ASENKRON MOTORLARIN YAPISI VE ÖZELLİKLERİ

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK-MİMARLIK FAKÜLTESİ

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

İÇİNDEKİLER

BÖLÜM 1: ASENKRON  MOTORLARIN  YAPISI  VE  ÖZELLİKLERİ……………..1

                1.1. Giriş…………………………………………………………………………….1

                1.2. Bilezikli Asenkron Motor……………………………………………………..2

                1.3. Sincap Kafesli Asenkron Motor………………………………………………4

BÖLÜM 2:ASENKRON
MOTORLARININ ÇALIŞMA PRENSİBİ…………………….5

                2.l. İndüksiyon prensiplerinin hatırlatılması:…………………………………….5

                2. 2. Manyetik döner alanın oluşması:……………………………………………6

                2.2.1.Üç fazlı döner alan :………………………………………………………….6

                2.3. Döner alan içerisindeki rotorun dönüşü……………………………………..7

                2.4. Asenkron motorlarda kayma:………………………………………………...8

                2.5. Asenkron Motorun Rotor Devre Frekansı   ve Endüklenen Gerilim:……..8

BÖLÜM 3: ASENKRON MOTORUN BİR FAZ EŞDEĞER DEVRESİ………………...9

BÖLÜM 4: ASENKRON MOTOR PARAMETRELERİNİN HESAPLANMASI İÇİN GEREKLİ  DENEYLER……………………………………………………………………10

                 4.1. DC deney……………………………………………………………………..10

                 4.2. Boşta (Yüksüz) Çalışma Deneyi…………………………………………….11

                 4.3. Kilitli Rotor Deneyi………………………………………………………….12

BÖLÜM 5: ASENKRON MOTORLARA YOL VERME…………..……………………13

                5.1. Asenkron Motorlara Yolverme Metodları…………………………………13

                5.2. Motora Yıldız-üçgen Yol  verme ……………………………………………14

                5.3. Stator Sargılarına Ön Direnç Bağlamak.…………………………………..15

                5.4. Stator Sargılarını Ayarlı Üç Fazlı Bir Kaynaktan Beslemek ……………..16

                5.5. Rotor Sargı Dirençlerinin Artırılması ……………………………………...18

BÖLÜM 6: ASENKRON MOTORLARDA HIZ KONTROLU…………………………20

                6.1. Asenkron  motorların hızına etki eden faktörler ………………………….20

KAYNAKLAR………………………………………………………………………………22

BÖLÜM 1: ASENKRON  MOTORLARIN  YAPISI  VE  ÖZELLİKLERİ

1.1. Giriş

  Asenkron motorlar,
endüstride en fazla kullanılan elektrik makineleridir. Çalışma ilkesi bakımından asenkron motorlara endüksiyon motorları da denir. Asenkron motorların çalışmaları sırasında elektrik arkı meydana gelmez. Ayrıca diğer elektrik makinelerine göre daha ucuzlardır ve bakıma daha az ihtiyaç gösterirler. Bu özellikler, asenkron motorların endüstride en çok kullanılan motorlar olmalarına sebep olmuştur. Asenkron makineler endüstride genellikle motor olarak çalıştırılırlar, fakat belirli koşulların sağlanması durumunda generatör olarak da çalıştırılabilirler. Asenkron makineleri senkron makinelerden ayran en büyük özellik, dönme hızının sabit olmayışıdır. Bu hız motor olarak çalışmada senkron hızdan küçüktür. Makinenin asenkron olusu bu özelliğinden ileri gelmektedir.

  Asenkron motorlar genel olarak stator ve rotor olmak üzere iki kısımdan yapılmışlardır. Stator, asenkron motorun duran kısmıdır. Rotor ise donen kısmıdır. Asenkron motorun rotoru, kısa devreli rotor (sincap kafesli rotor) ve sargılı rotor (bilezikli rotor) olmak üzere iki çeşittir. Asenkron motor, rotorun yapım biçimine göre bilezikli ve kafesli asenkron motor olarak tanımlanır.

  Rotoru sincap kafesli asenkron motorun ve bilezikli asenkron motorun statoru ayni şekilde yapılmıştır. Asenkron motorun statoru; gövde, stator-sac paketleri ve stator sargılarından oluşmuştur. Rotoru bilezikli asenkron motorun rotoru stator içinde yataklanmıştır. Rotor mili üzerinde rotor sac paketi ve döner bilezikler bulunur. Rotor sac paketi üzerine açılmış oluklara rotor sargıları döşenmiştir. Hemen hemen bütün rotorlarda uç sargı (üç faz sargısı) bulunmaktadır. Bu sargılar genellikle yıldız; ender olarak üçgen bağlanırlar. Bazı durumlarda rotorlarda, çift sargıya da (çift faz sargısı) rastlanmaktadır. Bu tur sargılar motor içinde V-devresi seklinde bağlanırlar. İster çift, ister uç sargılı olsun, sargı uçları rotor üzerinde bulunan döner bileziklere bağlanır. Döner bileziklerle, akim devresi arasındaki bağlantı kömür fırçalar yardımıyla sağlanır. Sincap kafesli asenkron motorun ise rotor sac paketi oluklarında sargılar yerine alüminyum yada bakırdan yuvarlak ve kanatçık seklinde çubuklar bulunur. Bu çubuklar her iki ucundan kısa devre bilezikleriyle elektriksel olarak kısa   devre  edilmiştir.

  Asenkron motorun birçok özel yapım türü vardır. Rotoru dışarıda, statoru içerde bulunan dış rotorlu asenkron motor, ayrıca rotor sargısı bulunmayan kütlesel rotorlu asenkron motor, iki fazlı asenkron motor, iki fazlı servo motor, eylemsizlik momentinin çok küçük olması istenen hallerde kullanılan ve rotoru alüminyum veya bakırdan bos bir silindir olan ferraris motoru vb. Kafesli ve bilezikli asenkron motor dahil, bütün yapım türleri arasında çalışma ilkesi bakımından fark yoktur.

  Sanayide ve diğer bir çok alanda büyük çoğunlukla kullanılan kafesli tip yapımı en kolay, en dayanıklı, isletme güvenliği en yüksek, bakim gereksinimi en az ve en yaygın, elektrik motorudur. Normal kafesli asenkron motorun sakıncası kalkış momentinin nispeten küçük, kalkış akımının büyük olmasıdır. Bu sakıncayı gideren akim yığılmalı asenkron motorlarda kafes yüksek çubuklu, çift çubuklu gibi özel biçimlerde yapılır. Çok küçük ve küçük güçlerde yapılan tek fazlı asenkron motorlar da genellikle kafes rotorludur.

  Bilezikli asenkron motorun yararı, ek dirençler yardımı ile kalkış akiminin istendiği kadar azaltılabilmesi, kalkış ve frenleme momentinin arttırabilmesidir. Şebekelerin çok güçlenmesi ile kalkış akimini sınırlamanın önemi azalmıştır, fakat yüksek kalkış momenti ve uzun kalkış suresi bazı tahriklerde bilezikli asenkron motorun uygulamasını gerektirebilir.

1.2. Bilezikli Asenkron Motor

  Bilezikli asenkron motorun döndürme momenti, stator ve rotorda oluşan döner alanların magnetik akılarına bağlıdır. Magnetik akılar sargılardan çekilen akımlarla doğru orantılı olduklarından, döndürme momentinin, motorun akım çekisine bağlı olduğu sonucuna varılır.

  Döner bilezikler kısa devre edildiği takdirde, rotor akimi devresinde rotor sargılarının tepkin direnci (endüktansı) büyük ölçüde söz konusudur. Endüktif direnç halinde, rotorda endüklenen gerilim ile rotor akımı arasındaki faz farkı 90 olmaktadır. Ortaya çıkan bu faz farkı rotor döner alanını 90 kaydırır ve rotor döner alan kutupları ile stator döner alanının özdeş kutupları tam olarak karşı karşıya gelir. Bunun sonucu yalnızca rotor mili yönünde etkiyen bir kuvvet ortaya çıkar ve rotorun dönmesi artık söz konusu olmaz. Ancak, anlatılan bu oluşumlar sadece bir varsayımdır. Yani sargıların sadece tepkin direnci göz önüne alınarak ileri sürülmüştür. Oysaki, sargıların çok küçük dahi olsa, bir miktar etkin direncinden dolayı gerilim ile akım arasındaki faz farkı 90 den daima küçüktür. Bu nedenle rotor durmaz, ancak döndürme momenti en küçük değerine ulaşır.

  Rotor döner alan yönünde döndürüldüğünde, rotor akiminin frekansı küçülmeye baslar. Bununla birlikte rotor sargısının tepkin direnci : XL = 2пfL azalır, ancak etkin dirençte bir değişiklik olmaz. Bunun sonucu faz farkı küçülerek motor kutuplarının rotor kutuplarına uyguladığı döndürme momenti buyur. Rotor sargılarındaki akim ile gerilim arasında, faz farkı ne kadar küçük olursa, döndürme momenti o kadar büyük olur.

  Diğer bir acıdan rotor devir sayısının yükselmesi rotorda endüklenen gerilimi düşürdüğü ve bunun sonucu rotor akımı ile döndürme momentinin tekrar azaldığı söylenebilir. Faz farkı küçülmesi ağır bastığında, döndürme momenti büyüyecek, buna karsın endüklenen gerilim ağır basarsa, döndürme momenti küçülecektir.

  Bugün uygulamada bulunan asenkron motor talimatlarına göre, motoru sükunet durumdan çıkarmak için gerekli moment ilk dondurma momenti ve en büyük döndürme momenti devrilme momenti olarak tanımlanır. Motorun anma devri ile dönmesi anında milinden uygulayacağı döndürme momentine anma momenti denilir. Devrilme momenti anma momentinin en az 1,6 katı büyüklüğünde olmalıdır.

  Bazı motorlarda döndürme momenti motorun yol almasından sonra ikinci kez düşmektedir. Motorun yol almasından sonra ortaya çıkan en küçük moment geçit-momenti olarak anılmaktadır. Nitekim rotor akim devresine yol verme dirençlerinin bağlanmasıyla, rotor devresinin etkin direnci büyütülmekte ve dolayısıyla akım ile gerilim arasındaki faz farkı küçük tutulmaktadır. Bunun sonucu çok küçük devir sayılarında döndürme momenti büyük olur. Buna karsın, devir şayisi yükseldikçe rotordan gecen akım şiddetle azalır.

  Rotoru bilezikli asenkron motorlarda, kömür fırçalar üzerinden rotor akimi geçerken, güç kayıpları oluşur. Ayrıca kömür fırçalar ve döner bilezikler devamlı aşınır. 20 kilowatt gücün üstündeki motorlarda genellikle fırça kaldırma sustaları vardır. Çok yüksek devirler sonucu döner bilezikler arası dolarak kısa devreler ortaya çıkar. Bu gibi durumlarda fırça kaldırma sustaları çalışarak fırçaları döner bileziklerden ayrılır.

  Yol verme dirençlerinin üzerinden gecen akım nedeni, ısı kayıplarının ortaya çıkması istenmeyen bir oluşumdur. Dirençler yerine bobinlerin yol verme devresinde kullanılması daha büyük sorunlar getirir. Çünkü bobin üzerinde endüktans nedeni ile oluşan faz farkı motordaki faz farkını büyültmekte ve bunun sonucu yol alma momenti düşmektedir. Bu nedenle sakıncalarına rağmen dirençlerin kullanılması zorunlu olmaktadır.

   Rotoru bilezikli asenkron motorların kalkış akımları nominal akımlarından çok büyük olmadığından, bu motorlar, örneğin : büyük su pompaları, tas kırma makineleri ve büyük takım tezgahları gibi yüksek güç gereksinen makinelerin işletmesinde tercih edilir. Bilezikli rotorun ilk döndürme momenti çok büyük olduğundan, büyük vinçler gibi çok kuvvetli yükler altında devamlı çalışacak makinelerin kuvvet üreten kesimlerinde bu motorlardan yararlanılmaktadır. Ayrıca devir sayıları ayarlanabildiğinden kren ve ayarlı makine tezgahlarında sık sık kullanılmaktadır.

ŞEKİL 1:Bilezikli tür rotor şekli

1.3. Sincap Kafesli Asenkron Motor

  Sincap kafesli (kısa devre rotorlu) asenkron motorlar isletme anında bilezikleri kısa devre edilmiş rotoru bilezikli motorlarla hemen hemen aynı özellikleri gösterir. Kısa devre rotorunun ilk döndürme momenti daha küçük ve ilk akım çekisi daha büyüktür.

  Kısa devre rotorlu motorların ilk akım çekişi : anma akiminin 8-10 katı büyüklükte olmaktadır. Geçit momentini küçük tutmak amacı ile rotor çubukları yatık yada V- basamakları halinde tertiplenirler. Bazı kafes rotorlu motorların rotorları ilk devre bağlama anında yüksek bir etkin direnç ve motor yüksek devire geldikten sonra küçük bir etkin direnç gösterir. Bir tur kendinden yol verme dirençli olan bu rotorlarda ilk devre bağlama anında akım çekişi küçük ve ilk döndürme momenti büyük olmaktadır. Bunun sonucu motor daha yumuşak yol alır. Motor yüksek devire ulaştığında rotor direnci kendiliğinden küçülür ve yüklenmeler karsısında devir şayisi değişikliklerini büyük ölçüde önler. Bu tur otomatik direnç ayarlı bir rotor, deri etki prensibine göre çalışır. Ve bunlara bu nedenle deri etkili rotor da denir. Deri etkili rotorların sac paketi üzerinde alt alta iki sincap kafesi bulunur. Alttaki kafes isletme kafesi; üstteki kafes yol verme kafesi olarak anılmaktadır.  Devre bağlama anında hem isletme kafesinin, hem de yol verme kafesinin çubukları üzerinden alternatif akımlar geçer. Üzerinden akim geçiren çubuklar çevresinde magnetik alanlar oluşur. Her bir çubuğun magnetik alanı hem kendisine hem de komşu çubuğa etkiyerek çubuk dirençlerinin yükselmesine neden olur (deri etkisi).isletme kafesinin çubukları altta bulunduğundan, bunların alan çizgileri daha çok demir üzerinden geçmekte ve magnetik akının büyük olmasından dolayı dirençleri daha büyük olmaktadır. Rotor devir sayısı arttıkça, motor frekansı düşer ve deri etkisi akım frekansı ile doğru orantılı olduğundan çubukların direnci küçülür.

  Deri etkili rotorların ilk döndürme momentleri büyük ve ilk adım çekişleri küçüktür. Bunların en büyük sakıncalı tarafı, oluk kesitlerinin, yani diğer bir deyişle hava aralıklarının oldukça büyük olmasıdır. Bu nedenle bunlarda akı kaçakları büyük, güç faktörü ve verimi küçük olmaktadır.

  Daha hafif ve ucuz olan kafes rotorlu motorlar çok az bir bakıma gereksinim duyarlar ve fırçaları olmadığından kıvılcım; yani parazit oluşturmazlar. Bu üstünlüklerinden dolayı rotoru bilezikli motorlara yağ tutulur. Sincap kafesli asenkron motorlardan, örneğin: iş makinelerinde, kaldırma düzenlerinde ve tarım makinelerinde yararlanılmaktadır.

        

ŞEKİL 2 : Sincap kafes tür rotor şekli

BÖLÜM 2:ASENKRON MOTORLARININ ÇALIŞMA PRENSİBİ

  Asenkron motorlar transformatörler gibi endükleme esasına göre çalıştığından Asenkron motorlara Endüksiyon motorları da denir. Transformatörler statik (duran), motorlar ise (hareketli) dinamiktir.

2.l. İndüksiyon prensiplerinin hatırlatılması:

"Dönen bir manyetik alan içerisinde bulunan iletkenlerde gerilim indüklenir."

"Dönen bir manyetik alan içerisinde bulunan iletkenlerden bir akım geçirilirse, iletkenler manyetik alan tarafından itilirler."

  Bir rotorun dönebilmesi için;

1 -   Rotor iletkenlerinden bir akımın geçmesi

2- Rotor iletkenlerinin dönen bir manyetik alan içerisinde bulunması gerekir.

  Normal olarak asenkron motorlarda stator ile rotor arasında herhangi bir elektriki bağ yoktur. Rotor dışardan bir kaynak tarafından beslenmez. Statorda dışardan döndürülmez. Statorlar daimi mıknatıslı yapılmaz. Asenkron motorlarda dönen daimi mıknatısın görevini stator sargılarına uygulanan üç fazlı akımın meydana getirdiği "döner alan" yapar.

2. 2. Manyetik döner alanın oluşması:

  Döner alan : Asenkron motorlarda stator sargılarına uygulanan üç fazlı akımın meydana getirdiği alana döner alan denir.

2.2.1.Üç fazlı döner alan :

  Şekil 3’de görüldüğü gibi, statordaki 6 oluğa aralarında faz farkı bulunan üç bobin yerleştirilmiştir.

ŞEKİL 3. Üç fazlı döner alanı

    a durumunda; (0° de ) Üç fazlı akımın sinüs eğrilerinin 1. faz (+) maksimum değerde, II. ve III. fazlar (-) değerdedir.

 1. faz için akımın girişi A dan E ye doğru, II. faz için E den A ya doğru ve III. faz için de yine E den A ya doğrudur. Bu durumda üst bölgede akımlarının girişleri, alt bölgede de akımların çıkışları, dolayısıyla alan yönü sağdan sola doğru olacak ve sağda N kutbu, Solda da S kutbu meydana gelecektir.

    b durumunda; (45°’de) L ve II. fazlar (+) değerde, El. faz (-) değerdedir.  Akım girişleri a durumuna göre sağa doğru kaydığından, alan da buna uyarak, durumuna göre biraz yukarıya doğru dönmüştür.

   c durumunda; ( 90°’de) I. faz sıfır, II. faz (+) ve IH. Faz (-) değerdedir. 1. fazdan hiç akım geçmediğinden. II. ve III. fazın girişleri sağda, çıkışlarda solda olup alan yönü aşağıdan yukarıya doğrudur.

   d durumunda; (180°’de) II. ve III. fazlar (+) I. faz (-) değerdedir. Bu durumda akım çıkışları üst oluklarda, girişleri de alt oluklarda olması nedeni ile alan yönü, a durumunun tamamen aksi olup soldan sağa doğrudur.

   e durumunda; (270°’de) I. faz yine sıfır, II. faz (-) III. faz (+) değerde olup, alan yöne yukarıdan aşağıya doğrudur.

  Sonuç olarak, alan üç fazlı   alternatif akımın değişimine bağlı olarak dönmektedir.

2.3. Döner alan içerisindeki rotorun dönüşü

ŞEKİL 4. Döner alan içerisindeki rotorun dönüşü

  Şekil 4’de stator sargıların dan geçen üç fazlı alternatif akım sargılarında döner bir manyetik alan oluşturduğunu ve dönen manyetik alan içerisinde bulunan iletkenlerde bir gerilim indüklendiğini böylece kısa devre edilmiş rotordan bir akım geçeceğini   biliyoruz.

  Rotordan geçen bu akımlar rotor üzerinde N ve S kutuplarını meydana getirirler.

Dönen stator kutuplan rotor kutuplarını etkiliyor. "Aynı kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar birbirini çeker." Prensibiyle rotoru saat ibresi yönünde döndürecektir.

  2.4. Asenkron motorlarda kayma:

   Alternatif akim motorlarında moment, biri stator üzerinde, diğeri de rotor üzerinde oluşan iki elektrik alanının etkileşimi sonucu ortaya çıkar. Sabit bir momentin üretilebilmesi için, bu iki alanının, motorun hava aralığında eş zamanlı (senkronize) bir durumda olması gerekir ve üretilen momentin büyüklüğü aralarındaki faz farkı ile belirlenir. Dengeli üç fazlı bir sistemle beslenen üç fazlı bir sargı düzgün bir şekilde donen bir alan meydana getirebilir. Endüstriyel uygulamalarda kullanılan asenkron makinelerin çoğu bu nedenle üç fazlıdır.

   Asenkron motorlarda donen stator alanı kısa devre edilmiş rotor sargılarında, ikisi arasındaki bağıl hıza orantılı bir frekansta akımların endüklenmesine neden olur. Motor bilezikli türden ise rotor üzerindeki sargı, sincap kafesli ise kafes, üç fazlı bir sargıdan beklenilen bir şekilde, rotor alanı olarak adlandırılan bir ikinci alan oluşturur. Rotor alanıyla stator alanının hızlarının toplamının senkron hiza eşit olması gerekir. Senkron hız ile rotor hızı arasındaki fark kayma olarak bilinir. Yani rotor hızının senkron hızına göre bağıl hızı bize kaymayı verir. Kayma S sembolü ile gösterilir.

2.5. Asenkron Motorun Rotor Devre Frekansı   ve Endüklenen Gerilim:

   Asenkron motor dururken, stator sargılarına gerilim uygulandığı anda rotor dönmeye başlamadan, stator frekansı fs ve rotor frekansı fr birbirlerine eşittirler. Benzer olarak stator sargılarında endüklenen Es gerilimi ile rotor sargılarında endüklenen Er gerilim de, dönüştürme oranı a= 1 ise, birbirlerine eşittir. Ayrıca nr = 0 olduğundan, kayma s = 1 olur. Rotor senkron hızda dönerse, nr = ns olacağından, kayma s = 0, fr = 0 Hz  ve  Er = 0  volt olur. Çünkü, rotor çubukları stator döner alan hızında döndüğünden, stator manyetik akısı tarafından kesilmemektedir. Kaymanın 1≥s>O arasındaki değerlerde ise, statora uygulanan gerilimin frekansı fs iken rotorda endüklenen gerilimin frekansı da kaymaya bağlı olarak aşağıdaki gibi ifade edilir:

fr =s(f)            = ns -nr fs

                   ns

Stator döner alan hızı ns= 120fs/P olarak ifade edildiğine göre, fs=Pns/l20 olur. Buradan;

fr = ns -nr fs 

             ns

fr = ns -nr (Pns/l20)=(P/120)( ns –nr)

           ns

Stator ve rotor sargılarında endüklenen gerilimler arasındaki bağıntı da frekans bağıntısı ile aynı olup aşağıdaki gibi ifade edilir:

Er = s(Er)

görüldüğü gibi, rotor dönerken stator ve rotor frekansları ile endüklenen gerilimler arasındaki bağıntı kayma ile orantılıdır. Rotor hızı normal çalışmada senkron hıza çok yakın olduğundan kayma küçük olacaktır. Kaymaya bağlı olarak rotor frekansı ve gerilimi de azalacaktır.

BÖLÜM 3: ASENKRON MOTORUN BİR FAZ EŞDEĞER DEVRESİ

  Asenkron motorun statoruna alternatif gerilim uygulandığında stator sargılarından akım geçer. Stator akımı nüve üzerine sarılmış olan stator sargıları etrafında zamana bağlı olarak değişen manyetik akı oluşturur. Bu manyetik akının çok az bir kısmı havadan kaçak olarak devresini tamamlarken, geriye kalan miktarı da stator ve rotor demir nüveleri ile stator rotor arasındaki hava boşluğundan devresini tamamlar.

   Havadan devresini tamamlayan kaçak akılardan dolayı statorda kaçak endüktans Lsℓ ve dolayısıyla kaçak reaktans Xsℓ oluşur. Ayrıca stator sargılarının iç direnci Rs de stator devresinde stator reaktansına seri bağlanır. Statora uygulanan gerilimin frekansı fs ise, stator kaçak endüktansı ve reaktansı aşağıdaki gibi ifade edilir:

  

Xsℓ=2п fs Lsℓ

  Stator sargılarında endüklenen gerilim Es, statora uygulanan Vs gerilimi ile stator direnç ve kaçak reaktansında düşen gerilimlerin farkına eşittir. Buna göre:

Es = Vs - Is(Rs + jXsℓ)

BÖLÜM 4: ASENKRON MOTOR PARAMETRELERİNİN HESAPLANMASI İÇİN GEREKLİ  DENEYLER

 4.1. DC deney

  Bu deneyi yapmadan önce asenkron motor tam yükünde anma sıcaklığına ulaşıncaya kadar çalıştırılır, veya statora karışık frekanslı gerilim uygulanarak motorun şebekeden tam yük akımı çekmesi sağlanıp, motor sıcaklığı kısa sürede anma değerine çıkarılır. Böylece, stator direncinin ölçümü sırasında sıcaklıktan dolayı oluşacak hata minimum değere indirilir. Daha sonra, motorun stator uçlarının üçgen veya yıldız bağlı durumu göz önünde bulundurularak, sargı uçlarından herhangi ikisine ayarlı DC kaynaktan gerilim uygulanır. Gerilim değeri sıfırdan başlayarak artırılır, stator sargılarından geçen akım motorun tam yük akım değerine ulaşınca, uygulanan gerilim ve şebekeden çekilen akım kaydedilir. Daha sonra motor sargılarının bağlantı durumuna göre stator sargısının bir faz DC direnç değeri bulunur. Bulunan DC direnç değeri 1.11 katsayısı ile çarpılarak AC direnç değeri bulunmuş olur. Asenkron motorun DC deneyi için gerekli bağlantı şekli aşağıda verilmiştir.

           

ŞEKİL 6 Asenkron motorun De deneyi a) üçgen bağlı durum, b) yıldız bağlı durum.

4.2. Boşta (Yüksüz) Çalışma Deneyi

 Bu deneyde asenkron motor anma gerilim değeriyle yüksüz olarak çalıştınlır. Motorun bağlantısı üçgen veya yıldız olabilir. Motor boşta çalışırken, şebekeden çekilen üç faz akımı, faz gerilimi ve şebekeden çekilen toplam güç iki watmetre metodu ile ölçülür. Şekil 6.2.1' de boş çalışma deneyine ilişkin bağlantı şeması verilmiştir.

    Motorun şebekeden çektiği üç faz ortalaması alınarak bir faz akım değeri bulunur:

Inℓ=(I1+I2+I3)/3

ŞEKİL 7: Asenkron motorun boş çalışma deney bağlantı şeması.

 Asenkron motor. boşta çalışırken rotor hızı senkron hıza çok yakın olduğundan motorun kayması çok küçük olup sıfıra yakındır. Kaymanın çok küçük olması nedeniyle R'r(1-­s)/s değeri (R'r+jX'rℓ) değerinden çok büyüktür. Bu nedenle, rotor empedansı yaklaşık olarak R'r(1-s)/s değerine eşittir. (R'r+jX'rℓ) değeri ise rotor empedansına fazla etki etmediğinden, Şekil 8'de görüldüğü gibi ihmal edilir. Boş çalışmada rotor devresinden geçen akım, R'r(l-s)/s değerinin çok büyük olması nedeniyle oldukça küçüktür. Dolayısıyla boştaki rotor bakır kayıpları ihmal edilir. Stator  bakır kayıpları   ise  Pscℓ=3Inℓ^2Rs   ifadesi  ile  bulunur.

ŞEKİL8: Rotor direnç ve reaktansı ihmal edilmiş asenkron motorun eşdeğer devresi

 4.3. Kilitli Rotor Deneyi

  Asenkron motor sargılan anma sıcaklığına eriştikten sonra Şekil 7 deki deney bağlantısı gerçekleştirilir. Motorun rotoru özel bir mekanizma ile sabitleştirilerek dönmemesi sağlanır. Daha sonra, ayarlı alternatif güç  kaynağından uygulanan gerilim yavaş yavaş artırılır. Statordan geçen akım dikkatlice ampermetreden okunarak, akım değeri anma değerine ulaşınca ölçü aletlerinden gerilim akım ve güç değerleri okunarak kaydedilir. Bu deney esnasında dikkat edilecek en önemli hususlardan birisi, motora başlangıçta sıfır gerilim uygulayarak başlamaktır. Rotor kilitli durumda olduğundan, başlangıçta uygulanacak yüksek gerilim stator sargılarından çok büyük miktarda akım geçmesine neden olur. Ayrıca etkin rotor direnci B ve C sınıfı motorlarda frekansa direkt bağlı olup, rotorun kilitsiz çalışması durumunda senkron hıza yakın değerlerde, rotor frekansı kaymanın çok küçük olması nedeniyle 1 Hz ile 3 Hz arasında değişir. Diğer taraftan, rotor kalkınmaya başlarken kayma  s= 1 olduğundan, rotor frekansı stator frekansına eşit olup, etkin rotor direnci çok küçüktür. Asenkron motorun rotor etkin direncinin frekansa bağlı olarak değiştiği göz önünde bulundurularak, deneyi normal frekansından daha düşük frekans değerinde gerçekleştirmek gerekir. Bunun için öngörülen frekans değeri normal frekans değerinin %25'i veya daha az bir değerdir. Bu durum rotor direnci sabit olan A ve B sınıfı asenkron motorlar için de geçerlidir. Ancak rotor direnci değişken olan motorlar için geçerli olmayıp bazı problemler oluşturabilir. Bundan dolayı düşük frekans değerinde yapılan kilitli rotor deneyinde hassas ölçüm gerekir. Kilitli rotor deneyinden hesaplanan reaktans değerleri fs/ftest oranıyla çarpılarak normal çalışma frekans değerindeki reaktanslar bulunur.

   Motorun bir faz stator sargısından geçen akım değeri, her üç fazdan okunan akım değerlerinin eşitlik Pscℓ=3Inℓ^2Rs ‘deki gibi ortalaması alınarak bulunur. Kilitli rotor deneyinde, motor bir trafo gibi çalıştığından, kayma s= 1 olup, stator ve rotorda endüklenen gerilimlerin frekanslan birbirlerine eşittirler. Buna bağlı olarak da, mekanik kayıpları sıfır olur. Dolayısıyla, rotor devresinin empedansı sadece R'r+X'rl değerine eşit olur. Asenkron motorun uyartım devre empedansı Rc /Xm ile rotor devre empedansı karşılaştırıldığında, Rc//Xm » R'r+X'rℓ olur. Buna göre rotor devresinden geçen akım i' r»Iu olur. Bundan dolayı uyartım devresini ihmal etmekle çok büyük bir hata yapılmış olunmaz. Geriye sadece stator ve rotor devre empedansları kalır. Bu neticeye göre kilitli rotor deneyi için asenkron motorun bir ,faz eşdeğer devresi Şekil 9 'deki duruma gelir.

ŞEKİL 9: Asenkron motorun kilitli rotor deneyi bir faz eşdeğer devresi.

Kilitli rotor deneyinde Is akımı I'r akımına eşittir. Kaynaktan çekilen aktif güç ise motorun stator ve rotor bakır kayıpları ile nüve kayıplarının toplamına eşittir. Herhangi bir dönme hareketi olmadığından, kilitli rotor deneyinde mekanik veya döner kayıplar sıfırdır. Uyartım devresi az bir hata ile ihmal edildiğinden, kaynaktan çekilen aktif gücü sadece stator ve rotor bakır kayıplarına eşitlemek mümkündür.

BÖLÜM 5: ASENKRON MOTORLARA YOL VERME

 5.1. Asenkron Motorlara Yolverme Metodları

   Asenkron motorlar üç fazlı sistemden beslenir ve sargılan 220 V veya 380 V değerindeki gerilime göre sarılırlar. Özel durumlarda sargılara uygulanacak gerilim farklı değerlerde olabilir. Eğer motor tam yük altında üçgen çalışacak şekilde imal edildiyse, motorun stator sargıları direkt olarak 380 V gerilime göre sarılırlar. Tam yük altında yıldız çalışacak şekilde imal edilen motorların stator sargıları ise 220 V gerilime göre sarılırlar. Sargılara uygulanan bu gerilim, sargı empedanslarının küçük olması nedeniyle kalkınma anında çok fazla akım çekilmesine neden olur. Motor ilk kalkınma anında rotor dönmediği için  sekonderi   kısadevre edilmiş bir trafo gibi çalışır. Dolayısıyla rotor  devresinden ve buna bağlı olarak stator devresinden kalkınma ,anında yaklaşık olarak tam yük akımının  4-8 katı kadar bir akım çekilir. Kalkınma torkları ise tam yük torkunun 2-3.5  katı kadardır. Bundan dolayı asenkron motorlar genellikle  boşta çalıştırılıp, anma hız değerlerine ulaşıldıktan sonra  yüklenirler. Asenkron motorların kalkınma anında fazla akım çekmesi kumanda devresinde kullanılacak elemanlar ve  iletkenlerin maliyetini artıracağından, bazı yöntemler  yardımıyla kalkınma akımı belirli değerlerde tutulur. Bu  yöntemlerin ana prensibi,  stator sargılarına düşük gerilim

uygulamaktır. Bu maksatla aşağıdaki metodlar kullanılır:

1. Motora yıldız-üçgen yol  verilir.

2. Stator sargılarına ön direnç bağlanır.

3. Stator sargıları ayarlı üç fazlı bir güç kaynağından   beslenir.

4. Rotoru sargılı asenkron motorlarda, rotor sargılarına  harici dirençler bağlanır. Sincap kafesli asenkron motorlarda ise rotor yapıları uygun şekilde imal edilerek kalkınma anında rotor etkin direncinin büyük olması sağlanır.

5.2. Motora Yıldız-üçgen Yol  verme

  Yıldız-üçgen yol verilen motorlarda, motorun stator  sargıları üçgen bağlantıdaki maruz kalacağı gerilim değerinin  etkisinden  ve aşırı akım ve güç çekmesinden ilk kalkınma anında kurtulmaktadır. Motorun yıldız veya üçgen çalıştırılması durumunda akım, gerilim, güç ve tork ifadeleri Şekil 10 gösterilmiştir.

   Şekil 10' da bir asenkron motora yıldız-üçgen yol verme güç devresi verilmiştir. Bu devrede, motor önce yıldız, sonra da üçgen çalışmaya geçer. Yıldız çalışmada M  ve Y kontaktörleri, üçgen çalışmada ise M ve ∆ kontaktörleri kapalı durumdadır. Yıldız-üçgen bağlantıyı gerçekleştirecek , kumanda devresi burada gösterilmemiştir. Ancak kumanda devresinin tasarlanmasında, yıldız kontaktörü çalışırken üçgen  kontaktörü   çalışmamaktadır.

ŞEKIL 10:  Yıldız – üçgen  bağlantı ilişkileri

ŞEKİL 11: Asenkron motorun yıldız-üçgen yol  verilmesine ilişkin güç devresi

5.3. Stator Sargılarına Ön Direnç Bağlamak

Stator sargılarının  kalkınma anında yüksek gerilime maruz kalmasını önlemek için, ayarlı veya kademeli ön  dirençler kullanılır. Kullanılacak olan dirençler sadece  gerilim bölücü görevi görürler. Ayarlı olanlar reosta veya  statik direnç (yarı iletken kontrollü direnç) olabilir. Kademeli  olanlarda ise, kademe sayısı istenilen sayıda olabilmektedir.

  Motor önce R1 ve R2 dirençleri devrede iken yol  almaya başlar. Motor hızlandıkça, belirli zaman aralıklarında  gruplar halinde önce R1 dirençleri, belirli bir zaman sonra da R2 dirençleri M1 ve M2 kontakları ile kısa devre edilirler. Daha sonra motor üçgen çalışmaya geçer. Böylece motorun düşük gerilim ve akımla kalkınması sağlanmış olur.

ŞEKİL 12: Asenkron motorun ön dirençlerle yol  verilmesine ilişkin güç  devresi

5.4. Stator Sargılarını Ayarlı Üç Fazlı Bir Kaynaktan Beslemek

  Asenkron motorun stator sargılarına düşük gerilim  uygulamanın bir diğer yöntemi de, sargıları üç  fazlı ayarlı  güç kaynağından beslemektir. Ayarlı güç kaynağı yardımıyla  istenilen değerde kademesiz gerilim ayarı  yapmak  mümkündür. Ancak, uygulanacak gerilim değeri belirli  değerlerin altına düşerse, motorun üreteceği tork yük torkunu  yenemeyeceğinden  ,motor kalkınamaz. Motorun stator sargılarına, uygulanan düşük gerilim nedeniyle, asenkron motor kalkmma anında düşük  akım çeker,  anma hızına çıktığında motora uygulanan gerilim yavaş yavaş artırılır. Böylece motorun normal gerilim altında kalkınması  durumunda  aşırı akımın sebep olacağı zararlar giderilmiş  olur. Asenkron motorun ürettiği tork, stator sargılarına

uygulanan gerilimin karesiyle orantılı olduğundan, düşükgerilimlerde, motorda endüklenen tork da azalacaktır. Bu  durum göz önünde bulundurularak  gerilim ayarı yapılmalıdır.  Şekil 13  bir asenkron motorun ayarlı üç fazlı güç kaynağından yol verilmesine ilişkin güç devresini  göstermektedir. Asenkron motor üçgen olarak yol almakta, ancak güç kaynağı ayarlanarak motora düşük gerilim uygulanması sağlanmaktadır.

ŞEKİL 13: Asenkron motorlarda ayarlı güç kaynağı  ile yol verilmesi ile ilişkin güç devresi

5.5. Rotor Sargı Dirençlerinin Artırılması

  Asenkron motorların kalkınma anında aşırı akım çekmesinin nedeni; hız sıfır iken rotorda endüklenen gerilimin yüksek olması ve bu gerilim değerinin çok küçük bir rotor empedansı üzerinden kısa devre edilmesidir. Rotor devresine bağlanacak dış dirençler yardımıyla rotorun toplam empedansı artırılacağından, rotor devresinden geçen akım azalacak ve rotor geriliminin kısa devre olması ortadan kalkacaktır.Harici direnç değeri arttıkça motorun ürettiği kalkınma torku artmakta, ancak anma hızında çalışırken kayması da artmaktadır. İşte bundan dolayı motorun kalkınma anında rotor direnci büyük, anma hızında çalışırken rotor direnci küçük yapılarak kayma en aza indirilir. Rotor devresine çok büyük değerli  bir  direnç bağlanırsa veya rotor sargı uçları açık devre yapılırsa  motorun kalkınması mümkün olmayabilir. Çünkü açık devre yapılan rotor devresinden akım geçmez.  Rotor akımının sıfır olması durumunda ise motor tork üretmez. Dolayısıyla, rotor devresine bağlanacak harici direnç motoru kalkındıracak  kadar tork üretebilen bir değerde olmalıdır.

  Sincap kafesli asenkron motorlarda ise rotor direnç  değerleri rotor yapılarının uygun şekillerde imal edilmesiyle  elde edilir. Rotor yapısının uygun biçimde imal edilmesiyle, kalkınma anında rotor direnci  büyük olmakta, hız arttıkça  kaymaya bağlı olarak direnç   azalmaktadır. Böylece motorun kalkınma anında düşük akım  çekmesi sağlanmış olmaktadır.

  Şekil 14 de rotoru  sargılı  bir   asenkron   motorun  rotor sargı dirençlerinin artırılarak yol verilmesine  ilişkin  güç  devresi verilmektedir. Burada rotor devresine seri olarak iki gurup direnç bağlanmıştır. Motor yıldız olarak yol almaya  başladığında, yol aldıkça önce R1 direnç gurubu ML kontakları tarafından, bir süre sonra da R2 direnç gurubu M2 kontakları tarafından kısa-devre edilir.

   Rotoru sargılı asenkron motorun rotor sargı uçları altı  adet olarak bağlantı kutusuna  çıkartılmış ise, rotor devresi  yıldız veya üçgen bağlanabilir. Fakat çoğunlukla yıldız  bağlantı yapılarak üç adet rotor sargı uçları  ve nötr ucu bağlantı kutusuna çıkartılır.

ŞEKİL 14:  Rotoru sargılı asenkron motorun rotor devresine direnç bağlanarak  yol verilmesine ilişkin  güç devresi

BÖLÜM 6: ASENKRON MOTORLARDA HIZ KONTROLU

6.1. Asenkron  motorların hızına etki eden faktörler:

   Asenkron motorlarda  senkron hız frekansla doğru kutup sayısı ile ters orantılı olup aşağıdaki gibi ifade edilir:

Ns=120fs/P

Burada:

Fs= stator sargılarına uygulanan  gerilimin  frekansı (Hz)

P=  motorun toplam  kutup  sayısı 

Asenkron  motorların  kayması  ise  aşağıdaki  gibi  ifade  edilir.

S=( ns – nr )/ ns

bu ifadeden  rotor  hızı  çekilecek  olursa;

nr=ns – Sns= ns( 1 – S )

Rotor   hızı  senkron  hız, frekans  ve  kutup  sayısı  cinsinden  aşağıdaki  gibi  yazılabilir.

nr=ns – Sns= (120fs/P )( 1 – S )

görüldüğü  gibi , asenkron  motorun  rotor  hızına  etki  eden  parametreler  şunlardır;

• Stator  frekansı, fs
• Motor  kutup  sayısı, P
• Rotor  kayması  ,S 

Rotor  kayması  ise  aşağıda  verilen  yöntemlerle   değişir;

• Stator  gerilimini  değiştirerek
• Rotor  direncini  değiştirerek
• Rotor  devresini  harici  kaynaktan  gerilim  uygulayarak.

KAYNAKLAR

1. Elektrik Makinaları Dersleri-Prof. Dr. Müh. Turgut BODUROĞLU
2. Motors and Controls- James T. Humphries
3. Electric Machinery and Power System Fundementals- Stephen J. Chapman
4. Asenkron  Makinalar  Pr.  Dr. İlhami Çolak