Tek fazlı asenkron motorlar (SPIM - Single-Phase Induction Motors), tek fazlı alternatif akım (AC) kaynağıyla çalışan, kendinden başlatmalı olmayan ve rotorunda genellikle sincap kafes yapısının kullanıldığı elektrik makineleridir. Yaygın olarak küçük güçlü ev aletlerinde, HVAC sistemlerinde, su pompalarında ve tarımsal cihazlarda tercih edilir.

Motor, esas olarak şu üç ana bileşenden oluşur:

• Stator: Tek fazlı AC kaynağına bağlı ana sargı ve genellikle yardımcı sargıyı içerir.
• Rotor: Sincap kafes şeklinde alüminyum veya bakır çubuklardan oluşur.
• Yardımcı Elemanlar: Başlangıç kondansatörü, santrifüj anahtar vb.

Çalışma Prensibi ve Başlangıç Problemi

Tek fazlı sargılar, döner bir manyetik alan yerine salınımlı bir alan üretir. Bu nedenle, motor kendi başına dönme hareketine başlayamaz. Bu problemi aşmak için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir:

• Yardımcı sargı ve kondansatör kullanımı (ayrıca santrifüj anahtarla devreden çıkarılır),
• Gölge kutuplu motorlar (basit ama düşük verimlidir),
• Elektronik kontrollü başlatma yöntemleri.

Başlatma sırasında iki sargı arasında 90° faz farkı yaratılarak döner alan etkisi elde edilir ve rotor harekete geçer.

^{Tek fazlı Asenkron Motor Stator İç Yapısı (Research Gate)}

Tasarım ve İmalat Yaklaşımları

SPIM tasarımı, moment üretimi, verimlilik, sıcaklık davranışı ve maliyet gibi çok sayıda kriter içerir. Karar destek sistemleri kullanılarak tasarımda sistematik bir yaklaşım önerilir. Bu yaklaşım:

• Geometrik boyutlandırma,
• Malzeme seçimi,
• Isıl analiz,
• Manyetik modelleme gibi çoklu kriterler optimizasyon sürecine dahil edilir.

Yardımcı ve ana sargıların doğru konumlandırılması, stator çekirdek yapısı ve hava boşluğu mesafesi gibi faktörler performansı belirleyici niteliktedir.

Elektriksel Performans ve Verimlilik

Motorun elektriksel performansı; verim, kayıplar, güç faktörü ve moment üretimi gibi parametrelerle değerlendirilir. Motorun farklı yük altında davranışı incelenir ve şu bulgulara ulaşılır:

• Yük arttıkça moment artarken, verim azalma eğilimi gösterir.
• Rotor ısınması, verimlilik üzerinde belirleyici bir etkendir.
• Uygun kondansatör seçimi, başlangıç momentini ve genel performansı önemli ölçüde iyileştirir.

Modelleme Teknikleri

Tek fazlı motorların modellenmesi, asimetrik yapıları nedeniyle daha karmaşıktır. Motor modeli, çift fazlı bir modele dönüştürülerek analiz edilmiştir. Bu modellemede:

• d-q (doğru-kesikli) eksen dönüşümü,
• Manyetik doyum ve kayıpların dikkate alınması,
• Transient ve steady-state durum analizleri yer almaktadır.

Modelleme, motorun simülasyon ortamında test edilmesine olanak sağlar ve tasarım doğrulamasını kolaylaştırır.

Senkron Hız Denklemi

Senkron hız denklemi, bir motorun senkron hızını (yani döner manyetik alanın hızını) hesaplamak için kullanılır. Monofaze motorlar için teorik senkron hız:

$n_s = \frac{120.f}{p}$

p: Kutup sayısı

f: Frekans [Hz]

Kayma (Slip) Denklemi

Asenkron motorlarda rotor hiçbir zaman senkron hızda dönmez. Çünkü rotor, statorun oluşturduğu döner manyetik alanı takip eder, ancak elektromanyetik kuvvetin oluşabilmesi için arada bir fark (kayma) gerekir. İşte bu fark kayma (slip) olarak tanımlanır. Motorun senkron hızdan sapmasını belirten kayma formülü:

$s = \frac{n_s−n_r}{n_s}$

n_r: Rotor hızı [rpm]

n_s: Senkron hız [rpm]

Tek Fazlama ve Arızalar

Üç fazlı motorlarda sıkça karşılaşılan "tek fazlama" (bir fazın kesilmesi) arızası, SPIM’ler için doğrudan geçerli olmasa da benzer riskler barındırabilir:

• Sargıların dengesiz yüklenmesi,
• Aşırı akım çekimi ve ısınma,
• İzolasyon arızaları,
• Rotorun durması veya aşırı zorlanması.

