REAKTİF GÜÇ VE KOMPANZASYON TEKNİKLERİ. Fatih BİLKİ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 REAKTİF GÜÇ VE KOMPANZASYON TEKNİKLERİ Fatih BİLKİ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ OCAK 2008 ANKARA

2 Fatih BİLKİ tarafından hazırlanan REAKTİF GÜÇ VE KOMPANZASYON TEKNİKLERİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Fadıl ÇELİKKOL... Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Müh., Gazi Üniversitesi Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik Elektronik Müh. Anabilim Dalında Yüksek lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Şenol BAŞKAYA... Makine Müh. Gazi Üniversitesi Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU... Elektrik Elektronik Müh. Gazi Üniversitesi Yrd. Doç. Dr. Fadıl ÇELİKKOL... Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Müh., Gazi Üniversitesi Tarih : 21 / Ocak / 2008 Bu tez, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygundur. Prof. Dr. Nermin ERTAN... Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Fatih BİLKİ

4 iv PLC KONTROLLÜ REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU (Yüksek Lisans Tezi) Fatih BİLKİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2008 ÖZET Bu çalışmada reaktif gücün ne olduğu, niçin gerektiği, zararları ve nasıl kompanze edileceği anlatılmıştır. Çalışma 5 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde Reaktif gücün tanımı ve bazı kompanzasyon türlerinden bahsedilmiştir. İkinci bölümde reaktif gücün etkilediği gerilim seviyeleri ve gerilim ayarından bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde son yıllarda teknolojinin gelişmesiyle gündeme gelen Statik VAr Kompanzasyon (SVS) söz edilmiştir. Dördüncü bölümde kompanzasyon hesabı, son olarak beşinci bölümde ise güç sistemine ve Reaktif Güce etki eden Harmoniklerden bahsedilmiştir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Reaktif Güç, Kompanzasyon Sayfa Adedi : 103 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Fadıl ÇELİKKOL

5 v REACTİVE POWER COMPENSATION WİTH PLC CONTROL (M.Sc. Thesis) Fatih BİLKİ GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY January 2008 ABSTRACT Study contains definition of reactive power, why necessity, its damages and how it can be compensation. This project contains 5 sections. In the first part definition of the reactive power and some kind of compensations exists. The second part contains reactive power that affects voltage levels and adjustment of voltage. The third part contains STATİC VAR COMPENSATİON (SVC) that is launched with the development of new technology the next part contains compansation calculation. Finally the fifth part contains harmonics that affects power systems and reactive power. Science Code : Key Words : Reactive power, compensation Page Number : 103 Adviser : Asist.Prof. Dr. Fadıl ÇELİKKOL

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Yrd.Doç. Dr. Fadıl ÇELİKKOL a yine kıymetli tecrübelerinden ve eserlerinden faydalandığım hocam Prof. Dr. Uğur ARİFOĞLU na, eğitim ve iş hayatım boyunca desteğini ve tecrübesini sürekli aldığım kıymetli eniştem ve aynı zamanda TEİAŞ Trafo Merkezleri Trafo Tesis ve İnşaat Daire Başkanı olan A.Cahit KALE ye, mesai arkadaşlarıma, sevgili dostlarım ve sınıf arkadaşlarım, Ahmet COŞAR, Ersan ALTIPARMAK, İrfan U. Bayır a, hiçbir zaman desteklerini esirgemeyen aileme ve eşime teşekkürü bir borç bilirim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET...iv ABSTRACT...v TEŞEKKÜR...vi İÇİNDEKİLER...vii ÇİZELGELER LİSTESİ...x ŞEKİLLER LİSTESİ...xi SİMGELER VE KISALTMALAR...xiv 1. GİRİŞ REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU Reaktif Güç Tanımı Reaktif Güç Tüketicileri Reaktif Güç Üretimi ve Kompanzasyon Dinamik faz kaydırıcılar Kondansatörler Reaktif Güç Kompanzasyonunun Faydaları Reaktif Güç Kompanzasyonunda Kondansatör Gücünün Hesabı Reaktif Güç Kompanzasyonunda Kondansatör Değerinin Hesabı Reaktif Güç Kompanzatörleri Kompanzasyon Tesisinin Düzenlenmesi Bireysel kompanzasyon Grup kompanzasyon Merkezi kompanzasyon Kompanzasyon Uygulamaları Seçimi Klasik Reaktif Güç Rölesi GERİLİM AYARI (REGÜLASYONU) Problem STATİK VAR SİSTEMLERİ Statik Var Sisteminin Özellikleri...41

8 viii Sayfa 4.2. Statik Var Sisteminin Ana Tipleri Statik Var Sisteminin Ana Frekanstaki Davranışı İdeal SVS karakteristiği Gerçek SVS karakteristiği Tesis içine yerleştirilen SVS karakteristiği Tristör Kontrollü Reaktör Tristör Anahtarlamalı Kapasitör Tristör Anahtarlamalı Reaktör Uygulamada Kullanılan SVS Sistemleri Doymuş Reaktör KOMPANZASYON HESABI Gerekli Kondansatör Gücünün Seçimi Kondansatör Adımının Tayini Akım Trafosunun Tayini Reaktif Rölenin Bağlanması Reaktif Rölenin İşletmeye Alınması GÜÇ SİSTEMLERİNDE SİNOZOYDAL OLMAYAN ELEKTRİKSEL BÜYÜKLÜKLERLE İLGİLİ TANIMLAR VE TEMEL BAĞLANTILAR Harmonikler Harmonik Nedir? Sistemimizde harmonik olduğunu nasıl anlarız? Harmonikler ne seviyedeyse problem var demektir? Harmoniklerin sistemimize zararları nedir? Harmonik filtreli kompanzasyon panosunun sisteme faydası nedir? Harmonik filtreli kompanzasyon panosunun tesis edildiğinde harmonikler yok olacak mıdır? Neden 400 V kondansatör kullanmıyoruz? Statik kompanzasyon panosu işletmemiz için gereklimidir? Giriş koruma reaktörü etkisi nedir? Giriş koruma reaktörüne yinede ihtiyacımız var mı? Öneriler...72

9 ix Sayfa 6.2. Harmoniklerin enerji sistemlerine etkileri Harmoniklerin kayıplara etkileri Rezonans Harmonik Filtrasyon Ve Reaktif Güç Bedeli Harmonik filtrasyon Harmonik kaynaklı reaktif güç bedeli ÖRNEK UYGULAMA, 2620 KVA KURULU GÜCE SAHİP BİR TESİSİN PLC KONTROLLÜ REAKTİF GÜÇ SİMİLASYONU Tesis İle İlgili Bilgiler Dozajlama Ekstrüder Düze Yağlama Çekim Tekstüre Puntalama Sarım Tesisin Gücü Hakkında Bilgiler Simülasyon Simülasyonun Görünümü SONUÇ...97 KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ...103

10 x ÇİZELGELER LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Mevcut ve istenilen cos değeri...10 Çizelge 2.2. Trafo oranına göre Reaktif ve Kondansatör gücü...17 Çizelge 2.3. Kademeli anahtarlama programı...24 Çizelge 4.1 Çeşitli reaktif kompanzasyon cihazlarının karşılaştırılması...59 Çizelge 5.1. K katsayı tablosu...61 Çizelge 5.2. c / k için seçim tablosu...64 Çizelge 6.1. Harmonik sırasına göre giriş empedansı...71 Çizelge 7.1. Tesis Ünitelerinin aktif güçleri...85 Çizelge 7.2 Similasyonda Hesaplanan parametreler... 90

11 xi Şekil ŞEKİLLER LİSTESİ Sayfa Şekil 2.1. Endüktif yük gösterimi...2 Şekil 2.2. Kompanzasyonda P aktif gücünün sabit tutulması...8 Şekil 2.3. (P = Sabit) kompanzasyon öncesi ve sonrası güç akışı...8 Şekil 2.4. Kompanzasyonda S görünür gücünün sabit tutulması...9 Şekil 2.5. (S = Sabit) Kompanzasyon öncesi ve sonrası güç akışı...9 Şekil Fazlı sistemlerde kullanılan Y bağlantısı...12 Şekil 2.7. Sürekli değişen reaktif güç...12 Şekil 2.8. Kompanzasyon tesisinin yeri...15 Şekil 2.9. Bireysel kompanzasyon...16 Şekil Grup kompanzasyonu...18 Şekil Merkezi kompanzasyon...19 Şekil Merkezi kompanzasyon sisteminin devre şeması...20 Şekil Tasarlanan röle için blok diagram...26 Şekil Tasarlanan rölede devreye kondansatör alma ve çıkarma algoritması...28 Şekil 3.1. A Barasına bağlı bir yük (Müşteri)...30 Şekil 3.2. Akım Fazör Diagramı...32 Şekil 3.3. Baranın eşdeğer devresi...33 Şekil 3.4. Kompanzasyon yapılması durumunda Akım Fazör diyagramı...34 Şekil 3.5. Sisteme ilişkin fazör diyagramı...38 Şekil 3.6. Sistemin fazör diyagramı...39 Şekil 3.7. Sistemin fazör diyagramı...40 Şekil 4.1. SVS nin eşdeğer devresi...42 Şekil 4.2. İdeal bir SVS ye ilişkin Akım Gerilim karakteristiği...43 Şekil 4.3. Gerçek SVS karakteristiği...43 Şekil 4.4. SVS barasından sisteme doğru bakıldığında görülen Thevenin eşdeğer devresi...44 Şekil 4.5. SVS akımıyla SVS bara gerilimi arasındaki ilişki...44 Şekil 4.6. Akım Gerilim grafikleri...45 Şekil 4.7. SVS ye ilişkin 3 ayrı yük karakteristiği ve SVS karakteristiği...45 Şekil 4.8. Tesis içersine yerleştirilen SVS ye ilişkin üç ayrı yük karakteristiği...46

12 xii Şekil Sayfa Şekil Fazlı TKR yapısı...47 Şekil Çeşitli tetikleme açılarında tristör akım değişimi...48 Şekil TKR ye ilişkin V I karakteristik eğrisi...50 Şekil Darbeli TKR yapısı...51 Şekil Darbeli TKR yapısı...51 Şekil Fazlı TAK yapısı...52 Şekil TAK bara gerilimi, kapasite gerilim ve kapasite Akım...53 Şekil Paralel bağlı TAK yapıları...54 Şekil TAK yapısının V I karakteristiği...54 Şekil Fazlı TAK yapısının 1 kutuplu gösterimi...55 Şekil Yeni yük durumunda V değeri...56 Şekil TKR Ve TAK sistemlerinin bir araya getirilmeleriyle ortaya çıkan SVS Yapısı...56 Şekil Q V Karakteristiği...57 Şekil 5.1. Bağlantı şeması...63 Şekil 6.1. Harmonikler sonucu bozulmuş akım dalga şekli...66 Şekil 6.2. Bağlantı şeması...69 Şekil 6.3. Montaj şeması...72 Şekil 6.4. Motor klemensindeki gerilim dalga şekli...74 Şekil 6.5. İdeal bağlantı şekli...74 Şekil 7.1. Tesisin Görünümü...81 Şekil 7.2. Dozajlama Ünitesi...82 Şekil 7.3. Düze kalıplarının büyütülmüş çizimi...83 Şekil 7.4. Çekim, tekstüre ve puntalama bölgesi...83 Şekil 7.5. Tekstüre lamelleri...84 Şekil 7.6. Puntalama jeti...84 Şekil 7.7. Sarım ünitesi (Winder)...87 Şekil 7.8. Simülasyonun ana sayfası...92 Şekil 7.9. Parametrelerin giriş kısmı...92 Şekil Makinelerin gücünün ayarlandığı ve aktif edildiği kısım...93 Şekil Girilen parametrelere bağlı hesaplanan değerler...93

13 xiii Şekil Sayfa Şekil Hesaplanan değerlere bağlı devreye giren kapasiteler...94 Şekil 7.13 Tüm işlemlerin aynı anda görüldüğü sayfa...94 Şekil Girilen parametrelere bağlı olarak değişen Aktif Güç grafiği...95 Şekil Girilen parametrelere bağlı olarak değişen Reaktif Güç grafiği...95 Şekil Girilen parametrelere bağlı olarak değişen Görünür Güç grafiği...96

14 xiv SİMGELER VE KISALTMALAR LİSTESİ Bu tezde bazı simgeler ve kısaltmalar açıklamalarıyla birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Q V I φ Z R Açıklama Reaktif güç (VAr) Gerilim (V) Akım (A) Gerilim ile akım arasındaki açı Empedans (ohm) Direnç (ohm) j 2 Komplex sayı ( i = 1 ) ω Açısal frekans L Self (Henry) P Aktif Güç (Watt) S Görünen güç (VA) k Akım trafosunun çevirme oranı f Frekans (Hz) C Kondasatör (Farad) π Sabit (3,14) Üçgen bağlantı t Zaman ü Çevirme oranı X Reaktans (ohm) Y Admitans (1/ohm) B Suseptans (1/ohm) G Kondüktans (1 / ohm) φ Yük akımının açısı Fazör işareti V Gerilim düşümü (V) E Sistem gerilim (V) α Tetikleme açısı ( o )

15 xv Simgeler Açıklama σ Tristörün iletimde kaldığı süre ( o ) Φ Magnetik akı N Reaktörün sarım sayısı U Çalışma gerilimi (V) p Reaktif faktörü h Pulse sayısı n En yüksek harmonik mertebesi a, b Fourier katsayıları T Peryot f (t) Fourier fonksiyonu Kısaltmalar SVK IGBT PLC Tr M OP AN e h GR SVS TKR TAR TAK DR T R S T DC AC Açıklama Statik Var Kompanzatörleri Kapısı Yalıtılmış Bipolar Transistör Programlanabilir Lojik Kontrolörler Transistör Motor Optimal Anahtarlama Evet Hayır Gerilim Regülasyonu Statik Var Sistemi Tristör Kontrollü Reaktör Tristör Anahtarlamalı Reaktör Tristör Anahtarlamalı Kapasitör Doymuş Reaktör Tristör 3 faz gösterimi Doğru Akım Alternatif Akım

16 xvi Kısaltmalar UPS D EMI PWM HVDC FFT IEEE rms IEC THD DF CF Açıklama Kesintisiz Güç Kaynağı Hxvixviarmonik Bozulmama Gücü Elektromanyetik Girişim Darbe Genişlik Modülasyonu Doğru Akım İle Enerji Nakli Hızlı Fourier Transformu Uluslararası Elektrik Elektronik Mühendisliği Ortalama Değerin Karekökü Uluslar Arası Elektroteknik Komisyonu Toplam Harmonik Distorsiyonu Distorsiyon Faktörü Tepe Faktörü

17 1 1. GİRİŞ 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 işletmesinde 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 başına 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.

18 2 2. REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU 2.1. Reaktif Güç Tanımı Reaktif güç, bir alternatif akım şebekesinde, gerilim ile akımın reaktif bileşenin çarpımına eşittir; Q = V I sinφ (2.1) Eşitlik 2.1 ifadesinde Q reaktif gücü simgelemektedir ve birimi Volt-Amper reaktiftir (VAr). V; gerilim etkin fazörünün genliği (volt), I; akım etkin fazörünün genliğidir (amper). Reaktif güç işareti, φ açısının (gerilim fazörü ile akım fazörü arasındaki açı) yönünün tanımlanmasına bağlıdır. Şekil 2.1'de gösterildiği gibi endüktif karakterdeki bir yük için akım fazörü gerilim fazörüne göre geri fazdadır (φ açısı V ekseninin altında). Reaktif güç, endüktif yada kapasitif karakterde olabilir. I I cosφ I V Z = R+jwL I sinφ Şekil 2.1. Endüktif yük gösterimi Bir endüktif yükün kaynaktan çektiği reaktif gücün işareti pozitif, kapasitif yükün çektiği reaktif gücün işareti ise negatiftir. Aktif güç, alternatif akım şebekesinde, gerilim ile akımın aktif bileşenin çarpımına eşittir; P = V I cosφ (2.2) Eş.1.2 ifadesinde P; aktif güç (watt), Cos φ ise güç faktörüdür.

19 3 2.2.Reaktif Güç Tüketicileri Reaktif güç sarfiyatı bakımından tüketicileri 2 ana gruba ayırmak mümkündür; Elektrik enerjisinden yaralanarak saf ısı enerjisi üreten tüketicilerle akkor Flamanlı lambalar, elektroliz galvano tesisleri. Bu araçlar yalnızca aktif güç üretirler. Elektrik tesislerinde kullanılan manyetik yada statik alanla çalışan tüm işletme araçları. Bunlar aktif gücün yanında reaktif güçte çekerler. Bunların en önemlileri; Düşük uyanmalı senkron makineler, Transformatörler, Bobinler, Havai hatlar, Asenkron motorlar, Doğrultucular, Endüksiyon ve ark fırınları, Kaynak makinaları, Floresan lamba, sodyum ve cıva buharlı lamba balastları ile neon lamba transformatörleri. Her ne kadar aydınlatma araçları aktif güç çekse de, bunlara ait balast ve transformatörler de reaktif güç sarf ettiklerinden aydınlatma cihazları da ikinci gruba dahil edilebilir. Yukarıdaki tüketicilerde söz konusu olan reaktif güç endüktif karakterde olup, akım fazörü gerilim fazörüne göre geri fazdadır. Bazı hallerde iletme araçları bir kondansatör gibi etki ederek kapasitif reaktif güç çekerler. Boşta çalışan havai hatlar ve kablolar bu duruma örnek olarak gösterilebilirler. Bu devrelerde hattan (veya kablodan) akan akım fazörü, yük tarafındaki gerilim fazöründen ileri fazda olduğundan bunlar kendilerini besleyen kaynaktan kapasitif reaktif güç çekerler.

