T.C SAKARYA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MÜHENDİSLİK TASARIMI
STATİK VAR SİSTEMLERİ VE SİMULİNK UYGULAMASI
DANIŞMAN: PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU
ELVAN KARA
MUHAMMED ONUR GÜLERYÜZ
0601.00028
G0601.00042
SAKARYA 2009
İçindekiler Şekil Listesi ......................................................................................................................................................................... 4 BÖLÜM 1.GİRİŞ ................................................................................................................................................................... 5 BÖLÜM 2.GENEL BİLGİLER............................................................................................................................................ 6 2.1. ZAHİRİ, AKTİF VE REAKTİF DİRENÇ ............................................................................................................ 6 Faz Farkı Olan Akımın Aktif ve Reaktif Bileşenleri ................................................................................... 7 2.2. ZAHİRİ, AKTİF VE REAKTİF GÜÇ.................................................................................................................... 8 Reaktif Güç ....................................................................................................................................................................... 9 BÖLÜM 3.REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU ....................................................................................................... 11 3.1 KOMPANZASYON ................................................................................................................................................ 11 Kompanzasyon Neden Gereklidir? ................................................................................................................. 11 3.2 KOMPANZASYON YÖNTEMLERİ .................................................................................................................. 12 3.3 REAKTİF GÜÇ GEREKSİNİMİ ...................................................................................................................... 14 1-Endüstriyel Kuruluşlar ................................................................................................................................... 14 2-Meskenler ............................................................................................................................................................. 14 3-Ticarethaneler .................................................................................................................................................... 14 4-Resmi Daireler .................................................................................................................................................... 14 5-Sokak Aydınlatması .......................................................................................................................................... 14 3.4 REAKTİF GÜÇ VE GÜÇ FAKTÖRÜ ............................................................................................................. 15 Reaktif Güç Tüketicileri ...................................................................................................................................... 15 Reaktif Güç Üreten Araçlar ................................................................................................................................ 15 Güç Faktörünün Doğurduğu Sorunlar ve Sonuçları ............................................................................... 16 1.
Üretici Yönünden ................................................................................................................................... 16
2.
Tüketici Yönünden ................................................................................................................................. 16
3.5 ŞEBEKENİN A.G. TARAFINDA KOMPANZASYON ............................................................................... 17 1-Alıcıların Müstakil Kompanzasyonu ....................................................................................................... 17 Motorların Kompanzasyonu ....................................................................................................................... 17 Transformatörlerin Kompanzasyonu ..................................................................................................... 18 Aydinlatmada Kompanzasyon ................................................................................................................... 19 Lamba Sınıfları .............................................................................................................................................. 19 1 – Elektrolüminesan Lambalar : .................................................................................................... 19 2 - Akkor Telli Lambalar : ................................................................................................................. 19 3 - Deşarj Lambaları : ........................................................................................................................... 19 2-Grup Kompanzasyonu .................................................................................................................................... 20 3-Merkezi Kompanzasyon ................................................................................................................................ 20 2
3.6 KOMPANZASYON İÇİN GEREKLİ KONDANSATÖR GÜCÜ HESABI ................................................. 21 Kompanzasyon Hesabı ........................................................................................................................................ 22 Kompanzasyon Sonrası ....................................................................................................................................... 23 Yük Analizi................................................................................................................................................................ 24 1-Proses Güçler: ............................................................................................................................................... 24 2-Mekanik Güçler: ........................................................................................................................................... 24 3-Aydınlatma Gücü: ........................................................................................................................................ 24 4-Priz Gücü:........................................................................................................................................................ 25 AŞIRI KOMPANZASYON ZARARI..................................................................................................................... 26 BÖLÜM 4.STATİK VAR SİSTEMLERİ ....................................................................................................................... 27 4.1 TRİSTÖR KONTROLLÜ REAKTÖR (TKR) ............................................................................................. 27 4.2 TRISTÖR ANAHTARLAMALI REAKTÖR (TAR) ................................................................................. 29 4.3 TRİSTÖR ANAHTARLAMALI KONDANSATÖR(TAK) .................................................................... 30 BÖLÜM 5. SİMULİNK KULLANILARAK TASARIM .............................................................................................. 31 SONUÇ .................................................................................................................................................................................. 36 KAYNAKÇA......................................................................................................................................................................... 37
3
Şekil Listesi Şekil 2.1.1- Zahiri, aktif, reaktif direnç ve fazör diyagramları Şekil 2.1.2- Omik direnç ifadesi ve fazör diyagramı Şekil 2.1.3- Endüktif direnç ifadesi ve fazör diyagramı Şekil 2.1.4- Kapasitif direnç ifadesi ve fazör diyagramı Şekil 2.1.5- Gerilim, akım ve aktif-reaktif bileşenleri ile fazör diyagramları Şekil 2.2.1-Güç katsayısı ifadesi ve fazör diyagramı Şekil 2.2.2-Şebekeden beslenen sistem gösterimi Şekil 2.2.3-Kompanze edilmiş yükün gösterimi Şekil 2.2.4 -Aktif Reaktif Ve Görünür Gücün Fazör Diyagramı Şekil 3.6.1 -Endüktif karekterli bir empedans için çizilmiţ güç üçgeni Şekil 4.1.1- TKR ‘nin Eşdeğer Devresi Ve İletim Açısı-Akım İlişkisi Şekil 4.1.2 -AC Akım Kıyıcıya Paralel Bağlanmış Kondansatör Şekil-4.2.1 Basit TAR Devre Şeması Şekil 4.3.1 TAK ın devre yapısı Şekil 5.1 Kompanzasyonsuz Devrenin Simulink Modeli Şekil 5.2 Kompanzasyon Yapıldıktan Sonra Devrenin Simulink Modeli Şekil 5.3 Kompanzasyonsuz Devrenin Simulink Modeli Şekil 5.4 Kompanzasyon Yapıldıktan Sonra Devrenin Simulink Modeli
4
BÖLÜM 1.GİRİŞ Elektrik enerjisine olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Artan enerji ihtiyacının karşılanması hususunda mevcut sistemlerin daha verimli kullanılabilmesi için bir takım çalışmalar yapılmıştır. Bunlardan en önemlisi olan reaktif güç kompanzasyonudur. Elektrik şebekesine bağlı cihazların hemen hemen tamamı şebekeden aktif güç yanında bir de reaktif güç çeker. Burada iş yapan güç aktif güçtür. Reaktif güçse şebekeden çekilir ve daha sonra şebekeye geri verilir. Endüksiyon prensibine göre çalışan bütün makineler ve cihazlar için gerekli olan bu güç manyetik alanın oluşmasını sağlar. Hatlarda gereksiz yer kaplayan reaktif güç için de aynı zamanda ücret ödenir. Bundan dolayı şebekeden çekilen bu gücün belirli değerlerde tutulması ve geri kalan miktarın da belirli teknikler kullanılarak karşılanması reaktif güç kompanzasyonudur. Şebekeye bağlı olan yükler belirli gerilim ve frekans değerlerinde çalışacak şekilde tasarlanır. Bunların değişmesi halinde de yük verimli çalışmaz. Bundan yola çıkarak bir şebekenin kaliteli olarak tanımlanması şunlara bağlıdır: Enerjinin sürekliliği, Gerilim ve frakansın sabit olması, Güç faktörünün 1’e yakın olması , Faz gerilimlerinin dengeli olması , Harmoniklerin belirli bir değerde tutulması , Bunların gerçekleşmesi de reaktif güç kompanzasyonuyla sağlanır.
5
BÖLÜM 2.GENEL BİLGİLER 2.1. ZAHİRİ, AKTİF VE REAKTİF DİRENÇ Bir devrenin zahiri direnci Ohm Kanununa göre bu devreye tatbik edilen gerilim ve geçen akıma göre bulunmaktadır. Alternatif akımda zahiri direnç Z’ nin bir aktif ( R ) bir de reaktif ( X ) bileşeni bulunmaktadır.
Şekil 2.1.1- Zahiri, aktif, reaktif direnç ve fazör diyagramları R = UR / I
Z=
X = UB / I
Z = U / I ( Ohm = V /A )
Bir elektrik devresinin içerisindeki cihazlar zahiri direnci teş kil ederler ve akımı n gerilime göre faz durumunu tayin ederler. Bunun için 3 hal mümkündür: 1 - Devredeki cihazlar sadece omik değerdedir. ( Akkor flamanlı lambalar ) I U X=0
Z=
=R
U I
Şekil 2.1.2- Omik direnç ifadesi ve fazör diyagramı Akım ve gerilim vektörel olarak aynı fazdadır. 2 - Devredeki cihazlar endüktif ( ) karakteristiktedir. Akım vektörel olarak, gerilime göre açısı kadar geridedir.( Transformatörler, motorlar, bobinler )
Şekil 2.1.3- Endüktif direnç ifadesi ve fazör diyagramı
6
3 - Devredeki cihazlar kondansatörler gibi kapasitif ( ) karakteristiktedir. Akım vektörel olarak gerilime göre açısı kadar ileridedir.
