Senkron Motorun Kalkınma Durumu

Transkript

1 1 SENKRON MOTORLAR

2 Senkron Motorların Çalışma Prensipleri Senkron makine generatör olarak çalıştırılabildiği gibi, eğer kutuplar bir DC kaynaktan beslenip, endüvi (stator) sargılarına da alternatif gerilim uygulanırsa bu kez senkron motor olarak çalışır. Ancak senkron motorların diğer motorlar gibi (asenkron motor, DC motor) direk olarak kalkınmaları mümkün değildir. Şekil a da iki kutuplu senkron motorun stator sargıları 50Hz lik üç fazlı bir sisteme bağlandığında stator döner alanı 3000d/d (314 rad/s) lik bir senkron hızla saat ibresi yönünde döner. Rotorda bulunan kutup sargıları da enerjilenince rotor da kutuplandırıldığı için rotora saat ibresi yönünde dönme momenti T uygulanır. Ancak rotorun ataletinden dolayı rotor hızı ani olarak 314 rad/s lik hıza çıkamaz. 2

3 Stator döner alanı yarı saykılı tamamladığında stator kutuplarının polaritesi değişeceğinden şekil b den de görüldüğü gibi rotora uygulanan momentin yönü saat ibresinin ters yönünde iken stator döner alanı halen saat ibresi yönünde dönmeye devam eder. Senkron Motorun Kalkınma Durumu 3

4 Neticede bir saykıllık süre içerisinde rotora uygulanan ortalama moment sıfır olur. Bundan dolayı rotor ilk yarı saykılda saat ibresi yönünde, ikici yarı saykılda ise saat ibresinin tersi yönünde dönmeye çalışır. Rotor hareket etmediğinden sadece titreşim yapar. Senkron motoru çalıştırmak için rotorun devir sayısını senkron devre yada yakın bir değere kadar yükselmek gerekir. Bu devir sayısı ile dönmekte olan senkron motorun sabit kutupları döner alan kutupları ile kolayca kilitlenir. Kilitlenme sırasında zıt kutuplar birbirini çekerek rotor döner alan yönünde ve döner alan hızı ile döner. Senkron motor çalışmaya başladıktan sonra rotordan herhangi bir akım geçişi söz konusu değildir. Çünkü rotor, senkron hızda döndüğünden döner alan tarafından kesilmemektedir ve dolayısıyla da rotorda gerilim 4 indüklenmemektedir.

5 Senkron motorlar senkron devir sayısında dönen motorlardır. Devir sayıları yüklü yada yüksüz durumda değişmez hep aynı kalır. Devir sayıları, uygulanan üç fazlı şebeke geriliminin frekansı ile doğru makinenin yapıldığı kutup sayısı ile ters orantılıdır. Buna göre senkron motorların devir sayılarını şu şekilde ifade edebiliriz. n m = 120.f e 2P dir. burada n s ; Senkron motorun devir sayısı (d/d) f e ; Şebeke frekansı (Hz) 2P; Senkron motorun kutup sayısı 5

6 Senkron motorları için gerekli olan DC enerji genellikle bilezik ve fırça tertibatı ile harici bir kaynaktan sağlanır. Ancak bilezik ve fırça tertibatı hareketli kısımlar olduklarından enerji iletimi sırasında bazı sorunlar ortaya çıkar. Bunlar; elektrik arkları, fırçalardaki güç kayıpları, sürtünmeden dolayı oluşan mekanik problemler, yalıtım problemleri, fiziki alandaki büyüme gibi sıralamak mümkündür. Fırça ve bilezik tertibatını kaldırarak yapılan düzenekler mevcuttur. Şekilde bu tür bir sistem görülmektedir. 6

7 Şekilde Senkron motor miline ikinci bir küçük güçlü senkron alternatör bağlanmıştır. Büyük güçlü senkron motor için gerekli olan DC enerji, küçük güçlü senkron alternatörün ürettiği AC gerilimin döner diyotlarla doğrultulmasından elde edilmiştir. Küçük güçlü senkron alternatörün uyartımı için gerekli DC enerji ise bir DC kaynaktan olabileceği gibi AC kaynaktan alınan enerjinin doğrultulup kullanıldığı direkt olarak bir DC kaynak kullanmak da mümkündür. 7

