Alternatör

1909 yılında yapılmış Ganz Works tarafından Rusya'daki bir hidroelektrik santralinin elektrik üretim salonundaki alternatörler (Prokudin-Gorsky'nin 1911'de çektiği fotoğraf).^[1]

Alternatör, mekanik enerjiyi alternatif akım biçiminde elektrik enerjisine dönüştüren bir elektrik jeneratörüdür.^[2] Maliyet ve basitlik nedenleriyle, çoğu alternatör sabit armatürle dönen manyetik alan kullanır.^[3] Bazen, sabit bir manyetik alanlı doğrusal bir alternatör veya dönen bir armatür kullanılır. Prensipte, herhangi bir AC elektrik jeneratörüne alternatör denebilir, ancak genellikle terim otomotiv ve diğer içten yanmalı motorlar tarafından tahrik edilen küçük dönen makineleri ifade eder.

1998 Model bir Toyota Corolla'nın şarj dinamosu (Alternatör+Konjektör)

Tarihçe

Alternatif akımın ilk sanayide kullanımı olarak kabul edilen 1891'de, işçiler Ames Hidroelektrik Üretim Santrali'nde bir Westinghouse alternatörüyle poz veriyorlar. Bu makine 3.000 volt, 133 Hertz, tek fazlı AC üreten bir jeneratör olarak kullanılıyordu ve 3 mil (7,6×10^-8 km) uzaklıktaki aynı makine AC motoru olarak kullanılıyordu.^[4][5][6]

Alternatif akım üreten sistemler, 1830'larda elektrik akımının manyetik indüksiyonunun keşfinden itibaren basit formlarda biliniyordu. Dönen jeneratörler doğal olarak alternatif akım üretiyordu, ancak bunun için çok az kullanım alanı olduğundan, normalde jeneratöre bir komütatör eklenerek doğru akıma dönüştürülüyordu.^[7]

İlk makineler Michael Faraday ve Hippolyte Pixii gibi öncüler tarafından geliştirildi. Faraday, işlemi, her aktif iletken, manyetik alanın zıt yönlerde olduğu bölgelerden ardışık olarak geçtiği heteropolar "dönen dikdörtgeni" geliştirdi.^[8]

Lord Kelvin ve Sebastian Ferranti de 100 ila 300 Hz arasında frekanslar üreten ilk alternatörleri geliştirdiler.[url=https://www.reliablebusinessarena.com/traction-alternators-r857616]

1870'lerin sonlarında, tüm sokakları, fabrika bahçelerini veya büyük depoların içini aydınlatmak için kullanılan ark lambalarına elektrik vermek için merkezi elektrik üretim istasyonlarına sahip ilk büyük ölçekli elektrik sistemleri yapıldı. Bazıları, 1878'de tanıtılan Yablochkov ark lambaları gibi, alternatif akımda daha iyi çalıştı ve bu ilk AC üretim sistemlerinin geliştirilmesine "alternatör" kelimesinin ilk kullanımı da eşlik etti.^[7][9] Bu eski sistemlerde üretim istasyonlarından uygun miktarda voltaj sağlamak, mühendisin "yükü sürme" becerisine bırakılmıştı.^[10]

1883'te Ganz Works, gerçek yükün değerinden bağımsız olarak belirtilen bir çıkış voltajı üretebilen sabit voltaj jeneratörünü^[11] icat etti.^[12]

1880'lerin ortalarında transformatörlerin piyasaya çıkması, alternatif akımın yaygın olarak kullanılmasına ve bunu üretmek için gereken alternatörlerin kullanımına yol açtı.^[13]

1891'den sonra çok fazlı alternatörler, birden fazla farklı fazın akımlarını sağlamak için piyasaya çıktı.^[14] Daha sonraki alternatörler, ark aydınlatması, akkor aydınlatma ve elektrik motorları ile kullanım için on altı ile yaklaşık yüz Hertz arasındaki çeşitli alternatif akım frekansları için tasarlandı.^[15]

Alexanderson alternatörü gibi özel radyo frekansı alternatörleri, 1. Dünya Savaşı sırasında uzun dalga radyo vericileri olarak geliştirildi ve vakum tüplü vericiler bunların yerini alana kadar birkaç yüksek güçlü kablosuz telgraf istasyonunda kullanıldı.

Çalışma prensibi

Dönen manyetik çekirdek (rotor) ve sabit telden (stator) oluşan basit bir alternatörün diyagramı, aynı zamanda rotorun dönen manyetik alanı tarafından statorda indüklenen akımı da göstermektedir.

