1
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ELEKTR İK-ELEKTRONİK FAKÜLTESİ ELEKTR İK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ BİTİRME TEZİ STATİK REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU VE UYGULAMA DEVRESİ Tez Danışmanı: Prof. Dr. Hüseyin ÇAKIR Emrullah AYDOĞDU
Oğuz OLGUN
03012135
03012002
İSTANBUL 2007
2
1. Gİ GİR İŞ İŞ Güç sistemlerinde i şletmeyi kolaylaştırmak, verimliliği tutumluluğunu
sağlamanın
en
etkin
önlemlerinden
arttırmak birini
ve
enerji
“Reaktif
Güç
Kompanzasyonu” Kompanzasyonu” olu şturmaktadır. Dünyamızın son yıllarda kar şı kar şıya kaldığı enerji krizi, ara ştırmacılar ı bir yandan yeni enerji kaynaklar ına yöneltirken di ğer yandan daha verimli sistemlerin tasar ımlanması ve kurulmuş olan enerji kaynaklar ının en verimli ve kaliteli şekilde kullanılması yönünde çal ışmalar ın yoğunlaşmasına neden olmu ştur. Bir AC şebekenin kalitesi şunlara bağlıdır: 1-Gerilim ve frekansın sabitliği 2-Güç faktörünün bire yak ınlığı 3-Faz ak ım ve gerilimlerinin dengeliliği 4-Kesintisiz enerji verebilmesi 5-Harmonik şartlar ının uygun olmas ı Elektrik enerjisinin, asr ımızın en yayg ın kaynaklar ından biri olarak üretildi ği, santralden en küçük al ıcıya kadar da ğıtımında en az kay ı pla taşımanın yollar ı ve hesaplar ı yapılmaktadır. Dünyamızda elektrik enerjisine ihtiyac ın her geçen gün biraz daha artmas ı, enerji üretiminin biraz daha pahal ılaşması, taşınan enerjinin de kaliteli, ucuz ve hakiki i ş gören aktif enerji olmas ını daha zorunlu k ılmaktadır.
3
2.GENEL Bİ BİLGİ LGİLER 2.1. Zahiri, Aktif ve Reaktif Direnç Bir devrenin zahiri direnci OHM Kanununa göre bu devreye tatbik edilen gerilim ve geçen ak ıma göre bulunmaktad ır. Alternatif ak ımda zahiri direnç Z’ nin bir aktif ( R ) bir de reaktif ( X ) bileşeni bulunmaktadır.
Şekil 2. 1- Zahiri, aktif, reaktif direnç ve fazör diyagramlar ı
R = UR / I
Z=
R² + X²
X = UB / I
Z = U / I ( Ohm = V /A )
Bir elektrik devresinin içerisindeki cihazlar zahiri direnci te şkil ederler ve ak ımın gerilime göre faz durumunu tayin ederler. Bunun için 3 hal mümkündür: 1 - Devredeki cihazlar sadece omik de ğerdedir. ( Akkor flamanl ı lambalar )
Şekil 2. 2. Omik direnç ifadesi ve fazör diyagram ı Ak ım ve gerilim vektörel olarak ayn ı fazdadır. 2 - Devredeki cihazlar endüktif ( ϕ) karakteristiktedir. Ak ım vektörel olarak, gerilime göre ϕ açısı kadar geridedir. ( Transformatörler, motorlar, bobinler. )
4
Şekil 2. 3. Endüktif direncin fazör diyagram ı 3 - Devredeki cihazlar kondansatörler gibi kapasitif karakteristiktedir. Ak ım vektörel olarak gerilime göre ϕ açısı kadar ileridedir.
Şekil 2. 4. Kapasitif direncin fazör diyagram ı XL = 2.π.f.L = WL ( Ohm )
Xc = 1 / 2.π.f.C = 1 / Wc ( Ohm )
L = indüktivite ( Henry ) [ H ]
C = kapasite ( Farad ) [ F ]
f = frekans ( Hertz ) [ Hz ]
2.1.1. Omik Direnç ( Aktif Direnç ) Omik direnç R, içerisinde bir indükleme veya kapasite olay ı olmayan dirençtir. (Akkor flamanlı lambalar, elektrikli
s t c lar.) Bu direnç efektif gerilim veya
ı ı ı ı
ak ım değerlerinden R = U / I olarak bulunur. Aktif direnç içerisinden geçen ak ımda aktif ak ımdır. Ölçülen gerilim ve ak ım efektif değerlerdir. Maksimum ani değerleri bulmak için ölçülen ak ım ve gerilimin
2 ~ 1.41 katı alınmalıdır.
5
2.1.2. Endüktif Direnç
İçinden her ak ım geçen telin etraf ında daima bir manyetik alan mevcuttur. Bir bobin halinde sar ılan telin manyetik alan ıda daha fazla olacakt ır. Böylelikle bobin bir gerilim endükleyici özelliğine sahiptir. Hareket halinde bulunan elektronlar, sanki yanındaki elektronlarla bir yay vas ıtasıyla bağlıymış gibi bu bobin uçlar ına bir gerilim tatbik edildiğinde ileri – geri harekete ba şlarlar. Bir bobinde kendi kendine indükleme olay ı bu bobin içindeki ak ımın akmasına engel olacak şekilde durum göstermektedir ve gerilim ile ak ım arasında bir faz kaymas ı mevcuttur.
Şebekeye bağlı bir alıcı, eğer bir motor, bir transformatör, bir fluoresan lamba ise, bunlar manyetik alanlar ının temini için bağlı olduklar ı şebekeden bir reaktif ak ım çekerler.
2.2. Faz Fark ı Olan Ak ımın Aktif ve Reaktif Bileşenleri Gerilim ile ak ım arasındaki faz fark ını ak ımı bileşenlerine ayırarak izah etmek mümkündür. I alternatif ak ımın aktif = Iw , reaktif = Ib bileşenleri, birbirine paralel ba ğlı aktif ve reaktif dirençlerin üzerinden geçen ak ımlardır.
