Elektrik Makinaları I SENKRON MAKİNALAR
Dönen Elektrik Makinaları nın önemli bir grubunu oluştururlar. (Üretilen en büyük güç ve gövde büyüklüğüne sahip dönen makinalardır) Generatör (Alternatör) olarak santrallerde elektrik enerjisinin üretiminde, enterkonnekte sistemin gereksinim duyduğu enerjiyi üretirler. Yedek güç sistemlerinde, enterkonnekte sistemin mevcut olmadığı durumlarda, hava, deniz, kara taşıtlarında elektrik enerjisinin sağlanması ve batarya şarjının sağlanmasında. Hibrit ve diesel elektrik sistemlerde tahrik için gerekli elektrik enerjisinin sağlanmasında kullanılırlar. Motor olarak özellikle büyük güçlerde, düşük hız-yüksek tork gerektiren uygulamalarda 10-100 MW güç bölgesinde asenkron motorlardan daha yaygın kullanılırlar. (Motor-generatör setler ile frekans dönüştürücü olarak 50Hz->>60Hz gibi) Küçük ve orta güçlerde mıknatıs uyarmalı ve senkron relüktans ( veya iki prensibin karma olarak kullanıldığı karma yapılala) alternatif akım servo motor ve değişken hızlı sistemlerde kullanılırlar.
Yapısal olarak en temel ayrım -Yuvarlak Rotorlu ( Round-Cylindrical Rotor) -Çıkık Kutuplu ( Salient Pole ) olarak, rotor yapısı bakımından yapılabilir.
3 fazlı 2p=4 çıkık kutuplu 3 fazlı 2p=2 yuvarlak rotorlu senkron makinalar.
Statorda 3 fazlı alternatif akım sargıları, rotorda doğru akımla beslenen uyarma veya ikaz ( excitation ) sargıları bulunur. Rotor bu açıdan d.a. makinalarındaki kutuplar ve kutup sargılarının içdış edilmiş şekli olup, gerilim ve döndürme momentinin oluşması için gerekli magnetik indüksiyonu sağlayacak bir (grup) elektromıknatıstır. Sargı uyartımlı rotor yerine, kalıcı mıknatıslar (Permanent Magnet) kullanılabilir. ( Mıknatıs Uyarmalı Senkron Makina)
Rotorda ayrıca, kısa devre kafes özelliği gösteren Damper veya Amortisör sargıları bulunur. Rotor saç paket veya masif çelik olarak tasarlanabilir.
Stator silisyum katkılı, yalıtılmış ince sacların paketlenmesi ile oluşturulur. ( Değişken akı altında çalışan bölümlerin mutlaka sac paket şeklinde olması gerekir!) Rotor statik akı altında olacağından masif yapılabilir. Bazı durumlarda demir kayıplarını azaltmak ve dinamik özelikleri geliştirmek için sac paket olabilir.
Sabit bir hızla döndürülen bir alternatörde, alternatif akımın frekansı, kutup sayısı ve mekanik dönüş hızı arasında aşağıdaki bağıntılar geçerlidir. q elek= p qmek ( elektriksel açı -mekanik açı) (İki kutup arası N>>S elektriksel olarak 180 dir.) welek = p wmek ( p : Kutup çifti ) 2 p f = p wmek f = wmek (p / 2 p) f= n (2 p / 60) (p / 2 p) f= (n p)/60 elde edilir.
Bu bağıntıdan görüldüğü gibi belirli bir frekansta gerilim üretmek için, kutup sayısına bağlı olarak alternatörü belirli hızlarda döndürmek gereklidir.
2p=2 ve 2p=4 için sargılarda indüklenen gerilimler
Alternatörleri çevirmek için kullanılan kuvvet makinaları (prime mover) farklı karakteristikte olabilirler. Hidroelektrik santral türbinleri düşük devirli, gaz ve buhar türbinleri ise yüksek devirli makinalardır. Bu nedenle buhar ve gaz türbini ile çalışacak makinalar yüksek devirli 1500 veya 3000 d/dk ( 2p=4 veya 2p=2 ), su türbini ile çalışacak makinalar düşük devirli olarak tasarlanırlar. Yüksek devirli alternatörler küçük çaplı ve eksenel boyu yüksek, düşük devirli alternatörler ise büyük çaplı ve eksenel boyu kısa olarak tasarlanırlar.
