elektrik port üyelik servisleri elektrik port üyelik servisleri

Motor Sürücüleri 2. Bölüm |
Kontrollü Kaynaklar

Motor Sürücüleri yazı dizimizin 2. Bölümünde "Kontrollü Kaynaklar" konusunu işleyeceğiz.



A- A+
07.09.2016 tarihli yazı 3583 kez okunmuştur.
Motor Sürücüleri serimizin 1. Bölümünde, Güç Elektroniği Anahtarlama Elemanları konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.

Elektrik Makinelerinde Devir Sayısı Kontrolü


Doğru akım motorlarında devir sayısını veren formül  Şekil 1'de ki gibidir.
 


Şekil 1: Doğru akım motorlarında devir sayısı formülü

Devir; Motor uçlarına (endüviye) uygulanan gerilime, kutuplardaki manyetik alana yani kutup sargılarından geçen uyartım akımına ve endüvi iç direncine bağlıdır. Endüvi iç direncinin değiştirilmesi ile devir ayarı dirençlerde oluşacak ısı kayıplarından dolayı tercih edilen bir yöntem değildir. Endüviye uygulanan gerilimin değiştirilmesi, endüvi akımının büyük olması ve büyük akımların kontrolü için kullanılacak olan yarı iletken elektronik elemanların maliyeti nedeni ile pahalı olmaktadır. Diğer bir yöntem, manyetik alanın yani kutup sargılarından geçen akımının (uyartım akımı) kutuplara uygulanan gerilimle kontrolüdür. Kutup gerilimine bağlı olarak devir kontrolünde ise motor tepki süresi uzun olmaktadır. Sabit mıknatıslı doğru akım motorlarında kutup manyetik alanı değiştirilemeyeceği için devir motor uçlarına uygulanan gerilim ile kontrol edilir.

 


Asenkron motorlarda ise devir sayısını veren formül Şekil 2'de ki gibidir.
 


Şekil 2: Asenkron motorlarda ise devir sayısı veren formülü


Bu motorlarda ise devir ya kutup sayısı değiştirilerek ya da motora uygulanan gerilimin frekansı değiştirilerek kontrol edilebilmektedir. Bu nedenle;

Doğru akım motorlarının kontrolünde, değeri değiştirilebilen kontrollü bir doğru akım kaynağına, asenkron motorların kontrolünde ise frekansı değiştirilebilen kontrollü bir alternatif akım kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır.
 

Gerilim Kontrollü Doğru Akım - Doğru Akım Kaynağı


Bir doğru akım kaynağının çıkışındaki gerilimin en kolay kontrolü kaynağın çıkışında yüke seri bir ayarlı bir direnç bağlamak ve gerilim bölücü olarak kullanılan direnç değerini değiştirerek yük üzerinde düşen gerilimin değerini değiştirmek şeklinde olur. Şekil 3'de ki devrede 12 V'luk kaynağın çıkışına 2Ω luk yük direnci bağlanmıştır.
 


Şekil 3: Seri bağlı direnç ile yük uçlarındaki gerilimin kontrolü

Yük direnci üzerinde düşen gerilimi 6V yapmak için seri bağlı ayarlı direncin değerinin de 2Ω'a getirilmesi gerekmektedir. Bu durumda devre akımı 3 A olacak ve yük 18W lık güç harcarken seri direnç üzerinde de 18 W lık bir güç ısı olarak kaybolacaktır. Bu durumda kaynak verimi %50'ye düşecek ve harcanan gücün yarısı kayıp olacaktır. Direnç değeri büyüdükçe bu kayıp miktarı da aynı oranda artacak ve verim düşecektir. Büyük güçlerin kontrolünde ise seri dirençle gerilim kontrolü ekonomik olmaktan çıkacaktır. Gerilim kontrolünün bir diğer yöntemi ise yüke seri bir Transistör bağlayarak kollektör akımının kontrolü şeklinde olabilir.
 


