Elektrik tesislerinde, yükler şebekeden elektrik gücünü (aktif) güç kaynağı olarak çekerler (örn. kişisel bilgisayarlar, yazıcılar, tıbbi teşhis ekipmanları, vb.) veya onu başka bir enerji formuna (örn. elektrikli lambalar veya fırınlar) ya da mekanik çıkışa (örn. elektrik motorları) dönüştürürler. Bunu elde etmek için genellikle yükün şebeke ile çoğunlukla indüktif tip olan reaktif enerjiyi değiş tokuş etmesi gerekir. Bu enerji, hemen diğer formlara dönüştürülmemiş olsa da, elektrik şebekesinde üreticilerden (kaynaktan) iletkenler boyunca kullanıcıya akan toplam gücü artırmaya katkıda bulunur. Bu tarz bir negatif etkiyi azaltmak için elektrik tesislerinde güç faktörü düzeltilmesi yapılır.

Kullanışlı elektrik gücünün aktarımı için gerekli reaktif enerjiyi yerel olarak üretmek üzere kapasitör bankları kullanılarak elde edilen güç faktörü düzeltilmesi, tesislerin teknik- ekonomik yönetimini daha rasyonel hale getirir.

Dahası, elektronik devreler ve elektrikli sürücüler gibi doğru akım kullanıcılarının mevcut yayılımı, şebekeye enjekte edilen akım harmoniklerinin üretilmesi sonucu diğer yüklere bağlı dalga formlarının kirlenmesi ve bozulmasına yol açar. Bu nedenle, hem pasif hem de aktif harmonik filtrelerin kullanılması, şebekenin genel güç kalitesinin artırılması için katkıda bulunurken, bu tür filtreler düzgün boyutlandırıldığında ayrıca şebeke frekansında güç faktörü düzeltilmesini yürütür.
 

Alternatif akım devrelerinde, bir yük tarafından çekilen akım iki bileşen ile temsil edilebilir:

► aktif bileşen I_R, besleme gerilimi ile uyum içerisinde olup, çıkış (ve bu yüzden farklı türde enerjiye dönüştürülen elektrik enerjisinin bir bolumu: mekanik enerji, ışık enerjisi, termal enerji…) ile doğrudan ilgilidir;

► reaktif bileşen I_Q, gerilim ile dik evreli olup, elektrik veya manyetik alan boyunca güçlerin dönüştürülmesi için gerekli olan akımı oluşturmak için kullanılır ve besleme ve yük arasında enerji transferi göstergesidir. Bu olmadan, gücün net transferi olamaz. Örneğin, transformatörün çekirdeğindeki manyetik kaplin veya motordaki hava boşluğu yoluyla.

En sık görülen durumda, omik indüktif tip yüklerin varlığında, toplam akım I, aktif bileşen I_R'ye göre geriden gelir.

Bu nedenle, bir elektrik tesisatında aktif güç P'ye ek olarak, elektrik enerjisinin dönüştürülmesi için gerekli olan ama şebeke ile değiş tokuş yüzünden yükte kullanılamayan belirli bir Q reaktif gücü üretmek ve aktarmak gerekir. Üretilen ve iletilen gücün birleşimi görünen güç S'yi teşkil eder.

Güç faktörü cosφ aktif bileşen I_R ve toplam I akımı değeri arasındaki oran olarak tanımlanır;

φ gerilim ve akım arasındaki faz açısıdır. Verilen bir V faz gerilimi için, sonuç:
 

 

Tablo 1.1: Bazı elektrikli cihazlardaki tipik güç faktörleri
 

Güç faktörünün iyileştirilmesi, gerekli reaktif gücü yerel olarak sağlayarak tesisatın tanımlanmış bir bölümünde güç faktörünü artırmak için gerekli işlemlerin yapılması anlamına gelir. Böylece akım ve dolayısıyla şebekeden yukarı yönde akan gücün değeri, gerekli aynı çıkış gücünde azaltılabilir. Böylece, hatlar, güç kaynakları ve transformatörler aşağıdaki bölümde daha iyi açıklandığı üzere, daha düşük bir görünür güç için boyutlandırılabilir.

Tamamen teknik bir bakış acısından bakıldığında, uygun büyüklükteki bir tesisat düşük güç faktörü durumunda da düzgün çalışabilir; bu nedenle bir elektrik tesisatında olması gereken güç değerini tam olarak belirten bir standart yoktur.