8 Senkron Motorların Kullanım Yerleri Sabit hızın gerekli olduğu bütün endüstriyel uygulamalarda kullanılır. Senkron kompansatör olarak güç katsayısının düzeltilmesi Yüksek kararlılık gerektiren konumlama makineleri bulunduran düşük güç uygulamaları ve robot işleticiler Elektrik saatleri Kayıt cihazlarının döner tablaları Hava kompresörleri Santrifüj pompalar Kırma makineleri Değirmenler 8

9 Avantajları Senkron motorlar senkron olmayan motorlara göre aşağıdaki avantajlara sahiptir. Motor hızı yeterli uyartım akımının uygulanması şartıyla yükten bağımsızdır. Açık döngü kontrolleri kullanarak hız ve konumda kesin kontrol; örneğin step motorlar. Hem stator hem de rotor sargılarına DA uygulandığında konumları sabit tutarlar. Güç katsayıları yük için görece uygun bir alan akımı kullanarak omik olarak ayarlanabilir. Aynı zamanda kapasitif bir güç katsayısı (mevcut fazın gerilimden ileri fazlı olması), bu akımı ağır ağır arttırarak bütün kuruluşlar için daha iyi bir güç katsayısını düzeltmeye yardımcı olabilir. Yapıları düşük bir hız gerektiğinde elektriksel verimin 9 artmasını sağlar. Ya senkron hızda çalışırlar yada hiç çalışmazlar.

10 Senkron Motorlara Yol Verme Senkron motorlar kendi kendilerine yol alamadıklarından, değişik yöntemler kullanılır. Bu yöntemlerden bazıları şunlardır; Değişken frekanslı invertör kullanarak yol vermek, Amortisör sargıları kullanarak yol vermek, İkinci bir tahrik makinesi kullanarak yol vermek, Senkron generatör olarak çalıştırıp yol vermek. 10

11 Değişken Frekanslı İnvertör Kullanarak Yol Vermek Senkron motor kalkınırken, stator döner alan hızı senkron hızda döner. Kutuplara uygulanan uyartım akımından dolayı rotor mıknatıslanır ve rotora stator döner alan yönünde bir dönme momenti uygulanır. Ancak rotorun ataletinden dolayı senkron motorda kalkınma momenti üretilemez. Rotora uygulanan bu momentin yönü stator döner alanının her yarı saykılında zıt yönde değiştiğinden, rotor hareket edip stator döner alan yönünde dönemez. Yani, rotora uygulanan ortalama moment sıfır olduğundan, rotor sadece titreşim yapar. 11

12 Fakat statora uygulanan gerilimin frekansı azaltılırsa, stator döner alan hızı da azalacağından, rotor ilk anda üzerine uygulanan dönme momenti yardımıyla hareket edip stator döner alan yönünde dönmeye başlar. Daha sonra statora uygulanan gerilimin frekansı kademeli şekilde arttırılarak rotor hızının senkron hıza kadar yükselmesi sağlanır. Değişken frekansla senkron motorlara yol vermeye ait blok diyagram şekilde verilmiştir. 12 Değişken frekanslı invertör ile senkron motora yol verme.

13 Amortisör Sargıları Kullanarak Yol Vermek Senkron motor kendi kendine kalkınamadığından, senkron motorun rotor yüzeyine kısa devre çubukları veya amortisör sargıları yerleştirilir. Bu sargılar kısa devre edilerek, senkron motorun ilk kalkınma durumunda aynen bir asenkron motor olarak çalışması sağlanır. Bu anda, kutup sargılarına DC gerilim uygulanmaz ve uyartım sargıları büyük değerli bir direnç üzerinden kısa devre edilirler. Çünkü senkron motoru kısa devre çubuklu asenkron motor olarak çalıştırıp kalkındırırken, uyartım sargılarında da bir gerilim indüklenmektedir. Bu gerilimin değeri, uyartım sargısının sipir sayısına da bağlı olduğundan, çok yüksek olup tehlike arz edebilir. Uyartım sargılarından çok büyük değerli kısa devre akımlarının geçmemesi için devreye büyük değerli bir seri direnç bağlanır. 13

