Ünite 6: Doğru Akım Makinaları

DA Makinalarının Yapısı

Bir DA makinasının hareket etmeyen parçasına genel olarak stator, hareket eden parçasına da rotor denir. Stator karkas, stator boyunduruğu, ana ve yardımcı kutuplar ile kompanzasyon sargılarından meydana gelir. DA makinalarının rotoru endüvi olarak adlandırılır. Endüvi yüzeyinde sargıları yerleştirilmesi için oluklar ve sargı uçlarının bağladığı kollektör bulunur. Gövde makinanın en dıştaki muhafazasıdır. Hem makinayı dış darbelere karşı korur hem de makinada meydana gelen ısının dış ortama aktarılmasına yarar. Boyunduruğu ise kutuplar ile karkas arasında kalan parçasıdır.

Bir DA makinasında ana ve yardımcı kutup olmak üzere iki çeşit kutup bulunmaktadır. Ana kutuplar üzerine sarılan sargılar yardımıyla makinanın çalışması için gerekli olan manyetik alanı meydana getiren kutuplardır. Ana kutupların üzerine makinanın manyetik alanını oluşturan sargılar sarılır. Yardımcı kutuplar endüvi reaksiyonunu etkisini yok etmek için makinanın ana kutupları arasında karkasa monte edilirler. Yardımcı kutuplar üzerindeki sargılardan ve kompanzasyon sargılarından endüvi akımı geçer.

Ana kutup sargısı ya da uyartım sargısı ana kutup üzerine sarılan ve makinanın çalışması için gerekli olan manyetik alanı meydana getiren sargılardır. Kutup sargısı endüvi devresiyle paralel bağlanmışsa bu makinalara paralel veya şönt DA makinası denir. Alan sargısı endüvi sargısına seri bağlanmışsa makinaya seri DA makinası denir. Bazı makinalarda ise hem seri sargı hem de paralel sargı bulunur. Bu makinalara da kompunt veya karma DA makinası denir. Bazı makinalarda alan sargısı endüvi sargısına bağlanmayıp dışarıdan (harici) beslenir. Bu tür makinalar da yabancı uyartımlı, serbest uyartımlı veya harici uyartımlı DA makinası olarak adlandırılır.

Endüvi sargıları da endüvi yüzeyinde açılmış oluklara yerleştirilir. Makina dönerken sargıların merkezkaç ve elektrodinamik kuvvetlerden dolayı dışarı fırlamaması için oyuk boyunca sargı üzerine muhafaza (takoz) yerleştirilir. Oluklara yerleştirilen sargıların sarım topluluğuna bobin denir. Bobinlerdeki sarım sayısı makinanın gücüne göre ihtiyaç duyulan amper-sarım değerine bağlıdır. Endüviye sarılacak sarım sayısı amper-sarım ihtiyacına göre belirlenir. Endüvi sargıları paralel (büklümlü) sargı ve seri (dalgalı) sargı olmak üzere iki şekilde sarılır. Paralel sargı düşük gerilim ve yüksek akımlı makinalarda kullanılır. Seri sargı ise düşük akım ve yüksek gerilimli makinalarda kullanılır.

Kollektör endüvi bobin uçlarının bağlandığı, dilimli bakırdan levhalardan yapılmış, motor mili üzerine yerleştirilmiş silindir şeklindeki parçadır. Kollektöre fırçalar bağlanarak endüvi sargılarının dış devre ile bağlantısı sağlanır. Kollektör yüzeyinin fırçalar ile iyi temas etmesi ve ark meydana gelmemesi için sürekli olarak temiz ve pürüzsüz olması gerekir. Fırçalar kolektöre temas ederek endüvi sargılarıyla dış devre arasında akım akmasını sağlayan parçalardır. Fırçaların iletkenliklerinin yüksek, sertliği yüksek (kollektör dilimlerinin sertliğinden düşük) ve sürtünme katsayısı düşük olmalıdır.

DA Makinalarının Çalışma Prensipleri

Bir DA makinası ya generatör ya da motor olarak çalıştırılır. Bir iletkende bir gerilim endüklenmesi için iletkenin manyetik alan tarafından kesilmesi gerekir. Bu iki şekilde gerçekleştirilebilir, ya iletken sabit olacak manyetik alan hareketli olacak ya da manyetik alan sabit olacak ve iletken hareket edecek. Manyetik alanın sabit iletkenin hareketli olduğu durum ise DA makinalarında kullanılır. Bir DA makinasının çalışabilmesi için ana kutup sargılarına bir gerilim uygulanması gerekir. Kutup sargılarına V _f gerilimi uygulandığında kutup sargılarından I _f akımı geçer ve sabit manyetik alan meydana gelir. Makinanın endüvisi harici bir tahrik sistemi ile ? devri ile döndürülürse endüvi sargılarında bir Ea gerilimi endüklenir. Endüklenen gerilim (mıknatıslanma eğrisi lineer olarak kabul edilirse) eşitlik 6.1’deki hesaplanabilir.

Komütasyon, endüvi dönerken fırçaların altından geçen kolektör dilimlerine bağlı olan endüvi bobinlerinin akımının yön değiştirmesi ve endüvi sargılarında endüklenen alternatif akımın fırçalar yardımı ile doğru akıma dönüştürülerek dış devreye aktarılması işlemidir. Komütasyon sırasında kısa devre olan bobin üzerinde gerilim varsa, fırça ile kollektör arasında ark meydana gelir. Meydana gelen ark fırça ve kolektör dilimlerine zarar verebilir veya generatör yanıcı veya patlayıcı maddelerin bulunduğu ortamda çalışıyorsa tehlikeli olabilir. Komütasyon sırasında kısa devre olan bobinin geriliminin sıfır olmasına çalışılır. Bunu sağlamak için iki yöntem kullanılır. Birinci yöntemde fırçalar kutupların nötr eksenine (alanın sıfır olduğu noktalara) yerleştirilir. İkinci yöntemde ise kısa devre olan bobinin üzerindeki gerilimin sıfır olması için ana kutup alanına zıt manyetik alan üretecek endüvi sargılarına seri bağlı yardımcı kutuplar kullanılır.

Endüvi sargılarının ürettiği manyetik alanın ana kutuplar tarafından üretilen manyetik alanın dağılımını bozmasına endüvi reaksiyonu denir. Endüvi reaksiyonunun DA makinaları üzerinde iki tür etkisi vardır. Birincisi manyetik nötr ekseni kaydığı için komütasyon sırasında kısa devre olan bobinde endüklenen gerilim sıfır olmaz. Büyük değerli kısa devre akımlarının geçmesinde dolayısıyla fırça ile kolektör arasında ark meydana gelmesine sebep olur. Meydana gelen ark da hem fırçaların hem de kolektörün zarar görmesine ve makinanın ömrünün azalmasına sebep olur. İkinci etkisi ise ana kutup alanının zayıflamasıdır. Endüvi reaksiyonunun etkisi azaltmak için üç yöntem kullanılır. Birinci yöntemde makinanın fırçaları endüvi reaksiyonu sonucu kayan nötr eksenin kaydırılır. İkinci yöntemde yardımcı kutuplar kullanılır. Yardımcı kutuplar ana kutupların arasına yerleştirilir ve sargıları endüvi sargılarına seri bağlanır. Üçüncü yöntemde ise kutup alınlarına kompanzasyon sargıları yerleştirilir.

DA makinalarında meydana gelen kayıpları, bakır kayıpları, demir kayıpları, mekanik kayıplar ve fırça kayıplarıdır. DA makinalarının sargılarında bakır iletkenler kullanıldığından dolayı sargı dirençlerinden ötürü meydana gelen ısıl kayıplara bakır kayıpları denir. Demir kayıpları makinanın ana ve yardımcı kutuplar ile endüvide meydana gelen girdap ve histeresiz kayıplarıdır. rulmandaki mekanik sürtünme ve endüvinin hava ile sürtünmesinden dolayı meydana gelen kayıplar ise mekanik kayıplardır. Fırça ile kolektör arasında temas direncinden dolayı oluşan gerilim düşümleri sonucu meydana gelen kayıplar da fırça kayıpları olarak adlandırılmaktadır.

DA Generatörleri

Yabancı uyartımlı bir DA generatörünün uyartım sargısı endüvi devresinden bağımsız ayarlı bir DA gerilim kaynağı ile beslenir. Uyartım akımı kaynak gerilimi değiştirilerek ayarlanır ya da uyartım sargısına seri bir direnç bağlanarak ayarlanır. Endüvide endüklenen gerilimin uyartım akımı ile değişimine DA generatörünün boş çalışma karakteristiği denir. Uyartım akımının sıfır olduğu anda kutuplardaki akıdeğerine artık mıknatısiyet denir. İlk defa çalıştırılacak DA makinalarında artık mıknatısiyet değerisıfırdır. Makina çalıştırıldıktan sonra artık mıknatısiyet meydana gelir ve değeri yaklaşık olarak sabitkalır. Uyartım akımı tersyönde geçerse artık mıknatısiyet yok olur.

DA şönt generatörünün uyartım sargısı endüvi devresine paralel bağlanmıştır. Şönt bir DA generatörünün uyartım akımı eşitlik 6.8’ deki gibi hesaplanır. Şönt bir DA generatörünün gerilim verebilmesi için kutuplarında bir artık mıknatısiyetin olması gerekir. İlk defa çalıştırılacak bir şönt generatörde artık mıknatısiyet yoktur. Artık mıknatısiyetin oluşması için ilk çalışmada uyartım sargısının dışarıdan bir DA gerilim kaynağı ile beslenmesi gerekir. Şönt bir generatörde endüklenen gerilimin polaritesini değiştirmek için ya generatörün dönüş yönü değiştirilir ya da uyartım sargısı bağlantısının uçları değiştirilir. Şönt bir DA generatörü yüklendiği zaman endüvi akımı artar. Artan endüvi akımından dolayı endüvi direnci üzerinde bir gerilim düşümü (Ia.Ra) meydana gelir. Bu gerilim düşümünde dolayı generatörün çıkış gerilim düşer. Şönt generatörlerde uyartım sargısı endüvi devresine paralel olarak bağlı olduğundan dolayı, generatör anma yükünden yüksek yüklerde çalıştırılırsa çıkış gerilimi aşırı derecede düşer.

Seri DA generatörlerinde uyartım sargısı endüvi devresine seri olarak bağlanmıştır. Generatörde çıkış gerilimi elde etmek için artık mıknatısiyetin olması ve yüklü olarak çalıştırılması gerekir. Yük altında çalışan seri bir generatörün çıkış gerilimi eşitlik 6.9’daki gibi hesaplanır. Seri DA generatörlerinin çıkış gerilimleri yük akımı ile çok fazla değiştiğinden dolayı pratikte pek tercih edilmezler. Seri DA makinaları genelde motor olarak çalıştırılırlar.

Kompunt DA generatörlerinde hem seri sargı hem de paralel sargı bulunur. İki çeşit kompunt bağlantı çeşidi kullanılır. Şönt sargı seri sargıdan önce endüvi devresine paralel olarak bağlanırsa bu tür generatörlere kısa-şönt kompunt DA generatörü denir. Şönt sargı seri sargıdan sonra bağlanmışsa bu tür generatörlere da uzun-şönt kompunt DA generatörü denir. Kompunt bir DA generatörünün çıkış gerilimi eşitlik 6.9’daki gibi hesaplanır.

Eklemeli kompunt bir DA generatöründe seri ve paralel sargı manyetik akıları birbirini kuvvetlendirecek şekilde bağlanmıştır. Generatör tam yük çıkış gerilimi boştaki çıkış geriliminden daha az olan generatörlere alt kompunt, eşit olanlara düz kompunt, daha fazla olanlara ise aşırı kompunt generatörler denilmektedir.

DA Motorları

DA motorlarının yapısı DA generatörleri ile aynıdır. Motor olarak çalıştırıldığında ise makinanın girişine elektrik gücü uygulanır çıkışından ise mekanik güç elde edilir. Motorun devir sayısı endüvi akımı (dolayısıyla besleme gerilimi) ile doğru orantılı ve uyartım sargısı alanı ile ters orantılı olarak değişir. DA motorlarının hızı çok geniş bir aralıkta hassas olarak kontrol edilebilir.

Şönt DA motorlarının uyartım sargısı endüvi devresine paralel olarak bağlanır. Motor şebekeye bağlandığında endüvi devresinde ve uyartım devresinden akım geçmeye başlar. Şönt motorun devir sayısı iki yöntemle ayarlanabilir. Birinci yöntemde besleme gerilimi değiştirilerek devir sayısı değiştirilir. İkinci yöntemde ise uyartım sargısına seri ayarlı bir direnç (reosta) bağlanarak uyartım akımı dolayısıyla manyetik alan değiştirilerek devir sayısı değiştirilir. Şönt da motorlarında motorda kompanzasyon sargısı yoksa endüvi reaksiyonunun etkisinin de dikkate alınması gerekir. Yük artınca motorda endüvi reaksiyonunun etkisi artar.

