Senkron Relüktans Motor

Senkron relüktans motorlar (SynRM), itkisini relüktans momentinden sağlayan ve AC güç ile çalışan elektrik makineleridir. Diğer elektrikli makinelerden farklı olarak rotorlarında (döner kısım) sargı bulunmaz ve moment, rotorunda bulunan akı bariyerlerinin tasarımına bağlı olarak oluşur. Rotoruna sabit mıknatıs eklenerek motor performansı geliştirilebilir.

Senkron Relüktans Motor Yapısı - Oswos

Genel Kontstrüksiyonu

SynRM’ler çok fazlı alternatif akım makineleridir. Stator (sabit kısım) yapısı diğer AC motorların stator yapılarına benzerdir ancak rotor yapıları daha farklı ve karmaşıktır.

SynRM’lerde üretilen momenti maksimum seviyede tutmak için ALA (eksenel) ve TLA (enine) laminasyonlu olmak üzere bazı farklı rotor yapıları geliştirilmiştir.  

Senkron Relüktans Motor Bileşenleri -

Stator, diğer çok fazlı alternatif akım makinelerinde olduğu gibi çok fazlı sargı gruplarına sahip olup, bu sargılar, stator ekseni boyunca açılmış olan oluklara yerleştirilmektedir.

Rotorlarında, SynRM’leri diğer AC motorlardan farklı kılan, akı bariyerleri olarak isimlendirilen ve momentin oluşturulmasını sağlayan bir tasarım bulunmaktadır. Bu tasarıma göre rotor koordinat sistemindeki d-q eksenlerinin manyetik indüksiyon miktarlarının oranı olan çıkıklık oranı tanımlanır. Motor tarafından üretilen momenti maksimum yapmak için çıkıklık oranını artırmak gerekir ve bu nedenle SynRM’lerde rotor akı bariyer tasarımları gerçekleştirilir.

Çalışma Prensibi

SynRM’lerin temel moment kaynağı relüktans momentidir. Relüktans, manyetik bir zorlamadır. Manyetik devrelerde akının gidişine karşı olan zorluğu ifade eder. Manyetomotor kuvvetin akıya bölümüyle elde edilir. Relüktans momenti, ferromanyetik bir malzemenin değişik eksenlerindeki değişik relüktans değerleri bulunmasıyla oluşan bir momenttir. Manyetik alan içerisinde bulunan bir motorun rotorunda relüktansın küçük, endüktansın büyük olduğu, manyetik akının aktığı d ekseni, manyetik akı yolunu küçültmek için içerisinde bulunan manyetik alanla aynı hizaya gelecek şekilde hareket eder. Böylece relüktans momenti oluşur.

Senkron Relüktans Motor Akı Bariyerleri - DergiPark

SynRM’ler dengeli çok fazlı (genel olarak 3) AC gerilimle beslenerek, stator ile rotor arasındaki hava aralığında senkron hızla dönen dönen manyetik alan oluştururlar. Oluşan manyetik akı rotor üzerinde relüktans değeri az, endüktans değeri fazla olan d ekseninden ilerleyerek yolunu tamamlar ve rotorun bu senkron hız ile dönmesi sağlanır.

Senkron Relüktans Motor Çalışma Gösterimi - ELIN Motoren

Manyetik akı yolunu d ekseni üzerinden tamamlarken, sargılardaki manyetik alan da sürekli olarak değiştiği için, dönen manyetik alan boyunca d ekseni bu manyetik alanla aynı hizaya gelmeye çalışır ve bu şekilde motor senkron hızla dönmeye başlar. SynRM tarafından üretilen relüktans momenti d ve q eksenlerindeki endüktans değerlerine bağlı olduğu için çıkıklık oranına bağlıdır. Motor tarafından üretilen momenti maksimum yapmak için çıkıklık oranını artırmak gerekir. Çünkü bu parametre makine dizayn ve optimizasyon süreçlerinin anahtarıdır. Momenti en yükseğe çıkarmak için Ld değeri mümkün olduğunca büyük kalmalı, Lq değeri de mümkün olan en düşük değere indirilmelidir.

