Kuvvet Faktörü Düzeltme: Nedir? (Formül, Devre ve Kondansatör Bankaları)

Alan: Temel Elektrik

China

güç faktörü düzeltmesi nedir

Güç Faktörü Düzeltmesi Nedir?

Güç faktörü düzeltmesi (aynı zamanda PFC veya Güç Faktörü İyileştirmesi olarak da bilinir) devredeki reaktif gücü azaltarak AC devrelerinin güç faktörünü artırmak için kullanılan bir tekniktir. Güç faktörü düzeltme teknikleri devrenin verimliliğini artırmayı ve yükün çektiği akımı azaltmayı amaçlar.

Genellikle, kapasitörler ve senkron motorlar devrede indüktif elemanları (ve bu nedenle de reaktif gücü) azaltmak için kullanılır. Bu teknikler gerçek gücün miktarını artırmak için değil, sadece görünür gücün miktarını azaltmak için kullanılır.

Başka bir deyişle, gerilim ve akım arasındaki faz farkını azaltır. Yani, güç faktörünü birliğe yakın tutmaya çalışır. Güç faktörünün en ekonomik değeri 0.9 ile 0.95 arasındadır.

Şimdi soru ortaya çıkar, neden güç faktörünün ekonomik değeri birlik güç faktörü yerine 0.95'tir? Birlik güç faktörüne herhangi bir dezavantajı var mı?

HAYIR. Birlik güç faktörüne hiçbir dezavantajı yoktur. Ancak, birlik PFC ekipmanlarını kurmak zor ve maliyetlidir.

Bu nedenle, elektrik dağıtım şirketleri ve güç sağlayıcıları, bir ekonomik sistem oluşturmak için güç faktörünü 0.9 ile 0.95 arasında tutmaya çalışır. Ve bu aralık, bir güç sistemi için yeterli bir değerdir.

Eğer AC devresinde yüksek indüktif yük varsa, güç faktörü 0.8'in altında olabilir. Ve bu durumda, kaynağından daha fazla akım çeker.

Güç faktörü düzeltme ekipmanı, indüktif elemanları ve kaynağından çeken akımı azaltır. Bu, etkin bir sistem oluşturur ve elektrik enerjisinin kaybını önler.

Neden Güç Faktörü Düzeltmesi Gerekli?

DC devrelerinde, yük tarafından sarfedilen güç, gerilim ve akımın çarpılmasıyla basitçe hesaplanır. Ve akım, uygulanan gerilime orantılıdır. Bu nedenle, dirençli yük tarafından sarfedilen güç doğrusaldır.

AC devrelerinde, gerilim ve akım sinusoidal dalgalardır. Bu nedenle, büyüklük ve yön sürekli olarak değişir. Belirli bir zaman anında sarfedilen güç, o anki gerilim ve akımın çarpımıdır.

Eğer AC devrede bobin, chowk bobinleri, solenoid, dönüşümler gibi indüktif yükler varsa, akım gerilimle faz kayması içinde olur. Bu durumda, gerçek sarfedilen güç, gerilim ve akımın çarpımından daha azdır.

AC devrelerinde doğrusal olmayan elemanlar nedeniyle, hem direnç hem de reakans içerir. Bu nedenle, bu durumda, gücün hesaplanmasında akım ve gerilimin faz farkı önemlidir.

Saf dirençli yük için, gerilim ve akım aynı fazdadır. Ancak indüktif yük için, akım gerilimden geriye kalmaktadır. Bu da indüktif reakans oluşturur.

Bu durumda, güç faktörünü düzeltme, indüktif elemanın etkisini azaltmak ve sistemin verimliliğini artırmak için en çok ihtiyaç duyulan şeydir.

Güç Faktörü Düzeltme Formülü

Bir indüktif yükün sistemle bağlantılı olduğunu ve cosф1 güç faktörüyle çalıştığını düşünün. Güç faktörünü iyileştirmek için, yük ile paralel olarak güç faktörü düzeltme ekipmanını bağlamamız gerekmektedir.

Bu düzenlemeye ait devre diyagramı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

güç faktörü düzeltme örneği

Kondansatör öncü reaktif bileşeni sağlar ve geciken reaktif bileşenin etkisini azaltır. Kondansatör bağlanmadan önce yük akımı IL dir.

Kondansatör, gerilimden 90˚ önde olan IC akımını alır. Sistemin sonucu olarak elde edilen akım ise Ir olur. Gerilim V ile IR arasındaki açı, gerilim V ile IL arasındaki açıya göre azalır. Bu nedenle, güç faktörü cosф2 iyileştirilir.

power factor correction phasor diagram

Güç Faktörü Düzeltme Fazör Diyagramı

Yukarıdaki fazör diyagramından, sistemin geciken bileşeni azaltılmıştır. Bu nedenle, güç faktörünü ф1 den ф2 ye değiştirmek için, yük akımı IRsinф2 kadar azaltılmıştır.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

Kapasitörün güç faktörünü iyileştirmek için kapasitesi;

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

Güç Faktörü Düzeltme Devresi

Güç faktörü düzeltme teknikleri çoğunlukla kapasitör veya kapasitör bankası ve senkron kondansatör kullanır. Güç faktörünün düzeltilmesinde kullanılan ekipmanlara göre üç yöntem vardır;

Kapasitör Bankası
Senkron Kondansatör
Faz İleriye Çıkaran

Kapasitör Bankası ile Güç Faktörü Düzeltme

Kapasitör veya kapasitör bankası sabit veya değişken değerli kapasitans olarak bağlanabilir. Bu, endüksiyon motoruna, dağıtım paneline veya ana beslemeye bağlanır.

Sabit değerli kondansatör sürekli olarak sistemle bağlantılıdır. Değişken değerli bir kapasitans, sistemin gereksinimlerine göre KVAR miktarını değiştirir.

Güç faktörü düzeltmesi için, kondansatör bankası yük ile bağlantılı hale getirilir. Eğer yük üç fazlı bir yük ise, kondansatör bankası yıldız ve delta bağlantısı şeklinde bağlanabilir.

Delta Bağlantılı Kondansatör Bankası

Aşağıdaki devre şeması, üç fazlı yük ile delta bağlantılı kondansatör bankasını göstermektedir.

delta connected capacitor bank

Delta Bağlantılı Kondansatör Bankası

Delta bağlantısında her faz için kondansatör denklemi bulalım. Delta bağlantısında, faz gerilimi (VP) ve hat gerilimi (VL) eşittir.

$V_P = V_L$

Her faz için kapasitans (C∆) şu şekilde verilir;

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

Yıldız Bağlı Kondansatör Bankası

Aşağıdaki devre şeması, üç faz yükü ile yıldız bağlantılı kondansatör bankasını göstermektedir.

Yıldız Bağlı Kondansatör Bankası

Yıldız bağlantısında, faz gerilimi (VP) ve hat gerilimi (VL) arasındaki ilişki şu şekildedir;

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

Her faz başına düşen kapasitans (CY) şu şekilde verilir;

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

Yukarıdaki denklemlerden;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Bu, yıldız bağlantısında gereken kapasitansın, delta bağlantısında gereken kapasitansa üç kat olduğu anlamına gelir. Ayrıca, işletim faz voltajı, hat voltajının 1/√3 katıdır.

Dolayısıyla, delta bağlantılı kondansatör bankası iyi bir tasarım olup, bu nedenle, üç fazlı bağlantıda, delta bağlantılı kondansatör bankası ağda daha çok kullanılır.

Senzorsuz Kondansatör ile Güç Faktörü Düzeltme

Bir senkron motor aşırı heyecanlanırken, öncül akım alır ve bir kapasitör gibi davranır. Yüklenmeden çalışan aşırı heyecanlanmış bir senkron motora senkron kondansatör denir.

Bu tür bir makine, beslemeye paralel bağlandığında öncü akım alır. Ve sistemin güç faktörünü iyileştirir. Sıfırlayıcı ile beslemenin bağlantı diyagramı aşağıdaki resimde gösterilmiştir.

power factor correction using synchronous condenser

Sıfırlayıcı Kullanarak Güç Faktörü Düzeltme

Yük reaktif bir bileşene sahip olduğunda, sistemden geciken bir akım çeker. Akımı nötralize etmek için bu cihaz öncü bir akım almak için kullanılır.

synchronous condenser phasor diagram

Sıfırlayıcı Fazör Diyagramı

Sıfırlayıcı bağlanmadan önce, yükün çektiği akım IL ve güç faktörü фL.

Sıfırlayıcı bağlandığında, Im akımını alır. Bu durumda, sonuç akımı I ve güç faktörü фm.

Fazör diyagramından, her iki güç faktörü açısını (фL ve фm) karşılaştırabiliriz. Ve фm фL dan daha küçüktür. Bu nedenle, cosфm cosфL den büyüktür.

Bu tür bir güç faktörü iyileştirme yöntemi, aşağıdaki avantajlar nedeniyle toplu besleme istasyonlarında kullanılır.

Motorun çektiği akımın büyüklüğü alan tahrikinin değiştirilmesiyle değişir.
Sistemin içinde meydana gelen hatalar kolayca giderilebilir.
Motor sarımının termal istikrarı yüksek olduğu için, kısa devre akımları için güvenilir bir sistemdir.

Faz İleriye Taşıyıcı

Endüksiyon motoru, tahrik akımı nedeniyle reaktif akım çeker. Tahrik akımı sağlamak için başka bir kaynak kullanılırsa, stator sarımı tahrik akımından arındırılır ve motordan güç faktörü iyileştirilebilir.

Bu düzenlemeler faz ileriye taşıyıcı kullanılarak yapılabilir. Faz ileriye taşıyıcı, motorun aynı şaftına monte edilmiş ve motorun rotor devresine bağlanmış basit bir AC tahrikçidir.

Faz ileriye taşıyıcı, slip frekansında rotor devresine tahrik akımı sağlar. Gerekenden daha fazla tahrik akımı sağlarsanız, endüksiyon motoru öncelikli güç faktörü ile çalıştırılabilir.

Faz ileriye taşıyıcının tek dezavantajı, özellikle 200 HP'nin altında küçük boyutlu motorlar için ekonomik olmamasıdır.

Etkin Güç Faktörü Düzeltme

Etkin güç faktörü düzeltme, daha etkin bir güç faktörü kontrolü sağlar. Genellikle 100W'den fazla güç kaynağı tasarımı için kullanılır.

Bu tür bir güç faktörü düzeltme devresi, diod, SCR (güç elektronik anahtarları) gibi yüksek frekansta anahtarlama elemanlarından oluşur. Bu elemanlar aktif elemanlardır. Bu nedenle, bu yöntem Etkin Güç Faktörü Düzeltme yöntemi olarak adlandırılır.

Pasif güç faktörü düzeltmede, devrede kullanılan kondansatör ve bobin gibi reaktif elemanlar kontrol edilmez. Pasif güç faktörü düzeltme devresi herhangi bir kontrol ünitesi veya anahtarlama elemanı kullanmadığından.

Devrede kullanılan yüksek anahtarlama elemanları ve kontrol ünitesi nedeniyle, bu devrenin maliyeti ve karmaşıklığı pasif güç faktörü düzeltme devresine göre artar.

Aşağıdaki devre şeması, etkin bir güç faktörü düzeltme devresinin temel elemanlarını göstermektedir.

etkin güç faktörü düzeltme

Etkin Güç Faktörü Düzeltme

Devre parametrelerini kontrol etmek için devrede bir kontrol birimi kullanılır. Bu birim, girdi gerilimini ve akımı ölçer. Ve faz gerilimi ve akımında anahtarlama zamanını ve çalışma oranını ayarlar.

İndüktör L, katı hal anahtarı Q ile kontrol edilir. Kontrol birimi, katı hal anahtarı Q'nun (AÇIK ve KAPALI) durumunu kontrol etmek için kullanılır.

