Ünite 3: Elektrik Makineleri ve Kumanda Elemanları

Elektrik Makineleri

Elektrik motorlarının tarihsel gelişimi incelendiğinde; ilk olarak Faraday, 1822 yılında içinden akım geçen bir iletkenin, manyetik alan tarafından itildiğini bulmuştur. Daha sonra Barlov ise 1828 yılında elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makineyi bularak, elektrik motorlarının gelişiminde önemli bir yol kat edilmesine olanak sağlamıştır. Tüm elektrik motorları temel olarak iki elektromanyetik esasa göre çalışır:

1. Manyetik alan içerisinde bulunan bir iletkenden akım geçtiğinde iletken üzerine bir kuvvet etkir.
2. Manyetik alan içerisinde bulunan bir iletkene bir kuvvet uygulanarak hareket ettirilir ise iletken üzerinde bir gerilim indüklenir.

Birinci kural elektrik motorlarının temel prensibini tanımlar. İkinci kural ise elektrik enerjisinin elde edildiği jeneratör prensibidir. Elektrik motorları çok çeşitlidir. Bunlar doğru akım, asenkron ve servo motorlardır.

Doğru Akım Motorları

Küçük güçlü doğru akım (DA) motorlarda basitleştirilmiş yapı tercih edilmektedir. Gövde üzerinde sabit mıknatıslar bulunur burası motorun duran kısmıdır. Dönen kısım endüvi olarak adlandırılır ve üzerinde sargılar bulunur. Endüviye bir üreteç tarafından fırça ve kolektörler yardımıyla elektrik akımı uygulanır. Üreteç tarafından üretilen akım, fırçalar ve kollektör vasıtasıyla bir sipirlik iletkene uygulanmaktadır. Bu akım, bir sipirlik iletkeni elektromıknatısa dönüştürür. Akım üretecin pozitif kutbundan çıkıp iletkene girerken S kutbunu; iletkenden çıkarken ise N kutbunu oluşturur. “Aynı kutuplar birbirini iter, zıt kutup birbirini çeker” kuralına göre, iletken sabit manyetik alan içerisinde dönmeye başlar. Sabit manyetik alan (mıknatıs), endüviyi döndürmeye devam eder. Bu şekilde rotorun 180° yol kat ettiği anlarda kollektörler otomatik olarak kendiliğinden yön değiştirdiğinden dolayı endüvi devamlı olarak dönecektir.

Büyük güçlü DA motorlarda ise sabit mıknatısların yerine sargılar kullanılır. Büyük güçlü DA motorlarda manyetik alanı endüktör oluşturmaktadır. İçinden akım geçen iletkenler ise endüvi üzerinde bulunur. Endüktörde bulunan ve mıknatıslanmanın meydana geldiği sargılara kutup sargısı da denmektedir.

Doğru Akım Motorunun Yapısı

Doğru akım makineleri dönen kısım (endüvi), duran kısım (endüktör), yatak, kapak, fırça ve kolektörden oluşur.

Endüktör: Görevi manyetik alan meydana getirmektir. Endüktör sargıları DA makinesinin gövdesinde bulunur, vida veya somunlarla gövdeye tutturulur.

Endüvi: DA makinelerinde dönen kısımdır. Endüvinin üzerinde sargılar, kolektör ve preslenmiş sac paketi bulunur. Bu sargılar, preslenmiş saclar arasında bulunan oluklara yerleştirilir ve sargıların uçları da kollektöre bağlanır. Endüvi ve endüktör sargılarına elektrik akımı uygulandığında motor olarak çalışır. Manyetik alan içindeki endüvi dışarıdan bir kuvvetle döndürülürse endüvi gerilim üretir yani dinamo görevi yapar. Küçük güçlü DA motorlarında endüktör sargıları (kutup sargıları) yerine sabit mıknatıs kullanılır.

Kollektör : Endüvi üzerinde bulunur ve bakır dilimlerden oluşur. Endüvi sargılarının uçları kollektör dilimlerine bağlanır. Kollektör fırça ile birlikte elektrik akımının endüviden geçmesini sağlayan bir elemandır. Kollektör motorun dönüşü esnasında sırasıyla her bir endüvi bobininden elektrik akımının geçmesini sağlar. Periyodik aralıklarla endüvinin bakımının yapılması, kollektör yüzeyinin temizlenmesi gerekir.