Manyetik alana göre hareket eden bir iletken, içinde bir elektromotor kuvveti (EMF) oluşturur (Faraday Yasası). Bu EMF, zıt kutuplu manyetik kutupların altında hareket ettiğinde polaritesini tersine çevirir. Tipik olarak, rotor denilen dönen bir mıknatıs, demir bir çekirdek üzerine bobinler halinde sarılmış stator adlı sabit bir iletken seti içinde döner. Mekanik enerjinin rotoru döndürmesiyle iletkenler etrafındaki manyetik alan değişir bu alan iletkenleri keserek indüklenen bir EMF (elektromotor kuvveti) üretir ve elektrik akımı üretilmiş olur. Dönen manyetik alan stator sargılarında AC voltaj oluşturur. Stator sargılarındaki akımlar rotorun konumuna göre değiştiğinden, alternatör senkron bir jeneratördür.^[3]

Sabit mıknatıslı makineler, rotordaki mıknatıslama akımından kaynaklanan kayıptan kaçınır, ancak mıknatısın maliyeti nedeniyle boyutları sınırlıdır. Kalıcı mıknatıs alanı sabit olduğundan, terminal voltajı jeneratörün hızıyla doğrudan değişir.

Rotorun manyetik alanı kalıcı mıknatıslar veya bir alan bobini elektromıknatısı tarafından üretilebilir. Rotorun manyetik alanı indüksiyonla (fırçasız jeneratörlerde), mıknatıslarla (genellikle çok ufak makinalarda) veya fırçalar yardımıyla aktarılacak bir akım ile elde edilebilir.

Otomotiv alternatörleri, alternatörün ürettiği voltajın rotor alan sargısındaki akımı değiştirerek kontrol edilmesini sağlayan rotor sargısı kullanır. Otomobillerde kullanılan alternatörlerde rotordaki manyetik alan her zaman fırçalar ile aktarılan akımla oluşturulur. Böylece rotordaki akım kontrol edilerek alternatörün oluşturduğu voltajın kontrol edilebilmesi sağlanır.

Mıknatıslı alternatör ayrıca rotora akım vermek zorunda olmadığından daha verimlidir fakat mıknatısın maliyeti dolayısıyla büyüklükleri sınırlıdır. Mıknatısın manyetik alanı sabit olduğundan üretilen voltaj devirle birlikte artar.

Fırçasız AC jeneratörler genellikle otomotiv uygulamalarında kullanılanlardan daha büyüktür. Fırçasız alternatörlerde alternatör çalışma prensibine göre ana ve ikaz sistemi olarak ikiye ayrılabilir. Ana sistemin hareketli kısmı olan ana rotor devir sayısına göre değişen sayıda kutuplardan oluşur. Rotordaki ana kutuplar çevirici makinanın devrinde döndürülür. Kutuplarda manyetik akının oluşması için doğru akım gereklidir. Ana kutuplara doğru akım ikaz sistemi tarafından verilir. İkaz sisteminin çalışma prensibi ana sistemle aynı olmakla beraber kutup ve sargılar ters çevrilmiştir. Yani, ikaz sisteminde kutuplar hareketsiz olan ikaz statoru üzerinde, sargılar ise dönen ikaz rotoru üzerinde bulunur. Ana statordaki bağımsız yardımcı sargılardan geçen akım voltaj regülatörü de doğrultularak, ikaz statorundaki kutup sargılarına verilir. Kutuplardan çıkan manyetik akıyı kesen ikaz rotoru üzerindeki bobinlerde üç faz alternatif akım oluşur. Alternatif akım, rotordaki döner köprü diyotlarda doğrultularak ana rotora(ana kutuplara) doğru akım olarak aktarılır. Fırçasız alternatörlere yük uygulandığında, voltaj düşümü önlemek ve voltajı istenilen seviyede tutmak için voltaj regülatörü kullanılır.

Otomatik voltaj kontrol cihazı, çıkış voltajını sabit tutmak için alan akımını kontrol eder. Sabit armatür bobinlerinden gelen çıkış voltajı talepteki artış nedeniyle düşerse, voltaj regülatörü (VR) aracılığıyla döner alan bobinlerine daha fazla akım beslenir. Bu, alan bobinleri etrafındaki manyetik alanı artırır ve armatür bobinlerinde daha yüksek bir voltaj oluşturur. Böylece, çıkış voltajı asıl değerine geri getirilir.

