ELMAK_12_Motor_Secimi PDF

ELEKTRİK MAKİNELERİ MOTOR SEÇİMİ *Giriş Uygun motor seçimi, hem enerji tasarrufu sağlar ve hem de arıza riskini azaltır. Bir yükü süren motor enerji-güç denge noktasında çalışır. Bir tarafta yükün döndürülmesi için mekanik güç ihtiyacı, diğer tarafta mekanik gücü üreten motor ve motorun ısıya dönüş...

ELEKTRİK MAKİNELERİ MOTOR SEÇİMİ *Giriş Uygun motor seçimi, hem enerji tasarrufu sağlar ve hem de arıza riskini azaltır. Bir yükü süren motor enerji-güç denge noktasında çalışır. Bir tarafta yükün döndürülmesi için mekanik güç ihtiyacı, diğer tarafta mekanik gücü üreten motor ve motorun ısıya dönüşen kayıpları vardır. Küçük seçilmiş bir motor kayıplardan kaynaklanan ısıyı beklenen çabuklukta dağıtamaz ve yanma riski ile karşı karşıya kalır. Motor büyük seçildiğinde ise motor soğuk kalmakla birlikte, verimsiz çalışma nedeniyle hem fazla maliyet ve hem de enerji kayıplarında (işletim maliyeti) artış sorunu yaşanır. Şunu unutmamak gerekir, tüm fiziksel sistemlerde verim sadece bir noktada en büyük olur. Diğer çalışma bölgelerinde verimsiz (daha çok kayıplı) çalışma olacaktır. 2 *Giriş Enerji, dünyamızın en önemli başlığını teşkil eder. Verimlilik adına birçok bilim adamı mühendis yoğun bilimsel çalışmalar yapmaktadırlar. Günümüzde maalesef, mühendislikten yoksun uygulayıcılar daha sonra sorun ile karşılaşmamak için çoğu kez olması gerekenden daha büyük motor seçerler. Bunun sonucunda ise firma sahibi hem kurulum hem de işletim aşamalarında sürekli çok ücret ödemek zorunda kalır. Bu durum tüm makine seçimi ve kullanımlarında geçerlidir. Örneğin 5kW'lık jeneratöre ihtiyacı olan bir kullanıcı, aralarında çok yatırım maliyeti yok diyerek 20 kW'lık bir jeneratör alır ise; ihtiyacı olmayan bu gücü kullanmayacağı için, hem jeneratörü hem de jeneratörü süren dizel yada benzin motoru verimsiz çalışacak, bir yandan daha fazla gürültü diğer yandan daha fazla petrol tüketiminden sürekli şikâyet edecektir. 3 *Yükün Sürekli Hal Davranışı Önceki ünitede yük karakteristiklerini incelenmişti. Mekanik yükün devir sayısı – moment ilişkisinin yanında, bu yükü teşkil eden iş makinesinin özel davranışı da önem arz eder. Hızlanmasını tamamlamış ve sürekli halde çalışan bir makinenin, çalışma noktası etrafındaki momentinin değişimine göre, mekanik yükün davranışını genel olarak 3 gurupta toplayabiliriz: Sürekli sabit moment ihtiyacı olan yükler Moment ihtiyacı değişken olan yükler Moment ihtiyacı çok ciddi değişimler gösteren yükler 4 *Yükün Sürekli Hal Davranışı Motorlar, belirli bir süre boyunca üzerlerinde aşırı ısınmaksızın çalışabilecekleri bir anma gücünde imal edilirler. Bu anma değerleri motorun plakasında ve kataloglarında verilir. Plakasında 5 kW yazan bir motor, 5 kW'lık mekanik güç üretecek şekilde tasarlanmıştır. Diğer bir deyişle, bu plaka gücü şebekeden çekilen gücü değil üretilecek mekanik gücün tasarım değerini anlatır. Motor üreticileri yukarıda belirtilen 3 tip yük davranışına uyuşacak şekilde 3 farklı görev süresi için üretim yaparlar. Görev süresi oranı (İngilizcede Duty Cycle diye anılır) motorun anma gücünde çalıştığı sürenin, toplam geçen süreye olan oranıdır ve % olarak verilir. 