Elektrik Makinaları Dersi 5. Ünite Özet

Giriş

DC makinalarda elde ettiğimiz gerilimi kollektör-fırça kullanmak yerine bilezik-fırça sistemi kullanarak doğrultmadan sinüsoidal olarak dış devreye alırsak ve asenkron makinalardaki kayma hızını sıfırlayarak rotoru, döner alan ile aynı hızda dönen bir makine elde edersek, senkron makineleri elde etmiş oluruz.

Bütün enerji üretim santralleri ve bu santrallerde çalışan bütün senkron generatörler paralel olarak çalışarak ülkedeki bütün pasif yükleri beslediği sisteme enterkonnekte sistem adı verilir ve senkron generatörler bu sistemin en temel elemanıdır.

Senkron makinalar geçmişte enerji üretim santrallerinde ve acil ihtiyaç durumlarında generatör olarak yaygın biçimde kullanılmıştır ve hâlen günümüzde kullanılmakta iken günümüzde bu uygulamaya ilave olarak sabit mıknatıslı çeşidi özellikle otomobil sektöründe yaygın uygulama alanları bulmaktadır.

Senkron Makinelerin Çeşitleri ve Yapıları

Senkron makinalar elektromekanik enerji dönüşümü yapan genelleştirilmiş alternatif akım makinalarıdırlar ve bunlardan Senkron generatörler; mekanik enerji elektrik enerjisine, senkron motorlar ise elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürürler.

Senkron makinaların rotoru üzerindeki alan sargıları DA ile beslenir. Çıkık kutuplu makinalardaki kutupların, bir DA makinasına ait kutupların ters yapısında olmaktadır.

Hava aralığı dağılımının basamaklı olması sebebiyle, fazda endüklediğimiz gerilimler harmonikler içerir ve bu harmonikler, basamaklı dağılımın dalga formu Fourier serisine açıldığında görülür ve simetrik yapımız sebebiyle sadece tek mertebeli harmoniklerden oluşur.

Çıkık kutuplu ve yuvarlak rotorlu makinalar ın yapıları, kutup tekerleği üzerine kutup yastıklarının veya kutup sargılarının yerleşimine bağlı olarak değişiklik göstermekle birlikte rotor tekerleği üzerine kutup yastıklarının dağıtılması sebebi ile çaplarının boylarına göre büyük olması durumu ortaya çıkar.

Senkron makinelerde devir sayısı, kutup sayısı ile ters orantılıdır. Büyük kutup sayılarına çıkıldıkça, senkron devir sayısı düşmektedir.

Uyarma Sistemleri

Uyarma alanının oluşturulması rotor tekerleği üzerine yerleştirilmiş kutup sargılarının DA ile beslenmesi ile mümkün olmaktadır ve bunun için gerekli güç, makinanın nominal gücünün %2’si ilâ %5’i kadardır.

Fırçasız uyarma sistemleri nde, rotor mili üzerine monte edilmiş, yani rotor tekerleği ile birlikte dönen bir AA generatorü kullanılır ve AA generatöründen elde edilen gerilim yine aynı mil üzerine yerleştirilmiş yarı iletken kontrollü ya da kontrolsüz doğrultucular ile doğrultulup doğrudan kutup sargılarına uygulanır.

Fırçalı (Statik) Uyarma Sistemi nde uyarma için gerekli olan DA bu sistemlerde bir kontrollü güç elektroniği doğrultucusundan elde edilir ve bunun sonucunda elde edilen gerilim, mil üzerine yerleştirilmiş fırça-bilezik sistemi ile kutup sargılarına uygulanır.

Senkron Makinelerin Eşdeğer Devresi ve Gerilim Fazör Diyagramı

Senkron makinaların eşdeğer devreleri, bir fazda endüklenen gerilim değerini gösteren bir kaynak ile, stator sargısına ait empedansı içermektedir. Sargı empedansı ise, stator sargı direnci ile reaktansının seri bağlanması ile gösterilecektir. Fazör diyagramlarında büyüklükler fazör büyüklüklerdir.

Fazör diyagramlarında, senkron makinalar 4 çeşit çalışma şekline sahiptir, bunlar:

• Endüktif yüklü generatör: Gerilim fazör diyagramına göre, Ef, V’den büyüktür ve endüklenen gerilim uç geriliminden büyük olacak şekilde uyarma akımı ayarlanır.
• Kapasitif yüklü generatör: Endüklenen gerilim değeri uç geriliminden küçüktür ve bunu sağlayabilmek için uyarma akımı normal uyarma değerinden küçük olarak ayarlanır.
• Endüktif yüklü motor: Makinaya fazla uyarma yapılmayan çalışma şeklidir.
• Kapasitif yüklü motor: Kapasitif çalışmada ise durum endüktif çalışmanın tersidir ve motorun aşırı uyarmada çalıştırıldığı çalışma şeklidir.

Bir senkron makinanın eşdeğer devre parametrelerinin belirlenmesi için, makinaya ait boşta çalışma ve kısa devre karakteristiklerinin çıkartılması gereklidir ve bunun için şu deneyler yapılır:

• Boşta Çalışma Deneyi: Bu deneyde senkron generatör, senkron devir sayısı ile tahrik edilir ve uyarma akımı sıfırdan itibaren adımsal olarak arttırılıp, her adımda uç gerilimi ölçülür.
• Kısa Devre Deneyi: Bu deneyde ise Senkron generatör yine senkron devir sayısında tahrik edilir. Stator sargı uçları kısa devre edilerek uyarma akımı sıfırdan adımsal olarak arttırılarak stator akımları kaydedilir.

