KATI DURUM DA MOTOR SÜRÜCÜLERİ

Katı durum da motor Sürücüleri

UDK: 621.314.6:621

313 223 2

Yazan: Alexander KUSKO

Çeviren Cevdet AYKANAT

I. TEK FAZLI SÜRÜCÜLER

ÖZET

Çoğu uygulamalarda, D.A motorları, motorun özellikle rini ayarlayabilen ve belirli isterleri karşılayabilmek için motorun çalışma koşullarını değiştirebilen denetim ay gıtları ile donatılırlar. En çok kullanılan denetim ayarla ması motor hızıdır, fakat döndürü kuvveti ve ivme de ayarlanabilir. Motor ve denetim dizgesinin bileşimi bir sürücü dizgesini oluşturur.

Katı durum sürücü dizgelerinde, motora da güç sağla mak için faz denetimli tristörlü doğrultucu devreleri kul lanılır. Doğrultucu devreleri güçlerine, tersine döndüre bilme ve frenleme isterlerine bağlı olarak, değişik biçim lerde —yanm dalga veya tam dalga, yanm denetimli veya tam denetimli—, tek faz ya da üç faz şebekeden çalıştırı lırlar.

Kesir ve ufak tam beygir güçlü motor sürücüleri, böyle ufak güçlü sürücülere gereksinme duyulan yerlerde tek fazlı güç kaynağı bulunduğundan ve de daha az sayıda t i ristörün daha düşük maliyete neden olduğundan, tek faz şebekeden beslenecek şekilde yapılırlar. Tek fazlı sürücü lerin, açık devre gecikme açı denetimli kötü düzenlenmiş devrelerin irgineç(1) (armatüre) gerilimi ya da devirölçer (takometre) geri beslemeli iyi düzenlenmiş devrelere ka dar değişen çeşitleri vardır.

1.1. YARIM DALGA SÜRÜCÜLER

Tiristör ve motorun en basit bileşimi Şekil 1'de gösteri len yarım dalga devresinden oluşur.

TİRİSTÖR

Bu yazıda, tek faz veya üç faz, katı durum motor sürücü lerinin çalışma ilkeleri anlatılmakta ve değişik sürme bi çimlerinin çalışma ilkelerini gösteren akım ve gerilim dalga şekilleri verilmektedir.

SUMMARY in many applications, the de motors are provided with control equipments by ıvhich their characteristics can be adjusted and their operating conditions ıvith respect to the mechanical had varied to süit particular require ments. The most common control adjustment is motor speed, but torque and acceleration can be adjusted as voell. The combination of the motor and the controlt equipment is called a drive system.

Solidstate drive systems utilize phase controlled thyris tor rectifier circuits to provide de power for the de mo tor. The rectifier circuits operate from single —phase or three — phase tine, and in various configurations — half wave, or full ıvave, half controlled or full controlled— depending upon horsepoıoer ratings, reversibilitiy and broking requirements.

The operating principles of single phase and three phase solidstate de motor drives deseribed and the current and voltage uıaveforms which demonstrate the operating principles of various drive configurations are discussed in tkis articlc.

°

0{j

AA BESLEME

•m

•»6 *" ALAN SARIMI

Şekil 1. Y arım dalga sürücü devresi irgineç tek bir tiristör üzerinden beslenir ve irginecc ko şut bir serbest döngü (free wheeling) diy ot kullanılabilir. Alan sarımı ayn bir yarım dalga veya tam dalga doğrul tucudan beslenir. Böyle basit bir devre, bir ters bağlama anahtarı ve bir de devinik frenleme direnci ile birleştiri lirse, her iki dönme yönünde çalışabilen bir sürme dizge sinin bütün gereklerini sağlar.

(1 ) Burada Irglnec sözcüöünü Fransızca kökenli " endüvl" ve aynı anlama gelen İngilizce kökenli "armatür (a r ma t ür e )" sözcüğü ye rine kullandık.

Cevdet AYKANAT, ODTÜ Alexander KUSKO, ABD

Denetimsiz yarım dalga sürücünün çalışma ilkelerini gös teren dalga şekilleri Şekil 2'de görülmektedir. Dalga şe killeri hafif yük ve ağır yük durumları için ayrı ayrı çizil miştir.

İRGİNEÇ ENDÜKTANSININ GERİLİM ZAMAN ALANI

1 4 Hız

(a) İRGİNEC ENDÜKTANSININ GERİLİM ZAMAN ALANI

,Hız

e) Anlık şebeke gerilimi d0 yükselip armatür gerilimi Î ^ ' yi aşınca diyoda artı öngerilim uygulanmış olur, ve böylece w t = a motor gerilimi i?m'nin altına düşünce w t = p açısında, diyot üzerine eksi öngerilim uygulan mış olur ve böylece diyot iletimi keser. Motor gerili mi, irgineç gerilimi ve empedans gerilimi #a + R a i a + L dia/dt toplamına eşittir.

f) Şebeke gerilimi ile irgineç gerilimi arasındaki gerilim farkı irgineç devre direnç ve endüktansının üzerine dü şer, a açısından, akımın tepe değerine ulaştığı açıya kadar endüktans tarafından alınan enerji akımın tepe değerine ulaşmasından, w t = |3 açısına kadar irginece geri verilir. Gerçekten de alınan enerjinin tümü geri verildiğinde, akım l0 sıfıra düşer ve diyot susar, böy lece iletim dönemi sona ermiş olur.

g) Şekil 2. b'de gösterildiği gibi motor yükünün artması, yavaşlama döneminde motorun daha fazla hız kaybet mesine neden olur ve iletim dönemi boyunca hız al ması için daha büyük genlikte akım vuruşlarını gerekli kılar.

(b)

Şekli 2. Dly ot lu yarım dalga sürücünün dalga »akilleri

a) Hafif yük

b) Ağır yük

Şekil 2'deki dalga şekilleri motorun aşağıdaki ilkeler doğrultusunda çalıştığını göstermektedir.

a) İrgineç akımı, her çevrimde w t = ot ve 0 açıları arasın da iletim açısı süresince vuruşlar halinde akar.

