MÜHENDİSLİK DÜNYASI

mühendislik dünyası uygulamalar endüksiyon motorları için düşük maliyetli elektronik hız denetleyicisi

Asenkron (Endüksiyon) motorla rının hız ayarında temel ola rak üç yöntem kullanılır. Bun lardan biri (muhtemelen en iş lerliği olanı) besleme frekan sının değiştirilmesidir. Bütün rotor hızlarında kayma (slip) tutularak devamlı hız değişimi yapılabilir. Yazıda kısaca en düksiyon motorunda kullanılan hız denetim yöntemleri karşı laştırılmakta ve deneysel ola rak gösterilmiş en uygun düşük maliyetli hız denetim sistemi planlanmaktadır.

Asenkron motorun en baştaki avantajı, diğer elektrik mo torlarına göre daha ucuz ol ması ve yüksek güvenilirliği dir. Bundan dolayı endüstride tüm elektrik motorlarının % 90' nını bunlar oluşturur. Normal olarak asenkron motorlar tam yükteki kaymaları düşük olacak biçimde (0,05*ten az) yapıldık larından değişmez hızlı motor sa yılabilir ve hızları besleme frekansı ve kutup sayılarına göre belirlenir. Motor hızının değiştirilmesinin istendiği birçok uygulamalar vardır. Ge leneksel olarak hızı kolay de netlendiğinden böyle yerlerde DA motorları kullanılmaktadır. Ancak bunlar daha pahalıdır ve değişken hızlı AA komüta tör motorlarının sorunlarına sahiptirler.

TEMEL YÖNTEMLER

Asenkron motorların hız dene timinde temel olarak üç yöntem kullanılmaktadır. 1) rotor kay masının değiştirilmesi, 2) sar gı kutuplarının değiştirilmesi, 3) frekansın değiştirilmesi.

Rotor kaymasının (slip) değiş tirilmesi, rotor direncinin değiştirilmesi ya da rotordan güç çekme ile yapılabilir; an cak her iki durumda da rotorda kayma bileziklerine (slip ring) gerek vardır. Bu da çoğunlukta ki motorlar için bir dezavan tajdır. Sincap kafesli motor larda hız denetimi için bir başka yöntem de stator gerili minin değiştirilmesidir. Bu da % 10 gibi küçük bir hız aralığı ile sınırlandırılmış tır.

Hız denetiminde ikinci yöntem bazı özel motorların kutup sar gılarını artırmaktır. Bu yön

temde iç bağlantılar anahtarla denetlenerek kutup sayıları de ğiştirilir. Açıktır ki hız, ku tup çiftlerinin sayılarına kar şılık olan değerler için ayar lanabilir ve; motorlar da üç basamakta hızları % 50 azala cak kadar geliştirilmiştir. Bu özellik endüstride büyük oranda kullanılan özel ve sı nırlı değişkenliği olan motor lar için geçerlidir. Üçüncü, ve belki de en geçerli yöntem besleme frekansının değiştiril mesidir. Bu yöntem ile bütün rotor hızları için değişmez kayma ve yüksek verimli sürek li hız değişimi yapılabilir. Bu yöntem genel olarak sincap kafesli motorlara da uygulana bilir. Gerekli moment ve verim liliği sağlamak için çalışma sırasındaki değişmez manyetik akı (flux) koşullarının daha da iyi sürdürülmesi istenir.

Bu ise stator gerilimi frekans la değiştirilerek sağlanabilir. Değişken frekanslı stator gücü AA katı durumlu frekans çevir gecinden (solid state frequency converter) elde edilir. Motoru tam güçte çalıştırmak için güç yarıiletkenleri (power semi conductor) iki seri devre ha linde kullanılır, (AA kayna ğından doğru akıma ve doğru a kımdan değişken frekanslı alterna tif akıma) bu da sistemin pahalı olmasına yol açar. Çok fazlı bir besleme kaynağı bulma ola nağı varsa, paralel yarı ilet kenler kullanılarak frekans değiştirilebilir, ancak bu da pahalı ve karmaşık bir işlet medir.

Endüstrideki temel gereksinme lerden hareketle asenkron mo torlarda hız ayarlayıcılarının; hız değiştirme aralığının (ran ge) 1 : 10 olması, bütün kafes tipli motorlara uygulanması, genellikle ucuz ve güvenilir olması istenir. Bunlardan son iki nitelik denetleyicide bir leştirilmelidir. Hız aralığı 10 : 1 (genellikle 3 : I1den bü yük) için geçerli ve uygun yön tem değişken frekans ve gerilim kullanma yöntemidir.

Frekans değiştirme ve gerilim çevirme olarak daha önce deği nilen yöntem günümüzdeki tek noloji içinde pek ucuz sayıla maz. Buna karşın endüstriden edinilen verilerden kutup anah tarlama sistemi endüstride bel li eir aralık için farklı hız

ihtiyacını karşılayabiliyor. Bu durumda tek fazlı işlev için basit bir hız denetim düzeneği bir tane güç yarı iletkeni kul lanılarak gerçekleştirilebilir.

