Asenkron Motorlara Yol Verme Yöntemleri
Yük altında devir sayıları çok değişmediği, az bakım gerektirdiği, elektrik arkı oluşturmadığı, devir sayıları kolaylıkla kontrol edilebildiği ve ucuz olduğu gibi gerekçeler ile asenkron motorlar birçok segment ve uygulamada yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle bu motorların verimli olarak başlatılması çok önemlidir ve için başlangıçtaki verimi artırmak için farklı yöntemler geliştirilmiştir.
Ancak asenkron motorlar başlangıç sırasında şebekeden nominal çalışmasının 6 ila 8 katı civarında başlangıç akımları çekerler. Demeraj ya da inrush akımları olarak da adlandırılan bu başlangıç akımları engellenemez ise aşağıdaki olumsuz etkilere neden olur.
- Motor sargılarında aşırı ısınmalar.
- Şebekede gerilim dalgalanmaları veya gerilim düşümleri.
- Diğer yüklerde oluşabilecek istenmeyen arızalar.
- Kumanda devresindeki anahtarlama elemanlarında bozulmalar.
- Koruma elemanlarının yüksek seviyede seçilmesi.
Görüldüğü gibi motorun ilk yol alması sırasında oluşacak bu başlangıç akımları mutlaka kontrol altına alınmalıdır. Yol verme yöntemleri hakkında bilgi sahibi olarak uygulamalarınız için en verimli olabilecek başlangıç yöntemini tercih edebilirsiniz.
Asenkron motora yol verme yöntemleri şunlardır:
- Direkt yol verme
- Yıldız üçgen yol verme
- Yumuşak yolverici ile yol verme
- Sürücü ile yol verme
- Oto trafosuyla yol verme
- Direnç ile yol verme
Şimdi bu yöntemlerden en çok kullanılanları inceleyelim.
Direkt yol verme (DOL)
En ucuz ve kompakt yol verme yöntemi olması nedeniyle pazarda en çok kullanılan yol verme şeklidir. Direkt yol vermede kullanılan ekipmanları kontaktör, termik röle ile sınırlandırabiliriz. Tabii ki projenin durumuna göre aşırı akım koruma için motor koruma şalteri ve kumanda için buton ve sinyal lambaları da kullanılabilir. Bu yöntemin en büyük dezavantajı demeraj akımını düşürücü herhangi bir etkisinin olmamasıdır. İsminden de anlaşılabileceği gibi motora direk olarak yol verilir. Normalde nominal akımın 6 ile 8 katı arası değişebilen başlangıç akımları bu yol verme ile 14 katlarına kadar çıkabilir. Bu değerler motor dizaynına göre değişiklikler gösterebilir. Genel olarak modern teknoloji ile üretilmiş motorların başlangıç akımları eskilerine göre daha fazladır. Çünkü yeni motorlarda sargılardaki rezistans değerleri daha düşüktür.
Akıllara ister istemez şu soru gelebilir:
‘Demeraj akımını düşürmek bu kadar önemli ve gerekli ise neden hala bu yöntemle yol vermeye devam ediyoruz?’
Pratikte 4-5 kW’a kadar olan motorlarda bu yol verme yöntemi tercih edilir. Güçleri düşük olan bu motorların şebekede çok fazla olumsuz durumlar yaratmayacağı ve bağlı bulunduğu hattaki diğer yükleri çok da fazla etkilemeyeceği farz edilir. Ekonomik olması sebebiyle, diğer yol verme şekillerine nazaran düşük güçlü motorlarda daha fazla tercih edilmesi bundandır. Ancak dikkat edilmesi gereken önemli bir konu da sistemimizde bu tip düşük güçlü motorlardan çok sayıda varsa ve bunların büyük bir kısmı aynı anda devreye giriyorsa bu diğer yüklerin etkilenmesine, hatta güç düşümlerinin olmasına sebebiyet verecektir.
İlave olarak; direk yol verme sırasında çoğu uygulamada karşımıza çıktığı gibi, başlangıç torku istenilen seviyenin üzerinde olabilir. Bu yüksek tork motor sargılarında ve kayışlarında aşınmalara ve mekanik zorlanmalara yol açar. Direkt yol verme ile başlatılan bir motorun duruşu da direkt olacaktır ve bu ani duruş motorun fazla zorlanmasına ve zamanla aşınmasına ve motorun kontrol ettiği yüklerde istenmeyen durumlara yol açabilir. (Örneğin pompa motorlarında borularda aşınmaya sebebiyet verebilir.)
Her ne kadar ilk kurulum maliyeti çok önemli bir parametre olsa da motor güçleri, karakteristikleri, projedeki adetleri, motorun beslediği ve sistemde bulunan diğer yüklerin durumlarına bakmadan direkt yol verme uygulamak riskli bir çözüm olacaktır. Bu yöntemin gayet güzel çalıştığı ve hiçbir sorunun yaşanmadığı uygulamalar elbette ki vardır; ancak sistem tasarımı yaparken yukarıdaki hususlara mutlaka dikkat etmek gereklidir.
Yıldız üçgen yol verme
Yıldız-üçgen yol vermede kullanılan ekipmanlar genellikle üç kontaktör, termik röle ve zaman rölesini kapsar. Aynı direkt yol vermede olduğu gibi aşırı akım koruma olarak motor koruma şalteri ve kumanda için de sinyal lambaları ve butonlar da tercihen kullanılabilir. Bu başlatma metodu sadece sürekli çalışma durumunda üçgen bağlı motorlarda kullanıma uygundur.
Yıldız-üçgen yol vermenin arkasındaki temel prensip hızlanmanın birinci kısmında motor sargıları yıldız bağlanıp, düşürülmüş bir akım uygulanmasıdır. Belirli bir süre sonra da bağlantı üçgene çevrilir ve motora tam akım ve tam tork uygulanır.
Üçgen kullanımda, motor sargıları arasındaki gerilim ile şebeke gerilimi ile eşittir. Motor akımı iki paralel sargı arasında dağılır ve hat akımının 1/√3 oranına düşer. Eğer her motor sargısındaki empedans Z ise, paralel sargıların empedansları toplamı Z/√3 olur.
Eğer motor yıldız bağlanırsa motor sargıları seri bağlanmış olur. Sonuçta empedans √3*Z olacaktır. Yıldız bağlantıda üçgen bağlantıya göre ((√3*Z)/( Z/√3) = 3 kat daha fazla empedansa sahip oluruz. Ana gerilim seviyesinin aynı olduğunu düşünürsek yıldız bağlantıda üçgen bağlantıya göre 1/3 kat daha az akım çekilir.
Ana gerilim aynı olsa bile motor yıldız bağlandığında motor sargılarında oluşan gerilim ana gerilimin 1/√3 ‘ü oranında olacaktır. Bu düşük gerilim torkta da düşüşe sebep olacaktır. Üçgen bağlantıya göre yıldız bağlantıdaki tork düşüşü [(1/√3)* (1/√3) ≈ 0,33 kat olacaktır. Aslında bu değer yaklaşık bir değerdir. Ek kayıpları ve diğer verimlilik değerlerini de hesaba katarsak bu değer 0,25 katlara düşebilir.
Toparlarsak biz yıldız-üçgen bağlantıda motoru önce yıldız çalıştırarak yani düşük gerilim vererek akımı düşürüyoruz. Zaman rölesi ayarladığımız değerde belli bir süre yol alan motoru da normal bağlantısı olan üçgene döndürüyoruz.
Bu yıldız üçgen yol verme şekli yüksüz ya da ağır şart olmayan uygulamalarda gayet yerinde bir uygulama olup şartlar ağırlaştıkça bazı sıkıntılar yaşatması ihtimali yüksektir. Yukarıda da anlattığım gibi yükün torku yıldız bağlantının torkundan yüksek olduğu durumlarda motor üçgene geçse bile kalkmaz boğulur.
Yıldız-üçgen bağlantıda görüldüğü gibi akım, gerilim ve torkun tam kontrolü yoktur. Zaman rölesinin ayarlanan zamanına göre değişen sabit değerleri vardır. Yıldızdan üçgene geçişlerde nominal akımın 20 katına kadar çıkabilen ani akım ve tork darbeleri oluşabilir ve bu da motorda ciddi zorlanmalar oluşturabilir.
Direkt yol vermede olduğu gibi yıldız-üçgende de motorun duruşu direkt olacaktır ve yine bu ani duruş motorun fazla zorlanmasına ve zamanla aşınmasına ve motorun kontrol ettiği yüklerde istenmeyen durumlara yol açabilir. (Örneğin bir konveyör hattında ani duruşlar konveyör üzerindeki ürünlerin kırılmasına, dökülmesine sebep olabilir)
Yumuşak yolverici ile yolverme
Yumuşak yolvericiler; asenkron motorların uçlarına uygulanan gerilimi kademeli olarak yumuşak ve kararlı bir hızlanma elde etmek için arttıran mikroişlemci ve tristör tabanlı cihazlardır. Her fazda birbirine ters bağlı tristörlerin gerilimi kontrol etmesi (başlangıçta yavaşça arttırması, duruşta ise yavaşça azaltması) ile yol verme süresindeki ani gerilim değişimleri engellenir ve başlangıçta çekilen demeraj akımı azaltılmış olur. Gerilim ayarlanan değerden nominal değere ulaşana kadar sürekli kontrol edilir. Direkt yol verme ve yıldız-üçgende olmayan gerilim kontrolü özelliği ile şebekede ani gerilim düşümleri yaşamaz ve kaliteli bir enerji elde etmeniz mümkündür.
Gerilim ile beraber, gerilimin bileşimi olan tork da sürekli kontrol edilir. Uygulamanın yüklü ya da yüksüz olduğun bakılmadan bu gerilim ve tork sürekli gözetim altındadır. Dolayısıyla mekanik yıpranma en aza indirilir, bakım masraflarınız azalır ve servis sürekliliğiniz sağlanmış olur.
Motor yol aldıktan ve nominal değerlerine ulaştıktan sonra artık yükümüzü yumuşak yolverici üzerinden beslememize gerek kalmamıştır. Bunun için yumuşak yolverici kontakları bypass edilerek, yük bir bypass kontaktörü üzerinden beslenir. Böylece yumuşak yolverici motor normal çalışma anında sürekli çalışmamış olur ve dolayısıyla tristörleri daha az ısınarak hem ömürleri uzatılır hem de şebekeye harmonik yayması önlenmiş olur. Duruş anında yumuşak yol verici tekrar yükü üzerine alır ve motoru yumuşak başlattığı gibi, yumuşak olarak da durdurmuş olur. Yani direkt ve yıldız üçgen bağlantının aksine yumuşak bir duruş da mümkündür.
Modeline ve markasına göre değişmekle beraber yumuşak yolverici bypass durumunda iken sisteme sürekli koruma sağlamaya devam eder.(Faz kaybı, aşırı akım, faz dengesizliği vs..)
İçyapı olarak yumuşak yolvericide bulunan elemanlar:
- Gerilimi tetikleyen tristörler
- Bu tristörleri kontrol eden mikroişlemcili kart
- Tristörlerin soğutmasında kullanılan fanlar
- Akımı ölçen akım trafoları
- Dahili bypass kontakları veya kontaktörü
- Modele ve markaya göre değişen dahili ya da harici ekran
- Tüm bu elemanları taşıyan kasa
olarak sıralanabilir.
Yumuşak yolverici devresinde bu ürünü koruyacak elemanlar kullanmamız gerekmektedir. Bu elemanlar nominal akıma göre seçilmeli ve konfigürasyon buna göre yapılmalıdır. Koruma için motor koruma şalteri, termik röle, devre kesici kullanılabilir. Kumanda için ise hat kontaktörü ve ihtiyaca göre buton ve sinyal lambaları ilave edilebilir.
Sürücü ile yol verme
Sürücüler, diğer bir ismiyle frekans konvertörleri iki bölümden oluşur. Birinci bölüm AC’yi (50 veya 60 Hz) DC’ye çeviren, ikinci bölüm ise DC’yi tekrar AC’ye (0-250 Hz) çeviren kısımdır. Sürücüler frekansı kontrol ederek motorun hız kontrolünü yaparlar.
Sürücüler yaygın kullanım alanı ve her geçen yıl gelişen teknoloji ile pazarda en fazla tercih edilen yol vericilerden biridir. Hızı kontrol etmeleri, yumuşak bir kalkış ve duruş sağlamaları ile mükemmele yakın bir performans sunarlar. Ancak hız kontrolü yapılmayacak ve sadece motora yol vermek için sürücü kullanılacaksa bu gereksiz bir maliyet doğurur. Aynı zamanda sürücüler sürekli çalıştıklarında ısınabilirler bazı durumlarda harici bir soğutmaya ihtiyaç duyabilirler. Bildiğiniz gibi sürücüler lineer olmayan uygulamalardır ve dolayısıyla sisteme harmonik yayabilirler. Bu harmonikleri elemine etmek için ek filtreler ye da ekranlı kablolar kullanmak gerekecektir.
Ototrafosu ile yol verme
Oto trafosununda yıldız üçgende olduğu gibi kalkış anında düşük gerilim uygulanarak motorun düşük akım çekmesi sağlanır. Oto trafoları gerilim ayarlaması yapan bir transformatör gibi çalışırlar. Kademeli olarak sarılan oto trafosunun sekonder ucundan alınan gerilim, motorun çalışma geriliminden daha küçük değerlere düşürülür.Böylece motora düşük gerilim uygulanmakta, dolayısıyla motorun yol alma akımı da düşmektedir.Motor yol aldıktan sonra trafo devreden çıkarılır. Bu yöntemle direk kalmada çekilen akımının dörtte biri çekilerek motorun kalkınması sağlanır. Direk yol vermede normal çalışma akımının 6 katı, yıldız üçgende 2 katı ve oto trafosunda 1.5 katı kalkınma akımı çekilir.
Direnç ile yol verme
Üç fazlı asenkron motorlara kademeli direnç ile yol vermede temel prensip, şebeke geriliminin bir kısmını yol verme direnci üzerinde düşürmek ve geriye kalan gerilimi motora uygulamaktır. Böylece motor ilk kalkınma anında aşırı akım çekmeden düşük gerilimle yol almış olur. Kalkınma akımını azaltmak için büyük güçlü motor devresine seri olarak ayarlı direnç bağlanır. Kademeli olarak ayarlanan direncin kademeleri sıra ile kontaktör kontakları tarafından devreden çıkarılır. Bu uygulamada tek kademe direnç kullanıldığında kalkınma akımı %50 civarında, çok kademeli direnç kullanıldığında ise kademe sayısına göre daha da fazla düşer.
Yolverme yöntemlerinin karşılaştırması
Yukarıda anlattığım 4 yol verme yönteminin aşağıdaki tabloda karşılaştırmalarını yapalım ve sistemlerinize uygun yol verme çözümünün yorumunu siz kullanıcılara bırakalım:
