Devre Analizi-II DENEY 8- GÜÇ KATSAYISI KAVRAMI VE GÜÇ

Devre Analizi-II
DENEY 8- GÜÇ KATSAYISI KAVRAMI VE GÜÇ KATSAYISININ DÜZELTİLMESİ
1.1. DENEYİN AMAÇLARI
Güç katsayısı kavramını öğrenmek ve güç katsayısının düzeltilmesinin deneysel olarak incelenmesi
Deneyde kullanılacak malzemeler:
230 Volt, 115 W tek fazlı motor, 9 μf 400 V kondansatör.
1.2. TEORİK BİLGİ
Reaktif Güç ve Güç Katsayısı:
Normalde tüketiciler, şebekeden sadece I gibi bir zahiri akım çekerler. Fakat hem fiziksel hem de
matematiksel kolaylık sağlamak için tüketicilerin çektikleri alternatif akımın, teorik olarak biri aktif
diğeri reaktif iki bileşenden oluştuğu kabul edilir. Aktif akımın meydana getirdiği aktif güç, tüketici
tarafından faydalı hale getirilir. Aktif güç, motorlarda mekanik güce, ısıtıcılarda termik güce ve
aydınlatma cihazlarında aydınlatma gücüne dönüşür. Reaktif akımın meydana getirdiği reaktif güç ise
faydalı güce çevrilemez. Reaktif güç yalnız alternatif akıma bağlı bir özellik olup, elektrik tesislerinde
istenmeyen etkiler oluşturur. Generatörleri, transformatörleri, hatları, bobinleri meşgul eder ve
gereksiz yere yükler. Ayrıca bunların üzerinde ilave ısı kayıplarına ve gerilim düşümlerine yol açar.
Aktif güç enerjisi normal sayaçlarda tespit edildiği halde, reaktif enerji aktif sayaç ile kontrol
edilemez. Reaktif enerjiyi ölçmek için reaktif güç sayacına ihtiyaç vardır. Her ne kadar reaktif güç
faydalı güce çevrilemez ise de bundan tamamen vazgeçilemez. Elektrodinamik prensibe göre çalışan
generatör, transformatör, bobin ve motor gibi bütün işletme araçlarının normal çalışmaları için gerekli
olan manyetik alan reaktif akım tarafından meydana getirilir. Onun için faydalı aktif gücün yanı sıra
reaktif güce de ihtiyaç vardır. Şebekeden çekilen akım ile gerilim arasındaki açının kosinüsüne güç
faktörü denir ve φ ile gösterilir.
Güç Üçgeni
Alternatif akım devrelerinde, devreye uygulanan şebeke gerilimi ile devre akımı arasındaki (φ)
acısının, devrede bulunan omik veya reaktif dirençlere bağlı olarak değiştiğini biliyoruz.
Şekil 1. Akımın bileşenleri
Şekil 1’deki vektor diyagramında, akım gerilimden (φ) kadar geridedir. I akımını dik bileşenlere
ayıralım. Iw bileşeni gerilimle aynı fazda ve Im bileşeni de U gerilimine diktir.
Iw=I.Cos φ ve Im =I.Sin φ
(1)
Gerilimle aynı fazda olan Iw akımının, U gerilimi ile carpımı, watt olarak, hakiki (aktif) gücü verir.
Devre Analizi-II
P= Iw.U
(2)
Iw yerine (I.Cos φ) yazalım
P=U.I.Cos φ
(3)
Alternatif akım devrelerinde hakiki güçu veren bu ifadeyi daha once bulmuştuk, Iw bileşenine wattlı
akım ve aktif akım denir. Reaktif güc; Q = U.Im;
Q =U . I.Sinφ
(4)
Reaktif gücün birimi (Volt - Amper - Reaktif ) dir. Kısaca, VAR olarak gösterilir.
Şekil 2. Akımın ileride ve geride olmasına göre güç üçgenleri Üst grafikler akımın ileri olması durumu alt grafikler
akımın geri olması durumu, (a)Akım ve gerilim (b) Akımın bileşenleri (c) Güç üçgenleri
Güc üçgenine göre S, P ve Q eşitliklerini bulacak olursak;
Görünür Güç
S 2 = P2 + Q2
Aktif Güç
P2 = S 2 − Q2
Reaktif güç
Q2 = S 2 + P2
elde edilir.
