Senkron Jeneratörler Nasıl Çalışır? |
1. Bölüm

Jeneratörler (diğer bir ismiyle alternatörler), kaynaklardan elde edilen mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren makinelerdir ve temelde DA ve AA olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Bu yazımızda AA jeneratörlerin bir çeşidi olan senkron jeneratörleri inceleyeceğiz. Peki senkron jeneratörlerin yapısı nasıldır? Bir senkron alternatörün hızı nasıl hesaplanır ve senkron alternatörde indüklenen gerilim, güç ve moment nasıl bulunur? Bütün cevaplar yazımızda.

A- A+

26.02.2015 tarihli yazı 30082 kez okunmuştur.

Senkron jeneratörün rotor kısmına bir DA akım uygularsam, bir rotor manyetik alanı oluşturulur. Daha sonra jeneratörü bir hareket kaynağı ile döndürüp, makinenin içinde dönen bir manyetik alan meydana gelir. Böylece dönen manyetik alan ile jeneratörün stator sargılarında üç fazlı gerilim indüklemiş olur. Şimdi makinelerdeki sargıyı tanımlayalım; Birincisi, alan sargılarıdır(ana manyetik alanı üreten sargılar). Rotorun üzerinde bulunduğu için rotor sargıları da denir. İkincisi ise endüvi sargılarıdır(ana gerilimin indüklendiği sargılar). Endüvi sargıları da stator üzerinde bulunduğundan satator sargıları da denir. Rotor üzerinde manyetik kutuplar bulunur. Bu kutuplar çıkık ya da yuvarlak kutupludur. Çıkık kutup demek, rotorun üzerinden dışarı doğru olan kutup demektir(genelde dört ya da daha fazla kutuplu olarak üretilirler). Yuvarlak kutup ise, rotorun yüzeyiyle aynı hizada olan kutup demektir(iki ve dört kutuplu olarak üretilirler).

Rotordaki alan devresinden DA akım geçirildiğinde, rotor döner. Burada bulunan alan sargılarına DA akımın aktarılabilmesi için özel yöntemler gerekir. Bu yöntemlerden birincisi;

►Rotora harici bir DA kaynaktan güç sağlayabiliriz. Bu işlemi bilezik ve fırça yardımıyla yapabiliriz. İkincisi;
►Tekrar bir DA kaynaktan DC güç sağlarız fakat buradaki DC kaynak rotorun üzerine monte edilmiş bir halde olabilir. Peki aynı DC gerilimi tüm alan sargılarına nasıl uygularım? DC gerilim kaynağının pozitif ucunu bir fırçaya, negatif ucunu ise diğer fırçaya bağlarsam iş biter. Yani DC gerilimi rotor hızı veya açısal pozisyondan ayrı tutarak alan sargısına uygulamış olurum.

►İlginizi Çekebilir: DC Motor Nasıl Çalışır?

Biraz önce bilezik ve fırça terimlerini kullandık. Bunlardan da kısaca bahsedecek olursak bilezik, mili (rotoru) tam olarak saran fakat milden izole edilmiş metal halkadır. DA rotor mil üzerindeki iki bileziğe bağlanır ve her bir bilezik fırça ile ilişkilendirilir. Fırçalar, düşük oranda sürtünme ile elektriği ileten karbon bileşenli çubuklardır. Burada düşük sürtünme fırçayı bileziği oluşturan yapıların arasındaki sürtünmenin düşük olmasından kaynaklanır. Tabi sürtünme ne kadar az olursa olsun bir süre sonra fırçada aşınmalar meydana gelir. Eğer bir fırça da ciddi derecede aşınma olmuşsa temassızlık oluşur ve motor çalışmaz ayrıca fırçalardaki gerilim düşümleri, motor üzerinde büyük güç kayıplarına neden olabilir . Fakat küçük güçlü senkron makinelerin tümünde fırça ve bilezik kullanılır. Çünkü DA akımı sağlayan diğer yöntemler oldukça maliyetlidir.

