ASENKRON MAKİNALAR

Asenkron makinalar, endüstride en yaygın kullanılan elektrik makinalarıdır. Asenkron makinalar çoğunlukla motor olarak kullanılırlar. Asenkron makinalar üç fazlı ve bir fazlı olarak imal edilirler. Yüksek güçlü asenkron makinalar (yaklaşık olarak 1 kW’dan daha yüksek güçlerde) üç fazlı olarak, bir fazlı asenkron makinalar ise daha düşük güçlerde imal edilirler. Asenkron makinalar hem generatör hemde motor olarak çalışabilirler. Asenkron generatörlere, uygulamada çok sınırlı olarak kullanıldıkları için, burada yer verilmemiştir.

Asenkron motorlar diğer elektrik makinalarıyla karşılaştırıldığında en yaygın olarak kullanılan elektrik motorlardır. Doğru akım makinaları gibi fırça ve kolektör olmadığı için asenkron motorlar patlayıcı ve yanıcı maddelerin bulunduğu ortamlarda rahatlıkla kullanılabilirler. Asenkron motorlar doğru akım motorlarına göre aynı güç değeri için daha küçük, daha hafif ve daha ucuzdurlar. Asenkron motorların en büyük dezavantajı hızlarının çok sınırlı olarak değiştirilebilmesi veya kontrol edilebilmesidir. Asenkron motorların hızı şebeke frekansına ve kutup sayısına bağlıdır.

Asenkron motorun çalışma prensibi, sekonderi kısa devre edilmiş transformatörün çalışmasına benzer. Ancak asenkron motorda rotor döndüğü için rotor çubuklarının veya sargılarının döner manyetik alan tarafından kesilme oranı transformatörlere göre daha azdır. Bundan dolayı rotor çubuklarında endüklenen gerilim transformatörlerin sekonder sargılarında endüklenen gerilimle karşılaştırıldığında daha düşük değerdedir.

Stator asenkron motorun duran kısmıdır. Stator nüvesi birer yüzeyi yalıtılmış ince silisyumlu sacların preslenerek paketlenmesiyle meydana gelir. Stator nüvesi motor gövdesisin içine yerleştirilir. Statorun iç yüzeyine üç fazlı stator sargılarını yerleştirmek için oluklar açılmıştır.

Rotor asenkron motorun dönen kısmıdır. Rotor, birer yüzü yalıtılmış ince silisyumlu sacların paketlenmesiyle meydana gelir. Rotor sacları paketlendikten sonra mil üzerine geçirilir. Rotorun yüzeyinde sargıların yerleştirilmesi için oluklar açılmıştır.

Asenkron motorlarda sincap kafesli ve sargılı olmak üzere iki farklı rotor çeşidi kullanılmaktadır. Sincap kafesli rotorların oluklarına genel olarak dökme alüminyum çubuklar yerleştirilmiştir. Alüminyum çubuklar rotorun her iki tarafından kısa devre halkaları yardımıyla birleştirilmiştir. Bazı motorların rotorlarında bakır çubuklar da kullanılmaktadır. Sargılı rotorlarda ise rotor oluklarına üç fazlı sargılar yerleştirilmiştir. Üç fazlı sargılar yıldız veya üçgen bağlanır. Sargı uçları mil üzerine yerleştirilen bileziklere bağlanır. Sargıların dış devre ile elektriksel bağlantısı fırça yardımıyla sağlanır. Fırçalar yardımıyla rotor sargılarına direnç bağlanabilir. Sargılı rotor bilezikli rotor olarak da adlandırılır.

Bir asenkron motorun stator sargıların alternatif bir gerilim uygulandığında stator sargılarında döner bir manyetik alan meydana gelir. Rotor ilk anda durgun durumda olduğundan dolayı rotor, transformatörlerin kısa-devre edilmiş sekonder sargısı gibi davranır. Manyetik alan tarafından kesilen rotor çubuklarında bir gerilim endüklenir. Endüklenen gerilim sonucu rotor çubuklarından akım geçer ve rotorda da stator kutup sayısına eşit sayıda manyetik kutuplar meydana gelir. Rotor manyetik kutupları stator döner manyetik kutuplarına kilitlenerek dönmeye başlar. Rotor da stator döner alanıyla birlikte dönmeye başlar. Rotor hızlandıkça stator döner alanının rotor çubuklarını kesme hızı düşer. Bunun sonucu olarak rotor sargılarında endüklenen gerilim de azalır. Rotor hızı döner alanın hızına kadar hızlanır. Rotor senkron hızda döndüğü zaman döner manyetik alan rotor çubuklarını kesmez ve rotorda gerilim endüklenmez. Rotorda gerilim endüklenmeyince rotor hızı düşer. Rotor hızı düşünce, rotor çubuklarında tekrar gerilim endüklenir ve rotor döner alanla birlikte dönmeye başlar. Ancak rotorun dönüş hızı döner alanın dönüş hızından daha düşüktür.

