Reaktif güç cihazları, ister sığal (kapasitif) ister endüktif, belirlibir sonuç elde etmek adına bilinçli olarak güç şebekesine eklenir; bu duruma kompanzasyon denir. Bu, Bu işlem geliştirilmiş güç faktörüne ek olarak daha büyük iletim kapasitesi, artırılmış kararlılık performansı ve artırılmış gerilim profili gibi özellikleri içerebilir. Reaktifcihazlar seri şekilde ya da paralel (şönt) olarak bağlanabilir.
Kompanzasyon uygulamalarına ve diğer detaylarına daha fazla dalmadan önce gelin güç akım temellerini hatırlayalım.
Bir elektrik devresindeki güç akımı Şekil 1’de örneklendirilmiştir. Bağlantının R+jX direnci vardır; biz de V1>V2 olduğunu ve V1’in V2’ye öncülük ettiğini farz ediyoruz. Çoğu güç şebekelerinde, X>>R‘dir ve reaftif güç A’dan B’ye akar. Reaktif güç akımının yönü V2>V1 yaparak değiştirilebilir.
Reaftif güç akımındaki büyüklük, A ve B noktaları arasındaki gerilim farkıyla belirlenir. R, reaktif güç akımı, yok sayıldığında Q aşağıdaki formülle bulunur:
Q = V2(V1 − V2) / X
İdeal durum, V1 = V2 ve reaktif güç akımı sıfır olduğundadır.
Şekil 1 - Elektrik devrelerindeki tipik güç akımı
Maksimum muhtemel aktif güç transferi Pmax , Pmax = V1V2 / X ile verilmiştir. Yukarıdaki formülden, aktif güç aktarım kapasitesinin V2 artırıldığında arttığı açıkça görülmektedir.
Hadi şimdi reaktif güç cihazlarına, onların diyagramlarına, fazör diyagramlarına, uygulamalarına, yapılması yapılmaması gerekenlere ve dikkat edilmesi gereken şeylere dalalım.
İçindekiler:
- Seri sığaçlar
- Şönt sığaçlar
- Şönt reaktörler
- Eş zamanlı kompansatörler
- Statik VAR (Reaktif Volt Amper) kompansatör
- Şönt sığaçlarının dağıtım uygulamaları
- Dikkat! Şönt sığaçlarının indüksiyon motorları üzerindeki etkisi
1. Seri sığaçlar
Seri sığaçlar, bir güç şebekesinin endüktif reaktansının bir parçasını nötrlemek için kullanılır. Bu durum Şekil 2'de örneklendirilmiştir. Şekil 3'teki fazör diyagramından, sığaç devreye yerleştirildiğinde yük geriliminin daha yüksek olduğunu görebiliriz.
Şekil 2 -Seri sığaçların endüktör reaktörlerini nötrlemek için kullanımı
Şekil 3 - Devredeki seri sığaçlı fazör diyagram
Q = V2(V1 - V2) / X denkleminden de anlaşılacağı gibi şebekeye seri sığınç eklemek net reaktans X’i azaltır ve yük gerilimini artırır; bunun sonucunda devrenin iletim kapasitesi artar.
Seri sığançların şebekeye faydaları aşağıdaki gibidir:
- İyileştirilmiş gerilim durumu
- Geliştirilmiş kararlılık performansı
- Reaktif güç dengelerini kontrol etme
- Yük dağıtımı ve genel iletim kayıplarının kontrolünde destek sağlama.
Eklenen iletim kapasitesi nedeniyle, seri sığaç kompanzasyonu ek havai hatlara ve iletim ekipmanlarına yapılacak yatırımları geciktirebilir. Bu durum da kamu hizmeti şirketine sermaye yatırımı avantajlarının yanı sıra çevresel etki avantajlarına da sahip olabilir.
1928 yılında New York Güç ve Aydınlatma sistemindeki 33 kV, 1,25 MVAr sığaç dizisi, tarihteki ilk seri sığaç kurulumu olarak hizmet vermiştir. O zamandan beri, dünya genelinde çok sayıda yüksek dereceli sistemler yaygınlaştı.
