elektromekanik enerji dönüşümü 3

7/30/2019 Elektromekanik Enerji Dnm 3

1/13

DORU AKIM MAKNELER

3.1 Doru Akm Makinelerinin YapsDoru akm makineleri yapsal adan dier elektrik makineleri karlatrldnda daha basit

bir grnt sergilemektedir. Makinede duran ksmdan oluan ve stator olarak adlandrlan

ksm mknatslanmay gerekletiren ana ve yardmc kutuplarla bunlarn sarglarntamaktadr. Rotor veya endvi olarak adlandrlan hareketli ksmda ise endvi sarglarbulunmaktadr. ekil 3.1 de en genel hali ile bir doru akm makinesinin yapsgrlmektedir.

ekil 3.1 Doru Akm Makinesinin Yuvarlak Kesiti

Karkas: Makinenin kasas olarak tanmlayabileceimiz en d ksmdr. Makineyi detkenlerden korumak ve oluan snn da atlmasn salamak en nemli grevleridir. Bu

nedenle s iletim katsays yksek malzeme seilmesinde fayda vardr. Ayrca makinede


2/13

oluan manyetik devre ile dorudan ilikili olduu iin manyetik zelliklerinin iyi olmasgerekmektedir. Genelde uygulamada yumuak dkme elik kullanlmaktadr.

Ana Kutuplar:

Stator karkasna monte edilen ana kutuplar, kutup aya ve kutup gvdesinden olumaktadr.

Mknatslanmay oluturan sarglarn monte edildii ksm olan gvde, dkme elik veyasilisyumlu saclardan imal edilirler. Kutup ayaklar ise kutuplarda retilen manyetik aknnhava aralna gemesini salayan ksmdr. Silisyumlu saclardan retilirler.

Yardmc Kutuplar:

Ana kutuplar arasna monte edilen yardmc kutuplar, makinede endvinin meydana getirdiive endvi reaksiyonu olarak adlandrlan manyetik alandaki bozulmay nlemek amac ilekullanlmaktadr. Endvinin meydana getirdii alan ntr ekseni dorultusundadr. Yardmckutuplarn ntr ekseni dorultusunda alan retebilmeleri iin ana kutuplar arasna ve ntrekseni zerine yerletirilmeleri gerekir. Yardmc kutuplardan geirilen akm endvi akm ileayn akm olmal oluan alan ise ters ynde olmaldr.

Kompanzasyon Sarglar: Byk gl makinelerde (100 kW ve st) endvireaksiyonunun meydana getirdii bozucu alan yok etmek iin yardmc kutup sarglaryetersiz kalmaktadr. Bunlara ilaveten ana kutup tabanlarna kompanzasyon sarglaryerletirilir. Bu sarglar ana kutuplarn altnda bulunan endvi iletkenlerinin meydanagetirdii bozucu alan azaltmaya veya yok etmeye ynelik alan retirler.

Endvi (Rotor): Doru akm makinesinin dnen ksmna endvi denilir. Endvi kollektr,demir veya sac nve ile sarglardan olumaktadr. Endvide endklenen gerilim alternatifolduu iin zamana gre deiim neticesinde demir kayplar meydana gelecektir. Bunuazaltmak iin genelde 0.5-1 mm kalnlnda sac paketlerden retilirler. zerine presler ilealan oluklara sarglar yerletirilir. Alan oluklar yar ak veya ak oluklareklindedir vekk makinelerde yar ak oluklar kullanlrlar. Endvi ap byd zaman arlk veeylemsizlik momenti artar ayrca saclarn kesilmesi ve ilenerek oluklarn almas zorlar.ekil 3.2 genel bir endvi yapsn gstermektedir.

Kollektr: Sert elektrolitik bakrdan yaplan, mika ile birbirinden yaltlm dilimler halindedizilmi, bobin yanlarnn baland ve makine mili zerine monte edilen bir paradr.

