olarak elde edilir. NOT: Rayleigh dağılımı kullanılarak elde edilen ortalama rüzgâr gücü hesabı elde edilmiş idi.

Tam metin

(1)

1

NOT: Yukarıda verilen kapasite faktör yaklaşımını daha genel formatta ele alalım. Verilen bir rüzgâr rejimi için olasılık yoğunluk fonksiyonu olsun. Eğer rüzgâr gücü fonksiyonu ile tanımlı ise, bu durumda ortalama rüzgâr gücü,

̅̅̅ ∫

Burada, eşitliği yerine yazılırsa

̅̅̅ ∫

Sistem bileşen verimlerinin de eklenmesi ile elde edilebilecek net elektriksel ortalama çıkış gücü,

̅ ∫

En sık kullanılan dağılımlardan biri olan Rayleigh dağılımı,

̅

[ ( ̅) ]yukarıda yerine yazılırsa,

̅ ∫ {

̅

[ (̅) ]}

olarak elde edilir. NOT: Rayleigh dağılımı kullanılarak elde edilen ortalama rüzgâr gücü hesabı elde edilmiş idi.

(2)

2

ÖLÇÜLMÜŞ RÜZGÂR VERİLERİNE DAYALI ORTALAMA RÜZGÂR GÜCÜ HESABI

Belirli bir zaman aralığı için ortalamaları alınmış ayrık zaman rüzgâr verilerini [ ] vektörü ile gösterelim.

[ ] [ ]

Bu durumda toplam ölçüm periyodu boyunca oluşan ortalama rüzgâr hızı,

̅ ∑

Bir rüzgâr türbini için rotor süpürme alanı sabit olacağından,

̅̅̅ ∑

Benzer şekilde ölçüm periyodu boyunca oluşan ortalama rüzgâr enerjisi

̅̅̅̅ ̅̅̅ ̅̅̅ ∑

Rüzgâr türbininden alınacak elektriksel çıkışı hesaplayabilmek için türbine ait güç-hız karakteristik eğrisi, kullanılabilir. Bu durumda türbinden elde edilecek ortalama elektriksel çıkış gücü,

̅ ∑

Benzer şekilde türbinden elde edilecek ortalama elektriksel enerji,

̅ ∑

(3)

3

RÜZGÂR HİSTOGRAMLARINA DAYALI ORTALAMA RÜZGÂR GÜCÜ HESABI

Rüzgâr hızları ile ilgili tipik bir histogram gösterimi aşağıda verilmiştir.

v rüzgar hızlarının 1 yıldaki oluşum sayıları

v rüzgar hızları (m/s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 200

300 400 500 600 700 800 900

Burada rüzgâr hızları adet eşit aralığa bölünmüştür (NOT: Bu aralıklar eşit olmak zorunda değildir. Bu durumda her bir aralık farklı genişliklerde olabilir).

Her bir aralığına ilişkin orta nokta ile, oluşum sayısı (frekans) ise ile gösterilsin.

Toplam ölçüm periyodu boyunca oluşan ortalama frekans ve ortalama rüzgâr hızı,

̅ ∑

̅ ̅∑

Bir rüzgâr türbini için rotor süpürme alanı sabit olacağından,

(4)

4

̅̅̅

̅∑

Benzer şekilde ölçüm periyodu boyunca oluşan ortalama rüzgâr enerjisi

̅̅̅̅ ̅̅̅ ̅̅̅ ∑

Bu durumda türbinden elde edilecek ortalama elektriksel çıkış gücü ve ortalama elektriksel enerji,

̅ ∑

̅ ∑

Weibull Dağılımı İle Rüzgâr Gücü Tahmini

Yukarıdaki yaklaşıma paralel olarak ortalama rüzgâr türbininin elektriksel çıkış gücü,

̅ ∫

elde edilir. Bu durumda

yazılır. Buradan,

̅ ∫

(5)

5

Yukarıdaki eşitlik Weibull kümülatif dağılım fonksiyonu dikkate alınarak histogram yaklaşımı için yazılırsa,

̅ ∑ [ ( ) ( ) ] ( )

elde edilir.