Y arım dalga sürücülerin çalışması, endüktansın iletim dö nemi boyunca elektrik enerjisi biriktirip boşaltması, ve iletim dönemleri arasında mekanik enerjinin motorun ey lemsizliğinde biriktirilip boşaltılması ile tanımladır. Şe kil 2'de gösterilen hız değişimleri bu durumu göstermek için abartılmıştır, bununla beraber yük döndürü kuvveti ni karşılamak için bu değişimler gereklidir.

Tiristör kullanılarak yapılan denetimli yarım dalga sürü cünün dalga şekilleri Şekil 3'de gösterilmektedir. İ leti min a açısında başlayabilmesi için, şebeke gerilimi ı>0'ın irgineç gerilimi ı?a'yı aşması ve de tiristörün geçitine ateşleme vuruşlaıı uygulanması gerekir. Devrenin çalış ması, endüktans ve eylemsizliğin enerji depolama işlevle

b) İrgineç akımının akışı süresince, akım tarafından yara tılan döndürü kuvveti, motor ve yükün kinetik ener jisini artırır ve motorun hızı A HI Z kadar artar. En al çak hız a 'da, en az yüksek hız da 0 'da oluşur.

İRGİNEC ENDÜKTANSININ GERİ Lİ M ZAMAN ALANI

c) Motor ve yük, bir çevrimdeki akım iletiminin sonun dan (j3 'dan) bir sonraki çevrimdeki iletimin başlangı cındaki (a 'ya) kadar olan süre boyunca hızdan düşer. Bu dönem boyunca motor kayıpları ve yük döndürü kuvveti, motorun yavaşlaması ile açığa çıkan, motor ve yükün kinetik enerjisinden sağlanır.

\ J(

(D dt2

d) Alan akımı değişmez tutulursa, irgineç gerilimi (emf) motor hızı ile doğru orantılıdır.

Sekli 3. Y ar ım dalga trlstörlü sürücünün dalga şekil

ri konularında d iyotlu devre ile aynıdır. Ateşleme açısı geciktirilirse, motorun şebekeden aynı ortalama akımı çekmesini ve aynı yük döndürü kuvvetini üretmesini sağ lamak için motor hız ve gerilimin düşmesi gerekir. En düktans depoladığı enerjiyi boşaltınca, tiristör susma du rumu na geçer ve akım w t = 0 açısından sıfıra düşer.

Devrenin çalışması ortalama elektriksel nicelikler cinsin den anlatılabilir. iletim dönemi boyunca motor devresi nin denklemi dia

0 a^

va

(2)

(2) no'lu eşitlik yeniden

değerine olan oranı) yüksektir. Böylece motor, akımı nın anma değerinde döndürü kuvvetinin anma değe rinden daha aşağı bir değerle sınırlıdır, irginece ko şut bir serbest döngü diy ot ile bazı düzelmeler elde edilebilir.

b) Büyük döndürü kuvvetli yük koşullarında, güç motora her çevrimde bir vuruş olarak verildiği için motor gü rültülü çalışır.

c) Y arım dalga sürme devresinin şebekeden çektiği DA bileşeni kaynak trafosunu doyuma sokar. Üstün yan ları ise düşük maliyeti ve devrenin basit olmasıdır.

1.2. TAM DALGA SÜRÜCÜLER

t?odt = i j R j d t + L di a + # a d t

Bir yarım denetimli tam dalga sürücü genellikle Şekil 4' (3) de gösterildiği gibi iki tiristör ve iki diyottan oluşur. Di

şeklinde yazılır ve iletim aralığında tümleştirilirse

yotlar irgineç uçları arasında serbest döngü bir yol oluş turacak şekilde yerleştirilirler.

TİRİSTÖRLER

+L c/w

ı5adt,

vm =

(4)

elde edilir. (4 ) eşitliğindeki ortalama değerler sadece ile tim aralığı üzerindeki ortalama değerlerdir. Vmdoğrul tucunun motor tarafındaki ölçülmüş değeri olmadıkça, bu değerler ölçü aygıtlarının ölçecekleri, tüm bir çevrim üzerindeki ortalama değerler değildirler.

Mekanik dizge için ise eşit lik,

(5)

*

1A

• İRGİNEÇ

Vo AA 3ESLEME

Sekil 4.Tlrlstörlü tam dalga sürücü devresi

\\ıt ALAN \ SARIM

1 no'lu tiristör şebeke geriliminin artı yarım çeviriminde ateşlenir ve akım 3 no'lu diyot üzerinden şebekeye geri döner. Eksi yarım çevrimde 2 no'lu tiristör ateşlenir ve akım 4 no'lu diyot üzerinden geri döner, irgineç gerilimi şebeke gerilimini izleyip yön değiştirmeye başlayınca 3 ve 4 no'lu diyotlar iletime geçer ve böylece irgineç uçla rı bu iki diyotlu serbest döngü y ol üzerinden kısa devre olur.

dir. Bu eşitlik tUm çevrim üzerinde tümleştirilebilir ve

90° lik ateşleme açısı İçin gerilim ve akım dalga şekilleri î't» ahctprilmektedir.

Irgineç endüktansının gerilim zaman alan (Taranmış)

elde edilir. (6) Nolu eşitlikte motor tarafından üretilen

Vo

döndürü kuvvetinin bir çevrim üzerindeki ortalama

akım değeri la ile doğru orantılı olduğu görülmektedir. Mekanik enerjinin eylemsizlikte depolama işlemi tümleş

tirilmiş eşitliklerde görülmez fakat anlık eşitliklerde gö

rülür.

Doğrudan motorun uçları arasında görülen dalga şekli Şekil 3'de #m ile gösterilmiştir. Bu dalga şekli iletim aralığında şebeke gerilimi û0 ve hızdan düşme aralığında armatür gerilimi t?a 'dır.

