ile fırçalar arasında oluĢabilecek arkları engellemek için baskı yayları kullanılır.

Fırçalar, aĢınıcı olduklarından zamanla biterler. Bu durum makinenin sesinden veya

kollektörde aĢırı kıvılcım oluĢmasından anlaĢılabilir.

Sonuç olarak; motorun iç yapısı, yukarıda anlatılan üç kısımdan oluĢur. AĢağıdaki

Ģekil, bu kısımların yerleĢimini görebilmek için yeterli olacaktır.

ġekil 2.3.2 - Stator

ġekil 2.3.3 - Kollektör

51

ġekil 2.3.4 - Motorun Ġç Yapısı

2.4 DOĞRU AKIM MAKĠNELERĠNĠN ÇALIġMA PRENSĠBĠ

Manyetik alan içinde ve kuvvet çizgilerini kesecek Ģekilde hareket eden bir iletkenin

uçları arasında bir elektro motor kuvveti doğar. Bu iletkende endüklenen e.m.k değeri birim

zamanda kesilen kuvvet çizgisi sayısı ile orantılıdır. Ġletkenin iki ucu bir direnç üzerinden

birleĢtirilirse devreden bir akım geçer. Bu akıma endüklenme akımı denir. Eğer iletken,

kuvvet çizgilerine eğik hareket ediyorsa, aynı süre içerisinde dik harekete göre daha az kuvvet

çizgisi kesecektir. Benzer olarak doğru akım makinelerinde endüvi sargıları dönerken

manyetik akı çizgilerini keser ve dolayısıyla sargılardaki bobinlerin manyetik alan içinde

hareket etmesi ile sargı iletkenlerinde endüklenen e.m.k her an yön ve Ģiddet değiĢtirmiĢ olur.

Buradan da anlaĢılacağı gibi kutuplar arasında dönen bir bobinde endüklenen e.m.k alternatik

e.m.k‟dır. sargı bobinlerinde endüklenen e.m.k akımı, kollektör vasıtasıyla doğrultularak

fırçalardan dıĢarıya alınır. Doğru akım makinelerinin çalıĢma karakteristikleri içinde önemli

olan iki tane olay vardır.

2.4.1 Komütasyon

Doğru akım makinelerinde fırçaların simetri ekseninde bulunmasıyla oluĢan fırça

konumuna tarafsız bölge veya nötr eksen denir. Endüvi sargılarından alternatif akım geçer.

Kollektör lamelleri, fırçaların altından geçerken bunlara bağlı bobinlerde akım yön değiĢtirir.

Endüvi iletkenlerinin tarafsız bölgeden geçerken akımın bu yön değiĢtirmesi olayına

komütasyon denir. Komütasyonu bozan elektriksel sebeplerden biri yardımcı kutuplardaki

bobinlerin bağlantılarının ters olması, ikinci sebep ise yardımcı kutup alanının çok zayıf ya da

kuvvetli olmasıdır.

52

Komütasyon nedeniyle fırçalarla kollektör arasında ark oluĢabilir. Ġki komĢu kollektör

lameline bağlı her endüvi bobininde akımın yön değiĢtirmesi sırasında bir yandan fırça bu

bobini kısa devre eder, öte yandan bu bobinde reaktans gerilimi denen bir özendükleme

gerilimi oluĢur. Bu reaktans gerilimi, makinenin devir sayısı ve endüvi akımıyla orantılıdır

yani sabit bir değerde kalmaz, endüvi akımı ve dönme hızı ile artar. Kısa devre olan bobinde

bir kısa devre akımı oluĢtuğundan, bu gerilim son derece zararlıdır. Buna karĢı alınması

gereken en etkili önlem, yardımcı kutuplar yardımıyla kısa devre olan bobinde ters yönlü bir

gerilim endükleyerek reaktans gerilimini yok etmektir.

Komütasyonu bozabilecek diğer dıĢ etkenler ise yatakların aĢınması ve kollektör lamelleri

arasındaki izolasyonun kötü olmasıdır.

2.4.2 Endüvi Reaksiyonu

Endüvi sargıları içinden geçen akım, güçlü bir manyetik alan oluĢturur. Bu alan,

kutuplardan gelen akıları bozar ve zayıflatır. Endüvi alanının, uyarma alanına etkisi ile

uyarma alanının Ģeklinin bozulması olayına endüvi reaksiyonu denir. Endüvi reaksiyonu

sonucunda makine generatör olarak çalıĢıyorsa gerilim düĢümü, motor olarak çalıĢıyorsa devir

sayısında artma görülür. Endüvi reaksiyonunu önlemek için makinenin ana kutup ve yardımcı

kutuplarına ek olarak ana kutup tabanlarına kompanzasyon sargıları yerleĢtirilir.

Kompanzasyon sargıları, endüvi sargılarına seri olarak bağlanır ve uyarma alanının

zayıflamasına neden olan endüvi alanına zıt yönde bir alan üretirler.

Faraday yasasına göre endüvide endüklenen gerilimin ifadesi Ģu Ģekilde geliĢtirilir.

2.4.3 Endüvide Endüklenen Gerilimin İfadesi

Bir iletken manyetik alan içerisinde hareket

ettiğinde endüklenen e.m.k Ģu Ģekildedir.

(2.4.1)

Bir kutba karĢılık gelen endüvi çevre alanı ise

aĢağıdaki eĢitlik ile hesaplanır.

(2.4.2)

:

Endüvideki çift paralel kol

sayısı

: Endüvideki tek paralel kol

sayısı

: Endüvideki toplam iletken

sayısı

: Devir sayısı (d/d)

: Bir kutup akısı (Weber)

: Çift kutup sayısı

: Tek kutup sayısı

: Endüvi çapı

: Endüvi uzunluğu

53

Ortalama manyetik akı yoğunluğu ;

(2.4.3)

Endüvi bir dönüĢte çevreyi kat edeceğinden ve saniyede devir yapacağından iletkenin

hızı;

(2.4.4)

olur ve böylece bir iletkende endüklenen gerilim;

(2.4.5)

Ģeklinde elde edilir. Endüvideki iletken sayısı ve paralel kol sayısı olduğundan endüvide

endüklenen gerilim;

(2.4.6)

(2.4.7)

olarak yazılırsa, endüvide fırçalar arası endüklenen gerilim Ģu Ģekilde elde edilir.

(2.4.8)

2.5 DOĞRU AKIM MOTORLARI

Doğru akım motorlarının yol alma momentleri yüksektir ve devir sayıları geniĢ bir saha

boyunca ayarlanabilir. Doğru akım motorlarında uyarma akımı sargılara ve endüviye

dıĢarıdan verilir. 20 kW‟lık bir güce kadar yapılan bazı doğru akım motorlarında sabit

mıknatıslar bulunur ve bu nedenler bu tür motorlar uyarma akımına ihtiyaç duymazlar. Ġster

mıknatıslı, ister uyarma sargılı tüm doğru akım makinelerindeki ortak taraf stator manyetik

alanının oluĢturulmasıdır. Stator manyetik alanı içerisinde oluĢan itme çekme kuvvetinden

dolayı bir döndürme momenti etkir. Endüvinin dönmesi sırasında endüvi manyetik alanı

uyarma sargısı alanı ile aynı yöne olmak ister. Ancak kollektör nedeniyle devre akımı devamlı

54

olarak bir sonraki endüvi sargısına verildiği için, endüvi alanı kendine özgü yönü korumak

zorunda kalır.

