Asenkron Motorlar Genel Bilgi

1ASENKRON MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSIBI
2ASENKRON MOTORLARDA V/ F ORANINI SABİT TUTARAK HIZ AYARININ YAPILMASI
3ASENKRON MOTORLARDA HIZ AYAR İLKELERİ
4STATORA UYGULANAN GERİLİM FREKANSININ DEĞİŞTİRİLMESİ
5DİNAMİK FREKANS DEĞİŞTİRİCİLER
6ASENKRON FREKANS DEĞİŞTİRİCİNİN ASENKRON MOTORLA TAHRİKİ

Asenkron motorun farklı iki yapısı vardır
1 - ) Kısa devre rotorlu ( Sincap Kafesli ) asenkron motorlar
2 - ) Rotoru sargılı ( Bilezikli ) asenkron motorlar

Bu iki tip asenkron motorun statorlarını tamamen aynı , yalnız rotorların yapı tarzları farklıdır Normal olarak statorlarında yıldız veya üçgen olarak bağlanabilen üç fazlı bir sargı mevcuttur Kısa devre rotorlu asenkron motorun rotorunda kısa devre halinde sincap kafesli ; bilezikli tip asenkron motorun rotorunda ise kural olarak yıldız bağlı üç fazlı diğer bir sargı bulunur
Her iki tip asenkron motorda üç fazlı stator sargısının uçları ( üç giriş ile üç çıkış ) bir bağlantı kutusuna bundan ayrı olarak sadece rotoru sargılı üç fazlı asenkron motorun yıldız bağlı olan rotor sargısının sadece üç giriş ucu bilezik ve fırça takımı üzerinden diğer bir bağlantı kutusuna taşınmıştır
Çünkü asenkron motorlarda Us = k * F1 * ø bağıntısından anlaşılacağı gibi manyetik alanın değişmesi için U / f oranın sabit olması gerekmektedir

Demek ki primer şebeke frekansi ile birlikte şebeke gerilimi de ayni oran dahilinde degiştirildiginde motorun manyetik alani ve netice olarak devrilme momenti ve yüklenilebilirlik kabiliyeti sabit kalir Aslinda düşük frekanslarda statordaki gerilim düşümünün artmasindan dolayi devrilme momentinde bir miktar düşme görülür
Endüstride birçok makinesi , değişik birkaç dönme sayısı yada çoğu zaman sürekli hız ayarı yapılabilen motora ihtiyaç gösterir Tahrik motorlarına olan bu talep tahrik makinelerine olan ihtiyacı artırmıştır Elektrik enerjisinin üretilmesi ile birlikte elektrik makineleri önem kazanmıştır Elektriğin kolayca taşınması , istenildiği zaman kullanılması , elektrik makinelerin verimini diğer makinelere göre yüksek olusu , elektrikle çalışan makinelerin daha fazla kullanılmasını şağlamıştır

Günümüzde endüstride en çok kullanılan hareketli elektrik makinesi asenkron motorlardır Çalışma ilkesi bakımından bu makinelere endüksiyon makinesi de denilebilir Ucuz olması , fırça ve kollektörün bulunmaması nedeni ile az arıza yaparak çalışmaları daha sık uygulamalarda kullanılmalarına sebep olmuştur alternatif akım makinelerinden olan asenkron motorların üretimleri doğru akım makinelerine göre daha ucuz ama kontrol edilmeleri daha zor ve pahalıdır

Bir asenkron makinenin devir sayısı kontrolü için ( mil momenti sabit kalmak ) şartı ile diğer asenkron makineye yada güç elektroniği elemanlarına ihtiyaç vardır Gelişmiş birçok ayar sistemi arasında son yıllarda endüstride yaygın olarak kullanılan kontrollü diyotlar ( tristörler ) asenkron motor hız ayarı alanında hiç kuşkusuz yeni bir çığır açmıştır

1ASENKRON MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSIBI

Asenkron motorlar stator ve rotordan ibaret olup stator ve rotor üzerine açılan oluklara yerleştirilen sargılardan oluşur Stator üzerine yerleştirilen sargılar ya üçgen şeklindeki sargılardan yada yıldız bağlı sargılardan oluşmaktadır

