1 DOĞRU AKIM MOTORLARININ ÇALIŞMA PRENSİPLERİ
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri 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 birbiri ile 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. 2
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi Elektrik Motorunun Tarihi 1800 ün başlarında bilim adamları daha çok elektriğe ait konularda ağırlık vermişlerdi. Volta'nın elektrik pili ve Hans Christian Ørsted'in elektrik akımından üretilen manyetik mıknatıslı güç kaynağı ile çalışmalar hız kazandı. Ørsted 1820'de bir telden geçen elektrik akımının tel çevresinde bir manyetik alan oluşturduğunu bulmuştu. Fransız fizikçi Andre Marie Ampere de tel çevresinde oluşan manyetik kuvvetin dairesel olduğunu, gerçekte de tel çevresinde bir manyetik silindir oluştuğunu göstermişti. Bu durumda soyutlanmış bir manyetik kutup elde edilebilir ve akım taşıyan bir telin yakınına konulursa telin çevresinde sürekli olarak bir dönme hareketi yapması gerekecekti. Hans Christian Oersted; Danimarkalı fizikçi ve kimyacı 1777-1851 3
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi Elektrik enerjisinden manyetik alan elde edilmesinden sonra bilim adamlarının en büyük düşüncesi, "Manyetizmadan elektrik enerjisi elde edilebilir mi?" sorusu olmuştu. Michael Faraday, zaman zaman bu mesele üzerinde çalıştı. Bu arada ilk ilmi keşfini de gerçekleştirmiş oldu. Bir mıknatıs etrafında, tersine karşılıklı dönebilen bir kablo sistemi geliştirdi ve böylece ilk defa elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülmüş oldu. Bu keşif, elektrik motorlarının esası kabul edildi. Michael Faraday 1791-1867 4
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi Elektromanyetik yolla elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüşümünü İngiliz Bilim Adamı Michael Faraday 1821 yılında göstermiştir. Serbest asılı bir tel, kalıcı bir mıknatıs yerleştirilmiş içinde civa olan bir havuza daldırılır. Kablodan bir akım geçtiğinde kablo mıknatıs etrafında dolanır. Bu da elektrik akımının tel yakınlarında dairesel manyetik alan oluşturduğunu gösterir. Bu motor okullardaki fizik derslerinde sıklıkla gösterilir, ama tuzlu su zehirli olan civa yerine kullanılır. Bu yapı homopolar (eş kutuplu) motor olarak adlandırılan aygıt sınıflarının en basit biçimidir. Faraday ın elektromanyetik deney şeması, 1821 5
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi Faraday ın yaptığının daha gelişmiş örneği 1822 yılında yaptığı Barlow Tekerleğidir. Bunlar sadece ilkel yapılarından dolayı pratik uygulamalara elverişli olmayan gösteri araçlarıydı. Peter Barlow İngiliz Matematikçi ve Fizikçi 1776-1862 6
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi 1827 de Macar Bilimadamı Anyos Jedlik «elektromanyetik kendi kendine dönen» olarak adlandırdığı aracıyla deneylere başladı. Sadece eğitim amacıyla kullanılmış olmasına rağmen Jedlik 1828 de pratik doğru akım motorunun üç ana parçası içeren ilk aygıtını sundu. Bu kısımlar; stator, rotor ve komitatördü. Aygıt kalıcı mıknatıssız çalışıyordu. Hem sabit hem de döner bileşenlerin manyetik alanları tamamen sargılardan akan akım tarafından üretilmekteydi. Jedlik in çok hızlı manyetik kendi kendine dönen, hala bugün de çalışan Dünyanın ilk elektrik motoru, 1827. Uygulamalı Sanatlar Müzesi, Budapeşte. Bir doğru akım motorunun stator, rotor ve komitatörden meydana geldiğini göstermiştir. 7
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi İlk Elektrik Motorları İlk komitatörlü dönme yeteneğine sahip doğru akım motoru 1832 de İngiliz bilimadamı William Sturgeon tarafından icat edilmişti. İngiliz-Fizikçi 1783-1850 İlk yapay elektromıknatıs 1824 yılında Sturgeon tarafından icat edildi. Sturgeon un British Royal Society of Arts, Manufactures, and Commerce te bulunan orijinal çizimi. Mıknatıs çıplak bakır telin (henüz yalıtılmış tel icat edilmemişti) 18 tur atılmasıyla elde edilmişti. 1832 de öğretici personel olarak atandığı İngiltere deki Adelaide Gallery of Practical Science ta komitatör içeren ilk DC elektrik motorunu gösterdi. 8
