Güç Faktörü ve Kompanzasyon

Konu Anlatımı

Güç Faktörü ve Kompanzasyon

Elektrik tesisatında yük yalnızca iş yapan aktif güçten ibaret değildir. Motorlar, transformatörler, floresan armatürler ve kaynak makineleri manyetik alan kurmak için ayrıca reaktif güç çeker. Bu reaktif güç enerjiyi tüketmez, ancak kaynak ile yük arasında dolaşarak iletkenlerde, transformatörde ve koruma elemanlarında ek akım oluşturur. Güç faktörü bu dengesizliğin ölçüsüdür; kompanzasyon ise reaktif gücü yük yanında üreterek şebekeden çekilen akımı düşürme işlemidir.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste aktif, reaktif ve görünür gücün birbiriyle ilişkisini kuracak, güç faktörünü bir tesisatın ölçülebilir büyüklüğü olarak yorumlayacak ve bir tesis için gereken kompanzasyon kapasitesini hesaplayabileceksiniz. Ayrıca kondansatörün pano içinde nasıl yerleştirildiğini ve kademeli sistemlerin neden tercih edildiğini öğreneceksiniz.

Ön bilgi

Doğru akım devrelerindeki güç P = U × I ile bulunur. Alternatif akımda ise gerilim ve akım arasında faz farkı olduğunda enerjinin bir kısmı yük tarafında depolanıp geri verilir. Bu nedenle güç üçgeni, Pisagor bağıntısı ve trigonometrik oranlar bu konunun temelidir.

Üç fazlı sistemde hat gerilimi U ile faz akımı arasındaki ilişkide √3 katsayısı kullanılır. Tesisat ölçümlerinde gerilim, akım ve güç değerlerinin birimleri (V, A, W, var, VA) doğru yazılmalıdır; birim karışıklığı hatalı kapasitör seçiminin en sık nedenidir.

Aktif, Reaktif ve Görünür Güç

Aktif güç P (watt), ısı, ışık ve mekanik iş olarak harcanan gerçek güçtür. Reaktif güç Q (var), manyetik alanı kurmak ve sönümlemek için şebeke ile yük arasında gidip gelen güçtür. Görünür güç S (VA) ise şebekenin sağlaması gereken toplam güçtür. Üçü arasında S² = P² + Q² bağıntısı vardır.

Güç üçgeninde yatay kenar P, dikey kenar Q ve hipotenüs S'dir. Açı φ, gerilim ile akım arasındaki faz farkıdır. Bu üçgen, bir yükün şebekeden ne kadar akım çektiğini ve bu akımın ne kadarının iş yaptığını tek bakışta gösterir.

Bir endüksiyon motorunun boşta çalışırken az aktif güç, buna karşılık yüksek reaktif güç çekmesi tipik bir durumdur. Motor yüklendikçe P artar ve güç faktörü iyileşir. Bu nedenle kompanzasyon hesabı tam yük değil, tesisin gerçek çalışma profili üzerinden yapılmalıdır.

Güç Faktörünün Ölçülmesi ve Etkileri

Güç faktörü cosφ = P / S ile tanımlanır ve 0 ile 1 arasında değer alır. Değer 1'e yaklaştıkça reaktif güç azalır ve şebeke daha verimli kullanılır. Bazı tarifelerde düşük güç faktörü fatura kalemine ek bedel olarak yansıyabildiğinden sayaç okumaları düzenli izlenmelidir.

Düşük güç faktörünün teknik etkileri üç başlıkta toplanır. Birincisi, aynı aktif gücü taşımak için daha büyük akım gerekir; bu da iletken kesitini, pano şalterini ve transformatörü zorlar. İkincisi, hat kayıpları I² × R ile arttığından gereksiz ısı oluşur. Üçüncüsü, gerilim düşümü büyür ve uçtaki cihazların performansı düşer.

Ölçümde güç analizörü veya kompanzasyon kontrol rölesi kullanılır. Ölçümün farklı saatlerde ve farklı üretim vardiyalarında yapılması gerektiğini unutmayın; tek bir ölçüm yanıltıcı olabilir.

Kompanzasyon Kapasitesinin Hesaplanması

Kompanzasyon, mevcut reaktif gücün bir kısmını veya tamamını kondansatör ile karşılamaktır. Gerekli kapasitör gücü, aktif güç ve mevcut ile hedef güç faktörleri üzerinden hesaplanır. Bu hesapta tanjant kullanılır, çünkü tanφ = Q / P olduğundan reaktif güç doğrudan P ile çarpılabilir.

Hesap adımları şöyledir: önce mevcut cosφ1'den tanφ1 bulunur, hedef cosφ2'den tanφ2 bulunur, sonra iki değerin farkı aktif güçle çarpılır. Sonuç, kondansatörün sağlaması gereken reaktif güçtür. Hedef değer çoğu tesiste 0,95 ile 0,98 arasında seçilir; tam 1,00 hedeflemek ekonomik olmayabilir ve aşırı kompanzasyon riski doğurur.

