Yazar: Dr Stan Zurek, DSc, PhD
Çıraklardan biri sordu: "Usta, bir endüktansın değerini ölçtüm ve X çıktı. Bu doğru mu?" Usta cevap verdi: "Doğru." Sonra ikinci çırak şöyle dedi: "Ama ben aynı endüktansı ölçtüm ve değeri Y çıktı, yanılıyor muyum?" Ve usta cevap verdi: "Sen de yanılmıyorsun. İkiniz de doğrusunuz." Üçüncü öğrenci itiraz etti: "İki sonuç farklıysa ikisi de doğru olamaz!" Usta da kabul etti: "Siz de haklısınız." Üç öğrencinin de kafası karışmıştı...
Giriş
Endüktans L, bir elektrik devresinin manyetik alanda enerji depolama yeteneğini ölçen bir özelliktir. Depolanan enerji miktarı endüktansın değeri ve içinden geçen elektrik akımının I karesi ile orantılıdır: E= L-I2/2
Bu nedenle, daha yüksek endüktansa sahip bir bileşen aynı akım için daha fazla enerji depolayabilir. Manyetik çekirdeği olmayan indüktörlerde, maksimum pratik akım sadece telde yayılan ısı ile sınırlıdır.
Endüktans, bobin tarafından çevrelenen malzemenin etkin bağıl geçirgenliği μr ile doğru orantılıdır: L=μr-μ0-N2-A/l (Burada μ 0 - vakumun geçirgenliği, N - bobinin sarım sayısı, A - bobinin alanı, l - bobinin uzunluğu).
Havanın veya manyetik olmayan herhangi bir malzemenin bağıl geçirgenliği çok düşüktür (μr = 1) ve bu nedenle belirli bir sarım sayısı için endüktans düşüktür. Bunun bir avantajı, manyetik olmayan malzemelerin manyetik olarak doyuma ulaşamamasıdır, bu nedenle manyetik olmayan bir çekirdeğe sahip indüktörler, son derece büyük akımlar için bile çok doğrusal bir karakteristiğe sahiptir.
Öte yandan, manyetik malzemeler çok yüksek geçirgenliğe sahip olabilir (μr >> 1). Manyetik akıyı yoğunlaştırmak ve yönlendirmek için 'manyetik devreler' için yaygın olarak kullanılırlar, böylece bileşenler daha küçük, daha verimli ve daha ucuz olacak şekilde tasarlanabilir. Her 50/60 Hz güç transformatörünün çalışması uygun bir manyetik çekirdeğin varlığına dayanır. Aynı durum motorlar ve jeneratörler için de geçerlidir. Manyetik çekirdekler mümkün olduğunca yüksek bir uyarma seviyesinde (boyutu en aza indirmek için), ancak doygunluktan kaçınmak için yeterince düşük bir seviyede çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bu şekilde, nüvenin varlığından maksimum fayda elde edilebilir.
Motorlar, jeneratörler ve transformatörlerdeki sargılar önemli ölçüde endüktans sergiler ve belirli elektrik, manyetik ve hatta mekanik arızalar, erişilebilir her sargı için endüktans değeri ölçülerek teşhis edilebilir veya tespit edilebilir. Ölçüm ne kadar doğru olursa arıza teşhisi de o kadar iyi olur. Peki endüktansı doğru ölçmek ne anlama gelir?
Geçirgenlik ve endüktans değişimi
Manyetik malzemelerin geçirgenliği çok yüksek olabilse de (nominal çalışma koşulları altında elektrik çeliği için tipik olarak μr > 1000), aynı zamanda doğrusal değildir ve yeterince yüksek bir akımda malzeme doygunluğa ulaşır ve geçirgenlik önemli ölçüde azalır (transformatörlerdeki ani akım gibi olaylara katkıda bulunur). Geçirgenliğin değeri çok sayıda faktöre bağlıdır, burada listelenen birkaçı gibi bazı faktörler diğerlerinden çok daha etkilidir:
Şekil 1: B = 100 mT'ye kadar düşük uyarımda tane yönelimli elektrik çeliği için tipik manyetik geçirgenlik eğrileri. (Transformatörler tipik olarak B = 1,5 T ile kullanılır). Belirli bir manyetik çekirdek için, B akı yoğunluğu uygulanan akımın bir fonksiyonudur.
