Elektrik Makineleri 2 - Senkron Makineler - Mustafa Turan Ders Notları

6. SENKRON MAKİNALAR

6.1. Giriş Küçük güçlerde kutupları sabit mıknatıslı, büyük güçlerde elektromıknatıslı olarak imal edilirler. Kutupları rotora yerleştirilmiş olup, statoruna (asenkron makinada olduğu gibi) çok fazlı alternatif akım sargısı yerleştirilmiştir (Şekil 2.3). Senkron makina generatör yada motor olarak çalıştırılabilir. Şebekeye bağlı olarak çalışan senkron makina için enerji dönüşümünün şartı makinanın senkron devirde dönmesidir. Enerji üreten bir makina;

n s

60  f1 p

sabit hızında döner. Bu, kutup tekerleğinin statordaki döner alan hızıyla senkron olarak dönmesi anlamına gelir. Bu yüzden senkron makina olarak anılır. Çoğunlukla generatör olarak kullanılan senkron makinaların güçleri bu günlerde 2000 MVA’e kadar ulaşmıştır. Stator hat gerilimleri ise 6, 15, 20, 27 kV’tur. Senkron makinalar hava, su veya direk hidrojen soğutmalı olabilmektedirler. Hidrojenli soğutma genellikle 1000 MVA ‘den büyük güçlerde kullanılmaktadır.

Elektrik Makineleri II - S04 – Dr.Mustafa Turan

71

7. SENKRON MAKİNALARIN YAPISI VE ÇALIŞMA PRENSİBİ

7.1. Giriş Yapı itibariyle doğru akım makinasının tam tersidir. Doğru Akım makinasında kutuplar duran kısımda ve hareketli rotorda alternatif akım üretilirken (kollektör ile doğrultulmakta idi), senkron makinada alternatif akım üreten sargılar statora alınmış ve kutuplar ise hareketli olan rotora yerleştirilmiştir (Şekil 7.1). Bunun nedeni orta gerilim üreten yüksek güçlü, çok fazlı alternatif akım sargılarının rotorda izolasyonun sağlanmasının güç olmasındandır. Hareketli kutup tekerleğine, yalıtılmış fırça - bilezik düzeni üzerinden doğru akım verilerek, zamana göre yön değiştirmeyen doğru bir alan üretilir.

Şekil 7.1 Çıkık kutuplu senkron makina

7.2. Çalışma Prensibi Senkron makinalar aynı konstrüksiyon ile hem motor ve hem de generatör olarak işletilebilirler. Faraday Yasası (E = B..v) uyarınca, manyetik alan veya statora yerleştirilen iletkenler hareket etmeyince iletkenlerde gerilim endüklenmez. Bu nedenle rotor bir tahrik aracı tarafından döndürülür. Böylece kutuplarda oluşturulan

72


genliği değişmeyen bu doğru alan, rotorun (kutup tekerleği) döndürülmesi ile hareket ederek statordaki iletkenleri keser ve bu iletkenlerde gerilim endükler. Generatör 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 alan 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;

n s

60  f1 p

(7.1)

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 ve daha sonra yük açısı olarak tanımlanacak olan  yük açısının negatif olacağını gösterir (rotor geriden gelmektedir). Generatörde 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. Bu nedenle yük açısı >0 olacaktır. 7.3. Stator Yapısı Stator ve statorda bulunan çok fazlı endüvi sargısı yapı itibarı ile aynı asenkron makinadaki gibidir (bkz. Kısım1 - Bölüm 1.3, 2.3). 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 uluşturulur.


73

Makina gücü arttıkça, akımın ve dolayısı ile kayıpların artmaması için stator m1 fazlı ve orta gerilimli olarak tasarlanır. m1 fazlı alternatif akım sisteminde, stator çevresinde her bir faza 2/m1 radyanlık bölgeler tahsis edilir (Şekil 2.3). Ardışıl stator olukları arasındaki geometrik açı

g 

2 Q1

[rad]

( Q 1 : Stator oluk sayısı) iken dış tahrik makinası tarafından döndürülen p çift kutuplu kutup tekerleğinin ardışıl stator oluklarında endüklediği gerilimler arasındaki elektriki açı ; 2 [rad] Q1

(7.2)

olur ve stator faz sargılarının uçları,

2 kadar elektriki açı farklı oluklardan m1

e = p. g =p.

çıkartılır. Üç fazlı stator için faz sargıları uçları (asenkron makinada olduğu gibi) u-x, v-y, w-z olarak adlandırılıp bir terminal kutusunda toplanılır. 7.4. Rotor Yapısı Kutuplar (d.a. makinalarında olduğu gibi) dökme çelikten veya stator yapısında bahsedilen silisyumlu saçlardan yapılmaktadır. Ayrıca küçük güçlü senkron makinaların kutuplarında sabit mıknatıslarda kullanılmaktadır. Kutup tekerlekleri tip bakımından, çıkık kutuplu rotor ve yuvarlak kutuplu rotor olmak üzere ikiye ayrılır. 7.4.1. Senkron generatörde rotor hızının seçilmesi Elektromekanik enerji dönüşümü düzeneklerinde yüksek verimin sağlanması için senkron generatörün hızı, tarik makinası veriminin yüksek olduğu bölgede (hızda) planlanır.

74


Tahrik makinası, Francis veya Kaplan türbini (Hidrolik santrallar) olduğunda yüksek verimli devir sayıları 60 - 300 dev / dak arasındadır. (7.1) nolu bağıntıdan; p

60  f1 ns

olacağından, küçük ns ‘lerde büyük çift kutup (p) sayıları gerekmektedir. Büyük kutup sayılarında rotor çevresine sinüsoidal yayılmış bir manyetik endüksiyon üretebilmek için uygun rotor yapısı, çıkık kutuplu rotordur. Çok sayıda çıkık kutuplu rotor çekirdeği çevresine montajlanması durumunda rotor çapı oldukça büyümekte (büyük güçlü makinalarda 10-16 m) ve makinanın sabitleştirilmesi dik rotor durumunda kolay olabilmektedir. Bu yüzden hidrolik santrallerde rotor dikey olarak dönmektedir. Bu rotorlarda aksiyel uzunluk çapa göre küçüktür. Buhar türbinleri ise yüksek devirlerde (çoğunlukla 3000 dev / dak) verimli çalışmaktadır. Yüksek devirde çalışacak senkron generatörün rotorunun çevresel hızının, atalet (savrulma) momentinin küçük tutulması için rotor çapının küçük yapılması gerekmektedir. Bu şartları tatmin eden rotor tipi, yuvarlak rotorlu yapıdır. Makina gücünün temini için aksiyel uzunluk çapa göre büyüktür. Tipik bir örnek verilirse, 1200 MVA ‘lik bir yuvarlak rotorlu bir senkron generatörün rotoru 100 ton, çapı 1250 mm, aksiyel uzunluğu 8m ‘dir. Yuvarlak rotorlu makinalar çoğunlukla yüksek

devir

sayıları

için

tasarlandıklarından,

bu

tip

makinalara

turbo

generatör/motor da denilir. Paralel çalışan generatörlerden biri aşırı yüklenmeden dolayı senkronizmadan çıkarsa bu senkron generatörün rotoru ambale olur ve nominal hızının %180-250 katına çıkar. Bu durum, savrulma kuvvetleri nedeni ile kutup tekerleğini ciddi şekilde zorlayan

bir

olaydır.

Generatör

paralel

çalışmadan

çıkartılmalıdır.

Şayet

çıkartılmazsa, şebekeye daha yüksek frekanslı genlik modülasyonlu bir akım verir. Ambale olma durumu sistemin döner makina aksamı ve hareket aktarma organları için ciddi tehlikeler doğurabilir. Aşırı yükten dolayı senkronizması kırılan bir senkron motor moment üretemez ve rotor durmaya giderken şebekeden de aşırı akım çekilir.


75

7.4.2. Çıkık kutuplu rotor

Şekil 7.2 Kutup çekirdeği, çıkık kutup, montajlanmış rotor ve amortisör sargıları

Şekil 7.3 a) Çıkık kutup ve endüvinin eğrilik yarıçaplarının farklılığı b) Çıkık kutuba ait çevresel manyetik endüksiyon dağılımı

Hava aralığı endüksiyonunun sinüsoidal dağılması için kutup başlarına özel şekiller verilir (Şekil 7.3). Endüksiyonda bulunabilecek yüksek harmonik döner alanları ve mekanik titreşimleri bastırmak için kutup başlarına açılan oluklara kısa devre

76


amortisör sargısı yerleştirilir ve bu sargılar çevre boyunca kısa devre halkaları ile birleştirilir (sincap kafesli asenkron motorlardaki gibi). Çıkık kutuplu makinalarda hava aralığı kutup taksimatının

1 1 ‘ı kadardır. ile 50 60

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. 7.4.3. Yuvarlak rotor

Şekil 7.4 a) Yuvarlak rotorlu bir senkron makinanın uyarma sargısına ait kuvvet çizgileri dağılışı b) Böyle bir kutup tekerleğine ait mmk eğrisi

1<2<3

Şekil 7.5 Oluk aralıkları birbirinden farklı yuvarlak kutup tekerleği Yuvarlak rotorlu generatör çoğunlukla 3000 dev / dak yada bazen 1500 dev / dak için tasarlandıklarından bu generatöre turbo generatör (turbo alternatör) de denilir. Bu hızda rotorun savrulma kuvvetlerine mukavemetini arttırmak için, dökme çelikten


77

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. Bu yapıda hava aralığı akısında 3 ve 3‘ün katı harmonik alanlar oluşmaz. Alanın çeyrek dalga simetrisi olduğundan (şekil 7.4a). çift harmonikler yoktur. Ayrıca tek fonksiyon olması nedeni ile sadece sinüslü harmonikler vardır. Bazı durumlarda harmonik eliminasyonu yapmak için oluk aralıkları şekil 7.5‘te olduğu gibi farklı yapılır. Oluk ağzına kısa devre amortisör (damper) sargısı yerleştirilir. Endüvi rotor arasındaki hava aralığı çıkık kutupluya göre daha büyüktür. ( 

1 p) 40

dir. Bronz kama / amortisör sargısı

Mikanit yalıtkan Soğutma kanalı Şekil 7.6 Tipik bir turbo rotor oluğu

7.5. Senkron Makinanın Terminal Kutuları ve Gösterilimi Makinada alternatif akım ve doğru akım sargıları için ayrı terminal kutuları bulunup, sargı uçları aşağıdaki gibi isimlendirilir (Şekil 7.7). UYARMA TERMİNALİ

I

K

u v w

ENDÜVİ TERMİNALİ

u

v

w

z

x

y

S.G. 3 I

K x y z

Şekil 7.7 Senkron makinanın 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.

