Motor kontrolörü

Motor kontrol cihazı, bir elektrik motorunun performansını önceden belirlenmiş bir şekilde koordine edebilen bir cihaz veya cihazlar grubudur.^[1] Motor kontrolörü, motoru başlatmak ve durdurmak, ileri veya geri dönüşü seçmek, hızı seçmek ve düzenlemek, torku düzenlemek veya sınırlamak ve aşırı yüklere ve elektrik arızalarına karşı korumak için elle veya otomatik kumanda eden bir araç içerebilir. Motor kontrolörleri elektromekanik anahtarlama kullanabilir veya motor hızını ve yönünü düzenlemek için güç elektroniği cihazları kullanabilir.

Motor kontrolörleri hem doğru akım hem de alternatif akım motorlarında kullanılır. Kontrolör, motoru elektrik güç kaynağına bağlamak için araçlar içerir ve ayrıca motor için aşırı yük koruması ve motor ve kablo tesisatı için aşırı akım koruması içerebilir. Motor kontrolörü ayrıca motorun saha devresini denetleyebilir veya düşük besleme voltajı, yanlış polarite veya yanlış faz sırası veya yüksek motor sıcaklığı gibi koşulları tespit edebilir. Bazı motor kontrolörleri ani başlatma akımını sınırlayarak motorun kendisini ve bağlı mekanik yükü doğrudan bir bağlantıdan daha yavaş hızlandırmasını sağlar. Motor kontrolörleri, operatörün yükü hızlandırmak için adım adım bir başlatma anahtarı sıralamasını gerektirecek şekilde manuel olabilir veya motoru hızlandırmak için dahili zamanlayıcılar veya akım sensörleri kullanan tam otomatik olabilir.

Bazı motor denetleyici türleri, elektrik motorunun hızının ayarlanmasına da imkan verir. Doğru akım motorları için, kontrolör motora uygulanan gerilimi ayarlayabilir veya motorun alan sargısında akan akımı ayarlayabilir. Alternatif akım motorları, terminal voltajını ayarlamak için çok az hız tepkisine sahip olabilir veya hiç olmayabilir, bu nedenle alternatif akım kontrolörleri bunun yerine rotor devresi direncini ayarlar (sargılı rotorlu motorlar için) veya güç elektroniği cihazları veya elektromekanik frekans değiştiriciler kullanarak hız kontrolü için motora uygulanan AC frekansını değiştirir.

Motor kontrol cihazlarının fiziksel tasarımı ve ambalajı, elektrik motorlarınınki kadar çok çeşitlidir. Evde kullanılan havalandırma fanı için gerekli olan tek şey, uygun değerlere sahip duvara takılan açma kapama anahtarı olabilir. Elektrikli aletlerin ve ev aletlerinin, yalnızca motoru açıp kapatan tetik anahtarı vardır. Endüstriyel motorların ise otomasyon sistemlerine bağlı daha karmaşık kontrolörleri olabilir; bir fabrikada motor kontrol merkezinde gruplandırılmış çok sayıda motor kontrolörü olabilir. Elektrikli gezici vinçler veya elektrikli araçlar için kontrolörler mobil ekipmana takılabilir. En büyük motor kontrolörleri, pompalı depolama hidroelektrik santrallerinin pompa motorlarıyla birlikte kullanılır ve on binlerce beygir gücü (kilovat) değerleri taşır.^[2]

Motor kontrolörleri manuel, uzaktan veya otomatik olarak çalıştırılabilir. Yalnızca motoru çalıştırma ve durdurma araçlarını veya başka işlevleri içerebilirler.^[3][4][5]

Bir elektrik motoru kontrolörü, sürmesi gereken motorun tipine göre, örneğin kalıcı mıknatıs, servo, seri, ayrı uyarmalı ve alternatif akım gibi sınıflandırılabilir.