(!) Bir AC iletim sistemine seri sığaç yerleştirilmesi, dengelenmiş elektrik sistemi (elektriksel rezonanstaki) ile türbin-jeneratör mekanik sistemi (mekanik rezonanstaki) arasındaki etkileşim nedeniyle senkron altı rezonans (SSR) olgusuyla sonuçlanabilir.
(!) Enerji daha sonra elektrik ve mekanik sistemler arasında, sistemin senkron frekansının altındaki birleşik sistemin bir veya daha fazla doğal frekansında değiştirilirr. Türbin-jeneratör sisteminde nihai mekanik arıza ile sonuçlanan artan mekanik salınımlar meydana gelebilir.
Aşağıda SSR’yi etkisiz hale getirme yöntemleri sıralanmıştır:
Yöntem #1 - Bütünleyici ikaz kontrolü: Senkron altı akım ve/veya gerilim algılanır ve ikaz akımı, senkron salınımları sayan jeneratör çıkış gerilimini değiştirmek için yüksek kazançlı geri besleme kullanılarak modüle edilir.
Yöntem #2 - Statik filtreler: Bu filtreler, salınım modu frekanslarını filtrelemek adına güç sistem frekansına karşılık gelecek şekilde ayarlanır.
Yöntem #3 - Dinamik filtreler: Uyarma kontrolüne benzer bir şekilde, senkron altı salınımlar tespit edilir, bir karşı Elektromotor kuvvet (EMF) üretilir ve istenmeyen salınımları nötr etmek için bir seri transformatör aracılığıyla güç şebekesine enjekte edilir.
Yöntem #4 - Seri sığaçları saptırma: Geçici tork oluşumunu sınırlamak için.
Yöntem #5 - Sönümlemeyi iyileştirmek için jeneratör rotorlarının kutup yüzlerindeki amortisör sargıları kullanılabilir.
Yöntem #6 - Pasif SSR karşı önlem şeması, üç fazda üç farklı endüktif ve kapasitif eleman kombinasyonunun kullanılmasını içerir. Kombinasyonlar, güç frekansında üç fazda gerekli eşit kapasitif kompanzasyon derecesine sahip olacaktır.
Başka herhangi bir frekansta, üç kombinasyon, üç fazda eşit olmayan reaktans olarak görünecektir.
(!) Bu şekilde, eş zamanlı olmayan salınımlar, jeneratörün armatür sargılarında asimetrik üç fazlı akımları çalıştıracaktır. Bu, akımların simetrik olması durumunda karşılık gelenle karşılaştırıldığında, daha düşük büyüklükte dairesel bir bileşene sahip bir manyetomotor kuvvet (MMF) oluşturur. Geliştirilen etkileşimli elektromanyetik tork daha düşük olacaktır.
Seri sığaçların faydaları düşünüldüğünde aşağıdaki maddelere dikkat edilmeye değer:
- Seri sığaçlar, toplam hat reaktansı yüksek olduğunda oldukça etkilidir.
- Seri sığaçlar, gerilim düşmesini ve gerilim dalgalanmalarını telafi etmek için etkilidir.
- Seri sığaçlar, yükün reaktif güç gereksinimleri az olduğunda etkili değildir.
- Termal durumların hat akımını kısıtladığı durumlarda, seri sığaçlar, bunlarla ilişkili hat akımındaki azalma nispeten küçük olduğu için çok etkili değildir.
Yukarıda bahsedilen son iki maddede (3, 4) seri sığaçlar yerine şönt sığaçlar daha etkili olabilir.
2. Şönt sığaçlar
Şönt sığaçlar, esas olarak endüktif bir yükün gerektirdiği akımın faz dışı bileşenine karşı koymak için bağlandıkları noktada sisteme kapasitif reaktif güç sağlar. Sürekli olarak enerji verilebilir veya yük döngüleri sırasında açılıp kapatılabilirler.
Şekil 4, yük tarafında uygulanan şönt sığaç kompanzasyonuna sahip bir devreyi örneklendirmektedir.
