Motor ve Frekans Dönüştürücü Nasıl Seçilir?

Endüstriyel uygulamalarda frekans dönüştürücüler ve motorlar güçlü bir kontrol sağlamak için önemlidir. Bu yazımızda motor ve frekans dönüştürücülerin seçimi hakkında genel bir bilgi vereceğiz.

A- A+

05.06.2017 tarihli yazı 14021 kez okunmuştur.

Motor, prosesle ilgili temel bilgilere göre seçilir. Hız aralığı, tork eğrileri, havalandırma yöntemi ve motor yüklenebilirliği gibi unsurlar motor seçimi için kurallar sunar. Seçilen motor, frekans dönüştürücünün boyutunu etkiler. Motorda olduğu gibi uygun bir frekans dönüştürücüsü seçilirken göz önüne alınması gereken birkaç nokta vardır.

Önemli Parametreler

Frekans konvertörü üreticileri, normal olarak, her dönüştürücü boyutu için tipik motor güçlerinin verildiği bazı seçim tablolarına sahiptir. Ayrıca bu akım, moment karakteristikleri bilindiğinde de hesaplanabilir. İlgili akım değerleri tork profilinden hesaplanabilir ve dönüştürücü akım sınırları ile karşılaştırılabilir. Motorun nominal akımı bir tür endikasyon verir.

Frekans dönüştürücüyü seçmeden önce mevcut besleme gerilimi kontrol edilmelidir. Besleme gerilimi değişimleri mevcut motor şaftının gücünü etkiler. Besleme gerilimi nominalden düşükse alan zayıflama noktası daha düşük bir frekansa kayar ve alan zayıflama aralığında motorun mevcut maksimum torku azaltılır.

Maksimum mevcut tork, transformatör, reaktör, kablo vb. tarafından etkilenir. Çünkü bunlar voltaj düşüşüne neden olur ve bu nedenle maksimum tork düşebilir. Sistemin güç kayıpları, frekans dönüştürücü derecelendirmesiyle de telafi edilmelidir.

Pompa ve Fan Uygulaması

Pompa ve fan uygulamalarının boyutlandırılmasında bazı aşamalar vardır:

► Hız aralığını kontrol edilmesi ve gücü en yüksek hızda hesaplanması
► Çalıştırma torku ihtiyacını kontrol edilmesi
► Motorun kutup numarasını seçilmesi. En ekonomik işletme sıklığı genellikle alan zayıflama aralığındadır.
► Motor gücünü maksimum hızda elde edebilmek için seçilmesi. Termal yüklenebilirliğin unutulmaması.
► Frekans dönüştürücünün seçimi. Pompa ve fan derecelendirmesinin kullanılması. Pompa ve fan derecelendirmesi mevcut değilse, frekans dönüştürücünün motor akım profiline göre seçilmesi

Örnek:

2000 devir/dk hızda 150 kW’lık bir yüke sahip olan pompayı inceleyelim.

Şekil 1: Motor Yüklenebilirlik Eğrisi

Çözüm

2000 devir/dk'da gerekli olan tork, T= (9550*150)/2000 N.m = 716 N.m'dir. Bu uygulama için 2 veya 4 kutuplu bir motor seçilebilir.

P=2 durumunda; bu motor için, yüklenebilirlik eğrisine göre 2000 dev/dak'da yüklenebilirlik yaklaşık % 95'tir. Motor nominal torku en az: T_n ≥ 716/ 0.95 = 754 N.m olmalıdır.

Nominal güç değerleri ise şöyle olmalıdır;

P_n ≥ 754 x 3000/ 9550 kW = 237 kW.

Bu durumda bir üst güç değerinde olan 250 kW değeri seçilir. Nominal tork değeri ise 803 kW olur. Motorumuzun 2000 devir/dk’da ki akımı ise yaklaşık olarak;

I_m = ( T_load/T_n) x I_n = (716/803) x 431 = 384 A

P=4 olması durumunda ise motor yüklenebilirlik eğrisinde yüklenebilirlik yaklaşık olarak % 75’tir. Motorun minimum nominal torku; T_n ≥ 716/ 0.75 = 955 N.m,

Minimum gücü ise;

P_n ≥ 955 x 1500/ 9550 kW = 150 kW olmalıdır. Bu durumda ise 160 kW’lık motor seçilir.

I_m = ( T_load/T_n) x (n/n_n) x I_n = (150/160) x 305 = 286 A

Seçilen frekans dönüştürücünün nominal akımı motor akımına yakın bir değerde ise akım tam hesaplanmalıdır. 4 kutuplu bir motor pompa çalışma noktasında daha az akım gerektirir. Dolayısıyla 2 kutuplu bir motora kıyasla daha ekonomik bir seçimdir.

Sabit Tork Uygulaması

Sabit bir tork uygulamasının boyutlanmasında bazı aşamalar:

► Hız aralığını kontrol edilmesi
► Gerekli sabit torku kontrol edilmesi
► Olası ivmeleri kontrol edin. Hızlanma gerekiyorsa atalet momentlerini kontrol edilmesi
► Gerekli marş torkunu kontrol edilmesi
► Torku yüklenebilirlik eğrisinin altında olacak şekilde motoru seçilmesi. Tipik olarak motor nominal hızı kullanılan hız aralığının ortasındadır.
► Boyuta göre uygun bir frekans konvertörü seçilmesi

Örnek:

Bir ekstrüzyon presinin hız aralığı 300-1200 rpm’dir. 1200 rpm'de ki yük miktarı 48 kW'tır. Başlangıç torku gereksinimi 200 Nm'dir. Sıfır hızdan 1200 rpm'e kadar olan hızlanma süresi 10 saniyedir. Motorun nominal voltajı 400 V'dur.

Çözüm:

Sabit tork uygulaması için gereken uygun olan motor 4 yada 6 kutupludur.

T = 9550 × 48 / 1200 Nm = 382 Nm.
P=4 durumunda; 300 rpm’de termal yüklenebilirlik yüzde 80 ‘dir. Hesaplanan minimum tork ise;
T_n ≥ 382 / 0.8 Nm = 478 Nm.

Minimum nominal motor gücü ise;
P_n ≥ 478 × 1500 / 9550 kW = 75 kW olmalıdır.

Buna göre uygun bir motor olarak 75 kW’lık bir motor seçilebilir. Bu durumda motorun nominal torku ;
T_n = 75 × 9550 / 1473 Nm = 486 kW

Motor akımı ise yaklaşık olarak ;
I_m = (T_load / T_n) × I_n = (382 / 486) × 146 = 115 A olacaktır.

Hesaplanan motor akımına göre, sabit tork kullanımı için uygun bir frekans dönüştürücü seçilebilir. Başlangıç torku gereksinimi bu motor için bir problem oluşturmaz. Motorun atalet momenti 0,72 kgm² ise, hızlanma dinamik torku:

Tdyn = (2π / 60) × (1200/10) x 0.72 Nm = 9 Nm olacaktır.

►İlginizi Çekebilir: Motor Sürücü Seçiminde Kullanılan Mekanik Terimler

Böylece hızlanma sırasındaki toplam tork 391 Nm'dir ve bu motorun nominal torkundan daha düşüktür.

P=6 olması durumunda; 300 rpm ve 1200 rpm’de motor yüklenebilirliği % 84’tür. 6 kutuplu motor için minimum nominal tork; T_n ≥ 382 / 0.84 Nm = 455 Nm,

Motor nominal gücü ise;

P_n ≥ 455 × 1000 / 9550 kW = 48 kW bu örnek için seçilebilecek 55 kW gücünde bir motor olacaktır. Bu motorun nominal torku;
T_n = 55 × 9550 / 984 Nm = 534 kW. 1200 rpm’deki ölçülen akım ise;

I_m = (T_load/ T_n) × (n / n_n) × I_n = (P_load/ P_n) × I_n = (48/55) × 110 A = 96 A olacaktır.

Frekans dönüştürücünün nominal akımı, 96 A üzerinde olmalıdır. Başlangıç torku gereksinimi, motorun nominal torkundan düşüktür. Motorun atalet değeri 1,2 kgm² ise, hızlanma dinamik torku:

Tdyn = (2π / 60) × (1200/10) × 1.2 Nm = 15 Nm’dir.

Hızlanma sırasında gereken toplam tork 397 Nm'dir ve bu motorun nominal tork momentinden daha azdır. 6 kutuplu bir motorun akımı, 4 kutuplu motora kıyasla 19 A daha küçüktür. Nihai frekans dönüştürücü ve motor seçimi, motor ve frekans dönüştürücü çerçeve boyutlarına ve fiyatlarına bağlıdır.

Sabit Güç Uygulaması

Sabit bir güç uygulamasında yapılması gerekenler;

► Hız aralığının kontrol edilmesi

► Gerekli olan gücün hesaplanması

► Alan zayıflatma aralığının kullanılabilmesi için ise motorun boyutunu ayarlanması.

Örnek:

Bir tel çekme makinesi frekans dönüştürücü ile kontrol edilmektedir. Makaranın yüzey hızı 12 m/s ve gerginlik 5700 N'dur. Makaranın çapları 630 mm (boş makaralı) ve 1250 mm(tam makaralı )dir. Dişli oranı n₂: n₁ = 1: 7.12 ve vitesin verimliliği 0.98'dir. Bu uygulama için uygun bir motor ve dönüştürücü seçelim.

Çözüm:

Bir çekme makinesinin temel fikri çap değiştikçe yüzey hızını ve gerilimi sabit tutmaktır.

Doğrusal harekette güç: P = Fv
Dönme hareketinde güç: P = Tω

Yüzey hızı ve açısal hız arasındaki ilişki:

V [m / s] = (ω × r = 2π × n [rpm] × r) / 60
N [rpm] = 60 x v / 2π x r

Moment kuvvetin ve yarıçapın bir ürünüdür: T = F.r

Yukarıdaki formülleri kullanarak motor seçilebilir:

P = 5700 N × 12 m / s = 68.4 kW
T₁= 5700 N x 0.63 / 2 m = 1796 Nm
N₁ = 12 x 60 / π x 0.63 devir = 363.8 rpm
T₂= 5700 N x 1.25 / 2 m = 3563 Nm
N₂= 12 x 60 / π x 1.25 rpm = 183.3 rpm

►İlginizi Çekebilir: Frekans Çeviriciler ve Asenkron Motor Üzerindeki Etkileri

Motoru seçmeden önce vites dikkate alınmalıdır. Hızlar, torklar ve güç azaltılmalıdır:

P = P / ηgear = 68.4 / 0.98 kW = 69.8 kW
T₁ = (1796 / 0.98) x (1 / 7.12) Nm = 275 Nm
N₁ = 363.8 x 7.12 rpm = 2590 rpm
T₂ = (3563 / 0.98) x (1 / 7.12) Nm = 1305 Nm

P=2 durumunda; 1305 rpm de yüklenebilirlik % 88, 2590 rpm de ise % 97'dir. Motorun asgari nominal gücü : Pn ≥ (511 × 3000) / (0.88 × 9550) kW = 182 kW’tır. Burada ise 200 kW’lık motor seçilir.

Bu motorun nominal torku:

Tn = 200 × 9550 / 2975 Nm = 642 N.m

Akım ise : Im = (Tload / Tn) × In = (511/642) × 353 A = 281 A.

P=4 olması durumunda 1305 rpm de yüklenebilirlik % 98 ve 2590 rpm de % 60'tır.

Motorun asgari nominal gücü : Pn ≥ (511 × 1500) / (0.98 × 955) kW = 82 kW.

Bu durumda 90 kW’lık seçilir ve motor nominal torku ;

Tn = 90 × 9550/1473 Nm = 584 kW.

Motor akımı: Im = (T / Tn) × In = (511/584) × 172 A = 151 A olur.

2 kutuplu bir motor ile alan zayıflatma (sabit güç) aralığı kullanılmadı ve bu da gereksiz fazla boyutlamaya neden oldu. Bu uygulama için 4 kutuplu bir motor daha iyi bir seçimdir.

Kaynak:

►electrical-engineering-portal