Trifaze asenkron motorun tüm davranışı, statorda kurulan döner manyetik alanla başlar. Bu alanın hızı motorun devrini, dönme yönü ise milin yönünü belirler.
Üç fazın zaman içindeki kayması
Şebekenin üç fazı, birbirine göre yüz yirmi derece kaymış sinüs biçimli gerilimler taşır. Bu gerilimler statorun üç sargı grubunu besler. Her sargının ürettiği manyetik alan kendi fazının tepe anında en büyük değerine ulaşır. Üç alan uzayda da yüz yirmi derece kaydırılmış olduğundan, bileşkeleri sabit büyüklükte ama dönen bir alan verir. Alanın bir tam turu, şebeke geriliminin bir tam çevrimine karşılık gelir.
Senkron hız bağıntısı
Döner alanın hızına senkron hız denir. Senkron hız, şebeke frekansının 120 ile çarpılıp kutup sayısına bölünmesiyle dakikadaki tur cinsinden bulunur. Elli hertz beslemede iki kutuplu bir motorun senkron hızı 3.000 turdur. Aynı frekansta dört kutuplu motor 1.500, altı kutuplu 1.000, sekiz kutuplu 750 tur döner.
Bağıntıda kutup sayısı paydada yer aldığından, kutup sayısını iki katına çıkarmak senkron hızı yarıya indirir. Devir kademeleri bu nedenle sürekli değil ayrık değerler alır.
Kutup sayısının fiziksel karşılığı
Kutup sayısı, stator sargısının oluklara nasıl dağıtıldığıyla belirlenir. İki kutuplu bir sargıda alan, stator çevresinde bir kuzey ve bir güney kutbu oluşturur. Dört kutuplu sargıda ise iki kuzey ve iki güney kutbu doğar. Alan bir tam tur atmak için iki kez daha uzun bir yol kat eder ve hız yarıya iner. Kutup sayısı her zaman çift sayıdır, çünkü kutuplar çiftler hâlinde oluşur.
Frekansın etkisi
Senkron hız frekansla doğru orantılıdır. Altmış hertz şebekede aynı motorun senkron hızı elli hertz şebekedekinin yüzde yirmi üzerine çıkar. Frekans invertörü bu ilişkiyi kullanarak devri sürekli değiştirir. Frekansla birlikte gerilimin de ölçeklenmesi gerekir, çünkü sabit gerilimde düşük frekans manyetik doymaya yol açar. Bu ölçekleme, gerilim ile frekansın oranını sabit tutan denetim yöntemiyle yapılır.
Alanın dönme yönü
Döner alanın yönü, fazların statora hangi sırayla ulaştığına bağlıdır. Herhangi iki faz ucunun yer değiştirmesi, alanın yönünü tersine çevirir. Üç ucun birlikte kaydırılması ise yönü değiştirmez, yalnızca faz sırasını korur. Motorun dönüş yönü bu yüzden sahada iki kabloyla ayarlanabilir. Faz sırasının ölçülmesi ve yön değişimi ayrı bir başlıkta ele alınmıştır.
Rotorun alanı izlemesi
Döner alan, rotorun kısa devre edilmiş çubuklarını keserek gerilim indükler. İndüklenen gerilim çubuklarda akım doğurur ve bu akım alanla etkileşerek bir tork üretir. Tork, rotoru alanın döndüğü yöne sürükler. Rotor alanla tam aynı hıza ulaşsaydı bağıl hareket biterdi ve gerilim indüklenmezdi. Bu yüzden rotor daima alanın gerisinde kalır.
Bağıl hız ve rotor frekansı
Rotor çubuklarında indüklenen gerilimin frekansı, döner alan ile rotor arasındaki bağıl hıza bağlıdır. Motor dururken bağıl hız en yüksektir ve rotor frekansı şebeke frekansına eşittir. Motor hızlandıkça bağıl hız küçülür ve rotor frekansı birkaç hertz düzeyine iner. Rotor demirindeki kayıplar da bu düşük frekansta küçülür. Kalkış anındaki yüksek rotor frekansı, kalkış akımının kaynağıdır.