Şekil 4 - Faz dışı akım bileşenine karşı koymak için şönt sığaçlarının kullanımı
Şekil 5'teki fazör diyagramına bakıldığında, hat akımı IL, motor yük akımı IM ve sığaç akımı IC'nin toplamıdır.
Şekil 5 - Akım fazör diyagramı
Şönt sığacı eklenerek hat akımının azaldığı görülebilir. Gerilim ve akım arasındaki açı φ2’den φ1’e doğru geriledi. Şekil 6 ilgili gerilim fazörlerini göstermektedir. Şönt sığacını eklemenin sonucu kaynak gerilimini VS1’den VS2’ye düşürmektir.
Şekil 6 - Gerilim fazör diyagramı
Yukarıdaki örnekte de belirtildiği gibi, gecikmeli güç faktörüne sahip bir ağda şönt sığaçlarının uygulanmasının aşağıdaki avantajlara sahip olduğu görülebilir:
- Yükteki gerilim seviyesini artırma
- Gerilim değişimini iyileştirme (sığaçlar şebekeye doğru şekilde anahtarlanmışsa)
- Akımdaki azalma nedeniyle I2R aktif güç kaybını ve I2X reaktif güç kaybını azaltma
- Güç faktörünü artırma
- Aşırı yük durumunu hafifletmek veya ek yük büyümesi için kapasiteyi kullanılabilir hale getirmek için kaynak jeneratörler ve ağ üzerindeki kVA (veya MVA) yüklemesini azaltma
- Gücün kurulu olduğu yerlerde kVA talebini azaltma
- Sağlanan yükün kW başına sistem tesislerine yapılan yatırımı azaltma
Büyük motorların çalıştırılmasıyla yüksek ani akımları azaltmak için bir sığaç başlatma sistemi kullanılabilir. Bu, sistemdeki voltaj seviyesinin korunmasına yardımcı olur. Başlangıç akımının yüksek endüktif bileşeni, yalnızca başlangıç periyodu sırasında sığaç eklenmesiyle azaltılır. Bunda, güç faktörü düzeltmesi için sığaçların uygulanmasından farklıdır.
Gerekli olan şönt sığaç miktarının belirlenmesinde, sığaçsız başlangıç koşullarına göre bazı ilave sığaçlı kVAr'ın gerekli olabileceğine dikkat etmek gerekir. Bunun nedeni, gerilim artışının, transformatörlerin ve motorların uyarı akımlarında gecikmeli kVAr'ı artırmasıdır.
2.1 Dikkat edilmesi gereken uyarı
Güç sisteminde artan harmonikler ve/veya harmonik rezonans durumu, özellikle tristör kontrolörleri gibi harmonik üreten aparatlar kullanıldığında, sığaçların uygulanmasıyla sonuçlanabilir. Rezonans noktasının sistemdeki harmonik kaynaklar tarafından üretilen frekanslardan birine yakın olması durumunda, ya bir şönt veya seri rezonans durumu ya da her ikisinin bir kombinasyonu meydana gelebilir.
Bu, aşırı harmonik akımların akmasına ya da harmonik aşırı gerilimlere veya her ikisine birden neden olarak, sığaç koruma ekipmanının (sigortalar gibi) çalışmasına, sığaç arızasına, diğer elektrikli ekipmanın aşırı ısınmasına ve elektrik sistemi parazitine neden olabilir.
3. Şönt reaktörler
Şönt reaktör kompanzasyonu genellikle, şönt sığaç kompanzasyonu gerektirenlerin tam tersi koşullar altında gereklidir. Bu durum Şekil 7’de örneklendirilmiştir.
Şönt reaktörleri aşağıdaki durumlarda kurulabilir:
- Düşük yük periyotlarında uzun hatların hizmet verdiği trafo merkezlerinde hattın sığacının bir sonucu olarak meydana gelen aşırı gerilimleri dengeleme (gerilim yükselmesi olarak Ferranti etkisi)
- Üretim tesislerinde önde gelen güç faktörlerini dengelemek için daha düşük geçici ve kararlı durum kararlılık sınırlarını sonuçlandırma
- Fazladan yüksek gerilimli (EHV) sistemlerde açık devre hat şarjı kVA gereksinimlerini azaltma
Şönt reaktansının mevcut fazör diyagramı üzerindeki etkisi Şekil 8'de örneklendirilmiştir.
