Güç sisteminin baskın olarak endüktif karakteri nedeniyle, kaynak ve yük arasında aktif bir güç akışı, terminaller arasında bir faz gecikmesi ile gerçekleştirilmelidir. Faz kaydırmalı trafolar bu amaca ulaşmak için tercih edilen bir araçtır.
Bir faz kaydırmalı trafo (PST), tipik olarak üç fazlı elektrik iletim ağlarında aktif güç akışını kontrol etmek için kullanılan özel bir trafo türüdür. Bunu, sistemin iki düğümü arasındaki voltaj faz açısı farkını düzenleyerek gerçekleştirir. Prensip, bir şönt trafo tarafından beslenen bir seri bağlı trafo tarafından hatta faz kaydırmalı bir voltaj kaynağı enjeksiyonuna dayanır. Şönt ve seri trafo ünitesinin konfigürasyonu, faz kaymasını indükler.
İki ana konfigürasyon çok ilgi çekicidir:
Bir sistemin bir PST içerdiği ve paralel olarak çalışan iletim sistemleri arasındaki güç akışı ve
Bir PST içeren tek bir iletim hattı, aksi takdirde bağımsız iki güç sistemini birbirine bağlar.
İkincisi, aslında ilkinin özel bir durumudur, ancak günümüzde büyük sistemlerin birbirine bağlanması için daha önemli hale gelmiştir.
Aşağıdaki hususlar için, omik direnç R'nin, X reaktansı ile karşılaştırıldığında küçük olduğu varsayılır ve bu nedenle ihmal edilir.
Pratik bir temel durum, gücün gerekli olduğu bir yerin (yük tarafı), aynı anma gerilimi seviyesine sahip olması gerekmeyen iki sistem aracılığıyla kaynak tarafına bağlanmasıdır.
Herhangi bir ek önlem olmadan, I1 ve I2 akımları, sistemlerin empedanslarının oranıyla orantılı olarak dağıtılacaktır,
I1 = I × X2/(X1 + X2)
I2 = I × X1/(X1 + X2)
ve sistem 2'nin, o daldaki iki trafonun ek empedansları nedeniyle yükün sadece küçük bir kısmını alacağına şüphe yoktur.
Sistem 2'deki güç akışının artırılması gerekiyorsa, sistem 2'deki artan voltaj düşüşünü telafi etmek için ek bir voltaj ΔV verilmelidir.
Aktif gücün yük tarafına beslenmesi gerektiği ve sistemlerin endüktif karakteri göz önüne alındığında, bu gerilimin sistemin hat-toprak gerilimlerine (VL) 90° faz gecikmesine sahip olması gerekir.
Prensipte, ΔV kaynağı iki sistemin her birine kurulabilir. Şekil 2, her iki seçeneğin voltaj şemalarını gösterir. Şekil 2a, daha yüksek empedanslı sistem olan sistem 2'de kurulu PST ile Şekil 1'e karşılık gelir. Ek voltaj, sistem 2'deki voltaj düşüşünü sistem 1'deki voltaj düşüşüne düşürür.
PST VL*'nin çıkış veya yük tarafındaki voltaj, giriş veya kaynak tarafındaki VS voltajına yol açar. Tanım gereği buna gelişmiş faz açısı denir. PST sistem 1'e takılmışsa (Şekil 2b), ek voltaj, sistem 2'deki voltaj düşüşünü artıracaktır.
Bu durumda, yük tarafı gerilimi VL*, kaynak tarafı gerilimi VS'nin gerisindedir ve bu, geciktirme faz açısı olarak tanımlanır. Diyagramlardan da görülebileceği gibi, gelişmiş bir faz açısı, kaynak ve yük tarafı arasındaki toplam açıyı en aza indirir.
İkinci önemli uygulama, iki büyük bağımsız şebeke arasındaki güç akışını kontrol etmek için bir PST'nin kullanılmasıdır (Şekil 3). Sistem 1'den sistem 2'ye bir aktif güç akışı elde etmek için gelişmiş bir faz açısı gereklidir.
Faz Kaydırmalı Trofo Çeşitleri
Doğrudan PST'ler bir 3 fazlı çekirdeğe dayanır.Sargıların uygun bir şekilde bağlanmasıyla faz kayması elde edilir.
Dolaylı PST'ler, iki ayrı transformatörlü yapıya dayanmaktadır: dörtlü voltajın genliğini düzenlemek için bir değişken kademe uyarıcısı ve dörtlü voltajı doğru fazda enjekte etmek için bir seri transformatör.
Asimetrik PST'ler, giriş voltajına kıyasla değiştirilmiş bir faz açısı ve genliği olan bir çıkış voltajı oluşturur.
Simetrik PST'ler, giriş voltajına kıyasla değiştirilmiş bir faz açısına sahip, ancak aynı genliğe sahip bir çıkış voltajı oluşturur.
Genel Yönler
Bir faz kayması elde etmenin genel prensibi, bir fazın bir bölümünün başka bir faz ile bağlanmasına dayanır. 90º ek voltaj ΔV elde etmek için delta bağlantılı sargı kullanımı en basit çözümü sunar.
Şekil 4 olası bir düzenlemeyi gösterir ve birkaç temel tanımı tanıtmak için kullanılır. V2 – V3 fazlarının sekonder sargısı iki yarıya bölünmüştür ve faz V1 ile seri olarak bağlanmıştır. Bu sargının düzenleyici sargı olarak tasarlanması ve yük altında kademe değiştiricilerin (OLTC) kullanılmasıyla ΔV ve faz kayması açısı yük altında değiştirilebilir.
Fazör diyagramı yüksüz koşullar için, yani ünitedeki voltaj düşüşü dikkate alınmadan çizilmiştir. Ayrıca seri sargının iki yarısındaki akımların fazda olmadığına da dikkat edilmelidir.
Bu, normal güç trafolarından farklıdır ve dahili kaçak alan açısından sonuçları vardır.
VS1 = V10 + (ΔV1/2)
VL1 = V10 - (ΔV1/2)
ΔV1 = VS1 −VL1
Fazör diyagramından (Şekil 4b) şu şekildedir (VS1 = VL1 = V):
V0 = V × cos(α/2)
ΔV = V × 2 × günah(α/2)
VΔ = V × cos(α/2) × √3
ve IS = IL = I ile, akımın uyarıcı sargıya aktarılan kısmı şöyle olur:
IΔ = (ΔV/VΔ) × I × cos(α/2) = I × (2/√3) × günah(α/2)
Verim gücü hesaplanabilir
PSYS = 3 × V × ben
ve PST'nin boyutunu belirleyen nominal tasarım gücü,
PT = 3 × ΔV × I = PSYS × 2 × günah(α/2)
Üçüncü tür güç (PΔ), ikincil devreye aktarılan güçtür. Bu güç, PT'den farklıdır, çünkü birincil akımın bir kısmı, seri sargının iki parçası arasında telafi edilir.
İki çekirdekli tasarımlarda (Denklem ΔV1 = VS1 −VL1), bu güç aynı zamanda OLTC'nin gerekli kırma kapasitesini de belirler.
PΔ = VΔ × IΔ = 1/3 × PSYS × sin(α)
Aktarılan güce ek olarak, faz kayması açısı da önemlidir.
20°'lik bir faz kayması açısı, PST'nin üretilen gücün %34.8'i için tasarlanması gerektiği ve 40°'lik bir açının %68,4 gerektireceği anlamına gelir. Bu açıdan, yük altında etkin faz kayması açısının, yüksüz faz kayması açısından daha küçük olduğu dikkate alınmalıdır.
Yük güç faktörünün 1'e yakın olduğu optimum durumda, %15'lik bir PST empedansı, yük faz kayması açısını 8,58 oranında azaltır.
Pratikte, bir PST tasarlamak için çeşitli çözümler mümkündür. Seçimi etkileyen ana faktörler şunlardır:
Çıkış gücü ve faz kayması açısı gereksinimi
anma gerilimi
Bağlı sistemlerin kısa devre özelliği
Nakliye Sınırlamaları
Yük kademe değiştirici performans özellikleri
Ek olarak, üreticinin transformatör tipine (çekirdek veya kabuk) veya sargı tipine ve diğer tasarım özelliklerine ilişkin tercihleri de rol oynayabilir.
Derecelendirmeye bağlı olarak, tek veya iki çekirdekli tasarımlar kullanılır. İki çekirdekli tasarımlar, tek tanklı veya iki tanklı tasarım gerektirebilir.
1| Tek Çekirdekli Tasarım
Şekil 4a'da özetlenen tasarımla simetrik koşullar elde edilir. Şekil 5a ve Şekil 5b, düzenleme devresinin daha fazla ayrıntısıyla birlikte genel bağlantı şemalarını göstermektedir.
Tek çekirdekli tasarımın avantajı basitlik ve ekonomidir. Ama aynı zamanda bir takım dezavantajlar da var.
Dezavantajlar – OLTC'ler sisteme bağlıdır ve doğrudan tüm aşırı gerilimlere ve arızalara maruz kalır. OLTC adımı başına voltaj ve akım, spesifikasyon tarafından belirlenir ve her zaman OLTC'nin optimal ekonomik seçimine izin vermez. PST'nin kısa devre empedansı maksimum ile sıfır arasında değişir. Bu nedenle PST'nin sistemdeki arıza akımlarının sınırlandırılmasına katkı sağlaması planlanamaz.
Simetrik tasarımın avantajı (Şekil 5a), güç akışını etkileyen tek parametrenin faz kayması açısı olmasıdır. Tasarım, faz başına iki adet tek fazlı OLTC'ye (düşük değerler için bunun yerine bir adet iki fazlı OLTC kullanılabilir) veya iki adet üç fazlı OLTC'ye ihtiyaç duyar.
Şekil 5b, simetrik olmayan bir çözümü göstermektedir. Düzenleyici sargıların sadece yarısı kullanılır. Gerekli OLTC'lerin sayısı azaltılır, ancak kaynak voltajı ile yük voltajı arasındaki oran, faz kayması açısı ile değişir ve ayrıca güç akışını etkiler.
İki sistemi birbirine bağlayan transformatörler için sıklıkla kullanılan bir çözüm Şekil 6'da gösterilmektedir.
Bir düzenleyici transformatörün kademe sargısı, farklı bir faza bağlanabilir, bu da ayarlı sargı ile ünitenin diğer sargıları arasında bir voltaj kaymasına neden olabilir.
Düzenlenmiş sargı normalde kaynak tarafına bağlanır, ancak yük tarafının dolaylı olarak düzenlenmesi de mümkündür. Normal düzenleyici trafo durumundan faz kayması durumuna geçiş, üniteyi kapatmaya gerek kalmadan OLTC'nin orta konumunda mümkündür.
Simetrik bir PST'nin başka bir çözümü olan delta-altıgen faz kaydırmalı transformatör Şekil 7'de gösterilmektedir.
2| İki Çekirdekli Tasarım
İki çekirdekli tasarım için en yaygın olarak kullanılan devre aşağıdaki Şekil 8'de gösterilmiştir. Bu konfigürasyon bir seri ünite ve bir ana üniteden oluşur. Daha küçük derecelendirmeler ve daha düşük voltajlar için, iki çekirdekli PST'ler tek bir tanka yerleştirilebilirken, daha büyük derecelendirmeler ve daha yüksek voltajlı PST'ler, iki tanklı bir tasarım gerektirir.
İki çekirdekli tasarımın avantajı, ayar sargısının adım voltajı ve akımının seçimindeki esnekliktir. Bunlar, OLTC'nin voltaj ve akım değerlerine göre optimize edilebilir.
OLTC'ler, sınırlı anahtarlama kapasitesinin yanı sıra sınırlı akım derecelendirmelerine ve faz başına voltajlara sahip olduklarından, PST'lerin olası maksimum derecelendirmesi için ana sınırlayıcı özelliklerdir. Çok büyük derecelendirmeler için faz başına birden fazla OLTC kullanılması gerekebilir.
Belirli bir dereceye kadar üç kutuplu OLTC'ler kullanılabilir. Daha yüksek derecelendirmeler için üç adet tek kutuplu OLTC gereklidir. OLTC yalıtım seviyesi sistem voltajından bağımsızdır ve düşük tutulabilir. Kısa devre empedansı, ana ve seri transformatörlerin empedanslarının toplamıdır.
Seri ünitenin empedansı sabit ve faz açısından bağımsız olduğu için ünite kendini koruyacak şekilde tasarlanabilir ve ana ünitenin empedansı düşük tutulduğunda, empedansın faz kayması açısı ile değişimi küçük tutulabilir.
Dörtlü Güçlendirici Trafolar
Dörtlü güçlendirici trafolar, düzenleyici bir güç veya otomatik trafonun bir faz kaydırma trafosu ile birleşimidir. Tek veya iki çekirdekli bir tasarım olabilen PST, güç trafosunun regüleli tarafından beslenir (Şekil 9).
Bu yöntemle çıkış gerilimi dört kadran (büyüklük ve faz) ilişkisi içinde ayarlanabilir.
Referans Kaynak: Electric Power Engineering Handbook by Leonard L. Grigsby