Alternatif Akım ve Gerilim
Pil gibi bie elektrik kaynağından sağlanan akıma, dogru akım (DC) denir. Böyle bir akım bir tel içinden hep aynı yönde ve aynı gerilim değerinde akar. Buna karşılık, hemen tüm ülkelerde kullanılan alternatif akım (AC) belli bir frekansla, yani genellikle saniyede 50-60 kez (50-60 Hz yazılır) önce bir yöne, hemen ardından da ters yöne akar.
Örneğin 50 Hzlik bir frekansta akım, saniyenin ilk yüzde birlik bölümünde en üst değerine çıkar ve ardından sıfıra düşer; ikinci yüzde birlik zamanda ise, ters yönde en üst değerine çıkar ve gene sıfıra düşer. Böylece, saniyenin ellide biri kadar bir süre içinde bir çevrimi tamamlar.
Elektrikli ısıtıcılar ya da ampuller, akımın yönü ne olursa olsun çalışır. Günlük yaşamda, akımın titreşimli olmasının pek bir önemi yoktur. Alternatif akımın doğru akıma bir üstünlüğü vardır. Alternatif akımının gerilimi hiç bir hareketli parçacığı olmayan transformatörlerle yükseltilip düşürülebilir. Alternatif akım motorlarının ve alternatörlerin, akımı toplayan kesikli bileziklerden oluşan komütatörleri yoktur.Bu nedenle AC motorları , komütatörleri bulunan DC motorlarından daha güvenilir aygıtlardır. Frekans, akım taşıyan tellerin, transformatörlerin, ışıklandırma aygıtlarının, dönen makinaların ve öteki elektrik araçlarının farklı gereksinimlerini karşılayacak biçimde seçilmiştir. Frekans, Türkiyede ve Avrupada 50 Hz (saniyedeki çevrim sayısı) ; ABD ve Kanadada 60 Hzdir.
Alternatif akımın gerilimi:
Dünyanın aşağı yukarı bütün ülkelerinde 240 voltluk bir elek- trik gerilimi kullanılır. Türkiyede genellikle 220 volt, bazı yerlerde ise 110 volt kullanılır. Ancak bu gerilim, doğru akım gerilimi kadar kolay ölçülmez.
Gerçekte, 220 voltluk bir AC kaynağı, titreşiminin en üst noktasında 311 volta kadar yükselir. Gerilim karşıt yönlerde +311 V ve 311 Va dek yükseldiğinden, ortalama değer sıfır volt olur.
Bir alternatör tarafından üretilen etkin gerilim, aynı büyüklükteki bir DC üretecinin, aynı tahrik gücüyle döndürüldüğünde üreteci gerilime eşittir. Bu değer, gerilimin en üst değerinin karesi alınarak da bulunabilir. Eksi sayıların kareleri artı olacağından, sonuçta tümüyle artı değerler elde edilir. Çıkan sonucun ortalamasını bulmak için, gerilim değeri ikiye bölünür ve bir volt için + 0,5 elde edilir. Bunun da karekökü alınırsa + 0,707 volt bulunur. Bu değeri, kullanılan gerilime uygularsak, 311 voltluk en üst değerin 0,707si 220 volt eder.
Bu işleme, gerilimin ortalama karekök ünü alma (RMS) denir. Kaynağa bağlanan bir AC ampermetrede okunan değer, bu RMS değeridir.
Üç fazlı akım: AC akımı tek fazlı olup, evlerde kullanılan olağan akımdır. Oysa santrallerdeki alternatörler üç fazlı (trifaze) akım üretirler. Akımın üç fazlı olması, telin kalınlığını arttırmadan, iki elle taşınabilecek elektriğin üç katını üç telle taşıma olanağı verir. Üç fazlı akım , endüstride kullanılan motorları işletmede ve buna göre düzenlenmiş öteki aygıtları çalıştırmada kullanılır. Bu aygıtlarda belirli bir yük için sarım sayısında tasarruf sağlanmıştır.
