Senkron Motorlar

Senkron makinalar, frekans ve kutup sayısıyla orantılı olarak sabit bir hızda çalışan alternatif akım elektrik makinalarıdır. Hem generatör olarak mekanik enerjiyi elektrik enerjisine, hem de motor olarak elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirirler. Senkron makinada enerji dönüşümü için gerek ve yeter şart makinanın rotorunun senkron
hızda dönmesidir.Senkron motorların çalışma prensibi asenkron(indüksiyon) motorlarınkinden farklıdır.
Asenkron motorlarda stator’a alternatif akımın(AC) uygulanması ile döner bir manyetik alan oluşmakta, bu manyetik alan rotordaki iletken çubukları indükleyerek ikinci bir manyetik alanın oluşmasına sebep olmakta ve bu iki manyetik alanın etkisi ile rotor, döner manyetik alanla aynı yönde dönmekteydi. Asenkron motorların çalışması esnasında rotorun devir sayısı her zaman döner alanın devir sayısından küçük olduğu için(kaymadan dolayı) senkron bir şekilde çalışmadığını ve bu yüzden asenkron motor adı ile anıldığını söylemiştik. Senkron motorlarda senkronizasyon gerçekleştiği için, yani döner alan ile rotorun hızları eşit olduğu için bunlara da senkron motorlar denir ve çalışma prensibi ise bu temele dayanır.

Asenkron motorlarda stator’a 3 fazlı alternatif akım uygulanarak döner manyetik alan oluşturulur. Aynı şekilde senkron motorlarda da bu işlem uygulanır. Fakat asenkron motorlardan farklı olarak bu sefer rotordaki kutuplara doğru akım(DC) uygulanır. Doğru akım yön değiştirmediğinden dolayı, kutuplar çalışma süresince özelliklerini aynen korurlar ve N kutbu daima N kutbu olarak, S kutbu ise daima S kutbu olarak kalır. Stator’a uygulanan 3 fazlı akım bu sargılarda bir döner alan oluşturur ancak statörün döner alan kutupları ile rotorun sabit kutupları rotorun ataletinden dolayı kilitlenemez ve bu sebeple motor dönmez.
Rotor ve statorda zıt kutuplar birbirlerini iter, aynı kutuplar karşılıklı geldiklerinde ise birbirlerini çekerler. Bu itme ve çekme olayı sonucu rotor başlangıçta duruyorsa, motor hep durur, rotor başlangıçta dönüyorsa rotor hep döner. Bundan dolayı rotora dışarıdan yardımcı bir kuvvetle hareket verilir. Bu hareket verildiği anda rotorun dc gerilim verilen kutupları ile statorun ac gerilim verilen kutuplarının oluşturduğu alanlar birbiri ile kilitlenir ve senkronize bir dönme işlemi başlar. Bu senkronizasyon sonucu senkron motorlarda asenkron motorlardaki gibi kayma olayı gerçekleşmez.

Senkron motorları hareket eder hale getirmek için farklı yöntemler vardır.
1- Senkron motor başlangıçta asenkron motor olarak çalıştırılıp daha sonra rotor kutuplarına dc gerilim uygulandığında rotor kutupları ile döner alan kutupları birbiri ile kilitlenerek senkronize çalışmaya başlar.
2- Döndürme amaçlı olarak yardımcı bir makine ile çalışmayı başlatmak
3- Şebeke ile senkronize ederek çalışmayı başlatmak
4- Uyartım dinamosu ile çalışmayı başlatmak

Senkron makinaların sabit bir dönme hızında çalışmaları , endüstride elektrik motoru olarak kullanılmasını kısıtlar. Senkron makinalar , elektrik enerjisi üretiminde generatör olarak en yaygın kullanılan makinalardır. Senkron motorlar, yaklaşık yüzde 90 oranla generatör olarak kullanılır. 2000 MVA güçlere kadar üretilebilmektedirler. Birim güç başına maliyetlerinin düşük olması, artan güç ile verimlerinin yükselmesi, ayrıca bakım ve kontrol işlemlerinin az olması çok büyük güçlerde üretilmelerini ve enerji üretiminde kullanımını sağlamaktadır.

