DEĞİŞMEZ MOMENTLİ BİR DA MOTON SÜRÜCÜSÜ

Değişmez momentti bir da motor Surucusu

1. GİRİŞ

Endüstride, süreç denetim en sık adı geçen konulardan biridir. Eğer süreç denetime tabi tutulan dizge bir elek trik motorunu içeriyorsa, denetlenen değişken hız, güç, akım veya moment olabilir. Değişken bunlardan hangisi olursa olsun denetim sorunları benzer olmaktadır. Bunun nedeni de yukarıda adı geçen değişkenlerin birbirine ba ğımlı değişkenler olmalarıdır.

Doğru akım makinaları denetime en uygun elektrik ma kinalarıdır. Doğru akım makinaiarının denetimi almaşık akım makinalarına oranla çok daha basit ve hassas olarak yapılabilmektedir. Y arı iletken teknolojisindeki hızlı ge lişme ile denetimli doğru akım makinaiarının uygulama alanları daha da genişlemiştir.

Bu yazıda yüksek güç tranzistörleri kullanılarak gerçek leştirilen bir denetleçin tasarımı anlatılmaktadır. Söz ko nusu denet leç, değişmez momentli bir doğru akım sürü cüsü olarak tasarlanmıştır. Metal işleme makinaiarının hemen tümü, bazı taşkırma aygıtları, su pompaları de ğişmez momentle çalışan elektrik makinaları içerirler. Bunun yanında bazı raylı dizgeler de değişmez moment le çalışan motorlar kullanırlar.

Yazan: Müjdat TOHUMCU

Bu yazının konusu denetleçte, değişmez moment VAR Y OK akım denetimi sayesinde, motor akımını belirli alt ve üst seviyeler arasında t ut arak gerçekleştirilmekte, başka bir deyişle motoru sürmek amacıyla bir değişmez akım kaynağı kullanılmaktadır.

2. GÜÇ VURUŞLARIYLA DENETİM VE DOĞRU AKIM KIYICILARI

ÖZET

Bu yazıda doğru akım motorlarının güç vuruşlarıyla de netimi anlatıldıktan sonra, değişmez momentli doğru akım sürücüleri için tüm anahtarlama elemanları tranzis törden oluşan bir denetleçin tasarımı anlatılmaktadır. Ayrıca denetleçin çalışması ile ilgili kuramsal ve deney sel sonuçlardan örnekler verilmektedir.

Son yıllarda tiristör ve tranzistör teknolojisinde gözlenen hızlı gelişme doğru akım makinaiarının güç vuruşlarıyla denetimini olanaklı kılmıştır. Bu tür denetimin gelenek sel denetim yöntemlerine oranla en büyük avantajı güç kayıplarında görülen azalmadır. Uygulamaların daha çok doğru akım makinalarında olmasına karşın, bazı almaşık akım uygulamalarına da rastlanır, özellikle elektrikli ta şıtlarda denetleç kayıplarının az olması çok önemli bir noktadır. Bunun da başlıca nedeni, taşıt üzerindeki kay nağın boyutlarının ufak tutulması zorunluluğudur ki bu da kaynakda depolanan erkeyi önemli ölçüde sınırlar.

SUMMARY in this article fırst the control of de motors by poıver pulses is explained. Aftenvards the design of a fully transistorized de convertor for constant torque appli cations is presented and also theoretical and practical results are given related to its operation.

Kıyıcı ile denetlenen bir motorun girişi gerilim veya akım vuruşlarından oluşur. Bir denetim devresi aracılığı ile vuruş süreleri veya sıklık, y a d a her kişi birden denet lenebilir. Bu tür denetimde kayıplar anahtarlama kayıpla

Müjdat TOHUMCU, ODTÜ

n, denetim devresi kayıpları ve motorda oluşan bir takım devresini oluşturmaktadır. Değiş devreleri kullanılan kı ek kayıplardır. Akım vuruşlarını denetleyerek moment yıcı tipine göre değişik biçimler alabilir. ya da hız denetlenebilir.