Merkezi elektrik santrallerinde kullanılan alternatörler ayrıca reaktif gücü düzenlemek ve güç sistemini anlık arızaların etkilerine karşı dengelemeye yardımcı olmak için alan akımını kontrol eder. Genellikle, dönen manyetik alanın birbirine göre üçte bir periyot kaydırılmış üç fazlı akım üretmesi için fiziksel olarak ofsetlenmiş üç grup stator sargısı vardır.^[16]

Senkron hızlar

Bir çift alan kutbu sabit sargıdaki bir noktanın üzerinden geçtiğinde her seferinde bir alternatif akım çevrimi üretilir. Hız ve frekans arasındaki ilişki ${\displaystyle N=120f/P}$'dir, burada ${\displaystyle f}$ Hz cinsinden frekanstır (saniye başına döngü). ${\displaystyle P}$ kutup sayısıdır (2, 4, 6, …) ve ${\displaystyle N}$ dakikadaki devir sayısı (r/dak) cinsinden dönüş hızıdır.

Alternatif akım sistemlerinin eski tanımları bazen frekansı dakikadaki dönüşümler cinsinden verir ve her yarım çevrimi bir dönüşüm olarak sayar; dolayısıyla dakikada 12.000 dönüşüm 100 Hz'e karşılık gelir.

Bir alternatörün çıkış frekansı kutup sayısına ve dönüş hızına bağlıdır. Belirli bir frekansa karşılık gelen hıza senkron hız denir. Bu tablo^[17] aşağıdaki bazı örnekleri verir:

Kutuplar	Dönme hızı (devir/dakika)
	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

Kısımları

Rotor

Rotor, çekirdekleri (manyetik kutuplar) bir manyetik alan bobini (rotor) kayar bilezikler ve bir rotor milinden meydana gelmiştir.

Stator

Stator, stator çekirdekleri ve stator bobinlerinden meydana gelmiştir ve ön ve arka kapaklara tutturulmuştur. Stator çekirdeği, çelik kaplanmış ince plakalardan meydana gelir.

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.

Endüstriyel alternatörler

Bir çevirici makina tarafından çevrilen hareket enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren elektrik makinasıdır. Alternatörler alternatif akım üreteçleridir. Genellikle elektrik enerjisinin şebekeden sağlanamadığı yerlerde kullanılır. Alternatör su türbinleri, rüzgâr, dizel motor gibi çeşitli çeviricilerle kullanılabilir. Elektrik ihtiyacı olan çoğu yerde şebeke yedeği olarak yaygın olarak dizel motor ile tahrik edilen alternatörler kullanılır. Dizel motor ile tahrik edilen alternatörler genelde 1500 devir/dakika hıza sahiptirler. 30 kVA'dan küçük güçlerde 3000 d/d hızlı alternatörlere de rastlanır. Su türbini ile çalışan alternatörler ise 750 veya 1000 d/d gibi düşük devirli alternatörlerdir.

Günümüzde fırçalı alternatörler yerini daha modern ve bakım gerektirmeyen voltajın elektronik voltaj regülatörü ile sabitlendiği alternatörlere bırakmıştır. Fırçasız alternatörlerde döner kutuplar rotordadır, döner kutuplar ana rotor olarak da adlandırılırlar. Mil üzerinde ana rotorla beraber ikaz statoru sargıları ve döner diyotlar bulunur. İkaz rotorunda endüklenen üç fazlı gerilim diyotlarda doğrultularak ana rotora verilir.

İkaz statorunda ise sabit kutuplar vardır. Otomatik voltaj regülatörü ile ikaz statoruna verilen akım kontrol edilir. Bu sayede ana rotoru besleyen ikaz rotoru kontrol edilmiş olur. Voltaj regülatörü alternatör tarafından üretilen gerilimi kontrol eder. Alternatör çıkış gerilim istenilen değerin altında ise regülatör ikaz statoruna daha fazla akım basarak ana rotor ürettiği manyetik alan şiddetini arttırarak ana klemensteki voltajı sabit tutmaya çalışır.

Voltaj regülatörü ikaz statorunu beslemek için gerekli enerjiyi stator sargılarından veya stator sargılarından bağımsız yerleştirilen yardımcı sargılardan alır. Alternatörlerdeki voltaj regülatörleri enerjisini yardımcı sargılardan alması ani yüklemelerde voltajın çökmesini önler ve alternatör voltajının daha stabil olmasını sağlar. Yardımcı sargılı alternatörler ani yüklemelerde nominal yükün %150 si kadar yükü kaldırabilir. Aynı zamanda yardımcı sargı kullanılması halinde kısa devre akımı nominal akımın 3 katına kadar çıkabilir. Yardımcı sargısı olmayan alternatörlerde ise elektrik motoru start akımları gibi ani yüklerde voltaj çöker ve yük kalkmadan alternatör voltajı istenilen değere kaldıramaz.

Voltaj regülatörü fazları ölçerek voltajı sabit tutar. Voltaj regülatörünün en etkin şekilde çalışması için regülatörün 3 fazın kontrolünü yaparak voltaj ayarı yapmalıdır. Sadece tek faza bağlı voltaj regülatörlerinde diğer fazlardaki artış veya dengesiz yük hissedilemez.