Motor kontrolörü, pil grubu veya güç kaynağı gibi bir güç kaynağına ve analog veya dijital giriş sinyalleri biçiminde kumanda devresine bağlanır.

Küçük bir motor doğrudan elektrik anahtarı ile elektrik verilerek çalıştırılır. Daha büyük motorlar, motor yolverici veya motor kontaktörü adı verilen özel bir anahtarlama ünitesi gerektirir. Enerji verildiğinde, bir doğrudan hatiçi (DOL) yolvericisi motorun terminallerini direkt güç kaynağına bağlar. Daha küçük boyutlardaki motor yolvericisi, elle çalıştırılan bir anahtardır; daha büyük motorlar veya uzaktan veya otomatik kontrol gerektirenler ise manyetik kontaktörler kullanır. Orta gerilim güç kaynakları (binlerce volt) ile çalışan çok büyük motorlar, anahtarlama elemanları olarak güç devre kesicileri kullanabilir.

"Doğrudan hat içinde" (DOL) veya "hat boyunca" yolverici, motor terminallerine tam hat voltajı uygular. Bu, en basit motor yolverici türüdür. Bir DOL motor yol vericisi genellikle koruma cihazları (aşağıya bakın) ve bazı durumlarda durum izleme cihazları içerir. Daha küçük boyutlu doğrudan hat içi başlatıcılar elle çalıştırılır; daha büyük boyutlar, motor devresini değiştirmek için elektromekanik kontaktör kullanır. Katı-halli direkt hatiçi yol vericiler de vardır.

Motorun yüksek ani akımı, besleme devresinde aşırı voltaj düşüşüne neden olmazsa, doğrudan yolverici kullanılabilir. Doğrudan yolvericide izin verilen maksimum motor boyutu, bu nedenle tedarik şirketi tarafından sınırlandırılabilir. Örneğin kamu hizmeti kuruluşu, kırsal kesimdeki müşterilerin 10 kW'tan büyük motorlar için düşük voltajlı yolvericiler kullanmasını şart koşabilir.^[6]

DOL başlatma bazen küçük su pompaları, kompresörler, fanlar ve taşıyıcı bantları başlatmak için kullanılır. 3 fazlı sincap kafesli motor gibi bir asenkron motor söz konusu olduğunda, motor tam hıza ulaşana kadar yüksek bir başlangıç akımı çeker. Bu başlatma akımı genelde tam yük akımından 6-7 kat daha fazladır. Kalkış akımını azaltmak için, daha büyük motorlarda güç kaynağındaki voltaj düşüşlerini en aza indirmek için düşük voltajlı yolvericiler veya ayarlanabilir-hızlı sürücüler bulunur.

Ters yöne çeviren bir yol verici, her iki yönde de dönüş için bağlanabilir. Bu tip bir yolverici biri saat yönünde, diğeri saat yönünün tersine çalışma için ve aynı anda kapanmayı önlemek için mekanik ve elektriksel kilitlerle iki DOL devresi içerir.^[6] Üç fazlı motorlarda bu, herhangi iki fazı birbirine bağlayan kabloların değiştirilmesiyle sağlanır. Tek fazlı AC motorlar ve doğru akım motorları genellikle iki kabloyu değiştirerek tersine çevrilebilir, ancak bu her zaman böyle değildir.

