Elektrik tesislerinde, yükler şebekeden elektrik gücünü (aktif) güç kaynağı olarak çekerler (örn. kişisel bilgisayarlar, yazıcılar, tıbbi teşhis ekipmanları, vb.) veya onu başka bir enerji formuna (örn. elektrikli lambalar veya fırınlar) ya da mekanik çıkışa (örn. elektrik motorları) dönüştürürler. Bunu elde etmek için genellikle yükün şebeke ile çoğunlukla indüktif tip olan reaktif enerjiyi değiş tokuş etmesi gerekir. Bu enerji, hemen diğer formlara dönüştürülmemiş olsa da, elektrik şebekesinde üreticilerden (kaynaktan) iletkenler boyunca kullanıcıya akan toplam gücü artırmaya katkıda bulunur. Bu tarz bir negatif etkiyi azaltmak için elektrik tesislerinde güç faktörü düzeltilmesi yapılır.
Kullanışlı elektrik gücünün aktarımı için gerekli reaktif enerjiyi yerel olarak üretmek üzere kapasitör bankları kullanılarak elde edilen güç faktörü düzeltilmesi, tesislerin teknik- ekonomik yönetimini daha rasyonel hale getirir.
Dahası, elektronik devreler ve elektrikli sürücüler gibi doğru akım kullanıcılarının mevcut yayılımı, şebekeye enjekte edilen akım harmoniklerinin üretilmesi sonucu diğer yüklere bağlı dalga formlarının kirlenmesi ve bozulmasına yol açar. Bu nedenle, hem pasif hem de aktif harmonik filtrelerin kullanılması, şebekenin genel güç kalitesinin artırılması için katkıda bulunurken, bu tür filtreler düzgün boyutlandırıldığında ayrıca şebeke frekansında güç faktörü düzeltilmesini yürütür.
1 ) Güç Faktörü Düzeltmenin Genel Özellikleri
Alternatif akım devrelerinde, bir yük tarafından çekilen akım iki bileşen ile temsil edilebilir:
1- Aktif bileşen IR, besleme gerilimi ile uyum içerisinde olup, çıkış (ve bu yüzden farklı türde enerjiye dönüştürülen elektrik enerjisinin bir bolumu: mekanik enerji, ışık enerjisi, termal enerji…) ile doğrudan ilgilidir;
2- Reaktif bileşen IQ, gerilim ile dik evreli olup, elektrik veya manyetik alan boyunca güçlerin dönüştürülmesi için gerekli olan akımı oluşturmak için kullanılır ve besleme ve yük arasında enerji transferi göstergesidir. Bu olmadan, gücün net transferi olamaz. Örneğin, transformatörün çekirdeğindeki manyetik kaplin veya motordaki hava boşluğu yoluyla.
En sık görülen durumda, omik indüktif tip yüklerin varlığında, toplam akım I, aktif bileşen IR'ye göre geriden gelir.
Bu nedenle, bir elektrik tesisatında aktif güç P'ye ek olarak, elektrik enerjisinin dönüştürülmesi için gerekli olan ama şebeke ile değiş tokuş yüzünden yükte kullanılamayan belirli bir Q reaktif gücü üretmek ve aktarmak gerekir. Üretilen ve iletilen gücün birleşimi görünen güç S'yi teşkil eder.
Güç faktörü cosφ aktif bileşen IR ve toplam I akımı değeri arasındaki oran olarak tanımlanır;
φ gerilim ve akım arasındaki faz açısıdır. Verilen bir V faz gerilimi için, sonuç:
Tablo 1.1: Bazı elektrikli cihazlardaki tipik güç faktörleri
Güç faktörünün iyileştirilmesi, gerekli reaktif gücü yerel olarak sağlayarak tesisatın tanımlanmış bir bölümünde güç faktörünü artırmak için gerekli işlemlerin yapılması anlamına gelir. Böylece akım ve dolayısıyla şebekeden yukarı yönde akan gücün değeri, gerekli aynı çıkış gücünde azaltılabilir. Böylece, hatlar, güç kaynakları ve transformatörler aşağıdaki bölümde daha iyi açıklandığı üzere, daha düşük bir görünür güç için boyutlandırılabilir.
Tamamen teknik bir bakış acısından bakıldığında, uygun büyüklükteki bir tesisat düşük güç faktörü durumunda da düzgün çalışabilir; bu nedenle bir elektrik tesisatında olması gereken güç değerini tam olarak belirten bir standart yoktur.
