Tek fazlı asenkron motorlar nasıl kalkar: yardımcı sargı, kondansatör ve gölgeli kutup

Titreşen alan iki dönen alandır

Tek fazlı motorun ana sargısı, tek bir eksende kalan ve zamanla sinüsoidal değişen bir manyetik alan oluşturur. Bu titreşen alan matematiksel olarak, biri ileri biri geri dönen, yarı genlikli iki dönen alana ayrılabilir; ikisi de N_s = 120 × f / p senkron hızındadır.

Duran bir rotor her iki alanı da 1 kaymasıyla görür. Eşit ve zıt iki tork üretirler, dolayısıyla toplam sıfırdır: kalkış torku yoktur ve rotor her iki yönde de uğuldayarak durabilir. Rotor elle döndürülürse ileri alan s, geri alan ise 2 − s kaymasına sahip olur. O zaman ileri tork üstün gelir, motor hızlanır ve yükünü taşır.

Bu çift alan görüntüsü, çalışan bir tek fazlı motorun neden üç fazlıdan daha az yetenekli olduğunu da açıklar: geri alan her zaman bir miktar torku boşa harcar ve kayıpları artırır. Tork ayrıca besleme frekansının iki katında, 50 Hz'lik bir şebekede 100 Hz'de titreşir; uğultunun ve titreşimin kaynağı budur.

Çare: faz kaymış ikinci bir alan

Uzayda 90 elektriksel derece kaydırılmış ikinci bir sargı, zamanda kaymış bir akım taşırsa iki alan birleşerek tek yönde dönen bir alan oluşturur. Zaman kayması 90°'ye ne kadar yaklaşırsa ve iki akım büyüklükçe ne kadar birbirine yakınsa dönüş ve kalkış torku o kadar iyi olur.

Tüm yöntemler, bu zaman kaymasını tek bir kaynaktan elde etmenin yollarıdır. Gölgeli kutuplu motorlar dışında, ek sargıya yardımcı sargı ya da yol verme sargısı, ana sargıya ise çalışma sargısı denir.

Motor türleri

• Yardımcı sargılı (split-phase): yardımcı sargı daha ince telle sarılır ve ana sargıdan daha fazla dirence, daha az reaktansa sahiptir; bu, belki 30°'lik küçük bir faz kayması verir. Kalkış torku orta düzeydedir, anma torkunun kabaca bir buçuk katı, kalkış akımı yüksektir. Fanlarda, üfleyicilerde ve küçük pompalarda kullanılır.
• Kalkış kondansatörlü (capacitor-start): yardımcı sargıyla seri bir kondansatör, akımını ana akımın yaklaşık 90° ilerisine getirir. Kalkış torku yüksektir, anmanın yaklaşık üç katıdır; akım daha düşüktür. Kompresörlerde, pompalarda ve atölye aletlerinde kullanılır.
• Sürekli kondansatörlü (PSC): kondansatör ve yardımcı sargı her zaman devrede kalır. Kalkış torku düşüktür, anma torkunun bir kesridir; ancak motor düzgün çalışır, güç faktörü daha iyidir ve anahtar gerekmez. Fanlarda ve bazı pompalarda kullanılır.
• Kalkış + sürekli kondansatörlü (CSCR): büyük bir kalkış kondansatörü hızda devreden çıkarılırken daha küçük bir sürekli kondansatör devrede kalır. Kalkış kondansatörlünün yüksek kalkış torkunu PSC'nin düzgün çalışmasıyla birleştirir ve ağır hizmet kompresörlerine uygundur.
• Gölgeli kutuplu (shaded-pole): her kutbun bir kısmının etrafındaki bakır halka, o bölgedeki akıyı geciktirir ve alanın kutup boyunca zayıf bir süpürmesini yaratır. Kalkış torku düşüktür, verim kötüdür, ancak motor çok ucuz ve sağlamdır. 5 ile 100 W aralığındaki küçük fanlarda ve cihaz üfleyicilerinde kullanılır.

Merkezkaç anahtar

Büyük kondansatörlü bir yol verme sargısı yalnızca birkaç saniyeliğine tasarlanmıştır. Senkron hızın yaklaşık %75'inde, mil üzerinde hızla dışarı doğru hareket eden yaylı ağırlıklara sahip bir merkezkaç anahtar açılır ve yol verme sargısını (ve kalkış kondansatörünü) devreden çıkarır. Motor bundan sonra ana sargıda, varsa sürekli kondansatörle birlikte çalışır. Birçok modern motorda elektronik röleler ya da PTC termistörler aynı işi yapar.

Motor, aşırı yüklü olduğu veya gerilim düşük olduğu için devreden çıkma hızına ulaşamazsa yol verme sargısı bağlı kalır ve hızla ısınır. Uğultu ama dönmeme ya da kalkıp çok sıcak çalışan bir motor, çoğu zaman arızalı bir anahtara ya da kondansatöre işaret eder.

