ELEKTRİK MAKİNELERİ (MEP 112) Yazar: Yrd. Doç. Dr. Mustafa Turan S1
SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Adapazarı Meslek Yüksekokulu Bu ders içeriğinin basım, yayım ve satış hakları Sakarya Üniversitesi ne aittir. "Uzaktan Öğretim" tekniğine uygun olarak hazırlanan bu ders içeriğinin bütün hakları saklıdır. İlgili kuruluştan izin almadan ders içeriğinin tümü ya da bölümleri mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka şekillerde çoğaltılamaz, basılamaz ve dağıtılamaz. Copyright 2005 by Sakarya University All rights reserved No part of this course content may be reproduced or stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means mechanical, electronic, photocopy, magnetic, tape or otherwise, without permission in writing from the University. Sürüm 1 Sakarya... 2005 S 1
Asenkron Makinenin Eşdeğer Devresi ve Yolverme Bu Haftanın Hedefi: Asenkron motorlara yolverme yönteminin kavranması hedeflenmektedir. Bu Haftanın Materyalleri Kullanılan semboller Animasyon Soru Veritabanı Bağlantılı Soru Simülasyon Püf Noktası 1
Asenkron Makinenin Çalışma Prensibi Kayma Asenkron makinenin çalışma prensibinde bahsedilen rotorun dönme hızı ile döner alanın hızı arasındaki relatif ilişkiye kayma denir. Rotor hızının senkron hıza göre relatif olarak ne kadar değiştiğini belirtir. s ile gösterilen kayma, genellikle 0 ile 1 arasındadır (motor çalışmada). Bu bağıl ifade çoğu kez yüzde olarak verilir. Kayma aşağıdaki gibi tanımlanır: Dikkat edilirse s kayması, n s ve n nin değerlerine bağlı olarak değişmektedir. Kaymanın farklı değer aralıklarında makine farklı işletme kiplerinde çalışır. Bunlar: Jeneratör Çalışma, Motor Çalışma, Transformatör Çalışma, Fren Çalışma dır. 2
Jeneratör Çalışma Döner alanın hızının yönüne ait işaret pozitif ve referans olarak alındığı takdirde, rotorun dönüş hızı, ns senkron hızın üzerine çıktığı takdirde, kayma negatif değer alır. Makine ns in üzerine kendi kendine çıkamayacağına göre bir dış tahrik makinesi ile çıkartılmalıdır. Böylece n devir sayısına bir limit konulamayacağı için kayma, arasında değişecektir. Bu şartlar altında makinede endüklenen gerilim şebeke geriliminden büyük olacağı için akım 180? yön değiştirerek şebekeye doğru akacaktır. Motor Çalışma Bu çalışma durumunda, elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülmektedir. Makinede döner alan ve rotor hızı aynı yöndedirler. Haliyle üretilen gerilim şebeke geriliminden ufaktır. Makine mekanik enerji üretmek ve muhtelif kayıplarını karşılamak için şebekeden bir enerji çekmektedir. Motor çalışma; rotor devir sayısının sıfır olması haline kadar sürer. Haliyle, 0 < s < 1 olur. Transformatör Çalışma Kaymanın bire eşit olduğu zamandır. Yani rotor durmaktadır. Statorda meydana gelen alan, aynen trafoda olduğu gibi rotor sargılarında bir gerilim üretir. Ancak rotora uygulanan fren momenti, oluşan döndürme momentinden büyükse rotor dönemez ve trafo gibi çalışır. s = 1 dir. Fren Çalışma Çalışmakta olan bir makinede döner alan yönünün iki fazın yeri değiştirilerek aksedilmesiyle n s -n s olur. Bu durumda bir yönde dönmeye devam eden makinenin aksi yönde dönmeye zorlanması söz konusu olmaktadır. Böylece makineye döndüğü yönün aksinde fren momenti uygulanmış olur. Bu nedenle bu işletmeye fren çalışma denir. Makinenin kayması pozitif olur ve 1 in üstüne çıkar. 3
