BÖLÜM 2 ELEKTRİK MOTORLARINDA DENETİM PRENSİPLERİ 2.1.OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİNE GİRİŞ Otomatik kontrol sistemleri, günün teknolojik gelişmesine paralel olarak üzerinde en çok çalışılan bir konu olmuştur. Burada kitabın konusunu oluşturan Elektrik makinelerinin Elektro-mekanik enerji dönüşme yönünden incelenmesi anlamı içinde kalınarak elektro mekanik sistemlerin geri beslemeli otomatik kontrol imkanları genel prensipleri ile ve özet olarak incelenecektir. Elektro mekanik bir sistemin çıkış büyüklüğü, ya motor milinden alınan mekanik güç veyahut generatör çıkış uçlarından alınan elektriksel güç niteliğinde olup bu büyüklüklerin istenilen özellikleri sağlayabilmeleri için başka uygun büyüklükler yardımı ile kontrol edilmeleri olanakları vardır. Pek çok değişik karakterleri kapsayan elektromekanik sistem büyüklükleri arasında en önemli görülenleri kontrol nedenleri ile birlikte aşağıda özetlenmiştir. 1- Hız: Döner makinelerin dönüş hızının birçok durumlarda büyük bir. duyarlılıkla kontrol edilmesi gerekir. (Örneğin kağıt imalat makinelerinin çevirici motorları, hadde motorları gibi). Ayrıca birçok çevirici motoru bulunan iş makinelerinde bu motorlar arasındaki hız uyumunun istenilen şartları sağlaması genellikle iş makinesinin çalışması yönünden gerekli olduğundan, değişik hızların istenilen duyarlıkla istenilen sınırlar içinde tutulması, ancak bu hızların uygun geri besleme tertipleri yardımı ile kontrol altında tutulması ile mümkündür. 2- Moment : Halatın tambur üzerine sarılması veya halatın tamburdan boşaltılması hallerinde gerilmenin kararlı bir değerde tutulabilmesi için, döndürme momentinin uygun geri besleme tertipleri ile kontrol edilmesi gerekir. Örneğin kağıt bobin bant sarma tezgahlarında da aynı problem vardır. 57
3- Konum: Özellikle takım tezgahlarında tezgahın devamlı olarak periyodik bir işlem yapması halinde tezgahın bazı elemanlarının doğrusal ve açısal konumlarının ve hareket, şartlarının uygun geri besleme tertipleri ile kontrol altında tutulması gerekir. Ayrı bir örnek olarak uçakların ve mermilerin radar yardımı ile kontrolü ve radardan alınacak işarete göre savunma silahının otomatik olarak hedefe yöneltilmesi yine uygun nitelikte geri beslemeli kontrol sistemleri ile sağlanabilir. 4-İvme : Değişik hızlarda çalıştırılan iş makinelerinde bir hızdan başka bir hıza istenilen konumda ve istenilen zaman süresi içinde geçilebilmesi için hız değişiminin veya diğer bir deyimle ivmenin kontrol edilmesi gereklidir. 5-Gerilim: En belirgin örnek olarak a.a güç kaynağı olarak kullanılan senkron generatörlerin uç geriliminin uygun geri besleme tertipleri ile devamlı olarak sabit tutulması olayı gösterilebilir. 6-Frekans : Senkron generatörleri çeviren buhar ve su türbini gibi çevrici makinelerin dönüş hızları değişik çalışma şartları altında dahi uygun geri besleme tertipleri ile donatılan hız düzengeçleri (regülatörler) yardımı ile sabit tutularak elektriksel enerji kaynağının frekansının değişmemesi sağlanır. Kontrol sisteminin yeterlilik ve uygunluğunun seçilen makinenin temel özelliklerine bağlı bulunduğu açıktır. Örneğin bir senkron motor yüke bağlı olmadan ve herhangi bir dış etkiye ihtiyaç kalmadan belirli ve değişmeyen bir senkron hız ile döner. Veyahut seri-paralel (kompunt) uyarmalı bir d.a motorunda uyarma devresi uygun şekilde bağlanarak devir sayısının yüke bağlı olarak geniş sınırlar arasında azalması sağlanır. Ancak sistemden beklenilen davranış bir makinenin özellikleri ile sağlanamıyor ise, bu durumda uygun kontrol, örneğin geri besleme sistemleri uygulanır. Özellikle makine karakteristikleri, dışardan uygulanan büyüklüklerle uygun şekilde ayarlanarak sisteminin sade olmasına ve cevap hızının olanaklar oranında büyük olmasına dikkat edilir. 58
2.2.OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ ÇEŞİTLERİ Otomatik kontrol sistemleri iki gruba ayrılır: 1- Açık devre kontrol sistemi. Bu sistemde kontrol mekanizmasının etkisi sistemin davranışına bağlı değildir. 2- Kapalı devre veya geri beslemeli kontrol sistemi : Bu sistemde kontrol büyüklüğünün değeri ve etkisi sistemin davranışına bağlı olarak değişir. 