1.Endüksiyon Motorları Kaynak: John Storey, How real electric motors work, UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES - SYDNEY AUSTRALIA, http://www.phys.unsw.edu.au/hsc/hsc/electric_motors.html Her modern evde endüksiyon motorlarından 8-10 tane olur: pervaneler, buzdolapları, elektrik süpürgeleri, çamaşır makineleri, bulaşık makineleri, elbise kurutucuları ve akvaryumda suyun yeşile dönüşüp balıkların oksijensiz kalmalarını önleyen hava pompası bile endüksiyon motoru içerir. Çok özel son teknoloji ürünü değilse, klimanızda bile bir endüksiyon motoru vardır. Endüksiyon motorunun olumlu yönleri: Ucuz Sessiz Uzun ömürlü Elektromanyetik girişim üretmez. Endüksiyon motorunun olumsuz yönleri: Sabit hızda dönmek ister. 1500 devir/dakika dan hızlı dönmezler (4-kutuplusu). Başlangıçta çok akım çeker veya verimi düşüktür veya her ikisi de geçerlidir. Ürettiği güç için büyük ve kaba görünümlüdür. Aşağıdaki motor bir pervaneden çıkarılmıştır. Gerçekte, mil üzerindeki bilyeleri ve kapakları sökülmüş durumdadır. (Keşke motoru sökmek için baltadan daha hassas bir şeyler kullansaydım.) Dönen rotor kısmını çıkardığımızda geriye aşağıdaki stator kısmı kalıyor. Burada 4 tane seri bağlanmış sargı var: 1
Aslında tam da öyle basitçe bağlanmış değil. Akım beyaz kablo ile sağ üstteki sargıya saat yönünde geliyor; sonra sağ alttaki sargıya saat yönünün tersine geliyor. Oradan sol attaki sargıya saat yönünde, sonunda da sol üstteki sargıya saat yönünün tersine akarak beyaz kablodan çıkıyor. Böylece oluşturulan elektromıknatısların içe bakan tarafları N-S-N-S şeklinde sıralanıyor. Sargıdan geçen akım yön değiştirince, mıknatıslar da yön değiştirir: S-N-S-N.. Rotorda oluşan elektromıknatıs da bu değişimi izlemeye çalışır. Bunun için 90 derece dönmesi gerekir. Akımın her yön değiştirmesinde rotor 90 derece döner. Böylece 50 Hz frekanslı akım 25 devir/saniye lik dönme oluşturur. Bu da 25x60 = 1500 devir/dakika dönme hızına karşılık gelir. Gerçekte motora bir yük bağlı ise, bu hızın biraz altında (1440 dev/dak gibi bir değerde) döner. [Aradaki farka kayma (slip) denilir.] Anlatıldığı kadarıyla, motorun ne yana döneceği belirsizdir sağa veya sola mutlu bir şekilde dönebilir. Böyle bir motoru hep aynı yöne döndürmek için içinde bir şeyler yapmak gerekir. Stator içinde gölge kutuplar (shaded poles) oluşturarak motorun doğru yöne dönmesi sağlanır. 2
Fotoğrafın üst tarafındaki sargıya dikkat ederseniz, kutbun iki parçalı olduğunu görürsünüz. Küçük parça etrafına kalınca bir bakır şerit sarılmış durumdadır. Bu şerit küçük parça etrafında sekonderi kısa devre edilmiş bir trafo gibi davranarak oluşacak manyetik alanın bir kısmında bir faz kaymasına neden olur. Bu etki rotoru bir yöne dönmeye zorlar. Buraya kadar rotordaki endüksiyondan bahsetmedik ama motorumuz endüksiyonu kullanmaktadır. Şimdi de rotora bakalım. Kitaplarda sincap kafesi olarak adlandırılan şeyi göremediğimiz için hayal kırıklığına uğrayabiliriz. Sincap bunun neresine girecek? Burada görülen rotor, disk şeklindeki yumuşak demir saçlardan yapılmıştır ve içi doludur. Sargılar tarafından oluşturan manyetik alan burada yoğunlaştırılır. Bu yoğun manyetik alan içinde rotorun iletken çubukları bulunur. Rotor ekseni doğrultusunda rotora yerleştirilmiş çubukların