Eski tip makinalarda rotor fırçalar üzerinden yardımcı bir d.a. kaynaktan genellikle bir kendinden uyarmalı (şönt veya kompunt) tip d.a. Generatörden beslenir. Daha büyük güçlerde bir kademe daha d.a generatör kullanılır. Birinci aşamaya pilot uyarma adı verilir
Modern makinalarda döner diyotlu fırçasız uyarma düzenekleri kullanılmaktadır Pilot uyarma uyarma alternatör uyarması Fırçasız döner diyotlu uyarma düzenekleri
Soğutma özellikle büyük güçlü makinalarda en önemli tasarım problemlerinden biridir. Küçük ve orta güçlü makinalarda soğutma rotora yerleştirilmiş radyal ve eksenel fanlar ile hava soğutmalı olarak sağlanır. Rotora ve statora eksenel ve radyal doğrultuda havalandırma kanalları açılır.
Turbo alternatörlerde bir yönlü, iki yönlü eksenel ve çok giriş çıkışlı radyal soğutma uygulanır. 50 MW üzeri alternatörlerde soğutma sorunları büyür. 60 MW lık bir alternatörün kayıpları 1MW civarında olup, soğutmak için saatte 150 ton hava ve 100kW civarında bir fan motoru gereklidir. Bu güç bölgesinde birincil soğutucu olarak hava yerine hidrojen kullanılır.
Hidrojenin yoğunluğu havaya göre çok düşük (%7 si), ısı transfer katsayısı havadan yüksek (x 1.5 ) ve Isıl iletkenliği çok daha yüksektir (x 7). Bu özelliklerinden dolayı Hidrojen kapalı devre olarak makinanın içinde dolaştırılır. Bu şekilde Vantilasyon kaybı azalacağından verim yükselir Daha etkin soğutulduğundan Makina güç değeri arttırılır Sargı sıcaklığı ve sıcaklık dağılımı daha uygun olduğundan ömür artar Yangın tutuşma riski azalır Isı değiştirici ( dış soğutucu ) küçülür. 100-150 MW üzeri doğrudan soğutmaya geçilir. ( Firmalara göre değişebilir) İletken ve makinanın içinden su, yağ veya hidrojen dolaştırılır.
Alternatörlerin temel çalışma prensibi kısaca şu şekildedir. Rotor sargılarından doğru akım geçirildiğinde hava aralığında, yaklaşık olarak sinüs biçimli bir magnetik indüksiyon ve akı oluşur (Temel bileşen+harmonikler). Stator sargılarının toplam akıları da bu magnetik akı nedeniyle rotorun ardışık konumları için sinüs biçimli olur. Faraday yasasına göre, bu toplam akı değişimi statorda sinüs biçimli gerilimlerin indüklenmesine neden olacaktır.
Yuvarlak rotorlu makinede sargıların oluşturduğu MMK ( Sargılar rotorun 2/3 nü kaplamaktadır)
Çıkık kutuplu makinada hava aralığındaki indüksiyon dağılımı Kutup ekseninde hava aralığına uygun bir form verilerek sinüs biçimli bir dağılım elde edilmeye çalışılır.
Stator sargıları rotor kutup sayısına eşit olarak sarılmıştır. Stator sargıları El tipi (Spiral) Yarım kalıp ( olukta tek kenar ) Tam kalıp ( olukta iki kenar) Şekilde yapılabilir Kalıp sargılar büklümlü ve dalgalı şekilde tasarlanabilir.
72 oluk, 72 bobin,3 fazlı 2p=6 kutuplu tam kalıp sargıların oluklara yerleştirilmesi
İki tabakalı form sargıların statora yerleştirilmiş şekli
El tipi sargı