Motor Kontrolü

SynRM’ler genel olarak değişken frekanslı eviriciler ile sürülmektedirler. İlk yapılan tasarımlarda motor kalkış sürülmesi için rotorda kısa devre edilmiş kafes yapıları bulunmaktaydı. Ancak bu yapılar, momentin üretimini sağlayan çıkıklık oranını olumsuz etkilediği için sonrasında çok fazla kullanılmamıştır. Günümüzde, evirici sistemler ile sabit güç ve sabit moment bölgesinde kontrol sağlayarak hem motor kalkış anı hem de nominal çalışması kontrol edilmektedir.

Senkron Relüktans Motor Örnek Kontrol Şeması - Veichi

Genel olarak maksimum moment kontrolü (MTPA stratejisi kullanılır. Buna göre, farklı hız ve yük durumlarında akım vektörü ve d-ekseni arasındaki elektriksel açı, maksimum momenti vermesi amacıyla 45° olarak sabit tutulur. Bu kontrol yapısının uygulanması için rotor konum ve hız bilgi kullanılır. Maksimum momenti elde etmek için motordan elde edilen akım, hız ve konum bilgisi, talep edilen referans d ve q ekseni akımlarıyla gerekli matematiksel hesaplardan geçirilir. Hesaplar sonucunda motor statorundaki çok fazlı AC güç, çeşitli yarı iletken yapılarıyla kontrol edilir.   

Avantajları

1. Ayrıca bir uyarma sistemine gereksinim duymaz. Bu nedenle elektriksel kayıpları daha düşüktür.
2. Rotorunda mıknatıs bulunmayan modellerinde, manyetik demanyetizasyon riski bulunmadığından yüksek güvenilirlikli makinelerdir.
3. Rotor, yüksek dayanıklılığa sahip ve düşük maliyetli malzemelerden üretilebilir.
4. Motor, düşük tork dalgalanması ile üstün performans sergiler.
5. Motor, standart PWM eviricileri ile çalıştırılabilir.
6. Rotorunda sabit mıknatıs bulunmayan modellerinde çok yüksek sıcaklıklarda çalışabilme yeteneğine sahiptir.
7. Motor, basit ve dayanıklı bir yapıya sahiptir.
8. Yüksek hızda çalışabilme özelliği sunar.
9. Yüksek çıkıklık oranı oranı ile 0.8'lik bir güç faktörü elde edilebilir ve bakır kayıplarının olmaması nedeniyle relüktans motorunun verimliliği, bazı diğer AC motorlarından daha yüksektir.

Dezavantajları

1. Diğer AC motorlarına kıyasla senkron relüktans motorları biraz daha ağırdır ve daha düşük bir güç faktörüne sahiptir. Ancak, çıkıklık oranı artırılarak güç faktörü iyileştirilebilir.
2. Motor maliyeti, özellikle kontrolcü tasarımı sebebiyle bazı AC motorlarına göre daha yüksektir.
3. Kontrol algoritması karmaşıktır.
4. Rotorunda mıknatıs kullanılması durumunda motor güvenilirliği düşer.
5. Rotorunda mıknatıs kullanılması durumunda yüksek sıcaklıklarda mıknatısların demanyetize olma olasılığı artar.

Kullanım alanları

Yapısal sadelik, dayanıklı yapı ve sabit hızda operasyonel çalışma gibi özellikleri sebebiyle SynRM’ler; elektrikli araçlar, HVAC sistemleri, endüstriyel otomasyon, kompresörler, pompalar, yenilenebilir enerji üretimi ve ev aletleri gibi çeşitli uygulama alanlarında kullanılmaktadırlar.

Senkron Relüktans Motor Örnek Gösterim - ABB