Frekans Çeviriciler ve Asenkron Motorlar Üzerindeki Etkileri - 1. Bölüm

Sürücü kullanımı ve kapalı çevrim bir kontrol ile özellikle fan ve pompa uygulamalarında ciddi enerji tasarrufları elde edilebilmektedir. Ancak sürücü kullanımına geçiş genellikle sadece MCC (Motor Control Cabinet) panosunda yapılan tadilattan ibarettir. Oysa motorun bir sürücüyle çalışmaya uygun olup olmadığı (VFD enabled) araştırılmalıdır. Buna göre;
 

► Motor sargılarının ani gerilim yükselmelerine karşı dayanıklı olup olmadığı (izolasyon sınıfı),
► Motor nominal momentte ancak nominal devrin altındaki bir hızda çalışacaksa, motorun üzerindeki soğutma fanının yeterli olup olmayacağı,
► Nominal momentin üretildiği minimum devir sayısı ve maksimum kalkış momentinin yük karakteristiğine uygunluğu,
► Motor besleme kablosunun yapısı ve uzunluğu,

kontrol edilmelidir. Gerilim yükselme hızının  büyük olması motor sargı izolasyonu üzerinde ek streslerin meydana gelmesine neden olacaktır.

Motor sürücüleri; şebekeden aldıkları sinüsiodal gerilimi, doğru gerilme dönüştürür ve daha sonra bunu darbe genişlik modülasyonu tekniğiyle tekrar alternatif gerilime dönüştürerek, değişken frekanslı bir işaret elde ederler. Şekil 1'de örnek bir sürücünün prensip şeması verilmiştir. Burada anahtarlama frekansı 1 ile 20 kHz arasında değişebilir. Sürücünün çalışması sırasında ortaya çıkan yüksek ΔV/Δt (gerilim yükselme hızı) neticesinde motorun stator ve rotoru arasında bir parazit kondansatör meydana gelir. Bir başka deyişle motor bir kondansatör gibi davranarak şarj olur. Dolayısıyla motor mili üzerinde bir gerilim zamanla artar. Buna mil gerilimi adı verilir. Milin gövde ya da toprak ile bağlantısı iki adet rulman üzerinden sağlandığından, mil ile motor gövdesi arasındaki tek yalıtkan rulmanlardaki grestir.

Milde endüklenen gerilim; rulmandaki gresin dielektrik kapasitesini (delinme gerilimini) aşana kadar artmaya devam eder ve sonra, rulman üzerinden darbe şeklinde bir akım geçirerek deşarj olur. Bu akım 'rulman akımı' olarak adlandırılır. Rulman akımlarının motor üzerinde izlediği yol Şekil 2'de verilmiştir. Şarj – deşarj döngüsü motor çalıştığı sürece devam eder, bu rastgele ve sık görülen deşarj, rulmanın bilyaları ile iç ve dış bilezikler arasında kaynak etkisine neden olur. Böylece rulmanın iç ve dış bileziklerinde küçük pürüzler meydana gelir. Sürücünün anahtarlama frekansının yüksek olması bu sürücünün daha sessiz çalışmasına neden olurken rulmanların daha çabuk arızalanmasına sebep olur. Sürücü anahtarlama frekansının (taşıyıcı frekans), akustik gürültü seviyesine mümkün olduğunca yakın seçilmesini tavsiye edilmektedir. Rulman akımı nedeniyle meydana gelen arızanın ilk belirtileri motorun şebekeden çektiği akım dalga şeklindeki değişimdir. Eğer zamanında müdahale edilmezse önce motor sesinde belirgin bir değişim ve ardından motor milinin bloke olması söz konusu olacaktır. Bu arızayı erken safhada tespit edebilmek için kestirimci bakım yöntemleri kullanılabilir. Ancak seçilecek metod, sadece arızayı önceden haber vermekle kalmayıp arıza kök neden analizi için gerekli veriyi de üretmelidir. Aksi takdirde beklenmedik duruşların önüne geçilir fakat arıza nedeni ortadan kaldırılmadığı için, rulman arızaları tekrarlanmaya devam edecektir. Dolayısıyla motorun hem elektriksel hem de mekanik parametrelerini kaydeden ve bunları trend eğrileri şeklinde geniş bir zaman aralığı içinde sunabilen, kolay anlaşılır, MIS/ERP sistemleri ile entegre olabilen bir bakım sensörü ve yazılım kullanılmalıdır. Şekil 3'te rulman akımları neticesine arızalanan iki rulman fotoğrafı verilmiştir.

Tipik bir üç fazlı sinüsoidal güç kaynağı normal şartlar altında dengeli ve simetrik gerilim üretir. Dolayısıyla üç fazın toplamı daima sıfıra eşittir. Bu nedenle normal şartlar altında nötr noktasındaki gerilim sıfırdır. Ancak PWM inverterlerde bu geçerli değildir. Sonuç olarak üç faz gerilimlerinin toplamı her zaman sıfırdan farklı olur ki bu, nötr noktası geriliminin sıfırdan farklı olması sonucunu doğurur. İnverter çıkışlarının değiştiği her seferde toprak ile çıkış devresindeki elemanların toprakla olan kaçak kapasiteleri üzerinden bir akım geçer. Devresini inverter ve yük sisteminin dışından tamamlayan bu akım nötr akımı (common mode current) akımı olarak adlandırılır. Asenkron motorda meydana gelen rulman akımları genellikle bu akımın % 35'i civarında bir genliğe sahiptir.

Rulman akımlarının meydana gelmesindeki temel etken: IGBT kullanılan, motor sürücülerindeki hızlı anahtarlama nedeniyle, gerilim yükselme hızının büyük değerler almasıdır. Bununla birlikte motor manyetik devresindeki asimetri ve besleme gerilimindeki dengesizlik gibi nedenlerden dolayı da rulman akımları meydana gelebilir.
 

Asenkron motorda meydana gelen rulman akımlarından korunma metotları aşağıda belirtildiği gibidir:
 

► Motor milinin topraklanması; Bir aparat yardımıyla milin topraklanması; motor mili ile karkas arasında düşük empedanslı bir akım yolu oluşturur. Böylece; mil gerilimi nedeniyle meydana gelen akımlar, devresini rulman yerine bu aparat üzerinden tamamlar. Bu yöntemle mil gerilimi ve rulman akımı oluşumu tamamen engellenmiş olur. Bu aparatın montajı Şekil 4'de gösterilmiştir.

► İzoleli rulman kullanımı; Rulman akımlarını önlemenin bir başka yolu da izoleli rulman kullanmaktır. Bu rulmanlar 1000V ve üzerindeki potansiyel farkına dayanıklı olduğu için rulman akımlarını önler. Ancak mil üzerinde bir gerilim endüklenmesini engelleyemez. Bu nedenle mil gerilimi nedeniyle oluşan rulman akımlarını zararsız bir yoldan toprağa iletebilmek için hem izoleli rulman kullanmak hem de mili topraklamak gereklidir.

► Faraday Kafesi kullanımı; motorun stator ile rotoru arasına topraklanmış bakır şerit ya da bakır boya gibi bir iletken malzeme yerleştirilmesi, Faraday Kafesinin meydana gelmesini sağlar. Böylece motor hava aralığından kapasite etkisiyle geçen akımlar engellenmiş ve mil gerilimleri minimuma indirgenmiş olur. Ancak maliyeti çok yüksek olduğundan pratikte ender olarak kullanılır. Bu yöntemin blok diyagramı Şekil 6'da gösterilmiştir.

Özetle, enerji tasarrufu nedeniyle gün geçtikçe yaygınlaşan frekans çeviriciler, gerekli önlemler alınmadığında motor arızalarına neden olabilir. İlgisiz görünse de motor rulmanlarının sürücü çıkış geriliminden nasıl etkilendiği bu yazıda anlatılmıştır. Sürücü uygulamalarının özellikle yüksek güçlü ve kritik motorlarda yapıldığı düşünülürse, motorun sürekli gözlem altında bulundurulması yerinde olacaktır. Bunun için motora ait mekanik ve elektriksel parametreleri sürekli olarak ölçen, kaydeden ve otomatik olarak yorumlayan, ERP/MIS ve bakım yazılımlarına entegre olabilen bir kestirimci bakım sistemi kullanılabilir. Böylece enerji tasarrufu yapılırken, proses güvenliğinden ödün verilmemiş olur. Çünkü en verimsiz motor arızalı motor ve en verimsiz tesis duran tesistir.

Kaynaklar: 

► ABB Technical Guide, No:5, Bearing Currents in Modern AC Drive Systems,1999

► National Electrical Manufacturers Association (NEMA), A guide for AC adjustable speed drive systems, 2007

► Üç fazlı asenkron motorlarda rulman Arızalarını tespit etmek üzere x – y Dönüşümü ve RTFA yapay sinir ağı algoritması içeren yeni bir yöntemin tasarlanması ve uygulanması, İzzet Önel, Doktora Tezi, YTÜ - 2006

► www.reliance.com, White paper, Motors & Drives for Cleanroom Applications, 2010