Elektrik Motorları

Step motor sürücü devresi; Step motorlar, çok yüksek hızlı anahtarlayabilen motor sürücülerle ve motor kontrol kartları ile kontrol edilirler. Bu motor sürücüler bağlı oldukları enkoder (encoder) veya mikro kontrolcülerden pals sinyalleri alır. Alınan her sinyal işlenerek motorun bir adım atmasını sağlar.

Step motorları istenilen yönde ve hızda çalıştırılmak istendiği zaman sargılarına belli bir sırada darbeler uygulanmalıdır. Step motor (stepper motor), uygulanan darbeye göre adım atar. Bu adımların sayısı motora ilave edilecek bir devre ile sağlanabilir. Bu devrelere sürücü devresi veya kontrolör (stepper motor controller) denir.

Step Motor Sürücü ve Çalışma Prensibi

Elektronik devreler ile bu işlem kolay bir şekilde yapılmaktadır. Step motorların ve kullanılacak yerin özelliğine göre hazırlanmış mikroişlemci kontrollü sürücü kartları vardır. Sürücü devreleri (stepper motor driver) basit yapıda olabilecekleri gibi mikroişlemci kontrollü de olabilir. Bu elektronik kartlar sayesinde adım motorları istenilen hız ve hassasiyette çalıştırılır. Step motorların sürülebilmesi için motorun bağlanacağı step sürücü (stepper driver) devresinin olması ve bu sürücü devresi yardımıyla motorun doğru sargılarına gerekli tetiklemeleri göndermektir. Günümüzde sanayide kullanılan step motorlar için mikroişlemci kontrollü sürücüler ve bu işler için özel olarak tasarlanmış PLC‘ lerde mevcuttur.

 

Robot eklemlerinin hareketinin hassas olması için mikroişlemciler kullanılır. Böylece işlemci, yönü, adım zamanını ve sayısını en uygun hareketi sağlayacak şekilde lojik seviyede işaretler ile karar bölümüne iletilmesini sağlar. Bu işlem, adım sayısına uygun, ardışık anahtarlamanın olmasıyla istenen hareketin yapılmasını sağlar. Bu işlemleri açık-çevrim eklem kontrollü şeklinde düşünüp, değerlendirmeyi ona göre yapmalıdır. Adım motorunun (step motor) servo motora üstünlüğü açık-çevrim kontrolünde kullanılabilir olmasıdır.

Şekilde görüldüğü gibi laboratuvar cihazlarında karşılaşılabilecek bir sistem.

 

Dairesel kısmın hareketini step motor yaparken, mikroişlemcili devre ile sürücü kontrol edilmektedir.

Step Motor Sürücü Devreleri ve Yapıları

Step motor sürücü devreleri 3 temel prensip üzerine yapılır. Bu temel sürücü mantığı step motorların istenilen hız ve torkda çalışmasını sağlar. Bu sürücü mantıkları;

L/R Sürücü: Step motor öngörülen voltaj ve akım değerlerinde çalıştırılır. Böylece motor bobinlerindeki indüktif etkiden dolayı küçük bir hız artışında motor öngörülen akıma ulaşamayacağından düşük hızlar dışında motor verimli bir şekilde sürülemeyecektir.

L/nR Sürücü: Akım artışında geçerli olan zaman sabitini (t=L/R) düşürmek için motor bobinlerine seri direnç bağlanması ile yapılır. Böylece motor öngörülen voltajın n katı değerde çalıştırılır. Bu sayede motorda belirgin bir hız artışı yaşanır. Ancak bağlanan seri direnç üzerinden yüksek akım geçeceği için bu devrelerde gereksiz çok fazla güç tüketimi yaşanır.

Chopper Sürücü: Motor öngörülen voltaj değerinden 5-20 kat fazla bir voltaj ile beslenir. Akımın yükselme hızı diğer sürücülere göre oldukça hızlıdır. Yükselen akım belirli bir değerde sınırlanmazsa motor gereğinden fazla akım çekeceği için yanar. Akım sınırlama mekanizması chopper sürücüsünün temelini meydana getirir.

Motor bobinine seri bağlı küçük bir sense direnci üzerindeki voltaj bir komparatör ile karşılaştırılarak, bobine giden akım ayarlanır. Sürücü PWM (Pulse Width Modulation) mantığında çalışır. Kaynak zaman içinde açılıp kapandığı için güç tüketimi minumum düzeyde olur. Yüksek voltaj ile beslemeden dolayı yüksek hızlarda tam tork ile çalışılabilir.

Sürücü devrelerin amacı, akımının düzenlenmesi ve sınırlanmasını sağlamaktır. Tepki zamanının kısaltılmak istenmesi büyük bir akım değeri getirir ki, bu da istenmeyen bir durumdur.

Akımı sınırlama yolları:

Kaynağa seri bir dış rezistans yerleştirerek: Akımı sınırlamanın en basit yolu kaynağa seri bir dış rezistans yerleştirmektir. Seri rezistans sınırlama yönteminin bir dezavantajı vardır. Örnek; dış rezistans motor rezistansın 4 katı ise, gücün % 80‟i motorun dışında harcanır. Bu ise düşük verimli bir sisteme neden olur.

Chopper tekniği: Akım sınırlamanın diğer bir yolu chopper tekniğidir. Burada yüksek gerilim, motorun aşırı uyarımı için yeniden kullanılır. Ama akımın belli bir limitin üzerine çıkmaması için gerilim on ve off şeklinde periyodik olarak anahtarlanır. Anahtarlama motor sargısındaki ortalama akımı yükseltir ve sargı enerjisi bitene kadar devam eder. Buradaki avantaj yüksek verim elde edilmesidir, ama sürücü devresi daha karmaşıktır.

Dual-voltaj (ikili gerilim) tekniği: Akım sınırlamanın diğer bir yöntemi de dual-voltaj (ikili gerilim) tekniğidir. Adından da anlaşılacağı gibi iki kaynak kullanılır. Başlangıçta motoru uyarmak için yüksek bir gerilim uygulanır. Akım belli bir değere ulaştığı zaman yüksek gerilim anahtarlaması, düşük gerilim anahtarlamasına dönüşür ve bu anda akım var olan değerini korur. Burada verim yüksek olmasına karşılık, sürücü devresi karmaşıktır ve iki güç kaynağı gerektirdiği için maliyet yüksek olur. Sürücü fiyatları kullanım alanları ve özelliklerine göre değişmektedir.

 

Elektrik enerjisini dönme hareketine çeviren elektro-mekanik cihaza step motor denir. Step motorlara aynı zamanda adım motorları adı verilir. Step motor kontrolü için çeşitli sürücü devresi vardır.

Step Motor Sürücü Çeşitleri

NPN transistörlü unipolar step motor sürücü devresi: Bu devrelerde kullanılan transistörler anahtarlama elemanıdır. Transistörlerin motor için gerekli akıma bağlı olarak seçimi yapılır. 5 amper civarı akım değeri için TIP141,daha küçük akımlarda BC108 veya BC547B tipi olan seçilebilir.

ULN2003 entegreli unipolar step motor sürücü devresi: ULN2003a step motor sürücü entegresi ile 500mA kadar akım çeken motorlar çalıştırılabilir. +12V’a kadar entegreye besleme verilebilir.

Mosfet transistörlü unipolar step motor sürücü devresi: Mosfet güç transistörlerinde BJT transistörlerinde olduğu gibi ikinci kırılma noktası olmadığı için tercih sebebidir. Anahtarlama hızları da yüksektir. Mosfetlerin giriş dirençlerinin yüksekliği de kontrol devrelerine direkt olarak bağlanmayı sağlar.

UCN5804B entegreli unipolar step motor sürücü devresi: Bu entegre devresi küçük unipolar step motorları sürmek için imal edilmiştir. Bu entegre ile +35V gerilime kadar çalışan ve 1.25A akım çeken step motorların kontrolü sağlanır.  Entegre devresinin çıkışları step motora doğrudan bağlanabilir. Entegrenin adım girişi, yarı adım girişi ve yön girişleri de vardır. Motor hareketi için adım girişine pals verilmelidir. Yön girişi lojik 0 olunca motor bir yöne, lojik 1 olunca diğer yöne döner.

