Eğitim Amaçlı Matlab GUI Tabanlı Güç Faktörü Düzeltme Uygulaması Matlab GUI-Based Power Factor Correction Application for Education Ali Osman Gökcan Şırnak Üniversitesi, Cizre Meslek Yüksek Okulu, 73200, Cizre, Şırnak mail@aliosmangokcan.com Özet Güç sistemlerinin önemli bir konusu olan güç faktörü düzeltmenin (PFC) hem soyut kavramlardan oluşması hem de ilgili hesaplamalarında karmaşık işlemler içermesinden dolayı öğrenilmesinde zorluklar çekilebilmektedir. Bu çalışmada, Matlab GUI (Graphical User Interface) kullanılarak eğitim amaçlı bir güç faktörü düzeltme uygulaması hazırlanmıştır. Hazırlanan uygulamada güç faktörüyle bağlantılı akım, gerilim ve güç değerlerindeki değişimin güç faktörüne olan etkisi görülebilecektir. Geliştirilen uygulama ile öğrenciler, güç faktörü düzeltme prensiplerini bilgisayar ortamında görerek konu ile ilgili bilgi ve becerilerini arttıracak, çözümü uzun süren problemlerde daha hızlı ve doğru bir biçimde sonuca ulaşmış olacaklardır. Uygulamayı kullanan öğrenciler, hazırlanan sabit kompanzasyon simülasyon örneği ile kompanzasyon devresinin çalışma mantığını kavrayabilecek, devreye ait sonuçları görsel olarak takip edebilecektir. Anahtar Kelimeler Matlab, GUI, Simulink, Güç Faktörü Düzeltme, Kompanzasyon, Reaktif Güç, Enerji Verimliliği. Abstact There may be some difficulties in learning Power Factor Correction (PFC), which is an important subject of power systems, as it is composed of abstract concepts and also includes complex progressing in its relevant calculations. In this study, an application of Matlab-GUI (Graphical User Interface)-based power factor correction for education was prepared. In the prepared application, as related to the power factor, the effect of the change in current, voltage and power upon power factor will be able to be seen. Thanks to the developed application, by seeing the principles of power factor correction in electronic environment, students will increase their knowledge and skills about the topic; and they will reach solution to longlasting problems in a more correct and faster way. Students using the application will be able to grasp the operating logic of the compensation circle and follow the results linked to the circle visually with the help of the prepared fixed compensation simulation sample. Key Words Matlab, GUI, Simulink, Power Factor Correction, Compensation, Reaktive Power, Energy Efficiency. 1. Giriş Dünya üzerindeki enerji tüketiminin hızla artması ile yaşanan enerji krizi, araştırmacıları bir yandan yeni enerji kaynaklarına yöneltirken diğer yandan da var olan enerji kaynaklarının daha verimli kullanımı konusunda çalışmalar yapmaya yöneltmiştir. En yaygın enerji biçimi olan elektrik enerjisi de bu çalışmalardan nasibini almıştır. Elektrik enerji verimini yükseltmek ve minimum kayıpla enerji iletimi sağlamak için güç faktörü düzeltme yani kompanzasyon konusu üzerinde daha fazla durulmaya başlanmıştır. Bir AA (alternatif akım) devresinde, devrede oluşan akım, gerilime göre φ açısı kadar geride ya da ileride kalır. Eğer devre endüktif ise akım gerilimden φ açısı kadar geride, kapasitif bir devreyse akım gerilimden φ açısı kadar ileridedir. İstenen durum ise φ açısının küçültülmesi ve dolayısıyla cos φ değerinin 1 e yaklaşmasıdır. Enerji sistemindeki endüktif ve kapasitif yüklerin dengelenmesi ile reaktif gücün tekrar kaynağa iade edilmesi için gereken ve yapılan sistemler ya da şebekenin ve yükün ihtiyacı olan reaktif gücün belli teknikler kullanılarak karşılanması işlemi reaktif güç kompanzasyonu olarak adlandırılır [1]. Yapılan kompanzasyon işlemi yani cos φ değerinin 1 e yaklaştırılması, şebekenin güç kapasitesinin artmasını, ısı kayıplarının, gerilim dalgalarının ve faz gerilim uyumsuzluklarının azalmasını sağlamaktadır [2]. Ayrıca: Şebekenin güç kapasitesinin artmasıyla birlikte ülke ekonomisi için önemli bir kazanç sağlaması,
Akımın azalmasıyla ısı kayıplarının da beraberinde azalması, Tesisattaki gerilim düşümlerinin azalması, Harmoniklerin azalması, Tüketicinin elektrik faturasından tasarruf etmesi, İletken kesitlerinin azalması ile birlikte montaj boyutlarının azalması, Elektrik enerjisinin kalitesizliği sebebiyle doğabilecek olan arıza risklerinin en aza indirgenmesi gibi başka faydaları da bulunmaktadır [3]. Güç faktörü düzeltme konusunun daha iyi anlaşılabilmesi için hazırlanmış bu uygulama gibi çeşitli teknik konularda hazırlanmış eğitim uygulamaları, benzetim çalışmaları ve sanal laboratuvarlar bulunmaktadır. Örneğin güç sistemlerinin temelini oluşturan yük akış analizinin öğrenciler tarafından daha iyi kavranması amacıyla Gauss-Seidel, Newton-Rapshon ve Fast-Decoupled yöntemleri kullanılarak bir uygulama bulunmaktadır [4]. Başka bir uygulamada elektromıknatıs devre tasarımı ve analizine yönelik GUI tabanlı bir arayüz geliştirilmiştir[5]. Diğer bir çalışma güç elektroniğinin doğrultucu devreleri, konvertörler, invertörler, frekans dönüştürücüler ve güç kaynakları konularına yöneliktir. Hesaplama ve analiz kısımları Matlab ile hazırlanmış bu sanal laboratuvarın görsel arayüzü ise ASP.NET ile hazırlanmıştır [6]. Lisans öğrencileri için hazırlanan bir başka çalışmada ise öğrencilerin parafudrlardaki akım testlerini öğrenmelerini kolaylaştırmak için Matlab GUI tabanlı bir arayüz yapılmıştır. 30 dan fazla öğrenci ile yapılan değerlendirmede pozitif geri dönütler alınmıştır [7]. Bu çalışmada öğreniminde zorluklar çekilen güç faktörü terimleri ile çözümü karmaşık ve uzun olan hesaplamaların öğrenimini kolaylaştırmak için Matlab GUI tabanlı bir kullanıcı arayüz uygulaması hazırlanmıştır. 2. Reaktif Güç ve Güç Faktörü Elektrik şebekelerinden çekilen alternatif akımın, aktif ve reaktif olmak üzere iki bileşeni bulunmaktadır. AA şebekelerinde gerilim ve akımın reaktif bileşenlerinin çarpımları reaktif gücü vermektedir ve bu bağıntı denklem (1) deki gibi ifade edilmektedir. Q=V.I.sinφ (1) Tüm AA elektrik şebekelerinde tüketilen aktif güç ve reaktif güç arasında Şekil 1 deki vektörel ilişki mevcuttur. Şekil 1 de P aktif ve S; aktif ve reaktif gücün vektörel bileşkesi olan görünür gücü belirtmektedir. φ açısının kosinüs değeri şebekeye ait güç faktörüdür. Şekil 1: AA Şebeke Güç Vektörleri Şekil 1 den görüleceği gibi aktif, pasif ve görünür güç arasındaki bağıntı aşağıdaki gibidir; S=I.V (2) Q=S.Sin φ (3) P=S.Cos φ (4) S 2 =P 2 +Q 2 (5) Şebeke gerilimi ile yük akımı arasındaki açının kosinüsü güç katsayısı olarak adlandırılır. Bu açının sıfır dereceye yaklaştırılması işlemi reaktif güç kompanzasyonu olarak adlandırılır [8]. Güç kat sayısının düzeltilmesinin hem elektrik enerjisini üretenler hem de tüketenler açısından birçok faydası bulunmaktadır.. Bu nedenle kompanzasyon sisteminin orta ve büyük boy işletmelerde, işletme sahibi tarafından yapılması zorunlu hale getirilmiştir[9]. Kompanzasyon sistemleri 3 gruba ayrılır. 1- Bireysel kompanzasyon: Kompanzasyon yapılacak endüktif yüklerin (motor, trafo, balast) şalterlerine kondansatör bağlanır. Sabit kompanzasyon olarak yapılır ve en etkili yöntemdir. 2- Grup kompanzasyon: Birçok tüketicinin (yük) bulunduğu tesislerde ortak bir kompanzasyon tesisi ile besleme yapılır. Bu durumda kondansatörler, gerektiği miktarlarda ve özel anahtarlar üzerinden ve gerektiğinde kademeli olarak şebekeye bağlanır. 3- Merkezi kompanzasyon: Temel olarak uygun düzenlenmiş kondansatör bataryaları, reaktif gücü algılayıp uygun kondansatör bataryalarının devreye alınıp çıkarılmasını sağlayan reaktif güç kontrol rölesi ve kondansatör gruplarına kumanda eden kontaktörlerden oluşur [10]. Tek fazlı (monofaze) sistemlerin kompanzasyonunda kullanılacak kapasite değeri denklem 6 ile hesaplanırken, üç fazlı (trifaze) sistemlerin kompanzasyonunda kullanılacak kapasite değeri üçgen bağlantıda denklem 7, yıldız bağlantıda ise denklem 8 ile hesaplanmaktadır.
C= I F (6) 2πfU C= Qc.109 F (7) 3U 2 2πf C= Qc.109 F (8) U 2 2πf Denklem 7 ve 8 den anlaşılacağı üzere üç fazlı sistemlerde yıldız bağlamada, her faza bağlanan kondasatörün kapasitesi yıldız bağlamadaki değerin 3 katıdır. Bu nedenle üç fazlı kompanzasyon uygulamalarında kondansatör grupları yıldız bağlanır. 3. Uygulama Eğitim amaçlı güç faktörü düzeltme uygulaması hazırlanırken Matlab GUI (versiyon 7.9) kullanılmıştır. Uygulama çalıştırıldığında Şekil 2 deki ekran görüntüsü ile karşılaşılır. Bu ekranda kullanıcı girişi olarak belirtilmiş alana aktif güç, gerilim, frekans, güç katsayısı ve güç faktörü düzeltildikten sonra görülmek istenen hedef güç katsayısı girişi yapılır ve hesapla butonuna basılır. Hazırlanan bu uygulamada aktif güç için watt, reaktif güç için VAR, görünür güç için VA, akım için amper, gerilim için volt, frekans için Hz, kondansatör kapasitesi için farad birimi kullanılmıştır ve bu durum kullanıcı ekranında belirtilmiştir. Giriş yapılıp hesapla butonuna tıklandığında kompanzasyon öncesi durum sonuçları sonuç ekranı 1 de gösterilir. Hedef güç katsayısına göre hesaplanan yani kompanzasyon sonrası sonuçlar ise sonuç ekranı 2 de gösterilir. Kullanıcı, giriş yaptığı değerleri değiştirerek bu değer değişimlerinin sonuçlara nasıl etki ettiğini kıyaslayabilir. Ayrıca güç katsayısının yanlış girilmesi durumunda bilgilendirici mesaj kutuları hazırlanmıştır. Kullanıcı ekranında yer alan kavramlar ve güç faktörü konusu ile ilgili diğer kavramların açıklamaları için bilgi butonu yerleştirilmiştir. Bilgi ekranı ise Şekil 3 de gösterilmiştir. Uygulamanın önemli bir noktası da Simulink te hazırlanan örnek bir sabit kompanzasyon devresinin ilişkilendirildiği örnek kompanzasyon simülasyonu ekranıdır. Şekil 4 de yer alan bu ekranda kompanzasyon öncesi olarak belirtilmiş bir RL devresi ve bu devrenin kompanze edilmiş hali yer almaktadır. Kullanıcılar hazırlanan ara yüzdeki Devreyi Aç butonu ile Simulink te hazırlanmış olan kompanzasyon devresini çağırmaktadır. Açılan Simulink modelini hazırlanan arayüzden çalıştırmak ve durdurmak için Simülasyon Çalıştır butonu yer almaktadır. Kullanıcı önce verilerin çekileceği devreyi açar, daha sonra çalıştırır ve istediği bir zamanda durdurup o zamana ait tüm akım, gerilim ve güç değerleri ile bu grafiklerini görebilir. Şekil 2: Eğitim Uygulaması Ana Ekranı
Şekil 3: Eğitim Uygulaması Bilgi Ekranı Şekil 4: Eğitim Uygulaması Örnek Ekranı 4. Sonuç Bu çalışmada güç faktörü düzeltilmesi konusunda bir eğitim uygulaması hazırlanmıştır. Hazırlanan simülasyon ortamı ile devreye ait akım, gerilim ve güç değerleri ile akım-gerilim grafikleri gösterilmiştir. Bu işlemleri, kullanıcıların Matlab Programlama Dili, herhangi bir formül veya komutlarını bilmeksizin yapmaları sağlanmıştır. Bir diğer nokta ise kullanıcının en az hata ile görsel bir platformda işlemlerini gerçekleştirebilmesidir. Ayrıca bu görsel yazılımın kullanılması ile öğrenilmesinde zorluk çekilen güç faktörü tanım ve hesaplamalarının öğrenimi de kolaylaştırılmış olacaktır.
Kaynaklar [1] Gelen, A. ve Yalçınöz, T., 2009. Tristör Anahtarlamalı Kapasitör (TSC) ve Tristör Anahtarlamalı Reaktör Tabanlı Statik VAR Kompanzatörün PI ile Kontrolü, Gazi Üniversitesi Mim.Müh.Fak.Der., 24, 237-244. [2] Arifoğlu, U. 2002. Güç Sistemlerinin Bilgisayar Destekli Analizi, Alfa, İSTANBUL. [3] Uçar, F., 2012. Paralel Aktif Güç Filtresi Kullanarak Harmonik Ve Reaktif Güç Kompanzasyonu Yapılması, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, ELAZIĞ. [4] Mutlu, A., Yalçınöz, T., 2004. Eğitim Amacıyla Kullanılmak Üzere Matlab GUI de Geliştirilen Yük Akış Programı, ELECO'2004 Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, BURSA. [5] Şefkat G., Yüksel, İ., 2005. Matlab GUI Tabanlı Elektromıknatıs Devre Tasarımı Ve Analizi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt: 11, Sayı: 1, Sayfa: 123-129. [6] Yalçın, N., 2014. Web Tabanlı Güç Elektroniği Sanal Laboratuvarı, Yüksek Lisans Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, BURSA. [7] Vahidi, B., Arabshahi, B.B., 2012. Teaching Current Tests on Surge Arresters to Undergraduate Students Using Matlab Simulink, Computer Applications in Engineer Education 20:391 399. [8] Çolak, İ., Kaplan, O., Reaktif Güç Kompanzasyonunun Eğitim Amaçlı Benzetimi [9] T.C. EPDK, Elektrik İletim Sistemi Arz Güvenilirliği ve Kalitesi Yönetmeliğinde Değişiklik Yapılmasına Dair Yönetmelik, Resmi Gazete, Sayı: 26398, 09.01.2007. [10] MEGEP, 2010. Kompanzasyon Sistemi, ANKARA.