Stator sargılarından geçen akım alternatif akım olduğundan manyetik devrede periyodik olarak değişen bir alan meydana getirir Bu alana alternatif alan denir Bu alternatif alanı fourier serisi ile yazmak mümkündür alternatif alanın her bir harmoniğini iki döner alana ayırabiliriz Bu döner alanlardan birisi saat ibresi yönünde dönüyorsa diğeri saat ibresi tersi yönünde döner ve her ikisinin de dönüş açısal hızı aynıdır Üç fazlı asenkron motorlarda birbirinden 120 derecelik farklı olan akımlar stator sargılarından geçerek üç adet alternatif alan meydana getirecektir Üç alternatif alanın sadece birinci harmoniğini dikkate alırsak altı adet döner alan meydana gelir Bu altı adet döner alandan üçü saat ibresi yönünde , üçü de saat ibresinin tersi yönündedir Bunların açısal hızları aynı olup Ws tir Sağa doğru dönen döner üç alan çakışık olarak döndüğü taktirde sola döner alanlar arasında 120 derecelik faz farkı olduğu için bileşke değeri sıfır olur, ve motor sağa doğru dönen çakışık üç döner alanın oluşturduğu moment ile sağa doğru döner bu açıklamadan anlaşılabileceği gibi stator sargılarından geçen akımlar Ws açısal hızı ile döner stator alanı oluşturur
Motora ilk gerilim uygulandığı anda motor duracaktır ns hızıyla dönen stator döner alanı durmakta olan rotor iletkenini aynı hızda keser ve rotor alternatif gerilimin oluşmasını sağlar Bu gerilim frekansı f1 olup bu değer şebeke frekansına eşittir

Motor senkron devir sayısında dönseydi bu taktirde senkron devirde dönen stator alanı rotor iletkenlerini kesmeyecekti Son uçta rotor sargılarında alternatif gerilim meydana gelmeyecektir Akım geçmeyince döndürme momenti de sıfır olacaktır Bu nedenle rotor devir sayısı senkron devir sayısını altında olacaktır Bu açıklamadan anlaşılacağı gibi asenkron motorun motor halinde çalışması halinde rotorun senkron devirde dönmesi mümkün değildir Rotor senkron devirde daha küçük olan ve yük ile değişen devirde döner
Elektrik ile tahrikte geniş bir uygulama alanina sahip olan asenkron motor esas itibariyle şönt karekterislikli sabit devir sayili bir tahrik makinesidir Genellikle motor olarak kullanilmakla birlikte bazi koşullarin saglanmasi ile birlikte generatör olarak çalişabilirler

Asenkron motorlar eş zamanli olmayan makinelerden , yani stator sargilarinin oluşturdugu döner alan hizi ile rotorun dönme hizi birbirinden farklidir Rotor dönme hizi motor çalişmada asenkron hizdan küçük , generatör çalişmada ise senkron hizdan büyüktür Işletme özellikleri bakimindan dogru akim şönt motoru ile boy ölçüşebilecek şekilde degilse bile sürekli devir sayisi ayar imkanina sahiptir
Bir, iki, üç ve çok fazlı olarak imal edilebilirler En fazla kullanılan motorların birisi yukarıda da belirtildiği gibi kısa devre rotorlu veya sincap kafesli asenkron motor ve de rotoru sargılı veya bilezikli asenkron motorlardır
Bilezikli asenkron makinelerin rotor oluklarına genellikle üç fazlı sargılar yerleştirilir Üç fazlı rotor sargısı yıldız olarak bağlanır ve yıldız noktası dışarı çıkartılmaz Mil üzerine bağlı ve milden yalıtılmış üç bilezik rotor ile birlikte döner Bilezikler üzerinde sabit duran fırçalar yardımı ile dış kaynaktan gerilimi ve frekansı değiştirilebilen gerilim uygulanabildiği gibi sargılara dışarıdan empedansa bağlanabilir Rotor bileziklerine yol alam direnci bağlayarak yol alam akımı sınırlayarak yol alam direnci büyütülebilir Ayrıca rotora frekans ve güç faktörü kontrolü yapılabilir Rotoru sargılı asenkron makinelere uygulanan bu kontrol sistemi sincap kafesli motora uygulanan hız kontrolün den daha ucuzdur Bununla rotor sargıları rotorda oldukça yer kapladığı için sincap kafesli motorlara göre bilezikli asenkron motorlardan daha az güç elde edilir