Senkron Makinaların Yapısı ve Kullanım Alanları
Senkron makinalar, duran kısım stator (endüvi) ve hareketli kısım rotor olmak üzere iki kısımdan oluşur. Stator sac paketlerinden yapılmış olup iç kısmına sargıların yerleştirilmesi için oluklar açılmıştır. Senkron makinalar, uyarma sargılarını taşıyan rotorun yapısına göre iki gruba ayrılır. Stator ve rotor arasındaki hava aralığının her yerde sabit olduğu makinalara “Yuvarlak Rotorlu (turbo) Senkron Makinalar” ve stator iç çevresinin düzgün olmasına karşın rotor dış çevresinin düzgün olmadığı makinalara da “Çıkık Kutuplu Senkron Makinalar” denir.
Yuvarlak rotorlu senkron generatörler küçük kutup sayısı ve yüksek senkron devir sayısı için üretilmekte ve yüksek devirli buhar türbinlerinde kullanılmaktadır. Yüksek devirli buhar türbini uygulamasında kullanılan makinaların rotor boyları uzun ve çapları küçüktür. Çıkık kutuplu senkron generatörler ise genellikle çok kutuplu olarak ve düşük senkron devir sayısı için üretilmektedirler. Bu tip senkron makinaların rotor boyları kısa, çapları ise geniş olmaktadır. Hidroelektrik santrallerde elektrik üretimi için çıkık kutuplu senkron makinalar kullanılır. Şebekenin güç faktörünün düzeltilmesinde senkron motorlar kullanılır.

Elektrik motorların asenkron tipleri standart bir aygıt olmuştur. Senkron tipleriyse, büyük güç gerektiren yerlerde kullanılabilir. Alternatif akım motorları iki grupta toplanabilir: asenkron motorlar (indüksiyon motorları) ve senkron motorlar. Bütün bu motorların temel ilkesi, metalden yapılmış bir kütlenin, döner bir elektromanyetik alan yardımıyla sürüklenmesine dayanır. Bu iki grup motorlarda da eksenli iki armütür bulunur: bunların ilki olan stator sabit, ikincisi rotorsa hareketlidir. Senkron motorun statoru asenkron motorun statoruyla aynı şekilde ve aynı yapıdadır; birbirinden vernikle yalıtışmış manyetik saçlardan oluşan bir bilezik biçimindedir; bu saçların üzerindeki yivlere üç fazlı akımlarla beslenen bir sargı sarılmıştır. Bir bağımsız senkron motorda manyetik alanı, rotorun sargısını besleyen bir doğru akım yaratır; burada rotorun çalışma hızı vardır. Bu tip motorların başlıca yetersizliği, rotorun kendi başına harekete geçmemesi sorunudur.
senkron makinenin çalışma ilkesi iki farklı çalışma türü için açıklanabilir; bunlardan birinde makine generatör, diğerinde ise motor olarak çalışır. Makinenin çalışması için var olması gerekekn büyüklükler farklıdır fakat her ikisinde de gereken ve ortak olan manyetik akıdır.

Senkron Makinanın Generatör Olarak Çalışması

Manyetik alan kutup sargısının bulunduğu makinenin hareketli parçası olan rotorda üretilir. Kutup sargısı doğru akımla beslenerek hava aralığında zamana göre değişmeyen, genliği sabit olan doğru manyetik alan meydana getirir ve bu alan rotorun döndürülmesi ile statora yerleştirilmiş sargının düzlemlerinden değişik açılarda geçer ve gerilim endükler. Bu sargıda endüklenen gerilim alternatif gerilimdir, yani zamana göre değişir.

Senkron Makinanın Motor Olarak Çalışması

Motor çalışma ise makinenin elektrik enerjisini kullanarak, manyetik alan yardımıyla mekanik enerji üretmesidir.Gereken elektrik şebekeden çekilir. Manyetik alan ise generatörde olduğu gibi rotordaki kutup sargılarının doğru akımla beslenmesi ile elde edilir. makinenin motor çalışabilmesi için şebekeden çekilen elektrik akımının stator sargılarında dönen manyetik alan meydana getirmesi gereklidir. Sargılar kaç fazlıysa o kadar fazlı akım uygulanması gerekir. Böylece elde edilen manyetik alanın dönme hızı ile içinden doğru akım akan kutup sargılarının dönme hızı eşitlenir. İki döner alan beraber hareket eder ve bunun sonucunda elde edilen kuvvet rotorun sürekli senkron devir sayısında kalmasını sağlar. Böylece makine şebekeden çektği elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür.

Çalışma esnasında üzerine çok fazla yük verildiyse, stator döner alanı ile uyarma işini gerçekleştiren rotor kutuplarının manyetik alanı birbirinden kopar, bu da senkronizmadan kopmadır ve sonuçta motor durur. Bu iyi bir özelliktir, çünkü senkron motor hiçbir zaman “yanmaz”, sadece durur ve de üzerine (motor mili) aldığı yükü sakince bırakır. Asenkron motorda ise bu hadise içler acısıdır, durmadığı için tüm yüke yüklenir ve şebekeden çok yüksek akım çeker ve sonuçta etrafa yanık bobinlerdeki iğrenç vernik kokusu yavaş yavaş dolmaya başlar.(Vernik bobinlerdeki telleri yalıtmak amacıyla kullanılır)
Asenkron motorlarla arasındaki en önemli fark iki ayrı manyetik alana sahip olmasıdır.