Transistörlü bipolar step motor sürücü devreleri: Bipolar motorlarda ayrı bobinler olduğu için, bu bobinlere verilen gerilim yönünün değiştirilmesi gerekir. Bu elektrik motorlarını sürmek için H- köprüsü devreleri kullanılır.

L297, L298 entegreli bipolar step motor sürücü devreleri: L297 step motor kontrol entegresidir. Entegre full-step, half-step ve wavw-drive modlarında çalışabilir. L298 motor sürücü, H-köprü sürücü entegresidir. Bipolar step motorlar için tasarımı yapılmıştır. Max2A /pals akım verebilir. Girişe uygulanan faz sinyallerini çıkışa yükseltip vermektedir. Chopper tekniği ile çalıştığından max hızda verim yüksektir.

En önemli özellikleri: · Step ve yön sinyalleri ile çalışma · Max 45V motor voltajı · Max 2A faz akımı · Ayarlanabilir faz akımı PIC 16F877; Mikroişlemci ile step motor kontrol devresidir. Motor sürücü fiyatları, sürücü devresi özelliklerine bağlıdır.

Elektrik enerjisini, mekanik enerjiye çeviren elektrik makinesine doğru akım motoru denir. Doğru akım motorlarına DA motor veya DC motor da denir. Doğru akım motorlarını çalıştırmak için, DC motor sürücü ile dc motor sürücü kartı gerekmektedir. DC elektrik motorları özelliklerine göre DC motor sürücü devresi tasarımı yapılır. Örneğin; Şönt motor, seri motor, kompunt motor DC servo motor v.s. Sürücü devresinin genel amacı, akımın düzenlenmesi ve sınırlanmasını sağlamaktır.

DC motorların sürülmesi ve dc motor sürücü devresi

• Armatür (endüvi) gerilimini değiştirerek devir ayarlanabilir.
• Rotor (endüvi) akımını değiştirerek tork (döndürme momenti) ayarlanabilir.
• Rotora uygulanan akımın yönünü değiştirirsek ters yöne dönmesini sağlanabilir. (Kutup yerlerini yani kutup sargılarına uygulanan akım yönünü değiştirsekte olur.)
• Sürücü devreleri ile DC motorların hızları, dönüş yönleri ve momentleri çok hassas olarak denetlenebilir.
• 180 Volt takometre geri beslemesi ve voltaj geri beslemesi vardır. 2 – 200 Volt aralığında ve 0 -10 Amper aralığında çalışır.
• Armatür voltajı, feedback yöntemi ile de çalışmaktadır.
• Dönüş hızlarını düşürmek ve momenti artırarak redüktörlü motorlar günümüzde çok kullanılmaktadır.

BASİT DC MOTOR SÜRÜCÜ DEVRESİ

DC motor sürücü devresi yapmak için kullanılan malzemeler;

• IRFT224 transistör
• Potansiyometre 50k
• 3 volt dc motor
• 12 volt batarya (akü)
• 2 adet beyaz kablo
• 1 adet mavi kablo
• 1 adet kırmızı kablo
• Lehimleme makinesi
• Bir adet alüminyum soğutucu (transistörü soğutmak için)

DC  Motor Sürücü Devresi Yapılışı

Transistörü ısınmaması için alüminyum soğutucuya monte edelim. Lehimleme işlemine başlayalım. Şekilde görüldüğü gibi 50 k potansiyometrenin ayakları düz tuttuğumuzda sağdaki ilk ayağını transistörün orta ayağına lehimleyelim. Transistörün sol ayağını potansiyometrenin orta ayağına lehimleyelim paralel bir şekilde. İki adet beyaz kablo uçlarını birleştirerek potansiyometrenin sağ bacağına lehimleyelim. Beyaz kablonun bir tanesini motor için kullanalım. Diğerini ise bataryanın eksi ucu için kullanalım. İki kabloyu birbiriyle birleştirdikten sonra potansiyometrenin boşta olan sol ayağına lehimleyelim. Bir adet kırmızı kabloyu akünün “+”  kutbu için kullanalım. Bu kırmızı kabloyu transistörün orta ayağına lehimleyelim. Potansiyometredeki beyaz kablo uçlarının bir tanesini motora bağlayalım. Diğer  beyaz kablo ucunu ise akünün “-“ kutbuna bağlayalım. Transistördeki mavi kablo ucu ile potansiyometredeki beyaz ucu motora bağlayalım. Transistördeki mavi kablo ucu motorun diğer ucuna bağlayalım. Transistörün orta bacağında bulunan kırmızı uç ile potansiyometredeki beyaz kablo ucu bataryaya 12 V olt güç almak için bağlayalım. Mavi kablo ucu beyaz kablo ucu motora lehimleyelim. Kırmızı kablo ve beyaz kablo ucunu devrenin çalışması için akümülatöre bağlayalım.

Akümülatöre;

• kırmızı kablo ucu “+”
• beyaz kablo ucu “–”

Artık çalıştırmak için potansiyometreyi sağa veya sola doğru çevirdiğimizde motorun çalıştığını görürüz. Motoru istenilen devirde hızlı veya yavaş bir şekilde döndürebiliriz. Kullanılan dc sürücünün gücüne göre dc sürücü fiyatları değişim göstermektedir.

DC Motor Hız Kontrol Kartı

Bir DC motor kontrol cihazı, bir mikrodenetleyici, aküler ve motorlarla birlikte çalışan bir cihazdır. Çoğu dc motor hız kontrol kartı ünitesinde düşük voltaj, aşırı voltaj, kısa devre koruması, akım limit koruması, termal koruma ve voltaj geçişleri bulunur. Bu korumalar olmadan, motor kalıcı elektriksel veya mekanik hasara sebep olabilecek tehditlere maruz kalır.
Bazı DC motor kontrol cihazları iki motoru bağımsız olarak kontrol eder ve genel olarak her iki motoru beslemek için sadece bir besleme voltajı kullanılabilir.

Bir denetleyici kullanmanın getirdiği yararlar;

• Motorun elektrik korumasını sağlar.
• Sabit hızı korur.
• Değişen sistem taleplerine dinamik cevap verir.
• Makine performansını / teşhisini değerlendirmek için izleme.
• Enerji tasarrufu sağlar.
• Doğru hız kontrolünü sağlar.

Asenkron motorlar da iki temel kayıp, rotor stator sargılarındaki bakır kayıpları ile değişken manyetik alanların sebep olduğu sac paketlerindeki demir kayıplarıdır.  Asenkron motorlar da demir kayıplarının iki temel kaynağı vardır. Bunlardan birincisi olan histerezis kayıpları, elektrik motorlarının manyetik devrelerinde kullanılan ferromanyetik malzemelerin özelliğinden kaynaklanır. Asenkron motordaki güç kayıpları elektrik ve mekanik olarak iki kısımda incelenir.

Elektrik Kayıpları

• Stator bakır kayıpları (Pscu)
• Rotor bakır kayıpları (Prcu)
• Demir kayıpları (Pfe)

Mekanik Kayıplar (Döner Kayıplar)

• Sürtünme ve rüzgar kayıpları (PF&W)
• Kaçak yük kayıpları (Pkaçak

Elektrik Kayıpları

• Stator Bakır Kayıpları (Pscu)

Stator sargılarının iç direncinden dolayı oluşan kayıplardır. Stator sargı direnci Rs ve statordan geçen akım Is ise bir faz ve toplam stator bakır kayıpları şu şekilde bulunur.

𝑷_{𝒓𝒄𝒖,𝒇𝒂𝒛} = 𝑰_𝒔 ^𝟐 . 𝑹_𝒔 (Faz başına stator bakır kaybı)

𝑷_𝒔𝒄𝒖 = 𝟑. 𝑰_𝒔 𝟐 . 𝑹_𝒔 (Toplam stator bakır kaybı)

• Rotor Bakır Kayıpları (P_rcu)

Rotor sargılarının iç direnci nedeni ile sargılardan geçen akım rotor bakır kaybına sebep olur. Bir faz eşdeğer devresinde rotor sargı direnci 𝑹’_r olarak verilmiştir. Rotordan geçen akım I’_R bir faz ve toplam rotor bakır kayıpları şu şekilde bulunur.

𝑷_{𝒓𝒄𝒖,𝒇𝒂𝒛} = 𝑰_𝒓 ′^𝟐. 𝑹’_𝒓  (Faz başına rotor bakır kaybı)

𝑷_𝒓𝒄𝒖 = 𝟑. 𝑰_𝒓 ′^𝟐. 𝑹’_𝒓 (Toplam rotor bakır kaybı)

Rotor bakır kaybı rotor akımı ve etkin rotor direncine göre değişir. Etkin rotor direnci kayma ile değiştiği için rotor bakır kayıpları rotor akımı ve motor kaymasına göre değişir. Etkin rotor direnci;

gibi iki şekilde yazılabilir.

𝑹’_r değeri rotor bakır kayıplarını, kayma ile değişen ikinci bölüm ise elektrikten mekaniğe dönüştürülen gücü (𝑷_𝒎𝒆𝒌 ) yani rüzgar, sürtünme, kaçak yük kayıpları ve mil gücünün toplamını gösterir.

𝑹’_r değeri rotor bakır kayıplarını, kayma ile değişen ikinci kısım ise elektrikten mekaniğe dönüştürülen gücü (𝑷_𝒎𝒆𝒌 ) yani rüzgar, sürtünme, kaçak yük kayıpları ve mil gücünün toplamını temsil eder.

Bir faz rotor giriş gücü etkin rotor direncinden;

olarak bulunur.

Mekanik güç rotor döndüğü süre boyunca vardır. Bir faz gücü aşağıdaki formül ile hesaplanır.

Bu güç aynı zamanda rotor çıkış gücünü de verir.

MANYETİK MALZEMELER

Manyetik malzemeler üç bölüme ayrılırlar.

• Ferromanyetik malzemeler
• Paramanyetik Malzemeler
• Diyamanyetik Malzemeler

Ferromanyetik malzemeler: Nikel, çelik, demir, alniko, kobalt,  gibi iyi mıknatıslanma etkisine sahip malzemelerdir. Manyetik alandan uzaklaştırılsalar da mıknatıslık özelliği gösterirler. Bu tür maddeler mıknatıs, elektrik motoru, jeneratör, elektrik trafoları ve sabit disk gibi araçların yapımında kullanılır.

Paramanyetik Malzemeler: Ferromanyetik malzemelerin tersine yalnızca manyetik alan altında iken mıknatıslanırlar. Bu manyetik malzemeler kalsiyum, krom, tungsten, magnezyum, alüminyum, platin gibi malzemelerdir.

Diyamanyetik Malzemeler: Diyamanyetik maddeler, herhangi bir mıknatıs tarafından, o mıknatısın manyetik alanı içerisindeyken manyetik alan çizgilerine zıt yönde mıknatıslaştırılmaya uğrayabilen altın, bakır, bizmut, elmas, gümüş, kurşun, silikon, civa v.s. gibi maddelere denir. Kendisini mıknatıslaştıran cisim tarafından itilirler.

• Fuko (Eddy) Kayıpları

Değişken manyetik alan içerisinde kalan demir nüvede endüklenen gerilim sebebi ile nüve üzerinde fuko akımları dolaşır. Bu akımlar nüve üzerinde ısı şeklinde bir enerji açığa çıkarak güç kaybı meydana getirirler.

• Nüve (Demir) Kayıpları

Asenkron motor nüve kayıpları hem stator hem de rotor da oluşur. Nüve kayıpları fuko akımları ve histeresis
kaybı olmak üzere iki kısımdan meydana gelir.

𝑷_𝒇𝒆 = 𝑷_{𝒆𝒅𝒅𝒚} + 𝑷_𝒉𝒊s

• Histeresis Kayıpları 

Zamana göre değişen manyetik akı yoğunluğu sebebi ile, nüvenin manyetik domainlerin deki her bir atomunun, manyetik akı yoğunluğunun pozitif ve negatif yarı saykılların da yön değiştirmesi sırasında ısı şeklinde harcanan güçtür.

Demir kayıplarını meydana getiren fuko ve histeresis kayıpları frekansla doğru orantılıdır. Ancak senkron hıza yakın değerlerde çalışan bir asenkron motorun kayması çok küçük olacağı için, rotorda oluşan nüve kayıpları da çok küçük olacaktır. Bundan dolayı rotor nüve kayıpları genelde stator nüve kayıpları ile beraber stator tarafında toplam nüve kaybı olarak hesaplanır. Asenkron motorun bir faz eşdeğer devre şemasına göre nüve kayıplarının R_c ve E_s cinsinden değeri;

olarak hesaplanır.

Mekanik Kayıplar (Döner Kayıplar)

• Sürtünme ve Rüzgar Kayıpları  ( P_F&W) (Mekanik Kayıpları)

Sürtünme kayıpları, bilye ve yataklarda oluşan ve motor geniş hız bandı içinde çalışmıyorsa sabit kabul edilen kayıplardır. Boş çalışma deneyi yapılarak hesap yapılabilirler. Rotorun hızına bağlı olan kayıplar, rüzgar kayıplardır. Asenkron motor boşta çalışırken rotor devresinden çok küçük bir akım geçeceğinden dolayı rotor bakır kayıpları önemsenmeyebilir.

Buna doğrultuda motorun boş çalışmada çektiği güç; stator bakır kaybı, toplam nüve kayıpları ve sürtünme ve rüzgar kayıplarına eşittir. Nüve kayıpları sabit kabul edilirse, nüve kayıpları ve sürtünme – rüzgar kayıpları döner kayıplar olarak alınabilir.

• Kaçak Yük Kayıpları (P_kaçak)

Kaçak yük kayıpları ekstra nüve kayıpları olup, yüke bağlı olarak artan hava aralığı kaçak akısı ve bu akıların yüksek frekanslı etkileri sonucu ortaya çıkar. Bir asenkron motorun kaçak yük kayıpları, motorun yüklü durumdaki toplam kayıplarından direk olarak hesaplanan kayıpların çıkartılması ile hesaplanır.

𝑷_{𝒌𝒂ç𝒂𝒌} = 𝑷_𝒕𝒌 – (𝑷_𝒇&𝑤 + 𝑷_𝒇𝒆) − 𝑷_𝒔𝒄𝒖 − 𝑷_𝒓𝒄𝒖

Kaçak yük kayıpları; asenkron motorun hem stator hem de rotorun da oluşan ekstra nüve kayıplarıdır. Kaçak yük kayıpları genel olarak motorun çıkış gücünün %1‘ i değerinde alınır.

DC MOTOR KAYIPLARI

 DC motorlarda meydana gelen DC motor  kayıp çeşitleri kayıplar üç kısma ayrılır.

1. Bakır Kayıpları
2. Demir Kayıpları
3. Rüzgar ve Sürtünme Kayıpları

1-Bakır Kayıpları

Bakır kayıpları akımdan dolayı meydana gelir. Akım geçen her kısımda bakır kayıpları vardır. DC motorlarda bakır kaybı, endüvi sargılarında, şönt sargılarında, seri sargılarında, yardımcı kutup sargılarında ve kompanzasyon sargılarında oluşur.

2-Demir Kayıpları

Kutupların manyetik alanından dolayı motorun hareket eden bölümlerinde meydana gelir. Endüvi manyetik alanından dolayı kutup uçlarında kayıplar oluşur. Bu çeşit kayıplara demir kayıpları denir. Demir kayıplaarından olan Histerisiz ve fukolt kayıpları, yük ile birlikte çok az değişme gösteren  sabit kayıplardır.

3-Rüzgar ve Sürtünme Kayıpları

DC motorlarında oluşan çeşitli sürtünme ve vantilasyon (rüzgar) nedeni ile enerji kaybı meydana gelir. Bu kayıplar, fırçalarda, yataklarda, endüvinin döner iken hava ile sürtünmesi ve motoru soğutmak için kullanılan vantilatörün oluşturduğu kayıpların bütünüdür. Sürtünme ve rüzgar kayıpları ne kadar sabit olsa da devir sayısıyla biraz değişir.

 

Emk nedir? Bir devreden yük akışını sağlayan bir kaynağın uçları arasındaki potansiyel farka elektromotor kuvveti denir. Elektromotor kuvvet, kısaca EMK şeklinde ifade edilir ve E ile gösterilir.

Emk’in Elde Edilmesi: Emk, dinamo, akü, alternatör, pil vb. elektrik enerjisi kaynakları ile elde edilir.

Bir doğru akım motoruna gerilim uyguladığında endüvinin (rotorun) N kutbunun altındaki iletkenlerde pozitif yönde akım geçerken, S kutbunun üzerindeki iletkenlerde diğer yönde akım geçer. Manyetik alanın etkisi ile endüvi sola doğru hareket eder. Manyetik alan içinde dönen ve iletkenleri kuvvet çizgileri tarafından kesilen endüvi üzerinde EMK indüklenir. Endüviden geçen akımla, dolayısıyla endüviye uygulanan U gerilimi ile endüvide indüklenen EMK’ nin yönleri birbirine terstir. Endüviye uygulanan gerilime ters yönde meydana gelen bu EMK’ ye zıt EMK (elektromotor kuvvet) denir.

Doğru akım motorları (DC motor) ve generatörlerde ise makinenin kutupları doğru akım ile uyartılır. Doğru akım motorunda endüvi dönerken endüvideki iletkenler manyetik alan içinde hareket ederek, manyetik alanın kuvvet çizgileri  tarafından kesilmektedir.

Manyetik alan içerisinde hareket eden iletkende bir EMK oluştuğunda, doğru akım generatörlerindeki gibi doğru akım motorunda da endüvi manyetik alanın içinde döndüğü için endüvide de bir EMK indüklenir. Endüvide indüklenen bu emk, kendini oluşturan kuvvete ters yöndedir. Bu ters yön durumuna da zıt emk denir.

Zıt EMK’ nın değeri motorun açısal hızına ve kutupların manyetik akısına bağlıdır. Motorun ilk çalışma anında endüvi’de herhangi bir hareket olmadığı için açısal hız sıfır’a eşittir. Bundan dolayı da zıt EMK’ nın değeri sıfırdır. Endüviden akım geçmeye başlayınca endüvi de dönmeye başlar. Böylece zıt EMK oluşur.

Motorun güç kaynağından çektiği akım zıt EMK’ ya, zıt EMK da devir sayısına bağlıdır. Devir sayısı ise motor’un aldığı yüke bağlıdır. Motorda yük azalınca devir artar, yük artınca devir azalır. Devir sayısını da zıt EMK sayesinde dengelenebilir bir duruma getirmek mümkün olur.

Endüvide indüklenen zıt EMK(elektromotor kuvvet), endüviye uygulanan gerilime (U) göre ters yönde olduğu için U geriliminin endüviden geçirmek istediği akımı azaltmak ister. Yani endüviden geçen akım, iki gerilimin farkından dolayı geçen akımdır.

Endüviden geçen akım: U=E+Ia (Ra) ; I=(U-E) / (Ra) formülü ile bulunur.

Zıt EMK’nin Görevi

Zıt EMK’nın doğru akım makinelerindeki görevi; makinenin aldığı yüke göre akımı ayarlamaktır. Yükün artması ile devir sayısının düşmesinden dolayı zıt EMK azalacak ve bu sayede makinenin gücü artacaktır. Yükün azalması ile devir sayısının artmasından dolayı zıt EMK artacak ve böylece makinenin gücü azalacaktır.

Benzin motorları, dizel motorları, buhar türbinleri gibi makinelerde gerekli benzin, mazot ve buhar özel düzenekler ile  ayar edilir. Örneğin buhar türbininde yükün arttığını varsayalım. Türbinin devir sayısında bir düşme olacak ve makineye buhar gönderen valf, regülatör aracılığı ile daha fazla açılarak buhar miktarını artıracaktır. Artan buhar, makinenin gücünü artırır. Makinenin yükü azalırsa valf, kapanarak makineye giden buhar miktarını azaltır ve makinenin verdiği güç azalmış olur.

Bu görev sayesinde doğru akım motorlarında geçen akımı ayarlayacak ayrı bir düzeneğe ihtiyaç yoktur. Doğru akım motorlarında bu işi zıt EMK yapar. Bundan dolayı enerji tasarrufu sağlanmış olur.

Zıt EMK formülü:

Eb=K.Ø.n veya Eb = U-Ia .Ra’dır.

Örnek: Makinenin yükünde oluşacak bir artış, devir sayısını düşürür. Devir sayısının düşmesi, Eb=K.Ø.n 

formülüne göre zıt EMK’nin azalmasına sebep olur.

Eb azalınca:

Eb = U-Ia .Ra ise Akım; Ia=(U-Eb) / Ra

formülüne göre U ve Ra sabit olduğu için Ia akımı artar. Artan Ia akımı, motorun yükünü karşılar. Motorun yükünde oluşacak azalma ise devir sayısını yükseltir.

Devir sayısının yükselmesi, Eb=K.Ø.n formülüne göre zıt EMK’nin yükselmesine sebep olacaktır.

Eb yükselince:

Ia=(U-Eb) / Ra formülüne göre U ve Ra sabit olduğundan Ia akımını azaltır.

Formülde :

• Eb: Motor endüvisinde endüklenen zıt emk.
• ø: Kutuplardaki manyetik akı (Maxvel).
• n: Motorun dakikadaki devir sayısı.
• U: Endüviye uygulanan gerilim
• Ia: Endüviden geçen akım
• Ra: Endüvi devresi direnci
• K: sabit değer

 

 

Servo sürücü, servo motorun hız, konum ve torkunu kontrol eder. Günümüzde çeşitli firmalar  tarafından imalatı yapılan çok farklı özellikleri olan servo motor sürücü (servo motor driver) bulunmaktadır. Her servo motor ve sürücülerinin kendine ait özellikleri olsa da, iş yapan kısımlar aynıdır. Alternatif akım ile çalışırlar.

Ac servo sürücüler sinüsoidal darbe genişlik modülasyonu ile çalışan, analog veya dijital yapıda sürücülerdir. Geri besleme olarak hall sensör, çözümleyici artırımlı enkoder veya mutlak (sin/cos) encoder kullanılır. Dinamik performansı yüksek kullanımı bilgi gerektiren DC servo sürücülere göre AC servo sürücü göre fiyatları daha pahalıdır.

İnverterlerde kullanılan transistörler rotor konum bilgisine uygun göre uygun sırada iletime veya kesime geçirilerek motor kontrolü yapılır.

Servo sürücüler;

• Güç kaynağı bölümü
• Motor sürme bölümü

iki ana kısımdan meydana gelir.

Güç kaynağı bölümü: Güç kaynağı bölümü, tipine bağlı olarak bir veya daha fazla motor için gerekli olan sürücü beslemesini, AC’ den DC’ ye çevirme işlemi, servo motor frenleme gerilimini tedarik eder. Motorun durdurulmasında, dönme durumundan durma durumuna kadar geçen zaman içinde açığa çıkan enerji, kısa devre edilerek (dinamik durdurma ile) yok edilir. Bundan dolayı motorun durdurma süresi en az indirilebilir.

Motor sürme bölümü: Motor sürme bölümü ise servo motor hız ve torkunu kontrol eder. Bu kontrol için gerekli elektronik donanımı kapsar. Şekilde görülen servo sürücüdeki bölümlerin işlevleri aşağıdaki gibidir.

Çevirici (konvertör): Şehir şebekesinden gelen AC akım DC akıma çevrilir. (İnverterde olduğu gibi)

Sinyal düzgünleştirici: İnverterde olduğu gibi DC akımdaki dalgalanmaları düzenler.

İnverter: DC akım kaynağı alternatif akım kaynağına çevrilir. Bu işlem yapılırken meydana getirilecek yeni AC akımın değişken frekansı invertörde düzenlenir. Servo sistemde inverterden farklı olarak dinamik durdurma özelliği bu kısma ilave edilmiştir.

Kontrol devresi: İnverterde ana kontrol bu kısımdan yapılıyordu. Ancak servo da invertere göre bu kısım biraz daha karışıktır. Bu da geri besleme kontrolü ve kontrol modu anahtarı fonksiyonlarına (Akım/Hız/Tork) neden ihtiyaç duyduğumuzu açıklıyor.

Servo sürücülerin üzerinde servo motorun test işlemini yapacak bölüm bulunur. Servo sürücülerin merkezî bir denetleyiciye bağlanabilmesi için RS 485/RS 232 seri portu vardır. Ayrıca servo sürücülerin üzerinde bulunan seri haberleşme kapıları kendilerine has haberleşme protokollerine sahiptirler. Günümüzde kullanılan servo sistemler RS 232/ RS 485 seri haberleşme dışında endüstriyel uygulamalarda kullanılan PROFIBUS ve DEVICENET gibi haberleşme protokollerini de desteklerler. Bu haberleşme protokolleri için sürücüye ek bir birime gereksinim vardır.

Servo Motor ve Sürücü Seçimi

Türkiye’de birçok servo motor sürücü markaları bulunmaktadır. Servo sistemlerde her firmanın boyutlandırma programı vardır. Bunlardan biri de Control Technıques ‘CTSS’ bir servo sistem programıdır. Mekanik detayları belirlenen servo sistemler için servo motor boyutları işlemi seçimi gerçekleştirilir. Belirlenen servo motora uygun servo sürücü seçimi yapılır. Seçilen elemanların özellikleri sisteme uygun olarak hesaplanır. Servo sistem detayları dinamik olarak hesaplanır.

 

 

Servo sürücü nedir? Motor, aktarma organı ve yükten meydana gelen mekanik servo sistemin hız, moment veya pozisyon değişkenlerinden herhangi birinin bu değişkenle ilgili verilen referans değerine uygun olarak hareket ettirilmesini sağlayan elektronik güç elemanına servo sürücü (servo drive) denir.

Servo sistem; dört ana bileşenden meydana gelir. Bu bileşenler motor, sürücü, denetleyici ve geri besleme cihazı, genellikle bir kodlayıcıdır. Kontrolör ve sürücü, motorun ne yapması gerektiğini belirlemek için birlikte çalışır (denetleyici) ve gerçekleşmesi için motora gereken elektrik enerjisini (tahrik ünitesi) gönderir.

Kontrol cihazı, gerekli yolu veya yörüngeyi hesaplamak ve sürücüye düşük voltaj komut sinyalleri göndermekten sorumludur. Sürücü gerekli hareketi sağlamak için motora gereken gerilimi ve akımı gönderir. Tahrik, tork, hız veya pozisyonu kontrol edebilir, ancak servo sistemlerde kontrol edilmesi gereken en yaygın parametre motor torkudur.

Servo sürücüler;

• DC servo sürücü
• AC servo sürücü

olarak ikiye ayrılır.

DC Servo Sürücü

Doğru akımla çalışan sürücülerdir. Darbe genişlik modülasyonu (PWM) ile çalışan, genel olarak analog veya dijital sürücülerdir. Geri besleme olarak tako jeneratör, hall sensör veya artırımlı enkoder (encoder) kullanılır. DC servo sürücüler ( dc motor driver) dinamik performansı düşük kullanımı kolay ve servo sürücü fiyatları da ucuzdur.

DC servo motorlar genellikle “elektronik hareketli denetleyiciler ” denilen servo sürücüler ile kontrol edilirler. Servo sürücüler servo motorun hareketini kontrol ederler. Kontrol edilen büyüklükler çoğunlukla noktadan noktaya konum kontrolü, hız kontrolü ve ivme programlamasıdır. PWM tekniği ile darbe genişlik modülasyonu robot kontrol sistemlerinde, sayısal kontrol sistemlerinde ve diğer konum denetleyicilerin de kullanılırlar.

AC Servo Sürücü

Servo sürücüler, servo motorun hız, konum ve torkunu kontrol eder. Sinüsoidal darbe genişlik modülasyonu ile çalışan, analog veya dijital yapıda sürücülerdir. Geri besleme olarak hall sensör, çözümleyici artırımlı enkoder veya mutlak (sin/cos) encoder kullanılır. AC servo sürücüler dinamik performansı yüksek kullanımı bilgi gerektiren DC servo sürücülere göre fiyatları daha pahalıdır.

Günümüzde çeşitli firmalar tarafından imalatı yapılan çok farklı özellikleri olan servo motor ve sürücüleri vardır. Servo motor sürücüleri çeşitli ebatlarda saç kutu içinde, motor durumunu gösteren göstergeleri olan, otomatik veya elle motor sürmeye imkan sağlayan cihazlardır. Her servo sürücünün kendine ait özellikleri olsa bile hepsinin iş yapan kısımları aynıdır.

Servo Motor ve Sürücü Seçimi

Servo sistemlerde her firmanın boyutlandırma programı vardır. Bunlardan biri de Control Technıques ‘CTSS’ bir servo sistem programıdır. Mekanik detayları belirlenen servo sistemler için servo motor boyutları işlemi seçimi gerçekleştirilir. Belirlenen servo motora uygun servo sürücü seçimi gerçekleştirilir. Seçilen elemanların özellikleri sisteme uygun olarak hesaplanır. Servo sistem detayları dinamik olarak hesaplanır.

Türkiye’de birçok servo motor sürücü markaları arasında, Global Otomasyon Sistemleri, Siemens, Allen Bradley, Toshiba, Mitsubishi, Teco westinghouse, Yaskawa, Savior Otomasyon, Delta, Shihlin v.s gibi markalar bulunmaktadır.

 

 

Servo mekanizma nedir? Servo motorların kullanıldığı sistemlere servo sistem veya servo mekanizma denir. Servo mekanizmalar veya regülatörler, kapalı – çevrimli kontrol sistemleridir. Bunlar endüstri imalatında, otomatik tezgahlarda, uydu takip antenlerinde, teleskoplardaki gökyüzü izleme sistemlerinde, otomatik navigasyon sistemlerinde, gemi veya uçakların idaresi, bilimsel araştırma, biyomedikal cihazlarda, mekanik çıkışlı güç yükseltilmesi gerekli sistemlerde (asansör, vinç), plastik sanayi ve diğer bazı kontrol alanlarında çok önemli rolleri vardır. Bir göstergenin hafif bir hareketi ile oldukça büyük kitleleri kontrol eder.

Servomekanizma temel kavramlar konusunda kullanılacak terimlerin iyi bilinmesi, konun daha iyi anlaşılır olması için gereklidir.

Sistem: Bir iş veya işlem için bir araya getirilmiş, birbirleri ile doğrudan veya dolaylı etkileşimli elemanlar topluluğuna sistem denir. Örneğin bilgisayar denildiğinde aklımıza gelen klavye, fare, ekran, sistem ünitesi, yazıcı gibi fiziksel parçalardır. Bu elemanların topluluğu sistemi meydana getirmektedir. Otomatik kontrol, bir sistematik kavramdır. İçinde birden fazla bileşen barındırır.

Kontrol sistemi: Herhangi bir iş yapan birimin denetlenmesi amacı ile geliştirilen sistem, kontrol sistemleridir

Giriş: Sistem içerisine akan, sistem tarafından işlenen işaretler, büyüklükler.

Çıkış: Sistem dışına çıkan, işlem görmüş işaretler, büyüklükler.

Servomekanizma, istenilen gösterge değerlerine göre hareket eden, gücü düşük bir cihazdan aldığı kumanda sinyali aracılığı ile çıkış gücü yüksek bir cihazın konumunu, hızını veya ivmesini denetleyen otomatik kontrol cihazıdır. Cihazın verdiği çıktı ile kumanda yoluyla vermesi istenen çıktı arasındaki hatayı ölçen, bu küçük farkı güçlendirip çıktı hatasını düzelterek bir servo motoru (elektriksel, hidrolik sistemler veya pnömatik sistemleri havalı olarak) çalışmaya sokan ayrıca bir de geribildirim devresi bulunur.

Örnek; Bir hidroelektrik santralinde sisteme giriş olan büyüklükler su ise çıkış elektrik enerjisidir. Ya da bir elektrik motorunun girişine uygulanan elektrik enerjisi sistemin girişi ise motor milinden elde edilen mekanik enerji, sistemin çıkışıdır.

Bazen sistemlerin bir girişi yerine birçok girişi olabilir. Bu sistemlere çok girişli sistemler denir. Bazı sistemlerde birden fazla çıkış olursa o tür sistemlere çok çıkışlı sistemler denir. Otomatik kontrol sistemlerinin amacı, bir sistemde üretilen değişkenler üzerinde ayar yapmak, sistemin istenilen biçimde çalışmasını sağlamak içindir.

 

 

Yükü değişmesine rağmen devir sayısı sabit kalan motorlara senkron motor denir. Senkron motorlar senkron hızda dönerler. Bundan dolayı senkron motorların devir sayıları sadece frekans ve kutup sayıları değiştirilerek ayarlanır. Kaynağın frekansına ve kutup sayılarına bağlı olarak her zaman senkron hızla dönen sabit hızlı makinelere senkron makine denir. Senkron makineye elektrik enerjisi verildiğinde mekanik enerjisi elde edilirse senkron motor olarak çalışır.

Makinenin motor olarak çalışması için şebekeden çekilen elektrik akımının stator sargıların da döner manyetik alan meydana getirmesi gereklidir. Bunun için “m” fazlı sargıya “m” fazlı akım uygulanır. Böylece elde edilen alanın dönüş hızı ile içinden geçen kutup rotor sargılarının dönüş hızı eşitlenir. İki döner alan birlikte hareket ederler. Böylece makine şebekeden çektiği elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür.

Senkron devir, 3 faz alternatif manyetik döner alanın devir sayısıdır. Asenkron motorlarda rotor, döner alan devrinden bir miktar (kayma oranı kadar) yavaş döner. Örnek ; 3000 d/d olan bir asenkron motor %5 kayma ile dönerse rotor devri 2850 d/d olur. Senkron motorlar da ise rotor devir sayısı döner manyetik alan devir sayısına eşittir. Örnek; senkron devri 3000 d/d olan bir senkron motorun rotor devri de 3000 d/d olur.

Senkron devir şu formül ile bulunabilir.

• ns : Senkron devir sayısı
• f : Çalışma frekansı
• 2p : Kutup sayısı

Senkron Motorun Yapısı

Rotor devir sayısı döner alan devir sayısına eşit olan motorlara senkron motor adı verilir.

Senkron motoru meydana getiren parçalar

Stator: Kutup sargılarının bulunduğu kısımdır. Silisli saclardan yapılmıştır. Kutup bobinlerine dışarıdan A.C verilir

Rotor: Silisli sacların paketlenmesi ile yapılmış üzerinde sargılar bulunan kısımdır.

Bilezikler: Dış devreden DC akımın rotora uygulanmasını sağlar.

Fırçalar: Dış devreden bileziklere bundan dolayıda rotora gerilim uygulanmasını sağlar.

Yataklar ve diğer parçalar: Rotorun rahat dönmesi için mil, rulmanları, vantilatör ve klemens kutusudur.

Rotora uygulanan DC akım yön değiştirmeyen bir akım olduğu için, kutuplar N – S şeklinde özelliklerini aynen korurlar.

Senkron Motor Çalışma Prensibi

Yükü değiştiği halde devir sayısı sabit kalan motorlar senkron motorlardır. Manyetik döner alanın hızı ne kadar ise rotor mili de o kadar hızla döner. Yapı olarak senkron generatörler ile aralarında hiçbir fark yoktur. Yalnız senkron generatörlerin rotoru yani uyarması DC akımla beslenirken, senkron motorların rotoru DC akımla, statoru alternatif akımla beslenir.

Bir asenkron motorun stator sargılarına gerilim uygulandığı zaman, stator sargılarında meydana gelen döner alan, kapalı bir devre meydana getiren rotor sargılarında endüksiyon yolu ile bir e.m.k indükleyerek rotor sargılarından akım dolaştırır. Rotordan geçen bu akımın yarattığı alan ile stator sargılarındaki döner alan birleşerek döndürme momenti meydana getirir ve motor çalışmaya başlar.

Senkron motorların iki ayrı akım devresi vardır. Statoruna (endüvi) alternatif akım, rotoruna (kutuplar) doğru akım uygulanır. Rotora uygulanan doğru akım, yan yana sıralanan kutupları N-S-N-S şeklinde enerjilendirir. Doğru akım yön değiştiren bir akım olmadığı için kutuplar çalışma süresince özelliklerini aynen korurlar. N kutbu daima N kutbu, S kutbu da aynı şekilde S kutbu olarak kalır.

Statora uygulanan 3 fazlı alternatif gerilim bu sargılarda bir döner alan oluşturur. Statorun döner alan kutupları ile rotorun (endüktör) sabit kutupları, rotorun ataleti sebebi ile kilitlenemez. Bundan dolayı rotor dönmez. Statora uygulanan gerilimin bu sargılarda meydana getirdiği döner alanın kutupları N_ı-S_ı-N_ı-S_ı, rotora uygulanan doğru akımın meydana getirdiği sabit kutuplar N₂-S₂-N₂-S₂ şeklinde sıralanmıştır. Rotor ve stator kutupları zıt kutuplar olarak karşılıklı geldikleri sırada birbirlerini çekerler, döner alan rotoru sürüklemek ister, ama rotor ataletinden dolayı bu hıza uyamaz. Kısa bir zaman sonra stator kutupları alternatif akımın frekansına uygun olarak isim değiştirir.

N_ı kutbu S_ı kutbu olur, S_ı kutbu da N_ı kutbu olur. Bu durumda aynı adlı kutuplar karşı karşıya geldikleri için birbirlerini iterler. Böylece rotor ve stator arasındaki itme çekme sonucu bileşke moment sıfır olduğu için rotor dönemez. Rotorun dönmesini sağlamak için yardımcı yol verme sistemleri vardır. Senkron motoru çalıştırmak için, rotorun devir sayısını senkron devir sayısına veya ona yakın devirlere kadar yükseltmek gerekir. Bu devir sayısı ile dönmekte olan rotorun sabit kutupları döner alan kutupları ile kolayca kilitlenir. Kilitlenme sırasında zıt kutuplar birbirlerini çekerek, döner alan tarafından ve döner alan hızı ile döndürülürler. Bu olaya rotorun döner alan tarafından sürüklenmesi adı da verilir.

İşletme Karekteristikleri 

Senkron motorlar yol aldıktan sonra döner alanın devir sayısında dönerler. Motor yüklendiği zaman, rotor kutupları ile döner alan kutupları arasındaki mesafe büyür. Bu durumda rotor yük açısı δ (delta) kadar döner alandan geride kalır. Yük açısı ne kadar büyük olursa, döndürme momenti de o derece büyük olur. Buna göre yük açısı 90 derece iken döndürme momenti de en yüksek değerini alır. Bu en büyük değerdeki döndürme momentine devrilme momenti de denir. Senkron motorların devrilme momentleri yaklaşık olarak nominal momentlerinin iki katıdır. Aşırı yük durumlarında motor devrilir. Motorun devrilmesi aşırı durumda durması anlamına gelmektedir. Senkron motor aşırı uyarıldığında ise endüktif reaktif güç çeker. Bu nedenle aşırı uyarılmış senkron motorlar yüksüz olarak çalıştırılarak reaktif güç uyarı için kullanılır.

Senkron Motorlara Yol Verme

Senkron motoru çalıştırmak için rotor devrini senkron devir sayısına çıkarmak gereklidir. Bunun için çeşitli metodlar kullanılır.

• Yardımcı Tahrik Makinesi İle Yol Verme

Senkron motor yardımcı bir tahrik makinesi ( dizel, benzin motoru gibi) ile döndürülür. Senkron hıza yaklaşıldığında, şebeke gerilimi uygulanır. Döndürülen rotora fırçalar ve bilezikler yardımıyla doğru akım uygulanarak rotor ve stator kutuplarının kilitlenmesi sağlanır ve motor çalışmaya başlar. Bundan sonra tahrik makinesi durdurulur ve devreden çıkarılır.

• Uyartım Generatörünün Motor Olarak Çalıştırılması İle Senkron Motora Yol Verme

Bir doğru akım kaynağından besleyerek Senkron motorun uyarılması sağlanır. Senkron hıza yaklaşınca motor şebekeye bağlanır. Kutuplar uyarıldıktan sonra kutuplar ve döner alan arasında kilitlenme sağlandıktan sonra doğru akım uygulanmasına son verilir ve motor çalışmasına devam eder.

• Senkron Motoru Asenkron Motor Olarak Yol verme

Senkron motorların kutuplarının, hava aralığına bakan yüzeylerine, mile paralel olarak, asenkron motorlarda olduğu gibi sincap kafes çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar her iki tarafta kısa devre edilmiş olduğundan kapalı bir devre oluşturur. Senkron motorun statoruna 3 fazlı alternatif bir gerilim uygulandığında, kısa devre çubuklu asenkron motor olarak çalışır. Sargılarında endüksiyon yolu ile bir gerilim oluşur. Kapalı bir devre nedeni ile de sargılardan bir akım geçer. Bu geçen akımın yarattığı alan ile stator döner alanı birleşerek döndürme momenti oluştururlar. Böylece asenkron çalışmaya geçilmiş olur. Rotor hızı senkron devirde olmasa da bu hıza yakındır. Bu sırada rotor sargılarına (kutup sargılarına) doğru akım uygulanarak, stator kutupları ile kilitlenmesi sağlanır. Bu durumda rotor hızı senkron hıza çıkar ve motor senkron motor olarak çalışmaya devam eder.

• Senkron Motoru Bilezikli Asenkron Motor Olarak Yol Verme

Bazı durumlarda Senkron motorun yük altında kalkış zorunluluğu oluşabilir. Senkron motora yüklü olarak yol vermek için, rotora aynen sargılı rotorlu asenkron motorlarda olduğu gibi sargılar sarılır. Bu sargıların birer uçları rotor mili üzerinde bulunan bileziklere bağlanır. Diğer uçları da çoğu zaman yıldız bağlanır. Senkron motoru çalıştırmak için statoruna 3 fazlı alternatif gerilim uygulanır. Rotor da bulunan 3 fazlı sargılara bilezikler ve fırçalar yardımı ile direnç eklenerek, motorun asenkron motor olarak büyük bir kalkış momenti ile çalışmaya başlaması sağlanır. Bu anda rotor sargılarına eklenen direnç en büyük değerindedir. Motor yol aldıkça rotor sargılarına eklenen dirençler yavaş yavaş devreden çıkartılır ve sonunda kısa devre edilir. Bu işlem sırasında motorun devri senkron devire yaklaşmıştır. Bundan sonra kutup sargılarına doğru akım uygulanarak kutupların kilitlenmesi sağlanır ve motor senkron motor olarak çalışmaya devam eder.

• Frekans Değiştirerek Yol Verme

Frekans değiştirerek yol verme senkron motora yol vermede kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemde endüvi sargısını besleyen gerilim frekansının değiştirilmesi işlemidir. Senkron motorun uyartım devresi doğru akımla beslenir. Stator gerilimi, senkron motorun kutup geriliminde ancak frekansı düşük bir gerilimdir.Makineye uygulanacak gerilim bağımsız bir senkron generatör tarafından yapılır. Generatörün frekansı yavaş yavaş artırıldığı zaman, devresine bağlı senkron motorun döner alan hızı da sıfırdan başlayarak artar ve makine senkron hıza çıkarılır.

Senkron Motorların Kullanım Alanları

Senkron motorlar hızın sabit tutulması istenen yüklerde kullanılır. Bu motorlar 20 beygir gücü ve daha yüksek değerlerde imal edilirler. Senkron motor fiyatları gücüne ve ebatlarına bağlı olarak değişir.

Senkron motorlar;

• Kompresörlerde
• Büyük vantilatör ve aspiratörlerde,
• Elektrik sistemlerinde kompansatör olarak güç katsayısının düzeltilmesinde,
• Su pompalama istasyonlarındaki pompalarda,
• Haddehane ve pres makinelerinde,
• Gemi pervanelerinin döndürülmesinde,
• Kağıt endüstrisinde,
• Tekstil makinelerinde,
• Kırma makinelerinde,
• Baskı tekniğinde,
• Hava kompresörlerde,
• Maksimum verimde çıkışın sabit kalması için, sabit devir istenen yerlerde,
• Devir sayısının yük ile değişmemesinin istendiği yerlerde,
• Yüksek kararlılık gerektiren konumlama makineleri bulunduran düşük güç uygulamalarında ve robot işleticilerde,
• Doğru akım generatörlerinin döndürülmesinde kullanılırlar.  

 

Alternatif akım, senkron generatörler ile üretilir. Bu makinelere kısaca alternatörler de denir. Milinden aldığı mekanik enerjiyi, 1 fazlı veya 3 fazlı alternatif gerilime dönüştüren veya alternatif gerilim üreten makineler alternatör olarak tanımlanabilir.

Senkron generatörler çoğunlukla elektrik santrallerinde elektrik enerjisi üretmek için kullanılırlar. Günümüzde en büyük gücün 1700 MVA gibi büyük bir değere ulaşmıştır. Senkron generatörler veya senkron motorlar elektrik makineleri arasında en büyük olanlarıdır. Senkron generatörlere kısaca alternatör denmektedir. Günümüzde tarafından 35-45 KV gerilimlere ve 1300 MVA güçlere kadar alternetör imalatı yapılabilmektedir. Üretilen alternatif akım genel olarak 3 fazlıdır. Ancak bazı durumlar için (elektrikli tren şebekeleri gibi) 1 fazlı üretimde yapılmaktadır.

Senkron generatörler (alternatörler) elektrik üretmek için kullanılan senkron makinelerdir. Elektrik üretiminde sabit hızda çalıştıkları için sıklıkla kullanırlar. Uyarmaları için serbest uyartım, özel uyartım yada kendi kendine uyartım metotları kullanılabilir. Uyartım mekanizması olmaksızın kompuntlama bağlaması ve tristörlü regülatörler yardımı ile de çalıştırılabilen tipleri vardır.

Alternatörler İki Ana Bölümden Oluşur

Elektrik makinelerini stator ve rotor oluşturmaktadır. Yapısal olarak kutup sargılarını taşıyan bir rotor, alternatif akım sargılarını taşıyan bir stator, alternatif akımı dış devreye vermeye yarayan bilezik ve fırça takımı, gövde ve klemens kutusu gibi yapılardan meydana gelmektedir. Senkron generatörler de kutup sargıları makinenin hareketli kısmında yani rotor da bulunur. Rotorda kutup sargıları yerine sabit bir mıknatıs da kullanılabilir.

Stator (endüvi): Senkron generatörlerin statoruna endüvi denir. Endüvi silisli sac paketlerinden yapılmış olup iç kısmına sargıların yerleştirilmesi için oluklar açılmıştır. Böylece oluşturulan nüve dökme demirden yapılan bir gövdenin içine oturtulur. Küçük güçlü alternatörlerde endüvininin dönen kısımda bulunmasına karşılık büyük güçlü alternatörlerde endüvi duran kısımdadır.

Rotor (endüktör veya kutuplar): Uyartım sargılarını taşıyan kısıma endüktör denir. (Büyük güçlü alternatörlerde endüktör döner şekilde yapıldığından bu kısma rotor da denmektedir.) Endüktörü oluşturan kutuplar, alternetörü döndüren sistemlerin devir sayılarına göre iki şekilde yapılır.

Senkron Generatör Çalışma Prensibi

Alternatörler kendilerine verilen mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren elektrik makineleridir. Mıknatıs alanı içinde dönen bir iletkende endüksiyon yolu ile bir e.m.k oluşması prensibine göre çalışırlar. Çalışmaları doğru akım generatörünün çalışmasına benzer. Ancak kollektör yerine bilezik yapısı eklenmiştir. Küçük güçlü alternatörlerde kutuplar sabit, endüvi hareketlidir.

Büyük güçlü alternatörler de ise kutuplar hareketli endüvi sabittir. Döner kutuptaki sargıların bir mıknatıs alanı oluşturması için bu sargılara fırça ve bilezikler yolu ile doğru akım uygulanır. Böylece endüvi sargılarında endüksiyon yolu ile bir e.m.k oluşması sağlanır. Endüvide oluşan bu e.m.k fırça ve bileziklere gerek kalmadan doğrudan doğruya dış devreye alınır. Senkron generatörlerde uyartım akımı, ya senkron generatör miline bağlı bir dinamodan yada ayrı bir doğru akım kaynağından serbest uyartım şeklinde sağlanır.

Statora yerleştirilen sargıya endüvi sargısı, rotora yerleştirilen sargıya ise kutup sargısı denir. Yani endüvi duran kısımdadır. Endüvinin duran kısımda olmasının avantajları şunlardır:

• Gerilimi dış devreye alırken fırça ve bileziklerin kullanılmaması
• Hareketsiz kısımdaki sargıların izolesinin daha kolay olması
• Sargılarda merkezkaç (santrifüj) etki ile karşılaşılmaması
• Sargıları soğutmanın daha kolay olması 

Ayriyeten makinede bir de amortisör (söndürüm) sargıları mevcuttur. Amortisör sargısının görevi, moment salınımlarının tolere edilmesini sağlar. Makine motor işletmesinde kullanılıyorsa, amortisör sargıları motorun asenkron olarak yol almasını sağlar.

Avrupa ve Türkiye’ de şebeke frekansı 50 Hz’dir. Frekansa göre çalışması düşünülen makinenin kutup çifti sayısı imalat aşamasında belli olduğundan rotorun döneceği hız şu denklem ile hesaplanır. Bu hıza senkron hız denir.

Dakikadaki devir sayısı:

Senkron generatörler;

• Yuvarlak rotorlu senkron generatör
• Çıkık kutuplu senkron generatör

olarak ikiye ayrılır.

• Yuvarlak Rotorlu Senkron Generatörler 

Makinenin her yerinde stator ve rotor arasındaki hava aralığı aynıdır. Bunlara aynı zamanda turbo rotorlu senkron generatörler de denir. Bu generatörlerin çapı dar, boyu uzun ve rüzgar kaybı azdır. Genel olarak kojenerasyon santrallerinde kullanılır.

• Çıkık Kutuplu Senkron Generatörler

Makinenin her yerinde stator ve rotor arasındaki hava aralığı değişkendir. Her yerinde aynı değildir. Stator iç çevresi düzgün olmasına rağmen rotorun dış çevresi girintili çıkıntılı yani düzgün değildir. Bu generatörlerin çapı geniş, boyuna kısadır. Santrifüj etki ile çok gürültü yapar. Rüzgar kayıpları oluşturur. Genel olarak hidroelektrik santrallerinde kullanılır.

Senkron generatörlerde hesaplar yükün omik, endüktif ve kapasitif olmasına göre değişik şekilde yapılır. Endüklenen gerilimi, momenti yada çıkış gücünü bulmak için yuvarlak rotorlu generatörler de eşdeğer devre yada fazör diyagramlar kullanılır. Çıkık kutuplu senkron generatörler de eşdeğer devre bir yere kadar kullanılabilir. Bundan dolayı çıkık kutuplu makinelerde fazör diyagramlar ile işlemler yapılıp endüklenen gerilim, moment veya çıkış gücü gibi istenilen değerler ile hesaplanır. Aynı zamanda endüvi reaksiyonunun etkileri de yine yükün durumuna göre değişir.

Rotor bakımından çıkık kutuplu rotorlu olanlar genellikle su türbinleri ve küçük güçlü motorlar için kullanılırken, yuvarlak kutuplu rotorlu olanlar daha çok yüksek devirli türbinlerde kullanılmakta küçük çap ve uzun boylarından dolayı turbo alternatörler olarak ta adlandırılırlar.

Senkron Generatörlerin Paralel Bağlanması

Bir senkron generatörün dönmesi için rotoruna uygulanan moment ne kadar büyük olursa, makine elektrik şebekesine o kadar güç verir. Güçlü bir generatörün verimi güç / kütle oranı yüksek olduğundan aratacaktır. Ancak senkron generatörün büyük güçlü olması işletmede bazı sorunlara yol açar. Bu sorunlardan ilki bakım esnasında ortaya çıkar. Generatör bakım için işletme dışına alınacağı zaman şebekede büyük bir güç açığı oluşur. Bir diğer sorun ise şebekede generatörler arasında yük dağılımının yapılması esnasında karşılaşılır. Şebekenin talep gücü azaldığında generatör nominal gücünden çok düşük değerde çalışır ve verimi de düşük olur. Elektrik enerjisi üretmek için kullanılan mekanik enerji verimsiz kullanılmış olur. Bu nedenle yüksek güçlü bir senkron generatör yerine şebekeye güç veren birden fazla senkron generatör paralel bağlı olarak birlikte çalıştırılabilir. Bu şekilde çalıştırılan generatörlere “paralel bağlı generatörler” denir.

Senkron Generatörlerin Paralel Bağlanma Şartları

1-) Paralel bağlanacak alternatörlerin çıkış uçlarındaki gerilimlerinin ani değerlerinin sürekli birbirlerine eşit olmalıdır. (E1=E2). Gerilim eşitliği çift voltmetreler ile gözlenir.
1. alternatörün E1 gerilimi, 2. alternatörün E2 geriliminden büyük olursa; Gerilimi küçük olan 2. alternatör sisteme akım vermediği gibi şebekeden akım çekmeye başlar ve motor olarak çalışmasına devam eder.

2-) Paralel bağlantı için, frekanslarının sürekli birbirine eşit olması gerekmektedir (F1=F2). Frekans eşitliği çift frekansmetreler ile gözlenir.

Frekans F=p.n/120 kutup sayısı ve devir sayısına bağlı olduğuna ve alternatör kutup sayısı (P) değiştirilemeyeceğine göre, f1=f2 eşitliği alternatörlerin devir sayıları değiştirilerek sağlanır. Alternatör devir sayısı da; dizel grubu, su türbini, gaz türbini gibi kendisini çeviren mekanik güç kaynağının yakıt miktarı ile ayarlanır.

Paralel bağlantı için özel yapılmış çift voltmetreler ve çift frekansmetreler yardımı ile (E1=E2) gerilim eşitliği ve (f1=f2) frekans eşitliği gözlenmelidir. Aynı ölçümler normal voltmetreler ve frekansmetreler ile de yapılabilir. Ölçü aletlerinin çift kadran ve çift skalalı olması sadece rahat bir ölçüm kolaylığı içindir.

3-) Paralel bağlantı için diğer bir koşul ise faz sıralarının aynı olmasıdır. Faz sıralarının  aynı ve çalışma süresi boyunca üst üste çakışık olması gerekmektedir.  Bu aynı zamanda aynı adlı uçların kendi aralarında (R1, R2 ile S1, S2 ile) bağlanması anlamına da gelir. Bu koşulun kontrolü faz sırası göstericisi denilen aletle yapılır. Aynı amaçla küçük güçlü bir asenkron motor da kullanılır.

Paralel bağlanma esnasında oluşacak akım darbesi ve gerilim dalgalanması önlenmelidir.

Senkron Generatörlerin Kullanım Alanları

Çıkık kutuplu senkron generatörler düşük devirlerinden dolayı hidroelektrik santrallerinde su türbinlerinin tahrik etmesi ile elektrik enerjisi üretmek veya rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretmek amacı ile kullanılırlar. Silindirik rotorlu senkron generatörler devir sayıları yüksek olduğundan genellikle buhar türbinlerinde tercih edilirler. Küçük güçlü senkron generatörler otomobillerde şarj dinamosu olarak ta kullanılmaktadırlar. Senkron alternatör firmaları tarafından büyük güçte veya küçük güçte üretimi yapılan senkron generatör fiyatları da ebatlarına göre değişmektedir.