Birbirinden izoleli her bir kollektr dilimine lamel denilir. Lamel say

s

bobin yan

say

s

naeittir. Bobin yan lamellerin ularndaki bayrakk denilen dikey paraya lehimle veyakaynak ile monte edilirler. Lamel kalnl fralardan kaynaklanacak anma ve bununneticesinde torna ve tamir dikkate alnarak belirlenmelidir.


3/13

ekil 3.2 Kollektr ve Fra Yerleimi

Fra: Sert karbondan yaplan fralara iletkenlik katsaysn arttrmak iin metal tozlar ilaveedilmektedir. Fralar, kollektr ile temas ederek akm alveriini salamaktadr. Kollektregre yumuak olmasnn nedeni daha pahal ve tamirat daha zor olan kollektr lamellerinin

anmasn geciktirmektir. Lamellere iyi temas etmesi iin yayl bir fra tutucu dzeneikullanlr. Fralarn kollektr lamellerine basmas sonucu oluan kvlcmlar ve bununneticesinde meydana gelen anmalar doru akm makinelerinin nemli olumsuz ynlerinden

birisidir. ekil 3.2 de fra ve kollektr dzeneini gsterilmektedir.

3.2 Doru Akm Makinelerinin Snflandrlmas

Gce Gre Snflama:

100 W tan dk gler ok Dk Gl100 W-1 kW Dk Gl1 kW- 10kW Kk Gl10 kW-100 kW Orta Gl100 kW- 1000 kW Byk Gl1000 kW tan byk gler ok Byk Gl

Uyarma Geriliminin Elde Ediliekline Gre Snflama:1)Yabanc(Serbest) Uyarmal2) Kendinden Uyarmal

a)Seri Uyarmal

b)nt Uyarmalc)Kompund Uyarmal

Sarg ve Kutuplara gre Snflama:

1)Yardmc kutuplu2) Yardmc kutupsuz3)Kompanzasyon Sargl

Kullanm alanlar:

Motor sk sk durup kalkacak, hassas ve geni alanda hz ayarna elverili olacak, ykaltndayken durup kalkacaksa bu tr uygulamalarda doru akm motoru kullanlr. Otomobil


4/13

sanayinde mar motorlar ve klima motorlar olarak, alr kapanr kprler, teleferik vemetrolar, diki makineleri, otomatik kaplar, fanlar, oyuncaklar rnek uygulama alanlarolarak verilebilir.

3.3. Doru Akm Makinelerinde Motor almaMakinenin motor almasnda ebekeden ekilen elektrik enerjisi manyetik alan yardmylamekanik enerjiye dntrlr. Endvi doru akm ebekesinden fralar ve kollektr vastasile doru akmla beslenir. Kutup sarglar da manyetik alan oluturmak iin doru akm ile

beslenir. Bu durumda Bio-Savart yasasnda belirtildii zere endvi sarg iletkenlerinde birkuvvet retilir. Bu kuvvetin endvi eksenine gre oluturduu moment ile endvi dnmeye

balar. Motor alma iin gerilim ifadesi aadaki gibidir:

aa IREV += 3.1

Burada V ebeke gerilimi (Volt), Ea endvide endklenen elektromotor kuvveti (Volt), Rendvi devresi toplam direnci (), Ia endvi devresi akm (Amper) dr. E.m.k. deeri isedenklem 3.3 ile hesaplanabilir. Endvi devresi toplam direnci motor gc, uyarma trne grefarkl bileenlerden oluabilir. Denklem 3.2 en geni hali ile endvi devresi toplam direcinigstermektedir.