Şekil 4: Transistörün kollektör akımının ayarlanması ile yük uçlarındaki gerilimin kontrolü



Şekil 4'de ki devrede yine yük üzerindeki gerilimi 6V olarak ayarlamak isteyelim bu durumda "Transistorün Kolektör Akımını" 3A olarak ayarlamamız gerekecektir. Bu durumda yük direnci üzerinde 6V'luk gerilim düşümü elde edilse de geriye kalan 6V, transistorün kollektör - emiter bacakları arasında düşecek Transistör gövdesinde ve soğutucusu üzerinde 18W'lık bir güç ısı olarak kaybolacaktır. O nedenle direnç için söylediğimiz bütün dezavantajlar Transistörle gerilim kontrolü içinde geçerli olacaktır. Transistörler anahtarlama elemanları olarak (aç - kapa) oldukça kullanışlı olmalarına rağmen akım kontrolünde ısı kayıpları nedeni ile elverişli değillerdir. Doğru akımın bir diğer kontrol şekli ise anahtarlamalı kontroldür. Şekil 5'de ki devrede anahtar kapalı iken yük üzerindeki gerilim kaynak gerilimine eşit olacaktır anahtar açıldığında ise yük gerilimi sıfıra düşecektir.
 


Şekil 5: Aç-Kapa anahtarlama ile yük uçlarındaki gerilimin kontrolü


 


Şekil 6: Aç-Kapa kontrolde yük uçlarındaki gerilimin şekli ve ortalama değeri

Eğer anahtar devamlı kapatılıp açılır ve anahtarın kapalı olma süresi ile açık olma süresi birbirine eşit olursa yük üzerinde 6 V'luk bir ortalama gerilim düşmüş olacaktır. Bu ortalama gerilim anahtarın açık ve kapalı olma süreleri (oranları) değiştirilerek ayarlanabilecektir. Anahtarın kapalı olduğu periyotlarda anahtarın iç direnci yok kabul edildiğinde üzerinde herhangi bir gerilim düşümü olmayacağı için güç sarfiyatı olmayacaktır.

Yine açık olduğu periyotlarda da üzerinden akım geçirmeyeceği için yine güç sarfiyatı olmayacaktır. Anahtarlama elemanında güç sarfiyatının yani kaybın olmaması bu kaynağın veriminin %100 olması anlamına gelecektir. Anahtarlama ile doğru akımın kontrolünde verimin %100 olmasına rağmen çıkış gerilimi dalgalı bir biçimde olacaktır. Anahtarlamalı kontrolün en büyük dezavantajı da budur. Bu dalgalı çıkış omik yüklerde kabul edilemez olsa da motor gibi endüktif yüklerde anahtarlama frekansı çok yüksek olduğu taktirde kabul edilebilir bir dalgalanma olacaktır. Düşük anahtarlama hızları motor devrinde titremelere neden olsa da yüksek anahtarlama hızlarında bu titreşim en az düzeye inecektir. Yüksek anahtarlama hızlarının mekanik anahtarlar ile elde edilmesi imkansızdır bu nedenle anahtarlama elemanı olarak BJT, MOSFET veya IGBT gibi yarı iletken anahtarlama elemanları kullanılır.


Serbest Döngü Diyodu


İndüktif yüklerde manyetik alan olarak Şekil 7'de ki gibi enerji depo edilmektedir. 
 


Şekil 7: Bobinlerde depo edilen enerji

Bobin devresindeki anahtarı açmakla aslında bu enerjiyi yok etmeye çalışıyoruz ve bu da kendisini kontaklar arasında ark (kıvılcım) şeklinde ortaya çıkarmaktadır. Bir bobinde meydana gelen ters indüksiyon geriliminin değeri Şekil 8'de ki gibidir.
 


Şekil 8: Ters indüksiyon gerilimi

Akımdaki değişim ne kadar büyük olursa (anahtarlama ne kadar hızlı olursa) indüksiyon gerilimi o oranda yüksek olacaktır. Bobin devresinde kullanılan yarı iletken anahtarlama elemanı kesime gittiğinde bobin üzerindeki bu enerji yarı iletken anahtarlama elemanı üzerinden geçişini sürdürmek isteyecek ayrıca oluşan ters indüksiyon gerilimi yarı iletken eleman yalıtım geriliminin üzerine çıktığında delinmesine yani arızalanmasına neden olacaktır. Bu sorunu çözmek için endüktif yüklere kaynağa ters polaritede bağlanmış serbest döngü diyotları bağlanır.