HATIRLATMA:

Weibull olasılık yoğunluk fonksiyonu

( )

Weibull kümülatif dağılım fonksiyonu

[ ( ) ]

Weibull rüzgârına sahip bir bölgede ortalama rüzgâr hızı gamma fonksiyonu cinsinden

̅ ( ) İle elde edilir. Burada fonksiyonu,

ile ifade edilir. Gamma fonksiyonunun yaklaşık sayısal değeri ise,

(√ ) [

] olarak hesaplanmaktadır.

(6)

6

ÖDEV (Yılsonu ortalamaya katkısı %15):

10 ar dakikalık ortalamalarla kronolojik olarak kaydedilmiş (8760x6) adet rüzgâr verisini kullanarak (Rüzgâr verileri sizin tarafından elde edilecek)

a.)

- Rüzgâr verilerini 1 saatlik ortalamalara dönüştüren bilgisayar programını (8760 adet veriye indirgenecek),

- Rüzgâr verilerini 1 günlük ortalamalara dönüştüren bilgisayar programını (365 adet veriye indirgenecek),

- Rüzgâr verilerini 1 haftalık ortalamalara dönüştüren bilgisayar programını (52 adet veriye indirgenecek),

- Rüzgâr verilerini 1 aylık ortalamalara dönüştüren bilgisayar programını (12 adet veriye indirgenecek),

- Rüzgâr verilerini 1 yıllık ortalamalara dönüştüren bilgisayar programını (1 adet veriye indirgenecek),

oluşturunuz.

b.)

(a) şıkkında oluşturduğunuz veri guruplarının her birisi için histogram grafiklerini oluşturan bir program yazınız (Not: x ekseni rüzgâr hızlarını, y ekseni ise her bir rüzgâr hızına ilişkin oluşma sayılarını gösterecek).

c.)

“ÖLÇÜLMÜŞ RÜZGÂR VERİLERİNE DAYALI ORTALAMA RÜZGÂR GÜCÜ HESABI” başlığı altında anlatılan yöntemi kullanarak ortalama rüzgâr gücünü ve ortalama türbinin elektriksel çıkış gücünü hesaplayan bilgisayar programını (a) şıkkında oluşturduğunuz veri guruplarının her birisi için oluşturunuz.

(7)

7

NOT: Türbinin elektriksel çıkış gücünü hesaplamak için aşağıda verilen güç-hız eğrisini kullanınız.

V(m/S) P (kW)

ÖDEV TESLİMİ: Oluşturduğunuz program ve sonuçlarına ilişkin yorumları içeren bir rapor hazırlayınız. Raporu kağıt çıktı olarak teslim ediniz. Yapmış olduğunuz yazılımları ve raporu elektronik ortamda CD içerisinde teslim ediniz.

Teslim Tarihi: Finallerin ilk günü. Gecikme kesinlikle kabul edilmeyecektir. Mazereti olanlar önceden bildirmesi şartıyla belirlenen gün ve saatte teslim edebilir.

(8)

8

Rüzgâr Gücü Sınıflandırılması

Standart rüzgâr gücü sınıflandırılma tablosu aşağıda verilmiştir.

Rüzgâr gücü sınıfı

10m yükseklikteki ortalama rüzgâr hızı

(m/s)

10m yükseklikteki rüzgâr güç yoğunluğu (w/m2)

50m yükseklikteki rüzgâr güç yoğunluğu (w/m2)

1 0 - 4,4 m/s 0 - 100 0 - 200

2 4,4 - 5,1 100 - 150 200 - 300

3 5,1 - 5,6 150 - 200 300 – 400

4 5,6 - 6,0 200 - 250 400 – 500

5 6,0 - 6,4 250 - 300 500 – 600

6 6,4 - 7,0 300 - 400 600 – 800

7 7,0 - 9,5 400 - 1000 800 – 2000

SİSTEM GÜÇ-HIZ EĞRİSİ İdeal rüzgâr güç eğrisi

Rüzgar hızı (m/s) vR

PR

vc-i vc-o

P (kW)

Gerçekte bu güç eğrisi ile bire bir uyuşmaz. Örneğin aşağıda 3 farklı rotor tipi için güç-rüzgâr hızı eğrileri verilmiştir.

(9)

9

Rüzgar hızı (m/s) vR

600

vc-i vc-o

P (kW)

1000

1500 1500/64

1000/54

600/42

ROTOR ÇAPININ VE GENERATÖR NOMİNAL GÜCÜNÜN OPTİMİZASYONU:

Belirli bir rüzgâr türbini için en önemli teknik bilgiyi bize idealize edilmiş güç eğrisi verir. Bu güç eğrisi generatör elektriksel çıkış ile rüzgâr hızı arasındaki ilişkiyi gösterir.

