Değişken frekanslı sürücüler: Motor hızını ayarlayan kutu şebekede nasıl yer açar?

Konunun ölçeği, motorların elektrik tüketimindeki payından geliyor. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), elektrik motorlarına dair dünya çapındaki ilk analizini 2011’de Paul Waide ve Conrad U. Brunner imzasıyla yayımladı. Ajansın verimli cihazlar programına (4E) bağlı motor sistemleri çalışma grubu, 2016 raporunda bu hesabı 2014 istatistikleriyle güncelledi: motor sistemleri dünyada tüketilen elektriğin yüzde 47’sini, yılda yaklaşık 9.370 terawatt-saati çekiyor. Bunun yüzde 70’i pompa, fan ve kompresörlerden geliyor. Aynı rapora göre uyumlu bileşenlerden kurulmuş, yüke göre çalışan bir motor sistemi yüzde 20 ila 30 arasında tasarruf sağlayabiliyor.

Motor neden hep aynı hızda döner?

Fabrikalarda ve binalarda en yaygın motor türü olan asenkron (endüksiyon) motorun hızı, şebekenin frekansına bağlıdır. Türkiye’de ve Avrupa’da şebeke 50 hertzle, yani saniyede 50 kez yön değiştiren alternatif akımla, ABD’de ise 60 hertzle çalışır. Motorun içindeki manyetik alan bu ritimle döner, mil de onun hemen ardından gelir. Dört kutuplu bir motor 50 hertzlik şebekede kuramsal olarak dakikada 1.500 devire ulaşır; yük altında biraz geride kalarak bunun birkaç yüzde altında döner. Kısacası prize takılan motor, şebeke ne veriyorsa o hızda döner, kendi başına yavaşlayamaz.

Oysa motorun döndürdüğü pompa ya da fanın ihtiyacı gün boyunca değişir. ABD enerji kurumu DOE’nin pompa sistemleri için hazırladığı teknik notta belirtildiği gibi pompaların çoğu en yüksek talebe, hatta ileride doğabilecek talebe göre boyutlandırılır; bu yüzden büyük kısmı tam kapasitesinin altında çalışır. Akışı azaltmanın klasik yolu boru hattına bir kısma vanası koymaktır. Vana direnci artırır, pompa daha yüksek basınca karşı çalışır ve en verimli noktasından uzaklaşır. Fan sistemlerinde aynı işi kanal kapakları görür. Su azalır, hava azalır; motorun harcadığı enerji ise pek azalmaz.

Hızı yarıya indir, gücü sekizde birine düşür

Sürücünün asıl kozu, santrifüj pompa ve fanların uyduğu üç basit kuraldan gelir. Mühendislikte “benzerlik yasaları” (affinity laws) diye bilinen bu kurallara göre akış devirle doğru orantılı değişir, basınç devrin karesiyle, gereken güç ise devrin küpüyle. Güç, akış ile basıncın çarpımına bağlı olduğu için ikisi birlikte düştüğünde güç çok daha hızlı düşer.

DOE’nin motor sistemleri notlarındaki formül, ideal koşullarda şu tabloyu verir. Değerler küp kuralından hesaplanmıştır; motorun ve sürücünün kendi kayıpları dahil değildir.

Devri yüzde 20 düşürmek gücü kabaca yarıya indiriyor; DOE de notlarında tam olarak bu örneği veriyor. Yarı hızda ideal güç sekizde bire iniyor. Gerçek hayatta motor ve sürücü düşük yükte verimlerinden biraz kaybeder. DOE’nin hesapladığı örnekte tam hızda 16,4 kilovat çeken 20 beygirlik bir egzoz fanı, yarı hızda motor verimi yüzde 77,8’e, sürücü verimi yüzde 86’ya gerilemiş olsa bile toplam 2,8 kilovatla yetiniyor. Kayıplar hesaba katıldığında bile düşüş yüzde 82,9.

