Elektrik makinaları modern günlük hayatta ve sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makinaların yaygın kullanılmasının sebebi elektrik makinalarının verimli, kontrolü kolay ve temiz bir enerji kaynağı olmasıdır (örneğin elektrik motorları içten yanmalı motorlar gibi yakıt ihtiyacı duymazlar ve çevreye zarar verecek atık vs. üretmezler). Sanayide çok güçlü elektrik makinalarının (motorlar ve generatörler) kullanılmasına karşın evlerde buzdolapları, elektrik süpürgeleri, blendırlar, vantilatörler vs. gibi aletlerde küçük güçlü motorlar da kullanılmaktadır. Tüm bu bahsedilen makinaların ve diğer evsel ve sanayisel güçlerin sağlanması için ise generatörlerin ürettikleri güçlere ihtiyacımız vardır.
Elektrik makinalarının çalışması temel olarak manyetik alan hareketine bağlı
enerji dönüşümüne dayanır. Bu manyetik alanı kullanarak enerji dönüşümü
yapan elektrik makinaları 3’e ayrılırlar;
● Transformatörler – Giriş ve çıkış elektrik enerjisidir, giriş ve çıkış gücü sabittir, gerilim seviyesini düşürmek veya yükseltmek amacıyla kullanılırlar.
● Motorlar – Elektrik enerjisi girer ve çıkış olarak milde mekanik enerji üretirler.
● Generatörler – Miline mekanik enerji uygulanır, çıkışında elektrik enerjisi üretirler.
Yukarıda elektrik makinalarını çok kısa olarak özetledim. Yazının devamında teknik detaya ve bilgilere girmeden elektrik makinaları ve özellikleri hakkında genel bilgiler vereceğim. Bu arada elektrik makinaları konusu üniversitelerde Elektrik Mühendisliği bölümleri için genellikle 5. ve 6. yarıyıllarda Elektrik Makinaları I ve II olarak, bunlara ek Elektrik Makinaları Laboratuvarı dersinde de pratik olarak öğretilmektedir.
Yazıda transformatörler, senkron motor ve generatorler, asenkron motorlar, doğru akım makinaları ve birkaç özel makinadan bahsedilecektir. Şimdi transformatörler ile başlayalım.
Transformatörler
Transformatörler değişken bir manyetik alan etkisi ile gerilim seviyesini dönüştüren (artıran veya azaltan), alternatif akım(yani zamana göre değişen) ve gerilimle çalışan aletlerdir.
Yukarıda orta güçte bir transformatör ve iç yapısı (sargılar) gösterilmiştir. Transformatörler ortak bir çekirdeğe (nüve) ve çekirdek üzerine iki veya daha fazla sarılmış olan bobinlere (sargılara) sahiptir. Burada nüvenin ferromanyetik yani manyetik olarak iletken olması gerekir. Aslında manyetik olarak çalışan elektrik makinalarının çalışmasında bu durum ortaktır; ferromanyetik bir nüve ve sargılar. Burada bobinler arasında elektriksel bir bağlantı, yani birbirleri arasında elektriksel iletkenlik yoktur, birbirleri ile temas etmezler.
Burada ise çekirdek dediğimiz kısmın basit olarak gösterilişi yer almakta. Bir nüve etrafına bobin sardığımızda ve alternatif gerilim uygulandığında bobinden bir akım geçer, sarım sayısı ve akıma göre bir kuvvet indüklenir, bu kuvvet akı üretir ve yeşil kısımda gösterildiği gibi manyetik çekirdek içinde bir akı akar (tıpkı akım gibi), bu olayların diğer sargıda tersine dönmesi ile de bobin uçlarında gerilim endüklenir. Transformatörlerin iki ucu primer ve sekonder olarak adlandırılır, primer transformatörün beslendiği, sekonder ise bir yükü beslediği kısımdır. Ferromanyetik çekirdek akının dağılmasını engeller ve üzerinde toplarnmasını sağlar.
Transformatörler elektrik sistemlerinde dağıtım ve iletim alanlarında büyük rol oynarlar. Elektriğin üretildiği santrallerde gerilim düşük, akım daha yüksektir. Akım yüksek iken elektriği başka yerlere iletmek mümkündür fakat hatta oluşacak kayıplar akımın karesi ile orantılı olduğu için fazla olacaktır ki bu istenmeyen bir durumdur. Bunun yerine gerilim, transformatörlerle yükseltilir ve akım düşürülür (V=I*R den,gerilim yükseltilirse akım düşer), elektrik enerjisi bu şekilde yüksek gerilim hatları ile başka trafo merkezlerine iletilir (elektrik iletimi). Artık elektrik enerjisi istenen gerilim seviyesine düşürülüp tekrar akım yükseltilerek orta gerilimde dağıtılır (elektrik dağıtımı) ve tekrar düşürülerek alçak gerilimde son kullanıcılara (ev,fabrika vs.) ulaştırılır.
