1 ELEKTRİK MAKİNELERİ II
ELEKTRİK MAKİNELERİ II YILSONU NOTU KATKI ORANLARI Dersin Adı Dönemi Dersin Kredisi AKTS Elektrik Makineleri II Bahar Dönemi 4 + 0 5 Başarı Değerlendirmesi Yılsonu Notuna Katkısı Vize (Ara) Sınav %30 2 Tane Kısa Sınav %10 Deney Föyü ve Uygulamalar %10 Final Sınavı %50 2
ELEKTRİK MAKİNELERİ DERS İÇERİĞİ Haftalık Ders Planı I.Hafta Asenkron Makineler ile ilgili genel tanım ve kavramlar. ASM ların kullanıldıkları yerler, motor seçimi ARA SINAV 18-24 Nisan 2016 II.Hafta Asenkron makinenin (ASM) yapısı, ve döner manyetik alanın meydana gelişi, çalışma prensibi kayma. X.Hafta 1 fazlı ASM çeşitleri; yardımcı sargılı ASM, gölge kutuplu motorlar III.Hafta ASM stator sargıları, 3 fazlı ASM sargılarının yapısı ve tasarımı XI.Hafta Üç fazlı senkron jeneratörler (SG) yapıları, çalışma prensipleri, SG de elde edilen emk, SG in uyarılması, gerilim regülasyonu, örnek problem çözümleri. IV.Hafta ASM stator ve rotor sargılarında indüklenen elektro motor kuvvetin (emk) in hesaplanması XII.Hafta Senkron generatörlerde güç, kayıplar ve verim V.Hafta Asenkron motorun boşta ve yüklü çalışması, eşdeğer devrelerin elde edilmesi XIII.Hafta Senkron generatörlerin paralel çalışması ve yük paylaşımı. VI.Hafta ASM da güç, döndürme momenti, verim, konu ile ilgili problem çözümleri XIV.Hafta Senkron motorların (SM) yapısı, SM lara yol verme yöntemleri, eşdeğer devreleri, SM da V eğrileri VII.Hafta ASM da yol verme yöntemleri, devir sayısı ayarı metotları, ASM nin çalışma modları XV.Hafta SM da güç, güç açısı, döndürme momenti, güç katsayısının düzeltilmesi, SM da salınım, örnek problem çözümleri. Sabit 3 mıknatıslı senkron motorlar ve SM ların kullanım yerleri. VIII.Hafta 1 fazlı ASM çeşitleri; yardımcı sargılı ASM, gölge kutuplu motorlar FİNAL SINAVI 06-17 Haziran 2016
4 GENEL TANIM VE KAVRAMLAR
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Mekanizma: Belli bir sonuca ulaşmak için karmaşık bir biçimde düzenlenmiş organ veya parçalar birleşimi, sistem, düzenek Makine: Bir makine; herhangi bir faaliyeti gerçekleştirmek amacıyla enerji kullanan bir cihazdır. Daha farklı bir tanımda; herhangi bir enerjiyi başka bir enerji şekline dönüştüren aletlerdir. Basit yada karmaşık çeşitli şekillerde makineler mevcuttur. Makineler iki gruba ayrılırlar. Kuvvet (enerji üreten) makineleri: Doğal kaynaklardaki mevcut enerjiyi, günlük yaşamda ve endüstride kumanda edilebilir olarak kullanılabilir hale getiren makinelerdir. İş makineleri 5
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Çıkrık (Yün eğirme, iplik üretimi, kuyudan su çekme) Çark ve Dişliler (Mekanik saatler, buharlı gemiler, hız ve moment ayarında) 6
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Kayış kasnaklı sistemler (hız ve moment ayarı, hareket dönüşümü, merkezden tahrik sistemleri, otomatik kapılar) Palanga, makara (basit yük taşımacılığı, vinç) Yelkenli araçlar (rüzgar gücünün kullanımı) 7
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Pervane (Havacılık sanayinde, elektrik üretimi, kuyudan su çekimi, değirmenler) Flaplar ve Dümen (Deniz ve hava araçlarının yönlendirilmesi) 8
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Kaldıraç (Basit yük taşımacılığı, el arabaları) Kriko (Yük kaldırma) Vida (Enerji aktarımı) 9
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Yay (Sıkıştırma Kuvveti) Pantograf (Enerji aktarımı, asansör) Elektrik makinesi (Enerji dönüşümü) 10
