ELEKTRİK MAKİNALARI LABARATUARI-1 DENEY

ELEKTRİK MAKİNALARI LABARATUARI-1 DENEY-1
1. Kısa devre çubuklu – veya sincap kafes rotorlu üç fazlı asenkron
motor
Kısaca ÜFAM ifade edilen üç fazlı asenkron motorlar çok güvenilir olmaları, basit ve buna
bağlı olarak uygun maliyetli yapıları, yine aynı şekilde bakım onarıma çok az gereksinim
duymalarından dolayı endüstriyel tahrik elmanı olarak en çok kullanılan motorlardandır.
Rotorun yapısından dolayı ÜFAM kısa devre çubuklu veya sincap kafes rotorlu motor
olarak da adlandırılmaktadır.
1.1 Motorun yapısı
ÜFAM’ın sabit olarak duran bölümü duraç veya stator olarak adlandırılır. Stator bir gövde ve
içine üç fazlı sargılarının yerleştirildiği oluklu saç paketinden (bkz. Şekil 1.1.1) meydana
gelir. Sargılar her biri birbirine 120° açı yapacak şekilde üç adet bobinden –sargıdanoluşmaktadır. Sargı uçları bağlantı kutusundaki kutup plakasına çıkartılır.
Şekil1.1.1
Rotor da oluklu saç paketinden meydana gelmektedir. Bu oluklar içine alüminyum veya
bakırdan iletken çubukları çekilmiş veya alın kısımları kısa devre halkaları ile birbirine bağlı
olan alüminyum püskürtme dökümdendir. Çubuklar ve kısa devre halkaları birbirleriyle bir
kafes oluşturacak şekilde, rotor sargılarını meydana getirirler. Şekil 1.1.2 ’de bir rotor
görülmektedir. Çubukların eğimli olarak düzenlenmiş olması dönmenin eşit ölçütte olmasını
sağlamaktadır.
Şekil 1.1.2
Kısa devre halkaları çoğunlukla havalandırma kanatları ile motor soğutucusuna kombine
edilmiştir. Tahrik mili rotorun merkezinde olacak şekilde düzenlenmiştir.
Değişik formlara sahip rotor olukları ve uygun çubuklar sayesinde (bkz. Şekil 1.1.3) çekme
momenti ve kalkınma akımının yüksekliği yani, motorun kalkınma özellikleri değiştirilebilir.
Şekil 1.1.3 Rotor çubuk formları ve kesitleri
Yuvarlak çubuklu rotor (a) en düşük çekme momentine sahiptir, ancak nominal devirde
diğer çubuk formlarına karşı dönme momenti daha yüksektir.
Damla form çubuklu rotor (b) 1 kW ’a kadar olan motorlarda tercih edilir. Orta değerde bir
çekme kuvvetine sahiptir ve kalkınma akımı oldukça düşüktür.
Düz form çubuklu rotorlar (c) 50 kW ’a kadar olan motorlarda kullanılır. Tam yüklemede
çok iyi kalkınma özelliklerine sahiptir.
Duble çubuklu rotor (d) çok yüksek çekme kuvveti üretir, kalkınma ve nominal akım
değerleri arasındaki oran çok uygundur.
Düz ve duble çubuklu rotorlarda ÜFAM ’ların kalkınma özelliklerini etkileyen ilave bir etki
daha meydana gelir: Düz formlu çubukların birbirleri ile üst üste duran tek tek çubuklar
olduğu düşünülecek olursa, bu durumda iç kısımda yer alan çubuklar dışta yer alanlara karşı
daha fazla manyetik akı etkisi altında kalır. Bunun sonucu olarak da daha büyük değerde
reaktif direnç meydana gelir.
Dış kısımda kalan çubuklar daha zayıf bir şekilde manyetik akıdan etkilendiği için, meydana
gelen reaktif direnç de küçük olur. Akım çubukları üzerinden ortalama olarak eşit miktarda
akmaz. Özellikle motorun kalkınma anında akım ağırlıklı olarak çubukların dış bölümünden
geçer. Böylece Akım kalkınma anında iletken kesitlerinin bir bölümünden geçemez. Akı
yoğunluğu etkisi sayesinde akıma karşı gösterilen bu zorluk bir ön direnç gibi işlev görür.