Y arım dalga sürücülerin kusurları şunlardır;

a) iletim aralığının kısa olmasından dolayı akımın biçim katsayısı (akımın karesel ortalama değerinin ortalama

FW Serbest döngü dönemi TR Tiristör çalışma dönemi

Şakll 5. Tam dalga sürücü devresi

Bu durumda motor, her çevirimde iki güç vuruşu ile bes lenmekte ve hızdan düşme aralığı daha kısa olmaktadır. w t = aaçısından 1 no'lu tiristör ateşlenince şebeke gerili mi doğrudan irginece uygulanmış olur ve bu gerilim irgi neç akımı ia'nın oluşmasına neden olur.

Meydana gelen döndürü kuvveti motoru hızlandırarak hızının A HI Z kadar artmasına neden olur. Sonunda, w t = ir açısından, irgineç gerilimi yön değiştirmeye baş lar, bu eksi gerilim serbest döngü yolu oluşturan diyot ları iletime sokar ve böylece irgineç akımı ya irgineç en düktansının artı eksi gerilim zaman alanları eşitleninceye kadar, ya da 2 no'lu tiristör ateşleninceye kadar, akmaya devam eder.

Şekil 4'deki devrenin kusuru, tiristörlerin geçit uçlarının ortak bir katot durumuna göre sürülememeleridir. İki ta ne yalıtılmış ayrı ikincil sarımı olan vuruş trafosu kulla nılması zorunludur. Aynı işlevi gören diğer bir devre ise Şekil 6'da gösterilmektedir. Bu devre de, tiristörlerin or tak bir katot bağlantıları olmasına karşın fazladan bir serbest döngü diyot kullanılması gerekmektedir. Ufak motorlarda irgineç L/R oranı öylesine küçük olabilir ki, serbest döngü diyot iletim aralığının artmasına herhangi bir katkıda bulunmaz. Fakat şebeke kaynağı aniden ke silirse köprü devresine biraz koruma sağlayabilir.

İletim dönemi için armatür devre eşitliği,

*o = <% + R3id + L 3 — d l 9 _ _ ; c c < w t < 7 r (7)

dir. Sürekli irgineç akımı için, serbest döngü dönem eşit liği ise,

did 0 = ög + R9İ3 +

n (8)

dir. Her iki eşitlik kendi aralıklarında tümleştirilirse,

û0 dt =

/

+ R9 ia dt + Lgdt

(9)

0=

i a dt

L9dt

(10)

7T/W

elde edilir. (9 ) eşitliğindeki son terim aralık boyu süre since endüktans tarafından tutulan manyetik akının ar tış miktarıdır. (1 0) eşitliğinde aynı yeri tutan terim ise aynı miktarın eksi değerlisidir. İ ki eşitlik birlikte topla nır ve yarım dönem zamanına bölünürse,

TİRİSTÖR LER AA BESLEME

DİY OTLAR SERBEST DONGU / DİY ODU di 7\

V m = V a + Rala elde edilir. Burada,

(11)

Vm = 0.45 Vo (1—cos a) = motora uygulanan ortalama gerilim

Va = Ka <I>fN = üretilen ortalama irgineç gerilimi la = T /K t <î>f = ortalama irgineç akımı

(1 1 ) eşitliği motorun döndürü kuvveti hız özelliğini gös termek için yeniden düzenlenebilir.

Şekli 6. Tlrlstörlü tam dalga sürücü devresi ortak kat ot .

0 . 4 5 V o ( 1 + cos o c )

N=

(12)

"Kesintili İ let im" sözcüğü, irgineç akımının her yarım çevrimde bir sonraki tiristör ateşlenmeden sıfıra düştüğü duruma verilir. Bu durumdaki çalışma yarım dalga devre sinin çalışmasıyla benzerdir. "Sürekli ilet im" sözcüğü ise irgineç akımının hiç kesilmediği fakat ya tiristör ya da diyotlar üzerinden akmaya devam ettiği duruma verilir. Tiristörler iletimde iken irgineç devresine verilen enerji nin, bir kısmı endüktansta depolanır, bir kısmı yükün ki netik enerjisinde depolanır ve diğer kısmı da mekanik yü kü sağlamak için kullanılır. Serbest döngü dönemi bo yunca endüktansta depolanan enerji geri alınır ve yükün eylemsizliğinde depolanan kinetik enerji ile birlikte me kanik yükü döndürecek gücü sağlamak için mekanik enerjiye çevrilir. Serbest döngü irgineç akımı motorda elektromanyetik döndürü kuvveti üretmeye devam eder.

(1 2 ) eşitliği sürekli DA kaynaklardan beslenen motorla rın bilinen döndürü kuvveti hız özelliğini gösterir biçim dedir. İkinci terim, döndürme kuvveti T tarafından mey dana getirilen hız düşmesini gösterirken, birinci terim boştaki hızı göstermektedir. Boştaki hız, a = 0°'de en yüksek değerinden, a= 180° de sıfıra kadar değiştirile bilir. Dikkat edilmesi gereken bir nokta ise bu eşitliğin irgineç akımının sürekli olduğu çalışma durumlarında ge çerli olduğudur. "Sürekli iletim" , en iyi hız düzenlemesi ni ve en yüksek akım biçim katsayısını elde edebilmek için oldukça istenen bir durumdur. Bu durum, serbest döngü bir akım yolu temin ederek ve dış irgineç devresi ne devrenin zaman değişmesini artıracak bir şok bobini koyarak sağlanır.

1.3. GAUDET SÜRÜCÜ DEVRESİ

Gaudet devresinde, tam dalga denetimine eşdeğer bir de netimi irgineç devresine sağlamak için yalnızca bir tiris tör kullanılır. Devre Şekil 7'de gösterilmektedir. Devre tam dalga doğrultulmuş #r gerilimini veren bir diyot köprüsünden ve de doğrultulmuş gerilimin her yarım çevriminde denetimi sağlayabilmek için şebeke sıklığı nın (frequency) iki katı sıklıkta ateşlenen bir tiristörden oluşur, frginece koşut bir serbest döngü diyot t a kullanıl maktadır. Alan sarımı, ortak tam dalga diyot köprüsün den beslenebilir.

Gaudet devresi için bazı gerilim ve akım dalga şekilleri Şekil 8'de gösterilmektedir.

DİY OT KÖPRÜ Şekil 7. Gaudet sürücü devresi

IRGINEÇ ENOÜKTANSHMN /G E R I L I M ZAMAN ALANı

yQ HıZ

n + a açısında tiristör ateşleninceye kadar sıfırda kalır. Düşük hız ve/veya ağır yük durumlarında iletim sürekli olabiljr. Devre sıfır hıza kadar çalışabilir. Bu hızda, ser best döngü diyot üzerindeki gerilim düşümü tiristörü ke sime sokacak ters öngerilimi sağlar. Devrenin en önemli özelliği, tam dalga işlemini elde edebilmek için sadece bir tiristör kullanılması nedeniyle oldukça ekonomik bir devre olmasıdır. Aynı zamanda, bir tek köprü doğrultu cusu devresi irgineç ve alan devrelerinin ikisini birden besleyebilir.

1.4. KESİNTİLİ İLETİM ikinci bölümde belirtildiği gibi, tam dalga doğrultucudan beslenen irginecin akımı, ayn ayrı vuruşlar halinde ya da belirli bir dalgacığı olan sürekli bir doğru akım halinde olabilir. "Sürekli ilet im" birinci duruma, "Kesintili ile t i m " ise ikinci duruma verilen sözcüklerdir. Kesintili ile t im, yüksek biçim katsayısı ile sonuçlanır, fakat daha önemlisi motorun açık devre hız döndürü kuvveti eğrile ri iki bölgeye ayrılır, irgineç akımı kesintili ise, artan yük döndürü kuvveti ile motorun hızı süratle düşer. Herhangi bir düzenleme dizgesinde, sürekli iletim bölgesine göre ol dukça daha fazla kapalı devre kazancı gerekir.

Sürekli iletim bölgesindeki, hız döndürü kuvveti eğrile ri yalnızca ortalama akım ve gerilim değerlerinden hesap lanabilir. Fakat kesintili iletim bölgesinde eğrilerin he saplanması uzun ve zordur. Her a ve hız değeri için anlık irgineç akımının t= a / w'dan 0 /w'ya kadar olan eşitli ğin bulunması ve sonrada ortalama değerini ve döndürü kuvvetini bulmak için tümleştirilmesi zorunludur.

MOTOF

GERİLİMİ

\ tut

F — TR J F

^ TR_j

ş e k li 8. Gaudet sürücü devresinin dalga şeklileri

Tiristör w t = a, n + a, ... açılarında ateşlenmektedir. T i ristör w t = a ve w t = n açıları ile belirlenen aralıkta ile timdedir; w t = ir açısından sonra kesime girer ve bu sıra da irgineç akımı ia serbest döngü diy ot üzerinden akma ya başlar ve irgineç endüktansı üzerindeki artı eksi geri lim zaman alanları eşitleninceye kadar, w t = /Saçısına ka dar, akmaya devam eder ve bu açıda sıfıra düşer. İrgineç akımı, bir sonraki çevrimdeki işlemi başlatmak için w t =

Motorun hız döndürü kuvveti eğri takımları hesaplama lara hiç el atmadan Şekil 9'da gösterildiği gibi çizgisel yöntemlerle ve motorun basit bir modeli kullanılarak be lirlenebilir. Kaynağın, tek fazlı tam dalga serbest döngü diyotlu bir doğrultucu olduğunu ve motorun irgineç devresinde sadece endüktans olduğunu ve direnç olmadı ğını varsayalım. Verilen bir a değeri için hız döndürü kuvveti eğrisi çabucak çıkarılabilir.

<x = 9 0 °'lik ateşleme açısı göz önüne alınıp; seçilen Nt hızına karşılık gelen #a irgineç gerilimi bulunur, iletim aralığı, endüktans gerilimine karşılık gelen û0 ve ı?a ara sındaki taranmış gerili m zaman alanı, irgineç akımı I / i n tepe değeri ile doğru orantılıdır. Akım dalga şeklinin al t ındaki alan ise ortalama akım ve dolayısıyla döndürü kuvveti T, ile orantılıdır. Böylece bulunan N t T t nok tası hız döndürü kuvveti eğrisi üzerinde işaretlenir. Daha düşük hızlar seçildikçe,iletim aralığının 180° olduğu N, hızına ulaşır. Bu hız için ve daha ağır yükler için sürekli akım durumu geçerlidir. Burada sunulan modelde, hız ar tan döndürü kuvveti ile değişmez kalacaktır, fakat ger çek bir motorda irgineç direncinden dolayı hız az da ol sa düşecektir.

Çizim yöntemi diğer ateşleme açıları, örneğin a= 15° ve a = 135° açıları için tekrarlanabilir. Bu üç durum Şekil 9'da özetlenmiştir. Ateşleme açısı 180°'ye yaklaş t ıkça hızın sürekli iletim bölgesine düşüş eğimi daha dik olmaktadır. Eğer doğrultucu yeteri kadar küçük açıda ateşlenir ve yeteri kadar yüklenirse, sürücü sadece sürek li iletim bölgesinde çalışacaktır.

Kesintili iletim, yüksek akım biçim katsayısı ve aşırı hız düzenlemesi vermekle kalmaz, motor hızının vuruş yükü sonucunda düştüğü alçak hız düzeyi, sürücünün kesintili iletim bölgesine düşüp sürekli iletim bölgesine geri dön mesi gereken durumlarda oldukça önemli bir sorun olur. Black tarafından yazılan (3 ) no'lu kaynakta bu durum incelenmiş ve düşük hızlarla sürekli iletimi sağlamak ve vuruş yüklere karşı hız tepkesini düzeltmek için irgineç devresine dışarıdan eklenecek irginecek ekdüktansı için eşitlikler verilmiştir.

ENDUKTANS GERİLİMİ oot

1.5. ENDÜSTRİDE KULLANILAN TEK FAZLI SÜRÜCÜLER

Tek fazlı endüstriyel sürücüler, piyasada 115 V veya23C V'ta çalışan yarım dalga ya da tam dalga devreler olarak bulunur. En düşük beygirgüçlü ve en ucuz olanları 115 V ve yarım dalga çalışma koşulları için tasarımlanır. En yüksek beygirgüçlü olanları ise 2 3 0 V, tam dalga koşulla rı için tasarımlanır. Şebekeden çekilebilecek en yüksek akım değeri sürücünün çıkış beygir gücünü sınırlar.