Kondansatör gücü standart kademelere yuvarlanır. Hesaplanan değerin altında kalmak yetersiz düzeltme, üstünde kalmak ise yükün azaldığı dönemlerde gerilim yükselmesi riski doğurur. Bu nedenle yuvarlama yönü ayrıca değerlendirilmelidir.

Kondansatör Seçimi ve Pano Yerleşimi

Kondansatör bankası, bir kontaktör, sigorta veya devre kesici, deşarj direnci ve kompanzasyon kontrol rölesinden oluşan bir pano birimidir. Kapasitörün çektiği akım I_c = Q_c / (√3 × U) ile bulunur ve bu akım kablo ve koruma seçiminde dikkate alınır.

Kondansatör, yükün mümkünse yakınına veya ana dağıtım panosuna bağlanır. Her iki yerleşimin avantaj ve dezavantajları vardır: merkezi bağlantı tek bir panoyla yönetim kolaylığı sağlar; yüke yakın bağlantı ise hat kayıplarını daha da azaltır. Kondansatör çevresinde havalandırma boşluğu ve sıcaklık sınırı mutlaka korunmalıdır.

Kademeli (Otomatik) Kompanzasyon

Yükün zamanla değiştiği tesislerde sabit kondansatör, yük azaldığında gereksiz reaktif güç üretebilir ve gerilimi yükseltebilir. Kademeli sistemde kontrol rölesi şebekenin güç faktörünü izler ve kondansatör kademelerini ihtiyaca göre devreye alıp çıkarır. Böylece hedef değere yakın bir çalışma sürdürülür.

Kademeli sistemde kademe büyüklükleri genellikle farklıdır; örneğin 1:2:2:4 gibi bir dizilim ile daha hassas bir ayar elde edilebilir. Kademe anahtarlaması sırasında kondansatörün deşarj süresinin beklenmesi, kontaktör ve kapasitör ömrü açısından önemlidir.

Basit örnek

Bir yükün aktif gücü 80 kW ve reaktif gücü 60 kvar ölçülmüştür. Görünür güç S = √(80² + 60²) = √(6400 + 3600) = √10000 = 100 kVA olur. Güç faktörü cosφ = 80 / 100 = 0,80 bulunur. Reaktif bileşen görünür gücün yüzde altmışıdır; hedef 0,95 ise iyileştirme gerekir.

İleri örnek

Bir atölyenin aktif yükü P = 100 kW, mevcut güç faktörü cosφ1 = 0,70 olsun. Hedef cosφ2 = 0,95 alınırsa önce tanφ1 = √(1 − 0,70²) / 0,70 = 1,0202 bulunur. Hedef tanφ2 = √(1 − 0,95²) / 0,95 = 0,3287 olur. Kompanzasyon gücü Q_c = 100 × (1,0202 − 0,3287) = 69,15 kvar çıkar. Standart kademe 70 kvar seçilirse hedefe çok yakın bir sonuç alınır.

Adım adım çözülmüş örnek

Adım 1: Mevcut ve hedef tanjant değerleri hesaplanır: tanφ1 = 1,0202, tanφ2 = 0,3287. Adım 2: Fark alınır: 1,0202 − 0,3287 = 0,6915. Adım 3: Aktif güçle çarpılır: 100 × 0,6915 = 69,15 kvar. Adım 4: Kapasitör akımı, 400 V üç fazlı şebekede I_c = 69150 / (√3 × 400) = 69150 / 692,82 = 99,80 A olarak bulunur. Bu değer kontaktör ve kablo seçiminde kullanılır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Kompanzasyon gücünü cosφ farkından hesaplamak; doğrusu tanjant farkını aktif güçle çarpmaktır.
• Görünür gücü aktif güçle karıştırmak; kablo ve şalter seçimi S değerine göre yapılmalıdır.
• Hedef güç faktörünü 1,00 seçip aşırı kompanzasyon yapmak.
• Kondansatör akımını hesaplamadan kontaktör ve kablo seçmek.
• Ölçümü tek bir anda yapıp yükün değişkenliğini göz ardı etmek.

Özet

Güç faktörü, şebekeden çekilen görünür gücün ne kadarının iş yaptığını gösterir. Reaktif güç, enerji tüketmeden akım taşır ve iletken ile transformatörde ek yük oluşturur. Kompanzasyon gücü tanjant farkıyla hesaplanır ve kondansatör akımı bu değere göre belirlenir. Yükün değişken olduğu tesislerde kademeli sistem, sabit yüklerde ise sabit kondansatör uygundur.

Kendini dene

Aşağıdaki soruları çözerken önce güç üçgenini çizin, sonra tanjant değerlerini hesaplayın. Açık uçlu görevlerde adımları ve birimleri eksiksiz yazın; puanlama anahtarında her adımın ağırlığı verilmiştir.