1 Konu : ASENKRON MOTORLARDA V / F ORANI TUTULARAK HIZ AYARI YAPILMASI İÇİNDEKİLER SAYFA 1 ASENKRON MOTORLAR GENEL BİLGİ SAYFA 2 ASENKRON MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ SAYFA 5 ASENKRON MOTORLARDA V/ F ORANI SABİT TUTARAK HIZ AYARI YAPILMASI SAYFA 6 STATORA UYGULANAN GERİLİM FREKASININ DEĞİŞTİRİLMESİ SAYFA 13 DİNAMİK FREKANS DEĞİŞTİRİCİLER SAYFA 13 1 SENKRON FREKANS DEĞİŞTİRİCİ KULLANMAK SAYFA 15 2 - ASENKRON FREKANS DEĞİŞTİRİCİ
2 KULLANMAK SAYFA 18 ASENKRON FREKANS DEĞİŞTİRİCİNİN ASENKRON MOTORLA TAHRİKİ SAYFA 22 3 - SERBEST UYARTIMLI FREKANS DEĞİŞTİRİCİ SAYFA 23 4 - YARI İLETKEN ( TRİSTÖR VEYA IZGARA AYARLI GAZLI REDRESÖRLERİ ) KULLANMAK ASENKRON MOTORLAR GENEL BİLGİ GİRİŞ Elektrik enerjisinin kural olarak üç fazlı A.C. şeklinde üretim, tasıma ve dağıtımı A.C. motorların elektrikle tahrikinde geniş ölçüde kullanılmalarının başlıca nedeni olmuştur. Elektrikle tahrik sisteminde kullanılan şönt ve seri karakterislikli pek çok çeşit A.C. motoru vardır. Özellikle yapısı basit ve ucuz, pratik olduğu için son derece kullanışlı olduğundan dolayı irili ufaklı bir çok tahrikte üç fazlı asenkron motorlar kullanılır. Üç fazlı asenkron motor üç fazlı dağıtım sisteminde dengeli endüktif bir yük teşkil eder. Asenkron motorun farklı iki yapısı vardır. 1 - ) Kısa devre rotorlu ( Sincap Kafesli ) asenkron motorlar 2 - ) Rotoru sargılı ( Bilezikli ) asenkron motorlar Bu iki tip asenkron motorun statorlarını tamamen aynı, yalnız rotorların yapı tarzları farklıdır. Normal olarak statorlarında yıldız veya üçgen olarak bağlanabilen üç fazlı bir sargı mevcuttur. Kısa devre rotorlu asenkron motorun rotorunda kısa devre halinde sincap kafesli ;
3 bilezikli tip asenkron motorun rotorunda ise kural olarak yıldız bağlı üç fazlı diğer bir sargı bulunur. Her iki tip asenkron motorda üç fazlı stator sargısının uçları ( üç giriş ile üç çıkış ) bir bağlantı kutusuna bundan ayrı olarak sadece rotoru sargılı üç fazlı asenkron motorun yıldız bağlı olan rotor sargısının sadece üç giriş ucu bilezik ve fırça takımı üzerinden diğer bir bağlantı kutusuna taşınmıştır. Çünkü asenkron motorlarda Us = k * F1 * ø bağıntısından anlaşılacağı gibi manyetik alanın değişmesi için U / f oranın sabit olması gerekmektedir. Demek ki primer şebeke frekansı ile birlikte şebeke gerilimi de aynı oran dahilinde değiştirildiğinde motorun manyetik alanı ve netice olarak devrilme momenti ve yüklenilebilirlik kabiliyeti sabit kalır. Aslında düşük frekanslarda statordaki gerilim düşümünün artmasından dolayı devrilme momentinde bir miktar düşme görülür. Endüstride birçok makinesi, değişik birkaç dönme sayısı yada çoğu zaman sürekli hız ayarı yapılabilen motora ihtiyaç gösterir. Tahrik motorlarına olan bu talep tahrik makinelerine olan ihtiyacı artırmıştır. Elektrik enerjisinin üretilmesi ile birlikte elektrik makineleri önem kazanmıştır. Elektriğin kolayca taşınması, istenildiği zaman kullanılması, elektrik makinelerin verimini diğer makinelere göre yüksek olusu, elektrikle çalışan makinelerin daha fazla kullanılmasını şağlamıştır. Günümüzde endüstride en çok kullanılan hareketli elektrik makinesi asenkron motorlardır. Çalışma ilkesi bakımından bu makinelere endüksiyon makinesi de denilebilir. Ucuz olması, fırça ve kollektörün bulunmaması nedeni ile az arıza yaparak çalışmaları daha sık uygulamalarda kullanılmalarına sebep olmuştur. Alternatif akım makinelerinden olan asenkron motorların üretimleri doğru akım makinelerine göre daha ucuz ama kontrol edilmeleri daha zor ve pahalıdır. Bir asenkron makinenin devir sayısı kontrolü için ( mil momenti sabit kalmak ) şartı ile diğer asenkron makineye yada güç elektroniği elemanlarına ihtiyaç vardır. Gelişmiş birçok ayar sistemi arasında son