2.2.1.AÇIK DEVRE KONTROL SİSTEMİ: Örneğin değişmeyen uyarma akımı ile ve fakat ayarlanabilir endüvi uç gerilimi ile çalıştırılan bir d.a. motorunun, dönme hızının önceden ayarlanan bir değerde değişmeksizin kalması istensin. Bu durumda uygun özellikli bir d.a motoru seçilebildiği takdirde problem, uygun bir gerilim düzengeci ile motor uç geriliminin ayarlanan hızı sağlayacak değerde tutulmasına indirgenmiş olur. Seçilen d.a motorunun karakteristikleri elverişli değil ise uç gerilimini ayarlayacak olan regülatöre bir de endüvi direncinde yük akımının oluşturacağı gerilim düşümünden etkilenebilen bir elemanın ilave edilmesi gerekir. Böylece yük akımına bağlı olarak meydana gelebilecek gerilim düşümleri regülatör tarafından karşılanarak endüvi uç gerilimi belirli bir değerde tutulur. Her iki ayarlama şekli açık devre tipi kontrol sistemi olup motor dönüş hızının ayarlanan değerden sapma miktarı ile gerilim düzengeci arasında karşılıklı bir etki söz konusu değildir. Diğer bir deyimle dönme hızında oluşabilecek hatalar gerilim düzengecini ve dolayısı ile endüvi uç gerilimini etkilemeyecektir. Gerçekte sıcaklık değişimleri, hysteresis olayı, endüvi reaksiyonu, elektronik elemanların karakteristik değişmeleri gibi olaylar dönüş hızını etkiler. Hız değişmelerinin gerilim ayar düzengecine iletilmemesi nedeni ile yukarda belirlenen kontrol sistemi yeterli duyarlılıkta olmayacaktır. 59
2.2.2.KAPALI DEVRE KONTROL SİSTEMİ Açık devre kontro sistemindeki örneğe bu defa, motor miline yardımcı bir generatör bağlanır ve bu generatörün, ayarlanan hıza göre meydana gelebilecek farklı dönme hızlarında oluşturacağı çıkış gerilimi farkları, motor uç gerilimini ayarlayan regülatöre iletildiği takdirde kapalı bir kontrol sistemi elde edilmiş olur. Böylece motor dönme hızında ayarlanan hıza göre meydana gelecek hatalar giderilmiş olmaktadır. En genel anlamda bir kapalı devre geri besleme devresi kontrol şeması Şekil 2.l de görülmektedir. Kontrol edilen çıkış büyüklüğü C, giriş büyüklüğü veyahut başlangıç büyüklüğü R, bozucu büyüklüğü U ile gösterilmiştir..bozucu büyüklük bir generatörün ürettiği elektriksel güç veya motor miline uygulanan mekanik yük olabilir. Şekil 2.1 Geri beslemeli kontrol sistemi blok diyagramı Geri besleme devresi ve hata dedektörü, C çıkış büyüklüğünün R başlangıç büyüklüğüne ve U bozucu büyüklüğüne bağlı olarak istenilen değer veya özellikte oluşmasını sağlar. Çıkış büyüklüğünde E ile belirtilen herhangi bir fark veya hata meydana geldiği takdirde kontrol sistemi bu hata veya farkı giderecek yönde bir etki oluşturacak C, çıkış büyüklüğünün kontrolünü sağlar. 60
Geri beslemeli kontrol sistemleri iki gruba ayrılır: a) R giriş büyüklüğü değişmeyen veya çok yavaş değişen kontro sistemleri; Bu grubun en yaygın örneği gerilim düzengeçleri (Regülatör) dir. Bu gruba giren gerilim regülatörlerinin görevi, C çıkış büyüklüğünü dış bozucu büyüklüklerin etkisinden korumak şeklinde özetlenebilir. b) R başlangıç büyüklüğü hızlı değişen bir değişken olduğu takdirde; Bu tip sistemlere Servo mekanizma denilir. Servo mekanizma sistemlerinin en önemli özelliği, C çıkış büyüklüğünün R giriş büyüklüğündeki değişmelere aynen uyması şeklinde özetlenebilir. Geri besleme devrelerinde kontrol işaretleri genellikle düşük düzeyde elektriksel büyüklükler şekline dönüştürülerek geri besleme sağlanır. Örneğin bir elemanın konum değişikliği, foto elemanlar, endüktans, kapasitans veya direncin değişimleri yardımı ile orantılı elektriksel büyüklüklere dönüştürülerek kontrol devrelerine aktarılır. Elde edilen elektriksel büyüklüklerin çok düşük değerlerde olmaları nedeni ile kontrol devrelerinde güçlendirmenin önemli bir yeri vardır. Güçlendirme, elektronik, elektromagnetik, hidrolik sistemler veya bunların bileşimlerinden oluşan sistemler yardımı ile sağlanır. Kontrol devrelerinde her elemanın özelliği, görevi ve işlem sırası göz önünde tutularak ve olayın başlangıç konumundan veya diğer bir deyimle R giriş büyüklüğünden başlanılarak, elektriksel büyüklüklere dönüştürme ve güçlendirme olayları göz önünde tutulur ve sistemin C çıkış büyüklüğü her elemanın karakteristiklerinin ve etki şekillerinin bileşkesi alınarak bulunur. Dinamik sistemlerin kararlılığı hız değişiminin cevabı, titreşimlerin etkisiz hale getirilmesi gibi olayların incelenmesi yukarda özetlenen geri beslemeli sistemlerin en önemli uygulamaları olarak nitelendirilebilir. 61
2.3.GERİ BESLEMELİ KONTROL SİSTEMLERİ İLE İLGİLİ KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLER 1- Kapalı devre geri beslemeli kontrol sistemlerinde zaman sabiti, açık devre kontrol sistemlerine ait zaman sabitinden daha küçüktür. Bu nedenle kapalı devre geri beslemeli kontrol devrelerinde oluşan bozucu büyüklükler daha kısa bir zamanda etkisiz hale getirilmelidir. 2- Kapalı devre geri beslemeli kontrol devrelerinde genel kazanç daha küçüktür. 3- Kapalı devre geri beslemeli kontrol sistemleri bozucu etkilere karşı açık devre kontrol sistemlerine karşı daha az duyarlıdır. 4- Kapalı devre geri beslemeli kontrol sistemlerinde komponent karakteristikleri, ısı değişmeleri ve diğer dış etkiler karşısında daha az duyarlıdır. 62