Şekil 2. 5. Alternatif ak ımın aktif ve reaktif bileşenleri Iw = U / R = I . Cos ϕ I=U/Z=
Iw ² + Ib ²
Ib = U / X = I . Sin ϕ
6
2.3. Zahiri, Aktif ve Reaktif Güç Elektriksel güç; bir devreye tatbik edilen gerilimle bunun do ğurduğu ak ımın bir sonucudur. Zahiri Güç
S=U.I
( VA )
Aktif Güç
P = U . Iw = U . I . Cosϕ= S . Cosϕ
Reaktif Güç Q = U . Ib = U .I . Sin ϕ= S . Sinϕ
(W) ( VAR )
P = S . Cos ϕ ’ de aktif güç zahiri gücün Cos ϕ ile çarpılmasıyla elde edildiği için Cosϕ’ ye aktif güç katsayısı veya k ısaca güç katsay ısı adı verilmektedir.
Şekil 2. 6. Aktif, reaktif ve görünen güç fazör diyagram ı Aktif güç ile zahiri güç aras ındaki açı, gerilimle ak ım arasındaki aynı faz açısı halde Cosϕ ile faz fark ı ifade edilebilir Cosϕ = 1 ( Sadece aktif güç mevcuttur. ϕ = 0 derece ) Cosϕ = 0 ( Sadece reaktif güç mevcuttur. ϕ = 90 derece )
7
Şekil 2. 7. Ak ımın üreticiden tüketiciye kadar izlediği yol 2.3.1. Reaktif Güç Gereksinimi Güç faktörü
düzeltmede
ba şlangıç
noktası,
yük
karakteristi ğinin tam olarak
belirlenmesidir. İşe güç sistemi yönünden bak ıldığında, sistemin en fazla zorland ığı yükteki güç faktörünün bilinmesi yeterlidir. Santralde üretilen bir enerji, aktif ve reaktif ak ım adı altında en küçük al ıcıya kadar beraberce akmakta, i ş yapmayan, sadece motorda magnetik alan do ğurmaya yarayan reaktif ak ım, havai hatta, trafoda, tablo, şalterler ve kabloda lüzumsuz yere kayı plara sebebiyet vermektedir. Bu kayı plar yok edilirse, şüphesiz trafo daha fazla motoru besleyebilecek bir kapasiteye sahip olacak, bununla beraber disjonktör ( kesici ) lüzumsuz yere büyük seçilmeyecek, kablo ise daha küçük kesitte seçilebilecektir. Daha ilk bak ışta reaktif ak ımın santralden al ıcıya kadar ta şınması, büyük ekonomik kay ı p olarak görünmektedir. Genellikle enerji dağıtım şebekelerinde lüzumsuz yere ta şınan bu enerji, ta şınan aktif enerjinin % 75 – 100’ü aras ında tespit edilmektedir. Bu reaktif
enerjinin santral yerine, motora en yak ın bir
mahalden gerek kondansatör tesisleri, gerekse senkron döner makinalar taraf ından temin edilmesiyle, santralden motora kadar bütün tesisler bu reaktif ak ımın taşınmasından, yükünden ar ınmış olacaktır.
8
Şekil 2.8. Ak ımın aktif ve reaktif bileşenleri I1 : Zahiri ak ım
I1 .Cosϕ : Aktif ak ım
I1.Sinϕ: Reaktif ak ım
Santralden motora kadar bütün hatlar, tesisler ; I .Cosϕ+ I .Sinϕ = Iaktif + Ireaktif ak ımının toplamı ile yüklenmekte, motor ise ancak P = U.I.Cosϕ aktif enerjiyi almaktadır. Ak ımın aktif bileşeni ;
• Motorlarda mekanik gücü, • Is t c larda teknik gücü, • Lambalarda ayd nlatma gücünü oluşturan faydal bileşendir. ı ı ı
ı
ı
Ak ımın reaktif bileşeni ;
• • • •
Jeneratör Transformatör Motor Bobin
gibi elektrik cihazlar ının çalışması için gerekli magnetik alan ı meydana getirir. Magnetik alanı meydana getiren mıknatıslanma ak ımı endüktif ( geri – fazda ) karakterde olup şebekeden çekilir ve ak ımın sıf ırdan geçtiği anda alan ortadan
9
kalk ınca tekrar şebekeye iade edilir. Bu nedenle reaktif güç, üretici ile tüketici arasında sürekli olarak şebeke frekansının 2 katı bir frekansla sal ınır.
Şekil 2.9. Zahiri güç fazör diyagram ı S 3 .U.I Görünen güç Aktif güçle, aktif ak ım gerilimle aynı fazdadır. Çekilen güç endüktif ise zahiri güç ile I hat ak ımı gerilimden ϕ açısı kadar geri fazdad ır.
U : Hat gerilimi ( Fazlar arası gerilim )
I : Hat ak ımı
S : Zahiri güç ( VA )
P : Aktif güç ( W )
Q : Reaktif güç ( VAR )
ϕ: Faz aç s
ı ı
Aktif ak ım : Ip = I .Cos ϕ
Reaktif ak ım : Iq = I .Sin ϕ
Aktif güç : P = S.Cosϕ
Reaktif güç : Q = S.Sinϕ
Hat ak ımı : I = / Ip + Iq Zahiri güç : S = / P + Q
Aktif ak ımın meydana getirdi ği aktif güç, tüketici taraf ından faydal ı hale getirilir; Mesela motorlarda mekanik güce, ısı tüketicilerinde termik güce ve ayd ınlatma tüketicilerinde aydınlatma gücüne dönü şür. Reaktif ak ımın meydana getirdi ği reaktif güç ise faydal ı güce çevrilemez. Reaktif güç, yaln ız alternatif ak ıma bağlı bir
özellik
olup,
elektrik
generatörleri, transformatörleri,
tesislerine
istenmeyen
bir şekilde
tesir
eder;
hatlar ı, bobinleri gereksiz olarak i şgal eder ve
lüzumsuz yere yükler, ayr ıca bunlar ın üzerinde ilave ısı kayı plar ına ve gerilim
10
düşümlerine yol açar. Aktif güç enerjisi normal sayaçlarda tespit edildi ği halde reaktif enerji böyle bir sayaç ile kontrol edilemez, bunu kaydetmek için ayr ı bir reaktif enerji sayac ına ihtiyaç vardır.