Devir sayısının artmasıyla akım çubukların tamamına yayılmaya başlar.Reaktif direnç yok
olur ve çubuklarda sadece omik direnç etkin olarak kalır. Akı yoğunluğu etkisi sayesinde
(şekil 1.1.4) motorun çekme kuvveti yükselir ve çekme akımı düşer.
Şekil 1.1.4 Akı yoğunluğu etkisi
1.2 Döner alan devir sayısı
Motor sargılarının üç fazlı şebekeye bağlanmasıyla statorda bir döner alan meydana gelir. Bu
döner alan senkron devir sayısı veya döner alan devir sayısı n0 olarak adlandırılır:
Çift kutup sayısı p N (Nord) ve / S (Süd) kutuplarının sayısını ifade etmektedir. Bu çiftler
stator sargılarının yapısından dolayı her biri bir faz meydana getirir.
1.3 Dönme momenti ve kayma
Önce bir motorun rotorunun sabit olarak tutulduğunu varsayalım. Bu durumda statorda dönen
döner alan rotor üzerinde bir rotor gerilimi U2 indükleyecektir. Ancak burada rotor kısa
devre olduğu için, çok yüksek değerde bir rotor akımı I2 meydana gelir. Rotor gerilimi stator
döner alanı ile aynı frekansa sahiptir. Üzerinden rotor akımı geçen sargı üzerinde “manyetik
alan içinde üzerinden akım geçen iletkenler“ yasasına göre bir kuvvet meydana gelir. Bu
kuvvet rotorun etrafını sarar ve böylece oluşan bir “dahili” dönme momenti M ile rotoru
döndürmeye çalışır.
Bu anda rotor tekrar serbest bırakılacak olursa, dönme momenti tarafından rotor ivme kazanır
ve motor kalkınmaya başlar. Bunun sonucu stator döner alanının rotorda oluşturduğu
indüksiyon etkisi, rotorda sadece manyetik akının zamana bağlı olarak değişimi etkili
durumda kaldığı için azalır.
Manyetik akının değişim hızı duruma göre stator döner alanının mutlak hızı ile rotor
hareketine bağımlıdır. Burada rotor üzerinde sadece stator döner alanının mutlak hızı etkili
olduğu için rotor akımı ve gerilim değerinde rotor devir sayısının n artmasıyla azalma
meydana gelecektir. Bunlara bağlı olarak da dahili dönme momenti değeri de azalacaktır.
Biraz İdealize edilmiş bir durumda, rotor üzerine frenleyici olarak hiçbir harici dönme
momenti etkide bulunmayacağından, bu boşta çalışmada senkron devir sayısına kadar rotora
ivme verecektir. Ama bu durumda rotorun stator döner alanına karşı mutlak hareketi artık
oluşmayacağı için, bu olayı takiple rotor akımı, gerilimi ve dönme momenti sıfır olurdu.
Ancak uygulamada örneğin, yatak sürtünmesi veya makineye bağlı bulunan yük momenti
mevcut olduğu için, daima frenleyici etki gösteren dönme momentleri olur ve buna bağlı
olarak rotor devir sayısı döner alan devir sayısından daha azdır. Bir ÜFAM ancak rotor ve
stator döner alanı arasında mutlak bir hız veya kayma meydana gelirse,dönme momenti
oluşturabilir.
Kayma s, döner alan devir sayısı n0 ve rotor devir sayısı n arasındaki fark olarak tanımlanır.
Bu tanımdan teorik olarak kayma değerinin motor devir sayısı ile senkron devir sayısı eşit
olduğu an s=0 ve motorun durma konumunda olduğu s = 1 değerleri arasında olduğu
sonucunu varılır.
