Embed Size (px)
Citation preview
ÖZEL ELEKTRİK
MAKİNALARI
1
1
GİRİŞ: Bundan önce gördüğümüz asenkron ve doğru
akım motorları endüstride standart işlemler için en çok kullanılan motorlardır. Bir bant, vinç veya havalandırma motorlarının haricinde endüstride çok daha hassas uygulamalar için kullanılan elektrik motorları da bulunmaktadır. Bunlar özel elektrik makinaları başlığı altında toplanarak en çok kullanılanlarından bazıları hakkında bilgi bu ders notunda ele alınmıştır.
2
İÇERİK
• SENKRON MAKİNALAR
• SÜREKLİ MIKNATISLI MOTORLAR
FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORLARI
KALICI MIKNATISLI SENKRON MOTORLAR
• HİSTERİSİS MOTORLAR
3
SENKRON MAKİNALAR
4
Senkron makina frekans ve kutup sayısıyla orantılı sabit bir hızda çalışan bir alternatif akım makinasıdır.Bir başka tanımlamayla senkron makine; Stator sargılarında alternatif akım, rotor sargılarında ise doğru akım bulunan ve rotor hızı senkron devirle dönen veya döndürülen makinelerdir. Hem generatör olarak mekanik enerjiyi elektrik enerjiye, hem de motor olarak elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirir.
5
Senkron makineye mekanik enerji verilip elektrik enerjisi alınırsa alternatör, elektrik enerjisi verilip mekanik enerji alınırsa senkron motor olur.
6
Senkron makinaların sabit olan bir dönme sayısında çalışmaları, endüstride motor olarak kullanılma olanaklarını sınırlar. Senkron makinalar, elektrik enerjisi üretiminde, büyük enerji üretim merkezlerinde (santrallarda) generatör olarak en yaygın kullanılan makinalardır. Senkron makinalar hava, su veya direk hidrojen soğutmalı olabilmektedirler. Hidrojenli soğutma 1000 MVA ‘den büyük güçlerde kullanılmaktadır.
7
8
Yapısı:
Senkron makinalarda başlıca şu kısımlar bulunur:
Stator
Rotor
Bilezikler
Fırçalar
Yataklar ve diğer parçalar
9
Stator (Endüvi): Stator saç paketlerinden yapılmış olup iç kısmına sargıların yerleştirilmesi için oluklar açılmıştır. Üç fazlı stator için faz sargıları uçları (asenkron makinada olduğu gibi) u-x, v-y, w-z olarak adlandırılıp bir terminal kutusunda toplanılır. Rotor (Endüktör): Kutup sargılarının sarıldığı kısımdır. Silisli saçların paketlenmesi ve üzerine sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Kutup bobinleri dışarıdan bir doğru akım güç kaynağı ile beslenir
10
Bilezikler: Endüvide endüklenen alternatif gerilimin, alternatif gerilim olarak dış devreye fırçalar yardımıyla alınmasını sağlar. Ayrıca dış devreden rotora gerilim uygulanmasına imkan verir. Fırçalar: Endüvide endüklenen alternatif gerilimi bilezikler yardımıyla dış devreye almaya veya dış devreden rotora gerilimin uygulanmasını sağlar. Fırçalar, karbon veya karbon alaşımından yapılır. Yataklar ve diğer parçalar: Rotorun rahatça dönmesini sağlar. Diğer parçalar olarak mil, vantilatör, klemens kutusu gibi parçalar bulunmaktadır.
11
12
13
Bilezik ve fırça düzeneği mekanik bir düzenektir, bu nedenle bakım problemlerini arttırır sürtünme dolayısıyla yükselen temas direnci kaybı arttırır ve verimi düşürür. Fırça ve bilezik düzeneğini ortadan kaldırmak için geliştirilen fırçasız senkron motorlarda aynı milde (aynı gövdede) yan yana iki makine bulunur.
14
15
Mil üzerinde rotor ile birlikte doğru akım makinesinin endüvisi de bulunmaktadır. Dış gövdede ise hem senkron motorun stator sargıları hem de doğru akım makinesinin kutup sargıları vardır. Doğru akım makinesi bir dinamo gibi çalışarak rotor sargılarına uygulanan gerilimi üretir. Gövde üzerinde olan ve uçları klamens kutusuna çıkarılan Dinamo kutuplarına bir DC gerilim uygulandığında kutuplarda oluşan manyetik alan, içerisinde dönen endüvi sargılarında bir gerilim indükler. İndüklenen bu gerilim her zaman AC dir. İndüklenen bu AC gerilim mil üzerinde mil ile birlikte dönen diyotlardan geçirilerek doğrultulur ve rotor sargı uçlarına verilerek rotor sargılarında bir manyetik alan oluşması sağlanır. Burada rotor sargılarına fırça ve bilezikler üzerinden gerilim verilmektense aynı gövde ve mil üzerinde bulunan bir dinamoda gerilim üretilerek rotor sargıları beslenmiştir.
16
17
Senkron Makinelerin Endüvi Yapılarına
Göre Çeşitleri
Dönen Endüvili Senkron Makineler
Duran Endüvili Senkron Makineler
18
Dönen Endüvili Senkron Makineler:
Dönen endüvili senkron makineler yapılış bakımından doğru akım makinalarına benzer. Bu benzeyişin nedeni her iki makinenin endüvi çevresine yayılmış ve alternatif olarak yön değiştiren kutupları ile üzerinde alternatif gerilimler indüklenen endüvi bobinlerinin bulunmasıdır.
Birbirine çok benzeyen bu iki makine arasındaki fark, endüvi bobinlerinde indüklenen alternatif gerilimlerin dc makinede kollektör yardımıyla doğrultulmuş olarak dışarıya alınırken senkron makinede endüvi bobinlerinde indüklenen alternatif gerilimlerin bilezikler yardımı ile dışarıya alınmasıdır.
19
Senkron generatör Doğru akım generatör
Generatörlerin genel prensip şemaları
20
Duran Endüvili Senkron Makineler:
Bu senkron makinelerde statoruna gerilim indüklenen sargılar yerleştirilmiştir. Rotoruna ise kutup sargıları sarılmıştır. Bu tip senkron makineler orta ve büyük güçlü olarak imal edilir.
Senkron motorları döndüren sistemlerin devir sayısına bağlı olarak rotor, iki tipte yapılır.
Bunlar;
•Çıkık kutuplu rotor
•Yuvarlak kutuplu rotor
21
Statorun duran kısımda olmasının başlıca faydaları şınlardır:
Gerilimin dış devreye alınması için fırça ve bilezik kullanılmaması
Hareketsiz kısımdaki sargıların izolesinin daha kolay olması
Sargılarda merkezkaç (santrifüj) etki ile karşılaşılmaması
Sargıların soğutulmasının daha kolay olması
22
Senkron Makinelerin Rotor Cinsine
Göre Çeşitleri
• Çıkık (Çıkıntılı) Kutuplu Rotoru Olan Senkron Makineler
• Yuvarlak (Silindirik) Kutuplu Rotoru Olan Senkron Maineler
23
Çıkık (Çıkıntılı) Kutuplu Rotoru Olan Senkron Makineler
Stator iç çevresinin düzgün olmasına karşın rotor dış çevresinin düzgün olmadığı makinalara da “Çıkık Kutuplu Senkron Makinalar”denir.
Çıkık kutuplu senkron generatörler, genellikle çok kutuplu olarak ve düşük senkron devir sayısı için imal edilmektedir. Çünkü rotorun yapım şeklinden kaynaklanan santrifüj etki ile büyük gürültü ve rüzgar kayıplarının önüne geçilemez.
Bu tip senkron makinaların rotor boyları kısa, çapları ise geniş olmaktadır. Hidro-elektrik santrallerde elektrik üretimi için çıkık kutuplu senkron makinalar kullanılır.
24
25
26
Yuvarlak (Silindirik) Kutuplu Rotoru Olan Senkron Makineler
Stator ve rotor arasındaki hava aralığının her yerde sabit olduğu makinalara “Yuvarlak Rotorlu (turbo) Senkron Makinalar” denir.
Yuvarlak rotorlu senkron generatörler küçük kutup sayısı ve yüksek senkron devir sayısı için imal edilmekte ve yüksek devirli buhar türbinlerinde kullanılmaktadır. Yüksek devirli buhar türbini uygulamasında kullanılan makinaların rotor boyları uzun ve çapları küçüktür.
27
28
29
Döner Alan
Bir N-S mıknatısının sürekli olarak döndürülmesi ile mıknatısın tüm alanı da döner ki, bu alana döner alan denir.
Elektrik makinalarında döner alan, hareket eden N-S mıknatısları yardımı ile elde edilebileceği gibi, belli koşulları sağlayacak şekilde sarılmış ve gene belli koşullan sağlayan akımları taşıyan ve duran sargılar tarafından da meydana getirilebilir.
Bir ya da çok fazlı senkron, asenkron ve kollektörlü alternatif akım makinalarının statorlarında bulunan sargılar belli koşullar altında, hava aralığında döner alan meydana getirirler. Döner alan, makinaların kutup sayısı ve stator akımlarının frekansı ile belirlenen senkron hızı ile makina içinde döner.
30
31
Senkron Makinelerin Çalışma
Yöntemleri
Senkron makinelerin generatör olarak çalıştırılması
Senkron makinelerin motor olarak çalıştırılması
32
33
34
Senkron Makinelerin Generatör Olarak Çalıştırılması
Alternatif akım üretilmesinde kullanılan elektrik makinelerine
senkron generatör (alternatör) denir. Diğer bir deyişle mekanik enerjiyi alternatif akım elektrik enerjisine dönüştüren makinelerdir.
Doğru akım ile uyartılan rotor, çevirici bir makine ile ve senkron hız ile döndürüldüğünde stator sargılarında oluşan alternatif gerilim, elektriksel bir güç meydana getirir.
Elektrik enerjisinin üretimi, iletilmesi ve dağıtılmasında alternatif akımın kullanılması büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Alternatif akımın üretilmesinde generatörler kullanıldığı için senkron generatörlerin önemi büyüktür.
35
Senkron Makinenin Motor Olarak Çalıştırılması
Senkron makineler motor olarak çalışırken stator sargılarına alternatif akım, rotor sargılarına da doğru akım uygulandığında Lorenz Kanununa göre sabit bir hızla dönerek motor milinden mekanik güç alınır.
Senkron motorlar senkron devirle dönerler. Motor devir sayısı (N), frekans (f) ve kutup sayısına (P) bağlıdır. Senkron motorlarda hız daima döner alanın hızına eşittir. Senkron motorun dönebilmesi için rotor hızının yardımcı bir düzenekle senkron hız değerine ulaştırılması gerekir.
36
Senkron motorun çalışma prensibi
37
Senkron motorlarda kutup sargılarına uygulana gerilim doğru gerilim olduğundan, meydana gelen kutuplanma N-S-N-S şeklinde çalışma süresi boyunca değişim göstermeyen bir kutuplanmadır. Stator sargılarına üç fazlı emk uygulandığında döner alan meydana gelecek ve bir an statorda N-S-N-S kutuplanması oluşacaktır. Bu anda kutup sargılarındaki zıt kutuplarla döner alan kutupları birbirini çekecek ve rotor dönmek isteyecektir. Rotor henüz hareket etmeden statordaki kutuplar yer değiştirecek (frekansa bağlı olarak) kutup sargılarındaki aynı isimli kutuplar karşı karşıya gelecektir. Bu seferde ‘aynı adlı kutuplar birbirini iter’ kuralınca rotor itme ve çekme kuvvetlerinin etkisinde kalacaktır. Rotor ve stator kutupları arasındaki karşılıklı itme ve çekme kuvvetlerinin sonucu bileşke moment sıfır olacak ve rotor dönemeyecektir. Eğer rotora yardımcı bir sistemle yol verilerek rotor hızı senkron hız değerine yakın bir değere ulaşırsa rotorun sabit kutupları, döner alanın kutupları ile rahatça kilitlenir. Bu yüzden senkron motorlarda kaymadan söz edilemez.
38
Senkron Makinalarda Frekans ve Hız Ayarı:
Statorda meydana gelen kutupların dönüş hızına
senkron hız denir. Senkron hız, motorun kutup
sayısı ile ters orantılı, frekans ile doğru orantılı
değişen bir büyüklüktür.
Ns: Senkron hız f: Frekans p: Kutup sayısı
39
Senkron makinalar çok büyük güçlü olarak yapılmaktadır. Bu makinaların güçlerini sınırlayan iki büyük faktör vardır:
Isınma Rotor çevresel hızı Makinayı oluşturan herbir gerecin, belli bir ısı
dayanım sınırı ve hıza bağlı olarak kritik fırlama değeri vardır. Bu sınırları geçilmez. Yuvarlak kutuplu alternatörlerde büyük güçler için rotor çapı büyütülemediğine göre rotor uzunluğu arttırılır.
40
41
Alternatörlerin Uyartılması
Şebekeleri besleyen alternatörlerin yükleri günün her saatinde aynı değildir. Oysa alternatörlerin yüklü çalışma durumlarında (özellikle indüktif yükte) uç gerilimlerinde düşmeler olurken üzerindeki yükü kalkan (boş çalışan) alternatörün uç geriliminde yükselmeler olur. Ancak elektrik şebekelerinde yüke göre değişken bir gerilim değil sabit bir gerilim arzu edilir. Bu da değişik yük durumlarına göre alternatörlerin uç gerilimlerini ayarlamakla sağlanır. Bilindiği gibi alternatörlerde gerilim; Devir sayısı Kutuplardaki manyetik akı gibi değişkenlere bağlıdır.
Devir sayısının değişmesi aynı zamanda (F=P.n/60) frekansı da değiştireceğinden gerilim ayarı için kutuplardaki manyetik akının (Φ) değiştirilmesi gerekir. Bunun için de uyartım akımını değiştirmek yeterlidir. Alternatörlerin uyartım akımı başlıca üç şekilde sağlanır:
Serbest uyartım, özel uyartım, kendi kendine uyartım.
42
Serbest uyartım:
Uyartım makinesi, ana makineden tamamen ayrıdır. Arada yalnız elektrikî bir bağlantı vardır. Serbest uyartımda enerji bir akümülatör bataryasından veya doğru akım dinamosundan sağlanır. Bu enerjiyle santralde bulunan diğer makinelerde uyartılabilir.
43
Özel uyartım:
Bu sistemde senkron makinenin miline bir uyartım dinamosu yerleştirilmiştir. Böylece gerekli uyartım akımı sağlanır. Uyartım akımı sağlayan dinamonun gücü, senkron makinenin gücünün en çok % 5 i kadardır. Örneğin 250 kVA lık bir alternatör için 10-12,5 kW uyartım dinamosu yeterlidir. Bazı alternatörlerde iyi bir gerilim ayarı ve kararlı çalışma için çift dinamo kullanılır. Bunlardan ikincisi, uyartım dinamosunun kutuplarını uyarmak içindir.
44
Kendi kendine uyartım: Bunlarda aynen kendi kendine uyartımlı dinamolarda olduğu gibi alternatörün artık manyetik alanından yararlanılır. Alternatörün ürettiği alternatif gerilim, doğrultmaçlar aracılığı ile doğrultulur ve kutuplar uyartılır. Uyartım dinamosunun alternatör miline akuple edilmiş olmasının başlıca nedeni, gerekli uyarma gücünün sürekli el altında bulunması içindir. Örneğin; şebekedeki bir kısa devrede alternatör çıkış gerilimi kuvvetle düşer. Gerilimin normal değerine çıkarılması için dinamo tarafından alternatörün kutuplarına büyük bir doğru akım gücünün verilmesi gerekir. Şekildeki bağlantıda (B) reostası uyartım dinamosunun akımını ve dinamo çıkış gerilimini ayarlarken (A) reostası alternatörün uyartım akımını ayarlamaktadır. Sonuçta her iki reosta alternatörün uyartımı için gerekli doğru gerilimi ve alternatör çıkışını ayarlar.
45
Senkron Motorlara Yol Verme Şekilleri
Senkron motorlar gerilim uygulandığında direkt olarak yol
alamazlar. Atalet dolayısıyla rotor, döner alanın hızına ulaşamaz. Rotorun senkron hızda dönmesi için rotor ve stator döner alan kutuplarının daima birbirini çekerek, kilitlenmeyi sağlayan zıt isimli kutupların karşılıklı bulunması gerekir. Rotorun devamlı olarak dönmesi için kilitlenmeyi sağlayan bazı metodlar vardır. Bunlar:
46
1. Senkron motoru alternatör olarak çalıştırıp yol vermek
2. Senkron motorla aynı milinde bulunan uyartım dinamosunu motor olarak çalıştırarak yol vermek
3. Senkron motora yardımcı bir döndürme makinası ile yol vermek
4. Senkron motoru sincap kafesli asenkron motor olarak çalıştırarak yol vermek
5. Senkron motoru rotoru sargılı asenkron motor olarak çalıştırarak yol vermek
47
Senkron Motoru Alternatör Olarak Çalıştırıp Yol Vermek:
Bu metot çok az kullanılır. Paralel bağlama şartları yerine getirilerek, şebeke ile paralel olarak çalışan alternatör, kendisine mekanik enerji veren makinanın enerjisi kesildikten sonra senkron motor olarak çalışır.
Senkron Motor İle Aynı Milde Bulunan Uyartım
Dinamosunu Motor Olarak Çalıştırarak Yol Vermek: Bu metot için doğru akım kaynağına gerek vardır. Uyartım
dinamosu bu kaynaktan beslenerek önce motor olarak çalıştırılır. Senkron motor senkron hıza yaklaştığında stator sargılarına alternatif gerilim uygulanarak, kutupları doğru akımla uyartılır. Stator döner alan kutupları ile rotor kutuplarının kilitlenmesi sağlanır. Daha sonra motor olarak çalışan uyartım dinamosunun akımı kesilir. Böylece senkron motor yol alarak çalışmasına devam eder.
48
Senkron Motora Yardımcı Bir Döndürme Makinası İle Yol
Vermek:
Bu metotta yardımcı döndürme makinası senkron motorun miline akuple edilerek bağlanır. Örneğin doğru akım motoru, dizel yada benzinli motor olabilir. Senkron motor ise bu makinalardan biri ile döndürülür. Bu döndürücü makinanın devir sayısı senkron devir sayısına ulaşabilecek bir değerde olmalıdır. Senkron motor, senkron devir sayısına yaklaştığında stator sargılarına alternatif gerilim uygulanır. Uygulanan bu gerilimin oluşturduğu döner alan, rotorun dönüş yönü ile aynı yönde olmalıdır. Bu aşamadan sonra rotor kutupları doğru akımla uyartılarak, stator kutupları ile kilitlenmesi sağlanır.
49
Senkron Motoru Rotoru Sargılı Asenkron Motor Olarak Çalıştırarak Yol Vermek:
Yük altında kalkınması istenen yerlerde kullanılacak senkron motorun, rotorunda iki çeşit sargı
bulunmalıdır. Bu sargılardan birincisi rotor sargısıdır. İkinci sargı ise ilk sargıdan yalıtıllmış olup, rotoru
sargılı asenkron motorun rotor sargısına benzemektedir. Başlangıçta rotorun üç fazlı bu sargılarına bir yol
verme direnci seri bağlanır. Statora üç fazlı alternatif akım uygulandığında motor, bir asenkron motor gibi
yol almaya başlar. Rotora seri bağlanan dirençler kademe kademe devre dışı bırakılarak senkron motorun
yük altında kalkınması sağlanır. Daha sonra uyartım için rotor sargılarına doğru akım uygulanarak, rotor ve
stator döner alan kutuplarının kilitlenmesi sağlanır.
50
Örnek senkron makine yapıları
51
52
53
54
SÜREKLİ MIKNATISLI MAKİNALAR
55
GİRİŞ: Sürekli mıknatıslı motorlar, uyartım akımının sürekli mıknatıslarla sağlandığı, üzerinde bulunan konum ve hız algılayıcısı yardımıyla senkronizasyonun sağlanarak çalıştırılan motorlardır
56
Motorların hareketli kısımları olan rotor bölümündeki manyetik alanın doğal yoldan karşılandığı motor türüdür. Rotor bölümünde akım olmadığı için rotora akım taşıyacak fırça ve kolektör düzeneklerine de gerek yoktur. Bu nedenle bu tür motorlar fırçasız motor olarak adlandırılır. Bu tür motorların rotor bölümlerinde güçlü doğal mıknatıs kullanılır. Bu motorda rotor kısmı sabit mıknatıslardan oluşmakta,dolayısıyla da fırçalar bulunmamakta, sürtünme ve arklar olmadığı için verimi oldukça yükselmektedir. Rotorun direkt olarak dönmesi istenilen yere bağlanması neticesinde aktarmadan oluşan kayıplar da engellenmektedir. İçte bulunan stator kısmının üzerine dönebilecek şekilde rotor kısmı bağlanmaktadır. Stator oluk sayısı rotorun mıknatıs sayısı ile belirli sayıda tutularak belirlenmektedir.
57
58
59
Avantajları; Dezavantajları;
Yüksek verim
Doğrusal moment/hız ilişkisi
Yüksek moment/hacim oranı
• Az bakır gerektirir
Fırçalar ve komutatör yoktur
• Daha az bakım
• Tehlikeli ortamlarda kullanılabilir
Harici güç elektroniği gerektirir
Uygun çalışma için rotor konum bilgisi gerektirir
• Hall-etkili sensörlere gerek vardır
• Algılayıcısız yöntemlerin kullanımına ilave algoritmalar gerektirir
Rotor mıknatısları motor maliyetini arttırır.
60
Sürekli Mıknatıslı Makinaların Çalışma Esası
Temel prensip ve çalışma şekli Fırçalı DC motorlarla
hemen hemen aynıdır. Çalışmadaki farklılığı bobinlerin stator gövdesine sabit olması rotor üzerinde bobin bulunmaması, sabit mıknatısların rotora bağlı olmasından kaynaklanır. Yani bu motorda rotor ve stator yeri bir bakıma değiştirilmiştir.
61
Burada mıknatıs rotoru, demir halka da statoru temsil etmektedir. mıknatıs hangi pozisyonda bırakılırsa o durumunu muhafaza edecek eğilimdedir. Çünkü her iki kutbun demir halkayı çekme kuvvetleri eşit ve zıt yönlüdür.Böylece oluşturulan bu düzenekte kuvvet ve momentin oluşmadığı görülür.
Demir halkanın şekli iç tarafında çıkıntı olacak şekilde değiştirilirse her iki kutup zıt yönde eşit radyal kuvvet oluştururlar.Bu konumda eğer mıknatıslar kadar döndürülürse, mıknatıslar θ=0 olacak şekilde bir geri dönme eğilimi gösterirler, yani mıknatıs kutupları sürekli stator kutupları ile aynı doğrultuda olacak şekilde bir kuvvet oluşturacaktır. Mıknatısın bu hareketi bir moment oluşturur.
Motorda toplu sargılar kullanılmıştır. Bu tip sargılarda fazlar birbirinden izolelidir ve her biri çıkık kutup denen kutuplara sarılmıştır.
62
Rotor konumuna göre moment değişimi
63
64
Üç fazlı motor yapısı
65
66
Sürekli Mıknatıslı Motorların Yapısı:
Sürekli mıknatıslı motorlar stator, rotor, sürücü devresi ve konum algılayıcılarından oluşurlar.
Stator: Döner alanı oluşturan sargıları taşıyan duran kısımdır. Klasik indüksiyon
motorların statoru ile arasında bir fark bulunmaz. Momentin daha düzgün olduğu SMM’lerde sargılar 120 derece açı ile yerleştirilmiş, dağıtılmış sargılar kullanılır. Toplu sarımlar bu motorlarda pek kullanılmaz. Stator, manyetik geçirgenliği iyi olan silisyumlu saçların paketlenmesinden yapılır. Statorun ana kısımları;paketlenmiş saç nüveler ve nüveye sarılan sargılardır.
Bazı sabit mıknatıslı stator yapıları
67
68
Saçlar: Saçlar, asenkron veya senkron makinalarda olduğu gibi birer yüzeyi
silisli olup üzerlerine kalıplarla stator olukları açılır. Biçimlendirilen stator saçları sıkıştırılarak perçinlenir veya cıvata-somunla sabitlenir.
Saçların kalınlığı; kaynak geriliminin frekansı, maliyet ve nüve kayıplarının dikkate alınmasına bağlıdır.sıkıştırılan saçların derinliği makinanın elektromanyetik boyutunu belirleyen önemli bir parametredir.
Toplu sarım için saç şekli Dağıtılmış sarım için saç şekli
69
Sargılar: Fırçasız motorda sargıların statorda yer alması, meydana gelen ısının en etkin şekilde dışarı aktarılarak motorun daha kolay soğuyabilmesini ve böylece bilye ömrünün arttırılması ve yüksek hızlarda mekanik problemlerin en aza indirilmesini sağlar. Komütatör ve fırçaların kaldırılması için sargıların statora yerleştirilmesi gerekmektedir. Statorda genellikle iki tip sarım tekniği kullanılmaktadır:toplu sarım ve dağılımlı sarım.
70
Rotor:
Üzerinde sürekli mıknatısların bulunduğu, motorun dönen kısmıdır.
Mıknatıslar rotorun bir parçası olup kutuplardan oluşturur. Yapı olarak mıknatıslar, mıknatıs akılarının halkalanmasını sağlamak için demir mil üzerine geçirilmiş manyetik saçlardan oluşur.Genel olarak silindirik ve çıkıntılı tiplari mevcuttur.
Bazı sabit mıknatıslı rotor yapıları
71
Kalıcı mıknatıslı rotor şekilleri
72
Hava Aralığı
Stator ve rotor arasındaki bölge hava aralığı olarak adlandırılır ve bir döner makinada önemli bir parametredir. Kalıcı mıknatıslı bir makinada, hava aralığının uzunluğu özellikle makinanın yüksüz çalışma durumunda kalıcı mıknatısın çalışma noktasını belirlemedi ilave rol oynar. Hava aralığının makine üzerindeki etkisi; gerçek fiziksel hava aralığı ile stator oyuk açıklıklarının etkilerinin kombinasyonudur. Hava aralığı uzunluğu makinanın mekaniki ve elektriki tasarımını da etkiler. Genellikle hava aralığı uzunluğu artarken hem rotor hemde stator yüzeylerindeki makine toleransında bir esneklik şansı ortaya çıkar ve bundan dolayı makinanın üretim maliyeti düşer. Ayrıca, daha uzun hava aralığı makina rüzgar kayıplarını azaltır. Ancak, daha uzun hava aralığı daha yüksek giderici kuvvetli kalıcı mıknatıs gerektirir ve herhangi bir mıknatısın hava aralığındaki çalışma akı yoğunluğunu da azaltır.
73
Yatak Gövde
Stator, içerisine sabitlendiği bir yatak gövde ile desteklenir ve yatak gövde makinanın manyetik olmayan yapıya sahip kısmı olup bir makinanın bütün esas elemanlarını içerisinde bulundurur. Yatak gövdeler kapalı veya havalandırmalı olabilir. Yatak gövde; makine ısısını dışarıya kolaylıkla iletecek, rotor yataklarına destek verecek, yük ve dış bağlantılara uygun olacak özelliklerde (aliminyum gibi) olmalıdır.
74
Fırçasız DA Makinaları (FSDAM):
Fırçasız doğru akım makinaları, sabit moment üretimi için
dikdörtgen biçiminde stator akımlarına gereksinim duyarlar ve trapezoidal formda zıt emk'ya sahiptir.
Sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım makinalarında oluşacak MMK, sabit hızla dönmez. Ayrıca stator hava aralığı akısı da trapezoidaldir.
75
76
Özellikleri:
Aynı anda sadece iki faz enerjilidir.
Bir sargı pozitif akım taşırken diğer bir sargı negatif akım taşır.
Statorda toplu sargılar
Sargılar genellikle yıldız bağlı
Rotor mıknatısları rotor çevresini tamamen kaplarlar
Zıt emk dalgası yamuktur (trapezoidal).
Zıt emk dalga şeklinden transistörlerin anahtarlama darbeleri belirlenebilir.
77
Motorun sargılarına güç kaynağı bağlı değilken, rotor mekanik bir kuvvetle
sabit bir hızla döndürülürse her bir hat-nötr arasında şekilde en üst grafikte gösterildiği gibi sargılarda yamuk dalga şekilli gerilimlerin indüklendiği görülür.
78
Sürücü Devresi:
Sürücüde temel amaç doğru sargıyı doğru yönde ve doğru zamanda enerjilemektir. Buna komütasyon denir. Bu şartların tespiti için fırçasız motorun milinde rotor konumunu belirten konum algılayıcıları kullanılır ki bunlar genellikle Hall elemanlarıdır. Ayrıca rotorun hangi sargısına ne kadar süreyle akım uygulanacağını kontrol etmek için çok değişik kontrol yöntemleri kullanılır.
Fırçasız doğru akım makinalarında iki çeşit sürücü kullanılır. Bunlar;
Üç-faz Yarım Dalga Motor Sürücüsü
Üç-faz Tam Dalga Motor Sürücüsü
79
Üç-faz Yarım Dalga Motor Sürücüsü:
80
Şekilde temel üç-faz yarım-dalga FSDA motorunu ve elektronik denetleyiciyi göstermektedir. Üç stator fazının nötr noktası ile DA kaynağının pozitif ucu birbirine bağlıdır. A,B ve C transistörleri, rotor konum sensörlerinin denetimi altındaki beyz sürme devresi anahtarlama sinyallerine göre tek yönlü olarak faz akımlarını faz sargılarına akarırlar.
Yamuk moment fonksiyonu 120° düzgün tepeli bölgelere sahiptir ve bu bölgeler faydalı milmomenti üretmek için kullanılabilir. Her bir motor fazı 120° lik iletim açısına sahiptir ve I akım genliği sonuçta üretilen momenti belirler.
Burada Kf moment sabiti olup yamuğun
düzgün tepe kısmı aralığı boyunca amper başına momenttir.
T= I.Kf
81
82
Üç-faz tam dalga FSDA motor sürücüsü
Üç-faz Tam Dalga Motor Sürücüsü:
83
Üç-faz tam dalga FSDA motor sistemini endüktif enerjinin geri dönüşü için kullanılan geri besleme diyotları ile birlikte gösterilmektedir. Yıldız bağlı stator sargılarının nötr bağlantısı yoktur ve üç fazın herhangi ikisi sırasıyla heran aktiftir. A-B, B-C ve C-A arasındaki hat akımları için motor aşağıdaki idealleştirilmiş yamuk moment fonksiyonlarına sahiptir. Moment fonksiyonu 60 derece aralığında düzgün tepeli bölgelere sahiptir.
Kararlı ve düzgün moment genliğinde üretilir.
T= I.KT
84
85
Gerçek uygulamada motor fazlarında istenen kare dalga akım aniden meydana getirilemez ve sonuçta aşağıdaki şekildeki gibi faz komütasyonunun her 60 derecesinde moment dalgacıkları oluşur.
86
Konum ve Hız Algılayıcıları:
Rotor alanı ile stator alanını senkronize etmek amacıyla kullanılır. Bu
algılayıcılar optik ve manyetik olabilir. Motorun senkron hızda çalışması için gereklidirler. Optik algılayıcılar ışık kaynağı olan led ve foto diyottan oluşur. Led uygun konumda foto diyotu iletime geçirerek rotorun dönebilmesi için uygun sargıyı denetleyen güç anahtarını iletime geçirir. Bu tip algılayıcılar fırçasız DA motorları için çok uygundur. Manyetik algılayıcılar ise bir sargı veya alan etkili eleman kullanılır. Bu algılayıcılarda kullanılan sargıda, rotorla hareket eden mıknatısların konumuna göre oluşturduğu gerilimle konum ve hız algılanır.
87
88
Fırçalı ve Fırçasız Motorların Karşılaştırılması
Fırçasız d.a. motor ve d.a. komütatör motor
89
• SM DA makinasında alan oluşuma için sürekli mıknatıs malzeme kullanıldığında dolayı uyarma sargısı olmayacaktır, dolayısıyla uyarma sargısındaki bakır (I2 .R) kayıpları gerçekleşmez.
• Aynı nedenden dolayı, SM makinada uyarma gücü İhtiyacı ortadan
kalkar. • Eğer SM makina firçasız tipte ise firçalardan dolayı oluşan
sürtünme kayıpları ve gerilim düşümleri gerçekleşmez. • Mıknatıs malzemenin enerji yoğunluğuna göre, aynı uyarma gücü
için, sargılı bir DA makinasına göre ağırlık ve boyut olarak çok daha küçük bir SM makina tasarlanabilir.
• Fırçasız tip SM makinalarda sargı statorda bulunduğundan dolayı,
oluşan ısı daha kolay-bir şekilde dışarı atılabilir ve oluşabilecek ısınma problemlerinin önüne geçilebilir.
• Fırçasız makinalar bakım gereksinimi duymadan urun süre
çalışabilir.Fırça olmadığından, fırçalara uygulanan bakım ve fırça değişim maliyetleri ortadan kalkar.
90
FIRÇALI DC MOTOR
91
Parametreler Fırçalı tip DA makinası Fırçasız tip DA makinası
Komutasyon Mekanik Elektronik
Boyut Büyük Küçük
Güç (watt) Yüksek Düşük
Güç Yoğunluğu (watt/kg) Düşük Yüksek
Maksimum Hız (rad/s) Düşük Yüksek
Hız Kontrolü Basit Karmaşık
Atalet Yüksek Düşük
Bakım Gerekli Gereksiz
Soğutma Zayıf İyi
92
Fırçasız DA Makinelerin Kullanım Alanları Gerek yapısında, gerekse kontrol organlarında kullanılan
malzeme ve yan ürünlerin artan teknolojik olanaklara bağlı olarak gelişimiyle birlikte, fırçasız tip DA motorları, özellikle klasik sargılı doğru akım motorlarına ciddi rakip oluşturmaktadır. Bu nedenle fırçasız tip doğru akım makinaları;
- Isıtma ve havalandırma sistemlerinde, - Sağlık endüstrisinde, - Soğutucularda, - Uzay endüstrisinde, - Robot endüstrisinde, - Fırçalı tip makinaların kullanımının sakınca doğurabileceği,
yanıcı ve parlayıcı çalışma ortamlarında, - Sabit disk sürücü ve CD/DVD-ROM ve yazıcı gibi bilgisayar
donanımlarında, - Endüstride yürüyen bantlarda, Pompa ve fan motoru
uygulamalarında, - Özellikle yüksek hız ve yüksek güç yoğunluğu gerektiren
birçok uygulamada giderek artan biçimde kullanılmaktadır.
93
Senkron motorun rotorunda bulunan doğru akım uyartım sargısı sürekli mıknatıslarla yer değiştirilerek rotorda meydana gelen manyetik akı mıknatıs tarafından sağlanırsa sürekli mıknatıslı senkron motor (SMSM) elde edilmiş olur.Sürekli mıknatıslı senkron motorlar uygulama alanlarına göre farklı rotor tiplerinde tasarlanabilmektedir. Sürekli mıknatıslı senkron motor, uyarma akısı mıknatıslar tarafından sağlandığından, mıknatısların yerleştirilmesi ve karakteristikleri nedeniyle hem bir senkron makine, hem de bir doğru akım makinesi özelliği gösterebilmektedir. Rotorda kullanılan mıknatısın özelliği ve mıknatısın rotora yerleştiriliş şekli motorun performansını etkilediğinden dolayı performansı artırmak için çeşitli tasarım şekilleri yapılmaktadır.
Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorlar (KMSM):
94
95
96
• Farklı rotor şekilleri arasında en çok rastlanan ve diğer tasarımlara da temel oluşturan iki farklı tasarım aşağıda verilmiştir. 1) Mıknatısların rotor yüzeyine yerleştirilmesi: 2) Mıknatısların rotorun içine yerleştirilmesi (gömülü mıknatıslı):
97
1)Mıknatısların Rotor Yüzeyine Yerleştirilmesi:
98
Bu tip rotorlarda mıknatıslar ince şeritler ya da yay şeklinde, rotor yüzeyine kuvvetli yapıştırıcılarla yapıştırılmışlardır. Basitliği ve manyetik olarak simetrik olması nedeniyle rotor yüzeyine yerleştirilen mıknatıslar ile gerçekleştirilen makina, düz kutuplu makina olarak davranış göstermekte, geniş hava aralığına sahip olmakta ve kutup akısının maruz kaldığı endüvi reaksiyonu zayıf olmaktadır. Basit yapılı olması nedeniyle en yaygın kullanılan rotor tasarımlarından biri olan bu rotor şeklinin en büyük sakıncası, mıknatısların merkezkaç kuvvetlerine karşı mukavemetlerinin düşük olmasıdır. Mıknatısların yerinden kopmaması için genellikle bu tür tasarımlar düşük hızlı uygulamalar için tercih edilirler. Bu türde yapılan senkron motorlar daha çok literatürde fırçasız doğru akım motoru (BLDC) olarak kullanılmaktadır.
99
2)Mıknatısların Rotor İçine Yerleştirilmesi(Gömülü Mıknatıslar)
100
Bu tasarımda, mıknatıs malzeme rotorun içinde açılan oyuklara yapıştırılmak suretiyle yerleştirilir. Bu rotor şeklinde mıknatısın etrafı hava yerine manyetik malzeme ile kaplıdır. Mıknatıslar rotora gömülü olduklarından merkezkaç kuvvetlerine karşı mukavemetleri çok yüksektir. Bu nedenle yüksek hızlı uygulamalar için yapılan tasarımlardır. Mıknatısları rotor içine gömülmüş senkron motorda dikkat edilecek özelliklerden birisi, diğer mıknatıslı motorlardan farklı olarak yüksek verime sahip olmasıdır. Bu tasarımların en büyük dezavantajı ise maliyetli olmasıdır. Bu motorlarda mıknatısların rotorun içerisine yerleştirme işlemi oldukça iyi bir işçilik ve ileri teknoloji gerektiren bir işlemdir.
101
SMSM’lerde Moment ve e.m.k Denklemleri
Akı yoğunluğunun hava aralığı boyunca integrali alınır ise sargıya ait en
büyük halkalama akısı,
olarak bulunur. Rotorun 00 den 1800 ye kadar dönmesi ile in ya göre değişimi,
olur. a1A1 sargısında indüklenen e.m.k da,
şeklinde olur.Bu denklemlerden faydalanarak;
şeklinde indüklenen gerilim bulunur.
φ max = N1 ∫B(q)r1 dq l = N1 Bg p r1 l
102
Bir faza ilişkin e.m.k’nın genliği,
dir. Burada Nph faz başına seri sargılardaki iletken sayısıdır (Nph=2N1). P kutup çiftli bir makine için Nph seri sargıya ait sarım sayısı ve da radyan/sn olarak rotorun mekaniki dönme sayısıdır
1200 Aralıklarla faz akımı uygulanması durumunda mekanik gücün
elektriksel güce dönüştürülmüş hali,
şeklinde olur.
Elektromagnetik moment buradan ;
bulunur.
E=2e, , kısaltmaları yapılırsa
ve eşitlikleri bulunur.
103
Sürekli Mıknatıslı Senkron Makinada Moment Üretimi
• Sürekli mıknatıslı senkron makinesinin, sürekli hal çalışması ve doyma etkisinin ihmali ile elektriksel moment ifadesi aşağıdaki gibidir;
-m : Mıknatıs halkalama akısı ( = Lmd.If) -Ld : d-ekseni toplam endüktansı ( = Lmd + Lıq) -Lq = q-ekseni toplam endüktansı ( = Lmq + Lıq) -p : Çift kutup sayısı -Ids, Iqs : Sürekli halde d ve q-eksen akımlarıdır
Moment oluşumunda iki terim vardır. İlki, d-ekseni boyunca
mıknatıs akısı m ve q-ekseni stator akımı Iqs’in oluşturduğu ve mIqs ile orantılı momenttir. İkincisi, d ve q eksen endüktansları arasındaki fark ile (Ld – Lq) orantılı momenttir.
Me = (3/2).p.[Iqs.m + (Ld-Lq).Iqs.Ids]
104
Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorların Uygulama Alanları
Yüksek moment, hassas hız kontrolü, yüksek verim ve uzun ömür gibi önemli özellikler daimi mıknatıslı motorları birçok uygulamalar için en iyi seçim durumuna getirmektedir. Bunlar;
Elektrik güç kontrolü,
Robot uygulamaları,
Servo sürücüler,
Elektrik araçları,
Buzdolabı, klima, fan vb. ev aletleri,
Gemi motorları,
Pompalama,
Endüstriyel sürücüler,
Elektrik jeneratörlerinde
105
Rotor Konum Algılayıcı Sensörler
En yaygın olarak kullanılan konum algılayıcıları alan etkili algılayıcılardır. Bununla birlikte bu iş için optik algılayıcılar da kullanılabilmektedir.
1)Optik Algılayıcılar :
Genellikle foto diyot veya foto transistör algılayıcısı ile Irled (Kızılötesi led) ışık kaynağından meydana gelir.
Işık, optik algılayıcı üzerine düşürüldüğünde, optik algılayıcı transistörleri yada tristörleri ateşleyerek bobinden geçen akımın kontrolünü sağlar. Optik algılayıcılar; küçük, hafif, dayanıklı ve daha yüksek duyarlıklıdırlar.
106
2)Manyetik Algılayıcılar
Bobin tipinde yada yarı iletken malzeme tipinde yapılırlar.
Yarı iletken malzeme tipinde olan algılayıcılar, transistor e benzer; + ve - besleme geçişleri 0 ile 5V (lojik 0 ve lojik 1) çıkış verebilen iki zıt çıkıştan meydana gelir. Bu algılayıcılara enerji verildikten sonra yanına bir manyetik parça yaklaştırıldığında çıkış uçlarında (1) ve (0) dijital bilgisi alınır.
Manyetik bobin tipi algılayıcı ise, sabit bir yere tutturulan bobinin yakınına bir mıknatıs yaklaştırılması ile bobin çıkışındaki gerilimin değiştirilmesi esasına göre çalıştırılır.Bu durumda bobin çıkışında bobine yaklaştırılan manyetik parçanın bir fonksiyonu olarak bir gerilim elde edilir.Bu gerilim istenilen amaç için kullanılır.
107
Sensörsüz Kontrol
• İletimde olmayan fazdaki gerilimin sıfır geçiş algılaması
• Sıfır geçiş, komütasyondan 30° önce meydana gelir.
İnvertördeki hangi transistörlerin hangi konum aralıklarında aktif konuma geçirileceği zıt e.mk’ler incelenerek belirlenebilir
108
Mikrodenetleyicili FSDA Motoru
Bu sistemde, invertör motoru kontrol eder. İnvertörün kontrolü ise Hall-etkili sensörlerden veya sıfır geçiş algılama devresinden gelen geri besleme sinyallerini kullanan ve emniyeti için güç katından izolasyonu sağlanan bir mikrodenetleyici tarafından gerçekleştirilir.
109
Sürekli Mıknatıslı Makine Eşdeğer Devresi
mo = Mıknatıs magnetik gerilimi (MMK) Rm = Mıknatıs magnetik direnci Rg = Hava aralığı magnetik direnci (relüktans)
go : Hava aralığı mıknatıs akısı ko = Kaçak akı Rk = Kaçak akı duvarı magnetik direnci
110
-Bu eşitliktede Lm; mıknatıs genişliği, hm; mıknatıs boyu, ls; rotor eksenel boyudur.
-Bu eşitlikte g; hava aralığı boyu, Sg; bir kutup için hava aralığı yüzeyi, 0; boşluğun magnetik geçirgenliğidir (410E-7 A/m)
-Bu eşitlikte Lm; mıknatıs genişliği, 1s; rotor eksenel uzunluğu, t; kaçak akı duvarı boyudur.
-Bu eşitlikte rm ; kalıcı akı (=Br.Sm) k1 katsayısı (=1+Rm / R1), ; makine geometrisine bağlı sayı (=2.Rg/Rm), Sm; mıknatıs yüzeyinin alanıdır.
Bgo : Hava aralığı mıknatıs akı yoğunluğu
Bmo = Mıknatıs üzerindeki akı yoğunluğu
olarak ifade edilebilir.
Rm = Lm/(2.m.hm.ls)
Rg = g/(0.Sg)
Rk = Lm/(4.1.1s.t)
mo = go = ko
go = rm / (1 + .k1)
Bgo = go/Sg = Br(Sm/Sg)/(1+.k1)
Bmo = Br - m.Hmo
Hmo = .rm.Rm/Lm(1+.k1)
111
Sürekli Mıknatıslı Makinalarda Verim Bilindiği üzere, bir elektrik makinasında giriş gücü, çıkış gücüyle kayıpların
toplamına eşittir. Makinede oluşan kayıplar İse üç ana başlık altında toplanabilir;
- Mekanik kayıplar Mil ve yatak arasındaki sürtünme, fırça ve kollektörler arasındaki sürtünme
ile rotorun dönme hareketi sırasında ortaya çıkan vantilasyon kayıplarından oluşur.
- Manyetik kayıplar Makinada indüklenen emk' nın frekansına, manyetik akı yoğunluğuna ve
kullanılan magnetik malzemenin özelliklerine bağlı olarak oluşan histerezis ve eddy kayıplarıdır ki, buna demir kayıpları adı verilir.
- Bakır kayıpları Makinadaki sargılardan yük akımının akmasıyla, sargı direncine ve
akımın büyüklüğüne bağlı olarak oluşan ve bakır kayıpları olarak isimlendirilen I2.R kayıplarıdır.
112
HİSTERİSİS MOTORLAR
113
Giriş:
Özel amaçla kullanılan motorlardan birisi de histerisiz motordur. Bu motorda mekanik moment üretmek için histerisiz teorisi kullanılır. Statoru ise bir fazlı veya üç fazlı sargılardan olabilir. Histerisiz motorun rotoru düz silindirik, çıkık kutupsuz olarak yapılır ve sargısızdır. Rotor, yüksek mıknatısiyet özellikli malzemelerden yapılmaktadır. Rotorda kobalt yaygın olarak kullanılır. Histerisiz motor bir senkron motor olup düzgün moment ve sabit hız gerekli elektrikli saatler, zamanlayıcılar, ses kayıt ve çalma cihazları, medikal cihazlar gibi çok küçük güç uygulamalarında kullanılır. Şekilde bir histerisiz motorun kısımları görülmektedir.
114
Bir histerisiz motorun statoru ve rotoru
115
Özellikleri:
• Yüksek atalet momentli yükleri sürebilme
• Düzgün sessiz çalışma
• Yükle hızın değişmemesi, sabit hız
• Durağan durumda emniyetli olarak çalışabilme
• Yüksek sıcaklık artışlarında çalışabilme
116
Histerisiz olayı: Histerisiz motorun adını aldığı histerisiz olayınınkısaca
açıklanması motorun çalışmasını anlamada faydalı olacaktır. Transformatörler ve çoğu elektrik motorları alternatif akımla çalışırlar. Böyle makinalarda, demir nüvedeki manyetik akının değeri ve yönü sürekli olarak değişir. Kaynak frekansına bağlı olarak manyetik düzlem önce bir yönde daha sonra zıt yönde teşekkül eder. Eğer manyetik akı frekansı 50 Hz ise manyetik düzlem her saykılı 1/50 saniyede tamamlar. Bir saykıl boyunca manyetik akı +Bm ve –Bm tepe değerleri arasında değişirken manyetik alan şiddeti +Hm ile –Hm arasında değişir. Manyetik alan şiddetinin bir fonksiyonu olarak manyetik akı yoğunluğu çizildiğinde ‘histerisiz eğrisi’ elde edilmiş olur.
117
118
Şekilde görüldüğü gibi manyetik akı yolunu a,b,c,d,e,f,a noktaları üzerinden izleyerek bir çevrimi tamamlar.
119
Histerisiz Motorun Yapısı ve Çalışma Prensibi
Histerisiz motor çok basit bir yapıya sahip olup stator ve rotor olmak üzere iki ana parçadan oluşur. Stator, uyartım sargılarını üzerinde bulundurur. Stator bir fazlı veya üç-fazlı sargılardan olabilir.Eğer bir-fazlı ise daha düzgün manyetik alan elde etmek ve motor kayıplarını azaltmak için bir yardımcı sargı ile beraber sürekli bir kondansatör kullanılmalıdır.Ancak, gölge kutupla yol verilen histerisiz motor da yaygın olarak kullanılmaktadır.Histerisiz motorun rotoru düz silindirik, çıkık kutupsuz olarak yapılır ve sargısızdır. Rotor, yüksek mıknatısiyet özellikli malzemelerden yapılmaktadır. Rotorda kobalt yaygın olarak kullanılır. Çünkü kobalt yüksek oranda manyetik mıknatıslama özelliğine sahiptir. Bundan dolayı rotor, sanki kalıcı mıknatıs kutuplardan yapılmış gibi benzer eşdeğer özellik gösterir.
120
histerisiz motorun yapısı histerisiz motorun çalışmasının esası
121
Üç-faz veya bir-faz akım sargılara uygulandığı zaman
makine içinde bir döner alan meydana gelir. Döner alan sert çelik malzemeden yapılmış olan rotoru mıknatıslar ve rotorda kutuplar endükler. Rotor en düşük alan enerjisinin meydana geldiği konumu gerçekleştirmek için stator manyetik alanı ile aynı eksene gelmeye çalışır. Stator ve rotor manyetik alanlarının arasındaki etkileşim sonucu bir moment üretilir. Bu moment rotor üzerinde bir etki gösterir ve rotoru döndürür. Motor senkron hızının altında çalışırken motor içinde momenti üreten iki kaynak vardır.
122
Histerisiz Momenti :
Momentin büyük bir oranı histerisiz tarafından üretilir.
Stator manyetik alanı rotor yüzeyi etrafında senkron hızla dönerken rotor akısı bunu tam olarak izleyemez. Çünkü rotorda büyük bir histerisiz kaybı vardır. Rotor malzemesinin büyük histerisiz kaybı stator ve rotor manyetik alanları arasındaki açının büyük olması demektir. Yani rotor manyetik akısının daha çok geri açıda fakat senkron hızda dönmesidir. Stator ve rotor manyetik akıları farklı açılarda olduğundan motorda bir moment üretilir.
123
Eddy Akımı Momenti:
Histerisiz olayına ilaveten stator manyetik alanı rotorda bir
eddy akımı meydana getirir. Eddy akımı da kendisine ait bir manyetik akı meydana getirir ve bundan dolayı bir moment üretilir. Böylece motorda histerisiz ve eddy akımlarının toplamından oluşan bir toplam moment üretilir. Motor senkron hıza ulaştığında, rotor etrafındaki stator manyetik alan kayması durur. Yani rotor ile stator manyetik alanı aynı senkron hızda dönerler. Böylece rotor bir sürekli mıknatıs gibi görev yapar. Rotorda endüklenen moment, stator ve rotor manyetik alanları arasındaki açıya oranlıdır. Açı ise rotorun histerisiz kayıplarına bağlıdır.
124
Histerisiz motorun hız-moment eğrisi
125
Rotor histerisiz miktarı stator akısına ve rotorun
yapıldığı malzemeye bağlı olduğu için motorun histerisiz momenti sıfırdan senkron hıza kadar hemen hemen sabittir. Eddy akımının ürettiği moment ise motorun kayması ile kabaca orantılıdır. Bu iki momentin bileşkesinden motorun hız-moment eğrisi elde edilir. Eğriden görüldüğü gibi histerisiz motorun momenti senkron hızın altında senkron momentten daha büyük olduğu için motor normal yüklü çalışma momenti sınırları içindeki bütün yüklerde kullanılabilir. Böyle motorlar bilhassa elektrikli saatlerde yaygın olarak kullanılırlar. Elektrik saati güç sisteminin frekansına senkronize edilmektedir. Şebeke frekansı ne kadar hassas ise saat de o kadar hassas çalışmaktadır.
126
Başlama Momenti (Ts) :
Duran bir motorun sargılarına güç uygulandığında
statorda meydana gelen döner mmk, çelik rotorda histerisiz eğrileri üretir. Histerisiz eğrisi güç kaynağının frekansı ile değişir. Mıknatıslanan rotorda manyetik kutuplar endüklenir ve stator mmk'inden histerisiz açısı (δ) kadar geride kalır. Yüksek kalıcı mıknatısiyet özellikli rotor, büyük bir δ açısına sahip olur. Rotor dururken rotor kutupları, dönen stator mmk'ni izler. Fakat δ açısı kadar geriden izler.
127
Th=KhФsФrsinδ
Histerisiz olayından dolayı üretilen moment:
Kh : Tasarım sabiti Фs : Stator mmk'i tarafından üretilen manyetik akı Фr : Histerisiz etkisi yüzünden rotorda oluşan kutupların birinin akı δ : İki manyetik akı arasındaki elektriksel açı
128
Yol Alma (kalkınma) Momenti: Motorun ürettiği başlangıç momenti yük momentini
aşarsa, momentteki fazlalık yükü senkron hıza doğru hızlandırır. Bu süre boyunca rotor çeliğindeki histerisiz frekansı azalır. Ancak bu olaydan ne Фr ne de δ açısı etkilenir. Çünkü bu büyüklükler rotor malzemesinin kalıcı mıknatısiyet özelliğine bağlıdır. Böylece, rotorun sıfırdan senkron hıza kadar olan hızlarında histerisiz momenti Th sabit kalır. Diğer bir ifadeyle, histerisiz momenti rotor hızı ile değişmez. Rotor hızı arttıkça üretilen net momentte hafif bir azalma olduğu görülmektedir. Bunun nedeni, eddy akımı momentinin rotor hızı ile ters, kayma ile doğru orantılı olarak değişmesidir. Rotor çeliğinin yüksek kalıcı mıknatısiyet özelliği, rotorun bir kalıcı mıknatıs gibi dikkate alınmasını sağlar.
129
Histerisiz motorun yük ve yol alma momentleri
130
Karışık Yapılı Rotorlu Histerisiz Motorlar
Bu tip histerisiz motorun rotoru düz silindirik ve sargısız
olup özel malzemelerden yapılmaktadır. Rotor; krom, çelik veya kobalt gibi özel manyetik malzemelerden yapılan halkanın alüminyum gibi manyetik olmayan silindirik malzemenin üzerine kaplanması sonucu elde edilir.
Bu tip rotorda da üretilen momentin iki bileşeni vardır.
• Eddy akımı bileşeni
• Histerisiz akımı bileşeni
131
Histerisiz motor için bir çeşit rotor yapısı
132
Eddy akımı bileşeni: Eddy akımı kayıpları
Pe=Kefr2B2
• Ke :bir sabit
• fr :eddy akımı frekansı
• B :manyetik akı yoğunluğudur
- fr=sfs ise;
Güce bağlı olarak eddy akımı momenti,
Te=Pe/sωs
Bu denklemler kullanılırsa, moment denklemi ;
Pe=Kefs2B2 s2
Te=Kefs2B2 s/ωs
133
Histerisiz akımı bileşeni:
Histerisiz kayıpları ve momenti,
olup sabit bir değere sahiptir.
Motorun senkron hıza kadar olan bütün hızlarında
değişmez. Senkron hızda sadece histerisiz moment bileşeni vardır ve toplam moment değerini oluşturmaktadır.
Ph=KhfrB1.6=KhsfsB
1.6
Th=KhfsB1.6/ωs
134
Sürekli Mıknatıslı Histerisiz Motorlar
Sürekli mıknatıslı rotor ve mekanik olarak döndürülen döner alan
135
Sürekli mıknatıslı histerisiz motorun çalışmasını açıklamak için önce şekil üzerinde durulacaktır. Şekilde rotor sabit olarak gösterilmiş olup rotor etrafında saat yönünde mekanik olarak döndürülen N-S kutupları vardır. Rotor seramik malzemeden yapılmıştır. Malzeme bir kalıcı mıknatıslanma özelliğinde olup direnci hemen hemen bir yalıtkanın direncine yakındır. Dolayısıyla rotorda eddy akımının oluşması hemen hemen mümkün olmamaktadır.
N ve S kutupları döndürüldüğünde rotor mıknatıslanır. Bunun sonucu dönen N-S kutupları etkisi altındaki rotorda sürekli olarak zıt kutuplar oluşturur. Sürekli dönen manyetik alan rotorda da manyetik durumu sürekli değiştirmektedir. Böylece manyetik alanın her devrinde rotor da bir saykıllık değişim (histerisiz) tamamlanır. Bunun sonucu rotorda histerisiz kayıpları oluşur. Histerisiz kayıpları histerisiz eğrisinin alanına bağlı olup rotorda ısı şeklinde açığa çıkar.
136
Her devirdeki histerisiz kaybının Eh (joule) olduğu ve alanın (d/d) hızda döndürüldüğü kabul edilirse, rotorda dakikada harcanan enerji ve güç;
Rotorda harcanan güç, mekanik olarak döndürülen alandan sağlanacaktır. Bu mekanik güç ;
(9.55 = 60 / 2π )
Mekanik güç ile histerisiz güç eşittir.
P=Ph nT/9.55=nEh/60 Histerisiz moment böylece
olarak elde edilir. Burada; T rotordan alınan moment (Nm), Eh rotorda 1 devirde harcanan histerisiz enerjisi (j/d),ve 6.28 = 2π sabittir.
W=nEh Ph=W/t=nEh/60(W)
P=Tω=Tn/9.55
Th=Eh/6.28(Nm)
137
Yukarıdaki moment denklemi histerisiz motorun çok önemli bir özelliğini ortaya koymaktadır. Mıknatıs dönme hızına bağlı olmaksızın sürekli mıknatısları sürmek için gerekli moment sabittir. Diğer bir deyişle, N-S kutupları rotor etrafında çok yavaş ve çok hızlı döndürüldüğünde rotor üzerinde oluşacak moment aynıdır .Bu temel özellik histerisiz motorun diğer motorlardan önemli farklılığıdır. Uygulamada döner alan 3-faz veya yardımcı sargılı bir-faz sargıları tarafından üretilir. Statorun içine histerisiz özellikli rotor yerleştirildiği zaman rotor hızlı bir şekilde senkron hıza ulaşır. Kalkınma (yol alma) momenti sabittir. Bu durum asenkron motordan tamamen farklıdır. Çünkü asenkron motorda hız senkron hıza çok yaklaştıkça moment sıfıra yaklaşır.
138
Histerisiz ve asenkron motor hız moment eğrileri
139
Histerisiz Motorların Kullanılma Yerleri
Histerisiz motorun iki önemli özelliği; sessiz çalışma ve yüksek yol alma momentidir. Ayrıca, bu motorun senkron hızda çalışma özelliği, elektrik güç sisteminin sabit frekanslı güç ürettiği yerlerde histerisiz motorların saat sürücülerinde ve hıza duyarlı ses/görüntü kayıt ediciler/çalıcılar için idealdir.
140
Histerisiz motorlar yapılarından dolayı sessiz çalışma, yükü düzgün bir hızda döndürme, sabit ve yüksek kalkınma momenti sağlama gibi üstünlüklere sahiptirler. Sabit frekanslı sistemlerden beslenen histerisiz motorlar elektrik saatlerinde ve diğer hassas zamanlama gerekli yerlerde kullanılır. Bu tip motorlar ayrıca hassas ses aletlerinde kullanılırlar. Böyle cihazlarda sabit moment çok önemlidir. Histerisiz motorlar özellikle yüksek atalet momentine sahip cihazlar için çok uygundurlar. Döner tabla (pikap) ve teyp sürücülerde de kullanılırlar. Histerisiz motorlar lazer yazıcılarda döner aynaları sürmek için de tasarlanırlar. Atalet momenti, çoğu senkron motorların kısa zamanda senkron hıza ulaşmasına engel olmaktadır. Klasik senkron makineler belirli hızdan sonra döner alan ile kilitlenerek aniden senkron hıza geçerken bir moment değişimine sebep olurlar. Histerisiz motorun senkron kadar ürettiği moment sabit olduğu için ani bir moment değişikliği olmamaktadır. Histerisiz motorların veriminin düşük olması bu motorların kullanım alanını düşük güçlü uygulamalar olarak sınırlamaktadır.
141
Kaynakça:
• Megep- Bilişim Teknolojileri-Motorlar
• www.HorizonHobby.com
• www.townbiz.com
• Yrd. Doç. Dr. Aytaç Gören- Doğru Akım Motorları
• Kamil Orman- Y.Lisans Tezi
• http://www.sektorelyayincilik.com
• Eyyüp ÖKSÜZTEPE-Doktora tezi
• Boğaç Han ER –Y.Lisans Tezi
• www.kontrolkalemi.com
• educypedia.karadimov.info/electronics/electronicaopening.htm
• www.kumanda.org
• www.dersnotların.com
• www.forumelektrik.com
• www.elektrotekno.com
• www.elektrikbilim.com
• Özel Elektrik Makinaları- Güngör Bal
142
