Asansörler için Elektrik Motorları

İlk motorlar DC ile çalıştı. Aslında, pratik bir DC motorun icadı, Nikola Tesla'nın AC'nin önemli faydalar sağlayacağına dair öngörüsünden çok önce geldi. Thomas Edison ve ortakları, DC'nin daha pratik olduğu fikrine sarıldılar, ancak tarih, bilindiği gibi, en azından akımların savaşı konusunda Tesla ve George Westinghouse'u tercih etti. Bu sorun çözülmeden önce, asansör kullanımına yönelik DC motorlar endüstri standardı haline gelmişti ve bir süre daha öyle kalacaktı.

Öğrenme hedefleri

Bu makaleyi okuduktan sonra şunları öğrenmiş olmalısınız:
♦ DC motorlar nasıl çalışır.
♦ Senkron motorlar nasıl çalışır?
♦ Asenkron motorların çalışma şekli.
♦ Bir AC motorun hızı nasıl kontrol edilir.
♦ Değişken frekanslı bir sürücüde (VFD) nasıl sorun giderilir.

Başlamak için, elektrik motorlarının çalışması için temel gereksinimlere bakacağız. Çoğu elektrik motoru, elektrik enerjisini dönme hareketine dönüştürür. (Doğrusal aktüatör diye bir şey var ama şimdilik odak noktamız bu değil). Döner motorlar, serbestçe dönebilmesi için iki rulman tarafından desteklenen bir mile bağlı bir rotor ve adından da anlaşılacağı gibi sabit olan bir statordan oluşur. Motor gövdesinin iç kısmına monte edilmiştir.

Rotor miline bir kasnak, dişli, testere bıçağı, taşlama çarkı veya başka bir alet takılabilir, böylece faydalı işler yapılır. Dönmek için, rotor, stator ile birlikte, elektrik ve manyetizma ilişkisini kullanır, ilk olarak 1820'de Hans Christian Ørsted tarafından, akım taşıyan bir iletkenin yanına yerleştirildiğinde pusula iğnesinin saptığını gözlemlediğinde not edildi. 1831'de Birleşik Krallık'ta Michael Faraday ve Amerika Birleşik Devletleri'nde Joseph Henry bağımsız olarak fenomenleri daha ayrıntılı olarak tanımladılar ve yüzyılın sonlarında James Clerk Maxwell kapsamlı bir matematiksel analiz sağladı. 19. yüzyıldaki bu gelişmelerden önce, elektrik ve manyetizma ilgisiz fenomenler olarak görülüyordu. Artık ilişki açık olduğuna göre, araştırmacılar ve mucitler bu yeni bilgiyi kullanmanın yollarını aradılar. Daha önce, kimyasal pillerle çalışan basit DC motorlar inşa edilmişti. Ancak güçlü değillerdi ve faydalı işler yapamıyorlardı.

Bir DC motorun rotoru döndürülebilir, ancak yalnızca komütasyon varsa. Hem rotordaki hem de statordaki sargılara sabit bir DC voltajı uygulanırsa, mil, karşı kutuplar en yakınlarına gelene kadar en iyi ihtimalle kısmi bir tur dönecek ve bundan sonra daha fazla dönüş gerçekleşmeyecektir. Şaftın sürekli olarak dönmesi için, stator veya rotordaki elektrik akımının polaritesi, manyetik alanın periyodik olarak tersine çevrilmesi ve daha uzak kutupların çekilmesine neden olacak şekilde değiştirilmelidir. Bu sayede rotor her zaman statorun peşinden koşar. Kutuplar yaklaştıkça kutuplar tersine döner ve dönme hareketi devam eder. Bu anahtarlama dahili veya harici olarak gerçekleşir ve komütasyon olarak bilinir. Yetenekli bir operatör, basma düğmesi olarak yapılandırılmış bir anahtarı çalıştırabilir ve rotoru döndürmek için akımı darbeleyebilir. Ancak pratik bir motor için komütasyonun otomatik olması gerekir.

