OTOMATĐK TRANSFER ANAHTARI

Transkript

1 MYO-ÖS Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu EKĐM 2010-DÜZCE OTOMATĐK TRANSFER ANAHTARI Cem ÇETĐN Celal CENGĐZ Teknik Eğitim Fakültesi - Gazi Üniversitesi - ANKARA [email protected] [email protected] ÖZET Bu çalışmada elektrik kesintilerinde kullanılan marşlı jeneratörler hakkında istatistiksel bilgiler aktarılmış ve yapılan çalışmada elektrik kesintilerinde jeneratörü devreye alacak bir anahtarlama sistemi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca motorun ilk kalkınma anında fazla akım çekmesi nedeniyle jeneratör seçimlerinde zorlanırken gerçekleştirilen otomatik transfer anahtarı üzerinde bulunan ampermetre ile çekilen akım görülebilmektedir. Böylece jeneratöre bağlanan yükün çektiği akımı görerek jeneratörün aşırı yüklenerek ısınmasını veya zarar görmesini engellemiş olur. Çalışma esnasında elektrik kesildiğinde alıcı kesintiyi hissetmeden yedek ünitenin devreye girdiği görülmüştür. Ayrıca gerçekleştirilen sistem üzerindeki ampermetre kullanım kolaylığı sağlamıştır. Anahtar Kelimeler: Jeneratör, Otomatik Transfer Anahtarı 1. GĐRĐŞ Uzun süreli elektrik kesintilerinde elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak için jeneratörler kullanılmaktadır. Ancak jeneratörlerin yükü üzerine kesintisiz alamaması, bazı kritik yükleri besleyecek yeterli kalitede çıkış dalga şekli oluşturamaması ve frekans kararlılığı bakımından eksik olması gibi eksiklikleri vardır. Kesintisiz Güç Kaynağı jeneratörün aksine yükleri kesintisiz olarak üzerine alabilmekte ve kritik yükleri şebekede meydana gelecek her türlü bozulmalara karşı besleyebilecek kalitede ve kararlı bir frekans da çıkış gerilimi üretebilmektedir. Ancak Kesintisiz Güç Kaynakları tüm bu üstünlüklerine rağmen uzun süreli (30-60 dakikadan fazla) uygulamalar için yetersiz kalmaktadırlar. Tam seçiciliğin sağlanmadığı durumlarda alternatif sistem konfigürasyonları kullanılabilir. Hatalı durumlarda jeneratör uyarı sistemleri ve KGK destek araçları önerilebilir [1]. Kesintisiz güç kaynakları uygulamalarında birçok statik dönüştürücü kullanılmıştır. Güvenirlik analizleri statik bypas transfer anahtarlarının MTBF (kesintide ortalama zaman) 8.5 ila 1 oranında gelişim sağladığı görülmektedir. Bu da saatten fazla MTBF demektir [2]. Bu nedenle uzun süreli elektrik kesintisi meydana gelen yerlerde kalıcı çözüm için Kesintisiz Güç Kaynağı ile jeneratör birlikte kullanılmalıdır. Bu ortak çalışma sırasında meydana gelebilecek sorunları engellemek için kullanılacak Kesintisiz Güç Kaynağı ve jeneratör seçimine dikkat edilmiştir [3].Yeni dijital jeneratör kontrol sistemi, modern kontrol teori ile jeneratörleri çok yönlü optimal kontrol sistemini yöneten ve ikaz sistemini koordine eden yapılar geliştirilmiştir [4]. Bunun yanı sıra jeneratörü otomatik olarak devreye alan transfer anahtarları kullanılmıştır fakat bu konu hakkındaki yetersiz bilgi, yanlış devre ile ilgili kabul edilmiş bir problemdir. Konu ile ilgili bilgi gereksinimini açıklayan tipik örnekler, basılı kaynakların haricinde, otomatik transfer anahtarlarını belirtmek ve güvenli bir şekilde 1