Sincap kafesli asenkron motorların statorlarında döner alan oluşturan sargılar vardır Rotor kısa devre çubuklarının oluşturduğu hacim sincap kafesinkine benzediği için motora bu isim verilmiştir Normal çalışma şartlarında rotor çubuklarında endüklenen gerilim 10 V altındadır Bu yüzden kısa devre çubukları rotor saç paketinden yalıtılmaz Rotorda yalıtkan malzeme için yer kaplanmadığı için bu motorda birim hacime düşen güç bilezikli asenkron motorlardan daha fazladır

Bilezikli asenkron motorlarda rotorun sargılı olması ile bileziklerin getirdiği avantaj devir sayısının kolaylıkla ayarlanmasını kalkış momentinin değiştirilebilmesi üstünlüğünü sağlar Sincap kafesli makinede ise rotor sayısı yerine kısa devre edilmiş iletken çubukların bulunuşu makinenin hem kalkış momentini , hem de devir sayısı ayarı yapabilme yeteneklerini kısıtlamaktadır Bu nedenle sincap kafesli makineler daha çok kalkış momenti değişmeyen ve devir sayısı mümkün olduğu kadar sabit olan iş makinelerinin tahrikinde kullanılır Ancak yapım kolaylığından dolayı bilezikli makineye göre iki kat daha ucuzdur

2ASENKRON MOTORLARDA V/ F ORANINI SABİT TUTARAK HIZ AYARININ YAPILMASI

GİRİŞ:

Asenkron motorlarda normal çalışma bölgesinde dönme sayısı sabit kalmaktadır Endüstride birçok iş makinası , değişik birkaç dönme sayısı ya da çoğu zaman sürekli hız ayarı yapılabilen motorlara ihtiyaç gösterir Ayrıca hava kirlenmesi nedeni ile elektrik motorlu taşıt araçlarında, yakıt bataryası almak ve elektrik motorunun kullanılması öngörülmektedir Asenkron motorun ucuz olması fırça ve kollektorunun bulunmaması nedeni ile az arıza yaparak çalışma olanağının bulunması, bu motorların yaygın olarak kullanılmasına ve hız ayarının gene asenkron motorlar yardımı ile yapılmasına yol açmıştır Geliştirilmiş birçok ayar yöntemi arasında son yıllarda endüstride yaygın olarak kullanılan kontrollu diyotlar ( Tristör ) asenkron motorların hız ayarı alanında , hiç kuşkusuz yeni bir uygulama alanı açmıştır

Elektrikle tahrikte önemli bir uygulama alanına sahip bulunan üç fazlı asenkron motor esas itibariyle şönt karakteristikli sabit devir sayılı bir tahrik makinasıdır İşletme özellikleri bakımından her ne kadar doğru akım şönt motoru ile bot ölçüşecek boyutta değilse de kademeli ve sürekli devir sayısı ayar imkanlarına sahiptir Bu nedenle devir sayısı ayarı istenen bazı tahrik sistemlerinde de kullanılmaktadır

3ASENKRON MOTORLARDA HIZ AYAR İLKELERİ

Asenkron motorlarda hız ayar ilkeleri aşağıdaki gibi sıralanabilir
1-) Statora uygulanan gerilim frekansının değiştirilmesi
2-) Statora uygulanan gerilim değerinin değiştirilmesi
3-) Stator sargısı kutup sayısının değiştirilmesi
4-) Rotora bağlanan direncin değiştirilmesi
5-) Rotor sargılarına dış kaynaktan uygun gerilim uygulanması

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

5DİNAMİK FREKANS DEĞİŞTİRİCİLER

Uygulamalarda , üç fazlı asenkron ve senkron motorların devir sayıları ayarı için dinamik frekans değiştirici olarak daha çok senkron ve asenkron frekans değiştiriciler (motor ve generatör grupları ) ile serbest uyartımlı frekans değiştirici kullanılır