Kıyıcı ile denetlenen bir doğru akım motorunda, dene tim anahtarlama elemanını VAR Y OK konumunda ça lıştırarak, denetlenen değişkenin değerini ayarlayacak şekilde belirli oranda bir erkeyi kaynaktan makinaya iletmekte sağlanır. Bir doğru akım kıyıcısı en basit duru muyla Şekil 1'de gösterilmiştir.

3La (\ Motor V'lrgineci

Şekli 2. Basit bir tlrlstonu <ıyıc.

: KUYRUK

şekil 1. Doğru Akım kıyıcı

Anahtar herhangi bir uygun anahtarlama elemanı olabi lir, fakat uygulamada çoğunlukla tiristörler veya tranzis törler kullanılmaktadır. Motor irgineçine dizi olarak gös terilen endüktansının işlevi motor akımındaki değişimle ri yavaşlatmak, dolayısıyla akımı süzmektir. Girişteki diyotun işlevi ise vuruşlu kaynak akımı kesildiği zaman, irgineç akımını taşımaktır. Görüldüğü gibi kaynak vedi yottan geçen akımlar vuruşlar halinde olurken, bunların toplamının oluşturduğu motor akımı sürekli olmaktadır. Kaynak akımının vuruş süresinde, doğru akım motoru ve ona dizi endüktansda erke depolamakta, vuruş kesildi ğinde ise depolanan erkenin bir bölümü salıverilmektedir. Kaynaktan makinaya vuruşlar halinde iletilen erke sade ce VAR Y OK sürelerini denetleyerek ayarlanabilmekte dir.

Zaman f

Şekli 3. Şekil 2'deki devrenin ç ı k ı ; gerilim d»ısa biçimi

Tiristörlü kıyıcıların en önemli sorunlarından birisi de Şekil 3'de görüldüğü gibi çıkış dalga biçiminde "kuy ruk" diye adlandırılan kısımdır. "Kuyruk" süresi genel likle vuruş süresiyle karşılaştınlabtlir değerler alıp dene tim alanını azaltabilir ki bu da elde edilebilir en yüksek ortalama çıkış gerilim değerini önemli ölçüde düşürebi lir. Çıkış gerilimini çeşitli şekillerde düzeltmek mümkün olmakla birlikte tüm bu çabalar beraberinde devreye ek lenecek yeni öğeler (sığaçlar, endüktanslar, diyotlar, t i ristörler, doyumlu endüktanslar) getirmekte, bunlar da hem devrenin boyutlarını artırmakta, hem de yeni değiş sorunlarına yolaçmaktadır.

2.1. TİRİSTÖRLÜ DOĞRU AKIM KIYICILARI

Geleneksel uygulamalar için tasarlanan kıyıcıların hemen tümü tiristör kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Buna ne den, varolan tiristörlerin akım değerinin tranzistörlere oranla daha yüksek olmasıdır. Fakat tiristörlü kıyıcılar uygulamada birçok sorunlar doğurmaktadır, örneğin çı kış geriliminde denetlenebilir bir dalga genişliği elde et mek için en az iki tiristöre gerek olması bu sorunlardan biridir, iki tiristörden biri ana anahtarlama elemanı ola rak kullanılırken, ikincisi bunu susturmak amacıyla kul lanılır. Tiristörlü kıyıcı devreleri çeşitlidir. Bunlardan ba sit birisi Şekil 2'de gösterilmiştir. Şekil 3 ise bu devrenin çıkış gerilim dalga biçimini göstermektedir.

Devrenin ana anahtarlama öğesi T! tiristörüdür. Devrede almaşık gerilim var olmadığından değiş (commutotion) ancak başka bir tiristörie olmakta, Tj tiristörii T2 tiris törünün ateşlenmesi ile susmaktadır. Şekildeki endük tans, sığaç ve bunlara dizi diyot devresi, kıyıcının değiş

özet olarak söylenebilir ki tiristörlü kıyıcıların sorunları nın altında tiristörün susturulma zorluğu yatmaktadır.

