ARK FIRNLARININ ELEKTRİK ŞEBEKELERİNE ETKİLERİ VE ALINABİLECEK ÖNLEMLER

Ark fırınlarının elektrik şebekelerine etkileri ve alınabilecek önlemler

Güngör GÜRSEL

1. ARK FIRINLARININ ELEKTRİK ŞEBEKELERİNE ETKİLERİ

1.1. GENEL BİLGİLER

UDK: 621.365.2:621.316.95 •ij:î:j:j:j:|:j:|i;:j:^

Ark fırınlarında, arkın meydana getirdiği yüksek sıcaklık la madenler ergitilir. Ark bilindiği gibi gaz içerisinde bir elektrik deşarjıdır.

ÖZET Bu yazıda sanayide kullanılan ark fırınlannın enerji diz gesi üzerine olan olumsuz etkileri incelenmiştir.

SUMMARY

Ark fırınları ve bunları besleyen transformatörler küçük güç ve üretim kapasitesinden çok büyük kapasitelere ka d a r d e * « i k boyutlarda üretilmektedir.

Çoğunlukla 6 MVA'ya kadar yapılan ark fırını trafoların da ark akımlarını sınırlamak ve kararlı çalışmayı temin edebilmek için seri reaktör kullanılmaktadır.

in this article, the undesired effects of arc furnaces used Şeki> 1 ' d e a r k fırınını besleyen transformatör ve güç dev

in industry on the energy system are studied.

r e ' e r ' görülmektedir.

:W::::::!#:W:W:>:::^

Güngör GÜRSEL, TEK

1 AY IRICI 2 GERİLİM TRATOSU 3 _ AMPERMETRE 4_ VOLTMETRE 5_ YAZICI VHATTMETRE 6_ AKTİF SAYAÇ 7_ KESİCİ 8_ AKIM TRAFOSU 9_ ŞOK BOBİNİ I O_ ŞÖNT AY IRICISI II _ FIRIN TRANSFORMATÖRÜ 12 KADEME DEĞİŞTİRME MOTORU I3 _ AKIM TRAFOSU I 4 _ HAREKETLİ KABLOLAR 1 5 . AMPERMETRE I 6 _ VOLTMETRE 17. ARK FIRINI

SEKİLİ

Fırın transformatörü düşük bir güç çarpanı (çoğunlukla 0,7) ile çalışır. Ark ateşleme gerilimi, akım sıfırdan ge çerken oluşur. Ergime başlangıcında kararlı olmayan bir çalışma düzeni vardır. Fakat ergime sonucunda düşük güç çarpanı ile daha kararlı bir çalışmaya ulaşır. Fırında ark ile oluşan ısı, büyük ölçüde ışınımla (radyasyonla) ve kısmen de konveksiyonla ergitilecek malzemeye geçer.

Ark ocağını belli bir sürede bir defada şarj edip ergitebil mek için çok büyük güçlerde çalışmak gerekir. Aktif gü cü sınırlandırmak amacıyla bu işlem iki, Uç adımda yapı lır. Böylelikle daha uzun sürede daha az etkin güç kulla nılmış olur. Büyük modern ark fırınlarında ergime aşırı ısıtma toplam süresi 70 80 dakika kadardır.

1.2. ARK FIRINI İŞLETME KARAKTERİSTİKLERİ

Ark fırınının şebeke üzerindeki etkisi Şekil 2 3 4'den iz lenerek incelenebilir.

Ergime sırasında ark uzunluğu değişir. Bu daha çok elektrot mekanizma denetimi sonucunda, ocakta parça ların düşmesi, diğer elektrotlardan akan akımların mey dana getirdiği manyetik kuvvetlerle olur. Tam kısa devre den arkın tümüyle sönmesine kadar arkta^dolayısıyla akımda değişme olur. Bu nedenle, doğal olarak üç faz daki akım dalgalanmaları asimetriktir.

Akım dalgalanmaları, şebekeden çekilen reaktif güç dal

galanmalarına neden olur. Şekil 2'den görüleceği gibi AU

reaktif güç değişimi de gerilim değişimini etkiler.

(4)

Şekil 3'de görüldüğü gibi çalışma noktası civarında I akı mının değişmesi ile tepkin güç büyük ölçüde değişirken, aktif güç daha az değişmektedir.

F>Q

Şekil 2 b'den AU

ŞEKİL 2

ŞEKİL 3

Reaktif güç değişmeleri sonucunda gerilim değişimleri oluşur. Bu da lamba ve televizyonlarda ışık titremelerine neden olur. Buna ek olarak birincil tarafta gerilim düşü müyle daha düşük ergitme gücü sağlanabilmektedir. Tra fo giriş gücü bilindiği gibi gerilim karesi ile değişir.

= IX.(sin0 +

Değişmez güç çarpanında, % 10 gerilim düşümü ark fırını

(D

giriş gücünde yaklaşık % 20 azalmaya yol açar.

1.3. SÜREKLİ DURUMDA GERİLİM DÜŞÜMÜ

Güç şebekelerinde empedans normal olarak endüktiftir. Bu durumda

ve buna ek olarak

Uo (2)

Şebekeden çekilen reaktif güç: Q = lUov/Tsin <t> (3) ol duğundan (2) ve (3) denklemlerini (1)'de yerine koyar sak

ŞEKİL 4

ît 9«Q.5>7/1

Şekil 4'de sürekli durumda dengeli yükte gerilim düşümü eşdeğer devresi görülmektedir. Burada reaktif güç düzel tilmesi (compansation) gözönüne alınmıştır.

Hava hatları reaktansının, indirici transformatör reaktan sından büyük olduğu ara baralarda gerilim düşümü büyük olmaktadır.

İndirici trafo birincil taraf gerilimi, fırın devreye alınma dan önce Uo şebeke besleme gerilimine eşittir. Fırının devreye alınması ile ara bara gerilimi daha küçük bir de ğerde olacaktır. Oranı:

Hiçbir önlem alınmadığında, fırın tam yükle çalışırken yüksek gerilim tarafı kendi anma gerilimine göre daha kü çük bir gerilimde olacaktır. Bu, fırın hiçbir zaman anma gücünde yüklenemeyecek demektir.

R + jX (5) Xs)

Burada R fırın direnci; X , fırın trafosu dahil fırının reak tansı, X $, şebeke reaktansıdır.

Mutlak değerlerde oran

İUİ

y/R2 + X 2

(6)

|Uor

(X

olur. Bu bağıntı sadeleştirilir, binom serisine açılır, ikin ci terimden sonrası ihmal edilirse

İU

=1

Bu bağıntının iki tarafından 1 çıkaralım.

(7) olur.

|UoI IU|

(8)

Şekil 2 b'ye benzer şekilde vektör diyagramından ve X s = U 0 / S k koyarak

0.5Xs)l2

(9)

Gerilim düşümü ara barada büyük olduğunda, reaktif güç kompanzasyonu gibi önlemler alınarak kompanzas yonla orantılı olarak önlenebilir. Bu durumda şebekeden çekilen reaktif güç sıfıra yaklaşır.

1.4. ARK FIRINLARININ NEDEN OLDUĞU GERİLİM DALGALANMALARI

Ark fırınlarının çalışmasında karakteristik olarak ergime sırasında elektrotlar arasında yinelenen kısa devreler olur. Genellikle iki faz kısa devre olur, ya da bir faz akımsız kalır. Bu tür çalışmalar, değişik derecede akım larda devam eder.

Akım değişmeleri nedeniyle şebekede gerilim dalgalan maları oluşur. Diğer tüketicilerin ara barada olmayıp, di ğer ülkelerde olduğu gibi ana bara üzerinden beslendiğini varsayalım. Bu durumda da ana barada dengeli yüklerde gerilim dalgalanması olacaktır.

(4) nolu bağıntının çıkarılışına benzer bir yaklaşımla:

AU A<* = u sk

(10)

AQ, ana barada reaktif güç dalgalanması olup yaklaşık olarak fırın reaktif güç dalgalanmasına eşittir. Sk , ana baradaki kısa devre gücüdür.

Belirli bir büyüklükte kurulacak ark fırınının, belirli bir kısa devre düzeyinde gerilim dalgalanmalarının değişme miktarının bilinmesi gereklidir.

Burada Qf ark fırını reaktif gücü ( Q f = 3 I2 X , I = hat akımı), Qs şebeke reaktif gücü (Q$ = 3 I2 X s ) , Sk ara ba ra kısa devre gücü ( X $ = Ug / Sk ) .

