Alternatör
Alternatör, mekanik enerjiyi alternatif akım şeklinde elektrik enerjisine dönüştüren bir elektrik jeneratörüdür. Maliyet ve basitlik nedenleriyle, çoğu alternatör sabit bir armatür ile dönen bir manyetik alan kullanır. Bazen, doğrusal bir alternatör veya sabit bir manyetik alana sahip dönen bir armatür kullanılır. Prensip olarak, herhangi bir AC elektrik jeneratörü alternatör olarak adlandırılabilir, ancak genellikle bu terim otomotiv ve diğer içten yanmalı motorlar tarafından tahrik edilen küçük döner makineleri ifade eder. ⓘ
Manyetik alanı için sabit bir mıknatıs kullanan bir alternatöre manyeto denir. Buhar türbinleri tarafından tahrik edilen elektrik santrallerindeki alternatörlere turbo-alternatör denir. Enerji santrallerindeki büyük 50 veya 60 Hz üç fazlı alternatörler, elektrik şebekeleri tarafından dağıtılan dünyadaki elektrik enerjisinin çoğunu üretir. ⓘ
Tarihçe
Alternatif akım üreten sistemler, 1830'larda elektrik akımının manyetik indüksiyonunun keşfinden beri basit şekillerde biliniyordu. Dönen jeneratörler doğal olarak alternatif akım üretiyordu, ancak bunun için çok az kullanım olduğundan, normalde jeneratöre bir komütatör eklenerek doğru akıma dönüştürülüyordu. İlk makineler Michael Faraday ve Hippolyte Pixii gibi öncüler tarafından geliştirilmiştir. Faraday, çalışması heteropolar olan "dönen dikdörtgeni" geliştirdi - her aktif iletken, manyetik alanın zıt yönlerde olduğu bölgelerden art arda geçti. Lord Kelvin ve Sebastian Ferranti de 100 ila 300 Hz arasında frekanslar üreten ilk alternatörleri geliştirdi. ⓘ
1870'lerin sonlarında, tüm sokakları, fabrika avlularını veya büyük depoların içini aydınlatmak için kullanılan Ark lambalarına güç sağlamak için merkezi üretim istasyonlarına sahip ilk büyük ölçekli elektrik sistemlerinin tanıtımına tanık oldu. 1878'de tanıtılan Yablochkov ark lambaları gibi bazıları alternatif akımla daha iyi çalışıyordu ve bu ilk AC üretim sistemlerinin geliştirilmesine "alternatör" kelimesinin ilk kullanımı eşlik etti. Bu ilk sistemlerde jeneratör istasyonlarından uygun miktarda voltaj sağlamak mühendisin "yükü sürme" becerisine kalmıştı. 1883'te Ganz Works, gerçek yükün değerinden bağımsız olarak belirli bir çıkış voltajı üretebilen sabit voltaj jeneratörünü icat etti. 1880'lerin ortalarında transformatörlerin kullanılmaya başlanması, alternatif akımın ve bunu üretmek için gereken alternatörlerin kullanımının yaygınlaşmasına yol açtı. 1891'den sonra, birden fazla farklı fazdaki akımları sağlamak için çok fazlı alternatörler tanıtıldı. Daha sonraki alternatörler ark aydınlatması, akkor aydınlatma ve elektrik motorlarında kullanılmak üzere on altı ile yaklaşık yüz hertz arasında çeşitli alternatif akım frekansları için tasarlanmıştır. Alexanderson alternatörü gibi özel radyo frekans alternatörleri 1. Dünya Savaşı sırasında uzun dalga radyo vericileri olarak geliştirildi ve vakum tüplü vericiler bunların yerini almadan önce birkaç yüksek güçlü kablosuz telgraf istasyonunda kullanıldı. ⓘ
Çalışma prensibi
Manyetik bir alana göre hareket eden bir iletken, içinde bir elektromotor kuvvet (EMF) geliştirir (Faraday Kanunu). Bu EMF, zıt kutuplu manyetik kutuplar altında hareket ettiğinde kutuplarını tersine çevirir. Tipik olarak, rotor olarak adlandırılan dönen bir mıknatıs, stator olarak adlandırılan demir bir çekirdek üzerine bobinler halinde sarılmış sabit bir iletken seti içinde döner. Mekanik girdi rotorun dönmesine neden olduğundan, alan iletkenleri keserek indüklenmiş bir EMF (elektromotor kuvvet) oluşturur. ⓘ
Dönen manyetik alan stator sargılarında bir AC gerilimi indükler. Stator sargılarındaki akımlar rotorun konumuna göre değiştiğinden, bir alternatör senkron bir jeneratördür. ⓘ
Rotorun manyetik alanı sabit mıknatıslar veya bir alan bobini elektromıknatısı tarafından üretilebilir. Otomotiv alternatörleri, rotor alan sargısındaki akımı değiştirerek alternatörün üretilen voltajının kontrol edilmesini sağlayan bir rotor sargısı kullanır. Sabit mıknatıslı makineler rotorda mıknatıslanma akımından kaynaklanan kayıpları önler, ancak mıknatıs malzemesinin maliyeti nedeniyle boyutları sınırlıdır. Sabit mıknatıs alanı sabit olduğundan, terminal voltajı doğrudan jeneratörün hızına göre değişir. Fırçasız AC jeneratörler genellikle otomotiv uygulamalarında kullanılanlardan daha büyüktür. ⓘ
Otomatik bir voltaj kontrol cihazı, çıkış voltajını sabit tutmak için alan akımını kontrol eder. Sabit armatür bobinlerinden gelen çıkış voltajı talepteki bir artış nedeniyle düşerse, voltaj regülatörü (VR) aracılığıyla dönen alan bobinlerine daha fazla akım beslenir. Bu, armatür bobinlerinde daha büyük bir voltaj indükleyen alan bobinleri etrafındaki manyetik alanı arttırır. Böylece çıkış voltajı orijinal değerine geri getirilir. ⓘ
Merkezi güç istasyonlarında kullanılan alternatörler ayrıca reaktif gücü düzenlemek ve güç sistemini anlık arızaların etkilerine karşı stabilize etmeye yardımcı olmak için alan akımını kontrol eder. Genellikle, dönen manyetik alanın birbirine göre bir periyodun üçte biri kadar yer değiştiren üç fazlı bir akım üretmesi için fiziksel olarak dengelenmiş üç set stator sargısı vardır. ⓘ
Stator, stator çekirdekleri ve stator bobinlerinden meydana gelmiştir ve ön ve arka kapaklara tutturulmuştur. Stator çekirdeği, çelik kaplanmış ince plakalardan meydana gelir. ⓘ
Senkron hızlar
Bir çift alan kutbu sabit sargı üzerindeki bir noktanın üzerinden her geçtiğinde bir çevrim alternatif akım üretilir. Hız ve frekans arasındaki ilişki şöyledir , nerede Hz (saniye başına çevrim) cinsinden frekanstır. kutup sayısıdır (2, 4, 6, ...) ve dakika başına devir (r/dak) cinsinden dönme hızıdır. Alternatif akım sistemlerinin çok eski açıklamaları bazen frekansı dakika başına devir cinsinden verir ve her yarım devri bir devir olarak sayar; yani dakikada 12.000 devir 100 Hz'e karşılık gelir. ⓘ
Bir alternatörün çıkış frekansı kutup sayısına ve dönme hızına bağlıdır. Belirli bir frekansa karşılık gelen hıza, o frekans için senkron hız denir. Bu tablo bazı örnekler vermektedir:
| Kutuplar | Dönüş hızı (d/dak), veren... ⓘ | ||
|---|---|---|---|
| 50 Hz | 60 Hz | 400 Hz | |
| 2 | 3,000 | 3,600 | 24,000 |
| 4 | 1,500 | 1,800 | 12,000 |
| 6 | 1,000 | 1,200 | 8,000 |
| 8 | 750 | 900 | 6,000 |
| 10 | 600 | 720 | 4,800 |
| 12 | 500 | 600 | 4,000 |
| 14 | 428.6 | 514.3 | 3,429 |
| 16 | 375 | 450 | 3,000 |
| 18 | 333.3 | 400 | 2,667 |
| 20 | 300 | 360 | 2,400 |
| 40 | 150 | 180 | 1,200 |
Sınıflandırmalar
Alternatörler uyarma yöntemine, faz sayısına, dönüş tipine, soğutma yöntemine ve uygulamalarına göre sınıflandırılabilir. ⓘ
Uyarma ile
Alternatörlerde kullanılan manyetik alanı üretmenin iki ana yolu vardır; kendi kalıcı manyetik alanını yaratan sabit mıknatıslar veya alan bobinleri kullanmak. Sabit mıknatıs kullanan alternatörler özellikle manyeto olarak adlandırılır. ⓘ
Diğer alternatörlerde, sargılı alan bobinleri dönen manyetik alanı üretmek için bir elektromıknatıs oluşturur. ⓘ
Alternatif akım üretmek için sabit mıknatıs kullanan bir cihaza sabit mıknatıslı alternatör (PMA) denir. Sabit mıknatıslı bir jeneratör (PMG) alternatif akım ya da komütatörü varsa doğru akım üretebilir. ⓘ
Doğrudan bağlı doğru akım (DC) jeneratörü
Bu uyarma yöntemi, alternatörle aynı şaft üzerine sabitlenmiş daha küçük bir doğru akım (DC) jeneratöründen oluşur. DC jeneratörü, elektrik üretmek için bağlı alternatörün alan bobinlerini uyarmaya yetecek kadar az miktarda elektrik üretir. Bu sistemin bir çeşidi, alternatörün kendi kendini uyarmasının ardından, çalıştırma sırasında ilk uyarma için bir bataryadan gelen doğru akımı kullanan bir alternatör türüdür. ⓘ
Dönüşüm ve düzeltme
Bu yöntem, zayıf bir voltajın üretilmesini sağlayacak zayıf bir manyetik alan oluşturmak için demir çekirdekte tutulan artık manyetizmaya dayanır. Bu voltaj, alternatörün voltaj oluşturma sürecinin bir parçası olarak daha güçlü voltaj üretmesi için alan bobinlerini uyarmak için kullanılır. İlk AC voltaj oluşumundan sonra, alan alternatörden gelen düzeltilmiş voltajla beslenir. ⓘ
Fırçasız alternatörler
Fırçasız alternatör, bir şaft üzerinde uç uca yerleştirilmiş iki alternatörden oluşur. 1966 yılına kadar alternatörlerde döner alanlı fırçalar kullanılıyordu. Yarı iletken teknolojisindeki ilerleme ile fırçasız alternatörler mümkün olmuştur. Daha küçük fırçasız alternatörler tek bir ünite gibi görünebilir, ancak iki parça büyük versiyonlarda kolayca tanımlanabilir. İki bölümden büyük olanı ana alternatör, küçük olanı ise uyarıcıdır. Uyarıcı sabit alan bobinlerine ve dönen bir armatüre (güç bobinleri) sahiptir. Ana alternatör, dönen bir alan ve sabit armatür ile ters konfigürasyonu kullanır. Rotor üzerine döner doğrultucu tertibatı adı verilen bir köprü doğrultucu monte edilmiştir. Ne fırçalar ne de kayma halkaları kullanılır, bu da aşınan parça sayısını azaltır. Ana alternatör yukarıda açıklandığı gibi dönen bir alana ve sabit bir armatüre (güç üretim sargıları) sahiptir. ⓘ
Sabit uyarıcı alan bobinlerinden geçen akım miktarının değiştirilmesi, uyarıcıdan gelen 3 fazlı çıkışı değiştirir. Bu çıkış, rotora monte edilmiş döner bir doğrultucu tertibatı tarafından doğrultulur ve elde edilen DC, ana alternatörün döner alanını ve dolayısıyla alternatör çıkışını besler. Tüm bunların sonucunda küçük bir DC uyarıcı akımı dolaylı olarak ana alternatörün çıkışını kontrol eder. ⓘ
Faz sayısına göre
Alternatörleri sınıflandırmanın bir başka yolu da çıkış voltajlarının faz sayısıdır. Çıkış tek fazlı veya çok fazlı olabilir. Üç fazlı alternatörler en yaygın olanlarıdır, ancak çok fazlı alternatörler iki fazlı, altı fazlı veya daha fazla olabilir. ⓘ
Parçayı döndürerek
Alternatörlerin döner kısmı armatür veya manyetik alan olabilir. Döner armatür tipinde armatür rotora sarılır ve burada sargı sabit bir manyetik alan boyunca hareket eder. Döner armatür tipi sıklıkla kullanılmaz. Döner alan tipi, sabit bir armatür sargısı boyunca dönmek için rotor üzerinde manyetik alana sahiptir. Bunun avantajı, rotor devresinin armatür devresinden çok daha az güç taşıması ve böylece kayma halkası bağlantılarının daha küçük ve daha az maliyetli olmasıdır; doğru akım rotoru için sadece iki kontak gerekirken, genellikle bir rotor sargısı üç faza ve her biri bir kayma halkası bağlantısı gerektirecek birden fazla bölüme sahiptir. Sabit armatür, on binlerce volta kadar herhangi bir uygun orta gerilim seviyesi için sarılabilir; birkaç bin volttan fazlası için kayma halkası bağlantılarının üretimi maliyetli ve elverişsizdir. ⓘ
Soğutma yöntemleri
Birçok alternatör, alternatörü tahrik eden aynı şaft üzerindeki ekli bir fan tarafından muhafaza içinden zorlanan ortam havası ile soğutulur. Transit otobüsler gibi araçlarda, elektrik sistemine olan yoğun talep büyük bir alternatörün yağ soğutmalı olmasını gerektirebilir. Denizcilik uygulamalarında su soğutması da kullanılır. Pahalı otomobiller, yüksek elektrik sistemi taleplerini karşılamak için su soğutmalı alternatörler kullanabilir. ⓘ
Özel uygulamalar
Elektrik jeneratörleri
Çoğu enerji üretim istasyonu, jeneratör olarak senkron makineler kullanır. Bu jeneratörlerin elektrik şebekesine bağlanması için senkronizasyon koşullarının karşılanması gerekir. ⓘ
Otomotiv alternatörleri
Alternatörler modern otomobillerde aküyü şarj etmek ve motor çalışırken elektrik sistemine güç sağlamak için kullanılır. ⓘ
1960'lara kadar otomobillerde komütatörlü DC dinamo jeneratörleri kullanılıyordu. Uygun fiyatlı silikon diyot doğrultucuların bulunmasıyla birlikte bunun yerine alternatörler kullanılmaya başlanmıştır. ⓘ
Dizel elektrikli lokomotif alternatörleri
Daha sonraki dizel elektrikli lokomotiflerde ve dizel elektrikli çoklu ünitelerde ana taşıyıcı, cer motorlarına (AC veya DC) elektrik sağlayan bir alternatörü döndürür. ⓘ
Çekiş alternatörü genellikle çekiş motorlarına 1.200 volta kadar DC sağlamak için entegre silikon diyot doğrultucular içerir. ⓘ
İlk dizel elektrikli lokomotifler ve halen hizmette olanların çoğu, silikon güç elektroniğinden önce DC cer motorlarının hızını kontrol etmek daha kolay olduğu için DC jeneratörleri kullanmaktadır. Bunların çoğunda iki jeneratör vardı: biri daha büyük bir ana jeneratör için uyarma akımı üretiyordu. ⓘ
İsteğe bağlı olarak, jeneratör ayrıca baş ucu gücü (HEP) veya elektrikli tren ısıtması için güç sağlar. HEP seçeneği, lokomotif hareket etmese bile 480 V 60 Hz HEP uygulaması için tipik olarak 900 dev/dak olan sabit bir motor hızı gerektirir. ⓘ
Deniz alternatörleri
Yatlarda kullanılan deniz alternatörleri, tuzlu su ortamına uygun uyarlamalarla otomotiv alternatörlerine benzer. Deniz alternatörleri patlamaya dayanıklı (ateşleme korumalı) olacak şekilde tasarlanmıştır, böylece fırça kıvılcımı makine dairesi ortamında patlayıcı gaz karışımlarını ateşlemeyecektir. Kurulan sistemin türüne bağlı olarak 12 veya 24 volt olabilirler. Daha büyük deniz dizel motorlarında, modern bir yatın ağır elektrik talebiyle başa çıkabilmek için iki veya daha fazla alternatör bulunabilir. Tek alternatörlü devrelerde güç, bölünmüş şarj diyotu (akü izolatörü) veya voltaja duyarlı bir röle kullanılarak motor marş aküsü ile ev aküsü (veya aküleri) arasında bölünebilir. Büyük ev aküsü bankalarının yüksek maliyeti nedeniyle, Deniz alternatörleri genellikle harici regülatörler kullanır. Çok adımlı regülatörler şarj etkinliğini (şarj süresi) ve akü ömrünü en üst düzeye çıkarmak için alan akımını kontrol eder. Çok adımlı regülatörler farklı akü tipleri için programlanabilir. İki sıcaklık sensörü eklenebilir, biri şarj voltajını ayarlamak için akü için ve aşırı ısınmaya karşı korumak için asıl alternatörde bir aşırı sıcaklık sensörü. ⓘ
Radyo alternatörleri
Değişken relüktans tipindeki yüksek frekanslı alternatörler ticari olarak düşük frekanslı radyo bantlarında radyo iletimine uygulanmıştır. Bunlar Mors kodu iletimi için ve deneysel olarak ses ve müzik iletimi için kullanılmıştır. Alexanderson alternatöründe hem alan sargısı hem de armatür sargısı sabittir ve rotorun (sargıları ya da akım taşıyan parçaları olmayan) değişen manyetik relüktansı sayesinde armatürde akım indüklenir. Bu tür makineler, verimliliği düşük olmasına rağmen radyo yayınları için radyo frekansı akımı üretmek üzere yapılmıştır. ⓘ
Kısımları
Diyotlar
Eş yüklü diyot tablaları içinde, üç adet pozitif ve üç adet negatif diyot bulunur. Alternatör tarafından üretilen akım, uç kapaklardan yalıtılmış pozitif yönlü diyot tablalarından verilir. ⓘ