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi Sturgeon un çalışmasını takiben 1837 de patenti alınan ticari kullanım amacıyla yapılan komitatörlü doğru akım motoru Amerikalılar Emily ve Thomas Davenport tarafından inşa edildi. Dakikada 600 tura kadar motorlarını takım tezgahlarını ve baskı makinelerine güç vermede kullandılar. İlk pil kaynakları çinko elektrotların yüksek maliyet gerektirmesi nedeniyle motorlar ticari olarak başarılı olamadı ve Davenportlar iflas ettiler. Doğru akım motorlarının geliştirilmesinde Sturgeon u birçok mucit izledi ancak kaynak pil gücü ile ilgili aynı maliyet sorunları ile karşılaştılar. Elektrik dağıtımı o zamanda gelişmemişti. Sturgeon un motoru gibi bu motorlar için hiç pratik ticari pazar olmadı. Thomas Davenport 1802-1851 Amerikalı 9
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi 1855 te Jedlik benzer prensipleri kullanan yararlı iş yapabilme yeteneğine sahip olan «çok hızlı manyetik kendi kendine dönen» «Lightning magnetic self rotor» kullandığı bir cihaz icat etti. Aynı yılda elektrik motor tahrikli bir araç modeli inşa etti. Ányos Jedlik Macar 1800-1895 10
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi Modern doğru akım motoru 1873 te Zénobe Gramme icat ettiği aynı zamanda motor olarak sürülebilen dinamoyu ikinci bir benzer üniteyle bağladığında kazayla icat edildi. Gramme nin makinesi endüstride başarılı şekilde kullanılan ilk elektrik motoruydu Zénobe Gramme Belçika 1827-1901 11
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi 1886 da Frank Julian Sprague değişken yükler altında sabit hız yeteneğine sahip ark çıkarmayan ilk pratik Doğru Akım Motorunu icat etti. Diğer Spraque elektrik icatları, elektrik motorlarından izin verilen gücün elektrik şebekesine dönüşü, tramvayların üzerinden geçen havai hatların ve tramvaylara elektrik sağlayan kollar için elektrik dağıtımının sağlanması ve elektrik işleri için kontrol sistemlerinin sağlanması hakkında şebeke elektrik dağıtımının (Thomas Edison tarafından görevlendirildiği öncü çalışması) büyük ölçüde geliştirilmesidir. Amerikalı Mucit (1857-1934) Elektrikli Araçların Babası Elektrik motorları Elektrik trenleri Elektrikli asansörler 12
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi Bu çalışmalar ilk elektrikli tramvayın icat edildiği Ricmond VA de 1887-88 de, elektrikli asansör ve kontrol sistemlerinde 1892 de ve bağımsız şekilde merkezi olarak kontrol edilen arabalarla ilk olarak 1892 de yerel halkın «L» olarak bildiği South Side Elevated Railway Chicago da elektrikli metroların çalıştırılmasında elektrik motorlarının kullanılabilmesine olanak sağladı. Sprague nin motoru ve ilgili icatlar, endüstride elektrik motorlarında bir ilgi ve kullanım patlamasına yol açtı, neredeyse aynı zamanda birincil rakibi bir diğer büyük mucit motorun kullanımını daha da yaygın hale getirecek olan motor geliştirmekteydi. 13
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi 1888 de Nicola Tesla ilk uygulanabilir AC motor ve üç fazlı iletim sistemini icat etti. Tesla takip eden yıllarda Westinghouse Company de AC motor üzerindeki çalışmasına devam etti. 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. Sırp Bilimadamı 1856-1943 14
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Elektrik Motorunun Tarihi Rotor ve stator arasındaki görece küçük hava aralığının aşırı öneminin geç farkına varılması, kabul edilebilir verimli elektrik motorlarının gelişmesini birkaç on yıl geciktirdi. Verimli tasarımlar nispeten küçük hava aralığına sahiptir. Motor prensiplerini göstermek için sınıflarda uzunca kullanılan St. Louis Motor u modern bir motor gibi görünmemesinin yanı sıra aynı nedenden dolayı (büyük hava aralığı) son derece verimsizdi. St. Louis Motor 15
16 DOĞRU AKIM MOTORLARININ ÇALIŞMA PRENSİPLERİ
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Doğru akım motorları, endüvi sargılarına uygulanan doğru akım elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinelerdir. Doğru akım motorlarının çalışma prensiplerinin daha iyi anlaşılması için içinden akım geçirilen iletkenin manyetik alan içindeki davranışının incelenmesi gereklidir. Bir iletkenin manyetik alan içindeyken üzerinden bir akım geçirildiğinde iletkenin hareket ettiği görülür. İletkenin hareket yönü sol el kuralı ile bulunur. Sol El Kuralı: Sol el, gergin bir şekilde manyetik kuvvet çizgileri avuç içinden girip sırtından çıkacak şekilde kutuplar arasında tutulup bitişik dört parmak akım yönünü gösterirse, başparmak iletkenin itilme yönünü gösterir. Manyetik Alan İçerisinde Akım Taşıyan İletkende Oluşan Dairesel Manyetik Alan Manyetik Alan İçerisinde Akım Taşıyan İletkenin Hareket Yönü ve Sol El Kuralı 17