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Hidrolik makine (Sıkıştırılmış Sıvı - Mekanik güç dönüşümü) Pnömatik makine (Sıkıştırılmış Hava - Mekanik güç dönüşümü) Mekanik makine (Mekanik Elektrik güç dönüşümü) Bilgisayar makinesi (Enerji dönüşümü) 11
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Dizel ve Benzinli makine (Isı Mekanik Elektrik güç dönüşümü) Isı pompası (Isı enerjisi ile iş üretimi, soğutma tekniği) Türbinler (Mekanik güç üretimi) 12
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Saatler (Elektronik ve mekanik) Biyolojik Makine (İnsan) Elektronik malzemeler (Analog dijital dönüşümler) 13
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Chambers ın ansiklopedisinden basit makineler tablosu, 1728 Basit makineler daha karmaşık makineleri anlamada bilgi verir. 14
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı 15
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Motor: Herhangi bir enerjiyi (elektrik, ısı, kimyasal, hidrolik vb.) yararlı mekanik enerjiye dönüştürmek için kullanılan bir makinedir. Motorlar kuvvet makinalarıdır. Kuvvet makinaları yakacak maddelerini (kömür, benzin, motorin, LPG) veya doğal enerji kaynaklarındaki (akarsular, rüzgar) enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren makinelerdir. Taşıtlarda, jeneratörlerde kullanılan kuvvet makineleri ısı makinalarıdır. Isı pompası çevrim şeması: 1. Yoğuşturucu (Kondansör) 2. Genişleme vanası (Kısılma vanası olarak da rastlanabilir) 3. Buharlaştırıcı (Evaporatör) 4. Kompresör 16
ASENKRON MAKİNELER AC Motorların Sınıflandırılması 17
ASENKRON MAKİNELER Motor ve Makine Kavramı Motor; enerjiyi yararlı mekanik enerjiye dönüştürmek için tasarlanmış bir makinedir. Isı makineleri, içten yanmalı (benzinli ve dizel motorlar) ve dıştan yanmalı motorları (buhar türbinleri) içine alan, ısı oluşturmak ve sonrasında hareket elde etmek için bir yakıt yakarlar. Elektrik motorları elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürürler, pnomatik motorlar sıkıştırılmış hava ve diğerlerini, kurmalı oyuncaklar elastik enerjiyi kullanır. Myosin (kasların kasılmasını sağlayan proteinler) gibi biyolojik sistemler hareket üretmek için kimyasal enerjiyi kullanır. 18
ASENKRON MAKİNELER Elektrik Makinesi Elektrik Makinesi Bir elektrik makinesi mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmek yada alternatif akımı bir gerilim seviyesinden farklı gerilim seviyesine değiştiren aygıt için kullanılan genel isimdir. Mekanik olarak elektrik makineleri iki ana parçadan meydana gelir. Mekanik anlamda elektrik makinesinin dönen kısmı rotor ve elektrik makinesinin duran kısmı statordur. 19
ASENKRON MAKİNELER Elektrik Makinesi Elektrik makineleri endüstride kullanım olarak enerjiyi değiştirme şekillerine göre üç kategoriye ayrılır. Generatörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Motorlar elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Transformatörler alternatif akımın gerilimini değiştirirler. 20
ASENKRON MAKİNELER Elektrik Makinesi Elektrik Generatörü Elektrik generatörü, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir aygıttır. Elektrik enerjinin mekanik enerjiye dönüşümü, elektrik motorları tarafından gerçekleştirilir ve generatörler ile benzer özelliklere sahiptir. Aslınca çoğu motor elektrik üretmek için mekanik olarak sürülebilir ve çok sıklıkla uygun generatörlerde yapılabilir. Generatör elektronları harici bir elektrik devresine doğru akmaya zorlar. Bu durum, su akışını meydana getiren ama içeride su oluşturmayan bir su pompasına biraz benzer. Ana güç olan mekanik enerjinin kaynağı pistonlu veya türbinli buhar makinesi, bir türbine veya su çarkına düşen su, içten yanmalı bir motor, rüzgar türbini, el manivelası, sıkıştırılmış hava yada herhangi bir mekanik enerji kaynağı olabilir. 21
