hız kontrol cihazını anlamak

Hız kontrol cihazını anlamak

Hız Kontrol Cihazı Nasıl Çalışır?

Hız kontrol cihazı, AC sürücü, inverter veya VFD dediğimiz cihazın temel görevi, elektrik motoruna verilen elektriğin frekansını ve gerilimini kontrol ederek motorun hızını ve tork davranışını yönetmektir.

Bunu anlamanın en kolay yolu VFD'yi yalnızca üzerinde ekran bulunan bir kutu olarak değil, elektriği üç aşamada yeniden hazırlayan bir güç elektroniği sistemi olarak düşünmektir.

Şebeke AC → Doğrultucu → DC Bara → IGBT İnverter → PWM AC → Motor

Yani sürücü şebekeden gelen 50 Hz elektriği doğrudan “kısarak” motoru yavaşlatmaz. Önce AC gerilimi DC'ye çevirir, bu enerjiyi DC barada toplar ve daha sonra güç transistörlerini çok hızlı açıp kapatarak motora ihtiyaç duyulan frekans ve gerilimde yeni bir çıkış oluşturur.

VFD'nin daha genel tanımı için AC Drive nedir? ve Frekans inverteri nedir? sayfalarına da bakabilirsiniz.

Önce sürücünün içinden elektriğin nasıl geçtiğini görelim

Aşağıdaki eğitim modelinde frekans referansını değiştirin. VFD aynı şebeke girişinden beslenmeye devam ederken motor tarafındaki çıkış frekansı, PWM yapısı ve yaklaşık motor devri değişir.

Frekans Referansı 50 Hz Yük %40

1. Bir AC motorun hızı neden frekansa bağlıdır?

AC motorun içinde fiziksel olarak motora temas etmeden dönen bir manyetik alan oluşturulur. Bu alanın dönüş hızı, uygulanan elektrik frekansı ve motorun kutup sayısıyla ilişkilidir.

Senkron hızın temel bağıntısı şöyledir:

n_s = 120 × f / p

Burada f frekans, p motorun kutup sayısıdır.

Örneğin dört kutuplu bir motorda 50 Hz için döner alanın senkron hızı:

120 × 50 / 4 = 1500 d/d

Asenkron motorun gerçek mili ise yük altında genellikle bunun biraz altında döner. Bu fark kayma olarak adlandırılır. Yük değiştiğinde mil hızının neden değişebildiğini kayma kompanzasyonu sayfasında ayrıntılı inceleyebilirsiniz.

Demek ki VFD 50 Hz yerine yaklaşık 25 Hz verdiğinde dört kutuplu motorun manyetik alan hızı da kabaca yarıya iner. İşin temelindeki hız kontrol mantığı budur.

2. Şebekedeki 50 Hz neden doğrudan motora verilmez?

Motor doğrudan şebekeye bağlandığında şebekenin frekansı sabittir. Türkiye'deki standart şebekede bu yaklaşık 50 Hz'dir. Dolayısıyla standart asenkron motorun hızı da kutup sayısı ve kaymaya bağlı olarak belirli bir bölgenin çevresinde kalır.

VFD'nin yaptığı şey şebeke frekansını değiştirmek değildir. Motor için yeni bir elektrik kaynağı oluşturur.

Şebeke hâlâ 50 Hz olabilir, fakat sürücü motor tarafına 8 Hz, 25 Hz, 42 Hz veya uygulamanın gerektirdiği başka bir frekansta çıkış verebilir.

3. Birinci bölüm: Doğrultucu ne yapar?

VFD'nin girişinde bulunan doğrultucu, şebekeden gelen AC gerilimi DC gerilime dönüştürür.

Klasik birçok sürücüde bu bölüm diyot köprüsünden oluşur. Bazı sürücülerde daha gelişmiş doğrultucu veya aktif ön uç yapıları bulunabilir.

