GÜÇ ELEKTRONİĞİ DEVRELERİ İLE KUMANDA EDİLEN STATİK KOMPANSASYON YÖNTEMLERİ

GÜÇ ELEKTRONİĞİ DEVRELERİ İLE KUMANDA EDİLEN STATİK KOMPANZASYON YÖNTEMLERİ

Elk.Yük.Müh. Nurettin ABUT Yıldız Üniversitesi Kocaeli Müh. Fak. Elektrik Müh. Böl. Araştırma Görevlisi

GİRİŞ:

Elektrik enerji sistem ve şebekelerinde reaktif yükleme nedeniyle, reaktif akım bileşenleri oluşur ve Sistem veya şebeke gerilimi ile akımı arasında bir faz farkı oluşur. Çeşitli endüstri dallarında üretim için kurulan tesisler, şebekeye olumsuz etki ederler, örneğin, Demir çelik en düstrisinde kullanılan ark fırınları bunların başında gelir. Burada oluşan kararsız akım, sıfır değeri ile kısa devre değeri arasında değişir. Bu olay, şebekede dalgalanmaları ve zararlı gerilim değişimlerini doğurur, örneğin üç Hz ile on Hz'lik frekans bölgesinde, yüzde 0,5 'lik gerilim değişimi, aydınlatmada zararlı olur ve dalgalanma insan gözü ile hissedilir. Dolayısıyla bir sistemde değişebilen endüktif yükün oluşturduğu gerilim ve reaktif akım dal galanmalarını şebekeye ulaştırmadan yok edip söndür mek amacıyla kompanze edilmesi gerekir. Çünkü şebeke kısa devre gücü belirli sınırdan sonra büyütülememekte dir.

Endüstride, kompanzasyon amacıyla güç katsayısını düzeltmek ve maksimum yapabilmek için; senkron maki nalardan, mekanik veya elektronik kumandalı kondansa tör gruplarından faldalanılmaktadır.

Senkron makinalar, uyarma geriliminin hızlı değişmesi ile, dalgalanma hızı 1 00 MVAr/s dolayında olan güçlerin kompanzasyonunda kullanılır. Fakat kompanzasyon hızı nın, uyarma devresinin zaman sabitine bağlı olması, bunu kullanmayı sınırlamıştır. Dengesiz yük durumların da da yetersiz kalmıştır. Sürekli rejimde, senkron maki nanın kompanze ettiği reaktif güçte K VA r başına yapı lan sabit yatırım ve hareketli parçalardan dolayı sürekli bakım arıza giderleri ekonomik ve teknik olarak bunu kullanmayı sınırlamıştır.

Elle veya mekanik elektronik olarak devreye sokulup çıkarılan kondansatör grupları da hassasiyet ve bakım yönünden yeterli olamamıştır.

Bütün bu olumsuz nedenler ve ayrıca :

K V A r başına daha düşük tesis yat ırımı. Bir faz durumunda bile kompanze edebilme özelliği. Y üksek emniyet, Büyük bir güç spektrumunda uygulama olanağı,

Y üksek verim, Kompanze edilen V A r başına düşük hacim, Y üksek hızda cevap verme süresi gibi üstünlüklerinden dolayı Güç elektroniği Devreleri ile ( T HY R I ST O R ' l a r l a ) güç kompanze etmek en ideal çö züm olmuştur.

Şu anki teknoloji ile tek bir tristör elemanının 2 M VA ' lık bir gücü, 5/is'den kısa bir sürede statik olarak açıp kapayabileceği göz önüne alınırsa, seri ve paralel tristör ler kullanarak büyük güç sınırlarına erişmek mümkündür.

Şebekenin, sürekli ya da dinamik endüktif yüklenmesi durumunda Costp kompanzasyonunun kısa bir sürede gerçekleşmesi istendiğinden, böyle bir sistem Otomatik Kontrol düzenleriyle birlikte düşünülüp dizayn edilir.

1 9 5 0 yıllarında bulunan tristör elemanının sağladığı ge niş imkanlarla geliştirilen güç elektroniği devreleri ile yapılan uygulamalar, güç seviyesi ve amaç bakımından oldukça gelişmiş ve halen gelişmektedir. Bu devreler elektrik enerjisinin şeklinin değiştirilmesinde de diğer elemanların yerini almaktadır.