5 *Yükün Sürekli Hal Davranışı Görev süresi %100'den küçük olan motorlar, her çalışma periyodunda görev süreleri oranı tarafından belirlenen süre kadar soğutma amaçlı durdurulmalıdır. Görev süresi oranı %50 olan bir motor, 30 dakika anma gücünde yüklendiyse, 30 dakika da soğuma amaçlı durdurulmalıdır. Benzetme: Halterciler –örneğin- 100kg'lik ağırlığı kaldırır, fakat bu işlemi günde sadece birkaç kere yapabilirler, çünkü biyolojileri gereği görev süresi oranları çok düşüktür. 6 *Sabit Momentli Uygulamalar Santrifüj kompresörler ve ekstrüderler sürekli çalışmada nispeten sabit moment çekerler. Yol verme işlemi yapılıp, motor hızlanmasını tamamlayıp sistem belirli bir çalışma noktasına oturduğunda, yükün moment ihtiyacındaki değişim yaklaşık olarak %3-5’tir. Bu tip uygulamalarda motor gücü seçimi için yük momentinden türeteceğiniz güce bakılır. Tyük (yük momenti; is makinesi kataloglarındaki devir sayısı x moment eğrisinden faydalanarak bulunur) ve çalışma noktası açısal hızı kullanarak, motorun mekanik güce vermesi gereken güç bulunur. Burada görev süresi oranı göz ardı edilmemelidir. Bu makineler genellikle sürekli olarak çalışırlar. Bu nedenle sürekli çalışmaya uygun; görev süresi oranı %100 olan (continuous-duty) motorlar seçilmelidir. 7 *Değişken Momentli Uygulamalar Santrifüj pompalar ve fan gibi yükler moment gereksinimleri yavaş değişen uygulamalar olup, değişim aralığı %20-100 arasında olabilmektedir. Bu tür bir yükü süren motor sistemin en yüksek devir sayısında oluşacak en büyük güce göre seçilmelidir. Tabiki burada sadece en büyük güç gereksinimi yanında, bu sürecin ne kadar sürdüğü de bilinmelidir. Motor bu tepe yük gücünü ilgili çalışma süresi aralığında sağlayabilecek büyüklükte ve uygun görev süresi oranında seçilmelidir. 8 *Şok Değişken Momentli Uygulamalar Testereler, kesme tezgahları, sıkıştırma presleri ve kesme presleri gibi uygulamalarda yük momenti ani ve ciddi olarak değişir; bu değişimi şok değişim olarak tanımlayabiliriz. Yükün artan moment ihtiyacına cevap olarak motorun daha yüksek moment üretebilmesi için devir sayısı yavaşça düşer, bu motorun dış karakteristiği gereğidir. Şayet yük değişimi aşırı olursa, yük momenti -özellikle asenkron- motorun devrilme momentini (motorun üretebileceği en büyük moment) aşabilir ve motorun bloke olmasına neden olabilir. Bu gibi uygulamalarda motorun bloke olmadan dönmeye devam edebilmesi için, anma momentinden çok, motorun devrilme momenti önem arz eder. Bu nedenle yükün çekeceği en büyük momentten daha büyük devrilme momentine sahip karakter ve büyüklükte bir motor seçilmelidir. Tüm uygulamalarda olduğu gibi yine burada da motorun görev süresi seçimi önemlidir. Motorun prosesteki çalışma süresi dikkate alınarak uygun görev süresi oranına sahip bir motor seçilmelidir. 