Asenkron Motorlar Genel Bilgi

STATORA UYGULANAN GERİLİM FREKANSININ DEĞİŞTİRİLMESİ

Bir asenkron motorun senkron hızı yada teorik boşta çalışma hızı stator sargılarına uygulana gerilimin frekansı fs ve kutup sayısı 2p olduğuna göre aşağıdaki bağlantı ile verilir
ns= 60*fs
p

o halde asenkron motorun senkron hızı belli bir p kutup sayısında stator gerilimin fs frekansı ile değiştirilip kontrol edilebilir Frekansı değiştirerek yapılan hız kontrolun da asenkron motorun momentinin maksimum değerinin sabit kalması sağlanır Bu amaç için Vs/fs oranı yaklaşık olarak sabit tutulur, gerçekten statora uygulanan gerilim Vs ; yaklaşik olarak statorda endüklenen Es gerilimine eşit kabul edilebilir Vs ~ Es Statorda endüklenen gerilim ise :
Es = K*fs*Ø ( K sabit )
dır Moment ise :
M = λ* Ø *sin Ø *I ve maksimum moment için :
I = Es
Σ XsØ
I = Es
K*fs*(LsØ+LrØ)
M = λ ( Es )² sin Ø
K fs

olarak verilir Buradan momentin maksimum değerinin yaklaşık olarak sabit kalması için Es / fs nin yada (Øs) in sabit kalması gerekir O halde statora uygulanan gerilim frekansını değiştirerek hız ayarı yapılırken , gerilim kaynağının Vs / fs oranı sabit tutulur ve öylelikle momentin maksimum değeri sabit tutulmuş olur Bu amaç için statora uygulan gerilim kaynağı özel bir gerilim kaynağı olmalıdır

Bu özellikte olan gerilim kaynakları su yollarla elde edilir
Hızı değiştirilebilen bir senkron generatörün uyarma akımı sabit tutulursa Vs / fs oranı sabit tutulmuş ve aynı zamanda Vs geriliminin frekansı da ayarlanmış olur
Son zamanlarda geliştirilmiş olan tristörlü özel inverterler kullanilarak hem Vs geriliminin frekansı değiştirilir ve hem de Vs / fs de sabit tutulur
Rotoru sargılı asenkron motorun rotor gerilimi de frekansı değiştirilebilen bir gerilimdir ve hız kontrol unda kullanılabilir

Asenkron motorun bu yöntemle yapılan hız kontrolü ve momentin maksimum değerinin sabit tutulması , doğru akım serbest uyarmalı motorunun Ward - Leonard düzeni ile hız ayarına benzemektedir Şekil 1 de stator frekansının değiştirilmesi ile yapılan hız kontrol una ilişkin M=f(n) karakteristiği gösterilmiştir
Asenkron motorun stator gerilimi frekansının değiştirilmesi ve Vs/fs in sabit tutulması halinde moment -dönme sayısı karakteristikleri

Hızı değiştirilebilen bir senkron generatör yardımı ile asenkron motorun Vs / fs oranı sabit olması koşulu altında hız kontrolu pratikte büyük bir uygulama alanı bulmaz Çünkü her asenkron motor için hızı ayarlanabilen bir asenkron generatöre ihtiyaç vardır Asenkron motorun bu yolla hız kontrolu yapılırken , öte yandan hızı kontrol edilen bir tahrik makinesi sağlanmak zorunluluğu doğmaktadır Bununla beraber buhar türbini ile çalışan bazı gemilerde pervaneleri tahrik eden sincap kafesli asenkron motorlar , hızı ayarlanabilen buhar türbinin tahrik ettiği senkron generatöre bağlanabilir Böylece asenkron motorun hız ayarı yapılabilir
Sincap kafesli asenkron motorlar ucuz ve az arıza yaptıklarından çoğu zaman değişken frekanslı kaynaklar pahalı olsa da frekans değiştirerek yapılan hız kontrolu uygulama alanı bulabilmektedir
Ayrıca rüzgar tünellerinde uçak modellerini kontrol etmek için yüksek hızlı sincap kafesli asenkron motorlar kullanılır