Kompanzasyon Tesislerinin Sınıflandınlması :

1. Tesis Şekline Göre :

1.1. Ferdi (Bireysel) Kompanzasyon :

Her bir eleman; (motor, transformotor, lamba v.s. gibi elemanlar) ayrı ayrı kompanze edilir. Şekil 1'de görül düğü gibi, kompanze edilecek güç böylece küçük t ut ul muş olur. Büyük güçlü elemanların devreye girip çıkması ile oluşan dalgalanmalar hemen yanında süzülüp şebe keye yansıtılmaz, veya salınımların küçük mertebede kal ması sağlanır.

ŞE K İ L 1. Ferdi kompanzasyonun tek hat bağlantısı

Böyle kompanzasyonda motor devreden çıkınca, motora bağlı kondansatör, motoru aşırı ikaz ederek kendi ken dine uyartılmasına ve dolayısıyla oluşan gerilimin, kon dansatörün gerilim tolerans sınırının üstüne çıkmasına sebep olur. Bu sebeple; kondansatör gücü mot orun boş t aki gücünün % 9 0 ' ını geçmeyecek şekilde seçilir. Y akla şık olarak pratikte :

Qc (KVAr) = 0,90 IQ (A) U(V) 1 0 ~ 3

(1)

olarak alınabilir. Burada I ; boşta çalışma akımıdır.

1.2. Grup Kompanzasyonu : Böyle kompanzasyonda, Şekil 2'de görüldüğü gibi, mo torlar tümü grup olarak aynı anda çalışır veya duruyor olmalıdır. Aksi halde ferdi kompanzasyon yapılır.

("*

ŞE K İ L 2. Grup kompanzasyonun tek hat bağlantısı

1 3 . Merkezi Kompanzasyon : Kompanzasyon, merkezi bir baradan, devamlı değişen reaktif akımların tesirini azaltmak için yapılır. Akıma göre kondansatör grupları devreye alınır veya devre dışı edilir.

ŞEKİ L 3. Merkezi kompanzasyonun Y G barasına bağlanması

2. Kondansatörlerin Bağlama Şekline Göre : 2.1. Seri Kondansatörü! Kompanzasyon : Seri kondansatörün devreye bağlanması Şekil 4'deki gibi dir.

Buradaki gerilim :

U2 = U. J I ( X L X C )

(2)

ve gerilim düşümü :

A U = A l ( X L X c ) Sinv>

(3)

X , = X c halinde, yeni şebeke reaktansına eşit reaktan

sa sahip bir kondansatör bağlandığında, gerilim düşümü

sıfıra yakın olur. Bu tip kompanzasyonda yük akımının

tümü kondansatör üzerinden akar.

2.2. Paralel Kondansatörler İle Kompanzasyon :

2.2.1. Sabit Paralel Kondansatörlü Kompanzasyonlar :

2.2.1.1. Doymuş Reaktör Dengeli, Paralel Kondansatörler :

Y ük barasında her faza ayrı kondansatör grupları bağla narak yapılır. Böylece dengesizlikler de nisbeten önlen miş olur. Kondansatörler devamlı devrede olacağından, tesis az yüklendiğinde, yük barası gerilimi yükselir. Bu nun sabit tutulması ideal olduğundan sabit tutmak zor laşır. Kondansatör gruplarının, her yük değişiminde dev reye alınıp çıkarılması gerekir. Y ük altında yapılan bu işlem bağlama zorluklan çıkarır.

Nisbeten bu gerilim değişmelerini önlemek için doymuş reaktörle dengeleme yapılır. İhtiyaç fazlası kondansatör lerin gücünden dolayı, gerilim yükselince, aynı baraya bağlı reaktörün karakteristiğinden dolayı, demir çekirde ğinde :

4> = /

dt

(4)

kadar bir akı oluşur. Burada cı; sarım sayısıdır. Bu akı yükselmesi endüktif yük özelliği göstererek Qc'ye eşit olarak kondansatörü dengeler.