TEK FAZ

Tek fazlı motorlara uygulanan frekans azaltılmasında temel yöntem giriş besleme frekans ve geriliminden temel (funde mental) frekansın uygun yarı dalgalar çıkarılarak tek sayı lı basamaklarla düşürülmesidir. Çıkış dalgasında DA bileşeni nin sıfır olması için ardıl ya rı dalgaların ters kutuplu ol ması gerekir, bunun için de frekansın tek tam sayılardaki katsayısı sınırlandırılmalıdır. Temel frekansın tek tam sayıla rının (n) azaltılmasıyla orta lama gerilim her yarı dalgada da otomatik olarak n kadar aza lacağından motor geriliminin değişmesi frekansla orantılı dır. Bu son nokta yüksek har monikleri içerdiği ve daha faz la ayrıntıyı gerektirdiğinden oldukça karmaşıktır.

Tek fazlı hız denetiminde te mel yöntem uygun yarı dalgala rı ssçen iki yönlü denetlene bilir silikon doğrultmaç (İDSD Triac) kullanılmasıdır. Gerekli her yarı dalganın baş langıcında ÎDSD'ı çalıştıran frekans seçici devresinin işa retleri girdi frekans kumanda sıyla seçilir. Bu çalıştırıcı işaretler ÎDSD geçit sürücü devresiyle ÎDSD anahtarlayıcı düzeyine yükseltilir. Bu düzey de asenkron motor ve IDSD öz eğrileriyle belirlenir.

ÇOK FAZLI

Uç fazlı besleme endüstride kullanımı dolayısıyla çok faz lı sistemler içinde en uygun olanıdır. Şekil l'de tek fazlı frekans azaltma yönteminin üç fazlı beslemeye uygulanışı gö rülüyor. Şekil l.b'den görüle ceği gibi frekansı f/3 olan 3 fazlı besleme, Şekil l.a'daki besleme geriliminden uygun yarı dalgaların seçilmesiyle üretil mektedir. Temel frekansı f/5 olan 3 fazlı beslemeyi elde etmek için uygun ana fazlardan Şekil l.c'deki gibi gerekli yarı dalgaların seçilmesi ge rekir. Bu yüzden, genel durum da motora bağlanan her üç faz hattıyla ana fazların yarı dal galarının denetimi yapılabil melidir. Şekil 2'de bu işlevi

sağlayan bir 3 faz denetleyici si şematik olarak gösterilmiş tir. Bu durumda denetleme, çev rim seçme kumandasıyla yapıl maktadır (sayısal ya da örnek sel elektrik işareti) ancak bu basit denetleme şekli her bir geçit sürücü devresi için top lam dokuz ÎDSD gerektirdiğin den karmaşıklığın ve maliye tin artmasına yol açmaktadır. 3 faz denetleme devresi pra tikte gerekli girdi fazların ön seçim anahtarlaması motor hattındaki İDSD'lara bağlana rak daha da basitleştirilebi lir. Bu durumda ÎDSD'ların ve geçit sürücü devrelerinin sa yısı üçe indirgenebilir.

Besleme frekans ve gerilimin den uygun yarı dalgaların çı kartılması sonucu elde edi len dalga periyodik olması na karşın sinüs biçimli değil dir ve sinüs biçimli dalganın birçok frekansından oluşmuştur. Her dalganın ana bileşen dönü şüm sıklığı uygulanan motorun

hızını denetlediği ve harmo niklerin de motor kayıplarını artırdığı kabul edilmiştir. Harmoniklerin göreli genlikle ri dalganın Fourier analizi i l e elde edilebilir. Bu da Şekil 3'de gösterilmiştir.

Ana bileşenin k'yıncı harmoni ğinin Fourier bileşeni b^ dır. (ana bileşen için k = l ' d i r ) . i l g i l i eşitlikler şunlardır:

bn = l/n ya da

2n

_kjr

bv = Tr(n2 k2) sın n

Harmonik genliğinin ana bile şene oranı bı /b (bk, k'nın cı çift değerleri için sıfırdır). Temel frekans, besleme frekansı nın (f) 3 katı azaltıldığında (n 3) temel frekansın genliği 0,2 (besleme frekansının genliği IX üçüncü harmoniğin (başlangıç bes leme frekans) 0,33'tür. Norma lize edilmiş genliği 0,2 olan

Şekil 1.

3 faz motor için uygulanan gerilim dalgaları, a)Girdi ana gerilim, frekans f, b)Temel frekans f/3 r c) Temel frekans f/S

v\ faz ü

\J A A f\ I

A

V

3 fazlı *L besleme kaynak °

3 faz I ı motor

Şekil 2.