1-) Senkron Frekans Değiştirici Kullanmak

senkron ve asenkron frekans değiştiriciler daha çok yüksek güçlü tahriklerde ; örneğin gemiler , seri halinde çalışan makineler ve hadde tesislerinde kullanılır Özellikle düşük frekans doneleri için uygundur
Gemilerde frekans değiştirici olarak büyük güçlü bir senkron alternatör ile tahrik makinası olarak devir sayısı geniş sınırlar içinde ekonomik olarak değişebilir bir ısı kuvvet makinası ; çoğunlukla bir buhar türbini kullanılır Türbine gönderilen buhar çoğunlukla kısıldıkça devir sayısı ile birlikte alternatörün frekansı ve bir netice geminin pervanelerini tahrik eden senkron ve asenkron motorların devir sayıları düşer Türbinin devir sayısını değiştirirken alternatörün ikazı sabit tutulursa frekansla birlikte gerilimi de aynı oran dahilinde değişeceği için esas tahrik motorunun devrilme momenti yaklaşık olarak sabit kalır
Sanayide seri halinde çalışan makineler ve hadde tesislerinde çok sayıda tahrik motorunun devrini birlikte kontrol etmek için senkron frekans değiştiriciyi tahrik etmek üzere belirli güçlere kadar stator veya rotorundan beslenen üç fazlı kolektörlü şönt motor ( Schrage-Richter motoru ) büyük güçler için kural olarak WARD- LEONARD tahriki kullanılır

Şekil 6 W-L Ayar sistemi ile ayar edilen büyük güçlü bir senkron frekans değiştiricinin esas bağlantı şeması
Şekil 6 da frekans degiştiricinin tahrik makinesi olarak WARD-LEONARD sisteminin kullanildigi büyük güçlü bir senkron degiştiricinin üç fazli asenkron motorlari (esas tahrik motorlarini ) içine alan esas baglanti şemasi gösterilmiştir Bu baglanti şemasinda FD senkron frekans degiştirici , TM2 bunun tahrik makinesi ,TM1 de DA kontrol generatörün tahrik makinesi , ID ikaz dinamosu , M1 , M2 , M3 , devir sayisi ayarlanan üç fazli asenkron motorlar (esas tahrik motorlari ) dir
Böyle bir tahrik sisteminde FD nin gücü tahrik motorları güçleri toplamına eşittir Tahrik makinesi olarak bir ısı kuvvet makinesi kullanılması halinde ayar sisteminin toplam gücü esas tahrik motorları toplam gücünün %300 ‘ne , WARD-LEONARD sistemi kullanıldığı taktirde %500 ‘ne ulaşır
Bu nedenle böyle bir ayar sisteminin verimi düşük, tesis ve işletme giderleri yüksektir Buna karşilik ayar araligi oldukça geniş ayrica ayar sürekli ve stabildir alternatörün devir sayisi ve frekansi degiştirilirken ikaz akimi sabit tutulmak suretiyle üç fazli asenkron ve senkron motorun devri geniş bir alanda degişirken devrilme momenti yaklaşik olarak sabit kalir, yüklenilebilirlik kabiliyeti degişmez

2-) Asenkron Frekans Değiştirici Kullanmak

Üç fazlı asenkron motorların kademeli ve sürekli devir sayısı ayarı için asenkron frekans değiştiriciler de kullanılır Şekil 7 de asenkron frekans değiştirici olarak kullanılan üç fazlı bilezikli bir asenkron makinenin esas bağlantı şeması gösterilmiştir Burada FD asenkron frekans değiştirici , TM tahrik makinesi , M devir sayısı ayarlanan motordur Frekans değiştirici , tahrik makinesi tarafından döner alan yönünde ;
ntm = 60 *fs =nsfd
p
senkron devir sayısı ile döndürülürse sekonder frekansı f2fd= f1m ; döner alana zıt yönde ise nsfd hızıile tahrik edilirse f2fd = f1m = 2f1 olur Buradan frekans değiştiricinin devir sayısı + nsfd ile - nsfd arasında değiştirilerek f 2fd sekonder frekansı 0 ila 2f1 arasında ayarlanır
Asenkron frekans değiştiricinin sekonder ve primer frekansları arasında ;
f 2fd = nsf - ntm
f1 nsf
bağıntısı yazılabilir Frekans değiştiricilerin sekonderinden beslenen esas tahrik motorunun boşta ideal devir sayısı ise ;
n = f2fd nsm = nsfd - ntm n sm olur
f1 nsfd

