Elektrik motorları, endüstriyel tesislerdeki en büyük yatırımlar ve ekipmanlar arasındadır. Endüstride çok sık kullanılan ekipmanlardan olan motorlar arızalandığı takdirde çok pahalı ve uzun süreli duruşlara neden olabilir. Bakım, tamirat masrafları ve uzun süreli duruşlar ise iş ve iş gücü kayıplarına neden olabilmektedir. Bu nedenle motorun en iyi şekilde korunması şarttır. Motor koruma ne kadar iyi olursa, arıza durumunda meydana gelen hasar ve maliyet kaybı da o kadar az olur.

Orta gerilim motorlarında aşır yüklenmeden kaynaklı arıza nedenleri ve bu arızalara karşı kullanılması gereken koruma fonksiyonları bu yazıda detaylı olarak anlatılmaya çalışılmıştır.

Aşırı yüklenmeden kaynaklı yüksek sıcaklık, motor arızalarının gerçekleşmesindeki önemli etkenlerden biridir. Bu durum, yalıtım malzemesinin yaşlanmasına ve motor ömrünün hızla kısalmasına yol açabilir. Bazen de doğrudan kısa devreye neden olarak motor sargılarında ciddi hasarlara sebep olabilir. Dolayısıyla, orta gerilim motorlarının korumasında farklı termal modellerden faydalanıp yüksek sıcaklığın yaratabileceği riskler en aza indirilmeye çalışılır.

Aşırı yüklenme, motorun iki temel parçası olan stator ve rotor üzerinde farklı etkiler bırakır. Bu nedenle modern koruma rölelerinde hem rotor hem de stator için ayrı termal modellerden faydalanılır. Çalışma sırasında stator termal olarak aşırı yüklenmeye maruz kalabilir ve statorun termal olarak aşırı yüklenmesi, yalıtım malzemesine zarar vererek motorun ömrünü kısaltabilir. Bu yüzden stator termal aşırı yük koruması, motor korumada standart bir gerekliliktir.

Motorların döner elemanı olan rotorun korunması açısından ise statordan farklı senaryolar değerlendirilmelidir. Özellikle motor kalkış süresinin izin verilen süreden uzun olması, rotor sargılarında ve kafes çubuklarında ciddi ısınmalara yol açabileceği için motor kalkış süresinin izlenmesi büyük önem arz etmektedir. Bunun yanısıra, motorun izin verilen limitlerden daha kısa aralıklarla ve çok fazla sayıda tekrar çalıştırılması, rotorun yeterince soğuyamadan yeniden yüksek akımlara maruz kalmasına sebep olur. Bu durum rotorun termal limitlerini aşmasına, sargı izolasyonun zayıflamasına ve nihai olarak kalıcı hasarlara sebep olabilir.

 

Stator aşırı yük koruması, motorun sabit sargılarını termal açıdan güvence altına almak amacıyla kullanılan temel bir koruma fonksiyonudur. Bu koruma prensibinde, röle motorun sürekli olarak çektiği akımları ölçerek bir termal modele uygular ve bu model üzerinden stator sargılarında oluşabilecek sıcaklığı sürekli olarak hesaplar.

Ölçülen stator akımlarına dayanan bu termal model, motorun gerçek çalışma koşullarını yansıtarak statorun maruz kaldığı sıcaklığı dinamik bir şekilde takip eder ve motorun termal sınırlarının aşılma riskini öngörür. Hesaplanan sıcaklık değerinin, yalıtım sınıfının izin verdiği maksimum değerine ulaşması durumunda ise koruma rölesi, ilgili kesicisine açma (trip) komutu gönderir ve böylelikle stator sargılarının aşırı sıcaklıktan kaynaklı kalıcı hasar görmesinin önüne geçilmiş olunur.
 