Aksi yönde döndürülmeye gayret edilen makine süratle yavaşlar ve devir sayısı sıfır (n = 0) olur. Bunu müteakiben makine aksettirilen döner alan yönünde dönmeye başlar. Eğer makinenin aksi istikamete dönmesi istenmiyorsa, şebeke anahtarı açılarak makine enerjisiz bırakılır. Asenkron Makinenin Kayma (Devir sayısı) Moment Karakteristiği Bu karakteristiğe Asenkron Makinenin Dış Karakteristiği denir. Tanımlar n Rotorun devir sayısı [dev/dak yada rpm] Senkron devir sayısı; statorda oluşan döner alanın hızıdır [dev/dak yada rpm] T Makine milindeki döndürme momenti [Nm yada J] T yv Devrilme Durmakta olan motora enerji verildiğinde oluşan başlangıç momentine yolverme momenti denir[nm yada J] Normal şartlarda dönmekte olan bir motor, milindeki yük momenti kritik bir değere arttırıldığında, devir sayısı birdenbire sıfıra düşer. Bu duruma devrilme denir. Devrilmeye neden olan yük momentine 4
devrilme momenti [Td] denir. Devrilmenin oluştuğu kayma değerine devrilme kayması [Sd] denir. Bu noktadaki devir sayısına devrilme devir sayısı [ ] denir Yolverme Yolverme; motorun enerjilenerek durma halinden başlayıp, yükün belirlediği devir sayısına kadar hızlanması sürecidir. Duran motorun enerjilendiği anda milinde oluşan momente yolverme momenti [Tyv] denir. Yolverme anında devir sayısı sıfır olacağından (n=0), kayma da s=1 olacaktır. Yolverme akımı, motorun nominal çalışma akımından 4 ila 10 kat büyüktür. Devrilme ve Yolverme Normal şartlarda çalışan bir motor, gitgide artan bir mekanik yük ile yüklenirse, yük momenti T d devrilme momenti değerine eriştiğinde, motorun ürettiği döndürme momenti yük momentinden küçük kaldığı için, rotor durur. Bu olaya asenkron motorun devrilmesi denir. Devrilme momenti genellikle motorun nominal momentinden 1.5 ila 4 kat büyüktür. Devrilme durumundan sakınmak için, yükün devir sayısı-moment karakteristiği iyi koordine edileli ve motor seçimi doğru yapılmalıdır. Devrilme devir sayısı n d ve devrilme kayması s d bilinerek, makine bu noktaya kadar yüklenmemelidir (aşağdaki şekli inceleyiniz). Ayrıca makinede kayma büyüdükçe rotorda açığa çıkan ısı artar. Asenkron motorların nominal çalışmada devir sayıları senkron devir sayısından genelde %5-6 azdır (Yaklaşık olarak Sn=0.05-0.06). P (çift kutup sayısı)* n s (senkron devir sayısı; [rpm])** Tipik devir sayıları; n (rotorun devir sayısı; [rpm]) 1 3000 2850 2 1500 1430 3 1000 950 4 750 720 5
*Motor 4 kutuplu ise; 2p=4; çift kutup sayısı p=2 dir. ** değerler alınarak hesaplanmıştır. Makinede üretilen moment, makineye uygulanan gerilimin karesi ile orantılıdır. Şekildeki yolverme momentine (T yv), devrilme noktası momentine (T d ) ve devrilme devir sayısı- kaymasına dikkat ediniz. Yolverme akımı, motorun nominal çalışma akımından 4 ila 10 kat büyüktür. Bu akım darbesi hem şebekedeki diğer alıcıların üzerindeki gerilimin geçici olarak azalmasına hem de sık durup çalışan motorların sargılarında aşırı ısınmalara yol açar. Motor hızlandıkça sargılardan akımın azaldığına dikkat ediniz. Büyük yolverme akımlarının etkilerinden sakınmak için çeşitli yolverme yöntemleri uygulanır. 6
Diğer motorlar ile karşılaştırıldığında asenkron motorların en zayıf özelliği; yolverme momentinin nominal momentin 0.5 ila 4 katı olmasıdır. Bu durum asenkron motorların; yüksek kalkış momenti gerektiren ağır yükler için elverişsiz olmasına neden olur. Son yıllarda nispeten pahalı olan vektör kontrol yada direk moment kontrolü sağlayan ileri elektronik düzenekler ile bu kötü özelliğin üstesinden gelinmeye başlanmıştır. Asenkron Motorlara Yolverme Yöntemleri Ohm Yasasından bilindiği üzere, lineer devrelerde devre gerilimini azaltmak, yolverme akımını azaltır. Bu nedenle yolverme akımını azaltan yöntemler, yolverme yöntemi olarak kullanılır. Yolverme yöntemlerini; a. Direk yolverme b. Ön dirençle yolverme c. Yıldız-üçgen yolverme d. Oto-trafo ile yolverme e. Rotoru sargılı motora yolverme f. Yumuşak yolverici ile yolverme Bu yöntemler aşağıda incelenmiştir. Direk Yolverme Aslında bu yöntem hiç akım sınırlayıcı tedbir içermemektedir. Genellikle 5kW tan küçük güçlü motorlarda kullanılır. Ama bu şart değildir: gerçekte şartlar (şebeke ve motor yapısı) uygun ise 100 kw larca güce sahip motorlara bile direk yolverilebilir. Q1 termik manyetik kompakt şalteri; motoru uzun süreli aşırı yüklenmelerden (termik bileşen ile) ve sargı-terminal kısa devreleri gibi ivedi arızalardan (manyetik bileşen ile) korumak için kullanılmıştır. Aynı zamanda devreyi açıp-kapamaya yarar. Kurma kolu ile kurulmuş olan sistem olası arızalarda termik yada manyetik bileşen tarafından tetiklenerek açtırılır. 7