►İlginizi Çekebilir: Step ve Servo Motorlar

Şimdi daha büyük makinelere göz atalım. Büyük jeneratörlerde ve motorlarda DA uyarma akımı sağlamak için fırçasız uyartıcılar kullanılır. Fırçasız bir uyarıcı, alan sargısı stator üzerine ve endüvi devresi motor mili üzerinde bulunan küçük bir AA jeneratörüdür. Jeneratörün üç faz çıkışı, mil üzerine monte edilmiş olan üç fazlı bir doğrultucu devre ile doğru akıma dönüştürülür. Ve sonra ana DA alan sargısını besler. Stator üzerine yerleştirilen uyarıcı jeneratörün küçük DC uyarma akımı kontrolüyle , bilezik ve fırça olmadan ana makine üzerindeki uyarma akımını ayarlamak mümkün olur. Bu sistemin avantajlı kısmı şudur; Fırçasız bir uyarıcı , bilezik ve fırçalılara göre daha az bakım gerektirir çünkü, rotoru ve statoru arasında hiçbir mekanik bağlantı yoktur. Fırçasız uyarıcılar içeren senkron jeneratörlerin çoğu, herhangi bir tehlike anında kullanılabilmesi için aynı zamanda bilezik ve fırçalara da sahiptir.

Senkron Jeneratörün Hızı

Yazımızın başlığı Senkron Jeneratörler. Peki buradaki senkron kelimesinin anlamı nedir? Anlamı şu; elektriksel frekansın, mekanik dönme hızı ile kilitli (senkron) olması demektir. Aslında senkron jeneratörün rotoru , bir elektromıknatıstır. Fizik kuralları gereğince rotordaki manyetik alan, rotorun hangi yönde döneceğini belirler. Şimdi makinedeki manyetik alanların dönüş hızı ile stator elektriksel frekansı arasındaki bağıntıyı inceleyelim;

Fe: Elektriksel frekans(Hz)
► Fe=NmxP/120 Nm: Manyetik alanın mekanik hızı(dev/dk)
P : Kutup sayısı

Burada şu yorumu da yapabiliriz; Rotor ve manyetik alan aynı hızla döndüğü için bu denklem rotor hızı ve oluşan elektriksel frekans arasındaki ilişkiyi de verir. Gördüğümüz gibi jeneratör, makine üzerindeki kutup sayısına bağlı olarak sabit hızla döner.

Jeneratörde İndüklenen Gerilim

Bir stator fazında indüklenen gerilim;

►Ea=K.Q.w , K= Nc/(1,4142)= NcxP/(1,4142)

Denklemde indüklenen gerilim Ea, doğrudan akı ve hız ile orantılıdır. Fakat akı rotor alan devresinden akan akıma bağlıdır. Uyarma akımı If, akıyla doğru orantılıdır. Ea doğrudan akıyla orantılı olduğundan indüklenen gerilim,uyarma akımına bağlıdır. Bu değişime, makinenin boşta çalışma karakteristiği diyoruz.

Güç ve Moment Hesabı

Senkron jeneratörler mekanik gücü üç faz elektriksel güce dönüştürürler. Hangi hareket kaynağı kullanılırsa kullanılsın önemli olan tek nokta, çekilen güçten bağımsız olarak hızın yaklaşık olarak sabit tutulması gerektiğidir. Bu nokta, güç sisteminin frekansının sabit kalması için çok önemlidir.

►İlginizi Çekebilir:Gerilim Bölücü Devreler

Yazımızın girişinde jeneratörlerin , girişteki mekanik gücü çıkışta elektrik gücüne çevirdiğini söylemiştim.Bunun yanında şunu da söylemem gerekiyor. Girişteki mekanik gücün tamamı çıkışta elektrik gücüne dönüşmüyor. Burada anlatmak istediğim nokta makine kayıpları. Giriş ve çıkış güçleri arasındaki fark makine kayıplarını gösterir. Giriş mekanik gücü jeneratörün milindeki güçtür. Mekanikten elektriğe dönüştürülen güç;

►P= 3 x Ea x Ia x cosq

Burada q, Ea ile Ia arasındaki açıdır. Jeneratörün giriş gücü ile jeneratörde dönüşen güç arasındaki fark makinenin mekanik çekirdek ve dağılma kayıplarını verir. Senkron jeneratörün gerçek elektriksel çıkış gücü , hat büyüklükleri cinsinden;

►Pout= 1,7320 x Vt x I x cosQ

Özetleyecek olursak, bir senkron jeneratörde elde edilen güç ve indüklenen moment tam olarak şu şekilde bulunur;

►P=(3 x Vq x Ea x sinw)/Xs (w açısı makinenin moment açısıdır. Vq değeri sabit kabul edilir.)


►Tork=(3 x Vq x Ea x sinw)/Wm x Xs

Bu ifade indüklenen momenti elektriksek büyüklüklere bağlı olarak tanımlar.

KAYNAK:
►Electric Motor Handbook
►Electric Machines