Elektrik Makinaları Dersi 4. Ünite Özet

Asenkron Motorların Yapıları

Asenkron motorlar stator ve rotor olarak iki kısımdan oluşur. Motorun duran kısmı stator hareketli kısmı ise rotordur. Şekil 4.1’de bir asenkron motorum bütün parçaları görülmektedir. Statorun iç yüzeyine üç fazlı stator sargılarını yerleştirmek için oluklar açılmıştır, rotorun ise dış yüzeyine sargılar yerleştirilmesi için oluklar açılmıştır. Asenkron motorlarda sincap kafesli ve sargılı olmak üzere iki çeşit rotor kullanılmaktadır. Sincap kafesli rotorlarda oluklara alüminyum çubuklar, sargılı rotorlarda ise oluklara üç fazlı sargılar yerleştirilmiştir. Şekil 4.3’te kullanılan rotor yapıları görülmektedir.

Asenkron Motorların Çalışma Prensibi

Asenkron makinaların çalışma prensibi transformatörlerin çalışma prensibiyle benzerdir. Motorun stator sargısı transformatörün primer sargısı gibi, rotor sargısı veya kısa devre çubukları ise transformatörün sekonder sargısı gibi çalışır. Asenkron motorun stator sargılarına üç fazlı bir gerilim uygulandığında üç fazlı döner alan oluşur. Üç bobinli iki kutuplu bir stator göz önüne alındığında, üç fazlı gerilim uygulandığında manyetik alan 60º’lik açılarla dönmektedir. Yani statora uygulanan şebeke gerilinin bir periyodunda manyetik alan kutupları bir tur dönmektedir. Stator döner alanı tarafından kesilen rotor sargılarında veya rotor çubuklarında gerilim endüklenmesiyle rotor çubuklarında bir akım dolaşır ve statordakine benzer manyetik kutuplar oluşur. Zıt kutupların birbirini çekmesi aynı kutupların birbirini itmesi prensibine göre stator kutupları dönerken rotor kutupları ve dolayısıyla rotor da stator alanıyla birlikte dönerler. Şekil 4.6’da döner alnın meydana gelişi gösterilmektedir. Rotorun hızı arttıkça döner alanın rotor çubuklarını kesme hızı düşer ve sonucunda rotor sargılarında endüklenen gerilim azalır. Rotor, döner alanın hızına kadar hızlanır. Rotor sekron hızda yani döner alanın hızında döndüğü zaman döner manyetik alan rotor çubuklarını kesemez ve rotorda gerilim endüklenmez. Rotorda gerilim endüklenmeyince rotor hızı düşer, rotor hızı düşünce rotor çubuklarında tekrar gerilim endüklenir rotor döner alanla birlikte dönmeye başlar. Bu yüzden asenkron motorlar senkron hızda çalışamaz, asenkron motorların rotorları senkron hızdan bir miktar düşük devirde döner. Rotor devir sayısı ile senkron devir sayısı arasındaki farka kayma devir sayısı denir. Kayma devir sayısı tek başına bir anlam ifade etmez bu sebeple kayma devir sayısı senkron devir sayısı ile oranlanarak yüzde olarak ifade edilir, “s” ile gösterilir.

Asenkron Motorların Eşdeğer Devreleri

Asenkron motorların kararlı hal analizinde eşdeğer devre modellerinden yararlanılır. Eşdeğer devrenin olabildiğince gerçek değere yakın olması gerekir. Asenkron motorların eşdeğer devresi sekonder sargısı, kısa devre edilmiş transformatörlerin eşdeğer devrelerine benzer. Stator eşdeğer devresi transformatörün primer sargı eşdeğer devresine, rotor eşdeğer devresi ise transformatörün kısa devre edilmiş sekonder eşdeğer devresine benzer. Asenkron motorların eşdeğer devresinin transformatör eşdeğer devresinden farkı rotor frekansının kaymaya bağlı olarak değişmesidir. Transformatörlerde güç ransferi nüve üzerinden gerçekleşirken, asenkron motorlarda primer statordan rotora güç transferi stator ile rotor arasındaki hava boşluğu üzerinden gerçekleşir. Şekil 4.9’de üç fazlı bir asenkron motorun faz eşdeğer devresi görülmektedir. Bu devre pratik uygulamalarda pek kullanılmaz. Pratik uygulamalarda rotor devresi stator tarafına indirgenerek eşdeğer devre elde edilir. Rotor parametrelerinin stator tarafına indirgenmesi transformatörlerin sekonder sargı parametrelerini primer tarafa indirgenmesi gibi yapılır. Buna göre rotor empedansı stator tarafına dönüştürülürken etkin dönüştürme oranının (?eff) karesiyle çarpılır. Rotor gerilim dönüştürülürken etkin dönüştürme oranıyla çarpılır, akım ise etkin dönüştürme oranına bölünerek dönüştürülür. Etkin dönüştürme oranını elde etmek çok zordur. Fakat stator tarafına indirgenmiş eşdeğer devre parametrelerini direkt olarak bulmak mümkündür.