Bir başka sorun da, kabloların rotora monteli sargıların terminallerine doğrudan bağlanamamasıdır, çünkü bunlar hızla bükülür ve kırılır. Bu iki gereklilik, rotora bir komütatör takılarak karşılanır. Sabit bakır fırçalar (artık hala fırça olarak adlandırılan karbon çubuklar ile değiştirilir), akımı rotora alan sürekli dönüş için gerekli anahtarlama mekanizmasını sağlayarak, birbirinden izole edilmiş döner komütatör segmentleriyle temas eder. Herhangi bir motorda olduğu gibi, enerjinin rotora girmesi ve dönüşün gerçekleşmesi için anahtarlama olması gerekir.

Hem rotorda hem de statorda sargılara sahip olmak yerine, bunlardan biri kalıcı mıknatıslar (PM'ler) ile değiştirilebilir. Bunlar genellikle motor muhafazasının içine epoksi uygulanmış güçlü, nadir toprak mıknatıslarıdır. Statik PM alanları, rotor ile ilişkili komütasyonlu elektromanyetik alan ile etkileşime girer ve şaftın dönmesi sağlanır. Hem rotor hem de statordaki PM'lerin işleyen bir döner sürekli hareket makinesini içerdiği çeşitli şemalar önerilmiştir. Bu düzenlemeyle ilgili sorun, çalışması için komütasyonun olması gerektiğidir. Bir PM setinin polariteyi doğru aralıklarla değiştirmesi gerekir. Bunu yapmanın yolu, mıknatısları mekanik olarak çevirmek olacaktır, ancak bu, motorun çıkışından daha fazla enerji alacaktır. Bir motorun çalışması için başka bir yol, sürekli olarak rotora ve/veya statora beslenmesi gereken yeni enerji gerektirir.

DC motorların, AC gücüyle çalışan bir dünyada bile asansör uygulamalarında ısrar etmelerini açıklayan iki önemli özelliği vardır. Bu özelliklerden ilki, bir DC motorun hızının voltaj değiştirilerek kontrol edilebilmesidir. Bir asansör kabini hedefine yaklaşırken, kabinin katı bina katıyla aynı seviyeye gelene kadar tam hızda devam etmek yerine yavaşlar ve sonra aniden durur. Bu, yolcular için rahatsız edici ve makineler için zor olacaktır.

Voltajı değiştirerek bir AC motorun hızını değiştirmek pratik değildir. Senkron veya asenkron (endüksiyon) AC motorun hızı frekansa bağlıdır. Bir AC motoru, voltajı düşürerek motorun durmaya başlamasını sağlayarak yavaşlatabilir, ancak hızı değiştirmek için iyi bir yol değildir. Bazı AC motorların iki hızı vardır. Her hız için bir tel ve ortak bir dönüş teli ile iki hız için ayrı sargıları vardır.

Benzer şekilde, DC motorlar, elektrik kaynağının polaritesini değiştirerek tersine çevrilebilir, ancak bu, polarite sürekli olarak değiştirildiğinden, tek fazlı bir AC motorla yapılamaz. Üç fazlı motorlar, üç fazdan herhangi ikisi değiştirilerek tersine çevrilebilir.

DC motorlar, aralarında yumuşak hız kontrolü ve basit tersine çevrilebilirlik gibi avantajlara sahip olsalar da, elektro-mekanik fırça-komütatör grubu sürekli aşınmaya maruz kaldığı için biraz daha fazla bakım gerektirirler. Fırçalar zamanında değiştirilmezse, arıza öncesinde kıvılcım oluşur ve komütatör zarar görür. Bu, yalnızca fırçaları değiştirmekten daha maliyetli bir onarım gerektirir. Ek olarak, fırçalar motor içinde toz ve ısı oluşturarak potansiyel yangın tehlikeleri oluşturur. Elektronik ekipmanın çalışmasını etkileyebilecek radyo frekansı paraziti de vardır. Fırçasız DC motorlarda bu dezavantajlar yoktur. Elektronik bir kontrolör vasıtasıyla değişken hızlı çalışma yeteneğine sahiptirler. Takım tezgahlarında bilgisayar disk sürücülerinde ve hareket kontrol uygulamalarında görülürler.