Ancak, güç faktörünü iyileştirmek, teknik ve ekonomik avantajlar sağlayan bir çözümdür; hatta düşük cosφ'a sahip bir tesisatın yönetimi, elektrik tedarikçisi kurum için maliyetlerde bir artış anlamına gelir ve dolayısıyla düşük güç faktörleri ile enerji çekilmesini cezalandıran bir tarife yapısı uygular.
Farklı ülkelerde yürürlükte olan yasal tedbirler, ulusal elektrik tedarikçilerinin az ya da çok detaylı bir tarife sistemi oluşturmasına izin verir; detaylara çok girmezsek, böylesi bir sistem, kaynağın gerilim seviyesine (düşük, orta ya da yüksek) ve güç faktörüne bağlı olarak 0.9'a eşit bir cosφ'yi aşan çekilen bir reaktif enerjinin belirlenen miktarlara göre ödeneceği şekilde yapılandırılır.
Uygulanan tarifeye göre, tüketici kendi ek ücret miktarını belirleyebilir ve böylece güç faktörü düzeltilmesi için bir tesisat maliyeti ile karşılaştırıldığında ödenecek cezalara ilişkin tasarrufları değerlendirebilir.
2 ) Güç Faktörü Düzeltmenin Teknik Avantajları
Daha önce bahsedildiği üzere, gerekli reaktif gücü yerel olarak besleyerek bir tesisatın güç faktörü düzeltildiğinde, aynı gerekli çıkış gücü seviyesinde, akım değerini ve dolayısıyla yük tarafında çekilen toplam gücü indirgemek mümkündür; bu da birçok avantaj anlamına gelir. Bu avantajlar arasında elektrik makinelerinin (generatör ve transformatörler) ve elektrik hatlarının (aktarım ve dağıtım hatları) daha iyi kullanımı vardır.
burada:
► P aktif güçtür;
► Q1, φ1 güç faktörü düzeltme öncesi reaktif güç ve faz kayma açısıdır;
► Q2, φ2 güç faktörü düzeltme sonrası reaktif güç ve faz kayma açısıdır;
► Qc güç faktörü düzeltilmesi için reaktif güçtür.
Örnek: Ortalama 300 kW güç çeken üç fazlı bir santralde (Un=400 V) güç faktörünü 0.8'den 0.93'e çıkarmak istiyoruz diyelim.
Çekilen akım:
Önceden açıklanan formülü uygulayarak, Qc tarafından yerel olarak üretilecek reaktif güç şu şekilde elde edilebilir:
Güç faktörü düzeltme etkisi nedeniyle, çekilen akım 540 A'dan şu değere düşecektir:
Yukarıda belirtilenler için, güç faktörü düzeltilmesinin başlıca avantajları şöyle özetlenebilir:
► Elektrik makinelerinin daha iyi kullanımı
► Elektrik hatlarının daha iyi kullanımı
► Kayıpların azaltılması;
► Gerilim düşümlerinin azaltılması.
2.1 ) Elektrik Makinelerinin Daha İyi Kullanımı
Generatörler ve transformatörler S görünür gücüne göre boyutlandırılır. Aynı P aktif gücünde, sağlanacak Q reaktif gücü ne kadar küçük olursa, görünür güç de o kadar küçük olur. Böylece, tesisatın güç faktörünü iyileştirerek, bu makineler daha düşük bir görünür güç için boyutlandırılabilirken halen aynı aktif gücü sağlayabilirler.
Örnek olarak, Tablo 2.1'de OG/AG üç fazlı transformatörler için aktarılabilen gücün değişimi, yükün cosφ fonksiyonu olarak gösterilmektedir.
Tablo 2:1
Yukarıdaki tablodan çıkan sonuca göre cosφ=0.7 olan 170 kW toplam gücü bir dizi yüke beslemek için 250 kVA bir transformatör kullanılmalıdır. Eğer yükler 0.7 yerine cosφ=0.9 ile aynı gücü çekerlerse, 200 kVA bir transformatör kullanmak yeterli olacaktır.
Aynısı generatörler için de geçerlidir.
2.2 Elektrik Hatlarının Daha İyi Kullanımı
Güç faktörü düzeltilmesi, kablo boyutlandırmada da avantajlar elde edilmesini sağlar. Nitekim, daha önce bahsedildiği üzere aynı çıkış gücünde, güç faktörünün artırılmasıyla akım azalır. Akımdaki bu indirgeme, daha az kesit alanına sahip iletkenlerin seçimini sağlayacak şekilde yapılabilir.
