Alternatif Akım ve Doğru Akımın Karşılaştırılması

Doğru akım, zamana göre elektriksel yönü ve şiddeti değişmeyen akımdır. Pil, akü, termokupl, doğru akım generatörleri (dinamo), güneş hücreleri gibi kaynaklardan üretilir. Genellikle düşük gerilim ile çalışan elektronik cihazlarda kullanılırlar. Doğru akımın kullanıldığı yerler aşağıdaki gibi özetlenebilir:

► Haberleşme cihazları (telekomünikasyon)

► Radyo, teyp, televizyon, gibi elektronik cihazlar

► Redresörlü kaynak makineleri

► Maden arıtma (elektroliz) ve maden kaplamacılığı (galvonoteknik )

► Elektrikli taşıtlar (tren, tramvay, metro)

► Elektro-mıknatıslar

► Doğru Akım Motorları
 

Elektrik enerjisini yüksek güçlerde uzak mesafelere taşıyabilmek, doğru akım sistemleri ile mümkün olmamaktadır. HVDC (High Voltage DC) iletim sistemleri buna istisnadır. HVDC sistemleri ile yüksek gerilim DC iletimi yapılabilmesine rağmen alternatif akım sistemi kadar yaygın değildir ve özel yerlerde kullanılır. AC sistemden daha pahalı olmasına rağmen 800-1000 km’lik mesafelerde iki sistemin aynı maliyette olduğu görülmektedir. Dolayısıyla çok uzak mesafeler için HVDC daha ekonomik olarak kabul edilebilir. Örnek olarak 900 km, 400 kV’luk Pasifik hattı, 1.360 km, 600 kV’luk Cabora-Bassa hattı örnek verilebilir. HVDC iletim sistemlerinin genellikle ülkeler arası deniz geçişleri veya ülke sınırları çok geniş olan ülkelerde kullanıldığı görülmektedir.
 

► İlginizi Çekebilir: Elektrik Devrelerinin Çözümünde Kullanılan Graph Teorisi Nasıl Bulundu?

Elektrik iletim hatlarında gerilim seviyesi yükseldikçe iletilen güç artar. Alternatif akım, transformatörler ile çeşitli gerilim seviyelerine indirilip yükseltilebilir. Doğru akımın gerilim seviyesini değiştirmek için güç elektroniği elemanları gerekmektedir ki bu da maliyeti arttırır.
 

AC generatörlerin verimleri, DC generatörlere göre daha yüksek olup daha büyük üretim üniteleri kurulabilmektedir. AC generatörlerde yüksek devir sayılarında verim arttığı için türbin-generatör sisteminin verimi de büyümektedir.
 

Üç fazlı alternatif akım asenkron motorlarının yapımları, doğru akım motorlarına göre daha kolay ve daha ucuzdur. Ayrıca AC motorlar daha az bakım gerektirirler. DC motorlarda yer alan fırça ve kollektör mekanizmaları bakıma ihtiyaç duydukları için daha pahalıdır.
 

Alternatif Akımın Tanımı

Bildiğimiz gibi elektrik santrallerinde döner elektrik makinaları alternatif akım, yani sinüsoidal akım üretirler. Bu akımın üretilmesi Faraday Yasası’na dayanmaktadır. Faraday Yasası’na göre bir manyetik alan içerisinde hareket eden bir iletkende bir gerilim endüklenir. Buna göre manyetik alan ve iletkenlerden oluşan bir sistemde bu büyüklükten birinin sabit, diğerinin hareketli olması gerekir.

Şekil 1: Temel Sinüsoidal Gerilim Üretme Düzeneği 

Gördüğümüz üzere manyetik alan hareketli, iletken (bobin) ise sabittir. Döndürülen çift kutuplu mıknatıs, bobin üzerindeki toplam akıyı değiştirerek bir gerilim endüklenmesine neden olur.

Sinüsoidal Fonksiyon ve Dalga Şekli

Alternatördeki iletkenin bir tam dönüşünü tamamlaması, yani 360⁰ lik bir dönüş yapması sonucunda elektromotor kuvvetin bir periyodu oluşmaktadır. Gerilim değerinin sıfırdan başlayarak pozitif maksimum değere çıkması, buradan tekrar düşerek sıfıra inmesi, ardından negatif maksimum değere ulaşması ve artarak tekrar sıfıra çıkması sonunda geçen zamana periyot denir. Periyot, T harfi ile gösterilir. Birimi saniye’dir.

Şekil 2: Sinüs Dalgasının 360 Derecedeki Bir Periyodu


► İlginizi Çekebilir: Elektrik Devre Elemanları: Transistör | Elektrikport Akademi

Bir saniyede oluşan periyot sayısına frekans denir. Frekans, f ile gösterilir. Frekans ile periyot arasındaki ilişki, aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

Şekil 3: Açısal Hız

Frekansın birimi Hertz (Hz)’dir. Şebekelerimizde kullandığımızı alternatif akımın frekansı 50 Hz’dir. Yani alternatif gerilim 1 saniyede 50 periyot tamamlamaktadır. Alternatördeki iletken ne kadar hızlı dönerse, yani birim zamanda devir sayısı ne kadar yüksekse elde edilen gerilimin frekansı da o kadar yüksek olur. Frekansa etki eden diğer bir etken de alternatördeki manyetik kutupların sayısıdır.

