Reaktif Güç ve Güç Faktörü Düzeltmesi Hakkında Temel Bilgiler
- Hüseyin GÜZEL
- 2 days ago
- 9 min read
Reaktif güç ve güç faktörü düzeltmesi neden önemlidir?
Reaktif güç ve güç faktörü düzeltmesi neden bu kadar önemli? Tecrübeli mühendisler için bu soru bile değil, aşikâr bir gerçek. Ancak bu kavramlarla ilk kez tanışan genç öğrenciler için, konunun detaylı ve anlaşılır bir şekilde açıklanması kritik önem taşıyor. Çünkü ileride öğrenecekleri birçok şeyin temeli bu konuya dayanıyor.
Terimlere Giriş
AC devrelerinde, bir yük tarafından emilen akım, aktif bileşen IR ve reaktif bileşen IQ olmak üzere iki bileşene ayrılabilir. Besleme gerilimiyle aynı fazda olan aktif bileşen IR, çıkışla doğrudan ilişkilidir ve elektrik enerjisinin mekanik, ışık ve ısı gibi farklı enerji türlerine dönüştürülen kısmını temsil eder.
Gerilimle dik fazda olan reaktif bileşen IQ, elektrik veya manyetik alan aracılığıyla güçlerin dönüştürülmesi için gerekli akımı üretir ve besleme ile yük arasındaki enerji transferinin bir göstergesidir. IQ olmadan, örneğin bir transformatörün çekirdeğindeki veya bir motorun hava boşluğundaki manyetik bağlantı sayesinde net bir güç transferi gerçekleşemezdi.
Bu nedenle, bir elektrik tesisatında, aktif güç P’ye ek olarak, elektrik enerjisinin dönüşümü için gerekli olan ancak şebekeyle değiş tokuş edildiği için yüke iletilemeyen belirli bir reaktif güç Q’nun üretilmesi ve iletilmesi gerekir.
Üretilen ve iletilen güçlerin toplamı, görünen güç S'yi oluşturur. Güç faktörü cosϕ, aktif bileşen IR ile toplam akım değeri I arasındaki oran olarak tanımlanır; Φ ise gerilim ve akım arasındaki faz açısıdır.
Güç faktörünü artırmak, aynı gerekli çıkış gücünde, yukarı akış şebekesinden geçen akım ve güç miktarını azaltmak için gereken reaktif gücün yerel olarak sağlanması anlamına gelir.
Bu şekilde, hatlar, jeneratörler ve transformatörler, aşağıdaki paragraflarda daha ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, daha düşük görünen güç için boyutlandırılabilir.
İçindekiler Tablosu:
Alternatif akım devrelerinde reaktif elemanların oluşumunun gerekliliği ve bu elemanların hizmet vermesi için gereken reaktif güçler veya VAR parçaları, bu tür alternatif akım besleme sisteminin önemli bölümleri neden olur.
Net reaktif güç bileşenlerinin kaynak tarafından karşılanması gerekir ve bu sorun giderilmezse, çalışma üzerinde önemli bir etki olabilir.
Bir V gerilimi ve I akımıyla ilişkili karmaşık güç şu şekilde tanımlanır:
S = P + jQ = V × I* (burada I*, I'nın karmaşık eşleniğidir)
Reaktif güç, emildiğinde (bunların gecikmeli güç faktörü bir devrede olduğu gibi) pozitif olarak kayıtlısınız.
a. Saf kapasitans elemanı – Saf kapasitans elemanı için P=0 ve I, V'den 90° öndedir, bu nedenle karmaşık güç şöyledir:
S = jQ = (V ∠0°) (I ∠90°)
S = V×I ∠−90°
S = −jV×I
Böylece kapasitans elemanı reaktif güçler üretir.
b. İndüktif eleman – Benzer şekilde, bir indüktif eleman için P = 0 ve I, V'nin 90° gerisindedir, bu nedenle:
S = jQ = (V ∠0°) (I ∠−90°)
S = V×I ∠+90°
S = +jV×I
Bu nedenle, endüktans aktif reaktif güç emer. Çoğu yükte net endüktiftir ve bu nedenle kaynak tarafından reaktif gücün korunması gerekir. Benzer şekilde, havai hatlar net reaktif güç emicileridir, ancak yüksek kapasitanslı kablolar net reaktif güçler üreticisidir ve bu da kaynak tarafından karşılanmalıdır.
Bir yükte reaktif gücün mevcut olması, güç faktörünün düşmesine neden olur ve bu nedenle yüksek güç faktöründe çalışmaya devam edilir.
Prensip olarak, reaktif güç çözümünün çözümü: reaktif gücü karşılama ihtiyacını hafifletmek için gereken kadar ek endüktans veya kapasitans takmak yeterlidir. Bu, güç faktörünün iyileştirilmesinin genel içeriğidir.
Genel (gecikmeli) güç faktörü cosΦ için akım, gerilimin Φ kadar gerisindedir; önde gelen güç faktörü için ise akım, gerilimin Φ kadar önündedir. Çeşitli faz ilişkileri ve bunlara karşılık gelen fazör diyagramları aşağıda gösterilmiştir.
Gecikmeli devre:
Önde gelen devre:
Şunu unutmayın ki (geleneğe göre) reaktif güç, gecikmeli güç faktörlü devrelerde pozitiftir (emilir) ve ileri güç faktörlü devrelerde negatiftir (üretilir).
Ayrıca şunlara da dikkat edin:
Toplam Akım |I| = √((I cosφ)2 + (I sinφ)2)
Görünür güç |S| = √(P2 + Q2) = √((VI cosφ)2 + (VI sinφ)2)
Bir yükte düşük güç faktörü (veya reaktif güç varlığı) ile ilişkili iki ana sorun vardır:
Gerilim düşüşü
Verimlilik (ve enerji tedarik maliyeti)
2.1 Gerilim Düşüşü
Akımın reaktif bileşeni, I × sinφ, yükteki regülasyonu etkileyen istenmeyen bir voltaj düşüşüne neden olur.
2.2 Verimlilik ve Maliyet
Reaktif akım (I sinφ) ayrıca bağlantı hatlarında ek ısı kaybına neden olur ve bu nedenle tedarikçi, düşük güç faktörlü yükler için ek maliyet primi uygulayarak yük güç faktörüne sınırlar getirecektir.
En genel biçimde, bu, bir yükün en yüksek kVA gereksinimine bir ücretlendirme yoluyla olacaktır, böylece güç faktörünün düşürülmesiyle kVA'nın azaltılması müşteri için ekonomik bir teklif haline gelir.
Tipik gecikmeli devrelerde güç faktörünü düzeltmenin geleneksel yolu, yükün ihtiyaç duyduğu reaktif gücün bir kısmını üretmek için kapasitör takmaktır; böylece beslemenin bunu sağlamasına gerek kalmaz.
Kapasitör takılması için iki konfigürasyon mevcuttur: seri ve paralel bağlantı.
3.1 Seri Bağlantı
Aşağıdaki diyagramda, Vs' kapasitanssız kaynak gerilimini, Vs ise kapasitans düzeltmesi yapılmış kaynak gerilimini göstermektedir.
Gerilim regülasyonu şu şekildedir:
ΔV = |VS| − |VR|
Böylece, eklenen VAR üretimi QC = I^2 XC olur ve bunun sonucunda voltaj regülasyonundaki iyileşme (azalma) QC sinΦ / I volt olur.
Seri bağlantının bazı avantajları ve dezavantajları vardır:
Toplam I'deki azalma küçüktür, bu nedenle hat kayıplarındaki iyileşme çok küçüktür.
Seri kapasitans, voltaj regülasyonu ve voltaj dalgalanmalarını iyileştirme (düzeltme) için çok iyidir.
Hat reaktansı yüksekse, seri kapasitans kararlılığı iyileştirmeye yardımcı olur.
Seri bağlantı, kapasitans değerinin kolayca değiştirilememesi nedeniyle şönt bağlantıya göre çok daha az esnektir.
3.2 Kapasitörlerin Şönt (Paralel) Bağlantısı
Şunu unutmayın:
I’ = IR + IC
QC = VR IC
Bu durumda düzenleme şöyledir:
ΔV = IR RcosΦ + IRXL sinΦ − ICXL
Ve voltaj yükseltici şu şekildedir:
ICXL = QCXL / VR
Şönt bağlantısının avantajları ve dezavantajları şunlardır:
Güç faktörünü iyileştirir ve hat akımını önemli ölçüde azaltır, böylece hat kayıplarını önemli ölçüde düşürür.
Gerilim düzeltmesi açısından seri bağlantı kadar iyi bir seçenek değildir.
Değer değişikliğinin yük akımını etkilememesi nedeniyle, seri bağlantıya göre çok daha fazla kullanım esnekliğine sahiptir.
Genel olarak, seri bağlantı nadiren kullanılır; ancak daha iyi gerilim regülasyonuna ihtiyaç duyulan bazı çok yüksek gerilimli uzun iletim hatlarında tercih edilir.
Şönt kapasitörlerin kullanımı, dağıtım sistemleri ve yükler için neredeyse evrenseldir; burada şönt bağlantının esnekliği, değişen yük koşullarına uyum sağlayabilen anahtarlamalı kapasitör bankaları (statik VAR kompansatörleri) kullanılarak otomatik kompanzasyona olanak tanır.
Önemli Not:
Yukarıda, en yaygın yük türü olan gecikmeli güç faktörlü yükler ele alınmıştır. İleri güç faktörlü yükler için ise, reaktif gücü absorbe edecek seri endüktans gibi yöntemlerin eklenmesi gerekmektedir.
Alternatif olarak, bazı iletim hatlarında kullanılan bir seçenek de, hattın yük ucunda yüksüz senkron motorların kullanılmasıdır:
Aşırı uyarıldığında, senkron motor önde gelen bir güç faktörüyle çalışacak ve VAR üretecektir.
Yetersiz uyarıldığında ise motor geride kalan bir güç faktörüyle çalışacak ve VAR emecektir.
Tüketici tarafındaki güç faktörünün iyileştirilmesi, voltaj regülasyonunu ve güç aktarım verimliliğini artıracaktır.
Temel amaç, cosΦ'yi (tipik olarak 0,55-0,8) daha yüksek bir değer olan cosΦ'ye (tipik olarak yaklaşık 0,9-0,95) çıkarmaktır.
Bu, mevcut akımın büyüklüğünü I'den I'ye ve dolayısıyla hat kayıplarını I²R'den I'²R'ye düşürecektir. Benzer şekilde, reaktif akım bileşeni IQ, IQ'ya düşecektir; burada:
IC = IQ − IQ‘
Bu, yük gereksinimlerine bağlı olarak iki şekilde gerçekleştirilebilir:
Sabit toplam gerçek güçte (P): Bu, aynı toplam yük P için toplam hat akımının azaltılmasıyla yapılır.
Sabit toplam görünür güçte (S): Bu, aynı toplam hat akımına izin verilerek ancak yükteki toplam gerçek gücün (P) artırılmasıyla yapılır.
4.1 Sabit Gerçek Güçte Düzeltme
|S1| = VI1
|S2| = VI2
P = VI1cosΦ1 = VI2 cosΦ2
Q1 = VI1sinΦ1
Q2 = VI2 sinΦ2
Q1 − Q2 VAR reaktif güç üretmek için C kapasitansını kurmamız gerekiyor. Dolayısıyla şunlara ihtiyacımız var:
ΔQ = Q1 − Q2 = P (tanΦ1− tanΦ2)
Şönt kapasitans için:
ΔQ = IC^2 XC = VC^2 / XC = ωCVC^2
Hat akımındaki azalma şu şekildedir:
I2 = I1 × cosΦ1 / cosΦ2
For example, for cosΦ1 = 0.65 and cosΦ1 = 0.90,
I2 = 0.72 I1 [a reduction of 28%]
I2 = 0.52 I1^2 [a reduction of 48%]
4.2 Sabit S'de düzeltme
Bu yöntem, sabit bir kaynak akımı için olası yük kapasitesi artışına olanak sağlayan gerçek güç kullanılabilirliğini artırır.
Başlangıçta, cosΦ'de P1 gücü mevcuttur:
P1 = S cosΦ1
Q1 = S sinΦ1
Düzeltmeden sonra, cosΦ2'de P2 mevcuttur:
P2 = S cosΦ2
Q2 = S sinΦ2
Bunu başarmak için reaktif güç üretimine ihtiyacımız var: ΔQ = S(sinΦ1 − sinΦ2)
Bu durumda, hat üzerindeki kayıplarda elbette bir azalma söz konusu değil. Ancak, düzenleme iyileştirilmiştir.
PFC (Statik VAR Kompensatörleri veya SVC'ler) kurulumları, reaktif gücün yüksek olabileceği iletim ve dağıtım sistemlerinde, endüstriyel ve ticari binalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Kapasitörler, 7,5 kVAR ile 100 kVAR veya daha yüksek kapasitelerde olabilen modüler ve ayrı ayrı anahtarlanabilir ünitelerden oluşan gruplar halinde kurulur.
Otomatik güç faktörü algılama kullanılır ve genellikle tristör anahtarları aracılığıyla gerektiğinde uygun kapasitans değerleri devreye alınır ve devreden çıkarılır.
Senkron motor kompanzasyonu çoğunlukla (kullanıldığı durumlarda) şanzıman sistemlerinde kullanılır.
Bu tür kapasitör sistemlerinde karşılaşılan önemli bir pratik sorun, elektrik sistemindeki endüktans ile rezonans oluşma potansiyelidir. Bu tür kapasitörler kurulmadan önce rezonans olasılığı analiz edilmeli ve eğer güç frekansının harmoniklerinde rezonans oluşabiliyorsa, sisteme endüktans şeklinde harmonik filtreleme eklenmelidir.
Büyük ve yaygın olarak kullanılan ekipmanların çoğu nispeten düşük güç faktörlerinde çalışır ve bu da güç faktörü düzeltmesinden faydalanmalarını sağlar. Bu faydayı değerlendirmek için, bu tür kapasitör kurulumlarının maliyet-fayda analizini incelemek gerekir.
Tablo 1 – Tipik güç faktörleri
Kaynak | Güç faktörü |
Akkor lamba yükleri | 1.0 |
Isıtma yükleri | 0.95-1.0 |
Floresan aydınlatma | 0.6 (yaklaşık 0.95-0.97 iken) (bireysel olarak düzeltilmiş) |
Büyük indüksiyon motorları | Tam yükte 0,75-0,9 |
Küçük indüksiyon motorları | Tam yükte 0,6-0,85 (kesirli beygir gücü boyutu) |
6.1 Enerji Ölçümü ve Şarj Yöntemleri
Elektrik enerjisinin küçük tüketicileri, kullandıkları kilovat saat (kWh) başına ücret öderler. Küçük tüketiciler için güç faktörü iyileştirmesinden önemli bir fayda yoktur.
Sanayi, ticaret ve benzeri kuruluşlar gibi büyük enerji kullanıcıları için, ücretlendirme yöntemi çeşitli seçeneklerden biri olabilir. Bunların tümü, tepe talebin izlendiği ve ücretin belirlenmesinde kullanıldığı kapasite ücreti esasına dayanmaktadır.
Bunlar şunlar olabilir:
KW tepe başına günlük kapasite ücreti ($/kW/gün)
KVA tepe başına günlük kapasite ücreti ($/kVA/gün)
En yüksek talep, son 12 ay içindeki en yüksek yarım saatlik kW veya kVA güç okumasından belirlenir. Ayrıca, ücretlendirilebilir kW veya kVA okuması yalnızca en yüksek talep saatlerinde (hafta içi çalışma günlerinde 14:00-20:00 arası) gerçekleşebilir.
Unutmayın ki, kVA veya kVAR'lar ücretlendirme esası olarak kullanıldığında, kapasitör bankaları veya VAR kurulumları ile maliyet düşürme potansiyeli vardır.
Tipik olarak, kapasitörlerin maliyeti kVAR başına yaklaşık 20-40 dolar olabilir. Bu maliyet, potansiyel ekonomik faydayı belirlemek için amortize edilmiş tasarrufla birlikte kullanılmalıdır. Normalde, bir yıl kadar bir maliyet geri kazanım süresi hedeflenir. Daha uzun bir süre yeterli fayda olarak kabul edilmez, ancak hat kayıplarının azaltılmasının ek avantajı da hesaba katılmalıdır.
6.2 Kayıp Azaltma
Güç faktörü düzeltmesinin sağladığı diğer tasarruf avantajı, besleme hatlarındaki kayıpların azalmasıyla ortaya çıkar. Hat akımının azalması nedeniyle ohmik (I^2R) kayıptaki birim başına azalma şöyledir:
P U kayıp azaltımı = 1 − (PFeski / PFyeni)^2
Genellikle hat kayıpları, toplam yük güç tüketiminin yaklaşık %3-7'si kadardır. Yük güç tüketimi yüksekse, bu %3-7'lik orandaki herhangi bir azalma önemli bir fayda sağlayacaktır.
Örnek:
1000 kW'lık bir yük, haftada 60 saat boyunca 415V'luk bir şebekeden besleniyor ve şebeke hatlarında %7 kayıp var. Yükün güç faktörü (PF) 0,75 ve enerji maliyeti kWh başına 0,10$. PF'yi 0,95'e yükseltmenin maliyet faydaları nelerdir?
Yük güç faktörü 0,95'e yükseltilirse, kayıp iyileştirmesi şu şekilde olur:
1 − (0.75 / 0.95)^2 = 0.377 = 37.7%
Böylece, yeni kayıplar 0,623 × %7 = %4,36 oldu.
Eski haftalık kWh kaybı: 0,07 × 1000 × 60 = 4200 kWh
Enerji maliyeti haftalık 4200 × 0,1 $ = 420 $ idi.
Yeni haftalık kWh kaybı: 0,0436 × 1000 × 60 = 2618 kWh
Enerji maliyeti şimdi haftalık (2618) × 0,1 $ = 261,8 $ oldu.
Tasarruf 420 – 261,8 = haftada 158,2 ABD doları veya yıllık 8.226 ABD dolarıdır. [685,5$ /ay]
PF = 0,75 için, S = 1333 kVA, Q = 882 kVAR
PF = 0,95 için, S = 1053 kVA, Q = 329 kVAR
Dolayısıyla, 882 − 329 = 553 kVAR kurulu kapasiteye ihtiyaç vardır. Kondansatörlerin maliyeti 20$/kVAR ise, kurulum maliyeti 11.060$'dır. Maliyetin geri kazanılması için gereken süre 11.060 / 686 = 16,1 aydır.
6.3 Ani akım
Harmonik sorununa ek olarak, kapasitör bankalarının kullanımı, enerjilendirildiklerinde geçici yüksek frekanslı ani akımlara da neden olur. Bunlar bazı sorunlara yol açabilir.
Kapasitör ile kaynak arasında endüktif reaktans XL bulunan ve paralel olarak bağlanmış, reaktansı XC olan bir kapasitör kurulumu için ani akım şu şekildedir:
ve frekans şöyledir:
Şönt kondansatörler sigortalarla korunur. Sigorta telleri genellikle nominal kondansatör akımının %125 ila %135'i oranında boyutlandırılır. Bu, aşırı gerilim koşullarını, geçici akımları ve harmonikleri karşılamak içindir. 3 fazlı bir kondansatör bankasının nominal akımı şöyledir:
Kaynaklar:
Reactive Power and Power Factor Correction Lecture
Power factor correction and harmonic filtering in electrical plants by ABB
Comments