ELEKTRİK MAKİNELERİ H10 Tartışma Sorularının Yanıtları SAÜ Hazırlayan Dr.Mustafa Turan

Transkript

1 Senkron Makineler 1) Senkron makinelerin yaygın kullanımı jeneratör (alternatör) olarak mıdır? Yoksa motor olarak mı? Yanıt 1: Elektrik makineleri disiplininde bir araca makine deniyor ise, o makine hem jeneratör ve hem de motor olarak çalışabilmektedir. İşlediğimiz elektrik makinelerinin hepsi böyle. Bu bağlamda senkron makine hem jeneratör ve hem de motor olarak çalışabilmektedir. Senkron motorun yolverme işlemi teferruatlıdır, kendi kendine yol alamaz. Kararlı işletim aralığı da düşüktür, bu nedenle motor kullanımı çok azalmıştır. Fakat, senkron motorlar özellikle karakteri iyi bilinen büyük güçlü yüklerde tekrardan bitirim hale gelirler. Zira senkron motor, uyarma akımının alacağı değere göre omik, endüktif yada kapasitif motor olarak çalışabilir. Bu da büyük güçlü uygulamalarda, büyük reaktif güç kompanzasyon sistemleri gerektirmemesi yönü ile bir anda üstün hale gelir. Özetle söyleyebiliriz ki, küçük-orta güçlü uygulamalarda motor kullanımı seyrektir. Oysa, günümüzde elektrik enerjisinin hemen hemen %100'ü senkron jeneratörler ile üretilmektedir. Bu makineler büyük cüsselidir ve genellikle jeneratör uygulamalarında kendilerini kaçınılmaz olarak gösterirler. Senkron jeneratörün (alternatör de denilir) haricinde, alternatif akımı daha uygun üretmenin başka daha uygun - daha verimli / ucuz bir yöntemi bulunmamaktadır. 2) Senkron makinelerin neresinde alternatif gerilim; neresinde doğru gerilim vardır? Yanıt 2: Senkron makinenin statorundaki endüvi sargısında 3 fazlı alternatif gerilim indüklenir (jeneratör çalışmada) ya da dışarıdan aynı nitelikte gerilim uygulanır (motor çalışmada). Diğer taraftan kutup tekerleği de denilen rotor sargısına her zaman (ister jeneratör olsun - ister motor olsun) doğru gerilim uygulanır. Not: Rotor tekerleğinde uyarma sargısı yerine sabit mıknatıs olan türleri de mevcuttur. Böyle bir durumda pek tabii ki rotora akım uygulanmaz. 3) Senkron makinenin üzerinde kaç tane terminal kutusu vardır? Uçlarını biliyor musunuz? Yanıt 3: Genellikle stator ve rotor için ayrı ayrı terminal kutuları vardır. Zira bu iki kapıya farklı nitelikte gerilimlere maruzdur. Stator AC, rotor DC. Aşağıdaki şekli inceleyiniz:

2 4) Senkron makinelerin dönme hızı nedir (Bağıntısı - bağlı olduğu parametreler anlamında)? Yanıt 4: Senkron makine her zaman; senkron hız denilen: hızında döner. Senkron hız, denklemden de görüleceği üzere f 1 şebeke frekansı ve p çift kutup sayısının fonksiyonudur. Not: Döner alan hızını, diğer bir döner alan makinesi olan asenkron makineler bahsinden hatırlamalısınız. 5) Bir senkron makinenin motor çalıştığı düşünülürse, frekansın sabit kalması halinde, yüklenen bir senkron motorun devir sayısı düşer mi? Yanıt 5: Senkron makinenin hızı, statordaki endüvi sargısında oluşan ve değeri n s olan hızdır. Senkron makine bu hızdan 1 devir bile farklı dönerek olarak enerji üretemez. Örnekleyecek olursak n s =1500 rpm olan bir senkron motorun bu hızda dönmesini (döner alanın hızı) yukarıdaki denklem sağlar (f 1 frekansı 50Hz ve çift kutup sayısı p=2 halinde). Buradan hareketle, bu motor 1499 yada 1501 rpm de dönemez ve böyle bir devir sayısında enerji üretemez (rpm: devir / dakika anlamındadır). Bu hızı frekans ve kutup sayısının belirlediği göz ardı edilmemelidir. Örneğin şebeke frekansı 50Hz yerine 49.9Hz e düşerse senkron devşir sayısı da 1497 rpm ye düşecektir. Bu mutlaklık motor çalışmada kararlılığı zor bir aralıkta tutmayı gerektirir. Motorun devri değişemez, değişirse (yani yük ağır basarsa) bu durumda motor mili durur, yani senkronizma kırılır (bir anlamda stator ile rotor arasındaki manyetik bağ kopar). Rotorun devir sayısı değişemez / değişmeye zorlanırsa (motor milindeki yük arttırılarak) stator ile rotor arasındaki açı farkı büyür (bunu bir çeşit iki kısmı birbirine bağlayan manyetik bağı sünüyor gibi düşünebilirsiniz). Bu açı teorik olarak en fazla 90 derece elektriki açı değerine erişebilir. Motor (rotor) daha da yüklenirse / zorlanırsa, bu açı 90 derecen fazla bir değer zorlanmış olabilir. Stator döner alanı ile rotor manyetik alanı arasındaki elektriki kritik açı 90 derecedir. Rotor ile Stator manyetik alanları arasındaki açı 90 derece olunca, birbirine dik manyetik alanlar itme-çekme gibi bir etkileşimde bulunamazlar ve pratik olarak stator ile rotor arasındaki manyetik bağ kopar ve motorun rotoru durur, motor senkronizmadan çıkar, şebekenden de daha büyük akım çekmeye başlar, bu şekilde devreden çıkartılamdan durursa, bu durumda motor sargıları aşı ısıdan zarar görür. 6) Bir senkron motor istihap haddinin (nominal gücünün) çok üstünde yüklenirse devir sayısının ne olması beklenir? Yanıt 6: Bunu 5 te açıkladım. Motor senkronizmadan çıkar. Statordaki döner alan ile rotordaki kutup tekerleği arasındaki manyetik bağ kopar ve rotor durur, motor aşırı akım çekmeye ısınmaya başlar.

3 7) Bir senkron jeneratör istiap haddinin (nominal gücünün) çok üstünde yüklenirse devir sayısının ne olması beklenir? Yanıt 7: Bu soruya bir eklenti yapıp, jeneratörün enterkonnekte şebekede paralel olarak çalıştığı bilgisini de ekleyelim. Enterkonnekte şebekede çalışan bir senkron jeneratörün fazla güç üretmesi, jeneratörün miline türbinden daha fazla mekanik güç verilmesini gerektirir. Zira jeneratör mekanik gücü elektrik gücüne çeviren bir araçtır. Diğer bir deyişle, gaza daha fazla basmadan (daha fazla mekanik güç vermeden) daha fazla elektrik gücü üretemezsiniz. Üretilen elektrik gücü, jeneratörün girişine (miline) uygulanan mekanik güç ile orantılıdır. Bu kez motordakinin tersi yönünde bir gerilme söz konusudur. Yüklenen motorda, dönme yönüne göre, rotor belli bir açı ile statordaki döner alandan geri kalır. Oysa jeneratörde, jeneratörün daha fazla elektriksel güç üretilmesi için, bu kez makine milinden daha fazla mekanik güç girilmiş demektir. Bu durumda motordakinin tersi olarak, rotordaki kutup tekerleğinin manyetik alanı, statordaki (endüvi sargısında üretilen) döner alandan belirli bir açı ile ileri gider. Jeneratörün daha fazla güç üretmesi için jeneratörün miline daha fazla tahrik gücü uygulanmalıdır. Uygulanan mekanik güç arttıkça bu kez rotor belirli bir açı ile statordaki alandan ileri durmaya başlar. Yine bu açının teorik üst sınırı 90 derece elektriki açıdır. 90 dereceden sonra (birbirine dik iki manyetik alan itme- çekme konusunda etkileşmez) stator ile rotor arasındaki manyetik bağ kopar. Jeneratör artık enterkonnekte şebekeye elektrik enerjisi veremez hale geçer. Şebeke ile jeneratör arasındaki akım normal sinüsoidal akım olmaktan çıkar, güvenlik sistemleri jeneratörü şebekeden ayırır. Jeneratör kütlesi hızlanmış olarak dönmekteyken (tonlarca ağırlıktaki bir rotoru düşünün) girişte mekanik güç vardır, jeneratör elektrik enerjisi üretemeyince çıkış gücü kalmaz, makinenin enerji /güç dengesi bozulur. Tahrik makinesinden gelen (örneğin su türbininden gelen mekanik güç) bu fazla güç karşısında elektriksel frenleyici bir denge unsuru kalmadığından, rotoru hızlandırmaya başlar. Bu olaya senkron jeneratörün ambale olması denilir. Tehlikeli bir olaydır. Zira rotor üzerindeki tonlarca ağırlıktaki kutuplara etkiyen merkezkaç kuvvet artan hızın karesi ile artmaya başlar ve rotor parçalanabilir. Ambale olan bir jeneratörün hızı genellikle 2 katına kadar çıkabilmektedir (saha testlerinden). Ambalman devir sayısının sınırlanması için (ambale olma durumunda erişilen hız) tahrik sistemi momenti yavaş yavaş kesilir. Şayet bir hidrolik santral ise, türbini süren cebri boru üzerindeki vana hidrolik kontrol düzeneği ile yavaşça kapatılarak rotorun hızlanması yavaşlatılır. Akışkanlar mekaniğinde bu tür vanalar birden kapatılamaz, yavaşça - dakikalar süren bir yavaşlıkta- kapatılması gerekir. Aksi halde gelen suyun basıncı koç tepkisi denilen özel bir basınç oluşturarak borulara zarar verir.