'DOL' dışındaki motor yol vericiler, motor bobinlerinin çalıştırma sırasında aldığı voltajı azaltmak için motoru bir direnç aracılığıyla bağlar. Bunun için direncin motora göre boyutlandırılması gerekir - ve iyi bir direncin kullanılması için motordaki başka bir bobin en hızlı kaynaktır - yani seri/paralel bağlama şeklidir. Seri bağlama, daha yumuşak kalkış verir ardından tam güçle çalışmak için paralel bağlamaya geçilir. Bu, üç fazlı motorlarla yapıldığında, genellikle yıldız-üçgen (ABD: Y-delta) yol verici olarak adlandırılır. Eskiden yıldız-üçgen yol vericiler elle çalıştırılıyordu ve genellikle bir ampermetre içerirdi, böylece yol vericiyi çalıştıran kişi, çekmekte olduğu akımın azalmayı bıraktığı gerçeğiyle motorun ne zaman hızlandığını görebiliyordu. Modern yol vericilerin, yıldızdan üçgene geçmek için yerleşik zamanlayıcıları vardır ve bu makinenin elektrik tesisatçısı tarafından ayarlanır. Makine operatörünün yeşil düğmeye bir kez basması yeterlidir ve motoru başlatma işleminin gerisi otomatik yapılır.

Tipik bir yol verici, hem elektriksel hem de mekanik aşırı yüke karşı koruma sağlar örneğin gücün kesilip aniden açılmalarındaki "rastgele" çalıştırmalara karşı korumalıdır. Bu tür bir korumaya kısaca "TONVR" - Termal Aşırı Yük, Voltajsız Serbest Bırakma' denilir. Motoru çalıştırmak için yeşil düğmeye basılması konusunda ısrar eder. Yeşil düğme öncelikle motora elektrik vermek için bir kontaktörü (yani anahtarı) kapatan bir solenoidi devreye sokar. Ayrıca yeşil düğme bırakıldığında elektriğin devamı için solenoide güç sağlar. Elektrik kesintisinde kontaktör kendi elektriğini kapatarak motoru kapatır. Motorun çalıştırılabilmesinin tek yolu yeşil düğmeye basmaktır. Motora giden kablolarda veya motordaki bir elektrik arızası nedeniyle sorun çıkarsa, çok yüksek akım geçiren yol verici tarafından hızlı bir şekilde kontaktör tetiklenebilir. Termal aşırı yük koruması, her güç kablosunda bimetalik bir şeridi ısıtan bir ısıtma elemanından oluşur. Şerit ne kadar sıcak olursa, kontaktör solenoidine giden gücü kesen ve her şeyi kapatan bir açma çubuğunu ittiği noktaya o kadar hızlı bükülür. Termal aşırı yükler, farklı aralık derecelerinde satılır ve bu, motora uyacak şekilde seçilmelidir. Aralık içinde, kurulumu yapanın verilen motor için doğru şekilde ayarlamasını sağlayacak şekilde ayarlanabilirler.

Belirli bir uygulama için hangi tip kullanılır? DOL hızlı bir başlangıç sağlar, bu nedenle genellikle daha küçük motorlarda daha yaygın kullanılır. Ayrıca, pistonun gerçek çalışma aşaması olan sıkıştırma aşamasını geçmesi için motorun tam gücünün gerekli olduğu pistonlu kompresör gibi eşit olmayan yüke sahip makinelerde de kullanılır. Yıldız-üçgen genellikle daha büyük motorlarda veya motorun başlangıçta yüksüz, çok az yükte veya sabit bir yükte olduğu durumlarda kullanılır. Ağır volanlı yani makine devreye alınmadan ve volan tarafından tahrik edilmeden önce volanları hızlandırılan makineleri çalıştıran motorlar için özellikle uygundur.

Azaltılmış gerilimli veya yumuşak yolverici, motoru voltaj düşürme cihazıyla güç kaynağına bağlar ve verilen gerilimi kademeli olarak artırır.^[3][4][5] Motora alçak gerilimle yolvermesini sağlamak için iki veya daha fazla kontaktör kullanılabilir. Ototrafo veya seri indüktans kullanılarak, motor terminallerinde daha düşük voltaj oluşturulur ve başlangıç torku ve ani akımı azalır. Motor tam yük hızına kısmen ulaştığında yol verici terminallerinde tam gerilime geçer. Ototrafo veya seri reaktör, ağır motor çalıştırma akımını yalnızca birkaç saniye taşıdığından, cihazlar sürekli anma ekipmanına kıyasla daha küçük olabilirler. Azaltılmış ve tam voltaj arasındaki geçiş, geçen süreye bağlıdır veya bir akım sensörü motor akımının azalmaya başladığını gösterdiğinde tetiklenebilir. Ototrafolu yol vericisi 1908'de patentlenmişti.

