ELEKTRİK MOTORLARINDA YOL ALMA

Motorlarda yol alma olayı aşağıda belirtilen durumların bir veya bir kaçının gerçekleşmesi durumunda mutlaka incelenmelidir.

• S_TN (kVA) transformator gücünün; motorun , elektrik şebekesinden çektiği nominal gücünün P_MN (kVA) üç katından az olması
• Motor ile transformator arasında çekilen kablo motor terminallerinde elde olunanan kısa devre gücünü (kVA) azaltır. Bu kısa devre gücünün motor yol alma gücünün (kVA) sekiz katından az olması
• Besleme panosu bara kısa devre gücünün (kVA) motor yolalma gücünün sekiz katı veya daha az olması
• Yükün ve yük makinasının yüksek atalete sahip olması
• Motorun beslendiği kaynaktan diğer elektrik cihazları besleniyorsa yol alma olayı esnasında meydana gelen gerilim düşümlerinin cihazların çalışmalarını etkileyebilecek değerde olması

Yol Alma Karakteristikleri 

Motor imalatcı kataloglarında imal edilen motorlar için azami yol alma süresi  motor büyüklüğüne ve hızına göre verilir. Bununla birlikte

IEC-34-12 de yol alma süresi yerine tahrik edilen makinaların müsaade edilen atalet momentleri verilmiştir.

Yol alma esnasında akım ve moment bağlantıları

                           Yolalma geriliminde motor momenti

                                                                                Yolalma geriliminde motor yol alma

                                                                                        akımı

Yük karakteristikleri

Uygun motorun ve yol verme sisteminin seçilebilmesi için yük profilini ve yükün devir hızı moment karakteristiklerinin bilinmesi gerekmektedir.

Genelde uygulanan yük karakteristikleri

1. Sabit momentli yük karakteristiği

Moment

                                                                güç

                                                                 moment

                                                                     Devir hızı

Sabit moment karakteristikli yükler olarak delme kompresörleri,kömür taşıma band sistemleri gösterilebilir. .Bu sistemlerde moment sabit olup güç hızla doğru orantılı olarak artar.

2. Kuadratik Moment

                                                                       Tipik uygulamaları santrifüj

                                                                        Pompa ve fanlardır. Moment

                                                                        Devir hızıyla karesel olarak

                                                                        artarken güç kübik olarak artar.

3. Sabit güçlü Yük Karakteristiği

Bu tip karakteristik sarma ve rulolama makinalarında bulunur.Bu tip karakteristiklerde güç sabit kalırken moment devir hızıyla ters orantlı olarak azalır.

4. Sabit Güç/Moment Yük Karakteristiği

Bu yük tipi kağıt endüstrisinde sıkca uygulanır.Sabit güç ve sabit moment karakteristiklerinin bir kombinasyonudur.  

Eğer motorların ve tahrik ettikleri makinaların moment ve hız karakteristikleri bilinirse yol alma süresi aşağıda verilen eşitliklerden yararlanarak hesaplanabilir.

Bu ifadede

T_M   Nm olarak motor momenti

T_L  Nm olarak yük momenti

J_M  kgm² olarak motorun atalet momenti

T_L  kgm² olarak motorun atalet momenti

  rad/s olarak açısal hız

Eğer  devir sayısını değiştirmek amacıyla motor ile tahrik edilen makina arasına redüktör yerleştirilmiş ise T_L  ile J_L  redüktör çevirme oranına göre

T’_L ve J’_L değerlerine dönüştürülür.

Motorun Yol Alma Süresi

Motorlarda yol alma süresinin hesabında aşağıdaki bilgilere .İhtiyaç vardır

•  Motorun atalet momenti  kgm²  
•   Tahrik edilen makinanın atalet momenti   kgm²   
• Motorun nominal gerilimde moment-devir hızı karakteristiği ve motorun yol alma esnasındaki gerilime göre hazırlanan  moment-devir hızı karakteristikleri
• Tahrik edilen makinanın moment-devir hızı karakteristikleri
• Motorun yol alma esnasındaki ani gerilim düşümlerinin hesabı
• Motorun tam yükteki devir hızı ve eğer motorla tahrik edilen makınanın bağlantısı bir redüktör sistemi ile yapılmışsa tahrikedilen makınanın  motor tarafındaki devir hızı
• Nominal gerilimde motorun akım-devir hızı karakteristiği
• Motorun güç faktörü

           Motor-yük ivmelendirme hesabı için moment-hız eğrileri

Motorun yol alma momenti T_S ve azami momenti T_max biliniyorsa

  Motorun yol almasüresi                                    p Motorun çift kutup sayısı

 Motorun atalet momenti kgm²            

  Tahrik edilen makinanın atalet momenti   kgm²   

  İvmelendirme momenti   Nm

      Aşağıdaki tablodan alınacaktır.

