Alternatör Nedir?

jeneratörlerde Alternatör

Alternatör nedir?

Alternatör, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren dalgalı akım üretecidir.  Alternatif akım üretmeye yarayan cihaza alternatör denir. Bu cihazlara alternatif akım jeneratörleri de denilmektedir.

Alternatör Nasıl Yapılır?

Alternatör yapısı; bir mıknatıs ve bu mıknatısın kutupları arasında dönen bobinden (armatür) meydana gelmiştir. Alternatör yapımında neodymium mıknatıslar verimlilik ve pratiklik açısından teknolojik gelişmelerin anahtarı olmuştur. Alternatör parçaları; fırça, kollektör (toplaç) ve manyetik kutuplar alternatörün diğer parçalarıdır.  Armatürün bir ucu kollektöre, diğer ucuda diğer  kollektöre bağlanır. Bu kollektörler bir milin etrafında alternatör ile beraber dönecek şekilde ayarlanır.  Kollektörlere temas eden iletken fırçalar ile, kollektörlere gelen akım alınır.

Alternatörde alternatif akım şu şekilde meydana gelir; armatür (bobin) manyetik alan  çizgilerine paralel halde ve hareketsizken içerisinden manyetik alan kuvvet çizgisi geçmediği için ve hareket olmadığından akım sıfırdır. Çerçeve herhangi bir tarafta döndürülürse, bobinden geçen manyetik alan kuvvet çizgilerinin sayısının değişmesine bundan dolayı akımın meydana gelmesine sebep olur. Bobin 90° döndüğü zaman bobinden geçen manyetik alan kuvvet çizgilerinin sayısı ve akım en büyük değerine ulaşır. Bobin aynı tarafta dönmeye devam ederken bobinden geçen manyetik alan kuvvet çizgilerinin sayısı azalmaya başlar. Bobin 180° olduğu zaman ise akım yine sıfır olur. Bobin aynı tarafta döndüğü sürece, aynı şekilde;  fakat  aksi tarafta akım oluşur. Sonuç olarak bobin bir tam dönüş yaptığı zaman, akım iki defa taraf değiştirir. Bobinin dönme hızına bağlı olarak akımın yön değiştirme hızı yani frekansı da artar.

Bazı alternatörlerde, bobin sabit tutularak mıknatıs döndürülür ve böylece alternatif akım meydana getirilir. Alternatör, mekanik enerjiyi alternatif akıma çeviren elektromekanik bir cihazdır. Çoğu alternatör bu işi yapmak için dönen bir manyetik alan kullanır. Aslında çoğu alternatif akım jeneratörü alternatör olarak adlandırılabilir ama genelde hareketini içten yanmalı motorların sağladığı alternatif akım üreteçlerine bu isim verilir.

Alternatör Çalışma Prensibi

Alternatörler doğru akım üreteçleri ile aynı mantıkla çalışırlar. Bir iletkenin çevresindeki manyetik alan değişince iletkende bir akım meydana gelir. Modern tipik bir alternatörde rotor adı verilen mıknatıslar demir nüvesine sarılmış olan stator denilen sabit iletken sargıların içinde yada çevresinde dönerler. Mekanik enerjinin rotorları döndürmesi ile iletkenlerin çevresindeki manyetik alan değişir ve elektrik akımı üretilir.

Rotorun manyetik alanı indüksiyonla ( fırçasız jeneratörlerde ), mıknatıslarla ( genel olarak çok küçük makinalarda ) yada fırçalar vasıtasıyla aktarılacak bir akım elde edilebilir. Otomobillerde kullanılan alternatörlerde rotordaki manyetik alan her zaman fırçalarla aktarılan akımla meydana getirilir. Bu durumda rotordaki akım kontrol edilerek alternatörün meydana getirdiği voltajın kontrol edilebilmesi sağlanır.

