TEKNİK BÜLTEN
AC, DC ve EC Motor Tanım ve Karşılaştırmaları
Sayı 04 Ocak 2020
Murat ÖZER
AC (Alternatif Akım) Motorlar
Mil dönme hızı sabit olmayan (asenkron) motorlar, stator ve rotor olmak üzere iki temel bileşenden oluşur.
Stator motorun sabit parçasını oluşturur. Statorda stator çekirdeği ve alan sargıları bulunur. 3 fazlı asenkron motorların statorlarında her 3 faz için birer ayrı sargı bulunmaktadır. Rotor ise motorun dönen parçasıdır.
Bilezikli asenkron motorların rotorlarında sargı, sincap kafesli asenkron motorların rotorunda ise kısa devre edilmiş baralar bulunur. Endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan asenkron motor tipi sincap kafesli asenkron motordur.
AC motorların performans eğrisi üzerinde belirli bir noktayı çalıştırması amaçlanmıştır. Bu noktanın dışında, motorun verimliliği önemli ölçüde düşer. AC motorlar, rotorda bir akım indükleyerek manyetik alan oluşturmak için ek enerji tüketir. Sonuç olarak, AC motorlar DC motorlardan daha az verimlidir. DC motor, bakır sargılar yerine kalıcı mıknatıslardan üretilen ikincil manyetik alan nedeniyle AC motorlardan% 30 daha verimlidir.
Asenkron motorlarda hava aralığında oluşan döner alanın frekansı ile rotorun dönme frekansı aynı değildir.
Bu motorlar bu sebep ile asenkron olarak adlandırılmaktadır. Hava aralığındaki döner alanın frekansı, motorun besleme frekansı ve kutup sayısına bağlı olup motorun yükü ile değişmez iken rotorun dönme frekansı yüke bağlı olarak değişmektedir. Motorun çalışma bölgesinde yük arttıkça motor devir sayısı düşer, yük azaldıkça devir sayısı artar. Motorun devir sayısı boşta çalışmada en yüksek seviyededir. Asenkron motorun devir sayısı, döner alanın devir sayısını aşamaz. Döner alanın devir sayısı aşağıdaki şekilde hesaplanır:
N = 120 x F / P
N: dönen alanın devir sayısı (rpm) F: besleme frekansı (Hz)
P: Stator sargısının kutup sayısı (adet)
Bu hesaba göre 2 kutuplu motor 3.000 rpm; 4 kutuplu motor 1.500 rpm; 6 kutuplu motor 1.000 rpm olarak adlandırılır.
Özetle AC Motorlar;
• Statör sargıları tarafından manyetik alan yaratılır ve bu alan rotordaki akımı meydana getirir.
• Motorun hızı, şebeke gerilimi frekansına ve motor kutbuna bağlıdır.
• Yaratılan manyetik alan tarafından sürülen rotor, bu alan ile aynı hızda hareket edemez. Bu sebepten ötürü AC motorlarda kayma kayıpları oluşur.
• Hız kontrolü, voltajın regüle edilerek kaymanın arttırılması mantığı ile gerçekleştirilir. Hız kontrolü için voltaj düştükçe, kayıplar artar.
• Alternatif akımın sinüs dalga formu nedeniyle döner alan yaratan AC motorlar, akım yönü değişimi için başka anahtarlama iletkenlerine ihtiyaç duymadığı için motor sesi anlamında sessizdir.
• Kullanım ömrü, yatakların ve dolayısıyla kullanılan rulmanın ömrü ile sınırlıdır.
DC Motorlar
Doğru akım motorları (Direct Current), DA motor da denilmektedir, duran ve dönen kısımlardan oluşmaktadır. Duran kısma stator, dönen kısma rotor denmektedir. Motorun içinde yer alan sargılara elektrik akımı uygulandığında, yine motorun içerisinde bulunan sabit mıknatıslara zıt yönde oluşan manyetik kuvvetin etkisi ile hareket etme prensibine dayanır. Bu akımın yönünün, sürekli olarak sabit mıknatısa ters manyetik alan oluşturacak şekilde değiştirilmesi gereklidir. Bu değişim, fırçalı motorlarda motorun sarımlarına temas eden fırçalarla yapılırken, fırçasız motorlarda ise elektronik hız kontrol devresi tarafından yapılır.
Özetle DC Motor;
• Statör manyetik akıyı yaratır.
• Rotor bir sabit mıknatıstır ve stator ile senkronize döner.
• Stator sargılarındaki akım yönü, manyetik alan pozisyonuna göre(rotorun pozisyonuna göre) elektronikler aracılığı ile anahtarlanır.
• Kullanım ömrü yataklama ömrü ile sınırlıdır (rulman ömrü).
• Motorun hızı, besleme geriliminin değiştirilmesi veya mikroişlemciye gönderilen referans sinyaller ile olabilir.
• DC motorların kullanımı için ayrı bir DC gerilim kaynağı gerekecektir. Şebeke gerilimi gibi yüksek güçlerde elde edilmesi kolay ve yaygın bir gerilim değildir.
DC motorların, AC motorlara göre daha verimli olmasının sebepleri;
• AC motorlarda, statör sargılarındaki manyetik alan ve rotorda yaratılan indükleme akım gücü, sarım sayısına bağlıdır. DC motorda, rotor tarafında bu şekilde bir indükleme gerekmediği için daha az sargı ile tasarım yapılır ve verim artar.
• Asenkron motorun kayıpları daha fazladır. Bu kayıplar yüzünden hem enerji verimsiz kullanılır hem de kullanılamayan enerji ortama ısı olarak yansır. DC motorlar ise senkron oldukları için kayıplar azdır ve bu sebepten daha yüksek ömürlüdürler.
• Mikroişlemci kontrollü DC motorlar ile; güncel hızı izleme, alarm çıkışları, basit hız kontrolü ve soft start sağlanabilecek bazı ek özelliklerdir.
EC Motorlar
Harici elektronik devre kartı tarafından kontrol edilen DC fırçasız motorlardır. Bu daha fazla kontrol ve daha yüksek verimlilik sağlar.
EC’nin anlamı “Electronically Commutated” yani elektronik değişkenli DC (doğru akım) motordur. Burada değişkenle anlatılmak istenen; elektrik akımının yönünün geriye veya ileriye elektronik olarak değiştirilmesidir.
Geleneksel AC motorlarda bu, mekanik olarak yapılmaktadır. EC motorlar sabit mıknatıslı olup, akıma göre dönüş yönünü elektronik olarak ayarlar. Bu nedenle, AC (alternatif akımla çalışan) motorlarda olduğu gibi akım değişmelerinde güç kaybına neden olmaz. Alternatif akım, sürekli olarak negatiften pozitife ve sonra tekrar negatife dönen şekilde bir eğridir. Motorun içindeki bu dönme veya değişiklik motoru hareket ettiren manyetik itme alanlarını oluşturur. Alternatif akımlı motorlardaki bu kayıp verimsizliğe ve motorda ısınmaya neden olur. EC motorlarda bakır, demir ve sürtünme kayıpları daha az olduğu için daha verimlidirler.
EC Motor Avantajları
Daha verimli
Düşük işletme ve bakım maliyeti
Düşük ses seviyesi
Düşük ısı kayıpları, daha az aşırı ısınma riski
Küçük boyutlar
Kolay kontrol
İstenilen çalışma noktasına uygunluk
Kontrol ünitesinin motorun üzerinde olması
Uzaktan kumanda imkanı
Değişken hızlarda verim kaybı ve ses seviyesi artışı olmaması
0-10V DC ile kontrol edilebilmesi.
• EC motor şebeke gerilimi ile sürülebilen bir fırçasız DC motordur. Entegre elektronik grubu olarak bilinen motor arkası kısım, şebeke gerilimi olan alternatif akımı, direk akıma çevirmek ve hız kontrolü için gerekli komütasyonu sağlamak ile görevlidir.
• Motor bobinlerinde bulunan voltaj, genel olarak yüksek DC gerilimdir.
• 1-2 veya 3 çekirdekli veya fazlı sargılar kullanılabilir.
EC motorların, AC motorlara göre daha verimli olmasının sebepleri (DC motorun avantajları ile benzerlik gösterir);
• AC motorlarda, statör sargılarındaki manyetik alan ve rotorda yaratılan indükleme akım gücü, sarım sayısına bağlıdır. EC motorda, rotor tarafında bu şekilde bir indükleme gerekmediği için daha az sargı ile tasarım yapılır ve bu verimi arttırır.
• Asenkron motorun kayıplar daha fazladır ve bu yüzden daha verimsiz çalışır. Bu kayıplar yüzünden hem enerji verimsiz kullanılır hem de kullanılamayan enerji ortama ısı olarak yansır. DC motorlar ise senkron oldukları için kayıplar azdır ve bu sebepten daha yüksek ömürlüdürler.
• Mikroişlemci kontrollü DC motorlar ile güncel hızı izleme, alarm çıkışları, basit hız kontrolü ve soft start sağlanabilecek bazı ek özelliklerdir.
• 3 fazlı EC motor, düşük devirlerde bile AC motorlardan daha sessizdir.
EC Motorun Diğer Üstünlükleri
• Geniş voltaj besleme aralığı 1~200..277VAC or 3~380..480VAC.
• 50Hz or 60Hz’de çalışabilme.
• Faz sırasının tam olarak bilinmediği bölgelerde ters yöne dönüşü ortadan kaldıran motor yapısına sahip, bu nedenle motor doğru yönde dönüşü garanti eder.
• Sistemde veya uygulamada kullanılan komponent sayısını azaltan kolaylıklara sahip olabilme.
• En verimli hız kontrol ve motor sürme yöntemi olması nedeniyle anahtarlama kaybı ve ısı kaybı çok düşüktür.
• Evrensel olarak kabul görmüş standart analog ve dijital arayüzler ile kullanım.
• Entegre kontrol ara yüzü sayesinde sabit debi veya sabit basınç sağlayacak şekilde çalışabilme.
ERP & ECO Design
• 125 Watt – 500 kW arası güce sahip fan motorlarının, direktifin öngördüğü belirli bir statik verimi aşması beklenmektedir. Limit verimi geçemeyen ürünler CE markalamasına sahip olamayacak ve AB pazarına girişi engellenmiş olacaktır. Bu nedenle bu regülasyon fan motoru üreticilerini direkt, bu fan motorları kullanan müşterilerini ise endirekt olarak etkilemektedir.
Standart hızda çalışma durumunda, geleneksel motorlara oranla bazı motor kayıplarının EC motorlarda bulunmaması nedeniyle ortaya çıkan minimal verim farkı, değişken yüklerde çalışma durumunda yani hız kontrolü gerçekleştiğinde daha belirgin hale gelmektedir.
Basit bir PLC ya da sensörden gelen 0-10 VDC analog sinyal ile hız kontrolü yapıldığını düşünürsek, farklı hız kontrol metodları ile sürülen motorlarda ortaya çıkan harmoniklere bağlı gürültüler EC teknolojisinde ortaya çıkmıyor.
Bunun beraberinde, fanın istenen kapasite için devrinin düşürülerek çalıştırılması, devir değişiminin küpüyle orantılı olarak enerji tüketiminin azalmasını sağlayacaktır. Geleneksel asenkron motorlu ve hız kontrolüne sahip olmayan uygulamalarda, değişken kapasite ihtiyaçları fanların kaskad çalıştırılması ile çözümlenmektedir. Böylece, hava debisi ihtiyacı %50 azalırsa, fanların %50 ‘si kapatılır ve enerji tüketimi öngörülen kurulu gücün yarısına düşer. Karşılık olarak, EC fanlı bir uygulamada ise istenilen hava debisi, tüm fanların devrede tutulması ancak devirlerinin nominal devirin yarısına düşürülmesi şeklinde elde edilir.
Geleneksel teknolojiye sahip bir fan sisteminin, hız kontrollü çözümünü incelediğimizde; ana sistem elemanları fan, motor ve invertör olarak dikkate alınabilir. Beraberinde kullanılan bazı yardımcı elemanlar ise yüksek kapasiteli motorların sürülmesi sırasında bozulan dalga formunu korumak için sinüs filtre, blendajlı kablo, harici topraklama veya motor koruma üniteleridir.
Panolu olan EC motor uygulamalı klima santrallerinde pano için bırakılması gereken boşlukların küçülmesi de bir diğer önemli avantajdır.
