Üç fazlı alternatif akım ile çalışan elektrik makinalarında (motor ve generatörler) manyetik döner alanlar oluşur. Şayet rotorun dakikada yapmış olduğu devir sayısı stator döner alanının dakikada yaptığı devir sayısı ile aynı ise, böyle bir makinaya Senkron makina denilir. Bugünkü yazımızda senkron generatör nedir ne değildir bunu inceleyeceğiz.
Döner Alanın Oluşumu
Bir mıknatıs çubuk (elektro ya da devamlı mıknatıs) kutupları bir daire çizecek şekilde çevresinde döndürülürse, bir manyetik döner alan ortaya çıkar. Mekanik kuvvet harcamak yerine üç fazlı alternatif akım kullanmak suretiyle de döner alan oluşturabilir. Bu yoldan elde edilen döner alanların bugünkü elektrik makinaları endüstrisinde çok önemli ve vazgeçilmez bir yeri vardır.
Bir daire üzerine birbirine göre 120 şer derecelik açı farklarıyla yerleştirilmiş sargılardan üç fazlı alternatif akım geçirildiğinde, döner alanın elde edildiğinden Alternatif akım konusunda yeterince bahsetmiştik.
Ancak teknik uygulamada sargıların bu şekilde yerleştirilmesi pratik değildir. Sargılar stator sac paketi içinde bulunan oluklara dağıtılarak döşenir (şekil – 1). Bunun sonucu, motor için de sargılar daha az yer tutar ve makina daha küçük yapılabilir.
Bu tür döşenmiş makinalarda ancak sargılardan akım geçtiği takdirde, kutuplar oluşur. Üç sargıdan geçen akımlar birbirine göre 120 şer derece faz farklı olduğundan (üç fazlı akımın özelliği), stator üzerinde bir manyetik alan ortaya çıkar (şekil – 2).
Döner alanın devir sayısı (makinanın senkron devir sayısı), frekans ve çift kutup sayısına bağlıdır. Manyetik kutuplar daima çift olarak göz önüne alınır. Örneğin : şekil – 2’de her ne kadar 4 kutup sayılıyorsa da bunlar kutup başlarıdır. Gerçekte bu makina 4/2 = 2 çift kutuplu bir makina olarak anılır.
Senkron makina devir sayısı hesabı , formülü
ns = f / p
ns = döner alanın devir sayısı
f = frekans
p = kutup çifti sayısı
Senkron Generatör Nedir
Rotor, düşük devirli senkron generatörlerde dik ya da yatay ve yüksek devirli senkron jeneratörlerde daima yatay konumludur. Rotor üzerinde bir Uyarı sargısı (ikaz sargısı da denilir) bulunur.
Bu uyarı sargısından doğru akım geçirilmektedir. Doğru akım uyarı sargısına rotor üzerinde bulunan döner bilezikler yardımıyla verilir. Manyetik rotor malzemesi çelikten yapılmıştır.
Devir sayıları küçük olan rotorlar üzerleri oyulmuş saç paketleri ya da som çekirdek halindedir. Bu tür çekirdekler kutup çarkı olarak da anılır. Yüksek devirlerde kullanılan (örneğin : 3000 dev./dak.) rotorlar Dolu kutuplu rotor halinde yapılır. (Şekil – 3).
Otomobillerde kullanılan alternatif akım şarj dinamoları gibi küçük tipte senkron makinalarda Tırnaklı kutup çarkları kullanılır (şekil – 4). Tırnaklı kutup çarkında tek bir bilezik sargı bulunur. Bu sargı üzerine iki taraftan tırnaklı iki çark sürülür ve bir çarkın oluğu diğer çarkın tırnağına geçecek şekilde oturtulur. Sargıdan akım geçirilmesiyle çarklardan biri S, diğeri N kutuplu bir mıknatıs haline geçtiğinden, komple çark üzerinde yan yana birçok N , S kutbu elde edilmiş olur.
Çoğu zaman rotor mili üzerinde ayrıca bir doğru akım jeneratörünün rotor çekirdeği de bulunur. Uyarı jeneratörü olarak tanınan bu jeneratör senkron makina için uyarı akımı sağlamaktadır. Uyarı jeneratörü olmayan senkron generatörler uyarı akımlarını şehir gerilimi şebekesinden bir redresör yardımıyla sağlarlar ya da kendisinin ürettiği gerilimin bir kısmını uyarı gerilimi olarak kullanırlar (şekil – 9). Bu amaç için kullanılacak gerilim, düşürülmüş ve doğru gerilim haline doğrultulmuş olmalıdır. Uyarının başlangıcında alternatif gerilim rotor çekirdeğindeki Remanensden (kalıcı mıknatıslık) yararlanılarak üretilmektedir.
Stator sargıları üzerinden alternatif akım geçtiği için, statorun tabakalandırılmış sac paketlerinden yapılması zorunludur. Stator sac paketleri çelik ya da döküm demirden bir gövde içerisine yerleştirilir. Stator sargıları bütün üç fazlı motorlarda bilindiği gibi «üç fazlı akım sargısı» şeklindedir.
Senkron Generatör Çalışma Şekli ve İşletme Karakteristikleri
Senkron generatörün rotoru bir kuvvet makinası tarafından döndürülürken, uyarı sargısından geçirilen doğru akım rotorda değişmeyen bir manyetik alan doğurur. Ancak rotorun dönmesi nedeni ile bu manyetik alan stator üzerinde dönen bir manyetik alan etkisi bırakır. Bu döner alan statorun üç sargısı üzerinde birbirlerine göre 120 şer derecelik faz farkları olan gerilimler endükler. Bu gerilimlerin sonucu üç fazlı bir alternatif akım statordan alınabilir. Senkron generatörde endüklenen gerilim uyarı akımına ve rotorun devir sayısına bağlıdır. Bu nedenle gerilim, uyarı akımı ile ayarlanmaktadır. Uyarı akımı belirli bir seviyenin üstüne kadar arttırılırsa, bir doyum hali ortaya çıkar ve yüksüz çalışma karakteristiği düzgünleşir (şekil – 5). Gerilim frekansının daha önceden de belirtildiği gibi devir sayısına bağlı olduğu ayrıca akla gelmelidir.
Bir senkron generatörüne bir direnç ile yüklenildiğinde, devre akımı stator sargıları üzerinden de dolaşır. Bu akım sargılar üzerinde özendüksiyon nedeni ile bir gerilim düşmesi oluşturur. Sargıların etkin direnci göz önüne alınmazsa, yük altında çalışan bir senkron generatörü bir endüktörle seri bağlanmış ve yüklenmeye karşı duyarsız bir generatör gibi düşünülebilir. (Şekil – 6).
Yük üzerindeki faz farkı 0° ise, devreden geçen I akımı stator üzerinde, kendisinden 90° ileride olan bir gerilim düşmesi (UbL) ortaya çıkarır. Bundan dolayı generatör terminalleri arasında bulunan U gerilimi: generatör yüksüz iken rotorun endüklediği Uop geriliminden, UbL geriliminin geometrik farkı olmaktadır (şekil – 6).
Bir senkron generatör ne kadar kuvvetli döndürülürse, akım şebekesine o kadar büyük güç verir. Frekansı kararlı bir şebekede yüklenme büyük iken, rotor çarkı devir sayısını korur, ancak döner alana göre yüklenme açısı kadar ileridedir. (Şekil – 7).
Senkron generatörüne verilen uyarı yüksüz çalışma için gereken uyarının üstüne çıkarılırsa, Uop gerilimi artar. Uop ile UbL arasındaki farkın U’ya eşit olması zorunlu olduğundan, Uop gerilimi ile birlikte UbL gerilimi de değişir. I akımı UbL gerilimine dik durduğundan, akım durumunda da değişiklik ortaya çıkar.
Bu durumda gerilime göre geriden gelen bir akım elde edilir. Yani generatörden endüktif tepkin güç verilir. Verilen bu tepkin güç, yükün endüktif tepkin gücünü şebeke içinde marke edebilecektir.
Buna karşın senkron generatöründe uyarının çok küçük olması endüktif tepkin gücün alınmasına neden olur. Aşırı uyarılmış senkron generatörler akım şebekesinde bir kondansatör gibi; düşük uyarılmış senkron generatörler bir endüktör gibi çalışır.
Senkron Generatörlerin Paralel Bağlanması
Bir senkron generatörü diğer bir senkron generatörüne paralel bağlanabilir. Ancak paralel bağlanacak generatörlerin terminallerinde bulunan gerilimlerin ani değerleri birbirine devamlı eşit olmalıdır. Bu nedenle
- faz takiplerinin
- faz durumlarının
- frekansların
- gerilim etkin değerlerinin birbirine eşit olması zorunludur.
Faz takiplerinin eşitliği bir kereye özel olmak üzere generatörlerin ilk devreye sokulması anında bir döner alan saati ile saptanır. Bundan sonraki koşullar her paralel bağlantıdan önce bir Senkronizatör (eşleme aygıtı) ile kontrol edilir.
Gerilimlerin ve frekansların eşitliği voltmetre ve frekansmetrelerde denetlenir. Faz durumlarının eşitliği üç adet neon lamba ile gözetlenmektedir. Bu amaç için neon lambalar sönük ya da yanar olmak üzere iki şekilde devrelendirilir. Sönük devrede neon lambalar paralel bağlı generatörlerin aynı faz iletkenleri arasına; yanar devrede ise, farklı faz iletkenleri arasına bağlanır. Faz durumları eşit olduğu takdirde sönük devre türünde lambaların hiç biri yanmaz, buna karşın yanar devre türünde lambaların hepsi parıldar. Faz durumlarını kontrol etmek için ayrı bir olanak, dönen ışıklar yöntemidir. (Şekil – 9). Faz durumlarının eşit olmaması halinde bu ışıklar birbiri ardından yanıp, sönerek «dönüyor» görünümünü verir.
Faz durumlarında eşitlik sağlandığında bu görünüm ortadan kalkar; yani lambalar ya yanar ya da sönük durumdadır. Gerilim ve frekansı yaklaşık eşit olduğu takdirde, bir jeneratör faz eşitliği kontrolü yapılmaksızın, generatöre seri bağlı şok bobinleri üzerinden akım şebekesine paralel bağlanabilir. Ancak bu işlem için paralel bağlanacak generatör ile akım şebekesinin faz takipleri kesinlikle birbirine eşit olmalıdır,
Senkron generatörler, enerji üretim merkezlerinde genellikle otomatik senkronizatörler yardımı ile paralel bağlanmaktadır.