Seri DA motorlarının uyartım sargısı endüvi devresine seri bağlanır. Seri bir DA motorunun eşdeğer devresi Şekil 6.20 (a)’da görülmektedir. seri DA motorlarının ilk kalkınma momentleri oldukça yüksektir. Bu özelliklerinden dolayı ilk kalkınma momenti yüksek olan uygulamalarda kullanılırlar (raylı sistemler). Seri DA motorları boşta çok az akım çekerler. Boştaki akımı az olduğu için motorun ürettiği manyetik akı da çok az olur. Motor hızı manyetik akı ile ters orantılı olduğundan dolayı akı çok az olunca motor hızı çok yüksek değerlere kadar çıkabilir. Bundan dolayı Seri DA motorları kesinlikle boşta çalıştırılmamalıdır.

Kompunt DA motorlarında hem seri sargı hem de şönt sargı bulunur. Bağlantı şekline göre kompunt DA motorları ikiye ayrılır. Şönt sargı seri sargıdan önce bağlanmışsa bu tür motorlara kısa şönt kompunt motor, şönt sargı seri sargıdan sonra bağlanmışsa bu tür motorlara da uzun şönt kompunt motor denir. Seri sargının manyetik akısı şönt sargı manyetik akısını destekleyecek yönde ise bu tür motorlara eklemeli kompunt DA motor denir. Seri sargı manyetik akısı şönt sargı manyetik aksına zıt yönde ise bu motorlara da diferansiyel kompunt DA motoru denir. Kompunt bir DA motorunun hızı, besleme gerilimi değiştirilerek, uyartım akımı (şönt sargı akımını) değiştirilerek veya endüvi devresi direnci değiştirilerek kontrol edilir.

Sabit Mıknatıslı DA Motorları

Sabit mıknatıslı DA motorlarında uyartım sargısı yoktur. Makinanın çalışması için gerekli olan kutup manyetik akısı kutuplara yerleştirilen sabit mıknatıslar tarafından sağlanır. Motorda kutup sargıları olmadığından dolayı da kutup sargılarından dolayı meydana gelen kayıplar da yoktur. Bu motorlar uzun süre yüksek yük altında çalıştırılırsa endüvi reaksiyonundan ve kayıplardan dolayı meydana gelen ısınmadan dolayı kutuplardaki kalıcı akının bir kısmı yok olur ve motorun performansı düşer. Bu motorların hızı sadece motora uygulanan gerilim değiştirilerek kontrol edilir. Devir yönü ise uygulanan gerilimin polaritesi değiştirilerek gerçekleştirilir.

DA Motorlarında Hız Kontrolü

DA motorlarında hız kontrolü genel olarak iki şekilde yapılır. Yabancı uyartımlı, şönt ve kompunt DA motorlarında hız kontrolü hem uyartım sargısı direnci değiştirilerek hem de endüvi devresi direnci değiştirilerek gerçekleştirilir. Seri ve sabit mıknatıslı DA motorlarında hız kontrolü sadece besleme gerilim değiştirilerek gerçekleştirilir.

DA Motorlarına Yol Verme

Bir DA motoruna enerji uygulanıp çalıştırılmasına yol verme denir. Motorlar ilk yol almada aşırı akım çektikleri için özellikle motor yük altında çalıştırılacaksa özel düzeneklerle motora yol vermek gerekir. Şönt bir DA motorunda başlangıç akımı I = V/Ra olduğundan dolayı ilk kalkınma anında motora iki şekilde yol verilebilir. Birinci metotta motora ayarlı bir DA gerilim kaynağı yardımıyla ilk anda düşük gerilim uygulanır. Motor normal hızına ulaşınca gerilim de normal değerine yükseltilir. İkinci yöntemde ise motorun endüvi devresi direncini yükseltmektir. Seri motor ve kompunt motorlara da şönt motorlarda olduğu gibi yol verilir.

DA Motorlarında Frenleme

Bir DA motorunun enerjisi kesildiğinde sürtünme kuvvetlerinin etkisiyle yavaşlayarak durur. Ancak motorun enerjisi kesildikten sonra çok kısa sürede durdurulması isteniyorsa özel frenleme sistemlerinin kullanılması gerekir. DA motorlarında mekanik ve elektrikli frenleme olmak üzere iki çeşit frenleme sistemi kullanılır. Mekanik frenleme balatalı bir sistem ile motoru durdurma prensibine göre çalışır. Elektrik frenleme sistemi genel olarak mekanik frenleme sistemini desteklemek için, mekanik frenleme isteminin ömrünü uzatmak için, frenleme anında meydana gelen enerjiyi tekrar kazanıp kullanmak için veya acil durumda motoru anında durdurmak için kullanılır. Genel olarak üç çeşit elektrikli frenleme sistemi kullanılır: Dinamik frenleme, regeneratif frenleme, ve ters yönde gerilim uygulama metodu.