DEV KAZICILARIN DA MOTORLARINI SÜREN TİRİSTORLU ÇEVİRGEÇLER

dev kazıcıların DA motorlarını süren tiristnrln cevirgecler yazan: K l d U S

Gerhard Lönne çeviren: EfOİ S e z e r

ÖZET

Tiristorla sürülen ilk dev kazıcı 1973 Sonbaha rından beri çalışmaktadır. Tranzistorlu denetle yiciler ve tiristorlu çevirgeçlerin belli başlı üstünlükleri: oniki sürücü motorun verdiği momen tin eşdeğeri il iği, izin verilen en yüksek momen tin duyarlı sınırlanması ve özellikle kazıcının sessiz çalışması olarak sıralanabilir. Yazıda ar matür ve alan devrelerini besleyen tiristorlu çe virgeçlerin genel tasarım ilkeleri incelenmekte/ adımsız alan akımıyla hız denetimi ve alan tersi nimi ile gerilim denetimi kavramları tanıtılmak tadır.

UDK: 621.314.58:621.382.233 523.8: 621.313.2:621.879 181.2:629.11.012.57

SUMMARY

Ihe first giant excavator with thyristor fed track gear has been in service since the auttum of 1973. Ttıe ma in advantages of thyristor conver ters operating in conjunction with transistorized controllers are as follous: identical torgue de ve loped by ali tıtelve driving motors, accurate limitation of the permitted maximum torgue and particulariy guiet runningr of the excavator. The article deals with general design aspects of the thyristor converters whidı supply the armatüre and field circuits and describes the concepts for speed control by stepless field current ad justment and for voltage control by field rever sal.

Çevirgeç beslemeli (converter fed) zincir sürücü motorlarla donatılmış ilk dev kazıcı 1973 sonba harında Almanya'da Reinische Braunkohlenverke al çı madeninde çalışmaya başladı. Günde 100 000 m3 kazabilen 200 m uzunluğundaki kazıcının 8 800 tonluk ağırlığı, 12 kazıcı ve 3 yükleyici zinciri tarafından taşınıyor. Kazıcının her zinciri 130 kW, 1000 devir/dk'lık, kendi kendine soğutu lan bir DA motoru tarafından sürülmektedir.

DA motorları, ikişer ikişer yada üçer üçer küme lendirilmiş olup, her küme ayrı bir çevirgeç ta rafından beslenmektedir. Kapalı döngü denetim dizgesi (closed loop control system), bütün mo torların dönme momentlerinin (tork) aynı dUzeyde tutulmasını ve dönme momenti sınırlamasının doğ ru bir biçimde saptanmasını sağlar. Denetim diz gesi, 12 motorun gerçek hız yada gerilim değeri nin ortalamasını eşdeğer bir hız değişkeni ola rak kullanır, böylece kazıcının yumuşak hareket etmesi sağlanır. Alışılagelmiş Ward Leonard diz geleri i l e karşılaştırılınca, çevirgeçli sürücü lerin öteki üstünlükleri de bakım gereksinimleri

Klaus Koopmann ve Gerhard Lönne, Simens AG.

Erol Sezer, Asst., OOTÜ

nin ve özellikle kazıcı hareketsiz durumda iken kayıpların çok az olmasıdır.

A l ı ş ı l a g e l m i ş Ward Leonard D i z g e s i

Bugüne dek büyük kazıcıların zincirlerini süren DA motorları Ward Leonard dizgeleriyle beslenmek teydi. 12 zincirli kazıcıların motorları, bakı şımlı (simetrik) zincirlerde dizi bağlı ikişer mo tordan oluşan 6 küme, ters bakışımlı zincirlerde ise dizi bağlı üçer motordan 4 küme biçiminde s ı ralanıyor; bu kümeler bir baradan besleniyordu. Birçok durumda güvenilir bir kaynak sağlamak ama cıyla barayı beslemek üzere iki bağımsız motor ge neratör düzeneği kullanılıyordu. Motor hızları ba ra gerilimi değiştirilerek denetleniyordu.

