SİNCAP KAFESLİ ASENKRON MAKİNALAR

Rotorun üzerindeki oluklara gömülü olan çıplak bakır çubukların her iki uçtan halka boyunca birleştirilmesi ile (kısa devre edilmesi ile) oluşturulur. Asenkron generatörün statoru ise üç faz grubundan müteşekkil birçok sarıma yataklık yapar. Bu üç grup sargı fiziksel olarak stator etrafına yayılmıştır. Bu sargılar üzerindeki akım akışından dolayı rotor etrafında, çevresinde dönen bir manyetik alan oluşur ki bu manyetik alan asenkron makinenin en önemli çalışma özelliğini oluşturur. Dönen manyetik alanın açısal hızı aynı zamanda senkron hızdır. Buradaki senkron hızı N_s ile gösterirsek,

p N_s 60f

 f → frekans

p→ manyetik alan kutup çifti

N

Şekilde döner manyetik alan içerisindeki sincap kafes rotorlu asenkron makine görülmektedir.

Stator sargıları yüksek manyetik geçirgenliğe sahip bir nüve içerisindeki oluklara yerleştirilmiştir. Böylece yeterli miktardaki manyetik alan yoğunluğu düşük uyarma akımları ile elde edilebilir. Rotorda ise katı iletken çubuklar rotor nüvesindeki oluklara gömülmüşlerdir. Bu çubuklar her iki taraf uçları karşılıklı olarak iletken yüzükler tarafından birleştirilmişlerdir (kısa devre edilmişlerdir).

Asenkron Generatörün Çalışma Prensibi

Stator manyetik alanı Ns=60f/p senkron hızı ile döner. Döner manyetik alanı ile rotor arasındaki bağıl hız her bir rotor dönüşünde gerilim indükler. Çünkü stator  akıları, rotor tarafından kesilir. İndüklenen gerilimin genliği Faraday kanununa göre

dt

-d e 

22

22

→ rotor dönüşlerini kesen manyetik alan miktarı.

Bu indüklenen gerilim rotorda bir sirkülâsyon akımı oluşturur. Rotor akımı ile stator akısı arasındaki etkileşim bir momente neden olur. Bu momentin (Torque=T) genliği

2

₂ → rotor akımı ile rotor gerilimi arasındaki faz açısı I 2 → rotor çubuklarındaki akımın genliği

Rotor bu moment altında ivmelenecektir. Boşta çalışma durumunda (manyetik yük yok, sürtünmeler ihmal, sıfır direnç) rotor, stator döner alanı ile aynı hızda (senkron hızda) dönecektir. Bu hızda rotorda herhangi bir akım indüklenmez, dolayısı ile moment oluşturmaz. Yani bu noktada rotor dengede olup, sürekli olarak senkron hızda döner. Eğer rotor (fan gibi) mekanik bir yükü çalıştırıyor ise, yavaşlayacaktır. Fakat stator akısı her zaman senkron hızda döner ve rotora göre bağıl hız vardır. Sonuçta elektromanyetik olarak indüklenen gerilim akım ve moment rotorda üretilir. Buradaki moment (bu hızda) yükü sürmek için gerekli olan momente eşit olmak zorundadır. Makine bu durumda motor olarak çalışır.

Eğer rotora bir rüzgâr türbinine bağlarsak ve senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürürsek, rotorda indüklenen akım ve momentin yönü motor çalışma durumuna göre ters yönde olur. Bu durumda makine generatör olarak çalışır. Türbinin mekanik gücünü elektrik gücüne çevirir ve stator uçlarına bağlı yükü besler. Eğer makine şebekeye paralel olarak çalışıyor ile, şebekeye güç temin edecektir.

Yani makinenin generatör olarak çalışabilmesi için senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürülmesi gerekir. Asenkron makinelerde stator ile rotor arasında elektriksel bir bağlantı olmayıp, tamamen elektromanyetik endüksiyon prensibine göre çalışır. Asenkron makinenin çalışma prensibini transformatöre benzetebiliriz. Statordaki yüksek gerilim sargıları kendisi üzerinde kısa devre edilmiştir. Güç her iki sargı yönünde de akabilir. Rotor ile stator döner alanı arasındaki bağıl hızda transformatör prensibine göre açıklanabilir. Bu hız kayma indisi ile ifade edilir.(rotorun senkron hızdaki döner alana göre bağıl kayması), ve “s” ile gösterilir

-Nr/Ns

s: motor çalışmada pozitif, generatör çalışmada ise negatiftir.

23

23

“s” büyüdükçe elektromekanik enerji dönüşümü büyür. “s”(kayma) büyüdükçe elektriksel kayıpta artar. Elektriksel kayıp ısı şeklinde açığa çıktığından (işletme sıcaklığı kabul edilebilir limitler içerisinde tutabilmek için) bu ısının rotordan uzaklaştırılması gerekir. Bu ısı küçük boyutlu makinelerde fan ile uzaklaştırılabilir. Büyük boyutlu makinelerde su sirkülâsyonu ile yapılır.

Statora göre rotor akısı hızı : Ns=Nr+s.Ns

Asenkron Makinanın Hız-Moment Karakteristiği

Stator indirgenmiş asenkron makine eşdeğer devresi:

R1

Kaymaya bağlı “R2[(1-s)/s+” direnci elektromekanik güç dönüşümünü temsil eder.

Makinenin bir fazına ilişkin güç dönüşümü: I22

. R2[(1-s)/s]

3 güç dönüşümü: Pem=3. I².R2[(1-s)/s] [watt]

Mekaniksel moment: Tem=Pem/

24

24

Tem : Rotorda oluşan elektromekanik moment *Nt-m]

 : Rotorun açısal hızı=2.Ns. (1-s)/60 ; Pem ve , Tem ifadesinde yerine yazılır ise Tem=180/(2.Ns).I².(R2./s) [Nt-m]

Moment-hız veya moment-kayma karakteristiği “s” in belirli bir aralığı için çizilir ise aşağıdaki karakteristik elde edilir.

Kayma S"

"

1

Moment

2 -1

0

Lineer Bölge

Motor Çalışma

Generatör Çalışma

Frenleme Bölgesi

Eğer makine s>1 bölgesinde çalışıyor ise ve o anda makine ters yönde döndürülür ise (herhangi iki fazın yerleri değiştirilir ise), makine bütün gücü absorbe eder ve bu durumda fren gibi çalışır. Bu durumda I².R kaybı rotor iletkenlerinde ısı şeklinde açığa çıkar ve bu ısı sistemden uzaklaştırılmalıdır. Eddy (girdap) akımı frenlemesi bu prensibe göre çalışır. Acil durumlarda şebekeye paralel çalışan generatör, stator uçlarındaki 3 gerilimlerinin sırası değiştirilerek fren olarak kullanılabilir. Bu işlem manyetik akı dalgasının rotora göre dönüş yönünü değiştirir.

ÖRNEK:

6 kutuplu 50 Hz’li asenkron motor nominal gücüne kaymanın %3 olması durumunda ulaşmaktadır. Nominal güçteki rotor hızını hesaplayınız.

25

25 ÇÖZÜM :

Kendinden uyartımlı asenkron generatör:

Eğer stator, 3’lı uyarma akım sistemi ile birlikte dizayn edilirse milli rüzgâr türbinine ve dişli kutusuna bağlı olan makine başlangıçta motor olarak çalışmaya başlayacak ve senkron hızı yakalama yönünde hızını arttıracaktır. Rüzgâr hızı generatör miline senkron hızı aşacak seviyede etki edince, asenkron makine otomatik olarak generatör çalışmaya geçecektir ve elde edilen elektriksel gücü stator sargıları üzerinden şebekeye aktarılacaktır. Fakat tüm bu süreçte 3’lı mıknatıslanma akımı nereden temin edilmektedir. Eğer makine şebeke ile paralel çalışıyor ise, bu akım şebekeden temin edilir. Bununla birlikte, makine harici bir kondansatör bağlayarak makinenin ihtiyacı olan uyarma akımı şebekeye ihtiyaç olmaksızın sağlanmış olur.

Kendinden uyartımlı generatörün temel mantığı, stator uyarma sargısının sahip olduğu endüktans ile ilave edilen harici kondansatör arasında rezonans durumu oluşturmaya dayanır. Buradaki osilasyon frekans yani rotor uyarma frekansı harici kondansatör boyutuna bağlıdır. Buradaki kondansatör tek yönlü olarak rüzgâr türbin hızını kontrol imkanı verir.

C

L YÜK

Kafes Rotor

Stator Endüktansı

Harici Kondansatör

Şekil: Kendinden uyarımlı 1’lı asenkron generatörün L ile C belirli bir frekansta rezonansa girerek osilasyona neden olur

Not: Yukarıda verilen kayma ifadesi bu makine içinde aynen geçerlidir.

Örneğin senkron hızı 3000 dev/dk olan 2 kutuplu, 60 Hz asenkron generatör NR=(1–s)Ns

NR=[1– (–0,01)].3000 = 3030 dev/dk

Kayma yaklaşık %1 civarındadır. Generatör modunda olduğu için (–0,01) alınmıştır.

26

26

Not: Asenkron generatörün bir önemli avantajı da, ani ve sert rüzgâr değişimlerinde oluşacak şok darbeleri absorbe etme özelliği olmasıdır. Çünkü ani olarak rüzgâr hızının değişmesi, kaymanın da artması veya azalması ile neticelenir; bu özellik mekanik ekipmanlar üzerinde rüzgârın oluşturduğu şokların absorbe edilmesinde yardımcı olur.