Şekil 2.1.4- Kapasitif direnç ifadesi ve fazör diyagramı XL = 2. .f.L = WL ( Ohm )
Xc = 1 / 2. .f.C = 1 / Wc ( Ohm )
L = indüktivite ( Henry ) [ H ]
C = kapasite ( Farad ) [ F ]
f = frekans ( Hertz ) [ Hz ]
Faz Farkı Olan Akımın Aktif ve Reaktif Bileşenleri
Gerilim ile akım arasındaki faz farkını akımı bileşenlerine ayırarak izah etmek mümkündür. I alternatif akımın aktif = Iw , reaktif = Ib bileşenleri, birbirine paralel bağlı aktif ve reaktif dirençlerin üzerinden geçen akımlardır.
Şekil 2.1.5- Gerilim, akım ve aktif-reaktif bileşenleri ile fazör diyagramları
Iw = U / R = I . Cos I=U/Z=
Ib = U / X = I . Sin
7
2.2. ZAHİRİ, AKTİF VE REAKTİF GÜÇ Elektriksel güç; bir devreye tatbik edilen gerilimle bunun doğurduğu akımın bir hasılatıdır. Zahiri Güç
S=U.I
Aktif Güç
P = U . Iw = U . I . Cos = S . Cos
( VA )
Reaktif Güç Q = U . Ib = U .I . Sin = S . Sin
(W) ( VAR )
P = S . Cos ’ de aktif güç zahiri gücün Cos ile çarpılmasıyla elde edildiği için Cos ’ ye aktif güç katsayısı veya kısaca güç katsayısı adı verilmektedir.
Şekil 2.2.1-Güç katsayısı ifadesi ve fazör diyagramı Aktif güç ile zahiri güç arasındaki açı, gerilimle akım arasındaki aynı faz açısı halde Cos ile faz farkı ifade edilebilir. . Cos = 1 ( Sadece aktif güç mevcuttur. = 0 derece ) Cos = 0 ( Sadece reaktif güç mevcuttur. = 90 derece )
Şekil 2.2.2-Şebekeden beslenen sistem gösterimi 8
Santralde üretilen bir enerji, aktif ve reaktif akım adı altında en küçük alıcıya kadar beraberce akmakta, iş yapmayan, sadece motorda magnetik alan doğurmaya yarayan reaktif akım, havai hatta, trafoda, tablo, şalterler ve kabloda lüzumsuz yere kayıplara sebebiyet vermektedir. Bu kayıplar 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 bakışta reaktif akımın santralden alıcıya kadar taşınması, büyük ekonomik kayıp olarak görünmektedir. Genellikle enerji dağıtım şebekelerinde lüzumsuz yere taşınan bu enerji, taşınan aktif enerjinin % 75 – 100’ü arasında tespit edilmektedir. Bu reaktif enerjinin santral yerine, motora en yakın bir mahalden gerek kondansatör tesisleri, gerekse senkron döner makinalar tarafından temin edilmesiyle, santralden motora kadar bütün tesisler bu reaktif akımın taşınmasından, yükünden arınmış olacaktır.
Şekil 2.2.3-Kompanze edilmiş yükün gösterimi I1 : Zahiri akım
I1 .Cos : Aktif akım
I1.Sin : Reaktif akım
Santralden motora kadar bütün hatlar, tesisler ; I .Cos + I .Sin = Iaktif + Ireaktif akımının toplamı ile yüklenmekte, motor ise ancak P = U.I.Cos aktif enerjiyi almaktadır.
Reaktif Güç Akımın aktif bileşeni ; Motorlarda mekanik gücü, Isıtıcılarda teknik gücü, Lambalarda aydınlatma gücünü oluşturan faydalı bileşendir. Akımın reaktif bileşeni ; Jeneratör Transformatör Motor Bobin 9
gibi elektrik cihazlarının çalışması için gerekli magnetik alanı meydana getirir. Magnetik alanı meydana getiren mıknatıslanma akımı endüktif ( geri – fazda ) karakterde olup şebekeden çekilir ve akımın sıfırdan geçtiği anda alan ortadan kalkınca tekrar şebekeye iade edilir. Bu nedenle reaktif güç, üretici ile tüketici arasında sürekli olarak şebeke frekansının 2 katı bir frekansla salınır.
Şekil 2.2.4 Aktif Reaktif Ve Görünür Gücün Fazör Diyagramı
S=
.U.I Görünen güç
Aktif güçle, aktif akım gerilimle aynı fazdadır. Çekilen güç endüktif ise zahiri güç ile I hat akımı gerilimden açısı kadar geri fazdadır. U : Hat gerilimi ( Fazlar arası gerilim )
I : Hat akımı
S : Zahiri güç ( VA )
P : Aktif güç ( W )
Q : Reaktif güç ( VAR ) Aktif akım : Ip = I .Cos Aktif güç : P = S.Cos
: Faz açısı Reaktif akım : Iq = I .Sin Reaktif güç : Q = S.Sin
Hat akımı : I = / Ip + Iq Zahiri güç : S = / P + Q
Aktif akımın meydana getirdiği aktif güç, tüketici tarafından faydalı hale getirilir; Mesela motorlarda mekanik güce, ısı tüketicilerinde termik güce ve aydınlatma tüketicilerinde aydınlatma gücüne dönüşür. Reaktif akımın meydana getirdiği reaktif güç ise faydalı güce çevrilemez. Reaktif güç, yalnız alternatif akıma bağlı bir özellik olup, elektrik tesislerine istenmeyen bir şekilde tesir eder; generatörleri, transformatörleri, hatları, bobinleri gereksiz olarak işgal eder ve lüzumsuz yere yükler, ayrıca bunların üzerinde ilave ısı kayıplarına ve gerilim düşümlerine yol açar. Aktif güç enerjisi normal sayaçlarda tespit edildiği halde reaktif enerji böyle bir sayaç ile kontrol edilemez, bunu kaydetmek için ayrı bir reaktif enerji sayacına ihtiyaç vardır.
10
BÖLÜM 3.REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU 3.1 KOMPANZASYON Voltaj ile akım arasında, idealde faz farkı olmaz. Endüktif ya da kapasitif yüklerin oluşturduğu etki neticesinde, akım sinyalinin, voltaj sinyaline göre maksimum ±90 derecelik faz farkı oluşur. Endüktif ve kapasitif etki neticesinde oluşan voltaj ve akım sinyali arasındaki faz farkını düzelterek, ideale yakın (0 derecede) sabit tutmaya yarayan işleme; pratikte ise, elektrik sisteminde, elektrik motoru, bobin vb. mıknatıslanma etkisi ile elektrik enerjisini yine elektrik enerjisine ya da farklı bir enerjiye çeviren cihazların, bu mıknatıslanma etkisi ile faz akımını geri kaydırmasından (endüktif güç oluşturmasından) dolayı, şebeke üzerinde yaratmış oldukları endüktif reaktif gücü dengeleme ve fazın akımını olması gereken konuma geri çekme işlemine kompanzasyon denir. Bu şekilde reaktif akım azaltılırsa,enerji taşıma kapasitesi artacak,enerji iletim sistemlerinin elemanlarının iletken kesitleri azalacak,gerilim düşümleri önlenecek,sistem verimli hale getirilmiş olacak. Verilen bilgiler neticesinde özetle şu tanım yapılabilir: sistemde endüktif veya kapasitif yüklerin oluşturduğu etki sonucu sistemde meydana gelen faz farkının sıfıra yakın yani güç faktörünün bire yakın tutulması için sisteme yapılan işlemlere kompanzasyon denir. Kompanzasyon Neden Gereklidir?
