SUN'STABİLİTE İLE SENKRON MAKİNELERİNİN ÇALIŞMA SAHASININ GENİŞLETİLMESİ

Suni Statolite ile Senkron Makinelerin Çalışma Sahasının Genişletilmesi

Yazan: R. NOSER Bir Senkron makinesinin çalışma sahası nın sınırlanması iki ayrı noktaî nazara göre mümkündür. Makineden tam manası ile isti fade için bir ölçek de teşkil eden birinci sınır, termik zorlanma, yani, münferit parçaların kabili tecviz aşın ısınması ile verilmiştir. Bu sınır umumî olarak aşın ikazla veya çok za yıf ikazla çalışma için cari olabilir. Çalışma sahasını sınırlayan ikinci görüş ise Makine nin Stabılıtesine ve böylece makinenin işletme emniyetine dayanmaktadır. Bu ikinci sınır çok kuvvetli kspasıtıf yüklerde meydana çıkar ve normal durumdaki senkron makinelerde ter mik esaslara dayanan sınırdan daha dar olur.

Şaiı'l: < Çıkık kutupla sankran genel diağramı

Bu sebepten kapasitif yüklenmelerde nor mal senkron makinelerden tam manası ile is tifade edilemez. Fakat Yüksek Gerilim Şebe

Çeviren: Nihat TATLAN Y. Müh. E. E. İ.

kelerinde generator veya kompanzatör olarak çalışan generatörün kapasitif olarak da ter mik sınırına kadar yüklenmesi şart koşulur.

Burada bir senkron makineyi kapasitif halde de işletme emniyetine halel getirmek sizin termik sınıra kadar yükleyebilmenin ça relerini araştıracağız, önce Senkron makine nin genel diyagramında stabilite sınırını tet kik edelim Şekil 1 çıkık kutuplu ve sabit ge rilimli bir senkron makinenin diyagramını gösteriyor. Koordinat, eksenleri,, dik olarak Aktif takat P ve yatay olarak reaktif takat TI alınır Koordinat sisteminin başlangıç nok tası A dır. Kalın çizilmiş eğriler sabit ikazda C işletme noktasının geometrik yerleridir. Paskal helezonunun bazdaıresi olan OS dai resi aynı zamanda ikaz akımının sıfır değe rindeki geometrik yerdir. Dairenin çapı, Xa ve Xq değerlen makinenin senkron reaktansının enine ve boyuna bileşenlerim verdiğine göre aşağıdaki uzunluklarla belirir.

AS =

ve AO

Böylece AS ve AO uzunlukları ikazın sıfı

ra eşit olduğu anda bir defa, kutup tekerleği

acısının teta = O" ve bir defa da teta = 90°

deki tam kapasitif belirtirler. Nokta nokta çi

zilen Paskal helezonları, boyuna eksendeki sa

bit rotor akısında y, çalışma noktasının geo

metrik yerlerini verirler. Aynı zamanda 0 = 0

için, geometrik yer olan, bu Paskal eğrilerinin bazdaıresinin çapı O S1; X1,, boyuna eksende

ki transient reaktansı göstermek üzere, aşa

ğıdaki uzunluklarla çıkar:

OA =

ve AS1 =

xa

*\

Burada AS1 uzunluğu, eğer makine ikazsız

olarak teta = 0° kutup tekerleği açısında şe

bekeye bağlanmışsa, alınan transient reaktif

takati verir.

Bu diyagramda teorik, statik stabilite sı nırı gösterilmiştir. OZ eğrisi sabit ikazda Ie

ve OZ1 eğrisi sabit Rotor akısında yd statik stabüıte sınınnı belirtir. Pratik İşletmede senkron makinenin çalışma sahası, eğer husu si tedbirler alınmamışsa teorik statik stabili te sınırına kadar getirmemelidir; zira bura da işletme emniyeti çok küçük olur. Bu esna da az bir gerilim düşümü veya küçük bir dar be makinenin devreden çıkmasını intaç etti rir. Bu sebepten teorik stabilite sınırından muayyen bir miktar aşağıda çalışmak icab eder.