Fırça: Elektrik akımını kollektör üzerinden endüviye aktarmaktadır. Fırçanın doğru akım makinesinin özelliğine göre boyutu değişmektedir. Fırçanın kollektörlere uygun basınçla basması gereklidir. Bu nedenle doğru akım makinelerinin fırçaları üzerinde baskı yayları bulunur. Fırçalar sürekli enerji altında bulunmasından ve sürtünmeden dolayı aşınır. Bu yüzden belli aralıklarla kontrol edilmeli ve gerektiğinde değiştirilmelidir.

Doğru Akım Motor Çeşitleri

Doğru akım motorları temel olarak seri DA motoru, şönt DA motoru ve kompound DA motoru olarak üç çeşittir. Şönt motorlarda kutup sargısı ile endüvi sargısı birbirine paralel olarak bağlanmıştır. Yüksüz çalışmasında bir sakınca yoktur. Seri motorda ise kutup sargısı ile endüvi sargısı birbirine seri bağlıdır. Seri DA motorlar yüksüz çalıştırılmazlar. Motor yüksüz olarak çalıştırılmak istendiğinde devir sonsuza gitmek isteyeceği için bunu fiziksel olarak gerçekleştiremez ve motor arızalanır. Yük altında kalkınma momentleri çok iyidir. Bu yüzden tramvaylarda, elektrikli trenlerde seri motor kullanılır. Kutuplarında mıknatıs bulunan DA motorlarda devir yönü besleme gerilim yönünün değiştirilmesiyle sağlanır. Kutupları sargılı olan DA motorların devir yönünü değiştirmek için ya kutup sargısından geçen akımın yönü ya da endüvi sargısından geçen akımın yönü değiştirilir.

Asenkron Motorlar

Asenkron motorlara indüksiyon motorları da denmektedir. İndüksiyon motorların prensibi ilk defa Nikola Tesla tarafından 1883 yılında ortaya konmuştur ve 1888 yılında 1/2 HP’lik (400 Watt) bir modelini yapmıştır. Asenkron motorlar, endüstride en fazla kullanılan elektrik makineleridir. Asenkron motorların çalışmaları sırasında elektrik arkı meydana gelmez. Ayrıca diğer elektrik makinelerine göre daha ucuzlardır ve bakıma daha az ihtiyaç gösterirler. Asenkron motorları temel olarak iki elektriksel parçadan oluşur: stator ve rotor. Asenkron motorun diğer parçaları gövde, kapak, fan, yatak ve rulmandır. Faz sayısına göre asenkron motorlar ikiye ayrılabilir: 1 fazlı asenkron motor ve 3 fazlı asenkron motor. 1 fazlı asenkron motorlar alternatif gerilimle çalışır. 1 fazlı asenkron motor düşük güçlerde imal edilir. Bu motorlar buzdolabı, çamaşır makinesi, vantilatör gibi makinelerde kullanılır. 3 fazlı asenkron motorda döner manyetik alan, statoruna uygulanan 3 fazlı gerilim ile kendiliğinden meydana gelmektedir. 3 fazlı asenkron motorlar asansörlerde, vinçlerde, konveyörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Stator : Döner manyetik alanın meydana geldiği motorun duran kısmıdır. Motor gövdesinin içinde, üzerinde sargılar olan kutuplardır. Kutup N ya da S manyetik yoğunluğu temsil eder ve motor merkezine yönlenmiş çıkıntılardan oluşur ve bu çıkıntıların meydana getirdiği oluklarda 1 veya 3 fazlı sargılar bulunur. Stator sargıları döner manyetik alanı meydana getirir.

Rotor: Asenkron motorlarda dönen ve mekanik enerjinin elde edildiği motorun dönen kısmıdır. Rotorda ince silisli saçların paketlenmesiyle elde edilir. Rotor kısa devre çubuklu (sincap kafesli motor) olabileceği gibi sargılı da olabilir. Rotorda bulunan kısa devre çubuklar veya sargılar indükleme yolu ile doğan dönme momentini mile iletir. Bir rotorun dönebilmesi için;

• Rotor iletkenlerinden manyetik yolla bir akımın geçmesi,
• Rotor iletkenlerinin dönen bir manyetik alan içerisinde bulunması gerekir.