2.5.1 Doğru Akım Motorlarının Sürekli Çalışma (Kararlı Durum) Hali

ġekil 2.5.1 - Motor endüvi ve uyarma devresi modelleri

, endüvi akımı olmak üzere, fırçalar ve kollektör üzerindeki geçiĢ dirençlerinden

dolayı oluĢan küçük gerilim düĢümleri ihmal edilerek ġekil 2.5.1‟deki motor endüvi ve

uyarma eĢdeğer devre modellerinden endüvi devresi için;

(2.5.1)

ve uyarma devresi için;

(2.5.2)

olarak yazılır.Bu denklemlerde;

: Motora Ģebekeden uygulanan gerilim

: Endüvi devresi dirençleri toplamı

(2.5.3)

: Endüvi sargısı direnci

: Yardımcı kutup sargısı direnci

: Seri uyarma sargısı direnci

: Kompanzasyon sargısı direncidir.

55

Devir sayısını bulmak için Denklem 2.4.8, Denklem 2.5.1‟de yerine yazılırsa devir sayısı

ifadesi elde edilir.

(2.5.4)

Doğru akım motorları, uyarma sargılarının endüvi devresine bağlanıĢ Ģekline göre

serbest veya kendinden uyarmalı motorlar olarak, kendinden uyarmalı motorlar da kendi

içinde Ģönt, seri veya kompount uyarmalı olarak sınıflandırılırlar. Uyarma sargısı Ģönt

motorda, endüvi sargısına paralel, seri motorda ise seri olarak bağlanır. Bu iki bağlantının

birleĢiminden ise doğru akım kompount motor elde edilir.

Doğru akım motorlarında endüvide üretilen güç ve endüvide endüklenen moment Ģu

bağıntılar ile gösterilir.

(2.5.5)

(2.5.6)

2.5.2 Doğru Akım Motorlarının Uyarma Geriliminin Sağlanma Şekillerine Göre

Sınıflandırılması

2.5.2.1 Serbest Uyarmalı Doğru Akım Motorları

Serbest uyarmalı motorlarda uyarma sargısı

endüviye bağlanmaz. Uyarma akımı bağımsız bir gerilim

kaynağından sağlanır. Uyarma sargıları yerine sabit

mıknatıslar bulunan motorlar bir bakıma serbest uyarmalı

motorlar olarak sayılabilirler. Yardımcı kutupları

olmayan bu motorların kullanım alanlarına örnek olarak

otomobillerdeki cam silecekleri verilebilir. Bu motorların

devir sayıları yük altında fazla değiĢtiği için, devir sayısı

ayarlarının önemli olduğu uygulamalarda (torna, freze

makineleri vb.) kullanılabilirler. ġekil 2.5.2‟de serbest

uyarmalı motorların elektriksel eĢdeğer devresi

verilmiĢtir.

ġekil 2.5.2 - Serbest uyarmalı doğru

akım motorun elektriksel eĢdeğer

devresi

56

2.5.2.2 Şönt Uyarmalı Doğru Akım Motorları

ġönt motorlarda uyarma sargısı, endüviye paralel olarak bağlanmıĢtır. Bu motorlarda

devir ayarı yol verme direnci ve alan ayarlayıcı direnç yardımıyla yapılır. ġönt motorlarda

yüksüz durumda devir kendiliğinden yükselmez. Devir sayıları yük altında çok az değiĢir.

Fakat yol alma momentleri fazla yüksek değildir. ġönt motorlar bu özelliklerinden dolayı

yüksek kalkıĢ momenti istenmeyen ve devir sayısının sabit kalması istenen yerlerde

kullanılırlar. Kağıt fabrikaları, dokuma tezgahları, dokuma tezgahları kullanım alanlarına

örnek olarak verilebilir.

Doğru akım Ģönt motorun iĢletme karakteristikleri,

elektriksel eĢdeğer devresine ait gerilim

denklemlerinden çıkarılır. ġekil 2.5.3‟de doğru akım

Ģönt motorun elektriksel eĢdeğer devresi

gösterilmiĢtir.

(2.5.7)

(2.5.8)

Uyarma akımı ve uç gerilimi ise aĢağıdaki eĢitlikler

ile ifade edilir.

(2.5.9)

(2.5.10)

Ayrıca;

(2.5.11)

(2.5.12)

(2.5.13)

ġekil 2.5.3 - Doğru akım Ģönt motorun elektriksel

eĢdeğer devresi

57

(2.5.14)

dönüĢümleri yapılırsa moment ifadesi hakkında bazı saptamalarda bulunulabilir. Doğru akım

Ģönt motorda endüvide endüklenen moment, endüvi akımı ile doğru orantılı olarak değiĢir.

ġekil 2.5.4‟te endüvi momentinin endüvi akımı ile değiĢimi gösterilmiĢtir.

Denklem 2.5.13‟ten devir sayısı çekilip yerine yazılırsa, yüklü ve yüksüz durum için hız

denklemi Ģu Ģekilde kurulur.

(2.5.15)

(2.5.16)

(2.5.17)

Bu ifadede değeri genellikle çok küçük olduğundan ihmal edilebilir.

Dolayısıyla doğru akım Ģönt motorlarda devir sayısı yaklaĢık olarak sabittir. ġönt motorlarda

hızın endüvi akımı ile değiĢimi önemli bir konu olduğundan dolayı detaylı inceleme yapılması

uygun olacaktır.

2.5.2.2.i Şönt Motorlarda Hız-Akım Karakteristiği

Denklem 2.4.8‟de gösterilmiĢ olan endüklenen gerilim ile Denklem 2.5.1‟deki ifade

birleĢtirilerek „n‟ nominal indisini göstermek üzere, , , durumuna

göre Ģu eĢitlik yazılabilir.

;

(2.5.18)

ġekil 2.5.4 - Doğru akım Ģönt motorda

endüvi momentinin endüvi akımı ile

değiĢimi

58

Motorun boĢtaki devir sayısı, Denklem 2.5.18‟de yazılır, bu değer nominal

devir sayısına oranlanır ve gerekli düzenlemeler yapılırsa;

;

(2.5.19)

eĢitliği elde edilir. Motorun hız ifadesinde, gerilim , endüvi devresi direnci ve alan

parametrik değiĢkenler olup, akım esas değiĢkendir. Dolayısıyla hız-akım

karakteristikleri bu husus dikkate alınarak üç farklı durum için aĢağıdaki gibi elde edilir.

1.Durum; gerilimi ve akısı sabit kalmak Ģartı ile endüvi devresine direnç ilave

edilirse, hız ifadeleri ve karakteristiklerin eğimi aĢağıdaki gibi yazılabilir.

Yukarıdaki ifadelerde, olmak üzere endüvi

devresinin toplam direnci gösterilmektedir. Bu ifadelerin belirlediği

karakteristikleri ġekil 2.5.5‟teki gibi olacaktır.

59

ġekil 2.5.5 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen endüvi direncine ait karakteristikler

2.Durum; direnci ve akısı sabit kalmak Ģartıyla endüvi gerilimi

olacak Ģekilde değiĢtirilirse, hız ifadeleri ve karakteristiklerin

eğimini veren ifadeler Ģu Ģekilde yazılabilir.

Yukarıdaki ifadelerin belirlediği karakteristikleri ġekil 2.5.6‟daki gibi

olacaktır.