4 8) 1000MW gibi büyük güçlü bir senkron makinenin soğutma sistemi nasıldır? Bunun gerekçesi nedir? Yanıt için bu tür bir makinede kaybın 1/1000 olduğunu kabul ederek yorum yapmaya çalışınız. Yanıt 8: Bu işin kitabı genel olarak olmamakla beraber, konu imalat mühendislerinin tercihine kalır. Genel teammül şöyledir: Örneğin tesisimizde 1000MW lık bir jeneratörün olduğunu varsayalım ve bu jeneratörde binde 1 kayıp olduğunu varsaymış olsak, jeneratörü ısıtacak kayıp güç 1MW gibi büyük bir güç çıkacaktır. Bu ise muazzam bir güçtür. Şayet soğutma için ciddi önlemler almadıysanız, makinenin sıcaklığı artıp sargıları tahrip edecektir. Bu gibi ciddi ısı enerjilerini makine dışına transfer edebilmek için özel soğutma önlemleri alınır (hava ile, su ile, yağlı, hidrojenli soğutma gibi). Örneğin genel olarak söyleyecek olursak, 1000 MW gibi büyük güçler ve üzerinde hidrojenli soğutma uygulanır. Dediğim gibi bu Allah ın emir değildir. Örneğin Sakarya'da kurulu ENKA Doğalgaz santralinde 700MW lık 3 adet senkron jeneratör gurubu vardır. Bunların her biri hidrojen soğutmalıdır. Mühendisliğin yarısı hesap / gerçekleştirme ve en az diğer yarısı da karar verme problemidir. Yani neyin nasıl olacağı genelde karar verme problemidir. Aynı sistemi bir başka mühendis başka bir türde soğutmalı da tasarlayabilir. Karar verme problemleri çevremizde çok sayıda gözükür, herkes bina - araba yapar fakat herkesin yaptığı genel olarak farklıdır ve ilginçtir ki hiçbiri de genellikle yanlış değildir (ya da doğruları kendi içinde saklıdır). 9) Senkron makinede kaç tip rotor yapısı vardır? Yanıt 9: 2 tip: Yuvarlak kutuplu rotor ve çıkık kutuplu rotor. Yuvarlak kutuplu rotor, genellikle rpm lik yüksek hızlarda kullanılır, bu nedenle bu yapıya turbo jeneratör ya da turbo alternatör de denilir. Turbo alternatörler genellikle gaz türbini ya da buhar türbinli santrallerde; çıkık kutuplu alternatörler de hidrolik santrallerde kullanılır. 10) Senkron makinenin statorundaki endüvi sargısı asenkron makinenin statorundaki sargıya benzer mi? Bu makine de bir döner alan makinesi midir? Yanıt 10: Evet senkron makine de bir döner alan makinesidir. Statoru yapı - karakter olarak asenkron makine ile aynıdır.