örnek: Qf = 25 MVar, Qs = 5 MVar, SR = 300 MVA ise

AU (25 + 0.5x5)

= 0.092,% 9.2 gerilim

düşümüdür.

Ark fırını transformatör gücü, ergime sırasında belirli sı nırlarda reaktif tam yüke kadar değişir. Gerilim değişim lerinin bulunmasında birinci yöntem yukarıda verilen (1 0) bağıntısıdır. En büyük gerilim değişmelerinde, kısa devre gücü ve reaktif güç değişimi bu bağımtının çözümü için yeterlidir.

Çok kullanılan diğer bir yöntem şöyledir. Y üksüz duru ma göre elektrotlarda ani 3 faz kısa devre durumu gözö nüne alınır. Verilen arıza düzeyinde gerilim düşümü bulu nabilir.

Şekil S'de görülen eşdeğer devreden (U A)

olur. (11)'in (12)'ye bölünmesinden

rında rahatsız edici durumlar (flicker olayı) ortaya çık maktadır. Gerilim düşümlerinin % 1,8'den küçük olduğu durumlarda karışma (interference) olmadığı, % 2,4 ve 2,3 den büyük değerlerde rahatsız edici şikayetlere ne den olduğu belirlenmiştir.

İngiltere'de bu durum standartlaştırılmıştır. 132 kV'a kadar şebekelerde en büyük oran % 2,275 kV ve üzeri şe (12) bekelerde % 1,6 dır.

(1 4) bağıntısı bir fırın için çıkarılmıştır. Aynı işyerinde bir çok ark fırını olabilir. Fırın sayısı artınca gerilim de ğişme genlik oranı da artmaktadır. Beraber çalışan çok sayıdaki fırın için

U eşdeğer yazılabilir. Eğer fırınlar aynı büyüklükte ise

(13) —( —)

=(—).y/lT

(16)

xitr+xf

U eşdeğer

U1 fırın

elde edilir. X $ = U2 /Sk ve fırın elektrot kısa devre gücü Sf^ olarak belirtilirsee, (1 3) bağıntısından

yazılabilir, n, beraber çalışan fırın sayısıdır.

^_=^fk_

Sk

1.5. FLİCKER OLAYI (14) Gerilim değişmeleri (pulsations) nedeniyle aydınlatma tüketicilerinde rahatsız edici durumlar ortaya çıkmakta dır. Bu, değişimin genliğine ve bir zaman içindeki tekrar lama sayısına (frekansına) bağlıdır. Araştırmalar sonucu insan gözünün akkor flamanlı lambalarda flicker olayına çok duyarlı olduğu anlaşılmıştır, özellikle saniyede 6 12 tekrar için % 0,25 gerilim değişimi yeterli olmaktadır.

Şekil 6'da akkor flamanlı lambalarda izin verilebilir geri lim değişimini frekans değişimine bağlayan bir eğri veril miştir.

«2.5

| 20

S.

t15

I.O

ŞEKİL 5

Aynı şebekeden diğer müşterilerin beslenmesi durumun da ark fırınlarının izin verilebilir gerilim düşümü hesabı bu yolla yapılabilir. Gerilim değişmelerinin genliğinin artması ile diğer tüketicilerde, özellikle ev aydınlatmala

Io

Degisım Frekansı (Saniyede)

ŞEKİL 6

Fluoresant lambalar, akkor flamanlı lambalara göre flic ker olayına daha az duyarlıdır. Y aklaşık 20 Hz. üzerinde flicker olayı görülür. Televizyonda 10 Hz. sıklıkta % 10 gerilim düşümünde alıcı yayını bozulur.

Ark fırınları çalışması sırasında ortaya çıkan gerilim de ğişimleri çoğunlukla 2 10 Hz arasındadır.

Şebekeye bağlı normal büyüklükteki ark fırınlarının oluşturduğu gerilim değişmelerini sınırlayabilmek için herhangi bir önlem alınmadığı durumda ana bara kısa devre gücünün çok yüksek olması gerekir. Bu kısa devre gücü de çoğunlukla yalnız çok yüksek şebeke gerilimle rinde olmaktadır.

