FIRÇASIZ SENKRON MOTORLARDA YENİ GELİŞMELER

UDK : 621.313.13

Fırçasız Senkron Motorlarda Yeni Gelişmeler"

Yazan :

J. D. EDWABDS E. H. HABBISON D. D. STEPHEN

Çeviren :

Vecdi Y. EKTUBAN Elek. Yük. Müh. T.Ş.F.

ÖZET: •-

Fırçayız ikazlı Senkron motor ile azalan baKım, ark kıvılcımlarının yokluğu, kablo irtibatlarının kaldırılması gibi ilâve faydalar sağlanmıştır. Yarı iletkenU devrelerin dönen elektrik makinalarında kullanılması gerçekleşmiş ve fırçasız senkron- bir motor ile kısa devre sincap kafesli asenkron motor tam olarak mukayese edilebilir olmuştur. Çeşitli ikaz sistemleri kullanan senkron motorlarla yapılan denemelerde kazanılan tecrübeler herhangi bir kullanma sahası için en uygun ikaz devreli motoru seçilebilir hale getirmiştir.

Tecrübe ve denemelerden sonra imal edilmekte olan AEI fırçasız senkron motorları geniş bir kullanma sahasında tatminkâr bir sekilde çalışmaktadırlar. Motorlar çegltll sahalarda yüke göre ve tahrik edilen sistemin özelliğine uygun geligtirilmlg ikaz devreleri kullanmaktadırlar. Ayni zamanda özel tesisler için uygun ikaz tarzını seçmede faktör olacak dikkate değer tecrübeler edinilmlgtlr. Alçak ve yüksek devirli motorların yol alma özelliklerine göre ikaz devrelerinde kullanılan mekanik anahtarlar yerine anahtarsız ikaz sistemi tatbik edilmiştir. Bu tertipler motorlara kullanma yerine göre uygun karekteristiği verecek tatminkâr çalıgma temin edecek cinstendir. Daha geligtirilmlg şekllde istenen çalıgma şartlarını verecek sistemler için thyristörlü elektronik anahtar devreleri hazırlanmıgtır. Bu tip ikaz devresi kullanan ve bir seneden fazla zamandan beri çalışmakta olan 2650 kVA. lık motor geldi (1) de görülmektedir. Diğer motorlar henüz imalât safhasındadır.

Mekanik anahtarlar yerine elektronik anahtarlarda görülen daimi bakım ve kontaklarda ark kıvılcımları önlenmiştir. Böylece motor fepa ve kirli hava şartlarında da çalışabilir olmugtur. Neticede bu tip motor senkron motorların bütün çalıgma avantajlanyle beraber einca'p kafesli asenkron motorun mekanik özelliklerine de sahiptir.

Fırçasız senkron motor ve generatörlerle yapılan çalıgma tecrübeleri göstermigtir ki yan iletkenle ikaz sisteminde ciddi ve mühim olmayan bir arıza ihtimali asenkron motorların sincap kafeslndeki arıza ihtimalinden fazla değildir. Bu da fırçasız senkron motorla kısa devre sincap kafesli asenkron motorun güvenle mukayese edilebileceğini gösterir, îkaz sistemindeki herhangi bir arıza ikazın azalmasına veya (*) Bu yazı AEI Engineering mecmuasının Mayıs/Haziran 1966 sayısından çevrilmiştir.

Şekil • l — Santrifüj kompresörü tahrik eden N = 2650 kVA. n = 1500 d/A, U = 11 kV luk fırçasız bir

senkron motor.

' 11 •

Elektrik Mühendisliği 120

yok olmasına sebeb olur. Bu şartlarda normal olarak motor koruma elemanları vazifesini yaparak motorun hasara uğramasını önleyecektir. Yardımcı parçalar o şekilde yerleştirilmişti ki çabuk ve kolayca çıkarılıp değiştirilerek normal çalışmaya çok kısa zamanda başlanır.

ikaz devreleri :

Geçmişte senkron motorlar için çok çeşitli ikaz devreleri kullanılmış olup bunlar üç fonksiyon içinde düşünülebilir. Senkron çalışma esnasında motor ikaz sargılarına lüzumlu D. C. ikaz akımını sağlamak; motor tarafından meydana getirilen herhangi bir geçici rejimde ikaz akımı bunu karşılayabilmelidir. Motorun yol alma periyodu içinde normal değerini bulmalıdır. Mümkün olan farklı şartlarda optimum çalışma ve uzlaşma elde edilmelidir. Tecrübeler ye değişik şartların önemi ikaz devresi için en uygun şeklin senkron motorun yapısı ile alâkalı olduğunu gösterir.