78


8. SENKRON MAKİNADA ENDÜVİ REAKSİYONU Senkron makinanın endüvisinde üretilen alternatif gerilim bir yükü beslediğinden dolayı, yükün karakteri makinanın davranışlarına etki eder. Yükün karakteri akım ile gerilim arasındaki faz farkına bağlıdır. Faz farkı; akımın gerilime mukayese ile daha önce veya daha sonra maksimuma erişmesi ile ortaya çıkar. Akımın gerilime göre pozitif fazör dönüş yönüne göre geri kalması endüktif ( < 0), ileri gitmesi kapasitif ( > 0), aynı fazda olması ise ( = 0) omik yük olarak tarif edilir. Endüktif yük Z = R + j XL, kapasitif yük Z = R - j XC ve omik yük ise Z=R ile verilir. Bu yüklere uygun akımlar, gerilim referans alınarak (V0) yazılırsa;

IR =

V R

,

I  L

V R 2  XL2

olur. Endüktif yükte;  = arctg (

- ,

I  C

V R 2  XL2

+

X XL ), kapasitif yükte;  = arctg ( C ) omik yükte; R R

 = 0 olur. Bu ifadelerden yük akımı ile terminal gerilim fazörleri arasındaki ilişkiler Şekil 8.1’deki gibi verilebilir. Omik Yükte

Kapasitif Yükte

V

I

=0

V I

I



Endüktif Yükte V

 I

>0



I

<0

Şekil 8.1 Omik, kapasitif ve endüktif yüklerde V-I fazörleri

Şimdi çıkık kutuplu senkron makinanın endüvisindekideki sargılardan farklı


79

karakterde yük akımlarının geçtiğini düşünerek, makina içerisindeki mmk değişimlerini generatör ve motor işletme durumları için inceleyelim. 8.1. Generatör İşletmesi Bunun için senkron generatörün ns hızında tahrik edildiğini, kutup tekerleğinin doğru akım ile uyartıldığını ve statora aşağıdaki karakterlerde yükler bağlandığını kabul edelim. 8.1.1. Omik yük durumu Endüklenen gerilim ile sargıda akan akım arasında faz farkı yoktur. Yani gerilimin maksimum olduğu yerde akımda maksimum olur. Bu durum ise iletken tam boyuna eksende iken meydana gelir. Çünkü akı kavramasının sıfır olduğu yerde gerilim maksimum olur. şekil 8.2’deki bobine akım yönü ve sağ el tirbuşon kaidesi uygulanarak endüvi ve bileşke alanın yönü bulunur.

d ; ( Boyuna eksen)

+ Ff

F

N

Ff

Ef

ns

Fa

q ; ( Enine eksen) I

.

S

Fa

=0

Şekil 8.2 Omik yüklü generatörde endüvi reaksiyonu

Yukarıdaki Ef ile I arasındaki açıya () iç faz açısı denir. Ef ; kutup tekerleği akısının endüvi sargısının 1 fazında endüklenen emk’dır. Makinadaki bileşke mmk;    F  Fa  Ff

(8.1)

olacağı için, d ekseninden sapan bileşke akı, kutup ayaklarında aşağıdaki gibi

80


yığılmalar ve doymalar oluşturur (Şekil 8.3).

Sıkışma (Doyma)

Seyrekleşme

Şekil 8.3 Senkron generatörde endüvi reaksiyonu sonucunda akının yön değiştirmesiyle kutup ayaklarında oluşan akı yığılma ve seyrekleşmeleri

Yığılmalar doymaya neden olacağından dolayı, akıdan tam istifade edilemez. Bu nedenle omik yüklü çalışmada, generatör terminal geriliminde az miktarda düşme olur. Fa ‘nın Ff ‘ye 900 dik olmasından dolayı, omik yüklü endüvi alanına enine alan denir. Bu çalışma durumunda, kutup ayaklarındaki (az miktarda) yığılmalar nedeniyle kutup alanı endüvi alanı tarafından az miktarda zayıflatılır (Şekil 8.2). 8.1.2. Endüktif yük durumu

d

d

Ff

F

+

Ff N

Fd ns

 Fa

S

.

q    Fd  Ff  Fad    F  Fd  Faq

q

Fad

Fa Faq

Ef 

I

Şekil 8.4 Endüktif yüklü senkron generatörde endüvi reaksiyonu

Akım gerilime göre dönüş yönünde  kadar geri fazdadır. Yani gerilim maksimum değerini boyuna eksende almışken, akım bu noktadan  açısı kadar sonra maksimum değerini almıştır. Bu durumda Fa iki bileşene ayrılır ; Fad, Faq . Fad ; Ff uyarma alanına tam zıt yönde olup Fd diye anılan boyuna eksen bileşke mmk’ini zayıflatır (Şekil 8.4). Diğer taraftan Faq enine bileşeni ; bileşke alan yönünü saptırıp, doyma ve seyrekleşmelere neden olur (Şekil 8.3).


81

Yukarıdaki nedenlerden dolayı artan endüktif yük akımı ile (özellikle  = 900 ise) generatörün terminal gerilimi aşırı derecede düşer. Yani endüktif alanı esas kutup alanını kuvvetlice zayıflatır. 8.1.3. Kapasitif yük durumu d d Ff

+ Fa

ns



Fd Ff

N

Fa

.

F

Fad

q

q

Faq S

   Fd  Ff  Fad    F  Fd  Faq

Ef I



Şekil 8.5 Kapasitif yüklü senkron generatörde endüvi reaksiyonu

Endüklenen emk d ekseninde maksimum olurken akım (dönüş yönüne göre) akım  açısı kadar önce maksimum değerini alır. Bunun neticesinde, kapasitif yüklü senkron generatörde endüvi alanının dikey boyuna bileşeni Fad , Ff

‘yi destekleyerek

kuvvetlendirir (Şekil 8.5). Böylelikle, generatör terminal gerilimi artar. 8.2. Motor İşletmesi Motor işletmesi için endüvi reaksiyonu kolayca geliştirilebilir. Motorda akım yönü, generatöre göre zıt yönde olacaktır. Endüktif motor işletmesini alarak incelemeyi sürdürelim. Şekil 8.6‘dan görüleceği üzere endüktif karakterli motor akımının oluşturduğu endüvi reaksiyonu esas alanı desteklemekte ve dolayısı ile Ff ‘yi arttırıcı etki oluşturmaktadır. Endüktif motor işletmesindeki reaksiyon kapasitif generatördeki reaksiyona benzer olup, destekleme vardır.

82


.

d d

Fd Ff

Ff N

F

Fa 

Fad

q

ns S

+

  Fad  Fa  Sin   Faq  Fa  Cos    Fd  Ff  Fad    F  Ff  Faq

Fa 

q

Faq

Şekil 8.6 Endüktif çalışan senkron motorda endüvi reaksiyonu

Kolayca gösterilebilir ki, kapasitif motor işletmesindeki reaksiyon, endüktif generatör işletmesindeki endüvi reaksiyonuna benzer olup, şiddetle zayıflatıcı etkiye sahiptir. Omik motordaki durum ise omik generatördeki ile aynıdır (Hafif zayıflama).


83

9. SENKRON MAKİNANIN EŞDEĞER DEVRESİ

9.1. Endüvi Sargılarında Endüklenen EMK Endüvi sargılarında endüklenen gerilim kolayca gösterilebilir ki; E  B    v (BiotSavart Yasası) hareket geriliminden elde edilip, netice itibariyle asenkron makinalardaki ifadenin benzeridir (Eşitlik 3.1): Efe  4.44   e max  fe  N a  k wae

(9.1)

Burada ; e : hava aralığı akısının harmonik numarası, emax : Hava aralığı akısının e. uzay harmoniğinin maksimum değeri

,

fe : hava aralığı akısı e. harmonik bileşeninin frekansı, Na : Endüvinin bir fazındaki toplam sarım sayısı, kwae : e. endüvi sargısı harmoniği için, endüvi sargı faktörüdür. 9.1 nolu bağıntıdan görüleceği üzere, kutup tekerleğinin üreteceği bütün harmonik akılar (e) endüvide Efe gerilimi endükler. Kutup tekerleğinin üreteceği hava aralığı akısının sinüzoidalden sapması, endüvide endüklenen geriliminde sinüzoidalden sapmasına; harmonik içermesine neden olacaktır. Bu nedenle hava aralığı akısının olabildiğince sinüzoidale yakın olması sağlanmalıdır. Kutup akısının saf sinüzoidal olduğu kabul edilirse endüvide üretilen emk; Ef  4.44   max  f1  N a  k wa

(9.2)

9.2. Yuvarlak Rotorlu Senkron Makinanın Eşdeğer Devresi Daha önce bahsedildiği gibi, endüviye çok fazlı ve simetrik sargı yerleştirilmiştir. Bu sargılara uygulanan aynı faz sayısında ve uygun faz farklı gerilimler, makinanın faz sargılarından simetrik akımlar akıtırlar. Her ne kadar fazlarda bütün büyüklüklerin

84


birbirine eşit olduğu kabul edilse bile, makinanın elektromanyetik sistem olan yapısını elektriksel bir devre (eşdeğer devre) ile temsil etmek, makinanın performansının ve iç değişkenlerinin incelenmesinde büyük kolaylık sağlar. Ancak bu sayede makinaya ilişkin çözümler kolaylıkla elde edilir. Çok fazlı ve fazları simetrik olan bir makinanın bir fazının temsili ile eşdeğer devre elde edilir. Tüm hesaplar öncelikle bir faz için yapılır ve daha sonra çok fazlı sisteme geçilir. Endüvi ile kutup tekerleği farklı iki sargı taşıdıkları gibi, bu sargılardan geçen akımlarda karakter yönüyle farklıdırlar. Böylece makinada iki değişik alan mevcuttur. Bu alanlar arasındaki ilişkiler endüvi reaksiyonunu doğurur. Böylelikle makinada bileşke bir alan söz konusu olur. O halde bu iki sargıyı ortak olarak kavrayan bu akı zincirlemesi a , endüviden geçen akım neticesinde ortaya çıktığı için bir öz endüktans tarif etmesi gerekir. a = La I1

(9.3)

Ayrıca endüvi sargılarında dolaşan bu akım ; I, sargıların cephe bağlantılarında, oluklarda muhtelif yerlerde devresini karşı sargıyı kavramadan havadan kapayarak, endüvi ile kutup tekerleğinin manyetik olarak bağlanmasına katkıda bulunmayan kaçak akılar da oluşturur. Bu kaçak akıların da ( ) kendine özgü bir endüktansta oluşması gerekir.  = L I1

(9.4)

O halde endüvinin bir fazının endüktansı (Senkron endüktans : Ls) Ls = La + L

(9.5)

olur. Bu endüktans, açısal hız ile beraber bir reaktans tanımlar. Buna senkron reaktans denir: Xs =  Ls = La +  L = Xa + X

(9.6)

İki bileşenden oluşan senkron reaktansın küçük kısmına X ; kaçak reaktans, büyük kısmına ise Xa ile gösterilen endüvi reaksiyonu reaktansı denir. Sargının omik direnci “Ra” da hesaba katılmalıdır.