- Uyarım seviyesi - düşük uyarımda, başlangıç geçirgenliği düşüktür ve doygunluğa doğru tekrar düşmeden önce bazı tepe değerler (maksimum geçirgenlik olarak adlandırılır) önemli ölçüde artar (bkz. Şekil 1) (gösterilmemiştir).
- Önceki mıknatıslanma geçmişi - malzeme, örneğin cihazdaki bir arıza akımı nedeniyle yüksek bir manyetik alana maruz kalmışsa, çekirdekte bir miktar mıknatıslanma kalır ve geçirgenliği etkiler (bu nedenle bazı manyetik cihazların ölçümden önce " manyetikliğinin giderilmesi" gerekir).
- Uyarma frekansı - iç manyetik yapı (iç manyetik alanların hizalanması) farklı frekanslarda farklı davranır (Şekil 1). Düşük frekanslarda farklar küçüktür, ancak artan frekansla birlikte 'skin effect' (deri etkisi) adı verilen ek bir olgu (manyetik alan laminasyonun veya çekirdeğin içine nüfuz edemez) baskın bir rol oynamaya başlar ve geçirgenlik çok daha küçük bir değere düşer.
- Mekanik stres - tipik olarak, üretim sırasında ortaya çıkan sıkıştırma stresi (laminasyonların montaj ve montaj için sıkıştırılması gibi) çekirdeğin manyetik geçirgenliğini düşürür.
- Sıcaklık - sıcaklığın doğrudan etkisi oldukça küçüktür, ancak hala sıcak olan bir motorda yapılan ölçümler soğuk bir makinede yapılanlardan farklı olabilir, çünkü manyetik çekirdek üzerinde farklı iç gerilimler etkili olacaktır. Ayrıca, laminasyonların direnci de farklılık gösterecek ve bu da daha yüksek frekanslardaki ölçümleri etkileyebilecektir.
- Sargılardaki 'yakınlık etkisi' - bu, sargılardaki akım dağılımının daha fazla doğrusal olmayan davranışına yol açan skin etkisi ile bağlantılı ek bir yüksek frekans etkisidir. Bu nedenle, bazı yüksek güçlü senkron jeneratörlerde sargılar sürekli aktarılan iletkenlerle (CTC veya 'Roebel kablosu') yapılır. Yüksek frekanslarda farklı davranacak olan (manyetik çekirdekten ziyade) sargının kendisidir. Bu etki daha fazla katmana sahip sargılar için daha belirgindir.
- Bu faktörlerin her birinin etkisi cihazın ve manyetik çekirdeğin gerçek tipine bağlıdır, bu nedenle belirli bir durumda hangi etkinin baskın olduğuna dair bazı katı kurallar tanımlamak mümkün değildir.
Geçirgenlik ve endüktans değişiminin faydalı etkileri
Yukarıda listelenen etkilerden bazıları test edilen cihazın durumu hakkında faydalı bilgiler verir. Örneğin, transformatör sargıları üzerinde tarama frekansı yanıt analizi (SFRA) yapıldığında, uyarma seviyesi ve frekans aralığı standartlaştırılır. Bu nedenle, uyarma koşulları her zaman aynıdır ve empedans ölçümleri arasındaki değişiklikler (endüktans değişikliklerinden etkilenir), yer değiştirmiş bir sargı veya nüvede hasar gibi bazı fiziksel değişikliklerin meydana geldiğini gösterebilir. Dolayısıyla bir arıza tespit edilebilir.
Bununla birlikte, Şekil 1'e bakıldığında, uyarma seviyesinin ve frekans aralığının karşılaştırılabilir testler için aynı olması gerektiği açıktır, çünkü aksi takdirde geçirgenlik önemli ölçüde farklılık gösterebilir ve bu nedenle manyetik özelliklerde, malzemede veya cihazda herhangi bir değişiklik olmasa bile ölçümlerde belirgin farklılıklar bulunabilir. Her test için aynı referans noktasının mevcut olması amacıyla manyetik çekirdeğin manyetikliği kasıtlı olarak giderilebilir.
