İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜH. BÖLÜMÜ ELEKTRİK MAKİNALARI LABORATUVARI
DENEY 1 BİR FAZLI TRANSFORMATÖR DENEYLERİ
DENEY 1 BİR FAZLI TRANSFORMATÖR DENEYLERİ I GİRİŞ Açık devre testinde transformatörün bir sargısı anma gerilimi ve frekansında beslenirken diğer sargısı açık devre edilir. Yüksüz durumdaki akım ve giriş gücü ölçülür. Yüksüz durumdaki akım, tam yük akımının küçük bir oranı olduğundan transformatörün beslenen tarafındaki bakır kayıpları ihmal edilebilecek kadar düşüktür. Bu durumda giriş gücü, bakır kayıpları akımın karesiyle doğru orantılı olduğundan, transformatörün anma gerilimindeki demir kayıplarını temsil eder. Açık devre testinde transformatörün her iki tarafı da beslenebilmekle birlikte, dağıtım sistemlerinde kullanılan büyük güçlü transformatörler söz konusu olduğunda, ölçme aletlerinin bağlantıları ve çalışma aralıkları için uygulandığından dolayı düşük gerilim tarafının beslenmesi tercih edilir. Kısa devre testinde, sargılardan biri kısa devre edilirken diğer sargı anma geriliminin genellikle %5 i veya %10 u oranındaki bir gerilimle beslenir. Bu durumda devreden tam yük akımı akar. Demir kayıpları uygulanan gerilimin karesiyle doğru orantılı olduğundan bu testte küçüktür ve bu durumda giriş gücü o yükteki bakır kayıplarını gösterir. Ölçme aletlerinin bağlantıları ve çalışma aralıkları için uygulandığından kısa devre testinde genellikle yüksek gerilim tarafının beslenmesi tercih edilir. Bu testlerin avantajı, sonuçlarının; büyük transformatörde tam yük altında yapılan testlerin maliyetlerine ve zorluklarına katlanmak zorunda kalmadan transformatörün verimliliğini, yaklaşık eşdeğer devresinin ve regülasyonunun hesaplanmasını mümkün kılmasıdır. II - DENEYİN YAPILIŞI Deneyde Kullanılacak Aletler ve Yapılacak İşlemler NE9044 Transformatör Eğitim Seti Analog Vatmetre Digital Multimetre İlgili Bağlantı Elemanları Test 1 : Düşük gerilim tarafından beslenen açık devre testi: Şekil 1.1 de gösterildiği gibi deney düzeneğini kurunuz ve gerekli bağlantıları yapınız.
Şekil 1.1 : Açık devre testi bağlantı şeması Oto transformatör ile gerilimi %10 luk oranlarla anma gerilimi olan 120V a kadar arttırınız, her bir gerilim değerine karşı düşen akım ve güç değerlerini Tablo 1.1 de not ediniz. Anma geriliminin %10 u üzerinde de bir ölçüm alınız. Tablo 1.1 Giriş Gerilimi Hat Akımı, I 0 Mıknatıslanm Demir Akımı, Güç, P Güç Faktörü, (V) (ma) a Akımı, I m I p (W) ϕ 0 (A) (ma) (ma) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Test 2 : Yüksek gerilim tarafından beslenen kısa devre testi. Şekil 1.2 de gösterildiği gibi deney düzeneğini kurunuz ve gerekli bağlantıları yapınız. Oto transformatör ile akımı %10 luk oranlarla anma akımı olan 4.2 A e kadar arttırınız, her akım değerine karşı düşen gerilim ve güç değerlerini Tablo 1.2 de not ediniz. Anma akımının %10 u üzerinde de bir ölçüm alınız. Şekil 1.2 Kısa devre testi bağlantı şeması Tablo 1.2 Akım, (A) 0.41 0.82 1.21 1.6 2.04 2.42 2.82 3.22 3.62 4.01 4.43 4.6 Gerilim,(V) Güç, (W) III- SONUCLARIN İNCELENMESİ Açık devre testinde her bir ölçüm için güç faktörünü, p, (p = P/(VI 0 )), hesaplayınız. Akım bileşenlerini elde ediniz. Akımın güç bileşeni I p = I 0 Cosϕ 0 ve mıknatıslanma akımı I m = I 0 Sinϕ 0 dir. V-P, V-I 0, V-I p, ve V-I m grafiklerini çiziniz, sonuçları yorumlayınız. Bu grafiklerden transformatörün eşdeğer şönt direnci R 0 ve eşdeğer şönt reaktansı X 0 yı elde ediniz. Kısa devre testi için I-V ve I 2 -P grafiklerini çiziniz, sonuçları yorumlayınız. Bu grafiklerden transformatörün eşdeğer empedansını, eşdeğer direncini ve eşdeğer reaktansını elde ediniz. Açık devre ve kısa devre testlerinden elde ettiğiniz değerlerle transformatörün yaklaşık eşdeğer devresini alçak gerilim tarafından görüldüğü gibi çiziniz. Yüksek gerilim tarafından elde edilen değerler çevirme oranının karesine bölünerek alçak gerilim tarafına geçirilebilir.
Şekil 1.3 Transformatörün yaklaşık eşdeğer devresi Yaklaşık eşdeğer devresine göre transformatörün regülasyonu aşağıdaki gibi tanımlanabilir: % regülasyon = 100*(V 1 -V 2 )/V 1 ve yaklaşık olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir: % regülasyon = 100x((IR/V)Cosφ ± (IX/V)Sinφ) +( 100x 2 /2)((IX/V) Cosφ ± (IR/V)Sinφ) 2 Burada, I : Tam yükteki anma akımı V : Sistemin anma gerilimi x : Transformatörün yüklenme oranı (IR/V) ve (IX/V) terimleri transformatörün birim direncini ve birim reaktansını temsil etmektedir. Güç faktörünü 1, V 2 = V 1 =240V alarak Tablo 1.2 de belirtilen yükleme koşulları için % regülasyonu hesaplayınız ve grafiğini çizerek sonuçları yorumlayınız. Verim Hesabı : Bir sistemin verimi sistemden çekilen gücün sisteme gönderilen güce oranına eşittir. Verim direkt veya endirekt olarak hesaplanabilir. Verimin direkt olarak hesaplandığı yöntemde sekonder gücün primer güce oranı alınır (η = P 2 /P 1 ). Endirekt yöntemde ise verim boşta çalışma ve kısa devre deneylerinden belirlenen demir ve bakır kayıpları yardımıyla hesaplanır. η = P 2 /(P 2 + P CU + P FE ) η = (1-kayıp güç/giriş gücü)*100 = (1-(P FE + x 2 *P CU )/(x*s*cosϕ 0 +P FE + x 2 *P CU ))*100 Burada, S : VA cinsinden transformatörün gücü, (1 kva) Cosϕ 0 : Yükün güç faktörü P FE : Anma gerilimindeki demir kayıpları
P CU : Anma akımındaki bakır kayıpları x : Transformatörün yüklenme oranı olmaktadır. Güç faktörünü 1 alarak ve önceki testlerde hesaplanılan bakır ve demir kayıplarını kullanarak Tablo 1.2 de belirtilen yükleme koşullarının her biri için verimi hesaplayınız Aldığınız değerlerle U 2 I 2, %U I 2, %η - P 2 ve I P 2 grafiklerini çiziniz, sonuçları yorumlayınız. Transformatörün hesapladığınız ve çizdiğiniz % regülasyon ve %η grafikleri ile deneysel olarak elde ettiğiniz verilerle çizdiğiniz % regülasyon ve %η grafiklerini karşılaştırınız ve yorumlayınız. Direkt ve endirekt olarak hesapladığınız verim değerlerini karşılaştırınız. IV- SORULAR 1. Boşta çalışma ve kısa devre deneylerini kısaca anlatınız. Ölçü aletlerinin bağlanmasında nelere dikkat edilmelidir? 2. Birincil tarafa indirgenmiş fazör diyagramını çiziniz. 3. Herhangi bir yükleme oranında transformatörün verim ifadesini çıkartınız ve verimin nelere bağlı olduğunu açıklayınız. Verim neden önemlidir. 4. Besleme frekansının değişimi demir ve bakır kayıplarınını nasıl etkileyecektir? Açıklayınız. 5. Transformatör i) 0.8 endüktif güç faktöründe ii) 0.6 kapasitif güç faktöründe nominal geriliminde çalıştığında verimi hesaplayın 6. Kısa devre deneyinde hesaplanan ile doğru akımla ölçülen sargı dirençleri arasında fark var mıdır? Neden? 7. Boşta çalışma primerdeki vatmetrede okunan güç hangi kayıpları kapsar. 8. 220V ve 60Hz için hesap edilmiş bir transformatör 220V ve 50Hz lik bir şebekeye bağlanırsa, transformatörün mıknatıslanma akımı, endüksiyonu, endüklenen gerilimleri ve kayıplarında ne gibi değişiklikler olur?