Yükü motor kümeleri arasında e ş i t paylaştırmak için dizi armatür dirençleri kullanılıyordu. Bu ise, özellikle dönüşlerde sorunlar yaratıyordu. Armatür ve alan sargı dirençlerinin e ş i t olmaması (güneş ışınlarının etkisine ve ansal yüke bağlı olması), doğrusal olmayan armatür tepkesi (arma türe reaction) ve motor kümelerinin toplam geri limlerinin farklı olması, akım tüketiminin büyük farklılıklar göstermesine neden oluyordu.

Sürücü küme'si I

Sürücü küme'si VIı

YIÜ

YİV HD ARADDÜ

AD GD GHO GHB HSDDÜ

HSD AADDÜ

ADÇAD

Yokuş işlevi üreteci Hız denetleci Armatür akımı için dayanak değeri üreteci Akım denetleci Geçit denetleci Gerçek hız ortalayıcısı Gerçek hız bîrimi Hız sınırlama denetleci için dayanak değeri üreteci Hız sınırlama denetleci Alan akımı için dayanak değeri üreteci Alan devresi çevirgecinin akım

ADÇGD n*

Alan devresi çevirgecinin geçit denetleci Hız dayanak değeri

nnm* nm m ni" nvi

Ortalama hız dayanak değeri

Ortalama gerçek hız Sürücü kümelerin ortalama hızları

An

Hız denetim bölgesi

Armatür akımı dayanak değeri XA

Alan akımı dayanak değeri t:

Şekil 1. Adımsız alan tersinimi ile hız denetim devresi.

Bu sorunların üstesinden gelinmesi için en uygun düzenleme tüm motorların dizi bağlanması idi. Bu durumda, toplam gerilim pratik olarak değişmez tutulabileceğinden, dönüşlerde b i l e motorların aynı akımı çekmeleri ve kazıcının ortalama hızı nın değişmez tutulması sağlanacaktı. Bu çözümün, tümüyle kuramsal olduğu açıktır. Bir eksen kırıl ması, yada bir zincirin kayması durumunda, geri lim bölüşümünü denetleme olanağı kalmayacağından kazıcının hareketinin durdurulması gerekecektir.

Armatür ve Alan D e v r e l e r i n i n Duruk Ç e v i r g e ç l e r l e Beslenmesi

Duruk çevirgeçlerin (static converters)r tranzis torlu denetleçlerin ve ayrı ayrı beslenen motor kümelerinin kullanılması, bütün motorların dizi bağlanmasıyla elde edilecek üstünlükleri sağladı ğı gibi bu düzenlemenin sakıncalarını da ortadan

Şekil 2. Dayanak değeri üreteçlerinin giriş çıkış eğrileri.

Sürücü küme'si

Y İÜ

„• GrD

HEE

ARADDÜ

YİÜ

Yokuş işlevi üreteci

GrD

Gerilim denetleci

ARADDÜ Armatür akımı için dayanak

değeri üreteci

AD

Akım denetleci

GD

GO

Gerilim ortalayıcısı

GGB

Gerçek gerilim birimi

GSD

Gerilim sınırlama denetleci

AADDÜ Alan akımı için dayanak değeri

üreteci

ADÇAD Alan devresi çevirgecinin akım

ADÇGD Alan devresi çevirgecinin

MB

Mantık birimi

CUYİ Dönme momenti yön imi

Gerilim dayanak değeri

uAm

Ortalama armatür akımı dayanak

değeri

Al AVI Sürücü kümelerinin ortalama endüvi akımları

Gerçek motor gerilimi

Au

Gerilim sınır bölgesi

Akım dayanak değeri

Alan devresi çevirgeçleri akım denetleçlerinin akım dayanak değeri

Gerilim sınır denetleci dayanak değeri

Şekil 3. Normal alan ters in imi ile gerilim düzenleme devresi.

kaldırmaktadır. Bir zincir kayması yada eksen kı rılması durumunda yalnız o zinciri süren motor kümesi devreden çıkarılmakta, kapalı döngü dene tim, bu kümenin devreden çıkmasının yaratacağı dönme momenti kaybının öteki kümelerce özdevimsel (otomatik) olarak karşılanmasını sağlamaktadır. Küme sayısı, kümelerden birinin devreden çıkması durumunda çalışmanın sürekliliği aksamayacak bi çimde, motorların aşırı yük sığaları da (overload capacity) buna uygun olarak seçilmiştir.

Kazıcının en yüksek hızı 10 m/dk ve bu hıza ulaş mak için geçen süre en az 6 sn olduğundan, kapalı döngü denetim dizgesinin davranışının çok t i t i z likle belirlenmesi gerekli değildir. Masrafı azalt mak için, motorları sürmek üzere alan tersinimi (field reversal) için tasarımlanan iki çeyreklik

çevirgeçler kullanılmış; tiristorlar en yüksek mo tor akımını sürekli taşıyabilecek büyüklükte se çilmiştir.

Alan devreleri tersinir (reversible) çevirgeçler le beslenmektedir. Alan akımı denetim devresinin yalın olması için çapraz bağlantı kullanılmıştır. Her motor kümesi için ayrı bir alan devresi çe virgeci kullanılarak yüksek güvenirlik sağlanmış tır.

Adırfısız Alan Tersinimi i l e Hız Denetimi

Kapalı döngü denetim dizgesi Şekil l'de görülmek tedir. SIMADYN C birimlerinden oluşan dizge, bir yokuş i ş l e v i üreteci (ramp function generator), hız denetim döngüsü, içsel armatür akımı ve alan

akımı denetim döngüleri ve hız sınırlama döngüle rini içerir.

Yokuş işlevi üreteci (YİÜ), hız dayanak değerini (n*), hız denetlecine (HD) iletir. Dizgede geri besleme değişkeni olarak motorların gerçek hızla rının ortalaması, n , kullanılır. Böylece, kazı cının hareketinin düzgünlüğü ve dönüşlerde hızı nın değişmemesi sağlanır. Her motorun hızı bağlı bulunduğu zincirin dönüş yarıçapına ve zincir dişlisinin açısal konumuna bağlı olarak, kendi kendine ayarlanır. Bir motor kümesi devreden çı karsa, geribesleme değişkeni uygun bir biçimde düzeltilir.

Hız, denetlecinin çıkış iminin (sinyalinin) büyük lüğü ve işareti tüm motorlardan istenen toplam dönme momentinin bir ölçüsüdür ve armatür akımı ve manyetik akı için dayanak imi olarak kullanı lır. Adımsız alan ters inimi için izlenen bu yön temin özelliği, dönme momenti denetim bölgesinde armatür akımı yada manyetik akıdan yalnız birinin değiştirilmesidir. Hız denetlecinin çıkışının be lirlenmiş bir sınırın altında kaldığı hızlarda armatür akımı değişmez tutulur, dönme momentinin büyüklüğü ve yönü akı değişimi ile denetlenir. Bu sınır değerinin üstündeki hızlarda ise, dönme momenti armatür akımı değiştirilerek denetlenir. Bu yöntemde, dönme momenti değişim bölgesinde dizge parametreleri değişmediğinden, hız denet leci için özdevimsel bir uyarlama (adaptasyon) gerekmez.

Hız denetlecinin çıkışı armatür akımı için daya nak değeri üretecine (ARADDÜ) ve alan akımı için dayanak değeri üretecine (AADDÜ) iletilir.

AADDÜ, daha önce sözü edilen sınır değerini de gözönüne alarak, HD çıkışının salt değerini alır ve armatür denetim devresini alan denetim devre sinin davranışına uydurur. ARADDt) çıkış gerilimi armatür çevirgeç kümelerini besleyen baraya ve rilir. Böylece, tüm motorların armatür akımları belirli bir sınır değerinin altında ve aynı dü zeyde tutulur. Çapraz bağlı alan devresi çevirgeçleri için ters işaretli iki AADDÜ çıkışı gereklidir. Bu çıkış imleri, alan devresi çevirgeçleri için dayanak değerlerini oluştururlar. Böylece, tüm motorla rın alan akımları aynı düzeyde tutulur. Alan de netim devresi, <J>«f(JE) akı bağıntısından hare ketle, akının dolaylı olarak denetimini sağlar.

Dayanak değeri üreteçlerinin (ARADDÜ ve AADDÜ) giriş çıkış eğrileri Şekil 2'de görülmektedir.

Her motor için, zincir kayması yada eksen kırıl ması durumlarında motor hızını belirli bir değe rin altında tutabilmek için bir hız sınırlama de netleci, HSD, kullanılmıştır. Sınırlama işlevi, önceden belirlenmiş n + An hız bölgesinde etkin değildir. Hızın yükselmesi durumunda HSD, akım denetleci yoluyla ilgili motorun armatür akımını ayarlar, böylece hızın daha çok artmasını önler.

Normal Alan Tersinimi ile Gerilim Düzenlemesi

Şekil 3'den de görüldüğü gibi, bu dizgede gerçek hız değerinin elde edilmesinde takogeneratör kul lanılmamıştır. Bundan önceki bölümde açıklanan adamsız alan tersinimi ile hız denetleme yerine,

Do$ı v»Uma

^

Evirme"

ivmeltnre evresi Oefrşmer Vnx

Tersinim evresi

<^

LJTfersinimevr*si

YI/F

1 Ortalama armatür gerilimi dayanak değeri 2 Ortalama gerçek armatür gerilimi

Şekil 4. Tersinim işleminin salınım diyagramı.

bu dizge, normal alan tersinimi ile motor gerili mini düzenleyerek hızı denetler.

Gerçek motor gerilimi, u^, DA gerilim dönüştür geçleri (d.c. potential transformer) ile belirle nir ve gerçek hız değerine eşdeğer bir değişken olarak kullanılır, öte yandan, denetlenen değiş ken, alan tersinimi sonucu, tersinim evresinde ve bunu izleyen dönemde işaret değiştirdiğinden, u değeri alan tersinim devresine doğrudan uygu lanamaz, örneğin, hız/dönme momenti diyagramının birinci çeyreğinde çalışmaya başlandığında, ikin ci çeyreğe geçerken alan akımının ve gerilim imi nin işaretleri değiştirilmelidir.

Bu ve benzeri işler, denetim dizgesinin ana öğesi olan mantık birimi, MB, tarafından görülür. Man tık birimi, her iki yönde alan akımları için, akım denetim döngülerinin dayanak değerlerini saptar.

Gerilim denetleci giriş imi, u^m, büyüklük ve işaretleri ayrı ayrı akım dönüştürgeçlerinden el de edilen 12 değerden (u^ı ~ U A 1 2 ) oluşturulur. uAm> nuntık birimine, gerilim ortalayıcısı tara fından iletilir.

Mantık birimi tarafından denetlenen bir tersinim işlemi süresince alınan salınım çizgesi, Şekil 4' de görülmektedir. Mantık biriminin, daha önceki dönme momenti yönüne uygun olarak duruş süresince koruduğu Z 50 oranındaki uyarma değerinden başla yarak, denetleç tarafından belirlenen yeni dönme momenti yönüne bağlı olarak artı yönde bir alan akımı oluşturulmuştur. Tersinim evresinde, yokuş işlevi üreteci, henüz sıfırda olan u^ değerine sürülmüştür. Tersinim işlemi sonunda, ivmelerime aşamasına geçilmiştir. Değişmez hızda bir süre yol aldıktan sonra da, sürücünün denetim levyesi ni sıfıra getirmesiyle, dönme momenti yönü ters çevrilmiştir. Bu durumda, mantık birimi alan dev resini ters çevirmiş ve tersinim evresinde daya nak değerini düzeltmiştir. Durduktan sonra da alan akımı mantık birimi tarafından Z 50 değere getirilmiştir.

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 23S