Bir alternatörün gücü iki şekilde ifade edilir.

1. Devamlı güç: Alternatörün tam yükte, devamlı, kesintisiz çalışmaya müsait olması
2. Standby güç: Alternatörün belli bir sure çalıştırıldıktan sonra dinlendirilerek soğumaya bırakılması, soğuyan alternatörün tekrar çalıştırılması ile elde edilen güç. Standby güç devamlı gücün yaklaşık 1.1 katıdır.

Örnek olarak; Devamlı gücü 100 kVA olan alternatörün standby gücü 110 kVA olarak ifade edilir. Piyasada genelde Standby güç verilir.

Alternatörün güç tespiti yapılırken alternatör sargılarının nominal yükte tamamen ısınana kadar çalıştırılması gerekir. Alternatörün phi=0.8 yükte tamamen ısınması için en az dört saat çalıştırılmalıdır. Bir alternatör yarım saat %150 yükte çalıştırılabilir. Yani 100 kVA lık bir alternatör 150 kVA'lık yük ile yarım saat çalıştırılması alternatörün 150 kVA olacağı anlamına gelmez. Yarım saatten fazla çalıştığında alternatör çok fazla ısınacak veya sargıları yanacaktır. Alternatörün gerçek gücü en sıcak olduğu durumda yani en az dört saat çalıştıktan sonra kendini gösterir.

Otomobil alternatörleri

Otomobillerde kullanılan alternatörler aracın motoru çalışıyorken aküyü şarj eder ve diğer tüm elektrik sistemlerine enerji sağlar. Alternatörler, doğru akım elde etmek için gereken çeviriciye sahip olmadıklarından doğru akım üreteçlerine göre daha basit, hafif ve dayanıklıdırlar. Bu dayanaklıkları sayesinde daha yüksek hızlarda çalışabilirler, böylece otomobillerdeki altenatörler motor hızının iki katı hızda dönebilir, bu da alternatörün rölantideki çıkış gücünü artırır. 1960'lardan sonra yarı iletken diyotların ucuza bulunabilmesi ile birlikte otomobil üreticileri doğru akım üreteçleri yerine alternatörleri kullanmaya başladılar. Otomobil alternatörleri alternatif akımı doğru akıma çevirmek için akım düzelticileri kullanırlar. Dalgalanmaları düşük seviyede tutmak için otomobil alternatörlerinde 3 fazlı sargı kullanılmaktadır.

Kaynakça

1. "Abraham Ganz at the Hindukush". Poemas del río Wang. Studiolum. 11 Şubat 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 30 Eylül 2015. 
2. Aylmer-Small, Sidney (1908). "Lesson 28: Alternators". Electrical railroading; or, Electricity as applied to railroad transportation. Chicago: Frederick J. Drake & Co. ss. 456-463. 
3. ^ Gordon R. Selmon, Magnetoelectric Devices, John Wiley and Sons, 1966 no ISBN pp. 391-393
4. "D. M. Mattox, The Foundations of Vacuum Coating Technology, page 39". 16 Eylül 2024 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 16 Eylül 2024. 
5. "Charles C. Britton, An Early Electric Power Facility in Colorado" (PDF). Colorado Magazine. 49 (3). Yaz 1972. s. 185. 28 Temmuz 2016 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Ağustos 2016. 
6. "Milestones:Ames Hydroelectric Generating Plant, 1891". IEEE Global History Network. IEEE. 6 Mart 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 29 Temmuz 2011. 
7. ^ Christopher Cooper, The Truth about Tesla: The Myth of the Lone Genius in the History of Innovation, Quarto Publishing Group USA – 2015, page 93
8. Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. p. 7.
9. Jill Jonnes, Empires of Light: Edison, Tesla, Westinghouse, And The Race To Electrify The World, Random House – 2004, page 47
10. Donald Scott McPartland, Almost Edison: How William Sawyer and Others Lost the Race to Electrification, ProQuest – 2006, page 135
11. American Society for Engineering Education (1995). Proceedings, Part 2. s. 1848. 
12. Robert L. Libbey (1991). A Handbook of Circuit Math for Technical Engineers. CRC Press. s. 22. ISBN 9780849374005. 
13. Thompson, Sylvanus P. "Milestones:Alternating Current Electrification, 1886". IEEE Global History Network. 6 Mart 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Eylül 2013. 
14. Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pp. 17
15. Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pp. 16
16. B. M. Weedy. Electric Power Systems Second Edition, John Wiley and Sons, 1972, 0 471 92445 8, p. 141
17. The Electrical Year Book 1937, published by Emmott & Co. Ltd., Manchester, England, page 72