1 SENKRON MOTORLAR - tbmyoelektrik.klu.edu.trtbmyoelektrik.klu.edu.tr/.../12.hafta_senkron_motorlar.pdf · Senkron makine generatör olarak çalıtırılabildiği gibi, eğer kutuplar

SENKRON MOTORLAR1

Senkron Motorların Çalışma Prensipleri

Senkron makine generatör olarak çalıştırılabildiği gibi, eğer kutuplar bir DC kaynaktan

beslenip, endüvi (stator) sargılarına da alternatif gerilim uygulanırsa bu kez senkron motor olarak

çalışır. Ancak senkron motorların diğer motorlar gibi (asenkron motor, DC motor) direk olarak

kalkınmaları mümkün değildir.

2

SENKRON MAKİNELER – Senkron Motor Çalışma Prensipleri

ELP-13204 Elektrik Makineleri II Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR

Senkron Motorun Kalkınma Durumu

İki kutuplu senkron motorun stator sargıları 50Hz’ lik üç fazlı bir sisteme bağlandığında stator

döner alanı 3000d/d (314 rad/s)’ lik bir senkron hızla saat ibresi yönünde döner. Rotorda bulunan kutup

sargıları da enerjilenince rotor da kutuplandırıldığı için rotora saat ibresi yönünde dönme momenti 𝑻uygulanır. Ancak rotorun ataletinden dolayı rotor hızı ani olarak 314 rad/s’lik hıza çıkamaz.



Stator döner alanı yarı saykılı tamamladığında stator

kutuplarının polaritesi değişeceğinden rotora uygulanan

momentin yönü saat ibresinin ters yönünde iken stator döner

alanı halen saat ibresi yönünde dönmeye devam eder.

Neticede bir saykıllık süre içerisinde rotora

uygulanan ortalama moment sıfır olur. Bundan dolayı rotor ilk

yarı saykılda saat ibresi yönünde, ikici yarı saykılda ise saat

ibresinin tersi yönünde dönmeye çalışır. Rotor hareket

etmediğinden sadece titreşim yapar.

3

4



Senkron motoru çalıştırmak için rotorun devir sayısını senkron devre yada yakın bir değere

kadar yükselmek gerekir. Bu devir sayısı ile dönmekte olan senkron motorun sabit kutupları döner alan

kutupları ile kolayca kilitlenir. Kilitlenme sırasında zıt kutuplar birbirini çekerek rotor döner alan

yönünde ve döner alan hızı ile döner.

Senkron motor çalışmaya başladıktan sonra rotordan herhangi bir akım geçişi söz konusu

değildir. Çünkü rotor, senkron hızda döndüğünden döner alan tarafından kesilmemektedir ve

dolayısıyla da rotorda gerilim indüklenmemektedir.

Senkron motorlar senkron devir sayısında dönen motorlardır. Devir sayıları yüklü yada yüksüz

durumda değişmez hep aynı kalır. Devir sayıları, uygulanan üç fazlı şebeke geriliminin frekansı ile

doğru makinenin yapıldığı kutup sayısı ile ters orantılıdır. Buna göre senkron motorların devir sayılarını

şu şekilde ifade edebiliriz.

𝒏𝒎 =𝟏𝟐𝟎.𝒇𝒆

𝟐𝑷dir. Burada

ns; Senkron motorun devir sayısı (d/d)

fe; Şebeke frekansı (Hz)

2P; Senkron motorun kutup sayısı

5

Senkron motorları için gerekli olan DC enerji genellikle bilezik ve fırça tertibatı ile harici bir

kaynaktan sağlanır. Ancak bilezik ve fırça tertibatı hareketli kısımlar olduklarından enerji iletimi

sırasında bazı sorunlar ortaya çıkar. Bunlar; elektrik arkları, fırçalardaki güç kayıpları, sürtünmeden

dolayı oluşan mekanik problemler, yalıtım problemleri, fiziki alandaki büyüme gibi sıralamak

mümkündür. Fırça ve bilezik tertibatını kaldırarak yapılan düzenekler mevcuttur. Şekilde bu tür bir

sistem görülmektedir.



Şekilde Senkron motor miline ikinci bir küçük güçlü

senkron alternatör bağlanmıştır. Büyük güçlü senkron motor

için gerekli olan DC enerji, küçük güçlü senkron alternatörün

ürettiği AC gerilimin döner diyotlarla doğrultulmasından elde

edilmiştir. Küçük güçlü senkron alternatörün uyartımı için

gerekli DC enerji ise bir DC kaynaktan olabileceği gibi AC

kaynaktan alınan enerjinin doğrultulup kullanıldığı direkt

olarak bir DC kaynak kullanmak da mümkündür.