Alternatif Akım Makinaları
Alternatif akım makinaları, mekanik enerjiyi AA elektrik enerjisine dönüştüren generatörler ve AA elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren motorlardan oluşmaktadır.
Bir elektrik motoru veya generatörünü inceleyecek olursak;
Rotor; Makinanın dönen kısmı, Stator; Makinanın sabit duran kısmıdır. Burada tıpkı trafoda bahsettiğimiz gibi stator kısmında nüveye sargılar sarılmıştır. Eğer bir makinanın rotoru döndürülürse sargı uçlarında bir gerilim oluşur (generator çalışma), sargı uçlarına bir gerilim verilirse rotoru dönmeye başlar (motor çalışma). Bu makinaların trafodan tek farkı rotor ve stator arasındaki hava aralığıdır ki bu aralık makinanın dönmesini sağlar.
Bu makinaların çalışmasını gözümüzde daha iyi canlandırmak için düzgün manyetik alanda dönen iletken çerçeve modelini kullanabiliriz.
Burada manyetik alanı oluşturan kısım mıknatıstır (N kutbundan S ye doğru). Bu mıknatısı stator yani duran kısım olarak, iç kısmındaki iletken çerçeveyi de rotor yani dönen kısım olarak kabul edebiliriz. Bu iletken çerçevenin uçlarına gösterildiği gibi bir gerilim uygularsak çerçeve dönmeye başlayacaktır, eğer çerçeveyi döndürürsek uçlarında gerilim üretecektir.
Bu bilgileri verdikten sonra AA makinalarının çeşitlerine gelelim. AA makinaları 2 gruba ayrılırlar;
- Senkron Makinalar
- Asenkron Makinalar
1)Senkron Makinalar: Senkron Makinalar frekans ve kutup sayısı ile orantılı olarak sabit bir hızda (senkron hız) döndüğü için bu ismi almıştır, senkron generatör ve motor olarak ikiye ayrılırlar.
Senkron Generator: Senkron Generatörler elektrik enerjisinin üretiminde kullanılan büyük güçlü makinalardır, örneğin barajlarda su ile milinin dönmesi sağlanır ve elektrik enerjisi üretilir. Çıkık ve yuvarlak kutuplu (rotorlu) olarak ikiye ayrılırlar.
Şekil – 5′ deki makina yuvarlak kutuplu, Şekil – 6′ daki ise çıkık kutupludur. Çıkık kutuplu olanlar daha yavaş döner ve zemine ekseni dik olacak şekilde kullanılırlar, yuvarlak kutuplu olanlar ise daha hızlı dönebilirler ve eksenleri zemine paralel olacak şekilde yerleştirilirler.
Senkron Motor: Bu motorlarda, motorun milindeki yük değişmesine rağmen dönme hızı değişmemektedir.Yine generatorde bahsettiğimiz gibi devir sayısı ancak kaynak frekansı ve kutup sayısına bağlıdır, aksi halde sabittir, yapı olarak senkron generatorlerden bir farkları yoktur.
2)Asenkron Makinalar: Bu makinaları senkron makinalardan ayıran özellik dönme hızlarının sabit olmayışıdır, bu yüzden asekron makina adını alırlar (statordaki manyetik alan hızı ile rotordaki manyetik alan hızı farklıdır). Asenkron makinalar hem motor hem de generatör olarak kullanılabilen makinalardır, fakat generatör olarak kullanıldıklarında dezavantajları vardır, bu yüzden genellikle asenkron motor olarak kullanılırlar, bu yüzden asenkron motorlardan bahsedeceğiz.
Asenkron Motor: Asenkron motorların stator yapısı senkron motorlarla aynı fakat rotor yapısı farklıdır, bu rotor yapısına göre de bilezikli ve kafes rotor olarak 2 çeşidi vardır.
Bilezikli asenkron motorda rotor sargıları bileziklere bağlıdır ve görüldüğü gibi mile dışarı alınmıştır, rotor sargıları bu bileziklerle kısa devre edilen fırçalarla bağlanmıştır.
Kafesli asenkron motorda ise rotor kısmı sincap, hamster vs. içerisinde koştuğu kafes şeklindeki tekerlere benzediği için bu ismi almıştır, bu yüzden sincap kafesli motorlar da denmektedir. Bilezikli asenkron motorlar fırça-bilezik sistemi içerdiğinden dolayı daha fazla bakım gerektirirler, bu yüzden kafes yapılı olanlara göre daha pahalıdırlar. Sonuç olarak bilezikli asenkron motorlar kafesli olana göre daha az kullanılırlar. Asenkron makinaların bir fazlı ve üç fazlı olanları bulunmaktadır. Bir fazlı olanlar küçük güçte genellikle evlerdeki elektrik aletlerinin motorları olarak görev yaparlar. Üç fazlı olanlar daha büyük güçlü ve sanayide, iş makinalarında kullanılırlar ve oldukça yaygın bir kullanım alanına sahiptirler.