Ancak, test arıza tespiti için yapılıyorsa, manyetik çekirdeğin demanyetizasyonu bir arızanın varlığını maskeleyebileceğinden ters etki yaratabilir.
Transformatör dönüş oranı testleri, gerilim oranının dönüş oranını yansıttığı varsayımına dayanır. Bu yaklaşım, daha yüksek geçirgenliğe sahip manyetik nüveler için daha iyidir. Bu testler tipik olarak çok küçük bir test sinyali ile gerçekleştirilir, çünkü yüksek voltajlı bir transformatör için nominal AC voltajları üretmek elverişli değildir. Bunun için onlarca hatta yüzlerce kV gerekir ki bu da taşınabilir bir cihaz için pratik değildir ve her durumda çok maliyetli olacaktır. Bu nedenle, bir test sırasında kullanılan uyarma, çekirdeğin nominal aralığın bir kısmında (onlarca volt) çalışmasını sağlar, burada maalesef geçirgenlik çok daha düşüktür (Şekil 1).
Bu nedenle, çekirdekte daha yüksek akı üreten bir test konfigürasyonu kullanmak faydalıdır, çünkü geçirgenlik daha yüksek ve ölçüm daha doğru olacaktır. Bu, en düşük nominal gerilime sahip sargıya uyarma uygulayarak kolayca elde edilebilir. Bu sargı daha düşük bir empedansa sahip olacaktır ve bu nedenle aynı test voltajı daha yüksek bir akımla sonuçlanacak ve ölçümü daha doğru hale getirecektir. Bu yaklaşım, örneğin, gerçek bir üç fazlı transformatör dönüş ratiometresi olan Megger TTRU3 kullanılırken uygulanır. Bu yaklaşımı kullanarak, daha küçük farklar ayırt edilebilir ve yeni başlayan arızalar daha güvenilir bir şekilde teşhis edilebilir.
Endüktans değişiklikleri motor ve jeneratörlerdeki arızaları teşhis etmek için de kullanılır. Örneğin, her üç faz da çok benzer endüktansa sahip olmalıdır ve bir sargı önemli ölçüde farklıysa, bu tipik olarak sargıda, nüvede veya hatta yataklarda mekanik bir sorun olduğunu gösterir (çünkü şaft yanlış hizalanmış olabilir ve bu nedenle hava boşluğunun eksantrikliğini etkileyebilir).
Motor testinde, sargıların endüktansı motor tamamen monte edilmişken (rotor yerinde) ve rotor dışarıdayken ölçüldüğünde önemli ölçüde değişir. Bunun nedeni, iki durumda manyetik devredeki manyetik malzeme miktarındaki farktır. Hava, rotordan çok daha küçük bir geçirgenliğe sahiptir, bu nedenle ölçülen endüktans üzerindeki etkisi büyüktür. Bununla birlikte, rotorun olmaması statorun mıknatıslanmasını daha zor hale getirir. Bu nedenle, aynı test akımıyla, nüvede önemli ölçüde daha az mıknatıslanma üretilir ve dolayısıyla Şekil 1'de gösterildiği gibi ek bir geçirgenlik değişikliği olur.
Her üç fazdaki sargıların endüktansını ölçmek için aynı test cihazı kullanılırsa, uyarma seviyesi ve test frekansı aynı olacak ve göreceli değişiklikler tespit edilebilecektir. Bu teknikler, örneğin Megger Baker ADX ve MTR105 ile motorların ve jeneratörlerin test edilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Pek yararlı olmayan etkiler
Bazı frekansların belirli arıza türlerini tespit etmek için daha uygun olduğu, diğer frekansların ise farklı amaçlar için daha iyi olduğu doğrudur. Ancak Şekil 1'e tekrar bakıldığında, aynı sargı üzerinde ölçüm yapmak için aynı test ekipmanı kullanılsa bile - ancak iki farklı frekansta - sonuçların önemli ölçüde farklı olacağı, ancak her iki ölçümün de doğru olacağı çok açıktır! Örneğin, 100 mT'lik bir uyarımda (yatay eksendeki maksimum değer), 400 Hz'deki geçirgenlik yaklaşık 9000 (kırmızı daire) iken, 50 Hz'de 18 000 (mavi daire) kadardır. Bu 'iki kat' bir farktır ancak her iki değer de doğrudur. Ölçümlerdeki fark, manyetik malzemenin temel özellikleri tarafından belirlendiği gibi, manyetik çekirdeğin gerçek davranışının bir sonucudur.