20 Reaktif Güç Üretimi ve Kompanzasyon Reaktif güç ihtiyacını karşılamak için reaktif gücün bir yerde üretilmesi gerekir. Bunun için en eski ve klasik yol, aktif güç gibi reaktif gücünde senkron generatör tarafından üretilmesidir. Reaktif güç üretimi, aktif güç gibi, santrallerde su kuvveti, akaryakıt, kömür vb. hammadde sarfiyatını gerektirmez. Sadece generatörün uyartımının artırılmasıyla alternatör, reaktif güç verecek duruma getirilir. Böylece santralde üretilen reaktif güç, generatör, taransformatör ve enerji iletim hatları üzerinden geçerek tüketiciye ulaştırılır. Bu esnada elektrik tesisleri reaktif güç tarafından fuzuli işgal edileceğinden aktif güç bakımından kapasitelerinden tam olarak yaralanılamayacağı için ekonomik bir çözüm olmaktan çıkar. O yüzden reaktif güç üretiminin santrallerde değil de tüketim noktalarında sağlanması daha akılcı bir çözümdür. Tüketicileri normal olarak şebekeden çektikleri endüktif gücün, kapasitif güç çekmek suretiyle özel bir reaktif üreticisi tarafından dengelenmesine kompanzasyon denir. Böylece tüketicinin şebekeden çektiği reaktif güç çok azalır. Reaktif güç üretimi için 2 işletme aracından yararlanılabilir Dinamik faz kaydırıcılar Reaktif güç üretiminde kullanılan dinamik faz kaydırıcıların başında aşırı uyartılmış senkron makineler gelir. Genel olarak santralden gelen enerji nakil hatlarının sonunda ve tüketim merkezlerinin başında, şebekeye bir senkron makine bağlanıp, bölgenin reaktif güç ihtiyacını bu şekilde sağlanır. Senkron makine boşta çalışma kayıplarını karşılayacak kadar az bir aktif güç çeker ve şebekeye istenilen reaktif gücü vererek, reaktif güç genaratörü olarak çalışır. Senkron faz kaydırıcıların kayıpları kondansatörlere göre daha yüksek olduğu gibi bakıma da ihtiyaç duyarlar. Bir diğer husus; çok büyük güçlü senkron makineler kullanılması gerektiği takdirde, bunların ekonomik olarak üretilmesi ve temini mümkün olmamaktadır. Bu makinelerin başka bir dezavantajı ise; bir tüketim merkezi civarına yerleştirildiğinde, yalnızca genaratörler ve yüksek gerilim enerji nakil hatlarıyla buna ait

21 5 transformatörlerin reaktif güçten kurtarıldıkları halde, tüketim merkezine ait bir yada iki kademeli orta gerilim şebekesiyle alçak gerilim dağıtım şebekesinin reaktif güç nakletmek zorunda kalışı sayılabilir. Tüm bu nedenlerden dolayı, dinamik faz kaydırıcılar, bugün ancak özel hallerde kullanılır Kondansatörler Reaktif güç üretiminde, statik faz kaydırıcıları adı verilen kondansatörlerin üstünlükleri sayılamayacak kadar çoktur. Kondansatörler, günümüzde kuvvetli akım tesislerinde gittikçe artmakta olan bir önem kazanmaktadırlar. Bunların beher kvar başına maliyet bedelleri, orta büyüklükteki senkron kompanzatörden daha düşük olduğu gibi, bu fiyatta büyük bir artış olmadan, bunların her güçte imali mümkündür. Kondansatörlerin tesisi kolaydır ve gerektiğinde kolaylıkla genişletilebilir ve güçleri artırılabilir. Ayrıca bunlarda tüketici ihtiyacına göre rahat şekilde güç ayarı da yapılabilmektedir. Kondansatörlerin işletme emniyetleri çok büyük olduğu gibi, ömürleri uzun ve bakımları da kolaydır. Yerleştirilecekleri yerde, hemen hemen hiçbir özellik aranmamakta olup, yer temini bir problem oluşturmaz. Gerekli kapasite birçok kondansatör grubunun bir araya getirilmesiyle sağlanabilir Reaktif Güç Kompanzasyonunun Faydaları Eğer V ile I arasındaki açı büyütülürse Eş. 2.2 ifadesindeki cos φ küçülecektir. Açının büyütülmeden önceki aktif güç değeri (açı değeri büyütüldükten sonra da) sabit tutulmak isteniyor ise, Eş. 2.2 ifadesinde görüldüğü gibi sabit gerilimli (enterkonnekte) şebekede I akım genliğini artırmak gerekecektir. Akım genliğinin artması şebekenin daha fazla yüklenmesi demektir. Hem akım genliğinin artması hem de φ açısının artması Eş. 2.1 eşitliğinde verilen Q reaktif gücünün artması anlamına gelecektir. Bu ise iletim hatlarının fiziksel anlamda bir işe yaramayan güç ile meşgul edilmesi ve hat kesitinin bir kısmının bu (faydasız) güce tahsis edilmesi anlamına gelmektedir. Hatırlanacağı gibi reaktif güç iki yönlü olup (aktif güç tek

22 6 yönlüdür), periyodun yarısında kaynaktan yüke doğru, periyodun diğer yarısında ise yükten kaynağa doğru akmaktadır. İletim hatlarının yapım maliyeti oldukça yüksektir, bu nedenle hat kalınlığının (reaktif güç iletimi yüzünden) artması maliyeti de artıracaktır. Reaktif güç transformatör ve generatörlerin içinden de geçtiğinden, iletim hatları için geçerli olan olumsuzluk bu elemanlar için de geçerli olacaktır. Ülkelerin enterkonnekte sistemini kontrol eden birimler, iletim hatlarının verimli kullanılmasını arzu ettiklerinden, müşterilerin ihtiyaçları olan reaktif güçleri enterkonnekte sistemden çekmemesini ve kendilerinin reaktif güç üretmesini (fabrika içinde) istemekte, bu işlemi yapmaya zorlamak için reaktif güç sayaçları yardımı ile müşterinin reaktif güç tüketimi ölçüp faturalandırmaya gitmektedirler. Müşteriler ise reaktif güç parası vermemek için sayaçların ardından tesisleri içine kompanzasyon panosu kurarak fabrikalarının reaktif güç ihtiyaçlarım kendileri temin etmektedirler, Reaktif güç üretimini zorunlu falan bir diğer olay ise müşteri baralarının gerilim genlik değerlerini (değişik yük durumlarında bile) sabit tutmak ihtiyacıdır. Müşterilerin bağlı olduğu baranın gerilim genlik değeri nominal değerde sabit tutulamaz ise müşteri cihazlarına gelen gerilim bunların verimli bir şekilde çalışmasını mümkün kılamaz, hatta zarar bile verebilir. Bu tehlikeyi ortadan kaldırmak için enterkonnekte sistemin uygun yerlerine kompanzasyon cihazları bağlanarak sisteme reaktif güç pompalanır ve gerilim genlik değeri (kontrol cihazları yardımı ile) sabit tutulmaya çalışılır. Reaktif güç kompanzasyonunun şebeke açısından faydaları aşağıda maddeler halinde verilmiştir; Şebekenin güç kapasitesi artar, Şebekenin ısı kayıpları azalır, Gerilim düşümü azalır, İletim hatlarının geçici durum kararlılığı iyileşir, Faz gerilim dengesizlikleri azaltılmış olur, Gerilim dalgalanmaları (fliker olayları) azalır, Harmonikler azalır,

23 7 Reaktif güç kompanzasyonunun tüketici açısından faydaları ise; Kompanzasyon tesisine sahip bir işletmenin işletme maliyetleri azalır, Güç katsayısı düzeltildiği için müşteri şebekeden çok daha az reaktif güç çeker ve daha az para öder, Elektrik enerjisinin kalitesizliğinden doğabilecek arıza riski en aza indirilmiş olur, Enerji kalitesi ile üretim kalitesi direkt bağlantılı olacağı için işletmenin ürün kalitesi de artar Reaktif Güç Kompanzasyonunda Kondansatör Gücünün Hesabı Kompanzasyon için gerekli kondansatör gücünü hesaplarken müşterinin iki farklı hassasiyeti olabilir. Müşteri, kompanzasyon işleminin şebekeden (kompanzasyon öncesi şebekeden) çekilen aktif güç değerini değiştirmemesini (P = sabit) isteyebilir veya müşteri kompanzasyon öncesi ile sonrasındaki görünür güç değerinin sabit tutulmasını isteyebilir. Bu iki durum aşağıda ayrı ayrı incelenmiştir. P aktif gücün sabit tutulması; Kompanzasyondan önceki durumda yükün güç faktörü cos ϕ1 görünür gücü S 1 olsun. Şekil 2.2'de görüldüğü gibi güç faktörünün cos ϕ2 'ye çıkarılması durumunda görünür güç S 2 değerine düşmektedir. Kompanzasyon öncesi reaktif güç değeri; Q = S1. sinϕ1 (2.3) olur. Kompanzasyon sonrası reaktif güç değeri ise;

24 8 Şekil 2.2. Kompanzasyonda P aktif gücünün sabit tutulması Q = S. ϕ 2 2 sin 2 (2.4) olacaktır. Kompanzasyon tesisine konulacak kondansatör gücü ise; Q C = Q Q = S. ϕ S ϕ sin 1 2. sin 2 (2.5) olarak elde edilir. Eş. 1.5 ifadesi aktif güç cinsinden yazılırsa; Q C = P.(tanϕ1 tanϕ2) (2.6) bulunur. Şekil 2.3'te tesisin kompanzasyon öncesi ve sonrasındaki güç akış şeması gösterilmiştir. Şekil 2.3 a) (P = sabit) Kompanzasyon öncesi ve sonrası b) güç akışı S görünür gücün sabit tutulması; Müşterinin, kompanzasyon öncesi ve sonrasındaki görünür güç (S) değerinin sabit kalmasını istemesi durumunda, güç faktörünün cos ϕ2 'ye çıkarılması nedeni ile

25 9 müşterinin şebekeden çektiği aktif güç değeri P 1'den P 2 'ye yükselecektir. Şekil 2.4'e bakılırsa, kompanzasyon öncesi ve sonrası reaktif güç değerleri; Şekil 2.4 Kompanzasyonda S görünür gücünün sabit tutulması. Q = S. ϕ 1 1 sin Q = 2 S2 sin 1. ϕ 2 (2.7) (2.8) olacaktır. S = sabit koşulu altında gerekli kompanzasyon tesisinde kullanılacak kondansatör gücü; Q C = Q1 Q2 = S(sinϕ1 sinϕ 2 ) (2.9) veya Q C = P1 tanϕ1 P2 tanϕ 2 (2.10) olarak bulunur. Şekil 2.5'te tesisin kompanzasyon öncesi ve sonrasındaki güç akış şeması gösterilmiştir. Şekil 2.5 a) (S=sabit) Kompanzasyon öncesi ve b) sonrası güç akışı Pratikte yukarıda bahsedilen her iki hesap yoluna da hiç girmeden tan ϕ1 tan ϕ2 = k gibi bir katsayı tanımlarsak, k katsayısını veren Çizelge 2.1 in

26 10 yardımıyla bir tesisin ya da tüketicinin belirli bir cos ϕ1 katsayısını cos ϕ2 güç katsayısına çıkarmak için gerekli olan reaktif güç ihtiyacı belirlenebilir. Bu tablo, yukarda bahsi geçen düzeltme için, beher KW aktif güç başına lazım gelen reaktif güç miktarını vermektedir. Kondansatör gücünü bulmak için çizelgeden elde edilen k değeri, tesisin aktif gücüyle çarpılır. Çizelge 2.1 Mevcut ve istenilen cos değerleri Mevcut Arzu edilen cosφ2 cosφ1 0,7 0,75 0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,40 1,27 1,41 1,54 1,60 1,65 1,70 1,76 1,81 1,87 1,93 2,38 0,45 0,97 1,11 1,24 1,29 1,34 1,40 1,45 1,50 1,56 1,62 1,69 0,50 0,71 0,85 0,98 1,04 1,09 1,14 1,20 1,25 1,31 1,37 1,44 0,52 0,62 0,76 0,89 0,95 1,00 1,05 1,11 1,16 1,22 1,28 1,35 0,54 0,54 0,68 0,81 0,86 0,92 0,97 1,02 1,08 1,14 1,20 1,27 0,56 0,46 0,60 0,73 0,78 0,84 0,89 0,94 1,00 1,05 1,14 1,19 0,58 0,39 0,52 0,66 0,71 0,76 0,81 0,87 0,92 0,98 1,04 1,11 0,60 0,31 0,45 0,58 0,64 0,69 0,74 0,80 0,85 0,91 0,97 1,04 0,62 0,25 0,39 0,52 0,57 0,62 0,67 0,73 0,78 0,84 0,90 0,97 0,64 0,18 0,32 0,45 0,51 0,56 0,61 0,67 0,72 0,78 0,84 0,91 0,66 0,12 0,26 0,39 0,45 0,49 0,55 0,60 0,66 0,71 0,78 0,85 0,68 0,06 0,20 0,33 0,38 0,43 0,49 0,54 0,60 0,65 0,72 0,79 0,70 0,14 0,27 0,33 0,38 0,43 0,49 0,54 0,60 0,66 0,73 0,72 0,08 0,22 0,27 0,32 0,37 0,43 0,48 0,54 0,60 0,67 0,74 0,03 0,16 0,21 0,26 0,32 0,37 0,43 0,48 0,55 0,62 0,76 0,11 0,16 0,21 0,26 0,32 0,37 0,43 0,50 0,56 0,78 0,05 0,11 0,16 0,21 0,27 0,32 0,38 0,44 0,51 0,80 0,05 0,10 0,16 0,21 0,27 0,33 0,39 0,46 0,82 0,05 0,10 0,16 0,22 0,27 0,33 0,40 0,84 0,05 0,11 0,16 0,22 0,28 0,35 0,86 0,06 0,11 0,17 0,23 0,30 0,88 0,06 0,11 0,17 0,25 0,90 0,60 0,12 0,19 0,92 0,06 0,13 0,94 0,07 Kondansatörün gücünü bulmak için; mevcut cosφ1'in hizasında ve istenen cosφ2'nin altındaki değer, tesisin gerçek aktif gücü (KW) ile çarpılır.

27 Reaktif Güç Kompanzasyonunda Kondansatör Değerinin Hesabı Üç fazlı sistemlerde kondansatörler yıldız veya üçgen bağlanırlar. Her iki bağlama şeklinin de kullanıldığı durumlar; maliyet, sistem gerilimi ve koruma gibi faktörlere bağlı olarak değişir. Kompanzasyon amaçlı olarak kullanılan kondansatörler üçgen bağlandıklarında her elemana hattın faz arası gerilimi, yıldız bağlamada ise bu değerin 1/ 3 katı kadar gerilim gelmektedir. Şekil 1.6'da V(volt); faz arası (etkin) gerilimi, Q c (VAr); bir kondansatörün gücü ve f(hz) ise şebekenin frekansı olmak üzere, kondansatörler yıldız olarak bağlandığında her bir faz ile nötr arasına konulan kapasite değeri; C Y Q = 2πV C 2 farad (2.11) ve üçgen bağlamada ise iki faz arasına bağlanacak kapasite değeri; C QC = 3 2πV 2 farad (2.12) olarak bulunur. Son iki ifadeden anlaşıldığı gibi iki kapasite arasında C Y /C =3 oranı bulunmaktadır. Kompanzasyon sistemini inşa edecek olan için iki alternatif bulunmaktadır; ya üçgen bağlamayı tercih edip C değeri düşük fakat uçları arasına gelen gerilim değeri (dolayısı ile yalıtım maliyeti) yüksek bir kapasite kullanacaktır, yada yıldız bağlamayı tercih edip C değeri yüksek ancak gerilim değeri (dolayısı ile yalıtım maliyeti) düşük kapasite kullanacaktır. Şekil 2.6'da üç fazlı sistemlerde kullanılan yıldız ve üçgen kapasite bağlantısı gösterilmiştir.

28 12 Şekil 2.6. Üç fazlı sistemlerde kullanılan yıldız ve üçgen kapasite bağlantısı 2.7. Reaktif Güç Kompanzatörleri Reaktif güç değeri veya güç katsayısı yaklaşık olarak sabit olan bir yük için C değeri sabit bir kondansatör kullanarak kompanzasyon yapılabilir. Fakat Şekil 2.7'de görüldüğü gibi şebekeden çektiği reaktif güç değeri sürekli olarak değişen tüketicilere pratikte (ör.haddehane) daha sıklıkla rastlanılır. Bu tür tüketicilerin reaktif güç kompanzasyonu için sabit kapasiteli kompanzasyon çözüm olamaz. Şekil 2.7 Sürekli değişen Reaktif güç Piyasada uygulanan kompanzasyon teknikleri aşağıda verilmiştir; Aşırı uyarılmış senkron makine (senkron kondenser) kullanmak, Mekanik olarak anahtarlanan (veya anahtarlanmayan) şönt kapasitör kullanmak, Mekanik olarak anahtarlanan (veya anahtarlanmayan) şönt reaktör kullanmak, Seri kapasitör kullanmak, Seri reaktör kullanmak, Şönt kapasite ile birlikte doymuş reaktör kullanmak,

29 13 Transformatör kademelerini değiştirmek, Statik VAr kompanzatörleri kullanmak. Kompanzasyon amaçlı olarak şebekeye paralel bağlanan senkron makine (miline yük bağlanmaz) şebekeden boşta çalışma kayıplarını karşılayacak kadar az aktif güç çeker ve uyarma akımı ayarlanarak şebekeye istenilen miktarda reaktif güç vermesi sağlanır. Bu tür çözümler pahalı olduklarından büyük miktarda reaktif güce ihtiyaç duyulan yerlere; enerji iletim hatlarının sonuna yada tüketim merkezlerinin girişine yerleştirilirler. Senkron makinelerin kayıpları kondansatörlere göre daha fazladır ve sürekli bakıma ihtiyaç duyarlar. Bunun yanında (ani reaktif güç talebinde) atalet momenti dolayısı ile cevap hızının düşük olması ve her faz için ayrı ayrı denetim imkanının olmayışı dinamik kompanzasyon için bir olumsuzluk kabul edilir. Mekanik olarak anahtarlanan şönt kapasitörlerin yapıları ve çalışma prensipleri basittir. Değerlerinin sabit kalması nedeni ile değişken reaktif güç ihtiyacına cevap verememeleri ve anahtarlama sırasında ani gerilim dalgaları oluşturmaları ise olumsuz yönleridir. Mekanik olarak anahtarlanan şönt reaktörlerin yapıları ve çalışma prensipleri basittir. Değerlerinin sabit kalması nedeni ile değişken reaktif güç ihtiyacına cevap verememeleri ise olumsuz yönleridir. Seri kapasitörlerin yapıları basittir. Olumsuz yönleri ise aşırı gerilime ve harmoniklere karşı (düşük harmonik filtresi kullanılarak) korunmalarının gerekmesidir. Seri kapasitörler hatların aşırı yüklenme kapasitelerini sınırlandırırlar. Seri reaktörler ise hattın kısa devre gücünü sınırlandırırlar. Gerektiğinde şönt kapasite ile birlikte kullanılabilen doymuş şönt reaktörün hemen hemen hiç bakım gerektirmemesi, aşırı yüklenme kapasitesi ve düşük harmonikli olarak çalışması olumlu yönlerini teşkil eder. Sabit değerli olması, ani gelişen olaylara karşı yavaş cevap vermesi ve sesli çalışması ise olumsuz yönleridir. Performans açısından senkron makineye (kondenser) en yakın kompanzasyon cihazıdır.

