ENDÜKSİYON GENERATÖRLERİNDE STATİK VAR GENERATÖRLERİ KULLANARAK TERMİNAL GERİLİM DÜZENLEMESİ

Dr. Muammer ERM İ Ş Mustafa DAĞDELEN Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü

ÖZET

Sabit hızla sürülen endüksiyon generatörlerinde, ken dinden uyarımı sağlamak ve değişen yük koşullarında terminal gerilimi belirli bir değerde sabit tutmak amaç larıyla statik var generatörleri kullanılabilir. Sabit ka pasitörler ve tiristör denetimli reaktörlerden oluşan bir statik uyarıcı kullanılarak kendinden uyarımlı en düksiyon, generatörlerinin terminal gerilim düzenleme si problemi deneysel olarak incelenini ştir.

I. GİRİŞ

Elektrik sistemine bağlı bir endüksiyon makinasının, senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürödüğün e» «iÇi (e)

Şekil 1. Endüksiyon makinasının (a) eşdeğer devresi, (b) vektör diagramı, (c) mıknatıslanma eğrisi

de generatör olarak çalışacağı bilinmektedir. Bu du rumda, endüksiyon generatörü bir yandan elektrik sis temine aktif güç üretirken diğer yandan bu sistemden reaktif güç alacaktır. Endüksiyon makinalarının (mo tor ve generatörlerinin reaktrf güç istemi, Şekil la da verilen eşdeğer devre gösterimindeki endüktif eleman lar göz önüne alındığında anlaşılır olmaktadır.

Ote yandan, endüksiyon makinâları elektrik sistemi nin olmadığı uzak yerleşim bölgelerindeki yüklerin elektrik enerjisi gereksiniminin karşılanması amacıyla bağımsız güç, kaynakları olarak da kullanılabilirler (i) Bu kullanım için asgari koşul makinanın uyarımını sağlayacak reaktif gücü dış bir kaynaktan vermektir. Bu tür bir endüksiyon makinası "Kendinden Uyarımlı Endüksiyon Generatörü" olarak adlandırılır..Endüksi yon generatörlerinde uyarımı sağlamak amacıyla "Sta tik Uyarıcılar" olarak adlandırılan tristörlü ve sadece kapasitif var üreten reaktif güç generatörleri kullanıla bilir (2).

Belirli bir gerilimde çalışan endüksiyon generatörünün vektör diagramı Şekil 1.b. de gösterilmiştir. Görüldü ğü üzere makinanın reaktif akım gereksinimi, değiş meyen ( l m ) ve üretilen aktif güç ile değişen ( I D ) iki kısımdan oluşmaktadır. Diğer bir deyişle, kendinden uyarımlı bir endüksiyon generatörünün reaktif güç is temi belirli bir gerilim seviyesinde üretilen aktif güce bağlı olarak değişim gösterecektir.

Statik uyarıcı tarafından sağlanan kapasitif var in de ğiştirilmesiyle üretilen gerilimi denetlemek mümkün dür. Sabit hızda döndürülen, yüksüz bir endüksiyon generatörünün reaktif güç isteminin stator terminalle rine bağlanmış kapasitörlerle sağlandığı düşünülmüş ve kapasitörierin değerlerinin değiştirilmesiyle üreti len gerilim seviyesinin nasıl değişeceği Şekil 1.c de gösterilmiştir. Kapaşitörün V l karakteristiği ile gene ratöriin mıknatıslanma eğrisinin kesim noktası, kararlı durum çalışma koşullarında, üretilen gerilimi simge lemektedir. Şekil l.c de Cj kapasitansı gerilimin an ma değerine (E | anma) karşılık gelmekte; stator ter minallerine daha büyük bir kapasitans (C2) bağlanma sı gerilimin yükselmesine, daha küçük bir kapasitans ise düşmesine neden olmaktadır. Kendinden uyarımın olması için en az reaktif akımının değişmez kısmını (>m) sağlamaya yetecek büyüklükte bir kapasitans ge rekecektir. Bu kritik değer Şekil l.c de Co kapasitan sı ile gösterilmiştir.