Bu denklemlerde nsm M esas tahrik motorunun f1 şebeke frekansindaki senkron devir sayisidir Asenkron frekans degiştiricilerin sekonder gerilimi frekansla orantili degiştigi için devir sayisi ayarlanan M tahrik motorunun döner alani ve devrilme momenti yaklaşik olarak sabit kalir Asenkron frekans degiştiricileri güç kayiplari hesaba katilmadigi taktirde esas güçler için ;
Pm = Pfd + Ptm
bağıntısı yazılabilir Buradan M tahrik motoruna verilen güç frekans değiştiricinin stator döner alan gücü ile tahrik makinesinin mil gücü toplamına eşittir Diğer taraftan bilindiği gibi kayıplar hesaba katılmadığı taktirde bir asenkron makinenin stator döner alan gücü ile rotor mekanik gücünün döndürme momentine göre ifadeleri ;
P fd = 2π *nsfd Mfd , P tm = 2π * n tm Mfd
60
olum güçlerin bu değerleri önceki formüllerde yerine konursa ;
Pm = 2π *nm Mm = 2π ( nsfd - ntm ) Mfd
60

bağıntısı elde edilir Bu denklemler ile frekans değiştirici ve devir sayısı ayar edilen M tahrik motoru momentleri arasında ;
Mfd = nsm Mm
nsfd
bağıntısına ulaşılır Bu denklem , frekans değiştirici döndürme momentinin motor milinde ki yük momenti ile orantılı değiştiğini , ayarlanan sekonder frekansına bağlı olmadığını gösteren önemli bir neticedir
Şekil 8 de yük momentinin sabit degeri için esas güçlerin ( P, Ptm Pm güçlerinin ) f2fd / f1 frekanslar oranına bağlı olarak değişimleri gösterilmiştir Frekanslar oranının 0 ile 2 arasında değişen ayar alanı için ;
Pfd = Ptm = Pm/2 olup tesisin toplam gücü tahrik motoru gücünün 2 katıdır Bu bakımdan asenkron frekans değiştirici kullanmak senkron frekans değiştiriciye göre daha avantajlıdır

Şekil 8 Yük momentinin sabit değeri için asenkron frekans değiştirici kullanarak devir sayısı ayarında güçlerin değişimi
Tahrik makinesi olarak, sürekli devir sayısı ayarı için belirli güçlere kadar aynı şebekeden beslenen üç fazlı kolektörlü alternatif akım şönt motoru büyük güçlerde WARD-LEONARD tahriki kullanılır Kademeli devir sayısı ayarı ile yetinildiği taktirde , tahrik makinesi kural olarak çok kutup sayısına haiz üç fazlı kd rotorlu bir asenkron motordur
Şekil 9 da WARD-LEONARD sistemiyle tahrik edilen büyük güçlü bir asenkron frekans degiştiricinin esas baglanti şemasi gösterilmiştir Bu baglantinin normal baglantidan olan farki , rotorun f1 frekanslı şebekeye bağlanışı , statorun ise sekonder olarak kullanılmasıdır
Bu bağlantıda vantlı gücün yanında, gerek Fd gerekse M tahrik motorları döner alanları için lüzumlu reaktif güç FD nin rotorundan statora aktarılır

Burada sekonder frekansı yine FD nin devri değiştirilerek ayarlanır Sükunet durumunda f2fd = f1 dir Sekonder frekansını f1 üstünde daha büyük bir değere ayarlamak için frekans değiştirici rotor döner alan yönünde daha küçük frekanslar için rotor döner alanına zıt yönde çevrilir Böyle bir ayar sistemiyle tahrik motorlarının devir sayıları birlikte sıhhatli ve stabil olrak geniş bir alan içinde ayarlanabilir Ayar oranı 10:1 hatta 12:1 ‘e kadar çıkar
Şekil 9 daki montaj şeklinde 0 ile 2f1 arasındaki frekans ayar alanı için tesisin toplam gücü devir sayıları ayarlanan esas tahrik motorları toplam gücünün 4 katıdır Bundan dolayı bu ayar sisteminde kuruluş ve işletme maliyetleri oldukça yüksektir

6ASENKRON FREKANS DEĞİŞTİRİCİNİN ASENKRON MOTORLA TAHRİKİ

Kademeli devir sayısının yeterli olduğu tahriklerde kural olarak asenkron frekans değiştirici kutup sayısı değişebilen ( iki , üç , veya dört devirli ) kd rotolu bir senkron motorla tahrik edilir Burada asenkron tahrik makinesi için iki farklı besleme şekli mümkündür:
Doğrudan doğruya primer şebekeden besleme
Frekans değiştiricinin sekonderinden besleme

Şekil 10 Asenkron frekans değiştiricinin
Primer şebekeden
Sekonder şebekeden beslenen asenkron motorla tahriki
İlk olarak ilk bağlantı sekli etüt edilirse : Kayıplar hesaba katılmadığı taktirde üç fazlı TM asenkron tahrik makinesi asenkron frekans değiştiriciyi boşta senkron devir sayısı ile tahrik eder Asenkron frekans değiştirici ve asenkron tahrik makinesinin çift kutup sayıları sıra ile Pfd ve Ptm ile gösterilirse her iki makinenin senkron devir sayıları :
nsfd = 60 f1 ve nstm = 60 f1
Ptm Ptm
Olup boşta yaklaşik nstm devir sayısı ile çevrilen frekans değiştiricinin dönüş yönüne bağlı olrak sekonder ve primer frekansları arasında :
f2 = ( 1+(-) Pfd )
f1 Ptm
bağıntısı elde edilir Buna göre devir sayısı ayarlanan M tahrik motorunun ( veya tahrik motorlarının ) boşta ideal devir sayısı :
nm =( 1+(-) Pfd ) nsm
Ptm
olur Burada nm tahrik makinesinin f1 frekanslı şebekeye direkt bağlantısındaki - senkron devir sayısıdır
TM tahrik makinesi asenkron frekans değiştiriciyi döner alan yönünde çeviriyorsa yukarıdaki denklemlerde parantez içindeki işaret döner alana zıt yönde tahrik ediliyorsa + dır
Asenkron frekans değiştirici tek devreli kd rotorlu bir asenkron motorla tahrik edildiği taktirde üç devir sayısı kademesi , kutup değiştirme sayısı k olan çok devirli bir asenkron motorla tahrik halinde 3k+1 devir sayısı kademesi elde edilir Örneğin çift kutup sayısı Pfd =1 olan bir asenkron frekans değiştirici çift kutup sayısı Ptm =2 olan tek devirli bir asenkron makine ile tahrik edilirse elde edilen devir sayısı kademeleri nm / nsm = 0,5 - 1 - 1,5 olur Çift kutup sayıları 2 ve 4 olan çift devirli bir asenkron tahrik makinesi kullanıldığında nm / nsm = 0,5 - 0,75 - 0,875 -1 -1,125 - 1,25 - 2 devir sayısı kademesi elde edilir
Şimdi şekil 10’daki ikinci baglanti ele alinirsa : Bu ikinci baglanti şeklinde TM tahrik makinesi asenkron frekans degiştiricinin sekonderinden beslenmektedir Kayiplar hesaba katilmadigi taktirde bu baglanti şeklinde esas güçler arasinda :
Pfd + Ptm = P2fd = Pm + Ptm
veya
Pfd = Pm = P2fd - Ptm
Bağıntısı yazılabilir Diğer taraftan
Pfd = 2π nsfd Mfd
60
Pm = 2π nm Mm ve ;
60
P2fd = 2π ( nsfd - ntm ) Mfd
60
Ptm = 2π ntm Mfd dir
60
Bu bağıntılardan nm , tahrik makinesinin devir sayısı olup , şayet tahrik makinesi frekans değiştiriciyi döner alan yönünde çeviriyorsa ntm pozitif , döner alan ters yönde çeviriyorsa negatiftir