60

ġekil 2.5.6 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen endüvi gerilimine ait karakteristikler

3.Durum; gerilimi ve direnci sabit kalmak Ģartıyla akısı,

olacak Ģekilde değiĢtirilirse, devir sayısı ve

karakteristiklerinin eğimine ait ifadeler aĢağıdaki gibi yazılabilir.

Yukarıdaki ifadelerin belirlediği karakteristikleri ġekil 2.5.7‟deki gibi

olacaktır.

61

ġekil 2.5.7 - DC Ģönt motorun kademeli değiĢen alan akımına ait karakteristikler

2.5.2.2.ii Doğru Akım Şönt Motorlara Yol Verme

Sistemi çalıĢmaz durumdan normal iĢletme durumuna geçirmeye yol verme, bu süreye

yol verme süresi, bunun için kullanılan cihazlara yol verme cihazları, gerekli bağlantılara da

yol verme bağlantıları denir.

Normal yapı tarzındaki doğru akım motorları kalkıĢ anında tam yük akımının 10 ile 20

katını, asenkron makineler ise tam yük akımının 4 ile 8 katını çekerler. Bu yüksek yol alma

akımlarını düĢürmek ve yol alma momentlerini tahrik sistemi için uygun değerlere ayarlamak

için yol verme cihazları ve yol verme bağlantıları kullanılır. Motorun ilk andaçektiği akımı

sınırlandırmak ve momenti istenilen değere ayarlamak için ya endüvi devresine direnç ilave

edilir ya da motora uygulanan gerilim düĢürülür. Motora toplam değeri

olan yol verme dirençleri ile yol verilmesi durumunda, baĢlangıçta

tamamı devrede olan yol verme dirençleri, motor yol aldıkça sondan itibaren devre dıĢı edilir.

Yol verme dirençlerinin tamamı devre dıĢı edildikten sonra normal karakteristik üzerinde

sürekli çalıĢma noktasına ulaĢılır.

AĢağıda örnek olarak bir kademeli ve üç kademeli yol verme bağlantıları, kumanda

Ģemaları yardımıyla incelenmiĢtir.

62

Bir Kademeli Yol Verme

ġekil 2.5.8‟de bir Ģönt motora bir kademe dirençle yol vermeye ait bağlantı Ģeması

verilmiĢtir. Bu devrede motorun maksimum momentle yol almasını sağlamak için, Ģönt sargı

devamlı olarak Ģebekeye bağlı tutulur. Bu devrenin en büyük özelliği, bağlantıda zaman

rölesinin kullanılmamıĢ olmasıdır. Zaman rölesinin görevini bu bağlantıda (A) kontaktörü

yapar.

ġekildeki devrede baĢlatma butonuna

basıldığında, (M) kontaktörü enerjilenir. (M)

mühürleme kontağı kapanır ve sürekli çalıĢma

sağlanır. Güç devresinde (M) kontağı kapanınca,

endüvi yol verme direnci üzerinden Ģebekeye

bağlanır. Yol verme direncindeki gerilim düĢümü

nedeniyle, motor düĢük gerilimle yol almaya baĢlar.

Devir sayısı yükseldikçe, endüvüdeki zıt E.M.K da

artar. Yol vermenin uygun bir anında, endüvüdeki

zıt E.M.K nedeniyle (A) kontaktörü çalıĢır. (A)

kontağı kapanır ve (RY) yol verme direnci kısa

devre olur. Endüvi normal Ģebeke gerilimine

bağlanır. Durdurma butonuna basılıncaya kadar,

motor normal Ģebeke geriliminde çalıĢır.

ġekilde görülen yol verme devresi, önceki incelenen yol verme devrelerinden oldukça

farklı çalıĢır. Örneğin dirençle yol verme devresinde, yol verme dirençleri belirli zaman

aralıklarıyla devreden çıkartılırlar. Dirençlerin devreden çıkma zamanını, zaman röleleri

belirler. ġekildeki devrede yol verme direncinin devreden çıkması, motorun devir sayısına

bağlıdır. ġebeke geriliminin düĢmesi ve motor milindeki yükün artması nedeniyle motorun

yol alması gecikirse, yol verme direncinin devreden çıkması da gecikir. Böylece motora daha

düzgün bir Ģekilde yol verilmesi sağlanmıĢ olur.

Üç Kademeli Yol Verme

ġekil 2.5.9‟da bir Ģönt motora üç kademe dirençle yol vermeye ait bağlantı Ģeması

verilmiĢtir. Bu devrede kullanılan (D), (E), (F) röleleri motorun devir sayısına bağlı olarak

enerjilenirler. Motorun maksimum momentle yol almasını sağlamak için, Ģönt sargı Ģebekeye

ġekil 2.5.8 - ġönt motora bir kademeli yol verme

63

bağlı tutulur ve (P1) devir ayar reostası normalde kapalı (C) kontağı ile kısa devre edilir. ġönt

sargıdan geçen akımın kesilmesinden doğan indüksiyon gerilimi, (VR1) varistörüyle

söndürülür. Direnci, uçlarındaki gerilimle ters orantılı olarak değiĢen elemana varistör adı

verilir. Varistörün uçlarındaki gerilim büyüdüğünde, varistörün direnci çok azalır.

ġekildeki devrede Ģönt sargıda doğan indüksiyon geriliminin değeri çok büyük

olduğundan, bu gerilime bağlı bulunan varistörün direnci çok küçülür. Doğan indüksiyon

gerilimi, varistör üzerinden kısa devre olur dolayısıyla kolayca söner.

ġekilde verilen devrede baĢlatma

butonuna basıldığında (M) kontaktörü

enerjilenir. Kapanan (M) mühürleme

kontağı devrenin sürekli çalıĢmasını sağlar.

Güç devresinde (M) kontağı kapanınca,

endüvi yol verme dirençlerinin üzerinden

Ģebekeye bağlanır. Yol verme dirençlerin-

deki gerilim düĢümleri nedeniyle, motor

düĢük gerilimde yol almaya baĢlar.

Endüvinin devir sayısı ve endüvide doğan

zıt E.M.K gittikçe yükselir. Endüvideki zıt

E.M.K Ģebeke geriliminin %50 değerine

ulaĢtığında , (D) rölesi enerjilenir. (D)

kontağı kapanır ve (A) kontaktörü

devreye bağlanır. Kapanan (A) kontağı

(R1) yol verme direncini kısa devre eder. Endüviden geçen akım ve meydana gelen döndürme

momenti artar.

Endüvinin devir sayısı ve endüvide doğan zıt E.M.K yükselir. Endüvide doğan zıt

E.M.K Ģebeke geriliminin %70 ine ulaĢtığında, (E) rölesi enerjilenir. (E) kontağı kapanır ve

(B) kontaktörü devreye bağlanır. Kapanan (B) kontağı (R2) yol verme direncini kısa devre

eder. Endüviden geçen akım ve bu akımın yarattığı döndürme momenti artar. Motorun devir

sayısı ve endüvide doğan zıt E.M.K yükselir. Endüvide doğan zıt E.M.K Ģebeke geriliminin

%85'ine ulaĢtığında (F) rölesi enerjilenir.(F) kontağı kapanır ve (C) kontaktörü devreye

bağlanır. Kapanan (C) kontağı (R3) yol verme direncini kısa devre eder. Böylece endüvi

normal Ģebeke gerilimine bağlanır.