2.3.2. Reaktif Güç Tüketicileri Magnetik veya statik alanla çal ışan bütün elektrikli araçlar şebekeden aktif güç yanında reaktif güç çeker; baz ı koşullar altında da reaktif güç verir. Bu tip önemli bazı araçlar şunlardır:
• • • • • • • • • • • •
Düşük ikazlı senkron makineler Asenkron motorlar Senkron motorlar Bobinler Transformatörler Redresörler Endüksiyon f ır ınlar ı, ark f ır ınlar ı Kaynak makineleri Hava hatlar ı Fluoresan lamba balastlar ı Sodyum ve c ıva buharlı lamba balastlar ı Neon lamba balastlar ı
2.3.3. Reaktif Güç Üreten Araçlar Tüketicilerin reaktif güç ihtiyaçlar ını kar şılamak için 2 tip araçtan yararlan ılır: Dinamik
faz
kaydır ıcılar,
aşır ı
ikaz
edilmiş
senkron
makinalar (Senkron
kompensatörler) , statik faz kayd ır ıcılar, kondansatörler. Kondansatörlerin kayı plar ı çok düşük olup, nominal güçlerinin % 0.5’ inin altındadır. Bak ım masraflar ı ihmale gelebilecek kadar azd ır. Tüketicilerin hemen yanına ve istenilen büyüklükte tesis edilebilme kolayl ıklar ı da vardır. Bu nedenle tercih edilirler.
11
Kompanzasyon tesislerinde 2 tip kondansatör kullan ılır; 1. Yağlı Tip Kondansatör: Belli periyotlarda bak ım gerektirirler. ( Suyunun değişmesi vb.) 2. Kuru Tip Kondansatör: Bak ım gerektirmezler. En kötü yanı harmoniklerinin fazla olmasıdır.
2.3.4. Güç Faktörünün Doğurduğu Sorunlar ve Sonuçlar ı Tüketicilerin güç faktörü belirli limitlerin alt ında kaldığı
sürece besleme
sisteminin ortalama güç faktörü de dü şük olur. Düşük güç faktörünün etkileri
şöyle özetlenebilir: Üretici Yönünden Kurulacak bir tesiste:
• Generatör ve transformatörlerin daha büyük güçte seçilmesine, • İletkenlerin daha kal n kesitli olmas na, cihazlar n n daha büyük ve ı
ı
ı
ı
hassas olmas ına neden olur. Kurulu bir tesiste:
• Üretim, iletim ve dağ t mda kapasite ve verimin dü şmesine, • İletkenlerde kay plar n ve gerilim düşümünün artmas na, • Gerilim regülasyonu ve i şletmeciliğin zorlaşmas na neden olur. ı ı
ı
ı
ı
ı
Sonuç: Üretim maliyeti artar.
Tüketici Yönünden Kurulacak bir tesiste:
• Al c
ı ı
transformatörünün
(varsa),
kumanda,
koruma
donan ımının gereğinden daha büyük olmas ına,
• İletkenlerin daha kal n kesitli seçilmesine neden olur. ı
Kurulu bir tesiste:
ve
kontrol
12
• Transformatör (varsa), o tesisat n kapasite ve veriminin dü şmesine, • Şebekeden daha çok reaktif enerji çekilmesine, • Kay plar n ve gerilim düşümünün artmas na neden olur. ı
ı
ı
ı
Sonuç: Görülen hizmet ve üretilen ürünün maliyeti artar.
Bütün bunlar yan ında gereksiz yat ır ımlar yapılması ile milli ekonomiye zarar verilmiş olur.
13
3. KOMPANZASYON Kompanzasyon, bir yükün zamana göre sabit yada de ğişken olan reaktif gücünü, güç faktörü kompanzasyon sistemi ile hemen yükün yan ında üretmektir. Böylece enerji iletim hatlar ı reaktif güçle yüklenmemi ş olur. Eğer gerekli olan reaktif güç bu şekilde değil de, santrallerde üretilseydi; uzun enerji iletim hatlar ı boyunca gereksiz kay ı plar oluşacaktı. Enerji iletim hatlar ın ucundaki al ıcılar için gerekli olan güç aktif güçtür ve reaktif gücün var olmas ı ; enerji iletim hatlar ının, jeneratörlerin ve transformatörlerin aktif güç ak ımından daha fazla de ğerde bir ak ım taşımalar ına neden olacakt ır. Bunun sonucu olarak tüm bu elemanlar üzerinde a şır ı yüklenmeler olur yada bu elemanlar ın daha fazla ısınmasına neden oldu ğu için bunlar ın daha büyük boyutta seçilmelerine neden olur. Belli bir aktif güç için; küçük güç faktörü büyük reaktif güce kar şılık dü şer ve reaktif güç gerilim de ğişmelerine kar şılık düşer. Bu yüzden al ıcılardan güç faktörünün 1 yada 0.97 civar ında tutulması istenir.
3.1. Kompanzasyon Yöntemleri Alternatif ak ımlı enerji sistemlerinde reaktif güç kompanzasyonunun önemi bilinmektedir. Bu yüzden güç faktörünü (Cos ϕ) düzeltmek için çe şitli yöntemler geliştirilmiştir. Kompanzasyon
sistemlerinde yükün özellikleri oldukça önemlidir. Güç ve güç
katsayısı yaklaşık olarak sabit olan bir yükün varl ığı halinde uygun olarak seçilmi ş bir kondansatör grubu sorunu çözebilir. Fakat yük her an sistemden farkl ı aktif ve reaktif güç çekebiliyor ise yukar ıda önerilen yakla şım burada geçerli olmaz. Böyle bir problemin dört farkl ı çözüm yolu vard ır: 1-Besleme sisteminin k ısa devre gücünü artt ır ı p sabit kondansatör bataryas ı kullanmak 2-Mekanik olarak anahtarlanan şönt kondansatör gruplar ı kullanmak. 3-Senkron makinalar ı kapasitif bölgede çal ıştırmak yada ayr ıca senkron kapasitör kullanmak 4-Tristörlü statik kompanzasyon sistemleri kullanmak.