Yardımcı sargılı ya da kondansatörlü motorun yönünü değiştirmek, yardımcı sargının bağlantılarını ana sargıya göre değiştirerek yapılır. Besleme uçlarını ters çevirmek bir şey yapmaz, çünkü iki sargı birlikte ters döner.

Çözümlü örnek

Dört kutuplu, 50 Hz'lik bir kalkış kondansatörlü motor alalım.

1. Senkron hız: N_s = 120 × 50 / 4 = 1500 dev/dak. 2. Merkezkaç anahtar N_s'in %75'inde, yani 1125 dev/dak'da açılır. 3. 1400 dev/dak'da ileri alan kayması s = (1500 − 1400) / 1500 = 0,067, yani %6,7'dir; geri alan ise 2 − s = 1,93 kaymasını görür, bu yüzden o hızda çok az tork katkısı verir. 4. Tork titreşimi frekansı 2 × 50 = 100 Hz'dir.

Kondansatörlü bir motorda kalkış kondansatörü kilovat başına yüzlerce mikrofarad mertebesindedir ve sürekli kondansatörden çok daha büyüktür. Kalkış kondansatörü çok küçük olan bir motorun kalkışı zayıf olur; çok büyük olan ise aşırı akım çeker ve sargıyı zorlar.

Simülatör tek fazlı motorları nasıl modeller?

Simülatör, arayüzde de öyle etiketlenen bir ders modelidir. Senkron hız 120 × f / p'dir. Çalışma noktası, ana ve yardımcı sargı torklarının toplamı olan tork–hız eğrisinin sabit bir yük torkunu kestiği yerde bulunur ve kayma bu noktadan çıkar.

Kalkış torku, en iyi kondansatör değerinde tür başına sabit oranlardan gelir ve bu değerden uzak bir kondansatör onu azaltır: kalkış kondansatörlü ve CSCR için anma torkunun yaklaşık 3 katı, yardımcı sargılı için yaklaşık 1,5 katı, PSC için yaklaşık 0,6 katı ve gölgeli kutuplu için yaklaşık 0,4 katı. Merkezkaç anahtar yol verme sargısını senkron hızın %75'inde devreden çıkarır (PSC ve gölgeli kutuplu motorlarda yoktur). En uygun kondansatörler, kalkış kondansatörü için kW başına yaklaşık 250 µF, sürekli kondansatör (PSC ve CSCR) için kW başına 35 µF'tır; dolayısıyla 0,75 kW'lık bir CSCR motorunda yaklaşık 190 µF ve 26 µF olur.

Yardımcı sargı devre dışıyken kalkış torku sıfırdır ve rotor, kilitli rotor akımı akarken kilitli kalır. Model bir çift alan eşdeğer devresi değildir ve kondansatör boyutlandırması ya da koruma için kullanılmaz.

Tek fazlı asenkron motor simülatöründe deneyin

Tek fazlı asenkron motor simülatörünü açın.

• Yardımcı sargıyı Bağlı değil olarak ayarlayın (gölgeli kutuplu için gösterilmez). Motor dönmez ve bir uyarı, tek başına ana sargının kalkış torku olmadığını açıklar. 3B sahnede yalnızca ana sargı alanı titreşir.
• Yeniden Bağlı yapın: dönen bir alan belirir ve rotor hızlanır.
• Motor tipini Yardımcı sargılı, Kalkış kondansatörlü, PSC (sürekli kondansatör), Kalkış + sürekli kondansatörlü (CSCR) ve Gölgeli kutuplu arasında değiştirin; Kalkış torku değerini (anma torkunun katı olarak) ve Yol verme sargısı durumunu (Devrede ya da Devre dışı; gölgeli kutuplu için değerin adı Gölge halkaları'dır) karşılaştırın.
• Kondansatör değerini değiştirin (yardımcı sargılı ve gölgeli kutuplu için gösterilmez). İpucu en uygun değeri µF olarak gösterir; ondan uzaklaşınca bir uyarı belirir ve kalkış torku düşer. CSCR için ayrı Kalkış kondansatörü ve Sürekli kondansatör kaydırıcıları vardır.
• Bir motor kalkamayana kadar Mekanik yükü artırın. Gölgeli kutuplu motorların kalkış torku o kadar azdır ki ılımlı bir yük bile rotoru kilitli tutar ve bir uyarı bunu söyler.
• Dönüş yönünü Ters olarak değiştirin (yönü halkayla sabit olan gölgeli kutuplu için gizlidir). Ardından hız ve akımı zamana karşı görmek için zamanlı deneyi çalıştırın.

Deney, ikinci sargının ya da halkanın yalnızca kalkışla ilgili olduğunu, çalışmayı ise ana sargının yaptığını gösterir.

Simülatörde deneyin