ÜÇ FAZLI ASENKRON MOTORLARIN TEK FAZLI ġebekeden BESLENMESĠ

T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ÜÇ FAZLI ASENKRON MOTORLARIN TEK FAZLI ġebekeden BESLENMESĠ Muhammet ÖZKURT Mehmet Ali GÜRLER Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ Mayıs 2012 TRABZON

T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ÜÇ FAZLI ASENKRON MOTORLARIN TEK FAZLI ġebekeden BESLENMESĠ Muhammet ÖZKURT Mehmet Ali GÜRLER Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ Mayıs 2012 TRABZON

LĠSANS BĠTĠRME PROJESĠ ONAY FORMU Muhammet ÖZKURT, Mehmet Ali GÜRLER tarafından Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ yönetiminde hazırlanan Üç Fazlı Asenkron Motorların Tek Fazlı ġebekeden Beslenmesi baģlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiģ, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiģtir. DanıĢman : Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ Jüri Üyesi 1 : Jüri Üyesi 2 : Bölüm BaĢkanı : Prof. Dr. Ġsmail H. ALTAġ

ÖNSÖZ Bu çalıģma, KTÜ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünde Bitirme Projesi kapsamında hazırlanmıģtır. Bu çalıģmanın, üç fazlı asenkron motorların tek fazlı olarak çalıģtırılması sırasında ortaya çıkacak motor performansındaki değiģiklikler konusunda araģtırma yapacak kiģilere yardımcı olacağı düģünülmektedir. BaĢta bizden hiçbir zaman desteklerini esirgemeyen ailemiz olmak üzere, projenin gerçekleģtirilebilmesi ve izlenecek yollar konusunda yardımcı olan değerli hocalarımız Sayın Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ ye, Sayın Prof. Dr. Ġsmail H. ALTAġ a, Sayın Öğr. Gör. Emre ÖZKOP a, Sayın ArĢ. Gör. Mehmet Ali USTA ya, ve Sayın Teknisyen Yüksel SALMAN a Ģükranlarımızı sunmak istiyoruz. Ayrıca, proje kapsamında yaptığımız deneysel çalıģmalarda malzeme ve laboratuvar ihtiyacımızı karģılayan KTÜ Elektrik- Elektronik Mühendisliği Bölüm BaĢkanlığına, Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve KTÜ Rektörlüğüne teģekkürlerimizi sunarız. Mayıs 2012 Muhammet ÖZKURT Mehmet Ali GÜRLER iii

ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa No LĠSANS BĠTĠRME PROJESĠ ONAY FORMU... ii ÖNSÖZ... iii ĠÇĠNDEKĠLER... iv ÖZET... vi SEMBOLLER VE KISALTMALAR... vii 1. GĠRĠġ... 1 1.1. Üç Fazlı Asenkron Motorların Tek Fazlı ġebekeden Beslenme Sebepleri... 1 2. ASENKRON MAKĠNALAR... 4 2.1. Üç Fazlı Asenkron Motorlar... 4 2.1.1. Asenkron Motorların Fayda ve Sakıncaları... 4 2.1.2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Yapısı... 5 2.1.3. Üç Fazlı Asenkron Motorun ÇalıĢma Prensibi ve EĢdeğer Devresi... 6 2.1.4. Üç Fazlı Asenkron Motorların Tek Fazlı ġebekeden Beslenmesi... 9 2.1.4.1. Bağlantı ġekilleri... 9 2.1.5.Tek Fazlı ġebekeden Beslenen Üç Fazlı Asenkron Motorun ÇalıĢma Özellikleri... 11 3. PROJE TASARIM ÇALIġMALARI... 12 3.1. Yapılacak Deneylerin Belirlenmesi... 12 3.1.1. EĢdeğer Devre Parametrelerinin Çıkarılması... 12 3.1.1.1. Sargı Dirençlerinin Bulunması... 12 3.1.1.2. BoĢta ÇalıĢma ve Kısa Devre Deneyleri... 13 3.1.2. Üç Fazlı Asenkron Motora Ait Hız-Moment, Kayma-Moment, Hız-Kayma Grafiklerinin Çıkarılması... 16 3.1.3. Tek Fazlı Beslenen Üç Fazlı Asenkron Motorların Performans Deneyleri... 16 3.2. Deney Düzeneğinin Tasarımı... 16 3.3. Malzeme ve Fiyat Listesi... 18 4. SĠMÜLASYONLAR... 19 4.1. Üç Fazlı Asenkron Motorun Üç Fazlı ÇalıĢması... 19 4.2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Tek Fazlı ÇalıĢması... 22 4.3. Simülasyonların Yorumlanması... 24 5. DENEYLER... 26 5.1. Üç Fazlı Asenkron Motorun EĢdeğer Devre Parametrelerinin Çıkarılması... 27 5.1.1. Sargı Dirençlerinin Ölçümü... 27 iv

5.1.2. BoĢta ve Kısa Devre ÇalıĢma Deneyleri... 27 5.2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Karakteristiklerinin Çıkarılması... 29 5.3. Tek Fazlı Beslenen Üç Fazlı Asenkron Motorun Performans Deneyleri... 30 5.3.1. Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma... 30 5.3.2. Stator Sargıları Üçgen Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma... 31 5.3.3. Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken Yüklü ÇalıĢma... 33 5.3.4. Stator Sargıları Üçgen Bağlı Ġken Yüklü ÇalıĢma... 34 5.4. Çevreye Etkiler... 36 5.5. Kısıtlamalar... 36 6. SONUÇLAR... 37 6.1. EĢdeğer Devre Parametrelerinin Belirlenmesi... 37 6.2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Karakteristiklerinin Çıkarılması... 38 6.3. Tek Fazlı Beslenen Üç Fazlı Asenkron Motorun Performans Deneyleri... 41 6.3.1. Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma... 41 6.3.2. Stator Sargıları Üçgen Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma... 42 6.3.3. Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken Yüklü ÇalıĢma... 44 6.3.4. Stator Sargıları Üçgen Bağlı Ġken Yüklü ÇalıĢma... 46 7. YORUMLAR VE DEĞERLENDĠRMELER... 49 KAYNAKLAR... 51 EK-1... 52 STANDART VE KISITLAR FORMU... 52 ÖZGEÇMĠġ... 54 v

ÖZET Asenkron motorlar ucuz olmaları ve yapılıģlarının kolay olması gibi özelliklerinden dolayı günümüzde en çok tercih edilen motor türleridir. Özellikle üç fazlı asenkron motorlar sanayi alanında yaygın bir Ģekilde kullanılmaktadır. Dolayısıyla bu motorlar üzerinde yapılan araģtırmalar da oldukça yaygındır. Bu tezin ana konusu üç fazlı asenkron motorların tek fazlı Ģebekeden beslenmesi ve bu koģullar altında motorun performans deneylerinin gerçekleģtirilmesidir. Tez kapsamında öncelikle üç fazlı asenkron motorların genel yapısı hakkında temel bilgiler verildi. Daha sonra bu motorları tek fazlı olarak çalıģtırma sebeplerine ve kondansatör yardımı ile tek fazlı olarak çalıģtırma yöntemine değinildi. Üç fazlı asenkron motorlar üç faz ile çalıģırken fazlardan biri kopsa dahi motor çalıģmaya devam eder. Ancak durduktan sonra tekrar kalkıģ yapamaz. Tek fazlı asenkron motorlarda olduğu gibi bir kondansatör ile yardımcı faz gerilimi oluģturulurken aynı zamanda fazlar arasında faz farkının oluģması sağlanır. Böylece tek fazlı olarak çalıģtırılan üç fazlı asenkron motor kendiliğinden kalkıģ yapabilir. Tezin devamında, MATLAB/Simulink ortamında üç fazlı bir asenkron motorun hem üç fazlı hem de tek fazlı olarak çalıģtırılmasına iliģkin simülasyonlar yapıldı. Bir sonraki aģamada ise asenkron motor için eģdeğer devre parametrelerinin bulunmasına, bazı önemli karakteristiklerinin çıkarılmasına ve tek fazlı olarak beslenen üç fazlı bir asenkron motorun akım, hız, güç gibi büyüklüklerindeki değiģimlerinin gözlenmesine yönelik deneyler yapıldı. Deneylerin sonucunda yorum ve değerlendirmeyi kolaylaģtırıcı grafikler çizildi. Elde edilen grafikler ve simülasyonlar çalıģmanın son bölümünde yorumlandı. vi