Rotorda meydana gelen kuvvet manyetik bir alan içinde üzerinden akım geçen iletken
yasasına göre I2 rotor akımı ile doğru orantılıdır. Buradan aşağıdaki eşitlik çıkarılır:
Rotor akımı I2 bağıl (relatif) hareket tarafından indüklenen U2 rotor geriliminden dolayı
meydana gelir. Rotor akımı kayma değeri yükselirse artar (kayma = standart bağıl devir
sayısı) ve rotorda meydana gelen dahili dönme momenti M (Moment = Kuvvet x kaldırma
kolu) değeri daha da büyür.Buradan;
1.4. Çalışma karakteristiği
Şekil 1.4.1 Kalkınma karakteristik eğrisi
Şekil 1.4.1 bir üç fazlı asenkron motorun kalkınma karakteristik eğrisi görülmektedir.
Kalkınma karakteristik eğrisinde dönme momenti çoğunlukla devir sayısına bağlı olarak
gösterilir. Şayet motor boşta çalıştırılıyorsa, bu durumda M = 0 olduğu görülür. Motor
yüklendiği zaman, devir sayısı düşer ve dönme momenti yükselir. Motorun oluşturabileceği
max. Dönme momenti devrilme momenti MK olarak adlandırılır. Şayet motor dönebileceği
en küçük devir sayısı dönerse, bu anda en küçük kalkınma momenti MA elde edilir.
1.5. Motor bağlantı uçları
Kısa devre çubukları– veya sincap kafes sargıları yıldız – veya üçgen devre olarak (bkz. Şekil
1.5.1) bağlanabilirler.
Şekil 1.5.1 Yıldız/Üçgen Bağlantı
Yıldız devrede akım ve dönme momenti büyüklükleri, üçgen devrenin üçte biri kadardır.
Ne zaman yıldız – veya üçgen devre bağlantısının seçileceği ile ilgili yardımcı olması
amacıyla güç etiketi kullanılır. Bu amaçla hps firmasının üç fazlı asenkron motoru (Tip 2707)
güç etiketini inceleyelim (Şekil 1.5.2).
Şekil 1.5.2 Güç etiketi (Tip
2707)
Etiketten çalışma türü ve gerilim değerlerinin Δ/Y 400/692 V olduğu görülmektedir. Bu
motorun yıldız devrede 692 V ve üçgen devrede 400 V bağlanarak çalıştırılması gerektiği
anlamına gelmektedir. Hps firmasının ÜFAM için bunun anlamı, motorun 400 V – iç fazlı
şebekede üçgen bağlantı altında çalıştırılması gerektiğidir. Ancak bu durumda motor kendi
tam nominal gücü olan 0,37 kW değerini verebilir. Buna karşı üçgen devre bağlantıda motor
kendi nominal gücünün ancak üçte birini verir.
Güç etiketi üzerinde Δ/Y 230/400 V bilgisi varsa bu motorun üç fazlı şebekeden 400 V ile
sadece yıldız bağlantı altında çalıştırılması gerektiğini ifade eder. Bu motorun sargılarının 230
V ‘a dayanacak şekilde olmasından dolayı, üç fazlı şebekeden verilecek 400 V ile üçgen devre
bağlantıda sargılar olması gereken sınırların dışında ısınır.
Şayet güç etiketi üzerinde Δ/Y 127/230 V bilgisi varsa, bu motorun 230 V şebeke gerilimi ile
sadece yıldız devre bağlantısı altında çalıştırılması gerektiğini ifade eder.
Üçgen – ve yıldız devre bağlantısı arasında anahtarlama işlemi bir yıldız- üçgen şalteri
üzerinden (örneğin hps Tip 2234) yapılabilir.
Bir motorun devir yönü çok basit bir şekilde şebeke kablolarından ikisini yeri değiştirilmek
suretiyle gerçekleştirilebilir (bkz. Şekil 1.5.3).
