senkron makİneler - tbmyo elektrik...

SENKRON MAKİNELER

1

2

Senkron Makinelere Giriş

• Senkron makineler; makineler harici doğru akım kaynaktan beslenen alan sargılarına sahip

(elektro mıknatıslı) veya çok küçük güçlerde sabit mıknatıslı bir endüktör ile bir veya çok

fazlı alternatif akım sargılı endüvisi bulunan sabit senkron hızla dönen, motor ve generatör

olarak çalışabilen alternatif akım makineleridir.

• Senkron generatörde doğru akım, rotor manyetik alanı üreten rotor sargılarına uygulanır. Tahrik

makinesi ile döndürülen rotorun ürettiği döner manyetik alan stator sargıları üzerinde üç fazlı

gerilim indükler.

• Senkron motorda üç faz stator akımı, kendi ile uyumlu rotor manyetik alanın neden olduğu döner

manyetik alan üretir.

• Rotor manyetik alanı, rotor sargılarına uygulanan doğru akım tarafından üretilir.

• Alan sargıları(Endüktör), ana manyetik alanı üreten (senkron makinelerde rotor) sargılardır.

• Endüvi sargıları gerilimin üretildiği (senkron makinelerde stator) sargılardır.

SENKRON MAKİNELER – Giriş

ELP-13204 Elektrik Makineleri II Öğr.Gör. Volkan ERDEMİR

3

• Senkron makinenin rotoru büyük bir elektromıknatıstır. Manyetik kutuplar rotor dış tarafına

tutturulan çıkıntılı yada düz kutuplu yapıya sahip olabilir.

• Düz kutuplu rotor genellikle iki yada dört kutupludur.

• Çıkıntılı kutuplu rotor dört yada daha fazla kutupludur.

• Rotorlar fuko kayıplarını azaltmak için ince saclardan yapılır.

Döner rotor üzerindeki alan sargılarına doğru akım beslemesi için iki yaklaşım kullanılır.

Bilezik ve fırçalar vasıtasıyla harici bir doğru akım kaynağından doğru akım sağlamak.

Makine miline direk olarak monte edilmiş doğru akım üretecinden doğru akım sağlamak.



4

• Bilezikler makine milinin tamamını tamamıyla çevreleyen ama milden yalıtılmış metal halkalardır.

• Doğru akım rotor sargılarının bir ucu makine milindeki iki bileziğin her birine bağlantılıdır. Doğru

akım uçlarına rotorun pozisyonuna yada hızına bakılmaksızın alan sargıları için doğru akım

sağlayan her bir bileziğe basan grafit karbon fırçalar bağlanmıştır.



5

Bilezik ve fırçaların bazı dezavantajları vardır:

Artan sürtünme ve aşınma (dolayısıyla bakım gerektirmesi), fırçalardaki gerilim düşümü önemli

güç kayıplarına neden olabilir. Yine de bu yaklaşım çoğu küçük güçlü senkron makinelerde

kullanılır.

Büyük güçlü generatör ve motorlarda fırçasız dinamolar kullanılır. Bir fırçasız dinamo, statoruna

bağlanmış alan devresi ve rotor miline monte edilmiş endüvisi olan küçük bir AC generatördür.

Dinamonun üç faz çıkışı mile monte edilen üç fazlı doğrultucu ile doğru gerilime dönüştürülür ve

ana doğru akım alan sargısını besler. Dinamonun küçük alan akımını kontrol ederek ana

makinede alan akımı ayarlanabilir. Rotor ve stator arasında mekanik temas meydana

gelmediğinden bu tip dinamolar daha az bakım gerektirir.



6


Senkron Makinenin Yapısı

Fırça bilezik tertibatı olmayan alternatör


7



İki kutuplu yuvarlak rotor ve uyartımın görünüşü 8



Geniş çıkıntılı kutuplu hidroelektrik

generatörünün statoru; ekte yalıtılmış iletkenler

ve ayırıcılar görülüyor

9


Çıkıntılı kutuplu Senkron makinenin

rotoru


10



11



12



13



14



15



16

Üç fazlı generatör iç bağlantı şeması



17



100MVA lik turbo-generatörün döner redresörlü uyarma grubu

400kW,400V ve 4000A

18



19



Senkron Makinelerin Özellikleri

• Sabit hıza sahiptirler

• Dünyanın elektrik üretim sistemlerinin birincil enerji dönüşüm makineleridir

• Hem generatör hem de motor uygulamalarında kullanılabilirler

• Kaynak sistemden geri yada ileri reaktif akım kompansatörü olarak kullanılabilirler.

Senkron makineler bir, iki ve üç fazlı olarak üretilirler, senkron hızda dönerler yani döner alan hızı

ile makinenin dönüş hızı aynıdır. Ancak motor olarak direk devreye bağlandıklarında çalışmazlar,

yol alabilmeleri için özel yol verme yöntemleri kullanılır.

Alternatif akım sargılarını taşıyan kısmına endüvi, doğru akım sargılarını taşıyan kısmına

endüktör denir.

Stator (endüvi) sargısı alternatif akım kaynağına, rotor (endüktör) sargısı ise doğru akım

kaynağına bağlanır. Bu nedenle çift uyartımlı makineler grubuna girerler.

20

SENKRON MAKİNELER – Senkron Makinelerin Özellikleri


21

Senkron makine mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanılıyorsa senkron

alternatör, elektrik enerjisini mekanik enerji dönüştürmek için kullanılıyorsa senkron motor olarak

adlandırılırlar.

Senkron makineler endüvi yapısına göre ikiye ayrılırlar.

