İÇİNDEKİLER
1- ASENKRON MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ
2- DÖNER ALAN ŞİDDETİ
3- STATOR SARGILARINDA ENDÜKLENEN EMK
4- BiR KUTUPTA OLUŞAN MANYATİK ALAN
5- ROTOR SARGISI
6- BİLEZİĞİ KISA DEVRE EDİLEN AC MOTOR
7- ASENKRON MOTORUN KALKINMASI
ASENKRON MOTORLAR
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 statorları tamamen aynıdır. Sadece rotorların yapıları farklıdır. Normal olarak statorları da yıldız ve üçgen olarak bağlanabilen üç fazlı sargı mevcuttur. Kısa devre rotorlu asenkron motorun rotorunda sincap kafesler , bilezikli tip asenkron motorun rotorunda ise genelde yıldız bağlı üç fazlı sargı bulunur.
Her iki tip asenkron motorda da üç fazlı stator sargısının uçları ( üç giriş ile üç çıkış ) klemens kutusuna çıkartılır. (Bazı hallerde stator içerisinde bağlantı yapılarak dışarıya üç faz ucu çıkar). Bundan ayrı olarak rotoru sargılı üç fazlı asenkron motorun rotor sargısının sadece üç faz ucu bilezik ve fırça yardımı ile diğer bir bağlantı kutusuna çıkartılır.
Asenkron motorlarda U = k x f x ø bağıntısına göre manyetik alanın değişmesi için U / f oranın sabit olması gerekmektedir.
Primer şebeke frekansı ile birlikte şebeke gerilimi de aynı oran dahilinde değiştirildiğinde motorun manyetik alanı , devrilme momenti ve yüklenilebilirlik kabiliyeti sabit kalır. Aslında düşük frekanslarda statordaki gerilim düşümünün artmasından dolayı devrilme momentinde bir miktar düşme görülür.
Bir asenkron makinenin devir sayısı kontrolü için diğer asenkron makineye yada güç elektroniği elemanlarına ihtiyaç vardır.
ASENKRON MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ
Asenkron motor sargıları stator ve rotor üzerine açılan oluklara yerleştirilen sargılardan oluşur. Stator üzerine yerleştirilen sargılar üçgen veya yıldız bağlı sargılardan oluşmaktadır.
Stator sargılarından geçen akım alternatif akım olduğundan manyetik devrede periyodik olara0k 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. Sonuçta 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 çalışması halinde rotorun senkron devirde dönmesi mümkün değildir. Rotor senkron devirde daha küçük olan ve yük ile değişen devirde döner.
Bilezikli asenkron makinelerin rotor oluklarına genellikle üç fazlı sargılar yerleştirilir. Üç fazlı rotor sargısı genelde 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 direnç bağlanabilir. Rotor bileziklerine yol alma direnci bağlayarak yol alma akımı sınırlayarak yol alma 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 birlikte rotor sargıları rotorda oldukça yer kapladığı için sincap kafesli motorlara göre bilezikli asenkron motorlardan daha az güç elde edilir.
Sincap kafesli asenkron motorların statorlarında da 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.
DÖNER ALAN ŞİDDETİ:
Stator oluklarına yerleştirilen 3 fazlı sargılardan 3 fazlı akım geçirildiğinde döner alan
meydana gelir. Bu döner alanın manyetik kuvvet çizgileri, faz bobinlerinin ayrı ayrı
meydana getirdikleri manyetik akıların toplamına eşittir.
A noktasını örnek olarak almak hesabımızı kolaylaştırır. Aslında her noktadan
yapılacak hesaplar aynı sonucu verir.
S fazının akım yönü pozitif ve akım şiddeti maksimumdur. R ve T fazlarının akınlarının
yönü ise negatif ve akım şiddetleri ise maksimum değerin yarısıdır.
Manyetik akılar arası 120 derecedir. Buna göre;
Q toplam = Qm + 2 x (Qm/2) x Cos 60
Q toplam = Qm + 2 x (Qm/2) x (1/2)
Q toplam =Qm + Qm/2
Q toplam = 3Qm/2
Buna göre stator faz bobinlerinin meydana getirdikleri manyetik akıların toplamı
herzaman 3Qm/2 olur. Yani 3 faz akımlarının meydana getirdikleri akıların toplamı,
şiddeti 3Qm/2 olan döner alandır. Bu alan stator etrafında kesintisiz olarak döner .
STATOR SARGILARINDA ENDÜKLENEN EMK ‘ LER.
3 fazlı stator sargılarına 3 fazlı sinüsoidal gerilim uygulandığında döner manyetik alan
meydana gelir bu alanın motor hava aralığındaki dağılışı da sinüsoidaldır. Bu manyetik
alan tekrar stator sargılarında 3 fazlı emk’le endükler. Bu emk’lerin değeri
hesaplanabilir.
Herhangi bir iletken 1 saniyede 108 maxvell’lik (1 Weber’lik) akıyı keserse, iletkende indüklenen emk’ nın ortalama değeri 1 VOLT ‘tur.
Q , Bir kutbun manyetik akı toplamı
2p x Q , Bir fazın manyetik akı toplamı
Döner alanın bir devrinde stator oluğundaki bir faza ait iletkenin kestiği manyetik akı
toplamı 2p x Q maxvell ‘dir.
Döner alanın dakikadaki devri ns ‘dir. Saniyedeki devri ns/60 dır.
İletkenin bir saniyede kestiği akı toplamı = 2p x Q x ns/60 maxvell’ dir. Bu akı
toplamından 108 maxvell’ i 1 VOLT olduğu için orantı yaparak iletkende oluşan
ortalama voltajı bulabiliriz.
Eor = (2p x Q x ns) / (60 x 108) VOLT’ tur.
ns = 60 x f / p olduğuna göre formülde yerine koyarsak
Eor = (2p x Q x 60 x f) / (p x 60 x 108) VOLT olur. Burada sadeleştirme yaparsak.
Eor = 2 x f x Q x 10-8 VOLT emk’in etkin değeri bulmak için ortalama değer 1,11 ile
çarpılır.
E = 2,22 x f x Q x 10-8 VOLT etkin değer bulunur . (Bir iletkende oluşan EMK)
Motordaki iletken bir bobin oladuğundan bir ucu N kutbunda ve diğer ucu S
kutbundadır. Bobinin iki ucundaki iletkenlerdeki akım yönleri ters olduğu için bobin
ucundaki gerilim bunların toplamına eşittir. Ve faz farkı olmadığı kabul edilerek cebirsel
olarak toplanır. Yani bobinde oluşan gerilim tek iletkende oluşan gerilimin 2 katıdır.
E = 4,44 x f x Q x 10-8 VOLT etkin değer bulunur . (Bir bobinde oluşan EMK)
Bir faza ait seri bobin sayısı toplamı Nb ise; Bir fazda oluşan gerilim miktarı.
E = 4,44 x f x Q x Nb x 10-8 VOLT etkin değer bulunur . (Bir fazda oluşan EMK)
Q manyetik akı değeri maxvell değil weber olarak verilmişse formül aşağıdaki gibi olur.
E = 4,44 x f x Q x Nb x VOLT etkin değer bulunur . (Bir fazda oluşan EMK)
Bu EMK uygulanan şebeke gerilimine ters yöndedir. Bundan dolayı bu EMK ‘lara Zıt
EMK denir. Boşta çalışan bir motorda faz sargısında oluşan Zıt emk, uygulanan
şebeke gerilimine eşit kabul edilir.
Adım ve Dağıtım Katsayısının Faz Gerilimine Etkisi.
Stator sarımlarında bobinlerin oluklara dağıtılması ve adım (hatve) kısaltmaları
endüklenecek gerilimin değişmesine sebep olur. Bu değerler hesaplanabilir ve katsayı
olarak ana voltaja çarpılır.
Kd, dağıtım katsayısı kd = (Sin (C x a / 2)) / (C x Sin(a / 2))
Ka, Adım katsayısı ka = Cos (b / 2) , b = kısaltılmış oluk sayısı x a
E = 4,44 x f x Q x Nb x kd x ka x10-8VOLT etkin değer bulunur.(Bir fazda oluşan EMK)
Motorlarda kısa hatve ve oluk dağıtımı Şebeke ana harmoniğinin yanında meydana
gelen diğer harmoniklerin etkilerini gidermek için yapılırlar. Oluk dağıtımının çok
olması harmonik etkilerinin giderilmesi bakımından iyidir. Ancak oluk sayıları motor
imali sırasında hesaplanan değerlerdir ve daha sonra değiştirilemez. Sarımda kısa
hatve ise sarılacak kutup sayısına göre değiştirilir. Motorda oluşacak harmonilkler
genelde 3. Harmonik ,5. Harmonik ve 7. Harmoniktir. 3. Harmonik oluk dağilımı
suretiyle bir miktar önlenebilir. 5. ve 7. Harmonikler ise kısa hatve yoluyla azaltılabilir
veya yok edilirler. Bunu belirleyen kutba düşen oluk sayılarıdır. 5. Harmoniğin yok
edilmesi için kutup mesafesinin 1/5 kadarlık kısmı kısaltılır. 7. harmoniğin yok edilmesi
için de kutup mesafesinin 1/7 kadarlık kısmı kısaltılır. 8 Kutuplu motorda harmonik
etkisi az olduğu için kısa hatve genelde kullanılmaz.
Bir Kutupta Oluşabilecek Manyetik Akıların Büyüklüğü.
Bir faza ait hava aralığındaki toplam manyetik akı Qt = p x D x L x B maxvell ‘dir.
Bir kutbun manyetik alanı Q = p x D x L x B / 2p maxvell’dir.
D , Statorun iç çapı (cm)
L, Statorun boyu (cm)
B, hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu (Gauss) maxvell/cm2 (1 tesla 104 gauss)
B veya Q yi hesaplamada genellikle tecrübelerden faydalanılır. Sarılacak motorun spir
sayısı tamamen motorun gücüne bağlıdır. Motorun gücü de nüveye bağlıdır. Nüvenin
gücüde geçirebileceği manyetik akı yoğunluğuna bağlıdır. Bu ise nüve saçının
kalitesine , hava aralığına , oluk ve nüve kayıplarına ve nüvenin fiziki boyutlarına
bağlıdır.
Nüve kest hesabı;
Geometrik kesit = p x D x L cm2 ’dir.
C, kalite katsayısı ,C ‘nin değeri düşük ise saç kalitesiz ve nüve kaybı fazla, değeri
fazlaysa saç kaliteli ve nüve kaybı az demektir.
Motorun etiketi biliniyorsa C’ yi kullanarak motorun manyetik akı yoğunluğunu tahmini
hesap edebiliriz.
Btahmini = ((6000 / C )x 1,25)/cosQ gauss CosQ =P / Ö3 x U * I P=Aktif güç
Gausun miktarı stator dişlerinin doyması dikkate alınarak seçilir. Motor devri düştükçe
yani kutup alanı küçüldükçe gauss bir miktar daha fazla seçilebilir. Kutup
yoğunluğu arttıkça manyetik alanda semerleşme artar. Aynı şekilde kutup alanı arttıkça
da manyetik alanınm sinus formu bozulur. Bunu yani semerleşmeyi önlemek için kutup
sayısı azaldıkça gauss küçük tutulur.
Buradan gerilim formülünde kullanılacak bir kutbun toplam manyetik akısı
hesaplanabilir.
Q = B x S / 2p maxvell ‘dir.
E = 4,44 x f x Q x Nb x kd x ka x10-8 VOLT etkin değer bulunur.(Bir fazda oluşan EMK)
Detaylı bilgi için
ROTOR SARGISI:
Bilezikli sargılı asenkron motorda bilezik uçları açık devre iken statora enerji
verildiğinde rotor bilezik uçlarında bir gerilim oluşur. Bu olay trafoların prensibi ile
aynıdır. Genelde rotor nüvesi stator ile aynı malzemeden yapıldığı için stator nüvesi için geçerli olan manyetik akı yoğunluğu (B) ve geometrik kesit aynıdır. (Ancak kontrol
edilmesinde fayda vardır.)
Buna gör rotor sargılarında oluşan gerilim;
E = 4,44 x f x Q x Nb x kd x ka x10-8VOLT etkin değer bulunur.(Bir fazda oluşan EMK)
Q stator ile aynıdır. Rotor sargılarında genelde tam gabare ve sargılar da genelde lama
olduğu için her bobin bir spir sarılır. Bu durumda rotor gerilimi genelde kendiliğinden
ortaya çıkar. (Ancak sıfır imalatlarda oluk sayısı değiştirilerek rotor gerilimi
değiştirilebilir.) Rotor sargıları genelde seri ve yıldızdır. Bu bağlantılar değiştirilerek
rotor gerilimi değiştirilebilir. Ancak buradaki problem her bobin tek spir olduğu için
bu tür oynamalara müsaade etmez.
Kayıplar haricinde güç rotora aynen aktarıldığı için geçecek akım buna göre hesap
edilir ve iletken kesitleri hesaplanabilir.
Protor = Pstator * h(verim)
Rotor kutup sayısı stator ile aynı olmak zorundadır.
BİLEZİĞİ KISA DEVRE HALİNDEKİ ASENKRON MOTOR
Statora gerilim verilen asenkron motorun rotor sargılarında gerilim oluştuğunu biliyoruz. Bu anda rotor bileziği kısa devre yapılırsa rotor sargılarından akım geçer. Bu akım
motorun anma akımından yüksek bir kısa devre akımıdır (trafo kısa devresi gibi) . Bu
durumda rotor sargılarından akım geçtiği için rotorda da senkron hızda bir döner alan
oluşur. Bu alan stator döner alanıyla aynı yönde ve aynı hızdadır. Trafoda olduğu gibi
rotor alanı stator alanını zayıflatarak stator sargılarının da şebekeden yüksek seviyede
kalkış akımı çekmesine sebep olur.
Rotor endüktansı rotor omik direncinden çok büyük olduğu için akım gerilimden teorik
olarak 90° geridedir. Buna bağlı olarak rotorun döner alanı da olması gerekenden
geriye kayar ve rotorun ayını isimli kutbuyla stator aynı isimli kutupları karşı karşıya
gelir. Bu durumda kakış döndürme momenti çok küçüktür (bobinler saf olmadığı için).
Kutupların itmesi aksiyel yönde kuvvetlenerek rotorun kilitlenmesine veya çok düşük
kalkış döndürme momentiyle dönmesine yolaçar.
Motora döndürme momentini F=B * i * L kuvveti verir. Statorun zıt isimli kutupları ne
kadar karşılıklı ise kalkış döndürme momenti o kadar fazla olur.
Bunun için rotor bileziklerine omik direnç eklenerek sistemin toplam omik direnci
arttırılarak gerilim ve akım arasındaki faz farkı azaltılır. Böylece rotor kutuplarının
geriye kayması da azalacağından kalkış döndürme momenti arttırılmış olur. Dirençten
dolayı kalkış akımı da azaltılmış olur. Ancak motor kalkana kadar aynı döndürme
momentini sabit tutmak için rotora eklenen dirençler kademe kademe azaltılır.
ASENKRON MOTOR KALKINIRKEN OLUŞAN OLAYLAR
Rotor alanının dönüş yönü ve hızının aynı olduğunu ve zıt kutupların birbirine
kenetlenerek döndürme momentini oluşturduğunu biliyoruz.
Bu moment frenleme momentini yenerse rotor dönmeye başlar ataletten dolayı rotor
yavaş yavaş hızlanır bu 15 sn ‘den 60 sn kadar sürebilir. Rotor stator döner alan
yönünde dönmeye başlar. Bu durumda stator alanının rotor alanını kesme hızı düşer
ve böylece rotor frekansı ve gerilimi buna bağlı olarak akımı düşmeye başlar. Akımın
düşmesi döndürme momentini düşürür ancak frekansın düşmesi rotor endüktansını
düşüreceğinden ve buna bağlı olarak kısmen döndürme momentinin artacağından
(bunun sebebi kısmen kutbun ileri kayması ve endüktansın azalmasından dolayı
toplam direnç Z ‘in azalmasıdır) dolayı bu o kadar etkili olmaz. Yine de kalkış momenti
azalan bir seyir izler bunun için direnç miktarı azaltılarak rotor akımının tekrar artması
ve böylece döndürme momentinin aynı değeri koruması sağlanır.
Senkron devir sayısı ile rotor devri arasındaki fark kaymayı verir.
s = (ns-nr) / ns
Yeni rotor frekansı fr = s x fşebeke
Yeni rotor gerilimi Er = s x Ekr
Yeni rotor akımı Ir = (s x Ekr) / (Ö(Rr2 + ( s x Xkr2))
Rotor dönerken frekans azalacağından rotor döner alanın hızı da azalır .
Yeni rotor döner alan hızı = s x ns dir. Bu andaki rotor hızı ile aynı andaki rotor döner
alan hızı toplamı stator döner alan hızını verir.
nr + (s x ns) = ns
Bunun anlamı rotorun her hızında birbirine kenetlenen stator ve rotorun aynı kutupları
birbirine göre konumları ( ileri geri kayma hariç ) hiç değişmez yani asenkron motorlar
adım kaybetmezler.
