Motor Sürücüleri serimizin;
1. Bölümünde, Güç Elektroniği Anahtarlama Elemanları konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.
2. Bölümünde, Kontrollü Kaynaklar konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.

 

Asenkron motorların devir kontrolü için frekansının değiştirilmesi gerektiğini biliyoruz. Frekansı kontrol edilebilir bir AC kaynak için en temel devre Şekil 1'de ki gibidir.

 

Şekil 1: Frekansı Kontrol Edilebilir AC Kaynak

Şekil 2'de ki devrede S1 ve S4 transistörleri iletime geçirildiğinde S1 – Yük – S4 üzerinden bir akım geçişi gerçekleşecektir.
 

Şekil 2: (+) Periyotta Akım Geçişi

Daha sonra bu transistör çifti kesime götürülüp S2 ve S3 transistör çifti iletime geçirildiğinde bu sefer yük üzerinde birincisine ters yönde S2 – Yük – S3 şeklinde bir akım geçişi gerçekleşecektir.
 

Şekil 3: (-) Periyotta Akım Geçişi

Bu sıralı anahtarlama hızları değiştirilerek yüke uygulanan gerilimin ve akımın frekansı değiştirilebilmektedir. İki farklı frekans için gerilim grafiği Şekil 4'de verilmiştir. Grafikten de görüleceği üzere elde edilen gerilim sinüs dalga biçiminden çok uzak bir kare dalgadır.
 

Şekil 4: İki Farklı Frekans için Gerilim Grafiği

Ama alternatif bir akımdır. İlerleyen konularda devre üzerine yapılacak ilaveler ile asenkron motorlar için kabul edilebilir bir dalga haline getirilecektir. İnverter devrelerinde dikkat edilmesi gereken nokta iki anahtarlama eleman çiftinin aynı anda devreye girmemesidir. Eğer şekildeki devrede S1 ve S3 (veya S2-S4) transistörleri aynı anda devreye girecek olursa bu anahtarlama elemanları kaynağı kısa devre edecekler hem kendileri hem de DC besleme kaynağı zarar görecektir.

Daha önce endüktif devrelerde akımın birden sıfıra çekilemeyeceğini görmüştük. Bu nedenle inverter devrelerinde anahtarlama elemanlarına ters paralel olarak serbest döngü diyotlarının bağlanması gerekmektedir. İnverterler çoğunlukla AC akım devrelerinde motorla kaynak arasına bağlanarak frekans değiştirici görevini görmektedir bu nedenle şekilde görülen DC kaynak olarak AC-DC çevirici kontrollü veya kontrolsüz kaynaklar kullanılmaktadır. Asenkron motorların frekans kontrolünde her ne kadar devir sayısı değiştirilse de motor momentinin ve akımının sabit tutulması istenir. Endüktif reaktansın formülü:

 

Şekil 5: Endüktif Reaktansın Formülü

Eğer omik direnç bir an için göz önüne alınmaz ise yükten geçen akım
 

Şekil 6: Yük Akımının Formülü
 

şeklinde olacaktır. Eğer motor devrini düşürmek için frekansta düşürülecek olursa endüktif direnç XL nin değeri düşecek ve akım artacaktır. Akım artışı motorlarda istenmeyen bir durum olduğu için akım artışını önlemek için DC kaynak geriliminin de aynı oranda düşürülmesi gerekecektir. Yine benzer şekilde motor devrini arttırmak için motor frekansı arttırıldığında XL endüktif direncinin değeri artacak bu seferde motor akımı yani momenti düşecektir. 

 

► İlginizi Çekebilir: Elektrik Dersleri: Alternatif Akımın Temel Tanımları

 

Bu sorunu ortadan kaldırmak için bu seferde DC kaynak geriliminin arttırılması gerekmektedir. Yani inverter devrelerinde tek başına frekansı değiştirmek yeterli olmayacaktır. Frekansla birlikte DC kaynak gerilimini arttırıp azaltmanın iki farklı yolu vardır. Genellikle büyük güçlü inverter devrelerinde kontrollü DC kaynaklar kullanılmaktadır. Kontrollü DC kaynakların maliyeti arttırması nedeni ile orta ve küçük güçlü inverter devrelerinde sabit DC akım kaynakları kullanılır ve gerilim anahtarlama elemanlarının “iletim – kesim” süreleri ile değiştirilir. 
 

