ASENKRON MAKİNANIN CER MOTORU OLARAK KULLANILMASI VE ÜÇ FAZ AKIM CER YÖNTEMİ

ASENKRON MAKİNANIN CER MOTORU OLARAK KULLANILMASI VE ÜÇ FAZLI AKIM CER Y ÖNTEMİ

Sinan GÜNGÖR İTÜ Elektrik Elektronik Fakültesi

ÖZET:

Elektrikli cer için en uygun özellikleri taşıyan asenkron makine bulunduğu andan beri cer motoru olarak kullanıl mak istenmiştir. Cer motoru olarak kullanılan asenkron makinayı besleyecek olan kaynağın bazı nitelikleri olma lıdır. Kaynağa bu. nitelikler güç ve komutum elektroniği ile kazandırılır. Bu amaçla yapılan çalışmalar sonucunda Üçfazlı Akım Cer Yöntemi geliştirilmiştir. Bu makelede asenkron makinenin cer motoru olarak üstünlükleri ve üçfazlı akım cer yöntemi tanıtılacaktır.

Makinada oluşturulan momentin yararlı olabilmesi için, stator ve rotor alanlarının birbirine göre bağıl hareketi olmamalı, yani Şek. 1'de görülen:

vı • vr + v2 koşulu sağlanmalıdır.

GİRİŞ:

Elektrikli çerde 20 yıl kadar önce yeni bir dönem başla mıştır. "Üçfazlı Akım Cer Yöntemi" denilen bir yöntemle artık asenkron makine cer motoru olarak kullanılabilmek tedir. Güç ve komutum elektroniğinin gelişmesi ile iler leme sağlayan bu yöntemin uygulamaları 19701i yılların başlarından bu yana hızla artmıştır(l).

Dayanıklı yapısı, az bakım gerektirmesi, güç ve hız sınır larının yüksekliği gibi özellikleri nedeniyle sincap kafesli asenkron makine bulunduğu (keşfedildiği) andan beri cer motoru olarak kullanılmak istenmiştir. Başarılı olamayan önceki çalışmalardan, cer motoru olarak kullanılan asenkron makinayı besleyecek olan kaynağın bazı nite likleri taşıması gerektiği anlaşılmıştır. Kaynağa bu nitelik leri kazandırmak için güç elektroniği ile gerçekleştirilen dönüştürücülerden yararlanılır.

Asenkron makine; stator akımlarının frekansı ile belirli senkron hız çevresinde, sınırlı bir hız aralığında verimi yüksek olarak çalışır. Oysa araç hızı geniş bir aralıkta değişmektedir. Araç hızı v, cer motorunun rotor çevresel hızı olan Vr ile orantılıdır, c, mekanik aktarıcıya ilişkin hız orantısı olmak üzere:

Vr «C V bağıntısı geçerlidir.

Elektrik makinalarında bir çevresel kuvvetin nedeni stator ve rotor magnetik alanlarının etkileşimidir. Stator akımlarının frekansı fi ise stator alanının statora göre çevresel hızı:

Vr 2 T fı dir. Burada x kutup bölümüdür. Rotor akımlarının frekansı f2 ise rotora göre:

V2 2 • X • f 2 bağıntısı da yazılabilir.

Şek. 1 Frekans Ayarının açıklanması

Son bağıntıya öncekiler yerleştirirse,

2t f ,»c v + 2 c • f2 olur. c ' c / 2 1 olarak alınırsa: f1 c' v+f2 , v 1 (f, f2)

sonucu elde edilir. Buradan farklı araç hızları için stator veya rotor akımları frekansından en az birinin değiştiril mesi gerektiği anlaşılır. Kollektörlü cer motorlarının kullanıldığı alışılmış yöntem lerde yalnızca rotor akımlarının frekansı değişkendir. Bu rada rotor akımları gerekli frekansa kollektör yardımı ile kendiliğinden erişir. Sincap kafesli asenkron motorda da rotor akımlarının frekansı değişken olmasına karşın bu değişim kısıtlıdır. Bu nedenle farklı araç hızları için stator akımlarının frekansı ayarlanabilir olmalıdır.