Bir asenkron motorun eşdeğere devre parametreleri deneysel olarak belirlenir. Bir asenkron motorun sürtünme kayıpları ve boş çalıma bileşenleri, boş çalışma deneyi ile belirlenebilir. Deney sonucunda motorun boşta şebekeden çektiği güç nüve kayıpları, mekanik sürtünme ve rüzgâr kayıpları toplamına eşit olarak kabul edilir. Şekil 4.11’de bir asenkron motora ait boş çalışma deney bağlantı şeması görülmektedir. Eşdeğer devredeki satator sargısına ait direnç ise stator sargılarına DC bir gerilim uygulayarak hesaplanır. Burada stator sargılarından motor anma akımından fazla akım geçirilmemelidir. Stator sargıları hem üçgen hem hem de yıldız olarak başlanabilir. Şekil 4.12’ de bu deney için kullanılacak deney bağlantı şeması görülmektedir. Kilitli rotor deneyinde, asenkron motorun rotoru dönmeyecek şekilde sabitlenir. Motorun şebekeden çektiği güç kullanılarak güç katsayısı (Gk) eşitlik 4.11’deki gibi hesaplanır. Bu deneydeki motor devresindeki toplam empedans eşitlik 4.12’ de olduğu gibi hesaplanır.

Asenkron motorlarda, diğer elektrik makinalarında olduğu gibi çeşitli kayıplar meydana gelir. Bir asenkron motorda oluşan başlıca kayıplar, stator bakır kayıpları, stator demir kayıpları (nüve kayıpları), rotor bakır kayıpları, ve mekanik sürtünme ve rüzgar kayıplarıdır. Stator bakır kayıpları, statorun sargılarındaki dirençlerde oluşan ısıl kayıplardır (I2 R). Rotor bakır kayıpları ise rotor sargılarının direnci sonucu oluşan ısıl kayıplardır. Bu kayıplar motorun yüklemesi arttıkça artmaktadır. Rüzgâr kayıpları ise hava ile rotor yüzeylerinin sürtünmesi sonucu oluşmaktadır. Demir kayıpları ise aynı transformatörlerde olduğu gibi girdap ve hilesiz kayıplardan oluşmaktadır. Demir kayıpları mekanik sürtünme ve rüzgâr kayıpları akım ile değişmez. Asenkron motorlarda verim diğer elektrik makinalarında olduğu gibi çıkış gücünün giriş gücüne oranıyla elde edilir. Eşitlik 4.17 ve 4.18’ de verimin hesaplanışı gösterilmektedir.

Asenkron motorlarda güç ve moment denklemleri motorun faz başına eşdeğer devre modeli kullanılarak çıkartılır. Şekil 4.9’daki eşdeğer devre kullanılarak motorun kayıpları ve çıkış gücü hesaplanabilir. Eşitlik 4.19’u kullanarak bakır kayıpları, 4.20 kullanılarak demir kayıpları ve 4.21 , 4.22 ile de hava aralığı gücü hesaplanır. Rotor devresi bakır kayıpları eşitlik 4.23 ile hesaplanabilir. Eşitlik 4.24 ile mekanik enerjiye dönüşen güç bulunur, 4.25 ile motor çıkış gücü bulunabilmektedir.

Asenkron Motorların Hız-Moment Karakteristikleri

Şekil 4.15’te bir asenkron motorun hız moment ilişkisi verilmektedir. Yatay eksende motorun yüzde (%) senkron hızı ve kayma gösterilmektedir. Dikey eksende ise motorda endüklenen moment gösterilmektedir. Bu şekle göre senkron hızda endüklenen moment sıfırdır. Boş çalışma ile yüklü çalışma arasında moment yaklaşık doğru orantılıdır. Motorun ürettiği maksimum momente devrilme momenti adı verilir. Asenkron motorda rotor senkron hızdan daha hızlı dönerse, endüklenen moment yönü değişir ve motor jeneratör olarak çalışır.

Asenkron Motorlarda Hız Kontrolü

Asenkron motorların hızı birkaç şekilde değiştirilebilir. Stator gerilimi değiştirilerek, kutup sayısı değiştirilerek, rotor sargılarına seri direnç bağlanarak (sadece bilezikli motorlarda) ve besleme frekansı değiştirilerek ayarlanır. Kutup sayısı değiştirme ve rotor sargılarına seri direnç bağlama yöntemlerinde motorun senkron hızı değişirken, diğer metotlarda sadece hız moment karakteristiği değiştirilerek hız değişir.