85

Üç fazlı bir makinada, kutup sargısı ve endüvi sargılarını Şekil 9.1‘deki gibi temsil edebiliriz. I1

U I

L+

If Vf

K

L-

Ra Xa X

Rf Lf

L1

V1

V1L

X, Y, Z

W

L2

V

L3 Şekil 9.1 Üç fazlı senkron makinanın sargıları, uçları ve parametreleri

Bu devrenin bir fazının temsili, senkron makinanın eşdeğer devresini verir. I +

Rf

Xa

f

+ Ea -

Vf -

X

Lf

If

Ef

Ra

u

I1 E

K

V1 x

Şekil 9.2 Yuvarlak rotorlu senkron generatörün eşdeğer devresi (motor işletmesi için endüvi akımı yön değiştirir)

Ea ‘nın yönü omik ve endüktif çalışma için Şekil 9.2’deki gibidir. Kapasitif yükte ise polarite değiştirir. Şekil 9.2‘de Ef bağımlı kaynağının değeri Eşitlik 9.2‘de verilmiştir. Ea = jXaI1 değeri gerilim düşümü değil, yönü yükün faz açısına bağlı olarak değişen (Ef ‘ye göre) endüklenen bir gerilimdir. Şekil 9.2’de; Ea ‘ya endüvi reaksiyonu gerilimi, Ef ‘ye boşta endüklenen gerilim, E ‘ye yükte endüklenen gerilim, V1 ‘e ise bir faz sargısının terminal gerilim denir. Generatör çalışma hali için çizilen Şekil 9.2‘deki eşdeğer devrede oluşturulacak Kirchoff çevrelerinden ;

86


 E  E  E f a    I . R  j  I  X  V  E 1 a 1  1

(9.7a) (9.7b)

yazılır. Generatör çalışma durumuna tekabül eden bu devrede ; I ( R  j  X ) 1 a 

(9.8)

bileşeni makinanın bir fazındaki gerilim düşümünü verir. Endüvi reaksiyonu gerilimi;

  j  I  X E a 1 a

(9.9)

Eşitlik 9.7a,b‘de yazılırsa;  V   I  ( R  j  X  j  X ) E f 1 1 a  a

(9.10a)

haline gelir. Bu ifadede X +Xa = Xs olarak kısaltılırsa (Eşitlik 9.6);

 V   I  ( R  j  X ) E f 1 1 a s

(9.10b)

olur. Motor çalışma durumunda ise akım yönü ters olduğu için ;  E   I  ( R  j  X  j  X ) V 1 f 1 a  a

(9.11a)

 E   I  ( R  j  X ) V 1 f 1 a s

(9.11b)

yada;

elde edilir. Bu ifadenin her iki yanı “ I1 ” ile çarpılıp reel kısımlar alınırsa ; Pe = Reel (V1  I1* )

(9.12)

giriş elektrik gücü, Pmi =Reel ( E f  I1* )

(9.13)

endüklenen mekanik gücü, Pcua = Reel ( ( I12  ( R a  j  Xs ))

(9.14)

Endüvi sargısındaki bakır kaybını verir. Uyarma sargısındaki bakır kaybı ise;


87

Pcuf  I 2f  R f

(9.15)

olur. Bilindiği üzere alternatif akımda büyüklükler fazörsel büyüklükler olup,

 referans fazör alınırsa ; içlerinde açılarını da barındırırlar. V 1   V 0 V 1 1

(9.16)

I  I  1 1

(9.17)

  E  E f f

(9.18)

yazılır. O halde 9.11 ifadesi kutupsal koordinatlarda; Ef   V1  I1  ( R a  j  Xs )

(9.19)

olur. Burada akım endüktif karakterli ise,  < 0 olacağı unutulmamalıdır. 9.3. Yuvarlak Rotorlu Senkron Makinanın Fazör Diyagramları Makinanın hangi işletme durumu olursa olsun fazör diyagramını çizmek için eşdeğer devrede (Şekil 9.2) belirtilen büyüklüklerden faydalanmak gerekir. Bu nedenle bazı ölçümlerin yapılması gerekir. Yapılması gereken ölçümler şunlardır : 1 – Kutup gerilimi veya şebeke geriliminin voltmetre ile ölçülmesi ve bir faz sargısının geriliminin elde edilmesi (V1), 2 – Şebekeye verilen yada alınan I1 akımının ampermetre ile ölçülmesi

 arasındaki  faz farkının vatmetreler ile ; 3 – I1 ile V 1 tek fazlı güç ölçümü yapıldı ise (Pe1 ; bir faz akımı ve faz-nötr gerilimi üzerinden yapılan güç ölçümü olmak üzere);  = arccos (

Pe1 ) V1 . I1

(9.20a)

ile, eğer iki vatmetre kullanılıp 3 fazlı güç ölçülürse (Aron montajı);

( P1  P2 ) ] 3 . V1L . I1L olur. Burada P1 ve P2 Aron bağlı vatmetrelerin ölçtükleri güçlerdir.  = arccos [

(9.20b)

4 – Bir faza ait omik direnç; sargıya doğru akım verilerek, ampermetre-voltmetre (önce bağlama) ile belirlenir.

88


5 – X kaçak reaktansı ve Xa endüvi reaksiyonunun reaktansının bilindiği kabul edilirse (daha sonra bahsedilecektir) omik, endüktif ve kapasitif çalışan generatörün fazör diyagramları aşağıdaki gibi çizilir. 9.3.1. Generatör işletmesi

 referans alınıp, buna  V   I  R  I  j  X  I  j  X , V 9.10a nolu eşitlikte; E f 1 1 a 1  1 a 1 paralel

(=0)

I  R , 1 a

I 1

j  I1  X 

fazörü

çizilir.

Daha

sonra

yukarıdaki

eşitlik

gereği

 ‘e ilave edilerek E elde edilir. j  I1  X a gerilimleri V f 1

ve

j çarpanı fazörü 90o ileri atmaktadır. Dolayısıyla j  I1I1 olur.

9.3.1.1. Omik çalışan generatör jI1X

jI1Xa

E

Ef

I1Ra

+

V1 =0

= =0; omik,  > 0; generatör

I1 F Fa

Ff

 , I ; güç açısı, V 1 1  , I ; iç güç açısı, E f 1   yük açısı, V1 , E f ; Ef boşta endüklenen emk, E yükte endüklenen emk, V1 ; bir faz sargısı terminallerindeki gerilim, I1 ; bir faz sargısı akımı, F a / / I1 ,  . F f E f

E < E f endüvi reaksiyonu kutup alanın zayıflatıcı etki yapıyor. Şekil 9.3 Omik çalışan senkron generatörün fazör diyagramları (gerilim ve mmk fazörleri)

9.3.1.2. Endüktif çalışan generatör  < 0 olduğu göz önüne alınıp omik fazör diyagramındaki gibi çizilir (Şekil 9.4).


89

jI1Xa Ef

jI1X

E

+

I1Ra V1



<0; endüktif,  > 0; generatör



F < Ff

E < E f endüvi reaksiyonu kutup alanın kuvvetle

I1 

F Fa

zayıflatıcı etki yapıyor

Ff Şekil 9.4 Endüktif çalışan senkron generatörün fazör diyagramları (gerilim ve mmk fazörleri)

9.3.1.3. Kapasitif çalışan generatör I1Ra

jI1X

+

V1

jI1Xa

E

I1

Ef >0; kapasitif,  > 0; generatör





F > Ff E > E f endüvi reaksiyonu kutup alanını arttırıcı



etki yapıyor

F Fa

Ff

Şekil 9.5 Kapasitif çalışan senkron generatörün fazör diyagramları (gerilim ve mmk fazörleri)

9.3.2. Motor işletmesi

 referans  E   I  R  I  j  X  I  j  X şeklinde açıp, V 9.11a nolu eşitliği; V 1 f 1 a 1  1 a 1 alınarak, I1  R a ,

j  I1  X 

ve

 ‘den çıkartılarak E j  I1  X a gerilimleri V f 1

elde edilir. 9.3.2.1. Omik çalışan motor Şimdi =0 alarak yukarıda bahsedilen adımları uygulayalım (bkz Şekil 9.6).

90


V1

jI1X jI1Xa

I1Ra

E

Ef

+ =0; omik, <0; motor

= I1

F < Ff E < E f endüvi reaksiyonu kutup alanını zayıflatıcı etki yapıyor

F Ff

Fa

Şekil 9.6 Omik çalışan motorun fazör diyagramları (gerilim ve mmk fazörleri)

9.3.2.2. Endüktif çalışan motor Şimdi <0 alarak yukarıda bahsedilen adımları uygularsak Şekil 9.7’de görülen fazör diyagram elde edilir.

+

<0; end., <0; motor

I1Ra

V1

jI1X

E

jI1Xa Ef



F > Ff

  I1

E > E f endüvi reaksiyonu kutup alanını arttırıcı etki yapıyor

F Ff

Fa

Şekil 9.7 Endüktif çalışan motorun fazör diyagramları (gerilim ve mmk fazörleri)

Endüktif çalışan motordaki endüvi reaksiyonunun etkisi, kapasitif generatördekine benzer olarak cereyan eder ve kutup alanını arttırıcı yöndedir. 9.3.2.3. Kapasitif çalışan motor Şimdi >0 alarak yukarıda bahsedilen adımları uygularsak Şekil 9.8’de görülen fazör diyagram elde edilir.