Daha büyük 3 fazlı asenkron motorların gücü motor içinde azaltılabilir Motor, motorun dış kısmının ('stator') alan bobinlerine sağlanan tam voltajla 'DOL' başlatılır. İç kısım ('rotor'), stator tarafından üretilen manyetik alanla bir kez daha etkileşime girmesi için indüklenmiş akıma sahiptir. Rotor parçalarını elektriksel olarak kontak halkaları, fırçalar ve ayrıca kontrol kontaktörleri aracılığıyla harici dirençlere bağlayarak, rotorun manyetik gücü değiştirilebilir - yani başlatma veya düşük güçte çalışma için manyetik güç azaltılabilir. Çok daha karmaşık bir süreç olsa da, anahtarlanan akımlar, motorun ana beslemesine giden gücün azaltılmasından daha azdır.

Düzgün aşamalı motor başlatmanın üçüncü yolu, direnç çubuklarını üstünde yalıtkan yağ tabakası olan iletken bir sıvıya (örn. cıva) batırmaktır. Çubuklar alçaltıldıkça direnç kademeli olarak azalır.

Yıldız üçgen yolverici, endüksiyon motorunda başka bir az voltajlı yolverici türüdür. Yıldız üçgen yolverici, yıldız bağlı stator sargılı bir motoru çalıştırır. Motor tam yük hızının yaklaşık %80'ine ulaştığında, üçgen bağlı stator sargısı çalışmaya başlayar. Yıldız Üçgen yol verici iki tiptir. (1) Elle çalıştırılan Yıldız Üçgen yol verivi, (2) Otomatik Yıldız Üçgen.

Elle çalıştırılan yıldız üçgen yolverici, temel olarak Üç Kutuplu Çift Atış anahtarı anlamına gelen bir TPDP anahtarından oluşur. Bu anahtar stator sargısını yıldızdan üçgene değiştirir. Başlama koşulu sırasında stator sargısı yıldız şeklinde bağlanır. Şimdi bir yıldız üçgen yolvericinin üç fazlı endüksiyon motorunun yolverme akımını nasıl azalttığını görelim.^[7]

Yukarıdaki işlev, otomatik yıldız üçgen başlatıcıda bir güç kontaktörü ve zamanlayıcı kullanılarak sağlanır. Otomatik yıldız üçgen yolverici, üç kontaktör, bir zamanlayıcı ve bir termik aşırı yükten üretilmiştir. Kontaktörler, yalnızca sargı akımlarını kontrol ettikleri için doğrudan hat yolvericide kullanılan tek kontaktörden daha küçüktür. Sargıdan geçen akımlar, hattaki akımın 1/kök 3'üdür (%58). Çalışma sırasında yakın olan ve genellikle ana yüklenici ve üçgen kontaktörü denilen iki kontaktör vardır. Bunlar, motorun akım değerinin %58'i oranında AC3 olarak derecelendirilmiştir. Üçüncü kontaktör yıldız kontaktördür ve sadece motor yıldıza bağlıyken yıldız akımını taşır. Yıldızdaki akım, üçgendeki akımın üçte biri kadardır, dolayısıyla bu kontaktör, motor anma değerinin üçte birinde (%33) AC3 olarak derecelendirilebilir.^[8]

Yıldızdan üçgene geçiş açık geçiş veya kapalı geçiş olabilir. Açık geçiş sırasında, motor yolverici anlık olarak motordan ayrılır ve bir üçgen konfigürasyonunda yeniden bağlanır. Kapalı geçişte, motorun bağlantısını kesmeden yıldızdan üçgen konfigürasyona geçiş sağlanır. Bunu başarmak için ek bir üç kutuplu kontaktör ve üç direnç gerekir.^[9]

"Ayarlanabilir hızlı sürücü" (ASD) veya "değişken hızlı sürücü" (VSD), mekanik bir yükün çalışma hızının ayarlanması ve sürülmesi için bir araç sağlayan birbirine bağlı bir ekipman bileşimidir. Ayarlanabilir hızlı sürücü, bir elektrik motoru ve bir hız kontrol cihazı veya güç dönüştürücü artı yardımcı cihazlar ve ekipmandan oluşur.^[4][5] Modern ASD'lerin ve VSD'lerin çoğu aynı zamanda yumuşak motor çalıştırmayı da yapar.^[10]

Akıllı Motor Kontrolörü (IMC), motor kontrolü için kullanılan güç elektronik cihazlarını kontrol etmek için mikroişlemci kullanır. IMC'ler motordaki yükü izler ve buna göre motor torkunu motor yüküyle eşleştirir. Bu, AC terminallerindeki gerilimi, akımı ve kvar'ı azaltarak yapılır. Bu kontrolör, zamanın çoğunda hafif yükte çalışan motorların verimliliğini artırır ve motorun ısı, gürültü ve titreşimini azaltır.

Yol vericinin motoru koruyucu cihazları vardır. En azından yol vericinin bir termik aşırı yük rölesi vardır. Termik aşırı yük rölesi motorun uzun süre kaynaktan çok fazla akım çektiğinde yol verici devresini açmak ve böylece motora giden elektriği kesmek için tasarlanmıştır. Aşırı yük rölesi, devre boyunca akan aşırı akımın ürettiği ısı nedeniyle açılan normalde kapalı kontağı vardır. Termal aşırı yüklerin, motor çalışma akımı arttıkça sıcaklığı artan küçük bir ısıtma cihazı vardır.

İki tip termal aşırı yük rölesi vardır. Bunlardan birincisinde, ısıtıcının yakınına yerleştirilen bimeta şerit, ısıtıcı sıcaklığı yükseldikçe mekanik olarak cihazın devreyi açmasına ve aşırı yüklenmesi durumunda motora giden gücü kesmesine neden olacak kadar sapar. Termal aşırı yük rölesi, motorun kısa süreli yüksek kalkış akımını karşılarken, çalışan motoru aşırı akım yükünden doğru şekilde korur. Isıtıcı bobin ve bi-metalik şeridin hareketi, termik aşırı yük tetiklemesi olmadan motorun çalışmaya başlaması ve normal çalışma akımına oturması için gereken süreyi sağlayacak kadar zamanı geciktirir. Termal aşırı yük röleleri, uygulamalarına bağlı olarak elle veya otomatik sıfırlanabilir ve bunların motor çalışma akımına doğru şekilde ayarlanmasını sağlayan ayarlayıcıları vardır.

İkinci tip termal aşırı yük rölesinde ise yaylı kontağı tutmak için lehim gibi ötektik bir alaşım kullanır. Isıtma elemanından çok uzun süre çok fazla akım geçtiğinde, alaşım erir ve yay kontağı serbest bırakarak kontrol devresini açar ve motoru kapatır. Ötektik alaşım elementleri ayarlanamadıklarından rastgele kurcalamaya karşı dirençlidirler ancak motor anma akımına uyması için ısıtıcı bobin elemanının değiştirilmesi gerekir.^[6]

Özellikle yüksek değerli motorlar için mikroişlemci içeren elektronik dijital aşırı yük röleleri de kullanılabilir. Bu cihazlar, motor akımını izleyerek motor sargılarının ısınmasını modeller. Ölçüm ve iletişim fonksiyonlarını da içerebilirler.