kenarını görebilirsiniz. Bu iletken çubukların rotor eksenine göre biraz kaymış olduklarını görürsünüz. Bu bir imalat hatası değildir. Rotor üzerinde oluşturulacak döndürme kuvvetinin artıp azalmasını önlemek amacıyla, başka bir deyişler çubuklar üzerinde olabildiğince sabit bir kuvvet elde etmek amacıyla, bu çubuklar kaymış olarak yerleştirilir. Çubuklar eksene paralel olsaydı, çubuk kutup altından geçerken kuvvet büyük, geçtikten sonra da küçük olurdu. Böyle yaparak, çubuğun kutup altında bulunma süresi uzatılmış ve bir sonraki çubuğun bir ucunun kutba girmesi sağlanmıştır. 3
Şimdi de başka türlü bir endüksion motoruna bakalım. Bu motor bir astronomik teleskoptan sökülmüştür. Fotoğraf filmini ileri geri sarmak için kullanılıyordu. İki tana farklı sargısı vardır; bu nedenle dört tane kablo ile bağlantı sağlanmıştır. Sargılardan biri doğrudan hat gerilimiyle (şebeke gerilimi) beslenirken, diğer sargı bir kondansatör üzerinden beslenir; böylece akımında 90 derece faz farkı oluşur. Sargılardan birinin uçlarının değiştirilmesi motorun diğer yöne dönmesini sağlar. 4
Rotoru çıkarıldığında stator sargılarının bir önceki motordan oldukça farklı olduğu görülür. Bunun daha çok kutbu olduğundan daha yavaş döner. Bunun da rotoru dolu ve içinde ne olduğunu göremiyoruz. Rotorun ucundaki alüminyum kapak preslenerek kanatçıklar oluşturulmuş. Bu bir çeşit soğutucu pervane görevini yapıyor. Bir önceki motorda böyle bir şey yoktu çünkü motor bir pervanenin göbeğinde duruyordu ve gerekli soğutma zaten sağlanıyordu. Astronomik teleskoplar artık film kullanmadıklarından, motorun rotorunu kesip içinde bir sincap olup olmadığına bakabiliriz. 5
Burada bir sincap yok ama alüminyum iletkenlerin kesitini kitaplarda anlatıldığı gibi görmek mümkün. Rotorun uçlarındaki halkalar rotor çubuklarını kısa devre ederler. Bu çubuklar trafonun sekonderini oluştururlar. Primerin 50-100 sargılı olduğunu düşünürsek, bu iletken çubuklardaki akımın çok büyük olduğunu görebiliriz (240 wattlık bir motor için 100 A gibi büyük bir akım olabilir. Bu durum iletken çubukların neden büyük kesitli yapıldığını açıklar. Gölge kutuplu motorla ilgili bir olumsuzluk, başlangıç torkunun düşük değerli olmasıdır. Başlangıçtaki yükün az olduğu bir pervane için bu önemli olmayabilir, ancak çamaşır makinesi gibi makinelerde bu büyük bir sorun oluşturur. Böyle motorlarda ikinci kutup sargılarında bir kondansatör kullanarak gerekli faz kayması sağlanır. Endüksiyon motorlarının farklı tipleri de vardır, ancak yukarıda bahsedilenler evlerde kullanılan en yaygın tiplerdendir. Ciddi yükler için üç-fazlı endüksiyon motoru gereklidir. Elektrik şebekesindeki alternatif gerilim üç fazlıdır. Fazlar arasında 120 derece açı bulunur. 3-fazlı motorda, stator sargıları 120 derece açı ile yerleştirilir. Bu sargılar ve uygulanan üç fazlı gerilim, rotorda dönen bir manyetik alan oluşturur. Bu tür motorlar endüstride çok yaygın olarak kullanılırlar ve güçleri megawatt düzeyinde bile olabilirler. Sidney in yeni Millenium trenleri her biri 226 kw gücünde 3-fazlı endüksiyon motorları kullanırlar. Daha önceki Tangara trenlerinde ve eskilerde DC motorlar kullanılırdı. Havai besleme hatları 1500 V DC olduğundan, bu yeni trenlerde 3 fazlı elektrik enerjisini üretmek için eviriciler kullanılır. 6