5 11) Amortisör sargısı nedir? Amortisör sargısı motorun yaylanmasını mı sağlar? :) İlgili şekiller üzerinde bu sargıyı görebildiniz mi? Yanıt 11: (5)'te rotor ile stator manyetik alanları arasında yüklenme ile değişen bir açı farkı olduğunu ifade etmiş idik (bilimde bu açıya yük açısı denir). Yukarıdaki resimdeki amortisör sargısı (sincap kafes yapısı) aşağıdaki şekilde kırmızı el çizimleri ile görünür hale getirilmiştir: Bu konudan 10. hafta 9. web sayfasında bahsedilmiştir. Bu şekilde çıkık kutupların üst kısmına asenkron makinenin rotorundaki gibi sincap kafes çubukları yerleştirilmiş olup, bu çubuklar iki yandan kısa devre halkaları ile kısa devre edilmiştir. Şekle dikkatlice baktığınızda ve dersin 10. haftasının web sayfalarını incelediğinizde fark edeceksiniz. Bu sincap kafes sargısına, senkron makinede amortisör sargısı denir. Evet bu sargı, rotor - stator manyetik alanları arasında oluşan ve (5) te bahsettiğim bu açı, bazen değişken yükler ile bu açıda ciddi salınımlar oluşur. Şayet bu makine enterkonnekte şebekeye paralel bağlı çalışarak enerji üreten bir jeneratör ise, bir jeneratördeki salınımlar, şebekedeki diğer jeneratörlerin de salınımına sebep olur ve bazı jeneratörlerin açılarının 90 dereceden büyümesine ve devre dışı kalmasına sebep olabilir. Bu tür bir kararsızlığın engellenmesi için, açıdaki salınımların yumuşatılması ve söndürülmesi gerekir. Amortisör sargısı bu açıdaki değişimleri söndürme gayretinde olduklarından ve değişimi

6 yavaşlattıklarından ismi bu şekilde verilmiştir (Sincap kafesli asenkron motor rotorunu hatırlayınız: rotor döner hızını takip eder idi. Rotorda emk oluşumu için rotor ile döner alan arasında fark hız yada salınım olması gerekir. İşte rotorda yük açısı salınımları olduğunda, amörtisör sargısında oluşan kuvvetler salınımı söndürmeye çalışır ve salınımı azaltır, bu çok faydalı bir katkıdır). 12) Senkron makinede kollektör-fırça düzeni mi vardır? Yoksa bilezik - fırça düzeni mi? (Günümüzde büyük güçlü senkron jeneratörlerde fırçasız yapı da kullanılmaktadır. Bu yapıda iç içe 2 tane senkron jeneratör vardır, dersimizin kapsama alanında bu konuya yer verilmemiştir). Yanıt 12: Senkron makinede genel olarak rotor devresinde bilezik fırça düzeni vardır. Dış dünyadaki DC uyarma gerilimi, dönen ortamdaki kutup tekerleği sargılarına bilezik - fırça düzeneği üzerinden iletilir. Bilezik - fırça düzeni, dc makinelerdeki kollektör - fırça düzeneğine göre çok daha dayanıklı ve uzun ömürlü olsa da, senkron makineler çok büyük makineler olduklarından, bu makinelerin bilezik - fırça düzenekleri üzerinden akan akım da çoğu kez 2000A gibi değerlere varabilen büyük bir akımdır. Durum böyle olunca yeniden zaafiyetler çıkabilir. Bu nedenle günümüzde iç içe 2 senkron jeneratör sistemi ile oluşturulmuş fırçasız senkron jeneratör kullanılır. (Bir tanesi ana - bir tanesi yardımcı jeneratör. Yardımcı jeneratör ana jeneratörün uyarma akımını sağlar. Ana jeneratörün alan sargısı şimdiye kadar anlatıldığı gibi rotorda; AC gerilimin olduğu endüvi sargısı ise statordadır. Oysa yardımcı jeneratör, aynı makinenin içinde aynı mil üzerine konmakla beraber, bu jeneratörün alan / kutup sargısı statorda, AC gerilimin indüklendiği endüvi sargısı ise rotordadır. Rotorda indüklenen AC, diyotlar ile doğrultulup, yine aynı makinenin içerisinde doğrudan ana jeneratörün rotorundaki alan sargısına uygulanır. Durum böyle olunca fırça - bilezik düzeneğine gerek kalmamış olur.) Bu son kısım dersimize dâhil değildir. Genel kültür olsun diye anlatılmıştır. Aşağıdaki şekiller bu tip bir makineye aittir: Generator-TWG-Series-Three-Phase-Brushless-Synchronous-Generator.html

7 1-IMGS-8.jpg 13) Bir elektrik santralındaki senkron jeneratörün başlatıldıktan sonra enterkonnekte şebekeye paralel bağlanabilmesi için hangi şartlara uyulması gerekir? Yanıt 13: 10. hafta 14. web sayfasına bakınız. 14) Bir senkron jeneratörün, omik - endüktif yada kapasif yüklere karşı çıkış geriliminde oluşacak değişikliğin / değişikliğin karakterindeki farklılığın sebebi nedir? Bu 3 farklı yük için çıkış gerilimindeki değişim nasıl olur? Jeneratörün gerilimi endüktif yükte mi yoksa kapasitif yükte mi çok düşer? Yanıt 14: Bunun sebebi endüviden akan alternatif akımın, (omik - endüktif - kapasitif karakterlerde farklı nitelikler sergileyerek) kutup tekerleğinde oluşturulan esas kutup akısı ile etkileşmesi - tepkileşmesi (reaksiyon) sonucunda oluşur. Bu olaya endüvi reaksiyonu denir. Bunun sonucunda, endüvide oluşan manyetik alan, kutup tekerleğinde oluşan esas alanı: a) Omik yük için az köstek (zayıflatma anlamında) b) Endüktif yükte ciddi köstek c) Kapasitif yükte ise ciddi destek yapar. Bunun sonucunda, jeneratörde; a) Artan omik yükte, çıkış gerilimi yavaşça düşer b) Artan endüktif yükte, çıkış gerilimi hızla düşer c) Artan kapasitif yükte ise, çıkış gerilimi hızla artar.

8 Bu konuda ders notlarında verilenden fazlası beklenmemektedir. Sadece meraklısına söylemiş olayım, benim mühendislik fakültesinde anlattığım aynı dersin web sayfasındaki ilgili notlar incelenebilir: ) Elektrik santralinde çalışan öğrenciler varsa, ya da büyük güçlü jeneratör işletenleriniz varsa, bu makinenin büyük cüsseli olduğunu anlatmaya yönelik 1-2 resim buraya ekleyebilir mi? Yanıt 15: Dersimizin giriş sayfalarında (10. hafta) bu makinelerin büyük cüsseli olduğunu anlatmak için bazı resimler eklemiş idim. 16) Senkron jeneratörün günümüz elektrik enerjisi piyasasındaki önemi / yeri nedir? Bu makinenin kullanımından vazgeçilebilir mi? Yanıt 16: Yeri sağlamdır. Günümüzde kullandığımız AC (alternatif akım) elektrik enerjisinin hemen hemen %100'ü senkron jeneratörler ile üretilmektedir. Bu makinelerden vazgeçilemez gibi gözükmektedir, 100 yılı aşkın süredir bir başka alternatif üretilememiş sadece bazı iyileştirmeler yapılmıştır. Vazgeçilebileceğini düşünmüyorum, zira her ne tarzda makine yapılırsa yapılsın hepsinin temel prensipleri aynıdır, yeni çıkan pek çok makinenin adı farklı konulsa da temelde eski türlerin türevleridir (fırçasız doğru akım motorları, relüktans motorları, step motorlarının hepsi temelde senkron motorun özel halleridir).