Elektrik enerjisinin, santralden en küçük alıcıya kadar dağıtımında en az kayıpla taşınması gerekmektedir. Günümüzde, teknolojinin gelişmesi ile her evde bulunan buzdolabı, çamaşır makinası, klima, vs. gibi ısıtma, havalandırma ve soğutma cihazları, elektrik enerjisine ihtiyacın her geçen gün biraz daha artmasına, enerji üretiminin gittikçe pahalılaşmasına neden olmakta, dolaylı olarak ta bu durum şebekede taşınan elektrik enerjisinin de kaliteli, ucuz ve hakiki iş gören aktif enerji olmasını daha zorunlu kılmaktadır. Kompanzasyonun tanımında bahsedildiği gibi, şebekeye bağlı bir alıcı, eğer bir motor, bir transformatör, bir floresant lamba ise, bunlar manyetik alanlarının temini için bağlı oldukları şebekeden endüktif reaktif güç çekerler. İş yapmayan ve sadece motorda manyetik alan doğurmaya yarayan indüktif reaktif güç, iletim hatlarında, trafolarda, tablo, şalterler ve kablolarda lüzumsuz yere kayıplara sebebiyet vermektedir. Bu kayıplar yok edilebildiği zaman, şüphesiz trafolar daha fazla motoru besleyebilecek bir kapasiteye sahip olacak, keza disjonktörler (disjonktör=Yüksek gerilimli enerji nakil hatlarına ve fabrikaların ana girişlerine konur. Disjonktörler akım taşıyan hatlarda açma kapama yapmaya yarar. Bu elemanlar yüksek gerilimli şebekelerin açma kapama şalteri olarak da tanımlanmaktadır.) lüzumsuz yere büyük seçilmeyecek, kullanılan kablolar ise daha küçük kesitte seçilebilecektir.
11
Daha az yatırımla motora enerji verme yanında, uygulanan tarifeler yönünden, her ay daha az elektrik enerjisi ödemesi yapılacaktır. Görüldüğü gibi, daha ilk bakışta reaktif gücün santralden alıcıya kadar taşınması, büyük ekonomik kayıp görünmektedir. Genellikle enerji dağıtım şebekelerinde lüzumsuz yere taşınan bu enerji, taşınan aktif enerjinin % 75 ile %100'ü arasında olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, bu reaktif enerjinin santral yerine, motora en yakın bir bölgeden gerek kondansatör tesisleri (statik faz kaydırıcı), gerekse senkron döner motorlar (dinamik faz kaydırıcı) tarafından temin edilmesiyle, santralden motora kadar mevcut bütün tesisler bu reaktif gücün taşınması yükünden arınmış olacaktır. Reaktif güçler kompanze edilmezse, Şebekede güç kayıplarına neden olur, Üretim ve dağıtım sisteminin kapasitesini azaltır, Gerilim düşmesinin, taşınan gücü sınırladığı dağıtım hatlarında, enerji taşıma kapasitesinin düşmesine neden olur.
3.2 KOMPANZASYON YÖNTEMLERİ Alternatif akımlı enerji sistemlerinde reaktif güç kompanzasyonunun önemi bilinmektedir. Bu yüzden güç faktörünü (Cos ) düzeltmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Kompanzasyon sistemlerinde yükün özellikleri oldukça önemlidir. Güç ve güç katsayısı yaklaşık olarak sabit olan bir yükün varlığı halinde uygun olarak seçilmiş bir kondansatör grubu sorunu çözebilir. Fakat yük her an sistemden farklı aktif ve reaktif güç çekebiliyor ise yukarıda önerilen yaklaşım burada geçerli olmaz. Böyle bir problemin dört farklı çözüm yolu vardır: Besleme sisteminin kısa devre gücünü arttırıp sabit kondansatör bataryası kullanmak Mekanik olarak anahtarlanan şönt kondansatör grupları kullanmak. Senkron makinaları kapasitif bölgede çalıştırmak yada ayrıca senkron kapasitör kullanmak Tristörlü statik kompanzasyon sistemleri kullanmak.
Gerek ark fırınlarında gerek fazlarından farklı aktif ve reaktif güç çeken dengesiz yüklerde ve gerekse güç faktörünün anlık değişim gösterdiği tüketiciler, besleme sistemine etki ederek gerilim dalgalanmasına yol açarlar. İstenmeyen bu gerilim dalgalanmasını en aza indirmenin yolu; besleme sistemine değişken reaktif güç sağlayarak güç katsayısını sabit tutmaktan geçer. 12
Değişken reaktif güç sağlanmasında senkron reaktör kullanımı bir çözümdür. Enterkonnekte sistem ile paralel çalışan bir senkron makinanın uyarma akımı değiştirilerek reaktif güç denetimi yapılabilir. Yükün aktif ve reaktif güçleri sürekli olarak ölçülüp senkron makinanın uyarma devresi geri besleme olarak ayarlanırsa yükün bağlı olduğu barada güç katsayısının sabit kalması sağlanmış olur. dinamik kompanzasyon adı verilen bu yöntemin aşağıda verilen sakıncaları bulunmaktadır: 1. Döner makine kullanma zarureti ve eylemsizlik momentinin bulunması 2. Tepkime hızının yeterince büyük olmaması 3. Üç fazda ayrı ayrı denetim imkanın olmaması Yukarıdaki dezavantajlarından dolayı dinamik kompanzasyon pek kullanılmamaktadır. Bu sayılan sakıncalar tristörlü devrelerde ortadan kaldırılmıştır. Tristörlü devreler ‘Statik VAR Kompanzasyonu’ adı altında endüstride dinamik kompanzasyona tercih edilmektedir. Çok çeşitli statik kompanzasyon devreleri gerçeklenebilir.Ayrıca sürekli rejimde; senkron makinanın kompanze ettiği reaktif güçte kVAr başına yapılması gereken sabit yatırım masrafları ve hareketli sistemlerin dezavantajı olan sürekli bakım ve arıza gibi sorunlardan oluşan işletme masrafları; sistemin en büyük dezavantajıdır. Aynı şekilde; mekanik veya elektronik kontrol ile işletime alınan kondansatör grupları da istenilen hassasiyette çalışamamaktadır. Söz konusu olan ve endüstride birçok uygulamada ortaya çıkan sorun; üç fazlı şebekenin stasyoner ve de dinamik olarak reaktif yüklenmesidir. Fazların dengesiz olması ise her faz için ayrı ayrı kompanzasyon yapılmasına neden olacaktır. Tristör veya GTO gibi güç elektroniği elemanlarının hızlı çalışması ve hızlı gelişimi neticesinde günümüzde dinamik reaktif güç kompanzasyonu pek kullanılmamaktadır. Ayrıca güç faktörünün 1’e yaklaşması ve hızlı değişen yüklerde bu değerde sabit tutulması dinamik sistemlerde yeterince hızlı gerçekleştirilememektedir. Statik reaktif güç kompanzasyonu bu yönü ile de bir adım daha öne geçmektedir.
13
3.3 REAKTİF GÜÇ GEREKSİNİMİ Güç faktörü düzeltmede başlangıç noktası, yük karakteristiğinin tam olarak belirlenmesidir. İşe güç sistemi yönünden bakıldığında, sistemin en fazla zorlandığı yükteki güç faktörünün bilinmesi yeterlidir. Türkiye’de müşteri gruplarının puant yükteki güç faktörleri üzerinde yapılmış çalışmalar çok eksiktir. Eldeki bilgiler genellikle dağıtım panolarındaki Cos metrelerden okunan bilgileri içermektedir. Yapılan araştırma ve ölçümlerde her müşteri grubu için güç faktörü değerleri ortalama olarak bulunmuştur. 1-Endüstriyel Kuruluşlar Endüstriyel kuruluşların güç faktörlerinin 0.6 – 0.9 arasında değiştiği, alt sınırın ark ocakları, kaynak makinaları veya küçük elektrik motorları kullanan ve aydınlatmanın fluoresan lambalarla yapıldığı kuruluşlarda, üst sınırın ise büyük güçte motor kullanan, aydınlatmanın da cıva buharlı lambalarla yapıldığı kuruluşlarda tekabül ettiği gözlenmiştir. 2-Meskenler Yapılan ölçmelerde güç faktörünün yaşam standartları ile doğrudan bağlı olduğu gözlenmiştir. Ülkemizde meskenlerde elektrik enerjisini genellikle aydınlatma (akkor veya fluoresan lamba) ve birazda ısıtma için kullanıldığı düşünülürse bunun sebebi ortaya çıkmaktadır. 3-Ticarethaneler Ticarethanelerin yükleri aydınlatma ve küçük elektrik motorlarından oluşmaktadır. Ticarethaneleri bürolar ve alışveriş merkezleri olarak ayırırsak; alışveriş merkezlerinin güç faktörleri 0.8 – 0.7, büroların ise 0.88 olarak ölçülmüştür. 4-Resmi Daireler Resmi dairelerde ana yükü aydınlatma oluşturmakta, dolayısıyla güç faktörü aydınlatmanın türüne bağlı olarak değişmektedir. Yalnız fluoresan lamba kullanılan dairelerde güç faktörü 0.5’ e kadar düşebilmekte ve enkandesan lambaların kullanılmasıyla artmaktadır. 5-Sokak Aydınlatması Sokak aydınlatmasında güç faktörünü kullanılan lamba tipi belirlemektedir. Enkandesan lambaların kullanıldığı durumlarda güç faktörü 0.97’ ye ulaşmaktadır. Örneğin; Ankara – Samsun otoyolundaki cıva buharlı lambalarla yapılan aydınlatmada güç faktörü 0.86 olarak belirlenmiştir. 14
3.4 REAKTİF GÜÇ VE GÜÇ FAKTÖRÜ Reaktif Güç Tüketicileri Magnetik veya statik alanla çalışan bütün elektrikli araçlar şebekeden aktif güç yanında reaktif güç çeker; bazı koşullar altında da reaktif güç verir. Bu tip önemli bazı araçlar şunlardır: Düşük ikazlı sekron makinalar Asenkron motorlar Senkron motorlar Bobinler Transformatörler Redresörler Endüksiyon fırınları, ark fırınları Kaynak makinaları Hava hatları Fluoresan lamba balastları Sodyum ve cıva buharlı lamba balastları Neon lamba balastları
Reaktif Güç Üreten Araçlar Tüketicilerin reaktif güç ihtiyaçlarını karşılamak için 2 tip araçtan yararlanılır: Dinamik faz kaydırıcılar, aşırı ikaz edilmiş senkron makinalar (Senkron kompensatörler) , statik faz kaydırıcılar, kondansatörler. Kondansatörlerin kayıpları çok düşük olup, nominal güçlerinin % 0.5’ inin altındadır. Bakım masrafları ihmale gelebilecek kadar azdır. Tüketicilerin hemen yanına ve istenilen büyüklükte tesis edilebilme kolaylıkları da vardır. Bu nedenle tercih edilirler. Kompanzasyon tesislerinde 2 tip kondansatör kullanılır; 1. Yağlı Tip Kondansatör: Belli peryotlarda bakım gerektirirler. ( Suyunun değişmesi vb..) 2. Kuru Tip Kondansatör: Bakım gerektirmezler. En kötü yanı harmoniklerinin fazla olmasıdır. 15
Güç Faktörünün Doğurduğu Sorunlar ve Sonuçları
Tüketicilerin güç faktörü belirli limitlerin altında kaldığı sürece besleme sisteminin ortalama güç faktörü de düşük olur. Düşük güç faktörünün etkileri şöyle özetlenebilir: 1. Üretici Yönünden
Kurulacak bir tesiste: Generatör ve transformatörlerin daha büyük güçte seçilmesine, İletkenlerin daha kalın kesitli olmasına, cihazlarının daha büyük ve hassas olmasına neden olur. Kurulu bir tesiste: Üretim, iletim ve dağıtımda kapasite ve verimin düşmesine, İletkenlerde kayıpların ve gerilim düşümünün artmasına, Gerilim regülasyonu ve işletmeciliğin zorlaşmasına neden olur. Sonuç: Üretim maliyeti artar. 2. Tüketici Yönünden
Kurulacak bir tesiste: Alıcı transformatörünün (varsa), kumanda, koruma ve kontrol donanımının gereğinden daha büyük olmasına, İletkenlerin daha kalın kesitli seçilmesine neden olur. Kurulu bir tesiste: Transformatör (varsa), o tesisatın kapasite ve veriminin düşmesine, Şebekeden daha çok reaktif enerji çekilmesine, Kayıpların ve gerilim düşümünün artmasına neden olur. Sonuç: Görülen hizmet ve üretilen ürünün maliyeti artar. Bütün bunlar yanında gereksiz yatırımlar yapılması ile milli ekonomiye zarar verilmiş olur.
16
3.5 ŞEBEKENİN A.G. TARAFINDA KOMPANZASYON Müşteriler açısından kompanzasyonun A.G. tarafında gerçekleştirilmesi büyük avantajlar sağlar. Çünkü büyük sanayi tesislerinde dahi A.G. kompanzasyon tesislerinin sayısı fazla değildir. Derli toplu olup, işletilmeleri ve bakımları kolaydır. Bundan başka ekonomik açıdan değerlendirildiğinde kullanılan tüm cihazlar gerek fiyat olarak ve gerekse de kapladıkları hacim itibarı ile oldukça avantaj temin eder. Şehir ve kasaba şebekelerinde kompanzasyon tesisinin A.G.’de yapılması işletme ve bakım açısından büyük zorluklar taşımaktadır. Bu nedenlerden dolayı şehir ve kasaba şebekelerinde O.G.’de kompanzasyon yapmak tercih edilebilir. Zira bu durumda kompanzasyon tesisi sayısı oldukça sınırlı olacaktır. Ancak köy şebekelerinde kompanzasyon yapılması gerektiğinde A.G.’de kompanzasyon yapmak daha uygundur. Çünkü köy şebekeleri, trafo sayısı bakımından oldukça sınırlıdır. A.G.’de kompanzasyon belli başlı 3 şekilde düzenlenir ; 1. Alıcıların müstakil kompanzasyonu 2. Grup kompanzasyonu 3. Merkezi kompanzasyon 1-Alıcıların Müstakil Kompanzasyonu Sürekli olarak işletmede bulunan büyük güçlü abonelerin reaktif enerji gereksinimlerini temin için tüketicinin uçlarına şönt kondansatör bağlanır ve müşterek bir anahtar üzerinden tüketici ile birlikte işletmeye sokulup çıkarılırlar. Motorların Kompanzasyonu Motorların tek - tek kompanzasyonunda motorun boşta çektiği zahiri güce göre kondansatör gücünün hesaplanması gerekir. Asenkron motor, magnetik alanın üretilmesi için endüktif reaktif güç çeker. Motorların çektikleri reaktif güç, motorun nominal gücüne ve devir sayısına bağlıdır; yani verilen belirli bir güçte, düşük devirli motorlar, daha yüksek mıknatıslanma akımı çekerler. Boşta çalışan motor ise, şebekeden hemen hemen yalnız mıknatıslanma akımı çeker. Şu halde düşük devirli motorların güç katsayıları da daha düşüktür. Yıldız – Üçgen şalterlerle yol verilen asenkron motorlara yapılan kompanzasyonda kondansatörler motor sargılarının uçlarına paralel bağlanırlar. Ancak motorlara yol verme esnasında şu şekilde tehlikeli bir olay başgösterebilir: Yıldız bağlama durumunda kondansatörler dolmuş durumda iken üçgen bağlamaya geçme esnasında çok kısa süreli olarak şebekeden ayrılırlar ve üçgen durumunda fazlar ters olarak tekrar şebekeye bağlanırlar. Dolayısı ile bu durum darbe akımları meydana getirir. Bu da motorun, kondansatörlerin ve bağlama elemanlarının aşırı zorlanmasına yol açar. Uygun kontaktör kombinasyonları kullanmakla bu olay önlenebilir. 17
Kondansatörlerle donatılan asenkron motorlarda baş gösteren ve arzu edilmeyen başka bir olayda “ kendi kendine uyarma “ dır. Şebekeye bağlı olarak çalışmakta olan bir asenkron motorun uçlarına, boşta çalışma akımının yaklaşık % 90’ına eşit güçte bir kondansatör paralel bağlanırsa, bu durumda genellikle arzu edilmeyen aşırı kompanzasyondan başka devreden ayrılmış olup kinetik enerjisi ile dönmekte olan motorda kendi kendini uyarma olayı baş gösterir. Motor şebekeden ayrıldığı anda kinetik enerji ile dönmeye devam eder. Kondansatörden gerekli uyarma akımını çekerek bir müddet daha generatör olarak çalışmaya devam eder. Bu durumda sargıları yıldız bağlı motorun uçlarında iki katı bir gerilim endüklenir. Bu nedenlerden dolayı söz konusu olan kondansatörlerin direkt bağlanmaları 25 kW’a kadar motorlar için kullanılabilir. Büyük sanayi tesislerinde ve fabrikalarda, Blok Yük olarak adlandırılan yüksek güçlü (örn. 400 kW ) ve devreye girip çıkma zamanları tam olarak bilinmeyen elektrik motorları kalkış anında şebekeden kısa süreli (yaklaşık 10 s.) olarak çok yüksek akımlar çeker. Sistemdeki otomatik kompanzasyon sistemi, böyle kısa süreli maksimum yükleri belli bir gecikmeyle algıladığı için, bu andaki reaktif gücü karşılayacak gerekli güçte kondansatör bataryası devreye girene kadar motor yol almış olur ve nominal güçte çalışmaya başladığı için şebekeden kalkış anına göre daha az reaktif güç çeker. Bu olay sırasında tesisin reaktif enerji sayacı hızla döner, kompanzasyon amacına ulaşmamış olur. Böyle durumlarda blok yükler, müstakil olarak kompanze edilmelidir.
Transformatörlerin Kompanzasyonu Alternatif akım makinalarının en önemlilerinden biri olan ve en çok kullanılan transformatörler bağlı oldukları üst gerilim şebekesinden endüktif reaktif güç çekerler. Bunlar bireysel olarak kompanze edilirler. Kondansatörler ya üst gerilim yada alt gerilim tarafına bağlanabilirlerse de, hem pratik hemde ekonomik sebeplerle alçak gerilim tarafına bağlanmaları tercih edilir. Transformatörün yükü daima değişebildiğinden, kompanzasyon için gerekli kondansatör gücü, en büyük reaktif güç ihtiyacına göre seçilmez. Aksi halde düţük yüklü saatlerde aşırı kompanzasyon baş gösterebilir ve transformatörün sekonder uçlarında gerilim yükselebilir. Ayrıca şebeke geriliminde harmoniklerin mevcut olması halinde, kondansatör şebekeden aşırı akım çekerek transformatörü aşırı yükleyebilir. Transformatörlerin kompanzasyonunda kullanılacak kondansatörün, transformatörün boşta çektiği reaktif gücü karşılayacak mertebede olması gereklidir. Açıklanan sebeplerden dolayı Elektrik İdareleri, transformatörün yüküne bağlı olmadan, nominal gücün % 5 - % 10 değerinde sabit bir kondansatör bağlanmasını tavsiye ederler.
18
Aydinlatmada Kompanzasyon Aydınlatmada kullanılan modern lambaların yardımcı malzemeleri yüzünden, şebekeden çekilen endüktif nitelikteki reaktif gücün bir çok sakıncaları vardır. Bunlar; Üretim, iletim ve dağıtım sistemlerindeki öğelerin gereksiz şekilde yüklenmesi ve bu suretle besleme kapasitelerinin azalması, Gereksiz yere çekilen fazla akımın enerji kayıplarına neden olmasıdır. Bu sakıncalar, aydınlatmada endüktif gücün, kondansatörlersayesinde çekilen kapasitif güçle kompanze edilmesi yani giderilmesi suretiyle ortadan kaldırılabilir. Lamba Sınıfları Aydınlatmadaki kompanzasyon kullanılan lamba türüne bağlıdır. 1 – Elektrolüminesan Lambalar : Elektrolüminesan, gazların bir elektrik deşarjı ile ışık yaymasına denir. Bu lambalar kapasitif akım çektiklerinden, santral ve şebekenin endüktif yükünü azaltırlar ve bu yüzden yük durumunu genel olarak düzeltirler. Bu lambalar, teknolojinin bugünkü düzeyinde çok az ışık verdiklerinden dolayı normal aydınlatmada kullanılmamaktadır. Bu yüzden kompanzasyon hesabına direkt etkileri yoktur, ihmal edilebilirler. Daha ziyade ölçme aygıtlarının kadranlarını aydınlatmak, pasif korunmada ışıklı sinyaller oluşturmak ve yatak odalarında loş bir aydınlatma sağlamak gibi amaçlarla kullanılırlar. 2 - Akkor Telli Lambalar : Bu lambalar birer omik direnç gibi şebekeyi yüklediklerinden endüktif yük çekmezler yani bu bakımdan ideal bir alıcı durumundadırlar. Fakat bu lambalar ışıktan daha ziyade ısı verdiklerinden gün geçtikçe kullanımı azalmaktadır.
3 - Deşarj Lambaları : Fluoresan lambalar ile Civa buharlı ve Sodyum buharlı lambalar şebekeye ancak bir Balast ve Ignitör ( ateşleyici ) yardımı ile bağlanırlar. Balast, bir empedans yada kaçak akılı bir transformatörden oluşur ve şebekeyi endüktif bir güçle yükler. Deşarj lambalarının ışıksal verimleri, akkor lambalara göre çok daha yüksektir. Deşarj lambaları, akkor lambalar gibi yardımcı malzeme kullanmadan, kolaylıkla şebekeye bağlanması olanaksız olmasına karşın, yüksek verimleri ve uzun ömürleri dolayısıyla bu lambalar günden güne yaygınlaşmaktadır. Ayrıca akkor lamba gibi basit bir duya vidalanabilen, balastı ile deşarj hücresini kapsayan 19
fluoresan lambalar ( PL serisi – PHILIPS ) geliştirildiğinden, deşarj lambalarının hızla yayıldığı söylenebilir. Bu yüzden aydınlatmada endüktif yükün kompanzasyonu büyük boyutlara ulaşmaktadır. Aydınlatmada kompanzasyon, deşarj lambalarının kompanzasyonundan ibarettir. Deşarj lambalarının kutuplarındaki gerilim akımın artmasıyla azalır. Kararlı bir çalışma için, pozitif bir karakteristik elde etmek amacıyla seri olarak bir empedans bağlanır. Eğer şebeke gerilimi deşarjı sürdürebilecek değerde değilse, genel olarak bir ototransformatörle yükseltilir ve bu taktirde, ayrıca seri bir empedans bağlamak yerine bu empedansa eşdeğer olacak şekilde, transformatör kaçak akılı olarak imal edilir. Teorik olarak seri bir empedans, bir endüktans veya bir kapasiteden oluşturulabilir; ancak kapasite kullanıldığı taktirde, alternatif akımın her yarım peryotunda meydana gelen akım tepeleri yüksek bir değere ulaşacağından, lambanın elektrotları çabuk yıpranır ve ömrü kısalır. Bu nedenle seri empedans, endüktif bir reaktanstan oluşturulur. Lambaların, balastları dolayısıyla, şebekeden çektikleri endüktif güç, devreye bağlanan kondansatörlerin çektikleri kapasitif yükle kompanze edilir. Endüktif yük oluşturan aydınlatma armatürlerinde kompanzasyon kondansatörü kullanılmaktadır. Bu armatürlerde kullanılan kondansatörler, polipropilen-metalize yapısında olup çevreye, insan sağlığına zararlı hiçbir madde içermemektedir. Kullanılan kondansatörler,içerisinde bulundurduğu deşarj direnci ile gerilim kesildikten 1 dakika sonra üzerinde 50 V’ u aşmayan bir gerilim tutarak, yine insan hayatını tehlikeye atmayacak bir şekilde dizayn edilmiştir. Eğer kondansatör üzerinde aşırı bir yük oluşursa kondansatör kesinlikle patlamadan ve çevreye zarar vermeden devre dışı kalır. 2-Grup Kompanzasyonu Birçok tüketicinin bulunduğu bir tesiste her tüketicinin ayrı ayrı kondansatörler ile donatılacağı yerde bunların müşterek bir kompanzasyon tesisi tarafından beslenmesi daha pratik ve ekonomik sonuçlar verir. Bu durumda kondansatörler gerektiği miktarlarda ve özel anahtarlar üzerinden ve gerektiğinde kademeli olarak şebekeye bağlanırlar. Kondansatörlerin açma ve kapama esnasında meydana getirdikleri arkı karşılamak için uygun anahtar kullanılmaktadır. Anahtar açıldığında çok ani ve süratle bir deşarj direnci üzerinden topraklanmaktadır. Ayrıca kondansatörler, kısa devrelere karşı gecikmeli sigorta ile korunmalıdır. 3-Merkezi Kompanzasyon Elektrik motorları, transformatörler, bobin gibi cihazlar, mıknatıslanma akımlarından dolayı şebekeye ek bir yük getirirler. Reaktif enerji denilen bu enerji, iş görmediği halde, cihazdan enerji santralına kadar olan iletim, dağıtım ve üretim tesislerini yükler ve kablo kesici gibi elemanların yararlı güç aktarma kapasitelerini düşürür. Bu nedenle, endüktif yüklerin bulundukları devreye kondansatör bağlanarak, yüklerin yakınında reaktif güç üretilebilir ve böylelikle bu gücün, tüm şebekeyi etkilemesi önlenir.