ASENKRON MAKİNELER Elektrik Makinesi Mekanik yada elektriksel olarak açıklanabilen generatörün iki ana kısmı vardır. Mekanik anlamda rotor, elektrik makinesinin dönen ve stator elektrik makinesinin duran kısmıdır. Elektriksel anlamda endüvi (armatür), elektrik makinesinin güç üreten kısmıdır. Endüvi (Armatür), rotor yada stator olabilir. Kutup, elektrik makinesinin manyetik alan bileşenidir. Manyetik alan, elektomıknatıs yada rotor veya statora monte edilmiş kalıcı mıknatıs tarafından üretilebilir. Generatörler iki tipte sınıflandırılır. AC Generatörler DC Generatörler 22
ASENKRON MAKİNELER Elektrik Makinesi Elektrik motoru: Elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren elektromekanik sistemlerdir. Elektrik generatörlerinin tersi bir sürece sahip çoğu elektrik motoru, manyetik alan ve akım taşıyan iletkenlerin etkileşimi yoluyla dönme kuvveti oluşturur. Motor ve generatörler benzerliğe sahiptir ve elektrik motorlarının bir çok çeşidi generatör olarak yani tam tersi şekilde çalıştırılabilir. Elektrik motorları, endüstriyel fanlar, üfleyiciler ve pompalar, takım tezgahları, elektrikli ev aletleri, elektrikli el aletleri ve disk sürücülere kadar uygulamalarda bulunur. AC motor ve DC motor olarak iki ana sınıfa ayrılmasına yol açan Doğru yada Alternatif akım ile enerjilendirilebilirler. 23
ASENKRON MAKİNELER Elektrik Makinesi Transformatör: Parçaları arasında bağıl hareket gerektirmeden elektrik enerjisini manyetik kuplaj yoluyla bir devreden bir değerine aktaran makinelerdir. Genellikle iki veya daha fazla bağlantılı sargılardan ve çoğu durumda manyetik alanın yoğunlaştığı bir nüveden oluşur. Alternatif akım uygulanmış bir sargı manyetik nüve üzerinde diğer sargıda gerilim indükleyen zamana göre değişen bir manyetik akı meydana getirir. Primer ve sekonder sargılar arasındaki sarımların sayısı arasındaki değişken oran giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki oranı belirler. Bu yüzden gerilim devreler arasında kademeli şekilde aşağı yada yukarı değerlere dönüştürülür. 24
25 ASENKRON MAKİNELER
ASENKRON MAKİNELER Tanımlar Asenkron Motorların Tarihçesi Asenkron Motorların Tarihçesi Döner manyetik alan fikri François Arago (Fransız) tarafından 1824 yılında geliştirilmiş ve Walter Baily tarafından uygulandı. Walter Baily, akım kullanarak etrafında dönen herhangi bir yük için uygun olmayan bir bakır disk yaptı. Bu, ilk alternatif akım motoru olarak kabul edilir. Döner manyetik alan fikrine dayanan pratik indüksiyon motorlar birbirinden habersiz Galileo Ferraris (İtalyan) ve Nikola Tesla (Sırp) tarafından icat edildi. 1915 teki otobiyografisinde Tesla, 1882 yılında döner manyetik alanı tasarladığını ve 1883 yılında döner manyetik alanı kullanan ilk indüksiyon motorunu icat ettiğini yazmaktadır. Ferraris 1885 yılında fikri geliştirerek ve 1888 yılında motor işleyişinin temellerini detaylandırdığı araştırmasını Turin Royal Academy of Sciences de yayınladı; Tesla, aynı yıl motoru için US 381968 Patentini aldı. Sincap kafesli indüksiyon motor bir yıl sonra Mikhail Dolivo Dobrovolsky (Rus) tarafından icat edildi. Aynı zamanda ilk üç fazlı transformatörü icat etmiştir. 26
ASENKRON MAKİNELER Tanımlar Asenkron Motorların Tarihçesi U.S. Patent 381968: Kademe kademe değişen elektrik motorunun çalışma şekli ve planı Alan mıknatısı Endüvi Elektriksel çevrim Ekonomik Enerjinin İletimi Basit Yapı Kolay Yapı Döner Manyetik Alan Prensipleri 27
