Alternatif Akım

Alternatif Akım:
Okullarda, evlerde, işyerlerinde, ve sanayide kullanılan elektrik akımı bir pilden yada akümülatörden elde edilen elektrik akımından farklıdır Bir pilin yada akünün verdiği akım sürekli olarak aynı yönde akar ve buna doğru akım denir Şehir elektriğine bağlı bir ampulden geçen akım ise sürekli ve düzenli bir biçimde yön değiştirir Prize bağlı ampulden geçen akım da kısa zaman aralıklarıyla yön değiştirir Prizin verdiği akım sıfırdan başlayıp kısa bir sürede belirli bir değere yükselir, daha sonra tekrar sıfıra düşer ve yönünü değiştirip ters yönde akmaya başlar Bu tür değişen bir akıma alternatif akım denir AC veya ~ sembolüyle gösterilir

Alternatif akım üreten santraller; hidroelektrik, termik ve nükleer santraller olmak üzere üç türdür

Hidroelektrik Ve Termik Santraller:

Hidroelektrik Santraller: Şehirlerde kurulan elektrik akımı çoğunlukla akarsu ve su buharı ile çalışan elektrik santrallerinde üretilir Bunlara hidroelektrik santral denir

Hidroelektrik santrallerin yapım maliyetinin yüksek olmasına karşı, çevre kirliliği yaratmaması, üretimin kolay ve sürekli olması nedeniyle tercih edilir Hidroelektrik santrallerin olumsuz yanları da vardır Örneğin hidroelektrik santrallerin kuruldukları yerlerde verimli topraklar, köyler, kasabalar su altında kalır

Termik Santraller: Bazı santrallerdeyse su buharı kullanarak elektrik üretilir Bu tür santrallerde su buharı elde etmek için taş kömürü, linyit kömür, fuel-oil ve doğal gaz gibi yakıtlar kullanılır Bu tür yakıtla çalışan santrallerde termik santral denir

Termik santrallerde; kömür, doğal gaz, fuel-oil gibi fosil yakıtlar kullanılarak buhar kazanlarında buhar üretilir Üretilen buharın basıncı türbinleri çevirir Buhar türbinleri jeneratörleri çevirir ve devreye bağlı mıknatısların etkisiyle alternatif akım oluşur

Ülkemizde termik santrallerde genellikle kömür kullanılmakla birlikte gaz ve fuel-oil ile çalışan santrallerde vardır

Termik santrallerde büyük bir çevre kirlenmesine, hava kirliliğine ve asit yağmurlarına neden olmaktadır Baca filtrelerini kullanarak, yüksek bacalar yaparak ve atıklar kontrol altına alınarak çevreye zarar verdikleri zararlar önlenmeye çalışılsada tam anlamıyla önlenememektedir

Ülkemizdeki Bazı Hidroelektrik ve Termik Santrallerle Kurulu Güçleri:



(Kaynak: TEAŞ Genel Müdürlüğü’nün 26121996 gün ve 3129 sayılı yazısı)

Jeneratörler:
Jeneratörler mekanik enerjisi mıknatıslar ve bobinler aracılığıyla elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir

Jeneratörlerin Yapısı:



Şekilde de görüldüğü gibi jeneratör, iki mıknatıs arasına yerleştirilmiş dikdörtgen çerçeve şeklinde sarımlı tellerden oluşan bir araçtır

Jeneratörlerde üretilen akımın bir kısmı içinde yumuşak demirden yapılmış levhaların olduğu çok sarımlı bobinlerden geçirilerek magnetik alan oluşturulur Yani, jeneratör kendi magnetik alanını kendisi oluşturur

Jeneratörün rator ve stator olmak üzere iki ana parçası vardır
Mıknatısın yada bobinin( bobin bakır telin üst üste bir makaraya sarılmasıyla elde edilir) Miliampermetreden akım geçtiği gözlenir Mıknatısın N kutbu bobinin içine sokulduğunda oluşan ve iletken telden geçen akımın yönüne terstir Mıknatısın S kutbu bobine yaklaşırken bobinden yine bir akım geçer Ancak bu durumda akımın yönü, N kutbu bobine yaklaşırken oluşan akımın yönüne yine terstir

Jeneratörlerin Akım Vermesi:
Bir magnetik alan içerisinde bir bobin döndürülürse bobinde elektrik akımı oluşur Bobinin mıknatıslar arasında düzenli hareketi sürekli akımı sağlar Akımın bu yolla üretimine indüklenme ya da indüksiyon, elektromagnetik indüklenme ve akım üretme adları verilir İndüklenmeyle alternatif akım üreten düzeneklere alternatif akım üreteci denir