R = Ra + Rc + Rs + Rk+ 2Rb 3.2

R : Endvi Devresi Toplam DirenciRa : Endvi Sargs DirenciRc : Yardmc Kutup Sargs Direnci

Rs : Seri Uyarma Sarg

s

DirenciRk : Kompanzasyon Sargs DirenciRb : Fra Direnci

Uyarma aks (Weber) uyarma sarglarndan uyarma akmnn geirilmesi ile oluan akdr.Ayn ifade de k bileeni tasarmdan gelen bir katsaydr. Denklem 3.4. ile gsterilen kkatsays hesaplanmasnda; p ift kutup says, Z endvideki toplam iletken saysn, aendvideki ift paralel kol saysn gstermektedir. Asal hz (rad/sn) ise denklem 3.5 ilegsterilmediktedir ki bu ifadede geen n indisi motor devir saysn (devir/dk)gstermektedir.

geoa kE = 3.3

60

=

a

Zpk 3.4

60

2 ngeo

=

3.5

Motor almada dn yn sa el parmak kural ile belirlenmektedir. Bu kurala gre saelin baparma hareketin ynn, iaret parma endvide akan akmn ynn ve ortak

parmak ise manyetik alan ynn gstermektedir. ekil 3.3 byle bir durumu sergilemektedir.


5/13

ekil 3.3 Motor almada Devir Ynnn Bulunmas

3.4 Doru Akm Makinelerinde Generatr almaGeneratr alma ile doru akm makinesine verilen mekanik enerji elektrik enerjisineevrilmektedir. Genaratr alma Faraday yasasna dayanmaktadr. Makinenin ierisindeolmas gereken manyetik alan kutuplardaki sarg ya da mknatslar tarafndanoluturulmaktadr. Endvi zerindeki bobinler endvi ile birlikte hareket ettirildii zaman,

bobinlerde gerilim endklenecektir. Endklenen bu gerilim ve dolays ile akan akmsinsoidal ve alternatif akmdr. Bu alternatif akmn dorultulmas ve ebekeye verilmesifra-kollektr dzenei sayesindedir. Oluan alternatif gerilim deiirken bobin kenarlar dayer deitirmekte ancak fralar sabit kald iin aa ve yukardaki fralarn polaritelerideimemektedir.

aa IRVE += 3.6

Generatr almada dn yn sol el parmak kural ile bulunur. Bu kurala gre sol elinbaparma hareketin ynn, iaret parma endvide akan akmn ynn ve ortak parmakise manyetik alan ynn gstermektedir. ekil 3.4 byle bir durumu sergilemektedir.

ekil 3.4. Generatr almada Devir Ynnn Bulunmas


6/13

3.5 Endvi Reaksiyonu:

Endvi devresi manyetik alannn kutuplarda retilen manyetik alan bozmasna endvireaksiyonu denir. ekil 3.5 a da sadece uyarma alan aklar, b de ise sadece endvi alan akizgileri gsterilmektedir. Bu reaksiyon makinenin almasn bir ok adan bozan birolaydr ve mutlaka engellenmelidir. Kutuplardan gelen aklar yatay endvi alan nedeni ile

fra kollektr dzlemine dik deil de bir a ile girdiinden dolay, dzlemden geen akmiktar azalr. Bunun sonucu olarak ta endklenen gerilim azalr. ekil 3.5 c de gsterildiigibi kutup ayaklarnda belirli noktalarda ak younlamas nedeni ile doyma meydanagelebilir.

ekil 3.5 Endvi reaksiyonu

3.7 Komtasyon

Kolektr zerine yerletirilmi fralarn altndan geen endvi bobinlerinde akmn yndeitirmesi olayna komtasyon denilmektedir. Komtasyon olaynda akmn yn 180deiir. Komutasyon olay bir kollektr lamel geniliinin kollektr hznda geildii sre

kadar devam eder.

ekil 3.6 Komtasyon ile Akm Yn Deitirmesi


7/13

3.8 Doru Akm Makinelerinin Uyarma ekillerine Gre SnflandrlmasGeneratr iletmesinde gerilimin endklenmesi ve motor iletmesinde momentin retilmesidorudan manyetik ak dolays ile ana kutuplar ile ilgilidir. Makinenin manyetik devresindeyeterince ak retilmez ise makine beklenen gerilimi ve momenti veremez. Endvi asndan

bakldnda ise geirilen akm momentte ve darya aktarlan gte nemli bir dier

parametredir.

