Asenkron Motorlarda Kalkış Akımı: Nedenleri, Hesaplamaları ve Yol Verme Mantığı

Asenkron motorlar üç fazlı sistemden beslenir ve stator sargıları genellikle 220 V veya 380 V gerilim değerlerine göre sarılır. Özel uygulamalarda ise sargılara uygulanacak gerilim farklı değerlerde olabilir. Sargı empedanslarının düşük olması nedeniyle, motorun ilk kalkınma anında yüksek akım çekmesi söz konusudur.

Motor ilk kalkınma anında rotor hareketsiz olduğundan, asenkron motor sekonderi kısa devre edilmiş bir transformatör gibi davranır. Bu nedenle rotor devresinden ve buna bağlı olarak stator devresinden, kalkınma anında yaklaşık olarak anma (tam yük) akımının 4 ila 8 katı kadar akım çekilir. Buna karşılık kalkınma torku, genellikle tam yük torkunun 2 ila 3,5 katı arasındadır.

Bu yüksek kalkınma akımı nedeniyle asenkron motorlar çoğu uygulamada ilk etapta yüksüz olarak çalıştırılır ve anma devir sayısına ulaştıktan sonra yük altına alınır. Kalkınma anında çekilen aşırı akım; kumanda devresinde kullanılan elemanların ve iletken kesitlerinin büyümesine, dolayısıyla sistem maliyetinin artmasına neden olur.

Bu olumsuz etkileri azaltmak amacıyla, çeşitli kalkınma yöntemleri kullanılarak motorun çektiği kalkınma akımı belirli sınırlar içerisinde tutulur. Bu yöntemlerin temel prensibi, motorun stator sargılarına kalkınma anında düşürülmüş gerilim uygulanmasıdır.

Motor ilk kalkınma sırasında herhangi bir mekanik tahrik almaz; hareket tamamen statorda oluşan döner manyetik alan sayesinde başlar. Motor çalışmaya başladıktan sonra ise rotor ve bağlı mekanik sistemler bu manyetik alan tarafından tahrik edilir.

Araba ilk kalkış anında neden daha fazla gaza basarız?
Çünkü duran bir sistemi harekete geçirmek için eylemsizliği (ataleti) yenmemiz gerekir.

Eylemsizlik (Atalet)

Duran bir cisim, hareket etmemek için bir karşı tepki gösterir. Örneğin büyük bir kayayı iterken, ilk hareketi başlatabilmek için oldukça büyük bir kuvvet uygulamak gerekir. Ancak kaya hareket etmeye başladıktan sonra, hareketini sürdürmek için gereken kuvvet belirgin şekilde azalır.

Asenkron Motorlarda Yolalma Akımı

Asenkron motorlar, hem boşta hem de yük altında çalışırken sekonderi kısa devre edilmiş bir trafo gibi davranırlar. Yolalma anında rotor hareketsizdir. Bu durumda döner manyetik alan rotor iletkenlerini maksimum bağıl hızla kestiği için rotor çubuklarında en büyük gerilim endüklenir. Gerilimin en büyük olduğu bu anda rotor akımı da maksimum değerine ulaşır.

Rotor akımının artması, trafodaki sekonder–primer etkileşimine benzer şekilde stator akımını da artırır. Sonuç olarak motor, kalkış anında oldukça büyük bir stator akımı çeker.

Doğru Akım Motorlarında Yolalma Akımı

Doğru akım motorlarında ise yolalma anında endüvi hızı sıfırdır. Bu nedenle endüvide endüklenen zıt elektromotor kuvveti (zıt EMK) de sıfır olur. Endüviye uygulanan gerilim doğrudan endüvi direncine uygulanmış olur. Endüvi direnci küçük olduğundan, motor yol alma anında çok büyük bir akım çeker.

Asenkron Motorun Eşdeğer Devresi ve Kayma (Slip)

Bir asenkron motorun her bir fazının eşdeğer devresi yukarıdaki şekilde gösterildiği gibidir. Devrede en sondaki direnç değişkendir ve s parametresine bağlıdır.
s, İngilizce slip (kayma) kelimesinin baş harfidir ve şu şekilde tanımlanır:

$\frac{n_s – n_r}{n_s}$

Burada:

$n_s$ : Döner alanın hızı
$n_r$ : Rotorun hızı

Motora ilk kez gerilim uygulandığında, statorda oluşan döner alan frekans ve kutup sayısına bağlı olarak nominal hızına ulaşır. Ancak rotor henüz dönmediği için $n_r = 0$ olur. Bu durumda başlangıç anında s = 1’dir ve değişken direnç minimum değerini (yaklaşık 0) alır. Dolayısıyla motorun başlangıç empedansı yaklaşık olarak:

$R_{\text{min}} + jX_L$

olur.

Yük Durumuna Göre Akım Değişimi

Rotor dönmeye başladıkça kayma (s), 1’den 0’a doğru azalır. Eğer motor milinde yük yoksa, değişken direnç maksimum değerine ulaşır. Bu durumda motorun boşta çalışma empedansı:

$R_{\text{max}} + jX_L$

olur. Empedansın maksimum olması, motorun minimum akım çekmesi anlamına gelir.

Rotorun dönmesini zorlayan bir yük bağlandığında rotor hızı azalır, dolayısıyla kayma artar. Kaymanın artmasıyla değişken direnç azalır ve motorun çektiği akım yükselir.

Aynı güç koşullarında, yıldız bağlantıda kayma üçgen bağlantıya göre daha fazla olduğundan, motor yıldız bağlıyken daha fazla akım çeker.

Trafo Benzetmesi ve Kalkış Akımı

Yukarıdaki eşdeğer devre aynı zamanda bir trafonun eşdeğer devresine benzemektedir. Motorun kalkış anındaki empedansı, trafonun kısa devre empedansına benzer. Sekonderi kısa devre edilmiş bir trafonun empedansı küçük olduğu için nasıl büyük akımlar akıyorsa, asenkron motorun kalkış anında da empedans küçük olduğundan yüksek akımlar akar.

Trafo durağan bir makine olduğu için bu yüksek akım sürekli kalır. Ancak motor hareketli bir makine olduğundan, rotor hızlandıkça empedans artar ve çekilen akım nominal akım değerine doğru düşer.

Kalkış Akımını Yönetmede Soft Starter ve VFD Kullanımı

Klasik yıldız-üçgen yol verme yöntemleri kalkış akımını düşürse de, geçiş anındaki ani tork sıçramaları mekanik sistemlere zarar verebilir. idas otomasyon olarak tasarladığımız sistemlerde, kalkış akımını kontrol altına almak için Soft Starter (Yumuşak Yol Verici) veya VFD (Frekans Konvertörü) teknolojilerini entegre ediyoruz. Bu cihazlar, gerilimi ve frekansı kademeli olarak artırarak motorun $s=1$ (kilitli rotor) durumundaki düşük empedansını yazılımsal olarak yönetir. Böylece trafo ve şalt ekipmanları üzerindeki aşırı yüklenmeyi engelliyor, iletken kesitlerini optimize ederek toplam sistem maliyetini düşürüyoruz.