Stator Geriliminin Değiştirilmesi İle Yapılan Hız Kontrolü

Stator geriliminin değişimine dayanan bu yöntemde hız, makinanın sabit nominal yükü ile yüklenmesi durumunda gerilimin frekansı ile belirlenen senkron hız değeri ile devrilme momentine karşı düşen hız değeri arasında değiştirilebilir. Moment-hız karakteristiği Şekil 5.1'de

verilen standart bir makinada bu aralık oldukça dardır. Yani hız sadece senkron hız ile bu hızın yaklaşık %10 'u kadar daha düşük bir değer arasında değiştirilebilir. Yöntemin diğer bir sakıncası da denklem (5.5.1) ve (5.5.2)'deki moment ifadelerinden de görüldüğü gibi, Vs 'nin

değiştirilmesi ile makinanın oluşturabileceği moment Vs 'nin karesi ile değiştirilmektedir.

Makinaya uygulanan gerilimin genliği sargıların izolasyonu nedeni ile 0 < Vs < Vsn aralığında

değiştirilebilir. Diğer büyüklükler sabit kalarak stator geriliminin genliği ile makinanın üreteceği moment arasındaki ilişki kareseldir. Bu ilişkiyi aşağıdaki biçimde göstermek mümkündür.

2 ,max ,max e m s M = −k V 2 e m s M = −k V (5.6) 2 ey my s M = −k V

Burada momentin negatif olması, asenkron motorun dış sisteme moment uygulaması ve mekanik enerjinin çıkış enerjisi olmasıdır. Bu ifadelerden de görüldüğü gibi makinaya uygulanan gerilimin yarıya düşmesi momentin ¼’üne düşmesine neden olmaktadır.

Buna karşılık gerilimin genliğinin değiştirilmesi, ne makinanın maksimum momentinin oluştuğu devrilme kayması değerini, ne de senkron hız değerini etkilemektedir. Bu nedenle hız kontrol aralığı sabit yük momenti durumunda oldukça dardır. Makina ancak üretebileceği maksimum momentine (devrilme momenti) kadar yüklenebilir. Makinanın söz konusu yükle çalışabilmesi için ürettiği moment sürekli rejimde yaklaşık olarak yük momentine eşit olmalıdır. Motor yük momentinden küçük bir moment üretebiliyorsa söz konusu yükü kaldıramaz ve hızı sıfıra gider. Yine sabit yük için stator gerilimi değişim aralığı Vsmin < Vs < Vsn olup Vsmin için

aşağıdaki ifade yazılabilir.

2

,max ,max min min

,max y e y m s s m M M M k V V k = = − → = (5.7)

değişim makinanın ürettiği momentte, karesel ilişki nedeniyle büyük bir değişim oluşturmaktadır. Bu nedenle stator gerilimi ancak dar bir aralıkta değiştirilebilir.

Stator geriliminin değiştirilmesi ile yapılan hız kontrolü, hız kontrol aralığının dar olması nedeniyle sabit yük momenti karakteristiğine sahip yüklerin değişken hızlı tahrikine uygun değildir. Ancak hızın karesi ile orantılı yük momenti üreten fan tipi yüklerin yer aldığı kısıtlı bir uygulama için elverişlidir. Makinanın ürettiği momentin yük momentine eşit olduğu nokta kararlı bir nokta ise makina söz konusu noktadaki moment ve hız değerinde kararlı olarak çalışabilir. Makinanın ürettiği momentin hıza göre değişiminin, yük momentinin hıza göre değişiminden daha az olduğu noktalar kararlı noktalar olarak tanımlanır, yani motorun kararlı çalışabilmesi için ∆M_e/∆ < ∆ω M_y /∆ olmalıdır. Bunun anlamı ω arttıkça Mω y’ nin,

Me 'den daha fazla artarken, ω azaldıkça Me' nin My 'den daha fazla artması gerekliliğidir.

Diğer bir değişle moment-hız karakteristiğinde endüklenen momentin eğimi, artan hıza göre yük momentinin eğiminden küçük, azalan hıza göre ise büyük olmalıdır.

Şekil 5.2 Stator geriliminin genliğinin değiştirilmesi ile elde edilen moment-kayma karakteristiği

Şekil 5.2' de verilen moment-kayma karakteristiğine sahip bir elektrik makinası, biri My=19

Nm' lik sabit, diğeri ise hızın karesi ile orantılı olan My = ky ω2 (ky: yük momenti sabiti)

şeklindeki fan tipi bir yük olmak üzere iki farklı yük momenti ile yüklenmiştir. Makinanın çalışma noktaları fan tipi yük için A, B, C, D ve E iken, sabit yük momenti için ise A, F, G, H ve K noktalarıdır. Farklı noktalar makinanın hız kontrolü için geriliminin değiştirilmesi ile elde edilen farklı moment-kayma karakteristiklerine karşı düşmekte olup bu karakteristikler 1,2,3,4 ve 5 şeklinde numaralandırılmışlardır. Makinanın sabit bir yük ile yüklü olması durumuna ilişkin gerilim ayarlı hız kontrolünde 220 V, 170 V ve 130 V a karşı düşen 1,2 ve 3 numaralı moment-kayma karakteristikleri ile sabit yük momentinin kesim noktaları olan A, B ve F, kararlı çalışma noktaları oluştururken, G, H ve K noktaları karasız çalışma noktalardır. Bu örnekten de tekrar görüldüğü gibi sabit yük momentlerinde gerilim genliğinin değiştirilmesi ile hız ancak ns<n<nd şeklindeki dar bir aralıkta kontrol edilmektedir. Buna

karşılık aynı motorun hızın karesi ile değişen fan tipi bir yük momenti ile yüklü olması durumunda A, B, C, D, E ve F noktaları kararlı çalışma noktaları oluşturacak ve makina bu noktalardaki moment ve hız değerlerinde çalışacaktır. Görüldüğü gibi, bu duruma karşı düşen S1, S2, S3, S4 ve S5 kayma değerleri ile oldukça geniş bir hız kontrol aralığı elde edilmektedir.

5.3 Kutup Sayısının Değiştirilmesi İle Yapılan Hız Kontrolü

Asenkron makinanın senkron hızı (boştaki nominal hızı) ns, stator geriliminin frekansına ve makinanın stator sargılarının kutup sayısına bağlıdır.

60 _s s f n p =

ifadesinden de kolayca görüldüğü gibi kutup sayısını değiştirmek senkron hızı doğrudan etkilemektedir. Kutup sayısı arttırıldıkça motorun senkron hızı azalacaktır. Genelde bu şekilde yapılan hız kontrolü ancak kademeli olarak yapılabilir ve genelde bu yöntemle motorun hızı 1/2 veya 1/3 oranında değiştirilebilmektedir. Örneğin nominal frekansı 50 Hz olan 2p=4 kutuplu makinanın senkron hızı ns= 1500 dev/dak iken aynı makinada kutup sayısı 2p=8 yapıldığında

ns = 750 dev/dak olacaktır. Bu işlemin yapılabilmesi için stator faz sargıları, kutup sayısı

değiştirilebilecek şekilde özel yapılı olmalıdır. Kutup sayısını değiştirme sayısının arttırılması motorun hızındaki değişimlerde yer alan kademeleri arttırmakla beraber genelde bir sargıdan ikiden fazla farklı kutup sayısının elde edilmek için kullanımı gerekli anahtarların karmaşası nedeniyle çok uygun değildir. Bu nedenle farklı sargı kullanılmasını gerektirir ki bu da yöntemin ekonomik olmadığını göstermektedir. Şekil 5.3'te aynı faz sargısıyla toplam 4 ve 8 kutuplu bir bağlantı görülmektedir. Endüstride en çok 2, 3 ve 4 hızlı motorlar kullanılır.

Şekil 5.3 Üç fazlı stator sargısının (a) 2p=8 kutuplu (b) 2p=4 kutuplu bağlantısı