T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK-MİMARLIK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
STATİK VAR KOMPANZASYONU STATİK VAR KOMPANZASYONU İlhan ŞİRİN
Onur TURAN
LİSANS TEZİ DANIŞMAN Yrd. Doç. Dr. Mustafa ŞEKKELİ
KAHRAMANMARAŞ HAZİRAN 2011
İÇİNDEKİLER SAYFA NO TEŞEKKÜR..................................................................................................................I ÖNSÖZ ........................................................................................................................ II ŞEKİLLER DİZİNİ..................................................................................................... III
1.GİRİŞ .........................................................................................................................6 2.GENEL BİLGİLER ...................................................................................................7 2.1 Aktif Güç .........................................................................................8 2.2. Reaktif Güç......................................................................................8 2.3. Görünür Güç....................................................................................9 2.4 Güç Üçgeni.....................................................................................10 2.5 Güç Katsayısı..................................................................................10 3.REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU ...................................................................11 3.1 Kompanzasyon ................................................................................11 3.2 Kompanzasyon Tesis Çeşitleri ........................................................11 3.2.1Bireysel Kompanzasyon.....................................................11 3.2.2 Grup Kompanzasyon.........................................................12 3.2.3 Merkezi Kompanzasyon....................................................12 3.3 Kompanzasyon Yöntemleri .............................................................13 3.4 Aşırı Kompanzasyonun Zararları ....................................................15 3.5 Reaktif Güç Gereksinimi.................................................................15 3.6 Reaktif Güç Tüketicileri ..................................................................15 3.7 Reaktif Güç Üreten Araçlar.............................................................16 3.8 Güç Faktörünün Doğurduğu Sorunlar ve Sonuçlar .........................16 3.8.1 Üretici Yönünden ..............................................................17 3.8.2 Tüketici Yönünden............................................................17 4. STATİK VAR SİSTEMLERİ ..................................................................................18 4.1 Statik VAR Sistemlerinin Özellikleri..............................................20 4.2 Statik VAR Sistemlerinin Ana Tipleri ...........................................20 4.3 SVS’nin Ana Harmonik Frekansındaki Davranışı ..........................20 4.3.1 İdeal SVS Karakteristiği ...................................................20 4.3.2 Gerçek SVS Karakteristiği ................................................21 4.3.3 Tesis İçin Yerleştirilen SVS Karakteristiği.......................22 4.4 Tristör Kontrollü Reaktör ( TKR ) ........................................................................26 4.5 Tristör Anahtarlamalı Reaktör ( TAR )..................................................................29 4.6 Tristör Anahtarlamalı Kondansatör ( TAK )..........................................................30 4.7 Uygulamada Kullanılan Statik VAR Sistemleri ....................................................34 5. MATLAB/SIMULINK KULLANARAK BİR TRİSTÖR KONTROLLÜ REAKTÖR GERÇEKLEŞTİRİLMESİ.........................................................................................36 6. STATİK VAR KOMPANZATÖRÜ’NÜN PROTEUS ORTAMINDA PIC İLE SİMULASYONU .......................................................................................42 6.1 Güç Katsayısı ..........................................................................................................42 6.2 Güç Katsayısı Tespiti...............................................................................................43 6.3 Modelleme İçin Hazırlanan Program Algoritması ................................................... 45 6.4 Statik Kompanzatörün Modellenmesi ......................................................................46 7. SONUÇ ....................................................................................................................42 8. KAYNAKÇA...........................................................................................................36
2
TEŞEKKÜR Öncelikle, bu tez çalışmasında günümüz şartlarında önem taşıyan bu değerli konuyu seçmemizde, akılcı yönlendirmeleri ve değerli bilgilerinden faydalandığımız, bizden hiçbir yardımı esirgemeyen Sayın Yrd.Doç.Dr Mustafa ŞEKKELİ hocamıza ayrıca programlama aşamasında bizden bilgilerini esirgemeyen Sayın Öğr.Gör.Alper DİZİBÜYÜK hocamıza, konu hakkındaki bilgi birikimlerinden faydalandığımız Arş.Gör.Fatih KEÇECİOĞLU’na bizleri yetiştiren, manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen ailelerimize teşekkürü bir borç biliriz.
3
ÖNSÖZ Dünyamızda enerjiye olan ihtiyaç her an artmakta, buna karşılık üzerinden enerji elde edebileceğimiz kaynaklar da azalmaktadır.Bu sebeple elimizdeki enerjiyi en yüksek verimle kullanmak birinci önceliktir.Elektrik enerjisi ihtiyacının karşılanması hususunda, mevcut sistemlerin daha verimli kullanılabilmesi için
birçok çalışma yapılmıştır.Bunların en
önemlilerinden biriside Reaktif Güç Kompanzasyonudur.
Bu çalışmamızdaki amaç, yarı iletken devre elemanı (tristör) kullanarak sistemin gereksinim duyduğu reaktif gücü kontrol etmektir.Yapmış olduğumuz tez de matlab/simulink ortamında Tristör Kontrollü Reaktör uygulaması yapılmış ve sonucunda reaktif güç kontrolünde optimum değerler elde edilmiştir.Ayrıca proteus ortamında yükün çektiği akım-gerilim arasındaki faz farkı tespit edilerek oluşan faz farkına göre sistemin ihtiyacı olan reaktörler devreye alınıp çıkarılarak Tristör Kontrollü Reaktör modellenmiştir.
Onur TURAN İlhan ŞİRİN
4
ŞEKİLLER DİZİNİ 2.1 Motor Güç Akışı......................................................................................................7 2.2. Alternatif Gerilim Sinyali ........................................................................................9 2.3. Endüktif Devrede Güç Üçgeni ................................................................................10 2.4 Kapasitif Devrede Güç Üçgeni................................................................................10 2.5 Akım Üçgeni ..........................................................................................................10 3.1 Bireysel Kompanzasyon Tek Hat Şeması................................................................12 3.2 Grup Kompanzasyon Tek Hat Şeması.....................................................................12 3.3 Merkezi Kompanzasyon Tek Hat Şeması................................................................13 4.1 Statik VAR Kompanzatörü Şeması .........................................................................19 4.2 SVS’nin Eşdeğer Devresi........................................................................................21 4.3 SVS’nin Akım Gerilim Karakteristiği .....................................................................21 4.4 Kontrol Edilen Reaktör ve Sabit Kapasite Şekli ......................................................22 4.5 SVS Barasında Görülen Thevenin Eşdeğer Devresi ................................................22 4.6 SVS Akımı ile SVS Bara Gerilimi Arasındaki İlişki................................................23 4.7 SVS’nin Eşdeğer Karakteristiği ..............................................................................23 4.8 SVS’ye İlişkin Üç Ayrı Yük Karakteristiği .............................................................24 4.9 SVS Devre Modeli ve Grafiği .................................................................................25 4.10 Tristör Kontrollü Reaktör.......................................................................................26 4.11 Tristör Kontrollü Reaktör ve Sabit Kapasite...........................................................27 4.12 6 Darbeli TKR Yapısı ............................................................................................28 4.13 12 Darbeli TKR Yapısı ..........................................................................................28 4.14 3 Fazlı TAR Yapısının Bir Kutuplu Gösterimi .......................................................29 4.15 TAR Tabanlı SVS Eşdeğer Devresi .......................................................................30 4.16 Tristör Anahtar Kontrolü .......................................................................................31 4.17 Bir Fazlı TAK Yapısı.............................................................................................31 4.18 TAK Bara Gerilimi Kapasite Gerilimi ve Akımı ...................................................32 4.19 Paralel Bağlı TAK Yapıları ve Kontrolü ................................................................33 4.20 TAK Yapısının U – I Karekterisitiği ......................................................................33 4.21 TKR ve TAK Sistemleri İle Oluşan SVS Sistemi ..................................................34 4.22 SVS Sisteminin Lineer Kontrol Bölgesi .................................................................35 5.1 Gerçekleştirilen TCR Sistem...................................................................................36 5.2 TCR Sistemin Kompanzasyondan Önceki Hali ......................................................38 5.3 Sistemdeli Yükler ..................................................................................................38 5.4 Kaynaktan Çekilen Reaktif Güç .............................................................................39 5.5 Kaynaktan Çekilen Aktif Güç ................................................................................39 5.6 Kompanzasyon Sonrası Devre Şeması ...................................................................40 5.7 Devreden Çekilen Aktif Reaktif Güçler ..................................................................40 5.8 Yükün İstediği Ve Reaktörün Ürettiği Reaktif Güç ................................................41 5.9 Tristör Tetikleme Açısı ..........................................................................................41 6.1 Sıfır Geçiş Dedektörü ............................................................................................42 6.2 Sıfır Geçiş Osilaskop Görüntüsü ............................................................................43 6.3 Şebeke Frekansının Bir Peryot Görüntüsü...............................................................44 6.4 LCD Ekran Faz Açısı Değeri ..................................................................................44 6.5 Program Algoritması ..............................................................................................45 6.6 Benzetim Yapılan Devrenin Blok Diyagramı .........................................................46 6.7 Sistemde Üretine Reaktif Gücün Dağılımı .............................................................46 6.8 Simülasyon Devresi .............................................................................................47
5
1.GİRİŞ Günümüzde yeni enerji kaynakları araştırılmakta ve var olan enerjinin de kalitesini artırarak en ekonomik şekilde kullanıcıya ulaştırılması yönünde çalışmalar yapılmaktadır. Elektrik enerjisinde; üretildiği santrallerden, tüketildiği yüke ulaşıncaya kadar çeşitli elektrik kayıpları meydana gelir.
Elektrik şebekesine bağlı cihazların hemen hemen tamamı şebekeden aktif güç yanında , birde reaktif güç çeker. Burada iş yapan güç aktif güçtür. Reaktif güç ise şebekeden çekilir ve daha sonra şebekeye yollanır.Şebekenin ve yükün ihtiyacı olan reaktif gücün belli teknikler kullanılarak karşılanması işlemi reaktif güç kompanzasyonu olarak adlandırılır.
Alternatif akımla çalışan elektrik güç sistemlerinin tasarım ve isletmesinde uzun zamandır reaktif güç önemli bir sorun olarak görünmektedir. Hatasız çalışan alternatif akım şebekesine sahip olabilmek için reaktif güçten kaynaklanan sorunların çözülmesi gerekmektedir. Reaktif gücün hiçbir probleme neden olmadığı varsayılsa,enerji iletim hattını meşgul etmesi bile tek basına önemli bir olumsuzluktur.
Dinamik kompanzatörler (kompanzasyon amaçlı senkron makineler) hızlı değişen reaktif güç talebinin olduğu sistemlerde (ataletleri sebebi ile) yetersiz kalmaktadır.Son yıllarda gelişen teknolojiye paralel olarak güç elektroniği elemanları daha büyük güçlerde imal edilebilmektedirler. Ayrıca kontrol elemanlarının performansında da büyük gelişmeler sağlanmıştır.Dolayısıyla değişken reaktif güç talep edilen yerlerde,bakımı masraflı ve hantal olan dinamik kompanzatörler yerine statik kompanzatörlerin kullanılması daha elverişli duruma gelmiştir.
6
2. GENEL BİLGİLER Elektriksel güç; bir devreye uygulan gerilimle bunun doğurduğu akımın bir hasılatıdır.
Aktif güç ile zahiri güç arasındaki açı, gerilimle akım arasındaki aynı faz açısıdır.O halde Cosφ ile faz farkı ifade edilebilir.
Cosφ = 1 ( Sadece aktif güç mevcuttur) Cosφ = 0 ( Sadece reaktif güç mevcuttur)
Şekil 2.1 Motor güç akışı 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.[3]
Daha ilk bakışta reaktif akımın santralden alıcıya kadar taşınması, büyük ekonomik kayıp olarak görünmektedir. 7
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.[3]
2.1 Aktif Güç ( P)
Gücün her an değişik değer aldığı durumlarda iş gören, faydalı olan gücün ortalama değerine alternatif akımda aktif güç (etkin güç) denir.
P=U.I. Cos φ
Aktif güç U gerilim vektörü ile I. Cosφ akım vektörünün çarpımına eşittir. Akımın da iki vektörü olduğu göz önünde bulundurulmalıdır. Ia = I. Cosφ bileşene faydalı akım,
Ir=I.Sinφ ise reaktif, iş yapmayan bileşendir.
Omik (Saf Direnç) devrelerde Cos φ=1’ dir. Bunu sonucu olarak omik devrelerde sadece aktif güç mevcuttur ve P=U.I ‘ dır.
2.2 Reaktif Güç (Q)
Devrede ortalama değeri sıfır olan güce reaktif güç denir. Ortalama sıfır olduğundan faydalı bir iş görmez. Alıcı, çeyrek periyotda sistemden enerji alır ikinci çeyrek periyotda ise aldığı güçü tekrar şebekeye iade eder.
8
Şekil 2.2. Alternatif gerilim sinyali
1.Bölgede sistemden güç alınır. 2.Bölgeden alınan güç sisteme iade edilir. Kısaca U.ISinφ çarpımına reaktif güç denir. Q harfi ile gösterilir. Birimi VAR’dır. VAR: Volt-Amper-Reaktif Omik devrelerde φ= 1 olduğundan Sin φ= 0’dır. Bu devrelerde reaktif güç sıfırdır. Endüktif devrelerde φ= φ/ 2 olduğundan reaktif güç Q>0’dır. Kapasitif devrelerde φ= φ/2 olduğundan reaktif güç Q<0’ dır.
2.3 Görünür Güç (S) Aktif gücü dirençler, reaktif güçleri de endüktif ve kapasitif devreler çekmektedir.Eğer bir devrede hem direnç hem de reaktanslar varsa bu devrede hem aktif hem de reaktif güç birlikte çekilir. Böyle devrelerde güç, akım ile gerilimin çarpımına eşittir. Bu güce de görünen veya görünür güç denir.
S = U. I
S = görünür güç (VA)
U = Gerilim (volt)
I = Akım (Amper)
9
2.4 Güç Üçgeni Ortalama (aktif), reaktif ve görünür güçler arasındaki geometrik bağıntıyı gösteren üçgene güç üçgeni denir. Bilindiği gibi endüktif bir devrenin uçlarına bir gerilim uygulandığında devre, geriliminden geri fazda bir akım çeker.