2.2. TRANZİSTÖRLÜ DOĞRU AKIM KIYICILARI

Son yıllarda yüksek güçlü anahtarlama tranzistörleri üre timi hızlı bir gelişme göstermiştir. İncelemeler ve deney lerden anlaşıldığına göre tranzistörlü anahtarlar, tiristörlü anahtarlara göre daha az anahtarlama ve geçirgenlik ka yıplarına, daha küçük boyutlara sahiptirler. Ayrıca bu tür anahtarlar tiristörlü benzerlerine göre daha hızlıdırlar. Bunun yanında tranzistörlü doğru akım kıyıcıların meka nik yapıları seri üretimin sorunları gözönüne alındığında tiristörlü benzerlerine oranla daha elverişlidirler, özellik le düşük gerilim, yüksek akım kıyıcıları söz konusu oldu ğunda tranzistörün tiristöre ciddi bir seçenek olduğu or taya çıkmaktadır. Şekil 4'de tranzistörlü bir kıyıcı, Şekii 5'de ise bu kıyıcının çıkış gerilim dalga biçimi görülmek tedir.

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 271 • 272

I İY ük

U

,v

İRSİNEÇ 1f

AKIM

ÖRNEK 0 EV RESİ

•ERİ BESLEME DEVRESİ

ANAHTAR KORUMA DEVRELERİ

ANAHTAR

ANAHTAR SÜRÜCÜ

OPTİK BASLAŞTIRICI

var

Şekil 4. Tranzlstörlü doru akım kıyıcısı

Şekil 5. Tranzlstörlü doğru akım kıyıcısının çıkış gerilim dalga biçimi.

Bu kıyıcıda anahtarlama öğesi olarak toprakla yük arası na bağlanmış bir NPN tranzistör kullanılmıştır. Tabana tranzistörü doyuma sokmaya yetecek bir akım uygulan dığında, tranzistör toplayıcısındaki gerilim tranzistörün geneiiikle kaynak gerilimine göre çok ufak olan doyum gerilimine düşmekte, bu durumda da kaynak gerilimi he men hemen tümüyle yük üstünde görülmektedir. Bunun sonucu olarak tranzistörün doyumda kaldığı VAR süre sinde ( T y A £ ) , kaynak, yük ve anahtar akımları birbirine eşit olmaktadır. VAR süresinin bitiminde ise tranzistörün taban akımı kesilerek, anahtar açılmaktadır. Bu durumda ise yük akımı diyot üzerinden akmaya devam etmekte, yükün üzerinde görülen gerilim ise diyotun geçirgenlik gerilimine yani yaklaşık sıfıra düşmektedir. YOK süresi nin (Tyoı<) bitiminde ise anahtar tekrar kapanmaktadır.

Bu dalga biçimleri çizilirken anahtarlama elemanının, anahtarlama sürelerinin VAR YOK sürelerine oranla ih mal edilebilir bir seviyede olduğu varsayılmıştır.

SX

1i

Zaman Şekli 7. Moment denetimli DA motoru ve gerilim dalga biçimleri

Görüldüğü gibi bu kıyıcının da çalışma ilkeleri tiristörlü kıyıcının çalışma ilkelerine benzerdir. Tek fark tranzis törün susturulmasının, bir sürücü devre aracılığı ile taba na giden akımı keserek kolayca sağlanılabilmesidir.

Tranzistörlü kıyıcıların da birlikte getirdiği birçok sorun lar vardır. Bunların temel nedeni tranzistörlerin henüz akım ve gerilim seviyeleri açısından tiristörler kadar ge lişmemiş olmamalarıdır. Özellikle gerilim seviyeleri açı sından tranzistörler tiristörlere oranla oldukça düşük de ğerlidirler.

Akım dalga biçiminden de gözlemlenebileceği gibi eğer akım alt ve üst değerleri arasındaki fark (t I "), akım ortalama değerine (I) göre düşük seçilirse motor irgineç akımı yaklaşık olarak değişmez kabul edilebilir. Eğer kullanılan motor ayrı uyanlrmş veya dizi bir motorsa, bu durumda akımla birlikte moment de değişmez kabul edi lebilir.

Gerçekleştirilen dizgenin kuramsal incelemesine geçme den önce, incelemede kullanılan varsayımları şöyle sıra layabiliriz:

3. MOMENT DENETİMLİ AYRI UYARILMIŞ DOĞRU AKIM MOTURU

3.1. KURAMSAL İNCELEME

Şekil 6 bu yazının öbek çizimini göstermektedir. Bu sistemde irgineç akımı geribesleme aracılığı ile belirli alt ve üst seviyeler arasında tutulmaktadır. Bu devrenin akım ve gerilim dalga biçimleri Şekil 7'de gösterilmiştir.