Buna göre elde edilen gerilimin frekansı için aşağıdaki bağıntı geçerlidir:

Şekil 4: Alternatör Döner Alan Hızı

Burada;
 

f: Üretilen alternatif gerilimin frekansı (Hertz)

p: Alternatörün kutup çifti sayısı

n: Alternatörün devir sayısı (devir/dakika)

Alternatif Akımın Ani ve Maksimum Değerleri

► Maksimum değer
 

Alternatif gerilim, bir periyot içerisinde bir defa pozitif maksimum değeri, bir defa da negatif maksimum değeri alır. Alternatif akımın veya gerilimin bu maksimum değerine tepe değer veya maksimum değer denir. Gerilim için U_M, akım için I_M şeklinde gösterilir.

► Ani değer
 

Alternatif akımın, zamanın herhangi ir anındaki değerini ani değer denir. Ani değer, küçük harflerle gösterilir. Gerilim için u(t), akım için i(t) harfi ile gösterilir. Maksimum değer, ani değerlerin en büyüğüdür ve bir periyotta sonsuz sayıda ani değer vardır.

Akım veya gerilimin, bir periyottaki ani değeri, aşağıdaki gibi ifade edilir:

Burada;

ω: açısal hız (radyan/saniye veya derece/saniye)

t: zaman (saniye)
 

Alternatif Akımın Ortalama ve Etkin Değeri

► Ortalama Değer
 

Ortalama değer, herhangi bir u(t) fonksiyonun bir periyottaki ani değerlerinin ortalamasıdır. Alternatif akımın bir periyottaki pozitif ani değerlerin sayısı, negatif ani değerlerin sayısına eşit ve aynı büyüklükte olduğundan alternatif akımda ortalama değer sıfırdır. Bu nedenden dolayı ortalama değer hesaplanırken alternanslardan birinde hesaplama yapılır.

T periyodu için alternatif akımın ortalama değerini hesaplarsak:

Şekil 4: Bir Fonksiyonun Ortalama Değeri

Bu sonuca göre pozitif ve negatif alternansı kapsayan tam bir periyot için alternatif akımın ortalama değeri sıfırdır.

► Etkin (Efektif) Değer
 

Alternatif gerilimin en büyük değeri veya genliği, sinüs sinyalinin yukarıda tanımlanmış periyot süresi içerisinde aldığı en büyük değeri belirtir. Bu değer, 220 V’luk şebeke gerilimi için yaklaşık 311 Volt’dur. Fakat bu genlik değeri, anma değeri olarak kullanılmaz. Bunun yerine alternatif akımın sinüs fonksiyonunun etkin değeri (rms) kullanılır. Alternatif gerilim uygulanan bir devre elemanında harcanan gücü bulmak isterken hangi akım veya gerilim değerini alacağımızı öncelikli olarak belirlemeliyiz. Çünkü maksimum (tepe) değeri (U_m veya I_m) kullanacak olsaydık, tepe değer bir periyotta aynı değeri hem pozitif hem de negatif alternansta iki kez alacaktı ve bu durumda sistemin gücünü hesapladığımızda büyük bir hata payı oluşacaktı. Ortalama değer ise alternatif akımda sıfır olduğu onu da kullanamıyoruz. Bu durumda gücü belirlemenin en iyi yolu etkin değeri kullanmak olacaktır.

Etkin değer ısı etkisi ile alakalıdır. Yani bir direnç üzerinden akan akımın DC’de yaptığı işe eşit iş yapan AC değeridir. 

Şekil 5: Alternatif Akım ve Doğru Akım Devreleri
 

Şekil 5'te DC ve AC gerilim ve akım uygulanan iki temel devre vardır. DC devrede akım sabit olduğundan (I_m= 5 A), ısı şekline dönüşen güçte P=(I_m)².R ve sabittir. Ancak, AC devrede ise akım zamana bağlı olarak değiştiğinden güçte zamana bağlı olarak değişecektir. Şekilde DC ile aynı tepe değere sahip olan AC direnç üzerinde oluşturduğu ısı etkisi doğru akımın oluşturduğu ısı etkisinden daha azdır. Devrelerde her iki kaynağın da aynı R direnci üzerinde aynı zaman diliminde aynı etkiyi göstermesi için, doğru gerilim kaynağının değeri AC gerilim kaynağının tepe değerinden daha küçük olması gerekir. DC gerilimin bu değerine, AC gerilimin etkin değeri denir.

 Periyodu T olan genel bir f(t) fonksiyonunun etkin değeri aşağıdaki gibi tanımlanır:

► Şekil 5: Bir Fonksiyonun Etkin Değeri

Alternatif akımın etkin değerini hesaplarsak aşağıdaki sonucu elde ederiz:

Şekil 5: Alternatif Gerilimin Etkin Değeri

 

Bu sonuca göre alternatif akımın etkin değeri, maksimum değerin 0,707 ile çağrılması ile elde edilen değerdir. Şebekelerimizde kullandığımız gerilimin maksimum değeri yaklaşık 311 V’tur. Yani şebeke geriliminin etkin değeri 220 V’tur. Ölçü aletleri her zaman gerilimin etkin değerini ölçer. Bu nedenle şebekede ölçüm yaptığımızda gerilimin etkin değeri olan 220 V değerini görürüz.

Kaynak:

► MEGEP
► allaboutcircuits.com
► Elektrik Devreleri II Teori ve Çözümlü Örnekler  Doç. Dr. Ali Bekir Yıldız, Kocaeli Üniversitesi - Elektrik Mühendisliği