Genelleştirmek gerekirse, DC motorlar kavramsal olarak basit ve kaliteli çalışma yeteneğine sahip olsalar da mekanik olarak daha karmaşıktır ve daha fazla bakım gerektirir, bu nedenle çalıştırılmaları daha pahalıdır. Ancak bu görüş hikayenin tamamı değildir. Bir asansörün yeniden inşasından bahsediyorsak, projenin ne kadar aktifleştirildiğine bağlı olarak, çalışan bir DC motorun değiştirilmesi uygun olabilir veya olmayabilir. AC kullanmanın hem ilk maliyeti hem de uzun vadeli faydaları göz önünde bulundurularak karar büyük bir dikkatle verilmelidir.

AC motor teknolojisine dönersek, buna elektriksel ve mekanik açıdan bakacağız. Belirtildiği gibi, elektrik gücü uzun yıllar boyunca yalnızca DC idi. AC şebekesinin tasarımına ve geliştirilmesine çok sayıda kişi katıldı. Tesla, AC'nin yükselişinde merkezi figür oldu. Onun çabaları sayesinde, Westinghouse ile birlikte AC, DC'yi gölgede bırakıyordu, ancak gerçek ilerlemenin bir AC motorunun geliştirilmesini beklemesi gerekiyordu. Kuşkusuz, bir DC motora AC ile güç sağlamak için erken girişimler vardı. Farklı bir makineye ihtiyaç duyulacağı ortaya çıktı.

DC motorlar, rotor sargılarına beslenen elektrik komütasyona uğradığı veya anahtarlandığı için dönebilir. Bir AC motor için, anahtarlama elektrik kaynağında zaten mevcuttur, bu nedenle harici olarak komütasyonlu olduğu söylenebilir. AC motorlar senkron veya asenkron (endüksiyon) olabilir. Her iki durumda da, güç kaynağından gelen AC doğrudan stator sargılarına beslenir. Bu gücün döngüsel doğası nedeniyle, dönen bir manyetik alan kurulur. Genelde asansörlerde olduğu gibi motor 5 hp'den fazla ise stator üç fazlı güç alır. Kabloları ortak, 120° faz dışı olan üç ayrı devre, delta veya Y bağlantılı sargılar aracılığıyla şebeke beslemesinden veya yerinde jeneratörden türetilir. Üç tel, bu gücü motor gövdesine taşır ve üç manyetik alanın uyum içinde dönmesi için eşit aralıklı bobinlere bağlanır. Tüm üç fazlı AC motorlarda bu ortak nokta bulunur ve tek fazlı AC motorların bir dönen manyetik alanı vardır. Bunun ötesinde, tüm AC motorlar aynı şekilde çalışmaz. Farklı oldukları yer, rotorun nasıl çalıştırıldığıdır.

Bir sargılı rotorlu senkron motor, bir kayar halka ve fırça sistemi ile donatılmıştır. Kayma halkaları rotor miline bağlıdır ve sabit fırçalar bunlarla temas eder ve harici beslemeye bağlanır. Bu düzenleme, DC fırça-komütatör kombinasyonundan daha sorunsuzdur. Kayma halkaları komütatörün aksine parçalı olmadığından fırçalarda daha az aşınma olur. Ayrıca, rotora güç sağlamaya yetecek kadar daha az akım taşınır.

Ek olarak, rotorun stator ile etkileşime girmesini sağlamak için başka araçlar kullanan uyarılmamış senkron motorlar vardır. Bu motorlarda rotor masif çelikten yapılmıştır. Statorun dönen manyetik alanı rotoru manyetize eder ve senkron hızlarda iki manyetik alan birlikte döner, böylece şaft döner ve faydalı iş yapılır. Her biri rotorun statorun dönen manyetik alanını takip etmesini sağlamak için farklı bir yönteme sahip üç tip uyarılmamış senkron motor vardır:

Relüktans motoru: Çelik rotorda, yataklar aşınmaya başladığında bile sürtünmemeleri için yeterli açıklığa sahip olacak şekilde statora yakın olacak şekilde dışa doğru çıkıntı yapan çıkıntılar veya dişli kutuplar bulunur. Statordaki kutup sayısı kadar bu çıkıntılar da vardır. Senkron hızda, rotorun hareketi dönen manyetik stator alanına kilitlenir. Bununla birlikte, bu tip motor kendi kendine çalışmayacaktır, bu nedenle sincap kafesli rotor, çelik gövdeye gömülü ek sargılara sahiptir. Relüktans motoru, senkron hıza yaklaşana kadar bir asenkron makine olarak başlar ve bunun üzerine birincil moduna geçer. Senkron hızda, stator ve rotor arasındaki karşılıklı endüktans durur.

