Bu teknik hesaplama yazısında; alternatör hesapları anlatılacak, alternatör hesaplama örnekleri gösterilecek ve çevrimiçi alternatör hesabı kullanılabilecektir.
Alternatör Nedir?
Alternatör, mekanik enerjiyi alternatif akım şeklinde elektrik enerjisine dönüştüren bir jeneratör türüdür. Genellikle sabit bir armatür ile dönen bir manyetik alan kullanır ve otomotiv uygulamalarından endüstriyel enerji sistemlerine kadar geniş bir yelpazede kullanılır. Alternatif akım üreten her elektrik jeneratörü teorik olarak alternatör olarak adlandırılabilse de, bu terim daha sıkıca içten yanmalı motorlarla tahrik edilen küçük döner makineleri tanımlamak için kullanılır.
Alternatörün Temel Çalışma Mekanizması
Alternatörler, Faraday’ın elektromanyetik indükleme yasasını temel alır. Manyetik alanı kesen bir iletkende elektromotor kuvvet (EMK) indüklenir. Bu prensip, rotor adı verilen döner bir manyetik alanın sabit sargıların yer aldığı stator içinde hareket etmesiyle gerçekleşirir. Rotor döndükçe, stator sargılarını kesen manyetik alan dalgalanır ve bu da alternatif bir akım (AC) oluşturur.
Rotor, kalıcı mıknatıs veya elektromıknatıs kullanılarak manyetik alanı oluşturur. Bu manyetik alanın hareketi, statorda enerji akışına yol açar.
Alternatörün Teknik Yapısı
- Rotor: Döner manyetik alanı oluşturan eleman. Kalıcı mıknatıslar veya elektromıknatıslar içerebilir.
- Stator: Sabit bir çerçeve üzerine sarılmış bobinlerdir. Rotorun hareketine yanıt olarak elektrik akımı burada indüklenir.
- Diyotlar: Alternatif akımın (AC) doğru akıma (DC) çevrilmesini sağlar.
- Fırçalar: Rotor ile stator arasındaki elektriksel bağlantıyı sağlar; ancak modern fırçasız tasarımlar bu unsuru ortadan kaldırarak daha az bakım gerektirir.
Senkron Hız ve Frekans Bağlantısı
Alternatörlerin performansı, rotor hızı (devir/dakika), kutup sayısı ve frekans arasındaki ilişki ile belirlenir. Bu bağlantı, aşağıdaki formül ile ifade edilir:
$$
N = \frac{120 \cdot f}{P}
$$
Burada:
- (N): Rotorun hızı (RPM),
- (f): Frekans (Hz),
- (P): Kutup sayısı.
Farklı kutup sayıları ve frekanslar için senkron hızını gösteren örnek bir tablo:
| Kutuplar | 50 Hz (devir/dakika) | 60 Hz (devir/dakika) | 400 Hz (devir/dakika) |
|---|---|---|---|
| 2 | 3,000 | 3,600 | 24,000 |
| 4 | 1,500 | 1,800 | 12,000 |
| 6 | 1,000 | 1,200 | 8,000 |
| 8 | 750 | 900 | 6,000 |
| 10 | 600 | 720 | 4,800 |
| 12 | 500 | 600 | 4,000 |
| 14 | 428.6 | 514.3 | 3,429 |
| 16 | 375 | 450 | 3,000 |
| 18 | 333.3 | 400 | 2,667 |
| 20 | 300 | 360 | 2,400 |
| 40 | 150 | 180 | 1,200 |
Alternatörün Uygulama Alanları
Alternatörlerin endüstriyel ve otomotiv alanlarındaki önemi büyümeye devam etmektedir. Endüstriyel alternatörler, elektrik enerjisinin şebekeden sağlanamadığı durumlarda veya yedekleme sistemlerinde yaygın olarak kullanılır.
Otomotiv Alternatörleri: Bu modellerde, fırçalar yardımıyla rotor alanı oluşturulur. Bu alanın kontrolü ile çıkış gerilimi çok hassas bir şekilde düzenlenir.
