Yrd. Doç. Dr. Levent Çetin. Alternatif Gerilim. Alternatif Akımın Fazör Olarak İfadesi. Temel Devre Elemanlarının AG Etkisi Altındaki Davranışları

Transkript

1 Yrd. Doç. Dr. Levent Çetin İçerik Alternatif Gerilim Faz Kavramı ın Fazör Olarak İfadesi Direnç, Reaktans ve Empedans Kavramları Devresinde Güç 2

2 Alternatif Gerilim Alternatif gerilim, devre üzerindeki akış yönü ve gerilim değeri zamana göre değişen gerilim çeşididir. Elde edilişinin, mekanik enerjiye çevrilmesinin kolay ve verimli olması, iletim esnasında daha az kayıp olması gibi ilk konuda sıralanan sebeplerden şebeke gerilimi alternatif gerilimdir. 3 Alternatif Gerilim 4

3 Alternatif Gerilim Şebekede kullanılan geriliminin değişimi bir sinüs fonksiyonu ile belirlenmiştir. V AG ( t ) = V max sin( 2π ft ) Bu denklem incelendiğinde alternatif gerilimin temel parametreleri olarak; a)f salınımı (frekans) b)v max en büyük gerilim değeri (genlik) göze çarpar. Frekans ya da salınım, dalgalı bir değişim olduğu durumda, gözlemlenen etkinin birim zaman içerisinde kaç kere kendini tekrar ettiğini gösteren büyüklüktür. Bu değer şebeke gerilim için Türkiye de 50 Hertzdir. (Frekans (salınım) birimi Hertz olsa da 1/s de kullanılmaktadır). Salınım değerinin tersi periyot olarak adlandırılır. Periyot kendi kendini tekrar eden sinyalerden bir tanesinin süresidir. Bu değer yine şebeke için 0.02 (1/50) saniyedir. Şebeke Gerilimi 5 Alternatif Gerilim 6

4 Alternatif Gerilim Alternatif gerilimin en büyük değeri veya genliği, sinüs sinyalinin yukarıda tanımlanmış periyot süresi içerisinde aldığı en büyük değeri belirtir. Bu değer şebeke için yaklaşık 311 Volt dur. Fakat bu genlik değeri anma değeri olarak çok yaygın kullanılmaz. Bunun yerine bu sinüs fonksiyonun etkin değeri (rms) kullanılır. Bu değer söz konusu alternatif gerilimin doğru gerilim eşdeğeri olarak görülebilir. Bir sinyalin etkin değeri aşağıdaki ifade ile bulunur. f RMS ( t) = 1 T T 0 f 2 ( t) dt V V = max RMS. 707 V 2 0 max Şebeke gerilimi için bu değer en büyük genliğin yaklaşık ile çapımı ile bulunur ve 220 Volt dur. 7 Faz Kavramı Zaman ile değişen iki fiziksel büyüklüğü ifade eden fonksiyonlar ile işlem yaparken dikkat edilmesi gereken noktalardan birisi sinyallerin senkron olup olmadığıdır. Elektriksel büyüklükler söz konusu olduğunda iki gerilim sinyali, iki akım sinyali ve ya bir gerilim sinyali ile bir akım sinyali arası ilişki iki türlü olabilir: Senkron ve ya faz farklı. İki sinyal eğer senkron ise aynı anda sıfır noktasından geçip aynı anda en büyük değerlerini alıyorlar demektir. 8

5 Faz Kavramı Faz kavramı ise senkronizasyonun olmadığı durumu ifade etmektedir. Buna göre iki sinyal bir birinden farklı zamanlarda sıfır noktasından geçip farkllı anlarda en büyük değerlerine ulaşmaktadır. İki sinyal arasındaki bu zamanlama farkına kayma denir. Bu durum sinüsoidal fonksiyonlarda faz ve ya faz kayması olarak adlandırılır ve derece ile ifade edilir. Faz ifadesi daha dar anlamda elektriksel büyülükler için, iki sinüs(oidal) sinyalin referans kabul edileni sıfır noktasına ulaştığı anda diğer sinyalin hangi açı değerinde olduğunu gösterir. Buna göre ve 0 derece faz farkına sahip sinyaller şekil üzerinde gösterilmiştir. 9 Faz Kavramı 10

6 ın Fazör Olarak İfadesi Buraya kadar anlatılanlardan görüleceği üzere devre üzerinde alternatif gerilim veya akımın net bir şekilde ifade edilebilmesi için üç büyüklüğün bilimesi gerekir. Bunlar frekans, genlik ve fazıdır. Frekans elektrik şebekesi üzerinde sabit bir değer olduğu için hangi ülkede olduğumuzu bilmemiz durumunda sabit bir değer olarak görülecektir. Böylelikle alternatif gerilim/akım fonksiyonlarının iki önemli fiziksel büyüklüğe bağlı ifadesi mümkün olur. Bu büyüklükleri net olarak ifade eden bir fiziksel matematiksel modelleme alternatif akım/gerilim büyüklüklerinin dönen vektörler (fazörler) ile gösterilmesidir. 11 ın Fazör Olarak İfadesi Şekilde görüldüğüüzere bir kartezyen koordinat eksenin orijini etrafında dönen bir vektörün dikey eksen üzerindeki izdüşümü sinüs fonksiyonunu verir. Bu gösterimde dönen vektörün uzunluğu (şiddeti) alternatif gerilimin genliğini ifade eder. Benzer şekilde vektörün herhangi bir anda yatay eksen ile yaptığı açıda faz değerini gösterir. Alternatif gerilimin frekansı ise bu dönen vektörün açısal hızını belirlemektedir. 12

7 ın Fazör Olarak İfadesi 13 ın Fazör Olarak İfadesi Alternatif gerilimin döner vektör şeklinde soyutlamasının matematiksel ifadesi karmaşık sayılardır. Bilindiği üzere karmaşık sayılar, reel ve sanal olmak üzere iki kısımdan oluşurlar ve karmaşık düzlemde gösterilirler. Genel gösterimleri kartezyen ifade ile aşağıda 1. denklemde verilmiştir. Lakin dönen vektör yani fazör şeklinde daha uygun olan gösterim de elektriksel devrelerin analizinde kullanılır denklem, 2 numaralı olandır. z a + bi = (1) z = r ϕ (2) 14

8 ın Fazör Olarak İfadesi z = a + bi z = r ϕ 1 b = tg ( ) a 2 2 ϕ r = a + b 15 ın Fazör Olarak İfadesi Karmaşık sayılarda dört işlem aşağıdaki şekilde yapılır. z + z = a + a ) + ( b b ) i 1 2 ( z z = a a ) + ( b b ) i 1 2 ( z 1 z2 = r1 r2 ϕ 1 + ϕ 2 z 1 z2 = r1 r2 ϕ1 ϕ2 Karmaşık sayıların aritmetiğinin alternatif gerilim/akım sinyallerine uygulanması ile ilgili temel uygulama, farklı faza sahip gerilim/akım kaynaklarının bir arada yarattığı etkinin incelenmesidir. Bu etkiyi çözümlemeden önce iki faz farklı sinyalin döner vektörler cinsinden bir birlerine durumunu anlamız gerekir. Bu ilişki basit olarak başlangıçnoktası aynı fakat yatay ile yaptıkları açı farklı vektörler şeklinde betimlenir. 16

9 ın Fazör Olarak İfadesi 17 ın Fazör Olarak İfadesi Birbirine bağlı gerilim/akım kaynaklarının bir arada yarattığı etki karmaşık sayılarda toplama ve çıkarma işlemleri ile belirlenir. 18

10 1 2 3 Direnç (R) Bobin (L) (Endüktans) Kapasitans (C) (Kondansatör) 19 Direnç (R) Alternatif gerilimin etkisi altındaki direnç, Ohm kanunun bilinen ifadesini korur. V V = V max sin( wt) R = Vmax I = sin( wt) I R Denklemlerden elde edilen sonuç gösterir ki bir direnç üzerine düşen gerilim ile akım arasında faz farkı yoktur. Sadece genlik Ohm kanuna uygun şekilde değişir. V = V P = V max max sin( wt )[V], I = I 2 I sin ( wt )[W] max max sin( wt )[A] 20

11 Bobin (L) (Endüktans) Alternatif gerilimin etkisi altındaki bobinler, dirençten farklı olarak akımın değişimine karşı bir direnç etkisi gösterirler. Üzerlerine düşen gerilim (bobinin iki ucu arasında ölçülen) Lenz Kanuna uygun olarak bulunur. di ( t ) Nµ A V ( t ) = L, L = dt l Bu ifadeyi alternatif akımı göz önüne alarak incelersek bir bobinin üzerinde düşen gerilim ile ilişkisini tahmin edebiliriz. 21 Bobin (L) (Endüktans) Alternatif gerilimin etkisi altındaki bobinler, dirençten farklı olarak akımın değişimine karşı bir direnç etkisi gösterirler. Üzerlerine düşen gerilim (bobinin iki ucu arasında ölçülen) Lenz Kanuna uygun olarak bulunur. di(t) V (t) = L dt Bu ifadeyi alternatif akımı göz önüne alarak incelersek bir bobinin üzerinde düşen gerilim ile ilişkisini tahmin edebiliriz. V(t) = V max sin(wt) I(t) = Imax cos( wt) (t) = I sin( wt 90) max 22

12 23 Bu sonuç bize gösterir ki bobinin üzerine düşen gerilim ile akım arasında 90 derece faz farkı vardır. Gerilim akımın 90 derece önündedir. Bu faz farkının doğal sonucu olarak elektriksel güç negatif/pozitif olmaktadır. Negatif güç ifadesi bobinin devreye güç aktardığını göstermektedir. Bobinlerin direnci zamana alternatif gerilimin frekansına bağlı olarak değişmektedir. Bunun için buna reaktans (Endüktif reaktans X L ) denmektedir. X L = wl X L = 2πfL 24

13 Reaktans ifadesi kullanılarak Ohm kanunu alternatif akım devrelerine kolayca uygulanabilir. Bu durumda sadece skaler sayılar yerine karmaşık sayılar ile hesap yapmak gerekecektir. XL = 2π = Ω V X = I I = Bu devreye 5 ohm luk bir direnç ekleyerek, direnç ve bobinin birlikte yarattığı karşı koyma etkisini hesaplayalım. V X 10 = = A Direnç değeri: R = jω Bobinin endüktif reaktansı X L = jω Bu iki etkinin bir arada ifadesine empedans denir. Z = R + XL = jω = Ω Genel anlamda alternatif gerilim devrelerinde direnç etkisinin karşılığı olarak kullanılır. Yukarıda da verildiği üzere Ohm kanununda direnç ifadesinin yerine kullanılır. 26

14 V Z = I Z = R + X = jω = Ω L 10 0Ω I = = A Ω 27 28

15 Paralel devre 29 İlk durum: 30

16 Ohm kanunu uygulandığında; 31 Ohm kanunu uygulandığında; 32

17 Paralel devrede empedans denklemi, 33 Kondansatör (Kapasitans) Alternatif gerilimin etkisi altındaki kondansatörler, üzerlerine düşen gerilimin değişmine bağlı tepki verirler, eğer kondansatör uçlarına, üzerinde mevcut olan gerilimden daha düşük bir gerilim uygulanırsa, kondansatör devreye akım sağlar, (deşarj olur), eğer kondansatör uçlarına, üzerinde mevcut olan gerilimden daha büyük bir gerilim uygulanırsa, kondansatör devreden akım çeker (Şarj olur). Bu bilgi ışığında kondansatörün akımı ve üzerindeki gerilim arasındaki ilşki aşağıdaki gibi verilir. dv( t) i( t) = C dt 34

18 35 Bu sonuç bize gösterir ki kondansatörün üzerine düşen gerilim ile akım arasında 90 derece faz farkı vardır. Akım gerilimin 90 derece önündedir. Bu faz farkının doğal sonucu olarak elektriksel güç negatif olmaktadır. Negatif güç ifadesi kondansatörün devreye güç aktardığını (deşarj olduğunu) göstermektedir. Kondansatörlerin direnci zamana alternatif gerilimin frekansına bağlı olarak değişmektedir. Kondansatörler gerlimdeki değişimler (frekans) arttıkça daha fazla akım geçirirler Bunun için buna kapasitans (kapasitiftif reaktans X c ) denmektedir. 1 X c = wc 1 X L = 2πfC 36