Magnetik alan içinde tel çerçeve dönerken bir tam devir için (360˚’lik dönüş için) geçen süre T ise bu süre içinde akımın zamana bağlı değişimi, aşağıdaki şekildeki gibidir Tel çerçevenin harekete başladığı an ile T/4 zaman aralığında akım, en küçük değerinden maksimum değerine ulaşır T/4 ile T/2 zaman aralığında akım maksimum değerinden en küçük değerine iner T/2 ile 3T/4 zaman aralığında akım ters yönde en küçük değerinden maksimum değerine ulaşır 3T/4 ile T zaman aralığında ise akım ters yönde maksimum değerinden başlangıç konumuna döner Böylece tel çerçeve 360˚ dönmüş olur Akım bu esnada iki kez yön değiştirir





Ülkemizde kullanılan alternatif akım saniyede 100 kere yön değiştirir Akımın saniyede 100 kere yön değiştirmesi için çerçevenin saniyede 50 tur atması gerekir Çünkü her turda akım 2 kere yön değiştirir Çerçeve saniyede 50 tur atarsa dakikada tur sayısı 3000 olur Santrallarda kullanılan bir jeneratörün rotorunun boyutları oldukça büyüktür Böyle bir rotorun dakikada 3000 tur atması rotorun parçalanmasına neden olur Bu nedenle jeneratörün rotoruna çok sayıda sarım yerleştirilerek rotorun düşük hızla dönmesi ve akımın saniyede 100 kez yön değiştirmesi sağlanır
__________________

Alternatif ve Doğru akım

Alternatif ve Doğru akım



Elektrik Akımı Nasıl Oluşur


Bildiğiniz gibi metallerin atomlarındaki elektron sayıları metalin cinsine göre değişir İletken maddelerin atomlarının son yörüngelerinde 4 'den az elektron bulunur Atomlar bu elektronları 8 'e tamamlayamadıkları için serbest bırakırlar Bu yüzden bir İletken maddede milyonlarca serbest elektron bulunur Bu maddeye elektrik uygulandığında elektronlar negatif (-) 'den pozitif (+) yönüne doğru hareket etmeye başlar Bu harekete "Elektrik Akımı" denir Birimi ise "Amper" 'dir İletkenin herhangi bir noktasından 1 saniyede 625*10^18 elektron geçmesi 1 Amperlik akıma eşittir Akımlar "Doğru Akım" (DC) ve "Alternatif Akım"(AC) olarak ikiye ayrılır Şimdi bunları ayrı ayrı inceleyelim


Doğru Akım (DC) :

Doğru akımın kısa tanımı "Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişmeyen akıma doğru akım denir" şeklindedir Doğru akım genelde elektronik devrelerde kullanılır En ideal doğru akım en sabit olanıdır En sabit doğru akım kaynakları da pillerdir Birde evimizdeki alternatif akımı doğru akıma dünüştüren Doğrultmaçlar vardır Bunların da daha sabit olması için DC kaynağa Regüle Devresi eklenir

Alternatif Akım (AC) :


Alternatifin kelime anlamı "Değişken" dir Alternatif akımın kısa tanımı ise "Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişen akıma alternatif akım denir" şeklindedir Alternatif akım büyük elektrik devrelerinde ve yüksek güçlü elektrik motorlarında kullanılır Evlerimizdeki elektrik alternatik akım sınıfına girer Buzdolabı, çamaşır makinesi, bulaşık makinesi, aspiratör ve vantilatörler direk alternatif akımla çalışırlar Televizyon, müzik seti ve video gibi cihazlar ise bu alternatif akımı doğru akıma çevirerek kullanırlar

Alternatif akım, sağladığı avantajlar nedeniyle doğru akıma kıyasla daha fazla tercih edilir Aydınlatma ve ısıtma sistemleri, elektrik motorları, ev elektroniği ürünleri genellikle alternatif akımla çalışacak şekilde tasarlanır Doğru gerilimle çalışan cihaz sayısı da az değil aslında Örneğin, radyo alıcıları, şarjlı el süpürgeleri, cep telefonları, pilli oyuncaklar DC gerilim ile çalışır Bu cihazlar, bir AC/DC dönüştürücü yardımıyla şebekeye bağlanarak da kullanılır AC veya DC seçiminde temel sorun, kullanılan cihazların AC veya DC gerilimle çalışmaları değil, enerji üretim tesisleri ile kullanıcılar arasındaki enerji iletiminin verimli olarak yapılabilmesidir Bu durum, alternatif akımı savunan Nikola Tesla ile doğru akımı savunan Thomas Edison arasındaki fikir ayrılığından kaynaklanıyor Günümüzde, bu tercih Nikola Tesla'dan yana kullanılmış durumda Transformatörler sayesinde gerilim seviyesini kolayca yükseltip düşürme olanağı sağladığı için alternatif gerilim daha yaygın kullanılır Enerji iletim hatlarında uzun mesafelerde kayıpları azaltmak için gerilim yüzlerce kV mertebesine kadar yükseltilir Gerilimin yükseltilmesi akımın düşük olmasını sağlar; bu da hat kesitinin, iletken maliyetinin ve iletim kayıplarının düşük olması anlamına gelir Dağıtım aşamasında, transformatörler yardımıyla gerilim 220V seviyesine düşürülür ve abonelere iletilir Dünya çapında tek bir standart yok Her ülke kendine uygun gerilim ve frekans değerini seçmiş durumdadır