4 yıllarda endüstride yaygın olarak kullanılan kontrollü diyotlar ( tristörler ) asenkron motor hız ayarı alanında hiç kuşkusuz yeni bir çığır açmıştır. ASENKRON MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ Asenkron motorlar stator ve rotordan ibaret olup stator ve rotor üzerine açılan oluklara yerleştirilen sargılardan oluşur. Stator üzerine yerleştirilen sargılar ya üçgen şeklindeki sargılardan yada yıldız bağlı sargılardan oluşmaktadır. Stator sargılarından geçen akım alternatif akım olduğundan manyetik devrede periyodik olarak değişen bir alan meydana getirir. Bu alana alternatif alan denir. Bu alternatif alanı fourier serisi ile yazmak mümkündür. Alternatif alanın her bir harmoniğini iki döner alana ayırabiliriz. Bu döner alanlardan birisi saat ibresi yönünde dönüyorsa diğeri saat ibresi tersi yönünde döner ve her ikisinin de dönüş açısal hızı aynıdır. Üç fazlı asenkron motorlarda birbirinden 120 derecelik farklı olan akımlar stator sargılarından geçerek üç adet alternatif alan meydana getirecektir. Üç alternatif alanın sadece birinci harmoniğini dikkate alırsak altı adet döner alan meydana gelir. Bu altı adet döner alandan üçü saat ibresi yönünde, üçü de saat ibresinin tersi yönündedir. Bunların açısal hızları aynı olup Ws tir. Sağa doğru dönen döner üç alan çakışık olarak döndüğü taktirde sola döner alanlar arasında 120 derecelik faz farkı olduğu için bileşke değeri sıfır olur, ve motor sağa doğru dönen çakışık üç döner alanın oluşturduğu moment ile sağa doğru döner. bu açıklamadan anlaşılabileceği gibi stator sargılarından geçen akımlar Ws açısal hızı ile döner stator alanı oluşturur. Motora ilk gerilim uygulandığı anda motor duracaktır. ns hızıyla dönen stator döner alanı durmakta olan rotor iletkenini aynı hızda keser ve rotor alternatif gerilimin oluşmasını sağlar. Bu gerilim frekansı f1 olup bu değer şebeke frekansına eşittir. Motor senkron devir sayısında dönseydi bu taktirde senkron devirde dönen stator alanı rotor iletkenlerini kesmeyecekti. Son uçta rotor sargılarında alternatif gerilim meydana gelmeyecektir. Akım geçmeyince döndürme momenti de sıfır olacaktır. Bu nedenle rotor devir sayısı
5 senkron devir sayısını altında olacaktır. Bu açıklamadan anlaşılacağı gibi asenkron motorun motor halinde çalışması halinde rotorun senkron devirde dönmesi mümkün değildir. Rotor senkron devirde daha küçük olan ve yük ile değişen devirde döner. Elektrik ile tahrikte geniş bir uygulama alanına sahip olan asenkron motor esas itibariyle şönt karekterislikli sabit devir sayılı bir tahrik makinesidir. Genellikle motor olarak kullanılmakla birlikte bazı koşulların sağlanması ile birlikte generatör olarak çalışabilirler. Asenkron motorlar eş zamanlı olmayan makinelerden, yani stator sargılarının oluşturduğu döner alan hızı ile rotorun dönme hızı birbirinden farklıdır. Rotor dönme hızı motor çalışmada asenkron hızdan küçük, generatör çalışmada ise senkron hızdan büyüktür. İşletme özellikleri bakımından doğru akım şönt motoru ile boy ölçüşebilecek şekilde değilse bile sürekli devir sayısı ayar imkanına sahiptir. Bir, iki, üç ve çok fazlı olarak imal edilebilirler. En fazla kullanılan motorların birisi yukarıda da belirtildiği gibi kısa devre rotorlu veya sincap kafesli asenkron motor ve de rotoru sargılı veya bilezikli asenkron motorlardır. Bilezikli asenkron makinelerin rotor oluklarına genellikle üç fazlı sargılar yerleştirilir. Üç fazlı rotor sargısı yıldız olarak bağlanır ve yıldız noktası dışarı çıkartılmaz. Mil üzerine bağlı ve milden yalıtılmış üç bilezik rotor ile birlikte döner. Bilezikler üzerinde sabit duran fırçalar yardımı ile dış kaynaktan gerilimi ve frekansı değiştirilebilen gerilim uygulanabildiği gibi sargılara dışarıdan empedansa bağlanabilir. Rotor bileziklerine yol alam direnci bağlayarak yol alam akımı sınırlayarak yol alam direnci büyütülebilir. Ayrıca rotora frekans ve güç faktörü kontrolü yapılabilir. Rotoru sargılı asenkron makinelere uygulanan bu kontrol sistemi sincap kafesli motora uygulanan hız kontrolün den daha ucuzdur. Bununla rotor sargıları rotorda oldukça yer kapladığı için sincap kafesli motorlara göre bilezikli asenkron motorlardan daha az güç elde edilir. Sincap kafesli asenkron motorların statorlarında döner alan oluşturan sargılar vardır. Rotor kısa devre çubuklarının oluşturduğu hacim sincap kafesinkine benzediği için motora bu isim verilmiştir. Normal çalışma şartlarında rotor çubuklarında endüklenen gerilim 10 V altındadır.