Rüzgar hızı (m/s) vR (vRated)

PR

(PRated)

vc-i vc-o

Generatörün üretebileceği max. güç

P (kW)

Rüzgar gücü azaltılır:

“Kanat meyli ayarlanarak”

veya “kanatlar çok yüksek rüzgar hızlarında verimi düşecek şekilde tasarlanır (pasif kontrol)”

(10)

10

Verilen bu ideal güç eğrisi, rotor çapı ve generatör boyutunun birbirleri ile alan değişimleri karşısında, rüzgâr türbini tarafından sağlanabilecek uygun bir enerji seviyesi hakkında bilgi verir.

1) Generatör büyüklüğü aynı kalmak şartıyla rotor çapı artırılırsa güç eğrisi yukarı doğru kayar. Böylece nominal güce daha düşük rüzgâr güçlerinde ulaşılır.

v (m/s) vR

PR

vc-i vc-o

P (kW)

Rotor Çapı Arttırıldı

Başlangıçtaki eğri

Görüldüğü üzere bu strateji düşük rüzgâr hızlarında nominal gücü artırır.

2) Rotor çapı aynı kalmak şartı ile generatör boyutu arttırılırsa güç eğrisi yeni bir nominal güç seviyesi oluşturulacak şekilde yukarıya doğru genişler.

v (m/s) vR

PR

vc-i vc-o

P (kW) Daha büyük bir generatör

Başlangıçtaki generatör

(11)

11

Düşük rüzgâr hızlarında çok ufak değişiklikler olurken büyük rüzgâr hızlarında büyük değişiklikler olur. Dolayısı ile bu yöntem yüksek rüzgâr hızlı bölgelerde tercih edilebilir.

Bu değişimler kurulacak bölgedeki rüzgâr dağılımı ile birlikte dikkate alınarak üreticilere uygun siparişler verilmelidir.

RÜZGÂR ÇİFTLİKLERİ

Tek türbinin yeterli olduğu uygulamalar dışında arazi şartları dikkate alınarak ilgili bölgelerde birden fazla rüzgâr türbini (genelde mümkün olan fazla sayıda) aynı rüzgâr bölgesine kurulur.

Bu tür bölgelere “rüzgâr çiftliği”, “rüzgâr tarlası” veya “rüzgâr parkı” gibi isimler verilir.

Bu şekilde rüzgâr çiftlikleri oluşturmanın en önemli avantajları:

 Rüzgâr türbinlerinin aynı bölgeye kurulması daha düşük maliyet gerektirir.

 İletim hatlarına bağlantı kolaylığı oluşturur.

 İşletim ve bakım için merkezi bir erişim sağlar

Peki, bir bölgeye kaç adet türbin kurabiliriz. Öncelikle şunu belirtmeliyim ki türbinlerin birbirine çok yakın kurulması gölgeleme etkisi yapar. Yani rüzgârı karşıdan ilk olarak alan türbinler arkadakilerin verimini düşürür. Çünkü rüzgârın bir miktar enerjisi alınınca hızı yavaşlar. Eğer türbinler arasında uygun mesafeler seçilirse rüzgâr hızı kendisini yeniden toparlar.

Aşağıdaki şekil, engebesiz bir rüzgâr bölgesine düzgün ve eşit aralıklarla yerleştirilen rüzgâr türbinlerini dikkate alarak, ilgili rüzgâr çiftliği bölgesinin verimini, kuleler arasındaki mesafeye bağlı olarak verilmiştir. Burada, kuleler arasındaki mesafe rotor çapının bir fonksiyonu olarak gösterilmiştir.

(12)

12

Kuleler Arası Mesafe [Rotor Çapı]

100

90

80

70

0.0

3 4 5 6 7 8 9 10

50 60

Rüzgâr Çiftliğinin Verimi [%]

n adet rüzgâr türbini

n küçüldükçe eğri yukarı kayar

n büyüdükçe eğri aşağı kayar

Eğrinin Doyum Aralığı %85-%95

cvarındadır

Dikkat edelim bu sadece verim, bölgeden alınan toplam gücü göstermiyor.

