Raylı (Katener) Sistemlerde Doğru Akım Motor Kontrolü

DC  motor trenlerde  yıllardır hem elektrik hem de  dizel – elektrikli tahrik sistemlerinde ilk tercijh oldu. Bu motor,  iki parçadan, döner bir armatür ve sabit bir alandan oluşur . Sabit alan motor muhafazası  içine monte edilmiş  sık sarılmış tel bobinlerden oluşur . Armatür bir merkezi şaft  etrafında sarılmış  bir sargı setidir. Bu komütatör adı verilen  armatürün bir uzantısına karşı baskı yapan  bir nevi yayla sıkıştırılmış kontaklar olan  " fırçalar " vasıtası ile alana bağlantılıdır. Komütatör armatür sargılarının tüm uçlarını toplar ve akım akışının doğru bir şekilde gerçekleşmesi için dairesel bir şekilde dağıtımını sağlar.

Doğru Akım Motoru Yapısı

Basitçe bir akım motor devresi  üzerinden geçtiğinde,alan akımı ile armatürdeki akım arasındaki armatürün dönmesini sağlayan  etkileşme ortyaa çıkar ki bu sayede motor çalışmış olur. Armatür ve alan seri halde bağlı ise bu  motor "seri " olarak adlandırılır.

Bir seri DC motor düşük  dirençli bir  alana ve armatür devresine sahiptir.Böylece,  gerilim uygulandığında  akım  yüksektir. ( Ohm Kanunu : akım = gerilim / direnç ) . Yüksek akımın avantajı, motorun içindeki,  yüksek tork ( döndürme kuvveti ) üreten manyetik alanın  şiddetli olmasıdır ki  böylelikle trenlerde kalkış için idealdir. Dezavantajı ise , motorun içine akan akım, bir şekilde sınırlandırılmalıdır , aksi takdirde aşırı yüklenme oluşabilir ve /veya motor ve  kablolama zarar görebilir. En iyi ihtimalle ,tork adezyon kuvvetini aşacak ve tekerleklerde kayma meydana gelecektir. Geleneksel olarak , dirençler  başlangıç ​​akımı sınırlamak için kullanılmıştır.

DC Dirençli  Kontrol

DC  motor dönmeye başladığında , içindeki manyetik alanların etkileşimi dahili bir voltaj oluşturur. Bu, " Karşı gerilim " , uygulanan gerilime karşıdır  ve akan akım ikisi arasındaki fark tarafından kontrol edilir. Motor hızlandığında ,, dahili olarak üretilen voltaj yükselir , etkin gerilim düşer, motor üzerinden daha az akım akmaya zorlanırve böylece tork denk düşer. Tabii olarak , trenin sürüklenmesi ile motorun  ürettiği tork eşitliğinde motor artık hızı artmaz. Treni hızlandırmaya  devam edebilmek için  , dirençler  adım adım  anahtarlanırlar ki her adımda gerilim akım ve tork artarak  trenin hızı istenilen şekilde artsın.

Bu eski DC trenlerde zeminin altında, torkun her akım artışında  ortaya çıkan hızlanmanın gerçekleştirdiği  sarsıntıya eşlik eden takırtılar şeklinde duyulabilmektedir.  Devrede hiçbir direnç kalmadığında tüm gerilim motora uygulanır. Trenin hızı efektif gerilimin kontrol ettiği motorun torku ile trenin sürüklenmesi eşitlendiği noktada sabit kalır (Dengeleme Hızı da denilir.) Bir tren bir yamaca tırmanmaya başladığında sürüklenme torktan daha düşük olacağı için hız düşer. Hızdaki düşme, motor akımı yeni “sürüklenme”ye karşılık gelecek yeterli torku üretinceye kadar, karşı gerilimin düşmesine ve böylece efektif gerilimin düşmesine  sebep olur.

Basitçe Bir D.C Katener  Güç Sistemi

Bir elektrikli trende ,sürücü aslında elle dirençleri devreye sokup çıkartır. Fakat, 1914 yılında Birinci Dünya Savaşı'nın başında , İngilterede çok üniteli trenlerde otomatik hızlandırma kullanılmaya başlandı. Bu, motor devresinde, akımın her direnç adımında düşüşünü izleyen bir “hızlandırma rölesi “ vasıtası ile gerçekleştirilir. Sürücünün tek yapması gereken, düşük , orta ya da tam hız ( " şönt ", "seri " ve " paralel " direnç devresindeki bağlantı şekillerinden her biri bu hızlara karşılık gelir ) hızlarında birini seçmek olup gerisini teçhizat kendisi yapacaktır.