6 Bu yüzden kısa devre çubukları rotor saç paketinden yalıtılmaz. Rotorda yalıtkan malzeme için yer kaplanmadığı için bu motorda birim hacime düşen güç bilezikli asenkron motorlardan daha fazladır. Bilezikli asenkron motorlarda rotorun sargılı olması ile bileziklerin getirdiği avantaj devir sayısının kolaylıkla ayarlanmasını kalkış momentinin değiştirilebilmesi üstünlüğünü sağlar. Sincap kafesli makinede ise rotor sayısı yerine kısa devre edilmiş iletken çubukların bulunuşu makinenin hem kalkış momentini, hem de devir sayısı ayarı yapabilme yeteneklerini kısıtlamaktadır. Bu nedenle sincap kafesli makineler daha çok kalkış momenti değişmeyen ve devir sayısı mümkün olduğu kadar sabit olan iş makinelerinin tahrikinde kullanılır. Ancak yapım kolaylığından dolayı bilezikli makineye göre iki kat daha ucuzdur. ASENKRON MOTORLARDA V/ F ORANINI SABİT TUTARAK HIZ AYARININ YAPILMASI GİRİŞ: Asenkron motorlarda normal çalışma bölgesinde dönme sayısı sabit kalmaktadır. Endüstride birçok iş makinası, değişik birkaç dönme sayısı ya da çoğu zaman sürekli hız ayarı yapılabilen motorlara ihtiyaç gösterir. Ayrıca hava kirlenmesi nedeni ile elektrik motorlu taşıt araçlarında, yakıt bataryası almak ve elektrik motorunun kullanılması öngörülmektedir. Asenkron motorun ucuz olması fırça ve kollektorunun bulunmaması nedeni ile az arıza yaparak çalışma olanağının bulunması, bu motorların yaygın olarak kullanılmasına ve hız ayarının gene asenkron motorlar yardımı ile yapılmasına yol açmıştır. Geliştirilmiş birçok ayar yöntemi arasında son yıllarda endüstride yaygın olarak kullanılan kontrollu diyotlar ( Tristör ) asenkron motorların hız ayarı alanında, hiç kuşkusuz yeni bir uygulama alanı açmıştır. Elektrikle tahrikte önemli bir uygulama alanına sahip bulunan üç fazlı asenkron motor esas itibariyle şönt karakteristikli sabit devir sayılı bir tahrik makinasıdır. İşletme özellikleri bakımından her ne kadar doğru akım şönt
7 motoru ile bot ölçüşecek boyutta değilse de kademeli ve sürekli devir sayısı ayar imkanlarına sahiptir. Bu nedenle devir sayısı ayarı istenen bazı tahrik sistemlerinde de kullanılmaktadır. ASENKRON MOTORLARDA HIZ AYAR İLKELERİ Asenkron motorlarda hız ayar ilkeleri aşağıdaki gibi sıralanabilir. 1-) Statora uygulanan gerilim frekansının değiştirilmesi 2-) Statora uygulanan gerilim değerinin değiştirilmesi 3-) Stator sargısı kutup sayısının değiştirilmesi 4-) Rotora bağlanan direncin değiştirilmesi 5-) Rotor sargılarına dış kaynaktan uygun gerilim uygulanması STATORA UYGULANAN GERİLİM FREKANSININ DEĞİŞTİRİLMESİ Bir asenkron motorun senkron hızı yada teorik boşta çalışma hızı stator sargılarına uygulana gerilimin frekansı fσ ve kutup sayısı 2p olduğuna göre aşağıdaki bağlantı ile verilir. nσ= 60*fσ p o halde asenkron motorun senkron hızı belli bir p kutup sayısında stator gerilimin fσ frekansı ile değiştirilip kontrol edilebilir. Frekansı değiştirerek yapılan hız kontrolun da asenkron motorun momentinin maksimum değerinin sabit kalması sağlanır. Bu amaç için Vσ/fσ oranı yaklaşık olarak sabit tutulur, gerçekten statora uygulanan gerilim Vσ ; yaklaşık olarak statorda endüklenen Eσ gerilimine eşit kabul edilebilir. Vσ ~ Eσ Statorda endüklenen gerilim ise : Eσ = K*fσ*Ø ( K sabit ) dır. Moment ise : M = λ* Ø *sin Ø *I ve maksimum moment için : I = Eσ Σ XσØ I = Eσ K*fσ*(LσØ+LrØ)