GÜÇ KATSAYISININ DÜZELTİLMESİ
Dünyamızda elektrik enerjisine ihtiyacın sürekli artması, enerji üretiminin pahalılaşması, taşınan
enerjinin ucuz ve hakiki iş gören aktif enerji olmasını zorunlu kılmaktadır. Bilindiği gibi şebekeye
bağlı bir alıcı; eğer bir motor, bir transformatör, bir floresan lamba ise bunlar manyetik alanlarının
temini için bağlı oldukları şebekeden bir reaktif akım çeker. Santralde üretilen bir enerji, aktif ve
reaktif akım adı altında en küçük alıcıya kadar beraberce almakta, iş yapmayan, motorda manyetik
alan elde etmeye yarayan reaktif akım, havai hatlarda, trafoda, tablo, şalterler ve kabloda gereksiz
kayıplar meydana getirmektedir. Bu kayıplar yok edilirse trafo daha fazla alıcıyı besleyecek kapasiteye
Devre Analizi-II
sahip olacak, devre açıcı kapayıcı şalterler, lüzumsuz yere büyük seçilmeyecek, tesiste kullanılan
kablo kesiti küçülecektir. Bunun sonucu daha az yatırımla fabrika ve atölyeye enerji verme imkânı
elde edilecektir. Elektrik işletmesi tarafından uygulanan tarifeler yönünden de her dönem daha az
elektrik enerjisi ödemesi yapılacaktır.
Güc vektöründeki aktif güç (P) ile görünür güç (S) arasındaki acının kosinüsüne güç katsayısı (cosφ)
denir. Reaktif güç (Q) ne kadar büyük olursa cosφ küçük, dolayısıyla görünür güç (S) de büyük olur.
Bu da şebekeden daha fazla güç çekmek yani akım çekmek demektir. İşte reaktif gücün azaltılıp güç
kat sayısı (cosφ)’nın yükseltilmesi işlemine kompanzasyon (güç katsayısını düzeltme) denir. Reaktif
güçun de iki bileşeni vardır. Bunlar manyetik alanın oluşumu için bobinlerin harcadığı enduktif reaktif
güç (QL) ve kapasitif reaktif güç (QC)’tur. Reaktif gücün bu bileşenleri vektöriyel olarak birbirinin tam
tersi yöndedir. Toplam reaktif güç, Q = QL – QC veya Q = QC – QL şeklinde hesaplanır. QC ’nin QL’
den büyük olması cosφ’ nin kapasitif özellikte olması, QL’ nin QC’ den büyük olması ise cosφ’ nin
endüktif özellikte olması demektir.
Güç kat sayısını düzeltmek için devreye endüktif reaktif gücün zıttı olan kapasitif reaktif yük eklenir.
Yani devreye kondansatörler bağlanır. Kompanzasyon yapılmış (kondansator bağlanmış) devrenin güç
vektör diyagramı şu şekilde çizilir.
Şekil 3. Kompanzasyon yapılmış devrenin vektör diyagramı
Sinusoidsal dalga şeklinde
Cosϕ1
den
Cosϕ 2
ye geçmek için gerekli reaktif gücün miktarını veren ifade
(5)
P Aktif güç
Q1 , ϕ1 Güç faktörü düzeltilmeden önceki çekilen reaktif güç ve güç faktörü
Q2 , ϕ 2 Güç faktörü düzeltildikten sonra çekilen reaktif güç ve güç faktörü
QC
Güç faktörünü düzelmek için gerekli kapasitif reaktif güç
Kondansatör değeri ise aşağıdaki gibi hesaplanır.
C=
Qc
2πfU 2
(6)
Devre Analizi-II
1.3. ÖN HAZIRLIK ÇALIŞMASI
Herhangi bir ön hazırlık yapılmayacaktır.
1.4. DENEYİN YAPILIŞI
1. 115w, 230 Volt tek fazlı motoru kondansatörlü ve kondansatörsüz çalıştırarak güç analizöründen
akım, gerilim, aktif güç, reaktif güç ve görünür güç ile Cos φ değerlerini okuyunuz ve bunları Tablo 1’e
kaydediniz.
Tablo 1: Tek fazlı motor deney sonuçları
Kondansatör bağlanmadan önce
I
U
P
Q
S
Cos φ
Kondansatör Bağlandıktan
sonra
I
U
P
Q
S
Cos φ
Devre Analizi-II
DENEY 9- Üç fazlı devreler-Üçgen bağlı dengeli besleme
1.1. DENEYİN AMAÇLARI
3 fazlı devrelerin nasıl kurulduğunu, bir fazlı devreler ile aralarındaki farkları, faz ve hat akımlarının,
faz ve hat gerilimlerinin neyi ifade ettiğini öğrenme. Üçgen bağlantı hakkında bilgi edinme.
Kullanılan Malzemeler : 220 V Akkor flamanlı lambalar, Balastlar, 9 µf Kapasitörler, Multimetre,
RLC metre, bağlantı kabloları
1.2. TEORİK BİLGİ
Çok fazlı sistem, gerilimlerinin arasında faz farkı bulunan iki veya daha fazla tek fazlı sistemin
birleştirilmiş halidir. AA ile iki, üç ya da daha fazla devreyi aynı anda araç ya da makinede kullanma
olanağı vardır. Bu durumda, her devreye uygulanan gerilim ve frekans aynı olup devrenin sayısına
göre gerilimler arasında belirli ve eşit faz farkı bulunur. (örneğin, üç fazlı sistemlerde 120o gibi). Çok
fazlı sistemlerin bazı üstünlüklerinden dolayı, elektrik enerjisinin üretimi, iletimi ve dağıtımı çok fazlı
olarak yapılmaktadır.
