Elektrik Motorları ve Sürücüleri
Genel Kavramlar
Motor sarımı görüntüleri
Sağ el kuralı bobine uygulanırsa: 4 parmak akım yönünü Başparmak N kutbunu gösterir
N ve S kutbunun oluşumu Manyetik alan yönü N den S e doğrudur.
Lenz kanununa göre; iletken bir manyetik alan içinde hareket ettirilirse uçları arasında potansiyel fark oluşur. Aynı şekilde bir manyetik alan iletkeni kesecek şekilde hareket ettirilirse yine iletken uçlarında potansiyel fark oluşur. Bu potansiyel fark e=b.l.v formülü ile bulunur.
sol el kuralı: Sol el kuralına göre; işaret parmağı yönünde bir manyetik alanın (B) olduğu ortama, üzerinden orta parmak yönünde akım (I) geçen bir iletken sokulursa, iletkene baş parmak yönünde bir kuvvet (F) etkidiği görülür.
DC Motorların Çalışma Esasları İçerisinden akım geçen iletken, manyetik alana sokulursa iletkene bir kuvvet etkir. FBI (unutulmasın)
DOĞRU AKIM (DC)MOTORLARI
DA Motorunun Çalışması Doğru akım motoru, içinden akım geçen iletkenin manyetik ortam dışına itilmesi prensibine göre çalışır. Motorlarda manyetik alanı endüktör oluşturmaktadır. İçinden akım geçen iletkenler ise endüvi üzerinde bulunur. Endüvi üzerindeki iletkenlere fırça ve kolektör yardımıyla doğru gerilim uygulanır. İletkenden geçen akım yön değiştirirse itilme yönü de değişir. İtilme yönünün değişmesi motorun dönüş yönünü de değiştirir.
DC motorlar Motorun dairesel hızı uygulanan voltajla doğru orantılıdır. Endüvi gerilimini değiştirerek devri ayarlamak mümkündür. Döndürme momenti (tork) bobin akım gücü ile doğru orantılıdır. Endüvi akımını değiştirerek torku ayarlamak mümkündür. Sürücü devreleri ile DC motorların hızları, dönüş yönleri ve momentleri çok hassas olarak denetlenir. DC servo motorlar üzerinde yer ve hız algılayıcıları bulunur. Eğer hareket hassas bir şekilde kontrol edilmek isteniyorsa bu motorlar da tercih edilebilir.
DC Motorun Genel Yapısı ve parçaları 1) Endüktör(stator) 2) Endüvi(rotor) 3) Kollektör 4) Fırçalar 5) Yatak ve kapaklar
Endüvi (Rotor,armatür,dönen kısım)
Endüvi (Rotor,armatür,dönen kısım) DA makinelerinde dönen, mekanik enerjinin alındığı kısımdır. Endüvi üzerinde kollektör ve preslenmiş saç paket bulunur. Saç üzerindeki emaye yalıtkanlı iletkenlerden akım geçtiğinde motor olarak çalışır, yani döner. Manyetik alan içindeki endüvi dışarıdan bir kuvvetle döndürülürse, gerilim üretir. Yani dinamo görevi yapar. Kollektöre iki ya da daha fazla fırça ile doğru gerilim uygulanır. Endüvi üzerinde kollektör vardır ve bakır dilimlerden oluşur. Bu dilimlere endüvide bulunan iletkenler lehimlenir.
Fırça ve Kollektör DC motorlarda motorun hareketli kısmı olan rotor(endüvi) sargılarına gerilim uygulanması için kullanılan ara bağlantı elemanına fırça, Fırçaların temas ettiği endüvinin bölümüne ise kollektör veya komütatör denir. DC motor fırçaları bakır alaşımlardan yapılabildiği gibi genellikle karbon alaşımlardan yapılmaktadır. Bu nedenle DC motor fırçalarına kömür de denmektedir. DC motorlarda kullanılan fırça ve kollektör sistemleri bu motorların en çok sorun çıkaran bölümleridir. Kullanılan DC motorların belirli periyotlarda bakımları yapılmalı, bu bakımlar sırasında fırça ve kollektörleri kontrol edilmelidir. Fırça boyları çok fazla kısalmışsa fırçalar değiştirilmeli, kollektör üzerinde deformasyonlar varsa ince zımpara ile giderilmelidir.
Fırçalar Manyetik alan içerisinde bulunan, üzerinden akım geçen iletkene bir kuvvet uygulanır. Uygulanan bu kuvvet ile iletken yani rotor hareket eder. Rotorun bu sürekli hareketinin hiç durmadan devam etmesi için rotora uygulanan gerilimin de kesintiye uğramaması gerekir. Bu kesintisiz gerilim kullanılan fırçalarla sağlanır.