Şekil 1: Hafızalı Termal Aşırı Yük Modeli
 

 

Termal modelde kullanılan temel parametreler aşağıdaki gibidir:

I_preload : Motorun önceki yükü, önceden çektiği akım
I_N: Nominal akım
k: Aşırı yük katsayısı
τ_th >: Termal zaman sabiti

Bu parametrelerle, motorun iç sıcaklığına yakın bir matematiksel sıcaklık değeri hesaplanır ve motor eğer birkaç kez kalkış yaptıysa veya kısa süreli aşırı yüklendiyse, bellekte tutulan bu bilgilerle birlikte bir sonraki yüklenme durumunda korumanın daha erken tetiklenmesi sağlanır. Yani stator aşırı yük koruması, yakın geçmişte maruz kaldığı yüklenmeleri de dikkate alarak karar veren gelişmiş bir koruma yaklaşımıdır. Örneğin, motor birkaç dakika önce ağır bir zorlanma yaşamışsa, daha sonra karşılaştığı normal seviyedeki bir yük bile risk oluşturabilir. Bu nedenle koruma fonksiyonu, sadece o anki duruma değil, geçmişe dair yüklenme bilgisine de dayalı bir değerlendirme yapar. Bu özelliği nedeniyle literatürde bu koruma tipine “hafızalı koruma” adı verilir.

Stator aşırı yük korumasının temelinde yer alan termal modelinde, motorun stator sargılarındaki sıcaklığı ve mevcut yük durumu sürekli izlenir. Aşırı yüklenme tespit edildiğinde ve akım değeri izin verilen maksimum sınırın üzerine çıktığında, açma süresi geçmiş yüklenme koşulları ve akım geçmişi dikkate alınarak dinamik olarak belirlenir. Örneğin kısa sürede yüksek akımlar algılandığında açma süresi kısalır ve motor hızla devreden çıkarılır. Öte yandan akım değeri görece düşük fakat uzun süreli ise açma süresi uzayabilir. Ayrıca, motor daha önce yoğun yük altında çalıştıysa, sistem güvenliği için açma kararı daha kısa sürede verilir. Düşük yük durumunda ise açma kararı daha uzun sürede sağlanır.

Bu yaklaşım sayesinde kısa süreli aşırı yüklenmelerde gereksiz açmalar önlenir ve motorun termal rezervi dikkate alınarak koruma optimizasyonu sağlanır. Böylece koruma fonksiyonu, motorun güvenilirliğini artırırken ömrünü de uzatır. Sonuç olarak, stator aşırı yük korumasının açma süresi; akımın büyüklüğü, bu akımın ne kadar süre devam ettiği ve motorun önceki yüklenme geçmişi dikkate alınarak, tamamen dinamik bir yapıda ayarlanır.

Şekil 2: Termal Model Açma Süresi  

 

Motorun döner elemanı olan rotor, stator sargılarında indüklenen manyetik alanın etkisiyle hareket ederek mekanik gücü üreten temel bileşendir. Elektrik motorlarının kalbi sayılabilecek bu parça, sürekli döner hareketi ile yükü tahrik eder ve doğrudan mekanik enerji çıkışını sağlar. Ancak rotor, çalışma sırasında yüksek akımlar, mekanik zorlanmalar ve özellikle de kalkış anındaki ağır şartlar nedeniyle ciddi termal yüklenmelere maruz kalabilir. Bu nedenle rotorun termal açıdan korunması, motorunun güvenilirliği açısından kritik öneme sahiptir.

Rotorun termal aşırı yüklenmelere karşı korunması, motor güvenliğinin en kritik unsurlarından biridir. Bu fonksiyon, rotorun sıcaklığını sürekli izler ve izin verilen sınır değer aşıldığında ya uyarı verir ya da motoru devreden çıkararak hasarı önler. Bu çerçevede karşılaşılan en yaygın riskler arasında, kalkış süresinin izin verilenden çok daha uzun sürmesi, rotorun kilitlenmesi veya motorun arka arkaya fazla sayıda başlatılması (start) yer alır.