• Duran endüvili, dönen endüktörlü (Rotoru Kutup Sargılı)

• Duran endüktörlü, dönen endüvili (Statoru Kutup Sargılı)

SENKRON MAKİNELER – Senkron Makinelerin Çeşitleri


22

Yuvarlak (Düz) Kutuplu Senkron Makineler

• Kutup sayısı az (2 - 4 kutuplu) ve yüksek hızlarda

• Dar ve uzun gövdeli rotor yapısı

• Büyük güçler (100 - 400MVA)

• Buhar ve nükleer elektrik santrallerinde kullanılan yatay milli rotorlu

Çıkıntılı Kutuplu Generatör

• Kutup sayıları fazla (36 – 48 – 96) ve düşük hızlarda

• Geniş ve kısa gövdeli rotor yapısı

• Küçük ve orta ölçekli güçler (0 - 100MVA)

• Acil güç kaynakları için orta ölçekli generatörler

• Pompalar ve gemi tahrik sistemleri için orta ölçekli motorlar

• Hidroelektrik santrallerinde kullanılan büyük ölçekli generatörlerde kullanılan dikey milli

rotorlu

• Elektrik saatleri ve diğer ev aygıtları için elektrik motorları



23

• Duran endüvili senkron makinelerin endüktörü hareketli olacağından endüktörde bulunan uyartım

sargıları için gerekli olan birkaç yüz voltluk doğru gerilim fırça ve bilezikler yardımıyla doğru akım

kaynağından sargılara aktarılır.

• Aktarma sırasında gerilimin düşük olması nedeniyle herhangi bir yalıtma problemi olmaz. Ancak

duran endüktörlü senkron makinenin endüvisi hareketli olduğundan bir takım problemler meydana

gelir.

• Endüvi 13200V gibi yüksek gerilim üreten alternatif sargılar taşıdığından bu yüksek gerilimi

sargılardan dış terminallere taşımak için gerekli fırça bilezik ve yalıtım tertibatı ekonomik yönden

pahalı olacaktır.

• Mümkün olduğunca senkron makinelerin endüvisi sabit endüktörü hareketli olarak yapılır.

• Duran endüktörlü, dönen endüvili senkron makinelerdeki yüksek maliyet yüzünden senkron

makineler genellikle duran endüvili, dönen endüktörlü olarak yapılırlar.



Duran Endüktörlü, Dönen Endüvili(Statoru Kutup Sargılı) Senkron Makineler

Statoru kutup sargılı senkron makineler yapılış bakımından doğru akım makinelerine

benzerler. Bu benzeyişin nedeni endüvi çevresine yayılmış ve alternatif olarak yön değiştiren

kutupları ile üzerlerine alternatif gerilimler endüklenen endüvi bobinlerinin bulunmasıdır. Birbirine çok

benzeyen bu iki makine arasındaki fark endüvi bobinlerinde endüklenen alternatif gerilimin doğru

akım makinelerinde kolektör ve fırçalar yardımıyla doğrultulmuş olarak dış devreye alınırken senkron

makinede bu alternatif gerilimin bilezik ve fırçalar yardımıyla dış devreye alınmasıdır.

24


Duran Endüktörlü, Dönen Endüvili(Statoru Kutup Sargılı)

Generatörlerin Genel Prensip Şemaları


Şekilden de görüldüğü gibi statoru kutup sargılı senkron makineler şu kısımlardan

meydana gelir.

•Stator(Endüktör)

•Rotor(Endüvi)

•Bilezikler

•Fırçalar

•Yataklar ve diğer parçalar

Statoru Kutup Sargılı Senkron Makinenin Yapısı

25




Stator: Kutup sargılarının sarıldığı kısımdır. Silisli sacların paketlenmesiyle ve üzerine

sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Bu kutuplar aynen doğru akım makinelerinin kutupları

gibidir. Kutup bobinleri dışarıdan bir güç kaynağından beslenirler.

Rotor: Silisli sacların paketlenmesiyle ve üzerine sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Bu

kısım doğru akım makinelerinin endüvisi gibidir ve burada indüklenen alternatif gerilim

bilezik ve fırçalar yardımıyla dış devreye alınır.

Bilezikler: Senkron makine generatör olarak çalışıyorsa; rotorda indüklenen alternatif

gerilimi alternatif gerilim olarak dış devreye alınmasını sağlarken motor çalışma durumunda

dış devreden rotora alternatif gerilimin uygulanmasını sağlar.

Fırçalar: Rotorda indüklenen alternatif gerilimi bilezikler yardımıyla dış devreye almaya

yada dış devreden rotora gerilimin uygulanmasını sağlar. Fırçalar karbon veya karbon

alaşımından yapılırlar.

Yataklar ve diğer parçalar: Rotorun bir eksen etrafında rahatça dönmesini sağlayan ve dış

etkilerden koruyan kısımdır. Yataklar, mil, pervane, klemens kutusu, kapaklar gibi

kısımlardan meydana gelir.26




Kutupları duran kısımda olan ve yapılış bakımından doğru akım makinelerine

benzeyen tipte olan senkron makineler küçük güçlerde imal edilirler. Küçük güçlerde endüvi

akımının küçük olması nedeniyle akımın fırçalar yardımıyla endüvi sargısından dışarı

çekilmesinde sakınca yoktur. Küçük güçlerde sargı gerilimi de küçük olduğundan hareket eden

kısımda bulunan endüvi sargılarının yalıtılma problemi olmaz. Fakat güç büyüdükçe sargı

geriliminin de büyük seçilmesi gerekecektir. Özellikle santrallerde şebekelerin beslemesinde

kullanılan senkron generatörlerin gerilimleri generatörün gücüne bağlı olarak 6,10 ve 15kV gibi

değerlerde olur. Çok büyük güçlü generatörlerde 20kV ve bunun üzerinde uç gerilimi

bulunmaktadır. 1000MVA’in üzerindeki turbo alternatörlerde uç gerilimi 27kV’a çıkarılmıştır. Bu

bakımdan çok iyi bir şekilde yalıtılması gereken alternatif akım sargısının dönen kısımda

bulunması sakıncalı olmaktadır.

27




Duran endüvili, dönen endüktörlü(Rotoru Kutup Sargılı): Bu senkron makinelerde

statoruna gerilim endüklenen sargılar, rotoruna ise kutup sargıları yerleştirilmiştir. Bu tip makineler

orta ve büyük güçlü olarak imal edilirler.

Şekilden de görüldüğü gibi rotoru kutup sargılı senkron makineler şu kısımlardan meydana

gelir.