Yukarıda sıralanan ilkeler doğrultusunda, kapasitif var üretimi denetlenebilir bir statik uyarıcının kulla nılmasıyla:

1. endüksiyon generatörünün uyarımı 2. yükün reaktif güç isteminin karşılanması 3. terminal ger'üimin düzenlenmesi (belirli bir değerde sabit tutulması)

değişen yük koşullarında (yükün aktif ve reaktif güç isteminde değişmeler) sağlanabilecektir. Böylece; en düksiyon generatörü, statik uyarıcı ve yükten oluşan sistem, kendi içinde reaktif ve aktif güç dengelerini

kurarak, istenilen gerilim seviyesinde üretimde bulu nabilen bağımsız bir güç kaynağı olarak çalışacaktır.

M. TERMİNAL GERİLİMİN SABİT KAPASİTÖRLER VE TİRİSTÖR DENETİMLİ REAKTÖRLER İLE DÜZENLENMESİ

Bu çalışmada endüksiyon generatörünün uyarımı ve terminal gerilim düzenlemesi, değişen yük koşulların da, bir statik uyarıcı ile sağlanmıştır. Statik uyarıcı olarak stator sargılarına paralel bağlanmış sabit kapa sitör ve tristör denetimli reaktör grupları kullanılmış tır. Bu tip bir reaktif güç generatörünün tek faz göste rimi Şekil 2 de verilmiştir.

v =F t* *

Şekil 3 den görüleceği üzere; tiristörlerin ateşleme açı larının değiştirilmesiyle reaktörlerden geçen ana bile şen akımı, dolayısıyla belerli bir gerilim seviyesinde reaktörlerin endüktif var üretimi değiştirilebilecektir. Örneğin, ateşleme açısı (a) sıfır olduğunda ters koşut bağlanmış tiristörler kısa devre olacak ve endüktif var üretimi en büyük değerine ulaşacaktır; öte yandan ateşleme açısının 90° olduğu durumda tiristörler açık devre gibi davranacak, böylece endüktif var üretimi sı fırlanacaktır. Ateşleme açısı a, gerilim dalga şeklinin tepesi referans alınarak tanımlanmıştır (Şekil 2). Ka pasitörlerin kapasitif var üretimi sabit olduğundan, ateşleme açısının sıfıra ayarlanması statik uyarıcının kapasitif var üretiminin en küçük değerine, 90° ye ayar lanması ise en büyük değerine ulaşmasına neden ola caktır. Belirli bir yük direncinde, statik uyarıcının ka pasitif var üretiminin artmasının gerilim yükselmesine neden olacağı unutulmamalıdır.

Bir tiristör denetimli reaktör grubu gerçekleştirilmiş ve tiristörlerin değişik ateşleme açıları için reaktörle rin gerilim ve akım dalga biçimleri Şekil 4 de verilmiş tir.

Şekil 2. Sabit kapasitörler ve tristör denetimli reak törlerden oluşan reaktif güç kompansatörünün tek faz gösterimi. Belirli bir gerilim seviyesinde kapasitör grubu sabit re aktif güç üretiminde bulunacak; üretilen kapasitif var m bir kısmı hem uyarımı hem de terminal gerilim dü zenlemesini sağlamak için endüksiyon generatörünce kullanılacak, geriye kalan kısm ise tiristör denetimli reaktif güç istemi yük koşullarına bağlı olarak değişti ğinden, terminal gerilimin belirli bir değerde sabit tu tulması tiristörlerin ateşleme açılarını değiştirerek sağ lanabilecektir.

10° 20° 30° «tf> 50° 60°. 70° 80° 90°

Şekil 3 Tiristör denetimli reaktörün harmonik akım larının a ya göre değişimi

56"

36°

Şekil 4. Değişik ateşleme açıları i<, in reaktörlerin ge rilim ve akım dalga şekilleri.

Şekil 3 den anlaşılacağı üıere, tiristör denetimli reak törler tek numaralı harmonik ( 1 , 3, 5, 7, 9, 11, ...) üreteceklerdir. Harmoniklerin hem generatör hem de yük üzerinde olumsuz etkilerinin olacağı açıktır. Bu olumsuzluklar, uygun süzgeç düzenleri ile ve/veya sta tik uyarıcının bağlantı biçiminin değiştirilmesiyle önemli oranda giderilebilir, örneğin, kapasitör grupla rınm Y biçimi yerine A bağlanmasıyla^ üç ve dokuzun cu harmonik akım bileşenlerinin A bağlı kapasitör gru bunda dolaşması sağlanarak endüksiyon generatörü ve yüke yansımaları önlenecektir. Benzer bir biçimde; re aktörlerin Y yerine A bağlanmasıyla ateşleme açısının denetim aralığı 0 30° den 0 90° ye genişletilebilecek tir. Bu çalışmada kapasitör ve reaktörler grupları yu karıda vurgulanan amaçlar doğrultusunda A biçimin de bağlanmışlardır.