Görüldüğü üzere kuleler arasındaki mesafe rotor çapının en az 9 katı olması durumunda rüzgârın diğer türbinleri etkilemesi minimumdur. Buradaki performanstaki % azalma şu şekilde hesaplanmıştır

Arazi yapısına göre değişkenlik arz etmekle birlikte, yapılan çalışmalarda optimum mesafenin aynı sıradaki türbinler için (3 ila 5) rotor çapı mesafesi, satırlar arasında ise (5 ila 9) rotor çapı mesafesi arasında gerçekleştiği görülmüştür.

(13)

13

Rotor Çapının (3-5) ka Rotor Çap

ının (5-9) katı Rüzgar

Rüzgar

Rüzgar

Yukarıdaki açıklamalar ışığında bir rüzgâr çiftliğinden alınacak toplam yıllık enerji (saatlik ortalama rüzgâr hızları bazında)

[ ∑

]

Burada türbinlerin güç-hız karakteristiğini, çiftlikteki türbin sayısını, ise çiftlik verimini göstermektedir.

Örnek: bir rüzgâr çiftliğinde aynı sıradaki türbinler arasındaki mesafe rotor çapının 4 katıdır.

Farklı iki sıra arasındaki mesafe ise rotor çapının 7 katıdır [4D ҳ 7D diktörtgeni+. Rüzgâr türbininin verimi % 30 ve matris verimi ise % 80 ise,

a) Birim arazi başına düşen yıllık enerji üretimini hesaplayınız *Rotor göbeği yüksekliğindeki (50) rüzgâr gücü:400 W/m2(rüzgâr sınıfı 4)+

b) Rüzgâr türbinini işleten oto-prodüktörün, türbinlerin bulunduğu araziye bir çiftlik sahibinden yıllığına 100 TL/dönüm’e kiraladığın düşünelim. Üretilen her bir kwh enerji için kira maliyeti ne kadardır.

(14)

14 Çözüm:

7D

7D 4D

4D

Rüzgar Türbini

Bir türbin başına düşen alan

(15)

15

Rüzgâr türbinlerinin arazi üzerindeki yerleşimi bölge üzerindeki rüzgâr hız dağılımlarına ve gölgeleme etkisine bağlıdır. Rüzgâr türbinlerinin arazi üzerindeki konuşlandırmasına karar verildikten sonra, şebeke bağlantısı için farklı bağlantı topolojiler vardır. Bu noktada iki ana topoloji söz konusudur.1.) Radyal şebeke, 2.) Ring şebeke.

Bağlantı topolojisine karar verilirken şebeke ortak bağlantı noktasının gerilim seviyesi, rüzgâr çiftliği içerisindeki enerji nakil hattının tipi (yer altı kablosu veya havai iletim hattı), trafo merkezinin konumu ve şebeke nötr ve topraklama sistemi gibi hususlar da dikkate alınmalıdır.

Radyal topolojiler içerisinde en basit rüzgâr çiftliği yapısı aşağıdaki şekilde resmedilmiştir.

Bu yapıda rüzgâr türbinleri bir ana kesici ve transformatör üzerinden şebekeye bağlıdır. Doğal olarak bu topoloji, maliyet açısından ekonomik olmasına rağmen arz güvenilirliği düşük olan bir yapıdır.

Şebeke Bağlantı Barası

Kesici Kesici

Transformatör AG/OG

veya OG/YG

Radyal Fider

Ayırıcı Ayırıcı

Ayırıcı

Rüzgâr Türbini

Aşağıda tek kollu radyal topolojinin birazdaha geliştirilmesi ile elde edilmiş olan çift kollu radyal topoloji verilmiştir. Fiderin çift kollu olması ile güvenilirlik seviyesi yukarıda verilen radyal topolojiye göre biraz daha iyileştirilmiştir. Ancak bu topolojide de ana kesicilerin açması durumunda tüm rüzgâr çiftliği şebekeden ayrılmış olacaktır. Bu yapı pratikteki rüzgâr çiftliği uygulamaları için tek kollu yapıya göre ha uygundur. Çünkü türbinlerin arazi üzerindeki yerleşimi çoğukez daha dağınık bir yapı arz etmekte olup bu durumda türbin bağlantılarını iki farklı kol üzerinden yapmak arazi şartları açısından daha uygun olacaktır.