Mıknatıs kullanan alternatörler ayrıca rotora akım vermek zorunda olmadıkları için daha verimlidir. Ama mıknatısın maliyeti, mıknatısın büyüklüğü ile sınırlıdır. Mıknatısın manyetik alanı sabit olduğu için üretilen voltaj devirle birlikte artar. Fırçasız alternatif akım üreteçleri genel olarak otomobillerde kullanılan üreteçlerden daha büyük makinalardır. Fırçasız alternatörler de alternatör çalışma prensibine göre ikaz ve ana sistem olarak iki bölüme ayrılabilir.

Ana sistemin hareketli bölümü olan ana rotor devir sayısına göre değişen sayıda kutuplardan meydana gelir. Rotordaki ana kutuplar çevirici makinenin devrinde döndürülür. Kutuplarda manyetik akı meydana gelmesi için doğru akım gereklidir. Ana kutuplara doğru akım ikaz sistemi tarafından verilir.

İkaz sisteminin çalışma prensibi ana sistemle aynıdır.

Ancak kutup ve sargılar ters çevrilmiştir. Yani, ikaz sisteminde kutuplar hareketsiz olan ikaz statoru üzerinde, sargılar ise dönen ikaz rotoru üzerindedir.
Ana statordaki bağımsız yardımcı sargılardan geçen akım voltaj regülatörler de doğrultularak, ikaz statorundaki kutup sargılarına verilir. Kutuplardan çıkan manyetik akıyı kesen ikaz rotoru üzerinde bulunan bobinlerde üç faz alternatif akım meydana gelir. Alternatif akım, rotordaki döner köprü diyotlar da doğrultularak ana rotora (ana kutuplara) doğru akım olarak iletilir.
Fırçasız alternatörlere yük tatbik edildiğinde, voltaj düşümünü önlemek ve voltajı istenilen düzeyde tutmak için voltaj regülatörü kullanılır.

Basit jeneratör de alternatif gerilim üretimini adım adım incelersek; N-S kutupları arasında bulunan bobinin,

• Birinci durumda kuvvet çizgisine paralel olduğundan kuvvet çizgilerini kesmeyecek ve gerilim oluşmayacaktır. Yani kuvvet çizgisi ile bobin kenarı arasındaki açı sıfırdır. Yani gerilim formülü e=Emax. Sinφ formülü baz alındığında Sin 0=0 olur. Voltta sıfırdır.
• İkinci durum 90° ye gelindiğinde Sin 90°=1 olduğundan kuvvet çizgilerini bobinin kenarını dik kestiği için e=Emax.Sinφ + (artı) durumuna geçecektir. Bir gerilim meydana gelecektir.
• Üçüncü duruma çevrildiği zaman meydana gelen gerilim tekrar sıfır volt olur. Kuvvet çizgileri bobin kenarlarını kesmediği için gerilim üretmez. Sinüs açısı 180° olur. 180°=0 volttur.
• Dördüncü duruma çevirdiğimizde bobin kenarı kuvvet çizgilerini dik keseceğinden bobin açısı 270°= -1 olur. Ve maksimum değerde gerilim üretir. Ama bu değer – (eksi) yönünde oluşur.
• Beşinci duruma geldiği zaman kuvvet çizgileri paralel olacağı için bobin kenarlarını kesemeyecek ve gerilim sıfır olur. Açısı 360°=0 volttur. Anlattığımız durumlarda manyetik kuvvet çizgileri bobin kenarlarını değişik açılarda sıfırdan artı maksimum, artı maksimumdan sıfıra, sıfırdan eksi maksimuma, eksi maksimumdan tekrar sıfıra sinüsal bir eğri içerisinde değişim göstererek değişken gerilim indüklemeleri meydana getirir. Bir bobinin 0° den 360° kadar olan periyodunu incelemiş olduk. Bu süreye “saykıl” da denir. Bobin üzerinde indüklenen bu gerilime “ani gerilim” denilir.