Fırçasız Alternatörler: Fırçasız tasarımlar, endüstriyel ve yenilenebilir enerji uygulamalarında çok daha dayanıklı ve uzun ömürlüdür. Gerilim regülatörleri, gerilim dalgalanmalarını dengeleyerek daha stabil enerji çıkışı sağlar.
Alternatörde Güç İhtiyacının Belirlenmesi | Alternatör Hesabı -1
Güç gereksinimini tayin ederken, aktif ve reaktif güçleri toplamak gereklidir. Alternatör etiketinde toplam görünür güç belirtilir. Bu güç, aktif ve reaktif güçlerin toplamından ibarettir. EN 60034-1 standardına göre müşteri tarafından aksi belirtilmedikçe, alternatörün güç katsayısı cosϕ=0,8 olarak kabul edilir. Güç katsayısı, aktif gücün (P) görünür güce (S) oranıdır.
Mesela, toplam gücü 100 kVA olan bir alternatörün aktif gücü 80 kW’dır. Bu, dizel motoru zorlayan gücün 80 kW olduğu anlamına gelir. Reaktif güç yalnızca alternatör sargılarını zorlar; lakin motor, reaktif gücü karşılamak için güç harcamaz.
Alternatör Seçimi
Alternatör tespiti yapılırken, aynı anda çalışacak tüm elemanların güçleri hesaplanmalıdır. Elektrik motorlarını çalıştıracak alternatör seçimi yapılırken, motorun yalnızca çalışma sırasında değil, yol alma esnasında çekeceği güç de dikkate alınmalıdır.
İndüksiyon motorlarının çalışma sırasında alternatörden çekeceği güç (Palt) şu şekilde hesaplanabilir:
$$
P_{\text{alt}} = \sqrt{3} \cdot U \cdot I_{\text{n}}
$$
Burada:
- (U): Gerilim
- (In): Nominal akım
Ancak motorun yol alma anındaki güç ihtiyacı, motor tipine ve bağlanma biçimine göre değişir. Örneğin:
- Sincap kafesli motor: Direkt bağlamada nominal akımın 5-6 katı, yıldız-üçgen bağlamada 1.7-2 katı akım çeker.
- Slip-ring motor: Nominal akımın 1.3-1.6 katı yol alma akımı çeker.
Alternatör Seçimi Örnek Uygulama
Bir alternatör, aşağıdaki elemanları aynı anda çalıştırmalıdır:
- 7 kW’lık akkor flamanlı lamba
- Yıldız-üçgen bağlı, 1500 d/d 11 kW ve 22 kW gücündeki iki adet asenkron motor
22 kW motorunun verileri:
- Gerilim (U): 380 V
- Nominal akım (In): 44 A
1. Yol aldıktan sonra gerekli güç:
$$
S_{\text{n}} = \sqrt{3} \cdot U \cdot I_{\text{n}} = \sqrt{3} \cdot 380 \cdot 44 = 28,959 \, \text{VA} = 29 \, \text{kVA}
$$
2. Yol alma için gerekli güç:
Yıldız-üçgen bağlantıda nominal akımın 2.1 katı yol alma akımı çeker:
$$
I_{\text{y}} = 2.1 \cdot I_{\text{n}} = 2.1 \cdot 44 = 92.4 \, \text{A}
$$
$$
S_{\text{y}} = \sqrt{3} \cdot U \cdot I_{\text{y}} = \sqrt{3} \cdot 380 \cdot 92.4 = 60,815 \, \text{VA} = 61 \, \text{kVA}
$$
Alternatörün %150 yüklenmeye uygun olduğu varsayılırsa:
$$
S_{\text{ya}} = \frac{S_{\text{y}}}{1.5} = \frac{61}{1.5} = 41 \, \text{kVA}
$$
11 kW motorunun çalışması için gerekli güç:
$$
S_{\text{ç}} = \sqrt{3} \cdot U \cdot I_{\text{n}} = \sqrt{3} \cdot 380 \cdot 22.6 = 14,874 \, \text{VA} = 15 \, \text{kVA}
$$
Işık kaynağı için gerekli güç:
$$
S_{\text{ı}} = 7 \, \text{kVA}
$$
Gerekli toplam güç:
$$
S_{\text{t}} = S_{\text{ya}} + S_{\text{ç}} + S_{\text{ı}} = 41 + 15 + 7 = 63 \, \text{kVA}
$$
Sonuç:
Geçici olarak 63 kVA güce ihtiyaç duyulurken, motor yol aldıktan sonra toplam sistem 51 kVA güç çekecektir. Bu nedenle 63 kVA kapasiteli bir alternatör tercih edilmelidir.