Çok fazlı sistemlerin bir fazlı sistemlere göre üstünlükleri vardır:
1. Çok fazlı bir jeneratörün veya motorun çıkış gücü, boyutları arasında aynı olan bir fazlı
jeneratörün veya motorun çıkış gücünden fazladır. Böylece, daha güçlü ve verimli makineler
yapılabilir.
2. Transmisyon (İletim) sistemlerinde aynı gücün taşınması için çok fazlı sistemde, bir fazlı
sisteme göre kullanılan bakır daha azdır.
3. Bir fazlı kolektörlü tipler hariç, çok fazlı motorların döndürme momentleri düzgündür. Bir
fazlı motorların döndürme momentleri ise darbe biçimindedir.
4. Kollektörlüler hariç, bir fazlı motorlar, yardımcı sargıları olmadan, kendi kendilerine harekete
geçemezler.
5. Stator tepkisinin darbeli olması nedeniyle bir fazlı jeneratörleri paralel çalıştırmak çok zordur.
Üç fazlı dengeli sistemler:
Üç fazlı sistemin her üç faz hattındaki akımların büyüklükleri birbirine eşit ve aralarında 120° lik faz
farkı varsa üç fazlı sistem dengelidir denir. Dengeli sistemi dengeli yükler oluşturur. Dengeli yüklerin
her bir fazının empedansı büyüklük ve faz yönünden birbirine eşittir.
A
A
a +
Ih
V
R
Uf
C
A
B
A
Ih
+ c
Ih
Ih
If
V
R
Uh
-
+
C
A
B
A
(a)
a +
Ih
Ih
(b)
Şekil 1. (a) Yıldız ve (b) Üçgen bağlantı
R
+
Uf
b
If
+
-
R
n
- -
Uh
N
A
A
R
Uf
R
+ If
Devre Analizi-II
Yıldız bağlı bir sistemde sırasıyla hat ve faz gerilim ve akımlarının ilişkileri (1) ve (2) denklemlerinde
verilmiştir.
U hat = 3U faz
I hat = I faz =
(1)
U faz
Z
=
U hat
3Z
(2)
Üçgen bağlı bir sistemde ise sırasıyla hat ve faz gerilim ve akımlarının ilişkileri (3) ve (4)
denklemlerinde verilmiştir.
U hat = U faz
I hat = 3I faz =
(3)
3U hat
Z
(4)
Dengeli yıldız bağlı bir sistemde:
In = If A + If B + If C = 0
şeklindedir.
Üç fazlı sistemlerde güç:
Üç fazlı bir sistem ister dengeli, ister dengesiz olsun, her bir fazın güçlerinin toplamı, devrenin gücünü
verir.
P = P1 + P2 + P3
(5)
Dengeli devrelerde faz güçleri birbirine eşittir. Bir fazın gücü P faz ile gösterilirse üç fazın gücü:
P = 3Pfaz
(6)
Dengeli devrelerde bir fazın gücü:
P = U faz I faz cos ϕ üç fazlı devrenin ise:
P = 3U faz I faz cos ϕ
(7)
Dengeli yıldız bağlı devrelerde üç faz gücü:
P = 3U hat I hat cos ϕ
(8)
Dengeli üçgen bağlı devrelerde üç faz gücü:
P = 3U hat I hat cos ϕ
Şeklinde olur. Üç fazlı dengeli devrenin görünür ve aktif güçleri sırasıyla:
(9)
Devre Analizi-II
S = 3U hat I hat
(10)
Q = 3U hat I hat sin ϕ
(11)
Şeklindedir.
ÖN HAZIRLIK
Herhangi bir ön hazırlık yapılmayacaktır.
1.4. DENEYİN YAPILIŞI
Uygulanacak Devreler:
a) Üçgen Bağlantı:
A
A
Ih
If
V
Uh
A
B
A
c
R
R
R
Uf
Uf
+
V
+ If
a +
Ih
Ih
+
Uh
c
C
A
B
A
R
c
Ih
(a)
(b)
A
A
a
Ih
L
R
V
-
A
B
A
a +
Ih
-
Uf
+
C
R
Uf
Uf
Uh
L
+
-
R
+
-
Uf
-
a +
Ih
c
+
-
R
-
C
Ih
If
+
-
R
a
A
A
b
L
Ih
(c)
Şekil 2 (a) Üçgen bağlı R (ohmik) (b) Üçgen bağlı R-C yükü (c) Üçgen bağlı R-L yükü
+
b
Devre Analizi-II
Tablo 1.Ölçüm sonuçları
Devre
Şekil 2 (a)
Şekil 2 (b)
Şekil 2 (c)
Uf (V)
If (A)
Uh (V)
Ih (A)
Ih (B)
Ih (C)
SORU: Deneylerden çıkardığınız sonuçları kendi cümlelerinizle yorumlayınız.
Yük (Ω)