91

jI1X I1Ra

jI1Xa

Ef

+

V1

E 

>0; kap., <0; motor

F < Ff

 I1

E < E f endüvi reaksiyonu kutup alanını



azaltıcı etki yapıyor

F Ff

Fa

Şekil 9.8 Kapasitif çalışan motorun fazör diyagramları (gerilim ve mmk fazörleri)

Kapasitif çalışan motordaki endüvi reaksiyonunun etkisi, endüktif generatördekine benzer olarak cereyan eder ve kutup alanını azaltıcı yöndedir. 9.4. Çıkık Kutuplu Senkron Makinanın Eşdeğer Devresi ve Denklemleri

d Stator

N

min

max

Çıkık Kutuplu Rotor Tekerleği

q S

Şekil 9.9 Çıkık kutuplu makinada hava aralığı farklılıkları

Kutup tekerleği ile endüvi arasındaki hava aralığı d ekseninde minimum; min (burada  hava aralığını göstermektedir), q ekseninde ise maksimum; max ‘dır. Dolayısı ile d eksenindeki manyetik direnç d minimum, d akısı ise maksimum olur. Diğer taraftan q eksenindeki hava boşluğu (max ) maksimum olduğundan manyetik direnç de maksimum (q), q akısı da minimum olur.

92


  L  I temel bağıntısından L =

 olur. I

Bilindiği üzere,  büyük olduğunda L ve açısal hızda göz önüne alındığında

X    L reaktansı büyük olacak, makina sabit bir gerilim üretiyorsa (yada sabit bir gerilime beslenmiş ise) sargılarından minimum akım geçecektir. Aksi halde, yani  küçük olduğunda ise L ve X küçük olacak, dolayısı ile sargıdan geçen akım önceki duruma göre büyük olacaktır. Bu ilişkiler neticesinde ; senkron makinanın boyuna ekseninde büyük olan d bobin akısı, bunun tanımlayacağı büyük reaktans ve küçük akım da ; Lad 

 ad I1d

, X ad    Lad

(9.21)

ifadelerini tanımlar. Daha küçük olan enine eksen akısı; aq ve onun neden olacağı küçük reaktans ve büyük akımdan ;

Laq 

 aq I1q

, X aq    Laq

(9.22)

ifadeleri elde edilir. 9.21 ve 9.22 İfadelerinde farklı eksenler için oluşacak Xad, Xaq endüvi reaksiyonu reaktansları, ilgili akımlar ile birlikte endüvi reaksiyonu gerilimlerini (farklı eksenlerde; elektriksel olarak 90 faz farklı) oluşturur. Bu gerilimler: Eaq = jI1qXaq

(9.23)

Ead = jI1dXad

(9.24)

olur. Yukarıdaki reaktanslar farklı eksenler için aynı sargıda oluştuğundan, X kaçak reaktansı da bu reaktanslara ilave edilirse:

Xq = Xaq + X

(9.25)

Xd = Xad + X

(9.26)

olarak tanımlanabilir.


93

Şimdi 9.23 ve 9.24‘den elde edilen endüvi reaksiyonu gerilimlerini değerlendirerek, Şekil 9.2‘de verilen yuvarlak kutuplu makinanın eşdeğer devresini çıkık kutuplu senkron makina için düzenleyelim (Şekil 9.10). Eaq

X

Ra

u

I1 +

I

Lf

Ead

f Vf

-

Rf

E If

V1

Ef

K

x

Şekil 9.10 Çıkık kutuplu senkron makinanın eşdeğer devresi

Şekil 9.10‘daki Ef, Eaq ve Ead, bağımlı gerilim kaynaklarının değerleri sırası ile 9.2, 9.23 ve 9.24 nolu bağıntılarda belirtilmiştir. Bu bağıntıların birleştirilmesi ve Şekil 9.10‘dan yazılacak Kichoff çevre denkleminden ; Generatör çalışma için:

E f  V1  I1  Ra  j  I1  X   j  I1q  X aq  j  I1d  X ad

(9.27a)

veya 9.25 ve 9.26 ifadelerinin de katkılanması ile;

E f  V1  I1  Ra  j  ( I1q  X q  I1d  X d )

(9.27b)

Motor çalışma için (akımın yön değiştirdiği gerçeği ile):

V1  E f  I1  Ra  j  I1  X   j  I1q  X aq  j  I1d  X ad

(9.28a)

veya yine 9.25 ve 9.26 ifadelerinin de katkılanması ile;

V1  E f  I1  Ra  j  ( I1q  X q  I1d  X d )

(9.28b)

ifadeleri elde edilir.

94


9.5. Çıkık Kutuplu Senkron Makinanın Fazör Diyagramı 9.27a

ve

9.28a

nolu

ifadelerden

yola

çıkarak,

V1‘i

referans

alıp

 , I  R ve j  I  X fazörleri yuvarlak kutuplu makinada olduğu gibi çizilir ve V 1 1 a 1 

E (yükte endüklenen emk) fazörü elde edilir (Şekil 9.11 - A noktası). A noktasına

j  I1  X aq fazörü ilave edilir ve B noktası bulunur. OB yönü; q eksenini, buna dik eksen ise d eksenini verir. Daha sonra, I1 akımının bu eksenlerdeki iz düşümleri olan

  j  I  X ve E   j  I  X endüvi I1q ve I1d bileşenleri elde edilip ; E aq 1q aq ad 1d ad reaksiyonu gerilimleri hesaplanılıp çizildikten sonra E f fazörü elde edilir. Ayrıca A noktasından q eksenine çizilen dikme; AC , pratik olarak E aq ‘yu vermektedir.

9.5.1. Çıkık Kutuplu Generatörün Fazör Diyagramları

 fazörü referans alınıp, 9.27a nolu ifade Yukarıdaki açıklamalar izlenilerek, V 1 sağlanacak şekilde fazör diyagramlar elde edilir. 9.5.1.1. Omik çalışan generatör q

jI1Xaq Ef B

Ead

C

A Eaq

jI1X I1Ra

E

V1

= >0 generatör

=0 I1

d

I1q O

I1d

 E  E f Endüvi reaksiyonu kutup alanını zayıflatmaktadır

Şekil 9.11 Omik çalışan çıkık kutuplu senkron generatörün fazör diyagramı


95

9.5.1.2. Endüktif çalışan generatör q Ead

Ef

jI1Xaq

B

A C

jI1X

Eaq

I1Ra

E 

V1 

>0 generatör

 I1 I1q O

d

 E  E f Endüvi reaksiyonu kutup alanını şiddetli bir şekilde zayıflatmaktadır

I1d

Şekil 9.12 Endüktif çalışan çıkık kutuplu senkron generatörün fazör diyagramı

9.5.1.3. Kapasitif çalışan generatör

jI1X

I1Ra

A

q

Eaq

  j  I  X E aq 1q aq

V1

E

  j  I  X E ad 1d ad

jI1Xaq

C B

Ead



Ef >0 generatör

d

I1q

I1 I1d

  E  E f

O

Endüvi alanı kutup alanını destekleyici etki yapmaktadır.

 

Şekil 9.13 Kapasitif çalışan çıkık kutuplu senkron generatörün fazör diyagramı

Kapasitif çalışan çıkık kutuplu generatörde, yuvarlak kutupluda olduğu gibi, endüvi reaksiyonu d ekseni akısını kuvvetlendirdiğinden dolayı yükte endüklenen emk kuvvetlice artmaktadır.

96


9.5.2. Çıkık kutuplu senkron motorun fazör diyagramları

 fazörü referans alınıp, 9.28a nolu ifade 9.5 Bahsinde izah edildiği gibi, V 1 sağlanacak şekilde fazör diyagramlar elde edilir 9.5.2.1. Omik çalışan motor q

jI1Xaq V1 I1Ra

Ead

A

jI1X

Ef B

Eaq C

<0 motor

E =

=0

  E  E f

I1

d

Endüvi alanı kutup alanını zayıflatıcı

I1q

I1d

etki yapmaktadır

O 

Şekil 9.14 Omik çalışan çıkık kutuplu senkron motorun fazör diyagramları

9.5.2.2. Endüktif çalışan motor q

I1Ra

V1

jI1X

A E

Eaq jI1Xaq



<0 motor

C B

Ead

Ef I1q

d

I1 

O

I1d



  E  E f Endüvi alanı kutup alanını destekleyici etki yapmaktadır

Şekil 9.15 Endüktif çalışan çıkık kutuplu senkron motorun fazör diyagramları


97

9.5.2.3. Kapasitif çalışan motor q jI1Xaq jI1X

A

B

Ead Eaq C

V1 I1Ra

E

Ef



<0 motor

d

I1 I1d

I1q O

  E  E f Endüvi alanı kutup alanını zayıflatıcı

 

etki yapmaktadır

Şekil 9.16 Kapasitif çalışan çıkık kutuplu senkron motorun fazör diyagramları

98


10. ENDÜVİ

REAKSİYONU

REAKTANSININ

ANALİTİK

OLARAK BULUNMASI 10.1. Yuvarlak Rotorlu Makinada '‘Xa '‘Endüvi Reaksiyonu Reaktansının Bulunması Burada Xa endüvi reaksiyonu reaktansı asenkron makinalardaki mıknatıslanma reaktansı (Xm) ile tamamen özdeştir. Daha önce Bölüm 4.6’da detaylı olarak bahsedildiği için burada sadece eşitliği verilecektir:

2  m1  f1   0  D    N a . k wa1  Xa     k  k   p  

2

(10.1)

Burada; D = İçten içe endüvi çapı  = Etkin endüvi uzunluğu  = Kutup tekerleği ile endüvi arasındaki minumum açıklık k = hava aralığı düzeltme faktörü (1,1  1,2) k = Doyma faktörü

(1 - 1,2)

Na = Endüvi faz sargısı sarım sayısı kwa1 = Endüvi faz sargısı sargı faktörünün temel frekans bileşeni için değeri m1 = Endüvi sargısı faz sayısı f1 = Endüvi temel frekansı p = Çift kutup sayısı Daha sonra Senkron Genaratör karakteristikleri bahsinde Xa ‘nın ve X ‘nın deneysel elde edilmesi verilecektir. X ‘nın analitik hesabı oldukça karmaşık bir konu olduğundan burada değinilmeyecektir.