ASENKRON MAKİNELER Tanımlar Asenkron Motorların Tarihçesi Nikola Tesla nın büyük uzaklıklar arasında elektrik iletimi için kullanılan AC üretimi için AC dinamosu 28
ASENKRON MAKİNELER Tanımlar Asenkron Motorların Tarihçesi Alternatif elektrik akım üreteci (jeneratörü), 10 Mart 1891 Bugün, endüstri ve ev uygulamaları için asıl güç olan orjinal Tesla Elektrik Motorlarından biri 1888. Tesla nın elektrik motoru Dünya da yapılmış bütün icatlar içinde en iyi 10 taneden birisidir. 29
ASENKRON MAKİNELER Tanımlar Asenkron Motorların Tarihçesi Londra British Science Museum (İngiliz Bilim Müzesi) da gösterimde olan orijinal AC Tesla İndüksiyon Motorlarından biri. Bu motor İngiltere de Prof. Aytron için Tesla tarafından kiralandığı T.C. Martin in kitabında bahsedilmiştir. 1892 de Prof. Ayrton a orijinal indüksiyon motorunu verdiği Londra da bulunan Institution of Electrical Engineers and the Royal Institution of Great Britain (Elektrik Mühendisleri ve Büyük Britanya Kraliyet Enstitüsü) de ünlü dersini verdi. 30
ASENKRON MAKİNELER Tanımlar Asenkron Motorların Tarihçesi Washington D.C. de Smithsonian Institution de kurulmuş Tesla nın Alternatif Akım Motoru 31
ASENKRON MAKİNELER Tanımlar Senkron ve Asenkron Kavramı Senkron ve Asenkron Kavramı Alternatif akım makinelerinin isimlendirilmesi ürettikleri döner manyetik alanın (stator manyetik alanı), döner mekanik kısım (rotor) ile eş zamanlı oluşu yada olmayışına göredir. Senkron: Uyumlu Olan, Eş zamanlı olan (Synchronous) Asenkron: Uyumlu Olmayan, Eş zamanlı olmayan, (Asynchronous) Senkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrine eşit olan makine. Asenkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrinden her zaman büyük olan makine. 32
ASENKRON MAKİNELER Asenkron Motorlar Asenkron Motorlara Giriş İndüksiyon motor yada asenkron motor (ASM), rotor için gerekli gücü komitatör yada bileziklerden ziyade elektromanyetik indüksiyon yoluyla aktaran AC motor tipidir. Asenkron motorlar; stator, rotor, rotor yatakları, pervane ve yan kapaklardan meydana gelir. Bu motorlara, stator sargılarında oluşan manyetik alanın dönme hızı ile rotor dönme hızı aynı olmadığından uyumlu olmayan motor anlamına gelen Asenkron Motor adı verilmiştir. Asenkron motorlar indükleme prensibine göre çalıştıklarından İndüksiyon Motor olarak da bilinirler. Asenkron makineler endüstride genellikle motor olarak çalıştırılırlar, fakat belirli koşulların sağlanması durumunda generatör olarak (rüzgar türbinleri) da çalıştırılabilirler. Asenkron Motor Üretimi 33
ASENKRON MAKİNELER Asenkron Motorlar 34 Tesla nın İndüksiyon Motoru
ASENKRON MAKİNELER Asenkron Motorların Özellikleri Asenkron motorlar; Ucuz olması, az bakım gerektirmesi ve çalışma sırasında ark meydana gelmemesi sebebiyle DA motorlara göre daha çok tercih edilirler. Devir sayıları yük ile fazla değişmediğinden sabit devirli motor olarak kabul edilirler. Devir sayıları kademeli(çift sargılı-dahlender) olarak birkaç devirli veya frekans dönüştürücüleri yardımıyla hız sınırları arasında ayarlanır. 35
ASENKRON MAKİNELER Üstünlükleri Asenkron Motorların Üstünlükleri Sürekli bakım istemezler. Diğer elektrik motorlarına oranla ucuz ve sağlamdırlar. Çalışma anında ark (kıvılcım) üretmezler. Yük altında devir sayıları çok değişmez. Elektronik devreler yardımıyla (frekans dönüştürücüleri) devir sayısı kolayca ayarlanabilir. Küçük güçlerden çok büyük güçlere kadar imal edilirler. Bir ve üç fazlı olarak üretilebilir. 36
ASENKRON MAKİNELER Yapısı Üç Fazlı Asenkron Motor Yapısı 37 İndüksiyon Motor Nasıl Çalışır?