Motor Koruma ve Koruma

Görüldüğü gibi , DC motorlar güç devresi içine yerleştirilen bir " notching röle " tarafından kontrol edilir . Ama motor koruması için farklı röleler de vardır . Çok hızlı artan pik şeklindeki akımlar DC motora zarar verecek olduğundan bir aşırı akım rölesi ile aşırı yüksek akımlar tespit edilerek besleme akımı kesilerek teçhizat korunur. Güç akışı Hat kesicileri, uzaktan kontrol edilebilen devre kesicilere benzeyen tek veya çift kesmeli ve ağır koşullarda çalışabilecek anahtarlar vasıtası ile kesilir. Normal şartlarda tren sürücüsünün kontrolörü tarafından açılıp kapanan bu anahtarlar aşırı akım röleleri ile de açılıp kapanabilir.

Basitçe Bir Katener Güç Sistemi Koruma Sistemleri

DC motor kontrol devrelerinde ayrıca bir koruma cihazı bulunur. Bu cihaza “Sıfır Gerilim” rölesi de denir. Bu röle herhangi sebeple oluşabilecek gerilim yokluğunu tespit ederek, motora tekrar enerji vermeden önce kontrol devresindeki olağan akışın en başa döndürüldüğünün sağlayan bir röledir. Bu röle, akım yokken hızı azalmış olan b,r motora çok fazla akımın uygulanmadığından emim olabilmek için gereklidir. 

 

DC Güç Devresi

Basitçe Bir D.C Katener Kontrol Sistemi

Bu diyagram basit bir katener motor güç devresini göstermektedir. Pek çok DC motor devresi 2 veya 4 motoru birden kontrol edecek şekilde düzenlenir.  Kontrol sahası , motor hızlanırken motor terminal bağlantılarını değiştirerek genişletilebilir.  Bu sistem “seri-paralel kontrol “ olarak adlandırılır.

Seri-Parallel Kontrol

 

Bu şekil seri-paralel kontrolün prensiplerini göstermektedir. Üç aşama söz konusudur.Seri,geçiş/şönt, paralel(aynı sıralanma geçerlidir).

Seri Paralel Kontrol Sırası

Tren hızlanırken bağlantılar otomatik olarak değiştirilir. İlk kalkışta motorlar birbirleri ile ve dirençlerle seri haldedir. Dirençler adım adım devreden çıkarılırlar ve tren tam hıza ( tüm dirençler devreden çıkmış halde) ulaşırlar. Tren bu safhada yaklaşık 30 km/saat hızındadır.

Eğer tam hız seçilmişse, “geçiş” devresi seri devrenin iki bacağı arasında paralel bir bağlantı sağlacaktır. Bu hızlı bir şekilde gerçekleşir, iki seri bağlantı açılacak ve dirençler tekrar devreye girmiş olacaktır. Sonra dirençler adım adım devreden çıkarılacak böylece tren tasarlanan “ tam paralel hızda” hareket edecektir. Bu süreçte doğru kontrol akışı ana kontrolör üzerinde şönt,seri,paralel konumlarını seçen sürücünün tam kontrolü altında düşük gerilim kontrol devresi tarafından gerçekleştirilir.

Alan Zayıflatma

DC motor, devrede hiç direncin bulunmadığı ” tam paralel” konfigürasyon sırasında gerçekleşen temel “dengeleme hızı”ndan daha hızlı çalıştırılabilir. Bu , “alan şöntleme” ile gerçekleştirilebilir. Motor alan devresine alan sargısından geçen akımı düşürecek ek bir devre bağlanır. Zayıflatma , alan ile paralel direnç konularak gerçekleştirilir. Bu, armatürü, alan sargılarında üretilen alan ile armatürdeki alan arasındaki dengelemeyi karşılayacak kadar hızlanmaya zorlamak sonucunu doğurur. Bu trenin daha hızlı gitmesini sağlar. Motorun tasarımı ve istenilen sonuca göre alan zayıflatmanın değişik aşamaları kullanılabilir. Bazı trenlerde alan zayıflatmanın 6 adımı kullanılır.

Rejeneratif (Geriye üretim) Frenleme

DC motor ve DC jeneratör mekanik olarak aynı makineler olduğundan, enerjiden kurtulabilmek için uygun bir yol bulunabilirse, tren motorlarının jeneratör olarak kullanılması ve bu sayede bir frenleme etkisinin yaratılmasının mümkün olduğu görülmüştür. Temel düşünce eğer enerji tekrar şebekeye geri döndürülebilirse diğer trenlerin bu enerjiyi kullanabileceği üzerine kurulmuştur. Bu şekilde çalışabilecek trenler tasarlanmıştır. Son teknoloji elektronik kontrol mekanizmalarının ortaya çıkışına dek bu düşünce tam verimli olamamıştır.

Dirençle Frenleme

Rejeneratif frenleme sisteminin en önemli zayıflığı ,hattın geriye üretilen enerjiyi her zaman kabul edememesidir. Bazı katener hatlarında geriye üretilen enerjiyi absorbe eden devasa dirençler ihtiva eden alt istasyonlar vardır. Ne var ki bu çözüm kompleks ve her zaman güvenilir olmayan bir çözümdür. Her trende zaten dirençler bulunduğundan üretilen akımı bunlarla tüketmek mantiki bir çözümdür. Sonuç dirençle frenlemedir. Sürücü frene bastığında, güç devresinin motor bağlantıları güç bağlantılarından fren bağlantılarına değişir ve dirençler motor devresine sokulur. Üretilen enerji dirençler üzerinde tüketilirken tren yavaşlar ve dirençler tıpkı hızlanma sırasında olduğu gibi adım adım devreden çıkar. Dirençle frenleme, sürtünmeyle çalışan frenleme devreye girinceye, hız 30-35 km/ saat hızın altına düşünceye dek sürüdülebilir.

Güç elektroniğinin gelişmesi öncesinde, eğer diğer trenler tarafından absorbe edilebiliyorsa üretilen akımı güç devresi havai hattına veya üçüncü ray (motorlara enerji veren ray )a döndürmesi, edemiyorlar ise tren üzerindeki dirençlerde tüketmesi için , her iki “dinamik frenleme” şeklini birleştirmeye dönük teşebbüsler olmuştur.

Diesel elektrikli lokomotiflerde, dinamik frenlerde dirençli (reostalı) tiplerle sınırlıdır. Ağır tonajlı lokomotiflerin çatılarında görülebilen direnç bankları, uzun ve bayır aşağı hat kısımlarında ve uzun süreli olarak sağlanması ve belirli bir seviyeyi geçmesi gereken hızlarda çok avantaj sağlamaktadır. 

Batarya Ömrü ve Performansı

Ortalama batarya ömrü enerji gereksinim arttıkça kısalmaktadır.  En sık duyduğum iki cümle “bataryam  şarj tutmuyor ve tutmayacağına eminim” dir.  Çok satılan bataryaların sadece % 30’ u  2 seneyi aşan bir ömre sahiptir.  Gerçekte tüm batarya arızaların  % 80’i sülfür birikmesi sonucu gerçekleşir.  Bu birikme elektrolit içerisindeki sülfür moleküllerinin bataryanın kurşun plakalarını kaplayacak kadar  derin deşarja uğraması sonucu oluşur.Çok geçmeden  plakalar o derece kaplanır ki batarya ölür. Sülfürleşmenin pek çok  sebebi vardır.  Bazılarından bahsedelim.

·Bataryalar şarj olma peryotları arasında uzun süre bekler.  Bu süre sıcak havalarda 24 saat ve soğuk havalarda birkaç hafta kadar kısa olabilir.

·Bataryalar herhangi bir enerji girişi olmaksızın depolanmıştır.

·Marş motoru bataryalarında bataryanın derin şarj/deşarja maruz kalması.  Bu bataryalar derin şarj/deşarja dayanıklı değildirler.

·Bataryanın düşük şarj edilmesi. Bir bataryanın örneğin kapasitesinin % 90 inde şarj edilmesi ile diğer % 10 kapasitenin tamamlanmamış şarj çevrimi sonucunda kimyasal olarak bataryanın sülfürleşmesine sebep olması sonucuna yol açtığı görülür.

·40 derece üstünde bir sıcaklık iç direnci artırır. Sıcaklık arttıkça iç deşarj artar. Çalışmadan duran yeni ve tam dolu bir batarya 40 derece sıcaklıkta muhtemelen 30 gün sonunda bir motoru kaldımayı başaramayacaktır.

· Düşük elektrolit seviyesi ile batarya plakaları havayla temas ettiğinden sülfürleşme gerçekleşecektir.

·Soğuk hava batarya üzerinde etkilidir. Böyle bir havada kimyasal sürecin gerçekleştirdiği ısı sıcak bir havanın etkisine sahip olamaz. Derin deşarj olmuş bir bataryanın soğuk bir havada donabilme tehlikesi söz konusudur.

·Parazitik boşalma (daha detaylı bilgi aşağıda verilmektedir.)

  

Batarya ömrünü ve verimini artırmak için bazı yöntemler vardır.

Bir misal:  Bir ATV , tekne, Harley davidson , klasik  araba veya antika arabanız var diyelim. Böyle bir “oyuncak”ı yılın 365 günü kullanmazsınız. Böyle araçların çoğu mevsimsel kullanılıp çok zaman hareketsiz dururlar. Böyle araçları besleyen bataryalar genellikle 2 sezon sonunda ölürler. Bu bataryaların sülfatlaşmasını engelleyemezseniz yenisini almak zorunda kalırsınız.  Sülfatlaşma sürecini tersine çevirecek elektronik cihazlar vardır.  Bundan başka kimyasal batarya katkıları (batarya ekolayzır) bataryaların ömrünü ve performansını artırmada oldukça etkilidirler.  Tekne bataryalarının ömrünün kısalmasını engelleyen güneş pilli şarj cihazları da  bakım konusunda bir seçenek olabilir.

Parazitik boşalma sürekli olarak batarya yükü oluşturan bir durumdur.  Pek çok araçta saati motor yönetim bilgisayarları, alarm sistemler vs bulunur. Bir bot söz konusu ise otomatik sintine pompası, radyo,GPS vs bulunabilir. Bu cihazlar motor çalışmadığı halde sürekli çalışmaktadır. Elektrik sistemindeki bir kısa devre durumunda da parazitik yükler söz konusu olur.  Bataryanız sürekli ölüyorsa muhtemelen parazitik boşalma (yük) söz konusudur.        

Marine Priortiy Start Cihazı Teknenizin Bataryasını Deşarjdan Korur.

   Süreklilik arzeden bir parazitik boşalma bataryanızın ömrünü kısaltacaktır.  Böyle bir probleminiz var ise , teknenizde PriorityStart ünitesini kontrol edin. Bu ünite üzerindeki özel bilgisayar bataryanın  tüm enerjisi boşalmadan önce bataryayı devreden çıkararak derin deşarj olmasını engelleyecektir 

          

Kompakt Florasan Lamba ve Dim Edilebilir Elektronik Balastlar

Enkendesan aydınlatma ısının ışığa dönüştürülmesidir.Bu akkor telli bir lambanın içerisindeki filamanda yaklaşık 176 derecede gerçekleşir. Bu dönüşüm oldukça basit olup en belirgin zayıflığı düşük verimidir ki yaklaşık % 5 civarlarındadır. Yani her 100 birim enerjinin 95 i ısı geri kalan 5 i ise ışığa dönüşmektedir. Ayrıca bu tip lambaların ömrü yaklaşık 2000 saattir. 

Florasan aydınlatma ise ultraviyole ışığın görülebilir ışığa çevrilmesidir. Elektronlar florasan lamba içerisinde akarken civa atomları ile çarpışırlar ve ultraviyole yani mor ötesi ışık yayarlar. Mor ötesi ışık cam tüpün iç kısmında bulunan fosfor kaplama içerisinden geçerken görülebilir ışık meydana gelmektedir. 

Bu iki aşamalı dönüşüm bir akkor telli (enkendesan) lambanın sağladığı aydınlatmanınkine kıyasla çok verimlidir. Yaklaşık % 25 lik bir verim( yaklaşık 40 derecede ) söz konusudur. Ayrıca daha uzun bir kullanım ömrü (10000 saat )söz konusudur. Lambanın (tüpün )yükü direnç karakteristiklidir. Ne var ki lamba akımının kontrolünü sağlayan ve şebeke ile yük arasında bulunan elektronik balast ise kapasitif karakteristiklidir. Aşağıdaki şekilde E (Edison tip) duylu ve plastik muhafazalı bir bölüm içerisine alınmış elektronik balast ile buna bağlı spiral tüplü bir kompakt florasan lamba verilmiştir. 

Şekil 1 : Kompakt Florasan Lamba /Elektronik Balast 

CFL Çalışma:

Aşağıdaki şekilde de görüleceği üzre , elektronik balast blok diyagramında AC şebeke giriş gerilimi 220 volt 50 Hz , yüksek frekanslı anahtarlama esnasında oluşan gürültü ve parazitleri filtreleyecek bir EMI filtre ,doğrultucu (AC-DC dönüştürücü) , gerilim düzenleyici kondansatör, kontrolü elinde bulunduran bir entegre devre, yarım köprü evirici (DC-AC dönüştürücü) ve lambayı ateşleyecek ve sürecek olan bir rezonans devresi bulunmaktadır. Dimmer özelliği için de lamba akımının kontrol edecek geri besleme devresi ayrıca bulunmaktadır.