Delikli bir kablo tavasına düz bir şekilde monte edilmiş EPR yalıtımlı tek damarlı bir bakır kablo seçerken, standart şartlar altında, 120 mm2 bir kesit alanı gerekecektir (bkz. Tablo 2.2).
0.9 cosφ değeri elde edecek şekilde yerel olarak güç faktörünü düzeltmek için, gerekli akım:
Bu akım değeri ile kablo 70 mm2 kesit alanına sahip olabilir.
Tablo 2.2: Delikli Kablo Tavasındaki Tek Damarlı Bakır Kabloların I0 akım taşıma kapasitesi
Bir elektrik iletkeninin güç kayıpları iletkenin kendi direncine ve bunun üzerinden akan akımın karesine bağlıdır; iletilen aynı aktif güç değeri ile cosφ ne kadar büyük olursa, akım o kadar düşük olacağından, buna müteakip güç faktörü arttığında güç faktörü düzeltilmesinin gerçekleştiği noktanın besleme tarafındaki iletkendeki kayıplar azalacaktır.
Üç fazlı bir sistemde kayıplar aşağıdaki gibi açıklanır:
burada:
► I: iletkenden akan akım;
► R: iletkenin direnci;
► S: yükün gerektirdiği görünür güç;
► P: yükün gerektirdiği aktif güç;
► Q: yükün gerektirdiği reaktif güç;
► Un: nominal besleme gerilimi.
Güç faktörünün düzeltilmesi sonrası kayıplardaki indirgeme Δp şu şekilde verilir:
burada:
► p1 güç faktörü düzeltme öncesindeki kayıplardır;
► cosφ1 güç faktörü düzeltme öncesi güç faktörüdür;
► cosφ2 güç faktörü düzeltme sonrası güç faktörüdür.
Bu formülden [2.4] çıkan sonuca göre, örneğin, güç faktörünü 0.7'den 0.9'a çıkartarak, kayıplarda %39.5 oranında tasarruf elde edilir. Alttaki tablodan, güç faktörünü ilk cosφ1 değerinden 0.9 ve 0.95 son değerlerine yükselterek kayıplarda elde edilen tasarruf görülebilir.
Güç faktörünü iyileştirerek, güç faktörünün iyileştirildiği noktanın kaynak yönünde, kurulumun tüm kısımlarındaki güç kayıplarında indirgenme elde edilir.
2.4 ) Gerilim Düşümünün Azaltılması
Hat-Hat geriliminin üç fazlı bir hatta düşüşü şu şekilde açıklanabilir:
burada:
► R ve X, sırasıyla hattın direnç ve reaktansıdır;
► P aktarılan aktif güçtür;
► I akımdır;
► Un nominal gerilimdir.
Aynı aktarılan aktif güç seviyesinde, güç faktörü ne kadar yüksek olursa gerilim düşümü daha küçük olacaktır. Faz gerilim düşümü ΔV'yi gösteren diyagramlardan görüleceği üzere, gerilim ve akım arasındaki faz kayma akımı φ ne kadar küçük olursa (yük akımının aynı aktif bileşeni ile ve bu yüzden, aynı aktif güç ile) gerilim değişimi o kadar küçük olur; bir reaktif güç çekimi yok ise, bu değişim minimumdur (eş fazlı akım).
Şekil 2.1: Hattaki gerilim düşümünü gösteren güç faktörü düzeltilmesi olmadan fazör diyagramı
Şekil 2.2: Toplam güç faktörü düzeltme ile fazör diyagramı, salt omik yük durumunda hattaki gerilim düşümünü gösteriyor.
3) Güç Faktörü Düzeltmenin Ekonomik Avantajları
Elektrik tedarikçisi kurum, aylık ortalama 0.9'dan küçük güç faktörüne sahip enerji çekimleri için ceza uygulayacağı bir tarife uygular. Uygulanan sözleşmeler ülkeden ülkeye ve müşteri çeşidine göre farklılık gösterir: sonuç olarak aşağıdaki notlar, güç faktörü düzeltme sayesinde elde edilebilir ekonomik tasarrufu göstermeyi amaçlayan salt öğretici ve gösterge niteliğinde bilgiler olarak kabul edilecektir.Genel olarak güç tedarikinin sözleşme maddeleri, güç faktörü 0.7 ila 0.9 aralığındayken çekilen reaktif enerjinin faturalandırılmasını gerektirirken, 0.9'un üzerinde herhangi bir alacak oluşmaz.
Cosφ < 0.7 için elektrik tedarikçisi kurum güç faktörü düzeltilmesini tüketiciler için zorunlu kılabilir. Aylık ortalama 0.9'a eşit ve onun üzerinde bir güç faktörüne sahip olmak, şebekeden aktif enerjinin %50'si veya üzerinde bir reaktif enerji talep etme anlamına gelir.
Dolayısıyla, reaktif enerji gereksinimleri aktif olanın %50'sini aşmazsa hiçbir ceza uygulanmaz. 0.9'a eşit bir güç faktörünü aşan bir reaktif enerjiyi çekerken tüketicinin ödeyeceği yıllık maliyet aşağıdaki ilişki ile açıklanabilir:
burada:
► CEQ yıllık reaktif enerjinin € cinsinden maliyetidir;
► EQ kvarh cinsinden yıllık tüketilen reaktif enerjidir;
► EQ kWh cinsinden yıllık tüketilen aktif enerjidir;
► EQ - 0.5
► Ep ödenecek reaktif enerji miktarıdır;
► c reaktif enerjinin €/kvarh cinsinden birim maliyetidir.
Eğer reaktif enerji tüketimi ödememek için güç faktörü 0.9 olarak düzeltilirse, kapasitör bankın ve ilgili tesisatın maliyeti:
burada:
► CQc güç faktörünü 0.9 olarak tutmak için € cinsinden yıllık masraf;
► Qc kvar cinsinden 0.9 bir cosφelde etmek için gereken kapasitör bank gücü;
► cc kapasitör bankının kurulumu için €/kvar cinsinden yıllık kurulum maliyeti.
Müşterinin tasarrufu:
Belirtmek gerekir ki kapasitör bankı, bir veya daha fazla ekonomik katsayı uygulanarak, tesisat ömrünün yıllarına uygun olarak bölüneceği bir "kurulum maliyetini" temsil eder; pratikte, güç faktörünün düzeltilmesiyle elde edilen tasarruflar, kapasitör bankının kurulum maliyetini kullanımın ilk yıllarında çıkartmayı sağlar.
Örnek Bir şirket Tablo 3.1'e göre aktif ve reaktif enerji çekiyor:
Reaktif enerjinin birim ücretinin 0.0421 €/kvarh'ye eşit olduğunu varsayarak, yıllık toplam maliyet:
Tablo 3.2 güç faktörünü 0.9'a çıkarmak için gerekli reaktif gücü göstermektedir.
Eğer yıllık 25 €/kvar cc değerinde bir toplam kurulum maliyetine karşılık otomatik kontrollü Qc=30 kvar güç düzeltme faktörüne sahip bir kapasitör bankı kullanılırsa, toplam 750 € maliyet elde edilir. Geri ödeme ve mali giderleri hesaba katmadan tüketici için tasarruf şu şekilde olacaktır:
4) Reaktif Gücün Üretim Araçları
Reaktif güç üretimi için ana araçlar:
► Senkron alternatörler;
► Senkron kompansatörler (SC);
► Statik var kompansatörler (SVC);
► Statik kapasitör bankları.
4.1) Senkron AlternatörlerSenkron alternatörler, elektrik enerjisinin üretimi için kullanılan başlıca makinelerdir. İletim ve dağıtım sistemleri ile nihai yüklere elektrik gücü sağlamak için tasarlanmışlardır. Ayrıca, teknik detaylara girmeden, alternatörlerin ikazını etkileyerek, üretilen gerilim değerinin değiştirilmesi ve buna bağlı olarak şebekeye yapılan reaktif güç enjeksiyonlarını düzenleyip sistemin gerilim profillerinin iyileştirilmesi ve hatlarda jul etkisi nedeniyle oluşan kayıpların azaltılması mümkündür
4.2) Senkron Kompansatörler
Bunlar şebeke ile senkronize bir şekilde yüksüz olarak çalışan senkron motorlardır ve tek görevleri fazla reaktif gücü emmek (düşük ikazlı çalışma) veya eksik olanı beslemektir (aşırı ikazlı çalışma)
Şekil 4.1: Düşük İkazlı Senkron Kompansatör
Şekil 4.2: Aşırı İkazlı Senkron Kompansatör
E: stator fazlarında indüklenen e.m.f
V: alternatör terminallerine şebeke tarafından uygulanan faz gerilimi
I: stator akımı
Xs: stator direnci
Bu cihazlar, gerilimlerinin ve reaktif güç akışlarının düzenlenmesi için çoğunlukla güç iletim ve alt iletim şebekesinin belli düğümlerinde kullanılır.
