Motor Sürücüleri 4. Bölüm |
DC Sürücüler
Motor Sürücüleri yazı dizimizin 4. Bölümünde "DC Sürücüler" konusunu işleyeceğiz.
1. Bölümünde, Güç Elektroniği Anahtarlama Elemanları konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.
2. Bölümünde, Kontrollü Kaynaklar konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.
3. Bölümünde, İnverter konusunu işlemiştik. Yazıya ulaşmak için tıklayın.
DC Motorun Çalışma Bölgeleri
Şekil 3'de belirtilen A noktası DC motorunun anma değerinde çalıştığı noktadır ve motorun kaynaktan çekeceği akımın değeri Şekil 1'de ki formül yardımıyla bulunur.
Bu durumda motor "Rejeneratif" çalışacak ve motor kaynağı besleyecektir. Yani akım yönü motordan kaynağa doğru olacaktır. Bu durumda motorun çalışma noktası B'ye kaymış olacaktır.
Şekil 3: Elektrik motorları çalışma bölgeleri
Kısaca A noktasına motor çalışma, B noktasına ise jeneratör (dinamo) çalışma diyebiliriz. Rejeneratif çalışmada motorun sürtünme ve diğer kayıplardan dolayı devri düşecek ve tekrar zıt emk'nın (E) değeri kaynak geriliminin (V) değerinin altına düşerek motor yeni devrinde motor çalışmaya devam edecektir.
Kaynak geriliminin azaltılması haricinde vinç veya asansör motorlarında yükün aşağı inişi sırasında motorun devri anma devrinin üzerine çıkacak bu durumda zıt emk'nın (E) değeri artarak kaynak geriliminin (V) üzerine çıkacak ve motor bu durumda da "Rejeneratif" çalışmaya geçecektir. Doğru akım motorlarının devir yönünü değiştirmek için kaynak yönü aniden değiştirilmemelidir.
Bu durumda kaynak gerilimi (V) ve o anki zıt emk (E) aynı yönde olacak ve akım değeri Şekil 4'de ki gibi olacaktır. Bu da, akımın anma değerinin iki katına kadar çıkması anlamına gelir.
Şekil 4: DC motorlarda kaynak yönü ani değişiminde motor akım formülü
Bu nedenle yön değiştirilmeden önce motor durdurulmalıdır. DA motorlarını durdurmak için kaynak gerilimi azaltılmalı motorun rejeneratif çalışarak durması sağlanmalı, daha sonra kaynak bağlantı uçları değiştirilerek gerilim arttırılmalıdır. Bu çalışmaya ait gerilim grafiği Şekil 5'de verilmiştir.
Şekil 5: Rejeneratif çalışmada motorun elektriksel parametre grafikleri
Burada motorun frenlenmesi ile birlikte akımın yön değiştirdiğine dikkat ediniz. Grafiğin altında kalan motordan kaynağa aktarılan güç üst tarafında ise kaynaktan motora aktarılan güç gözükmektedir. “+” alanın “-” alandan büyük olmasının nedeni frenleme sırasında sürtünme ve bakır kayıplarının oluşudur. Motorun frenleme sırasında kaynağı beslemesi yeni çıkan motor sürücülerinde yapılan ek devreler ile sağlanmaktadır. Yani sürücü ters yönde çalışarak kaynağa akım basmaktadır. Küçük güçlü veya eski tip sürücülerde bu özellik yerine motor rejeneratif çalışmaya başladığı anda motor uçları küçük bir direnç üzerinden kısa devre edilerek motor üzerindeki enerjinin direnç üzerinde ısı olarak kaybolması sağlanmaktadır.
Şekil 6: Rejeneratif enerjinin direnç üzerinde sönümlenmesi
Peki nasıl oluyor da enerji motordan kaynağa aktarılıyor?
Motor çalışmada kontrollü kaynak gerilim (V) yönü, zıt emk (E) yönü ve akım (I) yönü “a” şeklindeki gibidir.
Şekil 7: Rejeneratif çalışmada motorun üzerindeki enerjinin kaynağa geri aktarılması
Motorun frenlenmesi sırasında kontrollü kaynak gerilimi (V) değeri düşürüleceği için zıt emk'nın (E) değeri daha büyük olacak bu durumda motor akımı (I) yön değiştirerek zıt emk (E) yönünde olacaktır. Bu sırada bir anahtarlama mekanizması sayesinde (komitatör veya kontaktör) kontrollü kaynak yönü de değiştirilir. Enerjinin şebekeye dönüşü için kontrollü kaynağın anahtarlama açısı 90o'nin üzerine çıkarılarak ortalama gerilimin “-“ olması sağlanır.