Asenkron Motorlarda Hız Hesabı

Asenkron motorlarda statorda oluşan döner manyetik alanın hızına senkron hız da denmektedir. Senkron hız (ns) ile rotorun hızı (nr) aynı değildir. Rotorun hızı statorun hızından daha azdır ve bu aradaki hız farkı, kayma (S) olarak adlandırılır. Rotor hızı devir/dakika (d/d) veya rpm birimindedir.

Asenkron motorların statorundaki döner manyetik alan hızı (senkron hız) aşağıdaki formülle bulunur:

ns = 120f / 2p
(3.1)

Burada; ns : senkron hız (Stator döner manyetik alan hızı) (d/d)

f : stator sargılarına uygulanan gerilimin frekansı
(Hz)

2p : motorun çift kutup sayısı olarak tanımlıdır. Asenkron motorların kayma oranı S harfi ile gösterilir ve aşağıdaki formül ile belirlenir:
S = ( ns - nr )/ ns (3.2)
Burada; nr : Rotor hızı (d/d) olarak tanımlıdır.

3 faz asenkron motorun yıldız ve üçgen bağlantısı Üç fazlı asenkron motorun gövde kısmındaki klemens tablosu üzerine stator sargılarının birer uçları çıkartılmıştır. Üç fazlı sargıların giriş ve çıkış uçları özel olarak isimlendirilmiştir. 1. sargı uçları (U-X), 2 sargı uçları (V-Y), 3. sargı uçları da W-Z’dir. Bu sargı uçları klemens kutusu içerisindedir. Motora enerji, bu klemens kutusu aracılığıyla aktarılır. 3 fazlı stator sargıları yıldız veya üçgen olmak üzere iki şekilde bağlanır.

• Üçgen bağlantı için klemens kutusunda U ile Z, V ile X ve W ile Y köprülenir ve üç fazlı gerilim L1, L2, L3 sırasıyla U, V, W uçlarına bağlanır.
• Yıldız bağlantı için klemens kutusunda X-Y-Z köprülenir ve üç faz gerilim L1, L2, L3 sırasıyla U, V, W uçlarına bağlanır.

3 fazlı asenkron motorun etiket bilgileri Motor etiketindeki bilgiler kısaca aşağıda açıklanmıştır.

VOLT ELEKTRİK : Motoru imal eden firma adı.

Tip : VM 112-4 motorla ilgili fabrikasyon bilgileri.

3 ~ Motor: Motorun çalıştırılması gereken akım çeşidi ve faz sayısı.

IP55 : Su serpintisine karşı korumalı

50 Hz : Motorun çalışma frekansı Æ

380V : Motorun üçgen bağlantıda çalışma gerilimi

8.6 A : Motor tam yükünde yüklendiği zaman çekeceği akım

4 kW : Motordan alınabilecek nominal güç

Cos 0.85 : Motor normal yükle yüklendiği zaman motorun güç katsayısı

IM B3 : Motor montaj biçimi

1425 d/d : 1425 rpm

S1 : Sürekli çalışma görevleri için

Servo Motorlar

Servo motorun yapısında alternatif akım (AA) ya da doğru akım (DA) elektrik motoru ve enkoder (mil kodlayıcı) bulunur. Servo motorun esnek ve kolay biçimde kontrol edilebilmesi için bir servo sürücüsü ile birlikte kullanılmalıdır. Servo motorlar endüstride hız, konum ve tork ayarlarının hassas olarak yapıldığı motorlardır. Servo motor DA servo motorları ve AA servo motorları olarak ikiye ayrılır. Endüstriyel otomasyonun gelişmesiyle sanayide de artık servo motorlar kullanılmaya başlanmıştır. Otomatik elektronik baskı ve dizgi makinelerinde, robotlarda, nümerik kontrollü makinelerde kullanılır.

Kumanda ve Koruyucu Devre Elemanları

Kumanda ve koruyucu devre elemanları bir elektrik şebekesinde motor, tezgâh, şebekeleri koruması ve sağlıklı çalışması için kullanırlar. Koruyucu devre elemanları; sigortalar ve termik aşırı akım röleleridir. Kumanda elemanları ise; butonlar, sinyal lambaları, röleler, solid state röleler, zaman röleleri, kontaktörler, sınır anahtarları ve sensörlerdir.

Sigortalar: Elektrik devresine seri olarak bağlanan ve üzerinden fazla akım geçtiği zaman eriyerek devreyi açan, bu akım değerinin altında iken iletken işlevi yapan koruyucu bir elemandır. Sigortalar; besleme hatlarını fazla yüklerden ve kısa devre akımlarından korumaya, elektrikle çalışan almaçları ve bunları kullanan kişileri çeşitli kazalara karşı korumayı sağlar.

Termik aşırı akım rölesi : Elektrik motorlarını aşırı akımdan veya kısa devre akımından meydana gelen aşırı ısınmalara karşı korumak için kullanılır. Termik aşırı akım rölesi, uzama katsayıları farklı iki metalin (bimetal) ısındığında az uzayan metalin yana doğru kıvrılması olayından faydalanarak yapılmıştır.

Butonlar: Fiziksel bir kuvvet uygulandığında konum değiştiren, uygulanan kuvvetin kalkmasıyla normal konumuna dönen anahtarlara buton adı verilir. Bu elemanların kontaklarından elektrik akımı geçer. Butonlar yapılarına göre üç şekilde imal edilmektedir. Bunlar: durdurma (stop), başlatma (start) ve iki yollu (jog) butonlardır.

Sinyal lambaları: Bir kumanda devresinin durumu hakkında bilgi veren, kullanıcıyı yanıp yanmamasına göre ışıkla yönlendiren devre elemanıdır. Sinyal lambaları kumanda devrelerinin arıza takibinde çok önemli bir görev üstlenirler. Çeşitli renklerde ve gerilimlerde yapılırlar. Genellikle yeşil renkli sinyal lambası kumanda devresinin çalıştığını, sarı renkli lamba ise kumanda devresinin durduğunu gösterir. Kırmızı lamba bir arıza durumunu görüntüleyebildiği gibi kumanda edilen elemanın çalışmadığı mesajını da kullanıcıya gösterir. Büyük fabrikalarda makinelerin işleyişini bu lambalarla takip etmek mümkündür. Kumanda panosunda her iş elemanı ile ilgili bir sinyal lambası bulunur. Herhangi bir aksaklıkta hangi iş elemanının arızalı olduğu, sinyal lambası ile kolayca anlaşılabilir.

Röleler: Küçük güçteki elektromanyetik anahtarlara röle adı verilir. Röleler elektromıknatıs, palet ve kontaklar olmak üzere üç kısımdan oluşur. Elektromıknatıs, demir nüve ve üzerine sarılmış bobinden meydana gelir. Röle bobinleri hem doğru ve hem de alternatif akımda çalışır. Rölelerde bir veya daha fazla sayıda normalde açık ve normalde kapalı kontak bulunur. Röle kontakları enerji altında açılıp kapanmaları sırasında ark ve gürültü¨ yaparlar. Kontaklar hızlı bir şekilde ve sürekli olarak açılıp kapanması sonucu çabuk arızalanır.

Solid state rölesi : Aynı zamanda katı hal rölesi olarak da isimlendirilir. Rölelerin mekanik olması ve gücü sürekli anahtarlaması nedeniyle belli bir ömrü vardır. Bununla birlikte röleler açılıp kapanması sırasında gürültü yaparlar. Solid state röle ise kapalı bir kılıf içerisinde birbirini gören opto verici ve alıcı devrelerinden oluşur. Boyutları küçük ve çalışmaları sırasında rahatsız edici gürültüleri yoktur.

Zaman rölesi: Röle bobininin enerjilenmesinden veya bobininin enerjisi kesildikten belirli bir süre sonra kontakları durum değiştiren rölelere, zaman rölesi denir. Çalışma şekillerine göre düz ve ters zaman rölesi olmak üzere iki şekilde yapılırlar. Düz zaman rölesinde, bobin enerjilenmesinden bir süre sonra kontaklar durum değiştirir. Ters zaman rölelerinde ise röle bobininin enerjisi kesildikten bir süre sonra kontaklar durum değiştirir. Gerek düz gerekse ters zaman rölelerinde tıpkı kontaktör ve rölelerde olduğu gibi normalde açık ve normalde kapalı kontaklar bulunabilir.