Cer motorları için gerekli olan güç, hız ve yüke bağlı oldu ğundan frekansın dışında ayrıca makinenin gerilimi ya da akımı da ayarlanmalıdır.

Yukarıda belirtilen istemler gerilim ya da akım aradevreli dönüştürücüler ile karşılanır. Dönüştürücünün aradev reden önceki giriş katı gerilim ya da akımı gereksinilen değere ayarlar. Frekans ayarı ise çıkış katında gerçek leştirilir. Bu kat, akım aradevreli dönüştürücüde akım al maştırıcı olarak çalışır. Gerilim aradevreli dönüştürücüde ise gerilim almaştırıcı olarak çalışan bu kat, belirli bir de ğerde tutulan aradevre gerilimini altbileşen yöntemine göre almaştırarak ayrıca gerilim ayarı da yapar.

Üçfazlı akım cer yöntemi kullanılan dönüştürücü: akım aradevreli ise I dönüştürücülü, gerilim aradevreli ise U dönüştürücülü üçfazlı akım cer yöntemi olarak da adlan dırılmaktadır.

CER MOTORU OLARAK ASENKRON MAKİNA:

Asenkron makinalar ağırlık ve boyutça en uygun cer mo torlarıdır. Şek. 2'de diğer cer motorlarıyla bu bakımdan bir karşılaştırma görülmektedir(2).

Asenkron makinanın doğal M = f (n) özeğrisi oldukça dik tir ve makinanın çalışma hızı senkron hıza çok yakındır. Herhangi bir nedenle dingilin yükten kurtulması durumun da, makina en fazla sonkron hıza kadar hızlanabilir. Böy lece, tekerleklerin raya tutunamayıp sıyrılması olayı geli şemez. Asenkron cer motorunun bu üstünlüğü Şek. 3'de görülmektedir.

Şek. 3 Cer motorlarının M a. Asenkron cer motoru b. Kollektörlü cer motoru

F (n) özeğrileri

Kollektörlü cer motorlarının yüksüz kalıp tekerleklerin sıyrılması durumunda, hız çok büyümektedir. Bu olay aşırı sürtünme nedeniyle tekerlek kasnağının gereksiz aşınmasına neden olmaktadır. Böyle bir aşınma üçfazlı akım cer yönteminde söz konusu değildir. Asenkron makina moment salınımları bakımından da üstündür. Kancadaki cer kuvvetine de yansıyan moment

Şek. 2 Aynı güçteki cer motorlarının büyüklük karşılaş tıranı a. Alternatif akım cer motoru (Kollektörlü cer motoru) b. Doğru akım cer motoru c. Asenkron cer motoru

Asenkron makineler küçük boyutları nedeniyle bojideki kısıtlı oylum içinde daha yüksek güç sağlayabilir. Bojide her dingil için 2 MW güce kadar cer motorları yerieştirile bilineceği belirlenmiştir. Ancak bu gücü besleyecek araç üzerindeki diğer donanımın ağırlığının artması nedeniyle bugüne değin 1,4 MVVIık bir güce ulaşılmıştır. Motor ağır lığının azalmasıyla aracın yönlenmesini kolaylaştıran da ha hafif bojiler gerçekleştirilmiştir. Örneğin, bojilerin küt lesi tüm araç kütlesi içinde, bir alternatif akım cer aracın da % 51 iken, üçfazlı akım bir cer aracında % 38, yine üçfazlı akım cer yöntemi ile işleyen ve yolcu ulaşımında kullanılan bir dizinin güç arabasında % 25'dir. Böylece gidiş ve özellikle dönemeçlerden geçiş kolaylaşır(3).

Sincap Kafesli bir asenkron makina, rotor yapısının basit ve sağlam oluşu, rotorunda alışılmış cer motorlarındaki kollektörün bulunmayışı nedeniyle daha yüksek devir hızlarında çalışabilecek biçimde yapılabilir. Cer motorları nın hem güçlü hem de yüksek hızda yapılabilmesi daha hızlı ulaşımı olanaklaştırmıştır.

m 0

İ\A/ l\

\A/l\\/lA\y

b

y^N

y^v

s~\

/•

\^r

>^/

\_/

c

mummuum ^^^^^A^^^^^^A^A^^^^J

d

Şek. 4 Cer motorlarında moment salınımları a. Alternatif akım cer motorlarında (kollektörlü cer motorlarında) b. Karma akım cer motorlarında c. I dönüştürücü ile beslenmiş asenkron cer motorlarında d. U dönttştürücü ile beslenmiş asenkron cer motorlarında

salmımları, mekanik elemanların gereksiz yüklenmesine ve sarsıntılara neden olmaktadır. Alternatif ve karma akım(') cer motorlarında değişmeyen ve kaynak frekan sının iki katı olan moment salınım frekansı, asenkron cer motorlarında 5 1200 Hz arasında değişmektedir. Şek. 4' den görüldüğü gibi, moment salınımı alternatif akım cer motorlarında ± % 100, karma akım cer motorlarında ise yaklaşık ± % 30'dur.

Asenkron cer motorlarında moment salmımının temel bileşeni stator akımları frekansının 6 katı frekanstadır. I dönüştürcü ile beslenmiş asenkron cer motorlarında mo ment salınımı ± % 20 30 arasında olmasına karşın, yük sek frekanslarda kolaylıkla söndürülür. Mekanik sarsın tılar bakımından küçük frekanslı moment salmımları sa kıncalı olabilmektedir. Önlem olarak, alçak frekanslı sta tor akımlarında bazı üstbileşenler (harmonikler) azaltıl malıdır. Özellikle moment salmımının ilk bileşenini oluştu ran 5. ve 7. üstbileşenler (harmonikler) yok edilmek iste nir. Bu amaçla alçak hızlarda, U dönüştürücüler altbile şen yöntemine, I dönüştürücüler kesintileme yöntemine göre almaştırma yaparlar. Kalkış sırasında bu yolla elde edilmiş, alçak frekanslı üstbileşenleri (harmonikleri) azaltılmış stator akımının değişimi Şek. 5'de verilmiştir.

Asenkron makinenin cer motoru olarak önemli bir çeki ciliği de az bakım gerektirmeskiir. Bu kollektör gibi aşı nan ve yenilenmesi gereken kısımlarının bulunmayışı ne deniyledir.

ASENKRON CER MOTORUNUN BESLENMESİ VE Y APAY M s F (n) ÖZEĞRİLERİ:

Şek. 6'da asenkron makinanın doğal M f (n) özeğrisi ve bu özeğrinin bazı özellikleri verilmiştir.

ÛM P* /U|V

Şek. 6 Asenkron makinenin doğal M = f (n) özeğrileri

Bu özeğriyi devrilme (yıkılma) momentinde ve doğrusal kısmın eğiminde değişiklik yapmaksızın sağa, sola kay dirmak olasıdır. Bunun için makina gerilimi Uı ve bunun frekansı fi , oranları korunarak, değiştirilmelidir. Bu oran makinanın hava aralığı akısını belirlediğinden, bu oranın korunmasıyla akı değişmeyecektir. Makinayı besleyen dönüştürücünün gerilimi sınırlı olduğundan, makina gerili mi arttırılamayıp frekansı arttırılırsa, akı zayıflamaya baş layacaktır. Bu arada devrilme (yıkılma) momenti düşer, özeğri yatıklaşır.