Alternatif akım






Sinüzoid dalga








AC dalga şekilleri




Alternatif akım (İngilizce: Alternating current), genliği ve yönü periyodik olarak değişen elektriksel akımdır En bilinen AC dalga biçimi sinüs dalgasıdır Yine de farklı uygulamalarda üçgen ve kare dalga gibi değişik dalga biçimleri de kullanılmaktadır Bütün dalgalar birbirlerine elektronik devreler aracılığı ile çevrilebilirler Devrede kondansatör, diyotlar, röle ler ile bu çevrim yapılabilir
AC güç genellikle sanayi ve konutlarda kullanılır Santrallerde üretilen enerjinin sevkinde de AC kullanılmaktadır Deniz altına yapılan enerji nakil hatlarında üretilen AC elektrik, dalga yapısında bozulmalara sebep verilmemesi için DC' ye dönüştürülerek taşınmaktadır HVDC ismi verilen uygulama ile okyanus ya da deniz altından nakil hatları işlenebilmektedir
Günümüzde havadan ve kablo üzerinden taşınan, ses ve radyo dalgalarının karışmama sebebi de alternatif akımın farklı sinüzoidal yapılarda olmasından kaynaklanmaktadır




Tarihi






İlk AC sistem


İzolasyonlu kablolar arasındaki alternatif akım etkisini pratikte ilk dizayn eden William Stanley' dir İndüksiyon bobini adını verdiği ve transformatör'ün atası olan sistemle alternatif akımla ilgili çalışmalarına başlamıştır Bugün kullanılan haliyle alternatif akım ilk olarak Nikola Tesla tarafından 1886 yılında laboratuar ortamında üretilmeye başlanmıştır Tesla daha sonra patentini George Westinghouse' a satmıştır O yıllarda Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens ve diğer bazı bilim adamlarıda, bu alanda çalışmalar yapmışlardır
Endüstriyel amaçlı üç faz (İngilizce: Three-phase) AC elektrik akımı üreten ilk santral ise, 1893 yılında Almirian Decker tarafından Kaliforniya' daki Mill Creek hidroelektrik santralinde kurulmuştur Decker' in tasarladığı sistem 10000 volt ve 3 fazlı bir sistemdir Bu gerilimi kullanan sistemler günümüzde hala motorlarda ve bazı nakil hatlarında bulunmaktadır
Alternatif akım 19 yüzyılın sonları ile 20 yüzyılın başlarında geliştirilerek kullanılmaya başlanılmıştır

Üretimi, İletimi ve Dağıtımı


Üretimi



Atatürk Barajı


Bilindiği gibi içerisinden elektrik akımı geçen bir kablo etrafında manyetik alan meydana getirir Tersinir olarak, manyetik alana maruz kalan bir kabloda da elektrik akımı oluşur Bu ilkeden yola çıkılarak sabit stator ve hareketli rotor dan oluşan bir sistem dizayn edilmiştir Çeşitli güçlerle(hidroelektrik santraldeki yüksekten düşen su, termik santraldeki buhar gücü vb) döndürülen rotor statorda sarılı haldeki kablolar üzerinde elektrik akımı oluşturur Daire biçimindeki statorun 120° lik açı ile 3 tarafından üretilen elektrik enerjisi alınır Üç faz oluşmuş bulunmaktadır AC' deki sinüs dalgasının sebebi ise her faza düşen manyetik alanın, döner haldeki rotor sebebiyle sürekli değişmesinden kaynaklanmaktadır