Döner alanın devir sayısına senkron devir sayısı veya senkron hız denir. Rotor devir sayısı ile senkron devir sayısı arasındaki farka kayma devir sayısı denir.

Bir asenkron motorun senkron devir sayısı kutup sayısına ve motoru besleyen şebeke frekansına bağlıdır. Şebeke frekansı f (Hz), toplam kutup sayısı p ile verilen bir asenkron motorun döner alan veya senkron devir sayısı (devir/dakika, d/d, olarak) aşağıdaki gibi hesaplanır.

Bir asenkron motorun rotorunda endüklenen gerilimin frekansı aşağıdaki şekilde hesaplanır.

Transformatörlerde primer sargıdan sekonder sargıya güç transferi manyetik nüve üzerinden gerçekleşir. Asenkron motorlarda is primer statordan rotora transfer edilen güç stator ile rotor arasındaki hava boşluğu üzerinden gerçekleşir. Şekilde üç fazlı yıldız bağlı sargılı rotorlu bir asenkron motorun modeli görülmektedir.

Bir asenkron motorun eşdeğere devre parametreleri deneysel olarak belirlenir. Stator sargı direnci, stator sargılarına bir DA kaynağı bağlanarak deneysel olarak hesaplanır. Buna ilaveten asenkron motorun boş çalışma ve kilitli rotor deneyleri gerçekleştirilerek eşdeğer devrenin bütün parametreleri belirlenir.

Stator toplam (üç fazın toplamı) bakır kayıpları stator sargı direncinde ısıya dönüşen kayıplardır ve aşağıdaki gibi hesaplanır.

Şekilde bir asenkron motorun moment hız ilişkisi verilmektedir. Boş çalışma ile yüklü çalışma arasında moment yaklaşık doğru orantılı olarak değişir. Motorun ürettiği maksimum momente devrilme momenti denir. Bu moment motorun anma yük momentinin, yaklaşık olarak, 1.5 ila 2.5 katı kadardır. Devrilme momenti eşdeğer devre parametreleri kullanılarak yaklaşık olarak hesaplanabilir. Yol verme veya ilk kalkınma momenti anma momentinden biraz daha düşük olur. Asenkron motorlarda moment motora uygulanan gerilimin karesiyle değişir. Asenkron motorun rotoru senkron hızdan daha yüksek hızda döndürülürse motorda endüklenen momentin yönü değişir ve motor generatör olarak çalışır. Motor manyetik alan yönüne ters yönde dönüyorsa motor yavaşlayarak duracaktır (frenlenecektir).

Normal çalışma koşullarında bir asenkron motorun hızı senkron hızdan biraz daha düşüktür. Yani rotor devir sayısı senkron hızın devir sayısından kayma hızı kadar daha düşüktür. Motorun hızı birkaç şekilde ayarlanabilir. Motor hızı, stator gerilimi değiştirilerek, kutup sayısı değiştirilerek, rotor sargılarına seri direnç bağlayarak (sadece bilezikli asenkron motorlarda) ve besleme gerilimi frekansı değiştirilerek ayarlanır. Kutup sayısı ve besleme gerilimi frekansı değiştirilerek yapılan hız kontrolünde motorun senkron hızı değişir. Diğer metotlarda ise sadece motorun hız-moment karakteristiği değiştirilerek rotor hızı değiştirilir.

Asenkron motorlara aşağıdaki şekillerde yol verilir:
• Doğrudan yol verme
• Düşük gerilimle yol verme
• Seri reakstans ile yol verme
• Seri direnç ile yol verme
• Oto trafosu ile yol verme
• Yıldız-üçgen bağlantı yöntemi ile yol verme
• Rotoru sargılı asenkron motora rotor sargılarına seri direnç bağlanarak yol verme
• Soft starter ile (yumuşak) yol verme
• İnverter ile yol verme

Asenkron motorları, çalışma koşullarına ve sürdükleri yüklerin özelliklerine bağlı olarak, ani durdurulmaları (fren yapmaları) gerekebilir. Bu durumda özel frenleme sistemlerinin kullanılması gerekir.Bunlar; dinamik frenleme, mekanik frenleme, elektriksel frenleme'dir.