GİRİŞ
Her geçen yıl, güç elektroniği tabanlı tahrik sistemlerinin kullanımı artmakta ve doğrusal olmayan yükler yaygınlaşmaktadır. Bu yaygınlaşma sonucunda, özellikle sanayi bölgelerinde şebeke harmonik kirliliği (background harmonic distortion) önemli ölçüde artış göstermiştir. Buna paralel olarak, enerji taleplerinin sürekli artmasıyla birlikte iletim ve dağıtım otoriteleri, şebeke iletim kapasitelerini artırmak amacıyla cosφ hedef değerlerini yükseltme yoluna gitmiştir.
Bu süreçte, tesisatlardaki rezonans frekansı değerlerinin temel harmonik frekanslara yaklaşması, kompanzasyon sistemlerinde yalın kondansatör kullanımına bağlı olarak arızaların artmasına neden olmuştur. Sonuç olarak, günümüzde aşırı şebeke harmonik kirliliği ve yalın kondansatörler arasındaki rezonans ihtimali nedeniyle, tüm kompanzasyon sistemlerinin detuned reaktörler ile donatılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Özellikle yeni tesislerin projelendirilmesi aşamasında, yalın kondansatörlü kompanzasyon sistemlerinin tercih edilmemesi gerektiği vurgulanmaktadır.
Bu bağlamda, detuned reaktör seçimi kritik bir faktördür. Yanlış veya standart dışı tasarlanıp üretilmiş reaktörlerin tercih edilmesi, sistemin tekrar yalın kondansatörlere geri dönmesine ve dolayısıyla şebeke rezonanslarının yeniden oluşmasına yol açmaktadır. Bu tür problemlerin önüne geçmek için, reaktör seçiminde kalite ve uygunluk dikkatle değerlendirilmelidir.
Detuned Reaktör
HARMONİKLER
Harmonikler, elektrik enerji sistemine doğrusal olmayan yüklerin bağlanmasıyla temel frekansın katları şeklinde oluşan akım ve gerilim bileşenleridir.
REZONANS
Endüstriyel tesislerde transformatörler, motorlar ve benzeri endüktif yükler bulunmaktadır. Bu yükler nedeniyle, sistemde şebeke frekansına (f) bağlı bir XL endüktif reaktansı (Ω) oluşur. Ayrıca kompanzasyon tesisatında kullanılan kondansatörler de devrede yer alır ve XC kapasitif reaktansı (Ω) meydana getirir.
Aşağıdaki eşitlikte görüleceği üzere her iki reaktans da frekansın bir fonksiyonu olarak ifade edilirler. Birimi Henry olan endüktans “L” ile birimi Farad olan kondansatör sığası ise “C” ile sembolize edilmektedir.
XL endüktif reaktansı (Ω) ve XC kapasitif reaktansı (Ω) da frekansın bir fonksiyonu olarak ifade edilirler. Bu endüktif ve kapasitif reaktanslar, sürekli bir titreşim devresi oluşturarak sistemin toplam rezonans frekansını belirler.
Ayrıca formülden görüldüğü üzere kondansatör akımı ve frekansı doğru orantılıdır, bobin akımı ve frekansı ters orantılıdır.
Bir tesise yalın kondansatörlü kompanzasyon panosu eklendiğinde, titreşim devreleri oluşabilir ve rezonanslar meydana gelebilir. Rezonansların oluşmasının önüne geçmek için kondansatörlerin önüne seri olarak detuned reaktörler bağlanmalıdır.
Detuned reaktörler, kondansatörlere seri bağlanarak kullanılan kuru tip, sac nüveli ve bakır veya alüminyum sargılı reaktörlerdir.,
Detuned reaktör seçimi yapılırken ilk olarak, reaktörlerin IEC 60076-6 standardına uygun olarak üretilmiş olup olmadığı kontrol edilmelidir.