19 Yandaki devre yardımıyla kondansatörlerin alternatif gerilim etkisi altındaki davranışını matematiksel olarak inceleyelim. Kapasitif reaktans denklemi ve Ohm yasasının alternatif gerlime uygulamasından yararlanarak devreden akan akım bulunur. 37 Devre üzerinden akan alternatif akımın fazı, gerilimin 90 derece önünde olacaktır. Bu dikkate alınarak devredeki direnç etkisi bulunur. 38

20 Bu devreye 5 ohm luk bir direnç ekleyerek, direnç ve bobinin birlikte yarattığı karşı koyma etkisini hesaplayalım. Devredeki toplam karşı koyma etkisi; X c = j Ω R = j Ω Z = R + X = j Ω = c olarak bulunur. 39 Devreden geçen akım ise Ohm kanunun alternatif devreye uyarlanması ifadesinden bulunur. Burada kritik nokta gerilim kaynağının fazıdır. Bu tip devre analizlerinde bu değer hep 0 kabul edilir. Fark edildiği üzere seri kondansatör direnç devresinde akım, gerilimin derece önündedir. Sadece kondansatör kullanılan devrede bu değer 90 dereceydi. 40

21 Devre çözümü tablo yöntemi ile; Son tabloda direnç ve kondansatör hakkında bildiklerimizi gözden geçirelim. Direnç üzerine düşen akım ile gerilim aynı fazdadır fakat kondansatör üzerinde düşen gerilim akımın 90 derece önündedir. 41 Paralel direnç kondansatör devresi 42

22 43 44

23 Direnç, Reaktans ve Empedans Kavramları Bu noktaya kadar yapılan devre analizlerinde akıma karşı koyma etkisini 3 farklı şekilde adlandırdık. Direnç; ifadesi iletken içerisindeki elektron hareketinin karşılaştığı sürtünmeyi ifade eder. Sembolü R, birimi Ω Ohm dur. Direnç etkisi akım ile gerilim arasında bir faz farkı oluşturmaz. Reaktans; ifadesi elektronların ataletini (eylemsizliğini) belirtir. Bu etki gerilim ve akım değerlerinde değişim olduğunda, başka bir deyişle elektrik alan ve manyetik alan oluşumu söz konusu olduğunda ortaya çıkar. Kondansatör ve bobin bu etkinin en belirgin olduğu devre elemanlarıdır. Reaktans etkisi olduğunda akım ile gerilim arasında 90 derece faz farkı oluşur. Eğer söz konusu elaman bobin ise gerilim akımdan 90 derece ileri fazdadır, eğer kondansatör ise akım gerilimden 90 derece ileri fazdadır. 45 Direnç (R) Bobin (L) (Endüktans) Kapasitans (C) (Kondansatör) 46

24 Empedans ifadesi, bir elektrik devresinde akıma gösterilen zorluğun yani elektron hareketine karşı koyma etkisinin genel ifadesidir. Devredeki tüm elemanların direnç ve reaktans etkilerinin toplamını ifade eder. Empedans doğru akım devresindeki direnç etkisinin alternatif akım devresindeki tam karşılığıdır. Buna göre değiştirilmiş Ohm kanunu ifadesi aşağıda verildiği gibidir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta tüm büyüklüklerin karmaşık sayı olduğudur. Z = Ohm kanunu gibi diğer devre analizi kanunları, Kirrchhoff gerilim ve akım yasaları, şebeke teoremleri de ifadeler karmaşık sayı olmak koşulu ile alternatif akım devrelerinde de aynen geçerlidir. Alternatif akım devrelerinde temel fark güç hesabında ortaya çıkmaktadır. Bu konu bir sonraki bölümde incelenecektir. V I 47 Seri RLC devreleri 48

25 49 50

26 Burada dikkat çeken durum kondansatör üzerine düşen gerilimin genliğinin devreye uygulanan gerilimin genliğinden yüksek olduğudur. Bunun sebebi kondansatör ve bobinin reaktanslarının birbirine ters etkisidir. Tüm devredeki empedans etkisi tek tek elemanların empedans etkilerinden daha küçük olmaktadır. Bu durum elemanların üzerine, bu gibi yüksek gerilimlerin düşmesine sebep olmaktadır. Fakat bu sonuç devredeki gerilimlerin toplamının, Kirchhoff un gerilim yasası gereği 0+0j olması durumunu değiştirmez. 51 Paralel RLC 52