Şekil 2 : Kompakt Florasan Lamba Blok Diyagramı 

Lamba filamanlarını ısıtacak bir ön ısıtmaya , ateşleme için yüksek gerilime çalışma esnasında yükse bir frekansa ihtiyaç duyar. Bu gereksinimleri karşılayacak şekilde, elektronik bir balast ile öncelikle giriş kısmında  alçak frekansta AC-DC dönüşümü yapılır. Daha sonra yüksek frekansta da bir DC-AC dönüşümü gerçekleştirilir. 

AC giriş şebeke gerilimi tam dalga doğrultulur ve düzgün bir DC bara gerilimi oluşturacak şekilde düzeltilir.  DC bara gerilimi de sonrasında yüksek frekanslı bir dalga şekline evrilir. (%50 çalışma çevrimi) AC kare dalga şeklindeki gerilim yarı dalga bir evirici ile gerçekleştirilir. Bu kare dalga şeklindeki yüksek frekanslı dalga bu aşamadan sonra bir rezonans tank devresini  sürmeye başlar. Ayrıca bu aşamada yine kare dalganın kareliğini gidererek sinuzoidal bir akım ve gerilim oluşturabilmek için kondansatör ile filtreleme yapılır. 

Ön ateşleme sırasında: Rezonans tank devresi yüksek kalite faktörlü (Q factor:  Bu değer yüksek olduğunda devrenin sönümlenme süresi oldukça uzun olup kayıpları azdır şeklinde düşünülebilir) bir seri LC devresidir.   Ateşleme sonrası ve normal çalışma esnasında bu devre seri L, paralel RC devresi haline gelirken artık  orta değerlere sahip bir kalite faktörüne sahip olur.  CFL bir kez  çalıştırıldığında kontrol eden entegre devresi envertörün maksimum frekansını yüksek kalite faktörlü balast çıkış devresine ait rezonans frekansına indirir.  Lamba filamanları  frekans düşürülürken ön ısıtmaya tabi tutulurlar ve lamba akım ve gerilimi artar. Şekil 3:

Şekil 3  : Kompak Florasan Lamba Ön Isıtma Ateşleme Zamanı / Eğrileri 

Frekans, lamba gerilimi lambanın ateşleme gerilim eşik değerini aşıncaya dek düşmeye devam eder. Lamba bir kez ateşlendiğinde lamba akımı istenilen güç ve parlaklık değerinde olacak şekilde kontrol edilir. 
Florasan lambayı dimleyebilmek (ışık seviyesini azaltmak )için yarım köprü eviricinin frekansı artırılır. Bu rezonans tank devresinin kazancının azalmasına ve lamba akımının azalmasına sebep olur. Yarım köprü evirici çalışma frekansını değiştiren kapalı devre bir geri besleme devresi lamba akımını ölçmek ve bu akımı istenilen set değerine ayarlayabilme işlemini gerçekleştirmede kullanılır. 




                                                    
         Şekil 4 :  Örnek bir Kompakt Florasan Lamba Devresi   (Büyütmek için üzerine tıkla)

Yukarıda verilen şekil 4 devresinde BR1 diyotları doğrultmada , IRS2530D entegre devresi tarafından sürülen Q1 ve Q2 mosfetleri evirmede kullanılır.

Resetlenebilir PTC Sigortalar (PPTC )

Açıklama : PPTC polymeric positive temperature coefficient = Polimerik Pozitif Sıcaklık Katsayılı 

Bu kendi kendine  resetlenebilir sigortalar polimer esaslı  PTC elemanlardır.( Bilindiği gibi PTC  kelimesi otomasyon sistemlerde sıkça karşılaştığımız   ve sıcaklık ile orantılı  büyüklüğü değişen dirençlerdir). Bu eleamanlar aşırı sıcaklık ve aşırı akım durumlarına karşı devreyi koruma görevi üstlenirler. Ne var ki bu elemanların en önemli özelliği arıza durumu ortadan kalktıktan sonra kendini tekrar arıza öncesi duruma getirme yani reset olabilme özellikleridir. 

 Kendi Kendini Reset Edilebilir  PTC  Elektronik Devre Sigortası (PPTC)

PPTC  bir direnç gibi işlev görür. Normal çalışmada yajlaşık 0,07 ohm bir dirence sahip olup yeterli akımın akmasına izin verir. Hata durumu meydana geldiğinde ise sigortanın söz konusu sıcaklık ve direnç değerleri akım akışını engelleyecek bir seviyeye yükselir. Arıza durumu ortadan kalktığında direnç değeri normal değerine geri dönerek devrenin kapanmasını sağlar.  Bu elemanlar düşük güçlü elektronik devrelerde kullanılmaya başlanmıştır.