Sanayi Tesislerinde Kompanzasyon Sistemi Tasarım Kriterleri

Uğur Yaşa

Enerji dağıtım firmaları tarafından 9 kW ve üzeri kurulu güce sahip ticarethanelerde reaktif güç kompanzasyonu tesisi yapmak yasa ve yönetmeliklerle zorunlu hale getirilmiştir. Aksi takdirde kullanıcılar, bir ölçüm periyodu boyunca sayaç tarafından kaydedilen endüktif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı %20’yi, kapasitif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı %15’i geçerse, reaktif enerji için bedel ödemek zorunda kalırlar. Bu oranlar, kurulu gücü 50 kVA’yı geçmeyen tesisler için endüktif reaktif tarafta %33 ve kapasitif reaktif tarafta %20’dir.

Yük tipinin belirlenmesi

Tesislerde kullanılan elektriksel cihazların çoğunluğu, çalışmaları esnasında aktif enerjiye ilave olarak bir de reaktif enerji tüketirler. Bu reaktif enerji, yük tipine bağlı olmak üzere endüktif veya kapasitif karakterde olabilir. Endüktif yüklere örnek olarak basit bir asenkron motoru, kapasitif yüklere örnek olarak ise son yıllarda oldukça yaygınlaşan LED ve elektronik ateşlemeli aydınlatma armatürlerini gösterebiliriz. UPS cihazları topolojik olarak doğru tasarlandığında kapasitif etki göstermezler, ancak ticari kaygılarla tasarımına müdahale edilmiş UPS’ler düşük yüklenme koşullarında kapasitif davranış gösterirler.

Sanayi tesislerinde ve fabrikalarda yük karakteristiği çoğunlukla endüktif-reaktif olarak görünür. Bunu sebebi fabrikalarda çalışan cihazların önemli bir kısmı motor veya transformatör türevi cihazları içermesidir. Bunun dışında balastlı deşarj lambaları, endüksiyon ocakları, bazı sürücü yükleri de endüktif reaktif güç tüketir. Bu nedenle, sanayi tesislerinde tüketilen endüktif reaktif gücün kompanzasyonu kapasitif reaktif güç tüketen kondansatörler ile yapılır.

Kapasitif reaktif güç karaktesitiği gösteren tesislerde kompanzasyon için ise endüktif reaktif yük tüketen reaktörler kullanılır.

Güç faktörünün belirlenmesi & kestirimi

Sanayi tesisinde fabrikanın tipine bağlı olarak çeşitli yükler bulunur. Bu makinaların bir kısmı sürücüler vasıtasıyla devreye girip çıkarken, bir kısmı ise direkt şebekeye bağlanır.

Her yükün tüketimine bağlı olarak bir cos? değeri vardır. Bu değer, direkt yol verilen bir büyük güçlü asenkron motor için 0,80 – 0,85 aralığında iken, yeni nesil sürücü ile yol verilen bir motor için 0,95 – 0,99 aralığındadır. Tesiste faturaya esas bir adet sayaç ve ölçüm noktası bulunduğundan, tesisteki yüklerin teker teker cos? değerleri değil, tesisin eşdeğer cos? değeri önemli olmaktadır. Tesisin sayaç üzerinden görünen cos?’si yük ve çalışma durumuna bağlı olarak değiştiğinden, bu değişime ayak uyduracak güç ve hassasiyette bir kompanzasyon sistemi tasarlamak önemlidir.
Yük başına münferit kompanzasyon, tesis kablo ve bara yüklenmesi ve kayıplar açısından teknik olarak en doğru çözümdür. Ancak birçok trafoya sahip sanayi tesislerinde binlerce farklı reaktif güç tüketicisi cihaz bulunacaktır. Bunların her birine ayrı ayrı kondansatörler ile kompanzasyon yapmak, hem maliyet açısından, hem bakım ve işletme açısından, hem de arıza kontrolü ve giderimi hızı açısından uygun ve ekonomik değildir. Bu nedenle, yük değişimini merkezi olarak görecek ve her trafo sekonderine uygulanacak merkezi otomatik kompanzasyon sistemleri ile kompanzasyon yapmak, uygun bir çözüm olacaktır.