Doğru Akım Makinaları
Doğru Akım Makinaları doğru akım elektrik enerjisini mekanik enerjiye (motor) veya mekanik enerjiyi doğru akım elektrik enerjisine (generator) çeviren makinalardır. Bu makinaların uçlarında AA gerilimi DA akımına dönüştüren mekanizma vardır (komütatör), bu sayede bir DA çıkışa sahiptirler. Bu çalışma şekli ile DA makinaları AA gerilim ve akımına sahip AA makinalara benzerler. Çalışma şeklini yine iletken çerçeve modeli ile açıklayabiliriz;
Burada farklı olarak kutup alanları eğimli yapılmıştır, böylece rotor ve stator arasında sabit genişlikli hava aralığı sağlanmıştır. Boşluğun manyetik geçirgenliği nüvenin geçirgenliğinden azdır, bu yüzden boşluk olabildiğince minimize edilmiştir.
Şekilde DA makinasının yapısı gösterilmiştir.
Burada kollektör ve fırça yapıları ile DA gerilimi elde edilir. Alternatif akım ve gerilimde akım ve gerilim kabaca hem pozitif kısımda hem negatif kısımda zamanla sürekli değişir. Doğru akımda veya gerilimde ise zamanla yön değişimi olmaz hep aynı alternansta kalır.
DA motorları için konuşacak olursak, hareketleri düzgün ve güçlüdür,hız değişimlerine ve ani yük değişimlerine verdiği cevap çok iyidir. Sık durup çalışacak, ani frenleme gerekecek ve hassas hız ayarları yapılacak uygulamalarda tercih edilirler, kollektör ve fırça düzeneğinin bulunması eksi yönlerindendir. Otomobil sanayisinde,elektrikli araçlarda (teleferik, tramvay gibi) oldukça yaygın kullanılırlar.
Servo Motorlar
Servo motorlar pozisyon ve hız kontrolünün yaygın olduğu uygulamalarda geri bildirim elemanları (tako generator veya kodlayıcı) ile beraber kullanılırlar, böylece sürekli kontrol edilerek kullanılabilirler. Robotik sistemlerde çok tercih edilirler. AC ve DC servo motorları bulunmaktadır. Otomasyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılırlar.
Step (Adım) Motorları
Step Motorlar düzenli tekrar eden, kontrol edilebilen hareket ve pozisyon ayarlama gerektiren uygulamalarda hatasız çalışan makinalardır. Dijital girişlerle sürücüler ve PLC’lerle rahatlıkla kontrol edilirler. Otomasyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılırlar.
Universal Motorlar
Bu motorların özel yapısı sayesinde hem AA hem de DA da çalışırlar, yapıları DA motorlarına benzer. Bu motor türünde de kollektör ve fırça parçaları bulunmaktadır. Kollektör sayesinde rotor sargılarına doğru gerilim uygulanır. Devir sayıları yüksektir ve yüke göre değişmektedir. Bu motorların devir sayıları yüksek olduğu için vantilatör, çamaşır makineleri, elektrik süpürgeleri, saç kurutma makineleri gibi aletlerde kullanılmaktadırlar.
Daha birçok farklı uygulama alanlarında küçük güçlü özel elektrik makinaları bulunmaktadır, fakat burada en çok kullanılan elektrik makinalarına değinmeye çalıştım. Bu makinaların teknik olarak birçok özellikleri bulunmakta ve bu alanda çalışan mühendisler tarafından daha detaylıca bilinmektedir. Örneğin yüksek güçlü makinalarda kayıplar, yol verme, hız, moment, yüke göre değişimler, uyarma akımları, makinanın rotor ve statorunda yapılan değişikliklere göre ayrı özellikler kazanması ve hesapların değişmesi, gerilime, akıma olan etkileri, kısa devre anında davranışları, frekansın, gerilimin kontrolü ve sayamayacağım birçok konu mühendislikte yapılan hesaplamalar ve tüm bu bilgiler ile çalışılmaktadır.
Elektrik Mühendisliği için konuşacak olursam, mezun olunduğunda bu tarz büyük, orta veya küçük güçlü makinaların üretiminde (test aşamaları, tasarım, hesaplamalar), sanayide bir fabrikada üretim mühendisi olarak çalışıldığında bu makinaların kullanımlarında, bakım-onarım mühendisi olarak, elektrik enerjisinin üretiminde barajlarda vs., bu makinaları üreten firmalarda teknik satışçı olarak, makina ve gerekli koruma, anahtarlama ekipmanlarının seçilmesi gereken proje çizimlerinde, kısacası elektrik makinalarının olduğu her yerde, bu alanla ilgilenen Elektrik Mühendisleri çalışmaktadır. Geleceğe yönelik planlama yapacak olan öğrenci arkadaşlarım için de çalışma alanlarından kısaca bahsederek konunun sonuna geliyorum. İleride daha teknik ve detaylı konularda görüşmek üzere…