üçüncü harmonikte % 53,9'a ulaşmaktadır. Şekil 7'de ark fırını harmonik akımları üreten bir generatör göste rilmektedir.

Harmonik akımlar paralel devrede şebeke endüktansı (L s) ve paralel sığaçta (C) akar. Eğer paralel devre belli bir harmonik frekans için rezonans oluşturursa, devre reaktansı yükselir. Fırının oluşturduğu rezonans frekan sındaki akıma uygun harmonik gerilim büyük değerlere ulaşabilir. Gerçekte, şebekenin her zaman aktif bir yükü vardır. Şekil 7'de bu R ile gösterilmiştir. Rezonans duru munda harmonik akımların büyük bir kısmı bu direnç ten geçer. Bu da R üzerinde harmonik gerilimleri ortaya çıkarır.

1.6. HARMONİKLER VE REZONANS OLAYI

Fırının çalışmasında ark direnci sabit değildir. Y arım peryodun başında direnç yükselir. Daha sonra en küçük bir değere düşer ve yarım peryodun sonuna doğru yeni den yükselir. Bu akımın tam sinüzoidal olmadığını gös t erir Harmonik bileşenler ergime başlangıcında en bü yüktür. Ergimiş banyo halinde arkın tutuşmasında ise harmonikler azalır. Bu çalışma durumuna ek olarak bazı yarı peryotlarda ark tutuşmayabilir.

T. Matula'nın (Union International d'Electrothermine Warsow 1972 Report N. 709) yaptığı incelemelere göre temel harmoniğe göre ikinci harmonikte genlik % 42,

Rezonans durumunda şebekede ve paralel sığaçtaki har monik akım, fırının ürettiği harmonik akımları aşabilir. Doğrultucular tarafından üretilen harmonik akımların yüklü şebekelerde ölçülmelerinde kazanç faktörü 3 ola bilir. Ark fırınları için de durum aynıdır.

Şekil 8'den faydalanarak şebeke rezonans frekansı bulu nabilir.

X L = wL, L = w

xL =

(17) U2 wSı,

ŞEKİL 7

5i 2

wC,

wX,

Qc

(18) wU2

(1 7 ) ve (1 8 ) bağıntılarını rezonans bağıntısındaki yerine koyarsak

nın özel olmasını gerektirir.

2. ARK FIRINLARININ ŞEBEKEDE MEYDANA GETİRDİĞİ BOZUCU BÜYÜKLÜKLERE KARŞI ÖNLEMLER

2.1. REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU

w

1.7. ARK FIRINLARININ SANTRALLARA ETKİLERİ

, „> (20)

Ark fırını işletmesinde kararlı durumda gerilim düşümü nün ve gerilim değişmelerinin olduğunu belirttik. Çıkarı lan bağıntılardan görüldüğü gibi iki durumda da reaktif güç etkisi vardır. Reaktif gücün kompanzasyonu ile belir tilen kötü etkiler giderilebilir.

Şekil 8'de görüldüğü gibi ana baraya konulan bir kom pansatörle kompanzasyon yapılır.

ANA BARA

Ark fırınları şebeke için kararlı olmayan dengesiz yükler dir. Diğer tüketicilerin gerilim değişimlerinden zarar gör memeleri için yüksek arıza seviyesine gereksinim vardır. Eğer bir bölgeye çelik fabrikası kurulması düşünülüyor ve o bölgede arıza seviyesi düşük ise, şebekeye bağlama mak için ark f ırınını ayrı bir güç santralından beslemek düşünülebilir. Bu şekilde diğer tüketicilerin zarar görmesi önlemebilir.

Bu durumda ani değişen aktif güçlerin ortaya koyduğu türbin hız regülatörü ayar sorunları özellikle f ırın gücünün generatör gücüne eşit olması ile ortaya çıkar. Hidroelek t r ik santrallarda türbin kılavuz vanası yük değişmelerin de uyum yapamaz, büyük hız dolayısıyla da frekans deği şimlerine neden olur. Termik güç santrallarında türbine buhar girişi, hızla ilgili olarak daha yakın izlenir. Buna rağmen belirli hız değişmeleri kaçınılamaz. Buhar dom ları hız değişmelerinde kazanla türbin arasında bir tam ponlama sağlar. Gaz türbinlerinde çok hızlı yakıt ikmali yapılabilir, fakat çok hız değişimi ile karşılaşılır. Gaz türbinlerinde, buhar domu gibi bir tampon da yoktur. Buhar ve gaz türbinlerinin ikisinde de büyük yük değiş melerinde, büyük sıcaklık değişmeleri sorunu ortaya çıkar.