"*• ^VAR w ^YOK ' ' s ü r e e r boyunca motor hızı değiş mez kalmaktadır.

2. İncelemede irgineç devresinin toplam direnci olarak (R), irgineçin içdirend ile akım örnekleme kullanılan direncin toplamı olarak alınmaktadır, irgineç devresi nin toplam endüktansı (L) ise, irgineçin kendi endük tansı artı irgineçe dizi bağlanan ve akımı süzmeye ya rayan endüktans olarak kabul edilmektedir, inceleme de irgineç devresi endüktansı (L) değişmez olarak ka bul edilmektedir. Akımda görülen artışlarla endüktan

sın doyuma yaklaşmasından dolayı değerinde görülen

düşmeler gözardı edilmektedir.

'a = ' s ~ 0, I ~) e***

VAR süresi (3)

3. Motorun endükleme (magnetization) eğrisinin doğru sal olduğu kabul edilmektedir.

4. İrgineçin toplam akı üzerindeki etkisi ihmal edilmiş tir.

5. Hesaplanan moment değerleri motorun demir ve sür tünme kayıplarını gözönünde tutacak şekilde düzeltil me niştir.

Tüm bu varsayımlarla kıyıcı ile sürülen doğru akım moto ru, eşdeğer devre olarak Şekil 8'deki gibi gösterilebilir.

io

' a = ( ' + + M 'e t / T >T

(4) Y 0 K $ ü r e s i

(3) ve (4) numaralı eşitliklerde görülen ls, IT ve T değer leri ise şu şekilde tanımlanmaktadır.

ls =(V eg)/R

/ = Lg/R

Bu iki eşitlikten T y A R ve T y 0 K süreleri ise şu şekilde bulunabilir:

Vt JL

Anahtarlama sıklığı f i ş e ; f = 1 / (TVAR + ^ Y O K ) o\ank bulunabilir.

Bu durumda motor ortalama akımı

Şekli 8. Kıyıcı İle sürülen DA mot oru eşdeğer devresi

Burada e8 : irgineçde endüklenen gerilim <p : toplam akı w : motorun dönme hızı (rad/sn) L : irgineç devresi toplam endüktansı R : irgineç devresi toplam direnci

ORT

's ~ TY OK

'ORT = f t T V A R / ( T V A R

g

olmaktadır. Ortalama moment ise;

^ ^ 'ORT °'ara'< bulunabilmektedir.

Bu modedeme ile akım ve moment için şu eşitlikler yazı labilir.

[L(d/dt)la]

(D

3.2. TASARIM

Şekil 6'da öbek çizimi gösterilen dizgenin çalışması şöy le olmaktadır:

(2)

VAR Y OK süreleri boyunca motor hızı değişmez kabul edildiği için ve ayn uyanlmış doğru akım motoriannda akı değişmez olduğu için (1 ) numaralı eşitliğin en sağın da görülen e = K 0 w terimi, yani motorda endüklenen gerilim değişmez olarak kabul edilebilir. Bu durumda motor akımı (1) numaralı diferansiyel denklemden şu şe kilde çözülebilir. (Çözümler sırasında, zaman " t " , her VAR ve Y OK süresi başından itibaren alınmaktadır).

Akım, tek bir dirençten oluşan akım örnekleyici devresi üstünden sezilmekte ve elde edilen im geribesleme devresi girişine uygulanmaktadır. Şekil 9'da öbek çizimi gösteri len geri besleme devresi de irgineç akımının belirli bir an daki değerine göre anahtarın açık ya da kapalı olmasına karar vermekte ve buna uygun " im" üretmektedir.

VAR süresi

I.İA

t=0 t = T VAR

Y OK süresi

= r vt= v

t=0

.; a = r , v t = o

t = TY OK : L = I "

Şekil 9. Geri Besleme devresi öbek çizimi irgineç akımının değeri ise, geribesleme devresinde Vc olarak gösterilen gerilimi değiştirerek ayarlanabilmekte dir. Kullanılan Schmitt tetikleyici devresinin giriş çıkış gerilim eğrisi Şekil 10'da gösterilmiştir.

