Aktüatör Nedir?
Şekil 1- Elektrikli Aktüatör
Enerji Kaynaklarına Göre Aktüatör Çeşitleri
Aktüatörler, enerji kaynaklarına göre üçe ayrılır: hidrolik, pnömatik ve elektrikli. Her bir türün kendine özgü çalışma prensipleri ve kullanım avantajları vardır. Gelin, bu türleri yakından tanıyalım.
1. Hidrolik Aktüatörler
Hidrolik aktüatörler, basınçlı hidrolik sıvı ile çalışır. Bu sistemler, sıvıların sıkıştırılamaz özelliğinden faydalanır ve genellikle ağır yüklerin kaldırılmasında tercih edilir. Ancak hidrolik sistemlerde sıvı deposu, pompa ve vanalar gibi ek bileşenlere ihtiyaç duyulur.
Hidrolik hortumlarda oluşabilecek sıvı kaçakları, hem verimi düşürür hem de çevreye zarar verebilir. Ayrıca bakım ve kurulum maliyetleri yüksektir. Hidrolik aktüatörlerin bir diğer dezavantajı ise pistonların yalnızca ileri veya geri çalışmasıdır; ara bir strok değerinde duramazlar. Bu da kullanım alanlarını kısıtlar.
Şekil 2- Hidrolik Sistemlerin Çalışma Prensibi
2. Pnömatik Aktüatörler
Pnömatik aktüatörler, hareketi basınçlı hava ile sağlar. Havanın kullanılabilmesi için kompresör, hava tankı ve şartlandırıcı gibi ek sistemlere ihtiyaç duyulur. Hız açısından hidrolik sistemlere göre avantajlı olsalar da, ara strokta duramama sorunu burada da geçerlidir.
Havanın sızdırmaz bir materyalde bile zamanla kaçak yapması verimliliği olumsuz etkiler. Ayrıca kurulum ve bakım maliyetleri yüksektir. Pnömatik sistemler, ağır yüklerde hidrolik kadar etkili olmasa da hızlı hareket gerektiren uygulamalarda sıkça kullanılır.
Şekil 3- Pnömatik Sistemlerin Çalışma Prensibi
3. Elektrikli Aktüatörler
Aktüatör nedir? sorusunun en modern cevabı elektrikli aktüatörlerde saklıdır. Elektrikli aktüatörler, bir motor ve bilyeli dişli yardımıyla hareketi sağlar. Hidrolik veya pnömatik sistemlerdeki gibi sıvı tankı ya da kompresöre gerek yoktur; yalnızca bir kontrolcü yeterlidir.
Elektrikli aktüatörlerin en büyük avantajı, strok boyunca istenilen mesafede ve ivmede çalışabilmesidir. Programlama tamamen kullanıcıya bağlıdır, sızıntı riski yoktur ve verimlilikleri oldukça yüksektir. Ayrıca gürültüsüz çalışır, yüksek hassasiyet sunar ve beklenmeyen engellerde tepki verebilir. Bu özellikler, elektrikli aktüatörleri diğer türlerden ayırır.
Şekil – 4 Elektrikli Sistemler
Elektrikli Aktüatörlerde Enerji Verimliliği
Pnömatik sistemlerde enerjinin %50’si kompresörlerde ısıya dönüşerek kaybolur. Sızıntılar, filtre kayıpları ve egzozla birlikte işe harcanan enerji sadece %14’tür. Hidrolik sistemlerde de benzer kayıplar yaşanır. Ancak elektrikli aktüatörlerde bu kayıplar minimumdur; enerjinin %75’i işe dönüşür. Tokyo Teknoloji Enstitüsü raporlarına göre, elektrikli aktüatörler pnömatik sistemlerden 5,36 kat daha verimlidir.
Pnömatik sistemlere benzer enerji kayıpları hidrolik sistemlerde de vardır. Bu yüzden, yapılan aktüatör yatırımlarından alınan en yüksek verim elektrikli sistemlerdedir. Kompresörlerde dakikada üretilen hava miktarını belirtmek için kullanılan birim sistemi CFM (Cubic Feet per Minute)’dir. Her marka model kompresör ve bu kompresörün ürettiği basınçlı havayı kullanan pnömatik aktüatörler farklı çeşitlilikte olsa da ortalama bir değer üzerinden örnek verebiliriz.
