Ünite 1: Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler

Elektrik bir enerji formudur ve kömür, petrol, doğalgaz gibi fosil kaynaklı yakıtlar, nükleer enerji veya su ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak elde edilir.

Elektrik enerjisinin üretiminin temelinde mekanik enerjinin elektrik üretim santrallerinde bulunan jeneratörler tarafından elektrik enerjisine dönüşümü yatmaktadır.

Bu ünitede öncelikle elektrik enerjisinin özelliklerinden bahsedilecek, sonrasında elektrik enerjisinin nasıl üretildiği ve evimizde kullanabildiğimiz biçime nasıl dönüştürüldüğü anlatılacaktır.

Elektrik Enerjisi

Elektrik enerjisi; mekanik, ısı, ışık ve kimyasal enerji gibi enerji türlerinden biri olmakla birlikte yenilenebilir olmayan(kömür, petrol, doğal gaz, nükleer) ya da yenilenebilir(güneş, su, rüzgar, jeotermal, biyokütle) enerji türlerinden elde edilmektedir.

Elektrik Enerjisinin Özellikleri arasında, diğer enerji türlerine dönüşmesinin kolaylığı, toplumların ekonomik, sosyal ve kültürel yönlerden kalkınmasını sağlayan en önemli güç olması, özellikle kullanılmakta olduğu motorların diğer teknolojideki motorlara nazaran daha küçük ve verimli olması, diğer enerji türlerine göre taşınmasının ve kullanılmasının daha kolay olması, diğer enerji türlerine dönüştürülüp depo edilebilen fakat kendi formunda depo edilememesi yer almaktadır.

Elektrik santrali adı verilen tesislerde üretilen elektrik enerjisi, doğru akım ve alternatif akım olmak üzere iki biçimde üretilir. Günümüzde kullanılan elektrik enerjisinin büyük bölümü, alternatif akım üreten jeneratörlerden yüksek gerilim elde etmenin ve yine bu biçimde gerilimi daha da yükseltmenin mümkün olması sebebiyle alternatif akım olarak üretilmektedir ve iletimi de bu sebeple alternatif akım biçiminde olmaktadır.

Elektrik üretim santrallerinin genel olarak yerleşim yerlerinden uzak olması sebebiyle elektrik enerjisinin havadan ve yeraltından yerleşim yerlerine iletilmesi ve dağıtılması gerekmektedir.

Elektrik Enerjisi tüketimi ni hesaplamak için elektrik dağıtım şirketleri tarafından kullanılan enerji birimi kilowatt-saat(kWh)’tir. 1 kWh, 1 kW elektrik gücünün bir saat boyunca harcanmasına karşılık gelen elektrik enerjisi miktarıdır.

Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi

Elektrik kelimesi M.Ö 600 yıllarında elektron anlamına gelen kehribarın yünlü malzemelerle sürtülmesi sonucu elektrik yüklenmesi ile elektron kelimesinin kullanılması sonucu buradan türetilmiştir.

Elektriğin oluşumunda ve iletiminde maddenin yapıtaşı olan atomun içerisindeki elektron büyük rol oynar ve maddenin pozitif yüklenmesi elektronunu kaybetmiş olması anlamına gelirken negatif yüklenmesi elektron aldığı anlamına gelmektedir, yani kısacası madde içerisinde hareket eden kısım elektrondur.

Buna günlük hayattan, ayağımızı halıya sürüdükten sonra ve kuru havada saçımıza balon veya tarak sürdüğümüzde gerçekleşenleri örnek verebiliriz.

Yukarıda verilen örneklerde dış etki yardımıyla maddeden elektron koparılmış veya elektron verilmiştir ve bu dış etkiler; ısı, basınç, sürtünme, ışık, manyetizma ve kimyasal etkilerden biri olabilir.

Sürtünme ile elde edilen elektrik enerjisi statik enerjidir ve elektrostatik olarak adlandırılır. Statik elektrikte elektronların hareketi söz konusu olmamasına rağmen bu durgun yükler diğer yükleri itme ve çekme etkisi ile iş yaparlar.

Kürk parçası ve plastik gibi iki madde birbirine sürtüldüğünde birinin aldığı elektron kadar diğeri kaybetmesi gerçekleşir ve bu şekilde elektron alan 2 plastik parçasını bir araya getirdiğimizde birbirlerini iteceklerdir.

Sürtünme yoluyla elektrik yüklenmesine verilecek bir diğer örnek bulutların birbirine sürtünmesidir bu yüklenmeden ortaya çıkan yük farklılığı sonucu bulutlar arasında yük akışı(şimşek) ve bulut ile yer arasında yük akışı(yıldırım) gerçekleşir.

Statik elektrik iş yaptığı gibi yüklerin hareketi olarak adlandırılan elektrik akımı oluşturmak neticesinde de iş yapan enerji üretilebilir.

Kristal malzemelerden basınç etkisi ile elektrik enerjisi üretmek de mümkündür. Basınç uygulandığında bu malzemenin iki yüzünde zıt yükler ayrılacaktır ve bunun sonucunda gerilim meydana gelmiş olur, bu sürecin tam tersi de mümkündür.

Bu etkinin gündelik hayatta kullanımı arasında, otomobillerdeki hava yastığının basınç etkisi ile açılması ve gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlar yer almaktadır.

Üzerine ışık düştüğünde elektrik üreten sistemlere fotovoltaik sistemler adı verilmiştir ve bunlardan güneş pilleri, yüzeylerine gelen güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.

Isı etkisi ile elektrik enerjisi üreten sistemlere ısıl çift adı verilir ve 2 adet farklı tip metal içeren bu sistemler; birleşme noktalarına gelen sıcaklığı diğer 2 ucunda potansiyel fark oluşturarak yaparlar.

Termoelektrik sistemler ise ısıl farklardan elektrik enerjisi üretirler ve bu sistemi içeren bir modül, elektriksel olarak yarı iletken malzemeden meydana gelmektedir.

Kimyasal etki ile elektrik enerjisi üreten pil ve aküler aynı zamanda, elektrik enerjisini kimyasal enerjiye çevirerek depo eden sistemlerdir.

Bununla birlikte, elektrik enerjisi genel olarak manyetik etki ile üretilmektedir ve elektrik üretim santrallerinde bu etki kullanılmaktadır.

Elektromanyetik İndüksiyon

Manyetik güçten elektrik üretme anlamını taşıyan elektromanyetik indüksiyon buluşu, 1831 yılında birbirlerinden bağımsız olarak Faraday’ın İngiltere’de, Joseph Henry’nin ise Amerika Birleşik Devletleri’nde yaptığı deneyler sonucunda ortaya çıkmıştır ve elektrik ile manyetizmanın birbirine sıkı sıkıya bağlı kavramlar olduğunu gösterir.

Akım manyetik alan ilişkisi ; manyetik alan çizgileri, elektrik alan çizgilerinin aksine bir yükte başlayıp bir yükte son bulmazlar. Tersine, alan çizgileri kendi üzerine kapanan eğriler oluştururlar.

Buna ek olarak, manyetik alan çizgileri de aynı elektrik alan çizgilerinde olduğu gibi birbirlerini kesmezler.

Manyetizma ile elektrik arasında çok önemli bir diğer ilişki de üzerinden elektrik akımı geçen bir telin, mıknatıs ile aynı etkiye göstererek yakınlardaki metal bir iğneyi saptırmasıdır.

Oluşan manyetik alanın yönü sağ el kuralı ile bulunmaktadır.

Oersted’in bu keşfinden sonra Faraday, oluşan değişken manyetik alanın iletken üzerinde akım oluşturup konusunda deneyler yürütmüştür ve olumlu netice alarak öncelikle emk oluştuğunu ve bununda akımı ürettiğini gözlemlemiştir.

Faraday’ın indüksiyon kanunu nu anlamak için bir galvanometreye bağlı olan iletken halkaya mıknatıs yaklaştırılarak ibrenin hareketliliği gözlemlenir. Bu hareket bize, halka üzerinde akım indüklendiği çıkarımına götürür. Akımın indüklenmesi, manyetik alan değişiminin halka tarafından algılanmasına bağlıdır.

Faraday’ın bu olayı gözlemlemek üzere tasarladığı bir başka düzenekte, bataryadan sağlanan akım bir anahtar vasıtasıyla halkaya bağlı birincil bobine verilmekte ve halkanın diğer tarafında yine sarılı ikincil bir bobin üzerinde akım indüklenmesi ve bu akımın galvanometre ibresini saptırması gözlemlenmektedir.

Galvanometre ibresinin oluşan akım ile sapması, birincil bobinden sürekli sabit akım geçmesi ile mümkün olmamaktadır, bunun için akımın ani bir şekilde değişmesi gerekmektedir ki bu; anahtarın konumunun değişmesi ile mümkün olmaktadır.

Faraday emk’yı manyetik akı üzerinden tanımlamıştır. Manyetik akı, belirli bir yüzeyden geçen manyetik alan çizgilerinin sayısı olarak ifade edilebilir.

Manyetik akı,

ile ifade edilebilir, burada B; manyetik alan, A; sarım yüzey alanı ve ; halkanın normal doğrultusu ile B manyetik alanı arasındaki açıdır.

Faraday deneylerinden şu ortak sonuç çıkarılabilir: devreden geçen manyetik akının zamanla değişimi sonucunda, devrede bir emk oluşmaktadır.

Manyetik akı gibi sarım sayısı arttığında da ikincil bobinde indüklenen gerilim artmaktadır çünkü her bir sarımda emk oluşmaktadır.

İndüklenmiş emk aynı zamanda manyetik akı değişimine bağlı olduğunu söylemiştik, ikincil devrede indüklenen gerilimin oluşturduğu akımın yön ve şiddeti ise içerisinden geçen manyetik akı miktarını sabitleştirecek manyetik akıyı oluşturacak değerdedir. Bunu Lenz yasasından anlıyoruz çünkü Faraday yasası indüklenen emk değerini bize anlatırken Lenz yasası, bu emk’dan ötürü oluşacak akımın yönünü bize anlatmaktadır.

Manyetik akının manyetik alan yoğunluğunun bir yüzey alanı üzerindeki toplamı olduğunu ifade etmiştik. Hareketsel emk ise, işte bu yüzey alanının değiştirilmesiyle manyetik akı miktarının değiştirilmesi ve böylelikle emk üretilmesi anlamına gelmektedir. Bunu, U şeklindeki bir tele temas eden fakat hareketli bir iletken çubuğun hareket etmesiyle bir “göz” oluşması ve bu “gözün” sahip olduğu yüzey alanının değiştiği bir düzenek olarak tabir edebiliriz.

Bu düzenek, iletkenin direncini simgeleyen basit bir direnç ve iletken çubuğun hareketi nedeniyle oluşan emk’ya sahip bir kaynaktan oluşmaktadır. Enerjinin korunumu yasası gereği iletken çubuğun hareketi için harcanan mekanik enerji elektriksel enerjiye, bu enerji de direnç üzerinde ısıl enerjiye dönüşmektedir.

Jeneratörler

Bir elektrik makinesi ya mekanik enerjiyi elektrik enerjisine ya da elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürebilen bir aygıttır. Elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürüldüğünde motor, mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürüldüğünde ise jeneratör görev alır.

Jeneratörler elektromanyetik indüksiyon prensibine göre çalışırlar ve bir jeneratör düzeneği basit olarak, bir manyetik alan ve bu manyetik alan içerisinde hareket eden bobin tellerinden oluşur. Eğer jeneratör, çıkışında değişken akım üretiyorsa; AC jeneratör, sabit akım üretiyorsa; DC jeneratör olarak isimlendirilir.

Alternatif Akım(AC) jeneratörleri mekanik enerjiyi AC elektrik enerjisine dönüştüren elektrik makineleri olarak tanımlanırlar ve ürettikleri güce ve kullanım alanlarına göre değişik boyutlarda imal edilirler.

AC jeneratörü en basit biçimde iletken bir halka ve bu halkanın içerisinde bulunduğu manyetik alandan oluşmaktadır ve halkanın manyetik alan içerisinde hareket etmesi veya manyetik alanın halka çevresinde hareket etmesi sonucu elektrik üretmektedir. Bu hareket; hidroelektrik üretim santrallerinde suyun hareketi ile sağlanırken, nükleer santrallerde nükleer reaksiyon sonucu açığa çıkan enerjiden sağlanmaktadır.

Jeneratör temel olarak, N-S kutuplarından oluşan mıknatıs, armatür olarak isimlendirilen tel halka, armatürün çıkışına bağlanan yüzükler ve bu yüzüklere verilen elektriği çıkışa aktaran fırçalardan oluşmaktadır.

Pratikte bu tel halka, demir bir nüve üzerine çok sarıma sahip şekilde sarılarak manyetik alan içerisinde hareket ettirilir ve böylelikle elektrik enerjisi üretilir.

Üretilen elektrik enerjisindeki gerilimin büyüklüğü; çok sarımlı bobinin yani tel halkanın sarım sayısı, bobinin içerisinde bulunduğu manyetik alanın büyüklüğü, manyetik alan ve bobin düzlemi arasındaki açı ve bobinin hareketini aldığı eksenin dönüş hızına bağlıdır.

Evlerimizde kullandığımız ac gerilim(voltaj), saniyede 50 defa yön değiştirmektedir.

AC Jeneratörlerin farklı çeşitlerde yapılmasında; ilk mekanik hareket, alan uyarması, endüvi özellikleri ve sınırlamaları, tek fazlı veya çok fazlı olması, kontrol edilmesi, düzenlenmesi ve paralel çalışması kavramları rol oynamaktadır.

AC jeneratörler, alternatör de denilen senkron jeneratörler ve indüksiyon (asenkron) jeneratörleri olmak üzere başlıca 2 grupta sınıflandırılabilir.

Dönen kısım olan rotor ve hareket etmeyen yani durağan kısım olan stator dan oluşan jeneratörde manyetik alanın oluşturulduğu kısım indüktör ve indüksiyon ile gerilimin üretildiği kısım ise endüvi olarak adlandırılır.

Endüvi yapısına göre alternatörler, dönen endüvili ve durağan endüvili olmak üzere 2 şekilde sınıflandırılır ve endüvi üzerinde daima alternatif gerilimin üretildiği sargılar bulunmaktadır.

Büyük akım ve yüksek gerilimlerde endüvi, fırçalar ve yüzükleri yalıtım işlemi zor olduğu için büyük güçlü makinalarda endüvi durağan olmaktadır.

Alternatörlerde makinenin dönen kısım sargılarına yani rotor sargılarına bir dc akım uygulanarak rotorda manyetik alan üretilmesinin yanında rotorda bir de manyetik alan daimi mıknatıslar kullanılarak da elde edilebilir.

Alternatörlere Senkron AC jeneratör denilmesinin nedeni jeneratörün mekaniksel dönme hızı ile jeneratörde üretilen gerilimin frekansının eş zamanlı yani senkronize olmasıdır. İndüksiyon jeneratörlerde ise alternatörlerden farklı olarak, jeneratörün manyetik alan akımı kendi alan sargıları içerisinde manyetik indüksiyon etkisi ile sağlanır.

İndüksiyon jeneratörlerde, jeneratörün güç kaynağı rotordan alınan mekanik güçtür. Jeneratörün statoru, değişik şekillerde oluşturulan rotor sargılarını kapsayacak şekilde tasarlanır.

Genellikle orta ve büyük güçlü sistemlerde yaygın olarak kullanılan alternatör ve indüksiyon jeneratörleri elektrik gücü üreten sistemlerde iletim hatlarına bağlı ve çok büyük miktarlardaki dağınık yükleri beslemek amacıyla paralel olarak bağlanırlar.

Faz sayısına göre alternatör ve indüksiyon jeneratörleri 1, 2, ve çok fazlı olarak tasarlanmakta olup bir fazın anlamı; belirli bir frekansta sürekli olarak tek bir alternatif gerilim üretmektir.

Tek-fazlı alternatörler çok fazla güce ihtiyaç duyulmayan taşınabilir araçları ve küçük cihazları çalıştırmak için evlerde, alışveriş yerlerinde ve gemilerde kullanılırlar.

İki-fazlı alternatörün en belirgin avantajı iki ayrı gerilim (voltaj) elde edilebilmesidir. İki-fazlı alternatörün dezavantajı ise bir çok stator sarımlarını içeren ikili sargı sisteminin olmasıdır.

Üç-fazlı alternatörler ise isminden de anlaşılacağı gibi tek-faz oluşturan 3 tane endüvi (armatür) sargılarına sahiptir.

AC jeneratördeki kayma yüzükleri yerine komütatör kullandığımızda, doğru akım (DC) jeneratörü tasarlamış oluruz.

Bobin dönerken, komutatörün her bir yarısına tutturulan fırçalar, bobindeki akımın yönü ters döndüğünde komutatörün bir yarısından diğer yarısına kayarlar. Böylece dış devreden akan akım, daima aynı yönde geçer.

Bir jeneratörde, komutatör olmadığı durumda indüklenmiş emk pozitif ve negatif değerlere sahiptir. Fakat, jeneratöre komutatör eklendiğinde, indüklenmiş emk negatif değerde olmaz.

DC jeneratörlerin endüstriyel uygulamalarında, manyetik alan kaynağı olarak sabit mıknatıslar yerine elektromanyetik kutuplar (elektromıknatıslar) kullanılır ve kalıcı mıknatısların oluşturdukları manyetik alanda dönen bobin sonucunda, jeneratörde küçük dc çıkış gerilimi üretilir.

Elektromıknatıslar kullanılmasının asıl amacı, jeneratördeki manyetik alan şiddetini arttırmak ve giriş geriliminin değiştirilmesiyle alan şiddetini kontrol edebilmektir.

Yabancı uyarmalı dc jeneratörlerde alan uyarması gerilimi, başka bir jeneratör veya akü gibi ayrı olarak bir başka dış kaynaktan sağlanırken, kendinden uyarmalı dc jeneratörlerde ise kendinden uyarma işlemi manyetik kutuplardaki zayıf mıknatıslanmanın korunması ile mümkün olur.

Kendinden uyarmalı dc jeneratörler, alan sargılarının endüviye yapılan bağlantısına göre sınıflandırılırken alan bağlantıları 3 genel bağlama şeklinde yapılır ve dc jeneratörler bu bağlama şekillerine göre Seri-sarımlı, paralel (şönt)-sarımlı ve bileşik-sarımlı jeneratörler olarak isimlendirilirler.