20
Endüktif yüklerin hemen yanına uygun değerde kondansatör bağlanarak yapılan bu işleme Sabit Reaktif Güç Kompanzasyonu denir. Uzun sürelerde devrede kalan büyük endüktif yükler için uygun bir yöntem olan Sabit Kompanzasyon, sık sık devreye girip çıkan, küçüklü büyüklü endüktif yüklerin bulunduğu tesislerde, her yüke denk, ayrı bir kondansatör bağlama gereği nedeniyle, akılcı olmayabilir. Bu tip tesislerde kondansatör gücünü, değişen kompanzasyon gücüne uydurabilmek için merkezi ve otomatik kompanzasyon yapılması uygundur. Merkezi Otomatik Kompanzasyon Sistemi, temel olarak uygun düzenlenmiş kondansatör bataryaları, reaktif gücü algılayıp, uygun kondansatör bataryalarının devreye alınıp çıkarılmasını sağlayan reaktif güç kontrol rölesi ve kondansatör gruplarına kumanda eden kontaktörlerden oluşur.
3.6 KOMPANZASYON İÇİN GEREKLİ KONDANSATÖR GÜCÜ HESABI
Şekil 3.6.1 Endüktif karekterli bir empedans için çizilmiş güç üçgeni AOC ‘de ; tg
Q 1 = ––––– P
Q = P. tg
BOC ‘de ; tg
Q-Qc 2 = ––––– P
Q - Qc = P. tg
2
Qc = P. tg
/2
Qc = Vc . Ic
Xc = 1 / W.C
Q - ( Q - Qc ) = P. tg Qc = Vc . Ic .Sin
1-
P. tg
c
c
=
Ic = Vc / Xc Qc = W . C .Vc ² ( VAr )
P. tg
1-
P. tg
P. tg 1- P. tg 2 C = ––––––––––––––––––– [ F ] ( Farad ) W . C .Vc ² 21
2=
1
1
2
- P. tg
W . C .Vc ²
2
Tam kompanzasyon Cos
2=
1
2=
0
P.tg 2 C = –––––––––– W.Vc²
Qc = P.tg
Kompanzasyon Hesabı Örnek: (Tek fazlı sistemde kompanzasyonun, şebeke gerilimine ve hatta oluşacak kayıplara etkisi) 100 KVA, 200 V ve 0,8 endüktif güç katsayılı yüke sahip bir sistemde; R = 0,05 . L = j 0,05 . olmak üzere
B noktasında:
SB = 100 KVA PB = 100 * 0,8 = 80 KW QB = 100 * 0,6 = 60 KVAR(endüktif) S=I*V= S = 100000 = 200 * I I = 500 A Hat kayıpları: P kayıp = (500)2 * 0,05 = 12500 W Q kayıp = (500)2 * 0,05 = 12500 VAR (endüktif) A noktasında: PA = PB + P kayıp PA = 80000 + 12500 = 92500 W QA = QB + Q kayıp 22
2
QA = 60000 + 12500 = 72500 VAR (endüktif) SA = SA = =117527 VA gebeke gerilimi = VG / I HAT = SA = 117527 / 500 = 235 V gebeke gerilim düşümü: 235 – 200 = 35 V Kompanzasyon Sonrası Sistemde güç faktörü 0,95 olacak şekilde kompanzasyon yapılırsa:
B’ noktasında: Kompanzasyon sonrası bu noktada aktif güç ve gerilim değişmeyecektir. PB’ = PB = 80 000 W VB’ = VB Kompanzasyon sonrası B’ noktasında akım ve güç faktörü değerleri değişecek bunlar; QB’ = PB’ * tan Ѳ QB’ = 80 000 * tan[ arc ( cos Ѳ)] QB’ = 80 000 * 0,328 = 26 294 VAR Kondansatörden sağlanması gereken reaktif güç = 60 000 – 26294 = 33 706 VAR
Qş = gebekeden çekilen reaktif güç QK = Kondansatör tarafından karşilanan reaktif güç Qş + QK= Q Yükün ihtiyacı olan toplam reaktif güç Bu durumda yükün ihtiyacı olan 60 000 VAR lık reaktif enerjinin 26 294 VAR ı şebeke tarafından, 33706 VAR ı kondansatörler tarafından karşilanir. 23
SB’ = SB’ = SB’ = 83048 VA S = I * V = 200 * I I= 415 A Hat kayıpları: P kayıp = (415)2 * 0,05 = 8611 W Q kayıp = (415)2 * 0,05 = 8611 VAR(endüktif) A noktasında: PA= PB’ + P kayıp PA = 80 000 + 8611 = 88 611 W QA = QB’ + Q kayıp QA = 26 294 + 8611 = 35 505 VAR(endüktif) SA = SA = SA = 95 459 VAR şebeke gerilimi = SA/ IHAT = 95 459 / 415 = 230 V şebeke gerilim düşümü: 230 – 200 = 30 V Kompanzasyon sonrası ; Şebekeden çekilen akım: 500 A’ den 415 A’ e Hatta oluşan aktif kayıp: 12 500 W’ dan 8 611 W’ a Hatta oluşan reaktif kayıp: 12 500 VAR’ dan 8 611 VAR’ a Şebeke gerilim düşümü 35 V’ dan 30 V’ a düşmüştür. Yük Analizi Yük analizinde amaç, projelendirme aşamasında tesiste kullanılacak olan ve kompanze edilmesi gereken yüklerin, güç ve güç faktörü yönünden çok iyi etüd edilmesidir. Projelendirmede yükleri aşağıdaki gibi sınıflandırabiliriz; 1-Proses Güçler: Proses güçler, tesisin üretimine direkt olarak katkısı olan, her türlü elektrik makinalarından oluşur. Bunlar, üretim ile ilgili yüklerdir. Örneğin; Cola fabrikasındaki şeker silosu, dolum tesislerinin kompresörü, Tekstil fabrikasındaki dikiş makinaları, kesim makinaları vb... 2-Mekanik Güçler: Her tesiste bulunabilen ve kullanıldığı tesislerde aynı görevi üstlenen elektrik motorlarından oluşur. Örneğin; Isıtma sistemlerinin kazanları, egzost sistemleri, klimalar, hidroforlar vb... 3-Aydınlatma Gücü: Tesiste kullanılan aydınlatma armatürü ve lambalara göre farklılık gösterir. Bir tesiste yapılan aydınlatma ( kompanze edilecek yük açısından ); 1. Fluoresan lambalarla yapılan aydınlatma 2. Civa buharlı lambalarla yapılan aydınlatma 3. Sodyum buharlı lambalarla yapılan aydınlatma 4. Metal halide lambalarla yapılan aydınlatma olarak sınıflandırılabilir.
24
4-Priz Gücü: Çok amaçlı kullanıma sunulan prizlerden oluşur. Yük analizinde yükler, güçlerine göre değil; işletmedeki fonksiyonlarına göre ayırt edilir. Böylece daha doğru ve fonksiyonel bir kompanzasyon yapılmış olur. Yük sınıflarında bulunan makinaların güç ve güç faktörü değerleri etiketlerinden, armatürlerin değerleri kataloglarından alınarak mevcut güç ve güç faktörleri belirlenir. Prizlerin güç faktörleri ise ortalama 0.8 alınabilir.