Makina ilk andaki senkron hıza göre farklı kalkış momen tleri verecektir. Makina hızlandıkça özeğri uygun biçim de sağa ötelenerek moment kalkış momentinde tutulabi lir. Şek. 7'de böyle çalıştırılmış bir assnkron makinanın bazı büyüklüklerinin değişimi görülmektedir.

Şek. S Kalkış akımının değişimi a. U dönüştürücü ile beslenmiş cer motorunda b. I dönüştürücü ile beslenmiş cer motorunda

Böylece I dönüştürücüden beslenmiş cer motorlarında kalkış sırasındaki moment salınımlarının kancadaki cer kuvvetine yansıması oldukça küçültülmüştür, örneğin bu değer momentin ilk üstbileşeni (harmon'ıği) için, stator akımı frekansı fi 0,5 Hz iken, AF6 / F 0,06'dır(4). U dönüştürücü ile beslemede ise moment salmımları önem sizdir. (F m cer kuvvetidir.)

Üçfazlı akım cer yöntemi, yeniden kazanınımlı (Regene ratif) frenlemeye elverişlidir. Bunun için motor çalışma dan genaratör çalışmaya geçişte makine bağlantılarında herhangi bir değişikliğe gerek yoktur. Aynı kolaylık gidiş yönünün değiştirilmesinde de geçerlidir. Gerekli işlemler dönüştürücünün uygun komutumu (dönüştürücüye uy gun komut verilmesi) ile başarılın

'M A

*\

••»

\ o\

u

'm

1,

«i

Şek. 7 Anma akısında çalışan bir asenkron makinanın bazı büyüklükleri

Burada akı, dolayısıyla mıknatıslama akımı İm değişme miştir. Akı sabit kaldığından moment akımla orantılıdır.

(*) Karma akım: Doğrultucu ile elde edilmiş, fakat tam süzOlemediği için kaynak frekansının iki katı frekansta alternatif bileşeni olan doğru akım an lamındadır.

En büyük kalkış momentini makina ve dönüştürücünün ısıl zorlanması belirler. Daha büyük kalkış momenti için makina kısa süreli aşırı yüklenebilir.

Motor hızlandıkça gerilim, dönüştürücünün izin verilen gerilimine kadar arttırılır ve sonra bu değerde tutulur. Bu durumda dönüştürücünün güç sınırına gelinmiştir. Fre kans daha da arttırılırsa akı zayıflayacak, devrilme mo menti frekansın karesiyle ters orantılı olarak düşecektir. En büyük hızdaki devrilme momenti kutup sayısı büyük seçilerek, makina kaçak indüktansı küçük olacak biçim de boyutlandırılarak büyütülür. Burada kutup sayısının büyük seçilmesiyle aynı hız için dönüştürücünün daha yüksek frekansta almaştırma yapması gerekeceği göz önüne alınmalıdır. Makinamn farklı boyutlandırılması du rumunda yapay M f (n) özeğrisinin alacağı biçim Şek. 8'deki gibi olacaktır.

Tutunma kullanılabilirliğini belirten ve Şek. 9'da verilen bağıntıyla tanımlanan güçsayısı üçfazlı akım cer araçla rında daha büyüktür.

Jo

100 ;

<i

Şek. 8 Makinanın farklı boyutlandırılması durumunda yapay M = f (n) özeğrileri (a) ve (b) durumlarında dönüştürücünün gücünden tam olarak yararlanılmamıştır. Bu bakımdan en uygun boyut landırma (c) durumundaki gibidir. Burada devrilme mo menti ve güç sınırlarının kesişimi en büyük hızdadır. En büyük hızda oluşturulan moment bu hızda aracın çekebi leceği yük bakımından önemlidir ve büyük olması istenir.

Aracın cer kuvveti, hız yani F f (v) özeğrisi cer motoru nun yapay M" f (n) özeğrisi ile benzer değişim gösterir.