Ancak, güç faktörünü iyileştirmek, teknik ve ekonomik avantajlar sağlayan bir çözümdür; hatta düşük cosφ'a sahip bir tesisatın yönetimi, elektrik tedarikçisi kurum için maliyetlerde bir artış anlamına gelir ve dolayısıyla düşük güç faktörleri ile enerji çekilmesini cezalandıran bir tarife yapısı uygular.

Farklı ülkelerde yürürlükte olan yasal tedbirler, ulusal elektrik tedarikçilerinin az ya da çok detaylı bir tarife sistemi oluşturmasına izin verir; detaylara çok girmezsek, böylesi bir sistem, kaynağın gerilim seviyesine (düşük, orta ya da yüksek) ve güç faktörüne bağlı olarak 0.9'a eşit bir cosφ'yi aşan çekilen bir reaktif enerjinin belirlenen miktarlara göre ödeneceği şekilde yapılandırılır.

Uygulanan tarifeye göre, tüketici kendi ek ücret miktarını belirleyebilir ve böylece güç faktörü düzeltilmesi için bir tesisat maliyeti ile karşılaştırıldığında ödenecek cezalara ilişkin tasarrufları değerlendirebilir.

 

Daha önce bahsedildiği üzere, gerekli reaktif gücü yerel olarak besleyerek bir tesisatın güç faktörü düzeltildiğinde, aynı gerekli çıkış gücü seviyesinde, akım değerini ve dolayısıyla yük tarafında çekilen toplam gücü indirgemek mümkündür; bu da birçok avantaj anlamına gelir. Bu avantajlar arasında elektrik makinelerinin (generatör ve transformatörler) ve elektrik hatlarının (aktarım ve dağıtım hatları) daha iyi kullanımı vardır.

Sinüzoidal dalga formları durumunda, cosφ₁ bir güç faktöründen cosφ₂ güç faktörüne geçmesi gereken reaktif güç şu ilişkiyle verilir (hem üç fazlı hem tek fazlı sistemler için geçerlidir):
 

burada:

► P aktif güçtür;
► Q₁, φ₁ güç faktörü düzeltme öncesi reaktif güç ve faz kayma açısıdır;
► Q₂, φ₂ güç faktörü düzeltme sonrası reaktif güç ve faz kayma açısıdır;
► Q_c güç faktörü düzeltilmesi için reaktif güçtür.

Örnek: Ortalama 300 kW güç çeken üç fazlı bir santralde (U_n=400 V) güç faktörünü 0.8'den 0.93'e çıkarmak istiyoruz diyelim.

Çekilen akım:

Önceden açıklanan formülü uygulayarak, Q_c tarafından yerel olarak üretilecek reaktif güç şu şekilde elde edilebilir:
 

 

Güç faktörü düzeltme etkisi nedeniyle, çekilen akım 540 A'dan şu değere düşecektir:
 

 

Yukarıda belirtilenler için, güç faktörü düzeltilmesinin başlıca avantajları şöyle özetlenebilir:

► elektrik makinelerinin daha iyi kullanımı
► elektrik hatlarının daha iyi kullanımı
► kayıpların azaltılması;
► gerilim düşümlerinin azaltılması.

 

Generatörler ve transformatörler S görünür gücüne göre boyutlandırılır. Aynı P aktif gücünde, sağlanacak Q reaktif gücü ne kadar küçük olursa, görünür güç de o kadar küçük olur. Böylece, tesisatın güç faktörünü iyileştirerek, bu makineler daha düşük bir görünür güç için boyutlandırılabilirken halen aynı aktif gücü sağlayabilirler.

Örnek olarak, Tablo 2.1'de OG/AG üç fazlı transformatörler için aktarılabilen gücün değişimi, yükün cosφ fonksiyonu olarak gösterilmektedir.

 

Tablo 2:1

Yukarıdaki tablodan çıkan sonuca göre cosφ=0.7 olan 170 kW toplam gücü bir dizi yüke beslemek için 250 kVA bir transformatör kullanılmalıdır. Eğer yükler 0.7 yerine cosφ=0.9 ile aynı gücü çekerlerse, 200 kVA bir transformatör kullanmak yeterli olacaktır.

Aynısı generatörler için de geçerlidir.

 

Güç faktörü düzeltilmesi, kablo boyutlandırmada da avantajlar elde edilmesini sağlar. Nitekim, daha önce bahsedildiği üzere aynı çıkış gücünde, güç faktörünün artırılmasıyla akım azalır. Akımdaki bu indirgeme, daha az kesit alanına sahip iletkenlerin seçimini sağlayacak şekilde yapılabilir.