Üretilen bu ani gerilim değeri dikkate alınmaz. Önemli olan efektif değerdir. Çünkü dairesel olarak hareket eden ve üzerinde gerilim ündiklenen bobinin gerilim etkinliği değeri;

E= 4,44.Φ.f.N.10¯⁸   volt formülü İle hesaplanır.

Bobini hareket ettirmeden sabit tutar, kuvvet çizgisini çevirirsek bir gerilim ündiklenmesi bobin üzerinde tekrar meydana gelir. Gerilimin etkin değeri bu hareketten hiç birşey kaybetmez. Çünkü bazı jeneratörler döner manyetik alan sabit bobin üzerine çalışmaktadır.

Alternatör Kısımları

• Stator

Stator bobinleri ve stator çekirdeklerinden  oluşmuştur ve ön ve arka kapaklara tespit edilmiştir. Stator çekirdeği, çelik kaplanmış ince plakalardan oluşur.

• Rotor

Kutup çekirdekleri (manyetik kutuplar) bir manyetik alan bobini (rotor) kayar bilezikler ve bir rotor milinden oluşmuştur.

• Diyot

Eş yüklü diyot  tablaları içerisinde, üç adet pozitif (+) üç adet negatif (-)  diyot bulunur. Alternatör tarafından üretilen akım, uç kapaklardan yalıtılmış pozitif yönlü diyot tablalarından verilir.

Endüstriyel Alternatörler

Bir çevirici makine tarafından çevrilen hareket enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren elektrik makinesi alternatörlerdir. Alternatörler alternatif akım üreteçleridir. Genel olarak elektrik enerjisinin şebekeden sağlanamadığı ortamlarda kullanılır. Alternatör rüzgar enerjisi, dizel motor ve su türbinleri gibi değişik çeviricilerle kullanılabilir. Elektrik ihtiyacı olan ortamda  şebeke yedeği olarak dizel motor ile tahrik edilen alternatörler kullanılır. Günümüzde fırçalı alternatörler yerine modern ve bakım gerektirmeyen fırçalı ve voltajın elektronik voltaj regülatörü ile sabitlendiği alternatörlere bırakmıştır.

Piyasada en küçükten en büyüğe kadar alternatör ve jeneratör makineleri imalatı yapan firmalar vardır. Her üretici firmaya göre alternatör fiyatları değişmektedir..

Bir alternatörün gücü iki şekilde anlatılır.

Devamlı Güç: 

Alternatörün tam yükte, devamlı, kesintisiz çalışmaya müsait olması

Yedek (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. Örneğin; devamlı gücü 100 KVA olan alternatörün standby gücü 110KVA olarak izah edilir. Piyasada genelde Standby güç verilir.

Oto Alternatörü

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 dayanıklıkları sayesinde daha yüksek hızlarda çalışabilirler, böylece otomobillerdeki altenatörler motor hızının iki katı hızda dönebilir, bu da alternatörün rölantideki çıkış gücünü artırır. Alternatörler otomobillerde aracın hareket enerjisinden faydalanarak  aküye enerji gönderir ve aküyü şarj etmede kullanılır.

Oto alternatörü hareketi ileten ve alternatör olarak bilinen bir kayış vardır. Oto alternatörü; mekanik enerjiyi alternatif akıma dönüştüren cihazlardır. Diğer adı da şarj dinamosudur.1960 yıllarından sonra yarı iletken diyotların ucuza bulunabilmesi ile birlikte otomobil firmaları 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.

Günümüz oto alternatörlerinde voltaj düzenleyicisi vardır. Tipik bir oto alternatörü manyetik alanı iletişim bileziği ile iletilen doğru akımla meydana getirir. Manyetik alan akımı sabit endüktör sarımlarından alınan akımdan daha küçüktür, bundan dolayı büyük iletişim bileziklerine gerek yoktur. Örneğin 70 amperlik bir doğru akım üreten bir alternatörün manyetik alanını meydana getirmek için gereken akım 2 amperden küçüktür. Voltaj düzenleyicisi stator çıkışında sabit voltaj üretmek için manyetik alan akımını gerektiği şekilde düzenler. eski otomobillerde manyetik alan sargıları kontak anahtarı ve şarj ikaz lambası üzerinden beslenir, kontak açık konumda ve motor çalışmıyorken ikaz lambasının yanmasının nedeni budur. Motor çalıştırıldıktan ve alternatör akım üretmeye başladıktan sonra, manyetik alan sargısı bir diyot tarafından alternatörün ana çıkışı ile beslenmeye başlar ve uçlarındaki voltaj dengelenmiş olan uyarı ışığı söner. Manyetik alan akımını sağlayan hata uyarıcı hat denir.

Günümüz otomobillerinin alternatörlerinde voltaj düzenleyicisi bulunur.

Tipik bir otomobil alternatörü manyetik alanı iletişim bileziği ile iletilen doğru akımla oluşturur. Manyetik alan akımı sabit stator sarımlarından alınan akımdan çok daha küçüktür, dolayısıyla büyük iletişim bilezikleri gerekmez. Mesela 70 amperlik bir doğru akım üreten bir alternatörün manyetik alanını oluşturmak için gereken akım 2 amperden daha küçüktür. Voltaj düzenleyicisi stator çıkışında sabit voltaj üretmek için manyetik alan akımını gerektiği gibi düzenler. Bir çok eski otomobilde manyetik alan sargıları kontak anahtarı ve şarj ikaz lambası üzerinden beslenir, kontak açık konumda ve motor çalışmıyorken ikaz lambasının yanmasının sebebi budur. Motor çalıştırıldıktan ve alternatör akım üretmeye başladıktan sonra, manyetik alan sargısı bir diyot tarafından alternatörün ana çıkışı ile beslenmeye başlar ve uçlarındaki voltaj dengelenmiş olan uyarı ışığı söner. Manyetik alan akımını sağlayan hat genellikle “uyarıcı hat” olarak adlandırılır.

Sistem basittir ve alternatörün 100 ampere (tipik bir otomobil 40-60 amperlik alternatörlere sahiptir) kadar akım taşıyabilen ana çıkış devresinde büyük anahtarlar gerektirmez. Sistem de ikaz ışığı bozulduğu zaman veya uyarıcı hat koptuğu zaman manyetik alan sargısına akım ulaşamaması ve alternatörün güç üretememesidir. Ama bazı alternatörler belirli hızlarda döndürüldüklerinde uyarıcı akım üretebilirler.  Sürücü, uyarıcı hattın koptuğunu motor çalışmıyorken yanan ikaz lambasından anlar. Modern sistemler daha gelişmiş elektronik izleme sistemlerine sahiptir ve böyle bir sorunda sürücüyü uyarırlar.

Ağır iş makinelerinde ve acil durum araçlarında kullanılan alternatör imalatı 150 Amper’e kadar yapılır. Çok az ışığı ve elektronik sistemi olan eski araçlar ise sadece 30 amperlik bir alternatöre sahiptir. Hibrid otomobiller, alternatör ve marş motorunu birleştirerek her iki görevi de üstlenen bir motor- jeneratör kullanır. Bu motor – jeneratör hem içten yanmalı motorun çalıştırılmasını sağlar, hem hızlanma için güç sağlar, hem de sabit hızda seyir halinde iken aracın yüksek kapasiteli akülerini şarj eder. Bu cihazlar kontrol için yukarıda anlatılan basit alternatörlerden çok daha gelişmiş elektronik sistemlere sahiptir.

Şarj Dinamosu: 

Şarj dinamosu yada şarj üreteci doğru akım jeneratörleri’dir. Stator sargıları ve kollektörü paralel çalışır. Dinamo aküyü şarj eder ve araçların elektrikli cihazlara gerekli akımı sağlar.

Dinamo:

Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren doğru akım makinelerine dinamo veya doğru akım jeneratörü denir. Üretilen enerji AC veya DC olması fark etmez. Önemli olan enerjiyi verimli olarak kullanabilmektir.