ġekil 2.5.9 - Üç kademeli yol verme

64

Motorun normal geriliminde çalıĢması, durdurma butonuna basılıncaya kadar devam

eder. (C) kontaktörü enerjilenince, normalde kapalı (C) kontağı açılır. (P1) devir ayar reostası

Ģönt sargıya bağlanır. Motorun devir sayısı önceki ayarlandığı değere yükselir. Yol verme

dirençleri, motorun devir sayısına bağlı olarak devreden çıkarlar.

Doğru akım Ģönt motorun kademeli yol verme dirençleri ile yol verilmesi durumunda

genel hız-akım ve elektromotor kuvvet-akım karakteristikleri ise

ġekil 2.5.10-11‟deki gibi olurlar.

ġekil 2.5.10 - ġönt motorun hız-akım yol verme

karakteristiği

ġekil 2.5.11 - ġönt motorun e.m.k-akım yol verme

karakteristiği

2.5.2.3 Seri Uyarmalı Doğru Akım Motorları

Seri motorlarda uyarma sargısı endüviye seri bağlanmıĢtır. Endüvi akımının tümü

uyarma sargısından geçer. Bu nedenle endüvi akımı yükseldikçe uyarma akımı yükselir. Bu

durum yol alma esnasında momentin yüksek olmasını sağlar. Seri motorların kalkıĢ

momentleri diğer motorlardan daha büyüktür. Seri motor yüklendikçe, endüvi akımı ve buna

bağlı olarak uyarma akımı yükselir. Uyarma akımının yükselmesi sonucu döndürme momenti

artarken devir sayısı düĢer. Motor yüksüz olarak çalıĢtırıldığında endüvi akımı, yani uyarma

akımı, küçük olacağından devir sayısı giderek yükselir. Bu nedenle seri motor, yüksek

hızlarda kayıĢ kopma ihtimali göz önünde bulundurularak, kayıĢlı bir makineyi tahrik amaçlı

olarak kullanılmamalıdır. Seri motorlar özellikle elektrikli ulaĢım sistemlerinde sıklıkla

kullanılırlar.

65

Doğru akım seri motorun iĢletme

karakteristikleri, elektriksel eĢdeğer devresine ait

gerilim denklemlerinden çıkarılır. ġekil 2.5.12‟de

doğru akım Ģeri motorun elektriksel eĢdeğer devresi

gösterilmiĢtir.

Uç gerilimi , Ģebekeden çekilen akım ,

endüvide üretilen zıt e.m.k ve endüvide

endüklenen güç olarak gösterilmek üzere Ģu

bağıntılar yazılabilir.

(2.5.20)

(2.5.21)

(2.5.22)

(2.5.23)

Denklem 2.5.22‟nin revize edilmesiyle moment ifadesine ulaĢılabilir.

(2.5.24)

(2.5.25)

Bu denklemden endüklenen gücün endüvi akımıyla değiĢiminin parabol Ģeklinde

olduğu açıkça görülmektedir. Denklem 2.5.20‟de yerine Denklem 2.5.22 yerine yazılırsa

Ģu eĢitlikler elde edilir.

(2.5.26)

(2.5.27)

ġekil 2.5.12 - Doğru akım seri motor elektriksel

eĢdeğer devresi

66

Denklem 2.5.27‟den de görüldüğü gibi seri motor boĢta çalıĢırsa devir sayısı

çok yükselir, dolayısıyla bu motorlar daima mile yükün bağlı olduğu gösterilmiĢtir. Bu

denklemden endüvi akımı çekilirse Ģu tanım elde edilir ve moment bağıntısı bulunabilir.

(2.5.28)

(2.5.29)

2.5.2.3.i Doğru Akım Seri Motorlara Yol Verme

Doğru akım seri motorun ilk anda çektiği akımı sınırlandırmak ve aynı zamanda tahrik

sistemi için yeterli momenti sağlamak için iki farklı yol verme yöntemi kullanılır. Bunlardan

birincisi endüvi devresine direnç ilave etmek (yol verme reostası), diğeri ise motora düĢük

gerilimle yol vermektir. Bu bölümde kademeli direnç ile yol verme sonucu ortaya çıkan

karakteristikler gösterilecektir. Bu tip yol vermede, yol verme baĢlangıçta bütün kademe

dirençleri devrede olduğu halde motora yol verilir ve motor yol aldıkça sondan itibaren sıra

ile kademe dirençleri devre dıĢı edilir.

ġekil 2.5.13 - DC seri motorun yol verme halindeki n-I

karakteristiği

ġekil 2.5.14 - DC seri motorun yol verme halindeki E-I

karakteristiği

ġekil 2.5.15 - DC seri motorun yol verme halindeki -I karakteristiği

67

Kademeli dirençle yol verilen seri motora ait , ve

karekteristikleri ġekil 2.5.13-14-15‟te gösterilmiĢtir.

2.5.2.4 Kompunt Uyarmalı Doğru Akım Motorları

Kompunt motorun elektriksel eĢdeğer devresi ġekil 2.5.16-17‟de gösterilmiĢtir. ġekil

2.5.16‟da gösterildiği gibi seri uyarma sargısının endüvi sargısı ile seri bağlı ve Ģönt uyarma

sargısının uç DC kaynağa paralel bağlandığı Ģekle uzun Ģönt kompount motor denir. ġekil

2.5.17‟de gösterildiği gibi seri uyarma sargısının DC kaynağa seri bağlı ve Ģönt uyarma

sargısının endüvi uçlarına paralel bağlandığı Ģekle ise kısa Ģönt kompunt motor denir.

ġekil 2.5.16 - Uzun Ģönt uyarma

ġekil 2.5.17 - Kısa Ģönt uyarma

Seri uyarma sargısının meydana getirdiği alanın etkisi, Ģönt uyarma sargısının

meydana getirdiği alanı destekleyecek yönde ise makine, arttırmalı kompunt, zayıflatacak

yönde ise azaltmalı kompunt olarak isimlendirilir.

Arttırmalı kompunt makinelerde uyarma akısı;

(2.5.30)

Azaltmalı kompunt makinelerde uyarma akısı;

68

(2.5.31)

Ģeklinde yazılır. ve , doymanın ihmal edilmesi durumunda Ģönt ve seri sargı

parametrelerini temsil ederler. Kompunt motor için uç gerilimi ifadesi ve uyarma akımı

Ģu Ģekilde yazılırlar.

(2.5.32)

(2.5.33)

Endüvi gerilimi ve endüvide indüklenen moment ise Ģu Ģekilde ifade edilir.

(2.5.34)

(2.5.35)

Bu denklem; kompunt motor tarafından üretilen momentin ġekil 2.5.18‟de gösterildiği

gibi hem Ģönt, hem de seri motor karakteristiklerinin bileĢkesi olduğunu gösterir. Arttırmalı

kompunt motor, aynı endüvi akımında Ģönt motordan daha yüksek moment üretmektedir.

Azaltmalı kompunt motor ise aynı endüvi akımında Ģönt motordan daha düĢük bir moment

üretmektedir.

ġekil 2.5.18 - Arttırmalı ve azaltmalı kompunt motor için indüklenen momentin endüvi akımına bağlı değiĢimi

Denklem 2.5.32 ve 2.5.34 kullanılarak motor hızı, endüvi akımı ile ifade edilebilir.