Motorun ürettiği moment yük momentinden yüksek ise motor hızlanır, düşük ise yavaşlar eşit ise sabit hızla çalışır. Asenkron motorlarda moment besleme geriliminin karesiyle orantılı olarak değişir. Besleme gerilim artarsa moment artar dolasıyla motor hızı da artar. Motor sarılırken kutup sayısı değiştirilebilecek şekilde sarılarak devir sayısı belli sınırlarda değiştirilebilmektedir. Rotor direnci değiştirilerek motor hızı belli sınırlarda değiştirilebilmektedir. Bu yöntem sadece bilezikli (sargılı rotorlu) asenkron motorlarda uygulanabilmektedir. Şebeke frekansı değiştirilerek motorun senkron hızı dolayısıyla rotor hızı değiştirilebilir. Şebeke gerilimi frekansı inverter kullanılmasıyla geniş bir aralıkta değiştirilebilmektedir. Fakat bu yöntemde dikkat edilmesi gereken önemli bir husus vardır. Şebeke frekansı değiştiği zaman motorun reaktansları, dolayısıyla empedans ve şebeken çektiği akım değişir. Bu sebeple motorun aşırı akım çekerek hasar görmemesi için şebeke geriliminin frekansa oranı (V/f) sabit tutulur. Bir asenkron motorun besleme frekansı değiştirilerek hız kontrolü sıfırdan anma senkron hızının iki katına kadar geniş bir aralıkta gerçekleştirilebilir. Şekil 4.19’da bir asenkron motorun farklı frekans değerleri için hız-moment karakteristikleri görülmektedir. Asenkron motorların devir yönünün değiştirilmesi besleme gerilimin iki fazının yer değiştirilmesiyle gerçekleştirilir.

Asenkron Motorlara Yol Verme

Asenkron motorların enerji uygulanıp çalıştırılmasına yol verme denir. Motora ilk enerji uygulandığında şebekeden çekilen akıma da ilk kalkınma akımı denir. Bir asenkron motora, ilk kalkınma anında, anma gerilimi uygulandığı zaman anma yük akımının beş ile on katı kadar yüksek akım çeker. Bu yüksek değerli akım motorun kendisine zarar vermeyebilir. Ani gerilim düşümleri şebekeye hasar verebilir. Asenkron motorlar çok yüksek güçte olduğu zaman ilk anda şebekeden çekilen akım da çok aşırı değerlere kadar çıkabilir. Çok sık kalkıp duran uygulamalarda çalışan motorlarda ilk kalkınma akımından dolayı motorda aşırı ısınmalar meydana gelebilir. Bundan dolayı asenkron motorların ilk kalkınma anında şebekeden çok aşırı derecede akım çekmemesi için genelde düşük gerilimle başlatılırlar.

Asenkron motorlara yol verme; doğrudan yol verme düşük gerilimle yol verme, seri reakstans ile yol verme, seri direnç ile yol verme, oto trafosu ile yol verme, yıldızüçgen bağlantı yöntemi ile yol verme, rotoru sargılı asenkron motora rotor sargılarına seri direnç bağlanarak yol verme, soft starter ile (yumuşak) yol verme, inverter ile yol verme yöntemleriyle gerçekleştirilebilir.

Asenkron Motorlarda Frenleme

Asenkron motorları çalışma koşullarına göre frenlenmeleri yani ani olarak durdurulmaları gerekebilir. Bu durumda frenleme sistemlerinin kullanılması gereklidir.

Motorun enerjisi kesildikten sonra stator sargılarına kısa bir süre doğru akım gerilim uygulanarak dinamik frenleme yapılabilir. Motor durduktan sonra kayıpları ve motorun aşırı ısınmaması için stator sargılarına uygulanan DC gerilim hemen kesilmesi gerekir. Bu frenleme sisteminde DC gerilim ihtiyacı bir doğrultucu devresi yardımıyla sağlanır. Mekanik frenleme yönteminde de enerji kesildikten sonra motor miline bağlı olan balataların sıkıştırılmasıyla hareket durdurulur. Bu sistemler tamamen mekanik olduğu gibi elektromekanik sistemler de kullanılabilir. Bir diğer metot olan elektriksel frenlemede ise motor enerjisi kesildikten sonra stator sargılarına kısa süreliğine ters gerilim uygulanarak motor ters dönmeye zorlanacak ve kısa sürede duracaktır. Bu yöntemde motor durduktan sonra ters yöndeki enerji hemen kesilmelidir çünkü motor ters yönde dönmeye başlayabilir ve bu da tehlikeli sonuçlar doğurabilir. Bu yöntem yüksek atalet momentine sahip sistemler için uygun değildir.

Asenkron Motorların Klemens Bağlantıları Ve Etiket Bilgileri

Üç fazlı asenkron motorlarda her faza ait stator sargısının iki ucu olmak üzere toplam altı adet sargı ucu klemens kutusuna çıkartılır. Şekil 4.23’te sargıların yıldız bağlantı şeması, üçgen bağlantı şeması ve klemens kutusundaki yıldız ve üçgen bağlantı şekilleri görülmektedir.