Şekil 1.5.3 Devir yönü sağ/sol
1.6 Yıldız / Üçgen kalkınma
5,5 kW ’tan itibaren üç fazlı asenkron motorlar kalkınmaları esnasında çok yüksek başlangıç
akımları çekerler. Bu akım kuvvetli şebeke gerilimi kesilmelerine neden olabilir. Bu sakıncalı
durumun meydana gelmemesi için, yıldız/üçgen yol verme devreleri kullanılır. Yıldız devre
bağlantıda başlangıç akımı ve kalkınma momenti değeri üçgen devre bağlantısındaki akım ve
dönme momenti değerinin sadece üçte biri kadar olur.Motor önce yıldız olarak çalıştırılır ve
nominal devir sayısına erişildikten sonra üçgen devreye geçilir.Motorların çalışma türü olarak
üçgen devre için yapılmış olmaları gerekir. Yani güç etiketi üzerinde örneğin 400 V üç fazlı
şebeke gerilimi için, üçgen devrede 400 V değerinin verili olması gerekir.Bu deneyde
kullanılan hps makineleri içinyıldız/üçgen yol verme devresine gerek yoktur.
1.7 Tek faz şebekede çalışma
Üç fazlı asenkron bir motorun tek fazlı şebekede çalıştırılması istenirse, bu durumda örneğin
şekil 1.7.1 de görülen steinmetz devresinin kullanılması gerekir. Bu devre bir kondansatör
üzerinden akımlarda faz kaymasına neden olur. Bu motorda sağa doğru bir manyetik döner
alan meydana getirir.
230 V ’luk şebekede pratikte kondansatör değeri her kW nominal güç için 70 μF olarak
hesaplanır. Motorun bu durumda kendi nominal gücünün % 80 ‘i kadar güç vermesine izin
verilir. Daha büyük yüklemede motor izin verilen sınırlar dışında ısınır. Bu uygulama için en
az 260 V ’luk MP-kondansatör kullanılması tavsiye edilir.
Devir yönünün sağdan sola değiştirilmesi N hattına bir kondansatör bağlanarak gerçekleştirilir
(bunun için bkz. Şekil 1.7.2).
Tek faz şebekede manyetik döner alan, üç fazlı şebekede olduğu gibi eşit dağılımlı olmadığı
için, kalkınma ve dönme momenti değerleri düşük olur.Bir kondansatör daha ilave etmek
suretiyle daha yüksek bir kalkınma momenti elde edilir. Bu kalkınma kondansatörünün
motorun kalkınmasından sonra motorda izinli olmayan ısınmalara neden olmasından dolayı
devreden çıkarılması gerekir. Sadece tek fazlı şebekede çalıştırılacak olan üç fazlı asenkron
motorların yalnız iki sargısı vardır. Bu tip motorlar kondansatör motor olarak da adlandırılır.
Şekil 1.7.1 Sağa devir için Steinmetz
devresi
Şekil 1.7.2 Sağa devir için Steinmetz devresi
Sincap kafes rotorlu ÜFAM deneyleri
Deney 1. Sincap kafes rotorlu ÜFAM ’un devreye alınması
Deneyin amacı: Sincap kafes rotorlu üç fazlı asenkron motoru boşta çalıştırınız.
Gerekli cihazlar:
Üç fazlı asenkron motor (Tip 2707)
Frenleme ünitesi (Tip 2719)
Kumanda cihazı (Tip 2730)
Üniversal besleme ünitesi
Deney devresi:
Şekil 1-1 Deney Devresi: Üçgen devre bağlantılı ÜFAM
İşlem basamakları:
1. Deney makinesini frenleme ünitesine doğru sürünüz ve makineyi frenleme makinesine
kuple ediniz.
2. Sabitleme kolunu fren makinesi yönünde çekerek deney makinesini sabitleyiniz.
3. Şekil 1.1 ‘e göre deney devresini kurunuz.
4. Motoru 400 V ’luk şebekeye üçgen devre olarak bağlayınız.
5. Kumanda cihazını açınız.
6. Üniversal besleme ünitesini açınız. Devir sayısı, dönme momenti ve devir yönü görülür.