Motor akımı yön değiştireceği için üretilen moment yön değiştirtecektir. “-“ olan moment motor ve yük eylemsizliğini düşürerek motorun durmasını sağlayacaktır. Motor yavaşladıkça zıt emk'nın (E) değeri düşeceği için kademeli olarak kontrollü kaynak gerilimi de (V) düşürülmelidir. Motor durduğunda zıt emk'da (E) “0” sıfır olacaktır.
Şekil 8: Kontrollü DC kaynak tetikleme açısı ile akım yönünün değiştirilmesi
Bu noktadan sonra kontrollü kaynak gerilimi (V) arttırılacak olursa motor ters yönde dönmeye başlayacaktır. Kontrollü kaynak yönünün mekanik değiştirilmesi hem gecikme hem de arızalara neden olmaktadır. Eğer çift konvertörlü devreler kullanılacak olursa bunun önüne geçilmiş olacaktır. Şekil 9'a dikkat edilirse birbirine ters iki adet anahtarlama devresi bulunmaktadır. Motor uçlarına bağlanan filitre bobini ise konvertörlerin peşi peşine devreye girmesi sırasında farklı anahtarlama açılarında oluşacak harmonikleri engellemek içindir.
Şekil 9: İki yön için iki farklı köprü tip doğrultucu kullanımı
Bu devre maliyeti arttırmakla birlikte mekanik anahtarlama olmaması nedeni ile de tepki süresini hızlandırmaktadır. Motorun frenlenmesi ve devir yönünün değiştirilmesi kutup sargılarında akım yönü değiştirilerek gerçekleştirilebilir. Bu şekilde küçük kutup akımı küçük yarı iletken anahtarlama elemanları ile değiştirilebilse de tepki süresi endüvi uçlarının değiştirilmesine göre çok daha uzundur. Kontrollü kaynakta anahtarlama açısı nedeni ile sinüs sıfır noktasında başlaması gereken akım φ açısı kadar geciktirilmektedir. Bu ise akım ve gerilim arasındaki faz açısının daha da büyümesine ve güç katsayısının küçülmesine neden olmaktadır.
Şekil 10: Kontrollü kaynaklarda anahtarlama açısının faz açısı oluşturması
Bu nedenle konvertörlerin bulunduğu AC şebekede muhakkak güç katsayısının kompanze edilmesi gerekmektedir. Özellikle büyük güçlerde ve tetikleme açısının büyüdüğü yani konvertör çıkış geriliminin küçük olduğu çalışmalarda güç katsayısı da en küçük değerlerine ulaşmaktadır. Konvertörlerde yarı iletken anahtarlama eleman çiftlerinin (çoğunlukla tristördür) kesime ve diğer çiftin iletime gitmesi sırasında yarı iletken anahtarlama eleman çiftleri çok kısa bir süre ( 1 ms'nin altında ) aynı anda devrede kalırlar. Bu ise konvertörü besleyen AC şebekede kısa devre darbelerine neden olur. Şekil 11'de AC şebeke sinüs dalgasındaki bozulmalar gözükmektedir.
Şekil 11: AC şebekede oluşan darbe gerilimleri
Akım (besleme) kapasitesi yüksek AC şebekelerde bu bozulmalar çok küçük zaman dilimlerinde olmakta ve hatta osilaskopta dahi görülememektedir. Fakat güçlü bir konvertör akım kapasitesi düşük bir AC şebeke tarafından beslenecek olursa bu bozulmaların süresi uzamakta de şebekeye bağlı diğer kullanıcılarda istenmeyen etkilere neden olabilmektedir. Yukarıda AC şebekeden elde edilen kontrollü doğrultucu konvertörler ele alınmıştır. Endüstriyel ortamlarda ve fabrikalarda bu tip motor sürücüleri kullanılsa da bazı durumlarda DC kaynaktan kontrollü DC gerilim elde eden kıyıcılar kullanılabilir. Örneğin tren ve tramvayların besleme hattı DC olup her çekici motorun (bazı kaynaklarda “CER MOTOR” olarakta geçer) sürücüsü bu şebeke ile beslenir. Yine deniz altılarda DC motorlar akü grupları tarafından beslenir. Kıyıcıların her ne kadar çıkış gerilim şekli çok fazla titreşimli olsa da yine DC motorun endüktif özelliğinden dolayı akım dalga şekli daha düzgündür hatta kıyıcının anahtarlama hızı yüksek frekanslara çıkartıldıkça akım dalga şekli daha da doğru akıma benzer hale gelir.
Şekil 12: Kıyıcı tarafından oluşturulan gerilim ve endüktif yükten geçen akımın grafiği
Kıyıcılarda yaşanan en büyük dezavantaj, DC kaynak yönünün terse çevrilememesidir. Bu nedenle motorun frenlenmesi veya devrinin düşürülmesi sırasındaki rejenerif çalışmada enerjinin kaynağa aktarılması çok daha pahalı ek devreleri gerektirmektedir.
DC Sürücülerin Kontrol Üniteleri
Sadece bir DC kıyıcı veya DC kontrollü doğrultucu tek başına motor sürücüsüdür diyemeyiz. Bunlar ile birlikte daha birçok ek anahtarlama ve kontrol devreleri bulunmaktadır. Şekil 13'de, DC sürücüye ait kontrol sisteminin blok şeması verilmiştir.
Şekil 13: DC sürücü kontrol sisteminin blok şeması
Kullanıcı DC sürücü üzerindeki küçük oparatör panelinden (bilgisayar vasıtası ile bilgisayarından) veya potansiyometreler vasıtası ile sürücüye ait bazı çalışma parametreleri girer. Bunlardan biri hıza aittir. Sürücüye çalışması istenen hız değerine ait referans bir gerilim girilir. (örneğin 0 dev/dk için 0V ve en yüksek devir için 10V olacak bir analog gerilim değeri) ve motorun bu hızda dönüp dönmediği bir tako genaratör vasıtası ile kontrol edilir. (ilerleyen konularda anlatılacak encoder de olabilir) Tako genaratörü basitçe bisiklet dinamolarına benzetebiliriz.
Motor devrine göre taka genetarörde üretilen gerilim hız referans gerilimi ile karşılaştırılarak devir sayısı fazla ise motorun frenlenmesine düşük ise hızının arttırılmasına yönelik kontrol katına bilgiler gönderilerek motorun hızı kontrol edilir. Bir diğer parametre ise momente aittir. Motor momenti akımla orantılı olacağı için akım değerine bakılarak kontrol edilebilir. Motor akımına bakılarak elde edilen akım bilgisi olması gereken değer ile karşılaştırılır ve motor akımı yani momentin artırılması veya azaltılması sağlanabilir. Ayrıca motor akımındaki tehlikeli yükselişler bu kontrol sayesinde önlenmekte motorun zarar görmesi engellenerek koruma yapılmış olmaktadır. Yukarıda bahsedilenler ve şekil, kapalı döngü kontrol sistemi olan sürücüler içindir. Sürücü maliyetini düşürmek veya geri dönüş bilgilerinin çok önemli olmadığı sürücülerde kapalı döngü kontrol yani hız ve moment geri dönüşleri yapılmamakta açık döngü ile motorun kullanıcı tarafından girdiği referans değerlerde çalıştığı kabul edilmektedir.
Bir sonraki yazımızda “AC Sürücüler” konusunu işleyeceğiz.
Kaynak:
►www.kumanda.org
- En Büyük Teknoloji Fuarı CES 2017'de En Dikkat Çekici Ürünler
- Dünya Üzerindeki En Farklı 10 Asansör
- Tarihin En Kötü 8 Mühendislik Hatası
- Geçmiş Dönemlerdeki 5 İlginç ve Başarısız İcat
- Her Mühendisin Uygulaması Gereken 5 Yöntem
- Hayatınızı Kolaylaştıracak 10 Fütüristik Ürün
- Bilimin ve Teknolojinin Babaları
- Dünya'nın En Eski 10 Efsanevi Bilgisayarı
- Basınç Çeşitleri Kılavuzu
- 3D Baskıda Alternatif Filamentler
- 5G Hakkında Bilmeniz Gereken Her Şey
- Siemens Türkiye: Türkiye'de 160.Yıl
- Türkiye'nin Siemens'i 160 Yaşında
- YILKODER Yönetim Kurulu Başkan Yardımcısı Gökhan Akman Röportajı
- ODTÜ Makina Mühendisliği Öğrenci Projeleri
- KIA Sportage Fabrikasındaki Muhteşem Otomasyon
- Festo'dan Helikopter Sinek | BionicOpter
- Ses Dalgalarıyla Suyu Dans Ettirebilir Miyiz?
- iPhone 6 Plus Yanıyor!
- Şempanze Drone'a Karşı!
|46 %|
|38 %|
|5 %|
|3 %|
|8 %|
Güncel Anket