 Motor momentinin ortalama değeri

 Değeri aşağıda verilen tabloya göre alınacaktır.

Eğer motor ile tahrik edilen makina arasında bir redüktör varsa yük momenti ve atalet momenti aşağıda verilen formüllerle yeniden hesaplanır

         ve       

Farklı tip yük momentlerinde yol alma performansları ile ilgili misaller. Açıklanan misallerde öncelikle motorların klemenslerinde nominal gerilimin uygulandığı kabul edilerek yol alma süresinin hesabı ve motor momentlerıyle tahrik momentlerinin durumu ve hesabı incelenecek daha sonraki bölümde yapılacak olan gerilim düşümü hesaplarıda göaz önüne alınarak motorların direkt yol alması incelenecektir.

Misal 1.

4 kutuplu motor 160 kW 1475 rpm

     Motor momentleri

     T_N =1040 Nm   

     T_S = 1.7x 1040= 1768 Nm

     T_max=2.8x 1040=2912 Nm 

     Motorun atalet momenti    

     J_M = 2.5 kgm²  

   Redüktör çevirme oranı

     1/2

     Yük momenti

     T_L = 1600 Nm       n_L = n_M / 2  rpm

       (redüktörün verimi ihmal edilmiştir)  

Yükün atalet momenti

      J_L= 80 kgm²

Toplam atalet momenti

                                                                            Moment 

Misal 2.

İvmelendirme esnasında yük momenti

sabit

Ortalama ivmelendirme momenti

Uygun bir yaklaşıkla

Yol alma süresi

Misal 3.

İvmelenme esnasında yük artışı lineerdir.

Misal 4.

Yük eğrisi fanlarda ve santrifüj pompalarda olduğu gibi kareseldir.                                                                                                                     

Misal 5.

Motorun tahrik edilen makine ile yüksüz kalkışı

Elektrik Motorlarının Direkt Yol Almasının İncelenmesi

Tesisi ve bakımı en ucuz yol verme şeklidir .Özellikle santrifüj-pompa sistemlerinde tercih edilirler.Zira frekans konvertörü,soft-starter ve oto-transformatorlarla yapılan yolverme şekli gerek kalifiye personel bulundurma ,gerekse yedek parça temini ve gerekse teknolojinin gelişimine bağlı olarak tesis edilen cihazların imalattan kalkması nedeniyle gerekli elektronik parçaları bulamama ,ayrıca şebekeye harmonik vermesi açısından pahalı ve bu iş için tercih edilmeyen cihazlardır. Elektronik cihazların arızalanmasına karşı işletmenin devamı için aynı sistemden komple yedek sistem bulundurmayı gerektirir. Bunun tesis edilmemesi durumunda arıza halinde gereken malzemenin ve uzmanın geliş süresince sistemin atıl vaziyette kalmasına neden olur.

Elektrik motorları transformator veya generator gibi besleme kaynağından bunlar arasında  bağlantıyı sağlayan kablo üzerinden beslenır. Motorların direkt yol alması esnasında yüksek değerlerde (5-7.I_N) değerinde yol alma akımları çekildiğinden gerek besleme kaynağında ve gerekse bağlantıyı sağlayan kablolar üzerinde büyük gerilim düşümleri meydana gelir. Gerilim düşümleri sonucunda motor klemenslerinde görülen U_S yol alma esnasında motor klemenslerindeki gerilimi , U_N motorun nominal gerilimi olmak üzere  oranında motor momentlerinde azalma meydana getirecektir. Bu nedenle uygun besleme devreleri seçimini sağlamak amacıyla direkt yol verme olayının gerek ivmelendirme momenti ve gerekse yol alma süresi açısından incelenmesi gerekmektedir.

Gerilim düşümüne göre yol alma olayının incelenmesinde aşağıda belirtilen bilğilere ihtiyaç vardır.