•Stator(Endüvi)

•Rotor(Endüktör)

•Bilezikler

•Fırçalar

•Yataklar ve diğer parçalar

28


Duran endüvili, dönen endüktörlü(Rotoru Kutup Sargılı)

Rotoru Kutup Sargılı Senkron

Makinenin Yapısı


Stator: Alternatif akım sargılarının sarıldığı kısımdır. Silisli sacların paketlenmesiyle ve üzerine

sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Bu kısım aynen asenkron motorun statoru gibidir.

Rotor: Silisli sacların paketlenmesiyle ve üzerine sargıların sarılmasıyla meydana gelir. Burası

kutup sargılarının bulunduğu ve doğru akımın uygulandığı kısımdır. Senkron generatörleri

döndüren sistemlerin devir sayılarına göre rotor iki tip imal edilir.

Düz kutuplu senkron makineler

Çıkıntılı kutuplu makineler

Bilezikler: Rotora doğru gerilimi dış devreden fırçalar yardımıyla iletilmesini sağlayan kısımdır.

Fırçalar: Rotora doğru gerilimi dış devreden bileziklere iletilmesini sağlayan kısımdır.

Yataklar ve diğer parçalar: Rotorun bir eksen etrafında rahatça dönmesini sağlayan ve dış

etkilerden koruyan kısımdır. Yataklar, mil, pervane, klemens kutusu, kapaklar gibi kısımlardan

meydana gelir.

29




Düz ve Çıkıntılı Kutuplu Senkron Makine Rotor (Endüktör) Yapısı

Düz kutuplu senkron makinelerin rotorlarının boyları uzun ve çapları küçük olup mili yere paralel

olarak kullanılır. Bu makineler yüksek hızlarda döndürülüp genellikle az kutup sayısında yapılırlar.

Endüvi (stator) ile endüktör (rotor) arasındaki hava aralığı sabit olan senkron makinelerdir.

30



Çıkıntılı kutuplu rotorların boyları kısa, çapları büyük olup mili yere dik olarak kullanılır. Endüvi

(stator) ile endüktör (rotor) arasındaki hava aralığı şekilden de görüldüğü gibi değişkendir. Bu

makineler çok kutuplu olup düşük hızlarda çalıştırılırlar. Genellikle çıkıntılı kutuplu senkron makineler

barajlarda, düz kutuplu senkron makineler buhar kazanlı türbinlerde kullanılırlar.


Senkron Makinelerde Döner Alan Hızı

Senkron makinelerde döner alan hızı makinenin dönüş hızı ile senkronize olarak aynı kalır.

Dolayısıyla stator döner alanı ile stator frekansı arasında şu ilişki mevcuttur.

𝒇𝒔 =𝒏𝒔.𝟐𝑷

𝟏𝟐𝟎‘dır. Burada; fs; Elektriki frekans (Hz)

ns; Stator manyetik alanının dönüş hızı

2P; Kutup sayısı

• Senkron makineler sabit hızda çalıştıklarından döner alan hızı ve dolayısıyla frekansları da

sabittir.

• Makinelerin kutup sayısını sonradan değiştirilemeyeceğinden frekansla makinenin hızı arasında

direk bir ilişki mevcuttur.

• 50Hz’lik bir döner alan frekansına sahip makine iki kutuplu ise makinenin döner alan hızı 3000d/d

olur. Diğer bir ifade ile iki kutuplu bir senkron alternatör 3000d/d ile döndürülür ise üretilen

gerilimin frekansı 50Hz olur.

31

SENKRON MAKİNELER – Senkron Makinelerde Döner Alan Hızı


Düz Kutuplu Senkron Makinelerin Bir Faz Eşdeğer Devreleri

Düz kutuplu senkron makinelerin stator eşdeğer devresi ile asenkron motor stator eşdeğer

devresi birbirinin aynıdır. Senkron makinelerin stator sargılarına asenkron motorlarda olduğu gibi

alternatif akım uygulanmaktadır. Buna göre düz kutuplu senkron makine bir faz eşdeğer devresi

aşağıdaki gibi çizilebilir.

Bir Faz Stator Eşdeğer Devresi İle Bir Faz Stator ve

Manyetik Devresi

32

Xr

Us Es

RsIs Rs Xs

Rc

Us

Im Es

Xm

Ic

Is Ir'

Iu

Iu

Iu

Ic

Im

m

SENKRON MAKİNELER – Senkron Makinelerin Bir Faz Eşdeğer Devreleri


Senkron Makinenin Komple Bir Faz Eşdeğer Devresi

33

Senkron makinenin rotor devresi ise kutup sargılarını bulundurur. Kutup sargılarına doğru

gerilim uygulanmaktadır. Rotor devresi analiz edildiğinde rotor kaçak reaktansı Xlf ve direnç Rf’ den

meydana geldiği görülür.

Rs Xs

Rc

Es

Im Es

Xm

Ic

Is If'

Iu

Xf If

Ef

Rf

m=(2/p)s



34

Eşdeğer devrenin basitleştirilmesi bakımından rotor devresine ait değerler şekildeki gibi

statora aktarılır. Aktarma işlemi yapılırken şu formüller kullanılır.

𝒂 =𝑵𝟏

𝑵𝟐𝑬𝒔 = 𝑬𝒇

′ 𝑿𝒍𝒇′ = 𝒂𝟐. 𝑿𝒍𝒇 𝑹𝒇

′ = 𝒂𝟐. 𝑹𝒇 𝑰𝒇′ =

𝑰𝒇

𝒂

Es ; Stator sargılarında indüklenen gerilim,

Ef ; Rotor sargılarında indüklenen gerilimin stator devresine aktarılmış eşdeğeri,

Xlf ; Rotor kaçak reaktansı,

Xlf ; Rotor devresi kaçak reaktansının stator devresine aktarılmış eşdeğeri,

Rf ; Rotor direnci,

Rf ; Rotor devresi direncinin stator devresine aktarılmış eşdeğeri,

If ; Rotor devresinden geçen akımın stator devresine aktarılmış eşdeğeri olarak tanımlanır.