2 uygulayabilmek amacıyla verilmiştir. Daha gerçekçi bir sınıflandırma için bir öneri yapılmıştır [5]. Pek çok kesintisiz güç kaynağı-jeneratör bağlantısı otomatik transfer anahtarı ile çalışır ve şebekenin geri gelmesi durumunda Kesintisiz Güç Kaynağı şebekeden beslenecek şekilde aktarma işlemi yapılır [6]. Bu şekilde yapılan hızlı bir transfer işlemi bir problemin kaynağı olabilir. Eğer Kesintisiz Güç Kaynağı girişinde 12 darbeli doğrultucu yerine pasif filtre kullanılmışsa ve transfer anahtarı motor yükleri de içeriyorsa filtre transfer esnasında bir uyarma enerjisi yaratır [7]. Bu uyarma kaynağı bu motorları, onların ataletlerini bir enerji kaynağı gibi kullanarak onları jeneratör gibi davranmaya iter. Eğer bu transfer çok hızlı olursa ortaya çıkan alternatif enerji kaynakları gerilimde beklenmedik faz çakışmalarına ve sonucunda da hem bu motor yüklerinin hem de kesintisiz güç kaynağının zarar görmesine yol açar. Bu amaçla özellikle 100 kva üzerindeki büyük sistemlerde kullanılan filtre yapılarının jeneratörden şebekeye geçişi esnasında kesintisiz güç kaynağı tarafından otomatik olarak devreden çıkartılan yapılar ile birlikte sunulması gereklidir. Devre kesiciler (ACDC) ve kısa devre arıza modları farklı yüzdeleri ile üç vaka çalışmaları da sunularak hem manuel hem otomatik anahtarlama restorasyon faaliyetleri tartışılmıştır [8]. Bu çalışmada otomatik jeneratör kumanda panolarında ihtiyaç duyulan uzun süreli kesintilerde devreden çıkmaması, yağ ve yakıt bitiminde otomatik göstergelerinin olması, herhangi bir gerilim düşümünde ikaz lambaları ile haber vermesi, ampermetresi ile çekilen akımı göstererek fazla yüklenmelerde kullanıcıyı bilgilendirerek kullanım kolaylığı sağlaması gibi benzerlerinde olmayan özellikleri mevcuttur. 2. JENERATÖR Jeneratörler, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren genellikle elektromanyetik endüksiyon kullanan bir cihazdır. Tam tersi olan elektrik enerjisinin mekanik enerjiye çevrilmesine yarayan motorlarla oldukça fazla benzerlik gösterirler. Jeneratörler içerisinde, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren bataryalar, ısı enerjisini elektrik enerjisine çeviren termo elektik jeneratörler ve ışık enerjisini de elektrik enerjisine çeviren fotoelektrik hücreler bulunur. Sanılanın aksine, jeneratörlerin oldukça basit bir çalışma şekli vardır Jeneratörün Çalışması Mekanik enerji kaynakları, rüzgâr, güneş, sıkıştırılmış hava vb.dir. Ya da ilk hareketi veren su türbini, buhar türbini, içten yanmalı motor veya gaz türbini gibi aletlerdir. Jeneratörün dönme hareketini gerçekleştirmesini bu kaynaklar sağlar. Bu sistemler günümüzde elektrik enerjisi üretmenin en etkili yolu haline gelmiştir. Jeneratörlerin bu yapısından dolayı tüm şehir şebekesini destekleyecek elektrik enerjisi üretmesi mümkündür. Ayrıca jeneratör kullanımına ihtiyaç duyulan diğer yerler; elektriğin sık kesildiği, elektrik enerjisinin bulunmadığı, baz istasyonları ve sürekli elektrik enerjisi gerektiren hastane gibi yerlerdir. 2

3 3. KESĐNTĐSĐZ GÜÇ KAYNAĞI Şekil 1. Bir Fazlı Marşlı Jeneratör Kesintisiz Güç Kaynağı kullanmanın genel olarak iki temel amacı vardır: Birincisi, ana beslemenin kesildiği durumlarda sisteme enerji sağlamak; bir diğeri de, kritik veya hassas yükleri, enerjinin düşmesi veya artması, frekans dalgalanmaları gibi bozucu giris sayabileceğimiz durumlarda sistemi koruyabilmektir [9]. Kesintisiz güç kaynakları; on-line (Sürekli devrede), off-line (Beklemede kalan) ve lineinteractive (hat etkileşimli) olmak üzere üç grupta toplanabilir [10]. Bir off-line yapıya sahip kesintisiz güç kaynağı sistemi, bir batarya, batarya şarj edici, evirici ve statik anahtardan meydana gelir bazı durumlarda yalıtım (izolasyon) trafosu da kullanılabilir. Hat gerilimi (şebeke gerilimi) kesilmediği zaman yük şebekeden beslenmesine devam eder, bu arada batarya şarjlı konumda bekler. Şebeke gerilimi kesildiği zaman, statik anahtar yükü evirici grubu üzerinden besleyecek şekilde anahtarlar. Anahtarlama zamanının periyodun maksimum ¼ ü kadar olması istenir çünkü hassas ve kritik yüklerin (bilgisayar gibi) etkilenmemesi istenir [11]. Off-line kesintisiz güç kaynağı sistemlerinin avantajı, tasarımının kolay olup, daha küçük boyutlu ve düşük maliyetli olmasıdır. Bu sistemin dezavantajı, nonlineer (doğrusal olmayan) yüklerle birlikte kullanıldığında, uzun anahtarlama süresinden dolayı düşük performans göstermesidir [10]. Off-line yapıya sahip bir kesintisiz güç kaynağı sistemi, otomatik gerilim regülasyonu sağlayamaz ama aktif güç filtresi gibi davranabilir [12-13]. On-Line (Sürekli Devrede) olan Kesintisiz Güç Kaynağı sistemleri, çıkışa bağlı olan yükleri her zaman evirici üzerinden besler. Sebeke geriliminde bir hata olsa da olmasa da yüke sabit bir gerilim, akım ve düzgün sinüs çıkısı sağlar. Evirici hatası veya aşırı yük durumlarında bir statik anahtar yükü şebeke geriliminden beslenecek şekilde anahtarlar. Bu tip bir Kesintisiz Güç Kaynağı, Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse Width Modulation/DGM) Doğrultucu/Evirici den meydana gelir ve giriş (şebeke) geriliminden farklı olarak, düzgün bir çıkış gerilimi sisteme sağlar. Bu tip Kesintisiz Güç Kaynağı modellerinin maliyeti oldukça yüksektir [11]. On-Line yapıya sahip Kesintisiz Güç Kaynakları, üç çalışma moduna (konumuna) sahiptir. Bu modlar, normal çalışma, acil durum modu ve yedek çalışma modları olmak üzere sıralanabilir [9]. 3

4 4. TASARIM VE UYGULAMA Pek çok KGK-Jeneratör bağlantısı otomatik transfer anahtarı ile çalışır ve şebekenin geri gelmesi durumunda KGK şebekeden beslenecek şekilde aktarma işlemi yapılır. Bu şekilde yapılan hızlı bir transfer işlemi bir problemin kaynağı olabilir. Eğer KGK girişinde 12 darbeli doğrultucu yerine pasif filtre kullanılmışsa ve transfer anahtarı motor yükleri de içeriyorsa filtre transfer esnasında bir uyarma enerjisi yaratır. Bu uyarma kaynağı bu motorları, onların ataletlerini bir enerji kaynağı gibi kullanarak onları jeneratör gibi davranmaya iter. Eğer bu transfer çok hızlı olursa ortaya çıkan alternatif enerji kaynakları gerilimde beklenmedik faz çakışmalarına ve sonucunda da hem bu motor yüklerinin hem de KGK nın zarar görmesine yol açar. Bu amaçla özellikle 100 kva üzerindeki büyük sistemlerde kullanılan filtre yapılarının jeneratörden şebekeye geçişi esnasında KGK tarafından otomatik olarak devreden çıkartılan yapılar ile birlikte sunulması gereklidir Devre Blok Diyagramı Oluşturulan otomatik transfer anahtarı elektrik kesintilerinde jeneratörü devreye alacak olan bir anahtarlama sistemidir. Devrenin blok diyagramı ise şu şekilde gösterilmiştir. Şekil 2. Devre blok diyagramı 4