_ — . • • • • J ram «—w* l f l 1 W TTT

T

^«n v ı v f m f**%n t m ı t t ı w J t r y r r r i / a a ı t üt I

I f^

I I I . TEST SONUÇLARI

İncelenen sistemin şematik gösterimi Şekil 5 de veril miştir.

En zor çalışma koşullarından ikincisini, tam yükte ça lışan generatörün aniden yüksüz kalma durumu oluş turur. Bu geçici durum için, gerilim ve akım dalga bi çimlerinin kayıtları Şekil 7 de verilmiştir.

ıınsMin,* w ı t f l n t l.|M!in9ffiM:at!!Wllflıa.

KaposHör Gurubu

Tiristör Denetini ReoMÖf Gurubu

Tam1ı»l 9«H1

Şekil 5. İncelenen sistemin şematik gösterimi. . Kendinden uyarıml ı endüksiyon generatörünün stator terminallerinden alınan gerilim sinyali (V) referans sin yali ( V r ) ile karşılaştırılmakta, üretilen hata sinyali (e) bir denetleç tarafından işlenerek tiristörlerin ateşle me açıları değiştirilmektedir. Bu denetim düzeni ile sistemin terminal gerilimi, değişen yük koşullarında, anma değerinde ( V t = 2 2 0 Volt/faz) başarılı bir bi çimde sabit tutulabilmiştir. Bu sistemin başarımını sınamak amacıyla en büyük yük değişmeleri uygulanmış ve yük gerilimi ile akı mındaki değişmeler kaydedilmiştir. En zor çalışma koşullarından ilki, kendinden uyanmlı endüksiyon generatörüne yüksüz çalışırken birden tam yük uygulanmasıdır. Bu geçici durum için; yük akımı, terminalgerilim ve reaktör akımına ilişkin ka yıtlar Şekil 6 da verilmi ştir.

IlrUtOr ctaMtOM rMtUr İtin (ttyıt hızı • lztM/»)

L Şekil 6. Y üksüz çalışan sistemi n aniden yük alma du rumu

Şekil 7. Y ük t e çalışan sistemin aniden yüksüz kalma durumu Bu şekillerden görüleceği üzere, sabit kapasitör ve ti ristör denetimli reaktör gruplarından oluşan statik uyarıcı kendinden uyarımlı bir endüksiyon generatö rünün, değişen yük koşulları altında terminal gerilimi ni başarılı bir biçimde düzenlemektedir. Geçici çalış ma koşullarında terminal gerilim ve yük akımındaki değişmeler kabul edilebilir sınırlar içerisindedir. En düksiyon generatörünün birden tam yük aldığı durum da, yük akımında gözlenen değişmeler kullanılan di rerîç t ipi yükün özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Sabit hızlı bir motor tarafından sürülen kendinden uyarımlı endüksiyon generatörünün çıkış sıklığındaki değişmelerin.değişen yük koşullarında, kabul edilebi , lir sınırlar (5 0 + 0.5 Hz) içerisinde kaldığı gözlenmiştir.

IV. SONUÇ

Sabit kapasitörler ve tiristör denetimli reaktörlerden oluşan statik uyarıcı endüksiyon generatörünün termi nal gerilim düzenlemesini gerçekleştirebilecektir.

Bu tip statik reaktif güç kompansatörleri var istemi çok hızlı değişen yüklerin ark ocakları, hadde maki naları) kompanze edilmesinde de kullanılabilir. Bir di ğer uygulama alanını ise ilet im hatlarındaki gerilim düzenlemesi ve kararlılığının artırılması oluşturmakta dır.

KAY NAKÇA (1) Ermiş, M.. "Modelling and Analysis of a Wind Türbine Driven Şelf Excited Induction Generator". Ph. D. thesis. M.E.T.U. Elect Eng. Dept , April 1982.

(2) Dağdelen, M., "Terminal Voltage Regulation of a Şelf Excited Induction Generator by means of a Static Ex citer", M. Sc. thesis, M.E.T.U. Elec. Eng. Dept., February 1982.