Santrallerdeki alternatörlerde, makina çevresine eşit aralıklarla oturtulmuş üç bobin vardır. Bunlardan her biri ayrı teli besleyen 50 Hzlik alternatif akım verir. Tellerden birindeki gerilim tepe noktasına vardığında, öteki iki teldeki gerilim karşıt yönde ve tepe noktalarının yarı değerindedir. Böylece elektrik, bir tepe noktasına vardığında, elektrik çıkışı öteki iki telden eşit olarak döner ve devre tamamlanır.
Eğer alternatörlerde her telde eşit nitelikte elektrik geçebilseydi, üç telden başka bağlantıya gerek olmayacaktı. Oysa uygulamada üç fazlı akımın gerilimi transformatörlerele düşürülüp, tellerden her biri tek fazlı akım olarak evlere dağıtıldığından, her telden çekilen akım değişik olur. Bu durumun getireceği olumsuzluklar, alternatörlerde ve devredeki tüm transformatörlerde, topraklama kullanılarak önlenir.
Kullandığımız alternatif akım, evlere bir faz teliyle taşınır ve bir nötr telle çevredeki dağıtım merkezine geri döner. Bazı ülkelerde, nötr telden başka, bir de güvenlik için sıfırlama (toprak) teli kullanılır.
ALTERNATÖR
Alternatör, tıpkı dinamo gibi mekanik enerjiyi elekrtik enerjisine çevirir. Ancak, bunların çıktı (output) biçimleri birbirinden farklıdır.
Dinamonun verdiği akım hep aynı yöndedir; ama alternatörünm verdiği akım, değişmez bir hızla sinüs dalgası biçiminde yön değiştir. Bu tür alternatif akım bir tepe değere kadar yükselir, azalıp sıfıra düşer, ters yönde yeniden tepe değere kadar yükselir ve gene sıfıra düşer. Bir santraldeki alternatörde, bu olay 50 yada 60 kez tekrarlanır. Yani frekans 50 yada 60 Hertzdir.Yalın bir alternatör, yalın bir dinamoya benzer. Bir mıknatısın kutupları arasında telden bobinler döner ve akım, dönen iki bilezikten, yayla bastırılan kömür blokları biçimindeki fırçalarla alınır. Akımın yönü, bobin magnetik alanı hangi yönde kestiğine bağlıdır. Akım, bobinin yarısı mınatısın kuzey kutbunun karşısında aşağı doğru hareket ederken bir yönde, aynı bobinler mıknatısın güney kutbu boyunca yukarıya doğru hareket ederken de ters yönde geçer.
Bobin 360 derecelik dönüşünü bitirince, bir çevrim tamamlanmış olur. Bu yüzden frekansı 50 Hz olan alternatif akımı oluşturmak için bobinin saniyede 50 kez ya da dakikada 3000 kez dönmesi gerekir.
Santral alternatörleri: Santrallarda, hatta modern otomobillerdeki küçük alternatörlerde, dönen bobin, yani rotor ile, daimi mıknatıs, yani statorun rolleri değiştirmiştir. Bu yüzden alternatör, aslında tel bobinler içinde dönen bir mıknatıs gibi düşünülebilir. Aygıtın böyle yapmasında başlıca iki neden vardır: Birincisi, rotorda elektrik üretiminin yan ürünü olarak açığa çıkan ısının dışarı atılmasının güçlüğüne karşılık, sabit duran statorda oluşan ısının kolayca atılabilmesidir. İkinci neden ise, bilezik ve kömürler üzerinden büyük elektrik akımları geçirmekte karşılaşılan mekanik sorunlardır.
Büyük alternatörlerde hem rotorda hem de statorda, elektriksel ve mekanik yolla açığa çıkan aşırı ısı, etkin bir soğutma gerektirir. Günümüzde çoğunlukla sabit stator, iletken tellerle paralelel dizilmiş borulardan su geçirme yoluyla, rotor ise gereksiz ağırlığı en aza indiren ve etkili bir soğutma aracı olan hidrojen gazıyla soğutulur.
