Ünite 1: Güç Sistemlerine Genel Bakış ve Temel Kavramlar

Giriş

Enerji direkt olarak ölçülemeyen bir nicelik olmakla birlikte, sürekli olarak farklı biçimlerde dönüşüm halindedir. Elektrik enerjisinin hareket, ısı, ışık, vs. gibi diğer enerji türlerine dönüştürülmesi, uzak mesafelere taşınması, dağıtılması ve kullanılması önemlidir. Elektrik enerjisinin ekonomik olarak çok uzaklara iletilmesi ancak yüksek gerilimler yardımıyla olmaktadır. Elektrik enerjisinin dağıtım şebekelerinde uzak mesafelere iletimi yüksek gerilimli alternatif akımlarla yapılmaktadır. Yüksek gerilimler ile yapılmasının nedeni ekonomik olarak iletilebilmesinden kaynaklıdır. Transformatörler aracılığıyla alternatif gerilimlerin büyüklüklerinde çok az bir kayıp olmaktadır. Alternatif akım periyodik olarak yönü ve şiddeti sürekli değişen bir elektrik akımıdır. Alternatif akımda; akım ve gerilim daha çok sinüssel biçimde zamanla değişir

Güç Sistemlerinde Kullanılan Temel Kavramlar

Elektrik terminolojisinde kullanılan iki temel kavram gerilim (voltaj) ve akımdır. Gerilim veya diğer adıyla voltajın birimi Volt ’tur ve V simgesiyle gösterilir. Akımın birimi Amper’dir ve A simgesiyle gösterilir. Sabit frekanslı sinüs dalgası biçiminde akım ya da gerilim iki farklı karakteristik özelliğe sahiptir. Bu özellikler gerilimin maksimum değeri yani tepe noktası ve faz açısıdır.

Elektrik devrelerinde kullanılan direnç, endüktör (bobin) ve kapasitör (kondansatör) için gerilim ve akım fazörleri arasında bir ilişki bulunmaktadır. Bu elemanlar, pasif olarak adlandırılmaktadır.

Zamana göre enerji değişim oranı olarak ifade edilen terime güç denir. Gücün birimi Watt’tır ve bu birim aynı zamanda joule/saniye’ye eşittir. Gerçek güç aynı zamanda aktif güç ya da ortalama güç olarak da adlandırılmaktadır. Bir elektrik yükünün çektiği anlık güç, bu yükün üzerine düşen anlık gerilim değerinin bu yük üzerinden geçen anlık akımın değeri ile çarpımıdır. Yük tarafından çekilen güç; saf rezistif, saf kapasitif, saf endüktif ve bunların genel birleşiminden oluşan genel RLC devreler için ayrı ayrı incelenebilir.

Saf rezistif yüklerde, yükten geçen akım ile yük üzerindeki gerilim aynı fazdadır; diğer bir deyişle aralarındaki faz açısı sıfır derecedir.

Saf endüktif yükte; akım gerilimden 900 geridedir.

Saf kapasitif yükte; akım gerilimden 900 ileridedir.

Kondansatör tarafından çekilen anlık güç, tıpkı endüktörde olduğu gibi, ortalama değeri sıfır olan çift frekanslı bir sinüssel terimdir.

Yük tarafından çekilen anlık güç iki bileşenden oluşmaktadır. Bu bileşenlerden biri; yükteki direnç (rezistif) elemanının çektiği güç, diğeri ise reaktif elemanlar (endüktif ya da kapasitif) tarafından çekilen güçtür.

Gerilim ile akım arasındaki (?-ß) açısı güç faktörü açısı olarak adlandırılır. Doğru akım (DC) devreleri için yük tarafından çekilen güç; DC yük gerilimi ile DC yük akımının çarpımından oluşur. Ancak alternatif akım devrelerinde yük tarafından çekilen ortalama güç; yük üzerindeki gerilimin rms değeri, yükten geçen akımın rms değeri ve güç faktörünün çarpımından oluşur. Endüktif yükler için akım gerilimden geridedir. Bu yüzden güç faktörü geride denir. Kapasitif yüklerde ise, akım gerilimden ilerdedir. Bu yüzden güç faktörü ilerde denir. Genel olarak güç faktörü pozitiftir.