Rotor için de statorda olduğu gibi termal model uygulanır. Bu modelde rotor sıcaklığı, izin verilen maksimum rotor sıcaklığının bir yüzdesi üzerinden hesaplanır. Hesaplama sürecinde kullanılan temel veriler; motorun soğuk durumda kaç kez güvenli şekilde başlatılabileceği, sıcak durumda kaç kez başlatılabileceği ve her bir başlatma için öngörülen kalkış süresi ile kalkış akımıdır. Bu değerler genellikle motorun nominal kalkış koşullarına göre belirlenir ve motorun teknik dokümanlarından alınmalıdır.

Sonuç olarak motorun kalkış sıklığı, izin verilen kalkış sayısı ve sıcaklık durumuna göre, farklı koruma fonksiyonlarıyla termal aşırı yüklenmelere karşı etkin bir koruma sağlanır.

 

Tekrar kalkış engelleme fonksiyonu (ANSI 66), motorun belirli bir zaman aralığında izin verilenden daha sık başlatılmasını önlemek amacıyla kullanılan önemli bir koruma fonksiyonudur. Bu fonksiyonun temel görevi, motorun henüz yeterince soğumadan tekrar tekrar devreye alınmasını engellemek ve böylece rotor ile stator sargılarının aşırı ısınmasını önlemektir. Bu fonksiyon üç ana kademeden oluşur:

► Termal kademe: Termal modelle sıcaklık sürekli izlenir, çok ısınmışsa yeniden başlatmaya, tekrar kalkışa, izin verilmez.
► Sayaç kademesi: Üreticinin belirlediği zaman aralığında izin verilen başlatma sayısı aşıldıysa, motorun tekrar kalkışı engellenir.
► Zamanlayıcı kademesi: Her kalkış arasında üreticinin belirttiği minimum sürede beklenip beklenmediği kontrol edilir.

 

Aşağıdaki grafikte termal aşama için üç kez art arda yapılan motor kalkışlarını içeren örnek bir senaryo gösterilmektedir:



 

Şekil 3: Tekrar Kalkış Engelleme - Termal Adım (Siemens 7SK82 Röle)

Grafiğin alt kısmında motorun başlatma akımı değeri, ardından normal çalışma akımına geçişi ve ardından motorun durdurulup iki kez daha yeniden başlatıldığı süreç görülmektedir. Üst kısımda ise rotor sıcaklığının zamana bağlı eğrisi ve ilgili diğer termal parametreler yer almaktadır.

Termal hafıza fonksiyonu bu süreçte şu görevleri yerine getirir;

► Motorun rotor sıcaklığını sürekli hesaplar.
► Motorun sıcak ya da soğuk durumda olduğuna karar verir.
► Rotor için izin verilen yeniden başlatma limitini belirler.
► Rotorun yeniden kalkış yapabileceği zamanı hesaplar.
► Motorun yeniden başlatılamadığı süreçte, termal denge (equilibrium) süresini dikkate alır.

Rotorun termal replikası için doğrudan rotor akımı ölçülemediğinden, stator akımlarından yararlanılır. Rotor sıcaklığı, motor parametreleri ve izin verilen soğuk-sıcak kalkış sayılarıyla motorun termal karakteristikleri göz önüne alınarak hesaplanır. Rotor sıcaklığı, tekrar başlatma limitini aşarsa, motorun tekrar çalıştırılması engellenir. Bu durumda, tekrar kalkış engelleme(restart inhibit) fonksiyonu devreye girer ve motor kalkışına izin verilmez.

Örneğin, motor ilk kez soğuk durumda başlatıldığında, çalıştıktan sonra durduğunda rotor sıcaklığı limitin altında kalırsa herhangi bir kısıtlama uygulanmaz. Bu noktada termal denge süresi devreye girer ve motor durduğu andan itibaren parçaların termal davranışları dikkate alınarak rotor sıcaklığının çevre koşullarına uyum sağlaması beklenir. Denge süresinin sonunda rotor sıcaklığı ortam sıcaklığına yakınsa, motor yeniden çalıştırılabilir.