Bu nedenle, farklı test ekipmanlarıyla ölçülen mutlak değerlerin doğrudan karşılaştırılması büyük ölçüde yararsızdır. Bunun nedeni, dahili donanım tasarımındaki farklılıklar nedeniyle uyarma seviyesinin neredeyse kesin olarak farklı olmasıdır. Örneğin, el tipi bir LCR metre daha büyük bir cihaz tarafından kullanılabilecek 5 V yerine 0,5 V uyarımla test yapıyorsa, Şekil 1'deki 50 Hz eğrisi için ölçülen değer 18 000 yerine 10 000 (yeşil daire) olabilir, bu da %80'lik bir fark demektir. Böyle bir farkın test ekipmanından kaynaklanan bir hata olmadığı vurgulanmalıdır! Her iki değer de doğrudur ve aynı zamanda hiçbiri doğru değildir, çünkü tüm koşullar altında geçerli olan 'sabit' bir referans noktası olarak kullanılabilecek tek bir değer yoktur. Karşılaştırmalar sadece uyarım aynı olduğunda yapılabilir.
Neden aynı üretici tarafından bile farklı test cihazları için farklı uyarma seviyeleri kullanılmaktadır? Bunun bir nedeni mevcut güç miktarıdır. Elde taşınan bir LCR yalnızca küçük pillere (düşük güç) sahip olacaktır ve bu nedenle test sinyali sınırlı olacaktır. Ayrıca, test ekipmanı uygun giriş koruması ile tasarlanmış olabilir. Bu tür güvenlik önlemleri, izin verilen uyarım seviyelerine ve sinyallerin ölçülme şekline ek gereksinimler getirebilir. Örneğin, dahili ölçüm devresinde, ölçülen endüktans değerine bağlı olarak mevcut sürücü sinyalinin miktarını etkileyecek ek bir empedans olabilir.
Kim haklı?
Bu nedenle sahada hangi endüktans ölçümünün 'doğru' olduğunu veya hangi test ekipmanının daha 'doğru' okumalar verdiğini doğrulamak çok zordur. Kalibratör sınıfı bir cihazla yapılan son derece hassas ölçümler bile, uyarma seviyesi değiştirilirse önemli ölçüde farklılık gösterebilir ve gösterecektir.
Daha da kötüsü, cihazın doğruluk spesifikasyonuna bile tam olarak aynı nedenlerden dolayı güvenilemez. Buna ek olarak, bazı üreticilerin cihazlarının gerçek performansı konusunda dürüst olmadıkları ve beklenmedik bir doğruluk seviyesi iddia ettikleri bilinmektedir. Bu nedenle, ölçüm doğruluğunu dürüstçe ve cihazın gerçek kapasitesine uygun olarak belirttiği bilinen, tanınmış bir markaya sahip güvenilir bir üreticinin test cihazının kullanılması her zaman tavsiye edilir.
Peki, kim doğru söylüyor? Bir ölçümün gerçek doğruluğu, özel olarak tasarlanmış sabit indüktörler kullanılmadığı ve aynı frekansta ölçülmediği sürece sahada değil, yalnızca laboratuvar koşullarında doğrulanabilir. Bununla birlikte, güvenilir bir markanın saygın test ekipmanına güvenmek her zaman en iyi yöntemdir.
'3 Fazlı Motorda Endüktans Testi' konulu webinarımızı izleyin
'Elektrik Motorları İçin Sargı Yalıtım Durumunun Teşhisine Yönelik Modern Değişkenler İçin Dalgalanma Testi' konulu webinarımızı izleyin
Motor testi hakkındaki Türkçe webinarımızı izlemek için buraya tıklayın.