Şekil 7 - Şönt reaktör kompanzasyonu
Şekil 8 - Şönt reaktörlerinin etkisi
4. Eş zamanlı kompansatörler
Eş zamanlı kompansatör, mekanik yük olmadan çalışan senkron bir motordur. Uyarma seviyesine bağlı olarak reaktif güç emebilir veya üretebilir. Bir gerilim düzenleyicisi ile kullanıldığında motor otomatik olarak yüksek yük akımında aşırı uyarılmış ve düşük yük akımında düşük uyarılmış olarak çalışabilir.
Senkron kompansatörlerin kurulum maliyeti sığaçlara göre daha yüksektir ve elektrik kayıpları sığaçlara göre oldukça fazladır.
Senkron kondansatörler, düşmeler sırasında gerilimi desteklemek için devre düşüşünü azaltma cihazları olarak da kullanılabilir.
5. Statik VAR (Reaktif Volt Amper) kompansatör
Statik VAR kompansatörleri (SVC'ler), tristörler tarafından kontrol edilen şönt sığaçlar ve reaktörler içerir. Pratik güç sistemlerinde normalde karşılaşılan iki tür kompanzasyon problemine çözüm sağlarlar:
İlki güç kompanzasyonudur; gereksinimlerin genellikle büyük ve dalgalı endüstriyel yüklerin reaktif güç talebini azaltmak ve besleme hatlarından çekilen gerçek gücü dengelemek olduğu kompanzasyondur.
İkinci tip kompanzasyon, hem yük hem de üretimdeki bozulmalara cevap olarak iletim hatlarının belirli bir noktada gerilim desteği ile ilgilidir. Dinamik VAR kompanzasyonunun temel amaçları, güç sisteminin kararlılık sınırını artırmak, yük değişimleri sırasında gerilim dalgalanmalarını azaltmak ve büyük bozulmalardan kaynaklanan aşırı gerilimleri sınırlamaktır.
İki temel tristör kontrollü reaktif güç cihazı konfigürasyonu şunlardır:
5.1 Tristör anahtarlamalı şönt sığaçlar
Sığaç bankı küçük sığaç kademelerine bölünmüştür ve bu kademeler ayrı ayrı açılıp kapatılır. Kademeli kontrol, neredeyse hiç geçiş ve çok az harmonik üretim sunar. Düzenleyicilerden bir komutun yürütülmesi için ortalama gecikme yarım döngüdür.
Şekil 9 bu düzenlemeyi örneklendirmiştir.
Şekil 9 - Tristör anahtarlamalı şönt kapasitörler
5.2 Tristör anahtarlamalı şönt reaktörler
Reaktörden geçen temel frekans akımı bileşeni, akımın doğal sıfır geçişlerine göre tristör anahtarının kapanmasını geciktirerek kontrol edilir. Şekil 10 bu kavramı örneklemiştir.
Faz açısı kontrollü reaktörden harmonik akımlar üretilir. Üretilen harmoniklerin büyüklüğünü azaltmak için iki yöntem vardır. İlk yöntem, reaktörü, diğer reaktör aşamaları açık veya kapalıyken yalnızca bir tristör kontrollü adımla daha küçük adımlara bölmekten oluşur.
İkinci yöntem, biri yıldız bağlantılı sekonder sargıdan ve diğeri yükseltici transformatörün delta bağlantılı sargısından çalıştırılan, aynı şekilde bağlı iki tristör kontrollü reaktörün kullanıldığı 12 darbeli düzenlemeyi içerir.
Tristör anahtarlamalı reaktörler, sürekli kontrol ile karakterize edilir ve düzenleyiciden bir komutun yürütülmesi için maksimum bir yarım döngü gecikmesi vardır.
Şekil 10 - Tristör anahtarlamalı şönt kapasitörler
Birçok pratik uygulamada, Şekil 10'da gösterildiği gibi, tristör kontrollü sığacın birkaç adımından ve bir veya iki tristör kontrollü reaktörden oluşan SVC ile bu iki tristör kontrollü cihazın bir kombinasyonu kullanılır.