Yüksek kurulum ve bakım maliyetleri nedeniyle ekonomik acıdan bakıldığında senkron kompansatörler, güç dağıtım şebekelerinde kullanım için uygun değildir.
4.3) Statik VAR Kompansatörler
Güç elektroniğindeki kayda değer gelişim, reaktif güç kontrolü için statik sistemlerle senkron kompansatörlerin değiştirilmesini teşvik etmektedir; örneğin TSC (tristör anahtarlı kapasitörler) ve TCR (tristör kontrollü reaktörler).
Bunlar elektromekanik bileşenlere dayanan reaktif güç kompanzasyon sistemlerinin elektronik versiyonudur ancak bunlarda çeşitli kapasitörlerin anahtarlanması, uygun kontaktörlerin açılıp kapanmasıyla değil antiparalel tristör çiftleri tarafından yürütülen kontrol yoluyla yapılır.
TSC, kapasitör gruplarının sağladığı reaktif gücün adım adım kontrolüne izin verirken, TCR ile indüktörlerin çektiği reaktif gücün sürekli kontrolü mümkündür.
Bir TSC ile TCR'yi bağlayarak, taşınan/çekilen reaktif gücün sürekli modülasyonlu düzenlemesini elde etmek mümkündür. Uygulama acısından, bu cihazlar özellikle yüksek ve çok yüksek gerilimli şebekelerde kullanılır.
4.4) Statik Kapasitor Bankları
Bir kapasitör, dielektrik bir malzeme ile birbirinden izole edilmiş plakalar olarak adlandırılan iki iletken yüzeyden oluşan pasif dipoldür.
Bu şekilde elde edilen sistem, elektrik boşalmasına neden olabilecek nemin veya gaz ceplerinin içeri girmesini önlemek için emprenye edilir (emdirilir).
Son nesil kapasitörler kuru-tiptir ve elektriksel özelliklerini artıran özel bir işlemden geçerler. Kuru-tip kapasitör kullanıldığında, emprenye maddenin arızi sızıntısı nedeniyle kirlilik riski olmaz.
Metal plakaların geometrisine göre, şunlara sahip olmak mümkündür:
► Düz kapasitorler;
► Silindirik kapasitörler;
► Küresel kapasitörler.
Bir kapasitorü karakterize eden başlıca parametreler şunlardır:
► Nominal kapasitans Cn: kapasitörün nominal güç, gerilim ve frekansından elde edilen değer;
► Nominal güç Qn: kapasitörün tasarlandığı reaktif güç;
► Nominal gerilim Un: kapasitörün tasarlandığı alternatif gerilimin r.m.s. değeri;
► Nominal frekans fn: kapasitörün tasarlandığı frekans;
Plakalar boyunca alternatif akım uygulandığında, kapasitör şarj ve deşarj döngülerine tabi tutulur ve bu sırada reaktif enerji depolar (kapasitör şarjı) ve bu enerjiyi bağlı olduğu devreye enjekte eder (kapasitör deşarjı).
Bu enerji aşağıdaki ilişki ile sağlanır:
burada:
► C: kapasitanstır;
► U: kapasitörün terminallerine uygulanan gerilimdir.
Enerji depolama ve taşıma özellikleri yüzünden, kapasitörler reaktif güç faktörü düzeltme banklarının (tüm gerilim seviyeleri için) ve reaktif gücü düzenleyen statik cihazların gerçekleştirilmesi için temel eleman olarak kullanılır.
Özellikle, alçak gerilim uygulamaları için kullanılan güç faktörü düzeltme kapasitörleri, metalize polipropilen filmin tek fazlı bileşenlerinden oluşur ve kendini iyileştirme özelliğine sahip olabilir. Bu kapasitörlerde, deşarj yüzünden zarar gören dielektrik kısım, kendi kendini yenileme özelliğine sahiptir; hatta, bu tur durumlarda, polipropilen filmin deşarjdan etkilenen parçası, deşarjın sebep olduğu termal etki yüzünden buharlaşır ve böylece hasarlı kısmı yeniler.
Güç Faktörü Düzeltme Yöntemleri
Her tesisat tipine uygulanabilir herhangi bir genel kural yoktur ve teoride kapasitörler herhangi bir noktaya kurulabilir, ancak ilgili pratik ve ekonomik fizibilitenin değerlendirilmesi gerekir.
