sAU Fen Bilimleri EnstitUsU Dergisi s.Cilt. !.Sayı (Mart 2004)

Statik Reaktif Güç Koropazasyon u Uygulaması ve 1\fatlab Simülasyoou

ü. Pekparlak, U. Arifoglu

ST ATİK REAKTİF GÜÇ KOMP ANZASYONU UGYULAMASI VE • ••

MATLAB SIMULASYONU

Ümit PEKP ARLAK, Uğur ARİFOGLU

Özet- Elektrik enerjisi, günü nı üzde en yaygın olarak tüketilen, çok kullanışlı fakat bir o kadar da pahalı bir enerji türüdür. Enerjinin üreticisi, dağıtıcısı ve tüketicisi, minimum maliyet ve maksimum tasarruf için çeşitli araştırmalar yapmaktadır. İşte bu araştırmaların bir sonucu olan Reaktif Güç Kompanzasyonu bu gün öneınli bir tasarruf önlemi olarak karşımıza çıkmıştır. Teknolojinin ilerlemesiyle daha kaliteli bir elektrik enerjisi ihtiyacı hissedilmiş ve bu kaliteyi sağlamak için daha teknolojik reaktif güç kompanzatörleri kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada, klasil<. kompanzasyon sistemlerinin ve alternatif olarak sunulan statik V AR sistemlerinin çalışması simülasyon (benzetim) yolu ile anlatılarak avantaj ve dezavantajları anlatılmıştır.

Anahtar Kelinıeler - Reaktif Güç, Kompanzasyon, Yarıiletken, Kıyıcı, Harmonik

Abstrackt - Electric energy is not only widespread used and serviceable but also an expensive type of energy. Producer, distributor and consumer are always researching for economizing electric energy. Reactive Power Compensation is one result of these research. W ith devetoping technology, people needs electric energy of better quality and to provide this quality, more effective reactive power compensators are used. In this study, conventional compensation systems and static V AR compensation systenıs have been mentioned via simulation and these systems have been compared with each other in terms of advantages and disadvantages.

Keywords - Reactive Power, Compensation, Semiconductor, Chopper, Harmonic

Ü. PEKP ARLAK, Federal Elektrik Elektronik Ar-Ge 1. OSB 1. Yol No : 25 Hanlı/Sakarya U.ARİFOGLU, SAÜMUh. Fak. Elektrik Elektronik Mühendisli�i Bölümü

13 1

I.GİRİŞ

Bilindiği gibi reaktif gUç, elektrik mühendisliğinin ayrılmaz bir parçasıdır. Elektrik enerjisinin üretiminde, dağıtımında ve kullanımında kaçınılmaz olarak ortaya çıkar ve zararlı etkileri nedeni ile kompanze edilmesi istenir.

Öncelikle, rezistif yükün bir AC kaynaktan beslendiğinde nasıl davrandığı görüldükten sonra aynı AC kaynağa paralel baglanmış R, L ve C yüklerinin davranış biçimleri Matiab Simulink üzerinden elde edilmiş sonuçlarla yorumlanacaktır.

1.1 Rezistif Yük

Aşağıda) bir AC kaynağa bağlanmış, ısıtıcı, akkor lamba gibi rezistif bir yük görülmektedir. Bu yükün üzerindeki gerilh9Jle ve kaynaktan çektiği akıma ilişkin eğriler verilmiştir.

't

'V

+ . ı----....---, Current

Musurement

ll(t)=220""·•in(wi) R= 10 fl

D Akım D

+ Gerilim V •

Vcıltage Measurement

X D Güç

Şekil I .1. AC kaynaga ba�Iı rezistif bir yükün Simulink devre modeli

•

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.Cilt, l.Sayı (Mart 2004)

:m

1(])

J

0 �--�----�----�----+-----� -1(()

.;m

-3ll

Şekil 1 .2. AC kayna�n geriliminin zamanla de�işimi

10

Or---�----r-----r-----+-----� -10

.3)

Şekil 1.3. AC kaynaga ba�lı rezistif ytlkün kaynaktan çektigi akımın zamanla degişimi

ıocoo '

.(\ 1 • 1

'{\ 1

(\ (\ � BOII 7(0)

-

5CDJ �

4CJD --

2llD � HDJ -

ı \J ı ,\i ı 1 \; ı ı J

Şekil 1 .4. RezistifyUkün kaynaktan çekti�i gücün zamanla degişimi

1

l

'

{\ ' \ -

-

-

-

-

J -.v

Şekil ı. ı 'de rezistif yük devresinin Matlab-Simulink'teki çizimi görülmektedir. Burada görülen osiloskoplann gösterdiği eğriler ise Şekil 1.2- gerilim, Şekil 1.3 -akım ve Şekil 1.4-güç değerinin zamanla değişimi verilmiştir. Bu eğrilerden de görüldüğü gibi rezistif bir yükün akım

132

Statik Reaktif Gtıç Kompazasyonn Uygulaması ve Matiab Simtllasyonu

ü. Pekparlak, U. Arif�u

ve gerilim eğrileri aynı anda sıfırdan geçmektedirler. Yani rezistif bir yükün akımı ile gerilimi arasında faz farkı yoktur. Güç eğrisine bakılacak olursa frekansı akım ya da gerilim'in iki katı olan bir eğridir ve bu e�in hep pozitif eksende olduğu görülür. Bunun anlamı rezistif yükün hep güç tükettigi yani güç akışının her an kaynaktan yüke doğru oldugudur. Şekil 1.4 'te görülen anlık güç eğrisine ait eşitlik aşağıda verilmiştir:

p(t) = v(t).i(t)

v(t) = vmax·cos(mt)

(l.ı)

(1 .2)

i(t) =lmax .cos(mt) (1.3) ı ı

p(t) = -.V max .I max +-.V max .I max. cos(2mt) (1.4) 2 2

Herhangi bir yükün faydalı bir işe dönüştürmek üzere kaynaktan çektiği güce Aktif Güç denir. Aktif gücü bulmak için ani gücün ortalaması hesaplanmalıdır.

T P = _.!_ J v(t).i(t) dt

To ı

p = - V max .I ma'Y. 2

P=V.l

(1.5)

(1.6)

(ı.7)

Rezistif bir yük için (1.7) ifadesinden de görüleceği üzere aktif güç direncin üzerindeki gerilimin etkin değeri ile üzerinden geçen akımın etkin değerinin çarpımına eşit olacak'tır.

1.2 Paralel RLC Devresi

Şekil 1.5'te bir paralel RLC devresine ait Matlah Simulink çizimi görülmektedir. Burada, R direnci yülrün. aktif güç tüketen karakterini, L ise yükün indüllif karakterini temsil etmektedir. Paralel bağlı C devresindeki direnç yalnızca düzgün bir eğri elde etmek amacı ile konmuş çok küçük değerde bir dirençtir. Bu kol yalnızca kondansatörnıüş gibi düşünülebilir.

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.Cilt, 1 .Sayı (Mart 2004)

i ,...... t .

.. D ...

AnaAiom

ı ı ı � __., l+ + + .,... + ı-. � . .

__., D r

Rezistlf Akım D .. ...

lndOktlt �':., D -

�puitlf .Ala m

� , � , � , 1 4 +

,.. -'\ı r+· .. fo-- � = ;:; R L c D � _.... ...... _]

-

� • � • KIYfl.tc Ger ı ... ......

ilimi

.... .....

_... D � X .. .. ... •

Product Cguo .. D ... X �Jıo � -..

Prodııct1 Lg uc

Şekil 1.5. Paralel RLC devresinin Sin1ulink devre modeli

Bu devre üzerindeki osiloskopların gösterdikleri eğriler incelenerek devam edilsin. Şekil 1.6'da devredeki kaynak geriliminin egrisi verilmiştir.

100

0 �------�----�----�----�----�

.n:J

. DJ

Şekil I .6.Kaynak geriliminin zamanla de�işimi

4

3

2

1

o

-ı

-2

-3 •

·'

���--����--��--�--��--� o 500 1 OOJ 1500 :;mo 2500 3000 3500 4000 4500 5[ll)

Şekil l.7.Rezistif yOkon çektigi akımın zamanla degişimi

133

Statik Reaktif Güç Kompazasyonu Uygulaması ve Matiab SimUiasyonu

Ü. Pekparlak, U. Arifoğlu

Şekil 1 . 7 'de R elemanının çektiği akım görülmektedir. Bu akımın gerilim ile faz farkı olmadığı ve bunun ifade ettiği anlam daha önce açıklanmıştı.

15

10

5

O r----r----�------+-----�----�� -5

-10

-15

Şekil 1 .8.EndOktifyUkon çekti�i akımın zamanla degişimi

Şekil 1 .8, L'nin çektiği akımı göstermektedir. Bu eğrinin gerilim eğrisinden 90 derece geride olduğu görülmektedir. Gerilim eğrisi tepe noktada iken akım eğrisi daha sıfırdan geçmektedir. Bu sebeple (1.12) ifadesinden de görüleceği üzere saf indüktif bir yük faydalı bir işe dönüşecek olan aktif bir güç çekmez fakat buna karşın anlık güç değerinin sıfır olmadığı görülmektedir. Bunun anlamı şudur; saf indüktif bir yük karakteri gereği, bir alternans içinde bir miktar gücü kaynaktan çeker ve aynı miktarda gücü kaynağa geri verir. Bu olay Şekil 1.9'da da görüldüğü gibi bir periyotta iki defa gerçekleşir. Şekil 1.9 L indüktansına ait ani güç eğrisidir .

4()]) ' 1 ' ' 1 1 ' '

" (\ (\ {\ { 3(Q) -

2(Q) ... .

1(Q) fo .

o

-1(11) fo -

.2m) .. .

-DD � -

V V V \J ı 1 1 ı ı 1 ı _j_ _ı .,4()]) o 500 1 (XlJ 1500 � 2500 3(J)() 3500 4000 4500 5CIX)

Şekil 1.9.EndUktifyOkon çektigi gUcün zamanla degişimi

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.Cilt, !.Sayı (Mart 2004)

v(t) = vmax·cos(mt) i(t) = Imax·cos(mt-iC /2)

ı p(t) = -.V max .I max cos(2mt -n 1 2) 2

p(t) = .!..vmax .lmax sin(2mt) 2 1 T P = - J v(t).i(t) dt = O To

20 15

10

5

(1.8) (1.9)

(1. 1 O)

(1 .ll)

(1.12)

0�--�--��--�----�-----+�

-5

- 10

-15

-20

Şekil ı .2. Kapasitif yükü n çekti�i akımın zamanla degişimi

Şekil 1 .ı O' da görüldüğü gibi kapasitif yükün de akımı ile gerilimi arasında 90 derece faz farkı vardır. İndüktif yükte gerilimi akımdan 90 derece önde, kapasitif yükte akım gerilimden 90 öndedir. Kapasitif yük için de güç akışı indUktif yükte olduğunun aynıdır. Yani bir alternansın yarısında kaynaktan çekilen güç, altemansın diğer yarısında kaynağa geri verilir.

4(D) 1 1 • • • • • •

(\ f'\ (\ {\ 3fDJ - -

2tn:ı 1- .

Hm � -

o

.1(JI) - -

-2m:ı - -

-DI ı -

V \) V \ ı ı ı 1 1 ı ı ı ı

-soo 1 cm 1500 DJO 2&10 3000 3500 4000 4500 5(II)

Şekil 1.3. Kapasitif yükün çekti�i gücün zamanla değişimi

134

Statik Reaktif GOç Kompazasyonu Uygulaması ve Matiab Simülasyonu

ü. Pekparlak, U. Arifoglu

v(t) = vmax·cos(mt) i(t) =/max .cos(cot +tr 1 2)

ı p(t) =-.Vmax .I max cos(2cot +n 1 2) 2

p(t) = .!..vmax .lmax sin(2mt) 2 1 T P = - J v(t).i(t) dt = O To

(1.13) (1.14)

(1.15)

(1 .16)

(1.17)

Eşitlik (1. 12) ve (1. 17) kapasitif ve indüktif yüklerin kaynaktan aktif güç çekmediklerini gösterir. Fakat bu elemanlar bir periyatta ikişer defa kaynaktan bir miktar güç çekip kaynağa geri verirler. Bu durum, kapasite ve indüktansın karakteristik özelliğidir. Her ne kadar kaynaktan net bir güç çekmiyar iseler de bu güç salınımının zararlı etkileri vardır.

Kapasite ve indüktansın bir periyot boyunca kaynaktan çektiği gilcün ortalamasına reaktif güç denir. Bu elemanların reaktif gticlerini tekrar kaynağa veriyor olması bir sorun olmayacağı anlamına gelmez. Reaktif güç çekildiği sırada hatlar bu fazlalık gücü taşımak zorundadır ve kaynak da, altemansın ikinci yansmda bu gücü geri alacak olsa dahi bu fazladan gücü yüke o anda sağlayabilnıelidir. Bunlar reaktif gücün sebep olduğu en temel problemlerdir.

Reaktif güclin şebekeden sağlanması durumunda bir çok sakınca ortaya çıkacaktır. Bu sebeple, yükün kaçınılmaz olarak ihtiyaç duyduğu reaktif gücün şebeke haricinde bir kaynaktan sağlanmasına reaktif güç kompanzasyonu adı verilmektedir.

indüktif ve kapasitif yüklere ait akım ( Şekil 1.8 ve Şekil 1. lO ) ve güç ( Şekil 1. 9 ve Şekil 1 .ll ) eğrilerine dikkatlice bakılacak olursa, indüktansın kaynaktan güç çektiği sırada kapasite kaynağa çektiği reaktif gücü geri vermektedir. Bunun sebebi, indüktansta akımın gerilin1den 90 derece geride olmasma karşın kapasite akımının geriliminden 90 derece ileride olmasıdır. Paralel bir indüktans ve kapasite düşünüldüğünde aynı AC kaynaktan çekilecek indüktif ve kapasitif akımlann birbiri ile arasında 180 derece faz farklı olduğu ortaya çıkacaktır. Bu durum paragrafın başındaki cUmleyi açıklamaktadır. Sonuç olarak bir indüktansın kaynaktan çekeceği akımın, uygun bir değerde kendisine paralel bağlı bir kapasiteden karşılanması mümkündür.

Şekil 1.5 'te yükün direncinin R, indüktansınm L ile gösterildiği belirtilmişti. Şekil 1.5 'te C, yükün indük'tif karakterini temsil eden L'yi kompanze etmek amacı ile

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.Cilt, l.Sayı (Mart 2004)

devreye konmuştur. L ve C'ye ait akım eğrileri sırası ile Şekil ı. 8 ve Şekil 1 .1 O' da verilmişti. Fakat şimdiye kadar kaynaktan gelen ana kol akımına daha değinilmediği hatırlanmalıdır.

3

2

1

0 �----�----�----��-----�--� -1

-2

-3

)ekil 1.4. Ana koldan geçen akımın zamanla degişinıi

Şekil1.12'de ana kol akımına ait dalga şekli veriln1iştir. L ve C'nin çektiği akımların tepe değerleri 25A gibi değerlere ulaştığı halde bu akın1ın tepe değeri 3 A civarındadır.Bu akım aynı zamanda R direncinin akımıdır. Buradan da görtilüyor ki Şekil 5'te verilen devrede C değeri, L 'yi kompanze edecek değerde ayarlanmıştır. Yani devredeki yükUn ( R-L ) çekeceği indüktif kapasitif reaktif güç, kaynaktan değil C kapasitesi tarafından sağlanmaktadır. Bu işlem endüstride çeşitli yöntemler h.'Ullanılarak uygulanmaktadır.

Il. KLASİK KOMPANZASYON SİSTEMLERİ

Endüstride kullanılmakta olan elektrik yüklerinin önemli bir kısmı indüktif karakterlidir yani indüktif reaktif güç çekmektedirler. Bu in dilktif reaktif gücü kompanze etmek anıacı ile işletmelerde sayaçlardan sonra değişik kapasite değerlerinde kondansatör grupları bulunur. rektif güç kontrol rölesi adı verilen cihazlar, sistemin ihtiyacı olan reaktif gücü belirler ve bu gücü kompanze edecek kapasite değerini sağlayacak kondansatör gruplarını devreye alır ya da fazlasım devreden çıkartır 1 ar.

Şekili 2.1 'de görülen en yaygın kullanılan kompanzasyon sistemidir. Zaman zaman çalışan ve duran elektrik motorları gibi indüktif yükleri temsil etmek amacı ile yük, Şekil 2.1 'de değişken bir indüktans ve ona seri bağlı direnç ile temsil edilmiştir. Burada, reaktif güç kontrol rölesi ( RGKR ), sistemin güç katsayısım belirlenmiş sınırlar içinde tutar. Bu işlem için aldığı ölçüm sonuçlarına göre sisteme gerekli

Statik Reaktif Güç Kompazasyoou Uygulamas• ve Matiab Simülasyon u

ü. Pekparlak, U. Arifoglu

kapasitif reaktif gücü tayin ederek bu gücü sağlamak için kondansatör gruplarını tek tek devreye alıp çıkartır.

135

,...... ., r- - -t- - -

ı ll . XCDI '

ı .ı-

�- - ---- ------- - , lt Jl

L...!r-._;:: F

- - - -

- - . B.

Lr 1 ll 1 ___r ı � ı =- �� ,_ ı<; ı Yü _1'

..

rv

ı ı....''\ 1 ı\1 i'\)) ı ı D ıa D ı ı ı � - - -�

ı Cl C2 C3 ı

ro-1\:) nı

- - - . �

cu

-

1

i\ 1 ı KU ı 1

-.....- ı •

C12 ı ı

1 ıc..ıwpuuruy.n Sutaml � - - - --- J - - - - - - --- - - - - -

Şekil 2. I . Klasik kompanzasyon sistemi

-

� � J ,....,-

Bu işlem, üçgen baği ı trifaze kondansatör gruplarına bağlanmış kompanzasyon kontaktörleri açılıp kapatılarak yapılır. Kompanzasyon kentaktörleri özel kentaktörlerdir ve üzerinde her faz için ikişer kontak bulundurur. Bu kentaklardan birer tanesi faza direnç üzerinden bağlanrr. Dirençlerin ba�Iı olduğu bu kontaklar ana kontaklardan çok kısa bir süre önce kapanır. Bu şekilde kandansatörler ilk anda direnter üzerinden şebekeye bağlanmış olur. Çok kısa bir süre sonra kapanan ana kontaklar bu dirençleri kısadevre ederek kondansatörlerin şebekeye direkt bağlanmasını sağlar. Burada amaç kodansatörlerin devreye giı·ıne sırasında çektiği ani akımlan sınırlamaktır. Kondansatörlerin içerisinde her ne kadar deşarj dirençleri mevcut ise de bunlar 100 K civarlarında olup 10 KV Ar' lık bir kondansatörü yaklaşık 2 dakika içinde boşaltabilmektedirler, oysa kompanzasyon sisteminde kondansatörlerin devreye girip çıkmaları saniyeler mertebesinde olmaktadır. Bu durumda kontaktör açılıp kondansatör devre dışı bırakıldığında kapasite üzerinde oluşan gerilim ile tekrar devreye ginnesi anında kapasite üzerine gelecek gerilim arasında bUyük farklar meydana gelir. En kötü durum için şu basit hesabı yapabiliriz: Üç fazlı bir sistemde tepe gerilim 380"2=535,8 Volttur. Bu durumda tepeden tepeye gerilim 107 1,6 volt olacaktır. Kontaktörün +535,8 voltta açılıp -535,8 voltta tekrar kapandığını düşünürsek kondansatörün iç direnci üzerinde ı 071,6 voltluk bir potansiyel fark oluşacaktır ve bu da çok yüksek bir ani akımın üzerinden akmasına neden olacaktır. Bu en kötü durumun oluşma ihtimali düşük olsa da buna benzer aşırı akımlara uygulamada sıklıkla rastlanır. Bu tür aşırı akımlar hem kentaktörlerin kontaklarının ömrünü hem de kullanılan kondansatörlerin ömrünü önemli ölçüde kısaltacaktır. Şekil 2.2 ve Şekil 2.3 'teki iki osilogramda kompanzasyon kentaktörü ile çeşitli t anlarında devreye alma sırasında ortaya çıkan aşırı akımlar gösterilmiştir. Bu osilogramlar yaklaşık 200uF'lık bir kapasitenin 220 voltta kompanzasyon kontaktörü ile devreye alınınası sırasında kaydedilmiştir. SUrekli akımın etkin degeri yaklaşık 13 A civarındadır. Ani akım ise osilogramdan

SAU Fen Bilimleri Enstittıso Dergisi 8.Cilt, l.Sayı (Mart 2004)

görüldüğü üzere 1 00 A civarlarına anlık olarak çıkmaktadır. Böyle bir ani akım önemli sakıncalar meydana getirir.

ı ' . .

J

• '

>

Tek 1\un: .25,CtkS/s �mfJ� IDQ ( ·····-=f··· ............... ..... ··-······· . ..................... ············-· ....

.... ...

. . .� - � o • • • • • • o • • • • o •••••

- • • o • • •

.

•·

.... ... . . . ....

•

-

. ·• • • • •t

• .;.

t . . •··

•

..

·' ... " , • • o 1 • o o ' • \ .....,.. ' •• .. . ...

. •

. . • o • • • o • • •

. .

. .. • • • • o • • •

.

.

. . .

• • ll. " ... .. , • • . .

• • •

. . + • • • "" · " .. . . . . , . . . " " • �o•v' , • • ._ , "" 'lıo , " " , � ,... . ..

.,. ... •

.

> . ' . . .

• • o .. , o o . .

1 . o • • • o • •

• ı

'! 4

�-� < :

18 Nov ınoJ l4�1S� 27

Şekii2.2.Kompanzsyon kontaktörtı ile devreye alınan kondansatörün akım dalga şekli

. . •

-· , ... " . . . .

)

.

. t

-·· • �. � 1 • :

•

f l 1 ı • · ! t

• > , 1 ·� l· > ;

·l i •

• •

' .

. . . · · � . . - , . ,. , .. . . ... . • .

. . . o .... , .. , • •

.. . . " .

Şe kil 2.3. Kompanzsyon kontaktörU ile devreye alınan kondansatörün akım dalga şekli

1 & l\ı4)'c' 2003. H·: J iJ ;..q 9

Bu kompanzasyon yöntemi daha önce de belirtildiği gibi en yaygın olarak kullanılan kompanzasyon yöntemidir. Kapasiteler genellikle 5 adet, 7 adet ya da 12 adet grup halinde bulunurlar. Bu gruplar Reaktif Güç Konrol Rölesinin kontrolUnde kompanzasyon kontaktörleri ile devreye alırup çıkartılırlar. Fakat bu durunıda da yukarıda açıklandığı gibi bu yöntemin bazı sakıncaları mevcuttur. Bu sistemdeki sakıncaların en önemli nedeni mekanik anahtarlamadır. Mekanik anahtarlamanın neden olduğu olumsuz etkiler şöylece sıralanabilir:

• Kontaklarda aşınma meydana gelir ve mekanik parçaların ömrü kısadır.

• Devrede aşırı akımlar meydana getirir bu da aşırı ısınınalara yol açar.

• Elektromanyetik gürültü kaynağıdır. • Sesli çalışırlar. • İndüktif akım çekerler.

136

Statik Reaktif GOç Kompazasyonu Uygulaması ve Matiab SimOiasyonu

{J. Pekparlak, U. Arifoğlu

• Tozdan ve nem gibi kötU çevre koşullarından etkilenir ler.

Mekanik anahtarlamanın bu sakıncalarını ortadan kaldırınak amacı ile anahtarlama elemanı olarak çeşitli yartiletkenler kullanılmaya başlanmıştır. Bu sayede önemli avantajlar sağlanmıştır.

DI. TRİSTÖR ANAHTARLAMALI KONDANSA TÖRLER

Tristör anahtarlamalı kondansatör yöntemi, adından da anlaşılacağı üzere anahtarlama elemanı olarak kontaktör yerine tristör kullanılan kompanzasyon yöntemidir. Bu yöntemde elektromanyetik ve mekanik gürültü oluşmaması ve aşınma meydana gelmemesinin yanında çok önemli bir avantaj daha söz konusudur. Birbirine ters paralel baglı iki adet tristörle bir kondansatör anahtarlanacağı zaman kondansatör üzerine uygulanacak gerilimin sıfırdan geçme anı beklenir ve tam bu anda anahtarlama yapılır. Bunun nedeni, kondasatörün üzerindeki gerilimin her zaman sıfırdan başlaması ve bu sayede bir aşırı akım oluşmamasıdır. Kondansatör devTeden çıkanldıktan sonra da otomatik olarak devreye giren bir deşarj devresi tarafından kondansatör üzerindeki yük tamamen kısa sürede boşaltılır k i kısa bir süre sonra kondansatör tekrar devreye alınmak istendiğinde kondansatör üzerindeki gerilim sıfır olsun ve bir aşırı akım meydana gelmesin.

Step

Source

il �k .,_____-+�'---+ __J-----.

g m

Thyristor

Thyr•stor1

krtslı • m g �

Şekil 3.1.Tristör anahtarlamalı kondansatör

Kond.;ıns.rnir Akımı

Şekil 3 .ı' de kompanzasyon kondansatörünü sıfır geçiş anında devreye alabilen tristörlü bir yapı görülmektedir. Birbirine ters iki tristörün gerilimin sıfırdan geçiş anında tetiktenınesi ile V AK'sı sıfırdan büyük olan tristör iletime geçerek kondansatörü devreye almış olur. Devammda ise tristörün gate devresine sürekli tetikleme verildiği için tristörler sıra ile akım yönlerine göre iletime geçerek kondansatörün devrede kalmasını sağlar. Kapı tetikleme sinyali kesildiğinde ise kondansatör akımı sıfırdan geçtiği ilk anda tristörler de kesime gideceği için kondansatör de devreden çıkmış olur.

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.Cilt, 1 .Sayı (Mart 2004)

��--------�.------��.--------� 21h -15 1- -

10 -

5 -

0�--------------� -

-5 -

-10 -

. 2J t- ·-

-��------��� �------�ı�------�� o 5000 10COJ 1!illl

Şekil 3.2. Tristör ile anahtarianan kondansatörün çek.1igi akımın dalga şekli

Şekil 3.2 'de kondansatörün tristörler ile devreye alınması sırasında kondansatörden geçen akımın dalga şekli gösterilmiştir. Burada yapılan simulasyon gerçeğe oldukça uygundur. GörUldUğü gibi kandansatörler devreye girdiginde herhangi bir aşırı akım oluşmamaktad ır.

Kondansatörün devreden çıkartıldığı t anından itibaren kısa bir süre için devreye girip çıkacak olan basit bir deşarj devresi yardımı ile kandansatörler kısa bir süre içinde deşarj edilirse bir sonraki devreye alma işleminde yine herhangi bir aşırı akım oluşnıaz. Tristörlerle yapılan anahtarlamada akım tetikleme kesilse de akun sıfıra gitmeden iletim durınayacağı için kondansatörün akımı sıfira gittiğinde ise llzerindeki gerilim negatif ya da pozitif tepe geriliminde olacaktır. Bu gerilun kısa sürede deşarj edilmez ise bir sonraki devreye alma işlemi sıfırdan geçişte olsa da aşırı akım gözlenecektir.

IV. TRİSTÖR TETİKLEMELİ İNDÜKT ANS

Gtiç elektroniği elemanları ile gerçekleştirilen kompanzasyon devrelerinde daha etkin bir yöntem olarak AC kıyıcı yöntemi uygulanınaktadır. Bu yöntemde, bir indüktansın AC kaynaktan çektiği akım tristörlerle kıyılarak etkin değeri değiştirilmek sureti ile çektiği reaktif güç değeri ayarlanır. Buna paralel bağlanmış bir kondansatör düşünüldüğünde devrenin tamamına : tristör kontrollü kapasitör ismi verilmektedir. Burada güçleri birbirine eşit bir kapasite ve indüktans ( Qc = QL ) düşünülürse, indüktansın çekeceği akım değeri tristörler kullanılarak O ile maksimum değer arasında ayarlandığında, tüm devrenin vereceği kapasitif reaktif güç de Qc değeri ile sıfır arasında ayarlanmış olur. Şekil 4.3 'te Iristör Kontrollü Kapasitör devresine ait bir Matiab Simulink devre çizimi mevcuttur. Devrede sıfır

Statik Reaktif Güç Koropazasyon u Uygulaması ve Matiab Simülasyon u

· Ü. Pekparlak, U. Arifoglu

geçişlerini algılamak ve istenen açıda tetiklemeyi sağlamak için ilave yapılar da bulunmaktadır. Ayrıca devre kaynaktan çekilen aktif reaktif gücü izlemek için PQ ölçümü eklenmiştir.

Bilindiği gibi kıyıcılar gibi akım dalga şeklinin sinüs formunun dışına çıkarılması durumunda barınonikierden bahsetmemek olanaksızdır. Burada da kompanzasyon yöntemi her ne kadar hassas ve etkin ise de en büyük dezavantaj olarak harınonik probleminden bahsedilmeli dir. Şekil 4.3 'teki devrede bir harmonik filtresi görülmektedir .

137

Şekil4.1 ve Şekil4.2'de, 117 derece tetikleme açısıyla çalışan kıyıcıya bağlı indüktansın üzerinden elde edilen akım ve gerilim dalga şekilleri görülmektedir.

80 • 1 • ı • 1 • • •

A (\ {\ -60

40 • ,.

� • o

-20 • -

� \ 1 --40

� -'J V

-000 ı ı 1 1 ı ı ı ı ı

Şekil 4.1. Tristör tetiklemeli indük1:ans akım dalga şekli

ı ı ı ı ı ı ı 1 ı

\ rı \ � - -

ıoo -

o

-HIJ -

-200 1-j

-:m ı ı ı ı ı ı 1 ı ı o 200 400 EilJ B{]) 1(Jl) 1 alD 1400 1600 1000 2(lX)

Şekil 4.2. Tristör tetiklemeli indUktans üzerindeki gerilim dalga şekl i

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.Cilt, 1 .Sayı (Mart 2004)

..

Statik Reaktif GOç Kompaıasyonu Uygulamasi ve Ma da b Simülasyonu

Ü. Pekparlak, U. Arifog]u

. -

: - � r--.,--..,--- ----.------....,.r...,....,ı.r�--+lt ı.,_,____� .. IL Jt-------, aıtııliilli:ııı .----tt '1 . l --

� �

--

D L-+0

ı 0.00 1

ı

..-...

ı�

O.oo9S

=- SIQI'ııll TN D ......

T dial .. ;ınnarıiı:

ı

D iWırs.iııı

( Dtıl)

·<�ı ı c I:J '11t:lrt Gtıo

J I

ı • --

.I

, • --

J.l;ırrnaıti� rilrczıi

r+- 1 .ı- =-o

V ııt. At.iın i

V��� Gıriliın i

� � ll ��-----1----J rw a fll�f--------J

L---_ _. .. ....rıır-. D . .. •

JıL laild f"

.....

l - -- -

Şekil 4.3. Tristör tetiklemeli indüktans yönteminin MATLAB-SIMULINK benzetimi

V.SONUÇ

Çektiği aktif ve reaktif güçlerin sürekli değişim gösterdiği ark ocakları, haddehaneler gibi yüklerin reaktif güç ihtiyacını karşılamak için statik reaktif güç Kompanzasyon sistemlerinin kullanılması kaçınılmazdır.

Statik VAR sistemlerinin kaçınılmaz olarak kullanılmasının yanında klasik kompanzasyon sistemlerinin alternatifi olarak kullanılması da işletmelere bir çok fayda sağlayacaktır. Teknolojinin ilerlemesi ile güç elektroniği elemanlarının fıyatları dUşecek ve statik V AR sistemleri küçük işletmeler içinde ekonomik bir çöziim halini alacaktır.

Bu çalışmada, klasik kompanzasyon sistemlerinin çalışması simülasyon yardımı i1e açıklanmış ve mevcut dezavantajlarına değinilmiştir. Ayrıca alternatif olarak sunulan statik V AR sistemlerinin çalışması da açıklanmış, sisteme ait bir simülasyon devresi verilmiş ve üzerinden elde edilen eğriler gösterilmiştir.

138

KAYNAKLAR

[1 ].BAYRAM M., Prof. Dr., Kevvetli Ak1m Tesislerinde Reaktif Güç Kompanazasyonu, Birsen Y ayınevL İstanbul 2000 [2].UZUNOGLU M., Yrd. Doç. Dr., Her Yönü ile Matlab, Türkmen Kitabevi, İstanbul 2003 [3].ÖZDEMİR A., Elektrik Yüksek Müh., Reaktif Gücün Hızlı Değişen o.laylarda Yapay Sinir Ağı ile Kontrolü, Doktora Tezi, Istanbul 1997 [4].GÜLSJÜN R., Prof. Dr., Güç Elektroniği, Yıldız Teknik U niversitesi Bastm-Yayın Merkezi, YTÜ.EL· 99.0457, İstanbul l999 [5].GÜRDAL 0., Doç. Dr., Güç Elektroniği ( Analiz, Tasarım, Simülasyon), Nobel Yayın Dağıt1m, Ankara 2000 [6].ARİFOGLU U., Doç. Dr., Güç Sistemlerinin Bilgisayar Destekli Analizi, Alfa Yayınları, Sakarya 2002