Şekil 9'de ki devrede Transistör (yarı iletken anahtarlama elemanı) iletimdeyken DC kaynak endüktif yük (Bobin + Direnç) üzerinden akım geçirir. Fakat diyotdan ters polaritede olduğu için bir akım geçişi olmaz. Transistör kesime gittiğinde bobin üzerindeki enerji serbest döngü diyodu üzerinden kısa devre olarak yine bobin üzerinde harcanacaktır.
 

Şekil 9: Aç kapa kontrolde yük üzerinden kaynak tarafından ve serbest döngü diyodu üzerinden boşalan enerji şeklindeki akım geçişi

Akım şekli incelenecek olursa; Transistör iletime geçtiğinde bobinden ani bir akım geçişi başlamak isteyecek fakat ters indiksüyon gerilimi bu ani akım artışına ters yönde tepki vererek ani artışı engelleyecek rampalayacaktır. Akım kararlı bir düzeye oturmadan bu sefer transistör kesime gidecek ve bobin üzerinde depo edilen enerji serbest döngü diyodu üzerinden sönümlenmeye başlayacaktır. Eğer anahtarlama hızı çok yüksek tutulacak olursa (Örneğin 20 kHZ = 20.000 Hz) akımdaki bu dalgalanma endüktif yükler için kabul edilebilir bir düzeyde olacaktır.
 

Gerilim Kontrollü Alternatif Akım - Doğru Akım Kaynağı


AC akımın DC akıma çevrilmesinde en bilindik yöntem diyotlar ile yapılan tam dalga veya yarım dalga doğrultuculardır.
 

Yarım dalga doğrultma


Şekil 10'da ki devrede AC akımın “+” alternansında diyodun anod ucuna “+” ve katot ucuna “–” polarite geleceği için Diyod iletime geçecek ve üzerinde düşecek iletim gerilimi haricinde (teorik olarak silisyum diyotta 0.7 germanyum diyotta 0.3 V) AC akımın “+” alternansını yük üzerine iletecektir.

AC akımın “–“ alternansında ise bu sefer diyodun anod ucuna “-“ ve Katot ucuna “+” polarite geleceği için diyod kesime gidecek ve açık anahtar gibi davranacağından yük uçlarına bir gerilim uygulanmayacaktır.
 


Şekil 10: 1 fazlı yarım dalga doğrultma devresi


Tam dalga doğrultma


Şekil 11'de ki devrede AC akımın “+” alternansında D1 ve D4 Diyodlarının anod uçlarına + ve katot uçlarına “–” polarite geleceği için bu iki diyod iletime geçecek ve AC akımın “+” alternansını yük üzerine iletecektir. AC akımın “–“ alternansında ise bu sefer D2 ve D3 diyodlarının anod uçlarına “+” ve katot uçlarına - geleceği için bu iki diyot iletime geçeçek ve AC akımın “–“ alternansında akımın yönünü değiştirerek (DC akım için aynı yönde kalacak) yük uçlarına uygulayacaktır.

 


Şekil 11: 1 fazlı tam dalga doğrultma devresi

Devre incelendiğinde,D1 ve D4 diyotları iletimde iken D2 ve D3 diyotları uçlarına ters polarite olacağı için kesimde kalacaklar. Aynı şekilde D2 ve D3 diyotları iletimde olduğunda ise bu sefer D1 ve D4 diyotları uçlarına ters polarite geleceği için kesimde kalacaklardır. Şekil 12 ve Şekil 13'de üç fazlı tam dalga (Köprü tipi) doğrultma devresi ve gerilim dalga şekilleri verilmiştir.
 


Şekil 12: 3 fazlı tam dalga doğrultma devresi

 
 


Şekil 13: 3 fazlı doğrultulmuş gerilimin grafiği

Sabit bir çıkış gerilimi için kullanılıyor olsalar da çıkış geriliminin ayarlanması istenen yerlerde diyotlarla yapılan doğrultma isteneni vermeyecektir. Ayarlı bir DC çıkış, gerilimin periyot içerisinde yüke uygulama süresiyle elde edilir bunun içinde doğrultma işlemi kapı kontrollü bir yarı iletken eleman ile yapılmalıdır. Bu iş için en uygun olanı, düşük fiyatı ve iletimde üzerindeki güç sarfiyatının az olması nedeni ile Tristör (SCR) dür. Tristörü kesime götürme zorluğu alternatif akımın diğer alternansa geçmesi ile ortadan kalkmaktadır.