Kontaktörler : Yüksek güçlü elektromanyetik anahtarlara kontaktör adı verilir. Kontaktörler, bir ve üç fazlı motor, ısıtıcı, kaynak makinesi, trafo vb. alıcıların otomatik olarak kumanda edilmesinde kullanılır. Rölelerde olduğu gibi kontaktörler de elektromıknatıs, palet ve kontaklar olmak üzere üç kısımdan oluşur. Bir kumanda devresinde yükün şebekeye bağlanmasını sağlayan kontaktörlerin seçiminde;

• Yükün gücü
• Normalde açık ve kapalı kontak sayısı
• Kontaktör bobininin çalışma gerilimi

göz önüne alınır.

Sınır anahtarları : Hareket halindeki mekanik sistemlerin konumlarının temaslı olarak (çarpma etkisiyle) algılanmasında kullanılan bir anahtardır. Üzerinde konumu algılamak için pin ya da makara şeklinde çıkıntı bulunur. Sınır anahtarlarının birden fazla normalde açık ve kapalı kontağı bulunabilir. Günümüzde sınır anahtarlarının yerlerini temassız olarak algılama yapan sensörler almıştır. Mekanik sınır anahtarları fiziksel temasa maruz kaldıklarından çabuk yıpranır ve bozulurlar, ayrıca periyodik olarak bakıma ihtiyaç duyarlar. Temassız algılayıcılarda böyle fiziksel sorunlar yoktur, daha az arıza yaparlar.

Sensörler: Sensörler, fiziksel ve elektriksel büyüklükleri kumanda sistemlerinin algılayacağı ve kullanabileceği sinyallere dönüştüren önemli bir endüstriyel kumanda elemanıdır. Sensörlerin endüktif, kapasitif, optik, ultrasonik, manyetik olmak üzere birçok çeşidi vardır. Temassız çalışan sensörler, mekanik sınır anahtarlarının aksine;

• Nesneyi algılaması için fiziksel bir kuvvet gerekmemektedir.
• Algılama mesafesi kısadır.
• Fiziksel bir aşınma olmamaktadır.
• Daha hızlı çalışmaktadır.

Endüktif sensör içerisindeki rezonans devresi, belirli bir frekansta salınım yapmaktadır ve sensörün aktif yüzeyinde bulunan bobin bir elektromanyetik alan meydana getirmektedir. Endüktif sensörün elektromanyetik alanına metal cisim girdiğinde elektronik devreler yardımıyla alg›lar ve sinyal üretir. Üretilen sinyalle kumanda devresine ya da kontrol devresine bilgi iletilmiş olur. Kapasitif sensörün algılama yüzeyinde dielektrik maddesi hava olan bir kondansatör bulunur. Herhangi bir nesne (metal veya ametal) bu kondansatörün elektrostatik alanına girdiğinde dielektrik madde gibi algılanır ve kondansatörün kapasitesini değiştirir. Manyetik sensörler, sabit veya elektromıknatısların manyetik alanlarına girdiklerinde bu cisimleri algılarlar ve bu durumu kontak bilgisine dönüştürürler. Bu sensörlerin yapısında, reed röle veya hall jeneratörleri gibi manyetik ortama tepki veren çeşitli elemanlar bulunur. Optik sensörler yapısal olarak genellikle kızılötesi bir verici ve kızılötesi bir alıcıdan oluşur. Vericiden gönderilen kızılötesi sinyaller alıcı tarafından alınmaktadır. Alıcı ile verici arasındaki sinyali kesecek bir engel ortaya çıktığında, sensör bu değişimi algılar ve elektronik devre yardımıyla sinyal bilgisine dönüştürür. Kumanda devresi bu bilgiye göre çalışır.

Motorlarda ve Kumanda Elemanlarında Görülen Başlıca Arızalar

Elektrik motorlarında ve kumanda elemanlarında görülen başlıca aşağıdaki arızalar gibi listelenebilir:

• Mekanik arızalar
• Yatakların bozulması
• Motor milinde eğilme
• Motorun bağlı olduğu sistemde arızalar
• Motor kapaklarındaki dengesizlik
• Elektriki arızalar
• Sargılar arası kısa devre
• Sargı ile gövde arası kaçak olması
• Gerilim düşümünün fazla olması
• Motor kumanda devresinde oluşacak arızalar
• Kumanda devresi arızaları