Örnek: Aşağıdaki örnekte yazılı rakamlar herhangi bir uygulamada kullanılmayıp sadece kompanzasyon hesap mantığının kavranması ve kolay anlaşılması amacıyla verilmiştir. Q = ( tg
1
– tg
2
).P=k.P
Proses güçler: Makine 1 3 kW Makine 2 4 kW Makine 3 15 kW Makine 4 45 kW Makine 5 110 kW
Cos Cos Cos Cos Cos
= 0.84 Cos 1 = 0.84 Cos 1 = 0.86 Cos 1 = 0.88 Cos 1 = 0.88 Cos 1
= 0.95 k = 0.32 2 = 0.95 k = 0.32 2 = 0.95 k = 0.26 2 = 0.95 k = 0.21 2 = 0.95 k = 0.21 2
Q = 0.96 kVAr Q = 1.28 kVAr Q = 3.90 kVAr Q = 9.45 kVAr Q = 23.10 kVAr
Toplam Proses Gücü P : 177 kW Gerekli Kondansatör Gücü
Q : 38.69 kVAr
Mekanik güçler: Makine 1 0.25 kW Makine 2 0.55 kW Makine 3 2.20 kW Makine 4 5.50 kW Makine 5 45.00 kW Makine 6 90.00 kW Makine 7 132.00 kW
Q = 0.1725 kVAr Q = 0.2915 kVAr Q = 0.7040 kVAr Q = 1.4300 kVAr Q = 9.4500 kVAr Q = 18.9000 kVAr Q = 27.7200 kVAr
Cos Cos Cos Cos Cos Cos Cos
= 0.70 1 = 0.75 1 = 0.83 1 = 0.85 1 = 0.88 1 = 0.88 1 = 0.88 1
Cos Cos Cos Cos Cos Cos Cos
= 0.95 k = 0.69 2 = 0.95 k = 0.53 2 = 0.95 k = 0.32 2 = 0.95 k = 0.26 2 = 0.95 k = 0.21 2 = 0.95 k = 0.21 2 = 0.95 k = 0.21 2
Toplam Mekanik Güç P : 275.5 kW Gerekli Kondansatör Gücü Q : 58.668 kVAr Aydınlatma gücü: Fluo.armatür gücü 250 kWCos 1 = 0.45 Cos 2 = 0.95 k = 1.65 Q = 412.5 kVAr Civa buh.arm.gücü 170 kW Cos 1 = 0.60 Cos 2 = 0.95 k = 1.00 Q = 170.0 kVAr Toplam Aydınlatma Gücü P : 420 kW Gerekli Kondansatör Gücü Q : 582.5 kVAr Priz gücü: Top. priz gücü P = 80 kW Cos Tesis Toplam Gücü = 952.5 kW
1
= 0.80 Cos
2
= 0.95 k = 0.42
Q = 33.6 kVAr
Toplam Kondansatör Gücü = 713.458 kVAr 25
Ayrıca bu tesisin 34.5 / 0.4 – 0.231 kV, 1000 kVA bir trafo ile beslendiği düşünülürse; Trafonun boşta çalışma kayıplarını kompanze etmek için sisteme konması gereken sabit kondansatör gücü 50 kVAr olmalıdır. Bu tesiste gerekli kondansatör gücü, yük analizi metodu ile hesap edilmeyip, ortalama Cos 1 = 0.70, k = 0.69 alınarak hesap yapılmış olsaydı; Toplam Kondansatör Gücü = 657.225 kVAr bulunacaktı. Bu durumda kompanzasyon yetersiz kalacak ve işletme reaktif enerji bedeli ödemek zorunda bırakılacaktı. Fakat yük analizi metodu ile tesis için optimum kompanzasyon yapılmaktadır. Toplam kondansatör gücünü 770 kVAr kabul edelim. 50 kVAr’ lık grup sabit olarak seçildiğinden direkt olarak trafonun sekonderine bağlanır. Geriye kalan 720 kVAr ise 7 kademeli reaktif güç rölesi kullanılarak, 1-2-3-3-3-3-3-3 esasına göre 40-80-120-120-120-120-120 şeklinde adımlandırılabilir. AŞIRI KOMPANZASYON ZARARI Her ne kadar reaktif güç faydalı değil ise de bundan tamamen vazgeçilemez. Zira elektrodinamik prensibine göre çalışan generatörr, transformatör, bobin ve motor gibi bütün işletme araçlarının normal çalışmaları için gerekli olan manyetik alan reaktif akım tarafından meydana getirilir. Bilindiği gibi, endüksiyon prensibine göre çalışan bütün makineler ve cihazlar, manyetik alanın meydana getirilmesi için bir mıknatıslanma akımı çekerler; işte bu mıknatıslanma akımı, reaktif akımdır. Onun için faydalı reaktif gücün yanında mutlaka reaktif güce de ihtiyaç vardır. Bu sebeple bütün alternatif akım tesisleri, aktif gücün yanında reaktif gücün de çekileceğini gözönünde bulundurularak boyutlandırılır. Aşırı kompanzasyon manyetik alanı oluşturan reaktif akımı yok edeceğinden işletme araçlarının çalışma verimliliğini azaltacaktır.
26
BÖLÜM 4.STATİK VAR SİSTEMLERİ Kondansatör veya reaktör gruplarının anahtarlanması için kullanılan ekipmanın hareketli parça içermemesinden dolayı statik var sistemleri adını almıştır. Statik var sistemlerinde anahtarlama elemanı olarak yarı iletkenler kullanılır. Bu sistem reaktif güç değişiminin hızlı olduğu durumlarda kullanılır. Bakım gerektirmeyen bir sistemdir. Yük değişimlerinin hızlı olduğu yerlerde kullanmak zorunludur. Statik kompanzasyon sistemlerinde tristörler kullanılır. Tristör yarı iletken bir elemandır ve çok hızlı açma kapama özelliğine sahiptir. Tristörlü statik var kompanzatörlerinin çeşitli sınıflandırmaları yapılabilmektedir. Uygun olanın seçilmesi ,bazı faktörlere bağlıdır. Bunlar, reaktif güç gereksinimi ,kayıp karakteristiği, harmonik üretimi ve fiyatıdır.genel olarak kullanılan SVC ‘ler Tristör kontrollü reaktör (TKR) Tristör anahtarlamalı reaktör(TAR) Tristör anahtarlamalı kapasitör(TAK)
4.1 TRİSTÖR KONTROLLÜ REAKTÖR (TKR) Tristör kontrollü reaktörün eşdeğer devresi tetikleme açısı ile iletim açısı ve akım gerilim ilişkisi gösterilmiştir.
Şekil 4.1.1 TKR Eşdeğer Devresi Ve İletim Açısı-Akım İlişkisi TKR gerçekte endüktif var değeri çok hızlı değiştirilebilen endüktans bobini gibi davranır. Reaktörün akımı tristörlerin tetikleme açısıyla kontrol edilebilir. Yukarıdaki sistem endüktif karakterlidir .
27
Tristöre bir darbe sinyali uygulanırsa tristör iletime geçer ve devreden bir IL akımı geçer. Kaynağın V=Vmsin(wt) şeklinde bir gerilim uygulanırsa reaktör uçlarındaki gerilim V1 =L.di/dt dir. Tristör iletimde olduğu sürece V1=V olur. Devreden geçen akım herhangi bir tetikleme açısı için I=( Vm/wL)(cosα – cos wt) olacaktır. AC kıyıcının 0<α<90 için akım kontrolü yoktur. Yani bu aralıkta yapılan bütün tetiklemeler yük akımı gerilimi 90o geriden takip eder. Bu durumda yük akımının etkin değeri IL=V/(wL) dir. Bu akım fourier analizinde ana harmoniğin etkin değeridir. Akım kontrolü ancak 90<α<180 aralığında gerçekleştirilebilir. Yani iletim açısının kontrolülü nonsinüzoidal akımların oluşmasıyla sonuçlanır. Yani tristör kontrollü reaktör harmonik üretir. Ateşleme açısının artması akım dalga şeklini sinüsten uzaklaştırır. Le=V/(wIL1) (endüktansın etkin değeri) Sonuç olarak I L1( α)= (2 π-2α-Sin2α). V/ (πwL)
ifadesi elde edilir.
Kıyıcı ile değişken kapasite oluşturma,
Şekil 4.1.2 AC Akım Kıyıcıya Paralel Bağlanmış Kondansatör Daha önce de bahsedildiği gibi ac akım kıyıcı endüktif karakterlidir. Buna paralel uygun bir kapasite bağlanarak toplam sistem endüktif veya kapasitif yapılabilir.
28
4.2 TRISTÖR ANAHTARLAMALI REAKTÖR (TAR) Enerji iletim sistemlerindeki yüklerin ihtiyaç duydugu hızda reaktör elemanlarını devreye alıp çıkarmak için tristörlerden yararlanılır. Tristörler, bir senkron anahtar gibi çalışırlar. Bunların kumanda devresine uygun tetikleme (ateşleme) sinyalleri verilerek devreye uygulanan alternatif gerilimin efektif degeri ve buna baglı olarak ta devreden geçen akım kayıpsız olarak istenildigi gibi ayarlanabilir. TAR’a ait basit devre şeması Şekil 4.2.1’de verilmiştir. Baglama aşırı gerilimlerine ve geçici olaylara yol açmamak için reaktör elemanları sisteme uygulanan alternatif gerilimin pozitif ve negatif tepe degerlerinde devreye alınır ve çıkarılırlar.