 


Şekil 14: 1 fazlı tam dalga doğrultma devresinde tristörün açı ile tetiklenmesi


Şekil 15'de ki devrede tek tristör ile yarım dalga kontrollü bir doğrultma yapılmıştır. Buradaki α açısı tristörün tetiklenme açısı olup bu açının büyütülüp küçültülmesi ile bir altarnans içerisindeki DC akımın ortalama değeri ayarlanabilmektedir.


Şekil 15: 1 fazlı tristörlü tam dalga doğrultma devresi

Her ne kadar elde edilen gerilim tam bir DC akım olmasa da ilerleyen konularda göreceğimiz devreler ile kabul edilebilir bir noktaya gelecektir. Eğer tam dalga kontrollü bir doğrultucu kullanılacak olursa elde edilen DC akım biraz daha düzelecektir. Bu devrede de diyotla yapılan tam dalga doğrultmada olduğu gibi AC akımın “+” alternansında T1-T4 ve “–” alternansında T2-T3 tristörleri verilen α açısı ile iletime geçerek doğrultma işlemini gerçekleştirecektir. α açısı 0 derece olduğunda DC akımın değeri en büyük olacaktır. Bu değeri veren formül Şekil 16'da ki gibidir.
 


Şekil 16: Tetikleme sinyali 0 derecede DC gerilim formülü
 

α açısının 0dereceden farklı olduğu durumlarda DC akımın değeri Şekil 17'de ki formül ile bulunur.
 

Şekil 17: α açısında tetikleme sinyali uygulandığında DC gerilim formülü


α açısının 0 derece ve 180 derece arasında değiştirerek en büyük ve en küçük DC çıkış gerilimini ayarlamak mümkün olacaktır. Şekil 18'de 45 derece ve 135 derece ler için çıkış DC akım dalga şekli gözükmektedir.
 


Şekil 18: Omik yükte 45 derece ve 135 derecede tetikleme sinyali uygulandığında DC gerilimin dalga şekli

 

Endüktif Yüklerde Kontrollü Doğrultma


Endüktif yük üzerinde manyetik bir enerjinin depolandığını ve yük akımı kesilse dahi bu enerjiden dolayı akımın akmak isteyeceğini daha önce görmüştük. Bu nedenle tristörler diğrer alternansta ( “-“ alternansta ) hemen kesime gidemeyerek akımımın akışına enerji tükenene kadar bir müddet daha müsaade edeceklerdir.
 

Şekil 19: Endüktif yükte 15 derece ve 65 derecede tetikleme sinyali uygulandığında DC gerilimin dalga şekli


Bu durumda yük uçlarındaki gerilim negatif olacak ve akım akışı kesilemeyeceği için tristör çiftlerinden biri mutlaka devrede kalacak ancak diğer tristör çifti iletime geçtiğinde kesime gidebilecektir. Şekil 19'da 15 derece ve 60 derece tetikleme açısı için DC akım çıkış dalga şekli görülmektedir. DC çıkış geriliminin negatif değer alması ilk bakışta bir sorun gibi gözükse de ilerleyen konularda göreceğimiz inverterlerin, konvertörlerin motorun frenlenmesi durumunda kaynağa geri enerji vermesini sağlamaktadır.


Üç Fazlı Kontrollü Doğrultucular


Eğer üç fazlı sistemlerde tam dalga doğrultma yapılacak olur ise bir periyot içerisinde bütün fazlara ait altı adet “+” alternans elde edilecek bu ise çıkış dalga şeklinin daha düzgün olmasını sağlayacaktır. Şekil 20'de ki devrede α açısının 0 derece – 30 derece – 60 derece ve 90 derece olması durumunda elde edilecek çıkış gerilimleri verilmiştir. Ortalama Vdc gerilimi kesik düz çizgiler ile gösterilmiştir. Fakat 90 derecede ki ortalama DC gerilimi sıfırdır.
 


Şekil 20: 3 fazlı tam dalga doğrultmada 30, 60, 90 derecelerde tetikleme sinyali uygulandığında DC gerilimin dalga şekli
 
 


Şekil 21: 3 fazlı tristörlü tam dalga doğrultma devresi

 

Üç fazlı köprü tipi kontrollü bir doğrultucunun çıkışındaki gerilimi veren formül Şekil 22'de ki gibidir.