Bu süre sonunda motor ikinci kez kalkış yaptığında rotor sıcaklığının yükselmesine rağmen yeniden başlatma limiti geçilmediğinden motor güvenli bir şekilde devreye alınabilir. Ancak, üçüncü kalkış sonrasında rotor sıcaklığı restart limitin üstüne çıkar ve motor durduğunda rotor sıcaklığı hala bu limitin üzerindedir. Bu durumda termal denge süresi yeniden başlar ve beraberinde restart inhibit sinyali (tekrar kalkış engelleme) de devreye girer. Rotor sıcaklığı yeniden limiti geçene kadar motor çalıştırılamaz ve bu durumda geçen süreye termal soğuma süresi denir.

Bu durumda tekrar kalkış engelleme sinyali aktif kalır. Rotor sıcaklığı yeniden τ_restart’ın altına inene kadar motor tekrar çalışamaz. Toplam tekrar kalkış engelleme süresi; rotor sıcaklığına, termal soğuma süresine ve termal denge süresine bağlı olarak değişebilir.

Toplam engelleme (inhibit) süresi, rotor sıcaklığına, termal soğuma süresine ve denge süresine bağlı olarak değişkenlik gösterir. İncelenen örnekte, üçüncü kalkış sonrası rotor sıcaklığı limitin üzerinde olduğundan engelleme süresi, soğuma süresi ile denge süresinin toplamı kadar olur. İlk iki kalkışta ise rotor sıcaklığı limitin altında kaldığı için sadece termal denge süresi boyunca engelleme sinyali uygulanmıştır.

Buna ek olarak, rotor sıcaklığı yeniden başlatma limitini geçtiği anda bir uyarı sinyali (warning stage) de üretilir ve olası risk hakkında bilgi verilir. 

 

Sayaç kademesinde, motor için tanımlanan belirli bir zaman aralığı içerisinde izin verilen maksimum kalkış sayısına ulaşıldığında tekrar kalkış engelleme (restart inhibit) sinyali üretilir. Bu süre boyunca motorun yeniden devreye alınmasının önüne geçilir. Örneğin bir motor için 60 dakika içerisinde 2 kere kalkış yapılmasına izin verilmiş olabilir.



 

Şekil 4: Tekrar Kalkış Engelleme - Sayaç Kademesi

Yukarıdaki örnekte motor ilk kalkışını yaptıktan sonra 10. dakikada durmaktadır. Ardından ikinci kez kalkış yapıp 33. dakikada tekrar devreden çıkar ve maksimum kalkış sayısına ulaşmış olur. Dolayısıyla röle, 27 dakika boyunca yeniden kalkış engelleme sinyalini aktif tutar ve bu süre tamamlanmadan motorun tekrar çalıştırılmasına izin vermez.

 

Zamanlayıcı kademesinde, motorun iki kalkış arasındaki izin verilen minimum süre boyunca tekrar kalkış engellenir. Belirlenen minimum sürenin tamamlanmasının ardından ise motor güvenli bir şekilde yeniden devreye alınabilir.

Şekil 5: Tekrar Kalkış Engelleme - Zamanlayıcı Kademesi

Yukarıdaki örnekte, iki kalkış arasında izin verilen minimum süre 25 dakika olarak tanımlanmaktadır. Motor ilk kez devreye alındıktan sonra 12.dakikada durduğunda, tekrar kalkış engelleme sinyali aktif hale gelir ve bu sinyal 13 dakika boyunca (25 dakikalık limit dolana kadar) aktif kalır.

Eğer motor 26. dakikada durmuş olsaydı aradaki süre 25 dakikayı geçtiğinden yeniden kalkış engelleme sinyali oluşmazdı. Böyle bir durumda motorun yeniden başlatılması mümkün olurdu.
 

Motorun başlatma süresi gözetimi, starting time supervision, motorun başlatma işleminin çok uzun sürmesini önleyen ve bu süreci denetleyen bir koruma fonksiyonudur. Bu koruma fonksiyonu yalnızca motor başlatılırken aktif hale gelir ve birden fazla kalkışın üst üste yapılması durumunda termal limitlerin çok hızlı bir şekilde aşılmasını engellemeye yöneliktir. Sağlıklı bir motor kalkış için başlatma süresinin izlenmesi çok önemlidir.
 

 

Şekil 6: Motor Kalkış İzleme Karakteristiği (Siemens 7SK82 Röle)

Başlatma süresini süresini uzatacak olan koşullar şunlardır:

► Motor kalkış sırasında motor terminallerinde düşük gerilim olması,
► Motorun aşırı yük altında çalışması,
► Kilitli rotor durumu.

Bu koruma fonksiyonunda iki farklı açma karakteristiği kullanılır: Biri soğuk motor için, diğeri sıcak motor için.

Açma karakteristiklerine benzer bu eğriler motor üreticisinden alınarak kullanılırlar.

Bu eğrilerde motorun soğuk ve sıcak durumdayken belirli bir akıma ne kadar süre dayanabileceği tespit edilebilir. Sıcak durumda, motorun dayanabileceği süre soğuk duruma kıyasla daha kısadır. Eğer kalkış süresi bu süreyi aşarsa, motorun zarar görmesini önlemek amacıyla koruma rölesi devreye girer ve motor devre dışı bırakılır (trip).

 

Motorun termal olarak aşırı yüklenmesine sebep olabilecek durumlardan birisi de negatif bileşen akımlarıdır. Bu tür akımlar genellikle gerilim dengesizliği veya faz kaybı durumlarında ortaya çıkar. Örneğin, bir sigortanın atması sonucunda bir faz devreden çıkarsa, motor dengesiz bir gerilimle beslenir ve rotorun üzerinde aşırı stres oluşabilir.


 

Şekil 7: Negatif Bileşen Akım Koruması - Faz Kaybı

Bu durum sistemde bir negatif bileşen geriliminin varlığını gösterir. Negatif bileşen gerilimi de, negatif bileşen akımına yol açar ve bu negatif bileşen akımı, rotor üzerinde olumsuz etkiye sahiptir. Rotor çok hızlı ısınabildiğinden, bu gibi durumlarda hızlı açma yapılması gerekir. Bu amaçla negatif bileşen aşırı akım koruma fonksiyonu devreye alınır ve maksimum birkaç saniyeye ayarlanır. Böyle bir durumda hızlı açma zorunludur.

Ayrıca, sistemdeki gerilim dengesizliği de negatif bileşen akımlarına neden olabilir. Gerilimler arasında çok küçük farklar bile, negatif bileşen gerilimi oluşmasına sebep olabilir. Motorun negatif bileşen reaktansı ya da empedansı görece düşük olduğu için çok küçük bir negatif bileşen gerilimi, görece yüksek bir negatif bileşen akımına neden olabilir. Bu da rotorun aşırı ısınmasına ve termal hasara sebep olabilir.



Sonuç ve Değerlendirme

Orta gerilirim motorlarında stator ve rotor için uygulanan termal koruma fonksiyonları, endüstriyel tesislerin güvenli ve kesintisiz işletimi için çok kritik bir öneme sahiptir. Termal modellere dayalı modern koruma röleleri, motor sargılarının izolasyonunu korur, aşırı ısınma risklerini önler ve motorun ömrünü uzatırken işletme sürekliliğini sağlar. Bu koruma sistemleri, motorun çalışma koşullarına bağlı olarak termal limitleri dinamik bir şekilde takip eder ve bu limitler aşıldığı takdirde uygun açma veya uyarı sinyalleri üretir. Sonuç olarak, motor arızalarının en aza indirilmesi sağlanır ve tesisin verimliliği artırılır. Endüstriyel süreçlerin güvenli bir şekilde sürdürülmesi, bakım maliyetlerinin düşürülmesi ve ekipman ömrünün uzatılması açısından termal koruma fonksiyonları kritik bir rol oynar.



Yazar: Ahmet Ertaş
Akıllı Altyapılar Bölümü
Şebeke Yazılımları
Güç Teknolojileri / Koruma, Güç Kalitesi ve Topraklama
Güç Sistem Danışmanı



Kaynaklar

► Siemens 7SK82 Motor Koruma Rölesi Kılavuzu
► IEC 60255 Koruma Röleleri Standartları
► IEEE Std C37.96 Motor Koruma Rehberi