I I II II II

I

1 1 0 V l u k yarım dalga sürücüler yaklaşık olarak bir bey girgücüne kadar, tam dalga sürücüler ise yaklaşık olarak beş beygirgücüne kadar yapılırlar. Kesir beygirgüçlü mo torlar 1/8, 1/6, 1/3, 1/2 ve 3/4 beygirgücü büyüklükle rinde yapılırlar. Standart taban motor hızları ise Tl 5 0 , 1 750 , 2 5 0 0 ve 3 5 0 0 devir/dakika'dır. 2 3 0 V l u k tam dalga sürücüler ise tipik olarak 1, 1/2, 2, 3, 5 beygirgüç lerini kapsar.

Denetim dizgeleri, motor döndürü kuvvetinin anma de ğeri için 20:1 'e kadar, daha düşük döndürü kuvvetleri için ise 100:1'e varan hız erimleri sağlar. Standart denetim dizgesi, irgineç gerilimini hız ölçümü olarak kul lanır ve taban hızda yüzde üçe varan bir hız düzenlemesi yapabilir. Devirölçer (takometre) hız duyarımı (speed sensing) ile, taban hızının yüzde 0.1'ine varan üstün bir düzenleme elde edebilir.

II II İ l l i I _ 0 T , T 2 T3 T.

SÜREKLİ İLETİM of;45° BÖLGE SINIRI

« .90' KESİNTİLİ/ " T

^

/ SÜREKLİ

isteğe bağlı olarak alan uyarımını zayıflatarak hız erimi ni büyültme, hız almayı sınırlama, frenleme, tersine dön dürme, belirli bir hıza ayarlama işlemleri için ana sürücü ye ek aygıtlar kullanabilir. Sürücüler su geçirmez ve kö rük havalandırmalı gibi değişik motorlarıda sürebilirler.

. ı rı ı ı ı ı ı ı i ı DÖNDÜRÜ KUVVETİ

—T

Şekli 9. Serbest döngü dlyot lu tam dalga sürücü devresi İ çin dön diirü kuvveti hız eğrilerinin oluşturulması.

559 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 271 272

Ticari sürücülerde, aynı güçteki motorları sürmek için ay nı güçte DSD'lar (Denetimli Silisyum Doğrultucu) kulla nılır. Bu sürücüler arasındaki değişiklikler ise ateşleme imlerinin üretilmesi, DSD'lann korunması gibi sorunlar dır. Tek faz bir dizgenin basite indirgenmiş işlevsel öbek çizimi Şekil 10fda gösterilmektedir.

Tek fazlı sürücülerin çalışma ilkeleri ve bunlar üzerine t i cari bilgiler Kusko tarafından kaleme alınmış (4) no'lu kaynakta verilmiştir. İki yönlü tiristör (triyak) kullana rak ters döndürme işlevini gören sürücü, Mc Murray tara fından kaleme alınmış (5) no'lu kaynakta anlatılmıştır.

BÜY ÜL DÜŞÜM KÜÇÜL HIZ İVME KARARLILIK HIZ KOMFAN HIZ AY ARI AY ARI AY ARI

DURDUR.

MA

I MA

"—( M j—oİD y o o »

M

2. ÜÇ FAZLI SÜRÜCÜLER

2.1. YARIM DENETİMLİ KÖPRÜ

Tam erim (full range) denetimin yapılabilmesi için sade ce üç tiristör gerektiğinden, üç faz yarım denetimli köp rü devresi D.A motor sürücüleri için çoğunlukla kullanı lan devredir. Devre Şekil 11'de gösterilmektedir.

Köprünün geri kalan öğeleri diyotlardır. Tam denetımiı devreler motor gerilimini ters çevirip motorun şebekeyi geri beslemesi işleminin sağlanması gereken durumlarda kullanılır. Bu devrenin aynı zamanda ufak iletim açıların da dalgacık (ripple) oranı oldukça düşüktür. Y arım dene timli köprü devresi, düşük hız yüksek döndürü kuvvetli işlem durumlarında iletim açısını artırmak için serbest döngü bir diyot ile birlikte kullanılır.

TIRISTORLER

uç

ao bo

FAZ c o

BESLEME

IRGINER

•s

SERBEST DÖNGÜ DİY OT

Şekil 1 1 . üç faz yarım denetimli köprü devresi.

İrginece uygulanan gerilim, Şekil 11'de görülen 1,2 ve 3 no'lu tiristörlerin ateşleme açıları değiştirilerek denetle nir. 4, 5 ve 6 no'lu d iyotlar sadece akım için en eksi du rumda olan şebeke ucuna dönüş yolu sağlar. Motora, köprü tarafından uygulanan anlık gerilim #m ile irgineç gerilimi #a arasındaki gerilim farkı birincil olarak irgineç devre endüktansı ve ikincil olarakta irgineç direnci üzeri ne düşer. Serbest döngü d i y o t bir akım ilet im döneminin sonunda, motor gerilimi endüktansın aldığı enerjiyi bo şaltması ile eksi gerilime geçmeye başlayınca iletime ge çer.

Devrenin değişik ateşleme açıları için çıkış dalga şekille ri Şekil 12'de görülmektedir, a = 0° ateşleme açısı için, motor gerilimi alışılmış çevrim başına altı vuruşlu doğ rultucu çıkışı gibi görünecektir.

Ateşleme açısı, Şekil 12. b'de görüldüğü gibi, <x= 30°'ye kadar geciktirilirse, tiristörlerin tetiklenmesi gecikir fakat buna rağmen diyotların iletime geçmesi gecikmez ve böylece sadece birbirini atlayarak takip eden vuruşlar et kilenir.

"vbc

vc a /V("

'be (h)

a^o \

+i

I |F| 2 |F | 3 "5

•cot

|F ( ı ) 3n (İ)

Vm MOTOR GERİLİMİ

60°'den büyük tüm ateşleme açılarında bu iki ayrı devre nin çıkış dalga şekilleri, yarım dalga devre faz nötür geri liminin bölümlerini kullanırken yarım denetimli köprü devresinin faz faz geriliminin bölümlerini kullanması dı şında özdeştir.