ASENKRON MAKİNELER Yapısı 38 Asenkron motorun yapısı
ASENKRON MAKİNELER Yapısı 39
ASENKRON MAKİNELER Kullanım Yerleri Toz Emme Makinesi ve Freze 40 Planya (Düzleme) Makinesi Kırma Makinesi
ASENKRON MAKİNELER Kullanım Yerleri Yürüyen Bant Kompresör Su Pompaları Şerit Testere 41
ASENKRON MAKİNELER Kullanım Yerleri Buzdolabı Ekovatı Dalgıç Pompa DaireTestere 42 Kenar Bant Makinesi
ASENKRON MAKİNELER Kullanım Yerleri Redüktörlü Asenkron Motorlar Dahlander Motor Değişken Moment 8/4 Kutup 43
ASENKRON MAKİNELER Çeşitleri Çalışma Gerilimine Göre Asenkron motorlar çalışma gerilimine göre iki çeşittir. Bir fazlı asenkron motorlar Santrifüj Anahtarlı ASM Kalkış Kondansatörlü (Kondansatör Yolvermeli) ASM Daimi (Sürekli) Kondansatörlü ASM Kalkış + Daimi (Çift) Kondansatörlü ASM Üç fazlı asenkron motorlar Bir fazlı asenkron motorlar küçük güçlü olarak 3kW a kadar imal edilirler. Çamaşır makinesi, pompa, buzdolabı motorlar gibi ev ve işyerlerinde kullanılan bir fazlı alıcılarda kullanılırlar. Üç fazlı asenkron motorlar fazlar arası gerilimin 380V olduğu sanayi tesislerinde çok yaygın olarak kullanılan motor çeşididir. 44
ASENKRON MAKİNELER Çeşitleri Rotor Yapılarına Göre Asenkron motorlar rotorlarının yapısına göre iki çeşittir. Rotoru kısa devre çubuklu (sincap kafesli) asenkron motorlar Rotoru sargılı (bilezikli) asenkron motorlar Sincap kafesli asenkron motor rotor sac paketi oluklarında, alüminyum yada bakırdan yuvarlak ve kanatçık seklinde çubuklar bulunur. Bu çubuklar her iki ucundan kısa devre bilezikleriyle elektriksel olarak kısa devre edilmiştir. Rotoru bilezikli asenkron motorun rotoru stator içinde yataklanmıştır. Rotor mili üzerinde rotor sac paketi ve döner bilezikler bulunur. Rotor sac paketi üzerine açılmış oluklara rotor sargıları döşenmiştir. Hemen hemen bütün rotorlarda uç sargı (üç faz sargısı) bulunmaktadır. Bu sargılar genellikle yıldız; ender olarak üçgen bağlanırlar. Döner bileziklerle, akım devresi arasındaki bağlantı kömür fırçalar yardımıyla sağlanır. 45
ASENKRON MAKİNELER İnşa Tipleri Asenkron motorlar kullanıldığı yer, iş alanına göre çeşitli inşa tiplerinde imal edilirler. 46
ASENKRON MAKİNELER İnşa Tipleri 47
ASENKRON MAKİNELER İnşa Tipleri 48
ASENKRON MAKİNELER Genel Özellikler Bir asenkron motor sipariş edilirken verilmesi gereken bilgiler aşağıdaki gibidir. İşletme gücü: 2,2kW veya 10HP İşletme gerilimi:380volt - 50Hz. İnşa tipi: Ayaklı B3, Flanşlı B5, Ayaklı Flanşlı B3 B5 Motor devir sayısı: 6 kutup 1000d/d, 4 kutup 1500d/d. gibi Koruma tipi: IP54, IP55, IP56 gibi İşletme tipi: (Çalışma rejimi TS 3205 EN 60034-1 e göre): S1 yada S5 gibi Varsa eksenel yükün büyüklüğü: 750kg Çalıştırılacağı ortamın sıcaklığı: 45 C Çalıştırılacağı ortamın rakımı: 1500m Varsa diğer özellikler: Çift çıkış mili istenip istenmediği, Aşırı radyal yükün büyüklüğü, Çalışma katsayısı (ED faktörü): %100, 60, 40, 25 gibi, Çalıştırılacağı ortamın rutubet derecesi (İzafi nem) 49
KAYNAKLAR SAÇKAN, A. Hamdi; Elektrik Makineleri III ALTUNSAÇLI, Adem; ALACALI, Mahmut; Elektrik Makineleri II ÇOLAK, İlhami; Asenkron Motorlar BAL, Güngör; Özel Elektrik Motorları ÇOLAK, İlhami; Senkron Motorlar CHAPMAN, Stephen J.; Electrıc Machinery Fundamentaly 4.Edition FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, Charles Jr.; UMANS, Stephen D.; Electric Machinery Sixth Edition PAREKH, Rakesh; AC Induction Motor Fundamentals; Microchip Technology Inc., Microchip AN887 Three-phase Asynchronous Motors, Generalities and ABB proposals for the coordination of protective devices www.wikipedia.org 50