8 M = λ ( Eσ )² sin Ø K fσ olarak verilir. Buradan momentin maksimum değerinin yaklaşık olarak sabit kalması için Eσ / fσ nin yada (Øσ) in sabit kalması gerekir. O halde statora uygulanan gerilim frekansını değiştirerek hız ayarı yapılırken, gerilim kaynağının Vσ / fσ oranı sabit tutulur ve öylelikle momentin maksimum değeri sabit tutulmuş olur. Bu amaç için statora uygulan gerilim kaynağı özel bir gerilim kaynağı olmalıdır. Bu özellikte olan gerilim kaynakları su yollarla elde edilir. a) Hızı değiştirilebilen bir senkron generatörün uyarma akımı sabit tutulursa Vσ / fσ oranı sabit tutulmuş ve aynı zamanda Vσ geriliminin frekansı da ayarlanmış olur. b) Son zamanlarda geliştirilmiş olan tristörlü özel inverterler kullanılarak hem Vσ geriliminin frekansı değiştirilir ve hem de Vσ / fσ de sabit tutulur. c) Rotoru sargılı asenkron motorun rotor gerilimi de frekansı değiştirilebilen bir gerilimdir ve hız kontrol unda kullanılabilir. Asenkron motorun bu yöntemle yapılan hız kontrolü ve momentin maksimum değerinin sabit tutulması, doğru akım serbest uyarmalı motorunun Ward Leonard düzeni ile hız ayarına benzemektedir. Şekil 1 de stator frekansının değiştirilmesi ile yapılan hız kontrol una ilişkin M=f(n) karakteristiği gösterilmiştir. Şekil 1 Asenkron motorun stator gerilimi frekansının değiştirilmesi ve Vσ/fσ in sabit tutulması halinde moment -dönme sayısı karakteristikleri
9 Hızı değiştirilebilen bir senkron generatör yardımı ile asenkron motorun Vσ / fσ oranı sabit olması koşulu altında hız kontrolu pratikte büyük bir uygulama alanı bulmaz. Çünkü her asenkron motor için hızı ayarlanabilen bir asenkron generatöre ihtiyaç vardır. Asenkron motorun bu yolla hız kontrolu yapılırken, öte yandan hızı kontrol edilen bir tahrik makinesi sağlanmak zorunluluğu doğmaktadır. Bununla beraber buhar türbini ile çalışan bazı gemilerde pervaneleri tahrik eden sincap kafesli asenkron motorlar, hızı ayarlanabilen buhar türbinin tahrik ettiği senkron generatöre bağlanabilir. Böylece asenkron motorun hız ayarı yapılabilir. Sincap kafesli asenkron motorlar ucuz ve az arıza yaptıklarından çoğu zaman değişken frekanslı kaynaklar pahalı olsa da frekans değiştirerek yapılan hız kontrolu uygulama alanı bulabilmektedir. Ayrıca rüzgar tünellerinde uçak modellerini kontrol etmek için yüksek hızlı sincap kafesli asenkron motorlar kullanılır. Bunun için statora 50 Hz e göre yüksek frekanslı gerilim uygulanır. Statora uygulanan gerilim frekansını değiştirilmesinde asenkron motorun senkron hızı belirli bir p kutup sayısında stator gerilimin fσ frekansı ile değiştirilip kontrol edilebilir. Normal yükleme sınırları içinde kalmak koşulu ile kontrol edilen devir sayısı yük momentinden bağımsızdır. Şekil 2 Asenkron motorda gerilim frekansı parametre olmak üzere momentin devir sayısı ile değişmesi
10 Asenkron motorlarda frekansı değiştirerek yapılan hız kontrolunda, asenkron motorun devrilme momentinin değerinin sabit kalması sağlanır. Bu amaç için Vσ / fσ oranı sabit tutulur. Buradan M(max)=( Vσ )² olduğu hatırlanır. fσ Vσ / fσ ile devrilme momenti arasındaki bu bağlantıdan dolayı frekans büyüdükçe uygulan gerilimin etkin değeri değişmezse devrilme momenti küçülür. Yani hava aralığındaki akı yoğunluğu azalır. Aynı şekilde düşük hızlara indikçe de devrilme momenti yükselir. Bu ise stator artması gibi bir sakınca yaratır. Oysa devrilme momentinin sabit tutulması yani frekans değerine f2 = u2 f1 u1 olacak şekilde bir u stator gerilimi karşı düşürüp moment hız karakteristiklerini hız düştükçe sola doğru paralel olarak kaydırmak motorun hızını senkron hızla sıfır değeri arasında değiştirmek mümkün olur. Buradan görüldüğü gibi asenkron makineye uygulanan gerilim ve ya akımın frekansını değiştirerek yapılan hız kontrolu hem geniş bir kontrol aralığı sağlaması hem de hız kontrol bölgesinde devrilme momentinin sabit tutulmasına olanak verdiğinden en uygun yöntemdir. Pratikte bu hız kontrol yönteminin sağladığı güç elektroniği devreleri, besleme biçimlerine göre iki gruba ayrılırlar. a) Doğrudan şebekeden çevirici b) Dolaylı olarak şebekeden çevirici a)doğrudan şebekeden çevirici adından anlaşılacağı gibi birinci gruba dahil olup bir frekanstaki giriş gerilimini başka bir frekanstaki değişen gerilime çevrilir. Diğer frekans çeviricilere göre en önemli farkı bu gerilim ve frekans değiştirme işlemi giriş gücünde doğrudan yapılmasıdır. Çevirme işlemi, tristör elemanlarının uygun tetiklenmesi ile gerçekleşir. Frekans çeviricinin çalışma ilkesi istenen frekansta çıkış gerilimi oluşturacak şekilde giriş geriliminden yararlanarak tristörlerin uygun