Düz kutuplu senkron motor basitleştirilmiş bir faz eşdeğer devresi35

Rs Xs

Rc

Es

Im If '=n.If

Xm

Ic

Is If'

Iu

Yuvarlak rotorlu senkron makinenin yapısı



Kutuplara doğru gerilim uygulandığından kutuplarda nüve kaybı olmamaktadır. Stator

devresinde bir nüve kaybı mevcuttur ancak bu kayıp ihmal edilerek eşdeğer devreden Rc direnci

kaldırılır. Buna göre senkron makinenin rotor devresi stator devresine aktarılmış komple bir faz

eşdeğer devresi Rc direnci ihmal edildiğinde thevenin teoremine göre aşağıdaki gibi çizilebilir.

36

Rs Xs

Us

Ef '=Xm.n.If

XmIs If'

Um

Düz kutuplu senkron motor rotor devresi statora aktarılmış

komple bir faz eşdeğer devresi



37

Thevenin reaktansı veya mıknatıslanma reaktansı (Xm) ve stator kaçak reaktansı toplanarak

senkron reaktans ile toplam empedans;

𝑿𝒔 = 𝑿𝒔𝒍 + 𝑿𝒎 = 𝝎𝒆. 𝑳𝒔𝒍 +𝝎𝒆. 𝑳𝒎

𝑿𝒔 = 𝝎𝒆. 𝑳𝒔𝒍

𝒁𝒇 = 𝑹𝒔 + 𝒋𝑿𝒔

olur. elde edilen empedansa senkron empedans da denir. Senkron reaktans kullanılarak elde edilen

bir faz eşdeğer devre şu şekilde çizilir.

Rs Xs

Us

Ef '

Is

Düz kutup senkron makinenin reaktansları birleştirilmiş bir faz eşdeğer devresi



Çıkıntılı Kutuplu Senkron Makinelerin Bir Faz Eşdeğer Devreleri

Çıkıntılı kutuplu senkron makinenin rotoru ve statoru arasındaki hava kutup ile stator

arasında az kutuplar arası ile stator arasında fazladır. Bu nedenle statordan geçen akım Ef gerimi ile

aynı fazlı Iq ve Ef‘ den 90º geride Id akımlarıdır. Bu akımlardan dolayı çıkıntılı kutuplu senkron

makinenin statorunda kutup akısı tarafından indüklenen faz gerilimi ise; Ed ve Eq stator sargılarında

Id ve Iq akımları tarafından indüklenen gerilimlerdir. Buna göre uç geriliminin denklemi aşağıdaki gibi

yazılabilir.

𝑽𝒔 = 𝑬𝒇 + 𝑬𝒅 + 𝑬𝒒 − 𝑰𝒔𝑹𝒔

38

Rs

Us

Ef

Is Ed Eq

+ +- -

+

-

Çıkıntılı kutuplu bir senkron

generatörün bir faz eşdeğer

devresi



Çıkıntılı Kutuplu Senkron Makinenin Yapısı

39

𝑬𝒅 = −𝒋𝑰𝒅𝑿𝒅𝑬𝒒 = −𝒋𝑰𝒒𝑿𝒒 olduğuna göre generatör bir faz eşdeğer devresi şu şekilde olur.

Çıkıntılı Kutuplu Bir Senkron Generatörün Bir Faz Eşdeğer Devresi

Rs

Us

Ef

Is

jId(Xd-Xq)

- +

+-

jXq

Ef'

+

-



Burada senkron generatöde üretilen etkin gerilim değeri E’f olarak kabul edilirse

generatörün bir faz eşdeğer devresi aşağıdaki gibi çizilebilir.

Çıkıntılı Kutuplu Bir Senkron Generatörün Basitleştirilmiş Bir Faz Eşdeğer Devresi

40

Rs jXq

Us

Ef '

Is



41

Senkron Makinelerin Fazör Diyagramlarının Çizimi

Senkron makinenin fazör diyagramlarının çiziminde makinenin bir faz eşdeğer devrelerinden

yararlanılır. Fazör diyagramları makinenin yük durumuna (omik, endüktif ve kapasitif) göre üç değişik

durumda çizilir. Motor ve generatör çalışma durumlarına göre güç katsayısının aldığı değerler ve

kullanılacak olan diyagram aşağıdaki gibi olur.

Motor Çalışma

Endüktif −𝝅

𝟐< 𝜑 < 0

Omik 𝝋 = 𝟎

Kapasitif 𝟎 < 𝜑 <𝝅

𝟐

Generatör çalışma

Endüktif𝝅

𝟐< 𝜑 < 𝜋

Omik 𝝋 = 𝝅

Kapasitif 𝝅 < 𝜑 <𝟑𝝅

𝟐

SENKRON MAKİNELER – Senkron Makinelerin Fazör Diyagramlarının Çizimi


42

Alternatörlerde Üretilen Gerilim

Alternatörlerde ya uyartım sargılarını taşıyan endüktör ya da alternatif akım sargılarını

taşıyan endüvi hareket edebilir. Kutuplar (endüktör) DA ile uyartıldığında endüktör dönüyorsa,

kutupların oluşturduğu bir döner manyetik alan sabit olan endüvideki sargıları keser ya da endüktör

sabit ve DA ile uyartıldıysa dönen endüvi sargıları kutup sargılarının oluşturduğu sabit manyetik alan

tarafından kesilir. Bundan dolayı döner alan içerisinde kalan duran bobinde yada sabit alan içerisinde

dönen bobinde Faraday Kanununa göre bir gerilim indüklenir.

𝒆 =𝒅𝝓

𝒅𝒕= 𝑵

𝒅𝝋

𝒅𝒕e, Bobinde indüklenen gerilim (V)

N; Bobin sipir sayısı

φ; Bobin sargılarını kesen akı miktarı(Wb)

SENKRON MAKİNELER – Alternatörlerde Üretilen Gerilim


43

Nüve akısı Φ(t)’ nin sinüsoidal değiştiği kabul edilirse;

𝝋 𝒕 = 𝝓𝒎𝒂𝒙. 𝒔𝒊𝒏𝝎𝒕 Φmax; Nüve akısının maksimum değeri

ω; Açısal hız (rad/sn)

f; Frekans (Hz)

𝒆 =𝒅𝝓

𝒅𝒕= 𝑵

𝒅𝝋

𝒅𝒕ifadesinde yerine konularak,

𝒆 𝒕 = 𝝎𝑵𝝓𝒎𝒂𝒙. 𝒄𝒐𝒔𝝎𝒕 = 𝑬𝒎𝒂𝒙. 𝒄𝒐𝒔𝝎𝒕

Burada indüklenen maksimum gerilim değeri 𝑬𝒎𝒂𝒙 = 𝝎𝑵𝝓𝒎𝒂𝒙 = 𝟒, 𝟒𝟒𝒇𝑵𝝓𝒎𝒂𝒙

Elde edilen maksimum gerilim değeri yerine etkin değer (rms) yazılırsa;

𝑬𝒓𝒎𝒔 =𝟐𝝅

𝟐. 𝒇. 𝑵.𝝓𝒎𝒂𝒙 = 𝟒, 𝟒𝟒. 𝒇. 𝑵.𝝓𝒎𝒂𝒙

Alternatörlerin sargılarında indüklenen gerilimin sinüsoidale daha yakın olmasını sağlamak

için kutup adımında ve sarım şeklinde yapılan değişiklikler indüklenen gerilim denkleminde çarpan

olarak eklenirse;

𝑬𝒓𝒎𝒔 = 𝟒, 𝟒𝟒. 𝒌𝒑. 𝒌𝒅. 𝝓𝒎𝒂𝒙 elde edilir.

SENKRON MAKİNELER – Alternatörlerde Üretilen Gerilim


44

Örnek: Dört kutba sahip üç fazlı senkron makinenin statoru 12 oyuktan imal edilmiştir. Her

bir oyukta 40 sipirlik sargı bulunmaktadır. Her fazdaki bütün sargılar seri olarak ve üç faz sargıları

üçgen bağlanmıştır. Senkron devri 1800d/d olan senkron makinedeki bir kutup alanı 0,060Wb’dir.

a) Makinede üretilen gerilimin frekansını,

b) Senkron makinede üretilen faz ve uç geriliminin değerini hesaplayınız.

Üretilen gerilimin frekansı 𝒇𝒔 =𝒏𝒔.𝟐𝑷

𝟏𝟐𝟎=

𝟏𝟖𝟎𝟎.𝟒

𝟏𝟐𝟎= 𝟔𝟎𝑯𝒛

3 faz için 4 kutupta toplam 12 oyuk ve her oyukta 40sipir bulunan senkron makinenin her bir

kutbu için sargı sayısı 80 sipir olur.

Üretilen faz geriliminin etkin değeri

𝑬𝒓𝒎𝒔∅ = 𝟒, 𝟒𝟒. 𝒇.𝑵.𝝓𝒎𝒂𝒙 = 𝟒, 𝟒𝟒. 𝟔𝟎. 𝟖𝟎. 𝟎, 𝟎𝟔𝟎 = 𝟏𝟐𝟕𝟖, 𝟕𝟐𝑽

Üretilen geriliminin üçgen bağlantı için hat geriliminin etkin değeri

𝑬𝒓𝒎𝒔 = 𝑬∆ = 𝟏𝟐𝟕𝟖, 𝟕𝟐𝑽 olur.

SENKRON MAKİNELER – Senkron Makinelerde Üretilen Gerilim


45

Örnek: Üç fazlı yıldız bağlı 50Hz iki kutuplu bir senkron makine statorunda 2000sipirlik faz

sargılarına sahiptir. Alan sargılarında üretilen manyetik alan 0,0078Wb’lik değere sahip olduğuna

göre senkron makinenin üreteceği gerilimi bulunuz.

Üretilen faz geriliminin etkin değeri

𝑬𝒓𝒎𝒔𝝓 = 𝟒, 𝟒𝟒. 𝒇. 𝑵.𝝓𝒎𝒂𝒙 = 𝟒, 𝟒𝟒. 𝟓𝟎. 𝟐𝟎𝟎𝟎. 𝟎, 𝟎𝟎𝟕𝟖 = 𝟑𝟒𝟔𝟑, 𝟐𝑽

Yıldız bağlı olan makinelerde hat gerilimi faz geriliminin 𝟑 katıdır.

Üretilen hat geriliminin etkin değeri

𝑬𝒓𝒎𝒔 = 𝟑. 𝟑𝟒𝟔𝟑, 𝟐 = 𝟓𝟗𝟗𝟖, 𝟒𝟑𝟖𝑽

SENKRON MAKİNELER – Senkron Makinelerde Üretilen Gerilim


Yük Değişiminin Senkron Generatöre Etkisi

Generatörün yükü artıkça generatörden çekilen Is akımı artar. Uyartım direnci değişmediği için

uyartım akımı sabit olup Φ akısı sabittir. Tahrik makinesi generatörü sabit bir hızla döndürdüğünden

endüvi sargılarında endüklenen Ef gerilim sabittir. (Ef = K.Φ.ω) buna göre yük değişinin generatör

üzerindeki etkisini görmek için makinenin fazör diyagramını incelemek gerekir.

End. Generatör Omik Generatör Kapasitif Generatör

Çeşitli Yük Durumlarına Göre Alternatörlerde Meydana Gelen Gerilim Düşümleri46

Vs'

Is

Is'

Vs

'

jIs.X

sjIs'.

Xs

Ef'

Ef

Vs'Is Is'

Vs

'

jIs.

Xs

jIs'

.Xs

Ef'

Ef

Vs

Is

Is'

'

Vs

Ef'

Ef

jIs.Xs

jIs'.Xs

SENKRON MAKİNELER – Yük Değişiminin Senkron Generatöre Etkisi


Yukarıdaki diyagramlarda alternatör Rs direncinin çok küçük olması nedeniyle bu dirençten

dolayı oluşan gerilim düşümü küçük olacağından Rs direnci ihmal edilmiştir. Buna göre yük

değişiminin generatöre etkisi şu şekilde özetlenebilir.

• Eğer alternatör endüktif bir yükle yüklenecek olursa uç geriliminde önemli bir miktarda

azalma olur.

• Eğer alternatör omik yükle yüklenecek olursa uç gerilimi bir miktar azalır.