Aktif (P) gücün fiziksel anlamı şu şekildedir. Bir yük tarafından “t” zaman aralığında çekilen toplam enerji, sinüssel gerilimin bir periyodunu içeren, Pxt Watt-saniye (Ws) ’dir. Toplamda “n” periyotluk zaman diliminde rezistif eleman tarafından çekilen toplam enerji P(nT) Ws’dir. Kilowatt-saat metre cihazı, belirli bir zaman aralığında şebekeden çekilen enerjiyi ölçmek için tasarlanmıştır.

Alternatif akım devrelerinde sinüssel denge durumundaki aktif ve reaktif güç; kompleks güç yardımıyla hesaplanır. Kompleks güç, gerilim ile akımın kompleks eşleniğinin çarpımından oluşur. Kompleks gücün büyüklüğü, görünür güç olarak adlandırılır. “S”ile sembolize edilir ve birimi volt-amper’dir. Kısaca VA ile gösterilir. Gerçek güç, görünür gücün güç faktörü ile çarpımından oluşur

Devre Eşitlikleri

Fazör gösterimi için de; sinüssel denge durumundaki devrelerde olduğu gibi Kirchhoff’un gerilimler kanunu (KGK) ve akımlar kanunu (KAK) uygulanabilir. Bu yüzden; hem kapalı bir devrede bir düğüm noktasına gelen fazör akımlarının toplamı, hem de kapalı bir döngü üzerindeki gerilimlerin toplamı sıfırdır. Kirchhoff yasalarına dayanan devre analizi tekniklerinden;

• Düğüm noktası analizi
• Döngü analizi
• Süperpozisyon yöntemi
• Kaynak dönüşümü yöntemi
• Thevenin teoremi

gibi yöntemlerden faydalanılabilir.

Dengeli Üç-Fazlı Sistemlerin Tek-Fazlı Sistemlere Göre Avantajları

Üç-fazlı dengeli sistemler, tek-fazlı sistem ile iletilen gücün aynısını iletirken, tek-fazlı sistem için gereken iletken miktarının yarısına gerek duyarlar. Ayrıca üç-fazlı sistemlerde kayıplar ve iletim hattındaki gerilim düşümü; tek-fazlı sisteme göre yarı yarıyadır. Bu yüzden üç-fazlı sistemin ayrık tek-fazlı sistemlere göre avantajlarından biri enerji iletim ve dağıtım maliyeti olarak daha düşük olması ve daha iyi voltaj düzenlemesine sahip olmasıdır. Bazı üç-fazlı sistemlerde nötr hattı yoktur. Ancak çoğu üçfazlı sistem 4 iletkenli Y bağlantıdan oluşur ve topraklanmış nötr hattı bulunur. Nötr hattı, şimşek sonucu oluşan aşırı gerilimlerin sönümlenmesinde kullanılır ve asimetrik yüklenmeler sonucunda oluşan dengesiz akımların taşınmasını sağlar. Nötr hatları normal çalışma durumlarında neredeyse sıfır akım taşıdığı için genelde faz hatlarına göre daha küçük kesitlidirler. Bu yüzden nötr hattının maliyeti faz hatlarına göre daha düşüktür. Nötr hattı olsun veya olmasın üç-fazlı sistemlerin yapım ve işletme maliyeti ayrı ayrı tek-fazlı sistemlere göre daha düşüktür. Üç-fazlı sistemlerin bir diğer avantajı da, üçfazlı dengeli jeneratörler tarafından sağlanan güç denge durumunda hemen hemen sabittir. Üç-fazlı sistemlerdeki jeneratör (şaft üzerindeki uyartım sargısı ve 120° faz farkı ile yerleştirilmiş stator sargılarından oluşan jeneratör) elektrik gücünü mekanik güçten elde ettiği için hemen hemen sabit bir mekanik güce ihtiyaç duyar.