Şekil 12'de görüldüğü gibi, a, = 90°'ye geciktirilmiş ateşleme açısı için köprü öğelerinin çıkış vuruş oaşına iletim açısı 120°'den azdır. Akım, iletim dönemini ta manlar ve serbest döngü diyotu iletime zorlayarak endük tansı boşaltır, (Şekil 2. i). Eğer serbest döngü diyot yok sa, motor gerilimi eksiye geçecek ve akım sıfıra daha ça buk ulaşacak ve kesintili olacaktır. Böylece, endüstansda biriken enerjinin bir kısmı şebekeye geri verilecek ve ka lan kısmı irginece verilecektir.

Gösterilen son ateşleme açısı at = 120°'dir. Motor geri liminin her vuruşu üç ayrı aralıktan oluşur. wt = 120°' den 180°'ye kadar tiristör iletimtedir ve böylece faz faz geriliminin bir bölümü motora uygulanmış olur. Bir dö nem sonra serbest döngü diyot iletime girer ve motor ge rilimini sıfırda tutar. Endüstans tamamen boşalınca ser best döngü diyot iletimden çıkar ve motor gerilimi üreti len irgineç gerilimine yükselir. Şekil 2. m'de görüldüğü gibi irgineç akımı kesintilidir.

Y arım denetimli köprü tam erim denetimi elde edebil

mek için a, = 0°'den a, = 180°'ye kadar uzanan ateşle

me açı aralığı gereklidir, a, = 30°'ye kadar dalga şekli

esas olarak çevrim başına altı vuruşludur. a, = 30°'den

(I)

180°'ye kadar çevirim başına üç vuruşludur. Akımın ke

sintili olmaya başladığı ateşleme açısı ve dalgacığın tepe

den tepeye değeri, irgineç devresinin zaman değişmesine

bağlıdır.

2.2. TAM DENETİMLİ KÖPRÜ

şekil 12. Y arım denetimli köprü devresinin gerilim ve akım dalga seklileri

irgineç akımı süreklidir ve dalgacık oranı çok düşüktür. Ortalama irgineç akımı l a ;

Vm(q) E9(Nı4»f)

(13)

eşitliği ile verilir. İletim sürekli olduğu sürece, Ohm kura lı ortalama niceliklere uygulanabilir.

Şekil 12'de görüldüğü gibi a= 60°'yegeciktirilmiş ateş leme açısı için, tiristörler öyle ateşlenir ki akım her 120°'lik iletim aralığı süresince sadece bir diyot üzerin den dönüşünü tamamlar. Bu ateşleme açısında motor ge riliminin dalga şekli üç faz yarım dalga devrenin a = 3 0 °' deki çıkış dalga şekli ile özdeştir. Gerçektende, ax =

Tam denetimli köpri devresi Şekil 14'de görülmektedir. Bu devrede altı tiristör vardır ve serbest döngü diyot dı şında hiç diyot yoktur. Tiristörler birbirini izleyen her 60°'de ateşlenir ve dalgacık herzaman çevrim başına altı vuruşludur. Tam denetimli köprünün çıkış geriliminin dalgacık oranı yarım denetimli köprününküne göre daha azdır, fakat tam denetimli köprünün kullanılma yeri esas olarak reküperasyon(2) (regeneration) gereken durumlar dır. Ters akım bağlantı anahtarı ile ya da alan uyarımının yönünü değiştirerek, irgineç geriliminin yönü değiştirilir se, tam denetimli köprü doğal değişli bir evirgeç olarak çalıştırılabilir. Böylece, güç akışı motordan şebekeye doğru olur, motor sıfır hıza ulaşır ve sonunda ters yön deki hıza varacak şekilde hız alır. Serbest döngü diyotlu (•) İngilizce "regenerasyon" sözcüğünün kullanılan bir Türkçe karşılığı bulunmadığı İçin, bazı Üniversitelerimizin ders kitapla rında geçen Fransızca kökenli "reküperasyon" sözcüğünü kullan mak zorunda kaldık.

köprü devrenin çıkış dalga şekilleri Şekil 13'de görül mektedir, a, = 60°'den büyük ateşleme açıları için doğ rultucunun çıkış gerilimi kesintili duruma gelir ve irgineç devresinin zaman ceğişmezi, akımı serbest döngü diyot ab

tan sürekli olarak geçmesini sağlayacak kadar büyükse çı kış gerilimi vuruşlar arasında sıfır olur. Değilse çıkış geri limi (= motor gerilimi) serbest döngü diy ot iletimden çı kar çıkmaz üretilen irgineç gerilimine yükselir (Şekil 12. k). Tam Erim denetim 120°'lik ateşleme açı aralığı ile el de edilebilir.

İrgineç devresinin, sürekli iletimi sürdürebilecek yeterli

(a)

endüktansı varsa ve serbest döngü di y ot kullanılmıyorsa

o zaman irgineç gerilimi 60°'den büyük açılarda endük

tansın artı Gerilim zaman alanının dengelemek için, eksi

ye geçer. En uç durum Şekil 3'de 90°'lik ateşleme açısı

için gösterilmektedir. Bu durumda ortalama motor geri

limi Vm ve dolayısıyla irgineç akımı la sıfır olur. Bu du rumda doğrultucunun tam erim denetim için ateşleme

açı aralığı 0°'den 9 0 °' y e kadardır.

Vbc

vca

Vab

cot (f) (g)

ENDUKTANS GERİLİMİ Vbc V a b / V c a Vbc "Vab vCa Vbc Vfab

Eğer ateşleme açısı at = 90°'den 1 80°'ye uzanan aralık içinde olursa, köprünün çıkış gerilimi yön değiştirecek ve aynı yöndeki bir DA kaynağından güç alabilecek du rumda olacaktır. Doğrultma işleminin a, = 30°'deki ve evirme işleminin otı = 1 8 0 °'deki en uç örnekleri Şekil 3. e ve g'de görülmektedir. Akımın yönü değişmez kalır fakat gerilim yönü ve dolayısıyla güç akışı yön değiştirir.

Reküperasyon işlemi sırasında, wt = 240°'den 3 0 0 °' y e kadar uzanan zaman aralığı için, elektriksel niceliklerin yönleri Şekil 14'de görülmektedir. İrgineç, $ m i a terimine eşit nicelikteki gücü köprüye, orandanda a b faz uçlarına geri vermektedir.

Şekil 14. üç faz tam denetimli köprü

Çıkış gerilimi ateşleme açısı eğrisi Şekil 15'de gösteril mektedir.

Motor hızdan düşünce akımı aynı değerde tutmak ve re küperasyon işlemi için ateşleme açısının geciktirilmesi gerekir. Motorun dönüş yönünün değiştirilmesi işlemi için ise köprü dışında başka bir araç gerekir.

2 i3

İl

I Z I'

I4

I 5 I 6İl 4

./"V

s_ı (n)

şekli 1 3 . Tam denetlmll köprü devresinin gerilim ve akım dalga şekilleri.

2.3. DİNAMİK ÖZELLİKLERİ

Üç Faz şebeke ile bir DA motoru arasına bağlanmış iki takım üç faz yarım dalga devre, alan ve irgineç devresi için ters akım bağlantı anahtarı kullanılmasını gerektir meden motorun dönüş yönünü değiştirme işlemi ve rekü perasyon yöntemi ile frenleme için kullanılır. Üç tiristör lü takımlardan biri, ileri (artı) yönde akımı uygulamak

için diğer t a k ım ise ters (eksi) yönde akımı uygulamak için kullanılırlar. Tiristör takımlarından biri veya diğeri birbirlerinden bağımsız olarak ateşlenir ve kesinlikle be raber ateşlenmezler.

60°'lik ateşleme açısı ile tam hızda çalışmaktadır. Ateş leme açısı aniden a = 120°'ye geciktirilir ve birinci yeni a2 vuruşu V ^ n gerilimindeki 2 no'lu tiristörün geçitine uygulanır. Bu sırada irgineç gerilimi # a > faz nötür gerili mi «3bn'den daha büyük olduğundan tiristör iletime geçe mez fakat irgineç akımının yokluğundan ve böylece dön dürme momenti üretilememesinden dolayı motor hız kaybetmeye devam eder. Sonraki a3 vuruşu # c n gerili mindeki 3 no'lu tiristörün geçitine uygulanır. Sonunda t?a ve (9 jjn gerilimlerinde uygulanan ve <x2 ve a^ vuruş ları irgineç akımı üretir ve motor yeni ve daha düşük bir hızla kararlı duruma geçer.

ATEŞLEME AÇISI

Böyle kendi kendine yavaşlama ile hız kesme işlemi, de netimsiz olup özellikle büyük beygirgüçlü sürücülerde is tenmez. Hız kesme için gereken zaman mekanik zaman değişmezine, yani motorun ve yükün eylemsizliğine ve döndürü kuvveti isterine bağlıdır. Devimsel enerjinin bir kısmını yayacak bir frenleme direncine motorun uç ları arasına bağlayarak hız kesme işlemi hızlandırılabilir Frenleme direncini devreye sokup çıkaracak anahtarın çalışması denetim dizgesi ile bütünleştirilmelidir.

DOĞRULTUCUİ EVİRGEÇ I **" BÖLGESİ " '" BÖLGESİ ~ H

Şekil 1 5. EndUktlf yükte, tam denetimli köprü devresinin gerl llm atesleme acı Özelliği

Herhangi bir sürücü hız kesmenin en basit yönt emi moto ru kendi kayıpları ile ya da yük çekme gücü ile yeni hızı na doğru yavaşlamaya bırakmaktır. Y anm Dalga devre kullanılarak yapılan böyle bir hız kesme işleminin dalga şekilleri Şekil 16'da görülmektedir. Motor başta a =

> , Hız

Daha çok tercih edilen hız kesme yöntemi reküperasyon ile frenleme yöntemidir. Reküperasyon kinetik enerjinin milden çekilmesi ve şebekeye geri verilmesidir. Tam de netimli köprünün çıkış geriliminin yönü değiştirilerek re küperasyon işlemi İçin kullanılması daha önce irdelen miştir. Bununla birlikte iki ayrı yarım dalga devre takı mından oluşan dizge bu işlem için daha uygundur.

Motorun sıfır hıza kadar hız kesmesi ve ters dönüş yö nünde yeni bir hıza doğru hız alması Şekil 17'de görül

MOTOR İRGİNEd

ÜÇ FAZ b BESLEME

UÇ FAZ BESLEME

DEVRESİ

Şekil 16. üç faz yarım dalga devresi ve hız kesme durumundaki dalga »eklileri.

Şekil 1 7. üç faz y .nm dalga, ters döndürme devresi.

563 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 271 272

mektedir. Motorun başta ters dönüş yönünde tam hızda çalıştığı varsayılmaktadır. Bu durumda, ters yön devresi ne uygulanan imler kesilir ve ileri yön devresine ateşleme imleri uygulanmaya başlanır, ileri yön devresi motora öyle bir yönde akım uygular ki, önce irgineçten enerji çekilir ve sonra irginece, motora ileri yönde hız aldıracak enerji uygulanmış olur.

Birinci vuruş # c n gerilimindeki 3 no'lu tiristöre irgineç akımı vuruşu ia'yı güvenilir sınırlar içinde tutmak için at = 180°'de uygulanır. Motorun hızı düştükçe ateşleme açısı irgineç akım vuruşlarını aynı büyüklükte tutmak için sıra ile küçültülür. Bu geciçi rejim küçültme işlemi akım sınırlayıcı devresi tarafından özdevimsel olarak de netlenir. Ateşleme açısı a7 = 60°'ye ulaşınca motor ileri yöndeki istenilen kararlı durum hızına ulaşmış olur.

