FABRİKA TESİSLERİNDE DENGESİZ YÜKLEMENİN GİDERİLMESİ

Nihat TAY LAN

Endüstri tesislerinde tek fazlı yükler gittikçe büyümekte dir. (Örneğin; ark kaynak transformatörleri, tek fazlı gra fit elektrotlu ocaklar, karborandum ocakları, tek fazlı ark fırınları, tek fazlı asenkron motorlar vb) Tek fazlı yükler dengesiz yüklenme yaratarak fabrikada ve fabrikanın elektrik enerjisi çektiği şebekede diğer üç fazlı yüklerin çalışma düzenini bozabilirler. Şebekede devamlı olarak % 4 değerinde bir denksiz yüklenmenin aynı şebekeye bağlı motorların ömrünü yarıya indirdiği tespit edilmiştir. Alman VDE yönetmeliği denksiz yüklenme sınırı için ters sistem doğru sistemden % 2'den daha fazla olmayacak şartını koymuştur. (Eskiden bu sınır % 5 idi.)

Tek fazlı yükte güç şebeke frekansının iki misli değerle salınım yapar, halbuki üç tane tek fazlı yükten meydana gelen ve herbirinin akım gerilimleri eşit ve birbirleri ile 120 faz farklı olan üç fazlı yükte güç sabittir. Burada üç tane tek fazlı güç toplanıp, toplam gücü tespit ederken çift frekanslı titreşimli bileşen ortadan kalkar.

Simetrik olmayan yükün meydana getirdiği simetrik ol mayan gerilim düşümü ve dolayısı ile simetrik olmayan gerilimler motorlarda zararlı ters yönlü alanlar doğuracak ve bunun neticesi olarak motorun iş momentini düşüre cek (frenleyici momentler), kayıplarını artıracak ve öm rünü kısaltacaktır; ayrıca şebekeye bağlı lambaların da ömrünü düşürecektir. Aynı yük değerinde simetrik ol mayan yük, iletken ve kablolarda simetrik yüke nazaran daha büyük kayıplar meydana getirir. Zira simetrik geri limde akımların yalnız doğru bileşimi ene'rjiye dönüşür; halbuki titreşimli güç yaratan ters bileşen trafolarda ve hatlarda reaktif akım kapıylarına benzer kayıplar meyda na getirir. Bu sebepten enerji nakil ve dağıtımında reaktif akım için cos <p düzeltilmesi ne kadar önemliyse denksiz yük giderilmesi de o kadar önemlidir. Aynı miktarda denklı ve denksiz yüke nazaran bu kayıp tam bir misli

fark göstermektedir. Bu sebepten enterkonnekte şebe kelerde denksiz yüklenmeyi gidermek için uygun yerlere kondansatör ve senkron kompansator yerleştirilmesi veya her ikisinin birlikte kullanılması gerekir.

Büyük denksiz yüklerin meydana getirdiği ters yönlü akım bileşenleri ters yönlü alanlar yaratarak şebekeyi besleyen jenaratörleri ve bilhassa amortisman sargılarını aşırı yüklenip ısıtarak hasarlara sebep olur. Ayrıca denk siz yük sonucu meydana gelen harmonikler şebekeye bağlı cihazlara, mesela kondansatörlere zararlı olurlar.

Trafolarda üçgen yıldız, yıldız üçgen, yıldız zikzak bağ lantılar sekonderdeki simetrik olmayan akımları primere simetrik olarak naklettiklerinden, yüklerin fazlara eşit olarak dağıtılması güç olan fabrika ve şehir şebekelerin de kullanılacak trafoların bu bağlantılarda seçilmesi uy gun olacaktır.

Burada önce dengesiz yükün bağlandığı noktada simet rik olmayan gerilim değerlerini hesaplayalım, sonra bu gerilimleri tekrar simetrik duruma getirebilmek için ne gibi önlemler alınabilir, bunu irdeleyelim.

Şekil l'de fabrikayı besleyen trafonun sekonderi göste rilmiştir. Burada Z A , Z B , Z C dengesiz yüklenme noktasına kadar olan kablo şebekesinin empedanslarını; I ise diğer simetrik yüklerin çektiği akımları göstermektedir. Geri limler faz nötr olarak alınmıştır.

Başlangıç koşulları;

ZA=ZB=ZC=Z I A =1 + l m

I B «a2| lc .al

AAA E,

A =X

Q n

A m.

M

SEKİLİ Bir beslenme sisteminde tek fazlı yüklenme

Empedansların simetrili bileşenleri;

ZO İ(ZA+ZB+ZC) Z

Z^İ^+aZe+a^c) !!

.0

Z2

i 3

(

B

c

)

| (1 + a*+a) 3

Akımların simetrili bileşenleri;

l, £<L*

1 (| + | m + a 2 | + a ' l c ) ^ (l + lm+a

lm/3 3I + L

a2|B+

l (l + l m + a 4 | + a 2 | ) l m / 3

«3

Bu bağıntılarda a3 1 ; a4 a; 1 + a+ a2 0 değerlerinden faydalanılm ıştır.

Trafo gerilimlerinin simetrili bileşenleri için genel bağın tıları kullanarak (burada trafo gerilimi dengeli olduğundan ^ E.Ç,, 0,E2 0dır);

E, ZOI 1+ Z2İ2+ZJO+V,

3I + 3

L

V,

E2 0 Z,l,+ Z 0 l 2 + Z2IO+V2 Z(lm/3) + V2

(Z+ 3 X m)(lm/3 ) + V0 Bu bağıntılardan dengesiz yüklenme noktasındaki geri limlerin simetrili bileşenlerini bulabiliriz:

V, E Z 3I + L

V2 Z(lm/3)

V0 Z(lm/3) Xmlm

Dengesiz yüklenme noktasındaki aradığımız gerilimler:

VA V0+V1+V2—Z(lm/3) Xmlm+E Z(3l+lm)

/3 Z(lm/3) E ZI Zlm XJm

—Z(lm/3) Xmlm+a2E a2Z(3l + l /3 aZ(lm/3) a 2 E a 2 Z I Xml

—Z(lm/3) XJm+aE aZ(3l + lm)

/3 a2Z(lm/3)«aE aZI XJm

Sonuç bağıntıları bir kez daha toplu yazarsak;

VA E ZI (Z+ X m)lm VB a2E aZZI X mlm Vc aE aZI X mlm Buradan görülüyor ki I m akımının çarpanı olan son terim ler dengesiz yüklenmenin doğurduğu terimlerdir. O halde bu bölümleri götüren bir kompanzasyon düzeni ile geri limler tekrar simetrik duruma getirilebilir. Bunun için ilk akla gelen çözüm tek fazlı yükün çektiği akıma denk bir akım veren kaynağı yüke paralel bağlamaktadır. Eğer dengesiz yük reaktif akım çekiyorsa (bu sırada kayıpların yol açtığı küçük aktif akım ihmal edilebilir) aynı miktarda kapasitif akım üreten bir kompansatörü yüke paralel bağlamak ve birlikte devreye sokmak dengesiz yüklenmeyi ortadan kaldıracaktır. Y ukarıdaki hesaplan ma yolunu izleyerek bu sonucu matematiksel olarak çıkarabiliriz:

rAA/W

EB E

AAA/V

X

Tm

i

•^ I

^I r

ŞEKİL 2. Dengesiz Yükün Giderilmesi

l + l' mnrl"c

IlBB a 2 |

Akımların simetrili bileşenleri: Genel bağıntılardan:

lo (L lc)/3

/3 aZ(lm le)/3 a2E a2ZI (lm lc)^

Genel bağıntılardan:

E Z(3\ + \m \0)/3 O Z(lm le)/3 + V2

Y ükleme noktasındaki gerilim simetrili bileşenleri: V1 E Z(3 l + lm le)/3

V2 Z(lm lc)/3 V0 Z(lm lc)/3 (lm lc) "m"c

Y ükleme noktasındaki gerilimler:

VA /3 + E Z(3l + lm lc)/3

E ZI Zlm+Zlc (lm lc) xm+xc

/3 aZ(lm lc)/3 aE aZI O. lc)^^

Am+Ac Görülüyor ki VA, VB, Vc değerlerinde lm lc alınırsa:

VA E IZ VB«a2E a2IZ

Vc aE alZ elde edilir, bu da simetrik bir sistemdir. Eğer dengesiz yük sadece reaktif bir güç çekmeyip za hiri bir güç çekiyorsa dengesizliğin giderilmesi için kapa site ve bobin birlikte bağlanmalıdır. Teknikte bu kapasite ve bobinler kademeli imal edilmekte ve dengesiz yükün değerine göre devreye sokulacak miktarlar değiştiril mektedir. Dengesiz yükün doğurduğu ters akım bileşeninin doğru bileşene oranına ( l 2 / h lm / (31 + l m) simetrisizlik dere cesi denmektedir. Y alnız dengesiz yükün bağlanması halinde ( I 0 ) simetrisizlik derecesi bir (% 100) ola caktır. Dış ülkelerde şebekeyi besleyen jeneratörlere si metrisizlik derecesini ölçen cihazlar eklenerek durum devamlı kontrol altında tutulmaktadır.