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 'Mİ 272

Vçıkışi

7V

Şekli 10. Schmltt tetikleyicl glrlş çıkış gerilim eğrisi.

Şekil (9) ve Şekil (10), dizgenin çalışma ilkeleri de göz önüne alınarak incelendiğinde, şu bağıntılar elde edilebi lir: Bu çalışmada tasarımı yapılan dizgede irgineç akımının alt ve üst seviyeleri arasındaki farkın 200 mA olması amaçlanmaktadır. Başka bir deyişle, şu bağıntılar geçer lidir:

l+ = 1+0,1

I " = I 0,1

Şekil (9)'da V3 olarak gösterilen Schmitt tetikleyici giriş geriliminin alabileceği en yüksek ve en düşük gerilimler I + ve I " cinsinden bulunup, Schmitt tetikleyici durum değiştirme gerilimlerine eşitlendiğinde ortaya çıkan ba ğıntılardan, irgineç akımı ile Vc gerilimi arasındaki ba ğıntı,

izlenimi verebilir. Fakat şu gözden kaçırılmamalıdır ki, geribesleme devresinin herhangi bir nedenle görevini ya pamaması, akımın anahtar için çok tehlikeli boyutlara çıkmasına yol açabilir. Bunun için.geribesleme devresin den bağımsız bir akım koruma devresi gereklidir. Bu dev re, akım belirli bir seviyeye eriştiğinde dizgeyi sustur maktadır. Akım koruma devresinde kullanılmak üzere sezilen akım ise tranzistörün yaylasından örneklenmek te, böylece akım koruma devresinin geribesleme devre sinden bütünüyle bağımsız olarak çalışması sağlanmakta dır.

Gerçekleştirilen dizge herhangi bir doğru akım kayna ğından çalışabilir. Fakat dizgede kullanılan denetim tü ründen de anlaşılabileceği gibi, böylesi bir dizge için dü zenlenmiş bir doğru akım kaynağına gereksinim yoktur. Bu nedenle gerçekleştirilen denetleç 220V, 50 Hz.lik ge rilimin bir diyot köprüsü ile doğrultulup, yüksek gerilim sığaçları ile süzülmesi ile elde edilen ekonomik ve kayıp sız denilebilecek bir güç kaynağından çalışacak şekilde tasarlanmıştır.

4. DENEYSEL SONUÇLAR

4.1. DIŞTAN UYARILMIŞ DOĞRU AKIM MOTORU İÇİN SONUÇLAR

| = (|+ + | )/2 = 1,35 V c 3,5 olarak bulunabilir.

Kolayca tahmin edilebileceği gibi, dizgede tranzistör anahtarlama elemanı olarak kullanıldığı için.geribesleme devresinin ürettiği im sayısal devrelerde olduğu gibi ya alçak (0) ya da yüksek (1) durumlu bir gerilimdir. Fakat bu gerilim kaynak tarafından örneklenmiş bir akımdan elde edildiği için, kaynak gerilimi seviyesinde bir gerilim dir. Başka bir deyişle, bu gerilimi üreten elektronik dev renin toprağı ile anahtarlama öğesinin toprağı arasında yaklaşık kaynak gerilimi kadar bir fark vardır. Bunun do ğal bir sonucu olarak elde edilen gerilim, anahtarı sürmek için doğrudan kullanılamaz. Tranzistörü sürmek için üretilen imi tabana iletmeden önce izolasyon şarttır, Bı amaçla geribesleme devresinin çıkışında bir optik bağlaş tırıcı kullanılmıştır. Optik bağlaştırıcı çıkışı anahtar sü rücü devresi ile yükseltildikten sonra, yüksek güç tranzis törünün tabanına uygulanabilir.

Gerçekleştirilen denetleçten elde edilen deneysel sonuç lar, tasarımı yapılan dizgenin arzulanır şekilde çalıştığını göstermiştir. Elde edilen deneysel sonuçlardan birisi, ay rı uyarılmış doğru akım motorunun irgineç akımı, Şekil 11'de görülen fotoğraftaki gibidir. Sekilin yanında, fo toğrafın alındığı andaki çalışma koşulları belirtilmekte dir.

