IE5 sınıfı senkron motorlar, anma hızının üzerinde de çalışabilir. Bunu, alan zayıflatma adı verilen bir kontrol yöntemiyle yapar.
Maksimum hızın gerilim sınırı
Bir motor döndükçe, sargılarında dönme hızıyla orantılı bir karşı gerilim üretir. Motorun hızı arttıkça bu karşı gerilim de yükselir ve sürücünün verebileceği maksimum gerilime yaklaşır. Sürücü, karşı gerilimi aşan bir gerilim veremediğinden, motor bu noktada bir hız tavanına ulaşır. Kalıcı mıknatıslı motorda karşı gerilimi mıknatısın sabit alanı ürettiği için, bu tavan doğal olarak anma hızı dolayındadır. Anma hızının üzerine çıkmak, bu gerilim sınırını aşmanın bir yolunu gerektirir.
Alan zayıflatmanın çalışma prensibi
Alan zayıflatma, rotorun ürettiği manyetik alanı kontrollü biçimde azaltarak karşı gerilimi düşürür. Sürücü, stator akımına rotor alanına ters yönde bir bileşen ekler ve bu bileşen mıknatısın alanının etkisini kısmen zayıflatır. Karşı gerilim düştüğü için motor, sürücünün gerilim sınırı içinde daha yüksek hızlara çıkabilir. Bu yöntem, motorun anma hızının iki hatta üç katına kadar dönmesine olanak tanır. Zayıflatılan alanın karşılığında üretilen tork azalır, bu yüzden yüksek hız bölgesi sabit güç bölgesi olarak adlandırılır.
Sabit tork ve sabit güç bölgeleri
Senkron bir motorun çalışma aralığı iki bölgeye ayrılır. Anma hızına kadar olan bölgede motor sabit tork üretir; akım sınırı içinde tam torkunu her hızda verebilir. Anma hızının üzerinde ise alan zayıflatma devreye girer ve motor sabit güç bölgesine geçer. Bu bölgede hız arttıkça tork azalır, ama ikisinin çarpımı olan güç yaklaşık sabit kalır. Uygulamanın hangi bölgede çalışacağını bilmek, motorun ve sürücünün doğru boyutlandırılması için gereklidir.
Gömülü mıknatıslı yapının üstünlüğü
Alan zayıflatma, mıknatısların yerleşimine göre farklı performans verir. Yüzey mıknatıslı rotorda alanı zayıflatmak zordur ve hız aralığı dardır. Gömülü mıknatıslı yapıda (IPMSM) ise mıknatısların ürettiği torka bir de relüktans momenti eklenir, bu da alan zayıflatmayı kolaylaştırır ve hız aralığını genişletir. Senkron relüktans motor da relüktans yapısı sayesinde geniş bir sabit güç bölgesi sunar. Bu yüzden yüksek hız gerektiren IE5 uygulamalarında gömülü mıknatıslı ve relüktans tabanlı tasarımlar tercih edilir.
Gerilim rezervi ve tasarım
Alan zayıflatmanın ne kadar hız kazandıracağı, sürücünün gerilim rezervine bağlıdır. Motorun anma karşı gerilimi sürücünün maksimum gerilimine ne kadar yakınsa, zayıflatmaya o kadar erken ihtiyaç duyulur ve hız aralığı daralır. Tasarımcı, motorun sarım sayısını ayarlayarak anma karşı gerilimini sürücünün altında bırakır ve böylece yüksek hız için bir rezerv açar. Bu rezerv, alan zayıflatma bölgesinin genişliğini doğrudan belirler. Aynı motor, daha yüksek gerilimli bir sürücüyle çalıştırıldığında daha geniş bir hız aralığı elde edilir. Bu yüzden yüksek hız gereken uygulamalarda motor ve sürücü, gerilim rezervi birlikte düşünülerek seçilir.