• Eğer kapasitif bir yükle yüklenecek olursa uç gerilimi bir miktar artar.

47



Omik direnç üzerinde düşen gerilim değerleri ihmal edilmediğinde;

• Omik yük için boşta uç geriliminin değeri 𝑬𝒇 = 𝑽𝒔 + 𝑰𝒔. 𝑹𝒆𝟐 + (𝑰𝒔𝑿𝒔)

𝟐

• Endüktif yük için boşta uç geriliminin değeri 𝑬𝒇 = 𝑽𝒔. 𝒄𝒐𝒔𝝋 + 𝑰𝒔. 𝑹𝒆𝟐 + (𝑽𝒔. 𝒔𝒊𝒏𝝋 + 𝑰𝒔𝑿𝒔)

𝟐

• Kapasitif yük için boşta uç geriliminin değeri 𝑬𝒇 = 𝑽𝒔. 𝒄𝒐𝒔𝝋 + 𝑰𝒔. 𝑹𝒆𝟐 + (𝑽𝒔. 𝒔𝒊𝒏𝝋 − 𝑰𝒔𝑿𝒔)

𝟐

Omik direnç üzerinde düşen gerilim değerleri ihmal edildiğinde;

• Omik yük için boşta uç geriliminin değeri 𝑬𝒇 = 𝑽𝒔𝟐 + (𝑰𝒔𝑿𝒔)

𝟐

• Endüktif yük için boşta uç geriliminin değeri 𝑬𝒇 = 𝑽𝒔. 𝒄𝒐𝒔𝝋𝟐 + (𝑽𝒔. 𝒔𝒊𝒏𝝋 + 𝑰𝒔𝑿𝒔)

𝟐

• Kapasitif yük için boşta uç geriliminin değeri 𝑬𝒇 = 𝑽𝒔. 𝒄𝒐𝒔𝝋𝟐 + (𝑽𝒔. 𝒔𝒊𝒏𝝋 − 𝑰𝒔𝑿𝒔)

𝟐

48



49

Alternatörün uç gerilimindeki bu değişmeyi ifade etmenin en iyi yolu alternatörün gerilim

regülasyonunun belirlenmesidir. Gerilim regülasyonu (VReg);

%𝑽𝑹𝒆𝒈 =𝑽𝒏𝒍−𝑽𝒇𝒍

𝑽𝒇𝒍. 𝟏𝟎𝟎 formülü ile ifade edilir.

𝑽𝒏𝒍; Yüksüz durumdaki gerilim

𝑽𝒇𝒍; Tam yüklü durumdaki gerilim

Gerilim regülasyonu, omik ve endüktif yüklerde pozitif çıkarken kapasitif yüklerde

negatif çıkar.

Alternatörün yüke sağladığı uç geriliminin (Vs) sabit olmasını sağlamak için alternatörde

indüklenen (𝑬𝒇 = 𝑲𝚽𝝎) gerilimin değiştirilmesi gerekir. Burada indüklenen K sabitinin dışında ω ve

φ değişkenleri bulunmaktadır. Alternatörün ürettiği gerilimin ve dolayısıyla uç geriliminin frekansının

sabit olacağından ω açısal hızının da sabit kalması gerekir. O halde indüklenen gerilimin

değiştirilebilmesi için tek değişken φ manyetik akısı kalmaktadır. Alternatörlerde akının değişmesi ise

uyartım devresinden geçen akıma bağlıdır.



Omik ve endüktif yüklerde uç gerilimi azaldığından Ef geriliminin arttırılarak uç gerilimin sabit

kalması sağlanır. Bunun için uyartım devresinin direnci Rf azaltılıp uyartım akımı arttırılır. Uyartım

akımının arttırılması ile akı artar buna bağlı olarak indüklenen Ef artarak azalan uç gerilimi kompanze

edilmiş olur. Kapasitif yüklerde alternatörün uç gerilimi artış gösterdiğinden uyartım devresi direnci

arttırılıp uyartım akımının azaltılması ve buna bağlı olarak akının ve indüklenen gerilimin azaltılması

sağlanır. Böylece uç geriliminin sabit kalması sağlanmış olur.

Buna göre uç geriliminin sabit kalması omik ve endüktif yüklerde uyartım akımını

arttırarak, kapasitif yüklerde uyartım akımını azaltarak sağlanmaktadır.

50



OMİK VE ENDÜKTİF YÜKLERDE UÇ GERİLİMİ AZALDIĞINDAN EF GERİLİMİNİN

ARTTIRILARAK UÇ GERİLİMİN SABİT KALMASI SAĞLANIR. BUNUN İÇİN UYARTIM

DEVRESİNİN DİRENCİ RF AZALTILIP UYARTIM AKIMI ARTTIRILIR. UYARTIM AKIMININ

ARTTIRILMASI İLE AKI ARTAR BUNA BAĞLI OLARAK ENDÜKLENEN EF ARTARAK AZALAN

TERMİNAL GERİLİMİ KOMPANZE EDİLMİŞ OLUR.

End. Generatör Omik Generatör51



Vs'

Is

Is'

Vs

'

jIs.X

sjIs'.

Xs

Ef'

Ef

Vs'Is Is'

Vs

'

jIs.

Xs

jIs'

.Xs

Ef'

Ef

Vs

Is

Is'

'

Vs

Ef'

Ef

jIs.Xs

jIs'.Xs

KAPASİTİF YÜKLERDE ALTERNATÖRÜN UÇ GERİLİMİ ARTIŞ GÖSTERDİĞİNDEN

UYARTIM DEVRESİ DİRENCİ ARTTIRILIP UYARTIM AKIMININ AZALTILMASI VE BUNA BAĞLI

OLARAK AKININ VE ENDÜKLENEN GERİLİMİN AZALTILMASI SAĞLANIR. BÖYLECE UÇ

GERİLİMİNİN SABİT KALMASI SAĞLANMIŞ OLUR.

Kapasitif Generatör

52



Vs'

Is

Is'

Vs

'

jIs.X

sjIs'.

Xs

Ef'

Ef

Vs'Is Is'

Vs

'

jIs.

Xs

jIs'

.Xs

Ef'

Ef

Vs

Is

Is'

'

Vs

Ef'

Ef

jIs.Xs

jIs'.Xs

ALTERNATÖRLERDE UÇ GERİLİMİNİN SABİT KALMASI; OMİK VE ENDÜKTİF

YÜKLERDE UYARTIM AKIMI ARTTIRILARAK, KAPASİTİF YÜKLERDE UYARTIM AKIMI

AZALTILARAK SAĞLANMAKTADIR.

53


Yük Uç geriliminin değişimiUç geriliminin sabit kalması için yapılması

gerekli işlem

OmikUç gerilimi yüke bağlı olarak

bir miktar düşer

Yük değişimine karşılık uç geriliminin sabit

kalması için uyartım akımı arttırılır.

EndüktifUç gerilimi yüke bağlı olarak

önemli miktarda düşer.


kalması için uyartım akımı arttırılır.

KapasitifUç gerilimi yüke bağlı olarak

artar.


kalması için uyartım akımı azaltılır.

Yük değişiminin generatöre etkisi


Örnek: 3 fazlı, 380V gerilimli 40A’lik yük akımına sahip yıldız bağlı senkron generatörün faz

başına etkin faz direnci Re=0,2Ω, senkron reaktansı Xs=0,15Ω’dur. Bu generatörün omik, cosφ=0,8

geri ve cosφ=0,8 ileri için boştaki uç gerilimlerini ve gerilim regülasyonlarını bulunuz.

Bir faz gerilimi 𝑽𝒔∅ =𝑽𝒔

𝟑=

𝟑𝟖𝟎

𝟑≅ 𝟐𝟐𝟎𝑽 olarak alındı.

Omik yük için boşta uç geriliminin değeri;

𝑬𝒇∅ = 𝑽𝒔 + 𝑰𝒔. 𝑹𝒆𝟐 + (𝑰𝒔𝑿𝒔)

𝟐

𝑬𝒇∅ = (𝟐𝟐𝟎 + 𝟒𝟎. 𝟎, 𝟐)𝟐+(𝟒𝟎. 𝟎, 𝟏𝟓)𝟐= 𝟐𝟐𝟖, 𝟎𝟕𝟗𝑽

𝑬𝒇 = 𝟑.𝑬𝒇∅ = 𝟑. 𝟐𝟐𝟖, 𝟎𝟕𝟗 = 𝟑𝟗𝟓, 𝟎𝟒𝟒𝑽

Gerilim Regülasyonu


𝑽𝒇𝒍. 𝟏𝟎𝟎 =

𝟑𝟗𝟓,𝟎𝟒𝟒−𝟑𝟖𝟎

𝟑𝟖𝟎. 𝟏𝟎𝟎 = %𝟑, 𝟗𝟓𝟗

54



55

Endüktif yük için boşta uç geriliminin değeri;

𝑬𝒇∅ = 𝑽𝒔. 𝒄𝒐𝒔𝝋 + 𝑰𝒔. 𝑹𝒆𝟐 + 𝑽𝒔. 𝒔𝒊𝒏𝝋 + 𝑰𝒔𝑿𝒔

𝟐

𝑬𝒇∅ = (𝟐𝟐𝟎. 𝟎, 𝟖 + 𝟒𝟎. 𝟎, 𝟐)𝟐+(𝟐𝟐𝟎. 𝟎, 𝟔 + 𝟒𝟎. 𝟎, 𝟏𝟓)𝟐

𝑬𝒇∅ = 𝟐𝟑𝟎𝑽


𝑬𝒇 = 𝟑.𝑬𝒇∅ = 𝟑. 𝟐𝟑𝟎 = 𝟑𝟗𝟖, 𝟑𝟕𝟐𝑽


𝑽𝒇𝒍. 𝟏𝟎𝟎 =

𝟑𝟗𝟖,𝟑𝟕𝟏−𝟑𝟖𝟎

𝟑𝟖𝟎. 𝟏𝟎𝟎 = %𝟒, 𝟖𝟑𝟒

Kapasitif yük için boşta uç geriliminin değeri;

𝑬𝒇∅ = 𝑽𝒔. 𝒄𝒐𝒔𝝋 + 𝑰𝒔. 𝑹𝒆𝟐 + 𝑽𝒔. 𝒔𝒊𝒏𝝋 − 𝑰𝒔𝑿𝒔

𝟐

𝑬𝒇∅ = (𝟐𝟐𝟎. 𝟎, 𝟖 + 𝟒𝟎. 𝟎, 𝟐)𝟐+(𝟐𝟐𝟎. 𝟎, 𝟔 − 𝟒𝟎. 𝟎, 𝟏𝟓)𝟐

𝑬𝒇∅ = 𝟏𝟖𝟒, 𝟎𝟗𝟖𝑽


𝑬𝒇 = 𝟑.𝑬𝒇∅ = 𝟑. 𝟏𝟖𝟒, 𝟎𝟗𝟖 = 𝟑𝟏𝟖, 𝟖𝟔𝟕𝑽


𝑽𝒇𝒍. 𝟏𝟎𝟎 =

𝟑𝟏𝟖,𝟖𝟔𝟕−𝟑𝟖𝟎

𝟑𝟖𝟎. 𝟏𝟎𝟎 = −%𝟏𝟔, 𝟎𝟖



56

Örnek: 480V, 50Hz yıldız bağlı 6 kutuplu senkron generatörün her fazı 1Ω’luk reaktansa

sahiptir. Tam yüklü durumdaki akımı 0,8 geri güç katsayılı durumda 60A’dir. Sürtünme ve rüzgar

kayıpları 1,5kW ve demir kayıpları 50Hz’lik frekansta 1kW’tır. Stator direncini ihmal ediniz. Alan akımı

yüksüz uç gerilimini 480V olacak şekilde ayarlamaktadır.

a) Bu generatörün dönüş hızını

b) 0,8 geri güç katsayılı akım ile yüklü iken generatörün uç gerilimini

c) 1,0 güç katsayılı akım ile yüklü iken generatörün uç gerilimini

d) 0,8 ileri güç katsayılı akım ile yüklü iken generatörün uç gerilimini

e) Her yük için gerilim regülasyonunu bulunuz.