Senkron Motorların Kullanım Yerleri

• Sabit hızın gerekli olduğu bütün endüstriyel uygulamalarda kullanılır.

• Senkron kompansatör olarak güç katsayısının düzeltilmesi

• Yüksek kararlılık gerektiren konumlama makineleri bulunduran düşük güç uygulamaları ve

robot işleticiler

• Elektrik saatleri

• Kayıt cihazlarının döner tablaları

• Hava kompresörleri

• Santrifüj pompalar

• Kırma makineleri

• Değirmenler

6

SENKRON MAKİNELER – Senkron Motorların Kullanım Yerleri


Avantajları

Senkron motorlar senkron olmayan motorlara göre aşağıdaki avantajlara sahiptir.

• Motor hızı yeterli uyartım akımının uygulanması şartıyla yükten bağımsızdır.

• Açık döngü kontrolleri kullanarak hız ve konumda kesin kontrol; örneğin step motorlar.

• Hem stator hem de rotor sargılarına DA uygulandığında konumları sabit tutarlar.

• Güç katsayıları yük için görece uygun bir alan akımı kullanarak omik olarak ayarlanabilir. Aynı

zamanda kapasitif bir güç katsayısı (mevcut fazın gerilimden ileri fazlı olması), bu akımı ağır

ağır arttırarak bütün kuruluşlar için daha iyi bir güç katsayısını düzeltmeye yardımcı olabilir.

• Yapıları düşük bir hız gerektiğinde elektriksel verimin artmasını sağlar.

• Ya senkron hızda çalışırlar yada hiç çalışmazlar.

7

SENKRON MAKİNELER – Senkron Motorların Kullanım Yerleri


8

SENKRON MAKİNELER – Senkron Motorlara Yol Verme


Senkron Motorlara Yol Verme

Senkron motorlar kendi kendilerine yol alamadıklarından, değişik yöntemler kullanılır. Bu

yöntemlerden bazıları şunlardır;

• Değişken frekanslı invertör kullanarak yol vermek,

• Amortisör sargıları kullanarak yol vermek,

• İkinci bir tahrik makinesi kullanarak yol vermek,

• Senkron generatör olarak çalıştırıp yol vermek

Değişken Frekanslı İnvertör Kullanarak Yol Vermek

Senkron motor kalkınırken, stator döner alan hızı senkron hızda döner. Kutuplara uygulanan

uyartım akımından dolayı rotor mıknatıslanır ve rotora stator döner alan yönünde bir dönme momenti

uygulanır. Ancak rotorun ataletinden dolayı senkron motorda kalkınma momenti üretilemez. Rotora

uygulanan bu momentin yönü stator döner alanının her yarı saykılında zıt yönde değiştiğinden, rotor

hareket edip stator döner alan yönünde dönemez. Yani, rotora uygulanan ortalama moment sıfır

olduğundan, rotor sadece titreşim yapar.

Değişken frekanslı invertör ile senkron motora yol verme.

9

Fakat statora uygulanan gerilimin frekansı azaltılırsa, stator döner alan hızı da azalacağından,

rotor ilk anda üzerine uygulanan dönme momenti yardımıyla hareket edip stator döner alan yönünde

dönmeye başlar. Daha sonra statora uygulanan gerilimin frekansı kademeli şekilde arttırılarak rotor

hızının senkron hıza kadar yükselmesi sağlanır. Değişken frekansla senkron motorlara yol vermeye

ait blok diyagram şekilde verilmiştir.



10



Amortisör Sargıları Kullanarak Yol Vermek

Senkron motor kendi kendine kalkınamadığından, senkron motorun rotor yüzeyine kısa

devre çubukları veya amortisör sargıları yerleştirilir. Bu sargılar kısa devre edilerek, senkron motorun

ilk kalkınma durumunda aynen bir asenkron motor olarak çalışması sağlanır. Bu anda, kutup

sargılarına DC gerilim uygulanmaz ve uyartım sargıları büyük değerli bir direnç üzerinden kısa devre

edilirler. Çünkü senkron motoru kısa devre çubuklu asenkron motor olarak çalıştırıp kalkındırırken,

uyartım sargılarında da bir gerilim indüklenmektedir. Bu gerilimin değeri, uyartım sargısının sipir

sayısına da bağlı olduğundan, çok yüksek olup tehlike arz edebilir. Uyartım sargılarından çok büyük

değerli kısa devre akımlarının geçmemesi için devreye büyük değerli bir seri direnç bağlanır.

Kısa devre çubukları veya amortisman sargıları bulunan bir senkron motorun stator (endüvi)

sargılarına üç fazlı bir kaynaktan gerilim uygulanırsa, senkron motor aynen bir asenkron motor gibi

kalkınmaya başlar ve rotor hızı senkron değerlere yaklaşır. Bu anda uyartım devresi DC kaynaktan

beslenerek senkron motorun rotoru ile stator döner alanı kilitlenerek motorun senkron hızda

çalışması sağlanır. Amortisman sargılarının dirençleri küçük olduğundan, kalkınma anında senkron

motorun ürettiği kalkınma momenti sadece mekanik kayıpları karşılayacak değerdedir. Bundan

dolayı amortisman sargıları ile kalkındırılan bir senkron motor boşta kalkındırılmalıdır.

Senkron motor senkron hızda dönerken amortisman sargılarında herhangi bir gerilim

indüklenmez. Çünkü rotor üzerindeki amortisman sargıları da stator döner alan hızında dönmekte ve

amortisman sargıları herhangi bir şekilde stator manyetik akısı tarafından kesilmemektedir. Senkron

motorun hızında yükten dolayı herhangi bir değişme olursa; yani rotor hızı senkron hızın üzerine

çıkarsa veya senkron hızın altına düşerse amortisman sargılarında bir gerilim indüklenir ve

sargılardan akım dolaşır. Senkron motorun rotor hızı senkron hızın altına düşmüş ise, senkron motor

tekrar asenkron motor olarak çalışır ve bir döndürme momenti üretilir. Bu moment rotorun azalan

hızını tekrar senkron hıza yaklaştırır. Senkron motorun rotor hızı senkron hızın üzerine çıkmış ise

senkron motorun sargılarında indüklenen moment rotor hızının tekrar senkron değerlere inmesini

sağlar. Yani rotor hızının artması veya azalması durumunda da amortisman sargıları devreye girerek,

rotor hızının senkron hız değerlerine yaklaşmasını sağlar.

11



Eğer senkron motor yük altında kalkındırılacak ise amortisman sargı dirençleri artırılarak

kalkınma momenti da artırılır. Ancak bu durumda kayma çok büyük olacağından, senkron hıza yakın

hız değerleri elde etmek mümkün olamayacağından, kutup alanı ile stator döner alanı arasında

kilitleme sağlanamayabilir. Bundan dolayı amortisman sargı dirençlerinin uygun miktarda artırılması

gerekir.

ÖZETLENECEK OLURSA AMORTİSMAN SARGILARI ARTAN ROTOR HIZINI

AZALTARAK SENKRON HIZA İNDİRİR, AZALAN ROTOR HIZINI ARTTIRARAK SENKRON HIZA

YAKLAŞTIRIR.

Amortisman sargıları senkron generatörün kalkınması için veya paralel bağlanması için

gerekli değildir. Ancak alternatör hızındaki değişmelerin de giderilmesi için yine amortisman

sargılarına ihtiyaç vardır.

12



İkinci Bir Tahrik Makinesi Kullanarak Yol Vermek

İkinci bir tahrik makinesi kullanmaktaki amaç senkron motorun rotor hızını senkron hız

değerlerine yaklaştırmaktır. Senkron motor, miline bağlı olan herhangi bir tahrik makinesi tarafından

döndürülerek, rotor hızı senkron hız değerlerine yaklaştırılır veya tam senkron hıza çıkartılır. Bu anda

senkron motorun statoru üç fazlı alternatif kaynaktan, kutupları da DC kaynaktan beslenerek stator ve

kutup alanlarının birbiri ile kilitlenmesi sağlanır. Böylece senkron motor senkron hızda çalışmaya

başlar ve senkron motorun miline bağlı olan tahrik makinesi devre dışı bırakılır. Burada dikkat

edilmesi gereken husus, stator döner alan yönü ile tahrik makinesinin dönüş yönünün aynı olmasıdır.

Tahrik makinesi bir DC motor, bir asenkron motor veya bir dizel motor olabilir. Tahrik

makineleri sadece motorun kalkınmasında kullanıldıklarından ve kalkınma anında senkron motorda

da sadece mekanik kayıplar olduğundan, tahrik makinelerinin gücü küçüktür. Çoğu senkron

motorların tahrik makineleri senkron motorun miline sabit olarak bağlanmış olup, iki makineli komple

bir sistem halinde bulunmaktadır.

13



14

Senkron Generatör Olarak Çalıştırarak Yol Vermek

Senkron makine önce senkron generatör olarak çalıştırılır ve daha sonra uyartım akımı

azaltılarak alternatör üzerindeki yük azaltılır ve sıfır yapılır. Uyartım akımı azaltılmaya devam edilir

ise, senkron makine alternatör çalışma durumundan senkron motor çalışma durumuna geçer. Bu

anda senkron makineyi döndüren tahrik makinesi de devre dışı bırakılır. Bu yöntem nadir de olsa

kullanılmaktadır. Özellikle laboratuvarlarda deney maksadıyla bu tür uygulamaları yapmak

mümkündür.



Senkron Makinelerin V-Eğrileri

Senkron makinenin sabit kaynak gerilimi ve

frekansında, değişken uyartımdaki karakteristiği şekildeki V-

eğrileri ile açıklanır. Eğriler senkron makinenin fazör

diyagramından elde edilir. Yüksüz durumda uyartım akımı Ifayarlanarak makine birim güç faktöründe (cosφ=1.0)

çalıştırılabilir. Bu durumda stator akımı Is minimumdur.

Senkron makinenin giriş güç katsayısı, uyartım akımının

azaltılıp artırılmasıyla, geri veya ileri yapılabilmektedir.

Uyartım akımına karşılık gelen Is akımının değişimi V-eğrisi

şeklinde olur. Tam ve yarım yüklerde senkron makinenin

motor ve generatör çalışma durumuna göre V-eğrileri şekilde

verilmiştir.

15

SENKRON MAKİNELER – Senkron Makinelerin V-Eğrileri


Senkron makinenin motor ve generatöre

durumları için V eğrileri

Motor durumu için, uyartım akımı azaltıldıkça motor endüktif özellik gösterir. Yani motor

akımı Is, uygulanan gerilimden geridedir. Uyartım akımı sıfıra doğru yaklaştıkça motorun endüktifliği

ve endüvi akımı artar, endüvi akımı ile gerilimi arasındaki açı 90°'ye yaklaşırken güç katsayısı

cosφ=0.0'a doğru yaklaşır. Motor endüktif çalışırken yük sıfır ise, motorun çektiği akım da az olup

sadece mekanik kayıpları karşılayacak kadardır. Yük arttıkça eğride omik çalışma noktasına doğru

kayar. Uyartım akımı artırılırsa, motorun çektiği Is akımı azalarak endüktiflik azalır, omik çalışmaya

doğru yaklaşılır. Uyartım akımının değişmesine karşılık, endüvi akımında (Is) herhangi bir değişme

yoksa bu noktada endüvi akımı minimumdur ve motor omik çalışmaya geçmiştir. Yani motorun çektiği

endüvi akımı ile motora uygulanan gerilim aynı fazda olup açı sıfırdır ve cosφ=1.0 dir.

Uyartım akımındaki artışa devam edilirse, endüvi akımı tekrar artmaya başlar ve bu noktadan

sonra motor kapasitif çalışmaya başlar. Kapasitif çalışma durumu uyartım akımına bağlı olarak artış

gösterir. Dolayısıyla endüvi akımı endüvi gerilimine göre önde olmak üzere, akım ve gerilim

arasındaki açıda -90o 'ye doğru çıkarken cosφ=0.0'a yaklaşır.

Senkron makinenin motor çalışması durumunda elde edilen V-eğrisi çeşitli yük durumlarına

göre farklılık göstermektedir. Motor boşta çalışırken elde edilen V-eğrileri en dışta olup, motor

yüklendikçe V-eğrisi omik çalışma eğrisine doğru yaklaşmaktadır. Omik çalışma durumunda, boşta

gerekli olan uyartım akım değeri yük miktarı arttıkça artmaktadır. Bunun nedeni endüvi

reaksiyonunun çeşitli yükler için farklı olması ve doymanın artmasıdır.16



Senkron motorun veya alternatörün

uyartım akımına karşılık güç katsayısının

değişimi.

17



Boştaki endüvi reaksiyonu ile yüklü durumdaki endüvi.

reaksiyonu farklı olduğundan, uç geriliminin sabit kalabilmesi

için omik yüklü durumda daha fazla uyartım akımına ihtiyaç

vardır. Yük altında çalışan bir senkron motorun uyartım akımı

anma değerinden fazla ise motor kapasitif, anma değerinden

az ise motor endüktif çalışmaktadır. Uyartım akımının çok

küçük ve çok büyük olduğu noktalarda senkron motor

kararsız çalışma durumuna geçer. Dolayısıyla senkron

motorların uyartım akımları çok geniş sınırlar içerisinde

değiştirilemezler. Şekilde kararlı çalışma sınırlan belirtilmiştir.

Senkron makinenin alternatör olarak çalışması

durumunda ise, motor olarak çalışması durumundaki

söylenenlerin tam tersini söylemek yeterli olacaktır. Yani

fazla uyartım akımı alternatörün endüktif, az uyartım akımı

da alternatörün kapasitif çalışmasına neden olur.

Senkron makinenin motor veya alternatör çalışma

durumuna göre güç katsayısı ve uyartım akımı arasındaki

bağıntı şekilde verilmiştir.

Şekil de 0°- 90° arasındaki açılar ister negatit, ister

pozitif olsun, kosinüslerı birbirlerine eşit ve pozitif değerlidir.

Senkron makine yüklendikçe eğri soldan sağa doğru

kaymaktadır. Güç katsayısının 1 olduğu noktalar makinenin

omik çalışma noktalarıdır. Motor çalışma durumu için omik

çalışma noktasının sol tarafı endüktif çalışmayı, sağ tarafı

kapasitif çalışmayı verir. Alternatör çalışma durumu için ise,

sol taraf kapasitif, sağ taraf endüktif çalışmayı verir.

Güç katsayısının (cosφ) sıfıra yaklaştığı noktalarda

endüvi akımı ile gerilimi arasındaki açı 90°'ye yaklaşmıştır.

Açının -90° veya +90°'ye yaklaşması ise yükün endüktif veya

kapasitif olma durumuna bağlıdır.

18



Senkron motorun veya alternatörün

uyartım akımına karşılık güç katsayısının

değişimi.

Senkron Motorun Reaktif Güç Kompanzasyonu Olarak Kullanılması

Endüstride kullanılan endüktif yüklerin çekmiş oldukları reaktif enerjiler enerji nakil hattını

fazladan yüklediklerinden, hattan çekilen aktif enerji miktarını artırmak için enerji nakil hattındaki

iletkenin kesitini artırmak gerekir. Yüklerin ihtiyacı olan reaktif enerjiler, ya statik olarak

kondansatörlerle, ya da dinamik olarak senkron motorlarla kompanze edilirler.

Senkron motorların uyartım akımlarının değiştirilmesi ile motorun kapasitif veya endüktif

olarak çalıştırılması sağlanabilmektedir. Ayrıca senkron motorun şebekeden çektiği reaktif gücün

miktarı da uyartım akımı ile ayarlanabilmektedir. Bundan dolayı, senkron motorlar dinamik güç

kompanzasyonu olark kullanılmaktadırlar. Senkron motor güç kompanzasyonu olarak kullanılırken

üzerinde herhangi bir yük yok ise, kaynaktan çekeceği aktif güç sadece mekanik kayıpları karşılamak

içindir.

19

SENKRON MAKİNELER – Senkron Motorun Reaktif Güç Kompanzasyonu

Olarak Kullanılması


Enerji nakil hattına bağlı

senkron motor ve yük. 20

SENKRON MAKİNELER – Senkron Motorun Reaktif Güç Kompanzasyonu

Olarak Kullanılması


Dinamik güç kompanzasyonu olarak kullanılan bir

senkron motorun sisteme bağlantısı şekilde verilmiştir.

Burada sistemde yük olarak bir asenkron motor

bulunmaktadır. Senkron motor ve asenkron motor sisteme

birer şalterle bağlanmışlardır. Sisteme bağlı olan asenkron

motorun şebekeden çekeceği geri reaktif güç, senkron

motorun şebekeden çekeceği ileri reaktif güç ile

dengelenerek, sistemin güç katsayısı istenilen değere

getirilmektedir.

21

KAYNAKLAR

• SAÇKAN, A. Hamdi; Elektrik Makineleri III

• ALTUNSAÇLI, Adem; ALACALI, Mahmut; Elektrik Makineleri II

• ÇOLAK, İlhami; Asenkron Motorlar

• BAL, Güngör; Özel Elektrik Motorları

• ÇOLAK, İlhami; Senkron Motorlar

• CHAPMAN, Stephen J.; Electrıc Machinery Fundamentaly 4.Edition

• FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, Charles Jr.; UMANS, Stephen D.; Electric Machinery

Sixth Edition

• PAREKH, Rakesh; AC Induction Motor Fundamentals; Microchip Technology Inc.,

Microchip AN887

• Three-phase Asynchronous Motors, Generalities and ABB proposals for the

coordination of protective devices

• www.wikipedia.org

http://www.wikipedia.org/

Documents

1 SENKRON MOTORLAR - tbmyoelektrik.klu.edu.trtbmyoelektrik.klu.edu.tr/.../12.hafta_senkron_motorlar.pdf · Senkron makine generatör olarak çalıtırılabildiği gibi, eğer kutuplar