Alan zayıflatmanın sınırları
Alan zayıflatma sınırsız değildir ve birkaç kısıt taşır. Alanı zayıflatmak için sürekli akan ters yönlü akım, motorda ek bir kayıp üretir ve verimi bu bölgede bir miktar düşürür. Ters akım aynı zamanda mıknatısı zorlayarak, yüksek sıcaklıkla birleştiğinde demanyetizasyon riskini büyütür. Bu nedenle alan zayıflatma bölgesinde çalışacak bir motorda mıknatıs sınıfı ve sürücü akım sınırı dikkatle seçilir. Bu riskin yönetimi, mıknatıs sıcaklığı ve demanyetizasyon koruması yaklaşımıyla birlikte ele alınır.
Hangi uygulamalarda işe yarar
Alan zayıflatma, geniş bir hız aralığı gereken uygulamalarda değer taşır. Sarma ve açma makineleri, iş mili tahrikleri ve değişken hızlı fan uygulamaları, düşük hızda yüksek tork ile yüksek hızda düşük tork arasında çalışır. Böyle bir tahrikte motorun tek bir gövdeyle geniş hız aralığını karşılaması, ayrı bir redüktör ihtiyacını azaltır. Sabit hızlı bir uygulamada ise alan zayıflatmaya gerek yoktur ve motor yalnızca sabit tork bölgesinde çalışır. Uygulamanın hız-tork profili, bu yeteneğe ihtiyaç olup olmadığını belirler.
Örnek bir hız-tork profili
Bir sarma makinesi, alan zayıflatmanın değerini iyi gösterir. Makine, bobin boşken küçük çaplı bir göbeği yüksek hızda döndürür; bobin doldukça çap büyür ve aynı çizgisel hız için devir düşerken tork ihtiyacı artar. Motor, düşük hız bölgesinde bobin dolu ve tork yüksekken sabit tork üretir. Bobin boş ve hız yüksekken ise alan zayıflatma devreye girer ve motor sabit güç bölgesinde düşük torkla yüksek devirde döner. Böylece tek bir motor, redüktör değiştirmeden makinenin tüm çalışma aralığını karşılar. Bu esneklik, alan zayıflatmanın sağladığı geniş hız bandının doğrudan bir uygulamasıdır.
Verime ve boyuta etkisi
Alan zayıflatma, motorun boyutlandırılmasını da etkiler. Geniş bir sabit güç bölgesi gereken bir uygulamada, redüktör yerine motorun kendi hız aralığından yararlanmak, sistemi sadeleştirir ve dişli kaybını ortadan kaldırır. Bunun aksine alan zayıflatma bölgesinde çekilen ek akım, bu bölgede verimi bir miktar düşürür. Bu yüzden motor, en çok zaman geçirdiği hız bandında en yüksek verimi verecek biçimde seçilir. Uygulama çoğunlukla sabit tork bölgesinde çalışıyorsa, geniş alan zayıflatma yeteneğine gerek kalmaz. Motorun çalışma noktasının nerede yoğunlaştığı, tasarımın odağını belirler.
Doğru boyutlandırma
Alan zayıflatma yeteneğinden yararlanmak, motoru ve sürücüyü bu bölgeye göre boyutlandırmayı gerektirir. Motorun sabit güç bölgesindeki torku, uygulamanın yüksek hızdaki yük ihtiyacını karşılamalıdır. Sürücünün akım ve gerilim kapasitesi de bu bölgeyi desteklemelidir. Yanlış boyutlandırılmış bir sistem, yüksek hızda ya tork yetersizliği ya da aşırı ısınma yaşar. Motorun gücü ve hız aralığı, IE5 ultra yüksek verimli motor yaklaşımıyla gerçek uygulama profiline göre seçildiğinde, alan zayıflatma güvenli ve verimli çalışır.
Alan zayıflatma, IE5 senkron motorlara anma hızının üzerinde çalışma yeteneği kazandıran bir kontrol yöntemidir. Gömülü mıknatıslı ve relüktans tabanlı yapılarda geniş bir sabit güç bölgesi sunar, ama mıknatıs ve sürücü sınırları içinde dikkatle uygulanır. Doğru boyutlandırıldığında bu yetenek, ayrı bir redüktör ihtiyacını ortadan kaldırarak sistemi sadeleştirir. Uygulamanın hız-tork profili bilinmeden bu yeteneğin doğru kullanılması güçleşir.