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Akım Taşıyan İletken Etrafındaki Manyetik Alan İletkenden geçen akımın manyetik etkisi İletkenden geçen akımın manyetik etkisi 18
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Faraday ın elektromanyetik deney şeması, 1821 Jedlik in çok hızlı manyetik kendi kendine dönen, Dünyanın ilk elektrik motoru, 1827. Bir doğru akım motorunun stator, rotor ve komitatörden meydana geldiğini göstermiştir. 19
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken İçinden akım geçen iletkenin alan tarafından itilme yönü ve iletkenin manyetik alan içindeki durumu Manyetik Alan İçinde Bulunan ve İçinden Akım Geçen İletkenin Durumu 20
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Manyetik alan içinde akım taşıyan iletkenin itilme prensibi ile çalışan hoparlör 21
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Aralarındaki uzaklık "d" olan iki iletkenden aynı yönde I 1 ve I 2 akımları geçerse, I 1 akımının iletkenler bu durumda birbirlerini çekerler. İletkenlerden geçen akımların yönü birbirine göre ters ise, manyetik alanın yönü sayfa düzlemine dik ve içeriye doğrudur, iletkenler bu durumda birbirlerini iterler. 22
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Manyetik kutuplar arasına tek bir iletken değil de bir eksen etrafında dönebilen tek sarımlık bir bobin konulduğunda, her bir bobin kenarında itici kuvvetler doğar. Bobin kenarları farklı yönlere doğru itileceğinden bobinde bir dönme hareketinin meydana geldiği görülür. Bobinin dönme hareketi itici kuvvetlerin birbirini yok ettiği durumda son bulur. Bobinin dönme hareketinin devamı için bobin kenarları bir kutup altından diğer kutup altına geçerken akım yönünün değiştirilmesi gerekir. Bunun sağlanması amacıyla bobin uçları iki ayrı kollektör dilimine bağlanıp fırçalardan akım vermemiz gerekir. İçinden akım geçen bir bobinin alan içindeki durumu 23
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Manyetik alan içindeki bir iletkenden akım geçtiğinde DC motoru döndüren bir moment üretilir. Elektrik akımı komitatör yardımıyla harici olarak uygulanır. Manyetik kuvvet hem manyetik alana hem de iletkene dik etkiler. 24
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken 25
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Doğru Akım Motor Çalışma Prensibi 26
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Lenz Kanunu: İndüklenen I akımı mıknatısın yaklaşmasına karşı koyacak şekilde N kutbu oluşturmak için böyle bir doğrultuda akar Her bir durumda indüklenen akımın gösterilmesi a) Mıknatısın bobine yaklaşması durumunda b) Mıknatısın hareketsiz olması durumunda c) Mıknatısın bobinden uzaklaşması durumunda Tel, manyetik alan içinde bir tur döndüğünde alternatif bir akım üreten her bir yarım turunda kendisine ters yönde gerilim indükler. (Lenz KANUNU) Ancak elektrik üzerine yapılan ilk çalışmalarda alternatif akım genelde bilinen kullanıma sahip değildi. 27
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensipleri Manyetik Alan İçindeki İletken Bir bobin boyunca indüklenen akım S N N S I I Mıknatısın N kutbu bobin içine doğru hareket ettiğinde indüklenen I akımı mıknatısın yaklaştırılmasına karşı koyacak bir N kutbu oluşturmak için şekilde gösterildiği gibi bir doğrultuda akar. Mıknatıs hareket ettirilmediği indüklenen akım Sıfır olur. Mıknatısın S kutbu bobinden ayrılıyorken, indüklenen I akımı mıknatısın ayrılmasına karşı koyacak bir N kutbu oluşturmak için şekilde gösterildiği gibi bir doğrultuda akar. 28