Bilezikli ikaz Devreleri :

Çok sayıda senkron motorların ikaz sargıları şekil (2a) ve (2b) de olduğu gibi ikaz generatöründen, bazıları haricî bir D-C şebekesinden beslenir. Ekserisi şekil (2c) de gösterildiği gibi ikaz enerjisini redresörler üzerinden geçirilen A-C şebekesinden temin eder. Bu tarzlardan birinin seçiminde senkron motorun karakteristiği üzerinde özel bir tesiri düşünülemez.

Alternatif akım şebekesinden redresörlerle istihsal edilen D-C gerilimi üzerine binen A-C harmonik bileşenlerinin ikaz devresine tesiri doğru akım gerilimi ile mukayese edilirse büyüklük bakımından ihmal edilir derecededir. Hatta geçici rejimlerde dahi ikaz devresi üzerindeki redresörün etkisi çok mühim değildir. Fakat asenkron şartlarda doğan tesirler D-C ikaz generatörü kullanan sistemlerde elde edilenlere göre daha farklıdır. Asenkron çalışma şartlarında motor ikaz sargılarında kayma frekansında bir gerilim hasıl olur.

Bu gerilim redresör yönü ile ayni yönde olduğu zaman bir devre akımı hasıl olacaktır. Gerilim redresör yönüne ters durumda olduğu zaman akım akmıyacaktır. Devrede redresör olmasından doğan ikaz akımındaki bu asimetrik durum ikaz sargılarında simetrik duruma göre motora tek yönlü D-C akım darbesi ilâve etmiş olmaktadır. Bu akımların kombinasyonu endüksiyon motorları teorisinden bilineceği gibi, motor momentine normal yol alma işleminde bilhassa mühim olan bir etki yapar.

Basit Fırçasız ikaz Devreleri :

A-C ikaz armatürü ile makınanın ana ikaz sargılan arasına redresörler yerleştirilen basit

Şekil : Z — Senkron motor ikaz devreleri, a) Motor ikaz sistemine irtibatlı D-C ikaz generatörü. h) Yol alma deşarj rezıstanslı anahtarlı D-C ikaz. c) Statik ikaz sistemi bir fırçasız ikaz devresi şekil (3) te gösterilmektedir. Bu devre çok geniş çıkış gerilim sahası olan A-C generatörlerlnde ve yol alma gayeleri imalât bakımından farklı olmayan senkron motorlarda kullanılmaktadır. Üâve edilen redresörlerin büyüklükleri motor veya generatorün normal senkron çalışma şartlarında ve geçici rejimlerde lüzumlu ikaz gücünü sağlayacak değerdedir. Generatörler bazı şartlarda senkron durumdan küçük bir kayma değeri ile uzaklaşabilirler ve redresörler bu nisbet dahiliridedir. Senkron motorlarda yol alma olayı kaymanın bütün değerleri içinde yani dururken bir, senkron devirde sıfır, değerleri arasında olacaktır. Motor

ikaz devrelerlndeki redresörler senkron çalışma gartlarındaki icaplara ilâve olarak yol alma esnasında doğan rotor devresi akım ve gerilimleri ile çalıgabümelidlrler. Redresör büyüklüğü bakımından gekil (4) deki devrenin kullanılması ile bu gayeyi temin edecek çok ekonomik bir sistem elde etmek mümkündür.

Bu devre ile kayma frekansında rotor ikaz sargılarında endüklenen gerilim kapalı bir gözde akım akıtmaktadır. Redresör uçlarında hasıl olan zıt gerilimin büyüklüğü yol verme rezistansının omik değeri ve bu rezistanstan geçen akımın miktarı ile orantılı olup endüklenen gerilimin değeri ile orantılı değildir. Bu devre şekil (5) te

Ho\of kıtın

*tf~ı

İV»! Armatürü!

t t ' -nrwr4 — rmu _l

Şekil . 3 — Fırçasız A-C Generatörler için kullanılan ikaz devresinin oosit şekli.

