KOCAELİ TEKNİK LİSESİ ELEKTRİK BÖLÜMÜ OTOMASYON ATÖLYESİ

(1)

KOCAELİ TEKNİK LİSESİ ELEKTRİK BÖLÜMÜ OTOMASYON ATÖLYESİ – www.kumanda.org

Doğru Akım Makineleri

Doğru akım makinelerinde manyetik alan endüktör dediğimiz gövdede bulunur. Sabit mıknatıs olabileceği gibi doğru akım verilen bobinlerden elektro mıknatıs olarak oluşabilir.

Motor olarak çalıştığında içerisinden akım geçirilerek manyetik alan dışına itilen ve bu sayede dönme hareketini gerçekleştiren veya manyetik alan içerisinde hareket ettirilerek üzerinde gerilim indüklenerek dinamo olarak çalışmasını sağlayan iletkenler endüviyi oluşturur. İletkenler üzerine oluklar açılmış saç paketleri üzerine sarılırlar ve birer uçları kollektörlere çıkarılmıştır.

(2)

Fırçalı doğru akım motorları 5-10 W dan yüzlerce KW’a kadar imal edilirler. Çalışma gerilimleri 5- 10V dan 700V a kadar çok çeşitli değerlerde olabilse de genellikle 6-12-24-48-50-110-220-500 V gibi standart değerlerde üretilirler imalat geriliminin çok küçük değerlere düşmesini engelleyen fırça ve kolektör düzeneğindeki oluşan gerilim düşümüdür. 700V un üzerine çıkılması durumunda kolektör dilimleri arası yalıtım problemleri çıkacak ve dilimler arası çalıştıkça kömür tozu dolması ile birlikte elektrik atlamaları olacaktır. Her ne kadar küçük güçlü fırçalı doğru akım motorları 12000 devirlere kadar imal edilse de fırça – kolektör düzeneğindeki mekaniki arızalar nedeni ile güçleri büyüdükçe 3000 devir/dk da imal edilirler. Doğru akım motorlarında devir asenkron motorlarda olduğu gibi kutup sayısına bağlı olmayıp kutup sayıları tamamen imalat yöntemlerine dayanır. 2 kutuplu bir motorda 2 adet fırça, 4 kutuplu bir motorda 4 adet fırça bulunur yani fırça sayısı kutup sayısı ile aynıdır. Küçük güçlerde endüvi reaksiyonu ve komitasyonu için genelde 4 kutuplu imal edilirler. Daha büyük güçlerde kutuplara sarılan iletkenin boyunu kısaltmak dolayısı ile maliyeti azaltmak için çok daha fazla kutup sayısında imal edilebilirler.

(3)

(4)

(5)

Doğru akım makinelerinin kutuplarına doğru akım uygulandığı için dökme demirden yapılabilirler.

Fakat endüvi kısmında alternatif akım indükleneceğinden fuko ve histerisiz kayıplarını azaltmak için endüvi kısmı tek tarafı yalıtılmış silisli saçlardan yapılırlar.

Demir Kayıpları

Elektrik makinelerin de alternatif alan içerisinde kalan makinenin demir aksamında genel adıyla demir kayıpları denen kayıplar oluşur. Makine gücünün %2-3 lük gibi küçük değerlikli olan demir kaybı iki şekilde oluşmaktadır.

(6)

Fuko kaybı

Değişen bir manyetik alana maruz kalan iletkende gerilim indüklendiğini görmüştük. Aynı şekilde makinenin demir aksamı da bu manyetik alana maruz kalmakta ve demir aksam üzerinde de bir gerilim indüklenmektedir.

Demir aksamda indüklenen bu gerilim demir aksam içerisinde kapalı bir devre akımı dolaştıracaktır (tek parça olduğundan). Demir aksam üzerinde oluşan bu girdap akımlarını küçültmen için elektrik makinelerinin değişen manyetik alana maruz kalan kısımları tek parça değil de 0.35-50 mm kalınlığındaki tek tarafları yalıtılmış (yalıtım püskürtülmüş ince lak tabakası ile sağlanmaktadır) soğuk çekme sac parçalarının peş peşe dizilmesi ile oluşturulur. Demir aksam birbirinden yalıtılmış ince parçalardan oluştuğunda içerisinde dolaşan fuko (kısa devre) akımları da en aza indirilmiş olur.

(7)

Histeresiz kaybı

Bir mıknatıs ne kadar küçük parçalara bölünürse bölünsün elde edilecek en küçük parçada bile N- S kutupları ile kendi başına bir mıknatıs oluşur. Demirin elektro mıknatıslanması da moleküler olarak küçük mıknatıslar halinde olacaktır. Sinisoidal eğrinin her (+) ve (–) alternansında bu küçük mıknatıslar kutup olarak yön değiştireceklerdir bu da 50Hz lik bir Alternatif gerilimde küçük mıknatısların 100 kez yön değiştirmesi anlamına gelir. Bu yön değiştirme sırasında oluşan moleküler sürtünme kendisini ısı olarak gösterecektir. İşte adına histeresiz kaybı dediğimiz bu kaybı en aza indirmek için saç paketlerini oluşturan demirin içerisine imalatı sırasında %2-3 lük silisyum katılır. Sacın kırılganlığını arttırıp işlemesini zorlaştıracağı için silisyum miktarı daha fazla arttırılmaz.

(8)

(9)

Endüvi sargıları çeşitli verilere göre yapılacak hesaplama ve şema çizimi ile bobinajcılar tarafından yapılacaktır.

Endüvi sarımına bir örnek

(10)

Doğru akım makinelerinin parçalarını şu şekilde sayabiliriz.

Endüvi, Endüktör, Fırçalar, Fırça taşıyıcıları, Kolektörler, Yataklar, Kapaklar, Gövde, Cıvata ve saplamalar, Klemens (Bağlantı) tablosu

(11)

Çok çeşitli yapıda doğru akım makinesi bulunabilmektedir. İlk görünüşte bu makineleri asenkron motorlardan ayıran özellik gövdelerinde petek şeklinde soğutucu olmayışıdır. Asenkron

motorlarda, gücün karşılanması gerekli işi yapılması için gövdedeki stator sargıları akım çekerek ısınırlar. Fakat doğru akım makinelerinde gövdeye bağlı olan kutup sargıları sadece sabit bir manyetik alan oluşturmakla görevli olduklarından yükten bağımsızdır ve bu nedenle ısınmazlar.

Doğru akım makinelerinde yüke bağlı olarak akım çeken kısım endüvi sargılarıdır bu nedenle büyük güçlü doğru akım makinelerinin endüvilerinin soğutulması için harici sistemler kullanılır.

(12)

(13)

Komütasyon

Doğru akım makinelerinde, endüvideki bir bobinde akımın, kollektör ve fırçalar yardımı ile yön değiştirmesi olayına komütasyon denir

(14)

Komütasyonu Bozan Etkenler : Komütasyonu bozan etkenler yalnız elektriki değildir. Fırçaların bastığı kolektörlerde şerare olarak görülen arkın nedeni mekaniki de olabilir. Bu bakımdan fırçalarda arkın görüldüğü zaman, mekanik nedenlerin var olup olmadığı kontrol edilmelidir.

(15)

Mekanik arızaların en çok rastlananı, kollektörün yuvarlak olmamasıdır. Bu durum özellikle büyük kollektörler için çok önemlidir.Çalışma anında kollektörde meydana gelen ısınmalar sonunda dilimlerde gevşemeler ve yuvarlaklığında bozulmalar olabilir. Bu bakımdan zaman zaman kollektör kontrol edilmeli, gerektiğinde torna edilmeli veya taşlanmalıdır. Bazı hallerde kollektör soğukken yuvarlak olur ve fakat ısınınca yuvarlaklığını kaybeder. Bu durumda kollektör ısıtılarak kontrol ve torna edilmelidir. Diğer bir mekanik hata da, dilimler arasındaki yalıtım mikalarının kolektör yüzeyinden taşmış olmasıdır. Bu gibi hallerde fırçalar kollektör yüzeyine iyi basamayacağından ark meydana gelir. Bunu önlemek için mikaların bakır yüzeyden 1—1,5mm. aşağıda olması sağlanmalıdır. Bu durum daha çok yumuşak fırçalı makinelerde olur. Fırçaların fırça tutucusuna bağlanışındaki bir hata veya kömür ile fırça yuvası arasındaki boşluğun fazla oluşu da arka neden olur. Fırça ile yuva arasındaki boşluğun fazla oluşu titreşimlere, az olusu ise kömürün ısınması sonunda sıkışmasına yol açar. Bu boşluk 0,2 — 0,4mm, dolayında olmalıdır. Fırçaların kollektör yüzeyine belirli bir basınçla basması gerekir, Bu basınç normal olarak 150 — 250 gr/cm² dolayındadır. Baskı bir yay ile sağlanır. İsletmede yay basıncı zamanla azalır ve arklara yol açar.

Bunun için arada bir yay basıncı kontrol edilerek yeniden ayarlanmalıdır. Kollektörün düzgün dönüsü için, endüvinin dinamik balansının yapılmış olması ve yataklarının iyi durumda bulunması gerekir. Bu husus özellikle Yüksek devirli makineler için çok önemlidir. Fırçalar arasındaki uzaklığın eşit olmaması ve kutuplarla endüvi arasındaki hava aralığının farklı olması, komütasyonun bozulmasına ve kollarda endüklenen geriliminlerin farklılığına, dolayısıyla iç devrede sirkülasyon akımlarının doğmasına neden olur. İyi bir komütasyon için fırçaların uygun nitelikte seçilmiş olması çok önemlidir. Komütasyonun zor olduğu hallerde geçiş direnci yüksek olan fırçalar kullanılır. Böylece komütasyondaki bobinde akımın yön değiştirmesi çok kolaylaşır.

Ayrıca, fırçaların kollektör yüzeyine uyacak şekilde alıştırılmış olması gerekir.

(16)

Yukarıda bahsi geçen balans olayını kısaca açıklayalım. Doğru akım motorlarında olduğu gibi dönen kısımlarında sargı olan elektrik motorlarında bobinlerin üst üste binmesinden dolayı her sargının iletken boyu dolayısıyla ağırlığı eşit olmayacaktır. Bu nedenle endüvinin çevresel merkezkaç kuvveti her yerde eşit olamaz.

Bu savrulma özellikle yüksek hızlardaki dönüşlerde rulmanlara dengesiz kuvvet uygulanmasına ve çok daha kısa sürede bozulmalarına neden olacaktır. Bu nedenle endüvilerin balans ayarı yapılarak ağır olan kısımların demir aksamından talaş kaldırarak hafifletilmesi veya hafif olan kısımlara çelik macunu ile ağırlık ilave edilerek dengesiz savrulmalar engellenmeye çalışılır.

(17)

Komütasyonu Kolaylaştırıcı Önlemler : Fırçaları kaydırmak,

Yardımcı kutup kullanmak

Fırça kaydırılarak komütasyonu kolaylaştırmak, daha çok küçük güçlü makinelerde yapım kolaylığı ve maliyet bakımından uygulanır.

(18)

Endüvi Reaksiyonu : Endüvi manyetik alanın, kutup alanına gösterdiği tepkiye endüvi reaksiyonu denir.

Endüviden geçen akımın meydana getirdiği manyetik alan ana kutupların oluşturduğu manyetik alanın bir bölümünde alan zayıflaması oluştururken, diğer bölümünde kuvvetlenme meydana getirir. Doğru akım makinesinin kutuplan arasındaki kuvvet çizgilerine dik olan eksene nötr ekseni denir. Normal olarak fırçalar, nötr ekseni üzerine konur. Fakat endüvi reaksiyonundan dolayı kutuplar arasındaki nötr ekseninde bir kayma meydana gelir. Dikkat edilirse nötr ekseni endüvi dönüş yönünde (α) açısı kadar kaymıştır.

Bu durum dinamo hali içindir. Motorlarda kayma, dönüş yönünün aksi yönündedir.

(19)

Endüvi Reaksiyonuna Karsı Alınan Önlemler:

Kutup ayaklarını tarak şeklinde yapmak Kutup ayaklarına oluklar açmak

Yardımcı kutup kullanmak

Kompanzasyon sargısı kullanmak

Yukarıda sayılan önlemler motorun imalatı ile ilgili olup motor bakımı sırasında yapılması gereken dinamo çalışma sırasında dönüş yönünde motor çalışmasında dönüş yönünün aksi yönde fırçalar ark en aza inecek şekilde kaydırılmalıdır.

Eğer doğru akım makinesini dinamo olarak çalıştırıyorsam benim için önemli olan elde ettiğim gerilim, eğer motor olarak çalıştırıyorsan devir sayısı önemlidir.

(20)

.

Doğru akım dinamolarında endüvide endüklenen gerilim:

n K

E = . q .

E = Endüvide endüklenen gerilim K = Sabit sayı

θ = Kutup (endüktör) manyetik akısı n = Devir sayısı

10

8

2 . . 60

.

2

_-

= a

Z K p

Doğru akım motorlarında devir sayısı:

q .

. K

R I

n = V

^a

-

^a ^a

n = Devir sayısı

Va = Endüviye uygulanan gerilim Ia = Endüvi akımı

Ra = Endüvi iç direnci K = Sabit sayı

θ = Kutup (endüktör) manyetik akısı Doğru akım motorlarında devir sayısını değiştirmek için:

q .

. K

R I

n = V

^a

-

^a ^a

Endüviye uygulanan gerilim değiştirilir Endüvi iç direnci değiştirilir

Kutup sargılarının gerilimi değiştirilerek manyetik alan şiddeti değiştirilir.

(21)

Endüvi gerilim ve akımı büyük olan motorlarda bu değerlerin değiştirilmesinin zor olması, Endüvi iç direncinin arttırılması durumunda ısı kayıplarının artması,

Nedenlerinden dolayı devir sayısının değiştirilmesinde daha çok endüvi akımına göre oldukça küçük değerlerde olan kutup gerilimi ile manyetik alan şiddeti değiştirilir.

Burada manyetik akı ile devir sayısının orantılı olduğuna dikkat ediniz.

(22)

Sabit mıknatıslı DA motorlar :

Kutup sargıları yerine manyetik alan sabit mıknatıslar tarafından sağlanmaktadır. Kutup manyetik akısı sabit olacağından dolayı devir sayısı endüvi gerilimi değiştirilerek ayarlanır.

(23)

Dışarıdan uyartımlı DA motorlar ve şönt DA motorlar :

Aralarındaki tek fark dışarıdan uyartımlıda kutuplar ayrı bir DA güç kaynağı ile beslenirken şönt motorda kutuplar endüviye uygulanan gerilim kaynağından beslenirler. Kutup sargısının özelliği ince kesitli çok sipirli (sarımlı) olmasıdır. Devirleri daha çok kutup gerilimi ile oynanarak manyetik alan şiddetinin değiştirtmesi ile ayarlanır.

(24)

Seri DA motorlar :

Endüvi sargıları ile kutup sargıları seri bağlanmıştır bu nedenle Seri motorun kutup sargıları şönt motorun kutup sargılarına kıyasla kalın kesitli az sipirli (sarımlı) dır.

Devir sayısını değiştirmek için kutup manyetik akısı değiştirilir. Bunun için ya kutup sargılarına paralel yol verme direnci bağlanarak kutuplardan geçecek akımın şiddeti iki kola ayrılarak değiştirilir veya kutup sargıları kademeli yapılırlar.

(25)

Kompunt DA motorlar :

Kompunt motor da kutup sargısı olarak şönt ve seri olmak üzere iki tip sargı bulunur. Kompunt motor istenirse şönt veya seri motor olarak da çalışabilir. Şönt sargı, endüviye paralel, seri sargı endüviye seri bağlandığında kompunt bağlantı yapılır. Kompunt motorda seri sargının manyetik akısı genellikle sadece devirdeki düşmeyi regüle edebilecek kadar birkaç sipirliktir. Seri sargı, sönt sargıyı destekleyecek veya azaltacak yönde bağlantı yapılarak kompunt motorların çalışma şekli (tipi) değiştirilebilir.

(26)

(27)

İster şönt, ister seri, ister sabit mıknatıslı, isterse kompunt olsun tüm motorların endüvi yapıları aynı olup aralarındaki fark kutup (endüktör) bağlantıları ile oluşmaktadır. Peki aralarındaki fark ne?

Bu motorlar arasındaki fark döndürme kuvvetlerinden yani momentlerinden kaynaklanmaktadır.

(28)

Doğru akım motorlarının devir regülasyonu açısından değerlendirilmesi :

q .

. K

R I

n V â - â â

=

Motor miline bağlı olan yükü arttıkça motorun şebekeden çekmiş olduğu akım “Ia” da artacaktır.

Motor yükü arttıkça;

Şönt ve dışarıdan uyartımlı motorlarda, Ia.Ra değeri artarak kesrin payını küçülteceğinden devir sayısı düşecektir.

Seri motorlarda kutup akımı ile endüvi akımı aynı olacağı için “Ia.Ra” değeri payı küçülttüğü gibi Ia akımı ile “Θ” değeri büyüyerek paydayı büyütecektir. Bu durumda yüke bağlı olarak devir çok fazla düşecektir.

Kompunt motorlarda seri ve paralel sargı iki şekilde bağlanabilir her iki bağlantı türü için devir regülasyonu ayrı ayrı değerlendirilmelidir.

(29)

(30)

Eklemeli kompunt : Paralel sargı ile seri sargının manyetik alanları aynı yönde olup birbirlerini takviye etmektedir.

) .(

s ş

s a

a a

K

R R

I n V

q q +

+

= -

Eklemeli kompuntta motor akımı arttıkça “Ia . (Ra + Rs)” kesrin payını küçültecektir. Ayrıca “Ia” nın artması ile seri sargının manyetik alanı yani “Θs” de artacağından “(Θş+Θs)” payda büyüyecek sonuçta n devir sayısı düşecektir

Ters kompunt : Paralel sargı ile seri sargının manyetik alanları zıt yönde olup birbirlerini azaltmaktadır.

) .(

s ş

s a

a a

K

R R

I n V

q q -

+

= -

Ters kompuntta motor akımı arttıkça “Ia . (Ra + Rs)” kesrin payını küçültecektir. Ayrıca “Ia” nın artması ile seri sargının manyetik alanı yani “Θs” de artacağından “(Θş-Θs)” den toplam manyetik alan azalacaktır ve payda da küçülecektir. Sonuçta pay ve paydadaki bu iki azalma kısmen birbirini dengeleyeceği için n devir sayısı yüke bağlı olarak çok fazla değişmeyecektir.

(31)

Doğru akım motorlarında devir yönünün değiştirilmesi:

Devir yönü iki şekilde değiştirilebilir.

Kutup akım yönü sabit tutularak endüvi akım yönü değiştirilerek.

Endüvi akım yönü sabit tutularak kutup akım yönünü değiştirerek.

Kutup akım değeri endüvi aklım değerine göre oldukça küçük değerde olduğu için kutup akım yönü değiştirilerek devir yönü değiştirme tercih edilen bir yöntemdir. Sabit mıknatıslı motorlarda kutup yönü değiştirilemeyeceği için endüvi akım yönü değiştirilir.

(32)

Doğru akım motorlarında klemens adlandırması şu şekildedir;

Endüvi ( Armatür ) uçları : A1 – A2

Şönt sargı uçları : E1 – E2 veya F1 – F2 Seri sargı uçları : D1 – D2 veya S1 – S2

Komitasyon sargı uçları : B1 – B2 ve C1 – C2

.

(33)

Yarı iletkenler ile hız kontrolü :

Kontrollü doğrultucu tiristör: Doğrutma devrelerinde kullandığımız diyotlar Anod bacağına artı, Katod bacağına eksi polarite verildiğinde iletime geçmekteydi. Tiristörlerde ise doğru polarite vermek tristörü iletime geçirmek için yeterli değildir. Tiristörü iletime geçirebilmek için geyt bacağına da artı polarite verilmesi gerekmektedir. Alternatif gerilimin doğrultulması sırasında geyt bacağına verilecek olan tetikleme sinyali zamanının (açısının) değiştirilmesi sayesinde elde edilecek tam veya yarım dalga doğrultulmuş gerilimin dalga şekli değiştirilerek geriliminde değeri değiştirilmiş olur.

q .

. K

R I

n = V

^a

-

^a ^a

Devir formülünden de görüleceği üzere motora

uygulanan gerilimin arttırılması ile devir yükselmekte,

azaltılması ile düşmektedir.

(34)

Fırçasız doğru akım motoru (brushless dc motor)

Fırça ve kollektör düzeneği mekanik sorunları yüzünden doğru akım motorları için bir dezavantaj oluşturmaktadır. Peki fırçasız ve kollektörsüz doğru akım motoru olabilir mi? Eğer endüvi ve endüktörün görevleri (yerleri) değiştirilirse bu mümkün. Endüktör (kutuplar) sadece manyetik alan oluşturmaktaydı. Eğer Endüviyi (dönen kısmı) sabit mıknatıstan yapacak olursak endüviye fırça ve kollektör düzeneği ile akım vermek zorunluluğu ortadan kalkmış olur. Normalde endüvide olması gereken sargılar da sabit kısma (endüktör) sarılarak fırçasız doğru akım motoru oluşturulur.

Fırçasız doğru akım motoru ile sabit mıknatıslı doğru akım motorunu birbiri ile karıştırmayınız.

Sabit mıknatıslı motorda sabit mıknatıs kutuplar duran kısım endüktörde, fırçasız doğru akım motorunda ise kutuplar sabit mıknatıs olarak dönen kısım olan endüvidedir.

(35)

sabit mıknatıslı doğru akım motoru fırçasız doğru akım motoru

.

(36)

Doğru akım motorunun etiketinin okunması:

(37)

(38)

Niçin doğru akım motorları?

Formülünden görüleceği üzere doğru akım motorlarının devir sayıları kolaylıkla değiştirilebilmektedir. Yarı iletken teknolojisinin bu kadar gelişmiş olmadığı eski tarihlerde endüvi veya kutup sargıları önüne konan yol verme dirençleri (reosta) ile devir sayıları değiştirilmekteydi.

Yol verme sırasında dirençler üzerinde ısı şeklinde bir güç kaybı olsa da kağıt sarma, tel çekme haddeleme gibi devir sayısının değiştirilmesi gereken işletmelerde kullanılmaktalar dır. Fakat doğru akım motorlarının verimlerinin düşük olması, doğru gerilimin iletim zorluğu, fırça ve kollektör mekanik yapısının çok çabuk yıpranması ve sık sık bakım gerektirmesi, bu bakımlar sırasında oluşan üretim kayıpları bu motorlar için çok büyük dez avantajlar oluşturmaktaydı. Artık yarı iletken teknolojisindeki ilerlemeler ve yarı iletken fiyatlarındaki düşmeler nedeni ile doğru akım motorlarının yerini alternatif akım motorları almıştır.

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

(47)

KOCAELİ TEKNİK LİSESİ ELEKTRİK BÖLÜMÜ OTOMASYON ATÖLYESİ

n K

E = . q .

10

2 . . 60

.

2

= a

Z K p

q .

. K

R I

n = V

-

q .

. K

R I

n = V

-

q .

. K

R I

n V a - a a

=

) .(

) .(

K

R R

I n V

q q +

+

= -

) .(

) .(

K

R R

I n V

q q -

+

= -

q .

. K

R I

n = V

-

n V â - â â