Elektrik Tesisatı Tasarımı |
1.Bölüm

Elektrik tesisatı tasarımı yapılırken göz önünde bulundurulması gereken birçok etken vardır. Bu etkenler ise bazı temel kavramlara dayanır. Peki nedir bu kavramlar? Elektrik tesisatı için önemleri nelerdir? Bu yazımızda elektrik tesisatı ile ilgili temel kavramları inceleyeceğiz.

A- A+

31.03.2020 tarihli yazı 9735 kez okunmuştur.

Elektrik Elektrik Tesisatı Harmonikler Reaktif Güç

Elektrik tesisatı analizleri, sistemde yer alan tüm parçaların uyum içerisinde, arızasız çalışması ve en çok da insan sağlığı adına önemlidir. Gerekli gücün, yük merkezlerine belirli akım ve gerilim seviyelerinde sorunsuz ulaştırılması tesisatın tasarımını yapan mühendisin öncelikli amacıdır. Peki ilgili mühendisin kusursuza yakın tasarım yapabilmesi için hangi temel elektriksel konulara hakim olması gereklidir?

Yazımızın bu bölümünde elektrik tesisatında yer alan önemli kavramlar üzerinde duracağız.

1. Yük Analizi

Evinizde bulunan mutfak robotları ve aydınlatmalardan, atölyenizdeki ısıtıcılara veya motorlara kadar her cihaz elektrik tesisatına bağlanır. Bu cihazların tükettiği enerjiyi sayaçtan okurken görünen tek değer “kWh” olsa da işin perde arkası bu kadar basit değildir.

Aktif güç (W), görünür gücün (S) bir bileşenidir. Diğer bileşen ise günlük hayatta hesaba katmadığımız ancak büyük öneme sahip reaktif güçtür (Q)

Harmonik gücü diye adlandırılan D, ise harmoniklerin etkisi ile oluşan bir güç türü olup, görünür gücün son bileşenidir.

Reaktif güç, aktif gücün aksine “iş yapmayan” güç olarak tanımlansa da manyetik devrelerde manyetizmanın temelini oluşturur ve birçok cihazın çalışması için gerekli olan enerji türüdür.

1.1 Gerçek Güç Diyagramı

Elektrik devrelerinde güç diyagramını incelediğimizde üç ana güç türü karşımıza çıkar.

► Toplam aktif güç P (W), devredeki her cihazın tükettiği aktif gücün aritmetik toplamıdır.

► Toplam reaktif güç Q (VAR), devredeki her cihazın tükettiği reaktif gücün cebirsel toplamıdır.

► Görünür güç S (VA) ise aktif, reaktif ve varsa bozunum güçlerinin karelerinin toplamının kareköküne eşittir. (Harmonik güç “D”)

S= √ (P² + Q²)

Harmonik etkisini formüle eklersek formül şu hali alır:

S= √ (P² + Q² + D²)

Şekil 1: Harmonik gücü güç diyagramında gösterimi

► İlginizi Çekebilir: Reaktif Güç Nedir ve Neden Önemlidir?

1.2 Kosinüs Faktörü

(φ) “fi” açısı devredeki akım ile gerilim arasındaki faz farkı açısına eşittir. Cosφ (Kosinüs fi) ise ideal şartlarda güç faktörü olarak tanımlanırken, aktif gücün görünür güce oranı olarak ifade edilir. Ancak bu ifade harmonik (bozunum) gücünün yani harmoniklerin yok sayıldığı durumlar için geçerlidir.

Son 30-40 yıldır elektrik tesisatı tasarımlarında harmonik (bozunum) güç yok sayılmayacak derecede önem kazandı. Elektronik cihazların kullanımı arttıkça harmoniklerin de etkileri artmaya başladı. Günümüzde ise gelişmiş filtre sistemleri ile harmonik etkileri çok aza indirgense de tamamen ortadan kaldırılamıyor.

Üst bölümde görünür güç formülünde belirttiğimiz gibi; görünür güç, aktif, reaktif ve harmonik (bozunumu) güce bağlıdır. Dolayısıyla, güç faktörü temelde kosinüs fi’ ye eşit değildir.

Harmoniklerin etkisini göz önünde bulundurarak kosinüs fi ile güç faktörünün aynı katsayı olmadığını unutulmamalıdır.

Şekil 2: φ (fi) açısının gösterimi

1.3. Harmoniklerin Başlangıcı

Elektrik devrelerine lineer dalga formuna sahip olmayan cihazların bağlanması ile devredeki akım ve gerilim dalgaları bozulmaya başlar. Buna bağlı olarak hat ve tesisat kalitesi azalır ki bu hiç istenmeyen bir durumdur.

Şekil 3: Temel frekans ve harmonik dalgaları

►İlginizi Çekebilir: Otomatik Sigortalar Nedir? Nasıl Seçilir?

