1.6. RÜZGÂR TÜRBİNLERİNDE KULLANILAN ELEKTRİK MAKİNALARI

(1)

0124730 Rüzgar ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri – Doç. Dr. Muğdeşem TANRIÖVEN

Sayfa 1 1.6. RÜZGÂR TÜRBİNLERİNDE KULLANILAN ELEKTRİK MAKİNALARI

Kanatların fonksiyonu, rüzgâr kinetik enerjisini dönen mil gücüne çevirerek generatörün dönmesini ve böylece elektrik gücünü üretmektedir. Akü şarjı yapan küçük rüzgâr türbinleri dc generatörleri kullanırken, şebekeye paralel çalışan rüzgar türbinlerinde ise ac generatörler (asenkron ve senkron) kullanırlar.

1.6.1. DOĞRU AKIM (DC) MAKİNALARI

İç yapıları itibari ile bütün elektrik makineleri alternatif akım makinesidir, çünkü iletkenler N- S kutupları arasındaki manyetik alan içerisinde alternatif forma döner. DC makineler AC’den DC’ye dönüşümü mekanik anahtarlama yoluyla yapar. Buradaki komütatör, AC-DC işlemini karbon fırçaları bakır segmentler üzerinde kaydırarak gerçekleştirir. Buradaki kontaklar yüksek bakım maliyeti ve düşük güvenilirliğe sebep olurlar. Bu dezavantaja rağmen hız kontrolü kolay olduğu için geçmişte sıkça kullanılmakta idi.

Klasik DC makineler doğru akım taşıyan şönt veya seri bobin aracılığı ile kendinden uyartımlı olarak (manyetik alanı üretmek için) dizayn edilirler. Günümüzde ise DC makinelerde manyetik alan, sabit mıknatıs kutupları aracılığı ile elde edilmektedir. Böylece alan akımı ihtiyacı ve komütatör ihtiyacı ortadan kalmaktadır. Sabit mıknatıs kutupları rotora yerleştirilmiş olup, statora AC akım üreten armatür sargıları yerleştirilmiştir. Daha sonra AC, güç elektroniği elemanları vasıtasıyla DC’ye çevrilir. Bu şekildeki bir makine fırçalara ve komütatöre ihtiyaç duymaz, böylece güvenilirlik arttırılmış olur. Bu şekildeki sabit mıknatıs kutuplu DC makineler ancak küçük boyutlu rüzgâr türbinlerinde kullanılabilirler.

Bir DC generatörde indüklenen gerilim,

Burada,

fırça uçlarındaki gerilim

armatürdeki (DC generatördeki dönen parça) toplam iletken sayısı devir sayısı [dev/dk]

kutup başına düşen manyetik alan akısı [wb]

Bu eşitlikten anlaşılacağı üzere DC generatörde üretilen gerilim doğrudan kutup başına düşen manyetik alan akısı ve dönüş hızı ile doğru orantılıdır.

ÖRNEK: Armatürü 6 kutup olan 600 dev/dk DC generatör üzerinde 90 oluk bulunmaktadır.

Her bir bobin 4 sarımdan meydana gelmekte ve kutup başına düşen manyetik alan akısı 0.04 wb ise makinada indüklenen gerilimi hesaplayınız.

(2)

Sayfa 2 ÇÖZÜM:

ÖRNEK: Dışarıdan uyartımlı bir DC generatör 1400 dev/dk ile dönerken 127 volt üretmektedir. Makinanın armatür direnci 2 ohm ve makine 12 A akım veriyor ise,

a) Uç gerilimini

b) Armatür üzerinde ısıya dönüşen kaybı [W]

c) Momenti [N.m] hesaplayınız.

ÇÖZÜM:

ÖRNEK: Dışarıdan uyartımlı bir DC generatör yüksüz halde 115 volt gerilim üretiyor.

a) Eğer hız %20 artırılırsa, b) Dönüş yönü tersine çevrilirse, c) Uyarma akımı %10 artırılırsa, ne olur açıklayınız.

ÇÖZÜM:

(3)

Sayfa 3 1.6.2. ALTERNATİF AKIM (AC) MAKİNALARI

Bu gruptaki makinalar, senkron ve asenkron makinalardır. Asenkron makinalar sabit hızlı veya değişken hızlı sistemlerde kullanılabilirken, senkron makinalar normal olarak değişken hızlı sistemlerde güç elektroniği ara yüzü ile birlikte kullanılırlar.

1.6.2.1. ASENKRON MAKİNALAR

1.6.2.1.1. SİNCAP KAFESLİ ASENKRON MAKİNALAR

Rotorun üzerindeki oluklara gömülü olan çıplak bakır çubukların her iki uçtan halka boyunca birleştirilmesi ile (kısa devre edilmesi ile) oluşturulur. Asenkron generatörün statoru ise üç faz grubundan müteşekkil birçok sarıma yataklık yapar. Bu üç grup sargı fiziksel olarak stator etrafına yayılmıştır. Bu sargılar üzerindeki akım akışından dolayı rotor etrafında, çevresinde dönen bir manyetik alan oluşur ki bu manyetik alan asenkron makinenin en önemli çalışma özelliğini oluşturur. Dönen manyetik alanın açısal hızı aynı zamanda senkron hızdır. Buradaki senkron hızı N ile gösterirsek, _s

p N_s 60f

=

f → frekans

p→ manyetik alan kutup çifti

Şekilde döner manyetik alan içerisindeki sincap kafes rotorlu asenkron makine görülmektedir.