Şematik bir 3 faz hız denetleyicisi

i 9 geçit îV= I sürücü . .= f s i nya I i

•>G1 G9

Şekil 3.

u

Azaltılmış sıklık dalgalarının

Fourier bileşeni

| tam hız

son

hız,dev/dak

\ 50 Hz c• )

W7*

\o H f\

0 300 S00 hız, dev/dak

/500

Şekil 4. Tek faz motorun hız/moment eğrisi şekil 5. 3 faz momen t/hız özeğrisi

temel frekans, düşürülmüş fre kanstaki değişmez manyetik a kıyı sağlamak için gerekli, genliği 1/3 frekans ile karşı laştırılmalıdır; Motor empe dansı temel olarak endüktif kabul edilmiştir. Uygulanan gerilimdeki bu azalma moment te de bir azalmayı getirir; bu da gerilimin tam değerindeki nin 7. 36'sına kadar düşmesine yol açar.

Benzer şekilde n = 5 için f/5 temel frekansının genliği 0,08 ve beşinci harmoniğin ise 0,2 dir. Bu da momentte beklenen azalmanın gerilimin uygulanan tam değerinin % 17 si olduğunu gösterir. n = 9 için momentteki azalmada aşağı yukarı % 8 dir.

Birçok uygulamada azalan hızla beraber momentin de düşmesi kabul edilmekte ve deneyler bu konu için sınırlanmaktadır. Bununla beraber azalan moment le birlikte n nin artması is tenmemektedir. Bunu düzeltmek için iki ana yöntem vardır; birincisi süzerek bazı harmo nik enerjiyi ana bileşene çe virmek ve ikinci olarak yal nızca sürücü frekans seçme mantığının bir işlevi olan ana yarı dalgalardan bazıları nı çıkartmak yoluyla yapılır.

DENEYLER

Deneyler tek faz gölgeli ku tuplu (shaded pole) 0,037 kW (0,05 Hp) dan 0,56 kW (0,75 Hp) ya kadar sığaç (kondansa tör) başlatmalı motorlar üze rinde yapılmıştır. Daha önce den de açıklandığı gibi her durumda temel besleme devrele ri kullanılmış ve motor hızla rı 11 : 1 aralığında denetlen miştir. Azalan hızla momentin düşme niteliğinin önceden tah min edildiği gibi olduğu gös terilmiştir. Asıl gerilim (tam hızda) ve n=3'deki gerilim için (3'ncü hız) 1 Hp den kü çük güçlü gölgeli kutuplu mo torların moment/hız özeğrisi Şekil 4'de gösterilmiştir. Motor kayma hızı değişmez kal dığından, motor yüklendikçe • hızının azalma oranı artar.

3 faz deneyleri 18 ay süreyle 0,18 ve 0,36 kV'luk iki motor üzerinde yapılmış; her ikisi nin de önceden basit olarak açıklanmış denetleme devresiy le hızları 1 : 11 aralığında denetlenmiştir. Yüksüz durum da hızlar açık olarak saptan mış, kaymanın özeğrisine bağ lı olarak hız oranı artmıştır.

Bir üç fazlı 50 .Hz ile besle nen motorun 16,7 Hz ve 10 Hz

düşük frekansla beslendiğinde hız/moment özeğrileri Şekil 5 de gösterilmiştir. Bu durumda önceden de belirtildiği gibi temel frekans azaldıkça moment de azalmaktadır.

Frekansı azaltılmış dalgaların harmonik bileşeni arttığından motorun verimliliği azalır. Verimliliği % 67 olan motorun frekansı 3 katı azaltıldığında verimlilik % 36'ya 5 katı azal tıldığında % 21'e düşmektedir.

Uygulanan gerilim dalgasının temel frekansı, kaynakta uygun yarı dalgaların çıkartılmasıy la düşürülerek tek ve üç faz lı motorların yüksüz haldeki hızları tek sayılar için (3, 5, 7...) azaltılmıştır. Hız düşürme yöntemi 11 : 1 oranında gerçekleştirilmiştir.

Temel hız denetleme yönteminin uygulanmasında, düşürülmüş hızlar yüksek harmonik bile şenleri içerdiğinden moment ve verimlilik düşer.

DAHA FAZLA GELİŞTİRME

Düşük hızlarda verimliliği ve momenti sağlamak için daha da geliştirmeye gereksinme vardır, tki birim verici yaklaşım olan süzme ve yarı dalgaları seçen mantığın değişmesi harmonikle ri azaltabilir. Süzmek çoğunlukla 1/4 Hp kadar güçlü motorlar içindir, yarı dalgaları seçmenin değiştiril mesi de daha güçlü motorlarda çözüm olmaktadır. Bu yöntemler Surrey Üniversitesinde sanayi nin desteklemeleriyle öğrenci projeleri ve sözleşmeli elek tronik planlayıcılarınca ge liştirilecektir.

SONUÇ

Asenkron motorlarda, düşük ma liyetli tek sayılardan ll'e kadar hız düşürülebilen bir sistem geliştirilmiştir. De neysel sistemlerde maliyet bi leşeni tek fazlı motorlar için 2 3 Sterlin ve üç fazlı motor lar için 10 15 Sterlin'dir (Maliyetin daha fazla olması üç fazda gerilimin daha yüksek oluşundandar).

Düşük hızda gerekli moment ve verimliliği artırmak için daha fazla geliştirme planlaması yapılrrış; bazı endüstriyel a maçlar öngörülmüştür.

(Electronics and Pover, 20 Mart 1975)