Pratik bir örnek üzerinden açıklamak için cosφ= 0.7 ile, U_n= 400 V geriliminde 170 kW'a eşit bir P_n yükünü ele alalım; çekilen I_0.7 akımı:
 

 

Delikli bir kablo tavasına düz bir şekilde monte edilmiş EPR yalıtımlı tek damarlı bir bakır kablo seçerken, standart şartlar altında, 120 mm² bir kesit alanı gerekecektir (bkz. Tablo 2.2).

0.9 cosφ değeri elde edecek şekilde yerel olarak güç faktörünü düzeltmek için, gerekli akım:
 

Bu akım değeri ile kablo 70 mm² kesit alanına sahip olabilir.

 

Tablo 2.2: Delikli Kablo Tavasındaki Tek Damarlı Bakır Kabloların I₀ akım taşıma kapasitesi

 

Bir elektrik iletkeninin güç kayıpları iletkenin kendi direncine ve bunun üzerinden akan akımın karesine bağlıdır; iletilen aynı aktif güç değeri ile cosφ ne kadar büyük olursa, akım o kadar düşük olacağından, buna müteakip güç faktörü arttığında güç faktörü düzeltilmesinin gerçekleştiği noktanın besleme tarafındaki iletkendeki kayıplar azalacaktır.

Üç fazlı bir sistemde kayıplar aşağıdaki gibi açıklanır:
 

burada:

► I: iletkenden akan akım;
► R: iletkenin direnci;
► S: yükün gerektirdiği görünür güç;
► P: yükün gerektirdiği aktif güç;
► Q: yükün gerektirdiği reaktif güç;
► U_n: nominal besleme gerilimi.

Güç faktörünün düzeltilmesi sonrası kayıplardaki indirgeme Δp şu şekilde verilir:
 

burada:

► p₁ güç faktörü düzeltme öncesindeki kayıplardır;
► cosφ₁ güç faktörü düzeltme öncesi güç faktörüdür;
► cosφ₂ güç faktörü düzeltme sonrası güç faktörüdür.


Bu formülden [2.4] çıkan sonuca göre, örneğin, güç faktörünü 0.7'den 0.9'a çıkartarak, kayıplarda %39.5 oranında tasarruf elde edilir. Alttaki tablodan, güç faktörünü ilk cosφ₁ değerinden 0.9 ve 0.95 son değerlerine yükselterek kayıplarda elde edilen tasarruf görülebilir.
 

 

Güç faktörünü iyileştirerek, güç faktörünün iyileştirildiği noktanın kaynak yönünde, kurulumun tüm kısımlarındaki güç kayıplarında indirgenme elde edilir.

 

Hat-Hat geriliminin üç fazlı bir hatta düşüşü şu şekilde açıklanabilir:
 

burada:

► R ve X, sırasıyla hattın direnç ve reaktansıdır;
► P aktarılan aktif güçtür;
► I akımdır;
► U_n nominal gerilimdir.

Aynı aktarılan aktif güç seviyesinde, güç faktörü ne kadar yüksek olursa gerilim düşümü daha küçük olacaktır. Faz gerilim düşümü ΔV'yi gösteren diyagramlardan görüleceği üzere, gerilim ve akım arasındaki faz kayma akımı φ ne kadar küçük olursa (yük akımının aynı aktif bileşeni ile ve bu yüzden, aynı aktif güç ile) gerilim değişimi o kadar küçük olur; bir reaktif güç çekimi yok ise, bu değişim minimumdur (eş fazlı akım).

 

Şekil 2.1: Hattaki gerilim düşümünü gösteren güç faktörü düzeltilmesi olmadan fazör diyagramı


Şekil 2.2: Toplam güç faktörü düzeltme ile fazör diyagramı, salt omik yük durumunda hattaki gerilim düşümünü gösteriyor.

 

Elektrik tedarikçisi kurum, aylık ortalama 0.9'dan küçük güç faktörüne sahip enerji çekimleri için ceza uygulayacağı bir tarife uygular. Uygulanan sözleşmeler ülkeden ülkeye ve müşteri çeşidine göre farklılık gösterir: sonuç olarak aşağıdaki notlar, güç faktörü düzeltme sayesinde elde edilebilir ekonomik tasarrufu göstermeyi amaçlayan salt öğretici ve gösterge niteliğinde bilgiler olarak kabul edilecektir.