9 *Motor Gücünün Belirlenmesi Sabit moment çeken uygulamalar en kolay seçim özelliğindedir. Sürülen iş makinesinin etiketinden yada kataloğundan çalışma noktası parametreleri (önerilen devir sayısı ve o devir sayısında çekilecek moment) belirlenir. Şayet bu mümkün değil ise daha ileri teknikler ile, motoru döndürebilmek için gerekli olan momentin ölçülmesi yada hesaplanması gerekecektir. Örneğin 75 birim güçlük bir yük için 75 ila 100 birim güçlük motor seçilir. Yük uzun bir çalışma periyodunda sabit kalıyor ise yükün tam gücüne yakın bir seçim yapılabilir, diğer bir deyişle 95 birimlik yük için 100 birim güçte motor seçilebilir. Yük değişmezliği ve çalışma süresi açısından uygun şartlar varsa, tam güç civarında yapılacak bu seçim verimi optimize ederek; en ekonomik işletim ve kurulum maliyeti sağlar. 10 *Motor Gücünün Belirlenmesi Değişken momentli uygulamalarda uygun motor seçimi için, yükün işletim aralığını bilmek gerekir: değişimin hangi devirler ve momentler aralığında olduğu belirlenmelidir. En fazla yüklenme değerinin ne olduğu ve ne kadar sürdüğüne özel önem verilmelidir. Örneğin yükü %20-100 aralığında değişen bir pompa için, motor seçimi en büyük yüklenmeye göre yapılmalıdır. Çünkü motor en büyük yüklenmeyi aşırı ısınma olmaksızın sürebilmelidir. Şok momentli uygulamalarda, efektif yük momenti (yük momenti belirli bir aralıkta ani ve ciddi olarak değişmektedir) ve en büyük yük momentinde devrilme yaşamayacak bir motor seçilmelidir. Bu tip uygulamalarda sorun yaşamamak için sürekli çalışmaya uygun (Görev süresi oranı 1 olan) motor seçilmesi önerilir. Ortalama moment ve devir sayısından elde edilecek yük gücünün, motor gücünün %75-100 aralığında kalması uygun olacaktır. 11 *Sınır Aşımı Motor servis faktörleri (SF: S1,…S9) aslında emniyet faktörleri olup; kısa çalışma aralıklarında aşırı ısınma olmadan motor kapasitesinin ne kadar aşılabileceğini belirtir. Örneğin; servis faktörü 1.15 olan standart B Tasarımında bir asenkron motor plaka değerinde belirtilen güçten %15 daha fazla güçte aşırı ısı olmaksızın kısa süreli olarak çalışabilir. Bu emniyet yükün değişken olduğu ve motor anma momentini aşabileceği durumlarda esneklik sağlar. Ancak, servis faktörlerinin emniyet payı olduğunu göz ardı etmeyerek, tutumlu kullanmak gerekir. Birçok üretici firmada ön görülen aşırı yüklenme süresi; 15 dakikalık çalışma periyodu içinde 2 dakikadır. Bu değerler üretici firmaların kataloglarından temin edilebilir. Anma değerlerinin üzerinde sürekli olarak (zorlanarak) çalıştırılan motorum ömrü kısa olacaktır! 12 *Yol Verme de Atalet Momentinin Etkisi Atalet momenti (J) de üstesinden gelinmesi gereken bir yük teşkil eder. Motor, yükü durma halinden başlatıp hızlandırarak işletim devir sayısına getirir ve hızı korumak için gerekli olan momenti beslemeye devam eder. Özellikle yol verme esnasında çekilen akımın, motorun yapısına bağlı olarak, anma akımından çok daha büyük olduğu (asenkron motorlarda 4-10 katı) unutulmamalı ve uygun yol verici düzeneği planlanmalıdır. Büyük akım çekilen yol verme sürecinde motorlar aşırı ısınmakta ve bazen mekanik tahribatlar bile oluşabilmektedir. Örneğin büyük güçlü sincap kafes rotorlu asenkron motorlarda, sincap kafes çubukları kaynak noktalarından kırılabilmektedir. Atalet momentinin büyük olması yol verme süresini uzatır. 