5 4.2. Devre Algoritması Şekil 3 te devrenin akış diyagramı gösterilmiştir. Şekil 3. Devre algoritması Devrenin çalışması ise; şebekeden gelen enerjiyi pıc okuyarak gelen gerilim 176V dan büyük ise jenaratörü devreye sokacak röle çalışmıyor gelen gerilim 176V dan küçük ise jenaratörü çalıştıracak röle devreye giriyor. Jenaratörün çıkışından alınan gerilim 176V un altında ise devrenin çalışması başa dönerek yeniden jenaratörün rölesini çalıştırıyor jenaratörün çıkışından 176V ve üstünde değer alındığı sürece devre başa dönmüyor. 5

6 4.3. Tasarım Çalışması Şekil-4 Otomatik Transfer Anahtarı (Yandan Görünüm) Şekil-5 Otomatik Transfer Anahtarı (Devre Görünümü) 6

7 Şekil-6 Otomatik Transfer Anahtarı (Önden Görünüm) 5. SONUÇ Yapılan uygulamada elektrik kesintilerinde devrenin enerji ihtiyacını karşılayan jeneratörün elektrikler kesildiği anda otomatik olarak devreye girmesini sağlayan otomatik transfer anahtarı yapılmıştır. 6. TEŞEKKÜR Bu bildiri ELK-410 Mesleki Tasarım Dersi kapsamında hazırlanmıştır. Yazarlar sağladığı katkılardan dolayı ders öğretim üyesi Doç. Dr. Ramazan BAYINDIR a teşekkür eder. 7

8 7. KAYNAKLAR [1] Cosse, R.E., Jr. ; Bowen, J.E. ; Nichols, W.H.; Powell Electr. Manuf. Co., Houston, TX IEEE Transactions of Industry Applications, Cilt 37, Sayı 4, Temmuz/Ağustos 2001 [2] Heising, Charles R. ; Johnston, James F. ; Power Transmission Division, General Electric Company, Philadelphia, Pa IEEE Transactions of Industry Applications, Cilt IA-8, Sayı 2, Mart/Nisan 1972 [3] Manuel, A. ; Roset, X. ; Gomez, J. ; Garrido, A. ; Carlosena, A. ; Romos, R. ; Escola Univ. Politecnica de Vilanova i la Geltru [4] Ohtsuka, K. ; Yokokawa, S. ; Tanaka,H.;Doi,H. ; Power System Development Dep't., Fuji Electric Co., Ltd., 1 Fuji, Hino, Tokyo, Japan [5] Cousy, R.E. ; Monrad Eng., Tucson, AZ [6] Gabba, A.P.;Hill,J.D. ; Dow Chem. Co., Freeport, TX [7] Khan, I.K. ; Jiechun Zheng ; Koval, D.O.;V. ; Dept. of Electr. & Comput. Eng., Univ. of Alberta, Edmonton, Alta., Canada [8] Ünsal, A., Tunaboylu, S., Kesintisiz Güç Kaynakları Dumlupınar Ünv., Kütahya [9] Nasari A., Emadi A., Digital Control of a Three-Phase Series-Parallel Uninterruptible Power Supply/Active Filter System, 35th annual Power Electronics Specialists Conference, [10] Kwon B., Member., IEEE., Choi J., Kim T., Improved Single-Phase Line-Interactive UPS, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Cilt 48, Sayı 4, Ağustos [11] Kawabata T., Miyashita T., Sashida N., Yamamota Y, Three-Phase Paralel processing UPS using multi-functional inverter, in Conf.Rec. IEEE IAS annu. Meeting, 1989,Sayfa [12] Hsu C. Y., Wu H.Y, A new single-phase active power filter with reduced energystorage capacity, Proc.IEE-Elect. Power Applicat., Cilt 143, Sayı 1,Sayfa 25-30, Ocak