Skaler Kontrol Yöntemleri

Makinanın hız kontrolünde, stator geriliminin genlik ve frekansının değiştirilmesi en uygun yöntemdir. Makinanın sürekli rejimde geçerli olan (5.1)' deki moment denkleminde bakıldığında, Rs=0 olması koşulu altında gerilim/frekans ( Vs / fs ) oranının sabit tutulması ile düşük hızlar

dışında makinanın hızının geniş bir aralıkta kontrol edilebildiği görülmektedir. Bu durumda makinanın oluşturabileceği denklem (5.9.1) ile verilen maksimum moment değeri tüm hız aralığında sabit kalacaktır. Makinanın bağlı olduğu kaynaktan çektiği akım da yine belli bir yük için tüm hız aralığı boyunca değişmeyecektir. Ancak bu yöntemde, stator geriliminin genliğinin az olduğu düşük hız bölgelerinde stator direnci önemli hale gelir. Motora nominal yükünün uygulanması durumunda, bu çalışma bölgesinde gerekli moment değerinin sağlanması için makinaya uygulanan gerilime oranla oldukça büyük değerde olan Rs Is gerilim düşümünün

de karşılanması gerekmektedir. Bu değer yol alma sırasında da önemli olup makinanın başlangıçta üretmesi gereken yol alma momentinin değerini etkilemektedir. Bu nedenle özellikle düşük hız bölgelerinde gerilimin genliği, bahsedilen gerilim düşümünü kompanze edebilecek şekilde gerilim/frekans oranının belirlediği değerden daha yüksek seçilmelidir. I.R kompanzasyonu olarak adlandırılan bu yöntem asenkron makinalar için sürücü imal eden firmalar tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır.

Motorda V_s ≈E_salınırsa, 4, 44V_s = f_sΦ_sN_s olduğundan /V_s f oranının_s sabit tutulması hava aralığı akısı Φ ' in sabit tutulması anlamına gelir. R_s s 'nin sıfırdan farklı olduğu düşünülecek

olursa bunu sağlamak için Vs stator gerilimi yerine, statorda endüklenen Es gerilimi ile frekans

oranın sabit tutulması gereği anlaşılır. I.R kompanzasyonu bir anlamda bunu sağlamaktadır. Düşük hız bölgeleri dışında gerilim/frekans oranı doğrusal alınabilir. Makina hızının, senkron hız değerinin üzerine çıkarılması için, makinaya nominal frekansının üzerinde bir frekans uygulanması gerekir. Bu durumda gerilim/frekans oranının sabit tutulabilmesi için gerilimin de artan frekansla artması gerekir, ancak sargı izolasyon problemleri nedeni ile uygulanan gerilimin nominal değerinin üzerine çıkması pek arzu edilmez ve bu nedenle makinaya uygulanan gerilim/frekans oranının sabit tutulması koşulu nominal frekansın üzerindeki değerlere karşılık olarak makinaya uygulanan gerilimin nominal değerinde sabit tutulması ile sonuçlanır. Stator geriliminin genlik ve frekansının bu bilgiler ışığında elde edilen değişimleri Şekil 5.9’da verilmiştir. Genel olarak doğrusal değişimden I.R kompanzasyon bölgesine geçmeyi gerektiren frekans değeri fsmin= 10 veya 15 Hz civarındadır.

Şekil 5.9 Gerilim/frekans değişim eğrisi

Endüstride asenkron motorların hız kontrolünde yoğun olarak kullanılan gerilim/frekans yönteminin gerçekleştirilebilmesi için makinanın beslendiği güç katının, değişken genlik ve frekansta gerilimler üretebilecek özellikte olması gerekir. Motoru besleyen şebeke sabit genlik ve

frekansta sinüzoidal gerilimler sağlamaktadır. Bu kaynaktan makinanın hız kontrolü için gerekli değişken genlik ve frekanslı sinüzoidal işaretler üreten güç elektroniği devrelerinden oluşmuş sistemlere genel olarak frekans çeviriciler adı verilmektedir. Bu çeviriciler genel olarak iki türlüdür:

a) Doğrudan frekans çeviriciler b) Ara devreli frekans çeviriciler

5.11 Doğrudan Frekans Çeviriciler

Doğrudan frekans çeviriciler her bir fazda biribirine zıt paralel bağlı tam veya yarım dalga kontrollü doğrultuculardan oluşur. Doğrudan frekans çeviricinin asenkron makinada uygulaması Şekil 5.10'te görülmektedir. Gerilim ve frekansın birlikte değiştirilebildiği bu çeviricilerde hız kontrol aralığı, boştaki anma hız değeri ile, bunun 1/3 'ü arasındadır. Hız aralığının geniş olmaması ve çok sayıda eleman gerektirmesi, bu sistemi ancak büyük güçlü tahrik sistemleri için uygun kılmaktadır. Tam dalga doğrultucu kullanılması durumunda 36 adet tristör gerekmektedir. Ancak, yüksek hızlı tristörler gerektiren eviricilerle kıyaslandığında daha düşük hızlı tristörlerin yeterli olduğu bu tip çeviriciler, kullanılan tristör sayının gerektirdiği kadar pahalı bir çözüm sunmamaktadırlar. Devrede biribirine zıt paralel bağlı üç faz tam dalga kontrollü doğrultulara yer almaktadır. Bu doğrultuculardan bir grubu pozitif (P), zıt paralel olan diğer grup ise negatif (N) olarak ayrılmıştır. Devrede yer alan birbirine zıt paralel bağlı doğrultucu grupların tetikleme açıları arasındaki ilişki, her bir açı bir paralel koldaki

doğrultucuya ilişkin olmak üzere 180o

p n

α +α = şeklindedir. Hız kontrolü için gerilim ve frekans değerlerinin değiştirmek amacı ile gerekli tetikleme açıları istenilen çıkış dalga şekline göre modüle edilerek elde edilir.

Şekil 5.10 Tam dalga doğrultucu gruplarından oluşmuş frekans çevirici

5.12 Ara Devreli Frekans Çeviriciler

Bağlı bulundukları şebekenin sabit genlik ve frekanslı sinüzoidal geriliminden değişken genlik ve frekanslı gerilim ve akımlar üreten ara devreli frekans çeviriciler asenkron makinanın hız kontrolünde yaygın olarak kullanılırlar. Bu çeviriciler yapı itibarı ile;

a) Girişte şebeke gerilimini doğrultan bir veya üç fazlı tam dalga kontrollü (tristörlü) veya kontrolsüz (diyotlu) bir doğrultucu,

b) Doğrultucuya bağlı bir ara devre, (Ara devrenin türüne göre seri endüktanstan oluşan akım ara devreli veya seri bir süzme endüktansı ve paralel bir kondansatörden oluşan gerilim ara devreli olabilir)

c) Eviriciden oluşur.

Ara devre çıkışında yer alan eviriciler ise, a) Kare dalga

b) Darbe genişlik modülasyonlu (Pulse Width Modulation, PWM) olmak üzere iki türlü olabilirler.

Bunun dışında darbe genlik modülasyonlu eviriciler de vardır, fakat farklı doğru gerilim seviyeleri gerektirdikleri için pek uygulama alanı bulmazlar. Ara devre tipine göre de frekans çeviriciler ikiye ayrılırlar;

b) Gerilim ara devreli çeviriciler

5.13 Akım Ara Devreli Frekans Çeviriciler

Özellikle büyük güçlü asenkron makinaların hız kontrolünde kullanılmaktadırlar. Sistemin bağlama düzeni Şekil 5.11'de gösterilmiştir. Devrede, akımın genliğini kontrol edebilmek için girişte kontrollü bir doğrultucu, ara devrede ise akımı süzmek için büyükçe bir seri endüktans yer alır. Eviricinin görevi sadece frekansı değiştirmektedir. Aynı zamanda, daha sonraki bölümde anlatılacağı gibi kontrol büyüklüğünün akım olması, doğrudan vektör kontrol yönteminin kolayca uygulanmasını mümkün kılar. Buna karşılık akımın genliğinin değiştirilmesi ara devrede yer alan büyük endüktans nedeni ile oldukça gecikmeli olarak gerçekleştirilmektedir. Yine akım genliğinin şebekeye bağlı kontrollü bir doğrultucu üzerinden gerçekleştiriliyor olması nedeni ile devre şebekeden bazı tetikleme açılarında hem oldukça harmonikli akımlar çeker hem de sisteme ilişkin cosφ değeri oldukça kötüdür. Bu tür devrelerde evirici katında yer alan tristörlerin kesime gitmesi eviricinin bağlı olduğu asenkron makinanın parametrelerine bağlıdır. Devre çıkışına motor bağlı olmadan çalışamaz. Ek kayıplara ve özellikle düşük hızlarda moment salınımlarına neden olan çıkış akımındaki harmonikler, darbe genişlik modülasyonlu bir evirici ile azaltılabilir. Ayrıca akım ara devreli çeviricinin frekans kontrol bölgesi dar olup ara devre endüktansı ve komütasyon kondansatörleri pahalıdır. Aynı zamanda birden fazla motoru tahrik etmek için kullanılamaz.