Bu nedenle aşırı akıma karşı koruma röleleri ve termik koruma cihazları kullanılması önerilir.

Kontrol ve Başlatma Yöntemleri

Klasik başlatma yöntemleri dışında, yenilenebilir enerji kaynaklarıyla çalışan sistemlerde alternatif kontrol stratejileri önerilir:

• Mikrodenetleyici tabanlı PWM kontrolü,
• İnverter destekli başlatma,
• Farklı sargı kombinasyonları ile değişken hız kontrolü.

Bu yöntemler sayesinde motorların güneş veya rüzgar gibi değişken kaynaklara adaptasyonu artırılabilmektedir.

Kapasitör Başlatmalı Tek Fazlı Asenkron Motor

Kapasitör başlatmalı motor, yardımcı sargı seri bağlı bir kapasitör içerir. Bu sayede, yardımcı sargı devresi motor devreye girdiğinde oluşturulan faz farkı artırılarak daha yüksek tork elde edilir. Motor, senkron hızın yaklaşık %75’ine ulaştığında, merkezkaç anahtarı yardımıyla yardımcı sargı ve kapasitör devreden çıkar. Bu andan itibaren motor, sadece ana sargı ile normal split-phase gibi çalışır .

Tek Fazlı Asenkron Motorda Kalkış Sorunu

• Tek fazlı sistem simetrik döner alan üretemez ve kalkış için yeterli tork üretilemez.
• Yardımcı sargı (ve çoğu zaman bir kapasitör) ile faz farkı yaratılarak döner alan taklidi yapılır ve motor kalkabilir.

^{Kapasitör Başlatmalı Tek Fazlı Asenkron Motor Eşdeğer Devresi (Research Gate)}

Aşağıdaki grafik, tek fazlı asenkron motorun moment (tork) – hız karakteristiğini göstermektedir.

^{Kapasitör Başlatmalı Tek Fazlı Asenkron Motor Tork-Hız Karakteristiği (Research Gate)}

Kesikli eğri (Main winding): Bu eğri, sadece ana sargı çalışırken üretilen torku gösterir. Görüldüğü gibi düşük hızlarda (özellikle %0–60 arasında) tork çok düşüktür. Yani, motor yalnızca ana sargı ile çalışırken kendi başına kalkış yapamaz. Bu, tek fazlı motorlarda kalkış sorununun nedenidir.

2. Sürekli eğri (Main and auxiliary winding): Bu eğri, hem ana sargı hem de yardımcı sargı (yardımcı faz) birlikte çalıştığında motorun ürettiği torku gösterir. Düşük hızlarda bile yüksek bir kalkış torku üretilebilir (örneğin %300’e kadar). Bu nedenle yardımcı sargı, motorun ilk kalkışında devrede olur. Ancak hız senkrona yaklaştığında (örneğin %75-80’den sonra), yardımcı sargı genellikle devreden çıkarılır (santrifüj anahtarı veya röleyle). Bundan sonra motor sadece ana sargıyla çalışmaya devam eder.

Literatür Gelişimi ve Uygulama Alanları

Tek fazlı motorlara olan ilgi özellikle 1950’lerden itibaren artmıştır. Elektronik sürücülerin gelişmesiyle birlikte kontrol sistemleri ve enerji verimliliği konusunda yeni araştırmalar yapılmıştır. Günümüzde bu motorlar:

• Ev aletleri (çamaşır makinesi, vantilatör),
• Küçük pompalar ve kompresörler,
• Tarım makineleri ve HVAC sistemlerinde yoğun olarak kullanılmaktadır.