Kapasitörlerin bulundukları konuma göre, güç faktörü düzeltmenin başlıca yöntemler şunlardır:
► Dağıtılmış güç faktörü düzeltme.
► Grup güç faktörü düzeltme.
► Merkezileştirilmiş güç faktörü düzeltme.
► Kombine güç faktörü düzeltme.
► Otomatik güç faktörü düzeltme.
5.1 Dağıtılmış Güç Faktörü Düzeltme
Dağıtılmış güç faktörü düzeltme, uygun boyutlandırılmış bir kapasitör bankının reaktif güç talep eden yük terminallerine doğrudan bağlanmasıyla elde edilir. Kurulum kolay ve ucuzdur; kapasitör ve yük aşırı akımlara karşı aynı koruyucu cihazı kullanabilir ve aynı anda bağlanıp çıkartılabilir. Bu tür güç faktörü düzeltilmesi, sabit yük ve güce ve de uzun bağlantı surelerine sahip büyük elektrikli ekipmanlarda tavsiye edilir ve genellikle motorlar ve floresan lambalar için kullanılır.
Şekil 5.1 Motorların güç faktörü düzeltilmesi için ortak bağlantı diyagramları
Doğrudan bağlantı durumunda (diyagram 1 ve 2), aşağıdaki risk göze alınabilir: kaynaktan çıkartıldıktan sonra, motor dönmeye devam eder (artık kinetik enerji) ve kapasitör bankından çekilen reaktif enerji ile kendinden ikaz yapar ve asenkron jeneratöre dönüşebilir. Bu durumda, anahtarlamanın ve kontrol cihazının yük tarafındaki gerilim, tehlikeli aşırı gerilim riskiyle beraber korunur (nominal gerilim seviyesinin iki katına kadar).
Diyagram 3'ü kullanırken, kompanzasyon bankı yalnızca motor başlatıldıktan sonra bağlanır ve motor beslemesinin kapatılmasından önce devre dışı bırakılır.
Bu tip güç faktörü düzeltilmesi ile yükün besleme tarafındaki şebeke daha yüksek güç faktörü ile çalışır; diğer yandan, bu çözüm ekonomik acıdan külfetlidir.
5.2 Grup Güç Faktörü Düzeltme
Özel olarak çalışan bir kapasitör bankı kurarak, benzer çalışma özelliklerine sahip yük gruplarının güç faktörünün yerel olarak iyileştirilmesidir.
Güç faktörü düzeltilmesiyle oluşan faydalar, kapasitör bankının bulunduğu noktanın kaynak yönündeki hatta hissedileceğinden bu, ucuz çözüm ve doğru tesisat yönetimi arasında bir uzlaşmaya varan bir yöntemdir.
Şekil 5.2 Güç Faktörü Düzeltilecek Yük Grubu
5.3 Merkezileştirilmiş Güç Faktörü Düzeltme
Gün boyunca bağlanan yüklerin profili, en uygun tipteki güç faktörü düzeltmesinin secimi için birinci dereceden önemlidir.
Tüm yüklerin aynı anda çalışmadığı ve/veya bazı yüklerin günde sadece birkaç saat bağlı olduğu birden fazla yüke sahip tesisatlar için, kurulu kapasitörlerin birçoğu uzun bir süre boşta kaldığından dağıtılmış güç faktörü düzeltme çözümünün çok zahmetli hale geldiği acıktır. Bu nedenle, sadece kurulumun merkezinde bulunan bir kompanzasyon sisteminin kullanılması, kurulu kapasitörlerin toplam gücünde kayda değer bir azalma sağlar.
Şekil 5.3 AG Beslemeleri
Genelde, merkezileştirilmiş güç faktörü düzeltmede, doğrudan ana dağıtım panolarına kurulu, adımlara ayrılmış banklarla otomatik tertibatlar kullanılır (bkz. 5.5 Otomatik güç faktörü düzeltme); sürekli bağlı bir bankın kullanımı ancak reaktif enerjinin tüketimi gün boyu sabitse mümkündür.
Merkezileştirilmiş çözüm, kapasitör bankı maliyetlerinin optimizasyonunu sağlar ama dezavantajı şudur ki güç faktörü düzeltme cihazının yük tarafındaki dağıtım hatlarının yükler tarafından çekilen tam reaktif gücün hesaba katılarak boyutlandırılması gerekir.
5.4 Kombine Güç Faktörü Düzeltme
Bu çözüm dağıtılmış ve merkezi güç faktörü düzeltme çözümlerinin birlikte kullanılmasıyla oluşur ve iki çözümün de avantajlarını sunar. Bu şekilde, dağıtılmış kompanzasyon yüksek güçlü elektrikli ekipman için kullanılırken geri kalan kısım için merkezileştirilmiş yöntem kullanılır.
Kombine güç faktörü düzeltme, genellikle yalnızca büyük ekipmanların sık kullanıldığı tesisatlarda kullanılır; bu gibi durumlarda güç faktörleri ayrı ayrı düzeltilirken küçük ekipmanın güç faktörü merkezileştirilmiş yöntem ile düzeltilir.
5.5 Otomatik Güç Faktörü Düzeltme
Çoğu tesisatta, farklı elektriksel özelliklere sahip makineler kullanıldığı için çalışma cevrimi yüzünden reaktif güç sabit olarak çekilmez.
Bu gibi tesisatlarda, izleyici bir varmetrik cihaz ve bir güç faktörü düzenleyicisi sayesinde, otomatik güç faktörü düzeltme için sistemler vardır ve bunlar da farklı kapasitör banklarının otomatik anahtarlanmasını sağlar ve böylece çekilen reaktif güç değişimlerini takip eder ve tesisat sabitinin güç faktörünü sabit tutar.
Otomatik kompanzasyon sistemi şunlardan oluşur:
► Akım ve gerilim sinyallerini algılayan bazı sensörler;
► Ölçülen güç faktörünü istenen faktör ile karşılaştıran ve gerekli reaktif güç ile kapasitör banklarının bağlantısını ve kesilmesini yürüten akıllı bir birim (güç faktörü düzenleyici);
► Anahtarlama ve koruma cihazlarından oluşan bir elektrik enerji panosu;
► Kapasitör bankları.
Mümkün mertebe talep edilene yakın bir besleme sağlamak için kapasitör bağlantısı kademeli olarak yapılır. Burada öngörülen kademe sayısı ne kadar fazla ve bu kademeler arasındaki fark ne kadar küçük olursa kontrol hassasiyeti o kadar yüksek olur.
6) Güç Faktörünün Hesaplanması
Bir tesisin güç faktörünün geliştirilmesi için kurulacak kapasitör bankının boyutlandırılmasında, güç faktörünün tüketime veya tesisin yük döngüsüne göre hesaplanması gerekir. Bu, normalde elektrik tedarikçisi kurumlar tarafından yasaklanan bir durum olan aşırı reaktif enerjinin tüketimini önlemek içindir.
Dağıtılmış veya grup güç faktörü düzeltme yapmak için tek yükün veya yük grubunun (fabrika alanları) cosφ değerinin hesaplanması gerekir; bu, aşağıdaki şekilde gerçekleştirilir:
► Direkt olarak bir güç faktörü ölçer ile doğrudan ölçme yoluyla.
► Dolaylı olarak, aktif ve reaktif enerji ölçerlerin okunması yoluyla.
Güç faktörü ölçer, yükün çektiği enerjiye göre güç faktörü cosφ'yi gösterebilen bir ölçme cihazıdır. Cihazın okunması yük döngüsünün farklı anlarında yapılır, böylece ortalama güç faktörü değeri elde edilir.
Eğer yük tarafından veya bir çalışma döngüsü sırasında fabrika alanlarını oluşturan yüklerin tamamı tarafından çekilen aktif ve reaktif enerji ölçümleri mevcutsa, ortalama güç faktörü aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
burada:
► EPi ve EQi çalışma döngüsünün başında okunan aktif ve reaktif enerji değerleridir;
► EPf ve EQf çalışma döngüsünün sonunda okunan aktif ve reaktif enerji değerleridir;
Merkezileştirilmiş güç faktörü düzeltmesi yapmak için, aylık ortalama güç faktörü daha önce gösterildiği şekilde veya elektrik tedarikçisi kurumun faturalarından elde edilebilir.
7) Gerekli Reaktif Gücün Hesaplanması
Sistemin güç faktörü (cos<span>φ</span>1) ve elde edilecek güç faktörü (cos<span>φ</span>2) bilindiğinde, güç faktörünü iyileştirmek için gerekli kapasitör bankının reaktif gücünü hesaplamak mümkündür.
burada:
► P kurulu aktif güçtür
► φ1 güç faktörü düzeltilmesinden önceki faz kayma açısı
► φ2 güç faktörü düzeltilmesinden sonraki faz kayma açısı
kapasitör bankının gücü Qc:
İlk cosφ bilindiğinde, Tablo 7.1 tanımlanmış bir güç faktörü elde etmek için gerekli kapasitör bankı gücünü hesaplamayı (kurulu kW başına kvar) mümkün kılar.
Üç fazlı bir sistemde, aynı kapasitansa sahip üç kapasitörden oluşan kapasitör bankı üçgen veya yıldız bağlantılı olabilir. Bir bağlantı şekli seçerken, şunu hesaba katmak gerekir ki üçgen bağlantı ile her kapasitans besleme hat hat gerilimine tabidir ama aynı üretilen reaktif güç seviyesinde, yıldız bağlantı durumunda sahip olacağı değerin 1/3'une sahip olacaktır.
Yalıtım sorunlarının daha önemsiz olduğu alçak gerilim sahasında, her fazın kapasitansının daha küçük boyutlandırılmasına izin verdiğinden kapasitör bankı için genel olarak üçgen bağlantı tercih edilir.
Tablo 7.1 K Faktörü (kvar/kW)
Örnek: 400 V'de 300 kW aktif güç ve cosφ = 0.75 olan bir santral için güç faktörünü 0.90'a çıkartmak istiyoruz diyelim. Tablo 7.1'de, “ilk cosφ” 0.75 satırı ve “son cosφ” 0.9 sütunun kesiştiği yerde, K katsayısı için 0.398 değeri elde edilir.
Bu yüzden şu Qc gücü değerine sahip bir kapasitör bankı gerekir:
K faktörü, aşağıdaki nomograf kullanılarak da belirlenebilir.
Tablo 7.2 Düzeltme Gücünün Hesaplanması İçin Nomograf
7.1 Üç Fazlı Motorların Güç Faktörü Düzeltilmesi
Asenkron motorların güç faktörü düzeltilmesi büyük bir hassasiyet ile değerlendirilemez. Çünkü güç faktörü yüksek oranda yük koşullarından etkilenir. Nitekim, 6 kutuplu 11 kW motora sahip olduğumuzu varsayarak, aşağıdaki tablo ve diyagramdan, normal koşullarda elde edilecek güç faktörünü cosφn= 0.77 olarak bulurken nominal verimi η<span>n</span> ≅ 0.86 olarak buluruz.
Tablo 2
Bu motor nominal gücün %40'ında çalışıyorsa, azaltma katsayısıyla ilgili aşağıdaki diyagramdan şunlar elde edilebilir:
Bu yüzden şebekenin çektiği Pa aktif gücü şu şekilde verilir:
burada güç faktörünü düzeltmek ve yukarıdaki nomograftan türetilmiş K=1.15 ile cosφ= 0.9 elde etmek için gereken Qc reaktif gücü:
Motorun kullanım şartlarından güç faktörü düzeltmenin çıkartılması için genel bir kural da Pn gücüne sahip bir motor için Un nominal geriliminde yüksüz bir motor tarafından çekilen Q0 reaktif gücünün %90'ından büyük olmayan bir Qc reaktif gücü kullanmaktır; böylece beklenen güç faktörü önlenebilir. Yanı sıra, bu ölçüm sayesinde, şebekeden motorun çıkartılması sonucu oluşan aşırı gerilimi azaltmak mümkündür; hatta, halen çalışıyorken, motor kendinden ikazlı bir şekilde işleyebilir ve şebekedekilere nazaran daha yüksek gerilimler üretebilir [IEC 60831-1].
Yük olmadan, çekilen I0 [A] akımının tamamen reaktif olduğunu varsayarak (senφ = 1), kompanzasyon reaktif gücü şu olacaktır:
I0 akımı genellikle motor üreticisinin belgelerinde verilmiştir.
Tablo 7.3 nominal gücün ve kutup sayısının bir fonksiyonu olarak, bazı tiplerdeki ABB motorlarının güç faktörünü düzeltmek için reaktif güç değerlerini gösterir.
Tablo 7.3: ABB motorlarının kompanzasyonu için reaktif güç
Kaynak: ABB
Alıntıdır: https://www.elektrikport.com/teknik...m/23715?ysclid=m8lk4fpknw590128262#ad-image-0
https://www.elektrikport.com/teknik...um/23768?ysclid=m8lk3hw1d323956389#ad-image-0
Son düzenleme:
