Statik VAr Kompanzasyonu Lisans Tezi

T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK-MİMARLIK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ

STATİK VAR KOMPANZASYONU STATİK VAR KOMPANZASYONU İlhan ŞİRİN

Onur TURAN

LİSANS TEZİ DANIŞMAN Yrd. Doç. Dr. Mustafa ŞEKKELİ

KAHRAMANMARAŞ HAZİRAN 2011

İÇİNDEKİLER SAYFA NO TEŞEKKÜR..................................................................................................................I ÖNSÖZ ........................................................................................................................ II ŞEKİLLER DİZİNİ..................................................................................................... III

1.GİRİŞ .........................................................................................................................6 2.GENEL BİLGİLER ...................................................................................................7 2.1 Aktif Güç .........................................................................................8 2.2. Reaktif Güç......................................................................................8 2.3. Görünür Güç....................................................................................9 2.4 Güç Üçgeni.....................................................................................10 2.5 Güç Katsayısı..................................................................................10 3.REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU ...................................................................11 3.1 Kompanzasyon ................................................................................11 3.2 Kompanzasyon Tesis Çeşitleri ........................................................11 3.2.1Bireysel Kompanzasyon.....................................................11 3.2.2 Grup Kompanzasyon.........................................................12 3.2.3 Merkezi Kompanzasyon....................................................12 3.3 Kompanzasyon Yöntemleri .............................................................13 3.4 Aşırı Kompanzasyonun Zararları ....................................................15 3.5 Reaktif Güç Gereksinimi.................................................................15 3.6 Reaktif Güç Tüketicileri ..................................................................15 3.7 Reaktif Güç Üreten Araçlar.............................................................16 3.8 Güç Faktörünün Doğurduğu Sorunlar ve Sonuçlar .........................16 3.8.1 Üretici Yönünden ..............................................................17 3.8.2 Tüketici Yönünden............................................................17 4. STATİK VAR SİSTEMLERİ ..................................................................................18 4.1 Statik VAR Sistemlerinin Özellikleri..............................................20 4.2 Statik VAR Sistemlerinin Ana Tipleri ...........................................20 4.3 SVS’nin Ana Harmonik Frekansındaki Davranışı ..........................20 4.3.1 İdeal SVS Karakteristiği ...................................................20 4.3.2 Gerçek SVS Karakteristiği ................................................21 4.3.3 Tesis İçin Yerleştirilen SVS Karakteristiği.......................22 4.4 Tristör Kontrollü Reaktör ( TKR ) ........................................................................26 4.5 Tristör Anahtarlamalı Reaktör ( TAR )..................................................................29 4.6 Tristör Anahtarlamalı Kondansatör ( TAK )..........................................................30 4.7 Uygulamada Kullanılan Statik VAR Sistemleri ....................................................34 5. MATLAB/SIMULINK KULLANARAK BİR TRİSTÖR KONTROLLÜ REAKTÖR GERÇEKLEŞTİRİLMESİ.........................................................................................36 6. STATİK VAR KOMPANZATÖRÜ’NÜN PROTEUS ORTAMINDA PIC İLE SİMULASYONU .......................................................................................42 6.1 Güç Katsayısı ..........................................................................................................42 6.2 Güç Katsayısı Tespiti...............................................................................................43 6.3 Modelleme İçin Hazırlanan Program Algoritması ................................................... 45 6.4 Statik Kompanzatörün Modellenmesi ......................................................................46 7. SONUÇ ....................................................................................................................42 8. KAYNAKÇA...........................................................................................................36

2

TEŞEKKÜR Öncelikle, bu tez çalışmasında günümüz şartlarında önem taşıyan bu değerli konuyu seçmemizde, akılcı yönlendirmeleri ve değerli bilgilerinden faydalandığımız, bizden hiçbir yardımı esirgemeyen Sayın Yrd.Doç.Dr Mustafa ŞEKKELİ hocamıza ayrıca programlama aşamasında bizden bilgilerini esirgemeyen Sayın Öğr.Gör.Alper DİZİBÜYÜK hocamıza, konu hakkındaki bilgi birikimlerinden faydalandığımız Arş.Gör.Fatih KEÇECİOĞLU’na bizleri yetiştiren, manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen ailelerimize teşekkürü bir borç biliriz.

3

ÖNSÖZ Dünyamızda enerjiye olan ihtiyaç her an artmakta, buna karşılık üzerinden enerji elde edebileceğimiz kaynaklar da azalmaktadır.Bu sebeple elimizdeki enerjiyi en yüksek verimle kullanmak birinci önceliktir.Elektrik enerjisi ihtiyacının karşılanması hususunda, mevcut sistemlerin daha verimli kullanılabilmesi için

birçok çalışma yapılmıştır.Bunların en

önemlilerinden biriside Reaktif Güç Kompanzasyonudur.

Bu çalışmamızdaki amaç, yarı iletken devre elemanı (tristör) kullanarak sistemin gereksinim duyduğu reaktif gücü kontrol etmektir.Yapmış olduğumuz tez de matlab/simulink ortamında Tristör Kontrollü Reaktör uygulaması yapılmış ve sonucunda reaktif güç kontrolünde optimum değerler elde edilmiştir.Ayrıca proteus ortamında yükün çektiği akım-gerilim arasındaki faz farkı tespit edilerek oluşan faz farkına göre sistemin ihtiyacı olan reaktörler devreye alınıp çıkarılarak Tristör Kontrollü Reaktör modellenmiştir.

Onur TURAN İlhan ŞİRİN

4

ŞEKİLLER DİZİNİ 2.1 Motor Güç Akışı......................................................................................................7 2.2. Alternatif Gerilim Sinyali ........................................................................................9 2.3. Endüktif Devrede Güç Üçgeni ................................................................................10 2.4 Kapasitif Devrede Güç Üçgeni................................................................................10 2.5 Akım Üçgeni ..........................................................................................................10 3.1 Bireysel Kompanzasyon Tek Hat Şeması................................................................12 3.2 Grup Kompanzasyon Tek Hat Şeması.....................................................................12 3.3 Merkezi Kompanzasyon Tek Hat Şeması................................................................13 4.1 Statik VAR Kompanzatörü Şeması .........................................................................19 4.2 SVS’nin Eşdeğer Devresi........................................................................................21 4.3 SVS’nin Akım Gerilim Karakteristiği .....................................................................21 4.4 Kontrol Edilen Reaktör ve Sabit Kapasite Şekli ......................................................22 4.5 SVS Barasında Görülen Thevenin Eşdeğer Devresi ................................................22 4.6 SVS Akımı ile SVS Bara Gerilimi Arasındaki İlişki................................................23 4.7 SVS’nin Eşdeğer Karakteristiği ..............................................................................23 4.8 SVS’ye İlişkin Üç Ayrı Yük Karakteristiği .............................................................24 4.9 SVS Devre Modeli ve Grafiği .................................................................................25 4.10 Tristör Kontrollü Reaktör.......................................................................................26 4.11 Tristör Kontrollü Reaktör ve Sabit Kapasite...........................................................27 4.12 6 Darbeli TKR Yapısı ............................................................................................28 4.13 12 Darbeli TKR Yapısı ..........................................................................................28 4.14 3 Fazlı TAR Yapısının Bir Kutuplu Gösterimi .......................................................29 4.15 TAR Tabanlı SVS Eşdeğer Devresi .......................................................................30 4.16 Tristör Anahtar Kontrolü .......................................................................................31 4.17 Bir Fazlı TAK Yapısı.............................................................................................31 4.18 TAK Bara Gerilimi Kapasite Gerilimi ve Akımı ...................................................32 4.19 Paralel Bağlı TAK Yapıları ve Kontrolü ................................................................33 4.20 TAK Yapısının U – I Karekterisitiği ......................................................................33 4.21 TKR ve TAK Sistemleri İle Oluşan SVS Sistemi ..................................................34 4.22 SVS Sisteminin Lineer Kontrol Bölgesi .................................................................35 5.1 Gerçekleştirilen TCR Sistem...................................................................................36 5.2 TCR Sistemin Kompanzasyondan Önceki Hali ......................................................38 5.3 Sistemdeli Yükler ..................................................................................................38 5.4 Kaynaktan Çekilen Reaktif Güç .............................................................................39 5.5 Kaynaktan Çekilen Aktif Güç ................................................................................39 5.6 Kompanzasyon Sonrası Devre Şeması ...................................................................40 5.7 Devreden Çekilen Aktif Reaktif Güçler ..................................................................40 5.8 Yükün İstediği Ve Reaktörün Ürettiği Reaktif Güç ................................................41 5.9 Tristör Tetikleme Açısı ..........................................................................................41 6.1 Sıfır Geçiş Dedektörü ............................................................................................42 6.2 Sıfır Geçiş Osilaskop Görüntüsü ............................................................................43 6.3 Şebeke Frekansının Bir Peryot Görüntüsü...............................................................44 6.4 LCD Ekran Faz Açısı Değeri ..................................................................................44 6.5 Program Algoritması ..............................................................................................45 6.6 Benzetim Yapılan Devrenin Blok Diyagramı .........................................................46 6.7 Sistemde Üretine Reaktif Gücün Dağılımı .............................................................46 6.8 Simülasyon Devresi .............................................................................................47

5

1.GİRİŞ Günümüzde yeni enerji kaynakları araştırılmakta ve var olan enerjinin de kalitesini artırarak en ekonomik şekilde kullanıcıya ulaştırılması yönünde çalışmalar yapılmaktadır. Elektrik enerjisinde; üretildiği santrallerden, tüketildiği yüke ulaşıncaya kadar çeşitli elektrik kayıpları meydana gelir.