Bunun için statora 50 Hz ‘e göre yüksek frekanslı gerilim uygulanır
Statora uygulanan gerilim frekansını değiştirilmesinde asenkron motorun senkron hızı belirli bir p kutup sayısında stator gerilimin fs frekansı ile değiştirilip kontrol edilebilir Normal yükleme sınırları içinde kalmak koşulu ile kontrol edilen devir sayısı yük momentinden bağımsızdır
Asenkron motorda gerilim frekansı parametre olmak üzere momentin devir sayısı ile değişmesi
Asenkron motorlarda frekansı değiştirerek yapılan hız kontrolunda , asenkron motorun devrilme momentinin değerinin sabit kalması sağlanır Bu amaç için Vs / fs oranı sabit tutulur
Buradan M(max)=( Vs )² olduğu hatırlanır
Vs / fs ile devrilme momenti arasındaki bu bağlantıdan dolayı frekans büyüdükçe uygulan gerilimin etkin değeri değişmezse devrilme momenti küçülür Yani hava aralığındaki akı yoğunluğu azalır Aynı şekilde düşük hızlara indikçe de devrilme momenti yükselir Bu ise stator artması gibi bir sakınca yaratır Oysa devrilme momentinin sabit tutulması yani frekans değerine
f2 = u2
f1 u1
olacak şekilde bir u stator gerilimi karşi düşürüp moment hiz karakteristiklerini hiz düştükçe sola dogru paralel olarak kaydirmak motorun hizini senkron hizla sifir degeri arasinda degiştirmek mümkün olur
Buradan görüldüğü gibi asenkron makineye uygulanan gerilim ve ya akımın frekansını değiştirerek yapılan hız kontrolu hem geniş bir kontrol aralığı sağlaması hem de hız kontrol bölgesinde devrilme momentinin sabit tutulmasına olanak verdiğinden en uygun yöntemdir
Pratikte bu hız kontrol yönteminin sağladığı güç elektroniği devreleri, besleme biçimlerine göre iki gruba ayrılırlar

Doğrudan şebekeden çevirici
Dolaylı olarak şebekeden çevirici
a)Doğrudan şebekeden çevirici adından anlaşılacağı gibi birinci gruba dahil olup bir frekanstaki giriş gerilimini başka bir frekanstaki değişen gerilime çevrilir Diğer frekans çeviricilere göre en önemli farkı bu gerilim ve frekans değiştirme işlemi giriş gücünde doğrudan yapılmasıdır
Çevirme işlemi, tristör elemanlarinin uygun tetiklenmesi ile gerçekleşir
Frekans çeviricinin çalışma ilkesi istenen frekansta çıkış gerilimi oluşturacak şekilde giriş geriliminden yararlanarak tristörlerin uygun anlarda tetiklenmesine dayanır Bu amaçla çeviricinin her fazına birbirine zıt paralele bağlı iki tane üç fazlı tam dalga kontrollu doğrultucu bağlanır Bu doğrultuculardan biri çıkış akımın yarı periyodunda , diğeri ise negatif yarı periyodunda doğrultma ve evirme modunda çalışarak istenen frekansta çıkış gerilimi temel bileşen yanında harmonikleride kapsar
Çıkışta elde edilen frekans şebeke frekansının altındadır Bu nedenle düşük devir sayılarında çalışmak söz konusudur

