1 SENKRON MAKİNELER
Senkron Makinelere Giriş Senkron makineler; makineler harici doğru akım kaynaktan beslenen alan sargılarına sahip (elektro mıknatıslı) veya çok küçük güçlerde sabit mıknatıslı bir endüktör ile bir veya çok fazlı alternatif akım sargılı endüvisi bulunan sabit senkron hızla dönen, motor ve generatör olarak çalışabilen alternatif akım makineleridir. Senkron generatörde doğru akım, rotor manyetik alanı üreten rotor sargılarına uygulanır. Tahrik makinesi ile döndürülen rotorun ürettiği döner manyetik alan stator sargıları üzerinde üç fazlı gerilim indükler. Senkron motorda üç faz stator akımı, kendi ile uyumlu rotor manyetik alanın neden olduğu döner manyetik alan üretir. Rotor manyetik alanı, rotor sargılarına uygulanan doğru akım tarafından üretilir. Alan sargıları, ana manyetik alanı üreten (senkron 2 makinelerde rotor) sargılardır. Endüvi sargıları gerilimin üretildiği (senkron makinelerde stator) sargılardır.
Senkron makinenin rotoru büyük bir elektromıknatıstır. Manyetik kutuplar rotor dış tarafına tutturuan çıkıntılı yada düz kutuplu yapıya sahip olabilir. Düz kutuplu rotor genellikle iki yada dört kutupludur. Çıkıntılı kutuplu rotor dört yada daha fazla kutupludur. Rotorlar fuko kayıplarını azaltmak için ince saclardan yapılır. Döner rotor üzerindeki alan sargılarına doğru akım beslemesi için iki yaklaşım kullanılır. Bilezik ve fırçalar vasıtasıyla harici bir doğru akım kaynağından doğru akım sağlamak. Makine miline direk olarak monte edilmiş doğru akım üretecinden doğru akım sağlamak. 3
Bilezikler makine milinin tamamını tamamıyla çevreleyen ama milden yalıtılmış metal halkalardır. Doğru akım rotor sargılarının bir ucu makine milindeki iki bileziğin her birine bağlantılıdır. Doğru akım uçlarına rotorun pozisyonuna yada hızına bakılmaksızın alan sargıları için doğru akım sağlayan her bir bileziğe basan grafit karbon fırçalar bağlanmıştır. 4
Bilezik ve fırçaların bazı dezavantajları vardır: Artan sürtünme ve aşınma (dolayısıyla bakım gerektirmesi), fırçalardaki gerilim düşümü önemli güç kayıplarına neden olabilir. Yine de bu yaklaşım çoğu küçük güçlü senkron makinelerde kullanılır. Büyük güçlü generatör ve motorlarda fırçasız dinamolar kullanılır. Bir fırçasız dinamo, statoruna bağlanmış alan devresi ve rotor miline monte edilmiş endüvisi olan küçük bir AC generatördür. Dinamonun üç faz çıkışı mile monte edilen üç fazlı doğrultucu ile doğru gerilime dönüştürülür ve ana doğru akım alan sargısını besler. Dinamonun küçük alan akımını kontrol ederek ana makinede alan akımı ayarlanabilir. Rotor ve stator arasında mekanik temas meydana gelmediğinden bu tip dinamolar daha az bakım gerektirir. 5
Senkron Makinenin Yapısı Fırça bilezik tertibatı olmayan alternatör 6
7
8
9
10
İki kutuplu yuvarlak rotor ve uyartımın görünüşü 11
12 Geniş çıkıntılı kutuplu hidroelektrik generatörünün statoru; ekte yalıtılmış iletkenler ve ayırıcılar görülüyor
Çıkıntılı kutuplu Senkron makinenin rotoru 13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Üç fazlı generatör iç bağlantı şeması 25
26
100MVA lik turbo-generatörün döner redresörlü uyarma grubu 400kW,400V ve 4000A 27
28
Senkron Makinelerin Özellikleri Sabit hıza sahiptirler Dünyanın elektrik üretim sistemlerinin birincil enerji dönüşüm makineleridir Hem generatör hem de motor uygulamalarında kullanılabilirler Kaynak sistemden geri yada ileri reaktif akım kompansatörü olarak kullanılabilirler. Senkron makineler bir, iki ve üç fazlı olarak üretilirler, senkron hızda dönerler yani döner alan hızı ile makinenin dönüş hızı aynıdır. Ancak direk olarak devreye bağlandıklarında çalışmazlar, yol alabilmeleri için özel yol verme yöntemleri kullanılır. Alternatif akım sargılarını taşıyan kısmına endüvi, doğru akım sargılarını taşıyan kısmına endüktör denir. Stator (endüvi) sargısı alternatif akım 29 kaynağına, rotor (endüktör) sargısı ise doğru akım kaynağına bağlanır. Bu nedenle çift uyartımlı makineler grubuna girerler.
Senkron makine mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanılıyorsa senkron alternatör, elektrik enerjisini mekanik enerji dönüştürmek için kullanılıyorsa senkron motor olarak adlandırılırlar. Senkron makineler endüvi yapısına göre ikiye ayrılırlar. Duran endüvili, dönen endüktörlü (Rotoru Kutup Sargılı) Duran endüktörlü, dönen endüvili (Statoru Kutup Sargılı) 30
Yuvarlak (Düz) Kutuplu Senkron Makineler Kutup sayısı az (2-4 kutuplu) ve yüksek hızlarda Dar ve uzun gövdeli rotor yapısı Büyük güçler (100-400MVA) Buhar ve nükleer elektrik santrallerinde kullanılan yatay milli rotorlu Çıkıntılı Kutuplu Generatör Kutup sayıları fazla (36 48 96) ve düşük hızlarda Geniş ve kısa gövdeli rotor yapısı Küçük ve orta ölçekli güçler (0-100MVA) Acil güç kaynakları için orta ölçekli generatörler Pompalar ve gemi tahrik sistemleri için orta ölçekli motorlar Hidroelektrik santrallerinde kullanılan büyük ölçekli generatörlerde kullanılan dikey milli rotorlu Elektrik saatleri ve diğer ev aygıtları için elektrik 31 motorları
Duran endüvili senkron makinelerin endüktörü hareketli olacağından endüktörde bulunan uyartım sargıları için gerekli olan birkaç yüz voltluk doğru gerilim fırça ve bilezikler yardımıyla doğru akım kaynağından sargılara aktarılır. Bu aktarma sırasında gerilimin düşük olması nedeniyle herhangi bir yalıtma problemi olmaz. Ancak duran endüktörlü senkron makinenin endüvisi hareketli olduğundan bir takım problemler meydana gelir. Endüvi 13200V gibi yüksek gerilim üreten alternatif sargılar taşıdığından bu yüksek gerilimi sargılardan dış terminallere taşımak için gerekli fırça bilezik ve yalıtım tertibatı ekonomik yönden pahalı olacaktır. Bu nedenle mümkün olduğunca senkron makinelerin endüvisi sabit endüktörü hareketli olarak yapılır. Duran endüktörlü, dönen endüvili senkron makinelerdeki yüksek maliyet yüzünden senkron makineler genellikle duran endüvili, dönen endüktörlü olarak yapılırlar. 32
Duran Endüktörlü, Dönen Endüvili(Statoru Kutup Sargılı) Senkron Makineler Statoru kutup sargılı senkron makineler yapılış bakımından doğru akım makinelerine benzerler. Bu benzeyişin nedeni endüvi çevresine yayılmış ve alternatif olarak yön değiştiren kutupları ile üzerlerine alternatif gerilimler endüklenen endüvi bobinlerinin bulunmasıdır. Birbirine çok benzeyen bu iki makine arasındaki fark endüvi bobinlerinde endüklenen alternatif gerilimin doğru akım makinelerinde kolektör ve fırçalar yardımıyla doğrultulmuş olarak dış devreye alınırken senkron makinede bu alternatif gerilimin bilezik ve fırçalar yardımıyla dış devreye alınmasıdır. 33
Generatörlerin Genel Prensip Şemaları 34
Şekilden de görüldüğü gibi statoru kutup sargılı senkron makineler şu kısımlardan meydana gelir. Stator(Endüktör) Rotor(Endüvi) Bilezikler Fırçalar Yataklar ve diğer parçalar Statoru Kutup Sargılı Senkron Makinenin Yapısı 35
Stator: Kutup sargılarının sarıldığı kısımdır. Silisli sacların paketlenmesiyle ve üzerine sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Bu kutuplar aynen doğru akım makinelerinin kutupları gibidir. Kutup bobinleri dışarıdan bir güç kaynağından beslenirler. Rotor: Silisli sacların paketlenmesiyle ve üzerine sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Bu kısım doğru akım makinelerinin endüvisi gibidir ve burada endüklenen alternatif gerilim bilezik ve fırçalar yardımıyla dış devreye alınır. Bilezikler: Senkron makine generatör olarak çalışıyorsa; rotorda endüklenen alternatif gerilimi alternatif gerilim olarak dış devreye alınmasını sağlarken motor çalışma durumunda dış devreden rotora alternatif gerilimin uygulanmasını sağlar. 36
Fırçalar: Rotorda indüklenen alternatif gerilimi bilezikler yardımıyla dış devreye almaya yada dış devreden rotora gerilimin uygulanmasını sağlar. Fırçalar karbon veya karbon alaşımından yapılırlar. Yataklar ve diğer parçalar: Rotorun bir eksen etrafında rahatça dönmesini sağlayan ve dış etkilerden koruyan kısımdır. Yataklar, mil, pervane, klemens kutusu, kapaklar gibi kısımalardan meydana gelir. 37
Kutupları duran kısımda olan ve yapılış bakımından doğru akım makinelerine benzeyen tipte olan senkron makineler küçük güçlerde imal edilirler. Küçük güçlerde endüvi akımının küçük olması nedeniyle akımın fırçalar yardımıyla endüvi sargısından dışarı çekilmesinde sakınca yoktur. Küçük güçlerde sargı gerilimi de küçük olduğundan hareket eden kısımda bulunan endüvi sargılarının yalıtılma problemi olmaz. Fakat güç büyüdükçe sargı geriliminin de büyük seçilmesi gerekecektir. Özellikle santrallerde şebekelerin beslemesinde kullanılan senkron generatörlerin gerilimleri generatörün gücüne bağlı olarak 6,10 ve 15kV gibi değerlerde olur. Çok büyük güçlü generatörlerde 20kV ve bunun üzerinde uç gerilimi bulunmaktadır. 1000MVA in üzerindeki turbo alternatörlerde uç gerilimi 27kV a çıkarılmıştır. Bu bakımdan çok iyi bir şekilde yalıtılması gereken alternatif akım sargısının dönen kısımda bulunması sakıncalı olmaktadır. 38
Duran endüvili, dönen endüktörlü(rotoru Kutup Sargılı): Bu senkron makinelerde statoruna gerilim endüklenen sargılar, rotoruna ise kutup sargıları yerleştirilmiştir. Bu tip makineler orta ve büyük güçlü olarak imal edilirler. Şekilden de görüldüğü gibi rotoru kutup sargılı senkron makineler şu kısımlardan meydana gelir. Stator(Endüvi) Rotor(Endüktör) Bilezikler Fırçalar Yataklar ve diğer parçalar 39
Rotoru Kutup Sargılı Senkron Makinenin Yapısı 40
Stator: Alternatif akım sargılarının sarıldığı kısımdır. Silisli sacların paketlenmesiyle ve üzerine sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Bu kısım aynen asenkron motorun statoru gibidir. Rotor: Silisli sacların paketlenmesiyle ve üzerine sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Burası kutup sargılarının bulunduğu ve doğru akımın uygulandığı kısımdır. Senkron generatörleri döndüren sistemlerin devir sayılarına göre rotor iki tip imal edilir. Düz kutuplu senkron makineler Çıkıntılı kutuplu makineler Bilezikler: Rotora doğru gerilimi dış devreden fırçalar yardımıyla iletilmesini sağlayan kısımdır. Fırçalar: Rotora doğru gerilimi dış devreden bileziklere iletilmesini sağlayan kısımdır. 41
Yataklar ve diğer parçalar: Rotorun bir eksen etrafında rahatça dönmesini sağlayan ve dış etkilerden koruyan kısımdır. Yataklar, mil, pervane, klemens kutusu, kapaklar gibi kısımlardan meydana gelir. Düz kutuplu senkron makinelerin rotorlarının boyları uzun ve çapları küçük olup mili yere paralel olarak kullanılır. Bu makineler yüksek hızlarda döndürülüp genellikle az kutup sayısında yapılırlar. Endüvi (stator) ile endüktör (rotor) arasındaki hava aralığı sabit olan senkron makinelerdir. Düz ve Çıkıntılı Kutuplu Senkron Makine Rotor (Endüktör) Yapısı 42
Çıkıntılı kutuplu rotorların boyları kısa, çapları büyük olup mili yere dik olarak kullanılır. Endüvi (stator) ile endüktör (rotor) arasındaki hava aralığı şekilden de görüldüğü gibi değişkendir. Bu makineler çok kutuplu olup düşük hızlarda çalıştırılırlar. Genellikle çıkıntılı kutuplu senkron makineler barajlarda, düz kutuplu senkron makineler buhar kazanlı türbinlerde kullanılırlar. 43
Senkron Makinelerde Döner Alan Hızı Senkron makinelerde döner alan hızı makinenin dönüş hızı ile senkronize olarak aynı kalır. Dolayısıyla stator döner alanı ile stator frekansı arasında şu ilişki mevcuttur. f s = n s.2p dır. Burada; f 120 s ; Elektriki frekans (Hz) n s ; Stator manyetik alanının dönüş hızı 2P; Kutup sayısı Senkron makineler sabit hızda çalıştıklarından döner alan hızı ve dolayısıyla frekansları da sabittir. Makinelerin kutup sayısını sonradan değiştirilemeyeceğinden frekansla makinenin hızı arasında direk bir ilişki mevcuttur. 50Hz lik bir döner alan frekansına sahip makine iki kutuplu ise makinenin döner alan hızı 3000d/d olur. Diğer bir ifade ile iki kutuplu bir senkron alternatör 3000d/d ile döndürülür ise üretilen gerilimin 44 frekansı 50Hz olur.
Senkron Makinelerin Bir Faz Eşdeğer Devreleri Senkron makineler ister düz kutuplu isterse çıkıntılı kutuplu olursa olsun stator yapıları itibariyle birbirinin aynısıdır. Ancak düz ve çıkıntılı kutuplu senkron makinelerin rotor yapıları farklıdır. Buna bağlı olarak da düz ve çıkıntılı kutuplu senkron makinelerin bir faz eşdeğer devrelerinde bazı farklılıklar söz konusu olacaktır. 45
Düz Kutuplu Senkron Makinelerin Bir Faz Eşdeğer Devreleri Düz kutuplu senkron makinelerin stator eşdeğer devresi ile asenkron motor stator eşdeğer devresi birbirinin aynıdır. Senkron makinelerin stator sargılarına asenkron motorlarda olduğu gibi alternatif akım uygulanmaktadır. Buna göre düz kutuplu senkron makine bir faz eşdeğer devresi aşağıdaki gibi çizilebilir. Is Rs Xr Is Rs Xs Ir' Ic Iu Im Es Us Es Us Rc Xm Im Ic Iu Iu Bir Faz Stator Eşdeğer Devresi İle Bir Faz Stator ve Manyetik Devresi 46 m
Senkron makinenin rotor devresi ise kutup sargılarını bulundurur. Kutup sargılarına doğru gerilim uygulanmaktadır. Rotor devresi analiz edildiğinde rotor kaçak reaktansı X lf ve direnç R f den meydana geldiği görülür. Is Rs Xs If' Xf Rf If Ic Iu Im Es Es Ef Rc Xm m=(2/p) s Senkron Makinenin Komple Bir Faz Eşdeğer Devresi 47
Eşdeğer devrenin basitleştirilmesi bakımından rotor devresine ait değerler şekildeki gibi statora aktarılır. Aktarma işlemi yapılırken şu formüller kullanılır. a = N 1 E N s = E f X lf = a 2. X lf 2 R f = a 2. R f I f = I f a E s ; Stator sargılarında indüklenen gerilim, E f ; Rotor sargılarında indüklenen gerilimin stator devresine aktarılmış eşdeğeri, X lf ; Rotor kaçak reaktansı, X lf ; Rotor devresi kaçak reaktansının stator devresine aktarılmış eşdeğeri, R f ; Rotor direnci, R f ; Rotor devresi direncinin stator devresine aktarılmış eşdeğeri, I f ; Rotor devresinden geçen akımın stator devresine 48 aktarılmış eşdeğeri olarak tanımlanır.
Yuvarlak rotorlu senkron makinenin yapısı Is Rs Xs If' Ic Iu Im If '=n.if Es Rc Xm 49 Düz kutuplu senkron motor basitleştirilmiş bir faz eşdeğer devresi
Kutuplara doğru gerilim uygulandığından kutuplarda nüve kaybı olmamaktadır. Stator devresinde bir nüve kaybı mevcuttur ancak bu kayıp ihmal edilerek eşdeğer devreden Rc direnci kaldırılır. Buna göre senkron makinenin rotor devresi stator devresine aktarılmış komple bir faz eşdeğer devresi Rc direnci ihmal edildiğinde thevenin teoremine göre aşağıdaki gibi çizilebilir. Is Rs Xs Xm If' Us Um Ef '=Xm.n.If Düz kutuplu senkron motor rotor devresi statora aktarılmış komple bir faz eşdeğer devresi 50
Thevenin reaktansı veya mıknatıslanma reaktansı (X m ) ve stator kaçak reaktansı toplanarak senkron reaktans ile toplam empedans; X s = X sl + X m = ω e. L sl + ω e. L m X s = ω e. L sl Z f = R s + jx s olur. elde edilen empedansa senkron empedans da denir. Senkron reaktans kullanılarak elde edilen bir faz eşdeğer devre şu şekilde çizilir. Is Rs Xs Us Ef ' Düz kutup senkron makinenin reaktansları birleştirilmiş bir faz eşdeğer devresi 51
+ Çıkıntılı Kutuplu Senkron Makinelerin Bir Faz Eşdeğer Devreleri Çıkıntılı kutuplu senkron makinenin rotoru ve statoru arasındaki hava kutup ile stator arasında az kutuplar arası ile stator arasında fazladır. Bu nedenle statordan geçen akım E f gerimi ile aynı fazlı I q ve E f den 90º geride I d akımlarıdır. Bu akımlardan dolayı çıkıntılı kutuplu senkron makinenin statorunda kutup akısı tarafından indüklenen faz gerilimi ise; E d ve E q stator sargılarında I d ve I q akımları tarafından indüklenen gerilimlerdir. Buna göre uç geriliminin denklemi aşağıdaki gibi yazılabilir. V s = E f + E d + E q I s R s Us Is Rs Ed Eq + - + - - Ef Çıkıntılı kutuplu bir senkron generatörün bir 52 faz eşdeğer devresi
+ + Çıkıntılı Kutuplu Senkron Makinenin Yapısı E d = ji d X d E q = ji q X q olduğuna göre generatör bir faz eşdeğer devresi şu şekilde olur. Is Rs Us jid(xd-xq) jxq - + Ef' - - Ef Çıkıntılı Kutuplu Bir Senkron Generatörün Bir Faz Eşdeğer Devresi 53
Burada senkron generatöde üretilen etkin gerilim değeri E f olarak kabul edilirse generatörün bir faz eşdeğer devresi aşağıdaki gibi çizilebilir. Is Rs jxq Us Ef ' Çıkıntılı Kutuplu Bir Senkron Generatörün Basitleştirilmiş Bir Faz Eşdeğer Devresi 54
Senkron Makinelerin Fazör Diyagramlarının Çizimi Senkron makinenin fazör diyagramlarının çiziminde makinenin bir faz eşdeğer devrelerinden yararlanılır. Fazör diyagramları makinenin yük durumuna (omik, endüktif ve kapasitif) göre üç değişik durumda çizilir. Motor ve generatör çalışma durumlarına göre güç katsayısının aldığı değerler ve kullanılacak olan diyagram aşağıdaki gibi olur. Motor Çalışma Endüktif π 2 < φ < 0 Omik Kapasitif φ = 0 0 < φ < π 2 Generatör çalışma π Endüktif < φ < π Omik Kapasitif 2 φ = π π < φ < 3π 2 55
Alternatörlerde Üretilen Gerilim Alternatörlerde ya uyartım sargılarını taşıyan endüktör ya da alternatif akım sargılarını taşıyan endüvi hareket edebilir. Kutuplar (endüktör) DA ile uyartıldığında endüktör dönüyorsa, kutupların oluşturduğu bir döner manyetik alan sabit olan endüvideki sargıları keser ya da endüktör sabit ve DA ile uyartıldıysa dönen endüvi sargıları kutup sargılarının oluşturduğu sabit manyetik alan tarafından kesilir. Bundan dolayı döner alan içerisinde kalan duran bobinde yada sabit alan içerisinde dönen bobinde Faraday Kanununa göre bir gerilim indüklenir. e = dφ dt = N dφ dt e, Bobinde indüklenen gerilim (V) N; Bobin sipir sayısı φ; Bobin sargılarını kesen akı miktarı(wb) 56
Nüve akısı Φ(t) nin sinüsoidal değiştiği kabul edilirse; φ t = φ max. sinωt Φ max ; Nüve akısının maksimum değeri ω; Açısal hız (rad/sn) f; Frekans (Hz) e t = ωnφ max. cosωt = E max. cosωt Burada indüklenen maksimum gerilim değeri; E max = ωnφ max = 4, 44fNφ max 57
Elde edilen maksimum gerilim değeri yerine etkin değer (rms) yazılırsa; E rms = 2π 2. f. N. φ max = 4, 44. f. N. φ max Alternatörlerin sargılarında indüklenen gerilimin sinüsoidale daha yakın olmasını sağlamak için kutup adımında ve sarım şeklinde yapılan değişiklikler indüklenen gerilim denkleminde çarpan olarak eklenirse; E rms = 4, 44. k p. k d. φ max elde edilir. 58
Örnek: Dört kutba sahip üç fazlı senkron motorun statoru 12 oyuktan imal edilmiştir. Her bir oyukta 40 sipirlik sargı bulunmaktadır. Her fazdaki bütün sargılar seri olarak ve üç faz sargıları üçgen bağlanmıştır. Senkron devri 1800d/d olan senkron makinedeki bir kutup alanı 0,060Wb dir. a) Makinede üretilen gerilimin frekansını, b) Senkron makinede üretilen faz ve uç geriliminin değerini hesaplayınız. Üretilen gerilimin frekansı f s = n s.2p 120 = 1800.4 120 = 60Hz 3 faz için 4 kutupta toplam 12 oyuk ve her oyukta 40sipir bulunan senkron makinenin her bir kutbu için sargı sayısı 80 sipir olur. Üretilen faz geriliminin etkin değeri E rms = 4, 44. f. N. φ max = 4, 44. 60. 80. 0, 060 = 1278, 72V Üretilen faz geriliminin etkin değeri üçgen bağlantı için E rms = E = 1278, 72V olur. 59
Örnek: Üç fazlı yıldız bağlı 50Hz iki kutuplu bir senkron makine statorunda 2000sipirlik faz sargılarına sahiptir. Alan sargılarında üretilen manyetik alan 0,0078Wb lik değere sahip olduğuna göre senkron makinenin üreteceği gerilimi bulunuz. Üretilen faz geriliminin etkin değeri E rms = 4, 44. f. N. φ max = 4, 44. 50. 2000. 0, 0078 = 3463, 2V Yıldız bağlı olan makinelerde hat gerilimi faz geriliminin 3 katıdır. Üretilen hat geriliminin etkin değeri E rms = 3. 3463, 2 = 5998, 438V 60
Yük Değişiminin Senkron Generatöre Etkisi Generatörün yükü artıkça generatörden çekilen Is akımı artar. Uyartım direnci değişmediği için uyartım akımı sabit olup Φ akısı sabittir. Tahrik makinesi generatörü sabit bir hızla döndürdüğünden endüvi sargılarında endüklenen Ef gerilim sabittir. (Ef = K.Φ.ω) buna göre yük değişinin generatör üzerindeki etkisini görmek için makinenin fazör diyagramını incelemek gerekir. End. Generatör Omik Generatör Kapasitif Generatör ' Vs' Vs jis'.xs Ef' Ef jis.xs Is Is' ' jis'.xs Vs' Ef' Ef Vs jis.xs Is Is' ' Ef' Ef Vs Vs jis'.xs jis.xs Is Is' 61 Çeşitli Yük Durumlarına Göre Alternatörlerde Meydana Gelen Gerilim Düşümleri
Yukarıdaki diyagramlarda alternatör R s direncinin çok küçük olması nedeniyle bu dirençten dolayı oluşan gerilim düşümü küçük olacağından R s direnci ihmal edilmiştir. Buna göre yük değişiminin generatöre etkisi şu şekilde özetlenebilir. Eğer alternatör endüktif bir yükle yüklenecek olursa uç geriliminde önemli bir miktarda azalma olur. Eğer alternatör omik yükle yüklenecek olursa uç gerilimi bir miktar azalır. Eğer kapasitif bir yükle yüklenecek olursa uç gerilimi bir miktar artar. 62
Omik direnç üzerinde düşen gerilim değerleri ihmal edilmediğinde; Omik yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = U + I s. R e 2 + (I s X s ) 2 Endüktif yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = U. cosφ + I s. R e 2 + (U. sinφ + I s X s ) 2 Kapasitif yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = ile hesaplanır. U. cosφ + I s. R e 2 + (U. sinφ I s X s ) 2 63
Omik direnç üzerinde düşen gerilim değerleri ihmal edildiğinde; Omik yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = U 2 + (I s X s ) 2 Endüktif yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = U. cosφ 2 + (U. sinφ + I s X s ) 2 Kapasitif yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = ile hesaplanır. U. cosφ 2 + (U. sinφ I s X s ) 2 64
Alternatörün uç gerilimindeki bu değişmeyi ifade etmenin en iyi yolu alternatörün gerilim regülasyonunun belirlenmesidir. Gerilim regülasyonu (V Reg ); %V Reg = V nl V fl V fl. 100 formülü ile ifade edilir. Gerilim regülasyonu, omik ve endüktif yüklerde pozitif çıkarken kapasitif yüklerde negatif çıkar. Alternatörün yüke sağladığı uç geriliminin (V s ) sabit olmasını sağlamak için alternatörde indüklenen (E f = K.Φ.ω) gerilimin değiştirilmesi gerekir. Burada indüklenen K sabitinin dışında ω ve φ değişkenleri bulunmaktadır. Alternatörün ürettiği gerilimin ve dolayısıyla uç geriliminin frekansının sabit olacağından ω açısal hızının da sabit kalması gerekir. O halde indüklenen gerilimin değiştirilebilmesi için tek değişken φ manyetik akısı kalmaktadır. Alternatörlerde akının değişmesi 65 ise uyartım devresinden geçen akıma bağlıdır.
Omik ve endüktif yüklerde uç gerilimi azaldığından E f geriliminin arttırılarak uç gerilimin sabit kalması sağlanır. Bunun için uyartım devresinin direnci R f azaltılıp uyartım akımı arttırılır. Uyartım akımının arttırılması ile akı artar buna bağlı olarak indüklenen E f artarak azalan uç gerilimi kompanze edilmiş olur. Kapasitif yüklerde alternatörün uç gerilimi artış gösterdiğinden uyartım devresi direnci arttırılıp uyartım akımının azaltılması ve buna bağlı olarak akının ve indüklenen gerilimin azaltılması sağlanır. Böylece uç geriliminin sabit kalması sağlanmış olur. Buna göre uç geriliminin sabit kalması omik ve endüktif yüklerde uyartım akımını arttırarak, kapasitif yüklerde uyartım akımını azaltarak sağlanmaktadır. 66
OMİK VE ENDÜKTİF YÜKLERDE UÇ GERİLİMİ AZALDIĞINDAN EF GERİLİMİNİN ARTTIRILARAK UÇ GERİLİMİN SABİT KALMASI SAĞLANIR. BUNUN İÇİN UYARTIM DEVRESİNİN DİRENCİ RF AZALTILIP UYARTIM AKIMI ARTTIRILIR. UYARTIM AKIMININ ARTTIRILMASI İLE AKI ARTAR BUNA BAĞLI OLARAK ENDÜKLENEN EF ARTARAK AZALAN TERMİNAL GERİLİMİ KOMPANZE EDİLMİŞ OLUR. Is ' Vs' Is' jis'.xs Ef' Ef' Is' Ef Vs Is jis.xs jis'.xs ' Is' Vs' Ef Vs jis.xs Is ' Ef' Ef Vs Vs jis'.xs jis.xs 67 End. Generatör Omik Generatör
KAPASİTİF YÜKLERDE ALTERNATÖRÜN UÇ GERİLİMİ ARTIŞ GÖSTERDİĞİNDEN UYARTIM DEVRESİ DİRENCİ ARTTIRILIP UYARTIM AKIMININ AZALTILMASI VE BUNA BAĞLI OLARAK AKININ VE ENDÜKLENEN GERİLİMİN AZALTILMASI SAĞLANIR. BÖYLECE UÇ GERİLİMİNİN SABİT KALMASI SAĞLANMIŞ OLUR. Is ' Vs' Is' jis'.xs Ef' Ef' Is' Ef Vs Is jis.xs jis'.xs ' Is' Vs' Ef Vs jis.xs Is ' Ef' Ef Vs Vs jis'.xs jis.xs Kapasitif Generatör 68
ALTERNATÖRLERDE UÇ GERİLİMİNİN SABİT KALMASI; OMİK VE ENDÜKTİF YÜKLERDE UYARTIM AKIMI ARTTIRILARAK, KAPASİTİF YÜKLERDE UYARTIM AKIMI AZALTILARAK SAĞLANMAKTADIR. 69
Yük Omik Endüktif Kapasitif Uç geriliminin değişimi Uç gerilimi yüke bağlı olarak bir miktar düşer Uç gerilimi yüke bağlı olarak önemli miktarda düşer. Uç gerilimi yüke bağlı olarak artar. Uç geriliminin sabit kalması için yapılması gerekli işlem Yük değişimine karşılık uç geriliminin sabit kalması için uyartım akımı arttırılır. Yük değişimine karşılık uç geriliminin sabit kalması için uyartım akımı arttırılır. Yük değişimine karşılık uç geriliminin sabit kalması için uyartım akımı azaltılır. Yük değişiminin generatöre etkisi 70
Örnek: 3 fazlı, 380V gerilimli 40A lik yük akımına sahip yıldız bağlı senkron generatörün faz başına etkin faz direnci R e =0,2Ω, senkron reaktansı X s =0,15Ω dur. Bu generatörün omik, cosφ=0,8 geri ve cosφ=0,8 ileri için boştaki uç gerilimlerini ve gerilim regülasyonlarını bulunuz. Bir faz gerilimi U f = U 3 = 380 3 220V olarak alındı. Omik yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = U + I s. R 2 e + (I s X s ) 2 E f = (220 + 40. 0, 2) 2 +(40. 0, 15) 2 = 228, 079V E f = 3. E f = 3. 228, 079 = 395, 044V Gerilim Regülasyonu %V Reg = V nl V fl V fl. 100 = 395,044 380 380. 100 = %3, 959 71
Endüktif yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = U. cosφ + I s. R 2 e + U. sinφ + I s X 2 s E f = (220. 0, 8 + 40. 0, 2) 2 +(220. 0, 6 + 40. 0, 15) 2 E f = 230V Gerilim Regülasyonu E f = 3. E f = 3. 230 = 398, 372V %V Reg = V nl V fl V fl. 100 = 398,371 380 380. 100 = %4, 834 72
Kapasitif yük için boşta uç geriliminin değeri; E f = U. cosφ + I s. R e 2 + U. sinφ I s X s 2 E f = (220. 0, 8 + 40. 0, 2) 2 +(220. 0, 6 40. 0, 15) 2 E f = 184, 098V Gerilim Regülasyonu E f = 3. E f = 3. 184, 098 = 318, 867V %V Reg = V nl V fl = %16, 088 V fl. 100 = 318, 867 380 380. 100 73
Örnek: 480V, 50Hz yıldız bağlı 6 kutuplu senkron generatörün her fazı 1Ω luk reaktansa sahiptir. Tam yüklü durumdaki akımı 0,8 geri güç katsayılı durumda 60A dir. Sürtünme ve rüzgar kayıpları 1,5kW ve demir kayıpları 50Hz lik frekansta 1kW tır. Stator direncini ihmal ediniz. Alan akımı yüksüz uç gerilimini 480V olacak şekilde ayarlamaktadır. a) Bu generatörün dönüş hızını b) 0,8 geri güç katsayılı akım ile yüklü iken generatörün uç gerilimini c) 1,0 güç katsayılı akım ile yüklü iken generatörün uç gerilimini d) 0,8 ileri güç katsayılı akım ile yüklü iken generatörün uç gerilimini e) Her yük için gerilim regülasyonunu bulunuz. 74
Yıldız bağlı senkron generatör bir faz gerilimi U f = U h = 480 3 3 Generatörün dönüş hızı Açısal hızı = 277, 128V n s = f s.120 2P ω s = 2π n 60 r = 2.π 60 = 50.120 6 = 1000d/d. 1000 = 104, 72rad/sn cosφ = 0, 8 geri güç katsayılı endüktif yük için, Üretilen faz gerilimi E f = U. cosφ 2 + U. sinφ + I s X s 2 E f = (277, 128. 0, 8) 2 +(277, 128. 0, 6 + 60. 1) 2 E f = 316, 786V Üretilen uç gerilimi E f = 3. E f = 3. 316, 786 = 548, 689V 75
cosφ = 1 güç katsayılı omik yük için, E f = U 2 + (I s X s ) 2 = 277, 128 2 + (60. 1) 2 E f = 283, 549V Üretilen uç gerilimi E f = 3. E f = 3. 283, 549 = 491, 121V cosφ = 0, 8 ileri güç katsayılı kapasitif yük için, E f = U. cosφ 2 + U. sinφ I s X 2 s E f = (277, 128. 0, 8) 2 +(277, 128. 0, 6 60. 1) 2 E f = 245, 859V Üretilen uç gerilimi E f = 3. E f = 3. 245, 859 = 425, 840V 76
cosφ = 0, 8 geri güç katsayılı endüktif yük için, %V Reg = V nl V fl V fl. 100 = 548,689 480 480. 100 = %14, 31 cosφ = 1 güç katsayılı omik yük için, %V Reg = V nl V fl V fl. 100 = 491,121 480 480. 100 = %2, 317 cosφ = 0, 8 ileri güç katsayılı kapasitif yük için, %V Reg = V nl V fl V fl. 100 = 425,840 480 480. 100 = 11, 283% 77
Deneysel Çalışma 7 Deney Adı: Senkron Generatör Çalışma İlkeleri (Boş Çalışma) 1kW Senkron Generatör 78
Deneysel Çalışma 8 Deney Adı: Senkron Generatör Yüklü Çalışma İlkeleri 1kW Senkron Generatör Omik Yükler (Akkor Flamanlı Lambalar) Endüktif Yükler (Kompakt Flüoresan, Motor) Kapasitif Yükler (4 ve 10μF lık kapasiteler) 79
KAYNAKLAR SAÇKAN, A. Hamdi; Elektrik Makineleri III ALTUNSAÇLI, Adem; ALACALI, Mahmut; Elektrik Makineleri II ÇOLAK, İlhami; Asenkron Motorlar BAL, Güngör; Özel Elektrik Motorları ÇOLAK, İlhami; Senkron Motorlar CHAPMAN, Stephen J.; Electrıc Machinery Fundamentaly 4.Edition FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, Charles Jr.; UMANS, Stephen D.; Electric Machinery Sixth Edition PAREKH, Rakesh; AC Induction Motor Fundamentals; Microchip Technology Inc., Microchip AN887 Three-phase Asynchronous Motors, Generalities and ABB proposals for the coordination of protective devices www.wikipedia.org 80