11 anlarda tetiklenmesine dayanır. Bu amaçla çeviricinin her fazına birbirine zıt paralele bağlı iki tane üç fazlı tam dalga kontrollu doğrultucu bağlanır. Bu doğrultuculardan biri çıkış akımın yarı periyodunda, diğeri ise negatif yarı periyodunda doğrultma ve evirme modunda çalışarak istenen frekansta çıkış gerilimi temel bileşen yanında harmonikleride kapsar. Çıkışta elde edilen frekans şebeke frekansının altındadır. Bu nedenle düşük devir sayılarında çalışmak söz konusudur. Dolaylı olarak kullanılan çeviricilerde dolaylı olarak düşük frekanslarda çalışma dalga şeklinin kare şeklinde olması asenkron motorlarda olumsuz etki yapar. Bundan dolayı üç faz için toplam 36 tristör kullanıldığından maliyet açısından olumsuz oluşu büyük güçlü motorların düşük hızlarda kullanılması hali için uygundur. Şekil 3 50 Hz lik sabit frekanslı alternatif gerilim kaynağı kullanarak değişken frekanslı (0-40 Hz) bir gerilim kaynağı veren cycloconverter dener doğrudan frekans değiştirici ile asenkron motorun ayarı Beslemesi dolaylı olarak şebekeden sağlanan rekans çeviriciler şekil 4 de görüldüğü gibi dört kısımdan oluşur. 1- Doğrultucu
12 2- Ara devre 3- Çevirici 4- Kontrol ünitesi Doğrultucu Ara Devre Evirici Motor Kontrol Ünitesi Şekil 4 Frekans çeviricinin çalışma ilkesi Frekans çeviriciler kullanılan ara devre tipine göre iki ana grupta toplanabilir. Ara devre sadece seri bir endüktanstan oluşuyorsa çevirici akım ara devreli olarak tanımlanır. Doğrultucu tarafından motor akımının kontrol edildiği bu düzen bir motorlu tahrik sistemleri için elverişlidir. Akım ara devreli çeviriciler alan zayıflama bölgesinde kullanılmaya uygun değildir. a) Akım ara devreli b) Kontrollu doğrultucu ile denetlenebilen gerilim ara devreli c) Doğru akım kıyıcı ile denetlenebilen gerilim ara devreli d) D.G.M. lu sabit ara devreli
13 Özellik Akım ara Gerilim ara Gerilim ara St. Gerilim ara devreli dev. (kontr. Doğ.) dev. (D.A kıyıcılı) dev. (DGM) Salımın momentleri f<5 Hz te f<5 Hz te f<5 Hz te minimum fazla fazla fazla Ağır yükte kalkış iyi kötü kötü çok iyi Ani yükte davranış iyi orta orta çok iyi Kontrol hızı iyi orta orta çok iyi Şebeke kesintisinde olanaksız olanaklı olanaklı olanaklı kısa süreli çalışma Frenleme Ek devre ek evirici veya frenleme direnci gerekli gereksiz Güç faktörü 0-0,9 frekans 0-0,9 frekans yaklaşık bir yaklaşık bir ve yüke bağlı ve yüke bağlı Çok motorlu tahrik uygun değil uygun uygun uygun sistemine uygunluk Tablo 1 de çeşitli frekans çeviricilerin karşılaştırılması yapılmıştır. Asenkron ve senkron motorlarda 50 Hz lik frekansla erişeli bilecek maksimum devir sayısı 3000d/d dır. Halbuki bazı tezgah ve makinelerde ; örneğin marangoz tezgahları ve delme makinelerinde çok daha yüksek devir sayısına ihtiyaç vardır. Buna karşılık bazı tahriklerde de ; örneğin hadde tesisleri, taşıma yolları, seri halinde çalışan bazı tezgahlar, matbaa ve tekstil makinelerde düşük devir sayıları kullanılır. Asenkron ve senkron motorların primer şebeke frekansını değiştirerek devir sayılarını geniş bir alan içinde iki yönlü sıhhatli bir şekilde ve stabil olarak ayarlamak mümkündür. Yüksek hızlı tezgahlarda 150/300 Hz, hadde ve gemilerin tahrikinde 15/60 Hz arasında değişen frekanslara ihtiyaç duyulmaktadır. Düşük hızlı tahriklerde de 5 Hz lik frekanslar kullanılır. Asenkron motorların devir sayısı ayarında çoğu zaman yüklenilebilirlik kabiliyetinin değişmemesi istenir. Bu ise primer şebeke frekansı değiştirirken manyetik lanın sabit tutulması ile gerçekleşir. Bilindiği gibi asenkron motorlarda : Vσ =c * fσ *Ø bağıntısı geçerlidir. Buna göre manyetik alanın değişmemesi için ;