27 53 54

28 Seri Paralel Karışık devreler 55 Fakat bu karmaşık devrede empedans hesabı kademe kademe yapılmalıdır. Önce C 2 ve L nin seri bağlı olduğu devre yolu ondan sonra bunlara paralel direnç ve en son da seri kondansatörün etkileri bir araya getirilmelidir. 56

29 57 58

30 59 Devresinde Güç Hesabı Yukarıda verilen devre analizlerinde alternatif akım devrelerinde akım ile gerilim arasında bir faz farkı olduğunu gördük. Bunun sebebinin karmaşık sayı ile ifade edilen empedans olduğu belirtildi. Alternatif akım devresinde güç hesabı yapılırken yine empedans ifadesi esas alınarak üç farklı tanım yapılır. Bunlar sırasıyla devredeki direnç etkisine istinaden bulunan gerçek (yada rezistif) güç: 60

31 Devresinde Güç Hesabı Devredeki reaktans etkisine istinaden bulunan reaktif (zahiri) güç: Bu etkinin bir arada ifadesi olan empedansa istinaden bulunan görünen güç: 61 Devresinde Güç Hesabı Verilen ifadelerde hep skaler hesaplamalar yapılmaktadır. Bulunan değerleri devredeki faz farkını ve direnç ile reaktans arasındaki 90 derecelik yön farkını hesaba katarak çizmeye çalıştığımızda bir dik üçgen elde deriz. Bu üçgene, güç üçgeni denir. Bu üçgende görüleceği üzere alternatif akım devresinde gücün bir kısmı kaybolmaktadır. Devre ancak gerçek güç ifadesi kadar işe yarar güç üretebilmektedir. Devredeki gerçek güç ile görünen güç arasındaki oran, güç faktörü (cosφ) olarak adlandırılmaktadır. Bu değer sadece direnç bulunan devrelerde birdir. Reaktans olan devrelerde 0 ila 1 arasında herhangi bir değer alabilir. 62

32 Devresinde Güç Hesabı Bu etkiyi incelemek için şekildeki devreyi ele alalım. Devrenin güç faktörü verile ifade yardımıyla bulunur. 63 Devresinde Güç Hesabı Bulunan değer bize şebekeden çekilen gücün yaklaşık % 70.5 inin işimize yaradığını söylemektedir. Bu doğal olarak istenmeyen bir şeydir. Bu yüzden devreler tasarlanırken güç faktörünün bire yakın olmasına dikkat edilir. Bunun için devredeki kapasitif reaktans ve endüktif reaktans değerlerinin yaklaşık aynı değerlerde olması sağlanmaya çalışılır. Eğer bu mümkün olmaz ise devreye dışarıdan kondansatör veya bobin eklenerek güç faktörü 1 e yaklaştırılır. Bu işleme kompanzasyon denir. Bir önceki aşamada hesapladığımız devreyi ele alalım Devrenin reaktansını bulalım. 64

33 Devresinde Güç Hesabı Devredeki reaktans, indüktiftir yani bobinden kaynaklanmaktadır. Bunu kompanze edebilmek için devreye bir kondansatör ekleyelim. Hesaplanan reaktansın aynısını ters yönde oluşturabilecek kondansatör değeri aşağıdaki hesap ile bulunur. 65 Devresinde Güç Hesabı Bulunan kondansatör değeri standart bir değer olmadığı için en yakın değer olan 22uF bir kondansatörü devreye paralel takıp sonucu inceleyelim. Yeni devrenin empedansı: 66

34 Devresinde Güç Hesabı Ve buna göre güç faktörü: Görüldüğü gibi devrede yapılan değişklik sonucu güç faktörü bire yakınlaştı. Buna paralel olarak devreden geçen toplam akım da düştü. Bu iki özellik tasarlanan sistemin hem verimlilik hem de ekonomik açıdan dah ugun hale geldiğini göstermektedir. 67