69

(2.5.36)

Denklem 2.5.36 kullanılarak arttırmalı kompunt motor hız denklemi için 2.5.37

denklemi, azaltmalı kompunt motor hız denklemi için ise 2.5.38 denklemi yazılabilir.

(2.5.37)

(2.5.38)

ġekil 2.5.19‟da arttırmalı ve azaltmalı kompunt motorda hızın endüvi akımına bağlı

değiĢimi verilmiĢtir.

ġekil 2.5.19 - Arttırmalı ve azaltmalı kompunt motor için hızın endüvi akımına bağlı değiĢimi

Kompunt motorun moment-hız karakteristiği seri ve Ģönt motorların karakteris-

tiklerinden elde edilebilir. Denklem 2.5.35 ifadesinde yerine yazılır ise;

(2.5.39)

(2.5.40)

(2.5.41)

olur. Hızın bir fonksiyonu olarak Denklem 2.5.36‟dan endüvi akımı çekilirse Ģu ifade elde

edilir.

70

(2.5.42)

Bu denklem, Denklem 2.5.35 ifadesinde yerine yazılırsa, sonuç olarak motorun

moment denklemi elde edilir.

(2.5.43)

Momentin hıza bağlı değiĢimi ise ġekil 2.5.20‟de gösterildiği gibi olur.

ġekil 2.5.20 - Kompunt motorun moment-hız değiĢimi

2.5.3 Doğru Akım Makinelerinde Güç Akışı Ve Kayıplar

Doğru akım generatörle mekanik enerjiyi alıp elektrik enerjisi üretirler, motorlar ise elektrik

enerji alıp mekanik enerji üretirler. Her iki durumda doğru akım makineye giren tüm güç

diğer uçtan yararlı hale dönüĢmez. Süreçle birlikte kayıplar mutlaka vardır.

Doğru akım makinenin verimi aĢağıdaki denklem ile tanımlanır.

(2.5.44)

Makinenin giriĢ gücü ve çıkıĢ gücü arasındaki fark, içinde oluĢan kayıplardır. Dolayısıyla Ģu

eĢitliği yazmak uygun olacaktır.

(2.5.45)

71

2.5.3.1 Doğru Akım Makinelerindeki Kayıplar

Doğru akım makinelerinde oluĢan kayıplar beĢ temel kategoriye bölünebilir.

1. Elektriksel veya bakır kayıpları ( kayıpları)

2. Fırça kayıpları

3. Demir kayıpları

4. Mekanik kayıplar

5. Dağılma yük kayıpları

Bu kayıplar detaylı bir Ģekilde incelenmeye çalıĢılacaktır.

2.5.3.1.i Elektriksel Veya Bakır Kayıpları

Doğru akım makinelerinin çeĢitli kısımlarındaki sargılarda akım geçiĢinden dolayı ısı

açığa çıkar. Meydana gelen ısı, Joule kanununa göre Ģeklinde ifade edilir. Bu ısı hiçbir iĢe

yaramadığından makine için bir kayıptır. Bu kayıp Joule kaybı veya bakır kaybı olarak

adlandırılır. Bakır kayıpları aĢağıdaki gibi sınıflandırılabilirler.

a. Endüvi bakır kayıpları: Endüvi iletkenlerinin direnci ‟dan dolayı meydana gelir ve

olarak yazılır. Endüvi akımı yükle değiĢtiğinden endüvi bakır kaybı değiĢken

kayıplardandır.

b. ġönt sargı bakır kayıpları: ġönt sargı bakır kayıpları, Ģönt ve kompunt makinelerde

mevcuttur. ġönt sargı direnci ve Ģönt sargılarından geçen akım (uyarma akımı)

olduğuna göre, Ģönt sargı bakır kaybı; olur. ġönt sargı akımı hemen hemen

sabit olduğundan bu kayıp sabit kayıplardandır.

c. Seri sargı bakır kayıpları: Seri sargı bakır kayıpları, seri ve kompunt makinelerde

mevcuttur. Seri sargı direnci ve bu sargıdan geçen akım olduğuna göre seri sargı

bakır kaybı olur. Seri sargıdan geçen akım yükle değiĢtiğinden, seri sargı bakır

kaybı değiĢken kayıplardandır.

d. Yardımcı kutup ve kompanzasyon sargısı bakır kayıpları: Doğru akım makinelerinde

yardımcı kutup (komütasyon kutbu) sargısı ve kompanzasyon sargısından geçen akım,

72

endüvi akımıdır. ġu halde bu kayıplar da yük akımı ile değiĢtiğinden değiĢken

kayıplardır. Yardımcı kutup sargısı direnci , kompanzasyon sargı direnci

olduğuna göre bu kayıplar ve Ģeklinde ifade edilir.

2.5.3.1.ii Fırça Kayıpları

Fırça gerilim düĢümü kaybı makinenin fırçalarının temas potansiyelinin arasındaki güç

kaybıdır. , fırça kaybı; fırçadaki gerilim düĢümü; endüvi akımı olmak üzere bu güç

kaybının değeri aĢağıdaki denklem ile verilir.

(2.5.46)

Fırça kayıpları da endüvi akımının sebebiyet verdiği kayıplardan olduğu için bakır

kaybı olarak sayılabilir.

2.5.3.1.iii Demir Kayıpları

Endüvinin uyarma alanı içindeki hareketi nedeniyle makinenin hareket eden kısımlarında

ve uçlarında kayıplar meydana gelir. Bu kayıplara demir kayıpları denir. Demir kayıpları,

histerizis ve fukolt (foucoult) kayıpları olmak üzere ikiye ayrılırlar.

a. Histerizis kayıpları: Histerizis kayıpları, manyetik alan içinde hareket eden endüvinin

demir kısmında meydana gelir. Endüvinin hareketinde demir molekülleri, ana alana

göre daima hareket halindedirler. Bu hareket kendisini ısı Ģeklinde belirtir. Bu kayba

histerizis kayıpları denir ve ile gösterilir. Doğru akım makinelerinde histerizis

kaybını azaltmak için endüvi sacları silis alaĢımlı yapılır.

b. Fukolt kayıpları: Endüvinin hareketinde demir kısımlar üzerinde bir e.m.k meydana

indüklenir. Ġndüklenen bu e.m.k, endüvi demir gövdesi üzerinde dolaĢan akımları

meydana getirir. Bu akımlar demir kısımları ısıtır ve bu yaĢanan ısı kaybına fukolt

kaybı denir, ile gösterilir. Bu kayıpları azaltmak için endüvi, birer tarafı yalıtılmıĢ

ince saclardan yapılır ve böylece dolaĢan akımların değeri azaltılır. Dolayısıyla fukolt

kayıpları en aza indirilmiĢ olur.

Demir kayıpları, sabit kayıplar olarak kabul edilirse de yükle bir miktar değiĢim

gösterirler. Endüvi reaksiyonundan dolayı kutup uçlarında meydana gelen yığılma, endüvi

diĢlerindeki demir kayıplarını arttırır. Ayrıca endüvi alanı, kutupların altında demir kayıpları

73

meydana getirir. Bunlar demir kayıplarının yükle bir miktar değiĢmesine neden olur. Tüm

demir kayıpları ile gösterilirse Ģu eĢitlik kolaylıkla yazılabilir.

(2.5.47)

2.5.3.1.iv Mekanik Kayıplar

Bir doğru akım makinesindeki mekanik kayıplar, mekanik etkiler ile iliĢkili kayıplardır.

Doğru akım makinelerinde meydana gelen sürtünme ve vantilasyondan dolayı bir enerji kaybı

olur. Bu kayıp; fırça, yatak ve endüvinin dönerken hava ile sürtünmesi ve makineyi soğutmak

için kullanılan vantilatörün meydana getirdiği kayıpların tümüdür. Mekanik kayıplar da sabit

kayıplardandır.

Fırçalarda meydana gelen kayıplar; fırça cinsine, kollektör yüzeyinin temizliğine, fırça

basıncına, fırçanın kollektöre olan temas yüzeyine ve kollektörün çevre hızına bağlıdır.

Makinenin yataklarında meydana gelen sürtünme kayıpları; yatağın, bilezikli metal

yatak veya vilyeli yatak olmasına göre değiĢir. Bilezikli yataklarda sürtünme kayıpları, bilyeli

yataklara göre daha fazladır. Rüzgar ve sürtünme kayıpları ile gösterilir.

2.5.3.1.v Dağılma Kayıpları

Stray kayıpları önceki kategorilerin her birinde yer alamayan kayıplardır. Ne kadar

dikkatli bir Ģekilde bu kayıpların hesaba katılacağı önemli değildir. Bazıları yukarıdaki

kategorilerin birine dahildir. Tüm bu tür kayıplar stray kayıplarında toparlanır. Teoride adı

geçtiği için burada kendisine yer verilmiĢtir.

2.5.3.2 Doğru akım motorlarında güç akış diyagramı

Doğru akım motorları için güç akıĢ diyagramı ġekil 2.5.21‟de verilmiĢtir.

74

ġekil 2.5.21 - Doğru akım motorları için güç akıĢ diyagramı

2.5.4 Doğru Akım Motorlarında Hız Kontrol Yöntemleri

Doğru akım motorlarında hız kontrol yöntemleri Ģu Ģekilde sıralanabilirler.

Endüvi devresine kademeli direnç ilave ederek

Alan akımı değiĢtirilerek

DeğiĢken gerilim uygulanarak (Ward-Leonard sistemi)

Yarı iletkenler kullanılarak

Darbe GeniĢlik Modülasyonu (PWM) kullanılarak yapılan kontrol

Endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan elektrik motorları yapı olarak

birbirlerine göre farklılıklar gösterirler. Bu motorlarının ortak yanı; elektrik enerjisini

mekanik enerjiye dönüĢtürmeleridir. Ġhtiyacın da farklılıklar göstermesi, farklı tip motorların

farklı Ģekillerde kontrol edilmesini gerektirmektedir. DC motorlar kolay kontrol edilmeleri ve

yüksek performansları nedeniyle endüstriyel uygulamalarda önemli bir yer edinmiĢtir.

Konum ve hız kontrolü için her elektrik motoru uygun olmayabilir. Bu durumda kontrol

edilmek istenilen büyüklüğe uygun bir motor seçimi yapılmalıdır. Konum kontrolü yapılması

gereken uygulamalarda genellikle adım motoru yada servomotor kullanılır. Adım motorları

daha çok küçük güçlü sistemlerde ve düĢük moment gerektiren kontrollerde tercih edilir.

Bunun yanında büyük güç, yüksek moment ve hızlı tepki gerektiren sistemlerde ise daha

çok servomotorlar kullanılır. Ayrıca motorun kalkıĢ ve duruĢ anında, motorun kontrolünü

75

daha yumuĢak bir Ģekilde yapmak kolaydır. Böylelikle motorun kalkıĢ ve duruĢ sırasında,

mile bağlı yükün ve ürünün zarar görmesi önlenebileceği gibi aynı zamanda motorun kalkıĢ

anında yüksek akım çekmesi de önlenmiĢ olur. Motor hızının değiĢtirilmesi, motora

uygulanan gerilimin ayarlanması ile yapılır. Motora uygulanan gerilimin ayarlanmasında daha

çok yarıiletken elemanlar kullanılır. Bu yarıiletken elemanların kontrolü ise mikroiĢlemci,

mikro denetleyici gibi donanım elemanları ve yazılım aracılığı ile yapılır.

Bir doğru akım ayarlayıcısına değiĢik yöntemlerle kumanda ederek akım ayarlanabilir; Bu

yöntemlerden birkaçı, darbe geniĢlik modülasyonu (PWM), darbe periyodu modülasyonu

(PFM) dir. PWM ile PFM arasında ki fark; PWM‟ de periyot (frekans) sabit tutularak

darbenin geniĢliği ayarlanmakta iken PFM‟ de ise darbe geniĢliği sabit tutulup periyot

değiĢtirilmektedir. Bu çalıĢmada darbe geniĢlik modülasyonu yöntemi kullanılmıĢtır. Çünkü

değiĢken frekanslı sistemlerde filtre etme güçlükleri söz konusudur.

Kolay kontrol edilebilme ve yüksek performans gibi üstünlüklere sahip olan DC

motorlarının hızları geniĢ sınırlar içerisinde ayarlanabilmektedir. DC motorları endüstride

hızlı taĢımacılık, elektrik trenleri, elektrikli taĢıtlar, elektrikli vinçler, yazıcı, disket sürücü,

kağıt endüstrisi gibi yerlerde ayarlanabilir hız ve hassas konumlandırma uygulamalarında

kullanılırlar. Son yıllarda teknolojik geliĢmelerle birlikte ev aletleri uygulamalarında, düĢük

güçlü ve düĢük maliyet istenen ayarlanabilir hız gereken yerlerde yaygın bir kullanım alanı

bulmuĢtur.

Bir çok uygulamada DC motor devir sayısının geniĢ sınırlar içerisinde ayarlanması

gerekir. Motor devir sayısının ayarlanabilmesi için DC motor sürücüleri kullanılır. DC motor

hız kontrolü analog ve sayısal olmak üzere iki tipte yapılabilmektedir. GeçmiĢte endüstriyel

uygulamalar için hız ayarı yarı iletken kontrollü ayarlı gerilim kaynaklı analog DC motor

sürücüleri ile yapılırken, güç elektroniğindeki geliĢmeler sonucunda analog kontrol yerini

sayısal hız kontrol sistemlerine bırakmıĢtır.

2.5.4.1 Endüvi Devresine Kademeli Direnç Ekleyerek Yapılan Hız Kontrolü

Bu ayar metodunda prensip, uygulanan gerilim ve alan sabit kalmak Ģartı ile motorun

endüvi devresine kademeli direnç ilave etmektir. Bu uygulamada kullanılan seri dirençler

sürekli olarak kullanımda kalırlarsa dirençler üzerinde önemli ölçüde güç kaybı meydana

gelecektir. Bu nedenle endüvi direncinin değiĢtirilmesi, sürekli hız değiĢimi gerektiren

76

yerlerde tercih edilmez. Bu Ģartlar altında doğru akım Ģönt ve seri motorlar için elde edilen

karakteristikler ve çalıĢma noktaları ġekil 2.5.22 ve ġekil 2.5.23‟de verilmiĢtir.

ġekil 2.5.22 - DC Ģönt motorun endüvi devresine direnç

ilave edilerek elde edilen ayar karakteristikleri

ġekil 2.5.23 - DC seri motorun endüvi devresine direnç

ilave edilerek elde edilen ayar karakteristikleri

Bu ayar metodunun baĢlıca özellikleri aĢağıdaki gibi sıralanabilir.

Motorun devir sayısı ayarı ancak dar bir alanda gerçekleĢtirilebilir.

Ayar sürekli olmayıp, kademelidir.

Hız azaldıkça karakteristiklerin eğimi arttığından, yükteki değiĢimlerde, hızdaki

değiĢim artmaktadır.

Hız, ilave edilen dirençlere bağlı olarak değiĢtiğinden, herhangi bir ayar cihazına gerek

yoktur.

Hız ayarı tek yönlü olup, motorun hızı sadece nominal devir sayısının altındaki

hızlarda ayarlanır.

Ayar dirençlerinden hat akımının yaklaĢık tamamı geçtiğinden, ayar kayıpları son

derece yüksektir.

2.5.4.2 Alan Akımı Değiştirilerek Yapılan Hız Kontrolü

Motora uygulanan gerilim ve endüvi devresi direnci sabit kalmak Ģartı ile

olacak Ģekilde alan akımı değiĢtirilirse (zayıflatılırsa) elde edilen

karakteristikler daha önce ġekil 2.5.6‟da verilmiĢti. Doğru akım Ģönt motorda alan akımı

değiĢtirilirse motorun boĢtaki devir sayısı yükselir ve karakteristiğinin eğimi artar. Ancak elde

edilen karakteristikler yaklaĢık birbirine paralel olarak kabul edilebilir. Bu metodda, motorun

77

devir sayısı, nominal devir sayısının üzerindeki devir sayılarında ayarlanabilir. Ġdeal bir devir

sayısı yöntemi olup, ayar kayıpları son derece düĢüktür.

2.5.4.3 Değişken Gerilim Uygulanarak Yapılan Hız Kontrolü

Bu ayar metodunda prensip, endüvi devresi direnci sabit kalmak ve alan sargısı

bağımsız bir doğru akım kaynağından beslenmek Ģartıyla, motorun endüvisine değiĢken

gerilim uygulamaktır. Motorun endüvi devresine olacak Ģekilde

değiĢken gerilim uygulanarak yapılır.

Bu tip hız ayarı doğru akım motorları için ideal bir hız kontrol yöntemi olup, tahrik

sistemlerinde geniĢ ölçüde kullanılmaktadır. Hız ayarının baĢlıca özellikleri ise aĢağıdaki gibi

sıralanabilir.

Devir sayısı ayar alanı son derece geniĢtir

Stabilite Ģartları değiĢmez. Karakteristiklerin eğimleri eĢit olduğundan, yükteki

değiĢimlerde devir sayısındaki artıĢ aynı kalır.

Ayar sürekli olup, kademeli gerilim uygulanması durumunda ise kademeli devir sayısı

elde edilir.

Ayar iki yönlü olup, motorun devri nominal devrin altında ve üstünde ayarlanabilir.

Ayar ekonomisi son derece iyidir.

Tek sakıncası değiĢken gerilimli doğru akım kaynağına ihtiyaç göstermesidir.

Doğru akım motorlarına değiĢken gerilimli doğru akım kaynağı sağlamak amacıyla

dinamik ve statik sistemler kullanılmaktadır. Dinamik sistemlerde, değiĢken gerilim elde

etmek için aralarında mekanik ve/veya elektriksel bağlantı olan motor ve generatör

gruplarından yararlanılır. Dinamik sistemlerin en önemli ve ilk uygulaması Ward-Leonard

tahrik sistemidir. Bu nedenle, bu hız kontrol çeĢidinde yüzeysel bir inceleme yapmak uygun

olacaktır.

2.5.4.3.i Ward-Leonard Sistemi İle Hız Kontrolü

Serbest uyarmalı doğru akım kaynağı ile ayarlanan endüvi gerilimi ve bu gerilimle

beslenen motor-jeneratör grubu Ward-Leonard sistemi olarak adlandırılır. DC motor hızının

geniĢ sınırlar arasında ayarlanmasını ve her iki yöne doğru dönmesini sağlamak için Ward-

Leonard sistemi kullanılır. Ayarlanabilir endüvi gerilimi ya bir transformatör doğrultmaç

78

grubu yardımı ile alternatif gerilim kaynağından veya serbest uyarmalı bir doğru akım

kaynağından sağlanır.

ġekil 2.5.24 - Ward-Leonard DC motor hız kontrol devresi

ġekil 2.5.24 de Ward-Leonard kontrol devresi gösterilmektedir. Sistemin çalıĢması

asenkron motorla uyartılan serbest uyartımlı bir doğru akım jeneratörünün leonard motoruna

doğru akım üretmesiyle gerçekleĢir. Bir çok sistemde Leonard jeneratörü uyartım akımını bir

amplidin jeneratör veya bir yarı iletken doğrultucu üzerinden sağlar. Ward-Leonard hız

kontrol sisteminin en önemli özellikleri sabit fark ve güç sağlamasıdır. ġekil 2.5.25 de Ward-

Leonard sistemiyle elde edilen sabit güç ve tork iliĢkisi görülmektedir.

ġekil 2.5.25 - Ward-Leonard sistemiyle elde edilen sabit güç ve tork eğrisi

79

Ward-Leonard sisteminin özellikleri ise Ģöyle yazılabilir.

GeniĢ bir alan içinde sıhhatli ve seri devir sayısı ayar imkanı sağlar. Motorun alan

akımı da değiĢtirilerek ayar alanı iki yönde komütasyon sınırına kadar geniĢletilebilir.

DönüĢ yönü kolayca değiĢtirilebilir. Çift yönlü olan reostası yardımıyla generatörün

ikaz akımının yönü değiĢtirilirse, motora uygulanan gerilimin polaritesi değiĢir ve

motorun dönüĢ yönü değiĢir.

Çok geniĢ bir alanda faydalı fren olarak çalıĢabilir.

Yol verme kayıpları son derece azaltılmıĢtır. Ayar için sadece generatörün alan

akımını ayarlamak ve yönünü değiĢtirmek yeterlidir.

Son derece duyarlı bir hız ayar sistemidir. Normal generatör yerine özel yapıda ayar

generatörü kullanılarak sistemin cevap verme süresi kısaltılabilir.

Sakıncaları ise Ģunlardır.

Sistemin kuruluĢ ve iĢletme masrafları yüksektir.

Sistemin mekanik verimi düĢüktür. Sistemin içinde enerji üç defa Ģekil değiĢtirdiği

için, her makinede enerjinin bir kısmı kaybolur. Sistemin toplam verimi Ģu Ģekilde

yazılabilir.

(2.5.48)

Ward-Leonard sisteminin uygulama alanları ise Ģu Ģekilde sıralanabilir.

Geri dönüĢlü çelik hadde tesisleri ve kağıt haddeleri

Yüksek binalarda kullanılan asansörler, maden kuyusu asansörleri

Sac ve profil kesme makineleri ile preslser

Hassas torna tezgahları ve frezeler

80

2.5.4.4 Yarı iletkenler ile Hız kontrolü

Güçlü silikon diyotlar ve tristörlerin geliĢtirilmesi, alternatif akımın doğrultularak DC

motor kontrol devreleri için yeni bir kontrol metodu ortaya çıkarmıĢtır. Bu metod motor

jeneratör sistemlerinden daha güvenilir ve verimli bir metottur. Yarı iletkenler motorların

uyartım ve endüvi devresi elektriki zaman gecikmesini azaltır ve tepki hızlarının artmasını

sağlar. Yarı iletkenlerle kontrol devreleri üç grupta toplanır.