14
Gerek ark f ır ınlar ında gerek fazlar ından farklı aktif ve reaktif güç çeken dengesiz yüklerde ve gerekse güç faktörünün anl ık değişim gösterdiği tüketiciler, besleme sistemine etki ederek gerilim dalgalanmas ına yol açarlar. İstenmeyen bu gerilim dalgalanmasını en aza indirmenin yolu; besleme sistemine de ğişken reaktif güç sağlayarak güç katsayısını sabit tutmaktan geçer. Değişken reaktif güç sa ğlanmasında senkron reaktör kullan ımı bir çözümdür. Enterkonnekte sistem ile paralel çal ışan bir senkron makinan ın uyarma ak ımı değiştirilerek reaktif güç denetimi yap ılabilir. Yükün aktif ve reaktif güçleri sürekli olarak ölçülüp senkron makinan ın uyarma devresi geri besleme olarak ayarlan ırsa yükün bağlı olduğu barada güç katsay ısının sabit kalması sağlanmış olur. dinamik kompanzasyon ad ı verilen bu yöntemin aşağıda verilen sak ıncalar ı bulunmaktadır:
1. Döner makine kullanma zarureti ve eylemsizlik momentinin bulunmas ı 2. Tepkime h ızının yeterince büyük olmamas ı 3. Üç fazda ayr ı ayr ı denetim imkanın olmaması Yukar ıdaki dezavantajlar ından dolayı dinamik kompanzasyon pek kullan ılmamaktadır. Bu sayılan sak ıncalar tristörlü devrelerde ortadan kald ır ılmıştır. Tristörlü devreler ‘Statik VAR Kompanzasyonu’ ad ı altında endüstride dinamik kompanzasyona tercih edilmektedir. Çok çe şitli statik kompanzasyon devreleri gerçeklenebilirAyr ıca sürekli rejimde; senkron makinan ın kompanze etti ği reaktif güçte kVAr ba şına yapılması gereken sabit yat ır ım masraflar ı ve hareketli sistemlerin dezavantaj ı olan sürekli bak ım ve ar ıza gibi sorunlardan olu şan işletme masraflar ı; sistemin en büyük dezavantaj ıdır. Aynı şekilde; mekanik veya elektronik kontrol ile i şletime alınan kondansatör gruplar ı da istenilen hassasiyette çal ışamamaktadır. Söz konusu olan ve endüstride birçok uygulamada ortaya
ç ıkan sorun; üç fazl ı
şebekenin stasyoner ve de dinamik olarak reaktif yüklenmesidir. Fazlar ın dengesiz olması ise her faz için ayr ı ayr ı kompanzasyon yapılmasına neden olacakt ır. Tristör veya GTO gibi güç elektroni ği elemanlar ının hızlı çalışması ve hızlı gelişimi neticesinde günümüzde dinamik reaktif güç kompanzasyonu pek kullan ılmamaktadır.
15
Ayr ıca güç faktörünün 1’e yakla şması ve hızlı değişen yüklerde bu de ğerde sabit tutulması dinamik sistemlerde yeterince h ızlı gerçekleştirilememektedir. Statik reaktif Güç kompanzasyonu bu yönü ile de bir ad ım daha öne geçmektedir.
3.2. Statik Reaktif Güç Kompanzasyonu Tanımlar ı gereği, bir AC ak ım güç sistemine ba ğlandıklar ında, kondansatör reaktif güç üretir, reaktörler (indüktörler) ise reaktif güç tüketir. Bunlar, reaktif gücün kontrolünde mekanik anahtarlarla beraber kullan ılmaktadır. Reaktif güç kompanzasyonunda; önceleri, aşır ı veya düşük uyar ılmış senkron makinelerle ve sonralar ı da doymalı reaktörler ve bunlara ba ğlı kondansatörler ile yapılmaktaydı. Özellikle son yıllarda yüksek güçlü yar ı iletkenlerin (tristörlerin) üretilmesi ile, reaktif gücün üretilmesinde gelişmeler sağlanmıştır. Yar ı iletkenlerin kullanılması ile gerçekleştirilen sistemlere statik var jeneratörleri denir. Bugün kullanılan tristör kontrollü statik var jeneratörleri, kondansatör ve/veya reaktörleri, şebekeye sokup ç ıkartarak değişken şönt empedans elde ederler. Uygun anahtarlama tekniklerinin kullanılması ile, belirli bir şebeke geriliminde, var generatörünün çık ışı maksimum kapasitif durumdan maksimum endüktif duruma getirilir.
3.2.1. Tristörlü Statik VAR Kompanzatörleri Tristörlü statik var kompanzatörlerin çe şitli sınıflandırmalar ı yapılabilmektedir. Uygun olanın seçilmesi, baz ı faktörlere bağlıdır. Bunlar; reaktif güç gereksinimi, kay ı p karakteristiği, harmonik üretimi ve fiyat ıdır. Birçok statik var sistemi a şağıdaki kategorilerinden birine girmektedir. 1-Tristör kontrollü reaktör(TKR) 2-Tristör anahtarlamalı kondansatör(TAK) 3-Tristör anahtarlamalı kondansatör-Tristör kontrollü reaktör (TAK-TKR)
16
4--Sabit kondansatör-Tristör kontrollü reaktör (SK-TKR) Yukar ıdaki bahsedilen sistemlerden ba şka bir de, doymuş reaktörlerle ve yine yar ıiletkenlerin kullanıldığı konvertör-invertör sistemleri mevcuttur. Bu
sistemlerden
hangisinin
kullan ılacağını
kompanzasyon
yap ılacak
sistem
belirlemektedir.
3.2.1.1. Sabit Kapasiteli-Tristör Kontrollü Reaktörün Modeli Tristör kontrollü reaktörün eşdeğer devresi, tetikleme aç ısı ile iletim açısı ve ak ım, gerilim değişimi Şekil 3.1’de gösterilmiştir.
Şekil 3.1. a
Şekil 3.1. b
Şekil 3.1. a. Tristör Kontrollü Reaktör’ün temel yap ısı Şekil 3.1. b. Gerilim ve ak ımın dalga şekli
17
3.3. AC K ıyıcının Reaktif Güç Kompanzasyonunda Kullan ılması Alternatif ak ım k ıyıcılar ı; bir fazlı ve üç fazlı k ıyıcılar olarak iki k ısımdır. Yapı olarak ise birbirine paralel ba ğlanmış tristörlerden oluşmuştur. Bir fazlı alternatif ak ım k ıyıcılar ı genel olarak ayd ınlatma,
s nma gibi harmoniklerin etki etmedi ği
ı ı
uygulamalarda kullanılmaktadır. Aşağıda alternatif ak ım k ıyıcılar ının genel özellikleri ve bunlar ın reaktif güç kompanzasyonunda kullanımı incelenecektir.
3.3.1. AC K ıyıcının Değişken Endüktans Özelliği Temel bileşen endüktans ı , L1(α )/L=π /(π -2α -Sin2α )
(3.1)
bağıntısı ile normalize edilmiş olarak verilmektedir. L1(α), k ıyıcı devrede, değişik tetikleme açılar ında i(wt) ak ımının temel bileşeni üzerinden saptanan endüktans de ğeridir. Yükü saf bir endüktanstan olu şan bir AC k ıyıcı, ak ımın sadece temel bile şeni göz önüne al ındığında, α tetikleme açısına bağlı olarak, L1(α) eşdeğer saf endüktans ına dönüşür. L1/ L 10987654321-
α 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
Şekil 3.2. Normalize saf endüktans ın
ile değişimi
18
3.3.2. K ıyıcı İle Değişken Kapasite Oluşturma AC ak ım k ıyıcı ve seri selften meydana gelen tristör kontrollü reaktör daima endüktif karakterlidir. Bu sisteme uygun boyutlarda sabit paralel ( şönt) kapasite bağlanırsa tetikleme açısına bağlı olarak, toplam sistem endüktif veya kapasitif karakterli yapılabilir. (Şekil 3.3)
Şekil 3.3. Tristör kontrollü reaktör ve sabit kapasite (SK-TKR)
Şekil 3.3’deki devrede toplam admitans bulunmal ıdır. L1(α) temel bileşen endüktansı esas alınacakt ır. Diğer harmonik ak ımlar ın süzüldüğü varsayılacaktır. α‘ya bağlı olarak L1 (α) ifadesi (3.1)’de verilmişti.
L1 (α )=(Lπ )/(π -2α -Sin2α )
(3.2)
Tetikleme açısının 0<α<π/2 aralığında kontrol edildi ği bilinir. α=0 için L1(α)=L ve
α=π/2 için L1(α)>>L şeklindedir. Paralel devrenin empedanslar wL1(α) ve 1/wC’dir. j ı
operatörü de göz önüne al ınırsa kompleks admitans ifadesi,
2
Y=j(w L1(α ).C-1)/wL1(α )
(3.3)
19
bulunur. Bu ifadenin modülü devre kay ı psız olduğundan 'B' suseptans ına eşit olacaktır.
(3.4)
B(α )=j(w2L1(α ).C-1)/wL1(α )
L1(α) eşdeğeri (3.4)’de yerine konursa ,
B( α ) =
ω
2
LCπ
− + 2 + Sin2 π
α
α
Lπ
(3.5)
ω
Toplam suseptansı bulunacaktır. (3.5), kompanzatörün kontrol karakteristi ğini verdiğinden çok önemlidir. Bundan sonra (3.5) ifadesi tüm kontrol i şlemlerinde esas alınacakt ır. İstenilen özellik B suseptans ının geniş bir aralıkta, hem endüktif ve hem de kapasitif bölgede değişmesini sağlamakt ır. Bunun için,
wL<1/wC
veya
2
w LC<1
koşulunu (3.5) ifadesinin sa ğlamasıdır. Aksi durumda, w 2LC=1 veya w2LC>1 ise kompanzatör sadece kapasitif bölgede kalacak ve de ğişen bir kapasite gibi davranacaktır. Endüktif bölgede çal ışmak için L endüktans ının gücü, C kapasitesinden büyük tutulmal ıdır. (Şekil 3.4)
20
B(1/ α) wc
kapasitif
α 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° endüktif
(w 2LC-1) / wL
Şekil 3.4. B suseptansının endüktif ve kapasitif bölgede ‘ya bağlı değişimi
B suseptans ı Şekil (3.4)’deki gibi değişirken devrenin (α)’ya bağlı reaktif güç değişiminin bilinmesi yararlıdır.
Şekil (3.3)’den faydalanarak devrenin çekti ği If ak ımı, kaynak fonksiyonu U=Um.Coswt ve gerilimin efektif de ğeri Ueff
=
Um
2
olduğuna göre kompleks ifade
olarak,
I f =jUeff[wC-1/wL1(α )]
şeklinde yazılabilir. Reaktif gücün kompleks ifadesi ,
(3.6)
21
*
Q=Im[U.I f ]
yazılabilir. Burada U gerilim fazörü, If * temel bileşen ak ımının eşleniğidir.
Q=Im{Ueff [-jUeff(wC-1/WL1(α ))]}
2
Q= -Ueff (wC-1/WL1(α ))
olduğu görülür. Öyle ise
2
(3.7)
Q(α )= -B(α )U eff
Bağıntısı elde edilir. Burada B( α), (3.5) ile verilmiştir. (α) tetikleme açısına göre Q( α)’ nın değişimi gösterilebilir (Şekil 3.5); (3.7) ifadesi ile belirlenen ve Şekil (3.5)’de gösterilen karakteristik, e ğer reaktif güç referans al ınırsa, kompanzatör kontrolü için bir kontrol karakteristiği olarak kullanılabilir. Tristör kontrollü reaktör ve sabit kapasiteden (TKR-SK) olu şan kompanzatörün suseptans ba ğıntısı, B(α), (3.5) ile verilmişti. Şimdi tetikleme açısı (α) sabit iken w sistem frekansı değiştiğinde B(w)’nin değişimini gözlemek, yüksek frekanslarda kompanzatörün nas ıl davranacağı hakk ında bilgi verecektir.
B(ω ) =
ω
2
LCπ − π + 2α + sin 2α .ωLπ
α= sabit
(3.8)
22
Q(Var)
endüktif
20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
α
kapasitif
Şekil 3.5. Q( ) reaktif endüktif ve kapasitif bölgede ‘ya bağlı değişimi
Eğer C=0 ise veya sadece tristör kontrollü reaktör (TKR) için
B L(w)=(2α +Sin2α -π )/(wLπ )⏐ α=sabit
(3.9)
İfadesi bulunacakt ır. Şekil (3.6) ile verilen TKR/SK kompanzatörün bir güç sistemine bağlı olduğu düşünülürse, yüksek frekanslarda (geçici hal cevab ını da düşünerek) kapasitif davrandığı ve tetikleme açısından bağımsız olduğu söylenebilir
23
B
Kapasitif B=wC
B(w)[ α1=sbt] B(w)[ α0=sbt]
w Endüktif
Şekil 3.6. SK-TKR kompanzatörün suseptans-frekans karakteristiği
Şekil 3.7. SVC yap ısının V-I karakteristiği
24
Şekil 3.7-a’da sürekli hal çal ışma koşulunda SVC yap ısına ilişkin V-I karakteristiği, Şekil 3.7-b’de ise Q-V karakteristi ği verilmiştir. Bu karakteristiklerde (lineer kontrol bölgesinde) çalışma limitlerini TKR bobininin maksimum süseptans de ğeri (BLmax) ve Bc değerleri belirler. ; filtre içinde yer alan kapasitenin süseptans de ğeri ile devrede etkin durumda olan TSC yap ılar ının kapasitelerine ili şkin süseptans de ğerlerinin toplamından meydana gelir. E ğer V değeri belirli bir süre için (0.3 birim gibi) çok düşük seviyelere dü şer ise, sistemi kontrol etmek ve tristörleri tetiklemek için gereken enerji sağlanamayacağı için SVC yapısı devre dışına çıkar (çalışmaz). Eğer gerilim düzene girerse SVC tekrar çal ışmaya başlar. İdeal bir SVC aktif ve reaktif güç kayb ı olmayan, gerilimi referans gerilime e şit, cevap hızı yüksek kontrolör tipidir.
Şekil 3.8. TKR’ye ilişkin V-I karakteristik eğrisi V = V + X I ref
SVC 1
(3.10)
(3.10) ifadesinde kullan ılan XSVC değeri kontrol sistem kazanc ı ile saptanan reaktansa kar şı gelir.
Şekil 3.8’de görüldüğü gibi (TKR karakteristi ği ile sistem yük eğrisinin kesiştiği nokta) σ = 120° için V bara gerilimi l (birim) de ğerinin az üstündedir. Di ğer bir ifade ile
25
mevcut yük durumu için σ = 120° ’de çal ışılması durumunda TKR görevini yapm ış ve bara gerilimi etkin değerini yaklaşık olarak l (birim) değerinde tutmuştur.
3.4. Kompanzasyon Yöntemlerinin Karşılaştırılması Reaktif güç kompanzasyonunda, Türkiye’de en s ık kar şılaşılan çözüm olarak kontaktörlü yalın kondansatör bankalar ı kullanılmaktadır (Şekil 3.9).
Şekil 3.9. Kontaktörlü yal ın kondansatör bankalar ıyla kompanzasyon Bunun nedeni, bu sistemlerin ekonomik ve kolay bir çözüm sunmas ıdır. Bu yöntem, yükün reaktif güç ihtiyac ına göre, belli bir dizine sahip kondansatör kademelerinin, elektronik reaktif güç kontrol (RGK) rölesi ve kontaktörler yard ımıyla devreye al ını p, devreden çıkar ılmasına dayanır. Hızlı değişmeyen yükler için ekonomik ve kolay bir yöntem olmasına kar şın, bu yöntemin çe şitli sak ıncalar ı vardır. Kontaktörler şebeke gerilimi ve kondansatör üzerindeki gerilimi dikkate almadan rastgele bir anda ate şleme yaptıklar ından dolayı, bara üzerinde ani ve h ızlı gerilim yükselmeleri veya çukurlar ı ile kondansatörler üzerinde a şır ı geçiş ak ımlar ı oluşabilmektedir. Bir kondansatör bankasının enerjilendirilmesiyle, ilk tepe gerilimi nominal gerilimin rms de ğerinin katına kadar ula şabilen bir geçici rejim (transient) a şır ı gerilimi (örnek: kondansatör henüz de şarj olmamış ve gerilimi negatif tepe değerinde, bara ise pozitif tepe de ğerinde olması durumu) ve tepe de ğeri kondansatörün nominal ak ımının 100 katına kadar ulaşabilen geçici rejim a şır ı ak ımı oluşabilir. Bu durum ayn ı baradan beslenen PLC,
26
CNC ve motor sürücü gibi hassas sistemlerin bozulmas ına ya da yanl ış çalışmasına ve kondansatörlerin ömürlerinin k ısalmasına neden olmaktad ır. Kontaktör yapışması ise sıkça kar şılaşılan diğer bir önemli mekanik sorundur. Bununla birlikte yal ın kondansatörlerin şebeke empedans ı ile rezonansa girip patlama tehlikesi de vard ır. Kontaktörlü filtreli kondansatör çözümü ile yal ın kondansatör yönteminin baz ı sak ıncalar ının önlenmesi amaçlanm ıştır (Şekil 3.10).
Şekil 3.10. Kontaktörlü ve filtreli kondansatör bankalarıyla kompanzasyon Kondansatöre seri olarak ba ğlanan bir anti-harmonik filtresi ile rezonans riski azaltılmakta, anahtarlama esnas ında oluşan geçici aşır ı ak ım ve gerilim bileşenleri de sınırlandır ılmaktadır. Ancak bu bile şenler tamamen ortadan kalkmamaktad ır. Dolayısı ile, kontaktör yapışmalar ına bu sistem yap ısında da rastlanabilmektedir. Bu sistem de yine yalın kondansatör yöntemindeki gibi, h ızlı değişen yüklerin kompanzasyonunda kullanılamamaktadır.