14 Kısa devre çubukları veya amortisman sargıları bulunan bir senkron motorun stator (endüvi) sargılarına üç fazlı bir kaynaktan gerilim uygulanırsa, senkron motor aynen bir asenkron motor gibi kalkınmaya başlar ve rotor hızı senkron değerlere yaklaşır. Bu anda uyartım devresi DC kaynaktan beslenerek senkron motorun rotoru ile stator döner alanı kilitlenerek motorun senkron hızda çalışması sağlanır. Amortisman sargılarının dirençleri küçük olduğundan, kalkınma anında senkron motorun ürettiği kalkınma momenti sadece mekanik kayıpları karşılayacak değerdedir. Bundan dolayı amortisman sargıları ile kalkındırılan bir senkron motor boşta kalkındırılmalıdır. 14

15 Senkron motor senkron hızda dönerken amortisman sargılarında herhangi bir gerilim indüklenmez. Çünkü rotor üzerindeki amortisman sargıları da stator döner alan hızında dönmekte ve amortisman sargıları herhangi bir şekilde stator manyetik akısı tarafından kesilmemektedir. Senkron motorun hızında yükten dolayı herhangi bir değişme olursa; yani rotor hızı senkron hızın üzerine çıkarsa veya senkron hızın altına düşerse amortisman sargılarında bir gerilim indüklenir ve sargılardan akım dolaşır. Senkron motorun rotor hızı senkron hızın altına düşmüş ise, senkron motor tekrar asenkron motor olarak çalışır ve bir döndürme momenti üretilir. Bu moment rotorun azalan hızını tekrar senkron hıza yaklaştırır. Senkron motorun rotor hızı senkron hızın üzerine çıkmış ise senkron motorun sargılarında indüklenen moment rotor hızının tekrar senkron değerlere inmesini sağlar. Yani rotor hızının artması veya azalması durumunda da amortisman sargıları devreye 15 girerek, rotor hızının senkron hız değerlerine yaklaşmasını sağlar.

16 Eğer senkron motor yük altında kalkındırılacak ise amortisman sargı dirençleri artırılarak kalkınma momenti da artırılır. Ancak bu durumda kayma çok büyük olacağından, senkron hıza yakın hız değerleri elde etmek mümkün olamayacağından, kutup alanı ile stator döner alanı arasında kilitleme sağlanamayabilir. Bundan dolayı amortisman sargı dirençlerinin uygun miktarda artırılması gerekir. ÖZETLENECEK OLURSA AMORTİSMAN SARGILARI ARTAN ROTOR HIZINI AZALTARAK SENKRON HIZA İNDİRİR, AZALAN ROTOR HIZINI ARTTIRARAK SENKRON HIZA YAKLAŞTIRIR. Amortisman sargıları senkron generatörün kalkınması için veya paralel bağlanması için gerekli değildir. Ancak alternatör hızındaki değişmelerin de giderilmesi için yine 16 amortisman sargılarına ihtiyaç vardır.

17 İkinci Bir Tahrik Makinesi Kullanarak Yol Vermek İkinci bir tahrik makinesi kullanmaktaki amaç senkron motorun rotor hızını senkron hız değerlerine yaklaştırmaktır. Senkron motor, miline bağlı olan herhangi bir tahrik makinesi tarafından döndürülerek, rotor hızı senkron hız değerlerine yaklaştırılır veya tam senkron hıza çıkartılır. Bu anda senkron motorun statoru üç fazlı alternatif kaynaktan, kutupları da DC kaynaktan beslenerek stator ve kutup alanlarının birbiri ile kilitlenmesi sağlanır. Böylece senkron motor senkron hızda çalışmaya başlar ve senkron motorun miline bağlı olan tahrik makinesi devre dışı bırakılır. Burada dikkat edilmesi gereken husus, stator döner alan yönü ile tahrik makinesinin dönüş yönünün aynı olmasıdır. 17

18 Tahrik makinesi bir DC motor, bir asenkron motor veya bir dizel motor olabilir. Tahrik makineleri sadece motorun kalkınmasında kullanıldıklarından ve kalkınma anında senkron motorda da sadece mekanik kayıplar olduğundan, tahrik makinelerinin gücü küçüktür. Çoğu senkron motorların tahrik makineleri senkron motorun miline sabit olarak bağlanmış olup, iki makineli komple bir sistem halinde bulunmaktadır. 18