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Giriş Doğru Akım Motorlarında Zıt Emk Manyetik alan içinde dönen endüvi iletkenleri, bu alanın kuvvet çizgileri tarafından kesileceğinden endüvi üzerinde bir emk indüklenir. Doğru akım motorunun endüvisine U gerilimi uygulandığında endüvide indüklenecek olan emk kendisini oluşturan U gerilimine Lenz Kanuna göre zıt yönde olur. Bu nedenle endüvide indüklenen bu emk ya Zıt Emk adı verilir. Zıt emk E b ile gösterilir. Endüvide indüklenen zıt emk E b endüviye uygulanan U gerilimine zıt yönde olduğundan U geriliminin endüviden geçirmek istediği akımı azaltmak ister. Buna göre Endüviden geçen akım I a = U E b R a Zıt emk değeri E b = U I a R a olur. Şönt ve kompunt motor için dış devre akımı Seri motorda endüvi akımı dış devre akımına I = I a + I m I = I a = I m eşittir. 29
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Giriş Endüviden geçen akım Zıt emk değeri Şönt ve kompunt motor için dış devre akımı I a = U E b R a E b = U I a. R a I = I a + I m Seri motorda endüvi akımı dış devre akımıdır. I = I a = I m Zıt emk değeri seri ve kompunt E b = U I. (R a + R s ) Şönt, kompunt ve seri motor prensip devre şemaları 30
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Giriş Doğru akım generatörü endüvisinde indüklenen emk ile doğru akım motorunun endüvisinde indüklenen zıt emk aynı değerdedir. Bu durumda; E b = Φ. 2P. n 60. Z 2a. 10 8 volt olur. E b ; Motor endüvisinde indüklenen zıt emk(volt) ; Kutuplardaki manyetik akı(maxwell) n; Motorun devir sayısı(d/d); Z; Endüvideki toplam iletken sayısı; 2a; Endüvi paralel devre sayısı; 2P; Kutup sayısı Sabit olan değerler bir K sabiti ile gösterilirse, Zıt emk E b = K. φ. n olur. 31
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Giriş E değeri, makinenin generatör çalışma durumunda üretilen emk, doğru akım motoru olarak çalışma durumunda zıt emk olarak bilinir. Eğer doğru akım generatörünün endüvisi yüke sabit bir I a akımı veriyorsa generatör tarafından üretilen elektriki güç P = E. I a dır. Herhangi bir mekanik sistemde güç değeri; P = M. n dir. Buradan; M = P n = E.I a n = K.φ.n.I a N M = K. φ. I a K: Sabit değerler çarpımı : Bir kutbun manyetik alanı I a : Endüvi akımı T: Makinede üretilen moment(tork) olarak elde edilir. 32
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Giriş Örnek: Kutuplarındaki manyetik akı 2.10 6 maxwell olan 4 kutuplu, 1500 d/d, 220 V luk bir motorun endüvisinde 21 oluk ve her bir oluğunda 20 iletken vardır. Endüvinin paralel kol sayısı 2a=4 olup direnci 0,2 dur. Endüvide indüklenecek olan zıt emk nın değerini normal ve yarı devir için bulunuz. Motorun kalkış akımını ve normal ve yarı devir devir endüvi akımını bulunuz. Verilenler U=220V Φ=2.10 6 maxwell 2P=4 X=21 oluk Z x =20 iletken 2a=4 n=1500d/d R a =0,2 Normal devir (1500d/d) için; Z = Z x. X = 20. 21 = 420 iletken E b = Φ. 2P. n 60. Z 2a. 10 8 = 2. 10 6. 4. 1500 60. 420 4. 10 8 E b = 210V olarak elde edilir. Yarı devir (750d/d) için; E b = Φ. 2P. n. Z. 60 2a 10 8 = 2. 10 6. 4. 750. 420. 60 4 10 8 E b = 105V 33
DOĞRU AKIM MAKİNELERİ - Giriş Doğru Akım Motorlarına Yol Verme Doğru akım motorlarının kalkınma anında endüvisindeki zıt emk sıfır ve endüvi devresi direnci Ra çok küçük olduğundan, U uç gerilimi anma değerinde uygulandığında motorun kalkınma akımı çok yüksek olacaktır. Kalkınma anındaki bu aşırı akım endüvi sargılarında kalıcı arızalara sebep olur. Bundan dolayı büyük güçteki doğru akım motorları hiçbir zaman anma gerilimi altında çalıştırılmamalıdır. Doğru akım motorlarının kalkındırılması amacıyla şekildeki gibi endüvi devresine seri bir direnç bağlanır. Kalkınma anında direncin değeri maksimum olmalıdır. Motor anma hızına gelinceye kadar harici direnç kademe kademe azaltılır ve nihayet motorun anma hızında devreden çıkarılır. Yol verme direnci sürgü kolu kademeli dirençlerin bağlı olduğu kontaklar üzerinde gezer. Yol verme direncinin L,M,R ile gösterilen üç ucu vardır. L ucu şebekenin pozitif yada negatif ucuna, R ucu endüvinin A ucuna ve M ucu şönt sargının C ucuna bağlanır. Seri motorlarda M ucu kullanılmaz. Yol Verme Direnci 34
KAYNAKLAR OĞUZ, Necati; GÖKKAYA, Muhittin; Elektrik Makineleri I, MEB Yayınları, 1992 PEŞİNT, M.Adnan; ÜRKMEZ, Abdullah; Elektrik Makineleri II, MEB Yayınları, 1992 BAL, Güngör; Doğru Akım Makineleri ve Sürücüleri, Seçkin Yayıncılık, Ağustos 2001 ALTUNSAÇLI, Adem; Elektrik Makineleri I, 2010 www.wikipedia.org 35