Ön Direnç ile Yolverme Ohm Yasası gereği motor önüne R ö gibi ön dirençler konulur ise motorun yolverme akımı sınırlanacaktır. Ön direç motor üzerine düşen gerilimin azalmasına sebep olur. Üretilecek yolverme momenti uygulanan gerilimin karesi ile orantılı olduğunda, devreye direnç alındığında karesel olarak yolverme momentinin azalacağı bilinmelidir. Yük momenti iyi değerlendirilmelidir. Zira yükü hızlandırabilmek için, küçülen yolverme momentinin > yük momenti olmalıdır. 8
9
Yıldız-Üçgen Yolverme Endüstride özellikle 5kW tan büyük motorların yol verilmesinde en çok kullanılan yöntemdir. Motor yıldız bağlandığında motor faz sargılarına kat gerilim düşer. Gerilimin azalması sargı akımının da azalmasına neden olur. Yıldız bağlantıda hattan çekilen akım, üçgen bağlama durumundaki hat akımından 3 kat küçük olur. Yolverme akımının nominal akımdan 4 ila 10 kat büyük olduğu düşünülürse; önce yıldız, sonra üçgen bağlama yapmak yolverme akımını kabul edilebilir bir seviyeye azaltır. Bu durumda ilk anda yolverme momentinin de 3 kat azalacağı unutulmamalıdır. 380V faz arası gerili bulunan Türkiye alçak gerilim şebekesinde yıldız-üçgen yolverilecek motorun Yıldız/Üçgen gerilimleri =660V/380V olmalıdır. Bu durum genel olarak: ifadesi ile verilebilir. Akım-gerilim ilişkileri aşağıda detaylı olarak verilmiştir. Z; sabit bir kaymadaki sargı empedansıdır. 10
11
Yıldız-Üçgen bağlantıda güç devresi aşağıdaki gibidir: 12
Yıldız-Üçgen bağlantıya ilişkin kontrol devresi aşağıdaki gibidir: Oto-trafo ile Yolverme Gerilimi azaltarak yolvermeye yarayan bir yöntemdir. Fazladan maliyet getirdiği için nispeten daha az kullanılır. Şayet özel bir motor için özel bir trafo tesis edilmesi planlanıyor ise, bu durumda bu trafo otot-trafo olarak planlanıp aynı zamanda yolverme sorunu da aşılabilir. Gerilim azaldıkça, karesel olarak yolverme momentinin de azalacağı unutulmamalıdır. 13
Tipik bir oto-trafo ile yolverme bağlantı şeması aşağıda verilmiştir: Rotoru Sargılı Motora Yolverme Bu yöntem ile sadece rotoru sargılı (bazen bilezkli asenkron motor diye de anılır) asenkron motora yolverilmektedir. Rotor terminallerine bağlanan dirençler ile hem yolverme akımı azaltılırken, diğer yandan yolverme momenti de arttırılabilmektedir. Bu özellik yolverme momenti diğer tip motorlara göre küçük olan asenkron motorlara, yolverme momentini arttırmak için iyi bir imkan sağlar. 14
Hız ayarı yapılması planlanmıyor ise, yolverme süreci sonunda rotor terminalleri (k, l, m) kısa devre edilir. Bu motorlar özel işler haricinde çoğu kez 25kW tan yukarı güçlerde üretilirler. 15
Yumuşak Yolverici ile Yolverme Yumuşak yolverici; tristörlü güç devresinden oluşmuş elektronik bir düzenektir. Tristörler ile gerilim uygun şekilde kıyılarak, motorun yolverme akımının etkin değeri küçültürülür. Tristör katı çoğu kez mikrobilgisayar kontrollü olduğu için, sistem birçok işlev için progamlanabilir. Kullanılacak tasarım ile; aşırı akım koruma, hızlanma süresi belirleme, devir yönü değişimi, frenleme, frenleme süresi belirleme, hata kontrolü gibi birçok işlem programlanabilmektedir. Günümüzde elektronik sistemlerin maliyetlerinin düşmesi ile, 100kW-500 kw arası motorların yolverilmesinde yumuşak yolvericiler en ekonomik ve esnek çözüm olmaya başlamıştır. 16