 


Şekil 22: Tetikleme sinyali 0 derecede DC gerilim formülü

Doğrultucu çıkışına bağlanan filtre bobin ve kondansatörleri ile DC çıkışın daha doğruya yakın olması sağlansa da üç fazlı köprü tipi kontrollü doğrultucunun çıkış geriliminin daha da düzgüne yaklaştırılması için bazı özel sürücülerde AC akım devresi bir faz kaydırıcı trafo ile 30 derece kaydırılarak çiftlenmekte ve iki adat köprü tipi kontrollü doğrultucu yapılarak bir periyot içerisinde 12 adet “+” alternans elde edilerek daha düzgün bir DC çıkış alınmaktadır.
 


Şekil 23: 6 fazlı doğrultma ve DC motor kontrol devresi


240 Volt'luk AC şebekede bir fazlı kontrollü bir doğrultucu ile 216 V'a üç fazlı kontrollü bir doğrultucu ile 560 V'a kadar ayarlı gerilim elde etmek mümkündür. Daha büyük değerlerde DC çıkış elde etmek için doğrultucunun AC gerilim değeri bir trafo yardımı ile yükseltilir. Motor imalatçıları genellikle bu gerilim değerlerini göz önüne alarak standart üretimler yapmaktadırlar.

Doğrultucularda tristör veya diğer yarı iletken anahtarlama elemanlarının sıralı tetiklenmesi çoğunlukla bu iş için tasarlanmış elektronik entegre devreler ile yapılmaktadır. Bu devre, ayarlanan ve motordan alınan geri dönüş bilgilerine göre α açısını gerilim kaydırma yöntemi ile ayarlamaktadır. Güç devresinin yüksek geriliminin tetikleme devresine zarar vermemesi için güç ve tetikleme devreleri birbirlerinden optokuplörler veya tetikleme trafoları ile yalıtılmaktadır. α açısının nasıl ayarlandığına dair aşağıda temel bir devre bulunmaktadır.
 


Şekil 24: Basit bir tetikleme devresinin elektronik şeması


“+” alternansta Tristörün Anod ve Katod uçları doğru polarma altındadır fakat Gate bacağına bağlı olan C1 kondansatörü boştur ve “+” alternansta bu kondansatör sarj olmaya başlar Gate bacağındaki gerilim değeri ancak C1 kondansatörü sarj olduğunda tristörü tetikleyebilecek düzeye gelir. C1 kondansatörü sarj olma süresi tetikleme gecikmesini verir. Şarj süresi ise R2 potansiyometresi ile ayarlanır. Tam doğru olmayan konvertör çıkışındaki gerilimin motor momentinde ve devrinde titreşimler oluşturması beklenebilir. Fakat her ne kadar motora titreşimli bir gerilimde uygulasak da motor sargılarının endüktif özelliğinden dolayı motor akımı gerilim kadar çok titreşimli olmayacak ve neredeyse motor üzerinden doğru akıma yakın bir akım geçecektir.

Moment motor akımına bağlı olduğu için akımın yapmış olduğu bu küçük titreşimler momentte kendisini çok fazla hissettirmeyecektir. Düşük endüktanslı motorlarda ise devrelerine seri bağlanan filitre bobinleri sayesinde akım şekli düzeltilmektedir. Titreşimli besleme gerilimin dez avantajı olmuyor diyemeyiz. Gerilimdeki bu titreşim azda olsa alternatif bir etki yaparak az önce bahsettiğimiz endüktif direnç oluşturmaktadır. Tam doğru gerilimde ısı kayıpları I2 x R iken bu durumda küçük de olsa R nin yanına bir endüktif direnç XL eklenmekte bu ise kayıpları bir miktar arttırmaktadır.
 


Şekil 25: α açısında tetikleme sinyali uygulandığında DC gerilimin ve Akımın grafiği
 

Motor Sürücüleri serisinin 3. bölümünde “İnverter”leri inceleyeceğiz.

Kaynak:
►www.kumanda.org
Mehmet Tosuner Mehmet Tosuner Yazar Hakkında Tüm yazıları Mesaj gönder Yazdır



ANKET
Endüstri 4.0 için En Hazır Sektör Hangisidir

Sonuçlar