Sanayide üretim yapan bir fabrikanın kompanzasyon sisteminin gücünü öngörürken, tesisin cos?1 (kompanzasyon devre dışı iken sayaç tarafından görünen cos?) değerini belirlemek gerekir. Eğer yükler adetsel olarak az sayıda ve elektriksel verileri biliniyorsa, formül üzerinden hesaplanarak ihtiyaç duyulacak net reaktif güç bulunabilir. Ancak dağınık, çok sayıda ve farklı güçlerde yüklerin olduğu tesiste bunu yapmak oldukça güçtür. Bu sebeple tesis tipine göre bazı kestirimler yapmak gerekecektir. Kestirim yaparken, en kötü koşulları (şebekeden maksimum reaktif güç çekilmesi durumu) dikkate almak gerekecektir. Trafo gücüne göre kompanzasyon yapmak, trafo %100 yüklü olmasa bile takip eden senelerde yeni eklenecek yüklerin de kompanzasyonunu sağlayabilmek adına yararlı olacaktır. Elbette yük artırım ihtimali olmayan prosesler için bu yatırımı yapmanın anlamı yoktur. Yine de kompanzasyon sistemi tasarlanırken, yüklerin reaktif güç talepleri ayrı ayrı değerlendirmek ve buna göre hesap yapmak, gereksiz büyüklükte kompanzasyon sistemi yapmanın da önüne geçecektir. Kademe hassasiyeti olarak 1600 kVAr bir trafo sekonderine uygulanacak kompanzasyon sisteminin en küçük kademesinin 25 - 50 kVAr aralığında olması yeterlidir. Türkiye’de uygulanan ve Dünya’nın başka hiçbir ülkesinde benzeri bulunmayan sıkılıktaki reaktif enerji ceza oranları, cezai durumlardan kaçınabilmek için tasarımcıya küçük kademeler uygulamayı teknik olarak gerekli kılmaktadır. Bundan daha küçük kademeler koymak, teorik açıdan daha hassas bir kademe tasarımı gibi görünse de, akım trafosu üzerinden bilgi alarak anahtarlama yapan reaktif güç kontrol rölesinin görebileceği minimum akım seviyesi sınırlı olduğundan pratikte işlevsiz olacaktır.

Harmoniklerin değerlendirilmesi ve filtre seçimi

Harmonikler, yarıiletken elemanların yaygınlaşması ile elektrik tesislerinde giderek artan bir problem kaynağı olmaya başlamıştır. Tesisteki tüm cihaz ve sistemlere olduğu gibi, kompanzasyon sistemine de ciddi bir bozucu etkisi olan harmonikler konusunda önleyici çözümler geliştirmek tesis sağlıklı çalışması açısından çok önemlidir.

Kondansatör, normalde lineer devre elemanıdır ve şebekeden harmonikli akım çekmez. Ancak, bozucu yüklerin olduğu, harmonikli akımların ve harmonik gerilimlerinin bulunduğu sistem içerisindeki kondansatör, harmoniklerden ciddi miktarda etkilenir.

Kondansatör düşük empedanslı bir sistem elemanıdır. Frekansın artması kondansatör empedansında düşüşe neden olacaktır. Örneğin, 50 Hz şebeke frekansında 10 olan kondansatör empedansı, 5. Harmonik bileşeninin frekansı olan 250 Hz için beş kat azalacak ve 2 olacaktır. Buna göre kondansatörler, yüksek frekanslı harmonik bileşenlerine düşük empedans gösterirler.