14 Vσ =c * Ø = sabit fσ oranını sabit kalması gerekir. Buradan primer şebeke frekansı ile birlikte şebeke gerilimi de aynı oran dahilinde değiştirildiği taktirde, motorun manyetik alanı ve netice olarak devrilme momenti ve yüklenilebilirlik kabiliyeti sabit kalır. Aslında düşük frekanslarda stator gerilimi düşümünün artmasından dolayı devrilme momentinde bir miktar düşme görülür. Şekil 5 Şebeke frekans ve gerilimin aynı oran kabilinde değiştirildiği asenkron motorlarda n= f(m) karakteristikleri Şekil 5 de primer şebeke frekans ve şebeke gerilimini birlikte aynı oran dahilinde değiştirildiği bir asenkron motorda elde edilen (n = f(m) ) ayar karakteristiği gösterilmiştir. Üç fazlı asenkron ve senkron motorların primer şebeke frekansını değiştirerek devir sayısı ayarı dinamik ve statik frekans değiştiricileri gerektirir. Aşağıda bu maksatla en fazla kullanılan frekans değiştirme sistemleri ele alınacaktır. DİNAMİK FREKANS DEĞİŞTİRİCİLER Uygulamalarda, üç fazlı asenkron ve senkron motorların devir sayıları ayarı için dinamik frekans değiştirici olarak daha çok senkron ve
15 asenkron frekans değiştiriciler (motor ve generatör grupları ) ile serbest uyartımlı frekans değiştirici kullanılır. 1-) Senkron Frekans Değiştirici Kullanmak senkron ve asenkron frekans değiştiriciler daha çok yüksek güçlü tahriklerde ; örneğin gemiler, seri halinde çalışan makineler ve hadde tesislerinde kullanılır. Özellikle düşük frekans doneleri için uygundur. Gemilerde frekans değiştirici olarak büyük güçlü bir senkron alternatör ile tahrik makinası olarak devir sayısı geniş sınırlar içinde ekonomik olarak değişebilir bir ısı kuvvet makinası ; çoğunlukla bir buhar türbini kullanılır. Türbine gönderilen buhar çoğunlukla kısıldıkça devir sayısı ile birlikte alternatörün frekansı ve bir netice geminin pervanelerini tahrik eden senkron ve asenkron motorların devir sayıları düşer. Türbinin devir sayısını değiştirirken alternatörün ikazı sabit tutulursa frekansla birlikte gerilimi de aynı oran dahilinde değişeceği için esas tahrik motorunun devrilme momenti yaklaşık olarak sabit kalır. Sanayide seri halinde çalışan makineler ve hadde tesislerinde çok sayıda tahrik motorunun devrini birlikte kontrol etmek için senkron frekans değiştiriciyi tahrik etmek üzere belirli güçlere kadar stator veya rotorundan beslenen üç fazlı kolektörlü şönt motor ( Schrage-Richter motoru ) büyük güçler için kural olarak WARD- LEONARD tahriki kullanılır.
16 Şekil 6 W-L Ayar sistemi ile ayar edilen büyük güçlü bir senkron frekans değiştiricinin esas bağlantı şeması Şekil 6 da frekans değiştiricinin tahrik makinesi olarak WARD- LEONARD sisteminin kullanıldığı büyük güçlü bir senkron değiştiricinin üç fazlı asenkron motorları (esas tahrik motorlarını ) içine alan esas bağlantı şeması gösterilmiştir. Bu bağlantı şemasında FD senkron frekans değiştirici, TM2 bunun tahrik makinesi,tm1 de D.A. kontrol generatörün tahrik makinesi, İD ikaz dinamosu, M1, M2, M3, devir sayısı ayarlanan üç fazlı asenkron motorlar (esas tahrik motorları ) dır. Böyle bir tahrik sisteminde FD nin gücü tahrik motorları güçleri toplamına eşittir. Tahrik makinesi olarak bir ısı kuvvet makinesi kullanılması halinde ayar sisteminin toplam gücü esas tahrik motorları toplam gücünün %300 ne, WARD-LEONARD sistemi kullanıldığı taktirde %500 ne ulaşır. Bu nedenle böyle bir ayar sisteminin verimi düşük, tesis ve işletme giderleri yüksektir. Buna karşılık ayar aralığı oldukça geniş ayrıca ayar sürekli ve stabildir. Alternatörün devir sayısı ve frekansı değiştirilirken ikaz akımı sabit tutulmak suretiyle üç fazlı asenkron ve senkron motorun devri geniş bir alanda değişirken devrilme momenti yaklaşık olarak sabit kalır., yüklenilebilirlik kabiliyeti değişmez.