Şekil 2.3 Endüktif devrede akım, gerilim ilişkisi ve güç üçgeni
Şekil 2.4 Kapasitif devrede akım, gerilim ilişkisi ve güç üçgeni
2.5 Güç Katsayısı Gerilimle,"I" akımı arasında kalan açının (zaman açısı) kosinüsüne güç faktörü (COSφ) adı verilir.
Şekil 2.5 Akım üçgeni
AKTİF GÜÇ / GÖRÜNÜR GÜÇ = (W) / (VA) = Cosφ
10
3. REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU 3.1 Kompanzasyon İdealde voltaj ile akım arasında faz farkı olmaz fakat indüktif ya da kapasitif yüklerin oluşturduğu etki sonucunda sistemde faz farkı meydana gelir. İndüktif ve kapasitif etki neticesinde oluşan voltaj ve akım arasındaki faz kaymasını sıfıra yakın tutma işlemine kompanzasyon denir. Yapılan bu işlem sonucunda reaktif akım azalacak , enerji taşıma kapasitesi ise artacak, enerji iletim sistemlerinin elemanlarının iletken kesiti azalacak , gerilim düşümleri önlenerek sistem daha verimli hale getirilmiş olacaktır.Verilen bilgiler neticesinde özetle şu tanımı yapılabiliriz: 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.
3.2 Kompanzasyon Tesis Çeşitleri 3.2.1 Bireysel Kompanzasyon Bireysel kompanzasyonda reaktif güç kaynağı olan motor, lamba veya transformatör gibi alıcıya paralel bağlı belli güçte kondansatör bağlanarak alıcı tekil kompanze edilir. Kondansatör alıcı ile beraber devreye girip çıktığından kondansatörü devreye almak için ayrı bir kontrol sistemine gerek yoktur. Fakat alıcı üzerinde kararsız durum meydana gelebilir. Büyük güçlü motor ve balastlı fluoresan armatürlerde kullanılır. 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.
11
Şekil 3.1 Bireysel kompanzasyon tek hat şeması[5]
3.2.2 Grup Kompanzasyon Aynı kontaktör veya şalter üzerinden devreye girip çıkan yük gruplarının kompanzasyonu yapmak için kullanılır. Bireysel kompanzasyonda olduğu gibi alıcı üzerinde kararsız durumlara sebep olabilir.
Şekil 3.2 Grup kompanzasyon tek hat şeması[5]
3.2.3 Merkezi Kompanzasyon
Merkezi
Otomatik
kondansatör
Kompanzasyon
bataryaları,
Sistemi,
temel
reaktif gücü algılayıp, 12
olarak
uygun
düzenlenmiş
uygun kondansatör bataryalarının
devreye alınıp çıkarılmasını sağlayan reaktif güç kontrol rölesi ve kondansatör gruplarına kumanda eden kontaktörlerden oluşur.İşletmeler içinde en çok kullanılan kompanzasyon çeşididir. İşletmelerde hiçbir zaman yükler aynı anda devreye girip aynı zamanda aynı güçleri tüketemeyeceği için genelde reaktif güç kompanzasyonu bireysel ve grup kompanzasyon ile sağlanamaz.Alt kademelere kadar inip tek tek veya grup halinde kompanzasyom yapmaktansa tek merkezden kompanzasyon gerek kontrolü gerekse sistem kalitesi için en uygun yöntemdir. Bireysel ve grup kompanzasyonda; kompanzasyon arızası bulmakda zordur.
Güç trafosu Reaktif güç kontrol rolesi Role cos φ
400V Anahtarlama
M
M M İşletme Tüketici
Kompanzasyon için kondansatörler
Şekil 3.3 Merkezi kompanzasyon tek hat şeması[5]
3.3 Kompanzasyon Yöntemleri Alternatif akımlı enerji sistemlerinde reaktif güç kompanzasyonunun önemi bilinmektedir. Bu yüzden güç faktörünü (Cosφ) 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.
13
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.
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:
Döner makine kullanma zarureti ve eylemsizlik momentinin bulunması
Tepkime hızının yeterince büyük olmaması
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.
14
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.
3.4 Aşırı Kompanzasyon Zararları
Her ne kadar reaktif güç faydalı değil ise de bundan tamamen vazgeçilemez. Zira elektrodinamik prensibine göre çalışan generatör, 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 göz önünde bulundurularak boyutlandırılır. Aşırı kompanzasyon manyetik alanı oluşturan reaktif akımı yok edeceğinden işletme araçlarının çalışma verimliliğini azaltacaktır.
3.5 Reaktif Güç Gereksinimi
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.
3.6 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
15
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
3.7 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 gib vb.) 2. Kuru Tip Kondansatör: Bakım gerektirmezler. En kötü yanı harmoniklerinin fazla olmasıdır.
3.8 Güç Faktörünün Doğurduğu Sorunlar ve Sonuçlar
Tüketicilerin güç faktörü belirli limitlerin altında kaldığı sürece besleme sisteminin ortalama güç faktörü de düşük olur. Düşük güç faktörünün etkileri şöyle özetlenebilir:
16
3.8.1 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.
3.8.2 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.
17
4. STATİK VAR SİSTEMLERİ Güçlü ve hızlı devreye girip çıkan yüklerin güç faktörü geleneksel elektromekanik kompanzasyon düzenekleri ile düzeltilemez. Bunun nedeni geleneksel kompanzasyon sistemlerinin (reaktif güç rölesi, kontaktörlü), yükün ani şekilde ihtiyaç duyduğu reaktif güç talebine hemen cevap verememesi ihtiyaç duyulan kapasitif reaktif gücün kompanzasyon sisteminden karşılanamamasıdır. Bu problemden yola çıkarak statik kompanzasyon geliştirilmiştir.Statik VAR Kompanzatör (SVC) ile güç faktörünün sık ve büyük değişimler gösterdiği ark ocakları, asansörler, otomotiv, kağıt ,ambalaj, gıda, tekstil cam ve çimento sektöründe kullanılan; punto kaynak makinası, liman vinçleri, düz kaynaklar gibi çok hızlı devreye girip çıkan
büyük
güçlü
yüklerin anlık kompanzasyonu
hızlı
biçimde
yapılabilmektedir. Mevcut reaktif güç kontrol rölelerinin hızları bunlara yeterli olmamakla birlikte kondansatör kademelerinden dolayı hassas bir kompanzasyon yapmak pek mümkün değildir. Ayrıca kademelerin devreye alınması sırasında geçici rejimler yaşanmaktadır. Kontaktörler ise çok sık açma-kapama yapmalarından dolayı daha sık arızalanırlar.
