Otomotiv, gemi, inşaat, vb. pek çok farklı alanda kullanılan ve bel kemiği elektrik enerjisi olan hemen her alanda karşımıza çıkan alternatörler, özetle makinelerin çalışması için gerekli olan elektriği temin eden elemanlardır.
Mekanik güçten tek fazlı veya üç fazlı güç üreten makinelere alternatör veya senkron jeneratör denir. Alternatörün çalışması, iletkeni bağlayan akımın değişmesi neticesinde, iletkende elektromotor kuvvet indüklenmesi ilkesine dayanır. Alternatörler, tükettiğimiz tüm elektrik enerjisinin birincil kaynağıdır. Bu makineler, dünyada bulunan en büyük enerji dönüştürücüleri olarak da ifade edilmektedir. Mekanik enerjiyi alternatif akım enerjisine dönüştürürler.
DC jeneratörü gibi alternatörün de bir armatür sargısı ve bir alan sargısı mevcuttur. Ama ikisi arasında önemli bir fark vardır. DC jeneratöründe, sargıda üretilen alternatif voltajı, dönen bir komütatör kullanarak terminallerde doğrudan voltaj dönüşümü sağlamak için armatür sargısı rotor üzerine yerleştirilir.
Alternatörde komütatör gerekmediğinden, alan sargısını dönen parça (yani rotor) ve armatür sargısını sabit parça (yani stator) üzerine yerleştirmek genellikle daha uygun ve avantajlıdır.
Alternatörün statorunda 3 fazlı sargı ve rotorunda DC alan sargısı vardır. Bu DC kaynağı (uyarıcı olarak adlandırılır) genellikle alternatörün şaftına monte edilmiş küçük bir bileşik jeneratördür.
Alternatörün çalışma prensibi, DC jeneratörün temel çalışma prensibine benzer. Bu prensip, aynı zamanda Faraday’ın elektromanyetik indüksiyon yasasıyla ilgilidir. Bu yasa, iletken ile manyetik alan arasında göreceli bir hareket olduğunda, akımın bir manyetik alan içindeki iletkende indüklenmesine dayanır.
Rotor sargısına DC uyarıcıdan enerji verilir ve rotor üzerinde alternatif N ve S kutupları geliştirilir.
Rotor bir ana hareket ettirici tarafından saat yönünün tersine döndürüldüğünde, stator veya armatür iletkenleri rotor kutuplarının manyetik akısıyla kesilir. Sonuç olarak, elektromanyetik indüksiyon nedeniyle armatür iletkenlerinde emk indüklenir.
Rotorun N ve S kutupları sırayla armatür iletkenlerini geçtiğinden, indüklenen elektromotor kuvvet (EMK) değişkendir. İndüklenen EMK’nin yönü Fleming'in sağ el kuralı ile bulunabilir.
Her fazda indüklenen voltajın büyüklüğü rotor akısına, fazdaki iletkenlerin sayısı ve konumuna ve rotorun hızına bağlıdır. Rotor döndürüldüğünde, armatür sargısında 3 fazlı bir voltaj indüklenir. İndüklenen EMK’nin büyüklüğü dönme hızına ve DC uyarı akımına bağlıdır. Armatür sargısının her fazındaki EMK’nin büyüklüğü aynıdır. Bununla birlikte, faz olarak 120° elektriksel farklılık gösterirler.
Alternatörler; tasarımına göre ve kullanım alanına göre gruplandırılabilir. Tasarım olarak çıkıntılı kutup tipi ve düz silindirik olarak ikiye ayrılabilir. Kullanım alanına göre alternatörler ise şu şekildedir:
Otomobillerde kullanılan piller (12v, 24v) DC güç kaynaklarıdır, dolayısıyla bu pili şarj ettiğinizde yine bir DC güç kaynağına ihtiyacınız olacaktır. Normal olarak jeneratörler, dahili bir döner mekanizma ile bir AC güç kaynağı üretir ve ayrıca bir pili şarj etmeden önce AC güç kaynağını bir redresör tarafından bir DC güç kaynağına dönüştürür. 1950'li yıllara kadar otomobillere uygun doğrultucu üretilmemişti, bu yüzden doğru akım jeneratörleri kullanıldı ve bu jeneratörler, dinamo olarak da adlandırılıyordu.
1950'lerin sonunda ucuz, kompakt ve yüksek performanslı doğrultucular geliştirildi ve DC jeneratörler yerine alternatif akımı doğru akıma dönüştürmek için bu doğrultucu ile donatılmış AC jeneratörler kullanıldı. Bu alternatörlere, otomobil alternatörleri adı verilir.
Otomobil alternatörlerinin özellikleri:
Yukarıda, alternatör çalışma prensibi bölümünde yaygın olarak kullanılan klasik tip ve kompakt alternatörleri ele aldık. Bu alternatörlerin haricinde endüstride lineer ve fırçasız alternatörler sıklıkla kullanılmaktadır.
Lineer alternatör, doğrusal hareket kullanarak alternatif akım (AC) üreten bir jeneratördür. Çoğu zaman doğrusal hareketi dönme hareketine dönüştürmek daha basit ve pratiktir. Örneğin, bir hidroelektrik santrali, depolanmış suyun potansiyel enerjisindeki enerjiden yararlanır. Bu enerji, aşağıya dönük bir vektör olarak görülen gücü sağlar, bu nedenle doğrusal bir cihazı çalıştırabilir, ancak bir türbin kullanarak gücü dönme enerjisine dönüştürmek çok daha kolaydır. Diğer amaçlar için doğrusal bir cihaz kullanmak da daha pratiktir.
Lineer alternatör de dahil olmak üzere elektrik jeneratörleri, genellikle manyetik kuvvet çizgilerini kesecek şekilde hareket ettirilen bir telin içinde akım üretileceği ilkesini kullanan elektromanyetik indüksiyon özelliğinden yararlanır.
Elektrik enerjisi, elektromanyetik indüksiyon kullanılarak büyük ölçekte üretilir. Lineer alternatörün muadili olan lineer motor, kısmen yuvasının içinde kısmen de dışında hareket edebilen bir şafttan güç alır. Ortaya çıkan hareket, hava tahrikli veya pnömatik aktüatörlerde ve sıvı tahrikli veya hidrolik aktüatörlerde bulunan harekete benzer. Elektrikli lineer motorlar, otomatik satış makinelerinde gıda ürünlerinin dağıtılması gibi nispeten düşük güç gereksinimlerinde uygulanır.
Tüm alternatörlerde manyetik alanda bir bobin teli döndürülerek veya sabit bir bobin teli içinde bir manyetik alan döndürülerek voltaj üretilebilir. Bobinin hareket etmesi veya manyetik alanın hareket etmesi önemli değildir. Her iki tasarım da aynı performansı sunar ve her ikisi de mekanik, elektrik ve diğer amaçlara bağlı olarak ayrı ayrı veya bir kombine sistem şeklinde kullanılabilir.
Fırçasız alternatörlerde her iki bobin ve manyetik alan hareketi tek bir makinede birlikte kullanılır. Alternatörün sabit kısmına stator, dönen kısmına rotor denir. Manyetik alan oluşturmak için kullanılan tel bobinlerine alan sargısı, gücü sağlayan bobinlere ise armatür sargısı denir. Burada hem rotor hem de marş motoru olarak kullanılan armatür ve alan sargısı bulunmaktadır.
Alternatör sarımı hakkında detaylı bilgi için bizlere ulaşabilirsiniz.