Kuralın sınırları da var. Suyu belli bir yüksekliğe basan pompada, devir ne olursa olsun aşılması gereken sabit bir yükseklik bulunur; DOE bu durumda benzerlik yasalarının doğru sonuç vermediğini, sistemin eğrisinin ayrıca çıkarılması gerektiğini not ediyor. Konveyör, vinç, pozitif deplasmanlı pompa ya da vidalı kompresör gibi “sabit torklu” yüklerde ise güç devirle küp değil doğrusal orantılı azalır; tasarruf vardır ama çarpıcı değildir.

Kutunun içinde üç durak: doğrultucu, DC bara, evirici

Sürücü, şebekeden aldığı elektriği önce bambaşka bir biçime çevirip sonra yeniden kurar. İlk durak doğrultucudur: bu kat, yön değiştiren alternatif akımı tek yönlü doğru akıma çevirir. İkinci durak DC baradır; burada büyük kondansatörler, doğrultulmuş gerilimi bir su deposu gibi biriktirip düzleştirir. Üçüncü durak eviricidir (inverter): IGBT denen hızlı yarı iletken anahtarlar, depodaki doğru gerilimi motora parça parça aktarır.

Eviricinin hilesi, darbe genişlik modülasyonu (PWM) adı verilen yöntemdir. Anahtarlar hiçbir zaman yarı açık durmaz, ya tam açık ya tam kapalıdır; çünkü ara durumlarda kayıp çok büyür. DOE’nin açıklamasına göre bu açma kapama saniyede 2 bin ile 20 bin kez arasında tekrarlanır. Darbelerin genişliği ayarlanarak, hedeflenen sinüs dalgasının tepesine yakın yerlerde uzun, sıfıra yakın yerlerde kısa darbeler gönderilir.

Bunu bir musluğu saniyede binlerce kez açıp kapayan bir el gibi düşünebilirsiniz. Musluk her an ya tam açık ya tam kapalıdır, ama açık kalma sürelerini ustaca değiştiren el kovaya istediği hızda su akıtır. Motorun sargıları da akımdaki ani sıçramaları yumuşatır ve motor, sanki istenen frekansta düzgün bir sinüs alıyormuş gibi döner.

Sürücü bu sinüsün frekansını düşürdüğünde motor yavaşlar; gerilimi de birlikte ayarlar ki motorun manyetik devresi zorlanmasın. Bir yan yararı da yumuşak kalkıştır. DOE’nin pompa notuna göre şebekeye doğrudan bağlanan bir endüksiyon motoru kalkışta tam yük akımının altı katına kadar akım çekebilirken, sürücüyle hızlanan motorda bu değer bir buçuk katla sınırlanır. Kayışlar, kaplinler ve sargılar daha az hırpalanır.

ABD’nin motor envanteri: büyük tüketim, az sürücü

Bir ülkede kaç motorun hangi denetimle çalıştığını gösteren en kapsamlı sayımlardan biri ABD’den geliyor. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan (LBNL) Prakash Rao ve ekibi, DOE’nin ileri imalat ofisi için hazırladıkları ve Ocak 2021’de yayımlanan pazar değerlendirmesinde sanayi tesislerindeki ve ticari binalardaki motorları ayrıntılı biçimde sınıflandırdı. Aşağıdaki veriler bu rapordan alınmıştır; sürücü oranları motor sayısına değil, kurulu motor gücüne göredir.

Yılda 1.079 terawatt-saat, basit bir bölmeyle, yıl boyunca hiç durmadan çekilen ortalama 120 gigavatı aşkın bir yüke karşılık geliyor. Raporun dikkat çeken bir başka bulgusu, sürücü kullanımının tesis büyüdükçe artması: büyük sanayi tesislerinde motor gücünün yüzde 17’si sürücülüyken küçük tesislerde bu oran yüzde 8; ticari binalarda büyüklerde yüzde 10, küçüklerde yüzde 2. Ticari binalarda motor gücünün onda dokuzunun hiçbir yük denetimi olmadan çalışması, havalandırma ve pompa sistemlerinin büyük bölümünün hâlâ aç-kapa mantığıyla işlediğini gösteriyor.