Bu nedenle fakl uyarma yaplarndan yola klarak deiik doru akm makinelerigelitirilmitir. Deiik iletme artlarna gre makine tr seilmez ise uygulamada istenenhedefler gerekleemeyecektir.

3.8.1 Serbest Uyarmal Doru Akm MakinesiAna kutup sarglar endvi sarglarnn bal olmad ayr bir ebekeden beslenir. Bumakinede birebirinden ayr iki doru akm kaynana gerek vardr. ekil 3.7 ile gsterilendevreye gre generatr alma iin uyarma devresi denklemi 3.7 ile verilmitir. Burada Vfd

uyarma devresi gerilimini, Rfd uyarma devresi direncini, Ifd ise uyarma devresi akmntemsil etmektedir.

ekil 3.7 Serbest Uyarmal Doru Akm Makinesi

fd

fd

fdR

VI =

3.7

Endvi devresi iin ise klasik generatr alma gerilim ifadesi denklem 3.8 de verilmektedirki bu ifadede R endvi devresi toplam direncini gstermektedir.

RIVE aa += 3.8

Motor almada ise gerilim denklemi aada verilmitir. Bu ifadede V indisi ebekegerilimini temsil etmektedir.

aa IREV += 3.9


8/13

3.8.2 nt Uyarmal Doru Akm Makinesiekil 3.8 den grlecei gibi uyarma sarglar endvi sarglarna paralel balanmaktadr.Uyarma sargs ince ve ok sayda sarmdan olumaktadr. Uyarma sarglar ularna Vebeke gerilimi uygulanmaktadr. Bu durumda uyarma sargsndan geen Ifd akm denklem

3.10 ile ifade edilmektedir.

ekil 3.8 nt Uyarmal Doru Akm Generatr

fd

fdRVI =

3.10

Yukardaki devreye bakldnda endvi akmnn Ia, yk akm Iy ile uyarma akm Ifdnin toplamna eit olduu grlmektedir.

fdya III += 3.11

Genaratr alma iin retilen gerilimin ifadesi

RIVE aa += 3.12


9/13


10/13

ekil 3.10 Seri Uyarmal Doru Akm Generatr

ekil 3.10 daki devreden de grld gibi uyarma ak

m

Ifd, endvi ak

m

Ia ya eittir.

fday III == 3.16

Gerilim ifadesi ise;

RIVE aa += 3.17

olarak elde edilir. Bu ifadede endvi devresinde, endvi sargs direnci Ra ile seri uyarmasargs direnci Rs nin birbirine seri baland ekil 3.10 daki devre emasndan da

grlmektedir.

ekil 3.11 deki devre ile gsterilen motor almada, genaratr almaya gre akm yndeimitir. Yine endvi devresi toplam direnci ierisinde, endvi sargs direnci Ra ve seriuyarma devresi direnci Rs birbirlerine seri olarak balanmlardr. ebeke akm, endvidevresi akm ve uyarma sargs akmlar birbirlerine eittir.

RIEV aa += 3.18


11/13

ekil 3.11 Seri Uyarmal Doru Akm Motoru

Seri motorlar ar yk koullarnn motorlardr. Srekli yk tanan yerlerde ve yk ile durmave kalkmann ska yapld yerlerde kullanlrlar. Ar yk vinleri, tren, tramvay, troleybsgibi uygulamalar rnek olarak verilebilirler.

3.8.3 Kompund Uyarmal Doru Akm MakinesiUyarma devresi sarglarnda sarglarnda hem seri sarg hem de nt sarg bulunanmakinelerdir. Pratikte kullanm azdr.