·        Motor plakasındaki bilgiler

1.      Motor nominal gerilimi

2.      Tam yükte motorun nominal akımı

3.      Motorun nominal mil gücü

4.      Tam yükte motorun nominal devir hızı

5.      Motorun yol alma akımı

• Yol alma esnasında yaklaşık güç faktörü
• Sistemin empedans verileri( Transformator gücü , nisbi kısa devre gerilimi , transformator çıkış gerilimi , kablonun direnç ve reaktans değerleri ile uzunluğu)
• Yol alma esnasında tahrik edilen yük miktarı
• Motorun ve tahrik edilen makinanın atalet momenti
• Tahrik edilen makinanın moment eğrisi veya cinsi

U_S    Yol alma esnasında motor terminallerindeki gerilim

 Motor yol alma momentinin  U_S   geriliminde alacağı değer

 Motorun azami momentinin U_S   geriliminde alacağı değer

T_M Motor momentinin değeri ise

 olacaktır

Motoru yol alması için ivmelendirme momenti sıfırdan büyük olması gerekmektedir.

İvmelendirme momenti ise

  değerine haiz olmalıdır.

Motorun yol alma süresi ise

 alacaktır.

 Motoru korumak üzere tesis edilen aşırı akım ve sıcaklık rölelerinin açma sürelerine göre sınırlandırılır.

Gerilim düşümleri

1. Transformator üzerindeki gerilim düşümleri

u_KN  transformatorun nisbi kısa devre gerilimi (%)

u_RN transformatorun nisbi omik gerilim düşümü (%)

u_XN  transformatorun nisbi reaktif gerilim düşümü (%)

Nisbi reaktif gerilim düşümü

Nominal nisbi kısa devre gerilimleri

Nominal çıkış gücü                                                                               u_KN

Transformatordaki gerilim değişimi.

Besleme kablosundaki gerilim düşümü

Misal 17.

Motor değerleri

Motor gücü  160 kW

Devir hızı 1475 rpm

Güç faktörü 0.85

I_S/I_N =6.5

Motorun verimi: 0.96

Motorun atalet momenti J_M=2.5 kgm²  

T_N=1040 Nm

T_S=1.4 T_N=1.4x1040=1456 Nm

T_max=2.2T_N=2.2x1040=2288 Nm

Yol verme esnasında güç faktörü 0.35

Yük değerleri

Yükün cinsi : Sabit moment

T_L=1840 Nm

Redüktör çevirme orenı : 1/2

Redüktör verimi : 0.98

Yük makinasının atalet momenti  J_L=100 kgm² 

Transformator değerleri

S_TN = 630 kVA

U_TN=400 V

u_KN =%4

P_KN=7 kW

Kablo değerleri

Kablo kesiti : 3x95+50 mm2 NYY

R_L=0.232 ohm/km

X_L=0.082  ohm/km

Motorun nominal akımı

Yol alma esnasındaki akım

( Her şeyden önce motor klemenslerinde meydana gelecek kısa devre akımının bu değerin çok üzerinde olması gerekir zira sistemin motora verebileceği azami güç kısa devre gücü kadardır. Bu nedenle öncelikle motor klemenslerinde 3-fazlı kısa devre hesabı yapılarak güç kaynağının bu akımı sağlayıp sağlamadığı kontrol edilmelidir ; sağlamıyorsa öncelikle besleme sisteminde değişikliğe giderek motor ve bağlantı kablolarının müsaade edilen ısınmasına bağlı olarak tayin

edilen yol alma süresi ve röle ayarlarıda göz önüne alınarak, motor yol alma akımının çok üzerinde kısa devre gücü sağlanılması gerekir)

Yol alma esnasında transformatordaki gerilim değişimi

Transformatorun nominal akımı  I_TN=910 A

Transformatorun yüklenme oranı

Kabloda yol alma esnasındaki gerilim düşümü

Yol alma olayı esnasında motor klemenslerindeki gerilim

U_S=366-53= 313 V

hesap edilen yol alma süresi motorun ısınma açısından tehlikeli uzunlukta bir süredir . Motorun sıcak halde yol verilmesi söz konusu ise bu süre eğer motorun sargıları termal elemanlarla korunmuyorsa sargı izolasyonunun tahrip olmasına yol açabilir.

Motorun 21 saniyede yol alması eğer transformatordan diğer cihazlar besleniyorsa transformatorda meydana gelen gerilim düşümü fazlalığndan dolayı diğer alçak gerilim cihazlarının çalışması tehlikeye girer. (400-366).100/400=%8.5 gerilim düşümü diğer cihazlarin kablolarındaki %3 lük gerilim düşümü göz önüne alındığında %11.5 gibi gerilim düşümü ortaya çıkarki bu müsaade edilen sınırların dışındadır. Sonuç olarak diyebilirizki transformator bu işe uygun değildir.