(16)

16

Şebeke Bağlantı Barası

Kesici Kesici

Transformatör AG/OG

veya OG/YG Ayırıcı

Ayırıcı Ayırıcı

Rüzgâr Türbini Ayırıcı

Ayırıcı Ayırıcı

Rüzgâr Türbini

Çift Kollu Radyal Fider

Yukarıda verilen çift kollu fider yapısında her kol üzerine birer adet daha devre kesici eklenirse sistem güvenilirliği bir üst seviyeye çıkarılmış olur. Dolayısı ile bu şekildeki bir yapı bir ana fider ve bir iki alt fiderden oluşmuş olur. Özellikle yüksek kapasiteli rüzgâr çiftliklerinde tek bir kesiciye bağlı olmak risk seviyesini artıracağından aşağıda verilen radyal topoloji yukarıdaki yapılara göre en uygunu olacaktır.

(17)

17

Şebeke Bağlantı Barası

Kesici Kesici

Transformatör AG/OG

veya OG/YG Ayırıcı

Ayırıcı Ayırıcı

Rüzgâr Türbini Ayırıcı

Ayırıcı Ayırıcı

Rüzgâr Türbini

Alt Fider

Kesici Kesici

Alt Fider

Ana Fider

En yüksek güvenilirliğe sahip şebeke ring şebeke yapısında olacaktır. Böyle bir durumda herhangi bir türbinde oluşan arıza, şebeke yapısından dolayı oluşan alternatif yollardan dolayı diğer türbinlerin zorunlu olarak devre dışı kalmasına neden olmayacaktır.

Şebeke Bağlantı Barası

Kesici Kesici

Transformatör AG/OG

veya OG/YG Ayırıcı

Ayırıcı Ayırıcı

Rüzgâr Türbini Ayırıcı

Ayırıcı Ayırıcı

Rüzgâr Türbini

Ring Fider

Kesici Kesici

(18)

18

Rüzgâr Türbinleri/Çiftlikleri İçin Bazı Önemli Hususlar

 Kesiciler için önerilen açma süresi arızanın tespitinden itibaren 0.1 sn olmalıdır.

 Akım, gerilim, güç akışları ve frekans gibi büyüklükler scada sistemi üzerinden izlenmelidir. İzleme noktaları generatör giriş ve çıkışı, transformatör giriş ve çıkışı ile şebeke girişi olmalıdır.

 Rüzgâr enerji santralarında ayrıca, aşırı gerilim yükselmesi veya gerilim düşümüne karşı koruma, aşırı akıma karşı koruma, frekans yükselmesi veya düşümüne karşı koruma, toprak arıza ve kaçaklarına karşı koruma sistemleri olmalıdır. Ayrıca yıldırım koruma, şebeke aşırı gerilimlerine karşı koruma sistemleri de RES’lerin güvenli işletimi için oldukça önemlidir. Bu amaçla topraklama sisteminin standartlara (IEC 61400-24) uygun olarak yapılması gerekir.

 Koruma sisteminin çalışması ile ilgili blok diyagramı aşağıda verilmiştir.

Sensörler açma yaptırılması gereken durumu

tespit eder

Kontrolör veriyi analiz eder ve kontrol eylemine

karar verir

Kontrol sinyali kesiciye gönderilir

Kesici kontakları açılır

Buna göre şebekeye bağlı bir rüzgâr enerji santralında koruma sistemini aşağıdaki tek hat diyagramı ile gösterebiliriz.

Şebeke Bağlantı Barası

Kesici Kesici

Transformatör AG/OG

veya OG/YG Rüzgâr

Türbini Kontrolör Kontrolör

SAYAÇ

Güç Elektroniği Dönüştürücüleri

ve Kompanzasyon

Generatör Topraklama

(19)

19

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. 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.

(20)

20 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:

(21)

21 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 Ns ile gösterirsek,

p Ns 60f

f → frekans

p→ manyetik alan kutup çifti

N

S

Sincap Kafes Rotor Döner

manyetik alan

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  akıları, rotor tarafından kesilir. İndüklenen gerilimin genliği Faraday kanununa göre

dt

-d e 

(22)

22

22

→ rotor dönüşlerini kesen manyetik alan miktarı.

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 CosI

K

T   

K→oransallık katsayısı

 → Stator akı (dalgasının) genliği

2 → 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.

(23)

23

23

“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 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:

R1

X1

I1 R2

X2 I2

Rm Xm

R2 x[(1-s)/s]

I0

Vs

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: Pem=3. I2.R2[(1-s)/s] [watt]

Mekaniksel moment: Tem=Pem/

(24)

24

24

Tem : Rotorda oluşan elektromekanik moment *Nt-m]

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

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

Kayma S"

"

1

Moment

2 -1

0

Lineer Bölge

Motor Çalışma

Generatör Çalışma

Frenleme Bölgesi

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.

(25)

25

25 ÇÖZÜM :

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.

C

L YÜK

Kafes Rotor

Stator Endüktansı

Harici Kondansatör

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 NR=(1–s)Ns

NR=[1– (–0,01)].3000 = 3030 dev/dk

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

(26)

26

26

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.

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

ir

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 1000 [ ⁄ ] ile dönmesi gerekir. Bu durum ancak rotorun kendisinin [ ] ile dönmesi ile mümkündür.

(27)

27

27

nr=400 d/dk ns=1000 d/dk

nr=1000-400=600 d/dk

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.

nr=400 d/dk ns=1000 d/dk

nr=1000+400=1400 d/dk

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.

(28)

28

28 Es

fs

Pr

s.Pr

R

Ps

PFE

Pjs

Pv

nr Tm Pm Pyük

Pjr

PjR

nr=ns(1-s) Pm=Pr(1-s)

ns=120.fs/p

1. 3 fazlı Es kaynağı statora Pe gücünü gönderir.

2. Statordaki demir kayıpları (PFe) 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.

( )

Bu durumda motor momenti, ile verilir.

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

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

Alt-Senkron Hızda Çalışma: Çift beslemeli asenkron motorun rotoru, frekansı olan bir kaynağına bağlanırsa, kayma “ ⁄ ” değerinde otomatik olarak sabitlenecektir.

(29)

29

29

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

ve rotor tarafından aktarılan güç, olup rotor dirençleri üzerinde aktarılan güçten arta kalan kısım gücü olarak kaynağını besler. Yine bu durumda, olur.

Es

Pr

s.Pr

Ps

PFE Pjs

Pv nr Tm Pm Pyük

Pjr

Per Er

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.

(30)

30

30 Es

Pr

s.Pr

Ps

PFE Pjs

Pv nr Tm Pm Pyük

Pjr

Er Per

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

Yine burada moment, dir. Bu tür motorlar, pompa uygulamaları gibi değişken hızlı yüklerin sürülmesinde kullanılabilir.

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.

(31)

31

31 Es

Pr

s.Pr

Pes

DİŞLİ KUTUSU

PL Per

Er

Pjr

Pv PFE

Pjs

Pm

Tm

nr

nr = ns(1-s) Pm = Pr (1-s)

Şekil X. Senkron-altı modda generatör çalışma

Es

Pr

s.Pr

Pes

DİŞLİ KUTUSU

PL

Per Er

Pjr

Pv PFE

Pjs

Pm

Tm

nr

nr = ns(1+s) Pm = Pr (1+s)

Şekil XX. Senkron-üstü modda generatör çalışma

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

(32)

32

32

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,

- dişli kutusu ve diğer sürtünme kayıpları

- rotor kayıpları

- stator kayıpları

- stator demir kayıpları - konverter kayıpları olarak verildiğine göre;

(a) Rotorun alt senkron hızını, [ ] (b) Rotora aktarılan mekanik gücü, [ ]

(c) Rotordan statora aktarılan elektromanyetik gücü, [ ] (d) Rotora aktarılan momenti, [ ]

(e) Rotor sargılarına aktarılan elektriksel gücü, [ ]

(f) 50 Hz’lik şebekeden absorbe edilen elektriksel gücü, [ ]

(g) 50 Hz’lik şebekeye stator sargıları tarafından aktarılan gücü, [ ] (h) Verilen rüzgar türbin montajının genel verimini,

hesaplayınız.

ÇÖZÜM:

(33)

33

33 Es

fs=50

Pr s.Pr

Pes

DİŞLİ KUTUSU

Pkanat

Ed

(1) (2)

fr=20

(+) (-)

Pv Pm

PFE Pjs Per Pjr

Pnet P2

Pc

Şekil

Updating...

Referanslar

Updating...

Benzer konular :