elektr k mak neler - SABİS

ELEKTRİK MAKİNELERİ
(MEP
112)
(ELP211)
Yazar:
Yrd. Doç. Dr. Mustafa Turan
S1
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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
© 2008
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
2008
Sakarya........ 2005
S
1
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
Giriş
2
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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
+- 90 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
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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 ns 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
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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]
(Q1: 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
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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 110 - 220V 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
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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
MEP112-H10-1
ELP211-H10-1
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