Şekil : 4 — Mile monteli yol alma rezistanslı fırçasız motor ikaz devresi

Sekil • 5 — Harici tıp N = 1500 HP, n = 1500 d/d, U = 6,6 kV luk fırçasız senkron motor.

görülen hidrolik bir kupllng ile muhtelif devirlerde bir pompayı tahrik eden N — 1500 HP, d = 1500 d/d ve U = 6600 V. luk fırçasız bir senkron motorda kullanılmaktadır. Gene ayni devre önce D-C ikaz sistemi kullanan sonra ûrçasız ikaz sistemine çevrilen her iki durumda motor karakteristikleri arasındaki uygunluğu belirtmek için seri denemelere tabi tutulmug N = 500 HP, n = 1500 d/d, U = 11000 V. luk motorda kullanılmıştır. Eğer gekil (3) deki devre kullanılmış olsaydı ideal endüksiyon motorunun yol verme karakteristikleriyle fırçasız ikaz sistemini kullanan senkron motorda elde edilen karakteristikler arasında farklar çok az olacaktır. Bunun için D-C ikaz generatörü ile ikaz temin eden motorla eğit yol alma karakteristiğine haiz fırçasız ikaz devreli bir motor arzu edilırki, bu istek devrede bir anahtar kullanılarak basit gekılde sağlanır.

Mekanik Anahtarlı Fırçasız ikaz Devreleri :

Şekil (6) daki devreyi verecek motor miline bağlı mekanik anahtar kullanıldığı zaman, senkron devire gelinceye kadar redresörlertn bir etkisi yoktur. Yol alma karakteristiği gekil (2b) deki ikaz sistemini kullanan motor karekteristiğine identiktir. Senelerden beri çalışma ömrü uzun, sağlam parçah güvenilir anahtarlar endüksiyon motorlarında mile monteli olarak kullanıl-

maktadır. Bu anahtarlar otomatik çalışır ve ilerikl kalkığı emniyet altına alacak şekilde kilitlenir. Şekil (7) de hidrolik pompayı tahrik eden N = 3500 HP, n = 333 d/d, U = 11000 V. luk motor Şekil (6) daki ikaz devresini kullanmaktadır.

Şekil 6 — Mile monteli yol alma rezistanslı ve mekanik anahtarlı fırçastz ikaz devresi

Elektronik Anahtarlı Fırçasız ikaz :

Mekanik anahtarların elektronikte eşdeğerleri olan Thyristörler çok küçük bir sinyal gücü ile uyartıldıklarında yalıtkan durumdan iletken hale geçerler. Şekil (8-9) thyristörlü iki devre şemasını göstermektedir. Bunlardan şekil (8) de gösterileni N = 2650 kVA, n = 1500 d/d Ü = 11000 V. luk senkron motorda kullanılmaktadır. Bu motor şekil (1) de gösterilmiştir. Şekil (8) deki devrede T, ve T2 thyristörleri redresör çıkışları araşma seri bağlanmışlardır.

1i o tor loenrıı ı Anahtar rem—, ıg ~

Şekil • 7 — Mile monteli mekanik anahtarlı ve rezistanslı N = 3500 HP, n = 333 d/d U = 11 kV.

luk fırçastz senkron motor.

I l ı O'N"'

_YoJ_ *i>n*-S«*ir±* 1İ4I___________________ l t! : 8 — Thyrtstör kumandah fırçasız motor ikaz devresi.

1,1,1, _

9 — Mile monteli thyristör kontrollü yol alma rezistanslı fırçastz motor ikaz devresi.

Thyistörlerln kutbiyetiyle redresörlerinki ters yöndedir. Bu suretle motor ikaz sargısında yol alma esnasında veya diğer asenkron çalışmalarda hasıl olacak rotor akımları bir yönde thyristörler üzerinden diğer yönde ise redresörler üzerinden akacaktır. Thyristörler Zj ve Z2 Zener diotlariyle kontrol edilir. Bu diyotlar üzerindeki gerilim arzu edilen maksimum D-C ikaz gerilimini geçtiğinde ki bu redresörlere nazaran .ters yönde bir gerilimdir. Thyristörlerin iletken duruma geçmesini sağlayacak kumandayı bu gerilim sağlar. O şekilde devre seçllirki senkron çalışmada redresör çıkışlarının thyristörlerle kısa devre olmasını önleyecek değerde olmalıdır.