Önceki denklemlerden asenkron frekans değiştiricinin döndürme momentleri için
Mfd = f2 nsm M
f1 nsfd
bağıntısı bulunur , ve devir sayısı ayarlanan M tahrik motoru milindeki yük momentinin sabit kalması halinde :
Mfd = f2 60 P1m
f1 2π nsfd
bağıntısı yazılabilir Mfd nin bu değeri önceki denklemlerde yerine konulduğunda :
P2fd = ( f2 )² * P1m ve Ptm = (1- f2 ) f2 P1m
f1 f1 f1
bağıntıları elde edilir
Şekil 11 de sabit kalan kren - moment yük karakteristigi halinde şekil 10 b deki ayar baglantisi için Pm , Pfd , ve Ptm güçlerinin f2 / f1 frekanslar oranına bağlı olarak bu oranın 0 ile 2 sınır değer arasındaki değişmeleri gösterilmiştir
3 - Serbest Uyartımlı Frekans Değiştiriciler Kullanmak
Serbest uyartımlı frekans değiştirici esas itibariyle bir tarafında üç bilezik , diğer tarafında komütatör ve üzerinde üç veya altı adet fırça takımı bulunan bir doğru akım endüvisinden meydana gelir Statorun üzerinde serbest ikaz sargısı bulunur
Endüvi sargısının uçları normal olarak kollektör dilimlerine ve bu sargının aralarına 120 derece E faz farklı üç noktası da bileziklere bağlıdır Bu yapıda bir doğru akım endüvisi , frekans transformatörü olarak kullanılabilir Bilezikler , en genel halde sürekli veya kademeli olarak ayarlanabilen üç fazlı bir transformatör üzerinden f1 frekanslı üç fazlı şebekeye bağlıdır
Şekil 12 serbest uyartımlı frekans değiştiricinin esas bağlantı şeması
Frekans değiştiricinin sekonderini oluşturan komütatör üzerindeki fırçalarda devir sayısı ayar edilebilecek asenkron motora bağlıdır
Bu yapıda bir endüvi komütatör ve fırçalar sistemiyle birlikte fırçalardaki gerilim sabit kalmak koşulu ile frekansın geniş sınırlar arasında değişimini mümkün kılar
Frekans değiştiricinin endüvisi transformatör ve bilezikler üzerinden f1 frekanslı ve üç fazlı şebekeden beslenirse endüvi sargısından geçen üç fazlı akımlar rotora nazaran :
nsfd = 60 f1
Pfd
hızıyla hareket eden bir döner alan meydana getirir Bu döner lalnın endüvi sargılarında meydana getirdiği EMK dalgası komütatöre göre aynı hızla hareket eder Eğer endüvi sabit tutulursa bu taktirde komitatör üzerindeki sabit fırçalarda fine f1 frekanslı üç fazlı bir gerilim sistemi elde edilir Şayet endüvi döner alan hızı ile döner alan yönünde çevrilirse elde edilen gerilim sisteminin frekansı sıfır , aynı hızla ve fakat döner alan zıt yönde çevrilirse 2f1 olur Demek ki tahrik motorunun devri +nsf ile - nsf arasında değiştirilmek suretiyle sekonder gerilimini değeri sabit kalmak suretiyle frekansı 0 ile 2f1 arasında ayarlanabilir Frekanstan bağımsız olarak gerilimin genliği ise TR ayar transformatörü ile değiştirilebilir
Serbest ikazlı frekans değiştiricide gerek frekans değiştirici ve gerekse besleme transformatörü devir sayısı ayar edilecek M tahrik edilecek motor büyüklüğünde , fakat TM tahrik makinesi ise sadece frekans değiştiricinin sürtünme ve vantilasyon kayıplarını karşılamaya yeter büyüklükte ufak güçlü bir makinedir
Bu faydasına karşılık serbest ikazlı frekans değiştiricinin güç alanı sınırlıdır Belirli güçlere kadar inşa edilip kullanılabilmektedirler

4 - Yarı İletken ( Tristör Veya Izgara Ayarlı Gazlı Deşarj Redresörleri ) Kullanmak
Güç elektroniğinde özellikle transistör ve tristörlerin yapı tarzlarında elde edilen son gelişmeler ; verimleri yüksek ve son derece ucuz olan bu statik cihazların doğru ve alternatif akımlı bir çok tahrik ve ayar sistemlerinde geniş ölçüde kullanılmalarına vesile olmuştur Bu ayar redresörleri doğru akımlı tahrik ve ayar sistemlerinden başka , üç fazlı asenkron motorlara yol verme , devir sayısı ayarında ve koruma işlerinde de kullanılmaya başlanmıştır Bunların kren işletimi , gemiler ve çeşitli iş makinelerinde her an rastlamak mümkündür