Detuned reaktörlerin seçiminde belirleyici birçok teknik özellik bulunmaktadır. Bunlar aşağıda sıralanmıştır:
- Nominal Gerilimi [Volt] Doğrusallık
- Nominal Frekansı [Hertz] İzolasyon Sınıfı ve Ortam Sıcaklığı
- Nominal Gücü [kVAr] Kayıplar
- Reaktör Faktörü [%p] Vakum Vernik Uygulaması
- Ayar Frekansı [Hertz] Bakır Terminaller
- Kondansatörün Nominal Gerilim Seviyesi Harmonik Gerilim Spektrumu
Detuned reaktör tasarımında, yukarıda belirtilen teknik özellikler ve parametreler belirlenmeden önce gerekli analizlerin yapılması ve ilgili verilerin doğru şekilde tespit edilmesi büyük önem taşımaktadır.
1. GÜÇ KALİTESİ ÖLÇÜMÜ
İlk olarak, tesis edilecek sistemin ana dağıtım panosunda bir A Class ölçüm cihazı kullanılarak güç kalitesi ölçümü yapılmalıdır. Detuned reaktör seçimi sırasında, elde edilen güç kalitesi ölçüm sonuçları detaylı bir şekilde analiz edilmelidir.
Detuned reaktör seçiminde ilk kriterler olan nominal gerilim ve nominal frekans değerleri, yapılan ölçümlerden tespit edilmelidir.
Not: Tasarlanacak detuned reaktörlü kompanzasyon sistemi, baraya paralel çalışacak şekilde dizayn edilmelidir. Sistem, başka bir aktif veya pasif harmonik filtreye bağımlı olmadan, tek başına da sistem parametrelerine uyumlu ve sorunsuz çalışabilmelidir. Böylece, herhangi bir durumda diğer filtre devre dışı kalsa bile kompanzasyon sistemi kesintisiz olarak çalışmaya devam edebilir.
2. SERİ KONDANSATÖR:
Detuned reaktörün nominal gerilim ve frekansı belirlendikten sonra, seri bağlanacak kondansatörün gerilim seviyesi hesaplanmalıdır.
Ancak, kondansatöre seri bir reaktör bağlandığında, detuned reaktörün empedansı nedeniyle kondansatörlerin klemenslerindeki gerilim değeri nominal şebeke geriliminin üzerinde olacaktır. Bu nedenle, kondansatörün gerilim seviyesi hesaplanırken aşağıdaki formül dikkate alınmalıdır:
Önemli Not: Kondansatörün nominal gerilim seviyesi seçilirken, IEC 60831 standardında belirtilen izin verilen aşırı gerilim değerleri dikkate alınmamalıdır. Etiketindeki nominal çalışma gerilimi dikkate alınmalıdır. Bu değerler, kondansatörün sürekli çalışma gerilimi değildir, yalnızca geçici aşırı gerilimlere karşı dayanım seviyesini belirtir.
Örnek Hesaplama :
Bara gerilimi Un = 400V olan bir tesisatta reaktör faktörü p=%7 seçilir ise , bu durumda seçilen kondansatörün gerilim dayanımı 430V’un üzerinde olmalıdır. Ayrıca kompanzasyon tesisatının uzun ömürlü olabilmesi için 430V gerilim seviyesine gerilim toleransı ilave edilip kondansatör gerilim seviyesi seçilmelidir.
Eğer Un=400V
Un= 400V ve p=7% olarak belirlenmişse, kondansatörün minimum gerilim dayanımı şu şekilde hesaplanır:
UC= 400 / (1−0,07)
UC= 430,1V
Ayrıca, kompanzasyon tesisatının uzun ömürlü olması için kondansatörün şebeke gerilim toleransı da dikkate alınmalıdır. %10 gerilim toleransı eklenerek nihai minimum gerilim seviyesi şu şekilde belirlenir:
UC=430,1V+43V=473,1V
Bu durumda, seçilecek kondansatörün gerilim dayanımı en az 473V olmalıdır.
Reaktör ve kondansatör seri bağlı olduğu için, reaktör üzerinden seri bağlanan kondansatörün çekeceği nominal akım akacaktır.
Detuned reaktörlü kompanzasyon sistemlerinde, kondansatörün mikrofarad (𝜇𝐹) değeri, sistemin rezonans frekansına ve reaktör endüktansına uygun olarak belirlenmelidir. Reaktörlerin belirli bir yüzdesi (𝑝) ve buna karşılık gelen rezonans frekansı (𝑓𝑟) esas alınarak uygun kondansatör değeri hesaplanır.
Genellikle detuned reaktörler %7 (189 Hz) veya %14 (134 Hz) gibi ayar değerleriyle tasarlanır. Bu değerler, sistemin kritik rezonans frekanslarından kaçınmasını ve harmonik akımların güvenli seviyede tutulmasını sağlar.
Yanlış bir kondansatör mikrofarad değeri seçilirse, sistemin rezonans frekansı değişebilir ve bu durum istenmeyen rezonans etkilerine yol açabilir.
3. REAKTÖR FAKTÖRÜ:
Doğrusal olmayan yükler, hız kontrol cihazları, UPS ‘ler vb. sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır. Hız kontrol cihazlarının giriş katında bulunan 6 darbeli diyotlu doğrultucu devreler, 5., 7., 11., 13., vb. (h=np±1) harmonikler üreten bir harmonik akım kaynağı gibi düşünülebilir. Hız kontrol cihazlarının ürettiği harmonikler, temel frekansın integral katlar olup, 250Hz ,350Hz, 550Hz, 650Hz, vb. frekansların bileşenleridir.
Harmonik akımların şebeke empedansının üzerinden akması sonucu harmonik gerilim bozulmaları oluşur ve 250Hz ,350Hz, 550Hz , 650Hz, vb. harmonik gerilim bileşenleri oluşur. Sanayi tesislerinde reaktif bedel ödenmemesi amacıyla şebekeye paralel yalın kondansatörlü kompanzasyon tesisatları vardır. Yalın kompanzasyon tesisatları doğrusal olmayan yüklerin ürettiği harmonik akımların amplifiye olmalarına ve anlık rezonanslara sebep olurlar. Rezonansı engellemek için kondansatörün önüne seri detuned reaktörler bağlanarak seri bir ayar devresi oluşturulur.
Sanayide en yaygın kullanılan doğrusal olmayan yük tipi 6 diyotlu giriş katı olan hız kontrol cihazlarıdır. Giriş katı 6 diyotlu olduğu için harmonik akım bileşenleri 5. harmonikten, yani 250 Hz’den başlar. Sistemdeki rezonansları 250Hz ve üstünde gerçekleşir.
Rezonansların engellenmesi ve harmonik akım bileşenlerinin amplifiye olmasının engellenmesi amacıyla, sistemde 250Hz’nin etki alanından kaçınmak için detuned reaktörün rezonans frekansı 250Hz’den daha düşük bir değere, genellikle de 189Hz ‘e ayarlanır.
Bu sayede, detuned reaktörün ayar frekansı 189Hz seçilerek tesisatta istenmeyen rezonans etkileri önlenmiş olur ve de harmonik akım bileşenlerinin amplifiye olması engellenir, dolayısıyla gerilim harmonik bozulma oranı düşer.
| Reaktör Faktörü (p) ve Harmonikler | Rezonans Frekansı (fr)[fn= 50Hz için] |
| %14 Detuned Reaktör | 134Hz |
| 3. Harmonik | 150Hz |
| %7 Detuned Reaktör | 189Hz |
| 5. Harmonik | 250Hz |
Ayrıca 134Hz %14 reaktör faktörlü detuned reaktörler 3. harmonik bulunan tesisatlar için kullanılmaktadır.
4. HARMONİK GERİLİM SPEKTRUMU:
Harmonik gerilim spektrumu ve empedanslar reaktördeki tüm harmonik spektrumda her bir harmonik akımın detuned reaktör üzerinden akmasını tanımlar. Dolayısıyla detuned kayıplarını, ısınmasını ve doğrusallığını belirler ve tanımlar.
