ELEKTRİK MAKİNELERİ (MEP 112 (ELP211) ) Yazar: Yrd. Doç. Dr. Mustafa Turan S1

Transkript

1 ELEKTRİK MAKİNELERİ (MEP 112) Yazar: Yrd. Doç. Dr. Mustafa Turan S1

2 SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Adapazarı Meslek Yüksekokulu Bu ders içeriğinin basım, yayım ve satış hakları Sakarya Üniversitesi ne aittir. "Uzaktan Öğretim" tekniğine uygun olarak hazırlanan bu ders içeriğinin bütün hakları saklıdır. İlgili kuruluştan izin almadan ders içeriğinin tümü ya da bölümleri mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka şekillerde çoğaltılamaz, basılamaz ve dağıtılamaz. Copyright 2005 by Sakarya University All rights reserved No part of this course content may be reproduced or stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means mechanical, electronic, photocopy, magnetic, tape or otherwise, without permission in writing from the University. Sürüm 1 Sakarya S 1

3 Senkron Makineler Bu Haftanın Hedefi: Senkron makinelerin yapısı, çalışma prensipleri ve motor kullanım özelliklerinin kavranması hedeflenmektedir. Bu Haftanın Materyalleri Kullanılan semboller Animasyon Soru Veritabanı Bağlantılı Soru Simülasyon Püf Noktası 1

4 Giriş 2

5 Senkron makineler önceki sayfada görüleceği üzere genellikle çok büyük güçlü makinelerdir (küçük güçlerde yapılmış olanları da vardır; otomobillerdeki alternatörler küçük güçlü senkron jeneratörlere iyi bir örnektir). Makine kelimesinden de anlaşılacağı üzere, motor yada jeneratör olarak çalışabilirler. Günümüzde asenkron motorların daha ucuz oluşu ve kontrol esnekliklerinin artması, senkron motorların motor kullanımları azaltmıştır. Bu makinelerin motor kullanımlarındaki en büyük güçlük enerji uygulandığında yolalma işleminin tamamlanamamasıdır, mutlaka uygun ve masraflı yolvericilere ihtiyaç duyulur. Ayrıca senkron motorun kararlı çalışma aralığı özel olarak takip edilmelidir, zira bu makineler sadece senkron devir sayısında enerji üretebilirler. Örneğin senkron hızı 1500 rpm (devir/dakika anlamındadır) olan bir senkron makine, 1499 yada 1501 rpm'de enerji üretemez, motor ise durur. Rotor hızı sabit olup, senkron hız ile (döner alanın hızı) en fazla derece elektriki açı arasında salınabilir. Motor için alternatifi olan başka çözümler olsa da, senkron jeneratörün günümüzde ciddi bir alternatifi bulunmamaktadır. Şehir şebekemizi besleyen jeneratörlerin %99 dan fazlası senkron jeneratördür. Kaliteli, ucuz ve büyük miktarda elektrik enerjisi üretiminin yegane yolu senkron jeneratör kullanmaktır. Bu yönü ile senkron makineler çoğunlukla jeneratör olarak kullanılır. Kutupları rotora yerleştirilmiş olup, statoruna (asenkron makinede olduğu gibi) çok fazlı alternatif akım sargısı yerleştirilmiştir (Şekil 2.3). Senkron makine jeneratör yada motor olarak çalıştırılabilir. Şebekeye bağlı olarak çalışan senkron makine için enerji dönüşümünün şartı makinenin senkron devirde dönmesidir. Enerji üreten bir makine; sabit hızında döner. Bu, kutup tekerleğinin statordaki döner alan hızıyla senkron olarak dönmesi anlamına gelir. Bu yüzden senkron makine olarak anılır. Çoğunlukla generatör olarak kullanılan senkron makinelerin güçleri bu günlerde 2000 MVA'ya kadar ulaşmıştır. Büyük güçlü bu tip makinelerin stator hat gerilimleri ise 6, 15, 20, 27 kv'tur. Senkron makineler hava, su veya direk hidrojen soğutmalı olabilmektedirler. Hidrojenli soğutma 1000 MVA 'den büyük güçlerde kullanılmaktadır. Ev yada seyyar kullanımlar için tek fazlı üretilmekle beraber, maliyet etkin bir çözüm için, ev kullanımı dışındaki bütün senkron makineler genellikle 3 fazlı olarak imal edilirler. Özel uygulamalarda faz sayısı 3'ten büyük olabilmektedir. Senkron Makinelerin Yapısı Ve Çalışma Prensibi Yapı itibariyle doğru akım makinesinin tam tersidir. Doğru Akım makinesinde kutuplar duran kısımda ve hareketli rotorda alternatif akım üretilirken (kollektör ile doğrultulmakta idi), senkron makinede alternatif akım üreten sargılar statora alınmış ve kutuplar ise hareketli olan rotora yerleştirilmiştir. Bunun nedeni orta gerilim üreten yüksek güçlü, çok fazlı alternatif akım sargılarının rotorda izolasyonun sağlanmasının güç olmasındandır. 3

6 Hareketli kutup tekerleğine, yalıtılmış fırça - bilezik düzeni üzerinden doğru akım verilerek, zamana göre yön değiştirmeyen doğru bir alan üretilir. Çalışma Prensibi Senkron makinalar aynı konstrüksiyon ile hem motor ve hem de generatör olarak işletilebilirler. Faraday Yasası (Hareket gerilimi: ) uyarınca, manyetik alan veya statora yerleştirilen iletkenler hareket etmeyince iletkenlerde gerilim endüklenmez. Bu nedenle rotor bir tahrik aracı tarafından döndürülür. Böylece kutuplarda oluşturulan genliği değişmeyen bu doğru alan, rotorun (kutup tekerleği) döndürülmesi ile hareket ederek statordaki iletkenleri keser ve bu iletkenlerde gerilim endükler. Jeneratör işletmesini açıklayan bu çalışmada, doğru akım ile uyartılmış kutup tekerleğine (rotor) mekanik enerji verilip, statordan elektrik enerjisi (alternatif akım) elde edilir. Rotorun döndürülmesi suretiyle genliği değişmeyen ve hareket etmeyen rotor alanı; döner alan haline gelir. Şayet statordaki çok fazlı alternatif akım sargısına çok fazlı alternatif akım uygulanırsa, statorda döner bir manyetik alan oluşur. Bu alanın hızı; olur. Kutup tekerleğinin doğru akım ile uyartılmış ve bir dış tahrik aracı ile n s devrine getirilip serbest bırakıldığı düşünülürse (bu olaya senkronlama denir), stator ve rotor alanları birbirine kenetlenecek ve rotor statoru ns hızında takip edecektir. Bu takipte rotor bir dış fren makinası ile az miktarda yüklenecek olursa, rotorun S kutbu kenetlenmiş olduğu statorun N kutbundan küçük bir açı farkı ile geride kalır. Bu motor çalışmadır. Jeneratörde ise durum tersinedir. Rotor alanı, statorda yük akımlarının oluşturduğu döner alandan ileridedir. Zira rotordan verilen mekanik güç, statordan çekilen elektrik gücü frenlenir. Dolayısı ile, aynen motorda olduğu gibi, rotorun belirli bir moment ile tahrik edildiği düşünülürse, statordan çekilen elektrik gücü arttıkça stator alanı kutup tekerleği alanın gerisinde kalacaktır. 4

7 Bilindiği üzere iki manyetik alan arasındaki açı 90 derece olduğunda, iki alan birbirine etkimez (itme yada çekme oluşmaz). Şayet herhangi bir yük şartı ile mil aşırı yüklenip rotor, statordaki manyetik alandan 90 derece geri kalırsa, rotor statora bağlayan ve rotorun senkron hızda dönmesini sağlayan manyetik bağ kopar; bu durumda stator döner alanı rotoru çekip sürükleyemez, rotor çalışmayı bu noktaya sürükleyen mekanik yük nedeniyle duruşa geçer. Bu olaya senkronizma kırılması denir. Jeneratörde ise, statorda üretilen alternatif akımın dış şebekeye aktarılması söz konusudur. Şebekeye verilen güç arttıkça statorda oluşan döner alan rotor manyetik alanına göre geride kalır. Şayet iki manyetik alan arası açı 90 dereceye gelene kadar jeneratör yüklenirse; iki manyetik alan arasındaki bağ kopar. Bu durumda rotor ani olarak hızlanır, buna senkron jenaratörün ambale olması denir. Ağır bir yükü kaldırdığınızı varsayarsanız, yükün ağırlığı ilizyon ile yok olmuş olsa, eliniz yukarı doğru hızlanacaktır, durum aynen buna benzetilir, zira senkron jeneratör senkron devir sayısı haricindeki bir devir sayısında şebekeye enerji transfer edemez. Tahrik makinesi jeneratörü döndürmekte iken elektrik gücü sıfıra gitmiştir, bu ise rotorun hızlanmasına; ambale olmasına neden olur. Stator Yapısı Stator ve statorda bulunan çok fazlı endüvi (endüvi elektrik makinelerinde emk'in endüklendiği kısımdır) sargısı yapı itibarı ile aynı asenkron makinadaki gibidir. Stator; stator manyetik malzemesinin değişken manyetik akı içinde bulunmasının neden olacağı demir kayıplarını azaltmak için, manyetik domenleri yönlendirilmemiş 0.5mm kalınlığındaki silisyumlu saçların paketlenmesi ile oluşturulur. Makina gücü arttıkça, akımın ve dolayısı ile kayıpların artmaması için stator 3 fazlı ve orta gerilimli olarak tasarlanır. 3 Fazlı alternatif akım sisteminde, stator çevresinde her bir faza radyanlık bölgeler tahsis edilir. Ardışıl stator olukları arasındaki geometrik açı [rad] (Q 1 : Stator oluk sayısı) iken dış tahrik makinesi tarafından döndürülen p çift kutuplu kutup tekerleğinin ardışıl stator oluklarında endüklediği gerilimler arasındaki elektriki açı ; olur ve stator faz sargılarının uçları, kadar elektriki açı farklı oluklardan çıkartılır. Üç fazlı stator için faz sargıları uçları (asenkron makinede olduğu gibi) u-x, v-y, w-z olarak adlandırılıp bir terminal kutusunda toplanılır. 5

8 Rotor Yapısı Kutuplar (d.a. makinelerinde olduğu gibi) dökme çelikten veya stator yapısında bahsedilen silisyumlu saçlardan yapılmaktadır. Ayrıca küçük güçlü senkron makinelerin kutuplarında sabit mıknatıslar da kullanılmaktadır. Kutup tekerlekleri tip bakımından, çıkık kutuplu rotor ve yuvarlak kutuplu rotor olmak üzere ikiye ayrılır. Senkron makine senkron devir sayısından farklı bir devir sayısında enerji üretemediğinden, rotor ile stator alanı arasında oluşabilecek +-90 derecelik maksimum açı makinenin çalışma bölgesini daraltır ve bunun dışı karasız bölgedir. Müsaade edilebilir bu açı aralığı içerisinde rotorda oluşabilecek mekanik salınımların söndürülmesi için rotor dış yüzeyine sincap kafesli asenkron motorun sincap kafes sargısı ile aynı yapıda bir sargı yapılır, buna amortisör sargısı denir (Şekillerde amortisör sargısını ayırmaya dikkat ediniz) Çıkık Kutuplu Rotor Kutup çekirdeği, çıkık kutup, montajlanmış rotor ve amortisör sargıları Hava aralığı endüksiyonunun sinüsoidal dağılması için kutup başlarına özel şekiller verilir. Bu sayede kaliteli gerilim üretilmesi sağlanır. Çıkık kutuplu makineler genellikle 1000 rpm 'den küçük devir sayılarında zorunlu olarak tercih edilir. Zira rotor çapları büyük olduğu için yüksek hızlarda büyük kinetik enerji biriktirirler ve kontrolü zorlaşır. Uygulama alanı olarak hidrolik santrallerdeki jeneratörler bu tip rotora sahiptir ve Çıkık Kutuplu Senkron Jeneratör olarak adlandırılırlar. 6

9 Şekillerden görüleceği üzere bir kutup çekirdeği üzerine yerleştirilmiş çıkık kutuplar bulunur. Çıkık kutuplar bazen silisyumlu saçlardan bazen de dökme çelikten yapılmaktadır. Çıkık kutuplar çevresine sarılan uyarma sargıları aralarında seri bağlanıldıktan sonra, milden izole edilmiş bilezik-fırça düzeni ile ayrı bir terminal kutusuna çıkartılır ve I - K harfleri ile adlandırılırlar. Yuvarlak Rotor Yuvarlak rotorlu jeneratör çoğunlukla 3000 dev / dak yada bazen 1500 dev / dak için tasarlandıklarından bu jeneratöre turbo jeneratör (turbo alternatör) de denilir. Bu hızda rotorun savrulma kuvvetlerine mukavemetini arttırmak için, dökme çelikten imal edilip hassas bir balans ayarına tabii tutulur. Silisli saçtan yapılan rotorlarda vardır. Sinüsoidal endüksiyon dağılımının sağlanması için rotorun 2/3 sarılıp 1/3'ü boş bırakılır. 7

10 Oluk ağzına kısa devre amortisör (damper) sargısı yerleştirilir. Senkron Makinenin Terminal Kutuları ve Gösterilimi Makinede alternatif akım ve doğru akım sargıları için ayrı terminal kutuları bulunup, sargı uçları aşağıdaki gibi isimlendirilir. Senkron makinenin terminal kutuları ve sembolü Kutup sargılarının uçları milden yalıtılmış bilezik ve fırça düzeni ile terminale çıkartılmıştır (I, K). Çoğunlukla V doğru gerilim ile beslenirler. Senkron Makinenin İşletimi Motor İşletmesi: Stator 3 fazlı alternatif akım şebekesine bağlanılarak döner alan oluşturulur. Daha sonra rotor (kutup tekerleği) senkron hıza dış bir tahrik makinesi ile döndürülerek getirilir ve kutup sargısının I, K uçlarına doğru akım uygulanır. Bu işlem ile rotor statora senkronlanmış olur. Rotor manyetik alanı stator döner alanına kenetlenir ve senkron hızda dönmeye devam edilir. Bu aşamadan sonra rotoru senkron hıza kadar getiren yol verme tahrik makinesine gerek kalmaz. Makine motor çalışarak senkron hızda mekanik enerji üretir. Jeneratör İşletmesi: 2 uygulama vardır. Birincisi; yalnız çalışan senkron generatör. Bu durumda jeneratör şebeke cereyanına değil, ayrık elektrik yüklerini besler. Jeneratör senkron hıza kadar tahrik makinesi tarafından hızlandırılır ve rotordaki kutup sargısı uçlarına (I-K) doğru akım uygulanır. Kutuplarda oluşan akı, statordaki endüvi sargısını keserek endüvide gerilim endükler. Endüvi devresine yük bağlı ise bu devreden akım akar ve statorda döner alan oluşur. Bu döner alan rotor akısına kenetlenmiş durumdadır. Jeneratör yüklendikçe stator döner alanı rotora manyetik akısına göre 90 dereceden küçük olmak şartı ile geri kalır. İkinci durum ise senkron jeneratörün şebekeye paralel bağlı olarak enerji üretmesi; ürettiği enerjiyi enterkonnekte şebekeye aktarması durumudur. Bunun için senkron jeneratör yalnız 8

11 çalışmada olduğu gibi çalıştırılır, şebekeye paralel bağlanmadan önce özel senkronizasyon kontrol cihazları ile denetim yapılarak aşağıdaki şartlar sağlanır: a) Şebeke frekansı ile jeneratör frekansının eşitliği: Frekansmetrelerce denetlenir, jeneratörün hızı tahrik makinesi (Mekanik enerji kaynağı herhangi bir türbin yada dizel motor olabilir) ile değiştirilerek eşitlik sağlanır. b) Şebeke gerilimi ile jeneratör geriliminin eşit olması: Jeneratörün uyarma akımı (rotordaki kutup sargısının akımı) değiştirilerek bu eşitlik sağlanır. c) Şebeke faz sırası ile jeneratörün faz sırasının eşit olması: Faz sırası ölçme cihazları ile sistem ilk devreye alınırken 1 kez denetlenir. Daha sonra denetlemeye gerek ypktur. Hata var ise, jeneratör çıkışındaki herhangi 2 fazın yeri değiştirilerek faz sırası eşitliği sağlanır. d) Şebeke faz sistemi ile jeneratör faz sistemi arasındaki faz farkı sıfırlanır: Bu işlem sıfır voltmetresi yada senkronizaskop (*) ile denetlenir. Şebeke gerilimi ile senkron jeneratörün endüvisinde endüklenen gerilim aynı etkin değerde, aynı frekansta fakat birbirinden faz farklı olabilir. Bu kontrol ile faz farkının sıfır olup olmadığı denetlenir. Faz farkını sıfırlamak için jeneratör miline uygulanan tahrik momentinde ufak artma ve azaltmalar yapılır. Bu 4 şarta senkronizasyon şartları denir. Bu şartlar büyük güçlü senkron motor devreye alınırkende uygulanır. (*) Senkronizaskop tüm senkronizasyon şartlarının yerine getirildiğini gösteren özel bir cihazdır. Senkron Makinede Endüvi Reaksiyonu Endüvi reaksiyonu kutuplarda üretilen akının, statorda oluşan döner alan ile tepkileşmesine denir. Farklı yüklenme tipleri için (endüktif, omik, kapasitif) endüvi-kutup akısı etkileşimi (tepkimesi) farklı olur. Jeneratör İşletmesi Endüktif Yük: Jeneratörde ndüktif yükün endüvi sargısında oluşturduğu akı, rotorda üretilen eseas kutup akısını şiddetle zayıflatır. Bileşke akı azalacağından jeneratörde üretilen gerlim düşer. Omik Yük: Omik yükün oluşturduğu döner alan, esas kutup alanı az miktada zayıflatır, bu nedenle endüvide endüklenen emk da az miktarda küçülür. Kapasitif Yük: Kapasitif yüklenmiş bir jeneratörün endüvisinde oluşan döner alan, esas kutup akısını destekler ve artmasına neden olur, böylece bileşke akı artan ve endüvi sargısında endüklenen gerilim artar. 9

12 Şebekelerimizde gündüz gerilimin düşmesi ve gece yarısından sonra gerilimin artmasının yegane sebebi endüvi reaksiyonudur. Motor İşletmesi Senkron motor uyarma akımının ayarlandığı değere göre omik, endüktif yada kapasitif karakterli bir yük gibi davranır. Endüvi reaksiyonu etkisi; omik durum için az zayıflatma, kapasitif durum için çok zayıflatma ve endüktif durumda ise kuvvetle destek etkisi yapar (Jeneratöre göre motordaki endüvi reaksiyonunun, kapasitif ve endüktif durumlar için tam ters olduğuna dikkat ediniz). Çalışma Soruları 1) Şebekeye bağlı çalışan bir senkron makine senkron devir sayısı haricindeki bir devir sayısında enerji üretebilir mi? Neden? 2) Senkronizmadan çıkan bir senkron motor yada jeneratörün davranışı nasıl olur? Rotorun davranışı ne olur? (hızlanır mı? durur mu?) 3) Senkron motor enerjilendiğinde kendi kendine yol alıp senkron hızda dönemeye başlar mı? 4) Jeneratörün gerilimi endüktif yükte mi yoksa kapasitif yükte mi çok düşer? 10