Dolaylı olarak kullanılan çeviricilerde dolaylı olarak düşük frekanslarda çalışma dalga şeklinin kare şeklinde olması asenkron motorlarda olumsuz etki yapar Bundan dolayı üç faz için toplam 36 tristör kullanıldığından maliyet açısından olumsuz oluşu büyük güçlü motorların düşük hızlarda kullanılması hali için uygundur
Şekil 3 50 Hz lik sabit frekanslı alternatif gerilim kaynağı kullanarak değişken frekanslı (0-40 Hz) bir gerilim kaynağı veren cycloconverter dener doğrudan frekans değiştirici ile asenkron motorun ayarı
Beslemesi dolaylı olarak şebekeden sağlanan rekans çeviriciler şekil 4 de görüldüğü gibi dört kısımdan oluşur

Doğrultucu
Ara devre
Çevirici
Kontrol ünitesi

Frekans çeviricinin çalışma ilkesi

Frekans çeviriciler kullanılan ara devre tipine göre iki ana grupta toplanabilir Ara devre sadece seri bir endüktanstan oluşuyorsa çevirici akım ara devreli olarak tanımlanır
Doğrultucu tarafından motor akımının kontrol edildiği bu düzen bir motorlu tahrik sistemleri için elverişlidir Akım ara devreli çeviriciler alan zayıflama bölgesinde kullanılmaya uygun değildir

Akım ara devreli
Kontrollu doğrultucu ile denetlenebilen gerilim ara devreli
Doğru akım kıyıcı ile denetlenebilen gerilim ara devreli
DGM lu sabit ara devreli

Tablo 1 de çeşitli frekans çeviricilerin karşilaştirilmasi yapilmiştir
Asenkron ve senkron motorlarda 50 Hz lik frekansla erişeli bilecek maksimum devir sayisi 3000d/d dir Halbuki bazi tezgah ve makinelerde ; örnegin marangoz tezgahlari ve delme makinelerinde çok daha yüksek devir sayisina ihtiyaç vardir Buna karşilik bazi tahriklerde de ; örnegin hadde tesisleri , taşima yollari , seri halinde çalişan bazi tezgahlar , matbaa ve tekstil makinelerde düşük devir sayilari kullanilir
Asenkron ve senkron motorların primer şebeke frekansını değiştirerek devir sayılarını geniş bir alan içinde iki yönlü sıhhatli bir şekilde ve stabil olarak ayarlamak mümkündür
Yüksek hızlı tezgahlarda 150/300 Hz , hadde ve gemilerin tahrikinde 15/60 Hz arasında değişen frekanslara ihtiyaç duyulmaktadır Düşük hızlı tahriklerde de 5 Hz lik frekanslar kullanılır
Asenkron motorların devir sayısı ayarında çoğu zaman yüklenilebilirlik kabiliyetinin değişmemesi istenir Bu ise primer şebeke frekansı değiştirirken manyetik lanın sabit tutulması ile gerçekleşir Bilindiği gibi asenkron motorlarda :

Vs =c * fs *Ø bağıntısı geçerlidir Buna göre manyetik alanın değişmemesi için ;
Vs
=c * Ø = sabit
fs

oranını sabit kalması gerekir Buradan primer şebeke frekansı ile birlikte şebeke gerilimi de aynı oran dahilinde değiştirildiği taktirde , motorun manyetik alanı ve netice olarak devrilme momenti ve yüklenilebilirlik kabiliyeti sabit kalır Aslında düşük frekanslarda stator gerilimi düşümünün artmasından dolayı devrilme momentinde bir miktar düşme görülür

Şekil 5 Şebeke frekans ve gerilimin ayni oran kabilinde degiştirildigi asenkron motorlarda n= f(M) karakteristikleri

Şekil 5 de primer şebeke frekans ve şebeke gerilimini birlikte ayni oran dahilinde degiştirildigi bir asenkron motorda elde edilen (n = f(M) ) ayar karakteristigi gösterilmiştir
Üç fazlı asenkron ve senkron motorların primer şebeke frekansını değiştirerek devir sayısı ayarı dinamik ve statik frekans değiştiricileri gerektirir Aşağıda bu maksatla en fazla kullanılan frekans değiştirme sistemleri ele alınacaktır