Frekans Çeviriciler ve Asenkron Motorlar Üzerindeki Etkileri |
2. Bölüm

Önceki yazımda gün geçtikçe popüler hale gelen frekans çeviricilerin nimetlerinden faydalanmak için dikkat edilmesi gereken noktalardan, özellikle mil gerilimleri nedeniyle meydana gelen rulman arızalarından bahsetmiştim. Bu yazımda ise frekans çeviricilerin, motor sargıları üzerinde yarattığı streslerden söz edeceğim.

A- A+

12.08.2010 tarihli yazı 34501 kez okunmuştur.

Asenkron Motor Frekans Rulman Akım Gerilim PWM Güç Elektroniği

Günümüzde endüstriyel tesislerde kullanılan frekans çeviricilerin büyük bir kısmı PWM (Darbe Genişlik Modülasyonu) tekniğiyle çalışmaktadır. Buna göre,

Sürücü çıkış gerilim dalga şekli; sabit genlikli, ancak değişken süreli bir dizi kare dalga işaretten oluşmaktadır. Şekil 1'de bir sürü çıkışında ölçülen gerilim verilmiştir.

Şekil 1 : PWM tekniğiyle çalışan bir sürücü çıkış gerilim ve akım dalga şekli

Motora uygulanan bu gerilim neticesinde geçen akım Şekil 1'de verildiği gibi pikler içeren sinüs şeklindedir. Motora uygulanan gerilim daha geniş ya da daha dar palslerden meydana getirilebilir. Palsler daraldıkça, sürücü içindeki yarı iletken elemanların daha fazla açma/kapama yapması gerekecektir. Birim zamandaki açma kapama sayısı sürücü taşıyıcı frekansı olarak da adlandırılır. Taşıyıcı frekans arttıkça, motorda insan kulağının duyabileceği frekanslardaki (20 Hz – 20 kHz) titreşimler azalacağı için akustik gürültü azalır. Ancak yarı iletken elemanlardaki kayıplar artar ve sürücü daha fazla ısınır.

1990'lı yıllara kadar sürücülerde genellikle yarı iletken eleman olarak bipolar transistörler kullanılmaktaydı. Ancak IGBT (Insulated Gate Bipolar Junction Transistor)'lerin daha yüksek anahtarlama hızlarına çıkmayı kolaylaştırması, kolay kontrol edilmesi ve MOSFET'lerden daha yüksek akımları anahtarlayabilmesi neticesinde frekans çevirici uygulamalarında popüler olarak kullanılmaya başlanmıştır. Anahtarlama frekansının (taşıyıcı frekans) yükselmesi sürücü boyutlarını küçültüp, akustik gürültü problemlerini ortadan kaldırsa da birtakım yan etkileri de gündeme getirmiştir. Şekil 2'de bipolar transistör ve IGBT anahtarlama eğrileri verilmiştir.

Şekil 2: Bipolar Transistör ile IGBT anahtarlama frekanslarının karşılaştırılması

Şekil 2'den de görüldüğü gibi anahtarlama frekansının artışı sonucunda gerilim yükselme hızı (dv/dt) da artmaktadır. Verilen örnekte BJT yerine IGBT kullanıldığında gerilim yükselme süresi 10 kat azalmıştır. Gerilim yükselme hızı sürücü dizaynıyla ilgili olup kullanıcı tarafından değiştirilebilen bir parametre değildir. Ayrıca anahtarlama frekansının yükselmesi nötr ile topraklama iletkenleri arasında (common mode noise) gerilim artışına, hat üzerinde ve etrafında yayılan RF gürültüye neden olur.

Sürücü tarafından üretilen darbeli çıkış gerilimi, kullanılan kablo karakteristiğine bağlı olarak sürücüden motora doğru iletilir. Bu noktada, motor ve kablo endüktansı önem arz etmektedir. Genellikle motor ile sürücü arasındaki kablonun endüktansı, motor endüktansından çok daha küçük olduğu için sürücü tarafından uygulanan darbe (gerilim), motor bağlantı klemensinden geriye yansır. Şekil 3'te sürücü çıkışındaki ve motor klemensindeki gerilim dalga şekilleri verilmiştir. Buna göre, motor klemensindeki gerilim, darbe gerilimi genliğinin iki katına kadar yükselebilir. Meydana gelen aşırı gerilimleri hesaplamak için karmaşık eşitlikler ve birçok varsayımlar gereklidir.

Şekil 3: Sürücü çıkışındaki ve motor klemensindeki gerilim dalga şekilleri

Şekil 4' te çeşitli güçteki motorların ve bunlara ait besleme kablolarının karakteristik empedansları (surge impedance) verilmiştir. Buna göre, motor gücü arttıkça kablo empedansı ile motor empedansı arasındaki fark azalmaktadır. Dolayısıyla gerilim yansıması neticesinde meydana gelen izolasyon arızaları daha çok küçük güçlü (<22 kW) motorlarda meydana gelir.

Şekil 4: Çeşitli güçlerde motor ve besleme kablosu endüktansları

Motora uygulanan ve yansıyan gerilim bir araya gelerek yüksek gerilim mertebelerinin oluşmasına neden olur. Bu noktada kablo uzunluğu kritik önem taşır. Şekil 5'te kablo uzunluğu, anahtarlama süresi ve meydana gelen gerilim seviyesi arasındaki ilişkiyi gösteren eğriler verilmiştir. Buna göre gerilim yükselme hızı ve/veya kablo uzunluğu arttıkça daha yüksek gerilim pikleri meydana gelmektedir. Örneğin 50 ns gerilim yükselme hızı olan bir sürücü ile motor arasındaki kablo uzunluğu 10 metre ise, endüklenen pik gerilimler DC bara geriliminin iki katına ulaşmaktadır. 3 faz, 380V'luk bir şebekede sürücü DC bara gerilimi 513V seviyesindedir. Dolayısıyla gerilim pikleri 1kV'un üzerine çıkabilir.

Şekil 5: Kablo uzunluğu, gerilim yükselme hızı ve endüklenen pik gerilimler arasındaki ilişki

Buraya kadar sorunun nasıl meydana geldiğini anlatmaya çalıştım. Ancak önemli olan elektrik motorunun buna tepkisidir.

Asenkron motorların dizaynında ve kullanılan malzemelerin seçiminde NEMA (National Electrical Manufacturers Association) standartları belirleyici olmaktadır. NEMA MG1

– 1993 standardına göre 600V'un altında nominal gerilime sahip bir motor 1600V gerilime 0.1 mikrosaniyelik bir yükselme hızıyla dayanabilmelidir.

Motor sargıları ancak pik gerilim ya da yükselme süresi aşılırsa zarar görür. Eğer motor klemensinden yansıyan gerilim izin verilen maksimum gerilim seviyesini aşarsa 'Kısmi Deşarj' ya da Corona adı verilen olay meydana gelir. Buna göre motor iletkenlerinin etrafındaki hava iyonize olarak iletken hale gelir. Bunun sonucunda iki iletken ya da iletken ile toprak arasında küçük gerilim atlamaları görülür. Sargı izolasyonundaki çatlaklar mikroskobik olmasına rağmen, periyodik olarak tekrarlandığında motorun yanması ile sonuçlanabilir. NEMA standartlarına göre 600V'luk bir motorda Corona etkisinin başladığı gerilim (Corona Inception Voltage – CIV) 1600 V olarak belirlenmiştir. Motor izolasyonunda kullanılan emaye tabakasının içinde kalabilecek bir hava kabarcığı izolasyon dayanım gerilimini %20 – 35 oranında azaltabilir.

Pratikte sürücü kaynaklı arızaları azaltmak için neler yapılabilir?

► Sürücü ile motor arasındaki kablo uzunluğu mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır. 10 m'nin üzerindeki kablo uzunlukları aşırı gerilimlerin endüklenmesine neden olabilir.

► Besleme kablosu ve motor endüktansı arasındaki uyumsuzluğu gidermek için sürücü çıkışına reaktör adı verilen yüksek endüktanslı bobinler yerleştirilir. Böylece motor klemensinden yansıyan gerilimin miktarı azaltılabilir.

► Sürücü çıkış gerilim yükselme hızını azaltmak için dv/dt filtreleri kullanılabilir.

► Motor üreticileri tarafından son yıllarda frekans çeviriciler ile birlikte kullanılmaya uygun motorlar piyasaya sürülmüştür. Bu motorların temel özelliği daha dayanıklı sargı izolasyonlarına sahip olmalarıdır. Bu tip motorların kullanımı ile izolasyon arızaları azaltılabilir.

► Motor durum izleme ve erken uyarı sistemleri kullanılarak motor ve sürülen ekipmanın sürekli kontrol altında bulundurulması beklenmedik duruşların azaltacağı gibi, verimli sistem operasyonunun sürekliliğini de sağlar. Kestirimci bakım uygulamalarında en büyük sorunlar sensörlerin montajı ve elde edilen karmaşık eğrilerin yorumlanmasıdır. Günümüzde sadece motor akım ve gerilimini ölçerek ve motor üzerine herhangi bir sensör takılmasına gerek kalmaksızın motorda ve sürülen ekipmanda mevcut ve gelişen arızaları tespit edebilen cihazlar bulunmaktadır.

Referanslar :

► Thomas F. Lowery, Design Considerations for Motors And Variable Speed Drives, ASHRAE Journal, February 1999, syf 28 – 31.

► Riding the reflected wave to improve variable speed motor reliability, Reliance electric white paper, 1999.

► High Frequency Attenuating Cable for Protection of Low-Voltage AC Motors Fed by PWM Inverters Liming Zhou and Steven A. Boggs, IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 20, NO. 2, APRIL 2005.

► Monitoring Variable Frequency Drives (VFD), By William D. Walden, Ohio Semitronics, Inc.Revised December 28, 2004