Manyetik kontaktör kullanan yol vericiler, kontaktör bobini için elektriği genellikle motor kaynağıyla aynı kaynaktan alır. Kontaktörden gelen yardımcı kontak, motor için başla komutu bırakıldıktan sonra kontaktör bobinine enerji verilmesini sağlamak için kullanılır. Anlık besleme gerilimi kaybı olursa, kontaktör açılır ve yeni bir başla komutu verilene kadar tekrar kapanmaz. Bu, elektrik kesintisinden sonra motorun yeniden dönmeye başlamasını önler. Bu bağlantı ayrıca düşük güç kaynağı voltajına ve faz kaybına karşı az da olsa koruma sağlar. Ancak kontaktör bobinleri, bobine uygulanan normal voltajın %80'i kadar az bir oranda devreyi kapalı tutacağından, bu, motorları düşük voltajlı çalışmadan korumanın birincil yolu değildir.^[6]

Bazı cihazlar eklenebilir, böylece bir voltaj düşüşü sırasında cihaz, tutma bobininin kontakları kapalı tutması için yeterli olan akım akışını korur. Devre, gerilimin %15-25'ine kadar olan gerilim düşüşleri için tutma bobini akımına izin verecek şekilde tasarlanmıştır.^[11]

Elektrik gücü geri geldikten sonra (tipik olarak 30 ila 60 saniyelik bir zaman gecikmesinden sonra), birden çok motorun otomatik olarak yeniden başlatılmasının zaman dizileri otomatik olarak başlayacak şekilde ayarlanır.^[12]

Zaman sıralı bir program olmadan, birçok motoru aynı anda yeniden başlatma girişimi, tesis genelinde kısmen veya tamamen elektrik kesintisine yol açabilir.^[13][14]

Servo kontrolörler büyük bir motor kontrol sınıfıdır. şu ortak özellikleri vardır:

• hassas kapalı döngü konum kontrolü
• hızlı ivmelenme oranları
• hassas hız kontrolü Servo motorlar, en yaygın olanı olan birkaç motor tipinden yapılabilir:
  • fırçalı DC motor
  • fırçasız DC motorlar
  • AC servo motorlar

Servo kontrolörler, kontrol döngüsünü kapatmak için konum geri bildirimi kullanır. Bu genellikle konum kodlayıcılar, çözümleyiciler ve Hall etkisi sensörü'leri ile rotor'un konumunu doğrudan ölçmek için uygulanır.

Diğer konum geri bildirim yöntemleri, rotor konumunu ölçmek için tahriksiz bobinlerdeki arka EMF'yi ölçer veya bir bobine giden güç anında kapatıldığında üretilen geçici Geri Tepme gerilimini (ani artış) tespit eder. Bu nedenle bunlara genellikle "sensörsüz" kontrol yöntemleri denir.

Servo, darbe genişliği modülasyonu (PWM) kullanılarak kumanda edilebilir. Darbenin ne kadar süreyle yüksek kalacağı (genelde 1 ila 2 milisaniye arasında), motorun kendisini nereye konumlandırmaya çalışacağını belirler. Diğer bir kontrol yöntemi ise darbe ve yöndür.

Adım motoru, senkron, fırçasız, yüksek kutuplu, çok fazlı bir motordur. Kontrol, münhasıran olmamakla birlikte genellikle açık döngü şeklinde yapılır yani rotor konumunun kontrollü dönen alanı takip ettiği varsayılır. Bu nedenle step motorun hassas konumlandırması, kapalı döngü kontrollerinden daha basit ve daha ucuzdur.

Modern adım kontrolörleri motoru motor etiketindeki anma geriliminden çok daha yüksek gerilimlerle çalıştırır ve doğrayarak (ing: chopping) akımı sınırlar. Olağan kurulum, komütasyon ve akım sınırlamasından sorumlu ayrı bir yüksek voltaj sürücü devresine, adım ve yön darbelerini gönderen "indeksleyici" denilen konumlandırma denetleyicisine sahip olmaktır.