Anahtar AÇIK olduğunda, indüktör akımı ∆I+ artar. İndüktörün gerilimi kutuplara ters yönde döner ve enerji diot D1 aracılığıyla yük üzerine biriktirilir.

Anahtar KAPALI olduğunda, indüktör akımı ∆I– azalır. Bir döngü boyunca toplam değişim ∆I = ∆I+ – ∆I– olur. Anahtarı AÇIK ve KAPALI tutma süresi, kontrol birimi tarafından çalışma oranı değiştirilerek kontrol edilir.

Uygun çalışma oranı seçilerek, yük üzerinde istenen akım şekli elde edilebilir.

Güç Faktörü Düzeltmesinin Boyutlandırılması Nasıl Yapılır?

Güç faktörü düzeltmesinin boyutlandırılmasında, reaktif güç (KVAR) gereksiniminin hesaplanması gerekmektedir. Ve bu büyüklükteki kapasitans, sistemle bağlantılı hale getirilerek reaktif güç talebine karşılık verir.

KVAR gereksiniminin bulunması için iki yöntem vardır.

Tablo Çarpıcı Yöntemi
Hesaplama Yöntemi

İsminden de anlaşılacağı gibi, tablo çarpıcı yönteminde, doğrudan bir tablodan bir sabit çarpan bulunabilir. Gereken KVAR'ı, bu sabiti giriş gücüyle çarparak doğrudan bulabiliriz.

table multiplier method

Tablo Çarpım Yöntemi

Hesaplama yönteminde, aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi çarpanı hesaplamamız gerekmektedir.

Örnek:

10 kW'lık bir endüksiyon motorun güç faktörü 0.71 geriliktir. Eğer bu motoru 0.92 güç faktörüyle çalıştırmak istiyorsak, kondansatörün büyüklüğü ne olmalıdır?

Giriş Gücü = 10kW
Gerçek Güç Faktörü (cos фA) = 0.71
Gerekli Güç Faktörü (cos фR) = 0.92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Multiplier \, Constant = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

Gerekli KVAR = Giriş Gücü x Çarpan Sabiti

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Bu nedenle, güç faktörünü 0.71'den 0.92'ye yükseltmek için 5.658 KVAR reaktif güç gereklidir. Sistemle bağlantılı olan kondansatörün kapasitesi 5.658 KVAR'dır.

Güç Faktörü Düzeltmesinin Uygulamaları

Bir güç sistemi ağında, güç faktörü sistemin kalitesi ve yönetimi konusunda en önemli rolü oynar. Güç tedarikinin etkinliğini belirler.

Güç faktörü düzeltmesi olmadan, yük kaynaktan yüksek bir akım çeker. Bu, kayıpları ve elektrik enerjisinin maliyetini artırır. PFC ekipmanları, akım ve voltaj dalgalarını fazda eşitlemeye çalışır. Bu, sistemin etkinliğini artıracaktır.
Taşıma ağında, yüksek güç faktörü gerekli olur. Yüksek güç faktörü sayesinde, taşıma hattının kayıpları azalır ve gerilim düzenleme iyileşir.
Endüstride yaygın olarak kullanılan ekipmanlardan biri endüksiyon motorudur. Motorun aşırı ısınmasını önleme ve etkinliğini artırmak için, kondansatörler reaktif gücün etkisini azaltmak için kullanılır.
PFC ekipmanları, kablolar, anahtarlık, alternatör, transformator vb. cihazlarda ısı üretimini azaltır.
Ağın yüksek etkinliği sayesinde daha az enerji üretmemiz gerekmektedir. Bu, atmosfere karbon salınımını azaltır.
Sisteme PFC ekipmanları ile birlikte kullanıldığında, gerilim düşümü önemli ölçüde azalır.

Açıklama: Orijinali saygıya almak, iyi makaleleri paylaşmaya değer. İhlal varsa lütfen silme isteyin.

Yazarı Ödüllendir ve Cesaretlendir

Konular:

Güç Sistemleri

İletim

Uzmanlar hakkında

Electrical4u

China