Kondansatörler, empedansları nedeniyle sistemdeki bozucu yükler tarafından yaratılan harmonikleri üzerlerine çekmeye yatkındırlar. Üzerine temel şebeke frekansı ile beraber harmonik akımları da çeken kondansatörün rms akımı artacak ve hem elektriksel hem mekanik olarak zorlanmaya başlayacaktır. Bu artış için IEC 60831 standardı bir sınır belirlemiştir ve tüm kondansatör üreticileri kondansatörlerini nominal akımının %30 fazlasına (8saat/24saat) dayanacak şekilde üretmektedir.
Kondansatörlerin harmoniklerle olan ilişkisinin bir diğer ayağı ise rezonans problemidir. Transformatör, motor gibi endüktif reaktif karakterli yüklerin kullanıldığı sistemlerde kullanılan kondansatörler, bu yüklerle seri ve paralel rezonans ihtimalini doğururlar. Bunu engellemek adına çıplak kondansatörler yerine seri reaktörler ile donatılmış kondansatörler ile kompanzasyon yapmak uygun olacaktır.
Sanayi tesislerde halihazırda kullanılan sürücülerin önemli bir çoğunluğu 6-darbeli sürücülerdir. Bunun sebebi 6-darbeli sürücülerin diğer alternatiflerine (12 veya daya yüksek darbeli sürücüler, IGBT tabanlı sürücüler) oranla daha düşük maliyetli olmasıdır. Ancak, alternatifler harmonik performansı açısından değerlendirildiğinde 6-darbeli sürücünün diğerlerine oranla çok daha kötü bir performansı olduğunu söyleyebiliriz.  Bu sürücüler, yapıları gereği 5. ve 7. Harmoniklerden başlayarak 11., 13., 17., 19. harmonikleri üretirler. 3 ve 3’ün katı harmonikler trafo bağlantı grubu nedeniyle görülmezler. Bu nedenle, en düşük bileşen olan 5. Harmonik frekansı olan 250Hz ve üzerindeki harmonikleri kondansatör üzerine çekmemek adına, düşük ayarlı (de-tuned) bir filtre ile sistemi donatmak, hem kondansatör ömrü açısından hem de rezonans riskini kaldırması açısından faydalı olacaktır. Piyasada en yaygın olarak kullanılan akord frekansı
189Hz (p=7%) olmakla beraber, 210Hz (p=5,67%), 215Hz (p=5,41%) ve monofaze/difaze yüklerin olduğu tesisler için 134Hz (p=14%) ‘dir.

Anahtarlama tipinin belirlenmesi

Bir diğer tasarım bileşeni ise anahtarlama tipidir. Kontaktörlü veya tristörlü kompanzasyon sistemleri yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir. Buradaki kilit nokta, yük değişim hızıdır. Eğer tesisteki yük değişim hızı saniyelerle ifade edilebilecek şekilde hızlı değişiyorsa (ki bu vinçler, punta kaynak makinaları ve diğer darbeli yüklerin çok fazla olduğu tesislerde görülür) tristör anahtarlamasını tercih etmek doğru olacaktır. Ancak yük değişim hızı dakikalar ve on-dakikalar ile ifade edilecek şekilde değişiyorsa, konvansiyonel kontaktörlü bir kompanzasyon sistemi yeterli olacaktır.

Soğutma donanımı seçimi

Sanayi tesisleri, tesis tipine bağlı olmak üzere genellikle yüksek sıcaklıklarda çalışılan ortamlardır. Elektriksel kabinlerin bulunduğu odalardaki iklimlendirme de önemlidir. Kompanzasyon panoları, içerisindeki kondansatör, bara, anahtarlama elemanı, kablo, reaktör gibi elemanların kayıpları nedeniyle ısınır. Bu ısıyı tahliye etmek gerekecektir, aksi takdirde pano içerisindeki ekipman ömrü ciddi oranda azalacaktır. İyi bir soğutma sistemi tasarımı, mekanik tasarım & simülasyon programları ile mümkün olmaktadır. Pano içerisindeki cihazların kayıpları, panel boyutu, ortam sıcaklığı, istenen IP koruma sınıfı, deniz seviyesinden yükseklik gibi kriterlerin girdi olarak kullanıldığı bu programlar, kullanılması gerekli olan fan/klima sistemlerinin mekanik değerleri hakkında bilgi vererek sistemin sağlıklı çalışmasına yardımcı olur.