Hassas Bir Reaktif Güç Kompanzasyonu İçin Gerekli Güçlerin Hesabında Temel Bileşenlerin Kullanılması

Transkript

1 KÜ. Fe ve ühedislik Dergisi, 9(), KU. Joural of iee ad Egieerig 9(), 006 Hassas Bir Reaktif Güç Kompazasyou İçi Gerekli Güçleri Hesabıda Temel Bileşeleri Kullaılması ustafa ŞEKKELİ KÜ, imarlık-ühedislik Fakültesi, Elektrik-Elektroik Bölümü, Kahramamaraş ÖZET: Edüstriyel yükleri çoğu güç faktörü ile ilgilidir.çükü aktif güç yaıda reaktif güç de çekerler.temel olarak güç faktörü elektrik eerjisii e kadar verimli kullaıldığıı bir ölçüsüdür.güç faktörü e kadar büyükse, elektrik eerjisi o kadar verimli kullaılıyor demektir. Reaktif güç kompazasyou geellikle, şebekeye paralel bağlı sabit kodasatörleri, reaktif güç kotrol rölesi ile otomatik olarak devreye alııp çıkarılmasıyla yapılır. Reaktif güç kotrol rölesi, mikroişlemi tabalı olup temel olarak üç aa üitede oluşur. Bular ölçme, değerledirme ve aahtarlama üiteleridir. Bu çalışmada yei bir reaktif güç kotrol rölesi tasarımı yapılıp gerçekleştirilmiştir. Klasik rölelerde aktif ve reaktif güç hesaplamaları, şebekede ölçüle akım ve gerilimi temel bileşei yerie harmoikli bileşee göre yapılır. Yei röle de ise bu hesaplar harmoiklerde elimie edilmiş temel akım ve gerilim bileşeie göre yapılmaktadır. Çükü kompazasyo içi şebekeye bağlaaak kodasatörler 50 Hz. temel bileşee göre hesap edilip imal edilmiştir.böylee devreye alıaak kodasatör seçimi daha doğru olarak yapılmış olup, daha hassas kompazasyo gerçekleştirilip, olası hatalar ölemiştir. Bu röle imal edilmiş ve deeylerde uyguluğu kaıtlamıştır. Aahtar Kelime: Kompazasyo, reaktif güç kotrol rölesi, kodasatör, harmoikler Usig fudametal ompoet i the alulatios of eessary power for a aurate reative power ompasatio ABTRACT: ost idustrial loads have laggig power fator. Beause they absorbe reative power i additio to the ative power. Essetially, power fator is a measuremet of how effetively eletrial power is beig used. The higher the power fator, the more effetively eletrial power is beig used.. most ases, reative power ompasatio is automatially ahieved with reative power otrol relay by swithig o ad off statioary shut apaitors to the eletrial etwork. Reative power otrol relay is based o mirootroller ad it maily osists of three uits whih are measurig, evaluatig ad swithig. this study, a ew reative power fator otroller has bee desiged ad maufatured. lassial relay, the ative ad reative power are omputed aordig to the urret ad voltage whih otais harmois ad measured from the etwork. But i the ew relay, these alulatios are employed with fudametal ompoet of etwork frequey (50 Hz.) whih is elimiated harmois. Beause apaitors whih will be oeted to the etwok are alulated ad maufatured aordig to the fudametal frequey (50 Hz.). Thus apaitors are orretly swithed o ad off to the busbar. The ompesatio are aurately applied ad probable failure has bee preveted. This relay is desiged, maufatured ad approved experimetally, Key Words: Compesatio, reative power otrol relay, apaitors. harmois GİRİŞ Edüstrileşmei souuda elektrik şebekeleride kirleme kaçıılmazdır. Eerjii kalitesii belirleye e öemli faktörler, gerilim ve frekas değişimleri, düşük güç faktörü ve temel frekas dışıdaki bileşeler yai harmoiklerdir. Bularda güç faktörü elektrik eerjisii e kadar verimli kullaıldığıı bir ölçüsüdür. Güç faktörü e kadar büyükse elektrik eerjisi de o kadar verimli kullaılıyor demektir. Eerji üretim ve dağıtım sistemleride güç faktörüü düşük olması, daha fazla görüür güü üretilmesi, bu da kablo kesitii ve diğer ölçme, koruma elemalarıı daha büyük seçilmesi alamıa gelir (Bayram, 000). Bu edele güç katsayısıı yükseltilmesi içi kompazasyo tesisi yapılıp, şebekei kalitesi ve daha verimli kullaılması yolua gidilir. Tüketiileri ormal olarak şebekede çektikleri edüktif reaktif güü, kapasitif güç çekmek suretiyle özel bir reaktif güç üretiisi tarafıda degeleerek güç faktörüü (osφ) e yaklaştırılması olayıa reaktif güç kompazasyou deir (iller, 98). Güümüzde reaktif güç kompazasyou merkezi olarak yapılmaktadır. Burada reaktif güç kotrol rölesi adı verile ihazla, tesise paralel bağlı kodasatörler ihtiyaa göre devreye alııp çıkarılır. Böylee tesisi güç katsayısıı istee değerde kalmasıa çalışılır (Arifoğlu, 00). Reaktif güç kompazasyo rölesi mikroişlemi tabalı olup, temel olarak 3 aa üitede oluşur: ölçme, karşılaştırma ve değerledirme, aahtarlama üitesi (iemes, 00). Klasik reaktif güç kotrol rölesi kompazasyo işlemii yerie getirmek içi şebeke akım ve gerilimide örek alır. Bu öreklere harmoik aalizi yapılır. Harmoik aalizi, tüketiii şebekedeki harmoikleri görmesi, izlemesi ve aşırı harmoiklere karşı uyarılması içi kullaılır. Reaktif ve aktif güç hesaplamaları harmoikleri süzülmüş temel bileşee

2 KÜ. Fe ve ühedislik Dergisi, 9(), KU. Joural of iee ad Egieerig 9(), 006 göre değil, harmoikli değerlere göre yapılır (heble, 987). Yei tasarlaa rölede ise harmoik aalizi yapılmaktadır. Reaktif ve aktif güçlerle, kodasatör güü hesapları, harmoiklerde elimie edilmiş temel bileşee göre yapılmıştır. Çükü kompazasyo içi kullaılaak güç kodasatörleri, gerilim ve akımı temel bileşeie göre, imal edilmiştir. Yai çalışma frekasları 50 Hz. ve kodasatör güçleri 50 Hz. frekasa göre hesap edilmiştir. Dolayısıyla röle devreye alması gereke kodasatör güüü 50 Hz. temel bileşee göre belirler. ATERYAL VE ETOD Burada P,, ve φ kompazasyo öesi, P,, ve φ ise sırasıyla kompazasyo sorası aktif, reaktif, görüür güçleri ve faz açısıı göstermektedir. ise tesis içi gerekli ola ve hesaplaa kodasatör güü değeridir. Diyagramda görüldüğü gibi kompazasyo öesi ve sorası aktif güç sabit kalmıştır (Arifoğlu, 000). P P Reaktif güç kompazasyou Elektrik tesisleride kullaıla magetik ve statik alala çalışa bütü işletme araçları, mekaik güe döüşe aktif güç yaıda, magetik ala oluşturması içi reaktif güç te çekerler (Bayram, 000). Reaktif güç kompazasyou yapılarak, ihazlar tarafıda çekile edüktif karakterli reaktif güç azaltılır. Böylee, iletke kesitii ve diğer koruma,ölçme ve açma kapama araçlarıı kapasitelerii bir kısmıı işe döüşmeye reaktif akıma ayrılmaması sağlamış olur. Temel olarak reaktif güç kompazasyou yapmak aşağıdaki yararları sağlar; - i güç taşıma kapasitesi artar, - Yatırım maliyetleri azalır, 3- i ısı kayıpları azalır, 4- deki gerilim düşümü azalır, 5- Hatları geçii durum kararlılığı iyileşir, 6- Faz gerilim degesizlikleri azalır, 7- dalgalamaları azalır, 8- Harmoikler azalır. 9- Reaktif eerji bedeli ödemez. (Arifoğlu, 00). Kompazasyo içi gerekli kodasatör güüü hesaplarke müşterii iki farklı hassasiyeti olabilir. Ya kompazasyo öesi ve sorası şebekede çekile aktif güü değişmemesi (P = sabit), ya da görüür güü değişmeyip sabit kalması isteebilir ( = abit). Her iki koşul içi de hesaplaıp devreye bağlaması gereke kodasatör değerleri ve güç akışları aşağıdaki şekillerde verilmiştir. Şekil. ve şekil. de sırasıyla aktif güü sabit kalması durumua göre hesaplaa kodasatör değeri fazör diyağramı ve güç akışı gösterilmiştir. Tüketii Tüketii C Güç Kodasatörü a) Kompazasyo öesi b)kompazasyo sorası Şekil. P = abit kalması içi kompazasyo öesi ve sorası güç akışı Şekil 3. ve şekil 4. te yie sırasıyla görüür güü sabit kalması durumua göre hesaplaa kodasatör değeri fazör diyagramı ve güç akışı verilmiştir. P P P φ φ Şekil 3 Kompazasyoda görüür güü sabit tutulmasıa ilişki diyagram. P C P P(W) P =P =P=abit φ φ C (VAr) Tüketii Tüketii C Güç Kodasatörü a) Kompazasyo öesi b) Kompazasyo sora Şekil 4. = abit kalması içi kompazasyo öesi ve sorası güç akış diyagramı Şekil. P Aktif güü sabit kalması durumuda fazör diyagramı. Bu diyagramlarda da görüldüğü gibi görüür güç (), kompazasyo öesi ve sorası değişmeyip sabit kalmıştır (Arifoğlu, 000).

3 KÜ. Fe ve ühedislik Dergisi, 9(), KU. Joural of iee ad Egieerig 9(), 006 Klasik Reaktif Güç Kotrol Rölesi erkezi otomatik kompazasyo sistemi, temel olarak uygu düzelemiş kodasatör bataryaları ile, reaktif güü algılayıp uygu kodasatör bataryalarıı devreye alııp çıkarılmasıı sağlaya reaktif güç kotrol röleside oluşur. ( Erliks ve ark., 968 ) Reaktif güç kotrol rölesi, sistemi güç faktörüü ölçerek öede taımlamış güç faktörüe ulaşmak içi kodasatör bakalarıı yüke paralel olarak devreye almakta veya çıkarmaktadır (adal ve ark., 994). Rölei çalışma presibi olarak, öe sistemi reaktif güü ölçülüp, edüktif veya kapasitif karakterde olduğua karar verilir. Eğer kapasitif ve devrede kodasatör çıkarma bölgeside ise, devrede kodasatör çıkarma algoritması çalışır ve sırayla kodasatörler çıkarılır. Eğer edüktif bölgede ve devreye kodasatör alma bölgeside ise, birii kodasatörde başlaarak, belirlee aahtarlama programıa göre devreye kodasatör alıır (iemes, 00) Reaktif güç kotrol rölesi, mikroişlemi tabalı olup temel olarak üç aa üitede oluşur. Bular ölçme, değerledirme ve aahtarlama üiteleridir. Şekil 5 de klasik reaktif güç kotrol rölesi blok diyagramı verilmiştir (Şekkeli, 004).İyi bir kompazasyo içi reaktif güç kotrol röleside bazı ayarları doğru bir şekilde yapılması gerekir.bu ayarlar; -C/k ayarı -Çalışma bölgesi (%x) veya osφ ayarı 3-Aahtarlama programı 4-Kodasatör deşarj süresi ayarı U Ölçme Üitesi C/k %X Karşılaştırma ve Değerledirme Üitesi Aahtarlama Üitesi Röle Çıkışları Şekil 5. Reaktif güç kotrol rölesi blok diyagramı. BULGULAR ve TARTŞA Tasarlaa Reaktif Güç Kotrol Rölesi Reaktif güç kotrol röleside ölçme bloğu çok öemlidir. istem içi gerekli ola tüm veriler şebekede, öe ölçme üitesie gelir. de alıa gerilim bilgisi direkt olarak, akım ise bir akım trasformatörü yardımıyla röleye bağlaır. i aktif ve reaktif güçleri, örekleme ile alıa akım ve gerilim değerleride hesap edilir. Eğer alıa akım ve gerilim örekleri siüszoidal formda değil ve harmoikler içeriyorsa, güç hesaplamaları içi bu işaretleri işlemesi çok zor hale gelir. Bu durumda, harmoikli akım ve gerilim öreklerie dijital işaret işlemeyle harmoik aalizleri yapılır. Temel ve belirli mertebeye kadar harmoikler hesaplaır (argaitz, 99). Klasik rölede, reaktif güçleri hesap edilmesi içi, yie sistemde akım ve gerilim örekleri alııp harmoik aalizi yapılmaktadır. Harmoik aalizi, tüketiii şebekedeki harmoikleri görmesi, izlemesi ve aşırı harmoiklere karşı uyarılması içi kullaılır. Reaktif ve aktif güç hesapları harmoikleri süzülmüş temel bileşee göre değil, harmoikli değerlere göre yapılır (Grady ve Gilleskie,993). Bu çalışmada tasarlaa röle de ise harmoik aalizi yapılmaktadır. Reaktif, aktif güçlerle, kodasatör güü hesapları, harmoiklerde elimie edilmiş temel bileşee göre hesaplamıştır. Çükü kompazasyo içi kullaılaak güç kodasatörleri, gerilim ve akımı temel bileşeie göre hesap edilip imal edilmektedirler. Yai çalışma frekasları 50Hz. ve kodasatör güçleri 50 Hz. frekasa göre hesap edilmiştir (Bayram, 000). Dolayısıyla röle, devreye alması gereke kodasatör güüü hesaplarke, şebekei 50 Hz. temel akım ve gerilim bileşeie göre yapmalıdır ki doğru kodasatör değeri devreye alımış ve doğru kompazasyo gerçekleştirilmiş olsu. Eğer devreye bağlaaak kodasatör güü 50 Hz. temel frekas bileşeie göre, sisteme alıması gereke kodasatör hesabı da bu temel frekasta daha büyük frekas da yapılmış ise hesaplaa kodasatör güü değeri daha küçük değer olarak hesaplamış olaak ve devreye alıması gereke doğru kodasatör değeri yerie yalış değer alıaak ve kompazasyo yalış yapılmış olaaktır. Bu hesaplamalar aşağıda detaylı olarak verilmiştir. Kodasatörleri kapasitif reaktasları () ifadeside görüldüğü gibi frekasla ters oratılıdır (arkam ve ark.,99) X C = = ( ) wc πfc Burada X kodasatörü kapasitif reaktasıı, w açısal frekası, f şebeke frekasıı ve C kodasatörü kapasitesii göstermektedir. Harmoikli bir gerilim altıda kodasatörü çektiği akımı efektif değeri, harmoikli gerilimi efektif değerie eşit siüsoidal bir gerilim altıda çektiği akımda daha büyüktür. deki harmoikler edeiyle kodasatörü güü de artar. içi sadee temel bileşee ait kodasatör güü öem taşır. iüsoidal bir U faz gerilimide kodasatörü çektiği akım, = w C U ( ) dur ve bu kodasatörü faz başıa güü ise;

4 KÜ. Fe ve ühedislik Dergisi, 9(), KU. Joural of iee ad Egieerig 9(), 006 = wcu = (3) wc olur. Eğer gerilim siüsoidal değilse, herhagi. harmoiği, harmoik gerilimi altıda kodasatör akımı, = w C U = w C U (4) ve kodasatörü harmoikli güü ise = w C U = (5) w C değerii alır. Burada, w temel bileşei, w ise. harmoiği açısal frekaslarıdır ve =,,3,.m olmak üzere w = w (6) dir. Kodasatör uçlarıdaki siüsoidal olmaya gerilimi efektif değeri, harmoik gerilimleri karesel ortalamasıa; U = = U = U + U 3... U U + + (7) ve kodasatör akımıı efektif değeri de, ayı şekilde harmoik akımlarıı karesel ortalamasıa; = = = w C U ) = ( eşittir. Kodasatör güü ise, = = = w C = ( ) U = w C = (8) ifadesie göre hesaplaır. Deklem 7 e göre gerilimi temel bileşei çekilirse; U = U C U (0) = elde edilir. Bu ifade deklem 8 de yerie koulursa, = w CU U + ( ) () = U değeri elde edilir. Ayı şekilde kodasatör güç değeri içi de, (9) = + U wcu ( ) () = U ifadesi buluur. U C ile ayı efektif değerde ola w temel açısal frekaslı bir gerilim altıda kodasatörü çektiği akım; = w CU (3) ise, harmoikli gerilim altıda kodasatörü çektiği akım, bu akımda = ( U ) U (4) oraı kadar daha büyüktür. Ayı şekilde U ile ayı efektif değerde ola w açısal frekaslı siüsoidal bir gerilim altıda kodasatör güü; = w CU (5) ise, harmoikli gerilim altıda kodasatörü kapasitif güü, bu güç değeride; = U ( ) U (6) oraı kadar daha büyük olaaktır (Bayram, 000). Deklem 4 ve 5 de açıkça görülmektedir ki, harmoikli gerilim altıda kodasatör akımı ve güü, eşit efektif değerli siüsoidal gerilim altıda çekile akım ve güç değerlerie göre daha büyüktür. Burada görülmektedir ki, harmoikli bir gerilim altıda kodasatörü çektiği gerçek güç, akımı ve gerilimi ölçüle efektif değerlerii çarpımı ile bulua güçte daha küçüktür. Böylee, doğru, hassas ve bire bir kompazasyo yapmak içi, devreye alıaak kodasatör değerleri hesabıda, şebeke akım ve gerilimie, harmoik aalizi yapılıp, kodasatörleri imal edildikleri temel frekasa göre devreye alııp çıkarılmaları gerektiği yukarıdaki ifadelerde açıkça görülmektedir. Yei geliştirile rölede aktif, reaktif ve kodasatör güçleri, akım ve gerilimi temel bileşeie göre yapılmaktadır. Rölei Temel Yapısı ve Foksiyoları: Röle temel olarak ölçme, değerledirme ve aahtarlama üiteleride oluşmaktadır. ürekli olarak yükü çektiği aktif, reaktif ve görüür güçler ölçülür. Röle istee güç faktörüe göre sisteme kodasatör alır veya çıkarır. Ölçme devresi sistemde aldığı akım ve gerilim siyallerii işleyerek kotrol devresii kullaabileeği işaretler halie getirir. Kotrol devresi ölçme devreside aldığı bilgileri değerledirerek röle çıkış devreleri araılığıyla kodasatör bakalarıı devreye alır veya çıkarır.

5 KÜ. Fe ve ühedislik Dergisi, 9(), KU. Joural of iee ad Egieerig 9(), 006 Yei röle kullaımı şu şekilde özetleebilir. Röle üzeride 7 adet kırmızı led bulumaktadır. Bu ledler hagi kodasatörleri devreye alıdığıı gösterir. 4 adet buto vasıtasıyla röleye giriş bilgileri girilir. Butolarda umaralı ola kırmızı rekte ve rölei resetlemesi içi kullaılır. Diğer 3 adet buto siyah reklidir. olu buto meüleri çağırma butou, 3 ve 4 olu butolar da aşağı yukarı hareketle değerleri girme butoudur. Röleye kodasatör güçleri tek tek mauel olarak girilebilir veya ve 3 butolarıa ayı ada basılarak kodasatör güçlerii otomatik olarak okuması sağlaır. Kodasatör deşarj süresi butou ile girilir. C / k ayarı isteirse mauel, isteirse otomatik hesaplattırılabilir. Ekrada % ayarı, kodasatör devreye alma ve çıkarma sıırları, işletmei aktif güü, reaktif güü, gerilimi, çekile akım ve harmoikler görülebilir. Ekraı üst kısmıda kodasatör devreye alma ve çıkarma limitleriyle % ayar sürekli görülür. Alt kısımda ise ya P t ile t ayı ada ya da U ile ayı ada görülür. Ayrıa tüm kodasatör değerleri de tek tek ekrada görülebilir. ONUÇ Güümüzde, reaktif güç kompazasyou yapmak içi kullaıla mikroişlemi tabalı, klasik reaktif güç kotrol röleleri, yei esil röle olarak adladırmaktadır. Klasik rölede, reaktif güçleri hesap edilmesi içi, sistemde akım ve gerilim örekleri alııp harmoik aalizi yapılmaktadır. Harmoik aalizi, tüketiii şebekedeki harmoikleri görmesi, izlemesi ve aşırı harmoiklere karşı uyarılması içi kullaılır. Reaktif ve aktif güç hesapları harmoikleri süzülmüş temel bileşee göre değil, harmoikli değerlere göre yapılmaktadır. Bu çalışmada yei bir reaktif güç kotrol rölesi tasarımı ve dizayı yapılmıştır. Tasarlaa bu röle de de harmoik aalizi yapılmaktadır. Yei rölede klasik rölede farklı olarak, devreye alıaak kodasatör hesabı içi gerekli ola, reaktif, aktif güçlerle, kodasatör güü hesapları, harmoiklerde elimie edilmiş temel bileşee göre yapılmaktadır. Çükü kompazasyo içi kullaılaak güç kodasatörleri, gerilim ve akımı temel bileşeie göre hesap edilip, imal edilmektedirler. Yai çalışma frekasları 50Hz. ve kodasatör güçleri 50Hz. frekasa göre hesap edilmektedir. Eğer devreye bağlaaak kodasatör güü 50 Hz. temel frekas bileşeie göre, sisteme alıması gereke kodasatör hesabı da bu temel frekasta daha büyük frekas da yapılmış ise, hesaplaa kodasatör güü değeri daha küçük değer olarak hesaplamış olaak ve devreye alıması gereke doğru kodasatör değeri yerie, yalış değer seçilerek, kompazasyoda hata yapılmış olaaktır. Harmoikli gerilim altıda kodasatörü kapasitif güü, temel bileşee göre hesaplaa güç değeride; U ( ) = U oraı kadar daha büyük olaaktır. Bu ifadede açıkça görülmektedir ki, harmoikli gerilim altıda kodasatör güü, eşit efektif değerli siüzoidal gerilim altıda çekile güç değerlerie göre daha büyüktür Böylee, doğru, hassas ve bire bir kompazasyo yapmak içi, devreye alıaak kodasatör değerleri hesabıda, şebeke akım ve gerilimie, harmoik aalizi yapılıp, kodasatörleri, imal edildikleri temel frekasa göre devreye alııp çıkarılmaları gerektiği, bu ifadede açıkça görülmektedir. Yei geliştirile rölede aktif, reaktif ve kodasatör güçleri, akım ve gerilimi temel bileşeie göre yapılmaktadır. Bu rölei imalatı yapılmış ve deeylerle üstülüğü kaıtlamıştır. KAYNAKLAR Aoim Power Fator Corretio, Katalog, Berli, 9s. Arifoğlu, U. 00. Güç istemlerii Bilgisayar Detekli Aalizi, Alfa Bas. Dağ. İstabul, Bayram, Kuvvetli Akım Tesisleride Reaktif Güç Kompazasyou, Birse Yayıevi, İstabul, s. Erliks.., Emavel A., Eigeles R New Aspets Power Fator mprovemet, Part - Theoretial Basis, EEE tras o idustry ad geeral appl. GA-4(4), PP Grady. W.N, Gilleskie. R.J Harmois ad How They Relate to Power Fator, Pro. of the EPR Power uality, ssues & Opportuities Coferee (PA 93), a Diego, 3p. akram E.B., Haies R.B., Girgis A.G. 99. Effet of Harmoi Distortio i Reative Power easurumet,eee Tras. o İd. Appl. Vol.8, No.4, July/August, usa.,7p. adal, R., Basu,.K., Kar, A., Chowalhury..P A iroomputer Based Power Fator Cotroller., İEEE Tras. O ids. Eletro. Vol. 4, No.3 Jue 57p. argaiztz, A. 99. Power easurumet Of Periodi Curret ad Voltage by Digital igal Proessig. Eur.Tras. power, pp.7-3. iller, T.J.E. 98. Reative Power Cotrol ystems, Joh Wiley & os i. U.., 5p. heble, G.B Reative Power Basi, Problems ad olutios, EEE Press, U.., 67p. Şekkeli, Reaktif Güç Kotrol Röleside Optimal Aahtarlama İçi Yei Bir Yötem, Doktora tezi, İ.T.Ü., Fe bil. Est., İstabul, 57s.7