Hızlı değişen yük durumlar ında güç faktörünün elektromekanik olarak sürülen kondansatör kademeleriyle de ğişmesi zordur. Böyle durumlarda geleneksel sistem, yükün ihtiyacı olan reaktif gücü kar şılamakta gecikir. Dolayısı ile, tristör anahtarlamalı kondansatör bankalar ının kullanımı zorunluluk haline gelmi ştir. Tristör anahtarlamal ı kompanzasyon sistemleri, bara gerilimi ile kondansatör geriliminin s ıf ır noktasında kondansatör bankalar ını devreye alma ve ak ımın sıf ır noktasında devreden ç ıkarma
27
esasına göre çalışır. Bununla birlikte, kondansatörlere seri olarak ba ğlanan antiharmonik
filtresi
ile
rezonans
riski
de
bertaraf
edilmektedir.
Şekil 3.11. Tristör anahtarlamal ı kondansatör bankalar ıyla kompanzasyon Geçici rejim aşır ı ak ım ve gerilimlerin oluşması, kondansatörlerin hangi anda ateşlendiğine bağlıdır. Verilen bir zamanda kondansatör üzerinden geçen ak ım aşağıdaki denklemle ifade edilir:
Burada XC ve XL kademedeki kondansatör ve reaktörün reaktans ını, Vm kaynağın maximum anlık gerilim değerini, α kondansatörün ba ğlı olduğu baradaki gerilimin faz açısını, wr sistem rezonans frekans ını (), Vco t = 0 an ındaki kondansatör gerilimini belirtmektedir. (Bu denklemde sistemin e şdeğer direnci ihmal edilmiştir.) [4]
28
Geçici rejimleri olmayan bir anahtarlama için cos α =0 ve Vco = ± Vm (XC / (XC – XL )) koşullar ı eş zamanl ı olarak sağlanmalıdır. Sürekli değişen koşullarda, mükemmel geçici rejimsiz bir anahtarlamay ı sağlamak imkansızdır, ancak uygun bir kontrol stratejisiyle tristörün, kabul edilebilir s ınırlarda anahtarlama yapmas ı sağlanabilir. Tristör anahtarlamalı
kondansatör sistemlerinin avantajlar ı
aşağıdaki
şekilde
sıralanabilir. 1. Her kondansatör grubu anahtar uçlar ındaki sıf ır gerilim anında devreye al ınacağı için anahtarlama dalgalanmalar ı engellenmi ş ve aynı AG baradan beslenen elektronik cihazlar ise parazitlerden uzak tutulmu ş olacaktır. 2. Kondansatörün devreden ç ıkar ılması ak ımın sıf ır anında olacağı için ak ım kesmesinden kaynakl ı paralel endüktif yükler üzerindeki yan etkiler ortadan kalkacakt ır. 3. Yukar ıdaki avantajlardan dolay ı tristör anahtarlar ı çok hızlı seviyelerde çalıştır ılabilirler. Yük taraf ından ihtiyaç duyuldu ğu taktirde tristör bir periyot içinde yanıt verebilir. 4. Tristörlü anahtarlama, kaynak makinesi, vinç, asansör ve benzeri s ık ve k ısa periyotlarla reaktif güç ihtiyac ı olan endüktif yüklerin reaktif güç ihtiyac ını anlık olarak kar şılayabilecek tek yöntemdir. 5. Geleneksel kompanzasyon sistemlerdeki dalgalanmalar ın ve mekanik k ısımlar ın hareketinden kaynakl ı kayı plar olmayaca ğı için kondansatörlerin ömrü uzayacaktır.
29
Tablo 1. Kompanzasyon sistemlerinin karşılaştırılması Özellikler Anahtarlama metodu Anahtarlama Dalgalanmaları Yanıt Süresi Açma/kapama say ısı
Kontaktör Anahtarlamalı Kontrolsüz anahtarlama
Tristör Anahtarlamalı Sıf ır gerilimde anahtarlama
Çok yüksek
İhmal edilebilir
Çok ağır (dakikalar
Çok hızlı (milisaniyeler
seviyesinde)
seviyesinde)
Sınırlı
Sınırsız
Elektromekanik.
Anahtar tipi
Çok aşınma ve
Yar ı iletken. Aşınma ve
bozulma.
bozulma yok. Uzun ömürlü
K ısa ömürlü
Bak ım maliyetleri
Çok yüksek
İhmal edilebilir
30
4. PROJEDE GERÇEKLEŞTİR İLEN ÇALIŞMALAR Projede gerçekle ştirilen çalışmalar ve yapılan uygulamalar bu bölümde anlat ılmıştır.
4.1. SK-TKR Kompanzatörün MATLAB-Simulinkte Modellenmesi
• Mevcut A.G. şebeke baz al narak Şekil 4.1’de gösterildi ği gibi üç adet ı
endüktif karakterli yük modellenmi şdir.
• Yüke kompanzasyon amaçl paralel olarak sabit kondansatör ve TKR ı
sistemi modellenmiştir.
• Yükün ihtiyac olan reaktif güç, α gecikme aç s ile kontrol edilen TKR ı
ı ı
sistemi ile yüke enjekte edilecek şekilde modellenmiştir.
• Yükleri belirli sürelerde devreye alacak ve bu süre sonunda devreden ayıracak anahtarlar modellenmi ştir.
• Bu model Şekil 4.1’de gösterilmiştir.
Şekil 4.1. SVC Matlab-Simulink modeli
31
Şekil 4.2. Kompanzasyonu yap ılmış sistemin sırası ile aktif, reaktif güç ve cos(φ) değerleri Kompanzasyonun etkisini görmek için kompanzatör sistemden ayr ılmıştır. Bu şekilde yüklerin ihtiyaç duydu ğu ve şebekeden çekti ği aktif
ve reaktif güçler ile cos(φ)
ölçülmüştür.Bu devre Şekil 4.3’de gösterilmiştir.
Şekil 4.3. Kompanzasyonsuz devre modeli
32
Bu devre çal ıştır ıldığında aşağıdaki sonuçlar elde edilmi ştir.
Şekil 4.4. Kompanzasyonsuz sistemde s ırası ile aktif reaktif güç ve cos(φ) Bu simülasyondan da görüldü ğü gibi bir yandan sabit kondansatörler kapasitif reaktif güç üretirken di ğer yandan kontrollü reaktör endüktif reaktif güç tüketecektir. Belirli bir reaktif güç seviyesinde kondansatör grubunun reaktif güç üretimi sabit oldu ğundan, sistemin reaktif güç üretimi ate şleme açılar ının değişimi ile sağlanmaktadır.