İNDİRİCİ TRAFO

DİĞER Y ÜKLER

FIRIN TRAFOSU

KOMPANZATOR

Şekil 10'da kompanzatör sistemi ile reaktif güç ve geri lim değişmeleri görülmektedir.

1. bölgede otomatik kumandalı kompanzatörle reaktif enerji sağlanması, gerilim U0'da sabit kalıyor.

Dengesiz yükler generatörde ek kayıplara neden olur. ör nek olarak ark fırını besleyen 36 M VA , 22 0 0 0 /4 9 2 2 1 0 V bir transformatörün ergime sırasında tam yük akımı 9 4 4 A, en büyük negatif bileşen akımı % 4 2 , ergime son rasında ortalama değeri ise % 2 0 'dir.

2. bölgede kompanzasyon sabit kalıyor. Gerilim düşümü var.

3. bölgede gerilim sabittir. Fırın için gerekli reaktif güç kompanzatörle sağlanır.

IEC 34 1'e göre generatörierin negatif bileşen akımlara karşı korunması, pozitif bileşen akımının % 5 eşdeğerin de yapılır. Fırın yükleri, bu nedenle generatör tasarımı

4. bölgede gerilim belli U, değerinin altına düşer. Kom panzatör ağacının üzerindeki reakt if güç şebekeden ve sabit sığaçlardan sağlanır.

Şekil 9'daki kısaltmaların anlamı şöyledir.

Qu

: Fırının tükettiği reaktif güç

: Tiristor anahtarlı sığacın ürettiği reaktif güç

: Tiristor sığaç kümesinin ürettiği en büyük

m a x reaktif güç

: Boşta gerilim

: işletme gerilimi

R,Mwr

ci bir nokta da gerilim yükselmesi durumudur, isveç standardı SEN 270101'e göre yük atıldığında bu değer anma geriliminin % 5 fazlasını aşmamalıdır.

Diğer bir sorun fırın tam yüklü olduğunda ara baradaki gerilim düşümüne karşı sığaçların yeterli olmamasıdır. Sı ğaçlar, şebekede ark fırınlarının oluşturduğu gerilim de ğişimlerinin genliklerinin azaltılmasında fazla yardımcı olmaz. Baraya yerleştirilecek sığaçların trafo güçlerine göre büyüklükleri rezonans yönünden sınırlıdır veya özel önlemler alınmalıdır.

b. Senkron Kompanzatör

Bara kısa devre gücünün artırılması ile gerilim değişimi genlikleri düşürülebilir. Senkron kompanzatörle ara bara daki kısa devre gücü yükseltilir.

R

Şekil 10'da 3 fazlı dengeli bir sistemin bir faz eşdeğer

devresi görülmektedir.

Mvar

ŞEKİL 9

Kompanzasyon için aşağıda belirtilen elemanlar kullanı

lır.

Xf

a) Sabit sığaç b) Senkron kompansatör c) Tiristor anahtarlı sığaç d) Tiristor anahtarlı reaktör e) Tiristor kumandalı reaktör f) Doymuş reaktör

ŞEKİL 10

a. Sabit Sığaç

Çok kullanılan ve en ucuz kompanzasyon şeklidir. Bü yüklük saptanmasında, ergime sırasında bir kısım reaktif gücün kompanse edilmeden, şebekeden çekilecek büyük lükte olması gözönüne alınır.

Fırın çalışması sırasında kesici açması ile yük kaybolabi lir veya fırın çok düşük yükte çalışabilir. Bu durumda aşırı kompanzasyon söz konusu olabilir; sığaçlar şebeke ye reaktif güç verebilirler. Bu da işletmede şebeke gerili mini istenilen sınırlarda tutmayı zorlaştırır. Başka bir ön lem alınmadığında, sığaç büyüklüğü saptanmasında ikin

Daha evvel Şekil 6'dan faydalanılarak çıkarılan (13) no lu bağıntıya benzer biçimde, Şekil 10'dan ve süperpo sizyon teoreminden de faydalanılarak;

AU (21)

(x s + x ıit r •

Bu eşitlik (13) nolu gerilim değişim bağıntısı ile karşı

kıstırıldığında, X _ = sonsuz olduğundan aynı bağıntı nın elde edileceği görülür. (Bu durum, senkron kompan zatöriin devrede olmaması durumudur). X_ küçültürse (büyük senkron makinalarda) gerilim değişim genliği kü çülür.

Müşteriden görülen reaktansı ortalama % 5 olarak kabul edersek aynı yükteki çıkık kutuplu senkron kompanza tör alt geçici rejim reaktansı % 25'dir. Eşdeğer sistem reaktansı

c. Tiristor anahtarlı Sığaç

1972 yılında ilk olarak isveç'te ark fırını gerilim değiş melerini önlemek üzere kullanılmıştır.

Tiristor kullanılarak, fazlar üzerine konulan çok sayıdaki sığacı devreye alıp çıkartma olanağı vardır. Sığaç birim leri, fırının reaktif güç istemine uyacak biçimde, ara ba rada gerilim % 0,25'ten fazla değişmeyecek büyüklükte seçilir.

5x25

• = % 4,2 ve flicker gerilimi ilk duruma göre

5 + 25

4,2 = %84'dür.

5.0

Y uvarlak rotorlu, yüksek devirli makinalarda reaktans daha düşürülmüştür. Fakat bu tip makinalar daha pahalı dır.

Ark fırınının reaktif gücü ölçülür. Elde edilen sonuç tiris tor anahtar kumandalı sığacın boyutlandırılmasında kul lanılır. Tek fırın işletmesinde güç çarpanı yaklaşık 0,7' dir. Ergime sırasında güç değişmesi 0 = Q s t (1 ± 0,7) olur.

9 s t , fırının sürekli durumdaki tam yük reaktif gücüdür. Buradan görüleceği gibi sabit kısım;

Senkron kompanzatörün yarar ve sakıncaları şunlardır: Değişen kısım da

Y ararları: 1) Denenmiş iyi bir teknolojiye sahiptir. 2) Makina herhangi bir harmonik üretmez.

Sakıncaları:

1) Uyarı akımını değiştirilmekle, fırın dengesiz yüklü iken, bütün fazlan eşit etkilemek olanaksızdır.

2) Makina kayıpları göreceli olarak fazladır. 3) Daha büyük yatırım gerektirir. 4) Makinada bir arıza olduğunda bütün kompanzasyon ortadan kalkar.

Senkron kompanzatörlerin etkinliğini artırmak için ek olarak seri reaktör veya sığaçlar yerleştirilmektedir.

Değişen birimlerin anahtarlama yoluyla devreye alınma sında geçici durumlar (transients) çok önemlidir. Devre ye alınmak üzere bekletilen sığaç birimleri doğru gerilim le dolu olarak saklanır. Uygulanan D.A. gerilim genliği A.A. genliğine eşittir.

Şekil 11'de görüldüğü gibi gerilim tepe değerinde iken akım başlar. Diğer tepe değerinde akım kesilir. Böylelik le geçici durumlar (transients) oluşmaz. Tepkisi hızlı ol duğundan ötürü, reaktif güç değişimleri sığaçla yakından izlenir. Böylece ara barada gerilim değişimleri azaltılır.

Fırın reaktif gücünü karşıladıkları için sığaçlar, gerilim

B

T

U0A r U0B

ŞEKİL 11

DEVRE DIŞI 516

düşümünü de önler. Bu, fırına aktif güç girişinin artması demektir. Üretimdeki artış nedeniyle kompanzatör kuru luş tutarı kendini amorti eder. Bu önlemle ana barada da, şebeke gerilim değişimleri küçülür.

Yöntemin yarar ve sakıncaları şöyle sıralanabilir.

Yararları: 1) Kayıpları küçüktür. Fırın devre dışı iken sığaçlar da devre dışıdır. 2) Her faz için kompanzasyon yapılabilir. Yük dengesiz liği nedeniyle bu çok önemlidir. 3) Sığaç kümeleri harmonik üretmez. 4) Sığaç kümeleri kolaylıkla genişletilebilir. 5) Arıza etkisi sınırlıdır. Arızalı kısım ayrılır, kalan sığaç kümesi çalışmaya devam edebilir.

Sakınca olarak, reaksiyon zamanının, anahtarlama işlem lerinin % 25'inde A.A.'la bir peryot olmasıdır.

d. Tiristör anahtarlı reaktör

ŞEKİL 12

Tiristör anahtarlaması ile sığaç yerine reaktör birimleri devreye alınabilir. Fırına ait güç ölçülür ve kumanda edi lir. İkisine ait toplam reaktif güç sabittir.

Anahtarlama pozitif ya da negatif tepe değerinde yapılır, akım sıfır olur. Bu şekilde geçici durumlardan sakınılmış olunur.

li olarak azalarak sıfır olur. ölçülen her ana bağlı olarak denetim düzeneğinde a gecikme açısı seçilerek reaktör devreye alınır veya çıkarılır.

Reaksiyon süresi, ölçü süresi (10 ms.) ve bekleme süresi toplamına eşit olur.

Yararları: 1) Reaksiyon zamanı yarım peryottur. 2) Reaktörler herhangi bir harmonik üretmez. 3) Her faz için kompanzasyon yapılabilir.

Sakınca olarak, kayıplarının sığaçlara göre daha yüksek olması gösterilebilir.

Tiristör kumandalı reaktörlerin yararları: 1) Ortalama reaksiyon süresi yarım peryottur. 2) Her faz için kompanzasyon yapılabilir. 3) Reaktör, büyük kısa devre empedansı olan bir trans formatör biçiminde tasarımlanabilir. Bununla tiristör anahtarlamalı sığacı besleyen bir ara transformatörü nün beslenmesine olanak sağlanır.

e. Tiristör kumandalı reaktör

Reaktif gücün yarım peryot süresince ölçülmesi yerine, sürekli olarak ölçülmesi ve tiristöıierin ateşleme anlarının saptanması ile akıma kumanda edilir. Şekil 13'de elde edilen akım biçimi görülmektedir. Harmonik kapsamı çok büyük olan bu akımın birinci harmoniği, l l t için reaktif güç

Q= 2

. (n — a+ 1/2 sin 2 û)

Sakıncaları da şöyle sıralanabilir: 1) Kayıpları tiristör anahtarlı sığaç ve reaktöre göre daha büyüktür. 2) Kompanzatör, harmonik akımlar üretir.

f. Doymuş Reaktör

Tiristör anahtarlı veya tiristör kumandalı reaktörlerde ol duğu gibi sabit sığaçlarla birlikte ara baraya konulurlar. Bu durumda demir çekirdek, ölçü donatımının yerini tu tar. Endüksiyon yasasına göre çekirdekdeki magnetik akı

olur.

<(> = /

dt

N

Reaktif güç, yukarıdaki bağıntıdan görüleceği gibi, a, olur. Yarım peryot süresinde, akı yoğunluğu doymaya n/2'den Tr'ye giderken U2/X en büyük değerinden sürek ulaştığında reaktans birdanbire düşer, ilke olarak reak

tör, çekirdeği doyduğu zaman yarım peryot boyunca akım geçirir. Doyma bittiğinde akım da azalır.

Eğer gerilim yükselirse, doyma yarım peryot süresinin başlangıcında olabilir ve daha büyük akım akar. Bu da daha büyük reaktif güç demektir. Başka bir deyişle, daha büyük reaktif güç, gerilim yükselmesini önler.

Doymuş reaktörün yararları şunlardır: 1) ölçü düzeneği gerekmez. 2) Reaksiyon zamanı 1 ile 2 peryottur.

Sakıncaları şunlardır: 1) Reaktör gerilime duyarlıdır. Fırın reaktif gücüne «öre gerilim daha az değişir. Bu nedenle daha önce anlatı lan kompanzasyon yöntemleri kadar sağlıklı denetim sağlayamaz. 2) Tiristör anahtariı sığaca göre daha büyük kayıpları vardır. 3) Harmonik akımları üretir. 4) Reaktör şebeke gerilim değişimine duyarlıdır. Bu ne denle gerilim ayar transformatörü ile birincil gerilim ayarı gerekir. 5) Reaktör yüksek gürültü seviyesine sahiptir.

Y ukarıda kısaca özetlenerek verilen kompanzasyon ön lemleri ile I. Gerilim kararlılığı sağlanır, I I . Güç katsayısı düzeltilir, III.Fırınları daha yüksek aktif güçle yükselerek, verim ar tırılır, IV.Gerilim değişimlerinin genlikleri düşürülür.

2.2. HARMONİKLER VE REZONANSA KARŞI ÖNLEMLER

Ark fırınlarının ergime sırasında şebekeden çektikleri akımlar oldukça bozulmaya (distortion) uğrar. Bu ne denle değişik sıklıkta harmonikler üretilir, özellikle üçüncü harmonik (1 5 0 Hz), diğerine göre fazladır. Daha yüksek harmoniklerin genlikleri hızla düşer.

Harmonik ve rezonansla ilgili güç sistemlerindeki prob lemler son yıllarda artmıştır. Nedenlerini kısaca şöyle özetleyebiliriz:

1) Ark fırınlarının son yıllarda eskisine göre düşük güç çarpanı ile çalışmasının daha avantajlı olduğu görülmüş tür. Buradan anlaşılacağı gibi ark fırını için gerekli reak tif güç artmaktadır. Daha büyük kompanzasyon için da ha büyük sığalı sığaç gereklidir. Bu durumda da şebeke rezonans frekansı düşer. Düşük frekanslarda harmonik lerin çoğunlukla daha büyük genliği vardır.

2) Eski yıllara göre işletmelerde daha büyük reaktif güç kompanzasyonu istemi vardır. Bu nedenle daha büyük

sığaç ve düşük rezonans frekansı ortaya çıkar.

3) Transformatörler günümüzde yüksek nitelikli çekir dek çeliği ile üretilmektedir. Akı yoğunluğu eskiden 1,3 Tesla olarak seçilirken şimdi 1,8 Tesla'dır. Manye tik çekirdeğin doyması ise yaklaşık 2 Tesla'dır. Büyük aşırı gerilimlerde, mıktamslama akımları çok büyür. Mıknatıslama akımları normal işletmede tek, ener jile me sırasında ise çift harmonikleri kapsar.

Harmonik problemlerinin çözümünde aşağıdaki yön temler uygulanır.

1) Baraya kurulan paralel sığaç değerlerini azaltmak veya çoğaltmak yoluyla şebeke rezonans frekansını değiştirmek.

2) Açtırma rölelerini geciktirmek, sığacın izin verile bilir yüküne göre ayarlamak. (JEC 70 standardına göre sığaçlar, harmonik akımları da kapsayan, anma akımı nın 1,3 katı değerinde etkin akımlara karşı dayanabil melidir).

3) Paralel s iğ aç I ara seri reaktör yerleştirerek belli bir fre kans için seri rezonans devresi oluşturmak. Bu seri dev renin tasarımında şebeke frekansında baranın gerektir diği reaktif güç verilir. Belli bir rezonans frekansında da devreden harmonik akımların akmasına engel olur. Ge nellikle üçüncü harmoniğe karşı seri rezonans devresi oluşturulur.

KAYNAKLAR (1) "Industrial Furnaces", Chapter 1 5. 1 , AEG Manual, 1966.

(2) "Lamp Flicker on Povver Systems", Chapter 22, Transmission and Distribution Ref. Book, Westinj> house, 1964.

(3) Sundberg, Y ngve; 'The Povver Circuit of Arc Fur naces", ASEA Journal, Cilt 45, Sayı 3 , 1 9 7 2 .

(4) Frank, Harry ve Sven Juner; 'TY CAP Power Factor Correction Equipment Using Thyristor controlled Capacitors for Arc Furnaces", ASEA Journal, Cilt 46, Sayı 6 , 1 9 7 3 .

(5) Sundberg, Y ngve; "The Arc Fumace as a Load on the Netvvork", ASEA Journal, Cilt 4 9 , Sayı 4 , 1 9 7 6 .

(6) Frank, H., ve K. Petterson; "Raisingthe Production Arc Furnaces by Stabilizing the Voltage vvith Thyristor svvitched Capacitors", ASEA Journal, Cilt 50, Sayı 1,1977.