Tristör ve gazlı deşarj tüpleri , redresör olarak alternatif akımı doğru akıma , ondülör olarak doğru akımı alternatif akıma çevirme işini gördüklerinden başka frekans transformatörü olarak da kullanılmaktadır Bu ızgara veya kapı ayarlı yarı iletkenlerle şebeke frekansını doğrudan doğruya daha küçük bir frekansa , düşürmek mümkündür Fakat şebeke frekansının üstünde daha yüksek bir frekans elde etmek için önce alternatif akımı bir redresör grubu ile doğru akıma çevirmek , bundan sonra bu doğru akımı daha yüksek frekanslı alternatif akıma çevirmek için ikinci bir ondülör grubu kullanmak gerekir
Tristörlü üç fazlı köprüler kullanarak sincap kafesli asenkron motorun hız kontrolunu yapan inverter devre düzeni sekil 14 de gösterilmiştir Bu düzende sabit frekanslı bir alternatif akım kaynağının gerilimi üç fazlı tristör köprüsü yardımı ile doğru akıma çevrilir Bu doğru gerilim üç fazlı tristör köprüsüne uygulanır

Tristörler alternatif akımı bir yönde geçirdiği için motorun faz sargılarından her iki yönde de akım geçebilmek için , genellikle her faz için iki tristör kullanılır Tristörün tam ateşlemesinde , üzerinde gerilim ihmal edilecek kadar küçük olduğundan hiç geçirmediği zaman kaynağın bütün gerilimini üzerine alır Aşağıdaki şekilde sincap kafesli motorun bir faz sargısına uygulanan gerilimin tristör ile kontrolü gösterilmiştir
ŞEKIL - 15 Tam denetimli aa kıyıcı ile denetim
Hız denetimi yarım dalga denetimli bir aa kıyıcı ile gerçekleşebilir Ancak bu durumda kontrol edilen motorda gürültü gibi istenmeyen durumlar ortaya çıkabilir
Tam denetimli aa kıyıcı ile yapılan denetimde dört ilave tristör daha ilave edilerek faz sırasını değiştirme imkanı elde edilerek regeneratif frenleme ve ters yönde çalışma olanağı elde edilir Aşağıda bu durum incelenmiştir Tahrik ( sürücü ) sistemlerinde , bir frenleme sırasında motor kinetik enerjisinin kaynağa geri verilmesine regeneratif frenleme denir Ayrıca reküperasyon olarak adlandırılır

ŞEKIL - 16 Regeneratif frenleme ve ters yönde çalışma
Belirli bir hızda çalışmakta olan motorun besleme frekansı aniden düşürülecek olursa kayma negatif bir değer alır ve motor yeni bir değer alıncaya kadar yavaşlar Bu sırada motorun önceki çalışmasından biriken kinetik enerji kaynağa geri verilerek regeneratif frenleme sağlanmış olur Diğer taraftan stator döner alanının yönü faz sırası değiştirilerek değiştirilirse stator ve rotor döner alan yönleri birbirine ters olacağından kayma birden büyük olur ve motor frenleme modun da çalışmaya başlar Endüklenen motor moment rotor dönüş yönüne zıt olacağından motor çok hızlı şekilde yavaşlar Motor sıfır hıza ulaştığında kaynaktan ayrılmazsa bu kez ters yönde dönüş başlar

Diğer bir frenleme türü de stator uçları kaynaktan ayrılır ve iki faz birleştirilir Bu birleştirilen faz ucuna ve diğer faza bir doğru gerilim kaynağı bağlanırsa stator alanı hareketsiz kalacağından kayma doğrudan rotorun hızına bağlı olur Böylece frenleme sağlanmış olur

Tristörden kapılara uygun bir kontrol işaretleri verilerek çıkışından üç fazlı değişken frekanslı gerilim elde edilmiş olur Tristörler ters yönde enerji iletmeyeceğinden şekil 17 de motorun generatör olarak çalışması halinde enerji şebekeye geri verilemez