Şekil 11 - Bu iki tristör kontrollü cihazın bir kombinasyonu
Seri kompanzasyonlu AC iletim hatlarına statik VAR kompansatörlerinin uygulanmasının üç farklı rezonans modu ile sonuçlandığını belirtmek önemlidir:
- Şönt sığaç rezonansı: Şönt sığacı (hat şarjı artı herhangi bir güç faktörü düzeltmesi ve SVC'ler) ile hatların ve jeneratörün seri endüktansı arasındaki enerji değişimini içerir.
- Seri hat rezonansı: Seri sığaç ile hatların, transformatörlerin ve jeneratörlerin seri endüktansı arasındaki enerji alışverişini içerir.
- Şönt reaktör rezonansı: Hattın ara trafo merkezlerindeki şönt reaktörler ile seri sığaçlar arasındaki enerji alışverişini içerir.
Yukarıdaki maddelerden dolayı, geçici elektrik simülasyon programlarında herhangi bir dengeleyiciyi temsil etmek çok önemlidir.
6. Şönt sığaçlarının dağıtım uygulamaları
Şönt sığaçlar, güç dağıtım sistemlerinde diğer herhangi bir elektrikli kompanzasyon cihazından daha sık kullanılır. Çoğunlukla gerilim düzenlemesi ve güç faktörü düzeltmesi için kullanılırlar. Bu iki özel uygulamadan kısaca bahsedilecektir.
6.1 Gerilim düzenlemesi
Bir şönt sığacı uygulanarak gerilim düşüşü azaltılabilir. Doğru seçilmiş ve yerleştirilmiş bir şönt sığaç, yükteki gerilimin ağır yük durumunda izin verilen limit içinde olmasını sağlar.
Bununla birlikte, hafif yüklemede, aynı sığaç, gerilimi Şekil 12'de gösterildiği gibi izin verilen sınırın üzerine çıkaracaktır.
Şekil 12 - Gerilim üzerindeki sığaç etkisi
Bunun önüne geçmenin yolu anahtarlamalı kapasitör bankaları kullanmaktır. Sığaçlar, ağır yük koşullarında devreye girer ve hafif yük koşullarında devreden çıkar. Sığaç(lar) devreye girdiğinde endüktif akıma kapasitif (sığal) akım eklenir, bu da toplam akımı, gerilim düşüşünü ve elektrik kayıplarını azaltır.
Sonuncusu, sistemdeki reaktif gücün azaltılmasından kaynaklanmaktadır (Bknz. bir sonraki paragrafa).
Bir besleyici üzerindeki sığaç banklarının en uygun sayısı, boyutu ve konumu, işletme, kurulum ve yatırım maliyetlerinin en aza indirilmesi de dikkate alınarak ayrıntılı bilgisayar analiziyle belirlenir. Seçimi etkileyen en önemli faktörler, yüklerin gerilim seviyeleri, toplam yükleme, dağıtım faktörü ve güç faktörüdür.
6.2 Güç faktörü düzenlemesi
6.2.1 Güç ve güç faktörü
Üç fazlı bir dağıtım sistemindeki güç, aktif veya gerçek güç (P) ve reaktif güç (Q) olmak üzere iki bileşenden oluşur. İkisinin karmaşık toplamı görünen gücü (S) verir. Dolayısıyla, S = P + jQ’dir.
Bu, Şekil 13'teki iyi bilinen güç üçgeninde örneklendirilmiştir.
Şekil 13 - Güç üçgeni
Üç fazlı bir sistemde görünen güç (S), S = √3VI formülüyle hesaplanır. Bu, VA, kVA veya MVA olarak ifade edilir ve transformatörlerin değerleri için kullanılan birimdir. Güç kabloları ve transformatörler, esas olarak endüktif olan bir güç ağına reaktans ekler (daha az miktarda sığaç da eklenir).