3.9 Doru Akm Makinesinde G, Moment, VerimDoru akm makinesinde oluan moment (M) ile motor milindeki moment (Mm) ayn deildir.Dner sistemden kaynaklanan momentte kayplar vardr. Ancak bu kayplar bakr kayplarnnyannda ok kk bir deere sahiptirler ve bu nedenle ihmal edilebilirler. Bu durumda

makinede retilen moment ile mil alnan moment birbirine eit kabul edilebilir. Doru akmmakinesinde oluan momentin (M) ifadesi aadaki gibidir.

aIkM = 3.19

Burada;k = Moment SabitiIa = Endvi Akm = Uyarma Aks

Ayn durum g ifadeleri iinde geerlidir. Doru akm makinesinde retilen g Pamildeki g Pm e momentteki gibi kayplar ihmal edilebilecei iin eit kabul edilebilir.Dolays ile retilen g Pa, mildeki ve ayn zamanda k gc olan Pm e eit kabul


12/13

edilebilir ve verim hesaplanrken k gc olarak ta bu g ifadesi kullanlabilir. Motormilindeki g;

geoa MP = 3.20

Verim tm elektrik makinelerinde k gcnn giri gcne orandr. Kayplardan dolaymakine gcnn bir ksm makine ierisinde harcanr. Giri gc motor almada motorunebekeden ektii g, genaratr almada ise mile uygulanan mekanik gtr. k gcise generatr almada k gerilimi ile yk akm kullanlarak bulunurken motor almadamilden alnan gtr. Verim ifadelerinden nce verimi dorudan etkileyen kayplar hususunadeinmekte fayda olacaktr.

Doru akm makinelerinde kayplar ana balkta snflandrlabilir:1. Bakr Kayplar2. Demir Kayplar3. Srtnme ve Vantilasyon Kayplar

1.Bakr Kayplar:

a) Endvi bakr kayplar: Endvi iletkenlerinin direnci Ra dan kaynaklanan kayplardr. Ia2Ra

ile gsterilir. Endvi akm yk ile deitiinden dolay deiken kayplardr.

b) nt sarg kayplar: nt ve Kompunt uyarmal makinelerde mevcuttur. Ifd2Rfd olarak

ifade edilebilir.

c) Seri sarg kayplar: Seri uyarmal makinelerde meydana gelen kayplardr. Ia2Rs olarak

ifade edilirler.

d) Yardmc kutup ve Kompanzasyon sargs kayplar: Yardmc kutup direnci Rc ilekomutasyon direnci Rk ile gsterilir ise Ia

2(Rc+Rk) olarak bu kayplar ifade edilir.

Bunlarn dnda fra ve fra gei direncinden dolay kaynaklanan kayplar ile lehimyerlerindeki direnler de bakr kayplarna ilave edilebilir. Bakr kayplar Pcu indisi ilegsterilir.

2.Demir Kayplar:

Makinenin zellikle endvi ksmndan dolay demir kayplar meydana gelir. Histerisiz veFukolt kayplar olmak zere iki ksma ayrlrlar ve Pfe indisi ile gsterilirler:

a) Histerisiz kayplar: Manyetik alan ierisinde hareketten dolay demir ksmdaki demirmoleklleri hareket halindedir ve bu durum kendisini s enerjisi olarak gsterir.

b) Fukolt kayplar: Endvinin manyetik alan ierisindeki hareketinde endvi zerindebir e.m.k meydana gelir ve bu e.m.k demir gvde zerinde akmlarn dolamasnaneden olur. Bu akmlarda sya neden olarak kayplara yol aarlar.

3.Srtnme ve Vantilasyon Kayplar: Fra, yatak ve endvinin dnerken hava ilesrtnmesi ile makineyi soutmak iin kullanlan vantilatrden kaynaklanan kayplardr. Bukayplar Psv indisi ile gsterilirler.

Doru akm makinelerinde toplam kayplar Pk indisi ile gsterilir ve yukarda bahsi geen kayp trnn toplamndan ibarettir.


13/13

Pk= Pcu + Pfe + Psv 3.21

Denklem 3.22 ile verilen verim ifadesi btn elektrik makinelerinde olduu gibi k gc Pnin, giri gc Pg e orandr. Elektrik motorlarnda k gc mil gcdr. Generatrlerde

ise ebekeye verilen gtr.

100=g

P

P 3.22

elektromekanik enerji dönüşümü 3

Documents