30 14 Transformatörün kademe ayarının (el ya da servo motorla) değiştirilmesi ile reaktif güç üretiminde harmonik ortaya çıkmaması önemli bir üstünlük sayılabilir. Kademe ayarının yavaş çalışması, ani değişimlere hızlı cevap verememesi ise bu metodun olumsuz yönlerini teşkil eder. Reaktif güç kompanzasyonunda son yıllarda kullanımı oldukça artan statik VAr kompanzatörleri (SVK), yukarıda belirtilen çözümlere oranla birçok bakımdan üstünlüklere sahiptir. SVK'nın üç önemli parçası vardır. Bunlardan ilki; reaktif gücün temin edildiği reaktör ve (veya) kapasitörlerdir. Kapasitörlerin kayıpları çok düşük (nominal güçlerinin % 0,5'inin altında) ve bakım masrafları yok denecek kadar azdır. Kapasitörlerin tesisi kolaydır ve gerektiğinde kolaylıkla sayıları (dolayısı ile güçleri) artırılabilir. Birkaç kva'dan birkaç yüz MVA'ya kadar geniş bir ölçekte kapasitör bankları kurulabilir. Kapasitörlerin işletme emniyeti yüksek, ömürleri uzun ve bakımları kolaydır. SVK'nın ikinci önemli parçası tristör, tranzistör, GTO, IGBT vb. gibi yarıiletken malzemelerdir. SVK'nın üçüncü parçası ise sistemin reaktif güç ihtiyacını ölçen, bu bilgileri değerlendiren ve uygun tetikleme açılarını hesaplayıp yarıiletken malzemeleri devreye sokan kontrol cihazları (mikroişlemci, PLC) ve bunlara ilişkin yazılımlardır. SVK hakkında ilerleyen bölümlerde geniş açıklamalar yapılacaktır Kompanzasyon Tesisinin Düzenlenmesi Kondansatörlerin kullanılacakları yerlere göre tertiplenme şekillerinin de önemi büyüktür. Kondansatör tesislerinden azami ölçüde yararlanmayı sağlamak amacıyla, bunların yapacakları göreve göre tesisin yerinin ve bağlama şeklinin uygun bir tarzda seçilmesi gerekir. Şekil 2.8 de kompanzasyon için kullanılan kondansatörlerin yerleştirilmesi bakımından en uygun yerin seçilmesine yönelik bazı örnekler verilmektedir. Bahsi geçen şekilde, B barasına bağlı olan M tüketicisinin T r transformatörünün ve H besleme hattı üzerinden, bir santralde bulunan G generatörü tarafından beslendiği kabul edilmektedir.

31 15 Şekil 2.8a da hiçbir kompanzasyon tesisi öngörülmemiştir. Dolu çizgiyle gösterilen ve tüketicinin ihtiyacı olan P aktif gücü ile yine bu defa kesik çizgiyle gösterilen Q reaktif gücü genaratör tarafından üretilmektedir. Reaktif gücün santralde üretildiğini işaret etmesi bakımından, genaratörün yanına, paralel olarak bir kondansatör bağlanmıştır. Şekil 2.8b de ise kompanzasyon tesisi transformatörün yüksek gerilim tarafına inşa edilmiş olup, bu durumda her ne kadar generatör ve besleme hattı reaktif güç üretimi ve iletiminden kurtulmuş olsa da, transformatör halen reaktif akımla yüklenmektedir. Şekil 2.8. Kompanzasyon tesisinin yeri a.) Kompanzasyonsuz durum, b.) Yüksek gerilim tarafındaki kompanzasyon, c.) Alçak gerilim tarafındaki kompanzasyon, d.) Tüketicinin yanındaki kompanzasyon. Şekil 2.8c de kondansatör alçak gerilim barasına yerleştirilmiş ve nihayet Şekil 2.8d de ise kondansatör doğrudan tüketici uçlarına bağlanarak tesis reaktif akımdan kurtarılmıştır. Buradan elde edilen sonuca göre, kondansatörün bağlanacağı en uygun yerin, kompanzasyonu yapılacak olan tüketicinin hemen yanı olduğu görülmektedir. Tüm bunlardan hareketle, belirli bir kompanzasyon elde etmek için, Şekil 2.8b ve c de işaret edildiği gibi, yüksek yada alçak gerilim tesislerine bağlı olan kondansatörlerin izolasyon özellikleri farklı olacağı gibi bunların kapasitelerinin de farklı olacağını belirtmek gerekir. Bilindiği gibi, transformatörün primer tarafındaki empedansın, sekonder taraftaki empedansa oranı;

32 16 2 ü = Z Z 1 2 (2.13) şeklindedir. Burada ü transformatörün dönüştürme oranıdır. O halde transformatörün primer tarafına yerleştirilecek olan kondansatörün kapasitesi C 1 ve aynı işi yapmak için sekonder tarafa yerleştirilecek olan kapasitenin değeri de C 2 ise; 2 C ü = 2 (2.14) C1 elde edilir. Bu şekilde kondansatörün yerini tespit ettikten sonra, bunların nasıl düzenleneceği ve bağlanacağı planlanır. Belirli bir kompanzasyon işini yapacak olan kondansatörler belli başlı üç şekilde düzenlenir Bireysel kompanzasyon Sürekli olarak işletmede bulunan büyük güçlü tüketicilerin reaktif güç ihtiyacını temin etmek için, kondansatörler tüketicinin uçlarına doğrudan paralel olarak bağlanırlar ve müşterek bir kontaktör ya da devre kesicisi üzerinden tüketiciyle birlikte devreye sokulup çıkartılırlar. Şekil 2.9. Bireysel Kompanzasyon

33 17 Çizelge 2.2. Trafo oranına göre Reaktif ve Kondansatör Gücü Trafo reaktif gücünü doğrultmak için gerekli kondansatör gücü Trafo Oranı KVA DIN'e göre yağlı ve kuru tip trafoların açık devre kayıpları Yağlı Trafo Reaktif gücü Kondansatör (açık gücü KVAr Kuru (GEAFOL) Trafo Reaktif gücü Kondansatör (açık gücü KVAr Azaltılmış açık devre kayıplı yağlı ve kuru tipi trafolar Trafo Reaktif gücü Kondansatör (açık gücü KVAr devre) devre) devre) KVA KVA KVA Açık devre (yüksüz) 3 fazlı, primer tarafı 20kV'a kadar sekonderi 400 V ve %4 veya %8 rektanslara sahip trafoların bireysel kompanzasyonu 250 4,50 5,00 2,80 3,00 1,60 2, ,90 7,50 3,60 4,00 1,90 2, ,20 7,50 4,40 4,00 2,20 2, ,60 10,00 4,70 5,00 2,50 3, ,20 12,50 5,70 5,00 3,20 3, ,50 15,00 6,50 7,50 2,60 4, ,00 20,00 7,50 7,50 4,00 4, ,60 20,00 10,10 10,00 5,00 5, ,20 25,00 10,60 10,00 2,30 5, ,00 25,00 7,00 7,50 Kondansatör gücü doğru bir şekilde yüke göre seçilmelidir. Bireysel kompanzasyonun sıkça kullanıldığı yerler endüksiyon motorları, trafolar ve bazı zamanlarda da deşarj lambalarıdır. Transformatör için yapılan bireysel kompanzasyonda, bu makinenin açık devresindeki reaktif güç tüketimine göre kondansatörlerin seçilmesi tavsiye edilir. Çizelge 2.2 de, bahsi geçen seçim için gerekli bilgiler verilmektedir. Güç katsayısı doğrultulması, sabit değerli bir kondansatör ünitesiyle transformatörde sağlandığında, düşük yük durumları için, trafonun aşırı kompanze edilmesi de sağlanmalıdır. Endüksiyon motorları için kondansatör tayini, motorun yüksüz durumdaki reaktif gücünün %90 ını aşmayacak şekilde yapılmalıdır. Aksi takdirde durdurma anında

34 18 kendi kendini ikaz durumu söz konusu olacak ve aşırı gerilim meydana gelecektir. Pratikteki uygulamalarda, motor anma gücü 40 KW ve üzerinde ise, kompanzasyon maksatlı bağlanana kondansatör gücü motor gücünün yaklaşık %35 i kadar seçilir. Motor gücünün 20 KW 40 KW arası olduğu durumlarda, kondansatör gücü bu değerin %40 ı kadar seçilmelidir. 20 KW dan düşük güçlü motorlarda ise kondansatör gücü motor gücünün %50 si kadar olmalıdır [Kocaoğlu,1999]. Bağlanacak olan kondansatörlere rağmen, yüksüz ve az yüklü durumlar ile sık sık yol vermenin gerektiği durumlarda güç katsayısı 0.9 un altına düşecektir. Bu gibi durumları önlemek için bir merkezi reaktif güç kontrol ünitesi kullanarak ek kompanzasyon sağlanabilir [Kocaoğlu,1999] Grup kompanzasyonu Birçok tüketicinin bulunduğu bir tesiste her tüketicinin ayrı ayrı kondansatörler ile donatılacağı yerde, bunların ortak bir kompanzasyon tesisi tarafından beslenmesi patrik ve ekonomik sonuçlar verir. Bu tür kompanzasyonda, bir kontaktör ya da devre kesici ile grup olarak anahtarlanan birden fazla motor yada deşarj lambasının kompanzasyonunu güç katsayısı doğrultma cihazları sağlar. Kondansatörlerin anahtarlanması için ilave şalt cihazına gerek yoktur. Şekil 2.10 Grup kompanzasyonu

35 Merkezi kompanzasyon Grup kompanzasyonunun biraz daha genişletilmesiyle elde edilir. Merkezi kompanzasyonda tüketici sayısı çok olduğundan, ayrıca bunların değişik zamanlarda değişik miktarlarda yüklenmekte olduklarından, kondansatör gücünü değişken olan kompanzasyon gücüne uydurabilmek için bir ayar düzeni bulunmaktadır. Bu şekilde hem düşük hem de aşırı kompanzasyon durumundan kaçınılmış olunur. Güç katsayısı doğrultma üniteleri şalt panolarında ya da dağıtım panolarında yer alırlar. Reaktif güç kontrol ünitesi, devreye alınıp çıkartılan kondansatör gruplarıyla reaktif gücü, gelen besleme noktasında ölçen bir kontrol cihazını içerir. Şayet gelen reaktif güç referans değerinden uzaklaşırsa, kontrol cihazı kondansatör gruplarının anahtarlarını kullanarak devreye alır yada çıkartır. Kondansatör gücünün, tesis için istenen güç katsayısını sürekli olarak sağlayacak şekilde seçilmesi gerekir. Reaktif güç kontrol üniteleri, kondansatör kademelerinin sayısı ve oranlarıyla tanınırlar. Örneğin 250 KVAr lık 5 kademeli kondansatör gücü 50 KVAr lık kademelerle devreye alınıp çıkartılabilir. Düşük kayıplı kondansatörlerin kullanımı, kondansatör panoları ve kontrol cihazlarının, şalt panoları ve dağıtım panolarına entegre edilmesine imkan sağlamaktadır [Kocaoğlu,1999]. Şekil Merkezi Kompanzasyon

36 20 Merkezi kompanzasyon sisteminin kullanıldığı şebekede anahtarlama darbelerine yol açmamak için büyük kondansatör grupları tek bir yük olarak anahtarlanmamalıdır. Günümüzde kullanılmakta olan reaktif güç kontrol ünitelerinde, 25 KVAr dan büyük kondansatör grupları her birisi kendi anahtarlama sistemine sahip küçük miktarlara bölünürler. Kondansatör grubundaki ilk anahtarlama elemanı, anahtarlama sinyalini doğrudan doğruya reaktif güç kontrol elemanından alır ve geriye kalan tüm anahtarlar, bir önceki anahtardan yararlanılarak devreye sokulurlar. Örneğin anahtarlama elemanı olarak kontaktörler kullanılmakta ise, bir önceki kontaktörün yardımcı kontakları, kendisinden sonra gelen kontaktörü anahtarlamak için kullanılır. Böylelikle büyük bir grup, kendisini oluşturan küçük parçaların hızlı ve arka arkaya anahtarlanmasıyla devreye alınıp, şebekeye yumuşak bir şekilde kapasitif yükleme yapılmış olur. Şekil 2.12 de 100KVAr lık bir merkezi kompanzasyon sisteminin devre şeması görülmektedir. Şekil 2.12 Merkezi kompanzasyon devre şeması Kondansatör grupları devreden çıkartıldıktan sonra, 10 saniyenin altındaki deşarj bobinleri kullanılarak deşarj sağlanıp, tekrar anahtarlanmaya hazır hale getirilirler [Kocaoğlu,1999]. Kondansatörleri anahtarlayan AC anahtarların ki genelde kontaktörler bu işi

37 21 yapmaktadır, kapasitif yükü anahtarlama elemanları arasında, üretilen firma tarafından önerilen endiktive değerlerine sahip kablo dönüşleri yapılmalı, ya da ön şarj dirençleri kullanılmalıdır Kompanzasyon Uygulamaları Seçimi Bireysel yüklerin, sabit değerli kondansatör üniteleriyle mi yoksa merkezi güç katsayısı kontrol üniteleri kullanılarak mı kompanze edilmesi gerektiğinin kararı ekonomik ve teknik faktörler birlikte alınarak verilmelidir. Her ikisi de eşit değerde kondansatör kullanana merkezi ve bireysel kompanzasyonlarda KVAr lık güç aralığında, merkezi kompanzasyonun maliyeti bireysel kompanzasyonun maliyetinden %30 40 kadar daha fazla olmaktadır [Kocaoğlu,1999]. Bununla beraber, tesislerin birçoğunda olduğu gibi, tüm yüklerin hiçbir zaman aynı anda çalışmadığı ve daha düşük değerde kondansatörler kullanana bir merkezi kompanzasyon ünitesinin genelde kompanzasyon için yeterli olması gerçeğini de kabul etmek gerekmektedir. Tüm bu durumlar göz önüne alındığında, bireysel kompanzasyon için; a.) Sürekli sabit enerji ihtiyacı bulunan ve yüksek görev faktöründe çalışan b.) Sürekli sabit enerji ihtiyacı bulunan ve büyük yüklerde çalışan Sistemler için uygun ve ekonomik olduğu belirtilebilir. Yükleri besleyen kablolardaki akımı azaltmasına rağmen, bireysel kompanzasyonun kondansatör gücünü sürekli olarak yükün reaktif gücüne adapte etmesi de mümkün değildir. Merkezi kompanzasyon için de yine; a.) Çok sayıda küçük yükle birlikte değişken enerji ihtiyacının olduğu durumlar, b.) Çok sayıda küçük yük ile birlikte farklı görev faktörlerinin enerji dağıtım sistemlerine bağlı olduğu durumlar. avantajlı olduğu söylenebilir.

38 22 Kondansatör gücü, tesisin reaktif güç gereksinimi kadar olmalıdır. Enstalâsyon ve daha sonraki genişletmeler göreceli olarak basittir. Merkezi konumundan dolayı güç katsayısı doğrultma cihazlarının periyodik bakım kontrolleri kolaymış durumdadır Klasik Reaktif Güç Kontrol Rölesi Merkezi otomatik kompanzasyon sistemi temel olarak uygun düzenlenmiş kondansatör bataryaları ile reaktif gücü algılayıp, uygun kondansatör bataryalarının devreye alınıp çıkarılmasını sağlayan reaktif güç kontrol rölesinden oluşur. Reaktif güç kontrol rölesi, sistemin güç faktörünü ölçerek önceden tanımlanmış güç faktörüne ulaşmak için kondansatör bankalarını yüke paralel olarak devreye almakta veya çıkarmaktadır. Röle kompanzasyon işlemini yerine getirmek için hat akımından ve geriliminden örnek almaktadır. Blok diyagramından görüldüğü gibi reaktif güç kontrol rölesinin giriş işaretleri hat geriliminden (V), hat akımından (I) ve harmonikleri ölçmek amacıyla kondansatör banka akımlarından (H) oluşmaktadır. Ölçme devreleri aldığı bu sinyalleri işleyerek kontrol devresinin kullanabileceği işaretler haline getirir. Kontrol devresi ölçüm devrelerinden aldığı bilgileri değerlendirerek röle çıkış devreleri aracılığıyla kondansatör bankalarını devreye almakta veya çıkarmaktadır. Aynı zamanda sinyalizasyon devreleri yardımıyla kullanıcı bilgilendirilmekte ve herhangi bir alarm durumuna karşı uyarılmaktadır. Ayrıca kullanıcı butonlar yardımıyla sistemin durumu hakkında istediği bilgiye ulaşabilmekte ve istenilen güç faktörünü ayarlayabilmektedir. Ölçme devresinde gerilim büyüklüğü doğrudan, akım büyüklüğü ise fazlardan birine bağlanan akım trafosu aracılığıyla alınır. Akım trafosu çıkış akımı 1 veya 5 amperdir. Bu ölçme düzeneğinde şebekedeki aktif (P), reaktif (Q), görünen (S) güçler, harmonikler, cosφ değeri, akım ve gerilim örneklerine göre dijital olarak ölçülmektedir. Röle çıkış devresinde, kontrolörden gelen sinyaller önce çıkış rölesini, çıkış rölesi de kondansatörlere bağlı anahtarlama elemanlarını (kontaktörler)

39 23 tetikleyerek, kondansatörlerin devreye girmelerini veya çıkmalarını sağlamaktadırlar. Tüm blokların ve devrelerin kendi iç enerji gereksinimleri besleme devresi tarafında sağlanır. Kontrolör, mikroişlemci tabanlı olup gelen sinyalleri değerlendirir ve çıkış rölelerine, ayrıca sinyalizasyon bloğuna gerekli sinyali, gönderir [Özdemir, 1997]. Reaktif güç kontrol rölesi ayarları: Reaktif güç kontrol rölesinde iyi bir kopmanzasyon için bazı ayarların yapılması ve değerlerin doğru olarak set edilmesi gerekmektedir [Entes, 2002]. C/k ayarı: Bu ayar şebekeden çekilen reaktif güce göre devreye kondansatör alma ve çıkarma sınırlarını belirler. C/k değeri işletmenin özelliklerine ve karakteristik büyüklüklerine göre belirlenir. C C / k = k (2.15) burada C, kvar cinsinden birinci kademe kondansatör gücünün, k ise akım trafosunun çevirme oranını gösterir. C/k büyüklüğü genellikle 0.01 ile 0.3 arasında değerler alır [Siemens, 2002]. Çalışma bölgesi ayarı (% Ayar): Merkezi kompanzasyon tesisinin sağlayacağı ortalama kompanzasyon düzeyi cosφ veya % ayarı ile belirlenir. % ayarı yardımı ile istenen ayar sahasının indüktif, kapasitif veya hem indüktif hem kapasitif bölgelere kaydırılması sağlanır. Grup, kademe ve anahtarlama programı ayarı: Merkezi otomatik ayarın bir gereği olarak, toplam kompanzasyon gücü gruplara ayrılır. Reaktif güç kontrol rölesi çıkışında her bir röleye bağlanan kondansatöre grup denir. Anahtarlama işlemi belli bir program dahilindedir ve devreye kondansatör alma ve çıkarma esnasında baştan sona doğrudur. Çizelge 2.3 de dört kademeli bir anahtarlama programı verilmiştir.