17 Şekil 7 Üç fazlı bilezikli tip asenkron makinenin frekans değiştirici olarak kullanılması 2-) Asenkron Frekans Değiştirici Kullanmak Üç fazlı asenkron motorların kademeli ve sürekli devir sayısı ayarı için asenkron frekans değiştiriciler de kullanılır. Şekil 7 de asenkron frekans değiştirici olarak kullanılan üç fazlı bilezikli bir asenkron makinenin esas bağlantı şeması gösterilmiştir. Burada FD asenkron frekans değiştirici, TM tahrik makinesi, M devir sayısı ayarlanan motordur. Frekans değiştirici, tahrik makinesi tarafından döner alan yönünde ; ntm = 60 *fσ =nsfd p senkron devir sayısı ile döndürülürse sekonder frekansı f2fd= f1m ; döner alana zıt yönde ise nsfd hızıile tahrik edilirse f2fd = f1m = 2f1 olur. Buradan frekans değiştiricinin devir sayısı + nsfd ile - nsfd arasında değiştirilerek f 2fd sekonder frekansı 0 ila 2f1 arasında ayarlanır. arasında ; f 2fd = f1 Asenkron frekans nsf ntm nsf değiştiricinin sekonder ve primer frekansları bağıntısı yazılabilir. Frekans değiştiricilerin sekonderinden beslenen esas tahrik motorunun boşta ideal devir sayısı ise ; n = f2fd nsm = nsfd - ntm n sm olur. f1 nsfd
18 Bu denklemlerde nsm M esas tahrik motorunun f1 şebeke frekansındaki senkron devir sayısıdır. Asenkron frekans değiştiricilerin sekonder gerilimi frekansla orantılı değiştiği için devir sayısı ayarlanan M tahrik motorunun döner alanı ve devrilme momenti yaklaşık olarak sabit kalır. Asenkron frekans değiştiricileri güç kayıpları hesaba katılmadığı taktirde esas güçler için ; Pm = Pfd + Ptm bağıntısı yazılabilir. Buradan M tahrik motoruna verilen güç frekans değiştiricinin stator döner alan gücü ile tahrik makinesinin mil gücü toplamına eşittir. Diğer taraftan bilindiği gibi kayıplar hesaba katılmadığı taktirde bir asenkron makinenin stator döner alan gücü ile rotor mekanik gücünün döndürme momentine göre ifadeleri ; P fd = 2π *nsfd Mfd, P tm = 2π * n tm 60 60 Mfd olum güçlerin bu değerleri önceki formüllerde yerine konursa ; Pm = 2π *nm Mm = 2π ( nsfd ntm ) Mfd 60 60 bağıntısı elde edilir. Bu denklemler ile frekans değiştirici ve devir sayısı ayar edilen M tahrik motoru momentleri arasında ; Mfd = nsm Mm nsfd bağıntısına ulaşılır. Bu denklem, frekans değiştirici döndürme momentinin motor milinde ki yük momenti ile orantılı değiştiğini, ayarlanan sekonder frekansına bağlı olmadığını gösteren önemli bir neticedir. Şekil 8 de yük momentinin sabit değeri için esas güçlerin ( P, Ptm Pm güçlerinin ) f2fd / f1 frekanslar oranına bağlı olarak değişimleri gösterilmiştir. Frekanslar oranının 0 ile 2 arasında değişen ayar alanı için ; Pfd = Ptm = Pm/2 olup tesisin toplam gücü tahrik motoru gücünün 2 katıdır. Bu bakımdan asenkron frekans değiştirici kullanmak senkron frekans değiştiriciye göre daha avantajlıdır.
