REAKTĐF GÜÇ
KOMPANZASYONU
ÖNEMLĐ UYARI
RPS Mühendislik tarafından yayınlanan dökümanlarda bulunan bilgiler müşterilerimizin çalışma konularımız hakkında bilgi sahibi olmalarını sağlamak içindir. Teknik bir klavuz olarak kullanılamaz.
Bilgilerin herhangi bir amaçla kullanılmasından dolayı oluşabilecek her türlü zarardan uygulayıcı sorumlu olup firmamız meshul tutulamaz.
RPS Mühendislik firması bu dökümanda bulunan bilgilerin içeriğini değiştirme, düzeltme, eklemeler ve çıkarmalar yapma ile yayından kaldırma hakkını gizli tutar. Dökümanlarda bulunan bilgilerin ticari amaçlarla kullanılmasına ya da izinsiz şekilde çoğaltılıp satılmasına izin vermez.
RPS Mühendislik Tarafından Yayınlanan Diğer Dökümanlar
Güncel dökümanlar için lütfen web sayfamızda bulunan “Teknik Destek” bölümünü ziyaret ediniz.
Ayrıca küçük ipuçları bulabileceğiniz “Sıkça Sorulan Sorular” bölümümüzü de lütfen ziyaret ediniz.
ĐÇERĐK
1 Reaktif Güç Kompanzasyonu... 4
1.1 Reaktif Güç Nedir?... 4
1.2 Reaktif Güç Kompanzasyonu (RGK) Nedir, Neden Önemlidir?... 6
1.3 RGK Yöntemleri ... 7
1.3.1 RGK Noktalarının Seçimi ... 7
1.3.2 RGK Teknikleri... 8
1.3.2.1 Kontaktörlü veya TSC’li kompanzasyon ... 8
1.3.2.2 TCR ... 10
1.3.2.3 Senkron Reaktif Güç Jeneratörü ... 11
1.3.2.4 STATCOM... 12
1.3.2.5 TSSC (“Thyristor Switched Series Capacitor”) ... 13
1.3.2.6 Diğer Kompanzatörler ve Sık Kullanılanlar... 13
1.3.3 AG RGK için Kontaktörlü ve Tristör Anahtarlamalı (TSC) Sistemlerin Karşılaştırılması ... 14
1.3.4 AG RGK Konusunda Sıkça Yapılan Hatalar ... 17
1.3.5 RPS Mühendislik Tarafından Sunulan Çözümler ... 21
ŞEKĐLLER Şekil 1.1-1 Üretim, Đletim ve Dağıtım Sistemleri Genel Gösterimi ... 5
Şekil 1.1-2 Güç Üçgeni ... 5
Şekil 1.3-1 Kademeli TSC Bazlı RGK için Devre Şeması ... 10
Şekil 1.3-2 TCR’li RGK için Genel Devre Şeması... 11
Şekil 1.3-3 Senkron Kompanzatör veya STATCOM ile RGK ... 12
Şekil 1.3-4 Kondansatörler Boşken Kontaktör Kapandığında Gözlemlenen Gerilim ve Akımlar... 14
Şekil 1.3-5 TSC’li Kompanzasyon için Kondansatör Gerilimleri ve Faz Akımları ... 15
Şekil 1.3-6 Kondansatörlerin Boşalması Beklenmeden Kontaktör Kapanırsa Oluşan Gerilim ve Akımlar... 16
1 Reaktif Güç Kompanzasyonu 1.1 Reaktif Güç Nedir?
Elektrik keşfedildiğinde ve kullanılmaya başlandığında sadece kimyasal pillerden oluşan DC kaynaklar bulunmaktaydı. Zaman geçtikçe ve elektriğin kullanımı hayatın her alanında yaygınlaştıkça, elektriği bir yerde üretip başka bir yere aktarma gerekliliği doğmuştur.
Aradaki mesafelerin gitgide büyümesi sonucunda elektriğin üretildiği yer ile kullanıldığı yer arasında yüklenmenin (akımın) miktarına bağlı olarak çok yüksek gerilim düşümü olduğu görülmüştür. Bu gerilim düşümünün sebebi elektriğin taşındığı hatların eşdeğer direncidir ve bu direnci çok fazla küçültmeye çalışmak iletken kalınlığını arttıracağından oldukça maliyetli olmaktadır. Direnç değeri ve çekilen akım değerinin çarpımı gerilim düşümünü verdiği için direnci de çekilen akımı da mümkün olan en düşük seviyede tutmak gerekmektedir. Bilindiği gibi aynı gücü elde etmek için gerilim artırılırsa akım düşer. Bu nedenle üretilen elektriğin önce yüksek gerilime çıkarılması ve aynı güç için geçen akım değerinin düşürülmesi ile gerilim düşümünün azaltılması denenmiştir. Fakat DC gerilimin iletim amacıyla yüksek değerlere çıkarılması ve tekrar cihazlarda kullanılacak seviyeye indirilmesi her zaman problem olmuştur. AC gerilim ise hem DC ye göre daha kolay üretilmesi hem de trafo kullanılarak istenilen gerilim seviyesine kolaylıkla çıkarılıp ve indirilebilmesi nedeniyle tercih edilmiştir. Sonuç olarak elektriği AC olarak üretmek, trafolar ile gerilimi makul seviyeye yükseltip uzun mesafeleri kat etmek ve elektriğin kullanılacağı noktaya en yakın yerde yine trafolar ile istenen gerilim seviyesine inilmesi temel alınmıştır.
Amerika kıtasının büyük kısmında 60Hz, Avrupa’da ve ülkemizde ise 50Hz frekansa sahip AC elektrik üretilmekte ve kullanılmaktadır. Elektrik üretimi genel olarak 6.3-15kV arasında yapılmakta iletim hatlarına geçerken trafo ile yüksek ve/veya çok yüksek gerilime (ülkemizde 154kV ve 380kV) çevrilmektedir. Bu duruma örnek Şekil 1.1-1’de verilmiştir. Bu sayede uzun mesafeli iletim hatları üzerindeki gerilim düşümü ( IxR ) ve güç kaybı (I2xR) değerlerinin en aza indirilmesi amaçlanmaktadır. Fakat AC elektrik kullanımı bazı sorunları da beraberinde getirmektedir. Bu sorunlardan biri de reaktif enerji tüketimidir.
Santral
10.5 kV (10.5/380 kV) (380 kV)
OG OG OG/ÇYG trafo ÇYG ÇYG/OG trafo
(380/34.5 kV) OG
(34.5 kV yükler)
OG/AG trafo
(34.5/0.4 kV) AG
(400 V yükler)
Şekil 1.1-1 Üretim, Đletim ve Dağıtım Sistemleri Genel Gösterimi
Isı, ışık ve harekete dönüşen enerji, iş yapan enerji olarak tanımlanmaktadır. Elektrik mühendisliğinde bu enerjinin birim zamandaki miktarına gerçek (aktif) güç denir ve birimi Watt (W)’tır. Đş yapmayan ama manyetik ve elektrik alan meydana getirmek için kullanılan enerjinin birim zamandaki miktarına ise sanal (reaktif) güç denir ve birimi Volt-Amper-reaktif (VAr)’tir. Bu güç çeşidi tamamen AC elektrik kullanmanın sonucunda ortaya çıkmaktadır.
Yüklerde bulunan eşdeğer endüktanslarda depolanan manyetik alan enerjisi ve eşdeğer kondansatörlerde depolanan elektrik alan enerjisi, elektriğin üretildiği kaynak ile tüketildiği müşteri arasında sürekli akmakta ama gerçek anlamda iş yapmamaktadır. Dolayısıyla bu enerjinin üretilmesine ve taşınmasına emek harcamak büyük kayıp olacaktır.
Şekil 1.1-2 Güç Üçgeni
Elektrik mühendisliğinde aktif güç ve reaktif güç kullanılarak güç üçgeni tanımlanmaktadır.
(Bkz. Şekil 1.1-2) Bu tanımlama sadece 50Hz’lik bileşenlerin olduğu yani harmoniklerin bulunmadığı durum için, P aktif gücü (W), Q reaktif gücü (VAr), S ise görünen gücü (VA) temsil etmektedir. Güç faktörü (pf) ise güç üçgeninde görülen P değerinin S değerine oranı olarak tanımlanmaktadır.
Güç üçgeninden anlaşılacağı üzere aynı P değeri için Q artarsa S de artacaktır. S ’nin artması demek, daha fazla akım ihtiyacı doğması demektir. Eğer reaktif güç, elektrik santrallerinde üretilip müşteriye kadar taşınacak olursa, akımın daha fazla olması sebebiyle elektrik hatları gereksiz yere yüklenecek ve aktif güç aktarımı miktarı azalacaktır. Halbuki Şekil 1.1-2’de gösterilen θ açısı sıfır olsaydı, bir başka deyişle güç faktörü ( pf ) 1’e eşit
olsaydı aktarılan görünen gücün tamamı aktif güç olacaktı ve reaktif güç yüzünden oluşan gereksiz hat yüklenmesi ve trafoların verimsiz kullanılması durumu oluşmayacaktı.
Đşte bu nedenlerle hem iletim hem de dağıtım safhasında elektrik hatları üzerinde akan reaktif gücün en az seviyede tutulması, bu sayede sistemin neredeyse tamamen esas iş yapan aktif güce ayrılması daha akıllıca olacaktır. Günümüzde ülkemizde ve bütün dünyada reaktif gücün belli sınırlar içerisinde tutulmasının istenmesidir. Eğer bu değerler müşteri tarafından sağlanmazsa cezai yaptırımlar uygulanmaktadır.
10/11/2004 tarihli ve 25639 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanan Elektrik Đletim Sistemi Arz Güvenilirliği ve Kalitesi Yönetmeliğinin 11inci maddesinin birinci fıkrası ve bu fıkra üzerinde yapılan 09/01/2007 tarihli ve 26398 sayılı Resmi Gazetede yayımlanan düzenlemeye göre herhangi bir endüstriyel müşteri tarafından her bir uzlaşma periyodunda (çoğu zaman bir aylık) sistemden çekilen endüktif reaktif enerjinin, aktif enerjiye oranı %20’yi, sisteme verilen kapasitif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı ise %15’i geçmemelidir. Verilen limit oranlar kullanıldığına endüktif tarafta pf ’nin en az 0.98, kapasitif tarafta da en az 0.989 olması gerektiği görülmektedir.
Endüstriyel yüklerin neredeyse tamamı endüktif tiptedir. Bunun sebebi kullanılan makinelerin (motorlar, kaynaklar, kompresörler, vb...) eşdeğer endüktanslarının bulunmasıdır. Bu yükler reaktif enerji talep ederler ve kompanse edilmeleri gerekir.
1.2 Reaktif Güç Kompanzasyonu (RGK) Nedir, Neden Önemlidir?
Reaktif güç tüketiminin kaçınılmaz olması bu gücün santrallerde üretilmesi gerekliliğini getirmemektedir. Bu güç, tam kullanılacağı yerde, yüke seri veya paralel bir şekilde bağlanan doğru devre elemanları ile üretilebilir. Örneğin endüktif yüklerin beslendiği baraya aynı güçte kapasitif yük (kondansatör) bağlanarak endüktif yüklerin ihtiyacı olan reaktif güç, kapasitif yükler tarafından sağlanmış olur. Bu sayede reaktif gücün elektrik hatlarında oluşturduğu olumsuz etki ortadan kalkmış olur. Đşte RGK bu mantığa dayanır. Aşağıda bu durum örneklenmiştir.
400VAC 3-faz bir şebekeden 4kW aktif, 3kVAr reaktif güç çeken bir yük bulunmaktadır.
Kompanzasyon yapılmadığı durumda akım 7.22A olmaktadır. Fakat aynı aktif güç çekilirken, reaktif güç kompanse edilirse bu akım düşecektir. 0.98 endüktif güç faktörü sağlanacak olursa bu akım değeri 5.89A’e düşmektedir. Bu da hat kayıpları açısından bakıldığında %33 tasarruf anlamına gelmektedir. RGK aynı zamanda gerilim regülasyonu açısından da önemlidir.
Örneğin:
Kısa devre gücü 100MVA olan 34.5kV şebeke üzerinden güç trafosu ile enerji aktarımı yapılmaktadır. Trafo 1.6MVA gücünde, uk değeri %6.5 olan, 34.5/0.4 kV dağıtım trafosudur.
Yükün toplam gücü 1.50MVA, güç faktörü endüktif tarafta 0.81’dir. Bu durum için çözüm yapıldığında hat akımı 2074.4A, bara gerilimi ise 383.4V olarak bulunmaktadır. Halbuki güç faktörü endüktif tarafta 0.98 olacak şekilde RGK yapılırsa, hat akımı 1765.2A’e düşecek, bara gerilimi de 394.7V seviyesinde olacaktır. Bu da %4.3 olan gerilim regülasyonunu, %1.3’e düşürecektir.
1.3 RGK Yöntemleri
1.3.1 RGK Noktalarının Seçimi
RGK’nın, reaktif gücün talep edildiği noktaya en yakın yerde yapılması teorik olarak en doğru çözümdür. Bu da hat kayıplarının en aza indirilmesi, hat ve trafoların da en yüksek kapasitede kullanılabilmesi anlamına gelmektedir.
Endüstriyel sanayide genel olarak gerilimi 34.5kV seviyesinden 0.4kV’a indiren birden fazla dağıtım trafosu bulunmaktadır. Dağıtım trafolarının AG taraflarında ise birbirlerinden farklı yerlerde birden fazla yük bulunmaktadır. Bu tarz durumlarda, eğer yükler birbirlerinden çok uzak değillerse trafonun AG çıkış noktasında yüklerin hepsi için bir kompanzasyon yapmak daha doğru olacaktır. Her bir yükün yanına kendi kompanzasyon ünitesini koymak, çok sayıda pano, işçilik ve karmaşıklık anlamına gelecek ve ekonomik olmayacaktır.
Fakat bazı durumlarda trafolardan yüklere çekilen hatlar uzun olabilir. Bu durumda RGK eğer trafonun çıkışında yapılırsa, yüklerde yine gerilim regülasyonu problemi görülebilir ve bu yüklere enerji taşıyan hatlar tam kapasitede çalıştırılamaz. Bu tip durumlarla karşılaşıldığında
en iyi çözüm, içinde bulunulan koşul düşünülerek gerekli analizlerin yapılması ve eğer gerekirse her yüke ayrı kompanzasyon panosu tahsis edilmesidir.
Genelde endüstriyel sanayide sayaç değerleri için OG tarafı baz alınmaktadır. Dolayısıyla eğer amaç yalnızca reaktif güç cezasından kurtulmak ise kompanzasyon sadece OG tarafında da yapılabilir. Bu durumda bütün fabrika tek bir noktadan kompanse edilerek kompanzasyon sistemi için harcanan yatırım maliyeti azalacaktır. Fakat daha önce de belirtildiği gibi, bu durum da AG tarafındaki yüklerde gerilim regülasyonu problemleri olabilir ve ayrıca trafolar üzerinden reaktif güç de çekileceği için trafoların anma gücüne yaklaşık değerlerde aktif gücün çekilmesi mümkün olamayacaktır, çünkü trafo kapasitenin bir kısmı da yüklerin ihtiyaç duyduğu reaktif güce ayrılacaktır (AG tarafında pf hala düşük olacaktır).
1.3.2 RGK Teknikleri
Şu ana kadar, reaktif güç kompanzasyonunun sabit bağlı kondansatör bankaları ile yapıldığı varsayılmaktaydı. Bu düşük maliyetli fakat sınırlı yeteneğe sahip olan en temel yöntemdir.
Fakat, gerçek hayatta yükler sürekli devreye girip çıkmaktalar ve dolayısıyla ihtiyaç duyulan reaktif güçte sürekli değişmektedir. Bu yüzden ihtiyaç duyulan reaktif güç sürekli takip edilerek gerekli miktarda reaktif güç kompanzasyonu yapılmalıdır. Kullanılan teknikler kısaca aşağıdaki şekilde özetlenebilir.
1.3.2.1 Kontaktörlü veya TSC’li kompanzasyon
Endüktif yükleri besleyen şebekelerde kullanılır. Kapasitif yüklerden oluşan kompanzasyon bankalarının kontaktör ya da yarı iletken tabanlı TSC anahtarlar ile devreye alınıp çıkarılması sayesinde reaktif güc kompanzasyonu yapılır.
• Bu bankaların verdikleri güç değerleri belli bir gerilim için sabittir ve gerekli güç değerine ulaşmak için reaktif güç talebi ölçülmeli, buna göre kademeli operasyon yapılmalıdır.
• RGK bankalarını devreye alıp devreden çıkartmak için karar mekanizması olarak reaktif güç ölçümü yapan ve anahtarlama sinyallerini yollayan bir röleye ihtiyaç duyulur. Bu röle, anahtarlar yardımı ile RGK bankalarını kontrol eder.
• Kompanzasyon bankaları yalın kondansatörlerden oluşabildiği gibi seri bağlı reaktör ve kondansatör kombinasyonlarından da oluşabilir. Fakat yalın kondansatörler ile RGK yapmak oldukça risklidir.
• Seri bağlı reaktör ve kondansatör grupları ile istenildiği takdirde harmonik filtreleme de yapılabilir. Bu tarz harmonik filtrelere akortlu filtre (“tuned harmonic filter”) de denir. Eğer harmonik filtreleme istenmiyor ise “detuned” yani herhangi bir harmonik akımı süzmek üzere akortlanmamış filtreler ile kompanzasyon sağlanabilir.
• Anahtarlama operasyonu ya kontaktörlerle ya da tristörlü modüllerle yapılır. Tristör anahtarlamalı kompanzasyon bankalarına TSC (“Thyristor Switched Capacitor”) adı verilir.
• TSC’lerin devreye girme ve devreden çıkma için tepki süreleri, akıllı algoritmalar kullanılarak 20ms mertebesine indirilebilir.1
• Burada kademelerin güçleri eşit seçilebileceği gibi farklı da olabilir. Benzer şekilde kompanzasyon bankalarının L ve C değerleri, istenen reaktif güç miktarına ve akort edilmek istenen frekansa göre belirlenir.
AG kompanzasyonu için ekonomikliği yüzünden yaygın olarak bu iki teknik kullanılmaktadır.
Kademeli yapıya sahip TSC kullanan bir kompanzasyon tekniğinin devre şeması Şekil 1.3-1’de verilmiştir.
1- TSC’ler için yapılan tüm açıklamalar RPS Mühendislik firmasının geliştirmiş olduğu VarFast TSC modülü göz önüne alınarak yapılmıştır. Farklı firmaların üretmiş olduğu TSC’ler bahsedilen özellikleri sağlamayabilir.
L1
C1
r1 Ls
TSC Yük
Şebeke
L2
C2
r2
TSC
Ln
Cn rn
TSC
Kademe 1 Kademe 2 Kademe n Şekil 1.3-1 Kademeli TSC Bazlı RGK için Devre Şeması
1.3.2.2 TCR
Genel devre şeması Şekil 1.3-2’de verilmiştir.
• Ayarlanabilir reaktif güç çekmek üzere şebekeye paralel olarak TCR (“Thyristor Controlled Reactor”), yani tristör kontrollü reaktör kullanılabilir. Dolayısıyla endüktif ve değişken bir yükü kompanse etmek için RGK bankaları ile TCR aynı anda paralel kullanılmalıdır.
• Çok hızlı değişen yüklerin kompanzasyonunda kullanılır. Tepki süreleri 40-50 ms mertebesindedir.
• TCR, kademeli güç üretme yerine her ara değerde güç üretebilir yeteneğe sahiptir.
• Uygun kontrol yöntemleri ile her faz bağımsız olarak kompanze edilebilir. Bu özellik dengesiz yüklerin kompanzasyonu için önemlidir.
• Endüstride ark ocakları gibi hızlı değişen ve dengesiz yüklerin kompanzasyonunda kullanılmaktadırlar.
L
C r
Ltcr
Ls
Filtre TCR Yük Şebeke
Şekil 1.3-2 TCR’li RGK için Genel Devre Şeması
• Kompanzasyon bankalarının belli bir harmoniğe akort edilerek reaktif güç üretmelerinin yanında harmonik filtrasyon yapmaları da sağlanmış olur. TCR ile beraber harmonik filtrelerden oluşan bu sisteme SVC (“Static VAr Compensator”) adı verilmiştir.
• TCR’li SVC sistemleri ile her faz için dengesiz reaktif güç talebi de karşılanabilir.
Ayrıca faz başına çekilen aktif güçlerde de dengesizlik var ise, şebeke tarafından her fazdan aynı aktif güç çekilmesi TCR ile sağlanabilir.
• TSR (“Thyristor Switched Reactor”), yani tristör anahtarlamalı reaktör, sadece tam güç ve sıfır güçte çalışabilirken, TCR ise bu iki noktanın arasındaki herhangi bir reaktif güçte de çalışabilir ve oldukça hızlı tepki verebilir.
1.3.2.3 Senkron Reaktif Güç Jeneratörü
• Senkron makineler sadece reaktif güç üretmek üzere çalıştırılarak RGK yapılabilir. Bu yöntem genelde OG seviyesinde kullanılmaktadır ve bu sayede toplu kompanzasyon yapılmış olur.
• Jeneratör modunda çalıştırılan senkron makinenin uyartım akımı değiştirilerek ürettiği reaktif güç miktarı ayarlanabilir.
• Söz konusu olan bir makine olduğu için yük değişimlerindeki tepkisi oldukça yavaş kalacaktır. Tepki süresi 5-10 saniyedir.
• Bu topolojide şebeke geriliminin faz açısı ile senkron makinenin faz açısı aynı tutularak, araya konulan uygun değerli bir reaktör üzerinden şebekeye gerekli reaktif gücün basılması sağlanır.
1.3.2.4 STATCOM
• 1.3.2.3’de verilen yöntemin hızlandırılmış bir versiyonu olarak yarı-iletken teknolojili
“Static Synchronous Compensator” (Statik Senkron Kompanzatör) geliştirilmiştir.
Burada gerilim kaynaklı (DC kondansatörler ile) ya da akım kaynaklı (reaktörler ile) iki farklı topoloji kullanılabilir.
• Yapılan akıllı yarı-iletken anahtarlamaları ile STATCOM çıkış gerilimi ayarlanarak gerekli reaktif gücün şebekeye verilmesi veya şebekeden alınması sağlanır.
1.3.2.3 ve1.3.2.4’e ait devre şeması Şekil 1.3-3’te görülmektedir.
Değişken Yük Şebeke
STATCOM Vc
Vs
Lc I
Ls
Şekil 1.3-3 Senkron Kompanzatör veya STATCOM ile RGK
1.3.2.5 TSSC (“Thyristor Switched Series Capacitor”)
• Sırt sırta bağlı tristörler ile devreye alınan bir kondansatör bankası olup iletim sistemlerinde hat üzerinde bulunan eşdeğer reaktansın düşürülerek gerilim kaybının azaltılmasına ve kompanzasyon yapılabilmesini sağlar.
1.3.2.6 Diğer Kompanzatörler ve Sık Kullanılanlar
• Bahsi geçen kompanzasyon topolojileri haricinde sık kullanılmamakla birlikte çok üstün özellikli topolojiler de mevcuttur.
• STATCOM uygulamaları şebekeye şönt bağlı uygulamalar olmasına rağmen, seri ve şönt bağlı iki farklı STATCOM ile hem reaktif hem de aktif güç akışını kontrol etmek mümkün olabilmektedir. Oldukça gelişmiş bir yapı olan bu topoloji UPFC (“Unified Power Flow Controller”) olarak adlandırılır.
• Burada bahsi geçen topolojiler haricindekiler artık neredeyse hiç kullanılmamaktadır.
• Ülkemizde ise en yaygın kullanım AG kompanzasyonu için kontaktörler ile veya tristör anahtarlamalı modüller ile devreye alınan akortlu veya akortsuz kompanzasyon bankaları, OG için kontaktör ile devreye alınan akortlu veya akortsuz kompanzasyon bankaları ve SVC (TCR+HF) sistemleridir. Bazı fabrikalarda Senkron Reaktif Güç Jeneratörleri de kullanılmaktadır. TEĐAŞ’a ait iletim hatlarında mekanik anahtarlamalı seri kondansatörler de bulunmaktadır.
• Ülkemizde YG seviyesinde henüz herhangi bir STATCOM veya UPFC uygulaması yoktur. Fakat OG seviyesinde STATCOM uygulamaları bulunmaktadır.
1.3.3 AG RGK için Kontaktörlü ve Tristör Anahtarlamalı (TSC) Sistemlerin Karşılaştırılması
AG seviyesinde genelde “detuned” kompanzasyon bankaları kullanılmakta ve bu bankalar kontaktörler aracılığıyla, reaktif güç rölesinin verdiği komutlara göre devreye alınıp çıkarılmaktadır. Kontaktörler nispeten ucuz olmalarına rağmen, bir çok dezavantaja sahiptirler. Bu dezavantajlar ve kontaktörler ile TSC’ler arasındaki farklar aşağıdaki gibidir:
1) Kontaktörlü sistemlerde kontaktör kapandıktan sonra açılmasına kadar geçen zaman uzun tutulmalıdır. (1 saniye veya daha fazla) Bunun sebebi, kapanma sırasında 4-5 periyot boyunca anma akım değerinden 4-5 kat daha fazla akım geçmesidir, akımların durağan duruma oturması beklenmeden kontaktörü açma yapmak kontaktörde arıza ve yangın riskine neden olacaktır.
Şekil 1.3-4’te kondansatörler boş iken kontaktörler kapandığında gözlemlenen akım ve gerilimler görülmektedir. Öte yandan, akıllı algoritmalara sahip bir TSC devreye girdikten sonra akım değeri geçici-rejimsiz bir şekilde anma değere oturur (“transient-free”) ve TSC bir periyot süresi içinde (en fazla 20msde) devreden çıkabilir.
Şekil 1.3-5’te TSC’nin devreye girip devreden çıkması sırasında gözlemlenen kondansatör gerilimleri ve faz akımları, reaktif güç rölesinden gelen sinyal ile birlikte verilmiştir.
2) Kontaktörlü sistemler yavaştır, hızlı ve hassas kompanzasyon ihtiyaçlarını karşılayamazlar.
Bunun nedeni kontaktörlerin açıldıktan sonra kapanmasına kadar geçen zamanın uzun olmasıdır (Bu süre eğer kondansatörlerin tam boşalması bekleniyorsa ve ekstra deşarj direnci yoksa 60 saniye civarındadır).
Şekil 1.3-5 TSC’li Kompanzasyon için Kondansatör Gerilimleri ve Faz Akımları
Kondansatörler boşalmadan kapama yapılması, hem kontaktörler, hem reaktörler hem de kondansatörler açısından oldukça zararlıdır ve kontaktörlerin bu şekilde çalıştırılması durumunda çok kısa sürede arızalar ortaya çıkacaktır. Yalın kondansatör bankalar kullanılırsa ve kondansatörün deşarj olması beklenmezse, anlık akımlar anma değerinden 100 kat fazla olabilir. Kondansatörlerin boşalması beklenmeden kontaktör kapanırsa seri reaktörlü banka üzerinde gözlemlenecek olan gerilim ve akımlar Şekil 1.3-6’da görülmektedir.
Standartlarda kondansatörlerin en çok 60 saniye içerisinde 50V seviyesine boşaltılması gerekliliği belirtilmiştir. Bu can güvenliği açısından bir önlemdir. Bu süre, daha hızlı kontaktör kapama yapmak üzere, kondansatörlerin deşarjı hızlandırılarak azaltılabilir fakat, bu deşarj dirençler üzerinden yapılacağı için hem ek yatırım maliyeti hem de sürekli bir aktif güç kaybı getirecektir.
Öte yandan TSC, Şekil 1.3-6’de görüldüğü gibi, kondansatör gerilimlerinin boşalmasını beklemeden bir periyot süresi içinde (en fazla 20ms) akım ve gerilimlerde geçici-rejim veya harmonik oluşturmadan devreye girebilir. Dolayısıyla TSC’nin takip edebileceği röle sinyali hızı 25Hz iken kontaktör için en fazla 0.1Hz olabilmektedir.
3) Kontaktörün kondansatörleri devreye alması sırasında geçen akımlar çok yüksek olduğu için kontaktörlerin ömürleri uzun değildir. Genelde 1 seneden kısa bir sürede arızalanmaktadırlar. Bu arızalar, çoğunlukla oluşan arklar ve ısınma yüzünden kontakların yapışması ile oluşur. TSC’ler, yarı-iletken tabanlı (tristörlü) olduğu için mekanik herhangi bir anahtarlama bulunmaz. Akımlar da hep anma değerlerde geçeceğinden TSC’nin ömrü daha uzun olacaktır.
4) Kontaktör kapamaları sırasındaki yüksek akımlar hem reaktörlerin hem de kondansatörlerin ömrünü azaltır. Ayrıca kontaktörler kapandıktan ve açıldıktan sonra gözlemlenen yüksek kondansatör gerilimleri de kondansatörlerin ömürlerini azaltır. Öte yandan, kapanma sırasında kompanzasyonun akort edildiği frekansta geçici olarak yüksek harmonik akımlar akar. Dolayısıyla kontaktörler, sadece kendilerinin değil kompanzasyon bankalarının da ömürlerine olumsuz etkiler. Bu da yatırım maliyetinin düşük görünmesine rağmen, daha sık malzeme değişimi ve tamir anlamına geldiği için orta ve uzun vadede TSC’li sistemlere göre çok daha pahalıya mal olmaktadır. TSC’li sistemlerde kondansatörler ve reaktörler, akım, gerilim veya harmonikler açısından stres altında kalmazlar.
5) Kontaktör kapamaları sırasında geçen yüksek akımlar yüzünden sistem oldukça gürültülü çalışmaktadır. TSC ise devreye girme sırasında geçen akımlar geçici rejimsiz olacağından, oldukça sessiz çalışır.
1.3.4 AG RGK Konusunda Sıkça Yapılan Hatalar
1) Kompanzasyon bankalarının yalın kondansatörlerden oluşması: Bu durum paralel rezonansa sebep olabileceği için son derece tehlikelidir. Yüksek gerilimler ve yüksek harmonik akımlar oluşması sonucunda çoğu zaman kondansatörler patlar. Mutlaka akortlu (“tuned”) ya da akortsuz (“detuned”) harmonik filtre kullanmak
gerekmektedir. Bu durum hem kontaktörlü hem de TSC’li kompanzasyon panoları için geçerlidir.
2) Kondansatör anma gerilim değerlerinin 400Vrms seçilmesi: Kontaktörlü sistemlerde açma ve kapamalar sırasında kondansatörler çok yüksek gerilimler görür.
(Kısa süreli 1500VDC!) Dolayısıyla 400Vrms anma değere sahip kondansatörler kullanılırsa ömürleri oldukça kısalacaktır. TSC’li sistemlerde ise, yüksek gerilimler görülmemesine rağmen, kondansatör gerilimi, akort frekansına bağlı olarak bara geriliminden 1.07 ila 1.2 kat daha fazla olmaktadır. Đşte bu yüzden seçilen kondansatörlerin kontaktörlü sistemlerde de TSC’li sistemlerde de en az 480Vrms anma değere sahip olması önerilir.
3) Kompanzasyon bankalarının akort frekanslarının dikkatsizce seçilmesi: Akort frekansı seçilen kondansatör ve reaktör değerlerine bağlıdır. Harmonik akım filtreleme yapmak istenmesi veya istenmemesi durumuna göre, kompanzasyon bankası akort edilir. Bir başka konu ise bu bankanın şebeke ile birlikte gireceği paralel rezonans frekansının bilinmesidir. Bu oldukça ciddi bir konudur ve yetersiz bilgiye sahip kişilerce oluşturulan kompanzasyon bankaları büyük riskler taşır.
4) Kompanzasyon bankası gücünün kondansatör anma gücü değeri kullanılarak belirlenmesi: Kondansatörlerin güçleri genelde belirli bir gerilim seviyesinde verilir.
Örnek olarak 480Vrms anma gerilim değerli bir kondansatörün gücü 30kVAr verildi ise, bu kondansatör yalın halde şebekeye bağlandığında 30kVAr üretmeyecektir.
Reaktif güç gerilimin karesi ile doğru orantılı olacağından bu değer 400Vrms’de 24.8kVAr’a düşecektir. Ayrıca kompanzasyon bankasında bulunan seri reaktör üzerindeki endüktif reaktif güç düşümü, bankanın gücünün hesaplamasında dikkate alınmalıdır.
5) Kontaktörlü sistemler için hızlı (transistör çıkışlı) reaktif güç rölesi kullanılması:
Reaktif güç röleleri iki tiptedir. Bunlardan yavaş olanlarında sadece mekanik (kuru) kontak çıkışları vardır ve bu kontaklar 100 milisaniyeler mertebesinde konum değiştirebilirler. Hızlı reaktif güç röleleri ise transistör çıkışlıdırlar ve bunlar milisaniyeler mertebesinde konum değiştirebilirler. Eğer hızlı bir reaktif güç rölesi
kontaktörleri yönetmek üzere kullanılırsa ve sistemde de hızlı değişen yükler mevcut ise kontaktörler kısa sürede arızalanacaktır. Çünkü kontaktörler bu kadar hızlı açma kapama yaparlar ise ömürleri oldukça kısalır, ayrıca kondansatör ve reaktör bankalarının da zarar görmesi olasıdır. Önlem alınmaz ve çalışmaya devam edilirse pano içerisinde yangın dahi çıkabilir.
6) TSC’li sistemlerden yeterli hız performansının alınamaması: TSC’li sistemler kontaktörlü sistemlere göre çok daha hızlı devreye girip çıkabilir (Tepki süresi en fazla 20ms). Bu nedenle hızlı devreye girip çıkan punto kaynak makineleri, ark ocakları, tekstil yükleri gibi yüklerde RGK, kontaktörlü değil TSC’li sistemler ile ancak sağlanabilir. Fakat TSC’nin beklenen performansı sağlaması için seçilen reaktif güç rölesinin de hızlı olması gerekir. Eğer yavaş (mekanik kontaklı) bir reaktif güç rölesi kullanılırsa, TSC de yavaş çalışacaktır ve hızlı değişen, dinamik yüklerin kompanzasyon ihtiyacını karşılayamayacaktır. Bu röle, yüklerin yavaş değiştiği ve hızlı kompanzasyona gerek olmayan yerlerde TSC ile birlikte kullanılabilir. Bunun hiç bir sakıncası yoktur. Aksine kontaktörlü sistemlerden çok daha güvenli, sessiz ve geçici-rejimsiz çalışacaktır. Ama TSC’nin yüksek hız performansından faydalanılmak isteniyorsa mutlaka hızlı (reaktif güç hesabını hızlı yapan ve transistör çıkışlı) reaktif güç rölesi kullanılmalıdır.
7) TSC’li sistemlerde pano içerisine yüksek gerilim sönümlendirici ekipman kullanılmaması: TSC’li RGK panolarında, TSC operasyonundan kaynaklı yüksek gerilimler oluşmaz. Fakat, kompanzasyonu yapılan AG tarafında ve hatta OG seviyesinde bulunan yüksek güçlü bazı yüklerin (motor, haddehane, kaynak makinesi gibi) devreden çıkması sırasında şebekede kısa süreli gerilim darbeleri oluşur. Bunlara anahtarlama gerilim darbesi adı verilir ve yaklaşık 2.5ms içerisinde sönümlenirler.
Bunlar 400V’luk şebeke gerilimini anlık olarak 1.5-2kV seviyesine kadar yükseltebilirler. Bununla birlikte hatta veya hattın yakınına düşen yıldırımlar da şebekeye çok kısa süreli gerilim darbeleri enjekte ederler. Bunlara ise yıldırım gerilim darbesi adı verilir ve yaklaşık 50µs içerisinde sönümlenirler. Bunlar 400V’luk şebeke gerilimini anlık olarak 5-10kV seviyesine kadar yükseltebilirler. Bu iki darbe de çok kısa süreli oldukları için konvansiyonel gerilim ölçü trafoları ile veya ölçü aletleri ile ölçülemezler. Osiloskoplarla bile bu darbeleri görmek oldukça güçtür. Ancak yüksek
hızlı, özel veri toplama sistemleri ile bunlar kayıt altına alınabilir. Öte yandan kolay tespit edilemeyen bu darbelerin vereceği zararlar oldukça büyüktür.
Yarı-iletkenler yüksek gerilimlere karşı çok hassastırlar. Mikrosaniyeler mertebesinde dahi de olsa, yarı-iletkenin dayanım gerilimi geçilirse yarı-iletken genellikle arızalanmaktadır Eğer şebeke kaynaklı bahsi geçen anahtarlama ve yıldırım darbe gerilimleri pano içerisinde sönümlendirilmezse, yarı-iletken (tristör) tabanlı TSC’ler arızalanabilirler. Bu sebeple TSC modüllerinin bağlı olduğu ana baraya en yakın noktadan toprağa doğru olmak üzere ani yüksek gerilim sönümlendirici cihazlar takılmalıdır. Bu cihazlar darbe anında şebeke gerilimini belli bir değerde sabit tutarlar.
Bu sönümlendiriciler, TSC’lerin ani yüksek gerilimden her zaman korunmalarını garanti edemezler fakat kullanılmamaları veya sağlıklı bir şekilde çalışıp çalışmadıklarının düzenli olarak kontrol edilmemesi sonucunda TSC’lerin arıza yapma olasılığı daha yüksektir. Ayrıca büyük ve uzun kablolamaların sahip RGK panolarında bu sönümlendiricileri birden fazla noktada uygulamak gereklidir.
OG seviyesinde parafudrlar bulunması, ve/veya AG seviyesinde başka yerlerde sönümlendiriciler bulunması TSC’lerin bulunduğu RGK panosunun korunduğu anlamına gelmez. Çünkü TSC’lerin en yakın mesafeden (pano içinden) sönümlendiricilerde korunması gerekir. Sönümlendiriciler ile TSC’ler arasındaki mesafe arttıkça, örneğin 10 metreden sonra sönümlendiricilerin koruma kabiliyeti oldukça azalacaktır.
8) TSC’li sistemlerde TSC’lerin girişine hızlı sigorta konmaması: TSC’li RGK panolarında, TSC operasyonundan kaynaklı hiç bir yüksek akım oluşmaz, fakat kompanzasyon bankası içinde oluşacak bir kısa devre durumunda TSC içerisindeki tristörlerden çok yüksek akımlar geçecektir. Tristörler bu akımlara bir periyottan fazla dayanamazlar dolayısıyla bir periyot sonunda sigortalar tarafından korunmaları gerekir. Normal sigortalar bu operasyon için çok yavaş kaldıklarından TSC’leri koruyamazlar. Dolayısıyla hızlı bıçaklı sigortaların TSC’lerin girişinde kullanılması gerekir.
1.3.5 RPS Mühendislik Tarafından Sunulan Çözümler
RPS Mühendislik, “Güvenilir Güç Çözümleri” üretmeyi ilke edinmiş bir firmadır. Bu doğrultuda AG ve OG konusunda her türlü Güç Kalitesi, Harmonik Filtre Tasarımı ve RGK projelendirme ve danışmanlık hizmetlerini vermektedir. Firma, Ülkemiz için AR-GE yapmanın önemini kavramış, yerli, güvenilir teknolojiler geliştirerek, yeni ürünler sunabilmenin heyecanı ve şevki içerisindedir.
RPS Mühendislik, tamamen yerli AR-GE çalışmalarının ürünü olarak geliştirdiği, AG RGK kompanzasyonuna yönelik VarFast TSC modülünü müşterilere sunmaktadır. Bu modül kontaktörlü RGK sistemlerine göre aşağıdaki üstün özelliklere sahiptir:
• Geçici rejimsiz çalışma
• Hızlı devreye girip çıkabilme (En fazla 20ms tepki süresi)
• Anahtarlama sırasında akım veya gerilim harmoniği oluşturmama
• Sessiz çalışma
• Kolay monte edilebilme
• Deşarj dirençlerine ihtiyaç duymama
• Şebekeden kaynaklanan yüksek gerilimlere karşı koruma özelliği
• Tamamen yazılım temelli kontrol yöntemi – değişiklik yapılabilme kolaylığı
• Akademik çalışmalar sonucunda geliştirilmiş özgün anahtarlama ve kontrol yöntemi
Bu modül AG tüm kondansatör anahtarlamalı sistemlerde güvenilirlikle uygulanabilmektedir.
Bunun yanı sıra hızlı kompanzasyon gerektiren uygulamalarda ve kontaktörlü sistemin oluşturduğu geçici rejimden etkilenen hassas yüklerin olduğu uygulamalarda VarFast TSC modülü hassas kompansazyon ihtiyaçlarını güvenle karşılayacaktır. Modülün uygulama alanları:
Hızlı değişen AG yükler
• Tekstil
• Endüstri
• Ark ve Pota Ocakları
• Punto Kaynak Sistemleri ve
Hassas AG yükler
• Motor Sürücülerinin kullanıldığı sistemler
• CNC tezgahları
• UPS in bulunduğu sistemler ve
Diğer yavaş değişen her türlü AG yüklerdir.
Ayrıntılı bilgi için lütfen www.rps.com.tr adresini ziyaret ediniz.
Her türlü soru, öneri ve bilgi talepleriniz için lütfen temas kurunuz.