Genel olarak güç tedarikinin sözleşme maddeleri, güç faktörü 0.7 ila 0.9 aralığındayken çekilen reaktif enerjinin faturalandırılmasını gerektirirken, 0.9'un üzerinde herhangi bir alacak oluşmaz.

Cosφ < 0.7 için elektrik tedarikçisi kurum güç faktörü düzeltilmesini tüketiciler için zorunlu kılabilir. Aylık ortalama 0.9'a eşit ve onun üzerinde bir güç faktörüne sahip olmak, şebekeden aktif enerjinin %50'si veya üzerinde bir reaktif enerji talep etme anlamına gelir.
 

Dolayısıyla, reaktif enerji gereksinimleri aktif olanın %50'sini aşmazsa hiçbir ceza uygulanmaz. 0.9'a eşit bir güç faktörünü aşan bir reaktif enerjiyi çekerken tüketicinin ödeyeceği yıllık maliyet aşağıdaki ilişki ile açıklanabilir:
 

burada:

► C_EQ yıllık reaktif enerjinin € cinsinden maliyetidir;

► E_Q kvarh cinsinden yıllık tüketilen reaktif enerjidir;
► E_Q kWh cinsinden yıllık tüketilen aktif enerjidir;
► E_Q - 0.5
► E_p ödenecek reaktif enerji miktarıdır;
► c reaktif enerjinin €/kvarh cinsinden birim maliyetidir.

Eğer reaktif enerji tüketimi ödememek için güç faktörü 0.9 olarak düzeltilirse, kapasitör bankın ve ilgili tesisatın maliyeti:

burada:

► C_Qc güç faktörünü 0.9 olarak tutmak için € cinsinden yıllık masraf;

► Q_c kvar cinsinden 0.9 bir cosφelde etmek için gereken kapasitör bank gücü;

► c_c kapasitör bankının kurulumu için €/kvar cinsinden yıllık kurulum maliyeti.
 

Müşterinin tasarrufu:

 

Belirtmek gerekir ki kapasitör bankı, bir veya daha fazla ekonomik katsayı uygulanarak, tesisat ömrünün yıllarına uygun olarak bölüneceği bir "kurulum maliyetini" temsil eder; pratikte, güç faktörünün düzeltilmesiyle elde edilen tasarruflar, kapasitör bankının kurulum maliyetini kullanımın ilk yıllarında çıkartmayı sağlar. 


Örnek Bir şirket Tablo 3.1'e göre aktif ve reaktif enerji çekiyor:

Reaktif enerjinin birim ücretinin 0.0421 €/kvarh'ye eşit olduğunu varsayarak, yıllık toplam maliyet:
 

Tablo 3.2 güç faktörünü 0.9'a çıkarmak için gerekli reaktif gücü göstermektedir.

Eğer yıllık 25 €/kvar c_c değerinde bir toplam kurulum maliyetine karşılık otomatik kontrollü Q_c=30 kvar güç düzeltme faktörüne sahip bir kapasitör bankı kullanılırsa, toplam 750 € maliyet elde edilir. Geri ödeme ve mali giderleri hesaba katmadan tüketici için tasarruf şu şekilde olacaktır:

 

Reaktif güç üretimi için ana araçlar:

► senkron alternatörler;
► senkron kompansatörler (SC);
► statik var kompansatörler (SVC);
► statik kapasitör bankları.
 

Senkron alternatörler, elektrik enerjisinin üretimi için kullanılan başlıca makinelerdir. İletim ve dağıtım sistemleri ile nihai yüklere elektrik gücü sağlamak için tasarlanmışlardır. Ayrıca, teknik detaylara girmeden, alternatörlerin ikazını etkileyerek, üretilen gerilim değerinin değiştirilmesi ve buna bağlı olarak şebekeye yapılan reaktif güç enjeksiyonlarını düzenleyip sistemin gerilim profillerinin iyileştirilmesi ve hatlarda jul etkisi nedeniyle oluşan kayıpların azaltılması mümkündür.
 