Stator sargıları yüksek manyetik geçirgenliğe sahip bir nüve içerisindeki oluklara yerleştirilmiştir. Böylece yeterli miktardaki manyetik alan yoğunluğu düşük uyarma akımları ile elde edilebilir. Rotorda ise katı iletken çubuklar rotor nüvesindeki oluklara gömülmüşlerdir. Bu çubuklar her iki taraf uçları karşılıklı olarak iletken yüzükler tarafından birleştirilmişlerdir (kısa devre edilmişlerdir).

Asenkron Generatörün Çalışma Prensibi

Stator manyetik alanı Ns=60f/p senkron hızı ile döner. Döner manyetik alanı ile rotor arasındaki bağıl hız her bir rotor dönüşünde gerilim indükler. Çünkü stator φφφφ akıları, rotor tarafından kesilir. İndüklenen gerilimin genliği Faraday kanununa göre

dt

-d

e Φ

=

Φ → rotor dönüşlerini kesen manyetik alan miktarı.

(4)

Sayfa 4 Bu indüklenen gerilim rotorda bir sirkülâsyon akımı oluşturur. Rotor akımı ile stator akısı arasındaki etkileşim bir momente neden olur. Bu momentin (Torque=T) genliği

2 2 Cos

φ

I

K

T = ⋅Φ⋅ ⋅

K→oransallık katsayısı

Φ → Stator akı (dalgasının) genliği

φ2 → rotor akımı ile rotor gerilimi arasındaki faz açısı I ₂→ rotor çubuklarındaki akımın genliği

Rotor bu moment altında ivmelenecektir. Boşta çalışma durumunda (manyetik yük yok, sürtünmeler ihmal, sıfır direnç) rotor, stator döner alanı ile aynı hızda (senkron hızda) dönecektir. Bu hızda rotorda herhangi bir akım indüklenmez, dolayısı ile moment oluşturmaz. Yani bu noktada rotor dengede olup, sürekli olarak senkron hızda döner. Eğer rotor (fan gibi) mekanik bir yükü çalıştırıyor ise, yavaşlayacaktır. Fakat stator akısı her zaman senkron hızda döner ve rotora göre bağıl hız vardır. Sonuçta elektromanyetik olarak indüklenen gerilim akım ve moment rotorda üretilir. Buradaki moment (bu hızda) yükü sürmek için gerekli olan momente eşit olmak zorundadır. Makine bu durumda motor olarak çalışır.

Eğer rotora bir rüzgâr türbinine bağlarsak ve senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürürsek, rotorda indüklenen akım ve momentin yönü motor çalışma durumuna göre ters yönde olur. Bu durumda makine generatör olarak çalışır. Türbinin mekanik gücünü elektrik gücüne çevirir ve stator uçlarına bağlı yükü besler. Eğer makine şebekeye paralel olarak çalışıyor ile, şebekeye güç temin edecektir.

Yani makinenin generatör olarak çalışabilmesi için senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürülmesi gerekir. Asenkron makinelerde stator ile rotor arasında elektriksel bir bağlantı olmayıp, tamamen elektromanyetik endüksiyon prensibine göre çalışır. Asenkron makinenin çalışma prensibini transformatöre benzetebiliriz. Statordaki yüksek gerilim sargıları kendisi üzerinde kısa devre edilmiştir. Güç her iki sargı yönünde de akabilir. Rotor ile stator döner alanı arasındaki bağıl hızda transformatör prensibine göre açıklanabilir. Bu hız kayma indisi ile ifade edilir.(rotorun senkron hızdaki döner alana göre bağıl kayması), ve “s” ile gösterilir

-Nr/Ns (Ns-Nr)/Ns

s= =1

s : rotorun kayması Ns :senkron hız = 60f/p

Nr :rotor hızı

s: motor çalışmada pozitif, generatör çalışmada ise negatiftir.

“s” büyüdükçe elektromekanik enerji dönüşümü büyür. “s”(kayma) büyüdükçe elektriksel kayıpta artar. Elektriksel kayıp ısı şeklinde açığa çıktığından (işletme sıcaklığı kabul edilebilir limitler içerisinde tutabilmek için) bu ısının rotordan uzaklaştırılması gerekir. Bu ısı küçük

(5)

Sayfa 5 boyutlu makinelerde fan ile uzaklaştırılabilir. Büyük boyutlu makinelerde su sirkülâsyonu ile yapılır.

Sürekli hal işletme şartlarında ve “s” kaymasında asenkron generatörde aşağıdaki hızlar tanımlanır.

Stator akısı hızı : Ns

Rotor mekanik hızı : Nr=(1-s).Ns Rotora göre stator akısı hızı : s.Ns

Statora göre rotor akısı hızı : Ns=Nr+s.Ns

Asenkron Makinanın Hız-Moment Karakteristiği Stator indirgenmiş asenkron makine eşdeğer devresi:

I₀ → mıknatıslanma akımı I₁ → stator akımı

I₂ → rotor akımı

R₁ → stator sargı iletken direnci R₂ → rotor iletken direnci X₁ → stator kaçak reaktansı X₂ → rotor kaçak reaktansı

Kaymaya bağlı “R₂[(1-s)/s]” direnci elektromekanik güç dönüşümünü temsil eder.