İletimi



Manyetik alan


Alternatif akımın gücü bilindiği gibi transformatörlerle arttırılabilir veya azaltılabilir İletim sırasında nakil hatlarında oluşan gerilim düşümünü indirgemek için yüksek gerilimler kullanılır Türkiye için iletim hatlarında 154 ve 380 kV(kilovolt) kullanılır Burada iletim hattından kasdedilen santral ile şehir şebeke girişleri arasıdır
Bir iletim hattındaki kayıp güç iletkendeki akımın karesi ve direncinin çarpımı ile bulunur olarak formülüze edilir Bunun anlamı; eğer iletkendeki akım 2 katına çıkarsa güç kaybı 4 kat artacaktır demektir
Ancak yüksek gerilimlerinde dezavantajları vardır Bunlar;

• Taşıma tehlikeleri
• Hatta oluşan yüksek manyetik alandan dolayı etkileşim
• Hatta oluşan yüksek manyetik alandan dolayı kablolarda ters gerilimler oluşması ve gerilim saflığının bozulması(günümüzde hat başından hat sonuna 3 kere çaprazlama yapılarak giderilmektedir)

Günümüzde HVDC sistemler, yani yüksek gerilimli doğru akım iletim sistemleri(1) bu etkileri ortadan kaldırmıştır, ancak uygulanması ve işletme maliyetleri çok yüksektir Bu sistemde santralde üretilen AC güç, doğrultucu devreler yardımıyla DC güce çevrilir ve DC olarak taşınır Hat sonunda tekrar AC güce çevrilir
Hatta 3 faz taşımak esastır Çünkü dünyadaki elektrik santrallerinin tamamına yakını 3 faz elektrik üretir Bunun sebebi jeneratörün statorundaki 120°'lik açıyla dizilmiş hat çıkışlarıdır

Dağıtımı



Transformatör örnek şeması




Şehirlerarası nakil hatları sonlar ile şehir şebekesi başlangıçları arasında indirici merkezler bulunur Bu merkezlerin görevi gelen yüksek gerilimi dağıtım planlarına göre orta gerilim veya düşük gerilime çevirmektir Bu merkezlerdeki transformatörler bu görevi yüklenirler Temel olarak bir indirici merkezde, transformatör, kesici, ayırıcı, gerilim trafosu, kumando panoları bulunur

AC Matematiği



Sinüs dalgası


Alternatif akım, alternatif gerilimle beraber incelenir Alternatif akım genellikle sinüzoidaldir Sinüs değeri 0° için 0, 90° için +1, 180° için 0, 270° için -1' dir AC gerilim (V) matematiksel olarak aşağıdaki formül ile ele alınabilir;
, Burada;

• pik yani tepe gerilimini (birim: volt),
  • rms değeri ölçülen ya da hissedilen değerdir Türkiye için 220 volttur
• açısal frekansını (birim: saniye başına radyan)
  • Açısal frekans fiziksel frekansa bağlı olmak üzere, , saniyede ki yenileme sayısı (birim= hertz), eşitlikle
• ise zamanı (birim: saniye)

Pik-pik(tepeden tepeye) değeri AC gerilim için pozitif tepe değeri ve negatif tepe değeri arasındaki değerdir için en büyük değer olan +1 ile ve en düşük değer -1 arasında, AC gerilim pik değerleri and arasında değişir Pik-Pik değeri genellikle, or şekillerinde yazılır, , ile formülize edilir

AC güç frekansları

Elektriğin frekansı ülkelere göre değişiklik gösterebilir En çok kullanılan frekanslar 50 ve 60 hertzdir Askeri alanlarda, denizaltılarda, tekstil endüstrisinde, bazı merkez bilgisayarlarda, uçaklarda ve uzay araçlarında 400 hertz kullanılmaktadır Aşağıdaki tabloda ülkelere göre frekans ve gerilim değerleri bulunmaktadır

*Ülkelere göre AC gerilim ve frekans listesi

Alternatif akım devreleri

Alternatif akım devrelerini anlamak için, emk kaynağındaki sürekli değişmelere karşı, devre elemanlarından nasıl geçtiğini bilmemiz gerekir Saf bir direncin uçlarına uygulanan V voltaji ile dirençten geçen i=V/R akımın meydana gelmesi arasında zaman gecikmesi yoktur Başka bir deyişle, bir dirençteki akım ve voltaj anlık Ohm yasasına uyar;
(saf direnç)

Kondansatörler, doğru akımın devreden geçmesine izin vermezler Bununla beraber, dolan ve boşalan bir kondansatörde levhalar arasında birinden diğerine yük hareketi olması gerekir Kondansatör bulunan bir devrede, geçen yükün taşınması geçici bir akım meydana getirir Başlangıçta anahtar açık ve sığası C ile gösterilen kondansatör yüksüzdür Anahtar kapatıldığında, batarya devreye saat yönünde yük göndermeye çalışır Başlangıçta kondansatörde yük olmadığından, i akımı sadece R direnci tarafından sınırlandırılır Anahtar kapatıldıktan sonra, (t=o anında) akım i0= V0 /R dir Zaman ilerledikçe kondansatörün uçları arasında bataryanın kutuplarında zıt voltaj meydana getirir Kondansatörün son yükü q0=CV0 olunca, akım sıfır olmak zorundadır (Bueche,Jerde;2000:646)