DENEY 2 ASENKRON MOTORA YOL VERME YÖNTEMLERİ
I GİRİŞ Üç Fazlı Alternatif Akım Makinaları : Asenkron motor bir alternatif akım makinasıdır. İlk defa Nikola Tesla tarafından patenti alınmıştır. Motorun imalatı ise Westinghouse firması tarafından Nikola Tesla yönetiminde gerçekleştirilmiştir. Sanayide kullanılan motorların, aynı güçteki başka bir tür motora göre, en sağlamı, en ucuzu ve bu yüzden en çok kullanılanıdır. Çok fazlı a.c. makinaları yapıları gereği diğer tipteki makinalardan daha verimli olmalarının yanında daha düşük güç/ağırlık oranına sahiptirler. Genellikle, doğru akım makinalarına göre daha kolay imal edilirler, dayanıklı ve güvenilirdirler. En önemli sınırlamaları, normal şebeke frekansına bağlandıklarında dakikada ancak 3000 devirle veya daha düşük bir devirle dönmeleridir. Mevcut gerçek hızları, hız kutup sayısına bağlı olduğundan, dakikada 3000, 1500, 750, 600 gibi devir sayıları sınırlıdır. Hızdaki bu sınırlama bir ölçüde değişken frekanslı sürücü düzenekleriyle aşılmaktadır. Üç Fazlı Asenkron Endüksiyon Motor : Kullanımda bulunan elektrik motorlarının %90 ı sincap kafesli asenkron endüksiyon motordur. Sincap kafesli asenkron motorun çalışma ilkesi stator sargıları tarafından üretilen döner manyetik alana dayanmaktadır. Senkron hızla dönen manyetik alan, iki taraftan da kısa devre edilmiş rotor çubuklarında zıt bir elektro-motor kuvvet endükler ve akan akımlar ikinci bir manyetik alan sistemi oluşturur. Stator sargılarının ve rotor çubuklarının meydana getirdiği manyetik alanların etkileşiminden; rotoru, döner manyetik alanla aynı yönde fakat daha düşük bir hızla döndüren bir moment doğar. Rotorun hızı motora bağlı olan yük arttıkça düşer. Bir endüksiyon motorun anma hızı stator sargılarının tasarımı ve besleme kaynağının frekansı ile belirlenir. Faz başına P çift kutupla sarılmış ve f Hertz lik bir kaynakla beslenen bir makinanın anma hızı n s = (60*f )/P rpm Denklemiyle ifade edilebilir. n s motorun Senkron Hızıdır. Mekanik kayıplardan dolayı motor senkron hıza ulaşamaz. Senkron hızla rotorun yük altındaki gerçek hızı arasındaki farka Kayma Hızı veye yalnızca Kayma denir. Kayma, s, senkron hızın bir oranı olarak da ifade edilebilir. s = (n s - n r )/n s
Asenkron Motora Yolverme Yöntemleri: Bir asenkron motor dururken n=0 ve s=1 dir. Bu halde stator sargılarına tam gerilim uygulandığında motor bağlı olduğu şebekeden nominal akımının (5-6) katı daha büyük akım çeker. Büyük güçlü motorlarda ve bunların çekebileceği zayıf şebekelerde bu akım şebekede gerilimin azalmasına sebep olmaktadır. Motor sayısı arttıkça sistemde aşırı gerilim düşümleri meydana gelir. Dolayısıyla motorun yol alma akımını sınırlamak gerekir. Çalıştıralacak iş makinasının özelliklerine göre yolalma koşulları: hafif (M o =0,1-0,4)M nom ; normal (M o =0,4-0,75)M nom ; ağır (M o =0,75-1,0)M nom olabilir. Pratikte kullanılan yolverme yöntemlerinden bazıları şöyle sınırlanabilir: 1. Doğrudan yolverme 2. Ototransormatörle yolverme 3. Statora transformatör ve ya direnç bağlayarak yolverme 4. Rotora direnç bağlayarak yolverme 5. Yıldız-üçgen yolverme Yıldız Üçgen Bağlantı ile Yolverme: Stator sargıları önce yıldız bağlanır. Bu durumda faz gerilimi ve faz akımı birine düşer. 