4.2. Uygulamada Gerçekleştirilen Devreler Projede gerçekle ştirilen devreler bu bölümde anlat ılmıştır.
DC Gerilim Kaynağı Bu devre mevcut 220 V’luk şebekeden ± 15 V ve±5 DC gerilim elde etmek için gerçekleştirilmiştir.
AC K ıyıcı Bu devreyi şebekenin sıf ırlar ını görmek için ve osiloskop ile gerilimin k ıyılmasını test etmek için kullanılmıştır.
33
Sensör Devresi Bu devre ak ım ve gerilim ölçümü yapan sensörlerin beslenmesini, kalibrasyonunu ve sensörler taraf ından elde edilen verilerin bilgisayar ortam ına aktar ılmasını sağlamak için kullanılmıştır.
4.3. Uygulamada Kullan ılan Özel Elemanlar Bu bölümde uygulamada kullan ılan özel elemanlar anlat ılmıştır.
LEM HAL50-S Ak ım Sensörü Bu sensör DC ve de ğişik dalga formlar ındaki AC ak ımlar ın ölçülmesi ve bunlara göre analog çık ış sinyali verilmesinde kullan ılmıştır. (Bak ınız Ek 1)
LEM LV25-P Gerilim Sensörü Bu sensör DC ve AC gerilimlerin ölçülmesi ve bunlara göre analog ç ık ış sinyali verilmesinde kullanılmıştır. (Bak ınız Ek 2)
NATIONAL INSTRUMENTS PCI 1200 DAQ CARD Bu kart sensörlerde al ınan analog giri şlerin bilgisayar ortamına aktar ımını sağlayan ve bu sinyalleri kullanarak çe şitli işlemleri, hesaplamalar ı gerçekleştiremede kullanılmıştır. (Bak ınız Ek 3)
4.4. Devrenin Çal ışma Prensibi Öncelikle ak ım ve gerilim sensörlerinin beslemeleri ve gerekli ba ğlantılar yapılır. Sonra yük devreye al ınır. Yükün çekti ği ak ım ile şebeke gerilimi, ak ım ve gerilim sensörleri ile ölçülür. Elde edilen bu de ğerler DAQ CARD vasıtası ile bilgisayara aktar ılır ve yükün çektiği aktif ve reaktif güçler hesaplan ır. Ak ım ve gerilimin sıf ır geçişlerinin belirlenmesi ile bu de ğerler arasındaki faz fark ı bulunur. Bu değer kullanılarak cos φ hesaplanır. Bu cos φ değeri kullanılarak istenilen tetikleme sinyalleri oluşturulur. Tetikleme sinyalleri vasıtası ile yükün ihtiyacı olan reaktif güç, reaktörlerden yüke verilir.
34
5. SONUÇ Güç elektroniğinin gelişmesi ile birlikte, bozulma yaratan ve/veya bozulmalardan etkilenen yüklerin daha yayg ın kullanılmaya başlanmas ı, kullanıcılar için her geçen gün daha fazla kay ı p ve hasara yola açan güç kalitesi problemlerinin üzerinde daha titizlikle durulması gerekliliğini doğurmuştur. Günümüzde kullanılan geleneksel reaktif güç kompanzasyon teknikleri, çe şitli güç kalitesi problemlerini de beraberinde getirmektedir. Bu çal ışmada kontaktör anahtarlamalı geleneksel kompanzasyon yöntemleri modern statik anahtarlamal ı sistemlerle hem teorik hem de deneysel olarak k ıyaslanmıştır. Sonuç olarak, kontaktör anahtarlamalı sistemler, şebekede bozucu etkilerde bulunan a şır ı ak ım ve gerilim bileşenleri yaratırken, tristör anahtarlamalı statik kompanzasyon sistemleri herhangi bir güç kalitesi problemine neden olmamaktadır. Yukar ıda sayılan özelliklerinden dolayı ve yar ı-iletken teknolojisinin gün geçtikçe ucuzlamas ı ve yaygınlaşmasının bir sonucu olarak, daha h ızlı, güvenli ve ekonomik olan statik anahtarlamal ı çözüm, kontaktörlü sistemlerin yerini alacakt ır.
35
KAYNAKLAR
[1] K ıyan, M., Kayaba şı,M. v.d., (2005) “Alçak Gerilim Reaktif Güç Sistemlerinin Deneysel Kar şılaştır ılması”,pp., 1-6.
[2] Kocatepe , C., Uzuno ğlu, M., Yumurtaac ı, R., Gülez, K. v.d., (1999) “Tristör Kontrollü Reaktörün İletim Açısına Bağlı Harmonik Etkileri ve Stabilitesi” , YTÜ Dergis, pp., 2.
[3] Kara, A., Yalç ınöz,T. v.d. (17–19 Kas ım 2005),“ Esnek AC İletim Sistemlerinde Kullanılan Cihazlar ve TKR, SVC, TAK Yap ılı Paralel Kompanzatörlerin Yük Gerilimine Etkisinin Matlab Ortamında” II. Mühendislik Bilimleri Genç Araştırmacılar Kongresi MBGAK 2005, İstanbul, pp.,143-146.
[4] Eminoğlu, U., Yalçınöz, T., Herdem, S., v.d.,( 01-03 September, 2003) “Analysis Of FACTS Devvices For Dynamic Loads Using MATLAB”, pp. 377-380, Thessaloniki, Greece.
[5]Çetinkaya, H. B., Öztürk, S., Basa, Arsoy A., Alboyac ı, B., Şengü, M., Türker, T., v.d.,(Mayıs / 2005 ),“Enerji İletim Hatlar ındaki Enerji Kalitesini Düzenleyen Klasik ve Modern Kontrol Yapılar ı”, Enerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu, Kocaeli.
[6] Uzunoğlu, M., Kocatepe, C. v.d.,(5 May ıs 2004), “Tristör Kontrollü Reaktör İçeren Statik VAR kompanzatörler ve Harmonik Etkinli ği”, pp., 2-4.
[7] TMMOB,v.d, (1999) “TMMOB Reaktif Güç Kompanzasyonu Seminer Notlar ”, ı
İstanbul, EMO,pp.,1-8.