7. Devir yönü göstergesine dikkat ediniz. Motorun sağa dönmesi gerekir. Aksi durumda
şebeke kablolarının yerlerini değiştiriniz. Bu işlemden önce üniversal besleme ünitesini
kapatınız.
8. Devir sayısını (boşta çalışma devir sayısı) ve devir yönünü not ediniz.
n0 = ...................dak–1
Devir yönü: ..................
9. Üniversal besleme ünitesini kapatınız.
10. Kumanda cihazında aşağıda belirtilen ayarları yapınız:
 Çalışma modu anahtarını MANUAL konumuna getiriniz.
 Dönme momenti zayıflatıcısının ayarına dikkat ediniz.
 Devir sayısı seçimi anahtarını daha önce belirlenen devir sayısı konumuna getiriniz
(1800 veya 3600 dak–1)
 Gerek değer (sollwert) anahtarı INT/EXT“intern” konumuna getiriniz.
 Devir yönü anahtarını önceden not edilen devir yönüne getiriniz.
11. Frenleme makinesini START/STOP butonuna kısaca basarak çalıştırınız.
12. Üniversal besleme ünitesini açınız. Bu anda dönme momenti değerinin sıfır olması
gerekir. Devir sayısını gerekirse gerek değer potansiyometresi ile değiştirebilirsiniz.
13. Deneyin sonunda önce üniversal besleme ünitesini ve daha sonra kumanda cihazını
kapatınız.
Deney 2. Bir ÜFAM ’un yıldız – ve üçgen devre ile çalıştırılması
Deneyin amacı: Üç fazlı asenkron bir motoru önce yıldız ve daha sonra üçgen devre
bağlantılı olarak çalıştırınız. Dönme momenti karakteristik eğrini çıkarınız.
Gerekli cihazlar:
Üç fazlı asenkron motor (Tip 2707)
Frenleme ünitesi (Tip 2719)
Kumanda cihazı (Tip 2730)
Üniversal besleme ünitesi
Deney devresi:
Şekil 2-1
Deney
Devresi:
Yıldız devre
bağlantılı
ÜFAM
Şekil 2-2 Deney Devresi: Üçgen devre bağlantılı ÜFAM
1) Deney 1 de açıklandığı gibi sistemi önce yıldız devre bağlantılı olarak devreye alınız.
Motor devir yönü sağa doğru olmalıdır.
2) Tablo 2.1 de talep edilen karakteristik eğri değerlerini tespit ediniz.
3)Mümkün olduğu kadar ölçümleri herhangi bir gecikme olmadan yapınız. Motor aşırı
derecede ısınırsa, bu durumda ölçme sonuçlarında sapmalar meydana gelir,motorun
soğutulması gerekir.
4)Karakteristik eğri değerlerini önce boşta çalışmada, daha sonra nominal devir sayısı,
devrilme momenti (maks. dönme momenti) ve son olarak minimal erişilebilecek devir sayısı
için tespit ediniz.
5) Önce üniversal besleme ünitesini ve daha sonra kumanda cihazını kapatınız.
6) Şekil 2.2 de verilen (üçgen devre bağlantılı) deney devresini kurunuz.
7) Kumanda cihazını açınız. Frenleme makinesini çalıştırınız ve üniversal besleme ünitesini
açınız.
8) Tablo 2.2 de talep edilen karakteristik eğri değerlerini tespit ediniz.
9) Deneyin sonunda önce üniversal besleme ünitesini ve daha sonra kumanda cihazını
kapatınız.
10) Hazırlanmış olan Şekil 2.3 deki diyagrama dönme momenti karakteristik eğrisini çiziniz.
Eğrinin ölçeğini kendiniz belirleyiniz.
Tablo-2.1 Yıldız devre bağlantılı ÜFAM
Tablo 2.2 Üçgen devre bağlantılı ÜFAM
Şekil 2-3 Yıldız ve üçgen devre bağlantılı bir ÜFAM dönme momenti karakteristik
eğrileri