3 te Sonra stator sargıları üçgen bağlanır. Motor yıldız bağlıyken hat akımı üçgen bağlantıya göre üç kat küçüktür: Yıldız bağlı motor yol alır ve devir sayısı nominal değerine yaklaştığında stator sargıları üçgen bağlanırsa faz sargılarına nominal gerilim uygulanmış olur. Sargı bağlantı dönüşümü sırasında oluşabilecek akım atlaması tehlikeli değildir. Yıldız-üçgen dönüşümüyle yol verme yönteminin önemli bir dezavantajı vardır: Hat gerilimi 3 te birine düştüğünden dolayı, yol alma momenti 1/3 oranında azalır, (My.a U 2 1 ). Bundan dolayı bu yöntem, yük momenti büyük olan kısa devre rotorlu asenkron motorların yol almasında kullanılamaz.
II- DENEYİN YAPILIŞI Deneyde Kullanılacak Aletler ve Yapılacak İşlemler FH2 MKIV Deney Seti FH90 Sincap Kafesli Endüksiyon Motor V3 A.C. Voltmetre, 250 V kademesinde A3 A.C. Ampermetre,2A kademesinde W1 A.C. Vatmetre,500 W kademesinde Dijital ampermetre Test 1 : Sincap kafesli asenkron bir motorun sargıları üçgen bağlantı yapılarak çalıştırılması Deney düzeneğini şekil 2.1 den takip ederek sargı uçlarını üçgen bağlantı olacak şekilde ayarlayınız. Üç fazdan beseleyiniz. Bir sargı üzerindeki akımı görecek şekilde ampermetre bağlantısını yapınız. Sistemi boşta çalıştırarak kaynaktan çektiği akımı not ediniz. Şekil 2.1 Deney seti bağlantı uçları Daha sonra şekil 2.2. deki devreyi kurunuz. Yük bağlantısını yaptıktan sonra motoru çalıştırınız. Motor yaklaşık olarak durana kadar momenti arttırınız. Durduğu anda her üç
sargıdaki gerilim, kalkış akımı ve güç değerini ayrıca göstergeden okuduğunuz kalkış momentini kaydediniz. Şekil 2.2 Deney düzenği Test 2 : Sincap kafesli asenkron bir motorun sargıları yıldız bağlantı yapılarak çalıştırılması Deney düzeneğini şekil 2.1 den takip ederek sargı uçlarını yıldız bağlantı olacak şekilde ayarlayınız. Üç fazdan beseleyiniz. Bir sargı üzerindeki akımı görecek şekilde ampermetre bağlantısını yapınız. Sistemi boşta çalıştırarak kaynaktan çektiği akımı not ediniz. 3 fazlı ampermetreyi sargılara bağlayınız. Yük bağlantısını yaptıktan sonra motoru çalıştırınız. Motor yaklaşık olarak durana kadar momenti arttırınız. Durduğu anda her üç sargıdaki kalkış akımı ve göstergeden okuduğunuz kalkış momentini kaydediniz. III- SONUCLARIN İNCELENMESİ Her iki testte elde ettiğiniz sonuçları, yıldız üçgen bağlantı dönüşümündeki akım ve gerilim ifadelerini şekil 2.3 deki eşdeğer sargı bağlantı şekillerine göre çıkartarak karşılaştırınız.
B I hδ I fδ B I hλ I fλ U fδ Z Z U fλ Z Z Z Y Z Y R R Şekil 2.3 Sargı eşdeğer şemaları
ELEKTRİK MAKİNELERİ LAB. DENEY-3 D.C. MOTOR KARAKTERİSTİKLERİNİN ELDE EDİLMESİ İ.Ü. Elektrik Makineleri Lab. 2016
D.C. Motor Eşdeğer Bölümleri Uyarma Bölümü (FIELD) Uyarma Akımı (I F ) Uyarma Gerilimi (V F ) Uyarma Sargı Direnci (R F ) Endüvi Bölümü (ARMATURE) Endüvi Akımı (I A ) Endüvi Gerilimi (E A ) Endüvi Sargı Direnci (R A )
Doğru Akım Motorları Serbest Uyarmalı (Separately Excited) Kendinden Uyarmalı (Self Excited) Şönt Motor Seri Motor Kompund Motor (Shunt) (Series) (Compound)
Seri Motor Kalkışlarda yüksek tork sağlar. Az yük ve tam yük durumları için hızı farklıdır. Seri motor mutlaka yüklü çalıştırılmalıdır. Şönt Motor Sabit uyarma akımı ve gerilimi için hızı yükten bağımsızdır.
ŞÖNT MOTOR U = I F.R F U = I A.R A + E A E A = U - I A.R A E A = K E.F.w m T = K T.F.I A I F ve E A? I F ve w m? U ve w m? Tork ve Hız?
SERİ MOTOR I F =I A K A.F = K sr.i A E A = K sr.i sr.w m T = K sr.i A 2 E A = U - I A (R A +R F ) U ve w m? Tork ve Hız?
KOMPUND MOTOR
Deney Düzeneği FH2 MkIV TEST BED
FH50 DC MOTOR ve YÜK
SARGI UÇLARI
AYARLI DC KAYNAK ve POTANSİYOMETRELER
TORK ve HIZ ÖLÇÜMÜ
Şönt Motor I F F w E A I F =U/R F E A =K E.F.w I A T I A = (U-E A )/R A T= K T.F.I A D-1. U sabit, I F değişken (R F değişken) I A, w? D-2. U değişken, I F (F) sabit, w=? D-3. Yük değişken, w=?
Şönt Motor Bağlantı U I A I F
80 V 0.10 A 21 W Deney-1 ŞÖNT MOTORDA UYARMA AKIMI İLE DEVİR AYARI ÖLÇÜM HESAP U I F I A n w R A E A 80 V 0.18 A 21 W 80 V 0.16 A 21 W 80 V 0.14 A 21 W 80 V 0.12 A 21 W
80 V 0.1 A Deney-2 ŞÖNT MOTORDA UÇ GERİLİMİ İLE DEVİR AYARI ÖLÇÜM HESAP U I F I A n w E A K V 70 V 0.1 A 80 V 0.1 A 90 V 0.1 A 100 V 0.1 A
Deney-3 ŞÖNT MOTORDA YÜK İLE DEVİR DEĞİŞİMİ ÖLÇÜM: U=80V HESAP Tork (Nm) I F I A n w.t K T E A I.E A A - 0.1 A 0.10 0.1 A 0.15 0.1 A 0.20 0.1 A 0.25 0.1 A
Seri Motor
Seri Motor Bağlantı U I A =I F
Deney-4 SERi MOTORDA UÇ GERİLİMİ İLE DEVİR AYARI ÖLÇÜM HESAP U I F =I A n w E A K VS 70 V 80 V 90 V 100 V
Deney-5 SERİ MOTORDA YÜK İLE DEVİR DEĞİŞİMİ ÖLÇÜM: U=90V HESAP Tork (Nm) I =I F A n I 2 A K T E A w - 0.10 0.15 0.20 0.25
Deney Raporunda İstenilenler Ölçüm sonuçlarını Excel programına giriniz ve istenilen hesapları programda eşitlik girerek yaptırınız. 1. deney için I F n grafiğini, 2. deney için U-n grafiğini çizdirip yorumlayınız. Şönt motor için alınan Tork n grafiği ile, seri motor için alınan Tork-n grafiğini aynı grafikte gösteriniz. Föydeki eşitlikler yardımıyla seri ve şönt motor için Tork (T) devir (w) eşitliğini elde ederek, Tork-devir eğrilerinin teorik olarak kıyaslamasını yapınız.
ELEKTRİK MAKİNELERİ LAB. DENEY-4 HARMONİKLER İ.Ü. Elektrik Makineleri Lab. 2016
Harmonik f o frekanslı bir sistemde f o ın tüm katları (2f o, 3f o, 4f o, 5f o nf o ; n>1) frekanslardaki sinüzoidal gerilim ya da akımlardır. Doğrusal (lineer) yüklere sahip sistemlerde harmonik görülmez. - İdeal direnç, ideal kondansatör, ideal bobin Doğrusal sistemlerde frekans spektrumu sadece f o da bileşen gösterir.
Doğrusal (Linear) sistem Giriş: Sin 2 f o t Çıkış: A.Sin 2 f o (t-90 0 ) f o Doğrusal Olmayan (Non-linear) Sistem Örnek: Kare alıcı devre Giriş:(Sin 2 f o t) Çıkış:(Sin 2 f o t) 2 0.5 (0.5)(Sin 2.2f o.t) f o f o 0 2f o
Kaynak: http://www.ieee.li/pdf/viewgraphs/harmonics.pdf
THD (Total Harmonic Distortion) Harmonikler reaktif güç artışına neden olur ve güç faktörünü düşürür.
Harmonik Kaynak: Deney Sekonderi açıkta bırakılmış transformatör 3-faz Transformatörün Yıldız (WYE) bağlanması Faz akımlarının görüntülenmesi, THD I hesaplanması Sanal Nötr noktadaki işaretin görüntülenmesi Sekonder taraftaki gerilimin görüntülenmesi, THD v hesabı Sanal Nötr ün gerçek Nötr hattı ile birleştirilmesi geçen akımın ölçülmesi ve THD hesabı Nötr ile birleştirmenin sekonder gerilime etkisi 3-faz transformatörün Üçgen (Delta) bağlanması Faz akımlarının görüntülenmesi Sekonder taraftaki gerilimin görüntülenmesi
Metrel MI2292F Power Quality Analyser NE7014 3-faz Oto-Transformatör Metrel 5A/1V Current Probe
L1 L2 L3 N Sekonder: V 50Hz = V 150Hz = V 250Hz = V 350Hz = THD V = %...
L1 L2 L3 N Sekonder: V 50Hz = V 150Hz = V 250Hz = V 350Hz = THD V = %...
Deney Raporunda İstenilenler Bir ölçüm sisteminde akıma ait frekans spektrumu ölçümlerinde aşağıda değerler okunduğuna göre THD değerini hesaplayınız. 1st 50 Hz : 4.81A 3rd 150 Hz : 0.62A 5th 250 Hz 7th 350 Hz : 1.52 A : 0.23 A https://www.fairchildsemi.com/application-notes/an/an-42047.pdf adresindeki kaynağı kullanarak aşağıdaki soruları yanıtlayınız. Kaynakların şebekede neden olduğu harmoniklerin bir sınırı var mı? Bu sınır hangi standart ile belirleniyor, ülkemizde bu standart geçerli mi? PFC Controller nedir, kaç türdür? PFC ile non-pfc SMPS arasında nasıl bir fark vardır? 3-faz Y bağlı dağıtım sistemlerinde 3.harmoniğin Nötr iletkeninde neden dominant olduğunu matematiksel olarak gösteriniz. TEDAŞ ın konut, villa, mesken ve işletme abonelerinde kullanılması zorunlu sayaç tipi/tipleri nedir? Hangi durumlarda ve ne oranlarda reaktif güç kompanzasyon cezası uygulanır?