Elektrik Motorları ve Sürdürülebilirlik

Giderek artan enerji tasarrufu bilinci, elektrik motorları için verim beklentilerini arttırıyor. Bu beklentileri karşılamak için neler yapılıyor? Senkron makinelerin geleceği ne olacak? Cevaplar yazımızda.

A- A+

30.06.2020 tarihli yazı 15649 kez okunmuştur.

Yapılan araştırmalara göre, elektrik motorları toplam elektrik enerjisi tüketiminin yaklaşık %45'inden sorumludur, üretiminse neredeyse tamamından. Endüstriyel elektrik tüketimine bakıldığındaysa bu oran %65’e yükselir. Elektrik tüketiminde bu denli yüksek bir orana sahip olan elektrik motorlarının verimliliği doğal olarak önemli bir konu haline gelmektedir.

Halen faaliyette olan makinelerin birçoğunun eski olduğu göz önüne alınırsa, eski motorları yeni, daha verimli motorlarla değiştirmek; sürdürülebilirlik, çevre ve kaynak sömürüsü, üretim maliyetleri, rekabet gücü açısından önemli avantajlara yol açacaktır. Örneğin, sadece Avrupa'da, eski teknolojiler yerine yeni sürücü teknolojilerinin kullanılması, yıllık tüketimi 135 TWh, karbondioksit emisyonunun 69 milyon ton azaltabileceği tahmin ediliyor. Bu verileri anlamlandırabilmek için şöyle düşünebiliriz; 135 TWh Türkiye’deki 450 bin hanenin bir yıllık enerji ihtiyacını karşılayabilirken; 69 milyon ton karbondioksit ise Türkiye’nin yıllık karbondioksit salınımının yaklaşık %15’ine eşittir.

Bir elektrik motoru için ekonomik analiz yapıldığında, enerji tüketimine bağlı harcamanın toplam maliyet içinde en büyük yüzdeye (%90>) sahip olduğu görülür. Sadece bu veriye bakarak bile motor veriminin önemi anlaşılabilir.

Bu nedenle, Avrupa Birliği'nde, ABD'de, Çin'de ve bazı diğer ülkelerde, yeni tesisler için giderek artan verimlilik şartlarına sahip düzenlemeler yürürlüğe girmektedir. Örneğin, Minimum Enerji Performans Standardına (MEPS) göre, Ocak 2017'den beri 0,75 ila 375 kW güç aralığına sahip, AB pazarında piyasaya sürülen motorlar, inverterle besleniyorsa, çok az istisna dışında, IE3 verimlilik seviyesine veya IE2 verimlilik seviyesine sahip olmalıdır.

Grafik-1: IE(International Efficiency) Verimlilik Sınıflarını Gösteren Grafik

► İlginizi Çekebilir: Asenkron Motor Frenleme Sistemleri

AC Motorların Sınıflandırılması

Alternatif akım (AC) makinelerinin çoğu, tek fazlı ve step motorları (genellikle iki fazlı olurlar) gibi bazı istisnalar olsa da üç fazlıdır. AC makineler arasında en önemli ayrım senkron ve asenkron makineler arasındadır; kalıcı durumdaki (steady state) mekanik dönüş hızının, stator manyetik alanının dönüş frekansına kenetlenmiş bir şekilde bağlı (senkron) olup olmaması temel farkı oluşturur. Asenkron makinelerde tork üretmek için rotorda akım indüklenmesi gerekirken; senkron makinelerde buna ihtiyaç duyulmaması(aksine arzu edilmez), bu farkın somut bir yansımasıdır.

Şekil-1: Farklı AC Makinelerin Yapılarını Gösteren Şekil

Şekil-1’de gösterilen makineler soldan sağa; asenkron motor (IM), içsel sabit mıknatıslı senkron motor (IPMSM), şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor(LS-IPMSM), yüzey yerleştirmeli sabit mıknatıslı senkron motor (SM-PMSM), senkron relüktans motorudur (SynRM). Sabit mıknatıslı senkron motorlar, mıknatısın yerleştirildiği konuma göre, içsel ve yüzey yerleştirmeli olarak ikiye ayrılabilirler.

Şemada gösterilen en koyu alanlar sargılara karşılık gelir, kalıcı mıknatıslar mavi renkle gösterilirken, gri bölgeler ferromanyetik malzemeyi temsil eder. Görüldüğü üzere, çeşitli motor tipleri arasındaki fark rotorda yoğunlaşırken, stator (özel durumlar dışında) aynı tasarıma sahiptir. Asenkron motorda rotor olukları, genellikle alüminyumla veya son zamanlarda daha az kayıp sağlayan ancak maliyeti artıran bakır ile doldurulur.

Motor Yapısı ve Maliyetle İlişkisi

Kalıcı mıknatıslı motorlarda mıknatıslar, rotordaki karşılıklı oyuklara veya yüzeye yerleştirilebilir, senkron relüktans motorlarda ise, rotor içindeki oyukların pek bir hükmü yoktur ve manyetik akış bariyerleri olarak adlandırılır çünkü belirli yönlere olan relüktansı (yani manyetik akışa karşı direnci) arttırma görevi görür.

Senkron makinelerde; rotor manyetik alanı, rotor sabit bir manyetik alan oluşturduğu için, geometrik olarak rotorun mekanik konumuna bağlıdır. Rotor manyetik alanı, rotor sargılarıyla (normal senkron makineler), kalıcı mıknatıslarla (sabit mıknatıslı senkron makineler) veya stator akımının oluşturduğu alanın rotor üzerinde yönlendirilmesiyle (senkron relüktans makineleri) oluşturulabilir. Rotorunda akım akmayan alternatiflerde, rotor bakır kaybı yaşanmadığından verimin daha yüksek olacağı aşikardır.

Şekil-2: Sabit Mıknatıslı Senkron Makine Yapısını Gösteren Resim

► İlginizi Çekebilir: Motorların Elektriksel Karakteristiği

Senkron motorlar tork üretim prensibi de farklılıklar gösterebilir; sabit mıknatıslı senkron motorlarda tork üretimi; yalnızca sabit mıknatısların ürettiği alan ile stator akımı arasındaki etkileşim sayesinde gerçekleşir. (Ayrıca kutup sayısıyla doğru orantılıdır) Bunun tersine, senkron relüktans motorlarında; stator tarafından döner alan oluşturulduğunda manyetik akı, rotordaki relüktans oluşturan oyuklar dışında kalan akı yolu boyunca yolunu tamamlar, böylece tork oluşur ve rotorun dönmesi sağlanır.

Kalıcı mıknatısların üretiminde yüksek indüksiyon değerleri elde etmek ve demanyetizasyon (genellikle yüksek sıcaklık veya yüksek manyetik alan nedeniyle oluşur) riskini önlemek için belirli malzemeler kullanılır. En çok kullanılan malzemeler neodimiyum-demir-bor, samaryum-kobalt ve alüminyum-nikel-kobalttır.

Özellikle SM‑PMSM’lerde, manyetik malzeme miktarı yüksektir ve toplam maliyette bu hammaddelerin önemli bir etkisi vardır. Bu durum, az miktarlarda kullanılan ancak mıknatıs kalitesi için çok önemli olan nadir elementlerin fiyat değişkenliğinin de eklenmesiyle daha da kötüleşmektedir. Maliyet ve bulunabilirlik sorunlarının yanı sıra, bu materyallerin madenciliği, ticareti ve bertarafı ile ilgili önemli çevresel, politik ve etik konuları da beraberinde getirir.

Bu nedenlerle, farklı malzemelerin araştırılması, geliştirilmesine ve özellikle daimi mıknatısların kullanımını en aza indiren veya seramik manyetik maddeler gibi daha “problemsiz” ferritlerin kullanılmasına izin veren araştırma projelerine büyük yatırımlar yapılmaktadır. Kısaca, sabit mıknatıslı senkron motorlar ve senkron relüktans motorlarda, rotordaki yapısal farklılık verimi arttırırken buna bağlı olarak maliyeti de arttırmaktadır.

Asenkron Motorlar Yerini Senkron Motorlara mı Bırakıyor?

Endüstride en yaygın kullanılan motor çeşidi olan asenkron motorlar için gelecekte talep edilen verimlilik seviyeleri, en azından makul maliyetler ve tüm güç aralıkları için mümkün olmayacaktır. Bu şartlara, enerji tüketimini azaltmanın önemi konusunda artan farkındalık gibi diğer faktörler de eklendiğinde, sabit mıknatıslı senkron motorlar gibi bugüne kadar çok da yaygınlaşamamış olan motorların önü açılmaktadır. Aslında bu motor sınıfı, verimliliğin ve güç yoğunluğunun, özellikle de çok düşük rotor kayıplarının, kayda değer bir şekilde iyileştirilmesini sağlayan yapısal özelliklere sahiptir.

Şekil-3: Sabit Mıknatıslı Senkron Makine ile Asenkron Makinenin Yapısal Karşılaştırılması

Yapısal olarak sabit mıknatıslı senkron motorlara benzetebileceğimiz servo motorlar, mükemmel kontrol edilebilirlikleri ve dinamik özellikleri sayesinde endüstriyel otomasyonda yıllardır kullanılmaktadır ancak sargısız rotorlu elektrikli makine uygulamaları sınırlı alanda belli bir düzeyde kalmıştır. Son birkaç yılda, geçmişin aksine, motorların ve inverterlerin verimliliği ve üretim maliyetlerinin azaltılmasıyla yukarıda belirtilen faktörlerin bir araya gelmesi, bu tip motorların benimsenmesine ön ayak olmuştur.

Grafik-2: Sabit Mıknatıslı Senkron Makine ile Asenkron Makinenin Verim Karşılaştırması

Asenkron motorlar içinde yüksek verime sahip olan NEMA Premium motorları ile PMSM’lerin farklı hızlarda karşılaştırılmasını gösteren yukarıdaki grafikte, düşük ve yüksek hızlarda aradaki verim farkının arttığını görebiliriz. Senkron motorların dezavantajlarından biri, asenkron motorların aksine direk yol verilememesidir. PMSM veya SynRM makinelerini çalıştırabilmek için ilk yatırım maliyetinin artmasına neden olan inverterlere ihtiyaç duyulur.

Rotor konumu bilgisi senkron motor kontrolü için oldukça önemlidir. Özel bir kontrol performansının gerekli olmadığı bazı uygulamalarda, güvenilirlikten ödün verse de maliyeti azaltmak için mekanik konum sensörünü ortadan kaldırmak da mümkündür. Ayrıca, rotor konumunu akım ve gerilim ölçümlerinden tahmin eden sensörsüz kontrol teknikleri de geliştirilmiştir. Özellikle pompalar ve fanlar gibi yaygın uygulamalarda sensörsüz teknikler kullanılsa da, endüstri kısmında yaygın değildir.

Uygulamalar

Sabit mıknatıslı senkron motorların kamusal alanda ilk uygulamalar, iklimlendirme sistemleri ile başlamıştır. Gündelik kullanımda, iklimlendirme sistemlerinin toplam enerji tüketiminde başı çekmesi ve senkron makinelerin sunduğu verim avantajı birleşince, bu tablonun gerçekleşmesi gayet doğal. Genel olarak soğutma sistemleri için(hem endüstriyel hem de evsel), senkron motorların kullanımı yaygınlaşmaktadır. Ayrıca, bazı ısıtma tesisleri için, yine artan verimlilik nedenleriyle, neredeyse tamamen sensörsüz kontrollü sabit mıknatıslı senkron motorlardan yapılan sirkülasyon pompaları kullanılmaktadır.

Ev aletlerine gelirsek, çamaşır makinelerinde bu motor tiplerinin kullanımı son yıllarda yaygınlaşmıştır. Asenkron veya üniversal yerine senkron motorların kullanılması, kullanılan malzemeyle beraber boyutların azalmasına ve daha iyi kontrole olanak verir. Senkron motorlarda, özellikle sabit mıknatıslılarda, kutup sayısını arttırarak, aynı gerilim ve akım değerlerinde tork artışı ancak buna karşılık hız düşüşü sağlamak mümkündür.

Bu karakteristik avantaj olarak görülebilir. Düşük hız istenen uygulamalarda, mekanik hız düşürücüler yerine bu avantajdan faydalanmak; verimlilik, genel boyutta küçülme, maliyet ve güvenilirlik gibi artılar getirir. Yaygınlaşma aşamasında olan senkron motorlar halihazırda farklı alanlarda kullanılmaktadır. Örneğin; kağıt üretiminde, inşaat sektöründe, soğutma kulesi fanlarında ve bazı özel çamaşır makinelerinde. Ayrıca PMSM’lerin elektrikli araçlarda kullanılmasına dair birçok çalışma da devam etmektedir.

Şekil-4: Asensör İçin Tasarlanmış Bir Sabit Mıknatıslı Senkron Motor

Sonuç

Artan insan nüfusu, kaynakların sınırlı olmasının bilinci ve bunların doğrultusunda, sürdürülebilir bir gelecek fikrinin daha önemli hale gelmesi, gelişen teknolojinin her noktasında verimliliği ön plana çıkarmaktadır. Toplam elektrik tüketiminde çok yüksek bir paya sahip olan elektrik motorlarının bu gelişmelerden ve kısıtlamalardan da bir paya sahip olması kaçınılmazdır.

Yukarıda bahsettiğimiz birçok artı ve eksinin yanında, temel olarak, çok daha yüksek verime ancak daha fazla ilk yatırım maliyetine sahip olan sabit mıknatıslı senkron motorların ve senkron relüktans motorlarının, birçok uygulama alanında, gelişen teknoloji ve yeni kontrol yöntemleri ile, mıknatısları oluşturan hammaddelerin getirdiği bazı kısıtlamaları da aşarak, asenkron motorların yerini alacağı ve yaygınlaşacağı görülmektedir.

Kaynak:

► electricmotorengineering.com
► empoweringpumps.com
► nxp.com