Sargılı rotorlu asenkron motor: rotor direnci tork eğrisini nasıl şekillendirir?

Bilezikler ve sargılı rotor

Sıradan bir sincap kafesli rotorda çubuklar uç halkalarıyla kısa devre edilmiştir, dolayısıyla direnci tasarımla sabittir. Sargılı rotorda ise genellikle yıldız bağlı üç fazlı bir sargı bulunur ve üç ucu mil üzerindeki bileziklere gider. Karbon fırçalar bileziklere bastırır ve sargıyı harici üç fazlı bir direnç grubuna, makine normal çalışırken ise bir kısa devreye bağlar.

Stator ve dönen alan kafesli motordakiyle aynıdır ve hız hâlâ N_s = 120 × f / p değerine yakındır. Değişen şey, rotor devresine erişilebilmesidir; böylece direnci ve onunla birlikte moment-hız eğrisi dışarıdan değiştirilebilir.

Rotor direnci eğriyi neden kaydırır?

Olağan yaklaşık eşdeğer devrede tork

T = (3 / ω_s) × V² × (R2 / s) / [(R1 + R2 / s)² + (X1 + X2)²]

olur; V faz gerilimi, ω_s senkron açısal hız, R2 statora indirgenmiş rotor direnci, X1 ve X2 kaçak reaktanslardır. dT/ds = 0 koyup stator direnci R1'i ihmal etmek, en büyük tork kaymasını ve en büyük torkun kendisini verir:

s_max ≈ R2 / (X1 + X2)

T_max ≈ 3 × V² / (2 × ω_s × (X1 + X2))

Kilit nokta şudur: R2, s_max'ta yer alır ama T_max'ta yer almaz. Harici R_ext direnci eklemek R2'yi büyütür; bu da eğrinin tepesini düşürmeden duruşa doğru iter. R2 = X1 + X2 olduğunda tepe s = 1'dedir, dolayısıyla en büyük tork kalkış anında kullanılabilir.

Kalkış torku, formülde s = 1 konularak bulunur. R2'nin reaktansın altında olduğu durumlarda direnç eklemek onu artırır, çünkü rotor akımı rotor akısıyla daha iyi fazlanır. Rotor empedansı büyüdüğü için kalkış akımı düşer.

Kalkış: yüksek tork, düşük akım

Doğrudan yol verilen bir kafesli motor, orta düzeyde bir kalkış torku verirken anma akımının beş ila sekiz katını çeker. Sargılı rotorlu bir motora, rotor devresinde tam direnç varken yol verilebilir ve hız arttıkça direnç kademeli olarak devreden çıkarılır. Her kademe çalışma noktasını daha küçük tepe kaymalı bir eğriye taşır; böylece tork tüm hızlanma boyunca yüksek, hat akımı düşük kalır.

Çözümlü örnek. Toplam kaçak reaktansı statora indirgenmiş faz başına X = 1 Ω, rotor direncini R2 = 0,2 Ω alalım ve basit bir karşılaştırma için stator direncini ihmal edelim.

• Bilezikler kısa devre: s_max = 0,2 / 1 = 0,2. Kalkış torku R2 / (R2² + X²) = 0,2 / 1,04 ≈ 0,19 ile, kalkış akımı ise 1 / √(R2² + X²) ≈ 0,98 ile orantılıdır.
• 0,8 Ω eklenince: R = 1,0 Ω, s_max = 1,0. Kalkış torku 1,0 / 2,0 = 0,50 ile orantılıdır; bu yaklaşık 2,6 kat daha büyüktür. Kalkış akımı 1 / √2 ≈ 0,71 ile orantılıdır, yani %28 daha düşüktür.
• Tepe tork, 3V² / (2ω_s X), her iki durumda da aynıdır.

Sargılı rotorlu motorların vinçlerde, kaldırma makinelerinde, kırıcılarda, değirmenlerde ve zayıf bir şebekeden ağır torkla kalkan diğer yüklerde kullanılmasının nedeni bu birleşimdir.