Histerezis motoru: Relüktans motorunda olduğu gibi çıkıntılara veya çıkıntılı dişlere sahip olmak yerine, histerezis motorunda tek tip silindirik çelik rotor bulunur. Statorun tüm parçaları mıknatıslanır ve statorun dönen manyetik alanını takip eder. Rotor hızı, statorun dönen manyetik alanının hızına yetiştiğinde kilitlenme meydana gelir ve motor senkron moda girer. Bu tip motor kendi kendine hareket eder ve endüksiyon sargısı gerektirmez, ancak ihtiyaç duyulan uygulamalarda ekstra yol verme torku vermesi sağlanabilir.

PM'ler: PM'ler, senkron hızlarda kilitleme sağlamak için rotora yerleştirilmiştir. Bununla birlikte, bu motorlar kendi kendine çalışmaz ve rotorun durgun ataletinin üstesinden gelmek için statöre bir değişken frekanslı sürücü (VFD) tarafından güç verilmesi gerekir.

Küçük senkron motorlar, rotor kısmında çok fazla hareketsizlik ataleti olmadığı için kendi kendine çalışacaktır. 1 hp'den büyük boyutlarda, birçok senkron motor DC uyarılıdır. Bu elektrik enerjisi, kayma halkaları aracılığıyla bir dış kaynaktan sağlanır.

Küçük boyutlardaki senkron motorlar, duvar saatleri ve zamanlayıcılarda olduğu gibi hassas zamanlamanın gerekli olduğu yerlerde kullanılır. Yardımcı program frekansını yakından takip eder ve bir süre boyunca birkaç döngü kaybolursa, telafi etmek için jeneratörü anlık olarak hızlandıracaklar, böylece belirli bir süre boyunca saatler ve zamanlayıcılar doğru kalacaktır. Büyük boyutlarda, senkron motorlar, doğru hız kontrolüne ek olarak gelişmiş verimlilik avantajına sahiptir. Ayrıca, endüstriyel tesislerdeki ağır endüktif yükleri telafi eden iyi bir güç faktörü düzeltme kabiliyetine sahiptirler.

AC motorların diğer geniş kategorisi asenkron makinelerden oluşur. Elektrik enerjisinin rotora aktarılma şekli nedeniyle asenkron motorlar olarak bilinirler. Dönme hızı, güç kaynağı frekansına kilitli değildir, ancak yüksek oranda frekansa bağlıdır, her zaman belirli bir yüzdesi daha yavaştır ama elbette asla daha hızlı değildir.

Senkron motorun avantajlarına rağmen, basit, ekonomik ve nispeten bakım gerektirmediği için asenkron motor daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Zamanından 100 yıldan fazla bir süre sonra Tesla'nın varlığı, belki de %90'ının endüksiyon makineleri olduğu AC motorlar dünyasındadır.

Stator ve rotor manyetik alanları arasındaki etkileşim nedeniyle senkron motorun dönebildiğini gördük. Asenkron motor da aynı şekilde çalışır. Tek fark, elektrik enerjisinin rotora nasıl girdiğidir. Asenkron motorda, stator aslında bir transformatörün birincilidir ve rotor ikincildir, bu nedenle bir komütatör şöyle dursun, fırçalara veya kayar halkalara gerek yoktur.