Alternatör Miline Uygulanacak Kuvvetin Hesaplanması | Alternatör Hesabı -2
Alternatörden belirli bir güç üretmek için miline uygulanması gereken kuvvet, alternatörün mekanik gücü ve dönüş hızı üzerinden hesaplanır. Bu hesaplamalar şu formüllerle gerçekleştirilir:
Mekanik Güç ile Tork Arasındaki İlişki
Alternatör miline aktarılan mekanik güç (Pmek) şu şekilde ifade edilir:
$$
P_{\text{mek}} = \frac{2 \pi N T}{60}
$$
Burada:
- (Pmek): Mekanik güç (Watt cinsinden),
- (N): Dönüş hızı (dakikadaki devir sayısı, rpm),
- (T): Tork (Newton-metre, (N \m)).
Alternatör Gücünden Mekanik Güce Geçiş
Alternatör tarafından üretilen elektriksel güç (Pelek), mekanik güç ile alternatör verimliliği (η) arasında ilişkilidir:
$$
P_{\text{mek}} = \frac{P_{\text{elek}}}{\eta}
$$
Burada, alternatör verimliliği genellikle ( η = 0.90 – 0.95 ) aralığındadır.
Örnek Hesaplama
63 kVA (görünür güç) kapasitesine sahip bir alternatörün miline uygulanacak kuvveti hesaplayalım. İlk olarak görünür güç aktif güce çevrilir:
$$
P_{\text{elek}} = S \cdot \cos\phi
$$
Burada:
- (S = 63 kVA = 63,000VA),
- ( cos_phi = 0.8 ).
Hesaplayalım:
$$
P_{\text{elek}} = 63,000 \cdot 0.8 = 50,400 \, \text{Watt}
$$
Mekanik güç şu şekilde bulunur:
$$
P_{\text{mek}} = \frac{P_{\text{elek}}}{\eta} = \frac{50,400}{0.95} \approx 53,053 \, \text{Watt}
$$
Tork Hesabı
Alternatör 1500 d/d hızda çalışıyorsa (N = 1500rpm), mildeki tork şu şekilde hesaplanır:
$$
T = \frac{P_{\text{mek}} \cdot 60}{2 \pi N}
$$
Hesaplamayı yapalım:
$$
T = \frac{53,053 \cdot 60}{2 \pi \cdot 1500} \approx 338.2 \, N \cdot m
$$
Kuvvet Hesabı
Milin uygulandığı yarıçap (r) biliniyorsa, kuvvet (F) şu şekilde ifade edilir:
$$
T = F \cdot r \implies F = \frac{T}{r}
$$
Eğer mil yarıçapı (r = 0.1m) (10 cm) ise, kuvvet:
$$
F = \frac{338.2}{0.1} \approx 3382 \, \text{N}
$$
Neticede;
63 kVA güç üreten bir alternatörün miline, 1500 rpm hızında dönmesi için 338.2 Nm tork uygulanmalıdır. Eğer mil yarıçapı 0.1 m ise, uygulanması gereken kuvvet yaklaşık yaklaşık 3382 N olacaktır.
Not: Yukarıdaki otomatik hesap kısmında, yuvarlama ve pi sayısının alınan basamak sayısı daha hassas olduğu için yakın fakat farklı bir değer oluşacaktır.
RASTGELE TEKNİK İÇERİK İÇİN TIKLAYIN!
İlginizi Çekebilecek Teknik Hesaplar
Kompanzasyon Hesabı
Aydınlatma Hesabı
Yüksek Gerilim İşletme Sorumluluğu Ücreti Hesabı
Sosyal medyada teknik bilgilere maruz kalmak için:
YouTube – Instagram