Kömür ya da petrol ile çalışan buhar türbinli bir santralda 3 000 devir/dakikalık rotor hızına ulaşmak sorun değildir. Rotor bu hızla dönen, iki kutuplu bir elektromıknatıstır. Sistemin bu denli yalın olması verimi yükseltirken üretim masraflarını da azaltır. Sert çelikten yapılan robotun üzerinde, mıknatıslayıcı tel bobinlerin ve bunları soğutan hidrojen borularının geçmesi için oyuklar bulunur.Eğer daha yavaş olan hidroelektrik santralı türbinlerde olduğu gibi bu hıza ulaşmak sorun yaratıyorsa, kutupların sayısı artırılır.
Aynı çıkış frekansı için, dört kutup, hızın 1500/dakikaya, sekiz kutup ise, 750 devir/dakikaya düşürülmesine olanak sağlar. Bu hızlarda rotorun ağırlığı da o kadar önemli değildir. Bu yüzden bu tür alternatörlerin rotorları, soğutmayı kolaylaştırmak için, çapları daha büyük, boyları daha kısa olacak biçimde yapılır. Eskisiyle aynı voltajı elde etmek için, her stator bobinindeki sarımların sayısı iki ya da dört katına çıkartılır. İki tür rotoru da mıknatıslamak için gereken güç dışarıdan, bir başka makina ile sağlanır.Bu uyarıcı, çoğunlukla aynı şaft üzerinde yer alır ve alternatörün rotoru ile aynı hızla döner.
Uyarıcı ya doğru akım üretir ya da alternatif akım verir; alternatif akım, doğru akıma çevrilmek için bir doğrultucudan geçirilir. İki durumda da bu akım, alternatörün rotoruna, bilezikler üzerinde kayan kömürlerle aktarılır.
Küçük alternatörlerin rotorları, büyük güç gerektirmedikleri için (çoğunlukla statorda üretilen gücün %2si kadar) uyarım, bunlarda önemli bir sorun yaratmaz. Ancak, 1 000 megawatta kadar güç verebilen büyük alternatörlerde %2 bile, kömür ve bilezikten geçirilemeyecek kadar yüksek bir değerdir.
Bu yüzden alternatif akım uyarımlı büyük alternatörlerde rotor elektrik üretici, stator ise mıknatıslayıcı olarak yapılır. Böylece güç, bileziklere gerek kalmaksızın şaft üzerinden doğrudan doğruya asıl alternatörlere iletilir. Bu durumda şaftın içine bir doğrultucu konulması gerekir. Dış kaynaklardan tümüyle yalıtılması için, uyarıcı alanını oluşturan doğru akım, bazen daha küçük, sürekli mıknatıslı bir jenaratörden sağlanır.
Santrallarda kullanılan alternatörler, 500 ile 1 000 megawatt kadar çıktı gücüne birkaç bin voltluk potansiyel farkı verebilirler. Çıktı akımı her zaman, üç fazlı alternatif akımdır.Bunu sağlamak için stator bobinleri aygıtın çevresine, her bobin arasında 1/3 çevrimlik zaman farkı olan, üç ayrı çıktı verecek biçimde yerleştirilir.
Gücün üç faz ile iletimi, tek fazlı iletimden daha ucuzdur ve bu yolla endüstride kullanılan alternatif akım motorları doğrudan doğruya çalıştırılabilirler. Öte yandan, birkaç yüz wattlık güç üreten alternatörler artık, otomobillerde ve ticari araçlarda kullanım alanı bulmaktadır. Alternatörlerde, dinamolardaki parçalı komütatörler yerine yalın bilezikler bulunduğundan, çok daha yüksek hızla döndürülüp rölanti devrinde bile yüksek şarj akımları vermeleri sağlanabilir. Aynı zamanda güç, rotor yerine statorda üretildiğinden, aynı güç çıkıntısı için daha küçük ve hafif yapılabilirler.
Pil gibi bie elektrik kaynağından sağlanan akıma, dogru akım (DC) denir. Böyle bir akım bir tel içinden hep aynı yönde ve aynı gerilim değerinde akar. Buna karşılık, hemen tüm ülkelerde kullanılan alternatif akım (AC) belli bir frekansla, yani genellikle saniyede 50-60 kez (50-60 Hz yazılır) önce bir yöne, hemen ardından da ters yöne akar.
Örneğin 50 Hzlik bir frekansta akım, saniyenin ilk yüzde birlik bölümünde en üst değerine çıkar ve ardından sıfıra düşer; ikinci yüzde birlik zamanda ise, ters yönde en üst değerine çıkar ve gene sıfıra düşer. Böylece, saniyenin ellide biri kadar bir süre içinde bir çevrimi tamamlar.
Elektrikli ısıtıcılar ya da ampuller, akımın yönü ne olursa olsun çalışır. Günlük yaşamda, akımın titreşimli olmasının pek bir önemi yoktur. Alternatif akımın doğru akıma bir üstünlüğü vardır. Alternatif akımının gerilimi hiç bir hareketli parçacığı olmayan transformatörlerle yükseltilip düşürülebilir. Alternatif akım motorlarının ve alternatörlerin, akımı toplayan kesikli bileziklerden oluşan komütatörleri yoktur.Bu nedenle AC motorları , komütatörleri bulunan DC motorlarından daha güvenilir aygıtlardır. Frekans, akım taşıyan tellerin, transformatörlerin, ışıklandırma aygıtlarının, dönen makinaların ve öteki elektrik araçlarının farklı gereksinimlerini karşılayacak biçimde seçilmiştir. Frekans, Türkiyede ve Avrupada 50 Hz (saniyedeki çevrim sayısı) ; ABD ve Kanadada 60 Hzdir.
Alternatif akımın gerilimi:
Dünyanın aşağı yukarı bütün ülkelerinde 240 voltluk bir elek- trik gerilimi kullanılır. Türkiyede genellikle 220 volt, bazı yerlerde ise 110 volt kullanılır. Ancak bu gerilim, doğru akım gerilimi kadar kolay ölçülmez.
Gerçekte, 220 voltluk bir AC kaynağı, titreşiminin en üst noktasında 311 volta kadar yükselir. Gerilim karşıt yönlerde +311 V ve 311 Va dek yükseldiğinden, ortalama değer sıfır volt olur.
Bir alternatör tarafından üretilen etkin gerilim, aynı büyüklükteki bir DC üretecinin, aynı tahrik gücüyle döndürüldüğünde üreteci gerilime eşittir. Bu değer, gerilimin en üst değerinin karesi alınarak da bulunabilir. Eksi sayıların kareleri artı olacağından, sonuçta tümüyle artı değerler elde edilir. Çıkan sonucun ortalamasını bulmak için, gerilim değeri ikiye bölünür ve bir volt için + 0,5 elde edilir. Bunun da karekökü alınırsa + 0,707 volt bulunur. Bu değeri, kullanılan gerilime uygularsak, 311 voltluk en üst değerin 0,707si 220 volt eder.
Bu işleme, gerilimin ortalama karekök ünü alma (RMS) denir. Kaynağa bağlanan bir AC ampermetrede okunan değer, bu RMS değeridir.
Üç fazlı akım: AC akımı tek fazlı olup, evlerde kullanılan olağan akımdır. Oysa santrallerdeki alternatörler üç fazlı (trifaze) akım üretirler. Akımın üç fazlı olması, telin kalınlığını arttırmadan, iki elle taşınabilecek elektriğin üç katını üç telle taşıma olanağı verir. Üç fazlı akım , endüstride kullanılan motorları işletmede ve buna göre düzenlenmiş öteki aygıtları çalıştırmada kullanılır. Bu aygıtlarda belirli bir yük için sarım sayısında tasarruf sağlanmıştır.
Santrallerdeki alternatörlerde, makina çevresine eşit aralıklarla oturtulmuş üç bobin vardır. Bunlardan her biri ayrı teli besleyen 50 Hzlik alternatif akım verir. Tellerden birindeki gerilim tepe noktasına vardığında, öteki iki teldeki gerilim karşıt yönde ve tepe noktalarının yarı değerindedir. Böylece elektrik, bir tepe noktasına vardığında, elektrik çıkışı öteki iki telden eşit olarak döner ve devre tamamlanır.
Eğer alternatörlerde her telde eşit nitelikte elektrik geçebilseydi, üç telden başka bağlantıya gerek olmayacaktı. Oysa uygulamada üç fazlı akımın gerilimi transformatörlerele düşürülüp, tellerden her biri tek fazlı akım olarak evlere dağıtıldığından, her telden çekilen akım değişik olur. Bu durumun getireceği olumsuzluklar, alternatörlerde ve devredeki tüm transformatörlerde, topraklama kullanılarak önlenir.
Kullandığımız alternatif akım, evlere bir faz teliyle taşınır ve bir nötr telle çevredeki dağıtım merkezine geri döner. Bazı ülkelerde, nötr telden başka, bir de güvenlik için sıfırlama (toprak) teli kullanılır.
ALTERNATÖR
Alternatör, tıpkı dinamo gibi mekanik enerjiyi elekrtik enerjisine çevirir. Ancak, bunların çıktı (output) biçimleri birbirinden farklıdır.
Dinamonun verdiği akım hep aynı yöndedir; ama alternatörünm verdiği akım, değişmez bir hızla sinüs dalgası biçiminde yön değiştir. Bu tür alternatif akım bir tepe değere kadar yükselir, azalıp sıfıra düşer, ters yönde yeniden tepe değere kadar yükselir ve gene sıfıra düşer. Bir santraldeki alternatörde, bu olay 50 yada 60 kez tekrarlanır. Yani frekans 50 yada 60 Hertzdir.Yalın bir alternatör, yalın bir dinamoya benzer. Bir mıknatısın kutupları arasında telden bobinler döner ve akım, dönen iki bilezikten, yayla bastırılan kömür blokları biçimindeki fırçalarla alınır. Akımın yönü, bobin magnetik alanı hangi yönde kestiğine bağlıdır. Akım, bobinin yarısı mınatısın kuzey kutbunun karşısında aşağı doğru hareket ederken bir yönde, aynı bobinler mıknatısın güney kutbu boyunca yukarıya doğru hareket ederken de ters yönde geçer.
Bobin 360 derecelik dönüşünü bitirince, bir çevrim tamamlanmış olur. Bu yüzden frekansı 50 Hz olan alternatif akımı oluşturmak için bobinin saniyede 50 kez ya da dakikada 3000 kez dönmesi gerekir.
Santral alternatörleri: Santrallarda, hatta modern otomobillerdeki küçük alternatörlerde, dönen bobin, yani rotor ile, daimi mıknatıs, yani statorun rolleri değiştirmiştir. Bu yüzden alternatör, aslında tel bobinler içinde dönen bir mıknatıs gibi düşünülebilir. Aygıtın böyle yapmasında başlıca iki neden vardır: Birincisi, rotorda elektrik üretiminin yan ürünü olarak açığa çıkan ısının dışarı atılmasının güçlüğüne karşılık, sabit duran statorda oluşan ısının kolayca atılabilmesidir. İkinci neden ise, bilezik ve kömürler üzerinden büyük elektrik akımları geçirmekte karşılaşılan mekanik sorunlardır.
Büyük alternatörlerde hem rotorda hem de statorda, elektriksel ve mekanik yolla açığa çıkan aşırı ısı, etkin bir soğutma gerektirir. Günümüzde çoğunlukla sabit stator, iletken tellerle paralelel dizilmiş borulardan su geçirme yoluyla, rotor ise gereksiz ağırlığı en aza indiren ve etkili bir soğutma aracı olan hidrojen gazıyla soğutulur.
Kömür ya da petrol ile çalışan buhar türbinli bir santralda 3 000 devir/dakikalık rotor hızına ulaşmak sorun değildir. Rotor bu hızla dönen, iki kutuplu bir elektromıknatıstır. Sistemin bu denli yalın olması verimi yükseltirken üretim masraflarını da azaltır. Sert çelikten yapılan robotun üzerinde, mıknatıslayıcı tel bobinlerin ve bunları soğutan hidrojen borularının geçmesi için oyuklar bulunur.Eğer daha yavaş olan hidroelektrik santralı türbinlerde olduğu gibi bu hıza ulaşmak sorun yaratıyorsa, kutupların sayısı artırılır.
Aynı çıkış frekansı için, dört kutup, hızın 1500/dakikaya, sekiz kutup ise, 750 devir/dakikaya düşürülmesine olanak sağlar. Bu hızlarda rotorun ağırlığı da o kadar önemli değildir. Bu yüzden bu tür alternatörlerin rotorları, soğutmayı kolaylaştırmak için, çapları daha büyük, boyları daha kısa olacak biçimde yapılır. Eskisiyle aynı voltajı elde etmek için, her stator bobinindeki sarımların sayısı iki ya da dört katına çıkartılır. İki tür rotoru da mıknatıslamak için gereken güç dışarıdan, bir başka makina ile sağlanır.Bu uyarıcı, çoğunlukla aynı şaft üzerinde yer alır ve alternatörün rotoru ile aynı hızla döner.
Uyarıcı ya doğru akım üretir ya da alternatif akım verir; alternatif akım, doğru akıma çevrilmek için bir doğrultucudan geçirilir. İki durumda da bu akım, alternatörün rotoruna, bilezikler üzerinde kayan kömürlerle aktarılır.
Küçük alternatörlerin rotorları, büyük güç gerektirmedikleri için (çoğunlukla statorda üretilen gücün %2si kadar) uyarım, bunlarda önemli bir sorun yaratmaz. Ancak, 1 000 megawatta kadar güç verebilen büyük alternatörlerde %2 bile, kömür ve bilezikten geçirilemeyecek kadar yüksek bir değerdir.
Bu yüzden alternatif akım uyarımlı büyük alternatörlerde rotor elektrik üretici, stator ise mıknatıslayıcı olarak yapılır. Böylece güç, bileziklere gerek kalmaksızın şaft üzerinden doğrudan doğruya asıl alternatörlere iletilir. Bu durumda şaftın içine bir doğrultucu konulması gerekir. Dış kaynaklardan tümüyle yalıtılması için, uyarıcı alanını oluşturan doğru akım, bazen daha küçük, sürekli mıknatıslı bir jenaratörden sağlanır.
Santrallarda kullanılan alternatörler, 500 ile 1 000 megawatt kadar çıktı gücüne birkaç bin voltluk potansiyel farkı verebilirler. Çıktı akımı her zaman, üç fazlı alternatif akımdır.Bunu sağlamak için stator bobinleri aygıtın çevresine, her bobin arasında 1/3 çevrimlik zaman farkı olan, üç ayrı çıktı verecek biçimde yerleştirilir.
Gücün üç faz ile iletimi, tek fazlı iletimden daha ucuzdur ve bu yolla endüstride kullanılan alternatif akım motorları doğrudan doğruya çalıştırılabilirler. Öte yandan, birkaç yüz wattlık güç üreten alternatörler artık, otomobillerde ve ticari araçlarda kullanım alanı bulmaktadır. Alternatörlerde, dinamolardaki parçalı komütatörler yerine yalın bilezikler bulunduğundan, çok daha yüksek hızla döndürülüp rölanti devrinde bile yüksek şarj akımları vermeleri sağlanabilir. Aynı zamanda güç, rotor yerine statorda üretildiğinden, aynı güç çıkıntısı için daha küçük ve hafif yapılabilirler.