Endüktif ve kapasitif reaktanslar frekansa bağlıdır (bu nedenle yalnızca AC sistemlerinde bulunur), birbirine zıttır ve saf (DC) dirence dik açılardadır. Genellikle endüktif olan net reaktans, akımın akışına karşıdır ve bu reaktansın üstesinden gelmek için gereken güce reaktif güç (Q) denir. Bu, kullanıcıya hiçbir faydası olmayan boşa harcanan güçtür.
Reaktif güç, Q = √3Visin φ formülüyle hesaplanır ve VAR, kVAr veya MVAr olarak ifade edilir.
Güç faktörü düzeltmesi
Şebekedeki reaktansın varlığı, yükteki gerilim ve akım fazörlerinin faz açısı φ kadar faz dışına çıkmasına neden olur. (Gerilim fazörü referans olarak alınır ve akım fazörü daha sonra saat yönünün tersine faz dönüşüne göre 'gecikme' olarak tanımlanır.)
Faz açısının kosinüsü (cos φ) güç faktörü olarak bilinir.
Bir dağıtım ağındaki kablolar ve transformatörler ne kadar uzun olursa ağda o kadar endüktif reaktans bulunur, faz açısı o kadar büyük (düşük güç faktörü) ve kayıplar o kadar yüksek olur. Endüktif bir ağa sığaç eklemek, faz açısını (φ) azaltmaya, güç faktörünü (cos φ) iyileştirmeye ve daha verimli bir dağıtım şebekesi ile sonuçlanmasında görev ypacaktır.
Bu, güç faktörü düzeltmesi olarak bilinir.
Şebekede endüktif reaktanstan daha fazla kapasitif mevcut olduğunda, akım fazörünün gerilim fazörünü yönettiği bir öncü faz açısı ortaya çıkabilir. Önde gelen bir faz açısı, eş zamanlı olmayan motorların çalışması üzerinde zararlı etkilere sahip olacağından bu durumdan kaçınılmalıdır.
Aktif güç, faydalı bir şekilde kullanılabilecek mevcut elektrik gücüdür ve W, kW veya MW olarak ifade edilir. Elektrik motorlarının, lambaların, ısıtıcıların vb. derecelendirildiği birimdir.
Aktif güç, PF = cos φ olduğu P = √3 × V × I × PF(yük) formülüyle ifade edilir.
6.2.2 Sebepler ve etkileri
Endüktif özelliklere sahip herhangi bir ekipman, endüktif reaktansın üstesinden gelmek için reaktif güç kullanıldığından güç faktörünü kötüleştirecektir. Bu nedenle, eş zamanlı olmayan motorlar, transformatörler ve kabloların tümü φ değerini artıracaktır. Ek olarak, dalga biçimi ‘parçalama’ kullanan değişken hızlı sürücüler, sisteme harmonikler eklemenin yanı sıra mevcut dalga biçimlerinin bozulması nedeniyle güç faktörünü de kötüleştirecektir.
Düşük güç faktörünün yükteki etkisi, güç formüllerinden görülebileceği gibi, aynı güç çıkışını elde etmek için daha fazla akımın gerekli hale gelmesidir.
Aşağıda düşük güç faktörünün etkisinin bir örneği mevcuttur:
- Gerekli aktif güç: 200 kW
- Çalışma gerilimi: 415 V
Durum 1:
- PF = 0,85
- I = 200.000 / (1,732 x 415 x 0,85) = 327 A
Durum 2:
- PF = 0,55
- I = 200.000 / (1,732 x 415 x 0,55) = 506 A
Yukarıdaki örnekten, güç faktörünün ağda akan akımın büyüklüğü üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu görülebilir.
Sürekli bir düşük güç faktörü aşağıdaki etkilere sahip olabilir:
- Aşırı akım akışı nedeniyle ekipmanın aşırı ısınması
- Düşük güç faktörü nedeniyle akan daha yüksek akımları telafi etmek için ekipmanların aşırı derecelendirilmesi
- VA cinsinden ölçüldüğünde daha yüksek elektrik tüketimi
- Gerekli kW'ı elde etmek için sistem tesislerine ek yatırım gerekliliği
- Yükte daha düşük voltaj seviyesi
- Daha yüksek akım akışı nedeniyle sistem genelinde artan güç kayıpları (dirençli ve reaktif).