SEMBOLLER VE KISALTMALAR n s n n r s p f s R FE X m R s X s Döner alan hızı Rotor hızı Döner alanın rotor iletkenlerini kesme hızı Kayma Çift kutup sayısı Stator alanı frekansı Açısal hız Demir kayıpları direnci Mıknatıslanma reaktansı Stator sargı direnci Stator sargı reaktansı R r Statora indirgenmiģ sargı direnci X r Statora indirgenmiģ sargı reaktansı I m Me N.m Mıknatıslanma akımı Elektriksel moment Newton metre µf Mikro Farad kw kilo watt J Eylemsizlik momenti T m F A V I 0 V 0 P 0 I k V k P k Yük momenti Sürtünme Amper Volt BoĢta çalıģma akımı BoĢta çalıģma gerilimi BoĢta çalıģma gücü Kısa devre akımı Kısa devre gerilimi Kısa devre gücü vii

1. GĠRĠġ Günlük yaģantımızın bir parçası haline gelen elektrik motorları birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle asenkron motorlar endüstrinin vazgeçilmez bir parçası haline gelmiģtir. Basit yapıları ve uygulamadaki avantajlarından dolayı üç fazlı asenkron motorlar geniģ bir kullanım alanına sahiptir. Yapı olarak sağlam ve ucuz olmaları, ağır iģ koģullarında çalıģabilmeleri üç fazlı asenkron motorların baģlıca tercih nedenleri olarak sıralanabilir. Bazı durumlarda üç fazlı asenkron motorları tek fazlı olarak çalıģtırmak zorunda kalabiliriz. Böyle bir çalıģma için motorun stator sargıları yıldız veya üçgen olarak bağlanır. Motorun sargı giriģ uçlarının ikisine faz ve nötr uygulanırken boģta kalan sargı ucu ile diğer sargı uçlarından biri arasına kondansatör bağlanır. Kullanılan bu kondansatörün amacı iki fazlı döner alan oluģturma koģullarını ve motorun tek fazlı beslenmesine rağmen ilk kalkıģ hareketini sağlamaktır. Bu projede üç fazlı asenkron motorların tek fazlı Ģebekeden beslenmesi konusu ele alınmıģtır. Konuyla ilgili literatürde bulunan çalıģmaların çoğu üç fazlı asenkron motorların tek fazlı olarak çalıģtırılabilmesi için en uygun kondansatör değerinin simetrili bileşenler yöntemiyle hesaplanmasına yöneliktir [1], [2]. Ancak bu tezde, üç fazlı asenkron motorun eģdeğer devre parametreleri hesaplandı ve bazı önemli karakteristikleri çıkarıldı. Daha sonra, tek fazlı çalıģma durumundaki güç, akım, hız gibi büyüklüklere ait değiģimler çeģitli deneyler yapılarak incelendi. 1.1. Üç Fazlı Asenkron Motorların Tek Fazlı ġebekeden Beslenme Sebepleri Üç fazlı asenkron motorların bazı durumlarda tek fazlı Ģebekeden beslenmesi gerekebilir. Bu durumlara aģağıdaki örnekleri verebiliriz: Üç fazlı besleme hattını asenkron motorun kullanılacağı yere taģımak ekonomik açıdan uygun değilse motor tek fazlı olarak çalıģtırılabilir. Aynı kapasiteye ( güç, verim vb. ) sahip üç fazlı ve tek fazlı asenkron motorları karģılaģtırdığımızda tek fazlı asenkron motorun üretim maliyeti daha fazladır. Bu yüzden motor üretilirken hem üç fazlı hem de tek fazlı olarak çalıģabilecek Ģekilde tasarlanabilir.

Bir iģ makinesini çalıģtırmak için üç fazlı motora ihtiyaç olabilir. Eğer iģ makinasının bulunduğu yere üç fazlı hat çekmek mümkün değilse bu durumda üç fazlı asenkron motoru tek fazlı çalıģtırma zorunluluğu doğabilir. Üç fazlı bir asenkron motorda fazlardan birisi koparsa veya sigortalardan birisi devresini açarsa sargı kollarından biri Ģebekeden ayrılır. Dolayısıyla üç fazlı asenkron motor tek fazlı olarak çalıģma durumuna düģer. Motoru çalıģtıracak bir enerjinin olmadığı bir durum ile karģılaģılırsa, doğal kaynaklardan faydalanılarak motor tek faz olarak çalıģtırılabilir. Buna örnek olarak güneģten elde edilen enerji ile motorun çalıģtırılması verilebilir. Evler, küçük dükkanlar ve bunlara benzer az enerji kullanan yerlere tesisat masrafının çok olmaması için tek faz verilir. Dolayısıyla bu tip yerlerde kullanılacak motorların tek fazlı olması gerekir. Projede kullanılacak ana eleman üç fazlı bir asenkron motordur. Dolayısıyla konunun anlaģılabilmesi için asenkron makinaya ait temel yapının ve üç fazlı asenkron motorların çalıģma prensibinin bilinmesi gerekir. Ancak asenkron motorların yapısı doğrudan bu projenin konusu olmadığından, bu konuya yüzeysel olarak değinildi. Daha detaylı bilgi sahibi olabilmek için çeģitli kaynaklara baģvurulabilir [3]. Yapılan projeyi bir düzen içerisinde yürütebilmek ve uygun zamanda bitirebilmek için çizelge 1.1 deki iģ-zaman grafiği hazırlandı. 2

Çizelge 1.1. ĠĢ-zaman grafiği. YAPILAN ĠġLER Literatür taraması ve gerekli konuların araģtırılması Zaman planlaması ve laboratuvardaki malzemelerin tespiti Eksik malzemelerim sipariģinin verilmesi AYLAR VE HAFTALAR ġubat Mart Nisan Mayıs 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Gerekli ölçümler için deney düzeneğinin hazırlanması Motor parametrelerinin hesaplanması Motorun üç fazlı Ģebekeden beslenmesine ait ölçümlerin gerçekleģtirilmesi Motorun tek fazlı Ģebekeden beslenmesine ait ölçümlerin gerçekleģtirilmesi Yapılan bitirme çalıģmalarının düzenlenmesi 3

2. ASENKRON MAKĠNALAR Asenkron makinalar yapı bakımından sağlam olmaları, bakıma çok fazla ihtiyaç duymamaları ve ağır ortam Ģartlarında çalıģabilmelerinden dolayı uygulamada sıklıkla kullanılırlar. Bu makinalar temel olarak iki kısımdan oluģur. Bunlar makinanın hareketsiz kısmını oluģturan stator ve hareketli kısmını oluģturan rotordur. Asenkron makinalar eğer stator üzerine sarılmıģ sargılardan aldığı elektrik enerjisini rotor aracılığıyla mekanik enerjiye dönüģtürüyorsa motor, rotordan aldığı mekanik enerjiyi stator sargılarında elektrik enerjisine dönüģtürüyorsa generatör olarak çalıģırlar. Endüstriyel uygulamalarda bu makinalar daha çok motor olarak kullanılırlar. ġekil 2.1 de bir elektrik makinasının motor veya generatör olarak çalıģmasına ait enerji dönüģüm yönleri gösterilmektedir. ġekil 2.1. Motor ve generatör çalıģmaya ait enerji dönüģüm yönleri. 2.1. Üç Fazlı Asenkron Motorlar Asenkron motorlar en çok kullanılan motorlardır. ÇalıĢma ilkelerinden dolayı bu motorlara indüksiyon motorları da denir. 2.1.1. Asenkron Motorların Fayda ve Sakıncaları Asenkron motorlar günümüzde en çok kullanılan motor türleridir. Vantilatörler, su tulumbaları, asansörler gibi çeģitli kullanım alanları bulunmaktadır. Piyasada bu tür motorları bulmak çok kolayken diğer türdeki motorları bulmak zaman zaman çok zor

olabilmektedir. Asenkron motorların çok kullanılmalarının sebepleri Ģöyle sıralanabilir: YapılıĢları kolaydır. Oldukça ucuzdur. Özellikle sincap kafesli rotora sahip olanlarda rotorun izole edilmemesinden dolayı bu türden motorlar çok sağlamdır ve bakımları kolaydır. Ayrıca bu türden motorların rotorları yanmaz. Asenkron motorların hızları yük ile çok az değiģir. Yüklü haldeyken kendi kendilerine yol alabilirler. Kollektörlü alternatif akım motorlarında olduğu gibi akım fırçalar üzerinden verilmeyip doğrudan statora verildiğinden, yüksek gerilim için üretilebilirler. Asenkron motorlar bu olumlu özelliklerine rağmen bazı sakıncalara da sahiptir. Bunlar: Asenkron motorlar çalıģma ilkelerinden dolayı, bağlı oldukları devreye endüktif bir yük olarak etki ederler. Dolayısıyla Ģebekenin güç katsayısını bozarak arzu edilen 1 değerinden uzaklaģmasına neden olurlar. Normal yükle çalıģırken bile bozuk güç katsayıları kalkıģ anında ve az yüklü olarak çalıģtıklarında çok küçüktür. Özellikle sincap kafesli türleri, bozuk olan güç katsayıları yüzünden kalkıģ anında devreden çok yüksek akım çekerler. Bu da devre üzerinde ani gerilim düģümlerine neden olur. Doğru akım motorlarında ve kollektörlü asenkron motorlarda olduğu gibi kayıpsız ve kademesiz hız değiģimi yapılamaz. 2.1.2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Yapısı Stator: Makinanın hareket etmeyen kısmını oluģturur. YaklaĢık 0.5mm kalınlığında, elektriksel olarak birbirinden yalıtılmıģ silisyumlu saçların paketlenmesiyle oluģan bir yapıdır. Saçların bu özellikleri demir kayıpların azaltılmasını sağlar. Statorun iç yüzeyine döner manyetik alan oluģturan sargıların yerleģtirilmesi için oluklar açılır. Rotor: Rotor asenkron makinaların döner kısmını oluģturur. Statorda olduğu gibi rotor da silisyumlu saçlardan oluģturulmuģtur. Stator ile rotor arasındaki hava aralığı 5

küçük tutulur. Çünkü bu hava aralığının küçük tutulması bize boģta çalıģma akımını küçük tutma olanağı verir. Rotor sargıları rotor üzerine açılan oluklara yerleģtirilir. Asenkron motorlar rotor sargılarının bağlanıģ Ģekline göre bilezikli tip veya sincap kafes tip olarak adlandırılırlar. Bilezikli tip asenkron motorların rotorlarında üç faz sargıları bulunur. Bu üç sargının birer uçları rotor içinde kendi aralarında bağlıyken, diğer uçları ayrı ayrı birer bileziğe gelir. Rotor döndükçe bilezikler de döner. Üç adet bileziğin üzerine birer fırça yerleģtirilmiģtir ve bu fırçalar üzerinden rotor sargı uçları ile dıģ ortam arasında bağlantı kurulur. DıĢ ortama çıkarılan sargı uçları bize bazı durumlarda büyük avantaj sağlar. Örneğin, motorun kalkıģ anında çektiği aģırı akımı önlemek için dıģ ortama çıkarılan sargı uçlarına direnç bağlanır ve motora yol verilir. Sincap kafes tip motorlarda ise rotor oluklarına yerleģtirilen iletkenler rotorun her iki ucunda halkalarla kısa devre edilir. Rotor iletkenleri rotorun her iki ucunda kısa devre edildiği için bu iletkenlerin dıģ ortama çıkarılma olanağı yoktur. Ayrıca rotor oluklarına yerleģtirilen iletkenler bakır veya alüminyum olarak seçildiği için rotorun yanacak hiçbir kısmı yoktur. Sağlam yapılı ve ucuzdur. Gövde: Makinayı dıģtan gelecek mekanik darbelere karģı korur. Ucuz olmasından dolayı genellikle dökme demirden yapılır. Ayrıca gövde çıkıntılı yapılarak dıģ ortamla temas eden yüzey arttırılıp motorun soğumasına katkı sağlanır. Gövde üzerinde motorun zemine monte edilmesi için ayaklar, taģımayı sağlamak için kullanılan bir halka, motorun nominal büyüklükleri ve diğer özelliklerinin bulunduğu iģaret plakası ve stator ile rotor sargı uçlarının bulunduğu terminal kutusu yer alır. 2.1.3. Üç Fazlı Asenkron Motorun ÇalıĢma Prensibi ve EĢdeğer Devresi Üç fazlı asenkron motorlarda statora yerleģtirilen sargılardan yararlanarak (2.1) denklemiyle verilen n s devir sayısına veya (2.2) denklemiyle verilen s açısal hızına sahip bir döner manyetik alan oluģturulur. Bu alan rotor iletkenlerini tarar ve indüksiyon yasasına göre iletkenlerin ucunda bir gerilim indükler. Eğer rotor iletkenleri kapalı bir devre oluģturuyorsa ( sincap kafes tür gibi ) iletkenlerden akım akar. Manyetik alan içindeki iletkenden akım aktığı için bir kuvvet oluģur ve bu kuvvet rotoru (2.3) denklemiyle verilen n hızında döndürür. Motor çalıģmada rotor hızı senkron hızın altındadır. Rotor hızı (2.4) denklemiyle verilen kayma nedeniyle döner alan hızının 6

gerisinde olacak Ģekilde döner alanı takip eder. Böylece stator sargılarından alınan elektriksel enerji dönüģtürülerek rotor milinde mekanik enerji olarak elde edilir. n s = 60.f s p ( 2.1 ) s = 2.π.f s p ( 2.2 ) n = n s n r ( 2.3 ) s = n s n n s ( 2.4 ) Asenkron motorun çalıģmasında döner alanın çok büyük rolü vardır. Statora yerleģtirilen sargılar döner manyetik alan oluģturacak Ģekilde olduğundan, her bir sargının oluģturduğu akılar genlikleri eģit, fazları 120 farklı alternatif alanlardır. ġekil 2.2 de bir demir çekirdek üzerine sarılmıģ sargılardan AC akım akıtılınca oluģan alternatif alan gösterilmektedir. Statora üç faz sargısı yerleģtirildiği için üç ayrı alternatif alan oluģur. Bu üç alternatif alanın bileģkesi dairesel bir döner alandır. Döner alanın oluģması için gerekli koģullar: Sargıların sarım sayısı, kesit gibi özellikleri özdeģ olmalıdır. Sargılar akı eksenleri 120 farklı olacak Ģekilde statora yerleģtirilmelidir. Sargılara genlikleri aynı, fazları 120 farklı alternatif gerilimler uygulanmalıdır. Bu koģullardan biri sağlanmaz ise döner alan yerine eliptik alan oluģur. Eliptik alanın dairesel bileģeni moment üretirken alternatif bileģeni üretemez. Alternatif alandaki karģı düģen akılar kayıplara yol açtığı için eliptik alan oluģumu istenmez. ġekil 2.2. Demir çekirdek üzerine yerleģtirilen sargılar ile alternatif alan oluģumu. 7

ġekil 2.3 de üç fazlı bir asenkron motorun tek fazına ait, statoruna indirgenmiģ eģdeğer devresi verilmektedir. Bu eģdeğer devreye ait parametreler motorun boģta ve kısa devre çalıģmalarından yararlanılarak bulunabilir. ġekil 2.3. Rotoru statora indirgenmiģ üç fazlı bir asenkron motorun tek fazına ait eģdeğer devresi. Bu eģdeğer devrede gösterilen: R FE = Demir kayıplarını temsil eder X m = Mıknatıslanma kayıplarını temsil eder R s R r. (1 s) s = Stator sargı direnci X s = Stator sargı reaktansı R r = Statora indirgenmiģ rotor sargı direnci X r = Statora indirgenmiģ rotor sargı reaktansı s = Kayma = Gerçekte olmayan, ancak motorun çalıģma özelliğinden ortaya çıkan ve rotordaki s kayması ile değiģen direnç değeridir. 8

2.1.4. Üç Fazlı Asenkron Motorların Tek Fazlı ġebekeden Beslenmesi Üç fazlı bir asenkron motor çalıģırken herhangi bir nedenden dolayı fazlardan biri devre dıģı kalırsa, motor çalıģmasını sürdürebilir. Örneğin üç fazlı motorun yıldız bağlı çalıģmasında fazlardan biri devre dıģı kalınca diğer iki faz birbirine seri bağlı olur, motor tek fazlı olarak çalıģmasına devam eder. Ancak böyle bir durumda motor kendiliğinden kalkıģ yapamaz. Bu yüzden motorun kendi kendine yol alabilmesi için bir yöntem geliģtirilmiģtir. Steintmetz tarafından bulunduğu için Steintmez Bağlaması adı verilen kondansatörlü yol verme yöntemi üç fazlı bir asenkron motoru tek fazlı olarak çalıģtırmada büyük önem taģımaktadır. Uygun bir kondansatör ile yardımcı faz gerilimi elde edilir ve motorun kendiliğinden yol alması sağlanır. YapılmıĢ olan birçok araģtırmada üç fazlı asenkron motorların tek fazlı Ģebekeden beslenmesi durumunda dinamik davranıģlardaki değiģimler incelenmiģtir [4]. Dinamik davranıģlar incelenirken de özellikle simetrili bileģenler metodundan faydalanılmıģ ve üç fazlı asenkron motoru tek fazlı Ģebekeden beslerken fazlar arasına konulması gereken en uygun kondansatör değeri hesaplanmıģtır. Ancak bu projede simetrili bileģenler yöntemine girilmedi. Üç fazlı asenkron motora ait eģdeğer devre parametreleri hesaplandı ve bazı önemli karakteristikleri çıkarıldı, tek fazlı çalıģma durumundaki güç, güç faktörü, akım, hız gibi büyüklüklere ait değiģimler çeģitli deney ve simülasyonlar yapılarak incelendi. 2.1.4.1. Bağlantı ġekilleri Üç fazlı bir asenkron motorun stator sargılarının üçgen veya yıldız bağlı olma durumlarına göre, kondansatör yardımıyla tek fazlı Ģebekeden beslenmesine ait Ģekiller Ģekil 2.4 ve Ģekil 2.5 de gösterilmiģtir. Her iki Ģekilde de kondansatörün görevi sargılar arasında faz farkı yaratıp motorun tek fazlı Ģebekeye bağlandığında kendi kendine kalkıģ yapabilmesini sağlamaktır. Kondansatör olmazsa faz farkı oluģmaz ve eğer dıģarıdan bir müdahale olmazsa motor kalkıģ yapamaz. 9

ġekil 2.4. Stator sargıları yıldız bağlı üç fazlı asenkron motorun tek fazlı Ģebekeye bağlantısı. ġekil 2.5. Stator sargıları üçgen bağlı üç fazlı asenkron motorun tek fazlı Ģebekeye bağlantısı. Bu bağlantılarda kullanılacak en uygun kapasite değerini belirlemek için deney sonuçlarına göre oluģturulmuģ kapasitenin güç ile değiģim grafikleri kullanılabilir. Pratik olarak da bu kapasite değerleri belirlenebilir. Örneğin vantilatör gibi kolay harekete geçen motorlar için kw baģına 55-60 µf, kalkıģ momenti büyük motorlar için kw baģına 95-110 µf, çamaģır makinesi ve sıkma presi motoru için kw baģına 130 µf değerlerindeki kondansatörler seçilebilir. 10

2.1.5. Tek Fazlı ġebekeden Beslenen Üç Fazlı Asenkron Motorun ÇalıĢma Özellikleri Üç fazlı asenkron motorlar tek fazlı Ģebekede çalıģtırılıyorsa, çalıģma karakteristikleri bakımından değiģimler gözlenir. Bu değiģimleri Ģöyle sıralayabiliriz: Tek fazlı olarak çalıģtırılan üç fazlı asenkron motorun: Maksimum momenti daha küçük olur. BoĢta çalıģma akımı daha büyük olur. ÇıkıĢ gücü daha küçük olur. Kayıpları daha büyük olur. Verimi daha düģük olur. 11

3. PROJE TASARIM ÇALIġMALARI 3.1. Yapılacak Deneylerin Belirlenmesi Bu proje kapsamında yapılacak olan baģlıca deneyler Ģunlardır: Üç fazlı asenkron motorun eģdeğer devre parametrelerinin çıkarılması. Üç fazlı asenkron motora ait hız-moment grafiğinin çıkarılması. Üç fazlı asenkron motora ait hız-kayma grafiğinin çıkarılması. Üç fazlı asenkron motora ait kayma-moment grafiğinin çıkarılması. Tek fazlı beslenen üç fazlı asenkron motorun performans deneyleri. 3.1.1. EĢdeğer Devre Parametrelerinin Çıkarılması Yapılan simülasyonlarda ve deneysel ölçümlerde eģdeğer devre parametreleri oldukça önemlidir. Üç fazlı asenkron motorun eģdeğer devre parametrelerini bulurken yukarıda verilen Ģekil 2.3 deki rotoru statora indirgenmiģ, tek faza ait eģdeğer devre kullanılır. 3.1.1.1. Sargı Dirençlerinin Bulunması Statorun ve rotorun sargı dirençlerini bulurken ampermetre-voltmetre yöntemi ya da bu mantığa göre doğrudan ölçüm yapmayı sağlayan multimetre kullanılır. Öncelikle Ģekil 3.1 de verilmiģ olan üçgen veya yıldız bağlı olma durumuna göre gerekli bağlantılar oluģturulur. Sonra sargılar doğru gerilim kaynağından beslenir, ampermetre ve voltmetreden yararlanılarak ölçülen değerler ile sargı dirençleri hesaplanır.

ġekil 3.1. Yıldız veya üçgen bağlı stator sargı dirençlerinin ölçümü için gerekli bağlantı Ģeması. a) Stator sargıları yıldız bağlı b) Stator sargıları üçgen bağlı Statorun yıldız bağlı olması durumunda sargı dirençlerinin ölçümü deneyi iki sargı üzerinden yapılır, üçüncü sargı ise boģta kalır. Dolayısıyla iki sargı direnci seridir. AĢağıda verilmiģ olan (3.1) numaralı formülden yararlanarak tek bir sargıya ait direnç hesaplanır. R s = V 2.I ( 3.1 ) Statorun üçgen bağlı olması durumunda besleme tek sargı üzerinden verildiği için diğer iki sargı seri ve kaynağın bağlandığı sargıya paraleldir. Bu durumda sargı direnci (3.2) denkleminden faydalanarak bulunur. R s = 3.V 2.I ( 3.2 ) 3.1.1.2. BoĢta ÇalıĢma ve Kısa Devre Deneyleri BoĢta çalıģma deneyinde motor, miline bağlı bir yük bulunmadan senkron hızda döndürülür. Senkron hızda döner alan hızı ile rotor hızı eģit olduğu için, boģta çalıģmada rotor sargı akımı Ir' sıfır olur. Rr n n s s = n s n n s = 0 ve s = olur. olduğundan, Ġlk olarak statorun boģta çalıģmasına ait boģta çalıģma gücü P0, boģta çalıģma gerilimi 13

VS0 ( faz nötr gerilimi ) ve boģta çalıģma akımı IS0 Ģekil 3.2 deki devreden yararlanılarak ölçülür. ġekil 3.2. Tek faza ait boģta çalıģma eģdeğer devresi. Daha sonra bu ölçüm sonuçları denklem (3.3), (3.4), (3.5) ve (3.6) da yerine yazılarak R FE ( demir kayıplarını temsil eden direnç ) ve X m ( mıknatıslanma kayıplarını temsil eden reaktans ) bulunur. R FE = 3.V so 2 P o 3.R s.i so 2 Ω ( 3.3 ) I FE V so R FE (A) ( 3.4 ) I m = I so 2 I FE 2 A ( 3.5 ) X m V so I m Ω ( 3.6 ) Kısa devre deneyinde rotor milinin dönmesi mekaniksel olarak engellenir. Dolayısıyla; n = 0 s = n s n n s = 1 ve Rr s = Rr olur. olduğundan, Tek faza ait kısa devre eģdeğer devresi Ģekil 3.3 de verilmektedir. Rotorun statora indirgenmiģ direnci küçük olduğundan dolayı direnç üzerinden büyük akımlar akabilir. Bu durumu önlemek için stator akımı yavaģ yavaģ, nominal akıma kadar arttırılır. Böylece sargıların zarar görmesi önlenmiģ olur. Daha sonra P k kısa devre gücü, V sk 14

kısa devre gerilimi ve I sk kısa devre akımı ölçülür. Ölçümler yapılırken statorun yıldız veya üçgen bağlı olma durumlarına dikkat edilmelidir. Sonra bu ölçümler kullanılarak (3.7), (3.8) ve (3.9) denklemleri yardımıyla kısa devre parametreleri hesaplanır. ġekil 3.3. Tek faz kısa devre eģdeğer devresi. Z k = V sk I sk Ω ( 3.7 ) R k = P k 3.I sk 2 Ω ( 3.8 ) X k = Z k 2 R k 2 Ω ( 3.9 ) Bulunan bu parametreler kullanılarak statora indirgenmiģ rotor direnci R r, stator reaktansı X s ve statora indirgenmiģ rotor reaktansı X r (3.10) ve (3.11) denklemleriyle elde edilir. R r = R k R s Ω ( 3.10 ) X s = X r = X k 2 Ω ( 3.11 ) 15

3.1.2. Üç Fazlı Asenkron Motora Ait Hız-Moment, Kayma-Moment, Hız- Kayma Grafiklerinin Çıkarılması Bu deneyde motor milinin kademeli olarak frenlenmesi gerekmektedir. Böylece mil hızı değiģik değerlere ayarlanır ve motorun tek faz eģdeğer devresinden yararlanarak her hız değerine karģılık gelen moment değerleri hesaplanır. Moment değerini hesaplamanın bir diğer yolu (3.12) ile ifade edilen moment denklemidir [3]. Ayrıca yukarıda (2.4) denklemiyle verilen formül ile de hız değerlerine karģılık gelen kayma değerleri hesaplanır. Daha sonra elde edilen karģılıklı değerler kullanılarak üç fazlı asenkron motorun hız-moment, kayma-moment ve hız-kayma grafikleri kolayca çıkarılabilir. M e = m s.r r.p s.ω s R s + R r s 2 V s 2 + m s 2 X sσ + m r 2 X rσ 2 N. m ( 3.12 ) 3.1.3. Tek Fazlı Beslenen Üç Fazlı Asenkron Motorların Performans Deneyleri Bu deneyler üç fazlı asenkron motorun tek fazlı beslenmesi durumunda meydana gelecek performans değiģimlerini gözlemek amacıyla tasarlanmıģtır. Deneylerin gerçeklenmesi sırasında iki temel koģul dikkate alınacaktır. Bu koģullar: Motor stator sargılarının yıldız veya üçgen bağlı olması. Motorun yüklü veya boģta çalıģması. Deneylerin sonucunda motorun değiģik çalıģma Ģartlarındaki performans değiģimleri gözlenecektir. 3.2. Deney Düzeneğinin Tasarımı Yapılacak olan deneylerin belirlenmesinden sonra sıra deneylerin gerçekleģtirilebileceği bir deney seti tasarlamaya gelir. Yukarıda belirtilen deneyleri yapabilmek için Ģekil 3.4 de verilen sistem tasarlandı. 16

ġekil 3.4. Deneyleri gerçekleyebilmek için yapılan sistem tasarımı. Yukarıda görülen sistemde zemine sabitlenmiģ iki adet motor bulunmaktadır. Motorların ikisi de üç fazlı sincap kafes tür asenkron motordur. Bu yüzden dıģ ortama çıkan rotor sargı ucu yoktur. Stator sargı uçları ise dıģ ortama çıkarılarak deney setine bağlandı. Ayrıca deney seti üzerine 5 adet birbirinden bağımsız, 3 adet birbiriyle üçgen bağlı 400 V luk kondansatörler yerleģtirildi. Ayrık kondansatörler 3x10 µf, 25 µf, 30 µf değerlerine sahiptir ve tek faz ile beslenen üç fazlı asenkron motorun performans deneylerinde kondansatör değerinin etkisini gözleyebilmek için kullanıldı. Birbiriyle üçgen bağlı 3x30 µf değerine sahip kondansatörler ise ikinci motoru generatör olarak çalıģtırıp birinci motorun milini frenlemek için gerekli mıknatıslanmayı sağlamak için kullanıldı. Bu deney düzeneğinde deneylerin yapılacağı ana motor birinci motordur. Birinci motorun parametreleri bulunurken, boģta ve kısa devre olmak üzere iki çalıģma Ģekli göz önüne alınır. Kısa devre deneyi yapılırken motor milini kilitlemek için bir mengene kullanılması düģünülmektedir. Tasarlanan sistem, birinci motorun karakteristikleri çıkarılırken motor mil hızını değiģtirmek için iki farklı frenleme yöntemi uygulanabilecek Ģekilde tasarlandı. Bu yöntemler: Ġki motoru ayrı kaynaklardan besleyip ikinci motoru frenleyici olarak kullanmak. 17

Motorları kaplin ile birbirine bağlayıp ikinci motoru generatör olarak çalıģtırmak. Deneyler sırasında yapılacak ölçümler için pano üzerine ve deney setinin yanına ölçü aletleri koyuldu. Ayrıca motorlara yol verirken oto trafo ile yol verme yönteminin uygulanması düģünüldü. 3.3. Malzeme ve Fiyat Listesi Yapılan deneylerde kullanılan malzemelerin listesi ve fiyatları çizelge 3.1 de gösterilmiģtir. Çizelge 3.1. Malzeme ve fiyat listesi Adet Birim Fiyat (TL) Toplam (TL) Üç Fazlı Asenkron motor (1,5 kw) 1 190 190 Üç Fazlı Asenkron motor (3 kw) 1 250 250 Bağlantı Kablosu 20 3 60 Kaplin (6 cm çap) 1 90 90 Takometre 1 98 98 Wattmetre 1 300 300 Voltmetre 2 16 32 Ampermetre 2 20 40 Avometre 1 53,6 53,6 10 µf AC Kondansatör (400 V) 3 10 30 25 µf AC Kondansatör (400 V) 1 12 12 30 µf AC Kondansatör (400 V) 4 15 60 Genel Toplam 1.215,60 18

4. SĠMÜLASYONLAR 4.1. Üç Fazlı Asenkron Motorun Üç Fazlı ÇalıĢması Deneylere ait bazı MATLAB/Simulink modelleri ve simülasyon çıktıları aģağıda gösterilmiģtir. Kullanılan simülasyon programında motorun stator sargılarının üçgen bağlanamamasından dolayı sadece yıldız bağlı duruma ait simülasyonlar yapıldı. Simülasyonlarda kullanılan motor parametreleri çizelge 4.1 de verilmiģtir. Çizelge 4.1. Simülasyonda kullanılan parametreler. U N 380 (V) Rr 4.149 Ω I N 3.7(A) L S 0.01667 (H) n N 1375 (dev/dak) Lr 0.01667 (H) Cosφ 0.8 Lm 0.334 (H) p 2 F 0.0170 (N.m) f 50 Hz J 0.01242 (kg.m 2 ) R S 5.2 Ω T m 0 (N.m) Çizelge 4.1 deki parametreler, kullanılan üç fazlı asenkron motorun boģta ve kısa devre çalıģma deneyleri sonucu elde edilen ve plakası üzerinde yazan parametreleri içermektedir. Ayrıca motor sincap kafes tür bir rotora sahiptir. ġekil 4.1 de üç fazlı asenkron motorun üç faz ile beslenmesini temsil eden MATLAB/Simulink modeli gösterilmektedir. Motorun boģta çalıģtırıldığı bu modelde stator akımının zamanla değiģim grafiği Ģekil 4.2 de, rotor hızının zamanla değiģim grafiği 4.3 de ve motor momentinin zamanla değiģim grafiği Ģekil 4.4 dedir.

ġekil 4.1. Üç fazlı asenkron motorun üç faz ile beslenmesine ait Simulink modeli. ġekil 4.2. Üç fazlı asenkron motorun üç faz ile beslenmesine ait stator akımı-zaman grafiği. 20

ġekil 4.3. Üç fazlı asenkron motorun üç faz ile beslenmesine ait rotor hızı-zaman grafiği. ġekil 4.4. Üç fazlı asenkron motorun üç faz ile beslenmesine ait moment-zaman grafiği. 21

4.2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Tek Fazlı ÇalıĢması ġekil 4.5 de üç fazlı asenkron motorun tek faz ile beslenmesini temsil eden MATLAB/Simulink modeli gösterilmiģtir. Motorun boģta çalıģtırıldığı ve 30 µf lık kondansatörün kullanıldığı bu modelde stator akımının zamanla değiģim grafiği Ģekil 4.6 da, rotor hızının zamanla değiģim grafiği Ģekil 4.7 de ve motor momentinin zamanla değiģim grafiği Ģekil 4.8 dedir. ġekil 4.5. Üç fazlı asenkron motorun tek faz ile beslenmesine ait Simulink modeli. ġekil 4.6. Üç fazlı asenkron motorun tek faz ile beslenmesine ait stator akımı-zaman grafiği. 22

ġekil 4.7. Üç fazlı asenkron motorun tek faz ile beslenmesine ait rotor hızı-zaman grafiği. ġekil 4.8. Üç fazlı asenkron motorun tek faz ile beslenmesine ait moment-zaman grafiği. 23