Alan zayıflatma bölgesi
Frekans invertörü, şebeke frekansının üzerine çıkarak senkron hızı yükseltebilir. Bu bölgede gerilim artık yükseltilemediğinden gerilim-frekans oranı düşer. Manyetik alan zayıflar ve motorun üretebileceği tork azalır. Güç ise yaklaşık sabit kalır, çünkü devir artarken tork düşer. Yüksek devirli tekstil ve tezgâh tahrikleri bu bölgede çalıştırılır.
Statorun sac paketi
Stator, birbirinden yalıtılmış ince silisli çelik saclardan oluşturulur. Sacların ince olması, döner alanın demirde ürettiği girdap akımlarını sınırlar. Silisyum katkısı ise demirin öz direncini yükselterek aynı kaybı azaltır. Manyetik alanın her çevrimde yön değiştirmesi ayrıca histerezis kaybı doğurur. Bu iki kayıp, motorun boşta bile ısınmasının nedenidir.
Sargı dağılımı ve harmonikler
Sargılar oluklara ayrık biçimde yerleştirildiğinden döner alan tam düzgün bir sinüs olmaz. Alanda temel bileşenin yanında yüksek dereceli harmonik alanlar da bulunur. Bu harmonikler, ana torkun üzerine küçük ters torklar bindirerek gürültü ve titreşim yaratır. Sargının oluklara dağıtılması ve olukların eğik açılması, harmoniklerin etkisini azaltır. Frekans invertörüyle sürülen bir motorda harmonik içerik ayrıca büyür.
Gerilim-frekans oranının korunması
Statorda kurulan manyetik akı, uygulanan gerilimin frekansa oranıyla belirlenir. Frekans düşürülürken gerilim aynı bırakılırsa akı büyür ve demir çekirdek doyar. Doyan bir çekirdekte mıknatıslanma akımı hızla yükselir ve sargı ısınır. Bu yüzden invertör, frekansı düşürürken gerilimi de aynı oranda düşürür. Çok düşük frekanslarda sargı direncinin payı büyüdüğünden gerilime küçük bir takviye eklenir.
İki kutuplu motorların sınırı
İki kutuplu bir motor elli hertz beslemede dakikada 3.000 tur döner. Bu devirde rotorun çevresel hızı yüksektir ve merkezkaç kuvveti rotor çubuklarını zorlar. Rulman ömrü de devirle birlikte kısalır. Yüksek devirli motorlarda dinamik dengeleme sınıfı daha katı seçilir. Aynı güçteki iki kutuplu bir motor, dört kutupluya göre daha küçük gövdeye sığar.
Altmış hertz şebekede çalıştırma
Elli hertz için üretilmiş bir motor altmış hertz şebekeye bağlandığında senkron hız yüzde yirmi yükselir. Aynı gerilim uygulandığında gerilim-frekans oranı düşer, manyetik akı zayıflar ve motorun torku azalır. Fanın çektiği güç ise devrin küpüyle büyüdüğünden aynı fan tahriki motoru aşırı yükleyebilir. Bu nedenle frekans değişimi, gerilim ve yük birlikte değerlendirilmeden yapılmaz.
Senkron hızın seçime etkisi
Uygulamanın istediği çıkış devri, kutup sayısının seçimini belirler. Yüksek devir gereken tahriklerde iki kutuplu, düşük devir gerekenlerde altı ya da sekiz kutuplu motor kullanılır. Ara devirler için ya redüktör ya frekans invertörü kullanılır. Redüktörle kurulan tahrik endüstriyel redüktör yaklaşımıyla, motorun genel seçimi ise trifaze elektrik motoru çerçevesiyle değerlendirilir. Gerçek devir, kayma düşülerek bulunur ve ayrıntısı kayma ile tork-devir eğrisi çerçevesinde yer alır.
Döner manyetik alan, trifaze motorun kendiliğinden kalkmasını sağlayan yapısal üstünlüktür. Senkron hızı frekans ile kutup sayısı belirler; gerçek devir ise bu hızın kayma kadar altında kalır.