Bir otomobil fabrikasının fan hesabı

Sahadan gelen örnekler kuramın kâğıtta kalmadığını gösteriyor. Canary Media’nın aktardığına göre Toyota, 2015’te Kentucky eyaletinin Georgetown kentindeki otomobil fabrikasında iklimlendirme sistemindeki 200’ü aşkın motora sürücü taktı. 1,25 milyon dolarlık deneme projesi yılda 700 bin doları aşkın elektrik tasarrufu sağladı; yani yatırım iki yıl dolmadan kendini ödedi.

Amerikan Enerji Verimli Ekonomi Konseyi’nin (ACEEE) onursal direktörü Neal Elliott, sürücülerin bir motorun enerji tüketimini yaklaşık yüzde 40 ila 60 azaltabileceğini söylüyor. Elliott’un Canary Media’ya söylediği bir cümle, konunun ne kadar eski olduğunu da özetliyor: “Motorun hızını değiştirerek büyük bir enerji tasarrufu fırsatı yakalanabileceğini çok, çok uzun yıllardır biliyoruz.” Energy Innovation adlı politika araştırma kuruluşundan Nik Sawe ise sürücüleri epey enerji geri veren, oldukça basit, “dalından kolayca koparılacak bir meyve” olarak tanımlıyor.

Sürücünün de bedeli var: harmonikler, gerilim sıçramaları, rulman akımları

Sürücü şebekeden düzgün bir sinüs biçiminde akım çekmez. Bu düzensiz çekiş, ana frekansın tam katlarında “harmonik” denen bozucu bileşenler üretir. DOE’nin motor ve sürücü sistemleri kaynak kitabına göre sürücüler hem şebekeden gelen beslemeyi hem de motora giden sinyali bozan harmonikler doğurur. Bu bozulma, IEEE 519 standardında tanımlanan toplam harmonik bozulma (THD) ile ölçülür; elektrikli cihazlar çoğunlukla yüzde 5 civarındaki bir bozulmaya dayanacak biçimde derecelendirilir. Harmonikler trafoları ve motorları fazladan ısıtır, hassas denetim cihazlarının doğruluğunu bozabilir. Bu yüzden birçok tesis sürücülerin yanına filtreler ve yalıtım trafoları ekliyor; bu da faturaya ek maliyet olarak yansıyor. Aynı kaynağa göre hızlı anahtarlama, megahertz düzeyine varan elektromanyetik gürültü de üretebiliyor ve bilgisayar, denetim ve haberleşme devrelerinde arızalara yol açabiliyor.

Hızlı anahtarlamanın motor tarafında da bedeli var. DOE’nin notlarına göre anahtarların gerilimi göz açıp kapayıncaya kadar tam değerine çıkarması, özellikle sürücüyle motor arasındaki kablo uzadıkça motor uçlarında gerilim sıçramalarına yol açıyor; 480 voltluk bir sistemde 2.150 volta varan tepe değerler görülmüş. Bu sıçramalar sargı yalıtımını yıpratıp kısa devreye kadar götürebiliyor. Mile indüklenen akımlar rulmanların içinden geçerek yuvarlanma yüzeylerinde oluk oluk izler bırakabiliyor; DOE, 5 kilohertzin üzerindeki taşıyıcı frekanslarda önlem alınmazsa rulman hasarının olası olduğunu yazıyor. Önerilen çareler kısa kablo, gerilimin artış hızını sınırlayan filtreler, yalıtımlı rulmanlar, mil topraklama fırçaları ve sürücüyle çalışmaya uygun yalıtımlı motorlar. Bir de soğutma sorunu var: DOE’ye göre düşük devirlerde motorun havalandırması yetersiz kalabiliyor.