19 Senkron Generatör Olarak Çalıştırarak Yol Vermek Senkron makine önce senkron generatör olarak çalıştırılır ve daha sonra uyartım akımı azaltılarak alternatör üzerindeki yük azaltılır ve sıfır yapılır. Uyartım akımı azaltılmaya devam edilir ise, senkron makine alternatör çalışma durumundan senkron motor çalışma durumuna geçer. Bu anda senkron makineyi döndüren tahrik makinesi de devre dışı bırakılır. Bu yöntem nadir de olsa kullanılmaktadır. Özellikle laboratuvarlarda deney maksadıyla bu tür uygulamaları yapmak mümkündür. 19

20 Senkron Makinelerin V-Eğrileri Senkron makinenin sabit kaynak gerilimi ve frekansında, değişken uyartımdaki karakteristiği şekildeki V- eğrileri ile açıklanır. Eğriler senkron makinenin fazör diyagramından elde edilir. Yüksüz durumda uyartım akımı I f ayarlanarak makine birim güç faktöründe (cosφ=1.0) çalıştırılabilir. Bu durumda stator akımı I s minimumdur. Senkron makinenin giriş güç katsayısı, uyartım akımının azaltılıp artırılmasıyla, geri veya ileri yapılabilmektedir. Uyartım akımına karşılık gelen Is akımının değişimi V-eğrisi şeklinde olur. Tam ve yarım yüklerde senkron makinenin motor ve generatör çalışma durumuna göre V-eğrileri şekilde verilmiştir. 20

21 Senkron makinenin motor ve generatöre durumları için V eğrileri 21

22 Motor durumu için, uyartım akımı azaltıldıkça motor endüktif özellik gösterir. Yani motor akımı Is, uygulanan gerilimden geridedir. Uyartım akımı sıfıra doğru yaklaştıkça motorun endüktifliği ve endüvi akımı artar, endüvi akımı ile gerilimi arasındaki açı 90 'ye yaklaşırken güç katsayısı cosφ=0.0'a doğru yaklaşır. Motor endüktif çalışırken yük sıfır ise, motorun çektiği akım da az olup sadece mekanik kayıpları karşılayacak kadardır. Yük arttıkça eğride omik çalışma noktasına doğru kayar. Uyartım akımı artırılırsa, motorun çektiği Is akımı azalarak endüktiflik azalır, omik çalışmaya doğru yaklaşılır. Uyartım akımının değişmesine karşılık, endüvi akımında (Is) herhangi bir değişme yoksa bu noktada endüvi akımı minimumdur ve motor omik çalışmaya geçmiştir. Yani motorun çektiği endüvi akımı ile motora uygulanan gerilim aynı fazda olup açı sıfırdır ve cosφ=1.0 dir. 22

23 Uyartım akımındaki artışa devam edilirse, endüvi akımı tekrar artmaya başlar ve bu noktadan sonra motor kapasitif çalışmaya başlar. Kapasitif çalışma durumu uyartım akımına bağlı olarak artış gösterir. Dolayısıyla endüvi akımı endüvi gerilimine göre önde olmak üzere, akım ve gerilim arasındaki açıda -90 o 'ye doğru çıkarken cosφ=0.0'a yaklaşır. Senkron makinenin motor çalışması durumunda elde edilen V-eğrisi çeşitli yük durumlarına göre farklılık göstermektedir. Motor boşta çalışırken elde edilen V-eğrileri en dışta olup, motor yüklendikçe V-eğrisi omik çalışma eğrisine doğru yaklaşmaktadır. Omik çalışma durumunda, boşta gerekli olan uyartım akım değeri yük miktarı arttıkça artmaktadır. Bunun nedeni endüvi reaksiyonunun çeşitli yükler için farklı olması ve doymanın artmasıdır. 23