- Hava haznesinin itme yönündeki hacmi == V1 = D2 ÷ 4 x π x h
- Hava haznesinin çekme yönündeki hacmi == V2 = (D2−𝑑2) ÷ 4 x π x h
- Bir çevrimde (itme ve çekme) kullanılan basınçlı hava hacmi == V = V1 + V2
- Bir dakikada kullanılan basınçlı hava miktarı == Vp = V x C
- Bir dakikada atmosferden çekilen hava miktarı == Vatm = Vp x (𝑃 + 𝑃𝑎𝑡𝑚) ÷ 𝑃𝑎𝑡𝑚
- D = Silindir iç çapı
- d = Piston kolu çapı
- h = Lineer uzanım miktarı
- C = Bir dakikadaki çevrim (itme-çekme) sayısı
- P = Silindire sağlanan hava basıncı
- Patm = Atmosfer basıncı
- 1 m3 / dakika = 35.3 CFM
- 1 HP = 2.5 CFM 6bar
- 1 HP = 0.746 kW
Pnömatik iletim çarpanı olarak 0,75 değerini kullanabiliriz.
Bir örnek üzerinden değerlere bakalım:
| Silindir iç çapı D = 25 mm | V1 = (0.0252 ÷ 4) x 3.142 x 0.3 =1.47 x 10-4 m3 |
| Piston kolu çapı d = 10 mm | V2 = (0.0252−0.0102) 4 x 3.142 x 0.3 = 1.24 x 10-4 m3 |
| Silindire sağlanan hava basıncı P = 6 bar | V = V1 + V2 = 2.71 x 10-4 m3 |
| Uzanım miktarı h = 300 mm | Vp = 2.71 x 10-4 x 30 = 8.13 x 10-3 m3 |
| Çevrim sayısı C = 30 çevrim / dakika | Vatm = 8.13 x 10-3 x (6+1) ÷1 = 5.69 x 10-2 m3 = 2CFM |
| Kompresörün harcadığı güç | Güç = 0.746 x 2 (0.75 x 2.5) = 0.79kW |
| 2000 saatlik elektrik bedeli (günde 8 saatten 250 gün=sadece hafta içi çalışan işletmeler için) | 0,79kW x 2000h x 3.569785TL = 5640.2603TL |
| 7200 saatlik elektrik bedeli (günde 24 saatten 300 gün = 7/24 kesintisiz çalışan işletmeler için) | 0,79kW x 7200h x 3.569785TL = 20304.93708TL |
Tablo- 1 (2022 yılına ait elektrik birim sanayi fiyatı baz alınmıştır.)
Tablo -1’deki pnömatik aktüatör ile benzer yük kaldırabilen IAI markasına ait RCP6-RA7C-WA-56P-16 300 kodlu elektrikli aktüatörü karşılaştıralım. Test esnasında hem pnömatik hem de elektrikli aktüatöre 200N‘luk karşı yük uygulanmıştır.
| Model | RCP6-RA7C-WA-56P-16-300 |
| Encoder | Pilsiz Mutlak Encoder |
| Dişli Adımı | 16 mm |
| Uzanım | 300 mm |
| Hız | 700 mm/s |
| Yük Kapasitesi Yatay | 50 kg |
| Yük Kapasitesi Dikey | 8 kg |
| Maksimum Basma Kuvveti | 273 N |
| Hassasiyet | 0.01 mm |
Tablo- 2
Sadece hafta içi günde 8 saat çalışan bir işletmeyi simüle etmek için hem pnömatik hem de elektrikli aktüatörler 2000 saat boyunca çalıştırılmıştır. Yapılan simülasyonun grafiği aşağıdaki gibidir.
Grafik – 1
Örnek Hesaplama: Pnömatik Aktüatör vs Elektrikli Aktüatör
Bir pnömatik aktüatör, dakikada 30 çevrim yaptığında 2 CFM hava kullanır ve yıllık 1100 kWh enerji harcar. Aynı koşullarda çalışan bir elektrikli aktüatör ise sadece 100 kWh harcar. Aradaki 11 kat fark, elektrikli aktüatörlerin neden tercih edildiğini açıkça gösteriyor.
Aktüatörlerin Kullanım Alanları
- Hidrolik Aktüatörler: İnşaat makineleri, vinçler ve ağır sanayi.
- Pnömatik Aktüatörler: Hızlı montaj hatları ve hafif yük uygulamaları.
- Elektrikli Aktüatörler: Robotik, otomasyon sistemleri ve hassas makineler.
Neden Elektrikli Aktüatörler Tercih Edilmeli?
Aktüatör nedir? sorusunu yanıtladıktan sonra şu açıkça görülüyor: Elektrikli aktüatörler, verimlilik, düşük maliyet ve esneklik açısından diğer türlere üstünlük sağlar. Enerji tasarrufu ve yüksek doğruluk sunan bu sistemler, modern endüstride vazgeçilmezdir.