99

10.2. Çıkık Kutuplu Makinada (Xaq ve Xad) Enine ve Boyuna Endüvi Reaktanslarının Hesabı Çıkık kutuplu makinada q ve d eksenlerindeki manyetik endüksiyonlar ve akılar farklı olduğundan Xa (yuvarlak kutuplu senkron makinadan); q ve d eksenlerinde farklı değerler alıp, iki bileşene; Xaq ve Xad ‘ye ayrılır. Endüvinin d ekseninde ürettiği manyetik endüksiyon Bad, ve bu sinüsoidalden farklı Bad dağılımının temel bileşeni; Bad1 olursa d ekseni endüvi reaksiyonu şekil faktörü :

kfd =

B ad1 <1 B ad

(10.2)

Olarak tanımlanabilir. diğer taraftan endüvinin q ekseninde ürettiği endüksiyon Baq, ve bu sinüsoidalden farklı Baq dağılımının temel bileşeni Baq1 olursa, q ekseni endüvi reaksiyonu şekil faktörü :

k fq 

B aq1 B aq

(10.3)

<1

Olarak tanımlanabilir. Burada Bad1, Bad, Baq1 ve Baq maksimum değerlerdir. Bu tanımlardan sonra Eşitlik 10.1‘e benzer olarak: 2

2  m 1  f1   0  D    N a . k wa1  Xa      k fd k  k  p  

(10.4a)

ve 2

2  m 1  f1   0  D    N a . k wa1  Xa      k fd k  k  p  

(10.4b)

olur. Daha sonra senkron generatör karakteristikleri konusunda Xad, Xaq ve X 'nın deneysel elde edilmesi verilecektir. X ‘nın analitik hesabı oldukça karışık olduğu için burada değinilmemiştir.

100


11. SENKRON MAKİNADA ENDÜKLENEN GÜÇ VE MOMENT

11.1. Yuvarlak Rotorlu Senkron Makinada Güç ve Moment Makinada bir faz başına dış güç; P1 = V1.I1.Cos

(11.1a)

3 fazlı makina için ise; P = 3.V1.I1.Cos =

3 . V1L . I 1L . Cos

(11.1b)

Bir faz için endüklenen güç (döner alan gücü) ise diğer elektrik makinalarında olduğu gibi;

 , I  E f 1

Pd1 = Ef.I1.Cos

(11.2a)

3 faz için ise; (11.2b)

Pd = 3. Ef.I1.Cos olur.

Burada  ve Ef ; ölçülmesi güç büyüklüklerdir. Bu bağıntıyı daha kullanışlı hale getirmek için endüvi omik direncini (r  0) sıfır kabul edip, endüktif çalışan genaratörün fazör diyagramını ele alalım:

C

Xs = Xa + X

D 

jI1Xs

Ef

AB = CD I1XsCos = V1Sin

B A

I1Cos =

V1 



I1

V1 . Sin olur. Bu ifade Eşitlik 11.2b’de yerine Xs

yazılırsa, 3 fazlı makina için döner alan gücü yada endüklenen güc;



Pd 

3. V1 . E f .Sin Xs

(11.3)

olarak elde edilir. Burada güç, yük açısı  ‘nın fonksiyonu olarak ortaya çıkar.


101

Endüklenen moment ise endüklenen gücün açısal hıza oranıdır:

Md 

Pd s

 s  2. 

,

ns 60

ns 

,

60  f1 p

(11.4 a, b, c)

olup, yuvarlak rotorlu 3 fazlı senkron makinada endüklenen moment ;

Md 

3  V1  E f  Sin Xs s

(11.5)

olur. 11.5 ifadesi  ‘nın fonksiyonu göre çizilirse ; Mdmax

Md

>0 generatör KARARSIZ

-/2 KARARSIZ

<0 motor

0

/2



-Mdmax Kararlı çalışma bölgesi

Şekil 11.1 Senkron makinan kararlı çalışma bölgeleri

, sıfırdan başlayarak arttıkça makinanın ürettiği moment sinüsoidal olarak artmakta ve  =

 olduğunda Md = Mdmax olmaktadır. Artan yükü karşılamak için  mutlak 2

değer olarak artmaya devam ederse, makinanın momenti fonksiyon gereği azalacağından makina kararlı çalışamaz ve senkronizmadan çıkar. 11.2. Çıkık Kutuplu Senkron Makinada Güç ve Moment Ra  0, X  0 kabul edilirse, endüvi kayıpları yaklaşık olarak 0 olacak ve 3 faz için iç güç dış güce eşit olacaktır;

Pd =3.V1.I1.Cos

102

(11.6)


Bu yaklaşık durum için endüktif çalışan generatörün fazör diyagramını çizelim : q jI1Xaq

Ef

Ead

  j  I  X E aq 1q aq

Eaq



  j  I  X E ad 1d ad

V1   I1

I1q

d

I1d

Şekil 11.2 Ra ve X ‘nın ihmal edildiği durum için endüktif çalışan çıkık kutuplu senkron makinanın fazör diyagramı

Fazör diyagramdan  =  -  yazılabilir. Bu eşitlik 11.6 ifadesinde yazılırsa: Pd = 3V1I1 Cos( - ) olur. Cos( - ) yerine açılımı yazılırsa; Pd = 3V1I1(CosCos + SinSin)

(11.7)

olur. Şekil 11.2’den elde edilecek; I1q =I1Cos

;

I1d = I1Sin

(11.8 a,b)

ifadeleri 11.7 ifadedesinde yerine yazılırsa; Pd = 3V1 (I1qCos + I1dSin)

(11.9)

olur. Şekil 11.2’deki fazör diyagramdan I1q ve I1d ‘yi gerilim ve reaktanslar cinsinden yazarsak;

E ad = I1dXad = Ef - V1Cos  I1d = E aq = I1qXaq = V1Sin  I1q =

E f  V1  Cos

V1  Sin X aq

(11.10)

X ad

(11.11)

11.10 ve 11.11 ifadeleri, Eşitlik 11.9‘da yerine konursa;


103

Pd 

3  V12 3 V  Sin  Cos  1  ( E f V1  Cos )  Sin X aq X ad

CosSin =

Sin (2   ) özdeşliği kullanılırsa; 2

3  V12 Sin( 2   ) 3  V1  E f 3  V12 Sin( 2   ) Pd     Sin   X aq 2 X ad X ad 2

3  V1 2 Pd  2

 1 3. V1 . E f 1    Sin( 2   )      Sin X ad  X ad  X aq

(11.12)

Böylelikle endüklenen güç ifadesi bulunmuş olur. Şayet X ihmal edilmez ise (39) ifadesinde Xaq yerine Xq = Xaq + X ve Xad yerine Xd = Xad + X yazılmalıdır. Endüklenen Moment ise ;

Md 

Pd  s

Pd

(11.13)

ns 2   60

11.13 ifadesinde 11.12 eşitliği yazılırsa, moment ifadesi;

Md 

3  V1 2  1 3. V1 . E f 1    Sin( 2   )     Sin ns  n X ad  4    60  X aq 2    60s  X ad      Re lük tan s Momenti

(11.14)

Y.Rotorlu Makinanın ortalama Momenti

Relüktans momenti çıkık kutupluluktan dolayı oluşmaktadır. Çıkık kutupluluk olmadığında Xaq = Xad olacağından relüktans momenti sıfır olur. Şayet X ihmal edilmez ise 11.14 ifadesi aşağıdaki gibi olur:

 V1 . E f V1 2 Md    Sin  ns  Xd 2  2   60 3

104

 1 1    Sin( 2   )    X d   Xq

  

(11.15)


Momentin bileşenleri ayrı ayrı çizilirse; GENERATÖR

Md=f()

-



/2

0

-/2

___Toplam Moment .......Relüktans Momenti - - - Y. R. Makina Ort. Mom. 

MOTOR

Şekil 11.3 Çıkık kutuplu senkron makinada moment bileşenlerinin yük açısına göre değişimleri Generatör >0

Ef/V1

Md=f(, Ef/V1)

1.5

KARARSIZ

1 0.5

-

0

-/2 0

/2

 

KARARSIZ

Motor <0 KARARLI ÇALIŞMA ARALIĞI

Şekil 11.4 Çıkık kutuplu senkron makinada, Ef/V1 oranına bağlı olarak karalı çalışma aralığının değişimi

Bu şekilde çıkı kutuplu makina aşırı uyarıldığı taktirde  ‘nın kararlı çalışma aralığı büyümekte üretilen momentin arttığı görülmektedir (Şekil 11.4). Ef ‘nin doyumlu olduğu göz ardı edilmemelidir. Diğer elektrik makinalarında da olduğu gibi, momentin manyetik akının fonksiyonu olduğu Ef = f (),  = f(if), Ef k  Md = 3kI1Cos ifadeleri ile gösterilebilir.


105

12. SENKRON GENERATÖR KARAKTERİSTİKLERİ

12.1. Giriş Karakteristiklere geçmeden önce, güçleri çok büyük olan bu makinaların birbirleri ile mukayeselerini yapabilmek amacıyla PER - UNIT (birime indirgenmiş) değerler sisteminden söz etmek yerinde olur. Zira güç ve devir sayıları ve hatta gerilimleri çok farklı olan iki makina arasında mukayese elde etmek için karakteristiklerine bakmak gerekir. Ancak karakteristiklerde eksenler her ne kadar aynı büyüklükleri gösterse de, değerlerin farklı oluşu, mukayesenin sıhhatli olabilmesi için bir temele oturtulması icap eder. bu nedenle gerçek değerlerin nominal değerlere oranlanması sureti ile elde edilen birim ölçülere PER - UNIT değer tabir olunur. n indisi ile nominal ve 1 ile faz başına (yada sargı değerleri) gösterilirse: Makina empedansı; V1n V12n  I 1n S1n

Z 1n 

S1n : Bir fazın nominal görünür gücü

(12.1)

PER - UNIT büyüklükler ;

I 1pu 

I1 I 1n

Z 1pu 

değerlerini

Z1 Z 1n

alır.

V1 V1n

,

R apu 

Ra Z 1n

, V1pu 

,

Bu

değerler

S1 S1n

,

X spu 

Xs Z 1n

S1pu 

,

kullanılarak

P1pu 

çizilmiş

P1 P1n

(12.2-12.5)

(12.6-12.8)

farklı

makinalara

ait

karakteristikler, birbirleri ile kolaylıkla karşılaştırılabilir.

106


Şekil 12.1 Senkron Generatör karakteristiklerinin çıkartılmasında kullanılan bağlama şeması

12.2. Senkron Generatörün Boşta Çalışma Karakteristiği Senkron Generatör tahrik makinası ile n = ns devirde döndürülr ve deney süresince sabit kalması sağlanır. Daha sonra Rfg reostasının en büyük değerinde olması temin edilerek S1 anahtarı kapatılır. S1 haricinde bütün anahtarlar açıktır. Endüklenen EMK‘in uyarma akımına göre değişimi (Ef = f (If )) boşta çalışma karakteristiğini verir (Şekil 12.2). Karakteristik aynı doğru akım generatöründeki gibidir. Artan uyarma Ef Ef=V1n n=ns=sbt, I1=0, Ef=f(If)

Er 0

Ifo

If

Şekil 12.2 Senkron generatörün boşta çalışma karakteristik eğrisi

akımı ile endüklenen EMK arasındaki ilişki histerizis eğrisinin ölçek farkı ile


107

aynısıdır. Er; remenans (kalıcı mıknatisiyet) gerilimi olup nominal gerilimin % 5 ‘i kadardır. 12.3. Senkron Generatörün Dış Karakteristiği Senkron generatörde endüvi reaktansının büyüklüğü hakkında fikir sahibi olmayı sağlayan bu karakteristik, sabit ikaz akımı ve sabit güç faktöründe uç gerilimi ile yük akımı (V1 = f(I1)) arasındaki ilişkiyi verir. kapasitif yüklerde uç gerilimi artarken endüktif yüklerde azalır. Omik yükte ise bir parça azalma gösterir. Deneyi yapmak için senkron generatör ns hızında tahrik edilir. S1 uyarma anahtarı kapatılıp, uyarma reostası ile generatörün uç gerilimi nominal değerine ayarlanılır. Daha sonra istenilen Cos değerine uygun S2, S3 ve S4 kapatılarak (saf omik yük için; S2, endükti Ra  0 ve Xs = Xa + X alarak, endüktif çalışan yuvarlak kutuplu senkron generatör için fazör diyagramı çizip, Pisagor bağıntısını uygulayalım. Ef

jI1Xs

OA  V1  Cos AB  V1  Sin

B

V1

A



Bütün terimler Ef2 ile bölünürse; 

V12 I12  X s2 2  V1  I1  X s    Sin  1 E 2f E 2f E 2f

I1 

Ef=V10 ; Boşta çalışma gerilimi

O

I1k 

E2f  ( V1  Cos )2  ( V1  Sin  I1  Xs )2

Ef ; Kısa devre sürekli akımı olduğuna göre Xs

2

2

 V1   I1  V I       2  1  1  Sin  1 V10 I1k  V10   I1k 

(12.9)

ifadesi elde edilir. Bu ifade her  açısı için bir elips verir. Sin  = 0 için denklem; daire, Sin  = 1 için; doğru verir (Şekil 12.3). 108


V1/V10

n=ns , If=sbt , Cos = sbt , V1=f(I1)

0 0.8 1

Omik End

0.5

0

Cos=0 0.8

0.5

Kap 1

0

1

I1/I1k

Şekil 12.3 Senkron generatörün dış karakteristiği

12.4. Senkron Generatörün Yük Karakteristiği Generatörün boşta çalışma karakteristiğine boştaki mıknatıslanma eğrisi denirken yük karakteristiği de, nominal akımında (sabit) icra edildiği için yükteki mıknatıslanma eğrisi de denir. Uç gerilimi ile ikaz akımı arasındaki karakteristiğin sabit yük akımı ve güç faktöründe çıkartılması yük karakteristiğini verir.

Şekil 12.4 Yük Karakteristiği

E -V1n miktarı

, kaçak reaktanstan oluşan gerilim düşümü olup, A1F1E1 üçgenine

POTİER üçgeni denir. F1P1 endüvi alanının uyarma amper sarımına indirgenmiş değeridir ve I’= g.I 'dir. Cos = 0 durumunda elde edilen POTİER ÜÇGENİ tüm


109

karakteristik boyunca sabit çevre ve alana sahiptir. Kapasitif durumda ise bu üçgen şekilde görüldüğü gibi ters döner faz farkı saf endüktife göre 1800 olmuştur. Karakteristiğin elde edilmesi için generatör sabit devirle tahrik edilir. ns, güç katsayısı ve yük akımı sabit tutularak V1 = f(If ) elde edilir. bu bağlantının sağlanması için generatör tahrik edilip ns devre ulaşıldıktan sonra, Şekil 12.1 ‘de S1 kapatılıp istenilen yük çeşidine göre S2 ve/veya S3, S4 kapatılarak muhtelif güç faktörlerinde yükleme yapılır. Cos ‘nin sabit tutulması gerektiğinden,  = arctg (

Ic I ) yada  = arctg ( L ) IR IR

(12.10)

parametrelerine dikkat edilmelidir. V : Kaçak reaktans gerilim düşümü Vr : Omik direnç gerilim düşümü olmak üzere; Şekil 12.4 ‘te; A1 F1 = V. Sin + Vr. Cos

(12.11a)

Saf endüktif durumda Cos = 0 ve Sin = 1 olduğundan ; A1 F1 = V. Sin = V = X.I1

(12.11b)

olur. Bu bağıntıdan X deneysel olarak bulunabilir, yaklaşık bir değerdir ve gerçek kaçak reaktanstan biraz büyüktür. Fakat büyük bir yaklaşıklık ile kullanılabilir. Dış karakteristeki A1 F1 ‘in gerçek adı POTİER REAKTANSI; Xp ‘dir.

Yuvarlak Rotorlu makinada; F1 P1 = I’= g.I

(12.12)

olup, burada; I’= Endüvi akımının kutup tekerleğine indirgenmiş hali

110


Senkron Makineler 04 Dosyasına Ek – Arş.Gör.Barış Cevher

12.5. Senkron Jeneratörün Ayar Karakteristiği Jeneratörlerde terminal gerilimi yükün değişimine bağlı olarak değişmektedir. Ancak tüketiciler tarafından devamlı değişen ve yükün karakteristiğine bağlı olan terminal gerilimi yerine yük ne olursa olsun değişmeyen sabit bir gerilim arzulanır.

If

GF=0 end. GF=0,6 end. GF=0,8 end.

Uyarma Akımı

If2

GF=1

If1

omik

If0

If3

GF=0,8 kap. GF=0 kap. I1

Yük Akımı: I

Şekil 13.5 Ayar Karakteristiği

Bu nedenle senkron jeneratörün çıkış gerilimini yük akımına bağlı olarak sabit tutmak gerekir. Bu amaçla Uyarma Akımı değiştirilerek Yük Akımına bağlı olarak değişen terminal gerilimi sabit tutularak çizilen eğriye Ayar Karakteristiği denir. Omik yüklerde endüvi reaksiyonunun gerilimi azaltıcı etkisi az olduğundan uyarma akımının az miktarda arttırılması gerilimi sabit kalmasını sağlar. Endüktif yüklerde ise endüvi reaksiyonunun gerilimi azaltıcı etkisi kuvvetli olduğundan gerilimin sabit kalabilmesi için uyarma akımının omik yüklenmeye oranla daha fazla miktarda arttırılması gerekir. Kapasitif yüklerde ise durum tersinedir. Çünkü Kapasitif yüklerde endüvi reaksiyonunun gerilimi kuvvetle arttırıcı etkisi vardır. Bu nedenle gerilimi sabit tutmak için uyarma akımının çok fazla miktarda azaltılması gerekir. Jeneratörün

uyarma akımının ayarlanması

amacıyla kullanılan

regülatörün

karakteristiğinin jeneratörün ayar karakteristiğine uygun olması gerektiğinden, ayar karakteristiğinin bilinmesi önem taşımaktadır. Eğer regülâtör ayar karakteristiğine 111


uygun yapılmaz ise jeneratörün çıkış gerilim genliğinde değişmelere ve zamansal gecikmelerine sebep olur ki bu da jeneratörde istenmeyen elektromanyetik salınımların oluşmasına neden olur.

112


13.

JENERATÖRÜN

SENKRON

ŞEBEKEYE

PARALEL

BAĞLANMASI -SENKRONİZASYONU Senkron

jeneratörler

aynı

şebekede

birbirlerine

paralel

olarak

çalışırlar.

Senkronizasyon: Üç fazlı bir senkron jeneratörün şebekeye veya iki jeneratörün birbirine paralel bağlanmasıdır.  Şebeke gerilimi ile paralel bağlanacak jeneratörün gerilimi birbirlerine eşit olmalıdır.

V1 = Vş. Gerilim eşitliği çift voltmetre ile gözlenir. Jeneratörün

gerilimi uyarma akımı ayarlanarak şebeke gerilimine eşit yapılır.  Paralel bağlantı için ikinci koşul frekans eşitliğinin sağlanmasıdır. Şebeke frekansı ile, paralel bağlanacak jeneratörün frekansı birbirlerine eşit olmalıdır. f1=f2. Frekans eşitliği çift frekans metre ile gözlenir. Bu aletler de çift voltmetreler gibi özel olarak alternatörlerin paralel bağlanmalarında kullanılırlar. Frekans f1= p.ns/60 kutup sayısı ve devir sayısına bağlı olduğuna ve jeneratör çift kutup sayısı (p) değiştirilemeyeceğine göre, Frekans eşitliği jeneratörün devir sayısı değiştirilerek sağlanır. Jeneratörün devir sayısı da; su türbini, gaz türbini ve dizel motor gibi jeneratörü tahrik eden mekanik gücün kaynağının yakıt miktarı ile ayarlanır. Paralel bağlantı için özel yapılmış çift voltmetreler ve çift frekans metreler yardımı ile (V1=Vş) gerilim eşitliği ve (f1=fş) frekans eşitliğinin gözlendiğini öğrendik. Bu ölçü aletleri yerine normal voltmetreler ve frekans metreler ile de aynı ölçümler yapılabilir. Ölçü aletlerinin çift kadran ve çift skalalı olması sadece rahat bir ölçüm kolaylığı sağlar.  Paralel bağlantı için diğer bir koşul ise faz sıralarının (bir anlamda jeneratör döner alanı ile şebeke döner alanı) aynı olması koşuludur. Bu aynı zamanda aynı adlı 113


uçların kendi aralarında (R1, Rş ile - S1, Sş ile - T1, Tş ile) bağlanması anlamına da gelir. Faz sıralarının aynı olma kontrolü faz sırası göstericisi denilen aletle yapılır. Aynı amaçla küçük güçlü bir asenkron motor da kullanılır. Motor önce jeneratör uçlarına bağlanır ve motorun dönüş yönü gözlemlenir. Sonra motor uçları aynı sıra uçları ile şebeke tarafına bağlanır. Dönüş yönü aynı ise jeneratör ve şebeke karşılıklı uçları aynı isimli fazlardır.  Paralel bağlantı için gerekli olan son koşul, jeneratör faz gerilimi ile şebeke faz gerilimi eşit ve üst üste gelmeli yani faz farkı olmamalıdır. Paralel bağlantı için gerekli olan son derece dikkat gerektiren bu koşul da senkronizma anının saptanmasıdır. Senkronizma anında jeneratör gerilimleri ile şebeke gerilimleri aynı anda, aynı ani değerleri alırlar. Senkronizma anı senkronoskop, sıfır voltmetresi veya lamba bağlantıları ile ayrı ayrı saptanır. Senkronoskop devreye bağlandığında ibre jeneratör ve şebekenin frekans farkına bağlı olarak belirli bir yöne döner. Jeneratörün frekansı şebeke frekansından fazla ise senkronoskop bir yöne dönecek, şebeke frekansı jeneratörün frekansından fazla ise ibre ters yöne dönecektir. Frekans farkı azaldıkça ibrenin dönüşü yavaşlar. İbre işaretlenen yerde durunca alternatör fazları üst üste gelmiş ve gerilimler arasındaki faz farkı sıfır olmuş demektir. Senkronoskop yerine; Sönen Işık (Lamba) Montajı, Yanan Işık (Lamba)

Montajı ya da Dönen Işık

(Lamba) Montajı bağlantıları ile de senkronizasyon anı tespit edilir.

114


13.1.

Sönen Işık Montajı

R S T "0" Voltmetre

K

U V W

S.G 3

~

I A

K If

+ Vdc -

Şekil 13.1 Sönen Işık Montajı

Şekil 13.2 Senkronoskop

Sönen ışık montajı, V1=VŞ ve f1=fş eşitlikleri sağlanıp K anahtarının karşılıklı uçlarına aynı isimli fazlar gelecek şekilde bağlantı yapılır. Jeneratör ve şebeke faz gerilimleri toplamı dikkate alınarak uygun sayıda lamba, kendi aralarında bağlanır. Lamba grupları şekilde görüldüğü gibi aynı isimli fazlara bağlanır. Montajdan sonra lambalar yanıp sönerler. Lambaların yanıp sönme hızı jeneratör ve şebeke frekansları arasındaki farka bağlıdır. Lambaların yanıp sönme hızı paralel bağlanacak jeneratörün devir sayısı (frekans) ile yavaşlatılır. Lambaların söndüğü an senkronizma anıdır. Ancak lambaların söndüğü anda, uçları arasında azda olsa bir gerilim bulunabilir. Bu küçük gerilim lambaları yakmaya yetmeyeceğinden senkronizma anı diye şalteri kapatmak sakıncalı olabilir. Bu yüzden lambalarla beraber bir < "0" Voltmetre > kullanılır. Voltmetrenin göstereceği değer 0 ile 2V değerleri arasındadır. Voltmetrenin sıfırı gösterdiği an senkronizma anıdır. Aynı faza ait eğriler arasındaki 180° açı farkında lambalar V1+VŞ=2V gerilimi ile yanar. Bu durum senkronizma anından çok uzaktır. Faz eğrileri arasındaki açı farkı azaldıkça lambaların ışık miktarı da azalacak ve nihayet üç faz eğrileri arasındaki faz farkı sıfır olduğunda lambalar sönecektir. Bu nedenle bu bağlantıya Sönen Işık Montajı denir.

115


13.2. Yanan Işık Montajı R S T

Yanan ışık montajı, V1=VŞ ve f1=fş eşitlikleri

sağlanıp

K

anahtarının

karşılıklı uçlarına farklı isimli fazlar gelecek K

şekilde

bağlantı

yapılır.

Jeneratör ve şebeke faz gerilimleri toplamı dikkate alınarak uygun sayıda

U V W

lamba, kendi aralarında bağlanır. Bu bağlantıda lambaların en parlak ne zaman

3

~

K If

I

S.G

A

+ Vdc -

yandığının

bilinmemesi

tam

nedeniyle

olarak pratikte

kullanımına pek rastlanmaz.

Şekil 13.3 Yanan Işık Montajı

13.3. Dönen Işık Montajı R S T

Dönen ışık montajı, V1=VŞ ve f1=fş eşitlikleri

sağlanıp

K

anahtarının

uçlarına iki lamba yanan ışık ve bir lamba sönen ışık montajına göre K

bağlantı yapılır. Jeneratör ve şebeke faz gerilimleri toplamı dikkate alınarak

U V W

uygun sayıda lamba, kendi aralarında bağlanır. Bu bağlantıda lambaların yanıp sönme sıraları jeneratör ve

S.G 3

~

I

K If

A

+ Vdc -

Şekil 13.3 Dönen Işık Montajı

şebeke frekansına göre sağa veya sola doğru olacaktır. Bu nedenle Dönen Işık Montajı denir.

Bir lamba Söndüğü ve iki lamba parlak tam yandığında "0 voltmetresi" de kontrol edilerek K anahtarı kapatılır.

116


14.

SENKRON MAKİNEDE AKTİF-REAKTİF GÜÇ AYARI

14.1. Aktif Güç Ayarı Senkron makineler bağlı bulundukları şebekede motor ya da jeneratör olarak çalışabilirler. Jeneratör çalışmada Kutup Tekerleği (KT) döner alanı Stator (Endüvi) döner alanının önünde olduğundan yük açısı δ>0, motor çalışmada ise Stator (Endüvi) döner alanı önde Kutup Tekerleği (KT) döner alanı arkada olduğundan yük açısı δ<0'dır. Dolayısıyla jeneratör çalışmada Ef ,V1'in önünde, Motor çalışmada V1 ise Ef'nin önündedir. Yuvarlak rotorlu senkron motorun (Ra=0 iken) endüktif yük durumu için eşdeğer devresi ve fazör diyagramı çizilerek yüklenmesi durumu incelenirse;

I + Vf

Rf

Lf

Xa

f

+ Ea If

Ef

X I1 E

K -

Şekil 14.1 Senkron jeneratör eşdeğer devresi

Eşdeğer devreden;

E f V1  I1  j  X a  I1  j  X  E f V1  I1  j  X s

D

u



C V1 x

+

Ef

jI1Xs



B

 <0; endüktif,  > 0; Jeneratör

A

'

C



V1

E

 I1  

Şekil 14.2 Senkron jeneratör endüktif fazör diyagramı

Şebeke gerilimi V1 ve jeneratörün uyarma akımı sabit tutulurken yani Ef'nin genliği sabit iken jeneratör yüklenirse, bu durumda I1 akımının arttırılması gerekecektir yani jI1.Xs büyümesi anlamına gelecektir. Bu da ancak fazör diyagrama bakıldığında δ'ın büyümesi ile mümkündür. Bu durum tahrik makinesinin yakıtını arttırmakla mümkün olacaktır. Tahrik makinesi bir dizel motor ise daha fazla yakıt harcanarak, Şayet bir su türbini ise su miktarı arttırılarak yapılır. Kısacası V1 ise Ef'nin arasındaki yük açısı δ'ın büyümesi I1 akımının artmasını sağlar. Bu da yüke aktarılacak aktif 117


gücün artması anlamına gelecektir. Ra= 0 iken Pd=P1 olduğu hatırlanırsa, jeneratörün yüklenmesi durumunda; 3V1   f  Sin Xs

 3 V1  I1  Cos

eşitliğin sol tarafındaki ifade de Sin δ büyümesi

eşitliğin sağ tarafındaki I1  Cosφ'nin büyümesi anlamına gelecektir. Bu durum senkron jeneratörün daire diyagramı üzerinde incelenirse;

jI1'Xs <0; Endüktif,  > 0; Jeneratör

D 

C

+

jI1Xs



Ef

C'

No

' CN' B

' 

Ef'=Ef

A

N



V1 

'

I1

Nmax

Pn Pn'

E

I1'

' 

Nmax



Pmax

Jeneratör

Motor

Şekil 14.3 Senkron makinenin daire diyagramı

|V1|=sbt ve |Ef|=sbt iken Ėf fazörünün δ açısı ile değiştirilmesi sonucunda senkron makinenin daire diyagramı elde edilir. Makinenin Yük açısı δ>0 olduğunda Jeneratör çalışma, yük açısı δ<0 motor çalışma durumunu göstermektedir. Ėf, C noktasından C' noktasına geldiğinde yük açısı δ, δ' olmaktadır. |CN| ise |C'N'| olmaktadır. |C'N'|=I1'.Xs.cos φ' ifadesinde Xs=sbt olduğuna göre I1.cos φ büyüyerek I1'.cos φ' olmuştur . Jeneratörün ürettiği güç 3.V1I1.Cos iken 3.V1I1 '.Cos ' olduğundan ürettiği güç artmıştır. Burada görüleceği üzere |V1|=sbt ve |Ef|=sbt iken jeneratörün ürettiği aktif güç, girişteki mekanik güç ile orantılıdır. Hız sabit olduğu için üretilen güç tahrik 118


momenti ile değiştirilir. Sonucunda jeneratörün δ açısı yani Sin δ ile değişmektedir. Bu durum Tahrik makinesi bir dizel motor ise momenti (yakıt miktarı) değiştirilerek (azaltılarak-arttırılarak); şayet bir su türbini ise su miktarı değiştirilerek (azaltılarakarttırılarak) sağlanmaktadır. 14.2. Reaktif Güç Ayarı

C2

B2

2 Ef2 Ef1 Ef3

 > 0; Jeneratör

B1

C1

C3

1=0, omik, 2<0;endüktif, 3>0;kapasitif,

I2.Cos ϕ2.Xs

2 +

2 A

V1 E

B

1 3 3 I1

I3

1=0

1

I2

3

2 

Şekil 14.4 Senkron jeneratör reaktif güç ayarı

Xs=sabit parametre, 1 ekseninde akımın I ucu sabit kalacak şekilde yani I.Cos φ=sbt olacak şekilde, yani |CkBk|k=1,2,3= I1.Cos φ1 = I2.Cos φ2 = I3.Cos φ3=sbt olacak şekilde (ki bu durumda şebekeye verilen aktif güç P  3.V I .Cos =sbt' dir. ) uyarma akımı değiştirilirse endüvi gerilimi Ef 'nin değişimi 2 ekseni üzerinde olacaktır. Bu durumda I.Sinφ 'nin değiştiği görülmektedir. Şu halde Q  3.V I .Sin olduğu hatırlanırsa reaktif güç değişecektir. Gücü çok büyük olan bir şebeke ile paralel çalışan bir senkron jeneratörde V=sbt olacağından 1 ekseninde akımın I ucu sabit tutulurken yani aktif güç sabit iken uyarma akımı değiştirilirse endüvi gerilimi Ef 'nin 2 ekseni üzerindeki değişimi reaktif gücün değiştiğini gösterir. Jeneratörlerde; Uyarma akımı, Cos φ1 =1 yapan değerin üstünde ayarlanması durumunda indüklenen gerilim Ef2 olur ve şebekeye endüktif güç verir. 119


Uyarma akımı, Cos φ1 =1 yapan değerin altında ayarlanması durumunda indüklenen gerilim Ef3 olur ve şebekeye kapasitif güç verir. 14.3. Senkron Makine V Eğrileri Aktif güç çeşitli değerlerde sabit tutularak, yük akımı I1, uyama akımı If'nin fonksiyonu olarak çizilirse senkron makinenin V eğrileri elde edilir. Şekil 14.6 yardımıyla senkron makine V eğrileri elde edilir. GF=0,8 (ileri)

V1=sbt

I1

Yük Akımı

GF=1

GF=0,8 (geri) 𝑃

Kararsızlık Sınırı

𝑃𝑛

= 1 Tam yük 0.75 yük 0.5 Yarı yük 0.25 yük

Boşta Çalışma

A

B

C Kap. Jen. End. Mot.