Elektrik şebekesine bağlı cihazların hemen hemen tamamı şebekeden aktif güç yanında , birde reaktif güç çeker. Burada iş yapan güç aktif güçtür. Reaktif güç ise şebekeden çekilir ve daha sonra şebekeye yollanır.Şebekenin ve yükün ihtiyacı olan reaktif gücün belli teknikler kullanılarak karşılanması işlemi reaktif güç kompanzasyonu olarak adlandırılır.

Alternatif akımla çalışan elektrik güç sistemlerinin tasarım ve isletmesinde uzun zamandır reaktif güç önemli bir sorun olarak görünmektedir. Hatasız çalışan alternatif akım şebekesine sahip olabilmek için reaktif güçten kaynaklanan sorunların çözülmesi gerekmektedir. Reaktif gücün hiçbir probleme neden olmadığı varsayılsa,enerji iletim hattını meşgul etmesi bile tek basına önemli bir olumsuzluktur.

Dinamik kompanzatörler (kompanzasyon amaçlı senkron makineler) hızlı değişen reaktif güç talebinin olduğu sistemlerde (ataletleri sebebi ile) yetersiz kalmaktadır.Son yıllarda gelişen teknolojiye paralel olarak güç elektroniği elemanları daha büyük güçlerde imal edilebilmektedirler. Ayrıca kontrol elemanlarının performansında da büyük gelişmeler sağlanmıştır.Dolayısıyla değişken reaktif güç talep edilen yerlerde,bakımı masraflı ve hantal olan dinamik kompanzatörler yerine statik kompanzatörlerin kullanılması daha elverişli duruma gelmiştir.

6

2. GENEL BİLGİLER Elektriksel güç; bir devreye uygulan gerilimle bunun doğurduğu akımın bir hasılatıdır.

Aktif güç ile zahiri güç arasındaki açı, gerilimle akım arasındaki aynı faz açısıdır.O halde Cosφ ile faz farkı ifade edilebilir.

Cosφ = 1 ( Sadece aktif güç mevcuttur) Cosφ = 0 ( Sadece reaktif güç mevcuttur)

Şekil 2.1 Motor güç akışı Santralde üretilen bir enerji, aktif ve reaktif akım adı altında en küçük alıcıya kadar beraberce akmakta, iş yapmayan, sadece motorda magnetik alan doğurmaya yarayan reaktif akım, havai hatta, trafoda, tablo, şalterler ve kabloda lüzumsuz yere kayıplara sebebiyet vermektedir. Bu kayıplar yok edilirse, şüphesiz trafo daha fazla motoru besleyebilecek bir kapasiteye sahip olacak, bununla beraber disjonktör ( kesici ) lüzumsuz yere büyük seçilmeyecek, kablo ise daha küçük kesitte seçilebilecektir.[3]

Daha ilk bakışta reaktif akımın santralden alıcıya kadar taşınması, büyük ekonomik kayıp olarak görünmektedir. 7

Genellikle enerji dağıtım şebekelerinde lüzumsuz yere taşınan bu enerji, taşınan aktif enerjinin % 75 – 100’ü arasında tespit edilmektedir. Bu reaktif enerjinin santral yerine, motora en yakın bir mahalden gerek kondansatör tesisleri, gerekse senkron döner makinalar tarafından temin edilmesiyle, santralden motora kadar bütün tesisler bu reaktif akımın taşınmasından, yükünden arınmış olacaktır.[3]

2.1 Aktif Güç ( P)

Gücün her an değişik değer aldığı durumlarda iş gören, faydalı olan gücün ortalama değerine alternatif akımda aktif güç (etkin güç) denir.

P=U.I. Cos φ

Aktif güç U gerilim vektörü ile I. Cosφ akım vektörünün çarpımına eşittir. Akımın da iki vektörü olduğu göz önünde bulundurulmalıdır. Ia = I. Cosφ bileşene faydalı akım,

Ir=I.Sinφ ise reaktif, iş yapmayan bileşendir.

Omik (Saf Direnç) devrelerde Cos φ=1’ dir. Bunu sonucu olarak omik devrelerde sadece aktif güç mevcuttur ve P=U.I ‘ dır.

2.2 Reaktif Güç (Q)

Devrede ortalama değeri sıfır olan güce reaktif güç denir. Ortalama sıfır olduğundan faydalı bir iş görmez. Alıcı, çeyrek periyotda sistemden enerji alır ikinci çeyrek periyotda ise aldığı güçü tekrar şebekeye iade eder.

8

Şekil 2.2. Alternatif gerilim sinyali

1.Bölgede sistemden güç alınır. 2.Bölgeden alınan güç sisteme iade edilir. Kısaca U.ISinφ çarpımına reaktif güç denir. Q harfi ile gösterilir. Birimi VAR’dır. VAR: Volt-Amper-Reaktif Omik devrelerde φ= 1 olduğundan Sin φ= 0’dır. Bu devrelerde reaktif güç sıfırdır. Endüktif devrelerde φ= φ/ 2 olduğundan reaktif güç Q>0’dır. Kapasitif devrelerde φ= φ/2 olduğundan reaktif güç Q