Kompanzasyon sistemlerinde yükün özelliği çok önemlidir . Güç ve güç katsayısı sabit kalan bir yükün varlığı halinde uygun olarak seçilmiş bir kondansatör gurubu sorunu çözer. Fakat yük her an sistemden farklı aktif ve reaktif güç çekebiliyor ise yukarıda önerilen yaklaşım burada geçerli olmaz. Sürekli değişim gösteren reaktif güç üretimi önceleri, aşırı veya düşük uyarılmış asenkron makinelerle ve sonraları da doymalı reaktörler ve bunlara bağlı kondansatörler ile yapılmaktaydı. Özellikle son yıllarda yüksek güçlü yarı iletkenler (tristörlerin) üretilmesi ve bunların reaktif güç kompanzasyon sistemlerinde kullanılması yaygınlık kazanmıştır. Yarı iletkenlerin kullanılmasıyla gerçekleştirilen (SVS) kompanzasyon sistemine statik Var generatörü de denir. Bugün kullanılan tristör kontrollü statik var generatörünün çalışma prensibi; kondansatör ve/veya reaktörlerin, hesaplanan tetiklenme açılarına bağlı olarak şebekeye sokup çıkarılarak değişken değişken değerli şönt empedans elde etmeye dayanır. Uygun tetikleme ile statik var generatörünün bağlı olduğu barada maksimum kapasitif reaktif güç değerinden maksimum endüktif reaktif güç değerine kadar geniş bir aralıkta reaktif güç ayarı yapılabilir.[1]
Statik var sistemleri ile , çekilen ve üretilen reaktif gücü pasif elemanlar vasıtasıyla kontrol etme özelliği sayesinde gerilim kontrolünde kullanılabilir. Ayrıca asimetrik yükleri dengelemek amacı ile de kullanılabilir. SVC, aşağıda gösterildiği gibi genellikle bir tristör kontrollü reaktör (TKR) ve birkaç tristör anahtarlamalı kondansatör (TAK) grubundan oluşturulur.
18
Her bir kondansatör grubunun devreye alınması, ani akımları önlemek için akımın sıfır noktasına dikkat edilerek yapılır. Aynı zamanda reaktörün reaktansı devamlı olarak tristörlerin tetikleme açısı degistirilerek kontrol edilir. Bu yönetim sekli ile SVC, degisken bir reaktif gücü belirli bir aralıkta devamlı olarak üretebilir. Ayrıca bu durumda TKR’nin boyutu bir TAK’nin boyutuna orantılı olarak sınırlanır. Endüktif yönde çekilen reaktif gücün sınırlarını da reaktörün boyutu belirler.[1]
Şekil 4.1 Statik Var kompanzatorü şeması SVC iletim hatları kompanzasyonunda, raylı sistemleri besleyen hatların kompanzasyonunda, haddehanelerin bozucu etkilerinin giderilmesinde ve ark ocaklarının kompanzasyonunda hem reaktif güç kompanzasyonu amaçlı, hem de fliker olusumunu önleme amaçlı kullanılmaktadır. SVC’nin reaktif güçlerdeki degisimi kompanze etme özelligi, SVC’yi fliker emisyonunu azaltmak için uygun kılmaktadır. Bu amaçla kullanılan SVC sistemleri genellikle filtreli bir TKR’den olusur (TAK kullanılmaz). SVC’nin ark fırınları ile beraber kullanılması sadece fliker emisyonunu azaltmaz aynı zamanda gerilimin regüle edilmesine baglı olarak çelik üretimini ve üretilen çeliğin kalitesini de arttırır. Ancak SVC’nin cevap verme süresinin uzunluğu sistemin dezavantajlarından biridir.[1]Ayrıca SVC sistemleri ilk üretim maliyetleri açısından da dezavantajlıdır.
19
4.1. Statik Var Sisteminin Özellikleri
Yük değişimlerinin yavaş olduğu durumlarda, beklenmeyen olayların neden olduğu gerilim değişimlerinde, ani değişen yüklerin neden olduğu gerilim titremelerinde sistem gerilimini sabit tutmak için kullanılır.
Anahtar noktalarda (örneğin uzun bir hattın orta noktası) gerilimi destekleyerek sistem stabilitesini sağlamak amacıyla kullanılırlar.
Güç faktörü ve faz dengesizliğini düzeltmek amacıyla kullanılırlar.
SVS’nin önemli bir özelliği reaktif gücü devamlı değiştirerek bağlandıkları baralardaki gerilim değerini sabit tutmaktır. Bara geriliminin sabit değerde tutulması dinamik şönt kompanzasyonunun en önemli hedefidir.[1] SVS’nin ikinci önemli özelliği ise cevap verme hızıdır. Kompanzatörün reaktif gücü, terminal gerilimindeki küçük bir değişime tepki olarak yeterli derecede hızlı değişmelidir.[1]
4.2. Statik Var Sisteminin Ana Tipleri SVS’nin ana tipleri;
TKR-Tristör kontrollü raktör (thyristor-controlled reactor,TCR)
TAR-Tristör anahtarlamalı reaktör (thyristor-switched reactor,TSC)
TAK-Tristör anahtarlamalı kapasitör (thyristor-switched capasitor,TSC)
4.3. SVS’nin Ana Harmonik Frekansındaki Davranışı 4.3.1 İdeal SVS Karakteristiği SVS içinde kullanılan yarı iletkenler anahtarlama elemanı olduklarından, şekil 4.2’de gösterildiği gibi birbirlerine paralel bağlı ve ayarlanabilir bir reaktör ve kapasitenin SVS’nin eşdeğer devresi olarak kabul edilmesi mümkündür. SVS’nin amacı bağlı olduğu baranın gerilim ve reaktif güç değerini kontrol etmektir.[1]
20
Bara ISVS
L
C
Şekil 4.2 SVS’ nin eşdeğer devresi İdeal bir SVS, (eğer bara gerilimini sabit tutmak birinci öncelik ise ) aktif ve reaktif güç kaybı olmayan, istenildiği anda istenilen reaktif güç değerini üretebilen (veya emebilen) ve böylece bara gerilimini sabit tutan bir kompanzatör anlamına gelir.[1] Kontrol edilen baranın genliği;V, SVS akım genliği; I SVS, arzu edilen gerilim genliği; Vo ise, ideal bir SVS’ye ilşkin akım-gerilim karakteristiği şekil aşağıda gösterildiği gibi olacaktır.[1]
V Vo
Şekil 4.3 ideal bir SVS’ ye ilişkin akım- gerilim karakteristiği 4.3.2 Gerçek SVS Karakteristiği SVS’nin ayarlanabilir reaktör ve buna paralel olarak bağlı bir kapasiteden oluştuğu kabul edilsin. Şekil 4.4’de böyle bir SVS’nin akım-gerilim karakteristiğinin oluşumu gösterilmiştir.[1]
21
V
V L
Maks L
C
+
V
ISVS
Ic L
Min L
V
V
+ KSVS eğimi
KSVS eğimi Ic
IL a)kontrol edilen reaktör
b)sabit kapasite
c) SVS
Şekil 4.4 4.3.3. Tesis İçine Yerleştirilen SVS Karakteristiği SVS’ler güç sistemi içinde çalıştıkları için yukarıda verilen SVS karakteristiklerinin güç sistemi koşullarına uyarlanması gerekmektedir. SVS barasında sisteme doğru bakıldığında görülen thevenin eşdeğer devresi şekil 4.5’de verilmiştir. Bu devrede Xth; SVS barasından sisteme doğru bakıldığında görülen eşdeğer reaktansı (endüktif), Eth; SVS barasından sisteme doğru bakıldığında görülen eşdeğer(sistem) gerilimini göstermektedir. Şekil 4.6’da ise SVS akımının bara gerilimi ile değişimi görülmektedir.[1]
V
jXth
SVS barası Isvs şebeke
Ayarlanan SVS empedansı
Eth
Şekil 4.5 SVS barasından sisteme doğru bakıldığında görülen thevenin eşdeğer devresi
22
jIsvsXth Isvs
Eth
V V
V Eth
Isvs
jIsvsXth
Kapasitif
Endüktif
Şekil 4.6 SVS akımı ile SVS bara gerilimi arasındaki ilişki.
Şekil 4.7 (a)’da sistemin eşdeğer gerilimi olan Eth değerinin artması yada azalması durumunda, SVS akımı ile SVS gerilimi arasındaki değişim, şekil 4.6 (b)’de ise sistem empedansı olan Xth değerinin artması yada azalması durumunda, SVS akımı ile SVS gerilimi arasındaki değişim gösterilmiştir.
Şekil 4.7 Şekil 4.5’de verilen eşdeğer devre kullanılarak sistemin karakteristik denklemi; V=Eth-XthISVS Elde edilir. SVS’nin karakteristik denklemi ise; V=Vo+XSVSISVS
Olacaktır.
V ifadesinde görülen XSVS ise SVS karakteristik eğrisinin eğimidir.
23
Şekil 4.8 SVS’ ilişkin üç ayrı yük karakteristiği ve SVS karakteristiği. Şekil 4.8’de tesis içine yerleştirilen SVS’ye ilişkin üç ayrı yük karakteristiği ve SVS karakteristiği gösterilmiştir. Her bir yük karakteristiğinde yük gerilimi farklı değer almaktadır. Ortada yer alan (SVS karakteristiğini A noktasından kesen) sistem karakteristik eğrisi nominal sistem çalışma koşullarını göstermektedir. Bu çalışma koşulunda SVS bara gerilimi; Vo, SVS akımı ise Isvs=0 değerini almaktadır.[1] Eğer (örneğin, sistem yükünde bir azalma olurda) sistem gerilimi Eth kadar artar ve SVS devreye sokulmaz (Isvs=0) ise, V değeri V1 değerine yükselir. Sistem gerilimi arttığı için eğer SVS devreye sokulursa, çalışma noktası SVS karakteristiği üzerinde yer alan B noktasına kayar, SVS akımı Isvs=I3 (endüktif), SVS bara gerilimi ise (SVS kontrol edilerek) V3 değerinde sabit tutulur. Eğer (örneğin,sistem yükünde bir artma olurda) sistem gerilimi Eth kadar azalır ve SVS devreye sokulmaz (Isvs=0) ise,V değeri V2 değerine yükselir. Sistem gerilimi azaldığı için eğer SVS devreye sokulursa, çalışma noktası SVS karakteristiği üzerinde yer alan C noktasına kayar, SVS akımı Isvs=I4 (kapasitif),SVS bara gerilimi ise (SVS kontrol edilerek) V4 değerinde sabit tutulur (sistem çalışma noktalarının SVS karakteristik eğrisi üzerinde olduğu unutulmamalıdır). Eğer SVS eğimi (Ksvs) sıfır olsa idi, yukarıda bahsedilen her iki durum için de (V) sistem gerilimi Vo değerinde sabit tutulacaktır.[1]
24
a)
b) Şekil 4.9
Şekil 4.9’de verilen karakteristiğe sahip bir sistemin reaktif güç kontrol aralığı daha da büyültülmek istenir ise şekil 4.9 (a)’da verilen devre modeli kullanılabilir. Şekil 4.9 (a)’da verilen 3 adet kapasiteden 2 tanesi anahtarlanabilir özelliktedir. Buradaki anahtarlar tristörler yada başka açma kapama cihazları olabilir. Anahtarlanmayan kapasite ve buna seri bağlı bobin ise filtre amaçlı olarak kullanılmaktadır. Şekil 4.9 (b)’de görüldüğü gibi 3 numaralı konumda tüm kapasiteler devreye alınmış durumdadır ve SVS akımının kapasitif özelliği oldukça artmıştır. 1 numaralı konumda ise iki adet kapasite devre dışına çıkarılmış ve yükün kapasitif karakteri azalmıştır. Görüldüğü gibi SVS (yük ucundaki gerilim sabit kalamadığından) bir gerilim kaynağı değildir. SVS bir senkron kondenser gibi davranır. SVS sisteme verdiği reaktif akım ile bağlı olduğu baranın gerilimini ayarlar. Diğer bir anlatım ile SVS’ler , ayarlanabilir reaktif yük gibi davranarak bağlı olduğu baranın gerilimini (yaklaşık olarak) sabit tutmaya çalışır. SVS’ler genel olarak yükün (kapasite yada selfin) suseptansını değiştirerek amaçlarına ulaşırlar.[1]
25
4.4. Tristör Kontrollü Reaktör ( TKR ) Tristör kontrollü reaktörün eşdeğer devresi tetikleme açısı ile iletim açısı ve akım gerilim ilişkisi gösterilmiştir.
Şekil 4.10 Tristör kontrollü reaktör
Tristör kontrollü reaktör aslı itibari ile bir akım kıyıcı devresidir. Bir fazlı ve üç fazlı kıyıcılar olarak iki kısımdırlar. Yapı olarak ise birbirine paralel bağlanmış tristörlerden oluşmuştur. Bir fazlı alternatif akım kıyıcıları genel olarak aydınlatma, ısınma gibi harmoniklerin etki etmediği uygulamalarda kullanılmaktadır.
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
26
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 90° 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.
AC akım kıyıcı 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.
4.11 Tristör kontrollü reaktör ve sabit kapasite
27
Şekil 4.12 6 darbeli TKR yapısı
Şekil 4.13 12 darbeli TKR yapısı.
28
4.5. Tristör Anahtarlamalı Reaktör ( TAR ) Şekil açısından bakıldığında TAR yapısının TAK yapısından tek farkı TAK yapısındaki kapasitelerin yerini TAR yapısında reaktörlerin almasıdır. TAR yapısının TKR yapısında tristörler 900-1800 arasında tetiklenirken TAR yapısında sadece alternans başlarında (900) tetiklenir. Böylece harmonik problemi ortadan kalkar. [1]
Şekil 4.14 3 fazlı TAR yapısının bir kutuplu gösterimi
Aşırı gerilimlere ve geçici olaylara yol açmamak için reaktör elemanları sisteme uygulanan alternatif gerilimin pozitif ve negatif tepe değerlerinde (90°) devreye alınır ve çıkarılırlar. Böylece harmonikler ortadan kaldırılır. Bu tip kompanzasyonda sistemin gecikmesi yarım periyot mertebesindedir. Bu kompanzasyon türünün önemli bir problemi reaktörlerde meydana gelen kayıplardır.
Aşağıda şekil 4.15’deTAR tabanlı SVC’nin eşdeğer devresi görülmektedir. TAR, alternatif akım kıyıcı ile buna seri bağlı bir reaktörden meydana gelmektedir. SVC oluşumu ise mevcut TAR yapısına paralel bağlı bir sabit kapasitör eklenmesi ile elde edilmektedir. Üç fazlı uygulamalarda TAR cihazı üçgen olarak bağlanmaktadır.
29
Şekil 4.15 Tar tabanlı Svc eşdeğer devresi 4.6. Tristör Anahtarlamalı Kondansatör ( TAK ) Bu sistemde TKR den farklı olarak endüktans akımının sürekli olarak ayarlanması söz konusu değildir. Burada kondansatörü ya devreye alan ya da devreden çıkaran bir anahtarlama yapılmaktadır.Sistemin kondansatörü besleyen çift yönlü tristörlerin kapı akımı kesildiğinde akım sıfır noktasından geçerken tristör kendiliğinden devre dışına çıkar. Kondansatör akımı ile gerilimi arasında 90 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.[2] Şekildeki bobinin görevi kondansatörün devreye girmesi esnasında ortaya çıkabilecek aşırı akımlara engel olmaktır.
30
Şekil 4.16 Tristör anahtarlamalı kondansatör
Şekil 4.17 (a)’da bir fazlı tak yapısı gösterilmiştir. TAK alternatif akım kıyıcı ile buna seri bağlı bir kapasitörden oluşur. Birden fazla TAK yapısı (güçleri birbirine yaklaşık eşit seçilerek) aynı yük barasına paralel olarak bağlanır. Reaktif güç talebi arttıkça tristörler tetiklenerek ihtiyaç duyulan sayıda tak devreye alınır.[1]
a-)
b-) Şekil 4.17 Bir fazlı tak yapısı
Şekil 4.17‘de görülen ve tristörlere seri olarak bağlanan düşük değerli selfin (L) görevi, tristörlerin tetiklendiği anda oluşması muhtemel geçici olayları (lenz kanunu etkisi) bastırmak ve rezonansı önlemektir. Üç fazlı sistemde (üçgen bağlama için) kullanılan TAK yapısı şekil 4.17 (b)’ de gösterilmiştir. Kapasitörlerin devreye sokulması küçük ya da büyük geçici dalgalanmalara yol açar. Bu dalgalanmalar kapasite ile dış sistem arasındaki rezonans
31
frekansına bağlı olarak değişir. Devreye sokulurken aşırı gerilimlerin meydana gelmemesi için kapasiteler şebeke geriliminin tepe değerine eşit değerde doğru gerilimle doldurulurlar.[1] Kapasite üzerine uygulanan gerilim tepe değerine ulaştığında veya bu değere yakın noktada iken tristör tetiklenir. Böylece kapasite akımının minimum olduğu anda tristör iletime sokulmuş olur. Aynı şekilde akımın sıfırdan geçtiği anda devreden çıkartılır. Böyle bir tetikleme devresi kullanılarak (açma kapama) anlarında oluşan geçici olaylar ve aşırı gerilimler önlenmiş olur. Şekil 4.18’ de bara gerilimi, kapasite gerilimi akımı gösterilmiştir.TAK yapısında kullanılan suseptans kontrolüne ‘‘tam alternans kontrolü’’ adı verilir. Bu kontrol türünde kapasite tam alternans bitiminde anahtarlanır. Paralel bağlı TAK sayılarını(tristörleri tetikleyip) değiştirerek yük tarafından istenilen reaktif güç ulaşmış olur. Tam alternans kontrolünün en büyük üstünlüğü (gerilimin dalga şeklinin sinüs formunu değiştirmediği için) harmonik üretmemesidir.
Şekil 4.18 TAK bara gerilimi, kapasite gerilimi ve kapasite akımı
Şekil 4.19’de paralel bağlı TAK yapıları ve kontrolör gösterilmiştir. TAK’ın bağlandığı bara geriliminin (V), referans gerilim değerinden (Vref) her iki yönde sapma miktarı V/2 olarak alınmıştır. Devreye sokulan kapasitör miktarı
V
değerinin V/2 arasında kalmasına
bağlıdır. Kontrolör V değerini ölçer, eğer bu değer Vref V/2 aralığında kalabiliyor ise mevcut durumdaki tak sayısını değiştirmez, aksi halde ilave kapasitörleri devreye alarak yada devreden çıkartarak V değerinin belirtilen gerilim aralığında (Vref V/2) kalmasını sağlar.[1]
32
Şekil 4.19 Paralel bağlı TAK yapıları ve kontrolör.
Şekil 4.20’de TAK yapısının V-I karakteristiği gösterilmiştir. Bu karakteristikte iki farklı yük durumuna karşı gelen Y1 ve Y2 eğrileri görülmektedir. Bu iki eğriye bakarak TAK kontrol sisteminin süreksiz ve basamaklı olduğu söylenebilir. Eğer V gerilimi VrefV/2 bant aralığında kalıyor ise mevcut TAK sayısında bir değişme yapılmaz, fakat bu bant aşılırsa yeni bir kapasitör devreye alınarak V gerilimi kontrol altına alınır. Eğer V bara gerilimi yüksek değerde ise yüksek maliyet dolayısı ile paralel olarak bağlanan kapasite sayısı azaltılır. Şekil 4.20’de
görüldüğü
gibi
sistem
TKR
olmadığından,
çalışma
kapasitif
bölgede
gerçekleşmektedir.
Şekil 4.20 TAK yapısının V-I karakteristiği Şekil 4.20’de görüldüğü gibi TAK sistemi A noktasında çalışıyorken Y1 ile gösterilen yük durumu için C1 kapasitörü devrede bulunmaktadır. Eğer (müşteride yük değişimi gibi) ani bir değişim olur ve sistem karakteristik eğrisi Y2’ye kadar ise, bara gerilimi düşer ve sistemin 33
yeni çalışma noktası B olur. B noktasına ulaşmak için ise C2 kapasitörü de (tristörler kullanılarak) devreye alınmalıdır. Fakat B noktası kabul edilen bant aralığında olmadığından C3 kapasitörü de devreye alınarak sistem D noktasında çalışmaya başlar. Bu nokta kabul edilen gerilim toleransı içinde kalmaktadır. Yeni yük değişimi oluncaya kadar TAK yapısı her üç kapasitörü de devrede tutarak çalışmaya devam edecektir.[1]
4.7 Uygulamada Kullanılan Statik VAR Sistemleri
Şekil 4.21 TKR ve TAK sistemlerinin bir araya getirilmeleri ile ortaya çıkan bir SVS yapısı Şimdiye kadar gösterilen SVS sistemleri pratikte tek başlarına pek kullanılmazlar. Pratikte kullanılan SVS sistemleri genellikle en az iki farklı statik VAr kompanzasyon sisteminin bir araya getirilmeleri ile meydana gelir. Böyle bir yaklaşımın temel amacı SVS sistemine esneklik kazandırmak ve kontrolü daha hassas hale getirmektir. Şekil 5.20’te TKR ve TAK sistemlerinin bir araya getirilmeleri ile ortaya çıkan bir SVS yapısı gösterilmiştir. Burada görülen filtre TKR tarafından üretilen harmoniklerin süzülmesini sağlamaktadır. Bu filtrede kapasitif etki endüktif etkiye oranla daha fazladır. Filtrenin reaktif gücü, TKR reaktif gücünün %10 ila %30’u mertebesindedir. TAK yapılarının her biri yaklaşık olarak birbirine eşit güçte imal edilirler. Bu tür SVS yapılarında düzgün bir kontrol karakteristiği elde etmek için TKR akımı bir adet TAK akımından çok az yukarıda seçilmelidir. L ve C değerleri bu ilkeye göre belirlenir.[1]
34
Şekil 4.22 (a)’da sürekli hal çalışma koşulunda SVS yapısına ilişkin V-I karakteristiği, şekil 4.22 (b)’de ise Q-V karakteristiği verilmiştir. Bu karakteristiklerde (lineer kontrol bölgesinde) çalışma limitlerini TKR bobininin maksimum suseptans değeri (BLmaks) ve BC değerleri belirler. BC; filtre içinde yer alan TAK yapılarının kapasitelerine ilişkin suseptans değerlerinin toplamından meydana gelir. Eğer V değeri belirli bir süre için (0.3 birim gibi) çok düşük seviyelere düşer ise, sistemi kontrol etmek ve tristörleri tetiklemek için gereken enerji sağlanamayacağı için SVS yapısı devre dışına çıkar (çalışmaz). Eğer gerilim düzene girerse SVS tekrar çalışmaya başlar.[1]
Şekil 4.22
35
5. MATLAB/SIMULINK KULLANARAK BİR TRİSTÖR KONTROLLÜ REAKTÖR GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
Bu çalışmada nominal işletme gerilimi 380 volt olan bir tesiste, Tristör Kontrollü Reaktör matlab/simulink kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Böyle bir sistem gerçekte büyük güçlü ark fırınlarında kullanılır.Büyük güçlü ark fırınlarında kullanılma sebebi; anlık reaktif güç ihtiyacının
net
olarak
cevap
verebilme
ihtiyacı
ve
sistem
maliyetinin
yüksek
olmasıdır.Maliyetleri düşürmek için günümüzde çalışmalar yapılmaktadır.Şuanda piyasada alçak gerilim için bazı firmaların ürettiği SVC röleleri bulunmaktadır. Böyle sistemlerde ark fırınına paralel bağlı bir kondansatör grubu sürekli tam kapasiteli olarak sistemde olur.Fırının ihtiyacı olan kvar cinsinden kapasite değeri anlık olarak sisteme gönderilir.Geri kalan kapasite değeri ise, reaktör üzerinde harcanır.
Biz gerçeklediğimiz bu sistemde aşağıdaki yükleri kullandık; Sabit
1000w
800var
1.2kvar
300w
600var
1.8kvar
600w
1kvar
2.2kvar
900w
1.3kvar
2.8kvar
1.2kw
1.8kvar
3.5kvar
Bütün yükler sisteme sıfır noktasından itibaren girmektedir.AC kıyıcımız
17.5kvar
gücünde bir reaktörün gücünü kontrol edecektir.Sistem yük şartlarına göre
değerini
ölçecek ve buna uygun tetikleme açısını hesaplayarak üretecek böylece
ihtiyacı
şebekeden değil reaktör üzerinden sağlanacaktır.
Şekil 5.1 Gerçekleştirilen TCR sistemi 36
Şekil 5.1’ de kapasitif yükü kompanze etmek için simulink ortamında gerçekleştirilen Statik Var sisteminin devre şekli gösterilmiştir.Statik Var kompanzasyonunda bilindiği gibi ana harmoniğe ilişkin reaktif güç değeri kompanze edilir, tüm harmoniklere ilişkin reaktif güç değeri kompanze edilmez.
Şekil 5.1’ deki devrede dengeli olarak bir α açısı ile tetiklenecek her iki tristörün,L bobini üzerinden yüke akacak reaktif gücün
, α ve L değerlerine bağlı ifadesi;
[4] formülleriyle hesaplanır.
=
[4]
değeri sistemde sürekli hesaplanıp buna göre bir α tetikleme
açısı sürekli hesaplanıp, üretilmektedir.Bu sebeple oluşturulan simulink devresinde değeri sürekli ölçülmüş
değerine göre bu değere eşit
gücünü üretecek α
tetikleme açısını (4) eşitliği kullanılarak bulan ve tristörleri dengeli olarak tetikleyen bir simulasyon oluşturulmuştur.Bu α açısını bulmak için Embedded MATLAB function bloğu kullanılmıştır.Embeded MATLAB function bloğuna giren işaret, yükün çektiği reaktif güç olacağı için yük değiştikçe sinyal kendiliğinden değişecektir.Bu nedenle yüke ait reaktif güç değerini ölçen Active&Reactive Power bloğu kullanılmıştır.Bu devredeki işaretin üreteci bu blok olacaktır.Simulink devresinde görülen Active&Reactive Power bloğunun çıkışına bağlanan Demux bloğunun üst ucu daima aktif gücü alt ucu ise reaktif gücü ölçer.
Pratikte, statik reaktif güç kompanzasyonuna ilişkin devre tasarlanırken, tristörlerin kontrol ettiği L bobininin reaktif güç değerinin iyi bir şekilde hesaplanması gerekir.Bu hesaplama yapılırken şu yol izlenir: sistemde sabit değerde olan reaktif güç kaynaklarının (C,L,lineer olmayan yük) reaktif güç değerleri, işaretlerine bakılarak toplanır.Daha sonra yükün maksimum reaktif güç değeri hesaplanır.Sonuç olarak sabit ve sabit olmayan yüklere ilişkin toplam reaktif güç değerinden daha büyük değerde reaktif güç üretebilecek boyutta bir L bobini AA kıyıcısının çıkışına bağlanır.Yaptığımız bu simulasyonda bu olarak tespit edilmiştir.
37
değeri 17.5 kvar
Şekil 5.2 Gerçekleştirilen sistemin kompanzasyondan önceki hali
Şekil 5.3 Sistemdeki yükler
38
Şekil 5.4 Kaynakdan çekilen Reaktif güc
Şekil 5.5 Kaynakdan çekilen Aktif güc
Şekil 5.4 ve 5.5 de görüldüğü gibi sistemde, kaynakdan 400var civarında kapasitif reaktif güç ve yaklaşık 1kw aktif güç çekilmektedir.
39
Şekil 5.6 Kompanzasyondan sonraki devre şeması
Şekil 5.7 Devrede çekilen Aktif ve Reaktif Güçler Yukarıdaki osilaskop görüntülerinden de anlaşılacağı gibi sistemde şebekeden yine 1kw aktif güç çekilmektedir.Bunun yanı sıra TCR sayesinde şebekeden sıfıra yakın bir reaktif güç çekilmektedir. 40
Şekil 5.8 Yükün istediği Reaktif Güç - Reaktörün ürettiği Reaktif güç Yüklerimiz kapasitif karakterlidir.Devreden 400 var reaktif güç istemektedirler.(üst grafik)Fakat sistem bir tristör kontrollü reaktör olduğundan istenen bu 400 var reaktif güç Reaktör üzerinden (alt grafik) temin edilmektedir.Yukarıdaki osilaskop görüntülerinden bu anlaşılmaktadır.
Şekil 5.9 Tristör tetikleme açısı
۫
Sistemde tristörler yaklaşık olarak 157 de tetiklenirler.
41
6. STATİK VAR KOMPANZATÖRÜ’NÜN PROTEUS ORTAMINDA PIC İLE MODELLENMESİ
Yapılan bu benzetimde , yükün şebekeden çektiği aktif gücün yanında gereksinim duyduğu reaktif gücü mümkün olan en verimli şekilde kullanmak için ilk olarak mikrodenetleyici ile sistemin güç katsayısı belirlenip, bu güç katsayısından yola çıkarak, yükün o anki duyduğu ihtiyaca göre devreye reaktör alıp , çıkarma işlemi gerçekleştirilmiştir.
6.1 Güç Katsayısı
Güç katsayısı elektrik enerjisinin ne kadar verimli kullanıldığının bir göstergesidir. Güç katsayısı ne kadar büyük olursa, elektrik enerjisi o kadar verimli kullanılmış demektir.
Şebekeye bağlı endüktif karakterdeki bir alıcının akım ve gerilim bilgileri , tasarlanan sıfır geçiş dedektörü ile akım ve gerilim bilgilerinin sıfır geçiş noktalarında tespit etmektedir.
Şekil 6.1 Sıfır geçiş dedektörü 42
Dedektörün 1. ve 7. uçlarında elde edilen kare dalga sinyaller üst üste konduğunda akım ve gerilim arasında ki faz farkı elde edilir. Elde edilen bu sinyaller mikrodenetleyicinin girişlerine uygulanır.
6.2 Sıfır geçiş osilaskop görüntüsü
6.2 Güç Katsayısının Tespiti
Uygulamada kullandığımız PIC 16F877A’ mikrodenetleyicisinde 20 MHz’lik kristal osilatör kullanılmıştır. Timer seçeneklerinden ise 16 bitlik TIMER1 zamanlayıcısı seçilmiştir. Timer’ın artışında geçen zaman seçilen osilatör frekansına göre değişmektedir. Seçtiğimiz osilatör bir işlemi 0.2 μs’de gerçekleştirmektedir
43
TIMER1
zamanlayıcısı
16
bitlik
olduğundan
0
ile
65536
arası
sayma
işlemi
gerçekleştirebilmektedir. Her işlem 0.2 μs süreceğinden yaklaşık olarak 13 ms’lik bir sayma işlemi yapabilir.
6.3 Şebeke frekansının bir peryotluk görüntüsü
Yüke uygulanan 50 Hz’lik şebeke sinyalinin bir peryotluk değeri 20 ms dir. Akım ile gerilim arasındaki faz farkı maksimum 90° olacağından aradaki gecikme 5ms değerini geçmemekte ve seçtiğimiz TIMER1 ile bu zamanı karşılayabilmekteyiz.
0 ile 5 ms arasında değişen faz farkı değeri TIMER1 zamanlayıcısında alınarak matematiksel bir formülasyon sonucu ekranda gösterilmektedir.
6.4 LCD ekranda faz açısı değeri
44
6.3 Modelleme İçin Hazırlanan Program Algoritması
Öncelikle Pic’in çalışmasıiçin temel konfigürasyon ayarları yapılmıştır. Daha sonra Gerilim bilgisi PortB0’a Akım bilgiside PORTB1’e girilmiştir. Burada önemli nokta pic’de bulunan harici kesmelerin kullanılmasıdır. İlk aşamada RB0 portuna kontrol edilmekte ve gerilim bilgisi geldiğindekesme üreterek Timer1’i 0 kurar ve saydırma işlemine başlar .Bu işlem devam ederken RB1 portuna akım sinyali geldiğinde TIMER1 durdurularak , içinde değer bir değişkene atanır ve bu değere formülasyon işlemi uygulanarak ekrana yazdırılır. Aynı zamanda program içerisinde bulunan tablolardan değişkenin değerine göre çıkışlar aktif edilerek sisteme gerekli olan reaktör veya reaktörler devreye alınır. Sistem bu şekilde bir döngü halinde devam eder.
6.5 Program algoritması 45
6.4. Statik Kompanzatörün Modellenmesi
Uygulamın yapıldığı Proteus programı; elektronik alanında en yetenekli, devre çizimi, simülasyon ve animasyon yapabilen programlardan biridir [6]. sıfır geçiş dedektörü vasıtasıyla PIC16F877 mikrodenetleyicisinin girişlerine uygun hale getirilmiş akım ve gerilim sinyallerinin benzetimi yapılarak güç katsayısı ölçümü gerçekleştirilmiştir.
6.6 Benzetimi Yapılan Devrenin Blok Diyagramı
Yaptığımız simülasyon çalışmasında sisteme sürekli olarak bağlı bir kondansatör olduğunu ve tespit ettiğimiz güç katsayısı doğrultusunda sistemin ihtiyacı kadar kondansatörü sıfır geçişlerinde devreye alıp gerekli ihtiyacı sağladıktan sonra gerek duyulmayan kondansatör gücünü pic’in çıkışlarına bağlı olan tristörlerin tetiklediği reaktörler üzerinde tüketmesini sağlamaktır.
6.7 Sistemde üretilen reaktif güçün dağılımı
46
Tasarlanan devrede PORTB ’nin 0. ve 1. pinleri giriş, PORTD’nin 8 biti ve PORTC’nin 6 biti çıkış olarak kullanılmaktadır. Sıfır geçiş dedektöründen gelen bilgi doğrultusunda PORTD’ye bağlı LCD ekranda gerilim ile akım arasındaki faz farkı değeri gösterilmiş. Bu değer doğrultusunda PORTC’ ye bağlı olan tristörler tetiklenerek reaktörlerin devreye alınma işlemi gerçekleştirilmiştir.
6.8 Simülasyon devresi
Tasarlanan devrenin çıkışındaki tristör tetiklemeli reaktörlerin sayısı artırılarak, daha optimum değerlerin yakalanması sağlanabilir.
47
6. 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 kullanılarak 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.
48
7. KAYNAKLAR
[1] PLC KONTROLLÜ REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU, GAZİ ÜNİVERSİTESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ
[2] STATİK VAR SİSTEMLERİ VE SİMULİNK UYGULAMASI, SAKARYA ÜNİVERSİTESİ LİSANS TEZİ
[3] STATİK REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU VE UYGULAMA DEVRESİ YTÜ LİSANS TEZİ
[4] UĞUR ARİFOĞLU UYGULAMALARI
MATLAB
VE
MÜHENDİSLİK
[5] EMO KOMPANZASYON KONFERANSI NOTLARI,MUSTAFA ŞEKKELİ
[6] PIC KULLANARAK GÜÇ KATSAYISI ÖLÇÜM DEVRESİ TASARIMI VE SİMÜLASYONU SABİR RÜSTEMLİ, MUHAMMET ATEŞ
49
ÖZGEÇMİŞ
İlhan ŞİRİN
Onur TURAN
Lise : Hürriyet Endüstri Meslek Lisesi - Elektronik 2003
Lise : Atatürk Çağdaş Yaşam Çok Programlı Lisesi – Elektronik 2004
Üniversite : Uludağ Üniversitesi TBMYO Endüstriyel Elektronik 2005
Üniversite : İstanbul Üniversitesi TBMYO Endüstryel Elektronik 2006
Üniversite : KahramanMaraş Sütçü İmam Üniversitesi 2011
Üniversite : KahramanMaraş Sütçü İmam Üniversitesi 2011
İş Deneyimleri:
İş Deneyimleri:
Coats TÜRKİYE 2003-2004
Bimtes Elektronik Laboratuarları 2003 2008
Uludağ İletişim ve Telekomünikasyon 2007-2008
Ekom Mühendislik 2010-2011
Ekom Mühendislik 2010-2011 E-posta :
[email protected]
E-posta :
[email protected]
50