24 Boştaki endüvi reaksiyonu ile yüklü durumdaki endüvi. reaksiyonu farklı olduğundan, uç geriliminin sabit kalabilmesi için omik yüklü durumda daha fazla uyartım akımına ihtiyaç vardır. Yük altında çalışan bir senkron motorun uyartım akımı anma değerinden fazla ise motor kapasitif, anma değerinden az ise motor endüktif çalışmaktadır. Uyartım akımının çok küçük ve çok büyük olduğu noktalarda senkron motor kararsız çalışma durumuna geçer. Dolayısıyla senkron motorların uyartım akımları çok geniş sınırlar içerisinde değiştirilemezler. Şekilde kararlı çalışma sınırlan belirtilmiştir. Senkron makinenin alternatör olarak çalışması durumunda ise, motor olarak çalışması durumundaki söylenenlerin tam tersini söylemek yeterli olacaktır. Yani fazla uyartım akımı alternatörün endüktif, az uyartım akımı da alternatörün kapasitif çalışmasına neden olur. Senkron makinenin motor veya alternatör çalışma 24 durumuna göre güç katsayısı ve uyartı akımı arasındaki bağıntı şekilde verilmiştir.

25 25 Senkron motorun veya alternatörün uyartım akımına karşılık güç katsayısının değişimi.

26 Şekil de 0-90 arasındaki açılar ister negatit, ister pozitif olsun, kosinüslerı birbirlerine eşit ve pozitif değerlidir. Senkron makine yüklendikçe eğri soldan sağa doğru kaymaktadır. Güç katsayısının 1 olduğu noktalar makinenin omik çalışma noktalarıdır. Motor çalışma durumu için omik çalışma noktasının sol tarafı endüktif çalışmayı, sağ tarafı kapasitif çalışmayı verir. Alternatör çalışma durumu için ise, sol taraf kapasitif, sağ taraf endüktif çalışmayı verir. Güç katsayısının (cosφ) sıfıra yaklaştığı noktalarda endüvi akımı ile gerilimi arasındaki açı 90 'ye yaklaşmıştır. Açının -90 veya +90 'ye yaklaşması ise yükün endüktif veya kapasitif olma durumuna bağlıdır. 26

27 Senkron Motorun Reaktif Güç Kompanzasyonu Olarak Kullanılması Endüstride kullanılan endüktif yüklerin çekmiş oldukları reaktif enerjiler enerji nakil hattını fazladan yüklediklerinden, hattan çekilen aktif enerji miktarını artırmak için enerji nakil hattındaki iletkenin kesitini artırmak gerekir. Yüklerin ihtiyacı olan reaktif enerjiler, ya statik olarak kondansatörlerle, ya da dinamik olarak senkron motorlarla kompanze edilirler. Senkron motorların uyartım akımlarının değiştirilmesi ile motor um kapasitif veya endüktif olarak çalıştırılması sağlanabilmektedir. Ayrıca senkron motorun şebekeden çektiği reaktif gücün miktarı da uyartım akımı ile ayarlanabilmektedir. Bundan dolayı, senkron motorlar dinamik güç kompanzasyonu olark kullanılmaktadırlar. Senkron motor güç kompanzasyonu olarak kullanılırken üzerinde herhangi bir yük yok ise, 27 kaynaktan çekeceği aktif güç sadece mekanik kayıpları karşılamak içindir.

28 Dinamik güç kompanzasyonu olarak kullanılan bir senkron motorun sisteme bağlantısı şekilde verilmiştir. Burada sistemde yük olarak bir asenkron motor bulunmaktadır. Senkron motor ve asenkron motor sisteme birer şalterle bağlanmışlardır. Sisteme bağlı olan asenkron motorun şebekeden çekeceği geri reaktif güç, senkron motorun şebekeden çekeceği ileri reaktif güç ile dengelenerek, sistemin güç katsayısı istenilen değere getirilmektedir. 28

29 Enerji nakil hattına bağlı senkron motor ve yük. 29

30 KAYNAKLAR SAÇKAN, A. Hamdi; Elektrik Makineleri III ALTUNSAÇLI, Adem; ALACALI, Mahmut; Elektrik Makineleri II ÇOLAK, İlhami; Asenkron Motorlar BAL, Güngör; Özel Elektrik Motorları ÇOLAK, İlhami; Senkron Motorlar CHAPMAN, Stephen J.; Electrıc Machinery Fundamentaly 4.Edition FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, Charles Jr.; UMANS, Stephen D.; Electric Machinery Sixth Edition PAREKH, Rakesh; AC Induction Motor Fundamentals; Microchip Technology Inc., Microchip AN887 Three-phase Asynchronous Motors, Generalities and ABB proposals for the coordination of protective devices 30