End. Jen. Kap. Mot.

IfA

If0

IfC

IfB

Şekil 14.5 Senkron Makinenin V Eğrileri

120

Uyarma Akımı: If


R S T V K4

Vdc + -

K3

K1

S

K5

V A K2

+

I

K

Vdc

Dinomo Fren

If

A

Rfg1

DCM

W

W

<

<

U V

S.M 3~

W

I

K

A

If

+ Vdc -

Rfg

Şekil 14.6 Senkron Makinenin V Eğrileri

121


15.

SENKRON MOTORLARA YOL VERME

Senkron Motorların Kutup tekerleği doğrudan kendi başına yol alamaz. Bu nedenle senkron motorlara yol verme gereksinimi doğmaktadır. 15.1. Senkron Motora Söndürüm Sargılarıyla Asenkron Yol Verme R S T

K1

Ototrafo

K3

K K2

U

V

S.M 3

~

W

If +

A

-

Vdc

Rfg

Şekil 15.1 Senkron Motora Söndürüm sargıları kullanarak yol verme

122


Bu yöntem, senkron motora yol vermede uygulanan birkaç yöntem içerisindeki en önemli yöntemdir. Senkron motora bu yöntem ile yol verilebilmesi için motorun söndürüm (amortisör) sargılarının olması gerekir. Endüviye uygulanan üç fazlı alternatif alanın hava aralığında meydana getirdiği döner alan söndürüm (amortisör) sargılarını keser ve söndürüm (amortisör) sargılarında gerilim indükler. Söndürüm sargıları her iki baştan kısa devre halkaları ile kısa devre edilmiş olduklarından, indüklenen gerilimle akım akmasını sağlarlar. Endüvi döner alanın etkisiyle kutup tekerleğine bir döndürme momenti etki eder ve kutup tekerleği senkron hızı yakın bir hıza kadar hızlanır. Bu şekilde yol verme aynı sincap kafesli asenkron motordaki gibi olduğundan, bu yönteme "asenkron yol verme" denir. Bu yol verme esnasında uyarma sargısı kendi direncinin (5-10) katı büyüklüğünde bir direnç üzerinden kısa devre edilir. Bundaki amaç, uyarma sargısı üzerinde tehlikeli gerilimlerin indüklenmesinin önüne geçmektir. Senkron hıza yaklaşan kutup tekerleği üzerindeki uyarma sargısı, bağlanan dirençler üzerinden ayrılarak uyarma gerilimi veren kaynağa bağlanır ve sargılar uyarılır. Bu şekilde yol verme işlemi sonlandırılır. Şekil 15.1'de verilen bağlantı şemasında senkron motor, endüvisine uygulanacak gerilim ayarlanabilmesi için oto-trafo üzerinden sürülmektedir. Öncelikle K3 sonrasında K1 kesicisi kapatılır. Trafoda düşürülen şebeke gerilimi K2 kesicisi kapatılarak senkron motorun endüvisine verilir. Bu esnada ana kesici K4 elektrik kilidi kullanılarak mutlak açık alması sağlanmıştır. Motor hızlanmaya başlamış ancak yeterince hızlanıp senkron hızda dönmeye başlamamıştır. Oto-Trafoyu yıldızlayan K3 anahtarı açılarak şebeke gerilimine yakın bir gerilimin motor endüvisine gelmesi sağlanır. Gerilim artışı ile kutup tekerleği hızlanır ve senkron hıza yaklaşır. Daha sonrada ana kesici K4 kapatılarak kutup tekerleğinin senkron hıza daha yaklaşması sağlanır. Son olarak uyarma sargısı kısa devre edildiği dirençler üzerinden ayrılarak uyarma kaynağına bağlanır ve uyarma sargısına DA verilir. Bu işlem ile kutup tekerleği senkron hıza ulaşır ve senkronlama tamamlanır. Kutup tekerleğinin senkron hıza erişmesiyle artık endüvi alanı ve kutup tekerleği aynı hızda döndüğünden söndürüm sargılarında akan akımlar sıfır olur. Tartışma Konusu: Oto-trafo dışında başka hangi yöntemler ile senkron motora asenkron olarak yol verilebilir? 123


15.2. Senkron Motora Frekansla Yol Verme R S T

R' S' T' K1 Vdc

K

+ -

K2

U

DCM If1 + Vdc -

A

Rfg1

V W

U

S.G 3~ A

V

W

S.M 3~

If + Vdc -

Rfg

If + Vdc -

A Rfg

Şekil 15.2 Senkron Motora Frekans ile yor verme

Senkron Motora yol vermede kullanılan bir diğer yöntemse frekans ile yol vermedir. Senkron motoru sürmek için yardımcı bir şebekeden faydalanılır. Yardımcı Şebekede ( R'S'T' ) frekans değişimi sağlamak için bir Senkron Jeneratör ve Senkron Jeneratörün tahrikinde ise bir DA motoru kullanılır. DA motorun hız ayarı yapılarak Senkron Jeneratörün ürettiği gerilim frekansı değiştirilir. Şekil 15.2'deki bağlantı kullanılarak yol verme işlemi yapılır. Bunun için öncelikle K1 kesicisi kapatılarak yardımcı şebeke ile Senkron motorun düşük frekansta beslenmesi sağlanır. Senkron motorun yanlışlıkla ana şebekeden ( RST ) beslenmemesi için K1 kesicisi ile K kesicisi arasında elektrik kilidi kullanılır. Bu kilit ile bir kesici kapalıyken diğerinin açık konumda olması sağlanır. K1 kapatıldığında yardımcı şebekeyi besleyen senkron jeneratörün uyarması kuvvetli, Senkron motorun uyarmasının ise yarı kademede olması sağlanarak gerekli olan reaktif gücü yardımcı 124


şebekeden çekmesi sağlanır. Jeneratör frekansı şebeke frekansına getirilince senkron motor senkron hıza erişmiş olur ve senkronizasyon koşulları sağlandığında K kesicisi kapatılarak Senkron motor şebekeye bağlanarak yol verme işlemi bitirilir. 15.3. Senkron Motora Yardımcı Motorla Yol Verme R S T

Vdc

+ -

K1

K2 U

If +

Vdc

A

-

Rfg1

DCM

V

W

S.M 3

~

If +

A

Vdc -

Rfg

Şekil 15.3 Senkron Motora Yardımcı Motor ile yor verme

Senkron motora yol vermek için kullanılan bu yöntemde kutup tekerleğini (rotor) senkron hızda veya senkron hıza yakın bir hızda sürmek için bir elektrik motoru kullanılmaktadır. Şekil 15.3' deki bağlantı kullanılarak yol verme işlemi gerçekleştirilir. Senkron motor senkron hızda yada ona yakın bir hızda DA motoru tarafından sürülürken iken K1 kesicisi kapatılarak şebekeye ile bağlanır. Şebekeye bağlanan senkron motorun statoruna üç faz geldiğinden döner mağnetik alan oluşur ve bu esnada senkron hızda döndürülen kutup tekerleği üzerindeki kutup sargılarına uyarma verilir. Kutup tekerleğinde meydana gelen döner alanın hızı yarım periyot içinde endüvi döner alan

125


hızına erişir, yani senkron devire ulaşır. Senkron makine şebekeden enerji çekerek senkron motor olarak çalışır ve yol verme işlemi tamamlanır. Burada yol verme işleminde senkron motoru sürmek için Serbest Uyartımlı DA Motoru kullanılmıştır. Tartışma Konusu: Senkron motoru bir yardımcı motorla sürerek yol vermek için bir asenkron motor kullanılabilir mi? Eğer bu iş için bir asenkron motor kullanılacaksa gerekli asgari şartlar ne olmalıdır? Açıklayınız… 15.4. Küçük Güçlü Senkron Motorlara yol Verme Çıkık kutuplu senkron motor kutup tekerleği uyarılmadan şebekeye bağlanır. Kutup tekerleğindeki uyarma sargısında indüklenen büyük e.m.k'ların sargıya zarar vermemesi için sargılar dirençler üzerinden kısa devre edilerek topraklanır. Bu koşullar altında motor asenkron motor olarak boşta yol alır. Sonrasında kutup tekerleğinde yer alan uyarma sargıları, kısa devre edildiği direnç üzerinden ayrılarak doğru gerilimle uyarılır. Bu esnada uyarma alanı (kutuplar) endüvi döner alanına ters kapılmışsa yani endüvi N kutbu karşısına kutup tekerleğinin N kutbu gelmişse motor şebekeden çok büyük endüktif akım çeker. Kutupların doğru kutuplanabilmesi için uyarma akımı arttırılarak senkron motorun kapasitif akım çekmesi sağlanır. Senkron motor salınımlara başlar ve bu salınımlar büyüyerek kutup tekerleğinin endüvi döner alanından kurtulmasına neden olur. Ancak kutup tekerleği bir kutup adımı sonrasında endüvi döner alanına tekrar kapılır. Bu kez doğru kutuplama oluştuğundan şebekeden çekilen akım düşer.

126

Elektrik Makineleri 2 - Senkron Makineler - Mustafa Turan Ders Notları

Recommend Documents