Motor kablosundaki gerilim düşümü ise 53/380=%14 dür. Yol alma esnasındaki transformator çıkış gerilimi esas alınarak motor klemenslerindeki gerilim 313 V olduğundan motor klemenslerindeki gerilim yüzde gerilim düşümü ,motor nominal gerilimi 380 V olduğundan

(380-313)/380=%18 e ulaşır.Motorlarda toplam gerilim düşümünün değerinin motor nominal gerilimine göre % değerinin %15 i aşmaması istenir. Kablodaki gerilim düşümü %14 civarında olduğundan kablonun kesitininde büyütülmesi gerekir.

Aynı sistemi 1000 kVA , u_KN= %6 , 400 V değerinde transformator ve 3x120+70 mm2 NYY kablodan ibaret besleme sistemi ile tahrik edelim.

P_KN=9 kW

Transformatorun nominal akımı I_TN=1444 A

Transformatorun yüklenme oranı

Görüleceği üzere 1000 kVA  ve %6 nisbi kısa devre  gerilimli transformatorun gerilim değişimi açısından 630 kVA ve %4 nisbi kısa devre gerilimli transformator arasında bir fark olmadığı anlaşılmaktadır.

Bu durumda 1600 kVA gücünde , %6 nisbi kısa devre gerilimine haiz transformator veya 1000 kVA  gücünde %4 nisbi kısa devre gerilimine haiz transformatorlar uygun gibi gözükmektedir . Ancak pahalı bir çözüm şeklidir.

Bu sebeble alçak gerilim cihazlarında +,- %5 gerilim oynamasına şartnamelerce müsaade edildiği göz önüne alınarak; transformatorun çıkış gerilimi 420 V a ayarlanır.

630 kVA lik transformatorda gerilim değişimi

 olarak bulunur.

Motor klemenslerindeki gerilim ise

383-53=340 V

Transformatorun gerilim kademesinin ayarı ile bağlantı kablosu kesitinde değişiklik yapmadan sistem uygun hale getirilebilir.

Sonuç: Motorun rahat yol almasını temin eden ekonomik çözümler;

1. Eğer  mümkünse transformatorun sekonder  gerilimini şartnamelerin imkan verdiği seviyede ve şebekenin imkanları içerisinde  yükseltmek
2. Burada dikkat edilecek nokta özellikle büyük güçlerde motorların yol alması gerektiği durumlarda kablolardaki gerilim düşümünü azaltmak,uygun kesitte ekonomik kesitte kablo seçebilmek için güç kaynağının bu tür tahrik ünitelerine mümkün olduğu kadar yakın tesis edilmesi ve yüksek kısa devre gücü sağlaması gerekir.
3. Yol alma süresini tehlikeli bir şekilde uzatacak bir ivmelendirme momenti ortaya 

       çıkarsa aşağıda öngörülen tedbirler alınmalıdır.

·        Motorun yol alması esnasında yüksek gerilim düşümlerine müsaade edilebiliniyorsa daha büyük güçte motorlar kullanılabilir

·        Daha yüksek kalkış momentli motorlar seçilir .Bunun için motor imalatcısı rotorun kafes çubuklarını değiştirmesi ve daha yüksek yol verme mometi sağlayacak rotor imal etmesi gerekir.

·        İşletme şartlarının uygun olması durumunda motora yüksüz halde yol verilir

·        Transformator gücü yükseltilerek ve nisbi kısa devre azaltılarak ,ayrıca motor bağlantisını sağlayan kablo kesiti büyültülerek besleme uygun hale getirilir.Bu sayede gerilim düşümü azaltılır ve yol alma momentinin değeri büyütülerek İvmelendirme momenti daha uygun hale getirilir.

4. Besleme sisteminin motora vereceği maksimum güç motor klemenslerindeki  

      kısa devre gücüdür. Motorun yol alma olayı esnasında çekmesi gereken güçten

      kat kat fazla olması gerekir. Eğer yol alma akımı motor klemenslerinde meydana

      gelebilecek kısa devre akımından büyük veya eşitse bu sistemle direk yol verme 

      ile motorun tahrik edilmesi imkansızdır . Öncelikle motor besleme sisteminin

      güçlendirilmesi gerekir. Rahat bir yol almayı ve sistem stablitesini sağlamak için

      motor klemenslerinde meydana gelebilecek kısa devre akımı (özellikle yüklü ve

      yüksek  ataletli kalkışlarda)motorun çekmesi gereken yol alma akımının sekiz

      katından  fazla olması gerekir. Tesisin planlama ve projelendirme safhasında bu

      krıterlerin mutlaka göz önüne alınması gerekir.

5. Şebekenin güç kapasitesinin yükseltilmesinin çok zor ve pahalı olduğu

      durumlarda artık tek çözüm olarak frekans konvertörü kullanmak gerekir.