ÜÇ FAZLI ASENKRON MOTORLARDA ROTOR YAPISININ DEMERAJ AKIMI VE YOLVERME ŞEKLİ ÜZERİNDEKİ ETKİSİ

Yrd. Doç.Dr.İsmail DEMİR Arş.Gör.Erkan Kaplanoğluidemir@marun.edu.tr ekaplano@marun.edu.tr

Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim FakültesiElektronik-Bilgisayar Bölümü Kontrol Anabilim Dalı

Göztepe/İSTANBUL

HP . 736Giriş gücü (kVA) =

. cos . 1000

736Giriş gücü (kVA) =

. cos . 1000

ÖZET

İş makinalarına uygun üç fazlı asekron motor (3ASM) seçiminde ve bu motorlara yol verilmesinde uygulamada yapılan yanlışlar, enerji israfı yolu ile birim maliyetleri etkilemektedir. Yolverme işleminde amaç motor ve beslendiği şebeke için yönetmeliklerde belirtilen gerilim düşümleri oranlarını aşmayacak bir demeraj akımının çekilmesidir.

Bu çalışmada; Amerikan NEMA (National Electricalcode and the National Electrical Manufactures Association) standardını Türkiye ölçeklerine adapte ederek uygun yerde uygun motorun ve yolvericinin kullanılmasına ışık tutacaktır. Ayrıca her ASM’ye stator yol vericisi bağlamanın sakıncalı olacağına da işaret edilmiştir.

Anahtar kelimeler :Demeraj akımı, Rotor yapısı , Yolverme

1.Giriş

Asenkron motorlar kilitli rotor deneyinde elde edilen Giriş gücü (kVA) / Çıkış gücü(HP) parametresi esas alınarak sınıflara ayrılırlar. Kilitli rotor halinde giriş gücü ile çıkış gücü arasındaki ilişki için,

(1.1)

eşitliği yazılabilir. Bu eşitlikten beygir gücü başına giriş gücü,

(1.2)

elde edilir. Amerikan NEMA (National Electricalcode and the National Electrical Manufactures Association) standartları kilitli rotor deneyinden elde edilen Giriş gücü (kVA) / Çıkış gücü(HP) parametrelerine göre ASM’leri Tablo1’deki gibi sınırlandırmaktadır[1].

Tablo-1 Kilitli rotor halindeki 3 fazlıASM’lerin çıkış gücü beygir gücü(HP) başına giriş güçlerin (kVA) oranına göre sınıflandırılması.

KOD KVA/HP KOD KVA/HPA 0-3,14 J 7,1-7,99B 3,15-3,54 K 8,0-8,99C 3,55-3,99 L 9,0-9,99D 4,0-4,49 M 10-11,19E 4,5-4,99 N 11,2-12,49F 5-5,59 P 12,5-13,99G 5,6-6,29 R 14,0-++H 6,3-7,09

Endüstride kullanılan motorlardan onda dokuzu A,B,C,D,E kodları ile gösterilenlerdir. Bu harfler motor etiketlerinde belirtilmiş olsa, kullanıcı bu harflerden yararlanarak hem motor hem de bu motora bağlanacak yolverici, sigorta v.s. gibi araçlar hakkında tercihini kolayca yapabilir.

2. Asenkron Motor Çeşitleri

Bu bölümde en çok kullanılan beş tip motorun yapıları, özellikleri ve performansları anlatılacaktır. Ayrıca kullanıcılara yardımcı olmak üzere pratik bilgiler verilecektir.

2.1 Sincap Kafesli Alçak Resistanslı (kodA) 3fazlı Asenkron Motorlar

Bu asenkron motorlarda rotor çubukları ortalama özgül iletkenliği 8-10m/ dan daha yüksek olan alüminyum veya bakır alaşımlarından yapılır. Normal çalışma koşullarında rotor çubuklarında endüklenen gerilim 10 voltun altındadır[2]. Bu yüzden rotor çubukları gövdeden yalıtılmazlar. Şekil 2.1a’da görüldüğü gibi rotor oyukları rotor dış yüzeyi ile teğet olacak şekilde seçilir böylece rotor çubuklarını halkalayacak akı en az değere düşürülür. Bu uygulama, rotor çubuklarının reaktansını direncine nazaran ihmal edilecek boyutlara düşürür. Diğer taraftan rotor çubuklarının kesitinin büyük, öz iletkenliğini 8-10m/ değerinden küçük seçerek rotor (I2R2) kayıpları düşürülmüştür[2]. Bu sebeple alçak rezistanslı ASM’lerin verimi orta güçlerde %94 büyük güçlerde %96 değerlerine ulaşır[1,3].Motor milinden alınacak enerjinin iki bileşeni açısal hız ve momenttir. Motorun çıkış performansı moment ve açısal hız arasındaki ilişki incelenerek gözlenebilir. Bu ilişkiden elde edilecek devir-moment grafiklerinin önemli noktalarından biri geçiş momentidir. Çünkü bu konudaki birçok kaynakta verilen grafikler geçiş momentini ihmal etmiştir. Halbuki rotor ve stator sargılarında oluşan yüksek harmonikler düşük devir sayılarında zararlı kuvvetlere ve döndürme momentlerine sebep olurlar. Parazit moment de denilen bu moment ve kuvvetler özellikle tek sincap kafesli motorlarda çok belirgin etkiler yaratır. Çift sincap kafesli ile rotoru sargılı ASM’lerde ilk hareket esnasında rotor direnci yüksektir. Yüksek direnç temel dalganın yol alma momentini büyüterek parazit döndürme momentlerini etkisiz hale getirir. Parazit momentler senkron ve asenkron olmak üzere ikiye ayrılırlar. Bu momentleri stator ve rotor sargıları birlikte oluşturulurlar. Parazit momentler döndürme moment eğrisinde eğerleşmeye sebep olurlar. Eğerleşme noktasındaki minimum moment değerine geçiş momenti adı verilir. Geçiş momenti motorun nominal momentinden de düşük olduğunda motorun yük altında hızlanması mümkün değildir. J atalet

momenti olmak üzere bir motorun hızlanması, aşağıdaki gibidir. Mmotor – Myük = Jx d(t)/dt (2.1)DK-2.1’de görüldüğü gibi Mmotor Myük için mümkündür. Şekil2.1b’de 1 nolu eğri birinci hormoniğin, 2 nolu eğri yedinci harmoniği, 3 nolu eğri beşinci harmoniğin asenkron döndürme momentini göstermektedir.4 nolu eğri ise yukarıdaki harmoniklerin toplamını vermektedir. Şekil2.1c’de ise dönmekte olan ASM’de meydana gelen senkron parazit momenti göstermektedir. Ayrıca stator ve rotor dişlerinin alanda oluşturduğu ve rotorla stator arasında belirli bir hızla ilerleyen radyal çekme kuvvetleri de devir-moment karakteristiğini etkileyerek Şekil2.1d’de görülen semerleşmeye sebep olur.

Yukarıda açıklanan özellikler göz önüne alınarak alçak rezistanslı ASM’nin olumlu ve olumsuz yönleri aşağıda verilmektedir.Olumlu performansları;

I. Küçük rotor kayıpları sebebiyle verimleri %94-%96 değerlerine kadar ulaşabilir[3].

II. Devrilme momentinden sonraki hızlarda, nominal hızın %50-60 değerini aştıktan sonra çok iyi performans gösterirler.

III. Boşta ve tam yükteki hızları arasındaki fark %10 civarındadır[1].

Olumsuz performansları;I. Demeraj akımları nominal akımın 5-7

katıdır. Yönetmeliklerde belirtildiği gibi 5kW güçten itibaren yolvericiye ihtiyaç gösterirler. Stator yolvericisi olarak dirençle, reaktansla, ototrafosu ve üçgen gerilimi şebekedeki fazlar arası gerilime eşit ise Y/ şalterle yol verilebilir. Yolvericiler ilk hareketten itibaren nominal hızın %60 değerine( Devrilme momentine) ulaşıncaya kadar aşağıdaki gerilim oranlarını motor bobinlerine uygulamaktadır.

Dirençle yolverme %50,%65,%80 Rekantasla yolverme %50,%65,%80 Ototrafosu ile %50,%65,%80 Y/ yolverme %58 Diğer taraftan üç fazlı ASM’nin momenti

yaklaşık olarak bobin geriliminin karesi ile orantılıdır. Bobine uygulanan gerilim ½ oranına düştüğünde ise moment, (1/2)2 = ¼ oranında düşer. Şekil 2.2 ‘de bu durum görülmektedir.

Şekil 2.1Sincap Kafesli Alçak Rezistanslı (kodA)

Şekil 2.2 Sincap Kafesli Motor Moment-Kayma karakteristiği

O halde, stator yolvericisi bağlı olan motorlara yük altında yol verilmemelidir. Bunun istisnasına aspiratör vantilatör kuyu pompası gibi hız artıkça moment ihtiyacı artan iş makinalarında rastlanır. Şekil2.1b’de kesik çizgilerle gösterilen My momenti bu istisnaya örnek olarak verilebilir.

II. Kalkış momenti ile devrilme momenti aralığında yaklaşık olarak devir sayısının %14 değeri civarında geçiş momenti oluşur. Geçiş momenti yolalma esnasındaki minimum moment olup nominal momentin bile altına inebilir. Böyle bir motorun nominal yük ile yüklenmesi halinde motor hızlanamaz ve yaklaşık olarak, nominal hızın %14 değerini

1,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

S

(a)

(c)

%

MO

ME

NT

1

00

200

3

00

0 DEVİR nn n1

Mn

(d)

(b)My

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Kayma(%)

Tam

yük

mom

enti(

%)

0

40

80

120

160

200

240

280

320

%80 Gerilim

%50 Gerilim

Nominal Gerilim

Devrilme momenti

aşamaz. Bu durum için, bir üst güçte motor seçilebilir, görüşü ileri sürülse de motor verimini azaltacağından tercih edilmemelidir.

III. İlk hareket momentleri nominal momentin 1,5 katı değerdedir.

Sonuç olarak; Alçak rezistanslı ASM’ler boşta yol alıp sonra yük bindirilen torna, freze, matkap v.s. gibi iş makinalarında kullanılmalıdır.

2.2 Sincap Kafesi Yüksek Reaktanslı (Kod B) Üç fazlı Asenkron Motorlar

Üç fazlı asenkron motorların bu tipinde rotor çubukları Şekil 2.3’te görüleceği gibi rotor yüzeyinden daha derinde ve büyük kesitli olarak yapılır. Öz iletkenliği alçak rezistanslı motordaki gibidir. Rotor dış yüzeyinden içeride kalan rotor çubukları daha fazla manyetik akı tarafından halkalanacaktır. Bunun bir sonucu olarak rotor çubuklarının reaktansları özellikle ilk hareket anında f1=f2 nedeniyle en yüksek değerini alır[1,3].

Yüksek reaktanslı motorların olumlu ve olumsuz yanları aşağıda özet olarak verilmektedir.

Şekil 2.3 Sincap Kafesli Yüksek Reaktanslı(kodB)

Olumlu performansları;I. Rotor çubuklarındaki yüksek reaktans

yüzünden motor reaktif gücü artar cos azalır ve motor verimi %90’ların altına düşer. Dk- 2.1 ‘den elde edilecek . cos değerinin yüksekliği motorun işletme performansının iyi olduğunun bir ölçeğidir[4].

II. Devrilme momenti yaklaşık olarak nominal hızının %80-90 değerleri arasına isabet eder [1]. Bu özellik çift sincap kafesli ve rotoru sargılı ASM’lerde yol alma süresince , ortalama momente olumlu katkı sağlar.

III. Boşta ve yükteki hızları arasındaki fark %3-4 civarındadır [1].

Olumsuz Performanslar; I. Şebeke Cos değerini olumsuz etkiler.

II. Demeraj akımı nominal akımın 4,5-5 katıdır.III. 5KW güçten sonra yolvericiye ihtiyaç

gösterir.IV. Kalkış momentleri nominal momentlerinin

1,5 katı civarındadır.Sonuç olarak ; Semerleşme olayı bu motor içinde geçerlidir.Yolverme ve motor yük ilişkisi alçak rezistanslı ASM’lerle aynı olduğundan burada ayrıca açıklanmasına gerek görülmemiştir.Motor imalatçılarının çoğu 5Kw güçten yukarı genel amaç motorları , B tipinde yaparlar[1].

2.2 Sincap Kafesli Yüksek Rezistanslı (KodD) Üç Fazlı Asenkron Motorlar

Şekil2.4’te bu motorun rotor yapısı ve devir moment karakteristiği görülmektedir. Rotor çubuklarının yüzeye yakın olması önceden açıklandığı gibi rotor reaktansını ihmal edilecek boyutlara düşürür. Rotor çubuklarının kesitinin küçük seçilmesi ve öz iletkenliği 8-10 m/ olan malzeme kullanılması rotor rezistansını artırır.

Şekil 2. 4 Sincap Kafesli Yüksek Resiztanslı(kodD)

Yüksek rezistanslı ASM’lerin olumlu ve olumsuz tarafları ile kullanılma yerleri aşağıda belirtilmektedir.

Olumlu performansları; I. İlk hareket momenti, nominal momentin 2,75

katı civarındadır[1]. Bu değer motor hızlandıkça nominal momente doğru azalarak devam eder.

II. Yük altında yol alabilirler.III. Yolvericiye ihtiyaç göstermez. Bulunduğu

şebekenin kısa devre gücü uygun olmak koşulu ile bütün güçlerde direkt bağlanmalıdır.

%

MO

ME

NT

100

2

00

30

0

0 DEVİR nn n1

Mn

0 DEVİR nn n1

%

MO

ME

NT

100

2

00

3

00

Mn

Olumsuz performansları;I. Yüksek rezistans çubuklarının etkisi ile

verimi %80 civarındadır. Endüstride kullanılan ASM’lerin endüşük verimlisidir.

II. Demeraj akımı nominal akımın 3,1-5 katı arasındadır[1].

III. Boşta ve yükteki hızlar arasındaki fark %20 civarındadır. Yükte en büyük hız kaybına bu motorlarda rastlanır.Sonuç olarak yük altında yolalabilen alçak rezistanslı ve yüksek reaktanslı motora nazaran, kısmen daha düşük akım çeken bir motordur. Veriminin düşüklüğü nedeniyle kısa müddet çalışıp, uzun müddet duran preslerde, vinçlerde, şeker santrüfüjleri gibi iş makinalarında kullanılır. Bölüm 2.1’de açıklandığı gibi bu motorun statoruna düşük gerilim vermek moment karakteristiğini olumsuz etkiler bu motor yüksek kalkış momenti elde etmek için yapıldığından, çalıştığı şebekenin kısa devre gücü uygun olmak koşulu ile şebekeye direkt bağlanmalıdır.

2.4 Çift Sincap Kafesli (KodC) Asenkron Motorlar

Yüksek rezistanslı (Kod D) ve yüksek reaktanslı (Kod B) motorların bir kombinasyonudur. Rotorun ilk hareketi esnasında kayma değeri S=1 olur. Kayma ile doğru orantılı değişen rotor frekansı, aşağıdaki gibidir.

f2=f1. S (2.3) Bunun sonucu olarak ilk hareket esnasında rotor frekansı, stator frekansına eşittir. Rotor frekans çubuklarının reaktansı frekansla doğru orantılıdır. Böylece rotor reaktans çubukları ilk kalkış esnasında en yüksek reaktansa sahip olurlar. Rezistans çubukları ise reaktans çubuklarından daha az direnç göstereceğinden rotor akımına rezistans sargısı hakim olacaktır. Bu hakimiyet nominal hızın yaklaşık olarak %60 değerine kadar devam eder. Hızın %60 değerinden sonra kaymanın azalması sonucu olarak reaktans çubuklarının reaktansı, rezistans çubuklarının direncine nazaran azalmaya başladığından, rotor momentine hakim olan akım reaktans sargılarından geçmeye başlar artık bu aşamadan sonra motor yüksek reaktanslı karakter göstermeye başlar. Şekil2.5 Çift sincap kafesli rotor yapısı ve devir-moment karakteristiği gösterilmektedir. Bu motorun olumlu ve olumsuz yönleri aşağıda sıralanmıştır.

Şekil 2.5 Çift Sincap Kafesli(kodC)

Olumlu performanslar;I. İlk hareket momentleri nominal momentin

2,75 katı değerde başlar ve nominal hızın %60 değerine kadar azalarak devam eder.

II. Boşta ve yükteki hızlar arasındaki fark %3-4 değerleri arasındadır.

III. Yolvericiye ihtiyaç göstermez.

Olumsuz performansları;I. Demeraj akımı, nominal akımın 3,1-5 katı

civarındadır.II. Yüksek rezistans çubukları sebebi ile

verimleri düşüktür. Verim sıralamasında yüksek rezistanslı ile yüksek reaktanslı motorlar arasında yer alır.Sonuç olarak; uygun kısa devre gücü olan şebekelerde direkt bağlanması gereken motordur. Endüstride pistonlu pompalarda, sıkıştırarak karıştırma yapan mikserlerde hava kompresörlerinde konveyörlerde ve büyük soğutucu sistemlerde kullanılır.

II.5 Rotoru Sargılı (Kod E) Asenkron Motorlar

Rotor sargılarına bilezikler ve fırçalar vasıtasıyla ayarlı yolverme dirençlerinin Şekil 2.6’da görüldüğü gibi bağlanması ile motor karakteristiklerinde değişim sağlanması mümkündür. Şekil 2.7’de görüldüğü gibi rotoru sargılı motorda, rotor yolverme direnci değiştirilerek sırasıyla, yüksek rezistanslı alçak rezistanslı ve yüksek reaktanslı karakteristikleri yol verme süresi içinde elde etmek mümkündür. Böylece her üç karakteristiğin yüksek moment bölgelerinin bileşiminden oluşan ve yolalma süresi içinde ortalama olarak nominal momentin 2,4 katı bir moment temin eden dış karakteristik elde etmek mümkündür. Rotoru sargılı ASM şebekeye bağlandığında rotor ve stator sargıları arasında güç transferi olmaktadır.

Rotor giriş gücü PRI , rotor çıkış gücü PR0, kayma S, motor tam yük akımı IK,, rotor sargı direnci RR ve rotor yolverme direnci RE ise;

Wattır.

Rotorun herbir faz için çıkış gücü ise ;

Wattır.

Her bir faz için rotor giriş gücü ise ;

%M

OM

EN

T

1

00

20

0

30

0

0 DEVİR nn n1

Mn

Wattır.

(2.3)Ayrıca her bir faz için rotor giriş gücü ;

Wattır.

Kayma ilk hareket anında S=1 olduğundan ,

PRI= (RR + RE). IK2 (2.4)

elde edilir. Denklem 2.3 ve 2.4 birlikte çözüldüğünde 0 hızdaki ( kilitli rotor) rotor yol verme direnci ;

(2.5)

ile elde edilir.Şekil 2.7 incelendiğinde düz çizgilerle verilen eğriler, RE direncinin çeşitli yüzdelerde yol verme direnci olarak kullanıldığında elde edilen devir-moment eğrileridir. Kesik çizgilerle verilen eğriler ise, RE

direncinin çeşitli yüzdelerde kullanılması ile devir-akım eğrilerini vermektedir. Şekil2.7’de a eğrisi yüksek rezistanslı ASM’ye, b eğrisi alçak rezistanslı motora, c eğrisi yüksek rezistanslı ASM’ye eş düşmektedir.

Olumlu performansları;I. RE yolverme direncinin çeşitli yüzdeleri

kullanılarak ayarlanabilir ilk hareket momenti elde edilebilir.

II. Rotor yol verme direnci RE vasıtasıyla hızı kontrol edilebilir.

III. Rotor yol verme direnci RE devreden çıkarıldıktan sonra %90 civarında verim temin edilebilir.

Olumsuz performansları;I. Rotor yol verme direncine ihtiyaç

göstermesidir.II. İstenen performansın optimum değerlerde

elde edilmesi için manuel yolverme kullanılamaz. Bunun için rotor akım röleli, rotor gerilim röleli, ya da rotor frekans röleli yolvericilerden birine ihtiyaç göstermesidir.Sonuç olarak ; rotoru sargılı ASM yukarıda verilen özelliklere, ihtiyacın olduğu elevatörlerde, haddelerde volanlı motor-generatör gruplarında, caraskal ve vinçlerde kullanılır. Her güçteki şebekede kısa devre gücü uygun olmak koşulu ile direkt bağlanmalıdır.

Şekil 1.6 Rotoru Sargılı Asenkron Motor

Şekil 2.7 Rotoru sargılı asenkron motorun Hız- Moment ve Kayma-Moment karakteristiği

3. Sonuç

Anlatılan beş tip asenkron motordan A ve B tipinde olanlara stator yolvericisi ile yol verilebilir. Diğer C,D,E tipi motorlar ise güçleri hangi büyüklükte olursa olsun beslendiği şebekenin kısa devre gücü yükseltilerek şebekeye direkt bağlanmalıdır.

Kaynaklar[1] DAWES C. L. , Dawes Electrical Engineering Vol II Alternating Current Fourth Edition , McGraw- Hill Book Comp.[2] SARIOĞLU K, Elektrik Mkainalarının Temelleri (Asenkron Maknalar), Cilt III İTU MMF Sayı 115. [3] BODUROĞLU T, Elektrik Makinaları Dersleri (Asenkron Makinalar) Cilt II kısım II, İTU Kütüp.sayı 1199.[4] SISKIND C, Electrical Control System in Industry.

R

S

T

Stator Rotor

Bilezik fırçalar

Yolverici

RR RE

260

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

Senkron-hız(%)

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0Kayma(%)

Yük

mom

enti

oran

ı(%

)

Yük

akı

mı o

ranı

(%)

DışDirençyok