Bir fazlı kontrol

Üç fazlı kontrol

Kıyıcı (Chopper) sürücüler

2.5.4.4.i Bir fazlı sürücülerle kontrol

DC motorun endüvi devresindeki giriĢ gerilimi, tristör ya da diyot kullanılarak tek

fazlı bir alternatif geriliminden elde edilmektedir. Motor uçlarındaki gerilim, tristörün

tetikleme açısı değiĢtirilerek ayarlanır. Uygulanan gerilimin yarısı kullanılarak motor

beslendiğinden verim oldukça düĢüktür.

ġekil 2.5.26 - Bir fazlı DC konvertörlü sürücü

ġekil 2.5.26‟da gösterilen bir fazlı yarım dalga sürücü kullanılarak bir DC motor kontrol

edildiğinde, endüvi geriliminin değeri, tetikleme açısı ile arasında değiĢtirilmek

suretiyle;

(2.5.49)

olarak hesaplanır. Burada , AC kaynak geriliminin maksimum değeridir. Kontrol iĢlemini

tam dalga olarakta gerçekleĢtirmek mümkündür.

81

2.5.4.4.ii Üç Fazlı Sürücülerle Kontrol

Yüksek güçlü motorlarda üç fazlı sürücüler kullanılır. Bu tür sürücülerde endüvi

devresi gerilimindeki dalgalanmaların frekansı tek fazlı sürücülere göre daha yüksektir

bu nedenle bu sürücü modelinde süzgeçleme kullanılır. Üç fazlı tam dalga yarım kontrollü

sürücü ġekil 2.5.27‟de görülmektedir.

ġekil 2.5.27 - Üç fazlı yarım dalga konverterli sürücü devresi

DC motorun endüvi gerilimi ise;

(2.5.49)

olarak bulunur. Bu tür sürücülerde tetikleme açısı 90 nin üstünde olduğunda kosinüsün

eĢitliğe etkisi ele alındığında motorun jenaratör olarak çalıĢacağı görülmektedir. Bu sürücü

türünde de yarım dalganın yanı sıra tam dalga konvertör de kullanılabilmektedir.

2.5.4.4.iii Kıyıcı (Chopper) sürücüler

Endüvi gerilimini değiĢtirmek için bir DC kıyıcı, sabit gerilimli bir DC kaynak ile DC

motorun arasına bağlanır. Kıyıcılar motor endüvi devresi ile güç kaynağı arasındaki

bağlantıda devre kesici yardımıyla saniyede yüzlerce kez açılıp kapanma esasına göre

çalıĢırlar. Kıyıcı tipi sürücülerde verim oldukça yüksek olup, hızın kontrolü sürekli olarak

değiĢtirilebilir ve motor gerekli durumlarda bir jeneratör olarak frenlenebilir.

82

ġekil 2.5.28 - Kıyıcı devresi ile hız kontrol devresi ve gerilim-zaman eğrisi

ġekil 2.5.28‟de görülen kıyıcı devre ile hız kontrol devresi, endüstriyel tahrik sistemlerinde,

troley, elektrik ile çalıĢan trenlerde tercih edilen sistemdir. Kıyıcı devresindeki tristör, kesici

görevi yapar ve endüvi devresi gerilimini saniyede yüzlerce kez açıp kapatır. ġekil 2.5.28‟de

kıyıcı devrenin gerilim zaman iliĢkisi görülmektedir. Endüvi devresinin iletim süresi , kesim

süresi istenildiği gibi azaltılıp çoğaltılarak motora uygulanan gerilimin etkin değeri ve

dolayısıyla motor dönüĢ yönü ve hızı istenildiği gibi ayarlanılabilir. Bu durumda yük

uçlarında oluĢan gerilim Ģu Ģekilde hesaplanır.

(2.5.50)

83

2.5.4.5 Darbe Genişlik Modülasyonu İle Hız Kontrolü

DC motorun hızını, sabit bir frekansa sahip PWM geriliminin görev saykılını

değiĢtirerek ayarlamak mümkündür.

ġekil 2.5.29 - DeğiĢken görev saykılına sahip PWM sinyal

ġekil 2.5.29‟da gösterilen PWM sinyali için görev saykılı Ģu Ģekildedir.

(2.5.51)

Görev saykılının sıfır olması durumunda motorun hızı da sıfır olur. Görev saykılının 1

olması durumunda ise maksimum gerilim sabit olarak uygulanmıĢ olur ve böylece motor

maksimum hıza ulaĢır. Görev saykılı istenen düzeyde ayarlanarak hız kontrolü yapılmıĢ olur.

Uygulanacak PWM sinyalinin frekansı; kullanılan doğru akım motorunun özelliklerine

ve duyma eĢik frekansı göz önüne alınarak seçilmelidir. GeçmiĢ yıllarda bu değerler için en

uygun aralık 400-1000 Hz aralığı olarak ifade edilirken doğru akım motor sürücü devrelerinin

geliĢmesiyle bu sınırın üst aralığı 100 KHz sınırına ulaĢmıĢtır.

Doğru akım motorunda hız kontrolünün yanı sıra devir sayısı ayarı kontrolü de

yapılabilmektedir. Ayrıca hız kontrol uygulamaları yapılırken sıklıkla baĢvurulan doğru akım

sürücü devreleri de mevcuttur.

84

KAYNAKLAR

Chapman, J. S. ,Electric Machinery Fundamentals, 4. Baskı, Mc Graw Hill, 2005

Mergen, F. Zorlu S., Elektrik Makineleri II Asenkron Makineler, Birsen Yayınevi,ĠTÜ,2005

Fitzgerald, A. E., Electric Machinery, 6. Baskı, Mc Graw Hill,2003

Mergen, F. Zorlu S., Elektrik Makineleri III Senkron Makineler, Birsen Yayınevi,ĠTÜ,2005

SCHUISKY W., ÇETIN Ġ., Elektrik Motörleri 1. Kısım, Fatih Yayınevi Matbaası, Ġstanbul

1987.

Sen, P. C., Principles of Electrical Machines and Power Electronics, John Wiley and Sons

Press, New York, 1997

KocabaĢ, A. , Deney Föyleri, ĠTÜ, 2010.

Turan, M., Elektrik Makinaları Ders Notları, SAU,2008.

Binder, A., EMD Ders Notları, TU Darmstadt 2006.

Bodur H., Elektrik Makinelerinin Endüstriyel Uygulamaları Ders Notları, YTÜ, 2005

Bekiroğlu N., Elektrik Makineleri I Ders Notları, YTÜ, 2006

ġenol Ġ., Elektrik Makineleri II Ders Notları, YTÜ, 2005

ġenol Ġ., Bekiroğlu N., Aybar O., Elektrik Makineleri 1, Birsen Yayınevi, 2005

Bekiroğlu N, ġenol Ġ., Aybar O., Zorlu S., Aydeniz M., Önel Ġ., Ayçiçek E., Özçıra S.,

Elektrik Makineleri Deneyleri, Birsen Yayınevi, 2006

Güzelbeyoğlu N., Elektrik Makineleri I-II, Birsen Yayınevi, 2005

Büyükdeğirmenci, V. T., DC Motor Hız Kontrol Yöntemleri, Elektrik Mühendisliği Bitirme

ÇalıĢması, ĠTÜ, 2008

mak592 - ac ve dc motorlar

Documents