19 Şekil 8 Yük momentinin sabit değeri için asenkron frekans değiştirici kullanarak devir sayısı ayarında güçlerin değişimi Tahrik makinesi olarak, sürekli devir sayısı ayarı için belirli güçlere kadar aynı şebekeden beslenen üç fazlı kolektörlü alternatif akım şönt motoru büyük güçlerde WARD-LEONARD tahriki kullanılır. Kademeli devir sayısı ayarı ile yetinildiği taktirde, tahrik makinesi kural olarak çok kutup sayısına haiz üç fazlı k.d. rotorlu bir asenkron motordur. Şekil 9 da WARD-LEONARD sistemiyle tahrik edilen büyük güçlü bir asenkron frekans değiştiricinin esas bağlantı şeması gösterilmiştir. Bu bağlantının normal bağlantıdan olan farkı, rotorun f1 frekanslı şebekeye bağlanışı, statorun ise sekonder olarak kullanılmasıdır. Bu bağlantıda vantlı gücün yanında, gerek Fd gerekse M tahrik motorları döner alanları için lüzumlu reaktif güç FD nin rotorundan statora aktarılır. Burada sekonder frekansı yine FD nin devri değiştirilerek ayarlanır. Sükunet durumunda f2fd = f1 dir. Sekonder frekansını f1 üstünde daha büyük bir değere ayarlamak için frekans değiştirici rotor döner alan yönünde daha küçük frekanslar için rotor döner alanına zıt
20 yönde çevrilir. Böyle bir ayar sistemiyle tahrik motorlarının devir sayıları birlikte sıhhatli ve stabil olrak geniş bir alan içinde ayarlanabilir. Ayar oranı 10:1 hatta 12:1 e kadar çıkar. Şekil 9 daki montaj şeklinde 0 ile 2f1 arasındaki frekans ayar alanı için tesisin toplam gücü devir sayıları ayarlanan esas tahrik motorları toplam gücünün 4 katıdır. Bundan dolayı bu ayar sisteminde kuruluş ve işletme maliyetleri oldukça yüksektir. ŞEKİL 9 WARD LEONARD ayar sistemiyle tahrik edilen bir asenkron frekans değiştiricinin esas bağlantı şeması ASENKRON FREKANS DEĞİŞTİRİCİNİN ASENKRON MOTORLA TAHRİKİ Kademeli devir sayısının yeterli olduğu tahriklerde kural olarak asenkron frekans değiştirici kutup sayısı değişebilen ( iki, üç, veya dört devirli ) k.d. rotolu bir senkron motorla tahrik edilir. Burada asenkron tahrik makinesi için iki farklı besleme şekli mümkündür.: a) Doğrudan doğruya primer şebekeden besleme
21 b) Frekans değiştiricinin sekonderinden besleme gösterilmiştir. Şekil 10 da her iki besleme şekline ait esas bağlantı şemaları Şekil 10 Asenkron frekans değiştiricinin a) Primer şebekeden b) Sekonder şebekeden beslenen asenkron motorla tahriki İlk olarak ilk bağlantı sekli etüt edilirse : Kayıplar hesaba katılmadığı taktirde üç fazlı TM asenkron tahrik makinesi asenkron frekans değiştiriciyi boşta senkron devir sayısı ile tahrik eder. Asenkron frekans değiştirici ve asenkron tahrik makinesinin çift kutup sayıları sıra ile Pfd ve Ptm ile gösterilirse her iki makinenin senkron devir sayıları : nsfd = 60 f1 Ptm Olup ve nstm = 60 f1 Ptm boşta yaklaşık nstm devir sayısı ile çevrilen frekans değiştiricinin dönüş yönüne bağlı olrak sekonder ve primer frekansları arasında : f2 = ( 1+(-) Pfd ) f1 Ptm bağıntısı elde edilir. Buna göre devir sayısı ayarlanan M tahrik motorunun ( veya tahrik motorlarının ) boşta ideal devir sayısı : nm =( 1+(-) Pfd ) nsm Ptm olur. Burada nm tahrik makinesinin f1 frekanslı şebekeye direkt bağlantısındaki - senkron devir sayısıdır.
22 TM tahrik makinesi asenkron frekans değiştiriciyi döner alan yönünde çeviriyorsa yukarıdaki denklemlerde parantez içindeki işaret döner alana zıt yönde tahrik ediliyorsa + dır. Asenkron frekans değiştirici tek devreli kd rotorlu bir asenkron motorla tahrik edildiği taktirde üç devir sayısı kademesi, kutup değiştirme sayısı k olan çok devirli bir asenkron motorla tahrik halinde 3k+1 devir sayısı kademesi elde edilir. Örneğin çift kutup sayısı Pfd =1 asenkron frekans değiştirici çift kutup sayısı Ptm =2 olan tek devirli olan bir asenkron makine ile tahrik edilirse elde edilen devir sayısı kademeleri nm / nsm = 0,5-1 - 1,5 olur. Çift kutup sayıları 2 ve 4 olan çift devirli bir asenkron tahrik makinesi kullanıldığında nm / nsm = 0,5 0,75 0,875 1 1,125 1,25 2 devir sayısı kademesi elde edilir. Şimdi şekil 10 daki ikinci bağlantı ele alınırsa : Bu ikinci bir bağlantı şeklinde TM tahrik makinesi asenkron frekans değiştiricinin sekonderinden beslenmektedir. Kayıplar hesaba katılmadığı taktirde bu bağlantı şeklinde esas güçler arasında : Pfd + Ptm = P2fd = Pm + Ptm veya Pfd = Pm = P2fd - Ptm Bağıntısı yazılabilir. Diğer taraftan Pfd = 2π nsfd Mfd 60 Pm = 2π nm Mm ve ; 60 P2fd = 2π ( nsfd ntm ) Mfd 60 Ptm = 2π ntm Mfd dir. 60 Bu bağıntılardan nm, tahrik makinesinin devir sayısı olup, şayet tahrik makinesi frekans değiştiriciyi döner alan yönünde çeviriyorsa ntm pozitif, döner alan ters yönde çeviriyorsa negatiftir.