13 *Yol Verme de Atalet Momentinin Etkisi Bunu birkaç ilişki ile gösterelim: Tambur seklinde olduğu varsayılan bir rotorun dönme eksenine göre atalet momenti aşağıdaki gibi olacaktır. 1 J= 𝑚𝑚𝑟𝑟 2 2 Burada r, rotor yarıçapı ve m rotor kütlesidir. Atalet momentinin birimi kg.m^2’dir. Basitleştirilmiş hareket denklemi; 𝑑𝑑𝜔𝜔𝑚𝑚 𝑇𝑇𝑚𝑚 − 𝑇𝑇𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦 = 𝐽𝐽. 𝑑𝑑𝑑𝑑 olduğundan, gerekli düzenlemeler yapılırsa; 𝑡𝑡𝑦𝑦𝑦𝑦 𝜔𝜔𝑚𝑚 𝑑𝑑𝜔𝜔𝑚𝑚 𝑑𝑑𝜔𝜔𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝐽𝐽. 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑡𝑡𝑦𝑦𝑦𝑦 = 𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝐽𝐽. 𝑇𝑇𝑚𝑚 − 𝑇𝑇𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦 0 0 𝑇𝑇𝑚𝑚 − 𝑇𝑇𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦 14 elde edilir. *Yol Verme de Atalet Momentinin Etkisi Atalet momenti (J) büyüdükçe yol verme süresinin orantılı olarak uzayacağı, yol verme akımının büyük olduğu bilgisi ile, akımın karesi ile orantılı bakır kayıplarının çok daha büyük olacağı ve makinenin yol verme esnasında çok ısınacağı görülür. Yol verme momenti ihtiyacı ve akımının değerlendirilmesi yine motor tasarım sınıflarına göre yapılır. Bu konudaki açıklamalar, asenkron motor terminolojisi başlığı altında sonraki ünitede verilecektir. 15 *Çalışma Süreleri Sürekli çalışma en kolay durumdur. Yol verme ile başlar, uzun süreli kararlı çalışma ile devam eder, ısı üretimi ve dağıtımı kontrol altında olup, bu durum motor durdurulana kadar sürer. Bu şartlarda motor anma değerlerinde yada yakınında sorunsuzca çalıştırılabilir, zira sıcaklık artışı kontrol altındadır. Kesikli çalışma en karmaşık çalışma şeklidir. Özellikle bu tür şartlarda ısınma, üstesinden gelinmesi gereken en önemli konudur. Günümüz uçakları ile bir benzetme yapılırsa, motorun ömrü motorun başlatılma sayısı ile yakından ilgilidir, zira yol verme anında açığa çıkan aşırı ısı yaşlanmaya neden olur. Bu nedenle, motorların 1 saat içinde yapabileceği başlatma ve durdurma sayısı sıcaklık artışının ön görülen aralıkta kalabilmesi açısından sınırlıdır. 16 *Çalışma Süreleri Her zamanki çalıştırma tarzının dışında, ardı ardına çalıştırılıp durdurulan motorlarda sıcaklığın ciddi oranda arttığı kolayca görülür. Pratik bir yaklaşım ile, 10 santigrat derece daha soğuk çalıştırılan bir motorun ömrünün 2 kat uzadığı söylenilebilir. Bu ifade konunun önemini açıkça belirtir. Maksimum mekanik yük değerinde seçilmiş motor kesikli çalışma altında kısa sürede yanar. Pratik olarak yaklaşmak gerekirse, kesikli çalışma şartlarında standart güçler açısından bir büyük motorun seçimi uygun olacaktır. Örneğin sürekli çalışmada 7.5hp'lık bir motor seçildiyse, kesikli çalışmada bir büyük katalog değeri olan 10hp'lik motor seçilmelidir. 17 Kaynakça Dr. Mustafa Turan’ın Elektrik Makineleri ders notlarından alınmıştır. 18