Senkron Generatörlerde Güç ve Moment Eşitlikleri

Senkron generatörlerde endüklenen gerilimlerin frekansının sabit olması için senkron devir sayısında tahrik şarttır.

Senkron generatöre aktarılan mekanik güç ile çıkış gücü olan elektriksel güç arasında bir fark bulunur ve bu fark, makinanın kayıplarına harcanan güçtür. İç güç eşitliği ise makinada endüklenen gerilim ile stator akımı arasındaki faz açısı ile ilgilidir.

Senkron Generatörün Tek Başına Çalışması

Senkron generatörlerin davranışını; yükün güç katsayısına ve tek başına veya büyük bir şebeke ile paralel çalışması belirler.

Yük değerimizin artması, stator akımı ile birlikte ? yük açısının büyümesine sebep olacaktır.

Fazör diyagramında gösterildiği üzere, ? yük açısının büyümesi, Ef fazörünün V uç gerilimi fazöründen daha ileri gitmesine sebep olmaktadır.

Omik ve kapasitif yüklenmelerdeki fazör diyagramlarında omik yükte bir miktar gerilim düşümü oluşurken, kapasitif yükte, uç geriliminde bir artış oluşmaktadır.

Yük değişimi sonucunda etkilenen uç gerilimin tekrar eski değerine getirmek için uyarma akımı uygun şekilde ayarlanmalıdır ve yükün bu artışı; devir sayısında da bir değişmeye sebep olacaktır.

Tek başına çalışmada uyarma akımı ve mekanik giriş gücü gibi generatör kontrol girdileri yüke bağlıdır ve bununla birlikte, endüktif ve omik yüklü bir generatörün uç geriliminde belirgin bir düşme olurken, kapasitif yüklerde ise belli bir güç açısına kadar gerilim düşümü olmaktadır.

Senkron Generatörlerin Paralel Çalışması

Senkron generatörler, enterkonnekte sisteme bağlı durumda paralel olarak çalışmaktadırlar ve bunun pek çok avantajı vardır:

• Bir generatörün besleyebileceğinden daha fazla yükü besleyebilirler,
• Oluşturdukları sistemin güvenilirliğini ve emniyetini arttırırlar,
• Bir veya birkaçının arıza veya bakım sebebi ile devre dışı bırakılması imkânı doğar,
• Paralel çalışma yokluğunda bir generatörün sürekli olarak tam yükte çalışması zorunluluğu ortaya çıkar.

Generatörlerin, sistemde geçici rejimlerin, salınımların olmaması için birbirlerine paralel çalışma şartları şunlardır:

• Paralel bağlanacak generatörlerin uç gerilimleri eşit olmalıdır,
• Generatörlerin faz sırası aynı olmalıdır,
• Paralel bağlama esnasında fazlar arasında faz farkı olmamalıdır,
• Generatörlerin frekansları eşit olmalıdır.

Bütün senkron generatörler bir tahrik makinası ile tahrik edilmektedir ve bu tahrik makinalarının devir sayılarının, generatörden alınan aktif güce göre değişimi frekansaktif güç karakteristiği ni verir.

Tek başına çalışan bir senkron generatöre ikinci bir generatör paralel bağlandığında veya generatörün yükü değiştiğinde sistem frekansının hesabı ile generatörlerin yük paylaşımları, sözkonusu karakteristikler kullanılarak hesaplanabilir.

Bir generatörün enterkonnekte sistem ile paralel çalışması sırasında devir sayısı, sistemin frekansı tarafından belirlenir ve sistemin frekansı, frekans-aktif güç karakteristiğine göre sabit olup, paralel bağlanan senkron gneratör sabit senkron hızda çalışmasına devam edecektir.

Bir senkron generatör sonsuz büyük bir sisteme paralel bağlanırsa uyarma akımı ile endüklenen gerilim değişirken, generatörün uç gerilimi, sistem (şebeke) gerilimi olarak sabit kalacaktır.

Sonuç olarak sonsuz büyük sistemle paralel çalışan generatörde:

• Senkron generatörün sisteme vereceği aktif güç, mekanik giriş gücü ile ayarlanır ve
• Senkron generatörün sisteme vereceği reaktif güç, uyarma akımına bağlıdır.

Aynı güçteki iki senkron generatörün paralel bağlandığı bir sistemde generatörlerin sisteme verdiği aktif ve reaktif güçlerin toplamı, yükün aktif ve reaktif gücüne eşittir. Bununla birlikte, ikinci generatörün boşta çalışırken üzerine alacağı aktif güç değeri küçük olacaktır ve ikinci generatörün mekanik giriş güç değeri arttıkça, boşta çalışma frekansı daha büyük değere çıkacak ve ikinci generatörün üzerine alacağı yük artacaktır.

Aynı durum, ikinci generatörün uyarma akımının arttırılmasında da gerçekleşir; ikinci generatör sisteme paralel bağlanır bağlanmaz üzerine bir miktar reaktif güç alır fakat sistem gerilimi bundan çok fazla etkilenmez.