Kapasitör Banklar

BAŞLIKLAR:

KAPASİTANS
KAPASİTÖR (KONDANSATÖR)
DİELEKTRİK DAYANIKLILIK
GÜÇ FAKTÖRÜNÜN (PF) DÜZELTMESİ İÇİN KAPASİTÖR BANKLARI
KAPASİTÖR BANKLARI İÇİN ANAHTARLAMA AYGITI
HARMONİKLER
APFC RÖLESİNİN ÇALIŞMASI
İNDÜKSİYON MOTORUNUN GÜÇ FAKTÖR DÜZELTMESİ - İYİLEŞTİRMESİ
KAPASİTANS: Bir iletken bir yükle yüklendiğinde, yükün miktarıyla orantılı olarak iletkenin potansiyeli artar. Belirli bir potansiyelde bir iletken belirli miktarda yükü tutabilir. Kapasitans; bir iletken tarafından sınırlı yük tutabilme kapasitesini göstermek için kullanılan bir terimdir.

Bir iletkene verilen yük “q” olsun,
İletkenin artan potansiyeli (gerilimi) de “V” olsun

q ile V arasında doğru bir orantı vardır,

q = CV

C; iletkenin şekline ve çevresindeki ortama bağlı olarak iletken için bir sabit katsayıdır. İşte bu sabit katsayıya iletkenin kapasitansı denir.

Eğer V = 1 volt ise C = Q dur ve dolasıyla kapasitans, bir iletkenin potansiyelini bir volt artırmak için coulomb cinsindan elektrik yük miktarı olarak tanımlanır.

Eğer V = 1 volt ise C = Q dur ve eğer Q = 1 Coulomb ise C = 1 farad’dır. Böylece Farad; iletkenin terminallerine bir volt gerilim uygulandığı zaman bir coulomb yükü depolayan kapasitörün kapasitansındır.

2. KAPASİTÖR (KONDANSATÖR):

Kapasitör ya da Kondansatör büyük miktarda elektrik yükü depolamak için kullanılan bir cihazdır. Gerçi belirli bir potansiyelde bir iletkenin yük tutama kapasitesi sınırlıdır ve bu kapasite yapay olarak artırılabilir. Yapay olarak bir iletkenin yük tutma kapasitesini artıran cihaza; kapasitör ya da kondansatör denir

Kapasitörler, şekillerine bağlı olarak birçok çeşittir: Paralel plaka, küresel ve silindirik kapasitörler vs…
Kapasitörlerde eşit ve karşıt yüklü (+q ve –q) iki iletken vardır. q’ya kapasitör yükü denir ve potansiyel farkına da kapasitör potansiyeli(gerilimi) denir.

Yukarıdaki paralel iletken plakalar için B iletkeni A iletkenine yakın tutulur ise elektrostatik indüksiyon meydana gelir. –q yükleri B iletkeninin A’ya yakın yüzünde ve +q yükleri de A’ya uzak yüzünde tetiklenir, toplanır. B topraklandığında ise +q yükleri topraktan gelen elektron akışı ile nötralize olacaktır.

Öz yükten dolayı A nın potansiyeli = V olsun

B deki –q yükünden dolayı A nın potansiyeli = V’ dır

Böylece A nın net potansiyeli = V + (-V’) = V-V’ ki bu net potansiyel V den düşüktür.

Dolasıyla A nın potansiyeli üzerindeki yük sabit tutularak düşürülmüş ve dolasıyla kapasitansı da artırılmıştıtr. (q=CV)

Böylece elde edilen itme kuvveti birim pozitif yük üzerinde azalmış ve sonuçta A nın azalan potansiyeline göre iş miktarı daha azdır.

Dolasıyla A nın yük tutma kapasitansı (C) artar.

3. DİELEKTRİK DAYANIKLILIK

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi A ve B iletkenleri arasındaki malzeme, bazı dielektrik (yalıtkan) malzemelerdir. Normal çalışma koşulları altında dielektrik malzemeler çok az miktarda serbest elektron içerir. Eğer çift yüklü plakalar arasındaki elektrik alan kuvveti kademeli olarak artarsa, elektronlardan bazıları küçük akımlar oluşturarak dielektrikten ayrılabilir.

Dielektriğe uygulanan elektrik alan kuvveti kritik bir değeri aştığında dielektrik malzemenin izolasyon özellikleri zarar görür ve A ile B iletkenleri arasında iletim oluşmaya başlar. Buna bir kapasitör bankı için arızalı dielektrik parçalanması denir. Ve bu parçalanmaya sebep olacak minimum potansiyel eğilime malzemenin dielektrik dayanıklılığı olarak adlandırılır. Dielektrik dayanıklılık dielektrik bozumaya karşı dayanıklılığı ölçer ve birimi kV/mm olarak ifade edilir.

Dilektrik dayanıklılık nem, yüksek sıcaklık vb. değişkenler ile azaltılabilinir ve aşağıdaki tabloda bazı dielektrik malzemlerin dielektrik dayanıklılığını (mukavemetleri) gösterilmektedir.

Kapasitörler için dielektrik dayanıklılık oda sıcaklığında maksimum tepe voltajıdır. Volt başına 100 ohmluk akım sınırlayıcı direnç üzerinden bir dakika boyunca belirtilen nominal voltaj çarpanını uygulayarak bu tepe değeri test edilir.

4. GÜÇ FAKTÖRÜNÜN (PF) İYİLEŞTİRİLMESİ İÇİN KAPASİTÖR BANKLARI:

Elektrik yüklerinin; Güç Faktörü (PF) Düzeltmesi tüm endüstriyel firmalar için ortak bir sorundur. Çeşitli formlarda iş-çalışma gerçekleştirmek için elektrik enerjisi kullanan her kullanıcı belirli miktarda aktif güçle birlikte reaktif gücü de şebekeden tedarik etmesi gerekmektedir.

Bir elektrik dağıtım sistemindeki yüklerin çoğunu aşağıdaki üç kategoriden birine yerleştirebiliriz:

Dirençsel
Endüktif
Kapasitif

Modern sistemlerde yukarıdaki yükler içinde en yaygın olanı Endüktif yüktür.

Endüktif yükleri üreten tipik örnekler:

Trafolar,
Flüoresan aydınlatmalar,s
AC indüksiyon motorları,
Ark/indüksiyon fırınları vb.

Bunlar enerji beslemesinden (kaynaktan) sadece aktif güç değil aynı zamanda endüktif-reaktif güçte (kVAR) çekerler. Bu endüktif yükleri üreten makinelerin ortak özelliği elektromanyetik alan üretmek için sargı kullanmalarıdır.

“Aktif Güç (kW) gerçekte işi – çalışmayı yerine getirirken, Reaktif güç (kVAr) elektromanyetik alanı oluşturur ve bu da reaktif güç ekipmanının doğru bir şekilde çalışması için gereklidir ancak beslemede istenmeyen yük olarak yorumlanır.”

Eğer biz hizmet firmalarının bakış açısına göre Güç faktörü (PF) iyileştirmesini nicelendirirsek, ortalama güç faktörünü 0,7 den 0,9 a yükseltmek:

Şebekedeki omik kayıplara bağlı maliyetleri %40 azaltmak demektir
Enerji üretim ve dağıtım tesislerinin potansiyelini %30 artırmak demektir.

bu rakamlardan yola çıkarsak, güç faktörü düzeltmesi-iyileştirmesi; yüzlerce ton yakıtı tasarruf etmek, yada yeni enerji santralleri yapmak yada yüzlerce trafo odası kurulumu gerçekleştirmek demektir.

Güç faktörünün düşük olduğu durumlar söz konusu olduğunda, kamu hizmet şirketleri enerjiyi kullanan sistemin yetersizliği nedeniyle ek masrafları karşılamak için daha yüksek oranlarda enerji ücreti talep etmektedirler.

Isıtma elemanları haricindeki alternatif akıma dayanan elektrik kullanıcılarının alternatif enerjiden mekanik işe, ışığa, ısıya vb. dönüştürerek şebekeden sağlamaları değil aynı zamanda ana işlevi elektrik makinelerinin çalışması için gerekli olan manyetik alanları harekete geçirmek olan endüktif reaktif gücü de şebekeden sağlamaları iyi bilinen bir gerçektir.

Güç Faktörü (PF) ayrıca cosfi = kW / kVA olarak da ifade edilir.

KVA = kW + KVAR denklemine göre; sistemden kVAR gereksinimi azaltılması, kVA gereksinimi de azalacaktır ve böylece besleme kaynağından daha düşük akım tüketimi sağlanacaktır.

Kompanzasyondan önce 0,85 güç faktör ile çalışan herhangi bir yükün, kompanzayondan sonra da aynı 0,85 güç faktör üzerinde çalışmaya devam etmesi bu durumda

belirtilmelidir. Besleme-Kaynak güç faktörü belirli bir yükün (yada yük grubunun) paralel bağlı kapasitör banklarından kVAR gereksimini kompanze ederek iyileştirmesidir.

Kompanze edilen kVAR = kVAR1 – kVAR2 = kW(tanfi1 – tanfi2)

Güç faktör (PF) üçgeni

Dolasıyla bağlanacak olan kapasitör banklarının gerekli değeri = kW(tanfi1 – tanfi2) olmalıdır.

Cosfi1 = çalışma güç faktörü

Cosfi2 = hedef-amaçlanan güç faktörü

Otomatik kapasitör bankları gerekli kapasitör gücünün daima sisteme bağlanmasını sağlayan güç faktör kontrolörü tarafından kontrol edilen kademelerden oluşur. Bu da daima en iyi GF düzeltmesinin olacağını anlamına gelir.

5. KAPASİTÖR BANKLARI İÇİN ANAHTARLAMA AYGITI

Bir endüktansa ait akımın gerilimden 90 derece geride olduğu ve bir kondansatörde ise akımın gerilimden 90 derece önde olduğu unutulmamalıdır. Bu bilgiler fazör diyagramların doğru çizilmesi için çok önemlidir ve Bu ilişkileri “CIVIL” kelimesi ile aşağıdaki gibi hatırlamak çok kolaydır:

Kapasitör banktan çekilen akım =

sin90 = 1 ise akım denklemi tekrar aşağıdaki gibi yazılabilir:

Bir kapasitörün kapasitans değeri %15 toleransa sahip olabilir. Bu nedenle bir kapasitör (kondansatör) ünitesi ya da onun bankları ile bağlantılı kesiciler, kontaktörler, anahtarlar, sigortalar, kablolar ve bara sistemleri gibi akım taşıyan bileşenlerin nominal akımının en az 1,5 katı olacak şekilde ayarlanmalıdır.

Bir kapasitör ünitesinin değeri, etkin harmonik gerilimin karesel oranı ve harmonik frekansla doğru orantılı olarak değişmektedir ve Bununla birlikte kVAR’daki yükselme ise sistemin Güç faktör iyileştirilmesine katkıda bulmayacak aksine kapasitörün aşırı yüklenmesine neden olacaktır. Bununla birlikte bazen kapasitörün aşırı yük kapasitesini daha da artırmak arzu edilebilir ve bu sebepten sisteme bağlı yük tipleri ve devre koşulları aşırı harmonikler üretme eğilimi gösterir.

Örnek verirsek; statik sürücü ve ark fırınlarıyla çalışan sistemlere kapasitörler bağlı olduğu zaman, haberleşme ağına ve sisteme bağlı endüktif yüklerin korunması kadar harmonik etkileri içermesi arzu edilir.

1- Bu nedenle yukarıdaki örnekleme uyarınca, çalışmakta olan bir kapasitör biriminin gerçek yük akımı belirlenirken; kapasitör biriminin kapasitans değeri için izin verilen toleransı hesaba katmak için 1,15 çarpanı ek olarak hesaba katılmalıdır

2- Etkin kVAR = 1,3 x 1,15 = 1,5 x kVAR(nominal), bu hesaplama ile tüm anahtarlama ve koruma cihazları seçilmelidir.

6. HARMONİKLER:

Sisteme bağlı olan yıldız bağlantılı kondansatör banklarını topraklamamak ya da topraktan enerji sistemlerine üçüncül harmonik akımların akışını önlemek için üçgen bağlantılı banklar kullanmak yaygın uygulamalardır.

Sistemdeki aşırı harmonik akım miktarını filtre devreleriyle boşaltmak için uygun lokasyonlarda bulunan enerji hatlarında filtre devreleri kullanılır

Bir filtre devresi, kapasitör ve belirli bir harmonik frekansa (seri resonansa) ayarlanmış seri reaktansların kombinasyonudur ve böylece bu frekansta en düşük empedansı sağlar

Beşinci harmonik için şöyle diyebiliriz: Xc5 = XLS

Bir reaktörün kapasitörler ile seri halde kullanılması enerji şebekesindeki harmonik etkileri azaltmasının yanı sıra haberleşme şebekesi gibi yakınında olan diğer devrelere olan etkilerini de azaltacaktır.

Reaktans seçimi, gerekli harmonik seviyenin altında rezonansa girerek, bu harmonikler için en düşük empedans yolunu sağlayarak ve devreden filtre ederek yapılmalıdır

Bir Filtre devresinin temel mantığı; bir frekans akımına yanıt vererek, diğer frekans bileşenlerini reddetmesidir. Filtre devresi güç frekansında bir kapasitif yük gibi davranmalı ve sistemin güç faktörünü (PF) iyileştirmelidir.

Beşinci harmoniğe örnek vermek gerekirse; aşırı yüklenmiş gerilimlerden kaçınmak için 50Hz frekanslı bir sistemde (5x50Hz frekans için) , yaklaşık 200-220Hz frekansın altında rezonans (titreme) olmalıdır ve buda aşağıdakilere neden olmaktadır:

Düşük yüklerde aşırı gerilim oluşumu
Aşırı gerilimin trafo çekirdeklerini doyurması ve
Kapasitör ünitelerindeki arızalar ve sisteme bağlı endüktif yükler sistemde harmonikler üretir

Şundan emin olmalıyız: sistem hangi koşul altında olursa olsun rezonansa yaklaşıldığında fitre devresi kapasitif hale gelmemelidir. Bunu sağlamak içinde fitre devreleri tanımlanan harmonik frekanstan biraz daha düşük değere ayarlanabilir. Bunu yapmak da XL değerini her zaman XC den daha yüksek hale getirecektir. Çünkü C’deki herhangi bir azalan değişim buna sebep olacaktır.

Bu sebepler:

Çevre sıcaklığı
Üretim toleransları
Çalışma esnasında birkaç birim ya da kapasitör elemanının arıza yapması

Güç Faktörü iyileştirme-düzeltme sistemi güç elektronik devreleri tarafından üretilen akım harmoniklerinin çoğunda endüktif etki yaratır ve harmonik etkileri artırmaz ya da yakınında haberleşme sistemi varsa haberleşme sisteminde bozulmaya sebep olmaz. Bir filtre devresi bir elektronik devre tarafından üretilen en düşük harmonik (beşinci) değere ayarlanabilir. Bunun nedeni LT kapasitörlerin normalde üçgen bağlantılı olmasıdır ve böylece HT kapasitörler yıldız bağlı iken devreye üçüncü harmoniklerin girmesine izin vermezler.

Ve ayrıca doğrusal olmayan ya da dengesiz yüklerde, üçüncü harmonik halen mevcut olabilir. Daha dengeli kompanzasyonlarda tekli frekans filtreleri farklı harmonikler için devreyi ayarlayarak özel harmonik içeriklerini kompanze etmede kullanılabilirler.

Daha kesin kompanzasyon için, sistemde bulunan harmoniklerin bileşe

nleri ve büyüklüklerini daha uygun filtre devrelerine karar vermeden önce bir osiloskop ya da harmonik analizör yardımıyla ölçelebiliriz. Teorik olarak herbir harmonik için bir filtre gereklidir ama pratikte bir yada iki daha düşük frekans için ayarlanan filtreler tüm yüksek harmonikleri büyük oranda bastırmak ve maliyetten tasarruf etme açısından yeterlidir.

Eğer sisteme bağlı kapasitör bankların toplam kVAR değerinin %6 sını karşılayacak şekilde bir seri reaktör sağlayabilirsek, sistemde bulunan harmoniklerin çoğunu bastırabiliriz. Bu reaktörde 50Hz sistem için beşinci (204Hz) frekansın altına ayarlanmalıdır.

7. APFC RÖLESİNİN ÇALIŞMASI

APFC rölesinin temel prensibi; güç devresinin gerilim ve akım dalgalarına ait temel dalga formları arasındaki faz kaymasını tespit etmesidir. Sistemde bulunan harmonik nicelikler filtrelenir. Röle maliyetinden tasarruf etmek için sistemin Güç faktörünü ölçmek evrensel bir uygulamadır. Devrenin gerçek güç faktörü röle tarafından ölçülen değerinden daha düşük olabilir. Ancak harmoniklerin sistemde mevcut olması durumunda, harmoniklerin hesaba katılması için röleyi biraz daha yüksek değerde ayarlayabiliriz.

Faz kaydırmasında bir trasndüzer devresi tarafından bir DC gerilim çıkışı üretilir. DC gerilimin değeri faz kaydırmasına bağlıdır yani devrenin güç faktörüne. Bu DC gerilimi rölenin ön panelindeki Güç faktörü ayar düğmesi veya çalışma bandını seçerek dahili bir referans DC gerilimi ile karşılaştırılır. Düzeltici Sinyaller, istenen seviyedeki Güç faktörüne ulaşmak için yerleşik bir sıralama devresi vasıtasıyla kademe kapasitörlerini AÇIK ya da KAPALI konuma getirmek için röle tarafından üretilir. Sonra daha düşük bir güç faktörü kapasitörlerin başka bir birimi veya banklarını değiştirmek için set edecektir, bu da set edilen güç faktörünü aşırı derecede hatalı hale getirebilir. Bu durumda ise röle güç faktörün yeniden ayarlamak için birkaç kapasitör birimini yada bankını kapatacaktır. Ve böylece hangi birim yada bank olacağını belirleyecek bir arama süreci başlayacaktır ki bu istenmeyen bir durumdur. Böyle bir durumdan kaçınmak için karşılaştırıcının hassasiyeti rölenin ön panelindeki düğme ile ayarlanabilir.

Hassasiyet kontrolü faz açısı ya da %kVAR değerini ayarlayabilir.

Sistemin gerçek güç faktörü değeri önceden belirlenmiş sınır değerlerinden saparsa röle devreye girer ve güç faktörünün sınır değerler arasında olmasını sağlamak için kapasitör ünitelerini birer birer açar ya da kapatır.

Normalde, Güç faktörü iyileştirme rölelerinin üç versiyonu vardır:

Elektromanyetik
Ayrık IC üzerine Katı hal tabanlı
Mikroişlemci üzerine Katı hal tabanlı

Bir zaman gecikmesini (TD) sağlayan zamanlayıcı, yüklenmiş bir kapasitörün %90 yükünü boşaltmasına izin vermek için üretilmiştir. Zaman gecikmesi (TD) rölenin anahtarlama devresine bir zamanlayıcı entegre ederek sağlanır. Zamanlayıcı, bir kapama sinyali oluştuğunda ve yüklü bir kapasitörün sonraki çalışmasını blokladığında hatta açma komunda bile uygulanan gerilimin %90’nını boşaltana kadar çalışır. Bu özellik aşırı gerilime karşı emniyet saplar.

Bu zaman gecikmesi normalde LT şönt kapasitörler için 1-3 dakika arasında ve HT şönt kapasitörler için de 5-10 dakika arasındadır eğer bu zamanı azaltmak için kapasitörler arasına hızlı deşarj cihazları konulmadıysa tabi. Hızlı deşarj cihazları bazen, hızla değişen yüklerin olduğu koşullardan daha hızlı deşarj etmek için kullanılır. Açık eylemi, sadece zamanlayıcı devre dışı bırakıldığında başlar ve Bununla birlikte herbir röle adımı arasındaki geçiş süresi 3-5 saniye düzeyinde oldukça kısadır. Zamanlayıcı yardımcı rölelerin(kontaktörlerin) kontrol devresinin zamanlamasını da içerir ve bununla birlikte statik rölelerin çalışma süresinin yaklaşık 3 ile 5 devir arasında olduğu unutulmamalıdır.

Hızla değişen yüklerde her kapatma komutunda devrede yeterli boşalmış kapasitörün (kondansatörün) bulunduğundan emin olunmalıdır. Bu da bazen geçiş için boşalmış kapasitörleri hazır tutmak için kapasitör terminalleri veya birkaç ilave kapasitör ünitesi arasında özel deşarj cihazları sağlayarak gerçekleştirilir. İdeal yük varyasyonlarında ve uygun güç faktörüde sistemin çalışması gerekebilir. Bununla birlikte hızlı anahtarlama LT sistemlerde HT sistemlerden daha sık bulunur. Değişken yükler genellikle LT olduğu için HT sistemler daha kararlıdır.

8. İNDÜKSİYON MOTORUNUN GÜÇ FAKTÖR DÜZELTMESİ - İYİLEŞTİRMESİ

Farklı yüklerde ve farklı zamanlarda çalışan bir indüksiyon motoru için kapasitör değerinin belirlenmesi, yük değişimi veya besleme gerilimindeki dalgalanmadan dolayı zordur ve dikkatli yapılmalıdır. Çünkü motorun reaktif yükü de buna göre dalgalanır, değişkenlik gösterir.

Belirli yük koşullarında, indüksiyon motorunun kVAR değerinden daha yüksek değere sahip bir kapasitör kendiliğinden uyarımdan dolayı tehlikeli gerilimler oluşturabilir.

Birim Güç faktörü olduğunda bir kapasitörün artık gerilimi, sistemin gerilimine eşittir. Güç faktörü önde olduğunda (leading), artık gerilim yükselir. Bu artan artık gerilimler kapasitörler devre dışı bırakıldığında kapasitör bankları arasında görünecek ve motor ve operatör için bir tehlike kaynağı haline gelecektir.

Böyle bir durum, kapasitör üniteleri motor terminallerine bağlandığında ve onunla anahtarlığında ortaya çıkabilir.
Böyle bir durum, A/T anahtarlamasında olduğu gibi bir adımdan diğerine geçerken yada yıldızdan üçgen bağlantıya geçerken motorun trip etmesi sırasında, hatta çalışan bir motorun durmasın durumunda ortaya çıkabilir.

Bu gibi durumlarda Kapasitörler tam sarj olur ve kapasitörün uyartım gerilimi ve büyüklüğü güç faktörüne(PF) bağlıdır. Motor beslemeden ayrıldıktan sonra kapasitörden kendiğiliğinden uyartım gerilimi alacaktır ve motor hareket halindeyken bir jeneratör görevi görebilir ve motor terminallerindeki gerilim sistem geriliminden oldukça yüksek bir seviyeye çıkabilir. Bu sorunun çözümü; kapasitif akımı motorun mıknatıslanma akımından biraz daha düşük kapasitör seçmektir.

Kapasitör değerini seçerken bu gerçekler göz önünde bulundurulmazsa,

özellikle tam yük altındaki motorun güç faktörünün, yük değerinden daha düşük olmasına,
belirli yük ve gerilimlerde kapasitör kVAR değerinin motor reaktif bileşenini aşmasına ve
önde gelen(leading) güç faktörüne neden olması mümkündür.

Önde gelen bir güç faktörü tehlikeli aşırı gerilimler üretebilir. Bu fenomen, bir alternatör içinde geçerlidir. Böyle bir durum, bir motor ya da alternatör(jeneratör) ile meydana gelirse aşırı torka neden olabilir.

Bu parametreleri göz önünde bulunduran motor üreticileri motorun yüksüz kVAR’nın yalnızca %90’ının telafisini önermişlerdir. Motor yüklenmesine bakılmaksızın, bu tüm pratik amaçlar için ve tüm yüklerde güç faktörünü arzu edilen 0,9 – 0,95 değerlere yükselmesini sağlar.

Motor üreticileri farklı motor nominal değerleri ve hızları için olası kapasitör değerlerini önerirler