Bunlar şebeke ile senkronize bir şekilde yüksüz olarak çalışan senkron motorlardır ve tek görevleri fazla reaktif gücü emmek (düşük ikazlı çalışma) veya eksik olanı beslemektir (aşırı ikazlı çalışma)
 

Şekil 4.1: Düşük İkazlı Senkron Kompansatör




Şekil 4.2: Aşırı İkazlı Senkron Kompansatör

E: stator fazlarında indüklenen e.m.f
V: alternatör terminallerine şebeke tarafından uygulanan faz gerilimi 
I: stator akımı
X_s: stator direnci

Bu cihazlar, gerilimlerinin ve reaktif güç akışlarının düzenlenmesi için çoğunlukla güç iletim ve alt iletim şebekesinin belli düğümlerinde kullanılır.

Yüksek kurulum ve bakım maliyetleri nedeniyle ekonomik acıdan bakıldığında senkron kompansatörler, güç dağıtım şebekelerinde kullanım için uygun değildir.
 

Güç elektroniğindeki kayda değer gelişim, reaktif güç kontrolü için statik sistemlerle senkron kompansatörlerin değiştirilmesini teşvik etmektedir; örneğin TSC (tristör anahtarlı kapasitörler) ve TCR (tristör kontrollü reaktörler).

Bunlar elektromekanik bileşenlere dayanan reaktif güç kompanzasyon sistemlerinin elektronik versiyonudur ancak bunlarda çeşitli kapasitörlerin anahtarlanması, uygun kontaktörlerin açılıp kapanmasıyla değil antiparalel tristör çiftleri tarafından yürütülen kontrol yoluyla yapılır.
 

TSC, kapasitör gruplarının sağladığı reaktif gücün adım adım kontrolüne izin verirken, TCR ile indüktörlerin çektiği reaktif gücün sürekli kontrolü mümkündür.

Bir TSC ile TCR'yi bağlayarak, taşınan/çekilen reaktif gücün sürekli modülasyonlu düzenlemesini elde etmek mümkündür. Uygulama acısından, bu cihazlar özellikle yüksek ve çok yüksek gerilimli şebekelerde kullanılır.
 

Bir kapasitör, dielektrik bir malzeme ile birbirinden izole edilmiş plakalar olarak adlandırılan iki iletken yüzeyden oluşan pasif dipoldür.

 

Bu şekilde elde edilen sistem, elektrik boşalmasına neden olabilecek nemin veya gaz ceplerinin içeri girmesini önlemek için emprenye edilir (emdirilir).

Son nesil kapasitörler kuru-tiptir ve elektriksel özelliklerini artıran özel bir işlemden geçerler. Kuru-tip kapasitör kullanıldığında, emprenye maddenin arızi sızıntısı nedeniyle kirlilik riski olmaz.

Metal plakaların geometrisine göre, şunlara sahip olmak mümkündür:

► düz kapasitorler;
► silindirik kapasitörler;
► küresel kapasitörler.
 

Bir kapasitorü karakterize eden başlıca parametreler şunlardır:

► nominal kapasitans C_n: kapasitörün nominal güç, gerilim ve frekansından elde edilen değer;
► nominal güç Q_n: kapasitörün tasarlandığı reaktif güç;
► nominal gerilim U_n: kapasitörün tasarlandığı alternatif gerilimin r.m.s. değeri;
► nominal frekans f_n: kapasitörün tasarlandığı frekans;

Plakalar boyunca alternatif akım uygulandığında, kapasitör şarj ve deşarj döngülerine tabi tutulur ve bu sırada reaktif enerji depolar (kapasitör şarjı) ve bu enerjiyi bağlı olduğu devreye enjekte eder (kapasitör deşarjı).

Bu enerji aşağıdaki ilişki ile sağlanır:

burada:

► C: kapasitanstır;
► U: kapasitörün terminallerine uygulanan gerilimdir.

Enerji depolama ve taşıma özellikleri yüzünden, kapasitörler reaktif güç faktörü düzeltme banklarının (tüm gerilim seviyeleri için) ve reaktif gücü düzenleyen statik cihazların gerçekleştirilmesi için temel eleman olarak kullanılır.

Özellikle, alçak gerilim uygulamaları için kullanılan güç faktörü düzeltme kapasitörleri, metalize polipropilen filmin tek fazlı bileşenlerinden oluşur ve kendini iyileştirme özelliğine sahip olabilir. Bu kapasitörlerde, deşarj yüzünden zarar gören dielektrik kısım, kendi kendini yenileme özelliğine sahiptir; hatta, bu tur durumlarda, polipropilen filmin deşarjdan etkilenen parçası, deşarjın sebep olduğu termal etki yüzünden buharlaşır ve böylece hasarlı kısmı yeniler.

Kaynak: