1. Bölümünde, Güç Elektroniği Anahtarlama Elemanları konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.
2. Bölümünde, Kontrollü Kaynaklar konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.
3. Bölümünde, İnverter konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.
4. Bölümünde, DC Sürücüler konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.

AC motor sürücüleri temelde bir kontrollü doğrultucu ve onun çıkışana bağlı bir inverterden oluşur. Bu temel güç devrelerinin kontrolü DC sürücülerde olduğu gibi kontrol ve geri besleme devreleri ile yapılmaktadır. AC motor sürücü devrelerinin çıkışına 50 Hz (60 Hz) lik standart asenkron motorlar bağlanır. Çıkış frekansları 5 Hz ile başlar 60 Hz ve bazı sürücülerde 120 Hz'ye kadar çıkabilir. Küçük güçlerde (yaklaşık 5 kW) sürücü girişi 1 fazlı daha büyük güçlerde ise 3 fazlı yapılır. Sürücü 1 fazı 3 faza çevirdiği için genellikle 3 fazlı motorları sürmekte kullanılırlar. Ama özel olarak 1 fazlı motorları sürmek için 1 fazlı çıkışa sahip sürücüler olabilir.
 

Şekil 1: AC sürücü kontrol sisteminin blok şeması

Bir fazlı girişe sahip inverterlerde şebeke gerilimi 1 periyot içerisinde 2 kez sıfır noktasından geçecektir. Çıkış frekansı giriş frekansından bağımsız olacağı için eğer giriş şebekesinin sıfır geçiş noktalarında çıkış geriliminin maksimum güç çektiği tepe değerlerine denk gelirse sürücü anlık olarak çıkış gücünü karşılayamaz. Bu nedenle 1 fazlı inverterlerde (faz-nötr ile beslenen) DC bara ( kontrollü doğrultucunun çıkışı) kondansatörler ile desteklenmiş ve anlık güç gereksinimi bu kondansatörler ile sağlanmıştır.
 

► İlginizi Çekebilir: Motor Sürücüleri | 2. Bölüm | Kontrollü Kaynaklar

 

Şekil 2: AC sürücü giriş ve çıkış gerilim grafikleri

İnverterde oluşan sinüsoidal gerilimin (ve akımın) harmonik değerleri fazladır bu nedenle motorun endüktif direnci artar. Yine gerilim ve frekansa bağlı olan demir kayıpları artar (fuko ve histeresiz)

Bu nedenle inverterle beslenen bir motorun şebeke ile beslenen bir motora oranla kayıpları %10 ‘a varana kadar artabilir motor güç seçiminde bu göz önüne alınması gereken bir durumdur. Ayrıca yüksek harmonikler manyetik alanda akustik gürültülere (vınlamalara) neden olur. İnverterler yazısında anlatıldığı gibi motor frekansı değiştirildiğinde değişen XL değerine bağlı olarak akımı, anma motor akımı değerinde tutmak için gerilim değeri de değiştirilmelidir. Frekans azaltıldığında inverter gerilimi (kontrollü doğrultucu çıkışı yani DC bara gerilimi veya inverterin anahtarlama dolu boş zamanı ayarlanarak ortalama gerilimi) azaltılmalı, frekans arttırıldığında da gerilim arttırılmalıdır. Bu nedenle inverter çıkışında gerilim/frekans (V/f) oranı sabittir.
 

► İlginizi Çekebilir: Motor Sürücüleri | 3. Bölüm | İnverter

AC sürücü çıkışından alınabilecek en büyük gerilim besleme şebeke gerilimine yakın bir değer olacaktır. 50 Hz'de 415 V çıkış gerilimi veren AC sürücünün frekansı 100 Hz'e çıkarıldığında V/f oranı sabit olacağından 830 V çıkış gerilimi vermesi beklenir. Ama sürücü 415 V'un üzerine çıkamaz. Zaten 830V normal bir asenkron motor sargı yalıtımı içinde tehlikeli bir gerilim değeridir. Bu nedenle 50-60 Hz değerlerinin biraz üzerine kadar V/f oranı sabitken daha büyük frekanslarda bu eşitlik sağlanamaz. Gerilimin artmaması, yüksek frekanslarda akımın anma değerinin altına düşmesine neden olur. Günümüz sürücüleri 650 Hz'ye kadar çıkış frekansını ayarlasa da 50-60 Hz'in üzerindeki frekanslarda motorun anma moment düşer ve buna bağlı olarak kayma artar.

 

Şekil 3'de çeşitli frekanslarda motor moment eğrileri verilmiştir. Çok düşük frekanslar haricinde moment eğrileri elektrik şebekesi ile direk beslenen motorların moment eğrilerine çok benzemektedir.

 

Şekil 3: Çeşitli frekanslarda motor moment eğrileri
 

25 Hz çalışmayı örnek alalım;

Motorumuz boşta çalışırken devir sayısı “a” noktasındadır. Motorumuz anma yükü ile yüklendiğinde devir sayısı küçük bir miktar kayma yapacak ve devir “b” noktasına düşecektir. Devir sayısındaki bu küçük düşüş bir çok uygulama için kabul edilebilir bir değerdir ve açık döngülü sürücüler kullanılır. Ama hassas bir çalışma istenen yerlerde kapalı döngülü sürücü kullanılarak motordan alınan devir bilgisine bakılır ve frekans küçük bir miktar arttırılarak devir “a” noktasındaki değerle aynı olan “c” noktasına çıkarılır.

Grafiğe dikkatli bakılırsa düşük frekanslardaki moment eğrileri alışıla gelmişin dışındadır. Bunun nedeni bu frekanslarda XL endüktif direncin çok düşük olması buna oranla R omik direncin yüksek olması ve motorun mıknatıslama akım değerini değiştirerek kötü bir moment değerine sahip olmasına neden olmaktadır. Düşük frekanslarda momenttin anma momentinde altında olması, yüksek kalkınma momenti isteyen yükleri motorun düşük devirlerde çalıştıramayacağı veya istenen rampalı yol vermeyi sağlayamayacağı anlamına gelir. Bu durumlarda V/f oranı bozularak düşük frekanslarda motor gerilimi yükseltilir ve anma akımının üzerine çıkılarak moment arttırılır. Anma akımın üzerine çıkılması motorunda ısınması anlamına geleceği için bu gerilim artışı yalnızca kısa bir süre için gerçekleşir.

 

Şekil 4: Çeşitli frekanslarda motor moment eğrileri
 

Bu sayede, yumuşak yol vericilerde yüksek moment isteyen yüklerin rampalı yol verilmesinde yaşanan sorun ortadan kalkmış olur. Bu gibi yüklerin yol verilmesinde daha pahalı olmasına rağmen AC motor sürücüleri kullanılması daha mantıklıdır. AC sürücülerde DC sürücülerde olduğu gibi açık döngü ve kapalı döngü kontrol sistemleri kullanılır. Açık döngü kontrollü AC sürücüye ait prensip Şekil 5'de verilmiştir.
 

Şekil 5: Açık döngü AC sürücü blok şeması

 

Şekil 6: Asenkron motorlarda devir sayısı formülü

Açık döngü kontrole sahip sürücüler Şekil 6'da verilen formüldeki gibi, frekansa bağlı olarak devir sayısını ayarlar. Ayarlanan devir sayısı motorun boş çalışma devir sayısı olup motor yüklendikçe bu devir bir miktar kayma ile düşer bu küçük düşüş bir çok uygulama için kabul edilebilir bir değerdir. Motor devri kullanıcı tarafından ön panelden veya bir potansiyometre yardımı ile ayarlanır. DC sürücülerde olduğu gibi genellikle hız 0-10 V arasında analog bir referans gerilime göre sürücü tarafından ayarlanır. Potansiyometrenin değerindeki çok ani değişmeler (kullanıcı tarafından hızlı bir şekilde arttırma veya azaltma) kontrol katından direk inverter güç katına aktarılmaz. Motorun mekanik tepkisi de düşünülerek hız rampalı bir şekilde arttırılır veya azaltılır.

 

Şekil 7: Açık kontrol döngüsüne sahip AC motor sürücüsünün blok şeması

 

Şekil 8: Kapalı kontrol döngüsüne sahip AC motor sürücüsünün blok şeması

Motorun dejenaratif çalışması sırasında kontrollü doğrultucu çıkışındaki DC baraya motordan bir enerji akışı olur. Küçük güçlü inverterlerde dejenaratif çalışmada DC bara gerilimi arttığında deşarj direnci devreye girerek bu enerjinin harcanması sağlanır.
 

Şekil 9: Dejenaratif çalışmada oluşan enerjinin DC barada direnç üzerinde harcanması

Büyük güçlü inverterlerde ise bu enerji ek anahtarlama devreleri sayesinde şebekeye geri basılır.
 

Şekil 10: Dejenaratif çalışmada oluşan enerjinin şebekeye geri basılması

AC sürücülerde yön değişimi inverter devresindeki anahtarlama eleman çiftlerinin anahtarlama sıralamasının değiştirilmesi ile yapılır.

 

Şekil 11: AC sürücülerde yön değişimi

Asenkron motorların dinamik tepkileri doğru akım motorlarına göre daha kötüdür. DC motorlarda endüvi akımına direk dışarıdan müdahale yapılabildiği için ani moment değişimlerine verdiği tepki süresi kısadır. Asenkron motorlarda ise moment her ne kadar motor akımına bağlıdır desek de gerçekte motor akımı arttığında manyetik alan artmakta, artan manyetik alan tarafından kesilen rotor çubuklarında indüklenen rotor gerilimi artmakta, artan rotor gerilimi rotor akımını ve dolayısıyla rotor manyetik alanını arttırmakta ve moment artmaktadır. O nedenledir ki asenkron motorların artan yük momentine anlık tepkisi yavaş olmaktadır. Kesinlikle bu süre saniyeler mertebesinde düşünülmesin tepki süresi saniyeden daha düşük zaman dilimlerinde olur ancak çok hızlı ivmelenme gerektiren yüklerde asenkron motorlar için bir dezavantajdır.



Vektör kontrollü AC motor sürücülerinde her bir motor akımı, sürücü içerisindeki akım kontrolörü tarafından kontrol edilir ve bir mikroişlemci sayesinde motorun matematiksel modeli ile karşılaştırılır. (motorun hangi frekans, hangi devir ve hangi momentte ne kadar akım çekeceği matematiksel olarak modellenmiştir. ) Ani moment artışları bu kontrol ünitesi tarafından algılanır. Motorun yeni momenti karşılaması için ilgili faz sargılarına anlık olarak impuls darbe gerilimleri uygulanarak motor akımına ani darbe artışları verilir ve motorun yeni moment değerine sıçraması sağlanır. Motor yeni moment değerinde kararlı çalışmaya başladıktan sonra vektör kontrol işlevini yapmıştır ve sürücü normal olan özellikleri ile çalışmasını sürdürür. Aslında kontrollü kaynaklar çok daha karmaşık devrelere ve çalışma mantıklarına sahiptirler. Makalemizde verilen şekiller bu devrelerin en temel çalışma mantıklarını anlatmaktadır.

 

DC motor sürücüleri yapısal olarak bir konvertörden (kontrollü doğrultucu) oluşurlar. AC motor sürücüler ise konvertör ve inverter devrelerini beraber barındırır ve bu nedenle AC sürücülerin fiyatları daha pahalıdır. Ama AC motorların fiyatlarının DC motorların fiyatlarına göre daha düşük olması bir denge unsurudur. Ayrıca AC motorlar, DC motorlara göre daha basit daha az arıza çıkaran ve daha az bakım gerektiren, zor endüstriyel şartlarda çalışabilen motorlardır. DC motorlar çok düşük hızlarda dahi ısınmadan çalışabilirler. Çünkü endüvi sargılarının soğutulması vantilasyona çok bağlı değildir. Ama AC motorların gerek rotor kanatçıkları gerekse de dış yüzey pervanesi anma devrine göre düzenlenmiştir eğer bu motorlar düşük devirlerde çalıştırılacak olursa gerekli vantilasyon sağlanamaz ve artan ısı ile motor sargıları yanabilir. AC motorların yol alma momentleri DC motorlara göre oldukça düşüktür. Bu nedenle ani kalkış momenti ve yük değişimi gerektiren haddehane gibi yerler (volanlı çalışma) için DC motorları daha uygun olacaktır. Yeni nesil AC sürücüler yüksek anahtarla frekanslarında çalıştıkları için düşük devirlerde de titreşimsiz bir moment sağlayabilirler.
 

► İlginizi Çekebilir: Elektrik Dersleri: Alternatif Akımın Temel Tanımları

Bir sonraki yazımızda “Sürücü Bağlantıları” konusunu işleyeceğiz.

Kaynak:

►www.kumanda.org