Makinenin bir fazına ilişkin güç dönüşümü: I₂². R₂[(1-s)/s]

3∼ güç dönüşümü: P_em=3. I².R₂[(1-s)/s] [watt]

Mekaniksel moment: Tem=Pem/ω

Tem : Rotorda oluşan elektromekanik moment [Nt-m]

ω : Rotorun açısal hızı=2π.Ns. (1-s)/60 ; Pem ve ω, Tem ifadesinde yerine yazılır ise T_em=180/(2π.Ns).I².(R₂./s) [Nt-m]

(6)

Sayfa 6 Moment-hız veya moment-kayma karakteristiği “s” in belirli bir aralığı için çizilir ise aşağıdaki karakteristik elde edilir.

Kayma S"

"

Eğer makine s>1 bölgesinde çalışıyor ise ve o anda makine ters yönde döndürülür ise (herhangi iki fazın yerleri değiştirilir ise), makine bütün gücü absorbe eder ve bu durumda fren gibi çalışır. Bu durumda I².R kaybı rotor iletkenlerinde ısı şeklinde açığa çıkar ve bu ısı sistemden uzaklaştırılmalıdır. Eddy (girdap) akımı frenlemesi bu prensibe göre çalışır. Acil durumlarda şebekeye paralel çalışan generatör, stator uçlarındaki 3∼ gerilimlerinin sırası değiştirilerek fren olarak kullanılabilir. Bu işlem manyetik akı dalgasının rotora göre dönüş yönünü değiştirir.

ÖRNEK:

6 kutuplu 50 Hz’li asenkron motor nominal gücüne kaymanın %3 olması durumunda ulaşmaktadır. Nominal güçteki rotor hızını hesaplayınız.

ÇÖZÜM :

Boşta çalışan makinenin senkron hızı

Ns = (60.f)/p = 60.50/(6/2)=1000 (dev/dk)

Rotor hızı: Nr = (1-s).Ns = (1–0,03).1000 = 970 dev/dk

(7)

Sayfa 7 Kendinden uyartımlı asenkron generatör:

Eğer stator, 3∼’lı uyarma akım sistemi ile birlikte dizayn edilirse milli rüzgâr türbinine ve dişli kutusuna bağlı olan makine başlangıçta motor olarak çalışmaya başlayacak ve senkron hızı yakalama yönünde hızını arttıracaktır. Rüzgâr hızı generatör miline senkron hızı aşacak seviyede etki edince, asenkron makine otomatik olarak generatör çalışmaya geçecektir ve elde edilen elektriksel gücü stator sargıları üzerinden şebekeye aktarılacaktır. Fakat tüm bu süreçte 3∼’lı mıknatıslanma akımı nereden temin edilmektedir. Eğer makine şebeke ile paralel çalışıyor ise, bu akım şebekeden temin edilir. Bununla birlikte, makine harici bir kondansatör bağlayarak makinenin ihtiyacı olan uyarma akımı şebekeye ihtiyaç olmaksızın sağlanmış olur.

Kendinden uyartımlı generatörün temel mantığı, stator uyarma sargısının sahip olduğu endüktans ile ilave edilen harici kondansatör arasında rezonans durumu oluşturmaya dayanır. Buradaki osilasyon frekans yani rotor uyarma frekansı harici kondansatör boyutuna bağlıdır. Buradaki kondansatör tek yönlü olarak rüzgâr türbin hızını kontrol imkanı verir.

Şekil: Kendinden uyarımlı 1∼’lı asenkron generatörün L ile C belirli bir frekansta rezonansa girerek osilasyona neden olur

Not: Yukarıda verilen kayma ifadesi bu makine içinde aynen geçerlidir.

Örneğin senkron hızı 3000 dev/dk olan 2 kutuplu, 60 Hz asenkron generatör N_R=(1–s)Ns

N_R=[1– (–0,01)].3000 = 3030 dev/dk

Kayma yaklaşık %1 civarındadır. Generatör modunda olduğu için (–0,01) alınmıştır.

Not: Asenkron generatörün bir önemli avantajı da, ani ve sert rüzgâr değişimlerinde oluşacak şok darbeleri absorbe etme özelliği olmasıdır. Çünkü ani olarak rüzgâr hızının değişmesi, kaymanın da artması veya azalması ile neticelenir; bu özellik mekanik ekipmanlar üzerinde rüzgârın oluşturduğu şokların absorbe edilmesinde yardımcı olur.

(8)

Sayfa 8 1.6.2.1.2. ROTORU SARGILI (BİLEZİKLİ) ASENKRON MAKİNALAR

Statordakine benzer olarak rotor üzerinde de 3 fazlı sargılar mevcuttur. Sargılar rotor üzerindeki oluklar boyunca düzgün olarak dağıtılır ve genelde 3 telli yıldız (Y) olarak bağlanır.

Rotor üzerindeki sargının diğer uçları ise bilezik ve fırçalar üzerinden dış devreye (direnç veya frekans konverterine) bağlıdır. Böylece bu tip asenkron makinaların rotor ve statorları birbirlerinden farklı frekanslara sahip iki farklı AC kaynağa bağlanabilirler. Bu tür makinalar çift beslemeli makinalar olarak adlandırılırlar. Bu makinalar, örneğin motor olarak çalıştırılırken değişken hızlı pompaları sürmede kullanılabilirler. Bu makinalar aynı zamanda rüzgâr türbinleri tarafından sürülen değişken hızlı generatör olarak da kullanılabilirler.

Motor Çalışma ve Hız İlişkisi: Bilezikli 3 fazlı asenkron motorlarda, stator frekansı 50 veya 60 Hz olan şebekeye bağlıdır. Bu motorlarda rotoru rezistif bir yüke bağlamak yerine frekansı örneğin 20 Hz olan ikinci bir kaynağa bağladığımızı düşünelim.

ROTOR

Es

fs=20 Hz

Es fs=50 Hz 3~

STATOR

i_r

Bu durumda çift beslemeli bilezikli asenkron motorun nasıl çalıştığını gözlemleyelim.

Makinamız 3 fazlı, 6 kutuplu olsun ve statoru 50 Hz’lik bir şebekeye bağlansın. Bu durumda statorda oluşacak manyetik alan akısı,

senkron hızı ile dönecektir. Eğer bu dönüş saat yönünde ise, stator akısı ile saat yönünde dönüyor demektir. Rotor 20 Hz’lik kaynağa bağlı olduğundan, rotor manyetik alan akısı,

ile döner. Bu akının ise rotor referansına göre saat yönünde döndüğünü kabul edelim. Bu durumda (dışarıdan bakan bir gözlemciye göre) stator kutuplarını rotor kutuplarına kilitlemek için her ikisinin de aynı hızda dönmesi gerekir. Yani rotor akısı da saat yönünde 1000ile dönmesi gerekir. Bu durum ancak rotorun kendisinin ! ile dönmesi ile mümkündür.

(9)

Sayfa 9 Eğer rotor !’ dan farklı bir hızda dönerse, rotor kutupları stator kutuplarından kayacaktır. Bu durumda ortalama moment sıfır olacaktır ve motor durmaya başlayacaktır. Özetle, makinanın rotoru sadece ve sadece 600!’ da dönüyor ise motor modunda çalışacaktır. Buna motor alt senkron (senkron altı) hızda çalışıyor denir.

Rotor uçlarındaki bileziklerden herhangi ikisinin ucu yer değiştirilir ise, rotor manyetik alan akısı, rotor referansına göre saatin tersi yönünde dönecektir. Bu şartlar altında stator kutupları, rotor kutuplarını ancak saat dönme yönünde " !’da kilitleyebilir. Buna motor senkron üstü hızda çalışıyor denir.

Bu örneği genelleştirirsek, makina ancak aşağıdaki muhtemel hızlardan birinde motor olarak çalışabilir.

#$" $% #$ $%

Burada;

$ Statora uygulanan frekans

$ Rotora uygulanan frekans Rotor hızı [d/dk.]

& Kutup sayısı

Motor Çalışma ve Hız İlişkisi: Öncelikle rotoru sargılı motordaki aktif güç dağılımını dikkate alalım. Bu motorun sargı uçları harici rezistif bir yüke bağlı olsun. Bu durumdaki güç akışının motor bileşenleri boyunca yaptığı dağılım aşağıda gösterilmiştir.

(10)

Sayfa 10 1. 3 fazlı Es kaynağı statora P^e gücünü gönderir.

2. Statordaki demir kayıpları (P^Fe) ve Joule kayıplarından (Pjs) sonra geriye kalan güç rotora aktarılır (Pr).

3. Kaymadan dolayı [' ⁽

) * $ ' $], “' +” kadarlık güç rotor kayıpları olarak harcanır. Bu kayıplar rotordaki +_, ve harici - direnci üzerindeki +_,. yani / - kayıplarından oluşmaktadır.

' + +_," +_,.

4. + ile ' + güçleri arasındaki fark mekanik güce dönüşür.

+₀ + ' +

+₀ # '% + 1 ⁽

)2 +

Bu durumda motor momenti, 3₀ ⁴⁵⁶₎ ⁽ ile verilir.

5. Sürtünme ve vantilasyon kayıplarından sonra mekanik güçten yüke aktarılan güç +₇ gücüdür.

+₇ +₀ +₈

Çift beslemeli asenkron motorlar hem senkron-altı hızda, hem de senkron-üstü hızda çalıştığından her iki durum içinde güç akışları oluşturulmalıdır.

(11)

Sayfa 11 Alt-Senkron Hızda Çalışma: Çift beslemeli asenkron motorun rotoru, frekansı $ olan bir kaynağına bağlanırsa, kayma “' $ ” değerinde otomatik olarak sabitlenecektir. $ Yani motorun hızı da sabit olacaktır [Aslında bu makina senkron makinanın özel bir hali olarak ta adlandırılabilir].

Esasında yukarıda anlatılan güç eşitlikleri burası içinde geçerlidir. Aşağıdaki şekilden de görüleceği üzere

+₀ # '% +

ve rotor tarafından aktarılan güç, ' + olup rotor dirençleri üzerinde aktarılan güçten arta kalan kısım +₉ gücü olarak kaynağını besler. Yine bu durumda, 3₀ ⁴⁵⁶ ⁽

) olur.

(12)

Sayfa 12 Üst-Senkron Hızda Çalışma: Eğer kaynağının faz dönüş sırası tersine döndürülür ise motor senkron-üstü hızda çalışır. Bu çalışma durumunda rotor devresindeki güç akışı tersine döner. Ancak niceliksel güç ilişkileri halen korunur.

kaynağı tarafından üretilen + gücü burada tersine döner ve mekaniksel gücü artırır.

+₀ # " '% +

Yine burada moment, 3₀ ⁴⁵⁶ ⁽

) dir. Bu tür motorlar, pompa uygulamaları gibi değişken hızlı yüklerin sürülmesinde kullanılabilir.

(13)

Sayfa 13 Generatör Çalışma: Çift beslemeli asenkron makinalar generatör olarak ta çalıştırılabilir. Bunun için tek gerekli olan makinanın miline senkron-altı veya senkron-üstü hızda çalışacak seviyede döndürme kuvveti uygulayabilmektir. Bu şekilde rotor kutupları stator kutuplarının biraz önünde olacaktır. Bu durumda güç akış yönleri aşağıda gösterildiği gibi olacaktır.

Es

Pr

s.Pr

Pes

DİŞLİ KUTUSU

PL

Per Er

Pj^r

Pv PFE

Pjs

Pm

T_m nr

.r= .s(1-s) Pm = Pr (1-s)

Şekil X. Senkron-altı modda generatör çalışma

E^s

Pr

s.Pr

Pes

DİŞLİ KUTUSU

PL

Per Er

Pjr

Pv PFE

Pjs

Pm

Tm

nr

.r= .s(1+s) Pm = Pr (1+s)

Şekil XX. Senkron-üstü modda generatör çalışma

(14)

Sayfa 14 Senkron-altı modan senkron-üstü moda geçişte sadece $ frekansı ve kaynağının faz dönüş sırası değişmektedir.

ÖRNEK: Nominal gücü 1000 kW olan 3 fazlı 6 kutuplu çift beslemeli bir asenkron generatör bir rüzgar türbini tarafından sürülmektedir. Makinanın statoru frekansı 50 Hz olan şebekeye ve rotor sargıları ise aynı hattan beslenen ve 20 Hz’e dönüşüm sağlayan bir konvertere bağlıdır. Makina senkron altı hızda çalışmakta ve rüzgar türbini (kanat çıkışı) 600 hp güç üretmektedir [1 hp = 746 watt]. Rüzgar türbini makinanın rotoruna yükseltici bir dişli kutusu üzerinden bağlıdır. Sistemdeki güç kayıpları,

+₈ :; - dişli kutusu ve diğer sürtünme kayıpları +_,. ; - rotor /- kayıpları

+_, <; - stator /- kayıpları +₌₉ >; - stator demir kayıpları +_? :; - konverter kayıpları

olarak verildiğine göre;

(a) Rotorun alt senkron hızını, !@

(b) Rotora aktarılan mekanik gücü, +₀; @

(c) Rotordan statora aktarılan elektromanyetik gücü, +; @

(d) Rotora aktarılan momenti, 3₀A5 B @

(e) Rotor sargılarına aktarılan elektriksel gücü, +₉; @

(f) 50 Hz’lik şebekeden absorbe edilen elektriksel gücü, +; @

(g) 50 Hz’lik şebekeye stator sargıları tarafından aktarılan gücü, +₉; @

(h) Verilen rüzgar türbin montajının genel verimini, C ₆⁶_GHDHF^DEF @

hesaplayınız.

(15)

Sayfa 15 ÇÖZÜM:

(16)

Sayfa 16 1.6.2.2. SENKRON MAKİNALAR

Senkron makine belirli bir sabit frekansı üreten ve sabit hızda çalışan bir elektrik makinesidir.

Bu sebepten dolayı rüzgâr santrallerinde değişken hızda işletime çok uygun değildir. Ayrıca makinenin DC uyarıma ihtiyacı olduğundan bilezikler üzerinde kayan karbon fırçalara ihtiyacı vardır. Bu durum senkron makinenin rüzgâr türbinlerinde kullanımda bir sınırlama oluşturur.

Bu mukabil senkron makine şebeke ile paralel çalıştığında, asenkron makinenin şebeke ile paralel çalışmasına göre avantajı vardır. Çünkü senkron makine şebekeden gelecek reaktif güce ihtiyaç duymaz. Günümüzde rüzgâr santrallerinde kullanılan elektrik generatörü genel olarak asenkron makinelerdir.

1.7. RÜZGÂR GÜÇ SİSTEMİ TOPOLOJİLERİ

1.7.1 DOĞRU AKIM GENERATÖRLERİNİ KULLANAN TOPOLOJİ

DC YÜK

(17)

Sayfa 17 1.7.2 ASENKRON GENERATÖRLERİNİ KULLANAN TOPOLOJİ

Temel olarak enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılan asenkron generatörler 3 çeşittir.

Bunlar sincap kafesli, bilezikli (rotoru sargılı) ve çift beslemeli asenkron generatörlerdir.

Sincap kafesli asenkron makine bir ac sisteme doğrudan bağlanıp sabit hızda işletilebileceği gibi güç elektroniği üniteleri ile birlikte değişken hızlarda da işletilebilir. Bilezikli asenkron generatörler ise kayma kontrolünü sağlayan rotor dirençleri ile birlikte bir ac sisteme doğrudan bağlanabilirler. Burada kayma kontrolü ile işletim hızı ancak belirli hız aralıklarında ayarlanabilir. Çift beslemeli asenkron generatör ise güç elektroniği dönüştürücülerinin boyutuna bağlı olarak çok daha geniş aralıklarda hız ayarlama imkânı verir.

1.7.2.1. ŞEBEKEYE DOĞRUDAN BAĞLI ASENKRON GENERATÖR

Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörler küçük ve orta ölçekli rüzgâr türbinlerinde kullanılmaktadırlar. Bir dişli kutusu rotor kanatlarının hızını ayarlar. Bu durumda asenkron generatör senkron makine da olduğu gibi şebekeyle senkronize olmak zorunda değildir.

İşletim hızına ilave bir kontrole ihtiyaç duymaksızın ulaşır. Ancak generatör boyutu büyüdükçe, bu makineler şebekeye bağlantı esnasında oldukça yüksek bir başlangıç akımına neden olurlar. Moment kontrolü bu başlangıç akımını sınırlandırabilir.

Şekil: Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatör (Not: Asenkron makineler reaktif güce ihtiyaç duyarlar. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla şekildeki gibi reaktif güç kompanzasyonu

uygulanabilir.)

Rotorda stall regülâsyonu yüksek rüzgâr hızlarındaki gücü kısıtlar. Rüzgâr hızları değiştikçe kayma değiştiğinden, bu generatörlerin hızı, rüzgâr hızı değiştikçe değişmektedir. Dolayısı ile bu makineler hızlı değişen dalgalanmaları azaltabilir. Asenkron rüzgâr generatörleri sırasal hız değişimleri arasında yaklaşık %10’luk bir değişime müsaade eder. Bununla beraber, kaymanın yükselmesi ile kayıplar artacak, yani verim düşecektir. Bu nedenle modern uygulamalarda değişken kayma (s) özelliğine sahip asenkron makineler kullanılır. Bu generatörlerde sargı uçları kısa devre edilmiş kafes rotorlar kullanılmaz. Buna mukabil kontrol edilebilir değişken dirençli rotor devreleri yer alır. Rotor sargıları ya harici değişken

(18)

Sayfa 18 bir dirence bilezikler vasıtasıyla bağlıdır, ya da rotor ile birlikte dönen kontrol edilebilir bir dirence bağlıdırlar.

Aşağıdaki şekilde rotor sargılarına ayarlanabilen direnç bağlı bir asenkron makine ve hız- moment karakteristiklerindeki değişim verilmiştir.

Şekil x: Rotor direncinin değişmesi ile kayma-moment değişimi arasındaki ilişki

Maksimum moment (Mmax) direncin artması ile birlikte yüksek kayma değerlerinde oluşur.

Güç ise moment ile orantılı olduğundan yüksek hızlarda güç artar ve güç dalgalanmaları azalır. Aşağıdaki şekilde rotor hızı ile rotor gücü arasındaki ilişkiyi vermektedir.

v n

TSR πR

λ= ²

= ^, formülü dikkate alındığında gücün rotor hızı ile olan ilişkisi ortaya konabilir. Not: P Av³c_p

2 1ρ

= ve c_p = f(λ) ve λ = f(n=dev/dk).

Stator frekansı ve dişli kutusu rotor hızını belirler, ve bu değer ancak kaymaya bağlı olarak değiştirilebilir (Şekil x).

Aşağıdaki şekilde şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin güç-hız karakteristiği verilmiştir.

(19)

Sayfa 19

s m v=13 /

s m v=12 /

s m v=11 /

Şekil xx: şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin güç-hız karakteristikleri

Görüldüğü üzere, eğer rotor hızı sabit kalırsa, türbin hiçbir zaman optimal güç üretimine ulaşamaz. Bu nedenle en uygun üretim için rotor hızı (elektriksel hız) farklı rüzgâr hızları için farklı hızlarda olmalıdır.

1.7.2.2. DEĞİŞKEN HIZ KONTROLLÜ ASENKRON GENERATÖRLER

Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlerde görüldüğü üzere değişken kayma özelliği generatörün hızını değiştirebilir. Ancak yüksek kayma oranı, rotorda yüksek kayıplara neden olacağından, kayma miktarının %10 seviyelerini geçmemesine dikkat edilir. Bununla birlikte rotor gücü şebekeye aktarılarak generatör hız kontrolü için kullanılabilir. Eğer generatör hızı sadece şebeke frekansından daha yüksek hızlara ulaşacak ise, bu durum için kullanılacak devre senkron üstü (oversynchronous convertor) kaskad konvertör olarak adlandırılır. Bu devrenin enbüyük dezavantajı, yüksek reaktif güç talebidir.

Şekil xxx: Kaskad konverterli değişken hız kontrollü asenkron generatör.

(20)

Sayfa 20 Senkron üstü (oversynchronous convertor) kaskad konvertör sadece rotor gücünü şebekeye aktarabilirken çift beslemeli (double-fed) asenkron generatör her iki yönde de güç transferine imkan tanır (rotordan şebekeye ve şebekeden rotora). Bu amaçla direkt olarak bağlı bir AC/AC konverter kullanılabilir (şekil 4x).

Asenkron Generatör

Dişli Kutusu Kanatlar

Transformatör

ŞEBEKE AC-AC konverter

Şekil 4x: çift beslemeli AC/AC konverterlü (double-fed) bir asenkron generatör

Çift beslemeli bir asenkron generatör hem senkron üstü, hem de senkron altı hızda işletilebilir. Böylelikle generatörün reaktif güç ihtiyacı kontrol edilebilir. Bu sistemin dezavantajı yüksek maliyati ve nerji kalitesi ile ilgili problemlere neden olmasıdır.

1.7.3. SENKRON GENERATÖRLERİNİ KULLANAN TOPOLOJİ

1.7.3.1. ŞEBEKEYE DOĞRUDAN BAĞLI SENKRON GENERATÖR

Senkron makineler uyarma akımları kontrol edilmek sureti ile hem reaktif güç üreticisi hem de reaktif güç tüketicisi olabilir. Yani reaktif güç talepleri kontrol edilebilir. Senkron makineleri uyarmak için sabit mıknatıslarda kullanılabilir. Ancak bu durumda senkron makinelerin reaktif gücü kontrol edilemez.

(21)

Sayfa 21 Şekil 5x: Şebekeye doğrudan bağlı senkron generatör

Asenkron generatörün aksine, senkron generatör sabit hızda işletilir. Bu durum ise rüzgâr türbinlerinde oldukça zor bir durumdur. Bu nedenle doğrudan bağlantılı senkron generatörler ada şebeke uygulamalarında bağımsız (stand-alone) uygulamalar için kullanılırlar. Bu makinenın şebekeye direkt olarak bağlanısı neticesinde oluşacak bir diğer mahsur ise şebekedeki yük değişimlerinin generatör üzerinde yüksek mekanik zorlamalar oluşturmasıdır. Bu nedenlerden ötürü senkron makineler genellikle şebekeye direkt olarak bağlanmazlar.

1.7.3.2. DC BARA BAĞLANTILI SENKRON GENERATÖRLER

DC bara bağlantılı senkron generatörler (frekans konvertörlü senkron makinalar da denmektedir) şebekeye doğrudan bağlı senkron generatörlerin dezavantajlarını ortadan kaldırabilir.

Şekil 6x: DC bara bağlantılı senkron generatörler

(22)

Sayfa 22 Şekil 7x de görüldüğü üzere düşük ve orta hızlı tüm rüzgâr hızlarında rotor hızı değiştirilerek maksimum güç noktaları yakalanabilmektedir. Yüksek rüzgâr hızlarında ise gücü sınırlamak türbin güvenliği açısından zaten gereklidir.

Frekans konvertörleri vasıtası ile şebeke frekansı yakalanabildiğinden ilave bir dişli kutusuna ihtiyaç duymazlar. Bu nedenle günümüzde bir çok makina dişli kutusu barındırmazlar. Ancak bu türbinler için üretilen senkron makinalar yüksek sayıda kutuplu yapılırlar (kutup sayısı genelde 80 ve üzeridir.) Bu makinaların belli başlı avantajları:

Ø ØØ

Ø Daha az malzeme ihtiyacı Ø

ØØ

Ø Daha düşük maliyet Ø

ØØ

Ø Daha az gürültü

PWM inverterlerin kullanılması ile reaktif güç kontrolü de yapılabilmektedir.

Rotor Hızı, n

s m v=13 /

s m v=12 /

s m v=11 /

s m v=11 / 1

2

Şekil 7x: Sabit hızlı (1) ve DC bara bağlantılı (2) senkron generatörlerin çalışma noktaları

1.8. MAKSİMUM GÜÇ İŞLETİMİ İÇİN HIZ KONTROLÜ Değişken rotor hızının önemi:

Hatırlanacağı üzere rotor verimi cp, kanat ucu hız oranının (KHO) bir fonksiyonudur. Modern rüzgâr türbinlerinin verimli işletimleri, KHO değerleri 4–6 civarında olduğu zaman oluşur.

Yani kanat uç hızı rüzgâr hızının 4–6 katı civarında ise bu tür türbinler verimli olarak işletilirler.

(23)

Sayfa 23 TSR

İdealde maksimum verim türbin kanat hızının rüzgâr hızı değişimi ile sürekli olarak ayarlanması durumunda elde edilir. Örneğin aşağıdaki grafik üç farklı türbin dönme hızına ilişkin verim-rüzgâr hızı değişimini göstermektedir.

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

7 9 11 13 15 17

20 dev/dk 30 dev/dk 40 dev/dk

Rüzgar hızı m/s

Şekil: Görüldüğü üzere kanat verimi, kanat dönme hızı değiştirilerek arttırılabilir.

(24)

Sayfa 24 Grafik dikkatle incelenirse; c_p’nin maksimum olduğu noktalar oldukça az değişen bir karakteristiğe sahip. Yani dev/dk değerini sürekli değiştirmek, ayrık birkaç dev/dk değerine sahip olmaya nazaran az bir miktar avantajlıdır. Kontrol kolaylığı açısından ayrık değerlere ayarlama yapmak tercih edilebilir.

1.8.1 RÜZGAR TÜRBİNLERİNDE TEMEL GÜÇ KONTROL PARAMETRELERİ

Bir rüzgar türbin modeline ilişkin sürekli hal mekanik güç karakteristiği;

p o

o

m v Av c

v v

A

P . . .

2 1 2

1 1

. . 2 .

1 3

2

3 ρ

ρ  =









 



 



−



 



 +

=

olarak elde elde edimiş idi. Burada cp parametresi KHO’nun bir fonksiyonudur. KHO parametresi ise kanat açısı (αk) ayar edilerek kontrol edilir. Yani hem KHO’nun, hem de αk’nın bir fonksiyonudur.

I_J K#LMNO P_Q%

Aşağıda, örnek bir cp fonksiyonu görülmektedir. Verilen grafik ise farklı kanat açıları için cp’

nin KHO ile değişimini göstermektedir.

I_J R_STUVOWX

Y_X^O

YZV O[\ P_Q [O<]^ _^`^dYZef^aObZc^gijkeaOaldY^hf m

O > LMN

(25)

Sayfa 25 Dolayısı ile burada generatör hızı (ωr), kanat açısı ve rüzgar hızı parametreleri kontrol sisteminin giriş büyüklükleri olarak kullanılırlar. Çıkış büyüklüğü ise generatör miline uygulanan moment olarak hesaplanır.

1.8.2. SİNCAP KAFES ASENKRON GENERATÖRLÜ RÜZGÂR TÜRBİNİ (SABİT HIZLI)

Aşağıda değişken kanat açılı bir rüzgar türbini tarafından sürülen sincap kafesli asenkron generatörüne ilişkin kanat açısı kontrol sisteminin prensip şeması görülmektedir. Kanat açısı kontrol edilerek elektriksel çıkış gücü, nominal mekanik güce eşitlenir. Eğer elektriksel güç, mekanik güç nominal değerini aşarsa kanat açı değeri yükseltilerek çıkış güç tekrar nominal değere eşitlenir.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0 5 10 15

Cp

KHO

Alfa (0 derece) Alfa (5 derece) Alfa (10 derece) Alfa (15 derece) Alfa (20 derece)

(26)

Sayfa 26 Burada rotoru rüzgar türbini tarafından sürülen asenkron generatörün stator sargıları doğrudan 3 fazlı şebekeye bağlıdır. Rüzgar türbini tarafından yakalanan mekanik güç, asenkron generatör tarafından elektrik enerjisine dönüştürülür ve stator sargıları üzerinden şebekeye aktarılır. Kanat açısı düşük rüzgar hızlarında maksimum gücü verecek şekilde, yüksek rüzgar hızlarında ise nominal gücü verecek şekilde kontrol edilir. Burada güç üretebilmek için asenkron generatör hızı, senkron hızın biraz üzerinde olmalıdır. Burada hızdaki dalgalanmalar oldukça düşük tutulduğundan, bu tür rüzgar türbinleri sabit hızlı rüzgar türbinleri olarak adlandırılır. Asenkron generatörün ihtiyacı olan reaktif güç ya şebeke tarafından veya kondansatör gurubu, SVC, STATCOM ve seknron kompanzatör (senkron kondenser=Boşta çalışan senkron motor gibi, gerilim regülatörü ile uyarması kontrol edilerek bazen kapasitif, bazen de endüktif güç çekmesi sağlanır. Böylece istenilen güç faktörü ayarlanmış olur) gibi düzenekler vasıtası ile karşılanır.

Sabit hızlı rüzgar türbinlerinde, generatör şebeke ortak bağlantı noktasına doğrudan bağlanır.

Burada şebeke frekansı generatörün dönüş hızını belirler. Generatör hızı kutup çifti sayısına ve şebeke frekansına bağlıdır. Sincap kafesli asenkron generatör kullanan rüzgar türbinlerinin hızları en fazla %1-2 civarında değişim gösterir. Burada güç aerodinamik yapı sayesinde kontrol edilebilmektedir. Burada üç çeşit kontrol vardır: i.) Kanat açı kontrolü (pitch control), ii.) pasif durdurma kontrolü (kanatlar rotor göbeğine sabit açı ile sabitlenmiştir. Burada tasarım rüzgarın çok hızlanması durumunda kanatlarda türbülans oluşturarak kanatların yavaşlaması sağlanır. Burada kanat büklümlü yapıdadır.) , ii.) aktif durdurma kontrolü (kanat açı kontrollü yapıya oldukça benzer. Düşük rüzgar hızlarında kanat açıları maksimum momenti sağlayacak şekilde ayarlanır. Makine nominal güce ulaştıktan sonra yüksek rüzgar hızlarında aşırı yüke maruz kalıyor ise kanat açıları – kanat açı kontrollü türbinlerin aksine – tam ters yöne getirilir. Böylece makine neredeyse bütün yüksek hızlarda maksimum güç değerinde çalıştırılabilir. Pasif durdurmanın aksine burada daha hassas güç kontrolü yapılabilmekte ve daha geniş aralıklarda optimum güce ulaşılabilmektedir.)

(27)

Sayfa 27 1.8.3. ÇİFT BESLEMELİ ASENKRON GENERATÖRLÜ RÜZGÂR TÜRBİNİ (DEĞİŞKEN HIZLI)

Çift beslemeli asenkron generatörlü rüzgar türbin sisteminin prensip şeması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. AC/DC/AC konverter sistemi şebeke tarafı ve rotor tarafı olmak üzere ikiye ayrılır. Her iki konverter de gerilim beslemeli konvereter olup, AC ile DC gerilimleri birbirlerine bağlar. Her iki konverter arasındaki kondansatör bir DC gerilim kaynağı gibi davranır. Şebeke ile bağlantıyı sağlamak üzere ise bir endüktans elemanı kullanılmıştır. 3 fazlı rotor sargıları rotor tarafı konverterine bilezik ve fırçalar üzerinden bağlı iken, stator sargıları ise doğrudan şebekeye bağlıdır.

Rüzgar türbini tarafından yakalanan güç, asenkron generatör tarafından elektriksel güce çevrilirken, bu güç hem rotor hem de stator sargıları üzerinden şebekeye aktarılır. Burada kontrol sistemi kanat açısı ve gerilim kumanda sinyallerini (Vr ve Vş) üretir ve böylece türbinin çıkış gücü, DC bara gerilimini, şebeke tarafındaki AC gerilimi ve reaktif güç miktarı ayarlanır.

KONTROL

Çift beslemeli asenkron generatörlü rüzgar türbin sisteminin çalışma prensip şeması