Yol alma süresince redresörler ve thyristörler motor ikaz sargılarını kısa devre eden elemanlar olarak vazife görürler. Böylece asenkron çalışma şartlarında hasıl olan ikaz sargı akı minin dalgalı bileşeni neticesinde husule gelen kayma frekansındaki moment osilasyonlan önlenmiş olur. Bu devre bir çok gayelere elverişli bir motor yol alma karakteristiği temin eder. N = 2600 kVA. lık senkron motor fırçasız ikaz sistemine çevrilmeden evvel şekil (2b) deki D-C ikaz sistemi ile çalışmıştır. Mukayeseli çalışma denemelerinde yol alma esnasında şekil (10) da görülen osilogram ilkinde, motor ikaz sargılarında şjekil (2b) deki varken, diğerinde şekil (8) deki devre ile fırçasız senkron motor durumunu göstermektedir. Şekil (8) deki devrenin verdiği motor karakteristiği şekil (2a) daki sürekli D-C ikaz devresi ile elde edilene çok yakındır. Her iki osilogram üzerindeki hız değişimini veren ivme izleri bu tip kompresörlerin tahrikinde görülen şaft rezonansını göstermektedir, îvme izlerinin zarfı bu cins özel tahriklerde yaklaşık olarak senkron hızın % 90'ını bulan rezonansı verir. Tatbikatta motor yol alma karakteristiği bakımından lüzumlu ikaz sargılarına seri bir yol alma rezistansı için şekil (9) da-kı devre kullanılmaktadır. Tj ve T2 thyrstörle-riyle Zj ve Z2 Zener diyotlarının fonksiyonları şekil (9) daki devrede olduğu gibidir. Yol alma rezistansı ikaz sargısına seri T3 thyristörü ile paralel bağlıdır. Normal senkron çalışma gartlarmda redresör devresindeki çıkış gerilimi Ta thyristörünu iletken hale getirecek, dolayıslyle yol alma rezistansını kısa devre edecek, kâfi bu yüklükteki bir akımın, R3 rezistansından akmasını sağlar.

Normal bir kalkışta T3 thyristörü Uetken değildir. Şekil (9) daki devre D-C ikaz generatörü kullanan şekil (2b) deki gibi anahtar ve yol alma rezistansı olan şekil (6) daki mile monteli mekanik anahtarlı fırçasız A-C ikaz sistemi ile hemen hemen identlk olan bir motor kalkış karakteristiği verir.

Redresör ve Thyrlstörlerin Büyüklüğü :

Yarı iletken redresör ve thyristörlerin aşın yük kapasiteleri çok küçüktür, fakat tasarlanan bir durum için güvenilir cihazlar oldukları bilinmektedir. Fırçasız senkron motorda kullanıldıklarında senkron çalışmada, normal yol almalarda ve motorun söz konusu olduğu arızalı, arzu edilmeyen şartlarda, uygun kapasitede olmalıdırlar. Verilen herhangi bir redresör ve thyristörün büyüklüğü, sağlanan soğutma tarzı ve ısı yayılmasını temin eden kanatçık ilaveleriyle belirir. Ayrıca redresör ve thyristörler normal yük akımı ile sevişteyken ani değişimlerle karşılaşabılmelı, ısınmaları termokupl ile ölçülmeğe

Şekil : 10 — N = 2650 KVA Itk şekil (l) deki kompresör motorunun yol alma osılogramlan a) Alan sargılarına sekil (2b) deki deşarj rezistanslı devre bağlıdır. t>) Alan sargı uçlarına şekil (8) deki redresör ve thyristörlü devre bağlanmıştır.

müsait olmalıdır. Redresor, thyristör ve ilâve soğutma' kanatlanndan ibaret sistemin termik zaman sabitesi, kendisiyle irtibatlı olan ikaz sargılarına nazaran daha kısadır ve redresörlerin boyutlandırılması o şekilde olmalıdır ki motor koruma sistemleriyle korunabılsin.

na bu dairesel diskin yerleştirilmesiyle çıkarma ve kaldırma kolaylığı sağlanmıştır. Böylece sistemin şu faydalan vardır:

Mekanik Yapı :

Bütün fırçasız senkron motorlarda şimdilik ayni mekanik yerleştirme ve tesbıt şekli uygulanmaktadır. A-C ikaz sisteminin bir rotor kısmı bir de sabit statoru vardır. Kullanılan redresör ve thyristörler rotor milinin bir ucuna monte edilen icabında sökülebilir bir dairesel disk üzerine şekil (11) deki gibi yerleştirilir. Silikon diyotlar ve redresörler bu dairesel diskin ön yüzüne o gekllde konurlar ki zayıf olan silikonlu irtibatların aynlmaması için, rotorun dönme hareketinde basma kuvvetine maruz kalırlar. Maksimum bir soğutma ve ısı iletimini temin için özel şekillendirme yapılmıştır. Bu tarz tertibin bir faydası da tabii vantilâsyon suretiyle soğutma havasından gelen tozlan atarak uzun çalışmalar halinde sisteme güvenilir emniyet sağlar.

Şekil (8) deki T1 ve T2 thyıistorleri sadece yol alma esnasında iletken olduklarından redresörlere nazaran daha az soğutmaya ihtiyaçları vardır. Bunun için dairesel diskin arka yüzüne emniyetle yerleştirilebilirler. A-C ikaz armatüründen gelen 3 adet akım ucu ve motor ikaz sargısından gelen iki ucun hepsi de dairesel diskin ön tarafında şekil 11. de görüldüğü gibi cıvatalı halkalara irtibatlanır. îkaz milinin ucu-

Şekil 11 — Fırçastz bir motora ait redresör tesbit diski ve cihazların yerleştirilmesi ile elektriki bağlantılar.

1 — Bütün yan iletken cihazlar ve iç bağlantılan tek bir ünite içine toplanmıştır.

2 — îyi bir hava cereyanı sağlanmıştır.

3 — Emin bir yerdir.

4 — Kaldırma ve değiştirme çabuk ve basittir.

Burada motor milinin her iki tarafı kullanıldığı hallerde meselâ motor-generatör sistemlerinde bu tertip tarzı uygulanamaz. O zaman ikaz redresörlerlne ait dairesel disk motor'yatakları arasına monte edilir. Fakat mil üzerinden kolaylıkla çıkarılamaz, bu durumda parçalar için emniyetli bir tertip ve özel dikkat gereklidir.

NETtCE :

Bu ikaz devrelerini kullanan fırçasız senkron motorlarla yapılan tecrübelerde mühim bilgiler kazanılmıştır, özel bir tatbikat yeri için motora uygun ikaz sistemini seçmek şimdi imkân dahilindedir. Kimya sanayiinde, petrol sanayiinde, Çelik Endüstrisinde, Enerji üretim istasyonlarında ve deneme tesislerinde kullanılmak üzere bu cins ikaz devreli motorlardan siparigler verilmektedir. Yukarıdaki sahalar Britanya Endüstrisinin geniş, bir bölümünü içine alan yerlerdir.

Yeni tip maklnalann ilk kullanıcılarının yardımlanyle değer ve kıymetleri anlaşılmış olacaktır. Fırçasız senkron motorlar ekonomik bir değerde olup senkron motorların yüksek verim,

uygun güç faktörü, geçici rejimlerde yüksek stabillte ile bakıma ihtiyaç gösterecek kollektör ve bileziklerin bulunmayışı gibi çok iyi teknik avantajlara da sahiptir.

LÎTEBATÜB

1) STEPKEN, D. D. and STEPKEN, K. D.' Development and testing of a large brushless synchronous motor*. AEI Engineerıng 3 (6), November/December 1963, pp 320-6.

2) STEPKEN, D. D. 'Industrial applicatıons f ör brushless synchronous motors'. IEE Con f erence Publicatlon No010, 1965, pp 167-76.

3) Britlsh Patents Nos 895582 and 895583. 4) ROSENBERRY, G. M. 'A new brushless d.

c. excited rotating fleld synchronous motor*. AIEE Applications and Industry, July 1960. 5) EDWARDS, J. D., GILBERT, A. J. and HARRISON, E. H. The applicatlon of thyristors to the excltation circuits of synch ronous motors'. IEE Conference Publication No 17, 1965, pp 158-67. 6) STEPKEN, K. D. and SCOTHERN, W. 'An aspect of the destng of shaft systems for sallent-pole motor drives*. IEE Conference Publicatlon No. 10, 1965, pp 47-52. 7) British Patents Nos 896211 and 896212.

ODAMIZIN YAYINLARI

Odamız tarafından muhtelif tarihlerde bastırılan ve bedeli mukabili veya ödemeli olarak Odamızdan temin edilebilen yayınlar :

— Elektrik Tesislerinde Emniyet Yönetmeliği .................. 7,50 TL. (Üyelerimize) 5.— TL.

— Elektrik Tesislerine Ait Projelerin Tanzimine Dair Yönetmelik ................................................................... 2,50 TL.

— Elektrik Mühendisleri îçin Asgari Ücret Yönetmeliği 2,50 TL. — Kuvvetli Akım Elektrik Dağıtımı Tesisatının Bakını, iş letme ve Tesisine Dair Talimatname ............................. 5.— TL. — Elektrik îç Tesisat Yönetmeliği ve Fenni Şartnamesi 3.— TL. — Elektrik Santral ve Tesislerinin Kabulüne Ait

Talimatname ..................................................................... 5.— TL. — Elektrik Endüstrisi Yatırımlarının Seçiminde Kullanılan

Metod ve Kriterler ............................................................ 2,50 TL. — Elektrik Mühendisliği Kuvvetli Akım Tekniği El Kitabı 40.— TL.

(Üyelerimize) ....... 25.— TL.