4.3. Simülasyonların Yorumlanması Üç fazlı asenkron motorların tek fazlı olarak çalıģtırılması ile ilgili daha önce yapılan araģtırmalar [5] motor tek faz ile çalıģtırılırken dinamik davranıģın değiģimine ve motorun kalkıģ yapabilmesi için gerekli olan en uygun kondansatör değerinin saptanmasına yönelik yapılmıģtır. Ancak bu çalıģmanın konusu daha farklıdır. Üç fazlı asenkron motorun eģdeğer devre parametreleri hesaplandı ve bazı önemli karakteristikleri çıkarıldı. Daha sonra, tek fazlı çalıģma durumundaki güç, güç faktörü, akım, hız gibi büyüklüklere ait değiģimler çeģitli deneyler yapılarak incelendi. Bu doğrultuda, yapılan performans deneylerine ıģık tutması açısından, MATLAB/Simulink ortamında motorun üç faz ve tek faz ile ayrı ayrı beslenmesine iliģkin simülasyonlar yapıldı. Bu simülasyonların sonuçları yukarıda verilmiģtir. Üç fazlı asenkron motorun üç faz ile çalıģtırılmasına ait Simulink modeli Ģekil 4.1 de, tek faz ile çalıģtırılmasına ait model ise Ģekil 4.5 de verilmiģtir. Her iki durumda da çizelge 4.1 deki motor parametreleri kullanıldı ve motor boģta çalıģtırıldı. Bu koģullar altında yapılan simülasyon sonuçları incelenecek olursa: ġekil 4.2 ve Ģekil 4.6 daki grafikleri karģılaģtırdığımızda, motorun kalkıģ anındaki ve sürekli durumdaki stator akımı üç fazlı çalıģmada daha büyüktür. Sürekli duruma geçiģ süresi ise tek fazlı olarak çalıģmada daha uzundur. Bu süre kondansatör değeri ile değiģtirilebilir. Tek fazlı olarak çalıģmada akımın dengesiz çalıģmadan dolayı salınımı daha fazladır. Oysa üç faz ile çalıģmada dengesiz bir durum oluģmadığından dolayı böyle bir sorun yoktur. ġekil 4.3 ve Ģekil 4.7 deki rotor hızı-zaman grafiklerini karģılaģtırdığımızda tek fazlı çalıģmada sürekli duruma geçiģ süresi daha uzun ve sürekli durumdaki rotor hızının değeri daha düģüktür. Ancak rotor hızındaki bu düģüģ çok fazla olmamaktadır. ġekil 4.4 ve Ģekil 4.8 deki moment-zaman grafiklerini karģılaģtırdığımızda, tek fazlı çalıģmada baģlangıç momenti daha küçük, sürekli duruma geçiģ süresi daha uzun ve dengesizlikten dolayı salınım miktarı daha çoktur. Yapılan simülasyonlarda MATLAB programı kullanıldı. MATLAB/Simulink te asenkron motorun stator sargıları yalnızca yıldız bağlı olarak seçilebildiğinden stator sargılarının üçgen bağlı olduğu duruma ait simülasyonlar yapılmadı. Yapılan deneylerde motorun stator sargılarının yıldız veya üçgen bağlı oluģunun motor 24

performansına etkilerini incelendi. Ayrıca, simülasyonlarda sadece 30 µf lık kondansatör kullanılmasına rağmen deneylerde farklı kondansatör değerlerinin de motor performansı üzerindeki etkileri gözlendi. 25

5. DENEYLER Bu deneylerde kullanılan genel deney düzeneği Ģekil 5.1 deki gibidir. Deneyler yapılırken bu düzenek kullanıldı ve sadece üzerindeki bağlantılar değiģtirildi. Deneylerde kullanılan baģlıca malzemeler: 2 adet üç fazlı asenkron motor 2 adet voltmetre 2 adet ampermetre 1 adet wattmetre 1 adet oto trafo 1 adet takometre 1 adet mengene 4 adet 30 µf değerli kondansatör 1 adet 25 µf değerli kondansatör 3 adet 10 µf değerli kondansatör Bağlantı kabloları ġekil 5.1. Genel deney düzeneği.

5.1. Üç Fazlı Asenkron Motorun EĢdeğer Devre Parametrelerinin Çıkarılması Bu deney sargı dirençlerinin ölçümü, boģta çalıģma ve kısa devre deneyi olmak üzere üç bölümden oluģur. Deneye iliģkin teorik bilgiler daha önce anlatıldığından burada tekrar değinmeye gerek duyulmadı. 5.1.1. Sargı Dirençlerinin Ölçümü Üç fazlı asenkron motorun sargı direnci iki farklı Ģekilde ölçülebilir. Birinci yönteme göre sargıların arasına DC gerilim uygulanır ve akım, gerilim değerleri ölçülerek sargı direnci hesaplanır. Ġkinci yönteme göre ise aynı ilkeye göre çalıģan bir ohmmetre kullanılarak sargı direncinin ölçülmesidir. Deneyde ikinci yöntem kullanıldı. Stator sargı uçlarına ohmmetre bağlandı ve sargı direnci 5.2 Ω olarak ölçüldü. 5.1.2. BoĢta ve Kısa Devre ÇalıĢma Deneyleri BoĢta çalıģma deneyinin amacı mıknatıslanma kayıplarını temsil eden X m reaktansı ve demir kayıplarını temsil eden R FE direncinin bulunmasıdır. Deney bağlantı Ģeması Ģekil 5.2 de ve gerekli deney düzeneği Ģekil 5.3 de gösterildi. ġekil 5.2. BoĢta çalıģma deneyi bağlantı Ģeması. 27

ġekil 5.3. BoĢta çalıģma deney düzeneği. BoĢta çalıģma deneyi yapılırken sırasıyla: Öncelikle Ģekil 5.3 deki deney düzeneğine ait bağlantılar yapıldı. Birinci ve ikinci motor birbirinden ayrıldı. Oto trafo yardımıyla motorun stator sargılarına nominal gerilim uygulandı. Ölçü aletlerinden akım, gerilim, güç değerleri okunarak kaydedildi. Kısa devre deneyinin amacı üç fazlı asenkron motorun stator sargı reaktansı X sσ, statora indirgenmiģ rotor sargı reaktansı X rσ ' ve direnci R rσ ' nın bulunmasıdır. Deney bağlantı Ģeması Ģekil 5.4 de verilen kısa devre deneyinin düzeneği Ģekil 5.3 dekinin aynısıdır. 28

ġekil 5.4. Kısa devre deneyi bağlantı Ģeması. Kısa devre deneyi yapılırken sırasıyla: ġekil 5.3 deki deney düzeneğine ait bağlantılar yapıldı. Birinci ve ikinci motor birbirinden ayrıldı. Birinci motorun mili mengene ile sıkıģtırıldı. Birinci motorun stator sargısına sargı akımı nominal akıma ulaģıncaya kadar oto trafo ile gerilim uygulandı. Ölçü aletlerinden akım, gerilim, güç değerleri okunup kaydedildi. 5.2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Karakteristiklerinin Çıkarılması Bu deneyde motor milinin herhangi bir frenleme yöntemi ile yavaģlatılması gerekir ve sonra sabit hız değerlerine göre denklem (2.4) ve (3.12) kullanılarak sırasıyla kayma ve moment değerleri elde edildi. DeğiĢik hız değerlerine göre kayma ve moment değerlerinden oluģan bir çizelge hazırlandı. Çizelgeden yararlanılarak hız-moment, hızkayma, kayma-moment grafikleri Excel programında çizdirildi. Deney sonuçları elde edilirken formüllerin kullanılma nedeni, uygulanan frenleme yöntemlerinin motor milini yavaģlatacak moment değerlerine ulaģamamasıydı. Frenleme yöntemi olarak: 29

Milleri birleģtirilmiģ iki motordan ikincisi ters yönde döndürüldü. Fuko freni kullanıldı. Mengene kenarlarına odun / alüminyum parçalar konularak mil sıkıģtırıldı. Uygulanan bu yöntemler sağlıklı sonuç vermeyince yukarıda sözü edilen formüllere göre hesap yapıldı ve grafikler oluģturuldu. 5.3. Tek Fazlı Beslenen Üç Fazlı Asenkron Motorun Performans Deneyleri Bu deneylerin amacı üç fazlı bir asenkron motorun herhangi bir nedenden dolayı tek fazlı olarak çalıģtırılması gerektiğinde, motorun stator sargılarının bağlanıģ biçimine ve yük durumuna göre performans değiģimlerinin gözlenmesidir. 5.3.1. Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma Deneyin amacı, değiģik değerli kondansatörler kullanarak stator sargıları yıldız bağlı üç fazlı asenkron motorun tek fazlı ve boģta çalıģtırılırken Ģebekeden çektiği akım ve gücün kondansatör değerine göre değiģimlerini gözlemektir. Deneye ait bağlantı Ģeması Ģekil 5.5 de, deney düzeneği ise Ģekil 5.6 da gösterildi. ġekil 5.5. Yıldız bağlı boģta çalıģma deney bağlantı Ģeması. 30