Bir makinede ikazın ayar edilmemesi ha linde teorik stabilite sının OZ eğrisidir. Bu eğri küçük aktif takat darbelerinde, Ie = o ikaz dairesine doğru kayar. Fakat ikazı ayar etmeden çalışmada emniyet noktaî nazarın dan dairenin iç kısmı yasak bölgedir. Burada ikaz negatiftir. Şebekedeki bir arızadan dola yı negatif ikazlı makine devreden çıkar, zira' kutup tekerleği 180° ters olarak kayıp senk ronizme geldiğinden başlangıçtaki negatif ikaz ters kutup tekerleği durumunda pozitif olarak belirir. Bunu müteakiben ani olarak reaktif takat azalması, ikazın çalışma vaziye tinden tamamen ters değere geçmesi ve bu nun neticesi birden bire gerilim yükselmesi işletme personeli için anlaşılmaz bir hâdise olur ve ciddi zararlara sebebiyet verir. Buna göre ikazsız, kabili tecviz en büyük kapasitif takat olur. Fakat normal bir senkron ma kinede boyuna eksendeki senkron reaktans 1,2 ile 1, 6 arasında olduğundan maksimum ka pasitif takatta normal takatin 60 85 % si olur. Makineyi nominal takata kadar kapasi tif yükleyebilmenin ilk ve en çok kullanılan usulü senkron reaktansı 1 değerinden küçük yapmaktır. Bunu temin için hava aralığı bü yütülür, bu büyütme ise kutup tekerleği üze rindeki ampersarımlann artmasını icab etti rir.

Bu sebepten kutup tekerleği büyür, dola yısıyle bütün makine büyür. Böylece senkron reaktansın küçülmesi ağır ve pahalı makine lere sebebiyet verir.

Senkron makinelerin çalışma sahalarının genişletilebilmesi için ikinci bir imkân da ikazlarının seri ayarlanabilmeleridir. Seri bir gerilim regülatörü sayesinde statik stabılite sınırı OZ nin üstüne çıkar ve OZ1 sınırına yaklaşır. Aynı şekilde muayyen bir negatif ikaza da müsaade eder. Emniyet gözetilerek negatif ikaza, çalışma noktası en fazla daire nin ortasına gelecek kadar müsaade edilir.

Eğer özel ayar sistemleri vasıtası ile, sta bilite ve çalışma emniyeti OZ1 stabilite sınırı na kadar bütün sahadan faydalanabilmek

mümkün olursa, böylece normal bir senkron makineyi normal takatına kadar kapasitif yükselmek kabil olurki, bu vaziyette X , l'den küçüktür. Bu şartlan tahakkuk ettirecek ayar sistemleri, yük açısı fonksiyonu ve onun za mana tabi seyrindeki ayarlamadır. Açının fonksiyonundaki ayarlama bizzat statik stabi liteyi kuvvetlendirir ve yanlış bir senkroni zasyona mani olur. Buna mukabil açının za mana bağlı fonksiyonundaki ayar ise dinamik stabiliteyi mükemmeHeştirir.

Şekil : 2 — Çıkık kutuplu Senkron Makinenin genel diyagramı C(, C5 doğrusu bir senkron kompansatörün 3,5 % aktif takatta çalışma noktalarının geometrik yeri.

Yük açısı fonksiyonundaki özel ayarlama

durumunu kavrayabilmek için şekil 2 yi tetkik

edelim. Diyagramda misal olarak, 3,5 >% sabit

aktif takata havi kompanzatör olarak çalışan

senkron makinenin çalışma noktalarının ge

ometrik yeri olarak C, C, doğrusu gösteril

tir. Şimdi kapasitif yükün artması ile lüzum

lu ikaz akımının seyrini takip edelim. C nok

tasında ikaz boşta çalışma ikazına eşit olup

ve böylece reaktif takat sıfıra eşit olur. Ar

tan kapasitif takatla ikaz akımı küçülmek

zorundadır., C2 noktasında değeri sıfıra, eşit,, sonra negatif olur, stabilite sınırı OZ üzerin

deki C, noktasına gelir; burada negatiftik

maksimum had alır; bundan sonra tekrar

süi"atle yükselir. tekrar sıfır olur ve

COt Zn1osktatabsiılnitdeasıinkıanz

akımı üzerin

deki C, noktasına kadar pozitif yönde art

makta devam eder. Görüldüğü gibi, doğru O

noktasına ne kadar yakın geçiyorsa, yani ak

tif takat mutlak değeri, nekadar küçükse; ge

rekli ikaz artmasıda okadar kuvvetlidir. Ku

tup tekerleği açısının, teta seyrini takip ede

cek olursak, C2 noktasına kadar küçük kaldı ğını, bundan sonra Cn noktasına, kadar ya vaşoa yükseldiğini ve bu noktadan itibaren

küçük takat değişmelerinde; doğrunun o nok tasından uzaklığı ne kadar küçükse o nisbet te sür'atle yükseldiğini görürüz. İkazın sürat le yükselişi kutup tekerleği açısının sür'atle yükselışiyle bağıntılıdır. Böylelikle, kutup te kerleği açısını ölçmek ve bununla bağıntılı ikazın ilâve bileşkesini belirtmek kolaylaşır. Brown lîoveri Firması açının fonksiyonuna giren ikazın eşdeğer ayarını muhtelif araştır malarla hesaplamıştır.

Şekil: 3 Bir açıya bağlı ayarlı generatörün prensip şeması.

Şekil 3 bu iş için kurulan montaj şeması nı gösteriyor. Generatör G havai hat L üze rinden sonsuz büyük bir şebekeye bağlanıyor. T Türbin, TR ise iki fazlı yardımcı generatör TD vasıtası ile devri ölçen Türbin regülatörü dür. Generatörün ikazı normal ikaz zaman sabitesini haiz ikaz yükselticisi EV vasıtası ile olur. İkaz iki bileşke toplamından teşekkül eder. Birinci bileşke Ucu gerilim regülatörü SR tarafından ayarlanır. İkinci bileşke U ^ ^ açı regülatörü WR vasıtası ile ayarlanır. Bu, normal bir regûlatoıün özel şekilde bağlanarak generatör uç gerilimi ile kutup tekerleği ara sındaki açıyı ölçmesi sayesinde temin edilir. Rı direnci gerilimi istenilen sabit değere ayar lamaya ve R2 ise eğer generatör devreden çı karsa tekrar senkronizmi kolaylaştırmaya ya rar. WM ise kutup tekerleği ile sonsuz büyük şebeke arasındaki açıyı ölçen bir açı ölçme aletidir.

Şekil 4 generatörün statik olarak ölçülen işletme noktalarından bazılarını gösteriyor. Görüldüğü gibi açının fonsiyonundaki ikaz makineyi ikinci stabilite sının OZ1 ne kadar bütün çalışma sahasında stabilize eder. Çe kinmeden stabil kutup tekerleği açısı 165° ye kadar çıkabilir. Motor olarak çalışmadan ge neratör olarak çalışma sahasına geçiş hiç bir ilâve tesisat ve tertibat almadan mümkündür.

Yalnız statik araştırmalar işletme emni yetini garantileyemezler. Bu sebepten bir ke

Şekil: 4 Bir açıya tâbi ayarlı Senkron Makinenin ölçülen statik stabl İşletme noktalan.

rede senkron makinenin arıza esnasındaki durumunu tetkik etmek icab eder. Şekil 5 ge neratorün devreden çıkması esnasındaki osıl logramlan gösteriyor. Burada her iki bileşen Ueu ve Ug.teta, stator akımı I, ikaz akımı Ie ve uç gerilimi U verilmiştir. Altında açı ölçen aletinde değerleri belirtilmiştir. Senkron ma kine stabil olarak 87° elk. açısı ile çalışıyor. Generatorü devreden çıkarmak için t0 anında açıya bağlı bileşeni U^t,, kaldırılır .(devreden çıkarılır). Gerilim regülatörü artık tek başına makineyi zaptedemez. Makine devreden çıkar. t, anında açı, gerilim regülâtörünün gerilimi sabit değerde tutabilmesi ve böylece senkro nizmi kolaylaştırması için 180° ye çıkar. Bu esnada halâ açıya tabi eşdeğer bileşen devre haricidir.

Regülâtörün sabit tutması icab eden ge rilimin yükselmesine rağmen kutup tekerle ği, aksi polarite ile senkronize olabilmesi için 237° dereceye kadar kaymakta devam eder ve sonra geriye salınır, t, zaman noktasında açıya bağlı bileşen V^.teta tekrar devreye girer ve kutup tekerleğini tekrar eski durumuna koymaya zorlar, t, anında gerilim regülâtörü nün başlangıç sabit gerilim değerini otomatik man elde ettiği 0° açısına erişilir. Böylece ma kine birkaç sönümlü salmından sonra stabilize olur ve gayet normal bir şekilde gerilim regü latörünün empoze ettiği yükü üzerine alır. Bu tecrübe açıya bağlı ikazın nekadar mühim olduğunu gayet sarih gösteriyor. Bu eşdeğer ikaz olmasa idi generatör devreden çıkacak ve ters polarite ile senkronize olacaktı. Bu vazi yet dahilinde makineyi devreden çıkarmak ve yeni baştan senkrone etmek mecburiyeti hasıl olacaktırki, buda şebeke işletmesi için mühim bir arıza tevlit eder. Bu şekildeki ku tup tekerleği fonksiyonunun ayar mekaniz ması senkron konpanzatörlerde şarttır.

Belki biraz teorik olan ve ilk tecrübeler den istifade edilerek yapılan ikinci deney, senkron makinenin açı fonksiyonundaki ika zın ayan vasıtası ile kafi hakimiyetini ispat eder.

Şekil 6 bu tecrübenin ossilogramını gösteri yor. İkazı devre harici edilmiş bir generator;

nunu icra edecek şekilde gerilim polaritesi aksı yöne döner. Arızadan sonra gerilim fonk siyonundaki bileşen lüzumlu negatif değeri elde etmekteki rolünü oynamakta devam et tiği halde, açıya bağlı bileşen sıfır değere dö ner Bu araştırmalar gösteriyorki açı fonksi yonundaki eşdeğer ayar yalnız normal işlet

Şekil: 5

Ü

elle devre dışı

e telıı

teta = 180° elle B (Şekil 3) Otomatik devreye giriş

U

elle devreye giriş

e teta

teta = 360°, = 0°, R (Şekil 3) Otomatik devre dışı

t, anında, zati ikazı tevlit eden, bir boşta ça lışan hatta bağlanıyor. Bu esnada kutup te kerleğinin remenansı negatiftir. Zati ikaz re jiminden dolayı gerilim yavaşça yükselir. t2 anında normal gerilim regülâtörü devreye so kulur, polarite remenansı negatif olduğundan, regülâtör ters ayar yapar ve zati ikaz rejimi ni kuvvetlendirir. tq anında açıya tabi eşde ğer bileşen devreye sokulur. Össiogramda gö rüdüğü gibi açı regülâtörü hemen tesirini gös terir ve gerilim regülâtörü normal fonksiyo

nae durumunda değil, aynı zamanda vukua gelen arızalarda da duruma hakim olur.

Son olarak dinamik stabilitenin mükem melleştirilmesi için kutup tekerleği açısının zamana tabi seyir fonksiyonunun eşdeğer (özel) ayarını kısaca görelim. Senkron maki nenin hareket differansiyel denklemlerine se yir fonksiyonu eşdeğer ayan ithal edilirse gö rülürki esas amortisman kısımlan büyür. Ma kinenin bu suni amortisman sayesinde dina mik stabılitesi; teorik ve pratik statik stabi

Şekil : 6 Kutup tekerleğinin başlangıç remenansı negatif olan zatî İkaılı hatta bağlı generator

9.

a

t den sonra

natürel zatî ikaz Gerilim regülatörü devreye giriyor Ters yönde çalışan gerilim regü latorü vasıtası ile kuvvetlenen zatî ikaz Açı regülatörü devreye giriyor Açı regülatörü vasıtası ile polarite düzeliyor, gerilim, gerilim regülatörü vasıtası ile sabit değerde stabilize oluyor, açıya bağlı bileşen sıfır oluyor

lıte sınırları arasındaki emniyet sahası naza ra alınmayacak kadar mükeminelleştirilebüir. Bunu muhtelif memleketlerde yapılan araş tırmalar teyid etmektedir.

Şekil 7: Brown Boveri Firmasının tecrü beleri için yaptığı monta] semasını gösteri yor. Bu bağlama açı fonksiyonundaki ayar montaj inin aynısıdır. Yalnız burada muayyen anlardaki kaymayı ölçen ve bununla ikazın üçüncü bileşenini temin eden bir ölçü aleti 8 kullanılıyor. Bu montajda ölçü ile teorinin

V

160 M —

190 «0 j

L

_t

— II"

p

«00 r W

'i60

M

?

i

ı

trI

Ii

Şekil: 7. Açısal fonksiyonu ayartı bir genera törün prensip şeması, 1 generatör, 2 hat, 3 sonsuz büyük şebeke, 4 ikaz, 5 gerilim regüla törü, 6 açı regülatörü, 7 tabageneratörü, 8 kayma ölçme aleti.

mutabakatını teinin için ataletsiz bir ikaz amplifikasyonu kullanılıyor. Normal işletme hallerinde ikaz ızgara kumandalı bir redresör veya bir normal ikaz makinesidir.

Şekil 8. Bu deneylerden elde edilen iki ossilogramı gösteriyor. Her iki ossilogramda da aktif takatin ve kutup tekerleği açısının zamana bağlı seyri görülüyor. Üstteki ossi logram kaymaya bağlı eşdeğer ikazın devre de olması, aşağıdaki ossilogram devrede olma dığı hale aittir.

Her iki haldede makine boşta çalışıyor ken ani olarak üstteki 63 KW ile, alttaki ise 40 EW ile yükleniyor. Eşdeğer ikazsız bu dar be 40 KW dan büyük olamazda Aksi halde generatör devreden çıkardı. İki ossilogram arasındaki fark hakikaten şayanı hayrettir. Takat açısı seyir fonksiyonu eşdeğer ikaza havi olduğu hallerde, amortisman, titreşim rejimi hemen hemen aperyodik seyredecek kadar kuvvetli olur.

E M M. 30 40

I i3

Şekil: 8. Yük darbesinde bir generatördeki yük açısı ve aktif takat P seyri.

a İkazı kaymaya eşdeğer ayarlı AP = 63 kW b İkazı kaymaya tabi eşdeğer ayarsız AP =

40 kW

Bu eşdeğer ikazsız hallerde uzun hatların sebep olduğu çok zayıf amortisman açıkça görülür. Üstteki ossilogramda yük darbesi alttakinden 58 \% fazla olmasına rağmen eri şilen maksimum açı 110° elk. olur. Halbuki eşdeğer ikazsız halde küçük bir darbede 130° elk'e kadar çıkar. Bu her iki halin mukayese si, açının zamana tabi seyir fonksiyonundaki ayarın dinamik stabilite üzerindeki tesirinin ehemmiyetini göstermeğe kâfidir.

Hulasaten takat açısı fonksiyonundaki eş değer ikaz sabit rotor akışı 0a için statik sta biliteyi ikinci, stabilite sınırına kadar garan tiler senkron makineye yalnız normal işlet me anında değil aynı zamanda vuku bulacak arızalarda da hakim olur. Kısa devreler esna sında makinenin transient durumuna ve di ğer regülatörlerin çalışma sistemlerine tesir icra etmez. Normal bir senkron makineden bu eşdeğer ikaz sayesinde işletme emniyetini sarsmaksızın termik olarak tamamen istifade edilir.

Büyük kapasitif yüklere maruz senkron makineler, için de yine bu eşdeğer regülasyon sayesinde, pahalı ve ağır özel konstrüksiyon lardan kaçınılmış olur.