Doğru Akım Elektrik Makinelerinde Komütasyon ve Endüvi Reaksiyonu Nedir?

Doğru Akım Elektrik Makinelerinde karşımıza çıkan akımın yön değişikliğine komütasyon, manyetik akı dağılımının bozulmasına ise endüvi reaksiyonu deniyor. Peki bu 2 kavram nedir? Nasıl oluşurlar ve ne gibi tedbirler alınabilir? Ayrıntılar yazımızda.

A- A+

11.06.2015 tarihli yazı 118200 kez okunmuştur.

Motor Generatör Doğru Akım Manyetik Komütasyon Endüvi ElektrikPort Akademi

Elektrik makineleri, elektrik alanında en önemli konular listesinin başında gelir. Özellikle endüstri ve ağır sanayi alanında elektrik makineleri; elektrik motorları, trafolar, generatörler gibi cihazlar çok büyük önem taşıyor.

Elektrik makineleri veya motorları denince akla ilk olarak mekanik enerjiyi elektrik enerjisine veya elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren sistemler/cihazlar gelir.

Şekil 1: Bir Doğru Akım Elektrik Makinesi ve Kısımları

Komütasyon Nedir?

Bir doğru akım (DC) elektrik makinesi, normal olarak çalışırken indüklenen karşılıklı gerilimler aynı polariteye sahiptir. Bundan dolayı, endüvi sargılarından akım geçiyorken her kutubun altındaki iletkenlerden geçen akımın yönü kendine özel ve o bölgedeki iletkenlerden geçen akım yönü aynıdır.

Rotorla birlikte hareket eden iletkenlerdeki akımın yönü, iletken bir kutbun altından diğer kutbun altına doğru geçmesiyle yön değişikliğine uğrar. İşte bobin iletkenlerinden geçen akımın bu yön değiştirmesi olayına komütasyon denir. Akım yön değiştirirken kollektörler ve fırçalar da yardımcı olurlar.

Şekil 2: DC Elektrik Makinesinde Komütasyon

Endüvi'nin hızla dönmesi sebebiyle bu akımın yön değiştirmesi olayı çok ani bir şekilde gerçekleşir ve bu yüzden de bobin üzerinde küçük bir gerilim indüklenmiş olur. Bu gerilim de komütasyon esnasında fırça ve kollektör arasında ısınma oluşturur ve elektriksel ark meydana getirir.

Komütasyon durumu DC elektrik makinelerinde kaçınılmazdır ancak komütasyon sebebiyle ark oluşumu fırça ve kollektör aşınmasına yol açar. Bu durum için bir takım önlemler mevcuttur. Bu önlemler aynı zamanda komütasyonu kolaylaştırıcı etkiler de gösterir.

Şekil 3: Elektriksel Ark

Ark Önleyici - Komütasyonu Kolaylaştırıcı Önlemler Nelerdir?

1) Fırçaları Kaydırmak

Bobin üzerinde oluşan gerilime karşı bir etki ile sönümleme mantığı ile hareket eden bu yöntem, fırçaların dönüş yönünde kaydırılması esasına dayanır. Bu sayede kısa devre olan bobin nötr eksen üzerinde değil de kutupların etkisinde olan bölgelere gelir. Böylece zıt kutubun etkisinden dolayı bobin üzerindeki gerilime zıt bir etki yapılarak negatif etki ortadan kaldırılarak, ark oluşumu engellenip komütasyonun daha kolay bir şekilde gerçekleşmesi sağlanır.

Şekil 4: Büyük Güçte Bir Elektrik Motoru

2) Yardımcı Kutuplar Kullanmak

Bu yöntem ise fırçaları nötr eksende sabit tutar. Modern DC elektrik makinelerinde genellikle bu yöntem tercih edilir. Bobinin diğer kutubun etkisine girerek etkiyi sönümleme mantığına dayanır. Yardımcı kutuplar, nötr eksen üzerine konumlanır ve bobinin üzerindeki gerilime zıt etki yaratacak şekilde kutuplandırılırlar. Yardımcı kutuplardan endüvi akımı geçirildiğinden dolayı oluşan manyetik alan, yüke göre değişen endüvi manyetik alanına karşılık aynı oranda ve zıt yönde değişecektir ve böylece ark oluşumu engellenecektir.

Komütasyonu Olumsuz Etkileyen Faktörler Nelerdir?

Komütasyonu etkileyen etmenlerin başında doğal olarak elektriksel sebepler geliyor ancak mekaniksel etkileri de göz önünde bulundurmak gerekir. Mekanik etkilerin en sık rastlanılanı ise ısı etkisi ile endüvinin yuvarlaklığının bozulması. Özellikle büyük kollektörler için ciddi bir mesele olan bu durumu önlemek amacıyla kollektörler sık sık kontrol edilmelidir.

Diğer bir mekanik etki ise kollektör dilimleri arasındaki mikaların yüzeyden taşmış olmalarıdır. Bu durumda fırçalar kollektör yüzeyine iyi basamayacağından dolayı ark meydana gelir. Bunu önlemek için mikaların bakır yüzeyden 1 - 1,5 mm. aşağıda olması sağlanmalıdır. Bu durum daha çok yumuşak fırçalı makinelerde görülür.

Şekil 5: DC Motor Fırçası

Fırça tutucularının hatalı olması, kömür ile fırça yuvası arasındaki boşluğun fazla olması da ark oluşumunu sağlayan etkenlerden sayılabilir. Bir diğer etken ise fırçaların kollektör yüzeyine uygun basınçla basmaması. Bu basınç normal olarak 150—250 gr/cm dolayındadır ve bu baskı bir yay ile sağlanır. Yay basıncı sık sık kontrol edilmelidir.

Fırçalar arasındaki uzaklığın eşit olmaması ve fırçaların düşük kalitede olması da arc oluşumu için gösterilen sebepler arasında. 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.

Endüvi Reaksiyonu Nedir?

En basit olarak endüvi'de oluşan manyetik alanın kutup alanına gösterdiği tepki olarak tanımlayabiliriz. Endüvi sargılarında akım yok iken kutupların oluşturduğu manyetik akı düzgün bir dağılım gerçekleştirir. Ancak endüvi üzerinden bir akım geçerken aynı zamanda bir manyetik alan meydana gelir. Bu manyetik alan, devresini kutup pabuçları üzerinden tamamlar ancak bu durum toplam manyetik akıyı değiştirip, kutupların manyetik akısını azaltır. Bu şekilde endüvi manyetik akısının toplam manyetik akı dağılımına etkisine endüvi reaksiyonu denir.

Şekil 6: Kutup Manyetik Alanı - Endüvi Manyetik Alanı - Kutup Manyetik Alanının Bozulmuş Hali

Endüvi reaksiyonu sonucu nötr eksende bulunan fırçalarda ark meydana gelir. Bu durum komütasyonda da olduğu gibi fırça ve kollektörlerin aşınmasına yol açar. Bu durumu engellemek amacıyla da endüvi reaksiyonunu engelleyici ve azaltıcı bir takım önlemler alınır.

Endüvi Reaksiyonuna Karşı Alınacak Önlemler Nelerdir?

1) Kutup Ayaklarını Tarak Şeklinde Yapmak

Bu yöntemle kutup ayağının uç kısmındaki kesit yarıya indirilmiş olur ve böylece çok az bir manyetik akı artışında kutuplar doyuma ulaşır. Bu durumda kutup alanı ve nötr eksende çok az bir kayma oluşturulur ve fırçaların yeri değiştirilmeden endüvi reaksiyonunun etkileri ortadan kaldırılmış olur.

Şekil 7: Kutup Ayaklarının Tarak Şekli

2) Kutup Ayaklarına Oyuklar Açmak

Bu method ile ana kutuplar üzerine kutup ekseni paralel olarak ayarlanmak şartıyla oluklar açılır. Böylece endüvi manyetik alanının yol uzunluğunun ve manyetik direncinin arttırılması sağlanır ve endüvi reaksiyonunun etkileri azaltılmış olur. Ancak oyuklar açılırken dikkat edilmesi gereken nokta ise oyukların manyetik akıyı azaltmayacak şekilde olmasıdır. Bu yöntem endüvi reaksiyonunun etkisini %100 olarak ortadan kaldırmamakla beraber sabit güçlü makinelerde kullanılmalıdır.

3) Yardımcı Kutup Kullanmak

Nötr eksende endüvinin meydana getirdiği alana eşit büyüklükte ve zıt yönde bir alan meydana getirerek endüvi reaksiyonunun etkilerini sönümler. Komütasyonda kullanılan yardımcı kutuplarla aynı kutuplardır. Yani yardımcı kutuplar kullanarak hem komütasyonu kolaylaştırma hem de endüvi reaksiyonunu sönümleme fonksiyonları gerçekleştirilebilir.

Şekil 8: Yardımcı Kutupların Durumu

4) Kompanzasyon Sargısı Kullanmak

Büyük güçlü makinelerde kullanılan bir yöntemdir. 2. yöntemde açılan oyuklara yerleştirilen kompanzasyon sargılarından geçen akım endüvi sargılarından geçen akımın ters yönünde olduğundan dolayı oluşacak olan manyetik alanlar da birbirine zıt yönlü ve eşit büyüklükte olurlar. Böylece endüvi alanının etkisi kaldırılacak ve endüvi reaksiyonu sönümlenmiş olacaktır.

Kaynak:

► Fundamentals of Electric Motors
► Elektrik Makineleri I, Adem ALTUNSAÇLI, 2010
► Electric Machinery Fundamentals, Stephen J. Chapman