Anma yükte tipik hız denetimi erimi 8'e 1, hafif yükse jse 1 0 0 'e 1'dir. Standart sürücülerde, hız duyarımı için kompanzasyonlu irgineç gerilimi kullanılır. Tipik hız dü zenlenmesi taban hızın % 2'si kadardır. Hız duyarımı için irgineç gerilimi yerine devir ölçer kullanılırsa ± % 0.5' den ± % 0.1 'e kadar değişen hız düzenlemesi elde edilebi lir. Akım sınırlama denetimi standart olup, dönüş yönü nü değiştirme ve hız denetim aralığını genişletmek için alan uyarımını zayıflatmak isteğe bağlı olarak eklenebile cek özelliklerdir. Endüstriyel bir üç faz sürücünün yalın laştirilmiş işlevsel devre çizimi Şekil 18'de gösterilmek tedir.

2.4. ENDÜSTRİDE KULLANILAN ÜÇ FAZLI SÜRÜCÜLER

Eğer akım vuruşları ve irgineç gerilimi, her vuruşta dik katle irdelenirse, motorun wt = 240° dolayında durunca ya kadar gücün eksi olduğu ve motor hız aldırıcı güç al maya başlayınca artı olduğu görülür. Hız kesme sırasında irgineç akımının belirli sınırlar içinde tutulabilmesi için ateşleme açı aralığının en az 180° olması gerekir.

Akım sınırlayıcı bir devrenin denetimi altında hız alan tek yönlü bir devre için de aynı tür ateşleme açı kullanı mı ve akım vuruşları gereklidir. Hız alma dönemi boyun ca ortalama akım akım sınırlayıcı devre ile değişmez tu tulacaktır.

Endüstriyel üç fazlı sürücüler ya 2 3 0 V ya da 4 6 0 V üç faz şebekeden genellikle trafosuz çalışacak biçimde ya pılır. Sürücülerde, dönüş yönünü değiştirme ve de frenle me gereksinmelerine bağlı olarak, tam denetimli ya da yarım denetimli köprüler veya yarım dalga devreler kul lanılır. Y arım dalga sürücüler nötür bağlantısı veya yıldız noktasını sağlayacak ayrı bir topraklama trafosu gerekti rir. Genel amaçlı sürücülerin beygirgüçleri yapımcıya bağlı olarak 1 beygirgücünden 1 5 0 beygirgücüne kadar değişir. Taban motor hızları tipik olarak 8 5 0 , 1150, 1 7 5 0 , 2 5 0 0 ve 3 5 0 0 devir dakika'dır. Daha yüksek güçte ki sürücüler ise bu gücü sağlamak için i k i ya da daha fazla tiristörlü köprülerin koşut kullanılması ile elde edilir.

ş e k il 1 8 . Endüstriyel Uç faz sürücü devresinin İşlevsel öbek çizimi

J

Oç faz yarım dalga her iki dönüş yönünde motor sürebi len bir sürücünün çalışma ilkeleri ve tasarımı (6) no'lu kaynakta tanımlanmıştır. Oç faz yarım denetimli köprü kullanan bir sürücü için denetim dizgesinin ve ateşleme

devrelerinin tasarımı (7) no'lu kaynakta

^jtu,

Uygulama, işlem ve bakımda ortaya çıkan sorunlar (8)

ve (9) no'lu kaynaklarda ele alımımştır. Ticari '«ilgiler isa

(4) no'lu kaynakta ele alınmıştır.

3. SONUÇ

Tek fazlı sürücülerde yarım dalga veya tam dalga doğrul tucu devreler kullanılır ve genellikle kesintili irgineç akı mı sağlayacak biçimde çalıştırılırlar. Daha ufak kesir beygirgUçia sürücüler genellikle açık devre, hız geri besle mesi olmadan çalışırlar. Daha büyük güçteki sürücülerde ise hız denetimi için irgineç gerilim duyarımı kullanılır.

Üç fazlı tiristörlü doğru akım motor sOrticUtari genellikle trafosuz; DA motor geriliminin doğrultulmuş değeri eşitlenerek tasarımlanır, iki yanm dalga devre takımı, iki yönlü sürücüler için, yarım denetimli köprü ise tek yönlü sürücüler için kullanılır. DUzenteker diy otlar ve irgineç devresine konan şok bobinleri irgineç p i m i n i n dalgacık oranını düşürmeye ve irgineç sargılarırMn fazla sınmasını önlemeye yarar.

KAYNAKLAR

(1 ) Gaudet, ).A; "Motor Speed Control System", U.S. Patent No. 3.123.757 Mart 1964.

Amp lifler Motor Control", Proceedings of the 1965 Intermag Conference, s. 1 6 2 . 1 • 1 6 2 . 7 , 1 9 6 5 .

(2) Pfaff.R.W; "Characteristic Of Phasa Controlled Brid ge Rectifiers with D C Shurt Motor Load " AIEE Trans.Appl.lnd, Cilt 77, No 2, s. 49 53, Mayıs 1958.

(3) Black, K.G; 'The Effect of Rectifier Discontinious Current on Motor Performance", AIEE Trans.lnd. Gen.Appl, s. 377 387, Kasım 1964.

(4) Kusko, A; "Packaged SCR DC Drives" Control Eng, Haziran Temmuz 1966.

(5) McMurray, W; "Reversing DC Motor Drives Using Bilateral Thyristors" Conference Record of the 1966 First Annual Meeting of the IEEE Industry and General Applications Group, s. 557 566, 1966 (6) Berman, B; Static high capacity regenerative D.C

(7 ) Wise, A.V ve Schlieman, R.G; "A DC Motor Drive Using the New Pressum Assembted Thyristors" Conference Record of the 1967 Second Annual Meeting of the IEEE Industry and General Applica tions Group, s. 7 1 7 9 , 1 9 6 7 .

(8) Schofield, J.R.G. ve Smtth, A * W hhnwre, M.G; "The Application of the *hyristor* to the Control of DC Machines", Proceedmgs of the 1965 IEEE Conference on Power Applications of Controllabk Semiconductor Devices, s. 21 9 225,1 965.

(9) Mellgren, G; "Tyristor Convertors Kor Motor drives some Experience in Desif n and Opcration", Procee dings of the 1965 IEEE Conference on Power AppH cations of Controllable Semiconductor Devices, s. 230 249,1965.