Şekil-4.2.1 Basit TAR Devre Şeması
29
4.3 TRİSTÖR ANAHTARLAMALI KONDANSATÖR(TAK) Tek fazlı tristör anahtarlamalı kondansatörün yapısı şekilde gösterilmiştir.
Şekil 4.3.1 TAK ın devre yapısı Bu sistemde TKR den farklı olarak endüktans akımının sürekli olarak ayarlanması söz konusu değildir. Burada kondansatörü ya devreye alan ya da devreden çıkaran bir anahtalama yapılmaktadır. Sistemin kondansatörü besleyen çift yönlü tristörlerin kapı akımı kesildiğinde akım sıfır noktasından geçerken tristör kendiliğinden devre dışına çıkar. Kondansatör akımı ile gerilimi arasında 90o derece faz farkı olduğundan , akım sıfır noktasından geçerken gerilim tepe değerinde olacağından şebeke ile bağlantısı kesilen bu kondansatör üzerinde gerilim kalır. Tetiklemenin kesildiği ana bağlı olarak +V , -V değeri ile dolu olan bu kondansatörü devreye alırken başlangıçta akması muhtemel büyük değerlikli başlangıç akımına engel olabilmek için şebeke geriliminin kondansatör gerilimine eşit olduğu AA geriliminin tepe noktasında tristörler tetiklenir. Şekildeki bobinin görevi kondansatörün devreye girmesi esnasında ortaya çıkabilecek aşırı akımlara engel olmaktır.
30
BÖLÜM 5. SİMULİNK KULLANILARAK TASARIM Aşağıda iki adet sistem ele alınacak ve kompanzasyonu yapılacaktır. Bu sistemleri kompanze etmek için ilkinde TKR-SK ikincisinde TKR kullanılmıştır. Faz-nötr gerilimi 220 V olan bir fazlı şebekeye sabit ve değişken RLC yükleri paralel olarak bağlıdır.Sabit yüke ilişkin (seri bağlı RLC) güç değerleri: PR=10 W QL =100 Qc=20 Değişken yükler ise birbirine seri bağlanmış 4 adet RLC yükünden oluşmaktadır. Birinci yük: PR=10 W QL =100 Qc=20 t=0.2 sn. sonunda devreye girmektedir. İkinci yük: PR=10 W QL=200 Qc=20 t=0.5 sn. sonunda devreye girmektedir. Üçüncü yük: PR=10 W QL=300 Qc=25 t=1 sn. sonunda devreye girmektedir. Dördüncü yük: PR=10 W QL=400 Qc=30 t=1 sn. ile 1.5 sn. arasında devrede kalmaktadır.
Kompanzasyon yapılmadan önceki devre ;
ŞEKİL 5.1 Kompanzasyonsuz Devrenin Simulink Modeli
Şekilde görüldüğü gibi kompanzasyonsuz devre şebekeden yüksek miktarda reaktif güç çekmektedir.
31
Kompanzasyon yapıldıktan sonraki devre;
ŞEKİL 5.2 Kompanzasyon Yapıldıktan Sonra Devrenin Simulink Modeli
Bu devredeki yükümüz endüktif karakterlidir. Yükümüz tam kapasiteyle çalıştığında sabit kapasiteden gereken reaktif güç sağlanmaktadır. Ancak değişken yükler dolayısı ile değişken endüktif reaktif güç çekilmesi ve kapasitenin sabit kapasitif reaktif güç üretmesi nedeniyle değişken yüklerden bir kısmı devrede olmadığı durumda sistemde kapasitif reaktif güç fazlalığı doğacaktır. Sürekli olarak yükün ölçülen reaktif güç değeri ve sabit kapasitenin verdiği reaktif güç arasındaki fark kadar endüktif reaktif güç üretimi için gerekli olan alfa değerinin hesaplanması embedded matlab bloğu(ayrıntılı bilgi için bkz. Kaynakça [1]) içinde yapılarak gerekli tetikleme açı değerleri üretilmektedir.
32
Devrenin, şebekeye verdiği reaktif güç değeri ve tetikleme açısı scope da elde edilmiştir.
İkinci devremizde kapasitif karakterli olan yük kompanzasyonu yapılmıştır.
Faz-nötr gerilimi 220 V olan bir fazlı şebekeye değişken RLC yükleri paralel olarak bağlıdır. Değişken yükler ise birbirine seri bağlanmış 4 adet RLC yükünden oluşmaktadır. Birinci yük: PR=10 W QL =10 Qc=100 t=0.2 sn. sonunda devreye girmektedir. İkinci yük: PR=10 W QL=20 Qc=200 t=0.5 sn. sonunda devreye girmektedir. Üçüncü yük: PR=10 W QL=25 Qc=300 t=1 sn. sonunda devreye girmektedir. Dördüncü yük: PR=10 W QL=30 Qc=400 t= 1.5 sn. sonunda devreye girmektedir.
33
Kompanzasyon yapılmadan önceki devre;
ŞEKİL 5.3 Kompanzasyonsuz Devrenin Simulink Modeli
Şekilde görüldüğü gibi kompanzasyonsuz devrede şebekeye yüksek miktarda reaktif güç verilmektedir. Kompanzasyon yapıldıktan sonraki devre;
ŞEKİL 5.4 Kompanzasyon Yapıldıktan Sonra Devrenin Simulink Modeli
34
Bu devredeki yükümüz kapasitif karakterlidir. Belirli saniyelerde devreye giren yükler sayesinde yükün harcadığı güç de zamanla değişmektedir. Bu değer her değiştiğinde bu değeri üretecek alfa tetikleme açısının tekrar hesaplanması gerekir. Bu durumda değişen gücü karşılamak üzere endüktif gücü üretecek alfa tetikleme açısını üreten embedded matlab function bloğu devreye girer. Bu sayede gerekli tetikleme açıları üretilerek istenen endüktif reaktif güç değeri aa kıyıcıdan sağlanır.
Devrenin, şebekeye verdiği reaktif güç değeri ve tetikleme açısı scope da elde edilmiştir.
35
SONUÇ Geçmişten bugüne kullanılan kompanzasyon yöntemleri enerji ihtiyacının artması ve gerekli güç kalitesinin sağlanması için bir takım çalışmaları da zorunlu kılmıştır. Güç elektroniğinin gelişmesiyle kompanzasyon teknikleri gelişerek şimdiki halini almıştır.
Sonuç olarak kontaktör kullanularak yapılan kompanzasyon da şebekede bozucu etkilere neden olmakta ,aşırı akım ve gerilimlere sebebiyet vermekte ,tristör anahtarlamalı statik var sistemleri ise bu gibi olumsuzlukları ortadan kaldırmaktadır.
36
KAYNAKÇA [1] ARİFOĞLU, Prof. Dr. Uğur (2005) ‘‘ Matlab 7.04 Simulink ve Mühendislik Uygulamaları” Sakarya , Alfa Yayıları [2]Mohan , Undeland , Robbins (2007) ‘‘Güç Elektroniği Çeviriciler,Uygulamalar ve Tasarım ” Çevirenler: Nejat Tuncay,Metin Gökaşan,Seta Boğosyan, Literatür Yayınları [3] http://www.3emenerji.com.tr/images/teknik/52.pdf [4] http://www.turkozelektrik.com/Kompanzasyon_Nedir.pdf [5] KARA , Ayetül & YALÇINÖZ Tankut (2005) ‘‘Esnek Ac İletim Sistemlerinde Kullanılan Cihazlar ve Tcr, Svc, Tsr Yapılı Paralel Kompanzatörlerin Yük Gerilimine Etkisinin Matlab Ortamında İncelenmesi ” II. Mühendislik Bilimleri Genç Araştırmacılar Kongresi , İstanbul , Türkiye , 17-19 Kasım [6] ONAT , Hakkı (2000) ‘‘CNR Fuar Seminer Notları” İstanbul , Türkiye, 30 Eylül [7] OKUMUŞ Deniz (2004) , Yıldız Teknik Üniversitesi Kütüphanesi Bitirme Tezi Arşivi, İstanbul,Türkiye [8] BAYRAM , Prof. Dr Mustafa (1977) ‘‘Kuvvetli Akım Kondansatörleri ve Güç Katsayısının Tahsisi” Temmuz [9] İLİSA , İsa (2000) ‘‘Reaktif Güç Kompanzasyonunda Otomatik Kondansatör Tesisleri ” Ağustos [10] İRKLİ , Haydar (2005) ‘‘Elektrik Şebekelerinde Reaktif Güç Kompanzasyonu” Elginkan Vakfı Ümmehan Elginkan Mesleki ve Teknik Eğitim Merkezi , Manisa , Türkiye , 25 Ağustos [11] SAÇKAN , Ahmet Hamdi (2005) ‘‘Doğru ve Alternatif Akım Devreleri Problem Çözümleri 2 ” İstanbul, Birsen Yayınevi
37