Yıldız bağlı senkron generatör bir faz gerilimi 𝑽𝒔𝒇 =𝑽𝒔𝒉𝟑=

𝟒𝟖𝟎

𝟑= 𝟐𝟕𝟕, 𝟏𝟐𝟖𝑽

Generatörün dönüş hızı 𝒏𝒔 =𝒇𝒔.𝟏𝟐𝟎

𝟐𝑷=

𝟓𝟎.𝟏𝟐𝟎

𝟔= 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒅/𝒅

Açısal hızı 𝝎𝒔 =𝟐𝝅

𝟔𝟎𝒏𝒓 =

𝟐.𝝅

𝟔𝟎. 𝟏𝟎𝟎𝟎 = 𝟏𝟎𝟒, 𝟕𝟐𝒓𝒂𝒅/𝒔𝒏



57

𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟎, 𝟖 geri güç katsayılı endüktif yük için,

Üretilen faz gerilimi 𝑬𝒇∅ = 𝑽𝒔. 𝒄𝒐𝒔𝝋𝟐 + 𝑽𝒔. 𝒔𝒊𝒏𝝋 + 𝑰𝒔 𝑿𝒔

𝟐

𝑬𝒇∅ = (𝟐𝟕𝟕, 𝟏𝟐𝟖. 𝟎, 𝟖)𝟐+(𝟐𝟕𝟕, 𝟏𝟐𝟖. 𝟎, 𝟔 + 𝟔𝟎. 𝟏)𝟐

𝑬𝒇∅ = 𝟑𝟏𝟔, 𝟕𝟖𝟔𝑽

Üretilen uç gerilimi 𝑬𝒇 = 𝟑.𝑬𝒇∅ = 𝟑. 𝟑𝟏𝟔, 𝟕𝟖𝟔 = 𝟓𝟒𝟖, 𝟔𝟖𝟗𝑽

𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟏 güç katsayılı omik yük için,

𝑬𝒇∅ = 𝑽𝒔𝟐 + (𝑰𝒔𝑿𝒔)

𝟐= 𝟐𝟕𝟕, 𝟏𝟐𝟖𝟐 + (𝟔𝟎. 𝟏)𝟐

𝑬𝒇∅ = 𝟐𝟖𝟑, 𝟓𝟒𝟗𝑽

Üretilen uç gerilimi 𝑬𝒇 = 𝟑.𝑬𝒇∅ = 𝟑. 𝟐𝟖𝟑, 𝟓𝟒𝟗 = 𝟒𝟗𝟏, 𝟏𝟐𝟏𝑽

𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟎, 𝟖 ileri güç katsayılı kapasitif yük için,

𝑬𝒇∅ = 𝑽𝒔. 𝒄𝒐𝒔𝝋𝟐 + 𝑽𝒔. 𝒔𝒊𝒏𝝋 − 𝑰𝒔𝑿𝒔

𝟐

𝑬𝒇∅ = (𝟐𝟕𝟕, 𝟏𝟐𝟖. 𝟎, 𝟖)𝟐+(𝟐𝟕𝟕, 𝟏𝟐𝟖. 𝟎, 𝟔 − 𝟔𝟎. 𝟏)𝟐

𝑬𝒇∅ = 𝟐𝟒𝟓, 𝟖𝟓𝟗𝑽

Üretilen uç gerilimi 𝑬𝒇 = 𝟑.𝑬𝒇∅ = 𝟑. 𝟐𝟒𝟓, 𝟖𝟓𝟗 = 𝟒𝟐𝟓, 𝟖𝟒𝟎𝑽



58

𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟎, 𝟖 geri güç katsayılı endüktif yük için,


𝑽𝒇𝒍. 𝟏𝟎𝟎 =

𝟓𝟒𝟖,𝟔𝟖𝟗−𝟒𝟖𝟎

𝟒𝟖𝟎. 𝟏𝟎𝟎 = %𝟏𝟒, 𝟑𝟏

𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟏 güç katsayılı omik yük için,


𝑽𝒇𝒍. 𝟏𝟎𝟎 =

𝟒𝟗𝟏,𝟏𝟐𝟏−𝟒𝟖𝟎

𝟒𝟖𝟎. 𝟏𝟎𝟎 = %𝟐, 𝟑𝟏𝟕

𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟎, 𝟖 ileri güç katsayılı kapasitif yük için,


𝑽𝒇𝒍. 𝟏𝟎𝟎 =

𝟒𝟐𝟓,𝟖𝟒𝟎−𝟒𝟖𝟎

𝟒𝟖𝟎. 𝟏𝟎𝟎 = −%𝟏𝟏, 𝟐𝟖𝟑



Deneysel Çalışma 7

Deney Adı: Senkron Generatör Çalışma İlkeleri (Boş Çalışma)

• 1kW – Senkron Generatör

59

Deneysel Çalışma 8

Deney Adı: Senkron Generatör Yüklü Çalışma İlkeleri

• 1kW – Senkron Generatör

• Omik Yükler (Akkor Flamanlı Lambalar)

• Endüktif Yükler (Kompakt Flüoresan, Motor)

• Kapasitif Yükler (4 ve 10μF ‘lık kapasiteler)

60

61

KAYNAKLAR

• SAÇKAN, A. Hamdi; Elektrik Makineleri III

• ALTUNSAÇLI, Adem; ALACALI, Mahmut; Elektrik Makineleri II

• ÇOLAK, İlhami; Asenkron Motorlar

• BAL, Güngör; Özel Elektrik Motorları

• ÇOLAK, İlhami; Senkron Motorlar

• CHAPMAN, Stephen J.; Electrıc Machinery Fundamentaly 4.Edition

• FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, Charles Jr.; UMANS, Stephen D.; Electric Machinery

Sixth Edition

• PAREKH, Rakesh; AC Induction Motor Fundamentals; Microchip Technology Inc.,

Microchip AN887

• Three-phase Asynchronous Motors, Generalities and ABB proposals for the

coordination of protective devices

• www.wikipedia.org

http://www.wikipedia.org/

senkron makİneler - tbmyo elektrik...

Documents