6.2.3 Tarife örneği
Birçok ülkenin elektrik hizmetleri, düşük güç faktörüne sahip müşteriler için bir ceza tarifesi yürülüğe koydu. Bazı ülkeler maksimum talep için kW tarifesinden kVA tarifesine geçiş yaptı. Düşük güç faktörü, bir şirketin belirli bir miktarda aktif kW gücü (kVA = kW + jkVAr [karmaşık değerler]) elde etmek için kullanacağı toplam kVA miktarı üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olacaktır.
Güç faktörü ne kadar düşükse o kadar çok VAR tüketilir.
(!) Bu nedenle, düşük güç faktörü, verimsiz enerji kullanımına ve aşırı enerji faturasına neden olacaktır. Bazı kamu hizmetleri, PF'leri 0,96'nın altındaysa ve diğerleri 0,80'in altındaysa tüketicileri ceza tarifesi uyguluyor. Müşteri daha sonra bir kW maksimum talep yerine bir kVA maksimum talep için faturalandırılıyor.
Gelin bir örneğe göz atalım:
Örnekleme amacıyla hesaplamayı basitleştirmek için ortalama değerleri varsayıyoruz. Bir fabrikanın ortalama aylık maksimum talebi 0,65 güç faktöründe 100 MW'dır. Bu duruma ilişkin güç üçgeni Şekil 14 (a)'da gösterilmiştir.
0,65 güç faktörü ve 100 MW gerçek güç (P) için, görünen güç (S) 153.846 MVA ve reaktif güç (Q) 116.913 MVAR'dır (bildiğimiz üzere P=S×cosφ; Q=S×sinφ).
Belirtildiği gibi, şebekedeki reaktif güç, gerçek güçten daha yüksek bir değere sahiptir!
Şekil 14 - Örnek güç üçgeni
Şekil 14 (b)'ye atıfta bulunarak, güç faktörünü 0,8'e çıkarmak için 41.913 kVAR gerekir. Bu nedenle, bir aylık dönem boyunca fabrikadan $0,3757×30×41.913 = $472.401,42 ücret alınacaktır, bu da güç faktörünü 0,8'e yükselterek önlenebilir! Bu, güç faktörü düzeltme (PFC) ekipmanını kurmak için ekonomik açıdan oldukça yeterli bir gerekçedir.
*Çok kabataslak bir yaklaşım olarak, PFC ekipmanı için sermaye yatırımı 11 kV'da $250/kVAR olarak ele alınabilir. Bu nedenle, −42 MVAR kapasitif eklemek, yaklaşık 22 ayda geri ödenecek olan 10.5 milyon dolarlık bir sermaye yatırımı anlamına gelir.
Güç faktörünün onaylanması, akan akımların büyüklüğündeki azalma nedeniyle azalan aktif ve reaktif kayıplar gibi ek faydaları da beraberinde getirir.
7. Dikkat! Şönt sığaçlarının indüksiyon motorları üzerindeki etkisi
Eş zamanlı olmayan motorların yakınına kurulan sığaçlar aşağıdaki etkilere sahip olabilir:
- Rotorda istenmeyen tork geçişlerinin artması
- Kendinden uyarma ve kapasitif frenleme
7.1 Geçici tork
Kısa bir gerilim kesintisi, bir endüksiyon motorunun rotorunda ciddi tork tepe noktalarına neden olabilir. En kötü durumda bu, tam yük torkunun 20 katından fazla ve rotorun dönüşünün tersi yönde olabilir. Yüklü koşullar altında, bu ‘ters tork’, rotor şaftında kolaylıkla ciddi mekanik hasara neden olabilir.
Sistemde kapasitansın varlığı, özellikle doğrudan motor terminalleri üzerinde güç faktörü düzeltme sığaçları, durumu önemli ölçüde kötüleştirecektir.
7.2 ‘Ters tork’un açıklaması
Çalışan bir motorun güç kaynağıyla bağlantısı kesildiğinde, rotorla birlikte sıkışmış veya 'donmuş' bir akı taşınır. Bu akı bozulur, ancak stator sargılarında bir dönme Elektromotor kuvveti (EMF) indükler. Rotor hala dönerken güç kaynağı geri döndüğünde indüklenen stator EMF'si, yeniden bağlantı anında besleme gerilimine karşı faz karşıtlığına sahip olabilir.
Bu, hala mevcut olan indüklenen stator EMF'nin büyüklüğüne ve faz karşıtlığının derecesine bağlı olarak şiddetli geçici akımlara ve torka neden olacaktır. Bu şekilde geliştirilen geçici tork, negatif (geciktirici) bir tepe noktasına sahip olabilir.
(!) İlk tork zirvesinin büyüklüğü ve yönü, rotor hızına, kesintinin süresine ve ayrıca indüklenen EMF ile yeniden uygulanan gerilim arasındaki faz açısına yakından bağlıdır. En kötü durumda, ilk tepe noktası tam yük torkunun 15 katına ulaşabilir (kapasitans dikkate alınmadan). Stator terminallerine sığaçlar bağlandığında, örn. güç faktörü düzeltmesi, daha ciddi geçici etkiler meydana gelir.
Sığaçlar, besleme kesildiğinde boşluk akısını koruma eğilimindedir ve rotor hızındaki düşüşe rağmen stator aşırı gerilim oluşturabilir. Besleme, indüklenen stator EMF'sine bir faz karşıtlığı ile yeniden bağlandığında çok şiddetli akım ve tork geçişleri meydana gelecektir. Ortaya çıkan ilk geçici tork tepe noktası, tam yük torkunun 20 katını aşabilir.
Normal olarak, bir endüksiyon motorunu besleyen ana vaviyen anahtarının kontrol gerilimi, doğrudan ana besleme geriliminden dönüştürülür. Stator terminallerine bağlı sığaçlar, bir güç kesintisi sırasında gerilim seviyesini yüksek tutma eğiliminde olacak ve bu da vaviyen anahtar bobininin enerjili kalmasını sağlayarak vaviyen anahtarının açılmasını önleyecektir.
Bu yüzden, besleme gerilmi kısa bir süre sonra geri geldiğinde muhtemelen halihazırda orada olan indüklenmiş EMF'ye karşıt olarak, doğrudan statora uygulanır. Bağlı şönt sığaçlarının gerilim kesintileri sırasında tork geçişlerini kötüleştirmesini önlemek için, ciddi bir gerilim kesintisi sırasında vaviyen anahtar(ları)ının bağlantısı otomatik olarak kesilebilir.
Aşağıda, geçici tork oluşumunun grafiksel bir gösterimi bulunmaktadır (Şekil 15):
Şekil 15 - Geçici tork oluşum grafiği
7.3 Kendinden uyarma ve kapasitif frenleme
Bir sığaç bankası tarafından sağlanan manyetize edici reaktif güç ile, rotorun yeterli bir kalan alana sahip olması şartıyla, bir endüksiyon motoru stator beslemesinin kaybı üzerine kendi kendini uyarabilir. Bu, motorun bir endüksiyon jeneratörü olarak çalışmasına neden olur ve stator aşırı gerilimleri oluşabilir. Güç faktörü düzeltme sığaçlarının sığaç değerinin, kendi kendine uyarmayı önlemek için sınırlandırılması gerekebilir.
Kendinden uyarma, frenleme için kontrollü koşullar altında bilerek kullanılabilir. Statorun beslemeden ayrılması ve bunun ardından bir sığaç bankasına bağlanması üzerine, stator gerilimleri, ilerleyen bir dalga alanı geliştirmek için kendiliğinden uyarılır ve bir üretim modu için alanın 'eş zamanlanma' hızı, rotor dönüşünün 'eş zamanlanma' hızından daha düşük olmalıdır.
Tahrik gücü atalet enerjisinden çekilir ve sonuç olarak hız hızla düşer.
Buna ek olarak, rotor miline mekanik olarak bağlı kalan yüksek ataletli yükler için, zorlamalı frenleme istenmeyebilir ve hatta rotor şaftında hasara yol açabilir.