Şayet akı bir yarı periyot boyunca doyma eğrisine ula şırsa, bobin reaktansı düşerek sıfır olur. Bu anda reaktör şebekeden büyük bir endüktif akım çeker. Y arı periyot başında, doyma esnasında reaktör akım çeker ve doyma sona erince, akım da tekrar sıfıra iner. Reaktör bir ayar ünitesi gibi çalışır. Doymuş reaktörler gerilim değişme lerine hassas olduklarından, bir ayarlı transformotor üze rinden baraya bağlanırlar. Çok gürültülü çalışması, üze rindeki kayıpların büyük olması ve hermonikler üretme sinden dolayı ideal bir kompanzasyon değildir.

2.2.1.2. Güç Elektroniği Devresi ile Ayarlanan Reaktörle Kompanzasyon :

Bu kompanzasyonda, doy malı reaktörden daha hassas kompanzasyon sağlanabilir. Tüketici akım ve gerilimi ölçülerek değerlendirilir. AC kıyıcısına tetikleme palsları gönderilerek reaktörün endüktif akımı kontrol edilmiş olur.

Reaktör baraya transformotor üzerinden bağlanır. Trans formotorun kaçak reaktansı büyük olarak imal edilmişse, reaktörlerin kullanılmasına gerek kalmaz. Primeri A, se

Ş E K İ L 4. Seri kondansatörün hatta bağlanması

u f(i)

A tOovııa b \VMLII) roL\ktans laSct "4ıuı: «•"«a'tt'^ «orili'ilorl i^.ij :r.tTili"ii.oi'daki a k ı l l a r

ŞEKİ L 5. Doymuş reaktör karakteristiği ve tek hat bağlantısı

konderi açık Y şeklinde üç adet bir fazlı tristör devresi ile yüklenirler. Böylece, her faz ayn olarak kompanze edilerek dengesizlik önlenir. Aşırı bağlama gerilimlerinin oluşmaması için reaktör elemanları, gerilimin ( + , —) tepe değerlerinde devreye alınıp çıkarılır.

Tet. TJavrl,

U / USincot d (cot)

wL

( Coswt

a= 90° için;

U

• ı =•

( Coscjt)

(5)

Bu kompanzasyonda tetikleme açısıyla, kompanzasyon akımı hassas olarak ayar edilebilir.

ıv u»t

ŞEKİL 6. Güç elektroniği devresi İle ayarlanan reaktörle kompanzasyon

r

SEKİ L 7. Reaktörün de .reye girme zamanları

ŞEKİ L 8. Kumanda slnyallyle (kumanda açısıyla) kompanzasyon akımının değişimi

Cevap verme zamanı; ölçme zamanı ile bekleme zamanı toplamıdır. Bu süre yanm periyod dolayındadır.

2.2.2. Sabit Olmayan Kombine Kompanzasyon : 2.2.2.1. Güç Elektroniği Düzenleri ile Kumanda Edilen

Kompanzasyon :

Bu tip kompanzasyonda her bir faza ayrı olarak tristör kontrollü kondansatör grupları bağlanır. Kondansatörler,

gerilimin tepe değerinde olduğu zaman, verilen gate puls ları ile iletime geçen tristörlerle devreye alınır veya devre dışı edilirler. Kumanda sinyali G olduğu sürece akım sinüsoidal şekilde akar. Alıcı yük barası gerilimi kompan zasyon anında düşmez ve dolayısıyla şebekenin a k t i f güç kapasitesi arttırılmış olur. Aslında, kompanzasyon yaparken a k t i f gücün değişmesi söz konusu değildir. Ancak belli bir güç kapasitesine sa hip şebekede, reakt if güç kompanze edilirse a k t i f güç ka pasitesi artar. Y ani o şebeke, kompanzasyon yapılmadan önceki karşıladığı aktif güçten daha fazla aktif yükle yüklenebilir.

T

SEK İ L 9. Güç elektroniği şalteri ile (TSC: Thyrlstor Svvitched Capacltof) Kompanzasyon bara bağlantısı

Kısaca, kompanzasyon ünitesi bir a k t i f güç kaynağı gibi düşünülemez. Şayet öyle olsaydı, zaten generatörlere ihtiyaç kalmaz, santral kurmak gereksiz olurdu. Çünkü çok küçük güçlü şebekelerin, kompanzasyonla kapasite sini büyütüp çok daha ekonomik güç üretimi yapılabilirdi ki; bu da imkansızdır.

2.2.2.2. Kademesiz Kompanzasyon :

Bu tür kompanzasyonda tristörle kumanda edilen kon dansatörlerle kombine olarak, yine tristör kontrollü reaktör bağlanarak sürekli ve kademesiz güç ayarı yapıla bilir. Parazitler yok denecek kadar azdır.

Dagıtınal.

ŞE K İ L 1 0 . Kademesiz kompanzasyon bağlantısı

2.2.23. Otomatik Kontrollü Sürekli Kompanzasyon :

Y ük barasına paralel olarak kondansatörler ve reaktörler bağlanarak yine tristörlerle kontrol yapılır. Kompanzas yon için yük akımı ve gerilimi ölçülerek, istenilen refe rans sinyalleri verilerek tristörlerin tetiklenmesi sağlanır. Regülatör girişi esas büyüklüğü, yük barası gerilimidir. Bu gerilim baraya bağlı üç fazlı bir gerilim transformotoru ile alınarak ölçülür ve konverterde U gibi bir OC sinyali ne dönüştürülür. Konverter, prensip olarak; bir dönüştü rücü transformotor ile 6 darbeli bir redresör ve zaman sabiti 1,5 / I S mertebesinde olan bir alçak geçiriciden oluşmuştur. Alçak geçirici, şebeke girilimindeki hızlı geçici olayları kısıtlar. Bu sinyal, toplama noktasında ur referans sinyali ile karşılaştırılır. Fark olunca Au gibi bir hata sinyali çıkar. Bu sinyal integrasyon amplifikatörün de Au = O, (U = ur) oluncaya kadar artar veya azalır. Amplifikatör bir komparatör gibi çalışır. Çıkış sinyali şebeke gerilimini ayarlamak için güç üretim veya tüketi minin ölçülmesi görevini yapar.

Daha sonra Şekil 11'de görüldüğü gibi, dağıtım elema nından bir reaktör ve iki kapasitör için 3 ayn digital sin yal ve bir reaktör için analog sinyale dönüştürülür. Bu sinyaller ile darbe generatörleri üzerinden tristörlere kumanda sinyali verilir. Bu sistemde ly yük akımı ile ay rıca bir geri besleme yapılır. Akım transformatörü ile alınan akım, örnekleme konvertöni ile UJ gibi bir DC sin yale çevrilir. Akımın ileri veya geri fazda olmasına göre referans gerilimi de artar veya azalır.

TCR: Thyristor Controlled Reactor TSR: Thyristor Swiched Reactor (Tristörle anahtarlı reaktör) TSC: Thyristor Switched Capacitor

3. ÂC Kıyıcısı kullanarak Yaprian Güç Kompanzasyomı:

Birbirine ters paralel bağlı iki tristörden oluşan tek fazlı bir kıyıcının kapasitif bölgede tetiklenmesiyle kompan zasyon yapılır. Genelde bir statik şalter görevini yapan bu elemanla, yük akımının effektif değeri ayarlanabilir.

AC kıyıcısı tristörleri, ir kadar faz farklı sinyaller ile tetiklenirler. Tetikleme açısı kompanzasyon esnasında O T T / 2 arasında değişir, a = O'da maksimum et kin değeri olmasına karşılık, a = n/2'de etkin değer sıfır olur. Bu sebeple ve simetri şartlarından dolayı AC kıyıcısının kontrolü esnasında oluşan harmonikler, Fourier açılı mında sinüslii ve üssü t ek olan bileşenlerden oluşur.

Kıyıcıya bir L bağlanarak a'ya bağlı bir L(a) değişken endüktansı ve paralel olarak bağlanan bir C kondansatörü ile de değişken bir C(a) kapasitesi elde etmek mümkün dür.

_9_J

[///, > l j l T : Abım konver turu olamanı sinyal konveı torü I*:fntorcraayon amplifikatörü '5: Datfıtım olamam. : tnpul:j fioneratörleri .7: Tristör kumandalı reakcörlor diTricstör kontrollü kondansatürl. Q:Konbrol c i h a z ı reeülatöı>ü

ŞEKİL 1 1 . Otomatik kontrollü kompanzasyon prensibi

n»3

ŞEKİL 12. Harmonlk akımdaki değişmeler

Kıyıcı kontrol yaparken devreye her giriş çıkışta harmo nik üreten kaynak gibi çalışır. Kompanzasyon kıyıcılarla yapılırken kısa sürede gerçekleşmesi istenir. Çünkü en düktif bileşenin reaktif güç kaybı ve aynı zamanda dalga lanmalar olur. Bu bakımdan otomatik kontrol düzeyle riyle dizayn edilirler.

U kaynağından çekilen i akımı, örnekleme alınarak bir ölçü devresinde ölçülmektedir. Bu i akımının reaktif bile şeni belirlenerek, sıfır yapılmasıyla kompanzasyon ger çekleştirilmiş olur.

ŞEKİL 13. Bir AC kıyıcısının blok bağlantısı ölçü devresinden alınan reaktif akım bileşeni ile referans sinyali toplamı, kararlı hal hatası sıfır olan reaktif akım kontrolöründen çıkışta bir kompanzasyon referans sin yali oluşturulur. Kontrol komparatöründe kompanzas yon akımının değerine bağlı olarak, belli değeriyle kesici tristörlerin tetikteme açıları belirlenir. Daha hassas bir kompanzasyon için örneklemeden alınan bu sinyalle kompanzasyon akımı bir ön kontrole tabi tutulur. Bu kontrolda a tetikteme açısı lq'nun değişim lerini sıfır yapacak şekilde ayar edilir. lq örneklemenin verdiği akımdır.

rea' :t.alc.lcoat. Konfcrol «grisi I,.

kontrolörü

ŞEKİ L 14. Kompanzasyonda otomatik kontrol blok diyagramı

ŞEKİ L 15. Kapasitif AC kıyıcısıylı kompanzasyon ve harmonlk sOzgtç davraMr

t ko«p

J1

p

o ıov

o»

—* 0 9< j _J

ŞEKİL 16. ön kontrollü otomatik kumandalı kompanzatyon

Kontrol için gerekli gerilim ve akım sinyalleri optokup lörler ile (optik kuplaj ile) sağlandığından kontrol ve tetikleme devreleri, optik olarak güç kısmından yalıtıl mış olur.

Kompanzasyonda yük akımı reaktif, Ifcomp i s e kapasitif bir akım olduğundan, yük yaklaşık olarak omik bir akım çekiyormuş gibi kabul edilebilir. Cos^ = 1'e yaklaşır.

REFERANSLAR :

1 OLVYERGAD, A., Walwe, K., YVaglund, C, Frank, H., TOR seng, S. "Improvement of Trantminion Capacity by Thyris tor Controlled Reactive Power". IEEE Transactions on Power Apparatuı and Systems, Vol. PAS 100, No. 8, Aug. 1981.

2 OIİVER, GUY. STEFANOVİÇ, V.R. 'Thyriston Current lource With an Improved Povver Factor" IEEE Tnnsaction on Industrial Electonics, Vol. IE 29, No. 4, November 1982.

3 FRANK, H., SUNER S. •Thyristor ControUed Shunt Com pensation in Povver Netvvorki". ASEA Journal No. 5 6, 1981.

4 "Reaktif Güç Kompanzasyonu Seminer Notlan" TMMOB Elektrik Mühendisleri Odan İstanbul Şubesi 1983.

5 ÇELTEKIİGÎL, U. "Alternatif Kıyıcıları ile Reaktif Güçlerin Kompanzasyonu ve Bunun Bir Direkt Çeviriciye Uygulanma sı". Doçentlik Tezi, İTO Elektrik Fakültesi, Eylül 1981.

6 ABUT, N. "Güç Elektronikli Statik Kompanzasyon". Yüksek Lisans Tezi. YILDIZ ÜNİVERSİTESİ Fen Bilimleri Enstitüsü, Haziran 1985.