Endüktör(stator,gövde,duran kısım) Görevi NS kutuplarını oluşturmaktır, yani manyetik alan meydana getirmektir. Endüktör sargısı DA makinesinin gövdesinde bulunur, Vida ve somunlarla gövdeye tutturulur. Küçük güçlü DA makinelerinde ve pilli oyuncaklarda daimi mıknatıs, endüktör olarak görev yapmaktadır. Endüktör, makinenin gücüne ve devir sayısına göre 2, 4, 6, 8 veya daha çok kutuplu olur.
Yatak, Kapak ve Diğer Parçalar Doğru akım makinelerinin en önemli parçalarından biri de yataklarıdır. Yataklar da periyodik bakım gerektirir. Bilezikli tip metal yataklar ya da bilyeli(rulman) yatak kullanılır. DA makinelerinin soğutulması için pervaneler kullanılır.
Sabit Mıknatıslı Motorlar(Dıştan Uyarlamalı Motorlar) Dıştan uyarmalı motorlarda uyartım sargısı endüvi ile bağlantılı değildir. Uyartım akımı bağımsız bir gerilim kaynağından sağlanır. Yol-verme ve devir sayısının ayar edilmesi için endüvi gerilimi ayarlanır. Dıştan uyarmalı motorların güç etiketlerinde endüvi geriliminin yanında uyartım gerilimi de ayrıca verilmektedir.
Şönt Motorlar Şönt motorlarda uyartım akım sargısı endüvi sargısına paraleldir. Yüksüz durumda kendi başlarına devir yükseltmezler ve yük altında çok az devir yitirirler. (Paralel kolun direnci aynı akımı aynı)
Seri Motorlar Bu motorlarda uyartım sargısı endüvi ile seri bağlanmıştır. Seri motorlarda endüvi akımının tümü uyartım sargısından geçer. Bu nedenle endüvi akımı yükseldikçe uyartım akımı da yükselir ve özellikle motorun yol alması sırasında devir sayısı sonsuza yükselmek ister.
Seri Motorlar Bundan dolayı Seri motorlar yüksüz durumda çalıştırılmaz. Bazı alçak gerilimli ve yüksek güçlü seri motorlar marş motoru olarak otolarda kullanılır. Alternatif akımla da işletilmek üzere yapılmış seri motorlara üniversal motorlar denilir.(ileride ayrı bir başlık altında işlenecektir.)
Avantajları ve kullanım alanları Doğru akım makinaları motor Veya jeneratör olarak kullanılabilir. Genellikle motor olarak kullanılır. Hız ve tork ayarı kolay yapılır. Büyük motorlarda bobinli statorlar bulunurken, küçük olanlarında sabit mıknatıslı statorlar bulunur. Metroda, trenlerde genellikle DC motor kullanılır. Güç elektroniğindeki gelişmeler DC motor ve DC jeneratörlerin kullanımını sınırlamıştır.
Doğru Akım Motorunda Kayıplar Doğru akım motorlarında malzemeden dolayı bakır kayıpları, demir kayıpları, mekanik kayıplar ve fırça kayıpları oluşur. Bakır Kayıpları: Makinanın sargılarında bakır iletkenler kullanıldığından, sargı dirençlerinden ötürü meydana gelen ısınma (termal) kayıplarıdır. P cu =I 2.R kadardır.
Doğru Akım Motorunda Kayıplar Demir Kayıpları: Değişken manyetik alan etkisine maruz kalan demir parçalarında meydana gelir. Histerisiz kayıplarıve Fuko kayıpları olmak üzere iki kısımdan oluşurlar. Artık mıknatısıyetten dolayı yeni kutba meydan okuyan önceki kutup kayıp oluşturur:histerisiz kayıpları Bu önceki kutbun oluşturduğu küçük akım kayıplarına da fukolt akımları ve kayıpları denilir.
Doğru Akım Motorunda Kayıplar Mekanik Kayıplar: Makinede rulmandaki mekanik sürtünme ve endüvinin hava aralığı ile sürtünmesinden dolayı meydana gelen kayıplardır. Ayrıca sürtünmenin yanında vantilasyon kayıpları da bu gruba girer. Fırça Kayıpları: Fırçaların kollektöre temasından dolayı burada temas direnci diye adlandırabileceğimiz bir direnç ve gerilim düşümü meydana gelir. Bu nedenle oluşan kayıplara da fırça kayıpları denir.