Şeklin yanındaki bilgilerden anlaşılabileceği gibi akımın alt ve üst seviyeleri arasındaki fark 190 m A olarak ger çekleşmiştir. Tasarım sırasında hedeflenen 200 mA'lık

Dizgeye, anahtar öğesini korumak amacıyla bir takım ko ruma devreleri de eklenmiştir. Bunların başlıcaları diğer yarı iletkenler ile de kullanılan ve anahtarı hızlı gerilim değişmelerinden koruyan direnç sığaç devresi ve akım koruma devresidir.

5<?Kıı i l . uıştan uyarılmış DA motoru irgineç akımı farktan da küçük olan bu değer, istenirse devre öğeleri nin değerlerinde yapılabilecek değişikliklerle daha da dü şürülebilir.

Kullanılan dizgede akımın zaten bir tepe değeri ile sınırlı Aynı çalışma koşullarındaki tranzistör ve diyot akımları olması, ayrı bir akım koruma devresine gerek olmadığı İse Şekil (12) ve Şekil (13)'de gösterilmektedir.

Şekil 12. Tranzlstor akımı

TABLO 1:

K ve f değerlerinin hıza karşı aldığı değerler

I+ = 0,62A

I = 0.43A

Hız

TVAR

TYOK

(dev/dak) (mikrosaniye) (mikrosaniye)

(Hz)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Tablo 1'de gösterilen değerler elde edilirken, deneyler sırasında kullanılan motorun eşdeğer devresi kullanılmış tır.

4.2. DİZİ DOĞRU AKIM MOTORU İÇİN SONUÇLAR

Şekil 13. Dlyot akımı

Dizgenin T y A R ve T Y Q K süreleriyle ilgili bağıntılar 3.1 kısmında çıkartılmıştı. Bu bağıntılarda gözüken l< ve l r değerleri hıza bağımlı oldukları için, belirli bir akım sevi yesinde T y ^ R ve Tyoı< sürelerini belirleyen değişken hız olmaktadır. Hızın T y ^ R ve T y o K sürelerinin üzerin deki etkisi en açık bir biçimde Şekil 14'de görülebilir. Bu Şekilde aynı akım seviyesindeki akım dalga biçimi ikr ayrı hızda tespit edilmiştir.

Gerçekleştirilen denetleç, dizi bir doğru akım motorunu sürmek amacıyla da kullanılmıştır. Sonuçda dizi doğru akım motorunun da beklendiği gibi değişmez momentle çalıştığı gözlenmiştir. Şekil 15 gerçekleştirilen denetleç ile sürülen bir dizi motorun akım dalga biçimini göster mektedir. Görüldüğü gibi akım dalga biçimi dıştan uya rılmış doğru akım motoru irgineç akım dalga biçimine oldukça benzerdir.

Şekli ı s . Dizi motor akım dalga biçimi

Şekil 14.1 ki ayrı hızla Irglneç akımı

Farklılık şekilde çok açık bir biçimde görülebilmektedir. Hızın T y A R ve T y o K zamanları üzerindeki etkisi ku ramsal olarak da incelenmiş, bu amaçla belirli bir akım seviyesinde T y A R , T Y Q K ve f değerlerinin hıza göre na sıl değiştiği bilgisayar kullanılarak tespit edilmiştir. Orta ya çıkan tablodan örnek olarak alınmış bazı değerler Tablo 1'de gösterilmektedir.

5. SONUÇ

Bu çalışma, doğru akım motoru denetiminde güç tran zistörlerinin tiristörlere ciddi bir seçenek olabileceğini göstermiştir. Tranzistörlü dizgelerde denetim sorunları çok daha basitçe çözümlenebilmektedir. Bu dizgelerin anahtar açma kapama ve koruma devreleri de daha basit olmaktadır. Fakat tranzistörlü anahtarlar akım ve gerilim seviyesi açısından tiristörlü benzerleri kadar uygulamada bazı sınırlamalar getirmektedirler.

MiynF.NntKT.tGtt 271 272