ġekil 5.6. Yıldız bağlı boģta çalıģma deney düzeneği. Deney yapılırken sırasıyla: Birinci ve ikinci motor birbirinden ayrıldı. ġekil 5.6 daki bağlantılar oluģturuldu. Birinci motorun faz giriģ uçlarından ikisi arasına 25 µf lık kondansatör bağlandı. Birinci motorun diğer faz ucu ile herhangi bir faz ucu arasına 220 V AC gerilim uygulandı. Birinci motorun Ģebekeden çektiği akım ve güç değerleri kaydedildi. Aynı iģlemler 60 µf değerine kadar 5 µf aralıklarla tekrarlanıp sonuçlar kaydedildi. 5.3.2. Stator Sargıları Üçgen Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma Deneyin amacı, değiģik değerli kondansatörler kullanarak stator sargıları üçgen bağlı üç fazlı asenkron motorun tek fazlı ve boģta çalıģtırılırken Ģebekeden çektiği akım ve 31

gücün kondansatör değerine göre değiģimlerini gözlemektir. Deneye ait bağlantı Ģeması Ģekil 5.7 de, deney düzeneği ise Ģekil 5.8 de gösterildi. ġekil 5.7. Üçgen bağlı boģta çalıģma deney bağlantı Ģeması. ġekil 5.8. Üçgen bağlı boģta çalıģma deney düzeneği. 32

Deney yapılırken izlenen sıra yıldız bağlı boģta çalıģma deneyi ile aynı olduğundan burada tekrar yazılmadı. Aralarındaki tek fark üçüncü adımda gerekli bağlantıların Ģekil 5.8 e göre yapılmasıdır. 5.3.3. Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken Yüklü ÇalıĢma Deneyin amacı, değiģik değerli kondansatörler kullanarak stator sargıları yıldız bağlı üç fazlı asenkron motorun tek fazlı ve yüklü çalıģtırılırken Ģebekeden çektiği akım ve gücün, mil hızının, yük uçlarındaki gerilimin kondansatör değerine göre değiģimlerini gözlemektir. Deneye ait bağlantı Ģeması Ģekil 5.9 da, deney düzeneği ise Ģekil 5.10 da gösterildi. ġekil 5.9. Yıldız bağlı yüklü çalıģma deney bağlantı Ģeması. 33

ġekil 5.10. Yıldız bağlı yüklü çalıģma deney düzeneği. Deney yaparken sırasıyla: Birinci ve ikinci motorun milleri kaplin ile birbirine bağlandı. ġekil 5.10 daki bağlantılar oluģturuldu. Ġkinci motor generatör olarak çalıģtırılacağı için faz giriģ uçlarına 3 fazlı omik bir yük bağlandı. Birinci motorun faz giriģ uçlarından ikisi arasına 25 µf lık kondansatör bağlandı. Birinci motorun diğer faz ucu ile herhangi bir faz ucu arasına 220 V AC gerilim uygulandı. Birinci motorun Ģebekeden çektiği akım ve güç değerleri, mil hızı, ikinci motorun stator sargı uçlarında üretilen gerilim değerleri ölçülerek kaydedildi. Aynı iģlemler 60 µf değerine kadar 5 µf aralıklarla tekrarlanıp sonuçlar kaydedildi. 5.3.4. Stator Sargıları Üçgen Bağlı Ġken Yüklü ÇalıĢma Deneyin amacı, değiģik değerli kondansatörler kullanarak stator sargıları üçgen bağlı üç fazlı asenkron motorun tek fazlı ve yüklü çalıģtırılırken Ģebekeden çektiği akım ve gücün, mil hızının, yük uçlarındaki gerilimin kondansatör değerine göre değiģimlerini 34

gözlemektir. Deneye ait bağlantı Ģeması Ģekil 5.11 de, deney düzeneği ise Ģekil 5.12 de gösterildi. ġekil 5.11. Üçgen bağlı yüklü çalıģma deney bağlantı Ģeması. ġekil 5.12. Üçgen bağlı yüklü çalıģma deney düzeneği. 35

Deney yapılırken izlenen sıra yıldız bağlı yüklü çalıģma deneyi ile aynı olduğundan burada tekrar yazılmadı. Aralarındaki tek fark ikinci adımda gerekli bağlantıların Ģekil 5.12 ye göre yapılmasıdır. 5.4. Çevreye Etkiler Üç fazlı bir asenkron motorun tek fazlı olarak çalıģtırılması çevreyi olumsuz yönde çok fazla etkilemez. Ancak çalıģma koģulları yeterince iyi değilse, ortaya çıkaracağı gürültü insanları rahatsız edebilir. Bu yüzden en uygun kondansatör değeri seçilmelidir. Ayrıca enerjili haldeki motorda oluģabilecek bir arıza sonrasında motorun gövdesi gerilim altında kalabilir. Bu durumu önlemek için motorun koruma topraklaması mutlaka yapılmıģ olmalıdır. Aksi takdirde motorun gövdesine dokunan insanlar tehlikeli temas gerilimine maruz kalırlar. Bu da ölümcül olaylara neden olabilir. 5.5. Kısıtlamalar Bu çalıģma Türkiye Ģartlarında yapıldığı için, motor üç faz ile beslenirken 380V 50Hz, tek faz ile beslenirken de 220V 50Hz lik gerilim ve frekans değerleri standart değerlerdir. Oto transformatör gibi elemanlar kullanılarak bu değerler üzerinde değiģiklikler yapılabilir ve motor farklı koģullarda çalıģtırılabilir. Ancak bu durum ekonomiklik açısından uygun değildir. Motor kalkıģ anında yaklaģık olarak nominal akımının 3-5 katı kadar akım çeker. Bu aģırı akımlara dikkat edilmelidir. Aksi takdirde motor sargıları zarar görebilir. Üç fazlı asenkron motoru tek fazlı olarak çalıģtırırken yardımcı faz gerilimi oluģturan kondansatörün değeri motorun gücüne göre seçilmelidir. Uygun kondansatör değerinin seçimi için hesap yöntemleri olmasına rağmen bunlar oldukça karmaģıktır. Bu yüzden, çeģitli deneyler sonucu oluģturulmuģ tablolardan yararlanarak motorun gücüne göre kondansatör seçimi yapılır. Kısa devre deneyi yapılırken nominal akımın üzerine çıkılmamalıdır ve uzun süreli deney yapılmamalıdır. Aksi takdirde motor sargıları yanar. 36

6. SONUÇLAR 6.1. EĢdeğer Devre Parametrelerinin Belirlenmesi Öncelikle asenkron motorun stator sargılarının yıldız bağlı oluģu hatırda tutularak, bir direnç ölçer ( ohmmetre ) yardımıyla stator faz sargısına ait direnç değeri 5.2 Ω olarak ölçüldü. BoĢta çalıģma ve kısa devre deneylerinden elde edilen sonuçlar çizelge 6.1 dedir. Çizelge 6.1. BoĢta çalıģma ve kısa devre deneylerinin sonuçları BoĢta ÇalıĢma Deneyi Sonuçları Kısa Devre Deneyi Sonuçları V 0(f-n) 220 V V k(f-n) 51.96 V I 0 2.1 A I k 3.7 A P 0 150 W P k 384 W Elde edilen bu değerler kullanılarak motorun eģdeğer devre parametreleri daha önce verilen formüllerden yararlanarak hesaplandı. R FE = 2 3. V so 220 2 2 = P o 3. R s. I so 50 5,2x2,1 2 = 1788,09 Ω I FE V so = 220 = 0,123 (A) R FE 1788,09 I m = I so 2 I FE 2 = 2,1 2 0,123 2 (A) X m V so I m = 220 0,96 = 104,96 Ω Z k = V sk I sk = 51,96 3,7 = 14,04 Ω

R k = P k 2 3. I = 128 sk 3,7 2 = 9,349 Ω X k = Z k 2 R k 2 = 14,04 2 9,349 2 = 10,474 Ω R r = R k R s = 9,349 5,2 = 4,149 Ω X sσ = X rσ = X k 2 = 10,474 = 5,237 2 6.2. Üç Fazlı Asenkron Motorun Karakteristiklerinin Çıkarılması Çizelge 6.2 de asenkron motora ait eģdeğer devre parametreleri, çift kutup sayısı ve denklem (3.12) ye ait bazı parametrelerin değerleri verildi. Çizelge 6.2. Hesaplamalarda kullanılan parametreler. ωs Xrσ' Xsσ Rr' Rs Vs ms mr p 157 5.237 5.237 4.149 5.2 220 3 3 2 Asenkron motorun değiģik mil hızlarına karģılık gelen kayma ve moment değerleri çizelge 6.3 de verildi. 38

Çizelge 6.3. DeğiĢik motor mil hızlarına karģılık gelen kayma ve moment değerleri. n s Me 1500 157 0 0 1450 151,7667 0,03333 6,801869 1400 146,5333 0,06667 12,35886 1350 141,3 0,1 16,75866 1300 136,0667 0,13333 20,14379 1250 130,8333 0,16667 22,67485 1200 125,6 0,2 24,50773 1150 120,3667 0,23333 25,78188 1100 115,1333 0,26667 26,6159 1050 109,9 0,3 27,10749 1000 104,6667 0,33333 27,33534 950 99,43333 0,36667 27,36197 900 94,2 0,4 27,23654 850 88,96667 0,43333 26,99743 800 83,73333 0,46667 26,67451 750 78,5 0,5 26,29089 700 73,26667 0,53333 25,86445 650 68,03333 0,56667 25,40895 600 62,8 0,6 24,93499 550 57,56667 0,63333 24,45068 500 52,33333 0,66667 23,96221 450 47,1 0,7 23,47427 400 41,86667 0,73333 22,99039 350 36,63333 0,76667 22,51322 300 31,4 0,8 22,04468 250 26,16667 0,83333 21,58614 200 20,93333 0,86667 21,13858 150 15,7 0,9 20,70263 100 10,46667 0,93333 20,27866 50 5,233333 0,96667 19,86687 0 0 1 19,46727 Çizelge 6.3 de elde edilen değerlere göre hız-moment, hız-kayma, moment-kayma grafikleri çizildi. Hız-moment grafiği Ģekil 6.1 de, hız-kayma grafiği Ģekil 6.2 de ve moment- kayma grafiği Ģekil 6.3 de verildi. 39

Hız (d/dk) Hız (d/dk) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 30 Moment (N.m) 0 ġekil 6.1. Üç fazlı asenkron motorun hız-moment grafiği. 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Kayma, s ġekil 6.2. Üç fazlı asenkron motorun hız-kayma grafiği. 40

Moment (N.m) 30 25 20 15 10 5 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Kayma, s ġekil 6.3. Üç fazlı asenkron motorun moment-kayma grafiği. 6.3. Tek Fazlı Beslenen Üç Fazlı Asenkron Motorun Performans Deneyleri 6.3.1. Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma Stator sargıları yıldız bağlı üç fazlı asenkron motor tek fazlı ve boģta çalıģırken, kullanılan çeģitli kondansatör değerleri için kaydedilen ölçüm sonuçları çizelge 6.4 de verildi. Çizelge 6.4. Farklı kondansatör değerleri için kaydedilen ölçüm sonuçları. Kondansatör (µf) Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma Hız (d/dk) Uygulanan Gerilim (V) Akım (A) Güç (W) 25 1500 220 0,57 122,5 30 1500 220 0,72 152,5 35 1500 220 1,14 210 40 1500 220 1,51 270 45 1500 220 2,04 355 50 1500 220 2,48 440 55 1500 220 3 545 60 1500 220 3,53 660 41

Güç (W) Akım (A) Kaydedilen deney ölçümlerini kullanarak oluģturulan akım-kondansatör değiģim grafiği Ģekil 6.4 de, güç-kondansatör değiģim grafiği Ģekil 6.5 de verildi. 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Kondansatör (µf) ġekil 6.4. Yıldız bağlı iken boģta çalıģmada Ģebekeden çekilen akımın kondansatör değeriyle değiģimi. 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Kondansatör(µf) ġekil 6.5. ġebekeden çekilen akımın kondansatör değeriyle değiģimi. 6.3.2. Stator Sargıları Üçgen Bağlı Ġken BoĢta ÇalıĢma Stator sargıları üçgen bağlı üç fazlı asenkron motor tek fazlı ve boģta çalıģırken, kullanılan çeģitli kondansatör değerleri için kaydedilen ölçüm sonuçları çizelge 6.5 de verildi. 42

Akım (A) Çizelge 6.5. Farklı kondansatör değerleri için kaydedilen ölçüm sonuçları. Kondansatör (µf) Stator Sargıları Üçgen Bağlıyken BoĢta ÇalıĢma Hız (d/dk) Uygulanan Gerilim (V) Akım (A) Güç (W) 25 1500 220 4,65 260 30 1500 220 4,47 255 35 1500 220 4,17 254 40 1500 220 3,93 250 45 1500 220 3,6 247 50 1500 220 3,45 255 55 1500 220 3,23 265 60 1500 220 3,03 274 Kaydedilen deney ölçümlerini kullanarak oluģturulan akım-kondansatör değiģim grafiği Ģekil 6.6 de, güç-kondansatör değiģim grafiği Ģekil 6.7 de verildi. 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Kondansatör (µf) ġekil 6.6. ġebekeden çekilen akımın kondansatör değeriyle değiģimi. 43

Güç (w) 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Kondansatör (µf) ġekil 6.7. ġebekeden çekilen gücün kondansatör değeriyle değiģimi. 6.3.3. Stator Sargıları Yıldız Bağlı Ġken Yüklü ÇalıĢma Stator sargıları yıldız bağlı üç fazlı asenkron motor tek fazlı ve yüklü çalıģırken, kullanılan çeģitli kondansatör değerleri için kaydedilen ölçüm sonuçları çizelge 6.6 da verildi. Çizelge 6.6. Farklı kondansatör değerleri için kaydedilen ölçüm sonuçları. Kondansatör (µf) Stator Sargıları Yıldız Bağlıyken Yükte ÇalıĢma Hız (d/dk) Uygulanan Gerilim (V) GiriĢ Akımı (A) GiriĢ Gücü (W) 25 1360 220 3,49 740 30 1360 220 3,5 745 35 1380 220 3,52 760 40 1382 220 3,54 785 45 1390 220 3,78 835 50 1392 220 4 890 55 1392 220 4,41 960 60 1392 220 4,71 1030 44

Güç (W) Akım A) Kaydedilen deney ölçümlerini kullanarak oluģturulan akım-kondansatör değiģim grafiği Ģekil 6.8 de, güç-kondansatör değeri değiģim grafiği Ģekil 6.9 da ve hızkondansatör değiģim grafiği Ģekil 6.10 da verildi. 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Kondansatör (µf) ġekil 6.8. ġebekeden çekilen akımın kondansatör değeriyle değiģimi. 1200 1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Kondansatör (µf) ġekil 6.9. ġebekeden çekilen gücün kondansatör değeriyle değiģimi. 45

Hız (d/dk) 1500 1350 1200 1050 900 750 600 450 300 150 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Kondansatör (µf) ġekil 6.10. Motor hızının kondansatör değeriyle değiģimi. 6.3.4. Stator Sargıları Üçgen Bağlı Ġken Yüklü ÇalıĢma Stator sargıları üçgen bağlı üç fazlı asenkron motor tek fazlı ve yüklü çalıģırken, kullanılan çeģitli kondansatör değerleri için kaydedilen ölçüm sonuçları çizelge 6.7 de verildi. Çizelge 6.7. Farklı kondansatör değerleri için kaydedilen ölçüm sonuçları. Kondansatör (µf) Stator Sargıları Üçgen Bağlıyken Yükte ÇalıĢma Hız (d/dk) Uygulanan Gerilim (V) GiriĢ Akımı (A) GiriĢ Gücü (W) ÇıkıĢ Gerilimi(V) 25 1450 220 5,74 940 261 30 1456 220 5,64 940 267 35 1460 220 5,45 920 267 40 1460 220 5,3 915 268 45 1460 220 5,1 910 268 50 1460 220 5 910 268 55 1460 220 4,89 910 268 60 1460 220 4,77 910 268 46