1.3.1. Harmonik Nedir ?

Elektriksel yükler çektiği akımlara ve dalga şekillerine göre lineer ve nonlineer yükler olarak ikiye ayrılmaktadır. Lineer yüklerde; yükle yükün üzerinden geçen akım arasında doğrusal bir ilişki vardır. Nonlineer yükler de ise bu ilişki düzensiz yapıdadır. Örneğin; nonlineer elemanlar sinüsodial bir gerilime maruz bırakıldığında sinüsodial olmayan akım çeken bir yapıya sahiptir. Nonlineer yükler tarafından çekilen akım temel frekansın tam katlarında frekansa sahip akımları da içermektedir. Temel frekansa göre yüksek frekansta kabul edilen bu akımlar ’’Harmonik’’ olarak adlandırılmaktadır.

1.3.2. Akım ve Gerilim Harmonikleri

Harmonikler, devredeki akım veya gerilimin temel frekansının tamsayı katlarında ek dalgaların oluşması olayıdır. Temel frekansı 50 Hz olan devrede 2. harmonik 100 Hz'de, 3. harmonik 150 Hz'de, 4. harmonik 200 Hz'de ve 5. harmonik ise 250 Hz'de oluşur. Oluşan bu yüksek frekanslı dalgalar, temel frekanslı dalganın şeklini bozar.

Harmoniklerin oluşmasının sebebi ise sisteme lineer olmayan aydınlatma, UPS ve hız sürücüleri gibi yüklerin bağlanmasıdır.

Elektronik sistemlerde; çift katlı harmonikler (2. harmonik, 4. harmonik vb.) birbirlerini sönümledikleri için genellikle tek katlı (3. harmonik, 5. harmonik vb.) harmonikler bulunur.

Tesisatta oluşan akım harmonikleri zamanla sistemdeki yükler üzerinde gerilim indüklenmesine sebep olur ve gerilim harmoniklerinin oluşmasını sağlar. Akım harmoniklerinden özellikle 3. harmoniğin etkisiyle devrede dolaşan akımın rms değeri yükselir. Yükselen akım ise istenmeyen ısı kayıpları meydana getirirken, sistemin verimli ve istenen düzeyde çalışmasını engeller.

Şekil 4: Sinüs dalgası ve tek katlı harmonikleri

► İlginizi Çekebilir: Harmonikler ve Harmonik Üreticileri

1.3.3. Harmonik Üreten Cihazlar

Günlük hayatımızda kullandığımız çoğu cihaz, farklı katlarda akım harmonikleri üretir. Harmonik üreten cihazları şu şekilde sıralayabiliriz:

► Doğrultucu köprüler ve statik çeviriciler içeren cihazlar (ups, ayarlanabilir hız sürücüleri vb.)

► Aydınlatmada kullanılan floresan lambalar

► Ağır endüstride kullanılan ark ocakları

► Reaktörler

► Motor ve jeneratör gibi döner cihazlar

Şekil 5: Sinüs dalgasının bozulması

1.3.4. Harmoniklerin Etkileri

Elektrik tesisatlarındaki harmoniklerin varlığı birçok olumsuz sonuca neden olur. Genelde akım harmoniklerinin etkisiyle meydana gelen sorunlar sisteminden tamamen kullanılmaz hale gelmesine yol açabilir.

Temelde harmoniklerin etkilerini kısa zamanlı ve uzun zaman zamanlı olarak ayrılır. Kısa zamanlı etkiler;

► Koruma cihazlarının yanlış tetikleme yapmalarına,

► Sistemdeki kapasitörlerin zarar görmelerine,

► Tork azalmasına,

► Vibrasyonlara sebep olur.

Uzun süreli etkiler ise akım harmoniklerinin sistemdeki parçalar üzerinde fazla ısınmaya sebep olmasından kaynaklanır. Fazla ısınma, performans düşüklüğü ve ileriki aşamalarda ark veya yangın oluşumuna sebep olabilir.

Uzun zamanlı etkilere;

► Motor ve transformatörlerdeki bakır ve metal kayıpları (yüksek harmonikler yüzünden maruz kalınan yüksek frekans çekirdek kayıplarını artırır.)

► Kablo ısınmaları

► İletken yapılardaki fazla ısınma sonucu meydana gelen dielektrik kayıpları

örnek gösterilebilir.

1.4. Harmonik (Bozunum) Gücü (D)

Harmonik (bozunum) gücü genelde görünen güç formülünde yer almaz. Ancak harmonikler işin içine girdiğinde mutlaka hesaba katılmalıdır.

Bozunum gücü hesaplanırken, sistemdeki gerilim ve harmoniklerin meydana getirdiği akımın rms değeri kullanılır.

1.5. Reaktif Güç Kompanzasyonu

Tesisata bağlanacak cihazlar aktif gücün yanında reaktif güç (genellikle indüktif güç) tüketirler. Tüketilen reaktif güç elektrik sisteminin güç kalitesini azaltır. Bu da fiziksel olarak gerilim düşümlerine, ısı kayıplarının artışına sebep olur. Tesisatın tasarımı yapılırken, olası reaktif güç tüketimi hesaplanarak yeterli kapasitede reaktif güç kompanzasyon panosu veya sistemi kurulmalıdır.