Buradaki amaç motoru doğrudan DC ile çalıştırmak değildir. DC, sürücünün çıkışta istediği frekansta yeni bir AC oluşturabilmesi için ara enerji katmanı olarak kullanılır.

4. İkinci bölüm: DC Bara nedir?

Doğrultucudan çıkan enerji DC Bara / DC Link bölümüne gelir.

Bu bölümde büyük kapasitörler ve modele göre reaktör gibi elemanlar bulunabilir. Amaç doğrultulmuş gerilimi yumuşatmak ve inverter güç katına kararlı bir enerji kaynağı sağlamaktır.

DC barayı bir anlamda VFD'nin enerji deposu ile inverter arasındaki ana otoyolu gibi düşünebilirsiniz.

Motor frenlerken konu tersine de dönebilir. Yükten geri gelen enerji DC barayı yükseltebilir. Bu noktada dinamik frenleme, fren kıyıcı ve fren direnci gibi kavramlar devreye girer.

5. Üçüncü bölüm: İnverter katı ne yapar?

DC barada artık frekansı olmayan doğru gerilim vardır. Motorun ise kontrollü üç fazlı AC'ye ihtiyacı vardır.

İşte sürücünün inverter güç katı burada devreye girer.

Bu bölümde kullanılan IGBT veya benzeri güç yarıiletkenleri DC bara gerilimini çok hızlı biçimde anahtarlayarak motor terminallerinde kontrollü üç fazlı bir çıkış oluşturur.

Bu anahtarlar basit bir röle gibi saniyede bir veya iki kez değil, çoğu sürücüde saniyede binlerce kez açılıp kapanır.

6. PWM nedir ve neden kullanılır?

IGBT'lerin açılıp kapanma düzenini oluşturan temel yöntemlerden biri PWM – Darbe Genişlik Modülasyonu yöntemidir.

Motor terminallerine osiloskopla bakıldığında ideal bir ev prizindeki gibi temiz sinüs gerilimi görmek yerine hızlı anahtarlanan gerilim darbeleri görülür.

Bu darbelerin zamanlaması ve genişliği öyle düzenlenir ki motor sargılarındaki akım ve oluşan manyetik alan, istenen temel frekansa uygun davranır.

Örneğin motorun 30 Hz civarında çalışması isteniyorsa kontrol işlemcisi IGBT'lerin PWM anahtarlamasını buna göre hesaplar.

PWM anahtarlama frekansı ile motorun temel çalışma frekansı aynı şey değildir. Bu fark özellikle taşıyıcı frekans konusunda önemlidir.

7. 50 Hz çıkış ile 8 kHz taşıyıcı frekans nasıl aynı anda olabilir?

Bu başlangıçta kafa karıştırıcıdır ama aslında iki farklı frekanstan söz ediyoruz.

Motor temel frekansı, motorun oluşturacağı döner manyetik alanla ilgilidir. Örneğin 50 Hz.

Taşıyıcı / switching frekansı ise IGBT'lerin PWM darbelerini ne kadar hızlı ürettiğiyle ilgilidir ve genellikle kHz mertebesindedir.

Taşıyıcı frekans yükseltildiğinde motorun duyulabilir anahtarlama sesi azalabilir; fakat sürücünün anahtarlama kayıpları ve ısınması artabilir. Dolayısıyla “taşıyıcı frekans ne kadar yüksekse sürücü o kadar iyidir” şeklinde bir genelleme doğru değildir.

8. Potansiyometre motora doğrudan güç verir mi?

Hayır. Potansiyometre çoğu uygulamada yalnızca sürücüye bir referans gönderir.

Örneğin 0–10 V girişinde 5 V, uygun ölçekleme yapılmışsa sürücüye “maksimum hızın yaklaşık yarısını istiyorum” anlamına gelebilir.

Sürücü bu referansı okur, kontrol algoritmasında işler ve gerekli PWM çıkışını kendi güç katıyla üretir.

Bu konunun tamamı frekans referansı nedir? sayfasında anlatılmaktadır.

Frekans referansı yalnız potansiyometreden gelmez. Tuş takımı, 0–10 V, 4–20 mA, çoklu hız girişleri, PLC, PID veya endüstriyel haberleşme üzerinden de üretilebilir.

9. Frekans artınca motor hızı neden artar?

Çünkü statorun döner manyetik alanının hızı frekansla doğrudan ilişkilidir.

Fakat “50 Hz = 1500 rpm” her motor için doğru değildir. Bu yalnız dört kutuplu motor için senkron hız örneğidir.

İki kutuplu motorda 50 Hz senkron hız 3000 d/d, altı kutuplu motorda yaklaşık 1000 d/d olur.

Ayrıca asenkron motorun gerçek mili tork üretmek için döner alanın biraz gerisinde kalır. Buna kayma denir.

10. Gerilim de neden frekansla birlikte değiştirilir?

Asenkron motorlarda yalnız frekansı düşürüp gerilimi aynı bırakırsanız motorun manyetik akısı gereğinden fazla yükselebilir. Buna karşılık gerilimi gereğinden fazla düşürürseniz yeterli manyetik akı ve tork üretilemeyebilir.

Bu nedenle klasik V/F kontrolde frekans değişirken gerilim de belirli bir ilişki içinde değiştirilir.

50 Hz, 400 V etiketli basitleştirilmiş bir motorda yaklaşık V/f oranı:

400 / 50 = 8 V/Hz

olarak düşünülebilir. Gerçek sürücüler düşük frekans kompanzasyonu, motor direnci, boost, alan zayıflatma ve çeşitli kontrol algoritmaları nedeniyle bundan çok daha gelişmiş davranabilir.

11. V/F ile Vector Control arasındaki fark nedir?

V/F kontrol, motoru temel olarak gerilim-frekans ilişkisi üzerinden yöneten daha basit bir yöntemdir.

Vektör kontrol ise motor akımlarını ve motor modelini daha ayrıntılı değerlendirerek akı ve tork davranışını ayrı ayrı kontrol etmeye yaklaşır.

Bu nedenle ağır kalkış, düşük hızda yüksek tork, hızlı yük değişimi veya daha iyi hız kararlılığı gereken uygulamalarda vector control önemli avantaj sağlayabilir.

Daha ileri uygulamalarda FOC, sensörsüz vektör veya encoder geri beslemeli kapalı çevrim gibi yöntemler kullanılabilir.

12. Auto-Tuning neden yapılır?

Gelişmiş sürücüler yalnız motorun üzerinde “5.5 kW” yazdığını bilmekle yetinmez. Motor direnci, akımı, endüktansı ve diğer elektriksel özellikleri hakkında daha doğru bir modele ihtiyaç duyabilir.

Auto-tuning fonksiyonu sürücünün motoru tanımasına yardımcı olur.

Bazı sürücüler bunu motor dönmeden statik testlerle, bazıları ise belirli şartlarda motoru döndürerek yapabilir. Uygulanacak yöntem üreticinin kılavuzuna göre seçilmelidir.

Auto-tuning sihir değildir; yanlış motor etiket bilgileri veya yanlış bağlantı varsa kötü veriden doğru motor modeli çıkaramaz.

13. Açık çevrim ve kapalı çevrim ne demektir?

Basit açık çevrim sistemde sürücü motora bir çıkış üretir fakat gerçek mil hızını doğrudan ölçmeyebilir.

Kapalı çevrim sistemde ise encoder gibi bir geri besleme cihazı motorun gerçek davranışını sürücüye bildirir.

Bu farkı açık çevrim – kapalı çevrim kontrol sayfasında daha ayrıntılı inceleyebilirsiniz.

Encoder bulunmayan bazı sistemlerde sürücü motor modeli ve akım ölçümlerinden yararlanarak gerçek hızı tahmin eder. Kayma kompanzasyonu da yük arttığında oluşan hız düşümünü azaltmaya yardımcı olabilir.

14. VFD motoru yavaşlatırken enerji nereye gider?

Motor hızlanırken elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüşür. Fakat büyük bir yük hızla yavaşlatılırken enerji akışı tersine dönebilir.

Motor kısa süreli olarak jeneratör gibi davranır ve enerji DC baraya geri döner.

Bu enerji yönetilemezse DC bara gerilimi yükselir ve sürücü aşırı gerilim hatasına geçebilir.

Bu yüzden hızlı veya sık frenleme gereken makinelerde dinamik frenleme, fren direnci ve fren kıyıcı gibi çözümler önemlidir.

DC enjeksiyon frenlemesi ise farklı bir frenleme yöntemidir ve fren direnciyle aynı çalışma prensibine sahip değildir.

15. VFD neden enerji tasarrufu sağlayabilir?

VFD'nin varlığı tek başına enerji tasarrufu garantisi değildir.

Asıl kazanç, proses tam güce ihtiyaç duymadığında motorun gerçekten daha düşük hızda çalıştırılabilmesinden gelir.

Bu durum özellikle fan ve santrifüj pompa uygulamalarında çok önemlidir. Damperi veya vanayı kısarak tam hızda motor çalıştırmak yerine gerekli debi veya basıncı motor hızını değiştirerek üretmek bazı sistemlerde ciddi enerji avantajı sağlayabilir.

Ancak vinç, konveyör, ekstrüder veya sürekli sabit tork isteyen başka makinelerde aynı oranlarda tasarruf beklenmez.

16. VFD çıkışı gerçek sinüs müdür?

Motor terminallerindeki gerilim çoğu klasik PWM sürücüde şebekedeki gibi temiz bir sinüs değildir. Hızlı yükselen ve düşen PWM darbelerinden oluşur.

Motor sargılarının endüktansı nedeniyle motor akımı gerilime kıyasla daha yumuşak ve sinüse yakın hale gelir.

Bu özellik uzun motor kabloları, izolasyon zorlanması, rulman akımları, EMC ve motor ısınması gibi başka mühendislik konularını da beraberinde getirir.

17. Sürücü motora istediğinden daha fazla güç verir mi?

VFD bir “güç üreticisi” değildir. Motorun ihtiyacı olan elektrik enerjisini şebekeden alır ve kontrol ederek motora aktarır.

Motorun çektiği akım; yük torku, hız, motor özellikleri ve kontrol algoritmasına bağlıdır.

Bu yüzden “frekansı artırdım, motor kesin daha fazla akım çeker” gibi tek cümlelik bir kural da doğru değildir. Yük davranışı mutlaka dikkate alınmalıdır.

18. Sürücü neden ısınıyor?

VFD ideal ve kayıpsız bir cihaz değildir. Doğrultucu, DC bara elemanları, IGBT'ler, kontrol elektroniği ve soğutma sistemi üzerinde kayıplar oluşur.

Özellikle IGBT anahtarlaması sırasında iletim ve switching kayıpları meydana gelir. Taşıyıcı frekansın gereksiz yükseltilmesi bu kayıpları artırabilir.

Bu konunun ayrıntıları AC sürücü kayıpları sayfasında incelenebilir.

19. Sürücü çalıştırma komutunu nereden alır?

VFD'nin iki ayrı temel komuta ihtiyacı olduğunu düşünmek başlangıç seviyesinde çok işe yarar:

1. Çalışma komutu: RUN, STOP, FWD, REV gibi hareket komutları.
2. Hız referansı: Motorun ne kadar hızlı çalışmasının istendiğini belirleyen değer.

RUN terminalden gelirken hız potansiyometreden gelebilir. Ya da her ikisi PLC veya RS485 üzerinden gelebilir.

Bu nedenle ekranda hata olmadığı halde çalışmayan bir sürücüde yalnız motor kablosuna değil, aktif komut kaynağına ve frekans referans kaynağına da bakılır.

20. Hız kontrol cihazı ile inverter aynı şey midir?

Endüstriyel motor kontrolünde günlük kullanımda VFD, inverter, AC drive, frekans inverteri ve hız kontrol cihazı ifadeleri çoğu zaman aynı cihaz ailesini tarif etmek için kullanılır.

Teknik olarak “inverter” kelimesi DC'yi AC'ye çeviren güç katını da ifade edebilir. Dolayısıyla kelimenin anlamı kullanıldığı bağlama göre daha geniş olabilir.

Bu yüzden bir ürün kataloğunda “inverter” gördüğünüzde bunun motor sürücüsü mü, güneş inverteri mi, UPS inverteri mi yoksa yalnız bir güç dönüştürücü katı mı olduğuna bakmak gerekir.

Hız kontrol cihazı hakkında sık sorulan sorular

VFD 50 Hz şebekeden nasıl 30 Hz üretebilir?
Şebeke AC'sini önce DC'ye çevirir, ardından inverter güç katı ve PWM anahtarlamasıyla motora yeni bir 30 Hz temel çıkış oluşturur.

Potansiyometre motorun voltajını mı düşürür?
Hayır. Potansiyometre genellikle sürücünün kontrol devresine bir referans gönderir; güç elektroniği çıkışı VFD tarafından oluşturulur.

25 Hz'de motor tam olarak yarı devirde mi döner?
Yaklaşık olarak frekansla orantılı davranır ancak kutup sayısı, kayma, yük ve kontrol yöntemi gerçek mili belirler.

Motor 50 Hz iken neden etikette 1500 yerine 1450 veya 1470 rpm yazar?
Asenkron motorun tork oluşturabilmesi için rotor hızı senkron alan hızından biraz düşük olmalıdır. Aradaki fark kaymadır.

VFD çıkışı neden multimetrede garip değer gösterebilir?
PWM çıkışı klasik saf sinüs olmadığı için sıradan ölçü aletleri her zaman doğru RMS değer göstermez. VFD çıkışına uygun ölçüm yöntemi kullanılmalıdır.

VFD motoru 0 Hz'de tutabilir mi?
Bu, motor tipi ve kontrol yöntemine bağlıdır. Basit V/F kontrol ile sıfır hızda güçlü tork beklenmez; gelişmiş vector/encoder kontrollü sistemler çok düşük veya sıfır hız performansında farklı yeteneklere sahip olabilir.

VFD'nin frekansını 100 Hz yaparsam motor iki kat hızlı döner mi?
Teorik senkron hız frekansla artar ancak motorun mekanik maksimum devri, rulmanları, gerilim sınırı, alan zayıflatma bölgesi ve bağlı makinenin güvenli çalışma hızı dikkate alınmadan frekans artırılmamalıdır.

VFD her motorda kullanılabilir mi?
Hayır. Motor gerilimi, akımı, izolasyonu, soğutması, motor tipi, uygulama ve kontrol yöntemi uyumlu olmalıdır.

VFD bozulduğunda en sık hangi güç elemanı zarar görür?
Arızanın sebebine göre doğrultucu, IGBT güç modülü, DC bara kapasitörleri, ön şarj devresi veya yardımcı güç kaynağı etkilenebilir. Tek bir “her zaman bozulur” eleman yoktur.

Taşıyıcı frekansı yükseltmek motoru daha hızlı döndürür mü?
Hayır. Motorun temel hızını belirleyen çıkış frekansı ile IGBT PWM anahtarlama frekansı farklı kavramlardır.

VFD olmadan motor hız kontrolü yapılamaz mı?
Başka mekanik ve elektriksel yöntemler vardır; ancak standart asenkron motorlarda geniş ve sürekli elektronik hız kontrolü için VFD en yaygın çözümlerden biridir.