Ekonomik sınır da göz ardı edilmemeli. DOE’nin pompa notu, sürücünün en anlamlı olduğu yerleri büyük güçlü, yükü zamanla değişen ve uzun saatler çalışan santrifüj sistemler olarak sıralıyor; ortalama elektrik fiyatlarında yılda en az 2 bin saat çalışmayan pompalarda sürücünün genellikle maliyetini çıkaramadığını belirtiyor. Sürücünün kendisi de enerji harcar: DOE’nin aktardığı tipik değerlere göre verimi tam yükte yüzde 95 ila 97 civarındayken çok düşük yüklerde, özellikle küçük sürücülerde belirgin biçimde düşüyor.

Neden hâlâ yaygın değil?

Canary Media’nın haberine göre teknik engellerin önemli kısmı aşılmış durumda: elektrikli araçlar ve güneş enerjisi eviricileri için üretilen güç yarı iletkenleri yaygınlaştıkça sürücüler ucuzladı, akış ölçen sensörler de eskisine göre hem ucuzladı hem doğrulaştı. Asıl düğüm alışkanlıkta ve teşvik yapısında. Ticari ve sanayi yapılarının yatırımcıları uzun vadeli enerji tasarrufu yerine ilk yatırım maliyetini düşürmeye odaklanıyor; sürücü de çoğu tesiste zorunlu değil. ABD Ulusal Elektrik Üreticileri Birliği’nden (NEMA) Zack Valdez durumu şöyle özetliyor: “Kurduğunuz tesis bunu gerektirmiyorsa, insanlar çoğu zaman sürücüyü gözden kaçırıyor.” Sürücü üreticisi Danfoss’un Kuzey Amerika strateji direktörü Michael Reckamp’a göre ise teknoloji henüz “herkesin kullanacağı kadar yayılmadı.”

NEMA, üreticiler, elektrik şirketleri ve verimlilik kuruluşlarıyla birlikte, sürücülerin gerçek koşullarda motorların elektrik tüketimini ve faturaları ne kadar düşürdüğünü ölçecek bir deneme programı başlattı. Destekçiler, sonuçların DOE’nin federal binalar da dahil olmak üzere gelecekteki verimlilik düzenlemelerini ve teşviklerini biçimlendirmesine yardımcı olmasını umuyor.

Veri merkezlerine yeni öneri: gücünü getirme, dengele

Tartışmayı yeniden ısıtan, yapay zekâ veri merkezlerinin elektrik iştahı. Sürücü üreticisi ABB’nin hükümet ilişkileri direktörü Kirk Anderson, Canary Media’ya şunları söyledi: “Piyasadaki bütün motorlara birer sürücü eklenseydi, hiç yeni üretim kapasitesi kurmadan veri merkezlerinin beş yıla varan büyümesine yetecek gücü sağlayabilirdiniz.” Anderson, teknoloji şirketlerinin sürücü kurulumlarının maliyetine ortak olmasını öneriyor: “‘Kendi gücünü getir’ yerine ‘kendi gücünü dengele’ olmalı.”

Bu iddiayı ihtiyatla okumak gerekiyor. Tahmin, sürücü satan bir şirketin yöneticisinden geliyor ve hesabın dayandığı varsayımlar haberde yer almıyor. Üstelik her motor sürücüden aynı ölçüde yararlanmıyor: sürekli tam yükte çalışan bir motorda hızı ayarlamanın getirisi neredeyse yoktur; sabit basma yüksekliği, sürücünün kendi kayıpları ve harmonik önlemleri de gerçek tasarrufu formülün vaat ettiğinin altına çeker.

Yine de yön belli. IEA’nın motor sistemleri çalışma grubu, dünya elektriğinin yarısına yakınını çeken bu sistemlerde tasarrufun bilgi birikimi açısından hazır olduğunu, ama yaygın uygulanmadığını yazıyor. Şimdi sorulan soru teknik olmaktan çok mali: Bodrumdaki pompanın hızını ayarlayacak kutunun parasını kim ödeyecek; bina sahibi mi, elektrik şirketi mi, yoksa şebekede yer bulmakta zorlanan veri merkezi mi? NEMA’nın toplayacağı saha verileri, bu soruyu ilk kez geniş ölçekli gerçek ölçümlerle tartışmaya açabilir.

Fotoğraf: HopuWiki, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons