Elektrik enerjisinin üretimi ve dağıtımı için jeneratörlere, hava iletim hatlarına, trafolara ve şalt cihazlarına ihtiyaç vardır. Aktif güce ek olarak reaktif güçte üretilip dağıtılmalıdır. Ancak bu ekonomik değildir ve bir tesis ne kadar az reaktif güç tüketirse güç katsayısı Cosj ’de o kadar yüksektir ve tesisin enerji harcamaları da o kadar düşüktür. Şekil.1 ve Şekil.2’de akımlar ve voltajlar arasındaki ilişki görülmektedir.

Enerji dağıtım sistemindeki yükü, güç katsayısı doğrultan kondansatörleri kullanarak ve reaktif gücü de bu kondansatörlerden temin ederek azaltmak mümkündür. (Şekil.3)

Böylece iletim kayıpları azalır, enerji harcamaları düşer ve dağıtım sisteminin pahalı bir şekilde yenilenmesi gerekmeksizin daha fazla aktif güç mevcut malzeme kullanılarak iletilmiş olur.

Kondansatörler bireysel kompanzasyonda, grup kompanzasyonunda veya merkezi kompanzasyonda kullanılırlar. Bir çok enerji dağıtım firmasının, 0.9’a eşit veya daha yüksek güç faktörünü şartnamelerinde talep etmeleri, standart bir uygulamaya dönüşmüştür.

Kompanzasyonun bir sonucu olarak iletilecek görünen güç (S) azaltılmış olur. İletimdeki direnç kayıpları P, akımın karesiyle orantılıdır. Bu da kayıptaki azalmaya eşittir.

Planlama aşamasında olan endüstriyel enerji dağıtım sistemlerinde, reaktif güç yüklerinin çoğunluğunu, ortalama 0.7 güç faktöründe çalışan endüksiyon motorlarının oluşturduğu kabul edilir. Güç faktörünü 0.9’a iyileştirmek için aktif gücün %50’si kadar bir kondansatör gücüne ihtiyaç vardır.

Çalışır durumdaki endüstriyel dağıtım sistemlerinde ise ihtiyaç duyulan kondansatör gücü ölçülerek bulunur. Eğer aktif ve reaktif sayaçlar varsa, ihtiyaç duyulan kondansatör gücü aylık enerji faturası temel alınarak, aşağıdaki şekilde hesaplanır:

A_B : Reaktif güç (kvarh)

A_W : Aktif güç (kWh)

t : Çalışma zamanı

tanj ₂, cosj ₂’ye göre tablo 1 ‘den seçilecektir.

Eğer tesisde reaktif güç sayaçları mevcut değilse kondansatör gücü, reaktif ve aktif güç kayıt cihazları kullanılarak bulunur.

ÖRNEK:

a)kompanzasyonsuz durumda

b)kompanzasyonlu durumdaki bazı değerleri hesaplayalım

ÇÖZÜM:

a) Kompanzasyonsuz tesisdeki Görünen güç ve akım değerleri

 

b) kompanzasyonlu durumda

gerekli olan kondansatör gücü:

SONUÇ:

Güç katsayısının düzeltilmesi sonucunda %34 daha fazla aktif güç aynı tesisle iletilmiş olmaktadır. Bu enerji tasarrufudur. İletim kayıpları da %56 azaltılmıştır.

Yük güç katsayısı doğrultması, sabit değerli bir kondansatör ünitesiyle trafoda sağlandığında, düşük yük durumlarında trafonun aşırı kompanse edilmemesi de sağlanmalıdır.

Endüksiyon motorları için kondansatör tayini motorun yüksüz reaktif gücünün %90’ını aşmayacak şekilde yapılmalıdır. Aksi takdirde durdurma anında kendinden tahrik (self excitation) oluşarak çıkışlarda yüksek bir aşırı gerilime sebeb verir. Pratikte:

Kondansatör gücü

Yalnız yüksüz, az yük ve sık yolverme gibi istenmeyen durumlarda güç katsayısı 0.9’un altına düşecektir. Bu gibi durumları önlemek için ise bir merkezi reaktif güç kontrol ünitesi kullanılarak ek kompanzasyon sağlanabilir.

Bu tür kompanzasyonda bir kontaktör veya devre kesiciyle grup olara anahtarlanan birden fazla motorun veya fluresant lambanın kompanzasyonunu güç katsayısı doğrultma cihazları sağlar. Kondansatörlerin anahtarlanması için ilave şalt cihazlarına ihtiyaç yoktur.

Güç katsayısı doğrultma üniteleri şalt panolarında veya dağıtım panolarında yer alırlar. Reaktif güç kontrol ünitesi, devreye alınıp çıkartılan kondansatör grupları ile reaktif gücü, gelen besleme noktasında ölçen bir kontrol cihazını ihtiva eder. Eğer gelen reaktif güç referans değerinden uzaklaşırsa, kontrol cihazı kondansatör guruplarını bu grupların kontaktörlerini kullanarak devreye alır veya çıkartır. Kondansatör gücünün tesis için istenen güç katsayısını devamlı sağlayacak şekilde seçilmesi gerekir.

Reaktif güç kontrol üniteleri kondansatör kademelerinin sayısı ve oranlarıyla tanımlanırlar. Örneğin 250 kvar’lık 5 kademeli kondansatör gücü 50 kvar’lık kademelerle devreye alınıp çıkartılabilinir.

Düşük kayıplı kondansatörlerin (MKK kondansatörlerinin) kullanımı, kondansatör panolarının ve kontrol cihazlarının, şalt panolarına veya dağıtım panolarına entegre edilmesine imkan sağlamıştır.

Bireysel yüklerin, sabit değerli kondansatör üniteleriyle mi, yoksa merkezi güç katsayısı kontrol üniteleri kullanılarak mı kompanse edilmesi gerektiğinin kararı, ekonomik ve teknik faktörler birlikte ele alınarak verilmelidir. Her ikisi de eşit değerde kondansatör kullanan merkezi ve bireysel kompanzasyonlarda, 100 ila 400 kvar’lık güç aralığında merkezi kompanzasyonun maliyeti bireysel kompanzasyonun 1.3 ila 1.4 katı fazladır.

Bununla birlikte, tesislerin bir çoğunda olduğu gibi, tüm yüklerin hiç bir zaman aynı anda çalışmadığı ve daha düşük değerde kondansatörler kullanan bir merkezi kompanzasyon ünitesinin genelde kompanzasyon için yeterli olması gerçeğini de yadsımamak gerekmektedir.

Buna bağımlı olarak, bireysel kompanzasyon sadece:

Yükleri besleyen kablolardaki akımı azaltmasına rağmen, bireysel kompanzasyonun, kondansatör gücünü devamlı olarak yükün reaktif gücüne adapte etmesi de mümkün değildir.

Merkezi kompanzasyon özellikle:

Kndansatör gücü tesisin reaktif güç gereksinimi kadar olmalıdır. Enstalasyon ve daha sonraki genişletmeler göreceli olarak basittir. Merkezi konumundan dolayı güç katsayısı doğrultma cihazlarının periyodik bakım kontrolleri kolaylaştırılmıştır.

Kompanzasyon ihtiyacı nedeniyle sık sık devreye sokulan kondansatörler, tekrar devreye girmeden önce TS 804 uyarınca, emniyet gereği bir deşarj düzeni üzerinden 1 dakikada 50 V’ un altına deşarj edilmelidir. Bu amaçla deşarj dirençleri kullanılmalıdır. Ancak otomatik kompanzasyon sistemlerinde otomatik reglerler, kondansatör kademelerini daha kısa sürelerde ( t < 10 saniye ) devreye sokarlar. Şarj edilmiş ya da yeterince deşarj edilmemiş kondansatörlerin yeniden devreye alınmaları esnasında oluşan gerilim artışlarının kondansatör kontaklarını tahrip etmemesi için hızlı deşarj sağlayan (t<10 saniye) deşarj bobinlerinin kullanılması gerekmektedir.

Kondansatöre paralel bağlanan deşarj bobinleri, yüksek dirençleri nedeniyle şebeke frekansında çok az kayba yol açtıklarından ( özellikle deşarj direnci kayıpları ile kıyaslandığında) tavsiye edilmektedir.

50 kvar’ a kadar gruplar için 1 adet

50-100 kvar arasındaki gruplar için 2 adet Deşarj Bobini kullanılmalıdır.

Günümüzde güç elektroniği cihazlarının gelişmesiyle birlikte konvertör beslemeli yüklerin sayısı tesislerde gittikçe artmaktadır. Bunlar :

Tristörlerin kullanıldığı gelişmiş teknoloji çok geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Örneğin değişken hızlı ve çıkışlı sürücüler, konvertör beslemeli motorlar kullanılarak daha ekonomik olarak işletilmektedirler.

Bu gibi harmonik üreten yükleri besleyen şebekelerde yapılan reaktif güç kompanzasyonlarında mutlaka filtreler veya filtreli kondansatörler kullanılmalıdır.

Bunula birlikte, sinüsoidal olmayan büyük bir akım çektiklerinden dolayı knovertörlerin üç fazlı enerji besleme sisteminde bir etkileri vardır. Bundan dolayı enerji sisteminden çekilen konvertör akımını dikkate almak ve konvertör beslemeli yüklerin bulunduğu dağıtımlarda güç katsayısı doğrultma üniteleriyle doğrudan ilgilenmek gerekmektedir. Aşağıda bu konudaki açıklayıcı bilgiler bulunmaktadır.

Konvertör akımı, ana güç frekansında olan kısmı ve ana güç frekansının tam sayı katlarından oluşan frekanslara sahip harmonik serilerden oluşmuş bir sinüsoidal akım serisidir (Şekil 6).

Bu harmonik akımlar üç fazlı enerji besleme sistemine enjekte edilmişlerdir. Bunun sonucunda da enerji sistemindeki empedansların arasında görünen harmonik gerilimler de ana frekans üzerine bindirilmiş olurlar ve sistem gerilimini bozarlar. Bu da sistemde zorlanmalara yol açar ve diğer yüklerde hataya sebeb verir.

Bir faz-komutasyonlu konvertörün tam kontrollü üç faz köprü bağlantısını ele alalım. (Şekil 7).

P=Darbe=6

Konvertör sisteminde J tam sayısı kadar akım çekmektedir:

J = 6k± 1, k=1,2,3,...

Tam sayıların artışıyla akımların genlikleri azalır. İdeal durumlarda :

Doğru akım sık sık yetersiz bir şekilde düzeltildiğinden, pratikte aşağıda belirtilen akımların oluştuğu kabul edilir.

,

,

Daha yüksekharmoniklerin genlikleri genelde sınırlı öneme sahiptirler. Kritik durumlarda ise 5.nci harmoniğin genliğiçok daha yüksek değerlere ulaşabilir.

Filtre devrelerinin alçak gerilim tarafına doğruda bağlanmasıyla, harmonik akımların enerji besleme sistemi üzerindeki etkileri gözle görülür bir şekilde azaltılabilinir.

Filtre devreleri, kondansatörlere seri bağlanmış reaktörleri kullanan seri rezonant devrelerden oluşur. Rezonant devreler öyle ayarlanırlar ki, enerji sisteminin empedansıyla mukayese edildiğinde dikkate alınmayacak kadar küçük ve sıfıra yakın bir empedans bireysel harmonik akımlar için oluşturulur. Böylelikle konvertörlerin harmonik akımları büyük bir oranda filtre devreleri ile yutulurlar (Şekil 8).

Sadece geriye kalan enerji besleme sistemine akar ve böylece gerilim daha az bir ölçekte etkilenir ve diğer yüklerden gelen bozmaların büyük ölçüde önüne geçilmiş olur.

Filtre devrelerinin en küçük tam sayıdan yukarıya doğru tasarımları elzemdir. 5.nci, 7.nci, 11.nci ve 13.ncü harmonikler için kullanılmaları tavsiye edilir. Bir çok durumda yalnız 5.nci filtre devresi sağlamakta yeterlidir.

Enerji sisteminin içine akan harmonik akımları %70 ila %90 arasında azaltmak mümkündür. Filtre devrelerinin boyutlandırılması:

Konvertör kullanan endüstriyel enerji dağıtım sistemlerinde, filtre devrelerine sıklıkla ihtiyaç duyulmaz ama, gene de reaktif gücün tamamen kompanze edilmesi istenir. Güç kondansatörleri kullanılırken rezonans etkileri oluşabileceğinden dikkatli olunması tavsiye edilir. A.G. tarafından bakıldığında enerji sisteminde enstalasyonu yapılmış kondansatörler, besleme trafosunun reaktif empedansı ve diğer enerji sistemi endüktansları ile beraber bi rezonans devre oluştururlar.

Eğer bu devrenin frekansı bir harmoniğinin frekansı ile eşleşirse rezonans devre harekete geçer. Bu da tesisin aşırı yüklenmesine ve koruyucu cihazların harekete geçmesine sebeb olan çok yüksek aşırı akımlar oluşturur. (Şekil 10).

Rezonans etkilerinden kaçınmak için endüktif tip kondansatörler kullanarak güç katsayısını doğrultmak sıkça yapılan bir gereksinimdir. Endüktif kondansatörlerin tasarımı filtre devreleri ile aynı olmakla birlikte rezonans freakanları 5.nci harmoniğin altındadır. Bunun sonucunda da kondansatör ünitesi konvertör akımında ihtiva edilen tüm harmoniklere bir endüktif reaktans oluşturur ve böylece rezonans freakansları oluşmaz. Endüktif kondansatörler ve güç katsayısı doğrultma üniteleri aynen normal kondansatörler ile kontrol ünitelerinin kullanıldığı şekilde kullanılırlar.

Ses frekanslı küçük dalga kontrol cihazları anahtarlama ve kontrol için kullanılmaktadır. Audio (ses) frekans sinyalleri 160 Hz ila 1350 Hz aralığında yer alırlar. Kondansatörlerin reaktansları (Xc) frekans bağımlı olduğu için kondansatörler ses frekans sinyallerini şebeden absorbe ederler.

Kompanzasyon cihazları seçilirken küçük dalga kontrol işlemini aksatmamak için şebekenin hazırda bulunan küçük dalda kontrol frekansının dikkate alıması gerekir. Kompanzasyonun ses frekanslı küçük dalga kontrol üzerindeki izin verilemez etkisini belirtmek için 1993 yılında Alman VDEW tavsiyelerine empedans faktörü eklenmiştir.

Buna göre harmoniklerin olmadığı ve küçük dalga kontrol frekansları <250 olan şebekelerde, trafo görünen gücünün % 35’ ine kadar kondansatör gücüne sahip reaktörsüz merkezi güç katsayısı doğrultma üniteleri kullanılabilmektedir.

Sadece çok büyük kondansatör güçlerinde ses frekans bloklarının kullanımı için eneji dağıtım frekansıyla görüşmeler yapmaya gerek vardır. 250 Hz’ den büyük ses frekanslarında ses frekans bloğu kullanmadan sadece 10 kvar’a kadar izin vardır. Daha büyük güçteki tüm kompanzasyon cihazları besleme yönüne doğru ses frekans blokları ihtiva etmelidir.

Daha büyük harmonikli şebekelerde güç katsayısı doğrultma, sadece endüktif tip kondansatörlerle mümkündür. Endüktif kondansatör üniteleri belirli ses frekanslarının üzerinde yeteri kadar yüksek empedans faktörüne sahiptirler, ve daha başka bir ses frekans bloğuna ihtiyaç göstermezler. Güç katsayısı doğrultma ünitesinin doğru tipi ses frekansına göre seçilmelidir.

Eğer ses frekansı < 250 Hz ise reaktör bağlanmış kondansatörlü özel tip güç katsayısı doğrultma üniteleri veya reaktör/kondansatör oranı %14 olan güç katsayısı doğrultma üniteleri kullanılmalıdır. Eğer ses frekansı >250 Hz ise reaktör/kondansatör oranı >= %7 olmalıdır ve ses freakansı >350 Hz için ise reaktör/kondansatör oranı >= %5 olmalıdır.

KAYNAKLAR

1. SİEMENS Güç Katsayısı Doğrultma katalogu (ASI 2,3/61/03.98/5.000)