KAYIPLAR ve VERİM P verilen =P alınan + P kayıplar Verim= P alınan P verilen 100 η = P alınan P verilen 100
Doğru Akım Motorlarında Endüvi Reaksiyonu ve Komütasyon Endüvi sargısının oluşturduğu manyetik alanın, uyartım sargısının oluşturduğu manyetik alanı bozmasına endüvi reaksiyonu denir. Olması istenmez ve engellenmesi veya önlem alınması gereken bir durumdur. Komütasyon: Fırça ve kollektör dilimlerinde akımın yön değiştirmesi olayıdır. Çok kısa bir süre içerisinde oluşur. Ark ve kıvılcım oluşturur. Bunlar içinde yine önlemler alınmalıdır.
Temel prensip ve çalışma şekli DC motorlarla aynıdır. Tek fark bobinlerin sabit, sabit mıknatısların rotora bağlı olmasıdır. Yani bu motorda rotor ve stator yer değiştirmiştir. Bunun avantajı, fırça ve kollektör sisteminin kalkması, dolayısı ile fırça/kollektör ikilisinin oluşturduğu elektrik/mekanik kayıpların ortadan kalkmasıdır. Fırçasız DC Motorlar
Fırçasız DC Motorlar Rotor bölümünde akım olmadığı için rotora akım taşıyacak fırça ve kolektör düzeneklerine de gerek yoktur. Bu nedenle bu tür motorlar fırçasız(brushless) motor olarak adlandırılır. Bu tür motorların rotor bölümlerinde güçlü doğal mıknatıs kullanılır. Motor verimi %80 ler düzeyindedir. Uygulama alanları; fotokopi makineleri, fanlar, pompalar, yazıcılar olarak sıralanabilir. Bu tip motorlar; optik tarayıcı ve tıp cihazlarında da kullanılmaktadır.
Fırçasız DC Motorlar Fırçasız motorlarda, rotorun nerede olduğunun bilinmesi için rotor konum sensörleri kullanılır.
ENCODERLER (ŞAFT POZİSYON ALGILAYICI) Encoderler robot ve otomasyon projelerinde açısal dönme hızını ve düzeneğin açısal pozisyonunu belirlemek amacıyla kullanılır. Encoder diskinin üzerinde belirli aralıkla delikler vardır. Encoder diski dönerken IR ledin yaydığı ışık deliklerden geçer ve karşı taraftaki fototransistörü tetikler. Delik olmayan kısımlarda ise IR ışık fototransistörü tetikleyemez. Bu şekilde alınan sinyaller sayılabilir ve mikrodenetleyiciye gönderilebilir. Mikrodenetleyicide yazılı program ile sinyaller işlenerek gerekli işlemlerin gerçekleştirilmesi sağlanır.
enkoderler
DC Motorlarda Dinamik Frenleme Bir DC motorun endüvi akımı kesildikten sonra endüktör akımı devam ettirilirse DC motor generatör gibi çalışmaya başlar. Bu durumda endüvi uçları arasına bir yük (direnç) bağlanırsa bu yükten geçen akıma bağlı olarak motorun devir sayısı hızla azalacak ve frenlenecektir.
DC Motorlarda Manyetik Frenleme Çalışmakta olan bir DC motora dönme yönüne göre dijital 1-0 veya 0-1 bilgisi gelmektedir. Motorun çalıştığı alanda bize acil bir frenleme gerekliyse ek donanıma ihtiyaç duymadan manyetik olarak bunu halledebiliriz. Çalışan DC motorun iki ucuna da hareket halindeyken 1-1 bilgisi verilirse motor ani bir frenleme yapacaktır. Bunu motor çalışmazken yaparsak işe yaramadığını görürüz. Çalışan DC motorun iki ucunu hareket halindeyken birleştirirsek motor yine frenleme yapacaktır. Çalışan DC motora, AC gerilim uygulanırsa da manyetik olarak frenleme yapacaktır.
DC motorların sürülmesi ve sürücü devreleri Armatür (endüvi) gerilimini değiştirerek devri ayarlamak mümkündür. Endüvi akımını değiştirerek torku (döndürme momentini) ayarlamak mümkündür. Endüviye uygulanan akımın yönünü değiştirirsek ters yöne dönmesini sağlamak mümkündür. (Kutup yerlerini yani kutup sargılarına uygulanan akım yönünü değiştirsek te olur.) Sürücü devreleri ile DC motorların hızları, dönüş yönleri ve momentleri çok hassas olarak denetlenebilir.