AC motor sürücüleri (VFD-Variable Frequency Drive), asenkron motorların uçlarına gelen gerilim ve frekans değerini değiştirerek motorda hız kontrolü yapılmasına imkân sağlayan elektronik devrelerdir. Endüstride sıklıkla kullanılan VFD’ler; hız kontrol cihazı, frekans konvertörü, inverter, AC sürücü gibi farklı isimlerle anılmaktadır.
Sistemde kullanılan motor, etiketinde belirtilen hızından farklı bir hızda çalıştırılması gerekli ise veya motora belirli değişkenlere göre hız kontrolü yapılacaksa AC motor sürücüleri kullanılır.
Sürücüler günümüzde küçük ev aletlerinden tutun da, sanayide kullanılan devasa motorlara kadar her yerde sıklıkla kullanılmaktadır.
Üretimin değişmez parçası haline gelen sürücüler;
- Motoru aşırı akım ve gerilim piklerine karşı korur.
- Yumuşak anahtarlama yapılmasına imkân sağlar.
- Duruş ve kalkışlarda meydana gelebilecek mekanik ve elektriksel zorlanmaları minimum seviyeye indirir.
- Düşük kapasiteye ihtiyaç duyulan uygulamalarda makinenin hızını azaltarak enerji tasarrufu yapılmasına olanak sağlar.
- Kalkış sırasında motor ve kayışlardaki termal ve mekanik gerilimin azalmasına yardımcı olur.
- Isıl ve mekanik stresleri azaltır.
- Kullanıcıya dinamik fren yapabilme imkânı verir.
Yukarıda sayılan avantajlarından dolayı, piyasada sürücülerin kullanımı günden güne artmakta ve sürücüler giderek önem kazanmaktadır.
Şekil 2: Sürücünün konumlandırma şekline göre örnekler (motora doğrudan akuple edilen vfd ve motora kablo, klemensle bağlantılı olan VFD)
Sistemden (motor+sürücü) istenilen performansın alınabilmesi ve sistemde arızaya sebebiyet verebilecek herhangi bir problemin oluşmaması için sürücülerin montajı sırasındaki yanlış konumlandırmalardan ve uzun kablolama uygulamalarından kaçınılmalıdır.
Aksi takdirde motor ile sürücü arasındaki kablonun kapasitif reaktansına, kablonun geometrisine, tipine ve uzunluğuna bağlı olarak Şekil 3’de görüldüğü gibi motor klemensinde motor izolasyonuna zarar verecek seviyelerde gerilim yükselmeleri ve salınımları oluşmaktadır. Aşağıdaki şekilde kırmızı ile gösterilen sürücü çıkışıyken, mavi ile gösterilen uzun kablo kullanımına bağlı olarak oluşan motor terminallerindeki gerilimin şeklidir.
Motor ile sürücü arasında kullanılan uzun kablonun doğası gereği getirdiği kapasitif etkiden dolayı, motor izolasyonu dayanım sınırını aşan gerilimler motorun arızalanması için zemin hazırlar.
Bu nedenle VFD kullanılan uygulamalarda, VFD ile birlikte kullanılan motor besleme kablosunun boyu önemli bir kriter olarak değerlendirilmeli ve VFD üreticisi tarafından da katalog verisi olarak verilen tehlikeli sınırları geçiyorsa, gerekli VFD aksesuarları kullanılarak bu yüksek gerilim etkisi bertaraf edilmelidir. Bu konuda VFD üreticilerinin tipik olarak önerdikleri aksesuarlar arasında;
– VFD çıkışında şok bobini (reaktör)
– dv/dt filtre
– Sinüs dalgası çıkış filtre modülü
– L-C filtre sayılabilir.
Bu gibi aksesuarların, hangi kablo tipleri ve boylarından itibaren kullanılması gerektiği VFD üreticisi kataloglarında belirtilmektedir. Kullanılabilecek maksimum kablo boyları VFD’lerin içyapısı (IGBT’ler, dU/dt tetikleme hızı) ve çalışma parametreleri (PWM frekansı, modülasyon türü vb.) ile değişkenlik gösterebilmektedir.
Örnek teşkil etmesi açısından ekli olarak sunulmuş olan çok bilindik marka ve modellerin kullanım kılavuzları incelendiğinde, yaklaşık olarak görülmektedir ki küçük güçlerde (0.75kW ve altı) 20 metreden itibaren ve orta/yüksek güçlerde ise 50 metre gibi kablo boylarından sonra, motor klemenslerinde bahsi geçtiği gibi motor izolasyonuna zarar verebilecek seviyede yüksek gerilim salınımları oluşmaktadır. Ekranlı kablo kullanılması durumunda bu uzunluk değerleri daha da düşmektedir.
Kablo uzunluğuna bağlı olarak sürücüden motora iletilen gerilim sinyalleri Şekil 4 ve Şekil 5 üzerinde görülmektedir. Şekil 5’te; uzun kablo neticesinde motor klemenslerinde oluşabilen tehlikeli yüksek gerilim salınımları görülmektedir.
Motor sargıları, gerilim seviyesi sınır pik değerini ya da sınır yükselme süresini aşarsa zarar görür. Ayrıca motor klemensinde salınan gerilim, izin verilen maksimum gerilim seviyesini geçtiğinde, kısmi deşarj ya da korona adı verilen olay meydana gelir. Buna göre motor iletkenlerinin etrafındaki hava iyonize olarak iletken hale gelir. Bunun sonucunda iki iletken ya da iletken ile toprak arasında küçük gerilim atlamaları görülür.
Sargı izolasyonunda küçük gerilim atlamalarından dolayı oluşacak olan çatlaklar mikroskobik olmasına rağmen, bu gerilim atlamaları periyodik olarak tekrarlandığında izolasyonun delinerek motorun yanmasına yol açabilir.
Pratikte sürücü kaynaklı arızaları azaltmak için neler yapılabilir?
- Sürücü ile motor arasındaki kablo uzunluğu mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır. Kabaca 50 metre üzerindeki kablo uzunluklarında ilgili VFD’nin uzun motor kablosu kullanımı için önerilen aksesuarları uygulanmalı ya da yapılabiliyorsa motor kablosu kısaltılmalıdır.
- Kullanım açısından yüksek performanslı VFD kablolar tercih edilmelidir. Bu sayede VFD kablosundan yayılan ve çevredeki elektronik ekipman, ticari tabanlı ethernet sistemleri ve basit enstrümantasyon kabloları gibi diğer teçhizata olan olumsuz etki minimize edilebilir.
- Besleme kablosu ve motor endüktansı arasındaki uyumsuzluğu gidermek için sürücü çıkışına reaktör (çıkış şok bobini) adı verilen yüksek endüktanslı bobinler yerleştirilir. Böylece motor klemensinde salınan gerilimin miktarı azaltılabilir.
- Sürücü çıkışındaki gerilimin yükselme hızını azaltmak için yine VFD çıkışında dv/dt filtreleri kullanılabilir.
Şekil 7’de sırasıyla şebeke geriliminin; sürücü çıkışındaki gerilimin ve dv/dt filtreleri kullanıldığı zaman VFD çıkışındaki gerilimin dalga şekilleri gösterilmektedir.
VFD kullanıcılarının, VFD’nin motora doğrudan akuple edilmediği ve motora kablo ile bağlantılı olduğu durumlarda; kablo uzunluğunun motor izolasyonuna etkisini minimize etmek ve VFD kaynaklı arızaları azaltmak için yukarıda belirtilen çözüm önerilerini dikkate alması tavsiye edilir.