Alternatif akımda etkin değer (efektif değer), alternatif akımın bir yük üzerinde yaptığı işe eşit iş yapan doğru akım karşılığıdır.
Yukarıdaki formülden görüleceği üzere detuned reaktörün üzerinden beslendiği şebekedeki tüm spektrumdaki gerilim harmonikleri empedansı üzerinden harmonik akım olarak akacaktır.
Dolayısıyla detuned reaktörlerin seçiminde ve uygulanmasında nüve doyumunu önlemek ve aşırı ısınmayı önlemek için harmonik spektrum ve de efektif (etken) akım değeri de göz önünde bulundurulmalıdır.
5. DOĞRUSALLIK:
B-H eğrisi veya Histeresis grafiği olarak bilinen manyetik alan yoğunluğu ve manyetik akı ilişkisini gösteren grafik, nüve malzemesinin ferro-manyetik özelliklerini yansıtır. Eğer detuned reaktörün saç nüvesi doyuma girerse, reaktörün endüktans değeri değişir, bu da sistem performansını olumsuz etkileyebilir.
Bu nedenle, detuned reaktör, histeresis grafiğinin doğrusal bölgesinde çalışacak şekilde tasarlanmalıdır. Bu sayede, harmonik akımların ve sistem dalgalanmalarının reaktör üzerindeki olumsuz etkileri minimize edilerek stabil bir çalışma sağlanır.
Reaktör faktörü %7 olan bir detuned reaktörün reaktör akımının doğrusal bölgede kalabilmesi için nominal reaktör akımının 1.8 katı olması gerekmektedir.
Detuned reaktörün doğrusallığı büyük önem taşımaktadır. Detuned reaktör üzerinden nominal akımın 1,8 katı aktığı çalışma koşulunda dahi, etiketinde belirtilen endüktans değeri maksimum %5 oranında değişmelidir.
Detuned reaktör ile kondansatör ayar devresinin sağlıklı çalışabilmesi, detuned reaktörün doyuma girmemesine bağlıdır.
6. İZOLASYON SINIFI
Detuned reaktörün izin verilen sıcaklık artışı, izolasyon ısı sınıfının belirlediği sınırlar içinde kalmalıdır. Ortam sıcaklığı, reaktörün çalışma başlangıç koşulunu tanımlar. İzolasyon ısı sınıfı ise reaktörün dayanabileceği maksimum sıcaklık değerini belirler.
Örneğin; Bir T40/F reaktörü (40°C ortam ve F Sınıfı yalıtım)
T40: Bu, bobinin maksimum çalışma sıcaklığını belirtir. T40, bobinin 40°C ortam sıcaklığında çalışabileceğini ifade eder. Detuned reaktörün, ortam sıcaklığı 40°C’ye kadar olan koşullarda güvenli bir şekilde çalışabileceğini gösterir.
F Sınıfı Yalıtım: Elektriksel cihazlarda kullanılan yalıtım malzemeleri, belirli sıcaklık seviyelerine dayanmalıdır. F sınıfı yalıtım, yalıtım malzemesinin 155°C’ye kadar ısınmaya dayanabileceğini ifade eder. Bu, detuned reaktörün yüksek sıcaklıklarda bile güvenli şekilde çalışmasını sağlar.
Örnekle açıklamak gerekirse, F (155 °C) izolasyon sınıfına sahip bir reaktör, 120°C’lik bir termostat ile korunmalıdır. Ancak işletme sırasında oluşan ısının 100 °C’yi aşmaması önerilir.
Ayrıca, reaktör üzerinde, kumanda devresine açma sinyali gönderen 120°C termal anahtar (termistör) bulunmalıdır.
7. KAYIPLAR
Geniş bir perspektiften bakıldığında, kompanzasyon sistemleri enerji verimliliği kapsamında değerlendirilebilir. Bu bağlamda, detuned reaktörler kompanzasyon panosunun bir parçası olarak kabul edildiğinden, düşük kayıplı olmaları gerekmektedir. Aksi takdirde, yapılan işin doğasına aykırı bir durum ortaya çıkabilir.
Detuned reaktör seçiminde önemli kriterlerden biri olan kayıplar, reaktörün doğası gereği omik kayıplar ve histeresis & eddy akımı kayıpları olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır. Omik kayıplar, aynı zamanda sargı (alüminyum veya bakır) kayıpları olarak da tanımlanır. Histeresis ve Eddy akımları kayıpları ise, sistemdeki nüve (çekirdek ya da demir) kayıpları olarak bilinir.
Histeresis kayıpları frekansla, Eddy akımı kayıpları ise frekansın karesiyle doğru orantılıdır. Bu nedenle, harmoniklerin bulunduğu bir ortamda nüve kayıpları oldukça yüksek olacaktır. Ayrıca, harmonikler nedeniyle 𝐼rms (temel ve harmonik bileşenleri içeren efektif akım değeri) arttıkça, sargı kayıpları da yükselir. Reaktör tasarımında yalnızca temel bileşenler değil, aynı zamanda harmonik spektrum da dikkate alınmalıdır.
Sonuç olarak, detuned reaktörlerin düşük kayıplı olması gerekmektedir ve IEC 60076 Kısım 6 standardına uygun üretilmelidir.
8. VAKUM VERNİK UYGULAMASI
Bu konuda önemli detay ise, gürültü seviyesidir. Üretilen reaktörlerin vakum altında vernik edilmesi hem sessiz çalışmasını sağlayacak hem de titreşim ile oluşabilecek izolasyon arızalarının önüne geçecektir. Vakum vernik sonrası gürültü ölçer (dB metre) ile ses seviyesi ölçülmelidir.
9. BAKIR TERMİNALLER
Detuned reaktörlerde dikkate alınması gereken önemli bir detay, terminallerin bakır mı yoksa alüminyumdan mı imal edileceğidir. Alüminyum sargı teknik olarak uygundur. Ancak terminallerinin alüminyum olmasının sakıncaları vardır. Alüminyum, yumuşak bir metal olduğu için terminal bağlantı noktasında zamanla bağlantı zayıflığı oluşur. Bu durum, gevşek bağlantı arızalarına yol açarak sistemin güvenilirliğini düşürebilir. Bu nedenle, terminallerin alüminyuma kıyasla daha sert bir malzeme olan bakırdan üretilmeleri gereklidir. Ayrıca, nikel kaplı alüminyum terminaller yanıltıcı olabilir.
SONUÇ
Günümüzde birçok işletmede detuned reaktör uygulamaları yapılmaktadır. Ancak, birçok detuned reaktörün yeterli kaliteye sahip olmaması veya yanlış seçilmesi nedeniyle sahada ciddi sorunlara yol açtığı gözlemlenmektedir. Bunun sonucunda, tasarım hatalarından kaynaklanmayan ancak yanlış seçilmiş reaktörlerden doğan problemler, detuned reaktörlerin güvenilirliğini sorgulatmakta ve işletmelerin tekrar yalın kondansatörlere yönelmesine sebep olmaktadır. Oysaki sorunun temel kaynağı, kalitesiz veya yanlış seçilmiş reaktörlerdir.
Bu çalışmada, detuned reaktör seçiminde dikkat edilmesi gereken temel kriterler incelenmiş ve kondansatör-reaktör eşleştirilmesi, frekans seçimi, doğrusallık, ısı artışı ve izolasyon sınıfı, Watt kayıpları ile termal dayanım ve malzeme seçimi gibi unsurların önemi vurgulanmıştır.
Ayrıca uygulamadan önce işletmede güç kalitesi ölçümü yapılması, doğru ürünlerin seçilmesi ve de üreticiden ürünlerin test sertifikalarının talep edilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu sertifikalardaki limit değerlerin dikkatlice incelenmesi ve seçim sürecinin buna göre yapılması, detuned reaktörlerin uzun ömürlü ve güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlayacaktır.
Didem Ergun Sezer
Elektrik Mühendisi
Ergun Elektrik