Bir alternatif akım devresinde akım bir yöne doğru artmaya başladığında, kondansatörün üzerinde elektrik yükü birikmeye başlar ve uçları arasında bir voltaj düşmesi görülür Kondansatörün uçları arasındaki voltaj düşmesi pik değerine ulaştığında, kondansatörde depo edilen enerji ½ CV m2 olur Ancak bu enerji depolaması, kısa bir süre içindir Kondansatör her çevrimde iki defa yüklenir ve boşalır Bu işlemde çevrimin iki çeyreği süresince kondansatöre yük sağlanırken kalan iki çeyrek süresince yükler voltaj kaynağına geri döner Diğer bir ifade ile, bir ac devresindeki kondansatör güç harcamaz (Serway;1996:938)

ALTERNATİF AKIM DEVRELERİ

Alternatif akım devrelerini anlamak için, emk kaynağındaki sürekli değişmelere karşı, devre elemanlarından nasıl geçtiğini bilmemiz gerekir Saf bir direncin uçlarına uygulanan V voltaji ile dirençten geçen I=V/R akımın meydana gelmesi arasında zaman gecikmesi yoktur Başka bir deyişle, bir dirençteki akım ve voltaj anlık Ohm yasasına uyar;

(saf direnç)

Kondansatörler, doğru akımın devreden geçmesine izin vermezler Bununla beraber, dolan ve boşalan bir kondansatörde levhalar arasında birinden diğerine yük hareketi olması gerekir Kondansatör bulunan bir devrede, geçen yükün taşınması geçici bir akım meydana getirir Başlangıçta anahtar açık ve sığası C ile gösterilen kondansatör yüksüzdür Anahtar kapatıldığında, batarya devreye saat yönünde yük göndermeye çalışır Başlangıçta kondansatörde yük olmadığından, i akımı sadece R direnci tarafından sınırlandırılır Anahtar kapatıldıktan sonra, (t=o anında) akım i0= V0 /R dir Zaman ilerledikçe kondansatörün uçları arasında bataryanın kutuplarında zıt voltaj meydana getirir Kondansatörün son yükü q0=CV0 olunca, akım sıfır olmak zorundadır (Bueche,Jerde;2000:646)



Bir alternatif akım devresinde akım bir yöne doğru artmaya başladığında, kondansatörün üzerinde elektrik yükü birikmeye başlar ve uçları arasında bir voltaj düşmesi görülür Kondansatörün uçları arasındaki voltaj düşmesi pik değerine ulaştığında, kondansatörde depo edilen enerji ½ CV m2 olur Ancak bu enerji depolaması, kısa bir süre içindir Kondansatör her çevrimde iki defa yüklenir ve boşalır Bu işlemde çevrimin iki çeyreği süresince kondansatöre yük sağlanırken kalan iki çeyrek süresince yükler voltaj kaynağına geri döner Diğer bir ifade ile, bir ac devresindeki kondansatör güç harcamaz (Serway;1996:938)

Belli zaman dilimleri içinde belirli bir hareketin tekrarlanması olayına salınım adı verilirhepimizin bildiği salıncak bunun en çok rastlanan örneğidir Masanın kenarına sıkıştırdığımız jiletin titreşmesi veya bir keman telinin titreşimi benzer salınım örnekleridir


Daha bilimsel bir örnek bir basit sarkacın salınımıdır Sarkacın salınımları, denge konumundan sağa ve sola doğru belli uzaklıktadır Eğer sürtünme kuvvetleri olmasaydı bu şekilde salınan sarkaç genliğini hiç bozmadan aynı hareketi devamlı olarak sürdürürdü


Sarkacın denge konumundan sağa veya sola sapması yani yön değiştirmesi,salınım hareketinin en önemli özelliğidir, buna genlik denir Sarkacın denge konumundan ayrılıp tekrar denge konumuna gelmesi hareketin yarısını oluşturur


Tam bir salınım hareketi, sarkacın denge konumundan ayrılıp bir yöne gittikten sonra, diğer yönde maksimum noktaya ulaşıp tekrar denge konumuna gelmesidir, buna hareketin ‘Peryot’u adı verilir Saniyedeki peryot sayısı ise ‘Frekans’
olarak adlandırılır