Hız kontrolü ve bedeli

Bileziklere bir direnç bağlıyken motor düşürülmüş bir hızda da çalışabilir. Sabit tork isteyen bir yükte rotor akımı neredeyse sabittir; bu yüzden kayma toplam rotor direnciyle orantılı artar:

s2 / s1 = (R2 + R_ext) / R2

Kayma arttıkça hız düşer; yani rotor direncini iki katına çıkarmak kaymayı iki katına çıkarır. Bedel ısı olarak ödenir. Rotora geçen hava aralığı gücü P_ag, mekanik güç (1 − s) × P_ag ile rotor bakır kaybı s × P_ag olarak ayrılır. Bu kaybın harici dirence düşen payı, R_ext'in toplam rotor direncine oranıdır:

P_ext = s × P_ag × R_ext / (R2 + R_ext)

%20 kaymada hava aralığı gücünün beşte biri ısı olarak harcanır; dolayısıyla verim yaklaşık %80'i aşamaz. Hız yükle de değişir, çünkü belirli bir direnç için torka bağlıdır. Bu nedenle dirençle hız kontrolü kısa süreler ya da küçük anma güçleri için kullanılır ve sürekli çalışmada yerini güç elektroniğine (kayma gücü geri kazanımı ve çift beslemeli sürücüler) bırakmıştır.

Pratik noktalar

• Bilezikler kısa devreyken çalışmak, kafesli motorla aynı verimi ve hız regülasyonunu verir; bazı motorlar bu noktada aşınmayı azaltmak için fırçaları kaldırır.
• Bilezikler ve fırçalar bakım ister, kafesli rotora göre maliyet ve boyut ekler.
• Sıvılı ya da ızgaralı dirençler kalkış ısısına göre boyutlandırılmalıdır: bir yükü hızlandırmanın enerjisi onlarda harcanır.
• Formüllerdeki direnç faz başınadır ve statora indirgenmiştir; bu, dönüştürme oranının karesini içerir.
• Bir değişken frekans sürücüsünün aynı işi yapabildiği yeni tesislerde sargılı rotorlu motorlar nadiren belirtilir.

Simülatör rotor direncini nasıl modeller?

Simülatör, üç fazlı asenkron motorla aynı eşdeğer devreyi kullanır ve bilezikler kısa devreyken etikete göre kalibre edilir. Harici direnç, modelde R_rotor(s) = r2 × (1 + 0,1 × s) + R_ext olan rotor direncine eklenir. Faz başına, statora indirgenmiş basit bir direnç olarak ele alınır; böylece 0 Ω'da sonuçlar üç fazlı modelle aynıdır.

Kalkış torku ve akımı, devreye girişteki direnci kullanır; çalışma noktası ve devrilme torku ise son çalışma direncini kullanır. Kademeli yol verici modunda direnç yol verici değerinden başlar ve çalışma değerine ulaşana kadar eşit adımlarla düşer. Kayma gücü kaybı P_ext = s × P_ag × R_ext / R_rotor'dur ve giriş gücünün %10'unu aştığında bir uyarı belirir.

Sınırlar: canlı kayıp değeri, kalkış sırasındaki kademeli değeri değil çalışma direncini kullanır ve model öğretim içindir; yol verici seçimi için değildir.

Sargılı rotorlu asenkron motor simülatöründe deneyin

Sargılı rotorlu asenkron motor simülatörünü açın.

• Rotor direnci modunu Sabit'te tutun ve Harici rotor direncini 0 Ω'a ayarlayın. Kalkış torkuna ve Devrilme torkundaki kaymaya dikkat edin.
• Harici direnci artırın. İpucu rotorun kendi direncini ohm olarak gösterir. Kalkış torku artar, kalkış akımı düşer ve Devrilme torkundaki kayma büyür; tork grafiği ise tepenin neredeyse aynı yükseklikte duruşa doğru kaydığını gösterir. Kalkış torku (bilezikler kısa devre) değeri karşılaştırmayı verir.
• Sabit yükte Rotor hızına bakın. Daha büyük direnç kaymayı artırır, bu da hızı düşürür. Rotor direncindeki kayıp değeri bunun bedelini gösterir.
• Kademeli yol verici moduna geçin ve Kalkışta yol verici direncini, Kademe sayısını ve Kademe süresini ayarlayın. Zamanlı deneyi çalıştırın ve hız arttıkça direncin kademeler hâlinde düştüğünü izleyin.
• 3B sahnede bilezikleri, fırça düzenini ve harcanan güçle parlayan ızgaralara sahip harici rotor direnci dolabını arayın.

Bu, temel takası gösterir: direnç kalkış torku ve hız kontrolü satın alır, bedelini ısıyla ödersiniz.

Simülatörde deneyin