 

Şekil 7: Frekansı ve Ortalama Gerilim değeri ile Oynanmış AC Gerilimin Şekli

Şekil 7'de “a” gerilim grafiğine dikkat edilecek olursa geniş bir periyoda yani düşük bir frekansa sahiptir. Bu durumda anahtarlama elemanlarının kesim süreleri uzatılarak ortalama gerilim azaltılmıştır. “b” de ise frekans arttırılmış ve anahtarlama elemanlarının devrede kalma süreleri arttırılarak ortalama kaynak gerilimi artırılmıştır. “c” de ise frekans artırılmış ve gerilim değerini büyütmek için anahtarlama elemanları yarım periyot içerisinde hiç kesime götürülmemiştir. Bu noktadan sonra frekans daha da arttırılırda şekil “d” deki gibi gerilimin artmayacağı görülür. Serbest Döngü Diyodunu anlatırken endüktif yüklerin yani motorların akımlarının neden aniden maksimum değer ve aniden sıfır olamayacağından bahsetmiştik. Aynı durum inverter anahtarlaması sırasındada oluşmaktadır. Her ne kadar gerilimin şekli sinüsoidal bir şekilde olmasa da motor akımı sinüs şekline oldukça yakındır ve bu şekli ile kabul edilebilir bir alternatif akımdır.

 

Şekil 8: Kontrollü AC Kaynağın Ürettiği Gerilimin Şekli

 

Şekil 9: Kontrollü AC Kaynağın Endüktif Yük Üzerinden Geçirdiği Akım

Anahtarlama elemanlarının bir periyot içerisinde iletim ve kesim süreleri ayarlanarak çıkış geriliminin ortalama değerinin değiştirilmesine Darbe Genlik Modülasyonu (PWM – Pulse Width Modulation) denir.

 

Şekil 10: PWM Metodu ile Gerilimin Ortalama Değerinin Değiştirilmesi

 

Endüstride kullanılan asenkron motorların hemen hemen hepsi üç fazlı olduğu için bu motorların kontrolünde üç fazlı inverterler kullanılmaktadır. Buna ait prensip şema aşağıda verilmiştir. Şekil 11'de ki devrede transistörler 120 derecelik faz açısı yapacak şekilde sıralı iletime geçirilerek üç faz elde edilmektedir.
 

Şekil 11: 3 fazlı Temel İnverterler Devresi

Yukarıda üç fazlı inverter devrelerinin prensip şemaları verilmiştir. Anlaşılması kolay olması açısından yarı iletken anahtarlama elemanları olarak transistör gösterilmiştir. Gerçek devreler bu kadar basit olmayıp bu anahtarlama elemanları yanı sıra devrede filitre bobin ve kondansatörleri ile motorun fren çalışması sırasında DC kaynağa geri enerji beslemesi yapan diğer anahtarlama elemanları bulunmaktadır.

 

Şekil 12: Diğer Bileşenleri ile 3 Fazlı İnverterler Devresi

Gerek AC gerilimin DC ye çevrilmesi gerekse de DC gerilimden AC gerilim elde edilerek motorun sürülmesi sırasında yarı iletken anahtarlama elemanlarının gerilimi kırpması sırasında motor sürücüleri harmonikler üretirler bu harmonik motor sürücüsünün bağlı olduğu hattaki diğer elektronik elemanlara zarar verebileceği gibi kompanzasyon kondansatörleri içinde tehlikeli olurlar. Bu zararlı etkiyi azaltmak için Avrupa ve Türkiye standartları bazı sınırlamalar getirmektedir. Harmonik değerlerini azaltmak için yukarıda bahsi geçtiği gibi filitre devreleri haricinde bir periyot içerisindeki anahtarlama sayısı kHz'ler mertebesine çıkarılarak harmonik açısından gerekli değerler elde edilir.

Bir sonraki yazımızda “DC sürücüler” konusu ile devam edeceğiz.

Kaynak:

►www.kumanda.org