40 24 Çizelge 2.3 Kademeli anahtarlama programı Anahtarlama programı 1 : 2 : 4 : 8 Toplam anahtarlama 15 adımdır. ( kondans. kademesi devrede anlamındadır.) Kondansatörlerin devreye alınıp çıkarılmaları: Kompanzasyon için kullanılacak güç kondansatörleri, şebekeye, anahtarlama elemanı olan kontaktörlerle paralel bağlanırlar. Kondansatörler devreye alınırken veya bunları paralel bağlarken meydana gelen geçici rejim esnasında kısa devre akımına benzer büyük akımlar çekerler. Henüz deşarj olmamış bir kondansatör yeniden devreye alındığında yukarıdaki geçici olaylara ilave olarak şiddetli dengeleme akımları meydana gelir. Bu amaçla, kondansatörlere boşaltma dirençleri veya bobinler bağlanarak, devreden çıktıkları zaman bunlar üzerinden deşarj olmaları sağlanır. Bunun için biraz deşarj süresi gereklidir. Bu olumsuz olayları önlemek için reaktif güç kontrol rölesinde, kondansatör devreye alma ve çıkarma esnasında bir gecikme ayarı süresi verilmiştir. Buna göre, röleye kondansatör devreye al veya çıkar komutu geldikten sonra ayarlanan süre (deşarj süresi) kadar bir gecikmeyle devreye alma ve çıkarma işlemi gerçekleştirilir. Bu süre rölede 20 ila 180 saniye arasında ayarlanabilir. Genellikle bu ayar süresi 40 saniyedir Tasarlanan reaktif güç kontrol rölesi Klasik reaktif güç kontrol rölesinde aşağıdaki sakıncalar gözlenmiştir: 1- Kondansatörün devreye alınıp çıkarılmasında, ayarlanan deşarj süresi kadar bekleme gerekmektedir. Kondansatöre devreye gir komutu geldikten sonra, röle o

41 25 kondansatörün yeni devreden çıkmış olduğunu kabul ederek, ayarlanan deşarj süresi kadar sonra devreye alır. Aynı gecikme devreden çıkarma için de uygulanır. Genellikle bu süre 40 saniye civarındadır. Bu süre içinde sistem indüktif karakterde olup, kompanzasyon gerçekleşmemiştir. 2- Klasik rölede kompanzasyon sisteminde istenen reaktif güç değerindeki kondansatörlerin tamamı devreye alınıncaya kadar, belirli bir süre geçmekte ve çok fazla anahtarlama işlemi gerçekleşmektedir. Anahtarlama programlarına göre (Ayar dizisi) kondansatör devreye alınırken sadece bir tek kondansatör devreye alınabilir. Ayrıca 1. kondansatör öncelikle devreye girip çıkarak çok daha fazla anahtarlamaya maruz kalmaktadır. Bu arada tüm kondansatörler devreye girinceye kadar onlarca anahtarlama gerçekleşmekte ve sistem bu süre zarfında indüktif reaktif akımla yüklenmektedir. Bu sakıncaların ortadan kaldırılması, aynı zamanda kontaktör ve kondansatörlerin anahtarlama sayılarının ve sistem güç kayıplarının azaltılması amacıyla yeni bir röle tasarlanıp gerçekleştirilmiştir. Bu yeni rölede aşağıdaki yeni yaklaşımlar verilmiştir. 1- Klasik rölelerde devreye alınması gereken kondansatörlerde deşarj süresi için, yeni bir yaklaşım ve tasarım gerçekleştirilerek gereksiz enerji kaybı önlenmiştir. Her kondansatör grubuna ait bir zaman sayıcı oluşturulmuştur. Röle ilk çalışmaya başladığı anda tüm kondansatörlere ait zaman sayıcılar, ayarlanan deşarj süresi kadar, sayma işlemi yaparak kondansatörleri devreye gecikmesiz olarak alınabilir duruma getirmektedir. Devreye alınacak kondansatör için önce bu zamana bakılmakta, bu süre tamamlanmış ise hemen devreye alınmaktadır. Eğer süre tamamlanmamış ise kalan süre kadar bekledikten sonra kondansatör devreye alınmaktadır. Devreden çıkarılan kondansatör için hemen sayma işlemi başlatılmakta ve yeniden devreye alınacağı anda hiç gecikme zamanı olmadan devreye alınmak üzere hazır bekletilmektedir. Böylece yeni tasarlanan rölede kondansatörü devreye al komutu geldikten sonra hiç bekleme olmadan kondansatör devreye girerek gereksiz gecikme ortadan kaldırılmış ve güç kaybı önlenmiş olmaktadır.

42 26 2- Tasarlanan yeni sistemde, kademe, ayar dizisi, anahtarlama programı gibi kavramlar ortadan kaldırılmıştır. Kompanze edilecek tesis gözlenerek reaktif güç değişim aralıkları ve kademeleri tespit edilir. Buna göre grup kondansatör güçleri herhangi bir anahtarlama programından bağımsız olarak seçilir. Oysa klasik sistemde sadece seçilen anahtarlama programına göre kondansatör gücü seçme zorunluluğu vardır. Bu yeni yöntemde kondansatörlerin teker teker devreye alınıp çıkarılma zorunluluğu yoktur. İstenildiği kadar kondansatör grubu aynı anda devreye alınıp çıkarılabilir. Böylece klasik sisteme göre anahtarlamada optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan röleye ilişkin blok diyagramı Şekil 1.14 de gösterilmiştir. Şebekeden gerilim (V) ve akım (I) örnekleri alınarak analog dijtal dönüştürücü vasıtasıyla dijital işaretler elde edilir. Harmonik analizi yapılarak temel akım ve gerilim bileşenine göre, görünür güç (S), aktif güç (P), reaktif güç (Q) değerleriyle, güç faktörü cosφ hesaplanır. 20. mertebeye kadar harmonikler göstergede izlenebilir. Şekil 2.14 Tasarlanan role için blok diyagramı Ayrıca devreye bağlı güç kondansatörlerin ayrı ayrı güçleri sürekli olarak hesap edilir. Güç kaybı olan kondansatörler için uyarı mesajı verilir. OP-AN (Optimal Anahtarlama) olarak tanımlanan, yeni optimal anahtarlama ünitesi devreye kondansatör alma ve çıkarma işlemini şu şekilde gerçekleştirmektedir. Öncelikle röleye C/k ve %X ayarları girilir. Kompanzasyon yapılacak tesise uygun

43 27 olarak kondansatör grupları oluşturulur. Tesis çalışmaya başlayarak indüktif olarak yüklenir. Aynı zamanda role devreye girmiştir. İlk önce role tüm kondansatörler için zaman sayacını çalıştırarak ayarlanan deşarj süresi kadar saymayı tamamlayıp, devreye alınmak üzere hazır hale getirmiştir. Şebekenin reaktif gücü sürekli olarak ölçülerek, devreye alınacak kondansatör gücü değeri belirlenir. C/k ve %X ayarlarına göre, devreye kondansatör alma sınırına gelinince, o andaki reaktif güç ihtiyacı olan kondansatör gücü seçimi için role optimal seçime başlar. 1. İlk olarak tek tek tüm kondansatör değerlerine ve zaman sayaçlarına bakılır. Zaman sayımı tamamlanmış ve devreye alınması gereken değere en yakın kondansatör gücü bulunup kaydedilir. 2. Kondansatörü aynı anda devreye alma kombinasyonları araştırılır ve devreye alınabilecek en yakın ikili değer kaydedilir. 3. Kondansatörü aynı anda devreye alma kombinasyonları araştırılır ve devreye alınabilecek 4. Kondansatör değerine en yakın 3 lü değer kaydedilir. Bu üç seçim sonucu kaydedilmiş kondansatör değerleri birbirleriyle karşılaştırılarak devreye alınacak kondansatör gücüne en yakın kondansatör değeri belirlenir ve hemen devreye alınır. Devreden çıkarılacak kondansatör için de bu işlemler aynen tekrarlanır. Yani önce 1, sonra 2 ve daha sonra da 3 kondansatör değeri araştırılarak devreden çıkarılması gereken değere en yakın değerli kondansatör gücü tespit edilir ve devreden çıkarılır. Şekil 7 de tasarlanan röleye ilişkin devreye kondansatör alma ve çıkarma algoritması verilmiştir. Optimal A çağır: Kondansatörlerin devrede olup olmadığını ve gecikme zamanının dolup dolmadığını kontrol eden algoritmayı gösterir.

44 28 Şekil 2.15 Tasarlanan rölede devreye kondansatör alma ve çıkarma algoritması Sonunda, kondansatörlerin devreye alınması ve çıkarılması esnasında deşarj süresi kadar bekleme ortadan kaldırıldığı için (yaklaşık 40 saniye) işletmenin daha az indüktif akımla yüklenmesi, dolayısıyla güç kayıpları ve diğer olumsuzluklar en aza indirilmiştir. Klasik rölelerdeki ayar dizisi, kademe gibi kavramlar ortadan kaldırılmıştır. İşletme koşullarına bağlı olarak istenildiği gibi ayarlanan anahtarlama programı oluşturulabilmektedir. Ayrıca devreye sadece bir tek kondansatör alma ve çıkarma zorunluluğu yoktur. Röle anahtarlama sayısı minimum olacak şekilde, kondansatörleri optimal olarak devreye alıp çıkarır. OP-AN olarak tanımlanan yeni optimal anahtarlama ünitesi devreye alınacak veya çıkarılacak kondansatör gücü değeri için, röle önce tek tek tüm kondansatör güçlerine ve zaman sayaçlarına bakar.

45 29 Alınması gereken değere en yakın kondansatör gücü kaydedilir. Daha sonra iki kondansatörü aynı anda devreye alma kombinasyonları araştırılır ve devreye alınabilecek en yakın ikili değer kaydedilir. Son olarak da 3 kondansatörü aynı anda devreye alma kombinasyonları araştırılır ve devreye alınabilecek kondansatör değerine en yakın üçlü değer kaydedilir. 1, 2 veya 3 kondansatör gruplarını kaydedilmiş değerler arasındaki devreye alınacak kondansatör gücüne en uygun olanı devreye alınır. Devreden çıkarılacak kondansatörler için de aynı işlemler gerçekleştirilir. Optimal olarak devreye kondansatör alma ve çıkarma işlemi sonucu, Sistemdeki kontaktör ve kondansatörlerin anahtarlama sayısı minimum olacak şekilde, optimal seçim gerçekleştirilmiştir. Tüm kondansatörler, minimum zamanda ve en yakın değerde devreye alınarak, sistemin en az indüktif reaktif akımla yüklenmesi sağlanmış, bunun sonucu olarak da aktif güç kayıpları azaltılmıştır. Devreden çıkarılacak kondansatörler için de, minimum zaman ve en yakın değer belirlenerek, aşırı kompanzasyon ve bunun meydana getireceği sakıncalar önlenmiştir. Klasik ve yeni geliştirilen röle, hesapla, deneysel olarak ve sisteme getireceği ekonomik fayda bakımından karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmada yeni röle klasik röleye göre, anahtarlama sayısının ve aktif güç kayıplarının azaltılmasında %100 den fazla bir üstünlük sağlamıştır. Bu da sisteme ekonomik bir iyileştirme getirmiştir. Bu röle imal edilmiştir ve uygunluğu deneylerle kanıtlanmıştır.

46 30 3. GERİLİM AYARI (REGÜLASYONU) Enerji sisteminde reaktif güç üretiminin (kompanzasyon) iki önemli sebebi vardır; Bunlardan ilki, reaktif gücün enterkonnekte sistemden çekilmeyip müşterinin bu güce ihtiyacı olan yerde üretilmesi ve iletim hatlarının (fiziksel olarak bir iş yapmayan) reaktif güç ile meşgul edilmemesidir. Bu işlem aynı zamanda güç faktörünün iyileştirilmesi anlamına gelmektedir (bu bölüm girişinde anlatılmıştır). Reaktif güç üretiminin ikinci ve çok önemli bir nedeni ise müşteriye nominal gerilim sağlamaktır. Bu işlem kısaca gerilim ayarı ya da gerilim regülasyonu olarak adlandırılır. İletim hatlarının empedansı üzerinde (hattan akan akımın etkisi ile) oluşan gerilim düşümü (veya yükselmesi) sebebi ile müşterinin enterkonnekte sisteme bağlandığı baradaki gerilim genlik değeri, (cihazların çalışması gereken) nominal değerinden farklı olacaktır. Hat empedansı üzerindeki gerilim düşümü hattın sonuna yerleştirilen kompanzasyon tesisinden elde edilecek reaktif güç kullanılarak kompanze edilip gerilim regülasyonu sıfır yapılabilir ve sonuç olarak müşteri barasındaki gerilim, nominal değerine dönebilir. Bu amaca (gerilim regülasyonu) ulaşmak için üretilmesi gereken reaktif güç miktarının hesaplanma yöntemi aşağıda gösterilmiştir. Şekil 3.1 A barasına bağlı bir yük (müşteri) Yükten enterkonnekte sisteme doğru bakıldığında görülen empedans ise; Z hat = Rhat + j.x hat = Zhat φ yük (3.1)

47 31 olarak verilmiştir. B harasının gerisinde sonsuz güçte bir gerilim kaynağı (şebeke) olduğu kabul edilmiştir. Sonsuz güçteki gerilim kaynağının gerilim fazörü yükün bağlandığı baranın gerilim fazörü ise admitans fazörü; V B, V A olarak gösterilmiştir. Yükün Yyük = G yük + j.b yük = Z hat φhat (3.2) ve kompleks güç değeri; S + yük = Pyük j. Qyük (3.3) olarak verilmiştir. Gerilim regülasyonu için; VB VA V V %GR * 100 B = = A * 100 (3.4) VA VA olur. %GR = 0 olması demek, B barasındaki gerilim genlik değeri ile A (müşteri) barasındaki gerilim genlik değerinin aynı olması, yani (A barasındaki) müşteriye B noktasındaki (nominal şebeke) geriliminin verilebilmesi demektir. Kompanzatör olmadığı durum için yük akımı etkisi ile hat empedansı üzerinde düşen gerilim fazörü ( I hat = I yük ) ; V = VB VA = Z hat.i hat = Z hat. I yük (3.5) ve yük akım fazörü; I yük Pyük j.q yük = (3.6) VA olacaktır. Eş. 3.6, Eş. 3.5 ifadesinde yerine konursa;

48 32 V = ( Rhat + j.x hat Pyük ). j.q yük VA V = Rhat.Pyük + X hat.q yük VA + X hat.pyük Rhat.Q yük j. VA (3.7) V = VR + j. VX j.ryük.iyük Vb Φhat Φyük Va V Vr Ryük.Iyük Iyük Şekil 3.2 Akım fazör diagramı Vx elde edilir. Şekil 3.2'de görüldüğü gibi gerilim değişiminin ile aynı fazda, açı değeri ve VR bileşeni V A vektörü VX bileşeni ise V A vektörüne dik fazdadır. V A ile V B arasındaki V A 'nın genliği; yük akımının hem genliğine ( I yük ) hem de açısına ( φ yük ) bağlıdır. Bir başka ifade ile V değeri yükün şebekeden çektiği aktif ve reaktif güç değerine bağlıdır (zira yük akımının hem genliği hemde açısı direkt olarak yüke ilişkin aktif ve reaktif güç değerlerini belirler). Şekil 3.3 de görüldüğü gibi eğer yüke paralel bir kompanzatör bağlanırsa, bu kompanzatörün ürettiği reaktif akım; V B = V A (3.8)

49 33 olmasını sağlayabilir. Bu durumda Eş. 3.4 ifadesi ile verilen gerilim regülasyonu (GR) sıfır olacaktır. Rhat Qhat Qyük Şebeke Xhat Ihat Ryük Vb Xk Xyük Qk Şekil 3.3 Baranın eşdeğer devresi Eş ifadesi için durum tekrar yazılırsa; V = VB VA = Z hat.i hat = Z hat.( I yük + I k ) (3.9) elde edilir. Kompanzatör akım fazörü; I k Pk j.q yük Qk = = j (3.10) VA VA olacaktır. Eş. 3.6 ve Eş ifadeleri Eş. 3.9 da kullanılırsa; P jq R HAT + jx HAT j (3.11) V A VA YÜK YÜK QK V = ( ) V = R hat Pyük + X hat ( Q yük + Qk ) X hat Pyük Rhat ( Q yük + Qk + j VA VA ) (3.12) V = VR + j VX (3.13)

50 34 elde edilir. V A fazörü referans eksen üzerinde alındığından (Bkz.Şekil 3.2); V A = V A 0 V ο = A (3.14) olacaktır. Bu durumda V = V B V A (3.15) yazılabilir. Şekil 3.3'den; Q hat = Qyük + Qk (3.16) elde edilir Eş Eş. nde yerine konulur ve elde edilen eşitlik, Eş. 3.15'de kullanılırsa; Rhat.Pyük + X hat.qhat X hat.pyük Rhat.Q hat V = VB VA = + j. (3.17) VA VA elde edilir. Eş ifadesinde hesaplanırsa; V B yalnız bırakılır ve fazör genliğinin karesi R HATPYÜK + X HATQHAT X HATPYÜK RHATQHAT V.B = VB = VA (3.18) VA VA elde edilir. Kompanzasyon yapılması durumunda sistem büyüklüklerine ilişkin fazörlerin durumu Şekil 3.4 'de gösterilmiştir. Şekil 3.4 Kompanzasyon yapılması durumunda akım fazör diagramı

51 35 Şekil 3.4'de görüldüğü gibi I hat akımı kapasitif karakterdedir. Aynı akım kompanzasyon olmadığı durumda (Bkz.Şekil 3.2) endüktif karakterdeydi Şekil 3.4 ile Şekil 3.2 karşılaştırıldığında V A fazörünün genliğinin arttığı V fazörünün genlik ve açısının değiştiği görülmektedir. Şekil 3.4 te görüldüğü gibi kompanzasyonun (buradaki) amacı olan eşitlenmesi) koşulu sağlanmaktadır. V A = VB (müşteri geriliminin kaynak gerilimine 3.18 Eş. açılır, her iki taraf V A genliği ile çarpılır ve düzenleme yapılırsa ( V A = VB için); 2 A.Q hat + B.Qhat + C (3.19) elde edilir Eş. nde kullanılan sabitler; 2 2 A = R hat + X hat (3.20) B = V. A. X hat (3.21) C = (VA + Rhat.Pyük ) + X hat.p yük VA (3.22) olur Eşi. ni sağlayan Q hat = Qyük + Qk değeri; B ± 2 B 4 AC Q hat = (3.23) 2A olacaktır Eş. nin sağlanması için kontrol edilen büyüklük değeri bilindiği için 3,23 Eş. ni bulmak aynı zamanda bulmak anlamına gelmektedir. Sonuç olarak elde edilen; Q k değeridir. Q yük Q yük farkı ile Q k değerini Q hat değerinden Q yük çıkarıldığında

52 36 Qk = Qhat Qyük B ± = 2 B 4AC 2A Qyük (3.24) değerinde bir kompanzatör (reaktör yada kapasitör veya bu ikisinin birlikte kullanılacağı sistem) A barasına bağlandığında V A = VB elde edilmiş olacaktır. Pratik uygulamalarda yardımı ile sistem gerilimini ölçüp, kompanzatörün ürettiği açıdan bakıldığında 2.24 Eş. yalnızca; V A = VB koşulu, geri besleme devreleri (kapalı çevrim) V A = VB farkını sıfır yapıncaya kadar Q K reaktif gücünü (bir şekilde) değiştirmekle sağlanır. Bu Pyük ve Q yük 'ün alacağı tüm değerlerde (yani değişik yük durumlarında çalışılması durumunda), müşteri gerilimini şebeke gerilimine eşit yapabilen (yani gücünün bulunabileceğini göstermektedir. V A = VB = 0 eşitliğini sağlayan) Q k bir reaktif Daha önce belirtildiği gibi kompanzasyonun müşteri gerilimini (istenen değerde) sabit tutmak amacı dışında, müşterinin şebekeden çektiği reaktif gücü sıfırlayıp bu güce eşit reaktif güç üreten bir kompanzatör kullanarak tasarruf sağlama (cosφ değerini, maksimum yapmak) amacı da bulunmaktadır. Bu durumda şöyle bir soru akla gelebilir; acaba her iki kompanzasyon amacına aynı anda ulaşılabilir mi? Bu sorunun cevabı 'hayır' olacaktır. Bu iki amaca aynı anda ulaşılamamasının nedenini anlamak için 3.17 Eş. ne bakılması gerekir. Eğer müşterinin tüm reaktif güç ihtiyacı (şebekeden değil de) müşteri barasına bağlanacak bir kompanzatörden sağlanacak olursa, Q yük = - Q k olacağından; Q hat = Q yük + Q k = 0 (3.25) elde edilecektir Eş. nde Q hat = 0 yazılırsa, ο Rhat.Pyük X hat.pyük V = VB VA 0 = + j. (3.26) VA VA

53 37 olur Eş. ne bakıldığında, V vektörünü (genlik ve faz olarak) kontrol edecek bir Q k değeri gözükmemektedir ( V vektörü ile oynanmadan da V A = V B yapılamaz) Eş. nden görüldüğü gibi V kontrolü; ( Q k 'den bağımsız olarak) hat parametreleri, (sorunlu) bara gerilimi ve müşterinin şebekeden çektiği aktif güç ile yapılabilmektedir Problem Şekil 3.1'de verilen devrede R hat = ohm, R hat = ohm, V B yıldız bağlı yüke ilişkin (faz başına) aktif ve reaktif güç değerleri; Q yük =50MVAr olarak verilmektedir. P yük =10kV, =25MW, a) Kompanzasyon olmadığı durum için V gerilim düşüm fazörünü, I YÜK değerini bulunuz ve sisteme ilişkin fazör diyagramını çiziniz. b) Yükün uçları arasındaki (etkin) gerilim genlik değerini 10 kv yapmak için (sabit gerilim amaçlı kompanzasyon) yüke paralel olarak bağlanacak değerini bulunuz ve sisteme ilişkin fazör diyagramını çiziniz, Q k c) Yüke ilişkin güç faktörünün 1 yapacak (güç faktörü amaçlı kompanzasyon) Q k değerini bulunuz ve sisteme ilişkin fazör diyagramını çiziniz. Çözüm a) (3.18) Eş. nden, (kompanzasyon olmadığı durumda Q hat = Q yük olduğundan) V A =10 kv için V A değeri çekilirse; V A = 6,782 kv (faz-nötr) bulunur. Bu değer 3.7 Eş. nde yerine konulursa,. V = 3, j0,8678 kv

54 38 elde edilir. Yük akımı kompanzasyon olmadığı durumda hat akımına eşit olduğundan, 3.6 Eş. ni kullanarak; I yük = I hat = 3,868 - j7,372 = 8,242-63,44 ka bulunur. Şekil 2.5'de sisteme ilişkin fazör diyagramı verilmiştir. Şekil 3.5 Sisteme ilişkin fazör diagramı b) Müşteri gerilimini sabit tutmak için kullanılacak (bkz. Şekil 2.10) kompanzatörün gücünü belirleyebilmek için önce hattan akan reaktif güç hesaplanmalıdır Eş. nde verilen sisteme ilişkin büyüklükler yerlerine konulursa; Q hat = - 6,35 MVAr elde edilir. Bu değer 3.24 Eş. nde kullanılırsa; V = - 0, j 1,03 kv bulunur. Hat akımı ise 3.7 ve 3.9 Eş. lerinden; I hat I hat = I yük + I k = j Pyük = j.q yük VA + Q k j. VA Pyük j.q hat = VA elde edilir. Kompanzatörün akımı;

55 39 Qk Qhat Qyük ( ) I k = j = j = j ka = j5. 635kA VA VA 10kV olur. Yük akımı ise; I yük = I hat I k = 2,5 j5 = 5,59-63,44 ka bulunur. Kompanzatörün reaktif gücü; Q k = Qhat Qyük = - 6,35-50 = -56,35MVAr elde edilir. Q k < 0 bulunması kompanzatörün bir kapasitör olduğunu göstermektedir. Görüldüğü gibi yükün reaktif gücü ile kapasitörün reaktif gücü birbirine eşit çıkmamıştır. Bu sonuç, daha önce de belirtildiği gibi aynı anda hem güç faktörünün 1 yapılmasının, hem de müşteri geriliminin sabit tutulmasının mümkün olmadığını göstermektedir. Şekil 3.6'da sistemin fazör diyagramı verilmiştir. Şekil 3.6 Sistemin fazör diagramı c) Yük endüktif karakterde olduğundan şebekeden reaktif güç çekmemek için Şekil 3.3'de verilen kompanzatörün yapı olarak kapasite içermesi gerekmektedir. Yüke ilişkin reaktif güç Q k = QC = 50MVAr olarak verildiğinden; Q k = Q C = 50MVAr

56 40 olacaktır Eş. nde Q hat = Qk + Qyük = 0 ve V B = 10kV için V A hesaplanırsa; V A = kv bulunur. Bu değer için 3.26 eşitliğinden; V = j l.006 kv elde edilir. 3.6 eşitliğinden yük akımı; I yük = j ka olur. Hat akımı yük akımının reel kısmına eşit olacağından; I hat = ka olur (yük akımının reaktif bileşeni kapasiteden temin edildiği için hat üzerinden yüke herhangi bir reaktif akım ulaşamayacaktır). Kapasite akımı ise; IC = I hat I yük = 2,565 - (2,565 j 5,129) = j 5,129 ka elde edilir. Şekil 3.7'de sisteme ilişkin fazör diyagramı verilmiştir. Şekil 3.7 Sistemin fazör diagramı

57 41 4. STATİK VAr. SİSTEMLERİ Alternatif akımla çalışan enerji sistemlerinde reaktif güç kompanzasyonunun önemi bilinmektedir. Bu yüzden güç faktörünü (cosφ) düzeltmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Kompanzasyon sistemlerinde yükün özelliği çok önemlidir. Güç ve güç katsayısı sabit kalan bir yükün varlığı halinde uygun olarak seçilmiş bir kondansatör grubu 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 senkron makinelerle ve sonraları da doymalı reaktörler ve bunlara bağlı kondansatörler ile yapılmaktaydı. Özellikle son yıllarda yüksek güçlü yarı iletkenlerin (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 sokulup çıkarılarak (baraya bağlı) 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 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 amacıyla kullanılırlar. 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

58 42 baralardaki gerilim değerini sabit tutmaktır. Bara geriliminin sabit değerde tutulması dinamik şönt kompanzasyonunun en önemli hedefidir. SVS'nin ikinci önemli özelliği ise cevap verme hızıdır. Kompanzatörün reaktif gücü, terminal gerilimindeki küçük bir değişime tepki olarak yeterli derecede hızlı değişmelidir. 4.2 Statik VAr. Sisteminin Ana Tipleri SVS'nin ana tipler TKR-Tristör kontrollü reaktör (thyristor-controlled reactor, TCR) TAK-Tristör anahtarlamalı kapasitör (thyristor-switched capacitor, TSC) TAR-Tristör anahtarlamalı reaktör (thyristor-switched reactor, TSR) DR-Doymuş reaktör olarak özetlenebilir Svs nin Ana Harmonik Frekansta Davranışı İdeal SVS karakteristiği SVS içinde kullanılan yarıiletkenler anahtarlama elemanı olduklarından, Şekil 4.1'de gösterildiği gibi birbirlerine paralel bağlı ve ayarlanabilir bir reaktör ve bir kapasitenin SVS'nin eşdeğer devresi olarak kabul edilmesi mümkündür. SVS'nin amacı bağlı olduğu baranın gerilim ve reaktif güç değerini kontrol etmektir. Şekil 4.1. SVS'nin eşdeğer devresi

59 43 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. Şekil 4.2. İdeal bir SVS'ye ilişkin akım - gerilim karakteristiği. Kontrol edilen baranın genliği; V, SVS akım genliği; genliği; I SVS, arzu edilen gerilim V O ise, ideal bir SVS ye ilişkin akım - gerilim karakteristiği şekil 4.2'de gösterildiği gibi olacaktır Gerçek SVS karakteristiği SVS'nin ayarlanabilir reaktör ve buna paralel olarak bağlı bir kapasiteden oluştuğu kabul edilsin. Şekil 4.3de böyle bir SVS'nin akım-gerilim karakteristiğinin oluşumu gösterilmiştir. a) b) c) SVS Şekil 4.3 Gerçek SVS karakteristiği

60 Tesis içine yerleştirilen SVS karakteristiği SVS'ler güç sistemi içinde çalıştıkları için yukarıda verilen SVS karakteristiklerinin güç sistemi koşullarına uyarlanması gerekmektedir. SVS harasından sisteme doğru bakıldığında görülen Thevenin eşdeğer devresi Şekil 4.4'te verilmiştir. Bu devrede X TH (endüktif), ; SVS barasından sisteme doğru bakıldığında görülen eşdeğer reaktansı E TH ; SVS barasından sisteme doğru bakıldığında görülen eşdeğer (sistem) gerilimini göstermektedir. Şekil 4.4'te ise SVS akımının bara gerilimi ile değişimi görülmektedir. Şekil 4.4. SVS barasından sisteme doğru bakıldığında görülen Thevenin eşdeğer devresi Şekil 4.5 de SVS (reaktif) akımı ( I SVS ilişki gösterilmiştir. Burada görüldüğü gibi, ) ile SVS bara gerilimi (V) arasındaki I SVS (yük akımı) kapasitif özellik kazandıkça V değeri doğrusal olarak artmakta, I SVS endüktif özellik kazandıkça V değeri doğrusal olarak azalmaktadır. Şekil 4.5 SVS akımı ile SVS bara gerilimi arasındaki ilişki.

61 45 Şekil 4.6 (a)'da sistemin eşdeğer gerilimi olan E TH değerinin artması ya da azalması durumunda, SVS akımı ile SVS gerilimi arasındaki değişim, Şekil 4.6 (b) de ise sistem empedansı olan X th değerinin artması ya da azalması durumunda, SVS akımı ile SVS gerilimi arasındaki değişim gösterilmiştir. a) b) Şekil 4.6 Akım gerilim grafikleri Şekil 4.4'de verilen eşdeğer devre kullanılarak sistemin karakteristik denklemi; V = ETH - X TH * I SVS (4.1) elde edilir. SVS'nin karakteristik denklemi ise; V = V O + X SVS I SVS (4.2) olacaktır. Eş. 4.2 ifadesinde görülen X SVS ise SVS karakteristik eğrisinin eğimidir. Şekil 4.7 SVS'ye ilişkin üç ayrı yük karakteristiği ve SVS karakteristiği.

62 46 Şekil 4.9 da tesis içine yerleştirilen SVS ye ilişkin üç ayrı yük karakteristiği ve SVS karakteristiği gösterilmiştir. Her bir yük karakteristiğinde yük gerilimi farklı değerler almaktadır. Ortada yer alan (SVS karakteristiğini A noktasından kesen) sistem karakteristik eğrisi nominal çalışma koşullarını göstermektedir. Bu çalışma koşullarında SVS bara gerilimi; V 0, SVS akımı ise I SVS = 0 değerini almaktadır. Eğer (örneğin, sistem yükünde bir azalma olur da) sistem gerilimi ETH kadar artar ve SVS devreye sokulmaz ( I SVS = 0 ) ise, V değeri V 1 değerine yükselir. Sistem gerilimi arttığı için eğer SVS devreye sokulursa, çalışma noktası SVS karakteristiği üzerinde yer alan B noktasına kayar, SVS akımı I SVS = I3 (endüktif), SVS bara gerilimi ise (SVS kontrol edilerek) V 3 değerinde sabit tutulur. Eğer (örneğin, sistem yükünde bir artma olur da) sistem gerilimi ETH kadar azalır ve SVS devreye sokulmaz ( I SVS = 0 ) ise, V değeri V 2 değerine yükselir. Sistem gerilimi azaldığı için eğer devreye SVS sokulursa, çalışma noktası SVS karakteristiği üzerinde yer alan C noktasına kayar, SVS akımı I SVS = I 4 (kapasitif), SVS bara gerilimi ise (SVS kontrol edilerek) V 4 değerinde sabit tutulur (sistem çalışma noktalarının SVS karakteristik eğrisi üzerinde olduğu unutulmamalıdır). Eğer SVS eğimi ( K SVS ) sıfır olsaydı, yukarıda bahsedilen her iki durum için de (V) sistem gerilimi V 0 değerinde sabit tutulacaktı. Şekil 3.8 Tesis içersine yerleştirilen SVS ye ilişkin üç ayrı yük karakteristiği

63 47 Şekil 4.8'de verilen karakteristiğe sahip bir sistemin reaktif güç kontrol aralığı daha da büyütülmek istenir ise şekil 3.8 (a)'da verilen devre modeli kullanılabilir. Şekil 4.8 (a)'da verilen 3 adet kapasiteden 2 tanesi anahtarlanabilir özelliktedir. Buradaki anahtarlar tristörler ya da başka açma kapama cihazları olabilir. Anahtarlanmayan kapasite ve buna seri bağlı bobin ise filtre amaçlı olarak kullanılmaktadır. Şekil 3.8 (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 şelfin) suseptansını değiştirerek amaçlarına ulaşırlar Tristör Kontrollü Reaktör (TKR) Şekil 4.9'da bir fazlı TKR yapısı gösterilmiştir. TKR alternatif akım kıyıcı ile buna seri bağlı bir bobinden oluşur. Şekil 4.9 Bir fazlı TKR yapısı TKR'ye uygulanan gerilim ve bobin akımı Şekil 4.10 (a)'da gösterilmiştir. Her bir tristör yönlerine bağlı olarak alternansın birisinde iletime geçebilir. Tetikleme açısı α,

64 48 her bir tristörün iletimde kalma süresi (açı miktarı) σ ile gösterilir ve tetikleme açısının başlangıcı gerilimin sıfırdan geçtiği nokta olarak alınırsa, şekil 3.10 (a)'da görüldüğü gibi bir tristörün maksimum süre iletimde kalabilmesi için α = 90 seçilmelidir (σ = 180 ) Şekil Çeşitli tetikleme açılarında tristör akım değişimi. Tetikleme açısı (α) artırıldıkça i(t) akımında kesintiler oluşur. Eğer α değeri 0 ile 90 arasında seçilirse i(t) akımı asimetrik olacağından doğru akım bileşeni de barındıracaktır. Bir tristörün akım iletme süresi (açısı); σ = 2(π - α) (4.3) olarak alınırsa, i(t) akımı iki farklı aralıkta farklı değerler alacaktır; V i( t ) = 2 (cos cos wt ) α < wt < α + σ X L i(t) = 0 α + σ < wt < α + π (4.4) i(t) akımının Fourier analizi yapılır ise ana harmonik akımı etkin değeri;

65 49 V σ sin σ I1 = (4.5) X L π olarak bulunur. Eş. 4.5 ifadesinde V; SVS bara gerilimi etkin değeri, X L ise bobinin ana frekanstaki reaktansıdır. Bu ifadede görüldüğü gibi σ açının azalması (dolayısı ile α açısının artması) durumunda ana harmonik akımı etkin değeri azalmaktadır. Bu durum tetikleme açısının artması ile birlikte bobinin etkin endüktans değerinin artması olarak da yorumlanabilir. Daha önce de belirtildiği gibi TKR suseptans değerini ayarlayan bir cihazdır. 4.5 Eş. nden etkin suseptans değeri (tetikleme açısının fonksiyonu olarak); I B( α ) = 1 V σ sin σ 2( π α ) + sin 2α = = π X L πx L (4.6) elde edilir. Bu suseptans tarafından üretilen reaktif güç değeri ise; 2 Q( α ) = B( α ). V (4.7) olur. (4.6) eşitliği incelendiğinde α = 90 için etkin suseptans değeri maksimum ( 1 X L ) iken, α = 180 için ise minimum (sıfır) olmaktadır. TKR içinde yer alan tristörlerin (yada başka yarıiletken elemanların) tetiklenmeleri için gerilimin sıfırdan geçtiği an, kontrol elemanları tarafından sürekli olarak takip edilir. Tetikleme açısı bu ana göre tanımlıdır. TKR sisteminin kontrol cevabı olarak istenen suseptans değeri kullanılabilir. Bazen bu değer yerine kontrol cevabı olarak hata sinyali de kullanılır. Böyle bir hata sinyaline örnek olarak ölçülen bara gerilimi ile olması gereken bara gerilimi arasındaki fark değer verilebilir. TKR'ye ilişkin V - I karakteristik eğrisi; V = Vref + X SVS I 1 (4.8) Şekil 4.11'de gösterilmiştir. Eş. 4.8 ifadesinde kullanılan kazancı ile saptanan reaktansa karşı gelir. X SVS değeri kontrol sistem

66 50 Şekil 4.11 TKR'ye ilişkin V - I karakteristik eğrisi. Şekil 4.11'de görüldüğü gibi (TKR karakteristiği ile sistem yük eğrisinin kesiştiği nokta) α = 120 için V bara gerilimi 1 (birim) değerinin az üstündedir. Diğer bir ifade ile mevcut yük durumu için α = 120 'de çalışılması durumunda TKR görevini yapmış ve bara gerilimi etkin değerini yaklaşık olarak 1 (birim) değerinde tutmuştur. Eğer Şekil 4.9 da verilen TKR devresine Şekil 4.10 (a)'da gösterildiği gibi sabit ve anahtarlanabilen kapasiteler paralel olarak bağlanırsa, TKR karakteristiği Şekil 4.10 (b)'de gösterildiği gibi genişleyerek kapasitif bölgeyi de içine alır. Böylece sistemin kompanze edebileceği yük değeri de artmış olur. Sabit kondansatörlü tristör kontrollü reaktör (SK-TKR) tipi kompanzatörler, endüstride, tristör kontrollü ve diğer lineer olmayan elemanların güç faktörünü düzeltmede yaygın olarak kullanılır. Tetikleme açısı 90 den 180 'ye doğru arttıkça akım dalga şekli sinüzoidal formdan daha çok uzaklaşır. Bu açıdan bakıldığında her bir TKR harmonik genaratörü olarak çalışır. Bir fazlı TKR'de tristörler asimetrik olarak tetiklenir ise i(t) akım harmonik analizinde ancak tek mertebeden harmoniklere rastlanır.

67 51 Şekil darbeli TKR yapısı Şekil darbeli TKR yapısı TKR üç fazlı sistemlerde de kullanılır. Şekil 4.12'de üç adet bir fazlı TKR'nin üçgen şeklinde bağlanması ile oluşan 6 darbeli TKR yapısı gösterilmiştir. Dengeli çalışma koşullarında 3 ve 3'ün katı harmonikler (3,6,9,..) kapalı olan üçgen sargı içinde dolaşır ve dışarı çıkamazlar. Bu nedenle hat akımlarında bu harmonikler gözükmezler. Şekil 4.12'de verilen devrede hat akımında 5. ve 7. harmonikler görülür. Bu harmonikleri yok etmek için şekil 3.12'de verilen iki adet eşit güçte TRK cihazı, iki sekonderli (biri üçgen diğeri yıldız bağlı) gerilim düşürücü transformatörün sekonder sargılarına şekil 4.13'de görüldüğü gibi bağlanabilir. Sekonder sargılara uygulanan gerilim fazörleri arasında ( - Y bağlama dolayısı ile) 30 lik faz farkı olduğu için transformatör primer devre hat akımlarından 5. ve 7. harmonik akım değerleri elimine olur. Böylece transformatörün primer hat akımında

68 52 en düşük seviyeden harmonik olarak 11. ve 13. harmoniklerle karşılaşılabilir. Şekil 3.13'de verilen sistem 12 darbeli TKR olarak adlandırılır. Bu yapıdaki harmonikler basit bir kapasitör sistemi ile filtre edilebilirler Tristör Anahtarlamalı Kapasitör (TAK) Şekil 3.14 (a)'da bir fazlı TAK yapısı gösterilmiştir. TAK alternatif akım kıyıcı ile buna seri bağlı bir kapasitörden oluşur. Birden fazla TAK yapışı (güçleri birbirine yaklaşık eşit seçilerek), aynı yük barasına paralel olarak bağlanırlar. Reaktif güç talebi arttıkça tristörler tetiklenerek ihtiyaç duyulan sayıda TAK devreye alınır. (a) (b) Şekil Bir fazlı TAK yapısı Şekil 3.14 (a)'da görülen ve tristörlere seri olarak bağlanan düşük değerli şelfin (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 4.14 (b)'de gösterilmiştir. Kapasitörlerin devreye sokulması küçük ya da büyük geçici dalgalanmalara yol açar. Bu dalgalanmalar kapasite ile dış sistem arasındaki rezonans frekansına bağlı olarak değişir. Devreye sokulurken aşırı gerilimlerin meydana gelmemesi için kapasiteler şebeke geriliminin tene değerine eşit değerde doğru gerilimle doldurulurlar. Kapasite üzerine uygulanan gerilim tepe değerine ulaştığında veya bu değere yakın noktada iken tristör tetiklenir. Böylece kapasite akımının minimum olduğu anda

69 53 tristör iletime sokulmuş olur. Aynı şekilde akımın sıfırdan geçtiği anda devreden çıkartılır. Böyle bir tetikleme yöntemi kullanılarak (açma-kapama) anlarında oluşan geçici olaylar ve aşın gerilimler önlenmiş olur. Şekil 4.15'de bara gerilimi, kapasite gerilimi ve 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 değerine ulaşılmış olur. Tam alternans kontrolünün en büyük üstünlüğü (gerilimin dalga şeklinin sinüs formunu değiştirmediği için) harmonik üretmemesidir. Şekil 4.15 TAK bara gerilimi, kapasite gerilimi ve kapasite akımı Şekil 4.16'da paralel bağlı TAK yapılan ve kontrolör gösterilmiştir. TAK'ın bağlandığı bara geriliminin (V), referans gerilim değerinden ( V ref ) her iki yönde sapma miktarı V/2 olarak alınmıştır. Devreye sokulan kapasitör miktarı V değerinin ± V/2 aralığında kalmasına bağlıdır. Kontrolör V değerini ölçer, eğer bu değer V ref ± V/2 aralığında kalabiliyor ise mevcut durumdaki TAK sayısını değiştirmez, aksi halde ilave kapasitörleri devreye alarak yada devreden çıkartarak V değerinin belirtilen gerilim aralığında ( V ref ± V/2) kalmasını sağlar.

70 54 Şekil 4.16 Paralel bağlı TAK yapıları ve kontrolör. Şekil 4.17'de TAK yapısının V-I karakteristiği gösterilmiştir. Bu karakteristikte iki farklı yük durumuna karşı gelen Y 1 ve Y 2 eğrileri görülmektedir. Bu iki eğriye bakarak TAK kontrol sisteminin süreksiz ve basamaklı olduğu söylenebilir. Eğer V gerilimi V ref µ V/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 dolay ısı ile paralel olarak "bağlanan kapasite sayısı azaltılır. Şekil (4.17) de görüldüğü gibi sistem TKR olmadığından, çalışma kapasitif bölgede gerçekleşmektedir. Şekil 4.17 TAK yapısının V - I karakteristiği Şekil 4.17'de görüldüğü gibi TAK sistemi A noktasında çalışıyorken Y 1 ile gösterilen yük durumu için C 1 kapasitörü devrede bulunmaktadır. Eğer (müşteride yük değişimi gibi) ani bir değişim olur ve sistem karakteristik eğrisi Y 2 'ye kayar ise,

71 55 bara gerilimi düşer ve sistemin yeni çalışma noktası B olur. B noktasına ulaşmak için ise C 2 kapasitörü de (tristörler kullanılarak) devreye alınmalıdır. Fakat B noktası kabul edilen bant aralığında olmadığından C 3 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 Tristör Anahtarlamalı Reaktör (TAR) Şekil açısından bakıldığında TAR yapısının TAK yapısından tek farkı TAK yapısındaki kapasitörlerin yerini TAR yapısında reaktörlerin almasıdır. TAR yapısının TKR yapısından farkı ise tristörlerin tetikleme açılarının değerleridir. TKR yapısında tristörler arasında tetiklenirken TAR yapısında sadece alternans başlarında (90 ) tetiklenir. Böylece harmonik problemi ortadan kalkar. Şekil 8.32'de verilen TAR yapısında, Şekil 4.18'te görüldüğü gibi (yeni yük durumunda) V değeri V ref µ V/2 bant aralığında kalmaz ise devreye yeni reaktör sokulur yada çıkarılır. Şekil fazlı TAR yapısının bir kutuplu gösterimi.

72 56 Şekil 4.19 Yeni yük durumunda V değeri Şekil 4.19'da verilen sistem yük eğrisinden farklı olarak yeni bir yük eğrisi ile karşılaşılır ise ortaya çıkan durum Şekil 4.17 de açıklanandan farklı olmayacaktır. Böyle bir durumda TAR yapısının yeni çalışma gerilimi V bant aralığında kalıncaya kadar, reaktörler devreye alınmaya ya da devreden çıkartılmaya devam edecektir. Bu tip kompanzasyonda sistemin gecikmesi yarım periyod mertebesindedir. Bu kompanzasyon türünün önemli bir problemi reaktörlerde meydana gelen kayıplardır Uygulamada Kullanılan SVS Sistemleri Şekil 4.20 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

73 57 kompanzasyon sisteminin bir araya getirilmeleri ile meydana gelir. Böyle bir yaklaşımın temel amacı SVS sistemine esneklik kazandırmak ve kontrolü daha hassas hale getirmektir. Şekil 4.20'de 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 birbirlerine 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. Şekil 4.21 a)'da sürekli hal çalışma koşulunda SVS yapısına ilişkin V-I karakteristiği, Şekil 4.21 b)'de ise Q-V karakteristiği verilmiştir. Bu karakteristiklerde (lineer kontrol bölgesinde) çalışma limitlerini TKR bobininin maksimum suseptans değeri ( B L max ) ve B C değerleri belirler. B C ; filtre içinde yer alan kapasitenin suseptans değeri ile devrede etkin durumda olan 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. Şekil 4.21 Q V karakteristiği

74 Doymuş Reaktör Endüksiyon kanununa göre demir çekirdekteki magnetik akı; Φ = v( t ) dt N (4.9) eşitliği ile hesaplanır. Yukarıdaki ifadede v(t) ; reaktörün uçları arasındaki gerilim değişimini, N; reaktörün sarım sayısını göstermektedir. E magnetik akı yoğunluğu (B) yarım periyod içinde doyma değerine ulaşır bobin reaktans değeri ani olarak düşer ve sıfıra doğru yaklaşır. Bu durun reaktör bağlı olduğu baradan büyük değerde endüktif akım çeker. Doy sona erdiğinde ise akım tekrar sıfıra yaklaşır. Eğer gerilimde bir artma ortaya çıkarsa doyma daha erken oluşmaya başlar. Bu durumda çekilen akım daha büyük olacaktır. Bunun anlamı baradan daha büyük reaktif çekileceğidir. Çekilen daha büyük reaktif güç değeri ise geriliminin artmasını önler. Böylece demir çekirdek otomatik bir şekilde gerilim ayarı yapmış olur. Doymalı reaktörde gecikme zamanı 1-2 periyod kadardır. Gerilim değiş reaktif güç değişimine göre daha yavaş olduğundan reaktif güç ayarı tristörlerle yapılan kadar mükemmel olamaz. Doymuş reaktörler çalışma prensipleri gereği elektronik kontrol düzeneğine ihtiyaç duymazlar. Doymuş reaktörlerin kayıpları büyük olduğu için bu kompanzasyon sisteminde ilave akım harmonikleri meydana gelir. Bunların en büyük sakıncası (kayıplarına ilave olarak) gürültülü çalışmalarıdır. Doymuş reaktör genellikle (kompanzasyon yapılan baraya) ayar transformatörü üzeri bağlanır. Doymuş reaktörün aşırı yüklenme kapasitesi; yalıtım gerilim değerine sargıların magnetik kuvvetlere dayanma gücüne ve akımın oluşturacağı ısı gücüne dayanma miktarına bağlıdır. Çizelge 4.1'de çeşitli reaktif kompanzasyon cihazlarının enerji sistemlerinde kullanılmaları durumunda ortaya çıkan olumlu ve olumsuz yönleri karşılaştırılmıştır.

75 59 Çizelge 4.1 Çeşitli reaktif kompanzasyon cihazlarının karşılaştırılması Kompanzasyon cihazı Anahtarlanabilir şönt reaktör Olumlu özellikleri Çalışma prensibi basit, yerleştirilmesi kolaydır. Olumsuz Değişik reaktif güç değerlerine ayarlanamaz. Anahtarlanabilir şönt kapasitör Çalışma prensibi basit, yerleştirilmesi kolaydır. Değişik reaktif güç değerlerine ayarlanamaz, devreye alırken geçici olaylar meydana gelir. Seri kapasitör Çalışma prensibi basit, performansı konulduğu yere göre değişmez Aşırı gerilimlere karşı korunması gerekir, harmonik etkisine karşı filtre ihtiyacı vardır, hattın aşırı yüklenme kapasitesini azaltır. Senkron motor Düşük harmonik üretir, geniş bir kontrol aralığı vardır, aşırı yüklenebilir. Bakım gerekir, cevap süresi yavaştır, performansı konulduğu yere göre değişir. Doymalı reaktör Aşırı yüklenme kapasitesi büyüktür, hata akımı üzerine olumsuz etkisi olmaz, düşük harmoniklidir, bakım gerektirmez Çoğunlukla sabit değerlidir, performansı yerleştiği yere göre değişir, sesli çalışır. TKR Hızlı cevap verebilme özelliği vardır, kontrol aralığı çok büyüktür, hata akımına olumsuz etkisi olmaz. Harmonik üretir, performansı yerleştirildiği yere göre değişir.

76 60 5. KOMPANZASYON HESABI İyi bir kompanzasyon yapabilmenin iki önemli koşulu gereken kondansatör gücünün dikkatli saptanması ve kondansatör adımları ile akım trafosunun doğru seçimidir. Aşağıda bu değerlerin doğru seçimi için pratik bir yöntem bir örnek ile açıklanmıştır. Uygulamada ise ENTES R-G 5A Kompanzasyon Rölesi kullanılmıştır. 5.1.Gerekli Kondansatör Gücünün Seçimi: Gerekli kondansatör gücünün tayini için tesisin cos ϕ sinin ve kurulu aktif gücünün bilinmesi gerekmektedir. Tesisin cos ϕ si pratik olarak faturalardan bulunur. O dönemde harcana aktif ve reaktif enerji bilindiğine göre tan ϕ= harcana reaktif enerji/aktif enerji buradan cos ϕ bulunur. Tesisin kurulu aktif gücü ise, tesisteki tüm alıcıların (motorlar, aydınlatma elemanları, fırın rezistansları vb ) etiketleri üzerindeki güçler toplanarak belirlenir. Örnek olarak: Tesisimizin aktif gücü 60 KW cos ϕ= 0.68 olsun. Hedefimiz cos ϕ yi 0.95 çıkartmaktır bunun için aşağıdaki Çizelge 5.1 den yararlanarak K değerini bulup aktif güçle çarparak Kvar olarak kullanılacak kondansatör değerini buluruz. Bu ifadeyi formüle dökersek ; Q C = P* K (5.1) Tablodan K değeri 0.75 bulunur. Q C = 60*0,75 = 45 Kvar bulunur.

77 61 Çizelge 5.1 K katsayı tablosu Şimdiki Cos ϕ Ulaşılmak İstenen Cos ϕ Kondansatör Adımının Tayini Dikkat edilmesi gereken en önemli husus 1. Adımda seçilen kondansatör değeri diğer adımlardakilerden daha küçük seçilmelidir. Yukarıdaki örnekte 45 Kvar lık kondansatör ile yapılacak kompanzasyon panosunda 5 kademeli röle kullanılması durumunda adımlar aşağıdaki gibi olmalıdır,

78 62 1. kademe 5 Kvar 2. kademe 10 Kvar 3. kademe 10 Kvar 4. kademe 10 Kvar 5. kademe 10 Kvar 5.3. Akım Trafosunun Tayini Akım trafolarından etiketlerinde yazılı akım değerlerinin 0.1 katından çok 1.2 katından az akım geçtiğinde hatasız çalışırlar. Bu nedenle akım trafoları ne çok büyük ne de çok küçük seçilmelidir. Örnek tesiste güç 60 KW çalışma gerilimi 380 V ise işletmenin nominal akımı U * 1, 73 I = = 6, 35A 60 Bu formülden elde edilen akım değerlerine en yakın bir üst standart akım trafosu seçilir. Örnekte 100:5 lik trafo kullanmak yeterlidir Reaktif Rölenin Bağlanması Röleyi bağlamadan önce Şekil 5.1 deki bağlantıyı dikkatle inceleyiniz. Akım trafosunu ana şalter çıkışına veya ana giriş sigortalarından birinin ayağına bağlayınız. En çok karşılaşılan hata, akım trafosunun kompanzasyon panosundan sonra bağlanmasıdır. Bu durumda röle çalışmaz. Akım trafosu daima kondansatörlerden önce ve işletmenin ilk girişine bağlanmalıdır. Ayrıca akım trafosundan çıkan telleri en kısa yoldan (panonun demir aksamına ve diğer kablolara sarmadan) tercihen 2x1.5 TTR kablo kullanarak rölenin 1 ve 2 nolu uçlarına bağlayınız. Akım trafosunun bağlı olduğu faz R olsun. Rölenin 4 ve 5. nolu klemenslerine mutlaka diğer iki fazı yani S ve T bağlayınız.

79 63 Bağlantı şeması aşağıda gösterilmiştir. Şekil 5.1 Bağlantı şeması 5.5. Reaktif Rölenin İşletmeye Alınması % ayar düğmesini 0.50 ye getiriniz. Röleyi otomatik konumuna alınız. C/k ayar düğmesini 0.05 e alınız. Devreye indüktif bir yük (örneğin motor) alınız. Röle üzerindeki ind ışığı yanmalıdır. Kap yanıyorsa 4 ve 5 nolu uçları ters çeviriniz. Bundan sonra geriye kalan tek işlem c/k ayarının düzgün olarak yapılmasıdır. Buradaki oranda c: 1. Adımdaki kondansatör gücünü k: akım trafosunun çevirme oranını göstermektedir. Örneğimizde bu oran; c k 5 = = 0, / 5 Bulunur ve bu ayar 0.25 e getirilir. Aşağıdaki tabloda c/k ayarı için seçim tablosu görünmektedir.

80 64 Çizelge 5.2 c/k ayarı için seçim tablosu Akım 1. kademedeki kondansatör gücü trafosu / / / / / / / / / / / / Olabilecek Sorunlar Arıza: Röle sürekli kondansatör alıyor. cos ϕ metre kapasitif gösterdiği halde çıkarmıyor. Sebepleri: Kondansatör panosunu besleyen güç kablosu akım trafosundan önce alınmıştır. Rölenin 4 ve 5 nolu klemenslerine akım trafosunun bağlı olmadığı diğer iki faz yerine(s T) akım trafosunun bağlı bulunduğu faz (R) bağlanmıştır. Bu durumda ind veya kap ledlerinden biri sürekli yanar ve röle devreye sürekli kondansatör alır veya çıkarır. Arıza : Röle çalışıyor. Kademelerin devreye girdiği röle üzerindeki ışıklardan belli oluyor. Kontaktörler çekiyor fakat Cos ϕ yükselmiyor ve röle kondansatör almak istiyor.

81 65 Sebepleri: Kondansatör sigortaları atmıştır. Kontaktör kontakları kirlenmiştir. Kondansatörler değer kaybetmiştir

82 66 6. GÜÇ SİSTEMLERİNDE SİNÜSOİDAL OLMAYAN ELEKTRİKSEL BÜYÜKLERLE İLGİLİ TANIMLAR VE TEMEL BAĞINTILAR İdeal olarak bir elektrik güç siteminde tüketiciye sabit gerilim ve frekansta enerji verilmeli, gerilimin dalga şekli sinüs formunda olmalıdır. Ancak güç sistemlerinde sayıları günden güne artan gerilim akım karakteristikleri nedeniyle nonlinear yük olarak tanımlanan; HVDC sistemleri, akü şarj devreleri, kontrollü doğrultucular ve ark fırınları gibi özel karakteristikli yükler şebekeden bozulmuş sinüs formunda (distorsiyonlu) akım çekerler. Bu sinozoydal olmayan akımlar şebeke geriliminin de dalga şeklini bozarlar ve sonuç olarak nonlineer yük akımları ve şebeke gerilimleri temel bileşen olarak tanımlanan, frekansı (sistemin sinozoydal sürekli halde kararlı çalışmak üzere dizayn edildiği) temel frekansa denk olan bileşenden başka frekansı temel frekansın tam katları olan harmonik bileşenleri de içerirler [Dugan vd, 1996]. 6.1.Harmonikler Harmonik nedir? Enerji dağıtım sistemlerinde sinüs formundaki bir gerilim kaynağı yarı iletken bir teknolojiye sahip bir sisteme uygulanırsa (DC veya AC sürücü, UPS vb), sistemin vereceği akım cevabı kare dalga şeklinde olacaktır. Sinüs formunda ve sistem empedansı oranında genliğe sahip olması gereken bu akım dalga şeklinin kare dalga olmasının nedeni içerdiği temel şebeke frekansı (50 Hz) dışındaki diğer sinüs formundaki bu akımlara Harmonik denir. Şekil 6.1 Harmonikler sonucu bozulmuş akım dalga şekli

83 Sistemimizde harmonikler olduğunu nasıl anlarız? En iyi metot arızalara ihtimal vermeden sistemde harmonik ölçümü yapılmasıdır. Eğer ki aşağıdaki sorunları yasıyor iseniz sisteminizde harmonikler var demektir, derhal sisteminizin harmonik ölçümleri yaptırınız. Çok sık kondansatör ve ilgili ekipmanını değiştirmek zorunda kalıyorsanız, Besleme şalterleri rezonans olayları ile belirsiz zamanda açma yaparak işletmeyi durduruyor ise, Ölçüm cihazları hatalı ölçüm yapıyorlarsa, Nötr kablosu çok yükleniyor ve ısınıyorsa Harmonikler ne seviyede ise problem var demektir? Ana dağıtım panosunda yapılan ölçümlerde gerilim harmonigi %3 ila %5 ve akım harmonigi %10 ila %12 değerlerinin üzerinde ise önlem alınmalıdır. Dikkat edilmelidir ki, ana dağıtım panosu gücü yüksek olduğundan yüzdesel değer düşük olabilir. Ancak tali panoda harmonik değerleri yüksek olabilir. Örneğin, 200A akımı olan bir tali panoda akım harmonigi %50 ise ana dağıtım panosunda 1000A ana akımda %10 harmonik ölçülür. Dolayısıyla sadece ana dağıtım panosunda ölçüm yapmak yanıltıcı olacaktır zira tali panoda harmonik problemi vardır Harmoniklerin sistemimize zararları nelerdir? Rezonans oluşur ve kompanzasyon tesisatı zarar görür. Besleme şalterleri rezonans olayları ile belirsiz zamanda açma yaparak isletmeyi durdurur. Elektronik cihazlar olumsuz etkilenir. Motorlar ve kablolarının kayıpları artar ve aşırı ısınmalara neden olur. Yalıtımı zayıflatarak tesis elemanlarının ömürlerini kısaltır. Nötr kablosu yüklenir ve ısınır.

84 68 Kondansatörlerin ve ilgili teçhizatlarının ömürleri kısalır. Ölçüm cihazları hatalı ölçüm yaparlar. CNC tezgâhlarının elektronik kartları arızalanır. Sıfır noktasına bağlı çalışan kumanda devreleri yanlış çalışır. Kayıplar artar S = P + Q + D D: Harmonik Bozulmama Gücü Harmonik filtreli kompanzasyon panosunun sistemimize ne faydası olacaktır? Rezonans ihtimali ortadan kalkar. Harmonik akımlarının artısını engeller. Kondansatörlerin ve kontaktörlerinin arızalanmasını önler. Bakım maliyeti azalır ve kondansatörlerin değer kaybetmesinden dolayı reaktif ücret ödeme riskini ortadan kaldırır. Kondansatörlerin ömrünü uzatır. Dağıtım sisteminin besleme şalterlerinin gereksiz açmaları ile istenmeyen üretim durmalarını engeller Harmonik filtreli kompanzasyon panosu tesis edildiğinde harmonikler yok olacak mıdır? Hayır. Ancak kompanzasyon tesisatının devreye girmesi ile oluşan artısın önüne geçilecektir ve oranlarında azalma olacaktır. En önemlisi rezonanslar olamayacaktır. Örneğin: Trafo gücü : 1600kVA Kısa devre gerilimi : %6 0,4kV baradaki kısa devre gücü : 24MVA Kondansatör gücü : 950kVar

85 69 Rezonans frekansı f R = 50Hz * S K / QC Rezonans frekansı 6 3 f R = 50 Hz* 24* 10 / 950* 10 Rezonans frekansı f R = 251Hz Eğer Sistemde 5. Harmonik varsa, 250Hz bulunduğu için rezonans gerçekleşecektir. Bu sisteme harmonik filtreli kompanzasyon tesis edildiğinde rezonans ihtimali ortadan kalkacaktır. Şekil 6.2 Bağlantı şeması Neden 400V kondansatör kullanamıyoruz? Reaktörlü bir tesisatta reaktör faktörüne, ayar frekansına orantılı olarak kondansatör klemensinde gerilim artarak 400V un üzerine çıkmaktadır. U c U n = (6.1) 1 ( p) p : reaktör faktörü

86 70 U C : kondansatör gerilimi 10kVar 525V kondansatör kullanıldığı takdirde p = 5,67% reaktör faktörü olan bir tesisatta 400V ta elde edeceğimiz etken değer 6,15 kvar olacaktır. Her zaman etken değer dikkate alınmalıdır Statik kompanzasyon panosu işletmemiz için gerekli midir? Statik kompenzasyon panosunda kontaktör yerine tristör şalteri kullanılmaktadır. Böyle bir pano uygulaması eğer tesis yükünün büyük bir kısmı sık devreye girip çıkan cihazlardan mesela punta kaynak makinelerinden oluşuyor ise uygundur Giriş koruma reaktörü etkisi nedir? Harmonik üreten bir cihazın girişine seri olarak bağlandığında cihazın ürettiği harmoniklerin şebekeye iletilmesini engeller çünkü endüktans yapısı gereği bir tıkaçtır. Harmonikleri azaltılmasının yanı sıra gerilim sivrilerini yumuşattığından dolayı cihazların korunması yönünden de kullanılır. En ekonomik uygulamadır, maliyetleri cihaz değerinin yaklaşık %5 tutarındadır. Avrupa firmaları genelde %4 empedans değerinde karar kılmışlardır., Aşağıdaki tabloda hız kontrol cihazının önüne reaktör bağlanması durumunda harmonik değerlerindeki azalma verilmiştir.

87 71 Çizelge 6.1. Harmonik sırasına göre giriş empedansı Harmonik sırası % 0,25 reaktans Giriş Empedansı % 3 reaktans % 5 reaktans % 3 Dc sok + % 5 Ac reaktör 5 102% 39% 32% 27% 7 92% 17% 12% 9% 11 26% 7% 5,80% 4,50% 13 14% 5% 3,90% 3,20% 17 10% 3% 2,20% 1,80% 19 8,50% 2,20% 1,70% 1,40% 23 7% 1,50% 1% 0,80% 25 3% 1% 0,90% 0,80% % THD - I 141% 44% 35% 29% Giriş koruma reaktörüne yinede ihtiyacımız var mı? Evet vardır. Harmonikler 100Hz (2. Harmonik) ile 2kHz (40. Harmonik) aralığındadır. EMI (Elektromanyetik Girişim) Genliği 100mV ile 100V, frekansı 10kHz ile 1GHz aralığında olan küçük enerjili bir bozucu dalgadır. Hız kontrol cihazlarının üzerlerindeki filtreler EMI filtreleridir. Harmoniklere hiçbir etkileri yoktur Öneriler Sisteminizde doğrusal olmayan yükleriniz (hız kontrol cihazı, DC motor, vb ) olması halinde kondansatörleriniz sık arızalanıyor ise, nedeni tespit edilemeyen arızalarınız varsa, sistem makineleriniz da ve kablo tavalarınızda aşırı sesler oluşuyor ise derhal harmonik ölçümü yapılarak kompanzasyon tesisatının filtreli hale getirilmesi, doğrusal olmayan yüklerin önüne giriş koruma reaktörleri monte edilmesi gereklidir.

88 72 Şekil 6.3 Montaj şeması 1. Bütün tesisler modernleştiği için yeni tesisatlarda çifte yatırımı engellemek için baslangıçta harmonik filtreli kompanzasyon olması gereklidir. Aksi halde ileriki tarihlerde kompanzasyon tesisatı harmonik filtreli kompanzasyon tesisatına dönüştürülmekte ve çifte masraf yapılmaktadır. 2. Elektrik reaktif enerji tarifesinin güç faktörünü 0,95 talebini gerçekleştirebilmek için 0,98 hedef alınmaktadır. Kademeli reglaj ile güç faktörü 1 değerine yaklaşmaktadır ve rezonans ihtimali artmaktadır. Bu nedenle harmonik filtreli kompanzasyon tesis edilmesini öneriyoruz. 3. Aynı trafodan beslenen bir tesiste filtreli ve filtresiz kompanzasyon kademelerinin beraber kullanılmaması gereklidir. 4. Kompanzasyon panosunda kondansatör kontaktörü ve tam kapalı sigortalı yük kesici şalter kullanılmalıdır. Kompanzasyon panosunun iyi havalandırılması çok önemlidir. 5. Kondansatörlerin gerilim değerini arttırarak harmonik sorununun çözümleneceği ile ilgili yanlış bir kanı vardır. Harmonik problemi olan bir isletmede kondansatörler akım artmasından dolayı ömür yitirmektedirler. Standartlar gereği bir kondansatörün dayanması gereken akım değeri 1,3 dir. Harmonik olan bir tesisatta kondansatör akım değerleri 1,3 değerinin çok üzerine çıkar. Markası, kalitesi, gerilim seviyesi ne olursa olsun kondansatör kısa sürede ömür yitirecektir. Harmonik filtreli

89 73 kompanzasyon panosu tesis edilmelidir. 6. Harmonik filtreli kompanzasyon tesisatında kullanılacak reaktörler indüktivite mh degeri o kademede kullanılacak kondenzatörlerin değerine ve reaktör faktörüne göre hesap edilmelidir. Bunun yanı sıra harmonikler ile akım artmasında indüktivite değerlerini korumaları için 1,8In ila 2,0In akımlara kadar doğrusal olmalıdırlar. Bunun için demir çekirdeğin aynı oranda büyük seçilmesi gereklidir. Böylece akımın artması halinde reaktör mh değerini kaybetmeyecek ve ayarlanmış olan frekansın dışındaki bir rezonans frekansına kaymayacaktır. Ayar her türlü koşulda bozulmamalıdır, herhangi bir aşırı durumda reaktörün orta fazındaki termostat sistemi devreden çıkartmalıdır. 7. Reaktörler yönlendirilmiş silisli trafo saçından imal edilmiş ve manyetik kuvvetlerde ses üretmemesi ve izolasyonun dayanıklı olması için özel vakum polyester vernikli olması gereklidir. 8. Hız kontrol cihazının ürettiği harmonikleri şebekeye vermemesi için girişine koruma reaktörü bağlanması kesindir, bunun yanı sıra hız kontrol cihazının sürdüğü motorunda korunması gereklidir. Motorun izolasyonunun ve rulman yataklarının korunması, kablo yükünün azaltılması gereklidir. Bu konu bilhassa motor besleme kablosunun 25m yi geçtiği durumlarda önem kazanmaktadır. Darbe genişlik modülasyonunun ( PWM ) motora etkisini azaltmak için hız kontrol cihazının çıkısına motor koruma reaktörü monte edilmelidir.

90 74 Şekil 6.4 Motor klemensindeki gerilim dalga şekli 9. Hız kontrol cihazının ürettiği harmonikleri azaltmak ve cihazın daha sıhhatli çalışmasını temin etmek için DC barasına düzeltme ( smoothing ) reaktörleri kullanılmalıdır. İdeal bağlantı şekli: Şekil 6.5 İdeal bağlantı şekli

91 75 Harmonik seviyeleri; Yukarıda bahsedilen yarı iletken teknolojiye sahip olan bir cihazın üreteceği harmonik akımların hangileri ve hangi mertebelerde olduğu bu cihazın pulse sayısına yani içerdiği tristör veya diyot gibi elemanların adetlerine bağlıdır. Günümüz 3 fazlı elektrik teknolojisinde diyot tristörler bir cihaz içerisinde 6 adet yada 12 adet kullanılarak 6 pulse veya 12 pulse sistemler olarak adlandırılırlar. 6 pulse bir sistem için; n = h* q ±1 (6.2) h : pulse sayısı q : sıra ile ilerleyen tamsayı olmak üzere; Örneğin 6 pulse bir sistem; n = 6*1+1 = 5 ve 7 n = 6*2+1 = 11 ve 13 n = 6*3+1 = 17 ve 19 gibi harmonik akımlar üretecektir. Harmonik sebepleri; Elektrik makinelerindeki diş ve olukların meydana getirdiği harmonikler, Senkron makinelerde ani yük değişimlerinin manyetik akı dalga şekillerindeki bozulmalar, Çıkık kutuplu senkron makinelerde hava aralığındaki relüktans değişiminin oluşturduğu harmonikler, Doyma bölgesinde çalışan transformatör mıknatıslanma akımları, İndüksiyon ısıtma, Kesintisiz güç kaynakları, Statik VAr generatörleri, Motor hız kontrol düzenleri, Doğru akım ile enerji nakli (HVDC), Enerji tasarruf amacıyla kullanılan aygıt ve yöntemler,

92 76 Senkron makinelerinin hava aralığı döner alanın harmonikleri, Şebekedeki nonlineer yükler; doğrultucular, eviriciler, kaynak makineleri, ark fırınları, gerilim regülatörleri, frekans çeviriciler, v.b Deşarj lambaları Direkt frekans çeviriciyle beslenen momenti büyük hızı küçük motorlar, Gelecekte elektrikli taşıtların yaygınlaşması ve bunların akü şarj devrelerinin etkileri Akü şarj sistemleri Harmonik kaynakları; Transformatörler Döner makineler Güç elektroniği elemanları Doğru akımla enerji nakli (HVDC) Statik VAr generatörleri Ark fırınları Kesintisiz güç kaynakları Gaz deşarjlı aydınlatma Elektronik balastlar Fotovoltaik sistemler Bilgisayarlar [ABB] 6.2. Harmoniklerin Enerji Sistemine Etkileri Harmoniklerin enerji sistemlerinde varlığı, sinüsoidal formdaki akım ve gerilim dalga şekillerindeki bozulmalar ile anlaşılır. Harmoniklerin enerji sistemlerinde yol açtığı genel olarak şu şekilde sıralanabilir [IEEE Working Group on Power System Harmonics, 1983]. Generatör ve şebeke geriliminin dalga şeklinin sinüs formundan sapması nedeniyle tüketicilerin çalışma koşullarının bozulması Enerji sistemi elemanlarında ve yüklerde harmonikler nedeniyle ilave kayıpların

93 77 oluşması Akımın harmonik bileşenleri nedeniyle gerilim düşümünün artması Temel frekans için tasarlanmış kompanzasyon tesislerindeki kondansatörlerin harmonik frekanslarındaki düşük kapasitif reaktans göstermeleri nedeniyle aşırı yüklenmeleri ve dielektrik zorlanma ile hasar görmeleri Senkron ve asenkron motorlarda salınımların meydana gelmesi ve bu nedenle aşırı ısınmaları Koruma sistemlerinin harmonikler nedeniyle hatalı çalışması Kontrol sistemlerinde hatalı çalışmalar Endüksiyon tipi sayaçların yanlış ölçüm yapmaları, İzolasyon malzemesinin delinmesi, Temel frekansta rezonanas olayı olmadığı halde, harmonik frekanslarında şebekede rezonans olaylarının meydana gelmesi ve aşırı gerilim yada akımların oluşması 6.3 Harmoniklerin Kayıplara Etkisi Bilindiği gibi bir iletkenin direnci R ve iletkenden geçen akımın efektif değeri I ise, bu iletkendeki güç kaybı; 2 P k = R* I (6.18) olarak tanımlanır. Bir nonlineer yük akımının efektif değeri; I = N 2 I n n= 1 (6.19) bağıntısıyla hesaplandığına göre, bu durumda R 1 iletkenin temel frekans direnci ve R n iletkenin n. harmonik frekanstaki direnci olmak üzere, iletkendeki güç kaybı; Pk N 2 2 = R* I1 + Rn * I n (6.20) n= 2

94 78 olarak tanımlanır [Yumurtacı, 1997]. Bu eşitlikte görüldüğü gibi, harmonik akımların genliği arttıkça, harmonik akım bileşenleri nedeniyle oluşan ek kayıplar da artmaktadır. Buraya kadar bahsedilen kısımda, güç sistemlerinin nonsinüsoidal akıma bağlı kayıplar ifade edildi. Sistemde gerilime bağlı olarak oluşan kayıplar ise, elektrik makinalarının demir kayıplarıyla kondansatörlerin dielektrik kayıplarıdır. Gerilimin nonsinüsoidal olması, başka bir deyişle harmonik bileşenleri içermesi halinde de harmonikler nedeniyle ek kayıplar oluşur. Magnetik çekirdekli bir elemanda (motor, transformatör, self vb) meydana gelen demir kayıpları, bu elemana uygulanan gerilimin efektif değeri, V = N 2 V n n= 1 (6.21) olmak üzere, Pfe N 2 2 Cm * V = Cm * Vn n= 1 (6.22) olarak hesaplanır. 1 tan δ = rωc (6.23) ise kayıp faktörüdür. ω = 2πnf1 ile hesaplanan n. harmonik için açısal frekans olup, V n ise, n. harmonik geriliminin efektif değeridir. 6.4 Rezonans Harmonik akımlar şebeke empedansı üzerinde ohm yasasına göre harmonik gerilim endükler. Elbetteki bu oluşan gerilim distorsiyonunun değeri üretilen harmonik akımın değerine bağlı olduğu kadar ilgili şebekenin empedansına da bağlıdır. İlgili şebekede toplam empedansı oluşturan iki temel ve birbirine paralel empedans göz ününe alınmalıdır. Bunlardan birincisi Trafo empedansı olan;

95 79 Z tr = WL (6.24) ve kompanzasyon sisteminin empedansı olan Z k = 1 dir. (6.25) WC Bu iki empedansın paralel devresinin toplam empedansı; WL Z top = (6.26) 2 ( 1 W LC) olarak hesaplanır. Bu eşitlikle ifade edilen paralel empedansın paydasındaki 1 W 2 LC değeri sıfır olursa sistem ilgili frekans için teorik olarak sonsuz empedans seviyesine ulaşır. Bu duruma Paralel Rezonans denir. Teorik uygulamalarda sonsuz büyüklükteki empedans demek olan bu değer pratik uygulamalarda üretilen harmonik akımlarının 3 ila 6 katı arasında amplifiye olmasına neden olur. bu durumda harmonikler trafo hattı için ve kompanzasyon sistemi için en tehlikeli boyutlara yükselir. Artık yukarıda belirtilen standart üretimler (5. harmonik için %20 vb) söz konusu değildir. Bu değerler devreye giren kompanzasyon miktarına bağlı olarak %100 değerine kadar yükselebilir. Devreye giren kondansatör gücü arttıkça rezonans frekansı 5 ve 7 gibi düşük frekanslı harmonik noktalara doğru ilerler. Ancak unutulmaması gereken nokta rezonans frekansı hangi harmonik bileşene gelirse o harmonik sistem için en tehlikeli harmonik haline gelir. Bu nedenle sistemde üretilen hiçbir harmonik frekansı için rezonansa izin verilmemelidir. 6.5 Harmonik Filtrasyon Ve Reaktif Güç Bedeli Harmonik filtrasyon Yukarıda bahsedildiği üzere rezonansa engel olmak harmonik filtrasyonun ön koşuludur. Bunu yapabilmek için kondansatör grupları reaktörler ile desteklenmeli ve bu iki devre elemanıyla bir odaklanma frekansı elde edilmelidir. Bu frekans şebekede var olan en düşük frekanslı harmonik akımın bir geri noktası olmalıdır.

96 80 Tipik 3 fazlı sistemlerde oluşan harmonik seviyenin daha önce de bahsedildiği gibi 5. harmonikten (250 Hz) başlayacak olması bu odaklanma frekansının 189 ila 223 Hz aralığında olmasını gerektirecektir Harmonik kaynaklı reaktif güç bedeli Enerji dağıtım sistemlerinde temel şebeke frekansındaki akım ile gerilim arasındaki faz farkını işaret eden büyüklüğe cos ϕ denir ve bu değer bir endüstriyel hattın enerji aldığı üreticiye ödeyeceği reaktif güç bedelini belirler. Döner telli konvansiyonel elektrik sayaçlarıyla faturalandırma yapan sistemlerde durum yukarıda bahsedildiği gibidir. Ancak son yıllarda kanunla da zorunlu olan dijital sayaçlara geçilmesiyle bu durum farklılık göstermiştir. Zira dijital sayaçlarda güç faktörüyle bilinen yukarıdaki değerin hesaplanması için sadece temel şebeke frekansındaki akım ve gerilim arasındaki açıya bakılmaz, harmonik denilen diğer frekanslardaki akım ve gerilimin etkisi de göz önüne alınır. Buna Power Factor denir. Kısaca Power Factor, cos ϕ değerinden farklı olarak, harmonikler dahil olan akım ile harmonikler dahil olan gerilim arasındaki faz farkıdır. Bu iki değer arasında harmonikli ortamlarda aşağıdaki formül kadar bir fark oluşur. PF = µ * cos ϕ µ = 1 2 [ 1+ ( THD( I )) ] (6.27) Örnek olarak dijital sayaç kullanan ve şebekesinde THD(I) = %30 seviyelerinde harmonik akımı olan bir tüketici µ = 1 2 [ 1+ ( 0. 3 ) ] = PF = x0. 96 = cos ϕ= 0.96 değerine sahipken; değerinde bir güç faktörüne sahip olacaktır. Bunun temel sonucu olarak döner telli bir sayaçtan dijital sayaca geçmesiyle aynı yük ve kondansatör sistemiyle daha önce ödemediği reaktif güç bedelini ceza olarak ödeyecektir.

97 81 7. ÖRNEK UYGULAMA, 2620 KVA KURULU GÜCE SAHİP BİR TESİSİN PLC KONTROLLÜ REAKTİF GÜÇ SİMİLASYONU 7.1. Tesis İle İlgili Bilgiler Simülasyonu yapılan tesis bir BCF (Bulked Continos Filament) tesisidir. Polypropilen hammaddeden, halı ipliği üretmektedir. Kullanılan hammadde Karbon Hidrojen (C H) den oluşan bir bileşiktir. Görünümü kırık pirince benzer ve 245 derecede eritilir. Üretim aşaması 8 safhadan oluşur; Dozajlama Extrüder Düze Yağlama Çekme Tekstüre Puntalama Sarım Şekil 7.1. Tesisin görünümü

98 82 Safhalardan kısaca bahsetmek gerekirse; Dozajlama (meetering) Hammadde ve boyanın istenilen oranda karıştırıldığı bölümdür. Dozajlama ünitesine boyanın yüzdesi girilir ve gravemetrik olarak dozajlama gerçekleşir. Şekil 7.2. Dozajlama ünitesi Ekstrüder (Mixer) Dozajlamadan gelen karışım extrüdere dökülür. Extrüderin içinde yüksek dereceli dirençler vardır. Bu dirençler karışımı 245 derecede eriterek polimer haline getirir ve aynı zamanda bir mikser gibi karıştırır Düze Extrüderden gelen sıcak erimiş polimer düze adı verilen kalıplardan geçirilir. Bu kalıplardaki delik sayısı iplikteki filament sayısını verir. Deliğin şeklide filament şeklini verir.

99 83 Şekil.7.3. Düze kalıplarının büyütülmüş çizimi Örnek olarak göstermek gerekirse kalıpların içindeki deliklerin mikroskobik görüntüsü yıldız şeklindedir. Böylece filamentler birbirine geçerek dağılmaları önlenir. Buradan aşağı inen polimer soğutularak çekme işlemine verilir Yağlama (Lubrication) Çekme işlemi başlamadan önce ipliğe mukavemet ve hacim kazandırması açısından Spin finish yağı verilir Çekim (Draw) Tam olarak soğumamış akışkan iplik çekim silindirlerine (Godet) sarılarak istenilen oranda çekime tabi tutulur. Çekme işlemi farklı hızlarda dönen silindirler (Godet) mümkündür. Şekil 7.4. Çekim, tekstüre ve puntalama bölgesi Tekstüre Çekim işleminden çıkan iplik hacimlendirilmek üzere tekstüre jetine girer ve tekstüre odacıklarında kıvrım verilir.

100 84 Şekil 7.5 Tekstüre lamelleri Puntalama Tekstüreden çıkan kıvırcıklandırılmış iplik puntalama jetine girer. Burada kompresörden gelen hava yardımıyla yüksek basınçta belirli aralıklarla iplik puntalanır. Puntalanan iplik daha düzenli ve bitişik durur. Şekil 7.6. Puntalama jeti

101 Sarım İpliğin son aşamasıdır. Winder denilen sarım aygıtı sayesinde istenilen metre veya kg olarak bobinlere sarılır. Şekil 7.7. Sarım ünitesi (Winder) 7.2. Tesisin Gücü Hakkında Bilgiler Çizelge 7.1 Tesis ünitelerinin aktif güçleri LİNE SEGMENT AV. CONSUMPTİON (KW) Extruder drive 168 Extruder Heating 76 Spin Pumps 9 Main Desk 2,5 Dowterm Heating 43 Fans and Quench 85 Texturing Machine + Winder 169,5 Texturing Machine Heating 97 Sum Heating 216 Sum Drive 434 SUM TOTAL 650

102 Simülasyon Tesisimizin simülasyonunu yapmak için DELTA LCD programlanabilir ekran ve DELTA DVP-12SA isim ve modele sahip PLC den faydalandık. Simülasyonun amacı ekrandan girilen değerlere (parametre) göre hesap yapmak ve yapılan hesabın neticesinde farklı yüklerde tesis için gerekli olan kapasitif gücü ve gerekli kondansatör sayısını bulmaktır. Ekrandan girilen parametreler bahsedilirse; Kurulu güç (S): İşletmemizin kurulu gücüdür. Elektrik dağıtım kurumu tarafından karşılıklı belirlenmiştir. S harfi ile gösterilir ve birimi (KVA) dır. Frekans (f): Enterkonnekte şebekede sabit olan ulusal frekanstır ve birimi (Hz) dir. İşletme aracı yükleri (P): İşletme içersinde aktif olan araçların toplam aktif gücüdür. Birimi (KW) dir. Gerilim (V): işletme gerilimidir. Değeri sabittir, birimi (Volt) İstenilen cos ϕ: Ulaşmak istediğimiz güç faktörüdür. Güç faktörünü elimizden geldiğince 1 yapmaya, aradaki açıyı da sıfır yapmaya gayret ederiz. Mevcut faktörüdür. cos ϕ: tesisimizdeki ölçü aletlerini ölçtüğü kompanzasyon öncesi güç Kondansatör değeri (C): Tesisteki kompanzasyon sonrası kullanmamız gereken kondansatörlerin değeridir. Birimi (mf) dır. Hesaplanan değerler ise; Toplam aktif güç ( P ) çalışıyorsa) yük : İşletmedeki toplam aktif güçtür. (Hangi makine Yük durumundaki görünür güç ( S yük ) : İşletme içinde o andaki görünür güçtür. Yük durumundaki reaktif güç ( Q yük ): İşletme içinde o andaki zahiri güçtür. Kompanze edecek kapasitif güç ( Q C ): İstenilen cos ϕ değerine ulaşmak için devreye giren kondansatörlerin gücüdür. Birimi (KVAr) dır.

103 87 Kompanze edecek kapasite değeri ( C ): İstenilen devreye giren kondansatörlerin değeri. Birimi (mf) dır. cos ϕ değerine ulaşmak için Hesaplanan formüller; Pyük S yük = (KVA) (7.1) mevcut cos ϕ P yük = M1 + M 2 + M 3 + M 4 (KW) (7.2) Q yük 2 2 = S yük P yük (KVAr) (7.3) 1 QC = Q yük Pyük 1 (KVAr) (7.4) 2 cos ϕ2 QC C = (mfarad) (7.5) 2 2πfV İşletme parametreleri; V = 380 Volt S (kurulu güç) = 2620 (KVA) İstenilen cos ϕ = 0.98 Her bir makinenin maksimum aktif gücü ( P yük ) = 4 x 650 (Watt) Frekans (f) = 50 Hz Kondansatör değeri (C) = 10 mikro Farad

104 88 Hesaplama: Eğer tüm makineleri yukarıdaki parametrelerde 600 W için çalıştırılırsa; Pyük S yük = formülünde değerler yerine konursa mevcut cos ϕ 4x600 cos ϕ = = olarak mevcut güç faktörü bulunur Aynı zamanda işletmemizde görünür. Gücün (S) değişmesini istemiyoruz ve bunun için S kurulu = S yük olarak tanımlayabiliriz. S kurulu = S yük = 2620 KVA P yük = M1 + M 2 + M 3 + M 4 = = 2400 (KW) Q yük 2 2 = S yük P yük de değerler yerine konursa; 2 2 Q yük = = (KVAr) Kompanze edecek gücü hesaplarsak ( cos ϕ = 0.98 için ) 1 QC = Qyük Pyük 1 değerleri yerine koyarsak; 2 cos ϕ2 1 Q C = 10501, = (KVAr) Kompanze edecek kapasitörün değeri ise QC C = 2 2πfV

105 C = π = mf Yani bu değerler için koyacağımız 12x10 mf lık kapasitelerden birinin devrede olması yeterli olacaktır. Yukarıdaki örneği P yük = 1600 KW için uygularsak Yaklaşık olarak Q C = 1683 ve C = 37.1 çıkacaktır. Bu durumda 3 adet kondansatör devrede olacaktır. Yazılım için değerlerin belirlenmesi: Kullanacağımız PLC de gireceğimiz parametreleri birer adresle belirtirsek; D108 = Frekans (Değer sabit = 50 Hz) D252 = Gerilim (Değer sabit = 380 V) D120 = İstenilen güç faktörü D124 = 1.Makine (KW) D128 = 2.Makine (KW) D132 = 3.Makine (KW) D136 = 4.Makine (KW) D152 = Kurulu Güç (S-KVA) D148 = Toplam aktif güç (KW) D116 = Mevcut güç faktörü D156 = Konsansatör Değeri

106 90 Çizelge 7.2 Similasyonda Hesaplanan parametreler İŞLEM İŞLEME GİREN PARAMETRELER ÇIKAN SONUÇLAR MUL K2 K31410 D276 2.π 2 X = (π) DIV D276 K10 D π / / 10 = 6282 MUL D 104 D 108 D π.f 6285 X 50 = DIV D112 K100 D π.f/ /100=3141 MUL D252 D252 D V 380X380= MUL D264 D256 D260 2 V π.f/100 DIV D260 K100 D272 2 V π.f/100/100 MUL D120 D120 D180 2 cosϕ x0.98= MOV K0 D124 MOV D216 D124 MOV K0 D128 MOV D220 D128 MOV K0 D132 MOV D224 D132 MOV K0 D136 MOV D228 D136 ADD D124 D128 D140 M1+M =1200 ADD D132 D136 D144 M2+M =1200 ADD D140 D144 D148 M1+M2+M3+M4 DIV D148 D116 D160 DIV D148 K1000 D240 P YÜK /cos ϕ 1 = P YÜK =2400 W S yük S yük = 2620 KVA P YÜK /1000 P YÜK =2.4

107 91 Çizelge 7.2 (Devam) Similasyonda Hesaplanan parametreler İŞLEME GİREN İŞLEM PARAMETRELER MUL D160 D160 D168 2 S yük MUL D240 D240 D172 2 P YÜK SUB D168 D172 D S yük P yük ÇIKAN SONUÇLAR 2 S yük = P YÜK = SQR D176 D Qyük = S yük P Q Yük = yük DIV K10000 D180 D cosϕ2 SUB D184 K1000 D = MUL D188 K1000 D SQR D244 D ,304 MUL D240 D192 D196 P YÜK X ,304 DIV D196 K1000 D248 SUB D164 D248 D200 Q c = QYÜK PYÜK.D192 (END) SUB D248 D164 D204 KAPASİTİF MUL D200 K D208 MUL D204 K D212 DIV D208 D272 D232 DIV D212 D272 D236 DIV D232 K10 D260 > D260 KO < D280 K13 < END < D280 K M5 < D280 K M6 < D280 K M7 < D280 K M8 < D280 K M9 < D280 K M10 < D280 K M11 < D280 K M12 < D280 K M13 < D280 K M14 < D280 K M15 < D280 K M16

108 Simülasyonun Görünümü Simülasyon ana ekranı aşağıdaki gibidir. Bu ekranda Makineler ikonu tıklandığında aktif olacak makineler ve aktif güçleri ekrana gelmektedir. Parametreler tıklandığında ise girilecek parametreler ekranı gelmektedir. Şekil 7.8. Simülasyonun ana sayfası Parametreler kısmında; Kurulu güç, gerilim, frekans, kondansatör değeri, istenilen güç faktörü ve mevcut güç faktörü gibi değerler girilebilir. Şekil 7.9. Parametrelerin giriş kısmı

109 93 M1, M2, M3, ve M4 ün üstüne tıklandığında aktif olmaktadır. Yanlarındaki hücreye ise makine değerleri yazılabilir. (+) ve (-) ile yazılan değer 10 KW artırılabilip azaltılabilir. Şekil Makinelerin gücünün ayarlandığı ve aktif edildiği kısım Parametre ekranında girilen değerler ve Makineler kısmında aktif edilen değerlerle beraber bazı hesaplamalar yapılabilir. Yapılan hesaplar; Yük durumundaki aktif güç, yük durumundaki görünür güç, yük durumundaki reaktif güç, kompanze edecek kapasitif ve endüktif reaktif güç ve kondansatör değeri. Şekil Girilen parametrelere bağlı hesaplanan değerler

110 94 Bu ekranda ise hesaplana değerlerle ne kadar kondansatör devreye girmesi gerektiği gösterilmiştir. Şekil Hesaplanan değerlere bağlı devreye giren kapasiteler Bu ekran ise bütün işlemleri aynı yerde görebileceğimiz Tek Ekran dır. Şekil 7.13 Tüm işlemlerin aynı anda görüldüğü sayfa

111 95 Aşağıdaki ekranlarda ise çeşitli yük durumlarına göre aktif, reaktif ve görünür gücün grafiksel değişimleri verilmiştir. Şekil Girilen parametrelere bağlı olarak değişen Aktif Güç grafiği Şekil Girilen parametrelere bağlı olarak değişen Reaktif Güç grafiği

112 Şekil Girilen parametrelere bağlı olarak değişen Görünür Güç grafiği 96

113 97 8. SONUÇ Sonuç olarak bu tezde Reaktif Gücün tanımı, tarifi, oluşma nedeni, gerekliliği çeşitleri ve kompanze şekilleri anlatılmıştır. Her işletme içinde mutlaka reaktif güç çeken elemanlar mevcuttur. Gerilim seviyesini nominal tutmak, hattı meşgul etmemek ve cezalı duruma düşmemek için işletmeler kompanzasyon tesislerini kurmalı ve işletmeye almalıdırlar. Böylece şebekeler fuzuli yüklenmelerden kurtulacak, işletmelerdeki gerilim seviyesi nominal seviyede olacak ve işletmenin giderlerine önemli bir katkı sağlanmış olacaktır. İşletmeler bu tip yatırımlar kısa vadede zarar, fakat uzun vadede kar getirecektir. Bizlerde kendi işletmemizin kapasitesini artırarak yeni bir kompanzasyon panosu kurduk. Sonuç olarak ta eserimde anlatılan teorik bilgilerin birkaç resmini vermek istiyorum.

114 98 Resim 8.1. Kompanzasyon panosu Kompanzasyon panosu. Ana baraya bağlı bıçaklı tip sigortalar ve bu sigortalara bağlı kondansatör grupları.

115 99 Resim 8.2. Kompanzasyon panosunun genel görünümü Kompanzasyon panosunun dıştan görünümü. Üstteki göstergeler voltmetre ve ampermetreler, ortada kompakt şalter ve en solda Reaktif güç kontrol rölesi.

116 100 Resim 8.3. Reaktif Güç Kontrol Rölesi Resim 8.4. Kompakt Şalter

117 101 Resim 8.5. Pano içersindeki kapasite grupları