Şek. 9 Güç sayısının tanımı 1. Bir üçfazlı akım cer aracının F = f (v) özeğrisi (F= cer kuvveti) 2. 84 t olan aynı cer aracının Curtius Kniffler'e göre ortalama tutunma sının, u.Q Üçfazlı akım cer araçlarında asenkron cer motorlarının, dingillerden birinin yükten kurtulması durumunda, kendi aralarında yük dengelemesi yapabilmeleri de tutunma kullanımını arttırmaktadır(9).

F

300.

ÜÇFAZLI AKIM CER Y ÖNTEMİNİN GENEL ÖZELLİKLERİ:

Üçfazlı akım cer araçları her türlü raylı ulaşım araçlarına uygundur. Aracın Diesel Elektrikli olması, alternatif ya da doğru akım hattından beslenmesi durumunda, yalnız ca dönüştürücünün giriş katı değişiklik gösterir. Üçfazlı akım cer araçları birim kütle başına verdiği güç, kW/t ( t » TON) bakımından hızlı ulaşıma elverişlidirler. Bu 1435 mm ray açıklığında, 201 dingil yüküne göre tasarlanmış demiryollarında 350 km/h hıza kadar yolculukları olanak laştırmıştır. Hızın artmasındaki başka bir etken de bujile rin hafif oluşudur.

Cer kuvvetindeki salınımların çok küçük oluşu sarsıntı sız bir yolculuk sağlar. Asenkron makinamn dik moment özeğrisi nedeniyle herhangi bir tekerlek takımında sayrıI ma olayının olmamasının yanında, tüm tekerlek takımları nın aynı anda sıyrılması cer kuvvetinin hızla denetlene bilmesiyle önlenir. Böylece ray ve tekerlekler arasındaki tutunma kullanımı artar.

200.

100 .

^

() ' 40 ' 80

Şek. 10 Farklı yöntemlerin cer özellikleri 1. Oçfazh akım, 2. Karma akım, 3. Alternatif akım bir cer aracı için cer kuvveti sınırı a. 2200 t yük taşımı, b. 700 t yolcu ulaşımı için bir dizinin S/1000 eğimde cer direnimi

Üçfazlı akım cer araçları hem yük taşımaya hem de yolcu ulaşımına uygundur. Çünkü kalkış sırasındaki ve en bü yük hızdaki cer kuvveti daha büyüktür. Şek. 10 farklı yöntemlerin cer özelliklerini karşılaştırmak amacıyla ve rilmiştir.

Üçfazlı akım cer araçlarının verimi diğer cer araçlarının verimi ile hemen hemen aynıdır. Hatta Diesel Elektrik cer araçlarında bu yöntemin verimi daha büyüktür. Diesel Elektrikli üçfazlı akım cer araçlarında elektriksel enerji üretimi ve tüketimi aradevre ile birbirinden bağımsızlaştı rıldığından, Diesel motoru en uygun yakıt harcayarak ça lıştırılır. Böylece, birim elektrik enerjisi için harcanan ya kıt azaltılmıştır. Bundn başka, üçfazlı akım elektrikli cer araçlarının birim cer kuvveti için hattan çektiği akım daha azdır(10).

Üçfazlı akım cer yönteminde cer motorlarının yataklar dışında aşınan kısımlarının olmaması, dönüştürücülere ilişkin güç ve komutum devrelerinin geniş ölçüde kon taksız ve bu nedenle de aşınmasız elemanlardan oluş ması bakım ve onarım işlemlerini azaltmıştır. Aylık bakım günü süresi alışılmış yöntemlere göre daha azdır(11).

.U.V.3S

Vk */.26., T \ ü «V. 32

Y sV.36

Ü.V.28

2,210 br /bt k m

Şek. 11 Brüt (ton km) taşıma işi için işletme giderleri a. Diesel Hidrolik b. Karma akım elektrikli c. Oçfazlı akım elektrikli cer aracı için Y= Yatırım payı 0= Çalışan ücretleri E= Enerji giderleri B.O= Bakım ve onarım giderleri H= Besleme hattı yatırımlarının payı

Şek. 11 'de farklı cer yöntemlerinin işletme giderleri karşı laştırılmıştır.

Üçfazlı akım cer yönteminde yatırım payı yüksek olması na karşın toplam işletme giderleri daha küçüktür(12).

SONUÇ:

Güç elektroniğindeki gelişmelerden kollektörlü cer mo torları kullanan cer yöntemleri de yararlanmış olmasına karşın, bu yararlanma cer uygulayımı bakımından fazla bir yenilik getirmemiştir. Üçfazlı akım cer yönteminin ba şarılı ilk uygulamalarından sonra, alışılmış cer yöntemle rinin uygulamadan silineceği kanısına varılmıştır. Bugün, bu alandaki çalışmaların çoğu üçfazlı akım cer yöntemi ne yöneliktir. Üstün özellikleri nedeniyle birçok demiryo lu işletmesince benimsenen yöntemin daha da geliştirile ceği ve yaygınlaşacağı umulmaktadır.

KAY NAKÇA:

(l)Teich. W.: Drehstromantriebitechnik in Schienenfahrzeugen Vercucheinheiten, Prototypen, Serien. ZEV Glas. Am. 101 (1977) Nr. 8/9 S. 371 382.

(2) Kili, E.; Scholtis. G.: Zehn Jahre Drehstrom Antriebstechnik im Nıhverkehr. ZEV Glajj. Ann. 109 (1985) Nr. 5 S. 185 192.

(3) Körber, J.: Dreimann, K.: Gcrdsmeier, H.; Gdrlitz, W.; Kademann, S.; Wagner, R.: Tractive vehicle in the coming decades Objektives, poısibilities fo retoiving difficulties and examples from the point of view of the German railway vehicle industry, Rail International, Schienen der WeİL 1985/4, pp. 117 128.

(4)Scholtis, G.;

Nahverkehr

und

Drchstromantriebe Aufgaben, Wünsche, Möchlichkeiten.

EL Bahnen 77 (1979) H. 6, S. 159 166.

(5)Mortiz.

W. D.;

Röhlk,

J.:

Drehstrom Asynchronfahrmotoren für elektriiche

Triebfahrzeuge. El. Bahnen 50 (1979) H. 3, 65 71.

(6)Kratz, G.: Fahrmotoren und Antriebe bei elektrischen Triebfahrzeugen mit Drehstromantriebıtechnik. ZEV Glass. Ann. 104 (1980) Nr. 8/9 . S. 283 290.

(7)Teich, W.: Dieselelektronische Triebfahrzeuge mit schleifringlosen Asynchronfahrmotoren. El. Bahnen 43 (1972) H. 4, S. 74 88.

(8)Lössel, W.: Drehıtromantrieb for Wechselstromuiebfahrzeuge. El. Bahnen 48 (1977) H. 4, S. 82 90.

(9)Weinhart, M.: Drehitromanttiebe mit (tromeingepraegendem Umrichter und parallelgeschalteten Asynchron Fıhrmotoren. ETR 34 (1983) H. 4, S. 257 266.

(lO)Tcich, W.: Enerjieeinsparungen durch Drehstrom Antriebstechnik bei Diesel und Industrielokomoüven. BBC Nachtrichten (1983) H.2

(ll)Teich, W.: Erfahrungen und Erprobungen mit der Drehstromantriebstechnik in verschiedenen Einsatzfaellen. ETR 34 (1985) H. 4, S. 309 314.

(12)Schwerdtfeger, H.: Maiss, K.J.: Zwei Jahre Drehstromlokomotiven bei Zechenbahn und Hafenbetrieben Ruhl Mitte Ruhlkohle AG. ZEV Glasi. Ann. 103 (1979) H. 2/3, S? 83 94.