Elektrik enerjisi rotora girdiğinde, bir manyetik alan kurulur ve rotor, statorun her zaman ulaşılmaz manyetik alanının peşinden gitmeye başlar. Aslında, asla yetişemez çünkü iki hız kilitlenir ve senkron hale gelirse, karşılıklı endüktans durur. Bir AC transformatörünün özelliği olan karşılıklı endüktansın olması için, iki manyetik alanın birbirine göre hareket etmesi gerekir ve bunlar senkronize olmadan önce endüktif kuplaj kaybolur. Bu nedenle rotor her zaman statorun dönen manyetik alanından belirli bir yüzde daha yavaş döner. Rotorun senkronizasyon eksikliğinin sadece reaktif dalga formlarında olduğu gibi bir faz gecikmesi olmadığı, aynı zamanda rpm'de gerçek bir azalmadan oluştuğu, dolayısıyla döngü kaybının kümülatif olduğu ve zamanla daha büyük hale geldiği vurgulanmalıdır. Bu nedenle asenkron motorlar saat ve zamanlayıcı uygulamaları için uygun değildir. Hızdaki azalma miktarına “kayma” denir ve yüzde olarak ifade edilir. Kayma, bir tür boşa harcanan veya kaybedilen enerji olarak değil, asenkron motorun normal çalışmasının temel bir bileşeni olarak görülmelidir. Doğal olarak, motor daha ağır yüklendikçe kayma miktarı artar. Hızlardaki daha büyük fark nedeniyle, daha büyük endüktif kuplaj vardır ve rotor sargılarındaki akım artar. Sonuç olarak, artan yük ile motorun torkunun artmasıdır.

Değişken hızlı sürücünün olay yerine gelmeden önce, endüksiyon motorunun hızını kontrol etmek zordu. Asansörlere güç sağlamak için, düzgün çalışan DC motor, uzun yıllar ihtiyacı karşıladı.

20. yüzyılın ikinci yarısında, güç elektroniği alanında büyük bir yenilik ve büyüme görüldü. Daha önce, katı hal yarı iletkenleri çoğu ses ve video uygulamasında vakum tüplerinin yerini almıştı. Birkaç on yıl içinde katı hal teknolojisi daha güçlü uygulamalara dönüştü ve aynı anda her şey dijital hale geldi.

Önceden, AC motorların hızını hassas ve güvenilir bir şekilde kontrol etmek için pratik araçlar mevcut değildi. VFD'nin gelişmesiyle birlikte asansör motoru teknolojisi aniden değişti. (Ayarlanabilir hızlı sürücü, ayarlanabilir frekanslı sürücü, değişken hızlı sürücü ve değişken frekanslı sürücü, kabaca eşdeğer terimlerdir. Tek fark, "hız" kelimesini içeriyorsa, hidrolik veya diğer elektrik olmayan sistemlere atıfta bulunabilir. VFD en kesin olanıdır.)

Bir VFD, AC motor hızının hassas kontrolünü mümkün kılar ve motorun, sınırlamalara tabi olarak, etiket hızının üzerinde veya altında çalışmasına izin verir. Normal olarak, bir AC motor için besleme voltajını azaltmak, yalnızca daha fazla yüklendiği için hızını düşürür. Sonuç verim kaybı, sıcaklıkta artış ve kısa motor ömrü olacaktır.

VFD, güç kaynağının frekansını değiştirerek bir AC motorunun hızını kontrol eder. Gördüğümüz gibi hem senkron hem de asenkron motorların hızı frekansa bağlıdır. Statorla ilişkili manyetik alan, kendisine beslenen gücün frekansına bağlı bir hızda döner ve motor devri de buna uygundur. Motorun güç kaynağının frekansını değiştirmek, motorun hızını kontrol etmenin basit ve etkili bir yoludur. Şafta bağlı bir fan varsa, motorun aşırı ısınmasına neden olmadan hız düşürülebilir, bu durum daha az hava soğutması ile sonuçlanacak şekilde düşük motor hızında daha yavaş dönecektir. Bu ve diğer nedenlerle, herhangi bir AC motor, senkron veya endüksiyon, bir VFD tarafından kontrol edilebilmesine rağmen, bazı motorlar uygun değildir. Bir VFD ve motoru eşleştirmeden önce biraz araştırma yapılması gerekir.

VFD kullanımı için, bir senkron motor birinci sınıf bir kurulum yapabilir. Ancak, bir asansör motoru için tam senkronizasyon gerekli olmadığından, yeni yapı ve DC motor değişimlerinin çoğu endüksiyon motorlarını içerir.

Bir AC asansör motoru için tipik VFD, oldukça basit, kullanıcı dostu ve sorunsuzdur. Üç fazlı bir giriş var, etiketlenmemişse motor bağlantı kesicisinden gelen büyük bir kanal içinde olmasıyla tanınabilir. Ek olarak, hız kontrol potansiyometresinden gelen, tipik olarak 10 V DC'ye kadar bir sinyal taşıyan küçük bir kontrol kablosu vardır. Bu, asansör hareket kontrolörüne bağlıdır ve her bir inişte seviyelendirme için hızın düşürülmesine ve denetim modunda çalıştırılmasına izin verir. Motor dönüşünü tersine çevirmek için başka bir kontrol döngüsü vardır, bu da asansör kontrol panelinden gelen talimatlara yanıt olarak.

VFD'nin ön panelinde, alfanümerik ekrana sahip bir kullanıcı arayüzü olacak. Ek olarak, sistem durumunu belirtmek için Çalıştır, Durdur, Geri ve Arıza etiketli ışıklar olacak. VFD çıkışında motora üç fazlı bir besleme olacak. Motora isim plakası voltajını iletir, ancak şebeke tarafından sağlanan 50 veya 60 Hz frekansı yerine, frekans motorun hızını kontrol etmek için gerektiği gibi değişir. Kabinin dışındaki normalde açık bir Başlat düğmesi ve normalde kapalı bir Durdur düğmesi manuel geçersiz kılma yeteneği sağlar. Motordan VFD'ye geri gidenler, motora bağlı bir takometreden geri bildirim sinyali sağlayan oldukça hafif iletkenlerdir.

Sorun giderme ve sistemin onarımı basittir. VFD'deki giriş ve çıkış gücünü kontrol edin, özellikle bir faz düşüşü olup olmadığını izleyin. Kontrol voltajlarını kontrol edin. Bunların hepsi normalse ancak motor dönmüyorsa, motorda bir sorun vardır veya yük kilitlenir ve genellikle aşırı akım cihazının aniden açılmasına neden olur.

VFD'nin giriş voltajları iyiyse ancak çıkış yoksa, hata dahilidir. Kabini açmadan önce, büyük güç kaynağı kapasitörlerinin, ekipmanın güç kaynağıyla bağlantısı kesildikten çok sonra bile öldürücü bir şarj tutabileceğini unutmayın. Bu yükleri boşaltmak için kapasitörleri kısa devre yapmayın. Bunun yerine, her bir terminal setine düşük empedanslı bir yük bağlayın.

Yanmış bir tel veya bileşen olup olmadığını görmek için VFD elektroniklerini inceleyin. Değilse, tam dalga köprü doğrultucu diyotlarından birinin görünür bir belirti olmaksızın kötü gitmiş olma ihtimali yüksektir. Sayaç bağlantıları değiştirilirken önyargının ileri ve geri gidip gitmeyeceğini görmek için ohm modunda bir multimetre ile kontrol edilebilirler. Genellikle hatalı bir diyot her iki yönde de açık okuyacaktır.

Öğrenme-Takviye Soruları

www.elevatorbooks.com adresinde veya bu sayının 103. sayfasında çevrimiçi olarak bulunan Sürekli Eğitim Değerlendirme Sınavına çalışmak için aşağıdaki öğrenme pekiştirme sorularını kullanın.
♦ Herhangi bir döner motorun çalışması için gereksinimler nelerdir?
♦ Tüm döner motorlarda ortak olan iki parça nedir?
♦ DC motor neden bir komütatöre ihtiyaç duyar?
♦ Senkron motorun hızını ne belirler?
♦ Endüksiyon motorunun neden fırçası yoktur?

VFD ile birlikte gelen belgeler bir şema içermelidir. Osiloskop okumaları, arızalı bileşeni tespit etmelidir ve bu yaklaşım, maliyetli bir prosedür olan ve sorunun köküne inemeyebilecek olan devre kartlarının deneme yanılma yoluyla değiştirilmesinden çok daha iyidir.