Bu, kondansatör bankalarını ve APFC veya PFI panellerini anlamanın başlangıç noktasıdır.
Bu makale güç faktörünü derinlemesine inceleyecek ve şu gerçeği ortaya koyacaktır: küçük güç faktörü sadece bir kayıp türü değildir. Aslında ‘Uyumsuzluk‘tan, yani önde veya geride olmaktan kaynaklanır.
Gelecek makalelerde APFC/PFI’nin daha fazla yönünü tartışacağız. Ayrıca, diğer serilerdeki manyetik alanlar gibi konulara daha derinlemesine ineceğiz.
Bir motor gerekli mekanik çıkışı üretiyor olabilir, ancak kablodan geçen akım yine de beklenenden çok daha yüksek olabilir.
Neden?
Çünkü AC sisteminde akımın iki sorumluluğu olabilir:
- Mekanik iş, ısı veya ışık haline gelen enerjiyi aktarmak.
- Ekipman içindeki manyetik veya elektrik alanları oluşturmak ve yok etmek.
Güç faktörü, bir yüke sağlanan elektrik kapasitesinin ne kadarının aktif güce dönüştürüldüğünü bize söyler.
kW, kVAR ve kVA
Güç faktörünü anlamak için üç tür elektrik gücünü ayırmamız gerekir.
| Terim | Ad | Anlamı |
|---|---|---|
| kW | Aktif güç | Faydalı çıktıya, ısıya, ışığa, harekete ve ekipman kayıplarına dönüştürülen güç |
| kVAR | Reaktif güç | Manyetik veya elektrik alanlarla değiş tokuş edilen güç |
| kVA | Görünür güç | Sistem tarafından taşınan toplam elektrik kapasitesi |
Sinüzoidal bir sistem için:
kVA² = kW² + kVAR²
Bu ilişki genellikle bir güç üçgeni olarak gösterilir:
Reaktif güç bileşeni ne kadar büyükse, aynı kW’yi sağlamak için gereken kVA o kadar büyük olur.
Güç Faktörü Nedir?
Güç faktörü, aktif güç ile görünür güç arasındaki orandır:
Güç Faktörü = Aktif Güç ÷ Görünür Güç
Veya:
GF = kW ÷ kVA
Değer normalde 0 ile 1 arasında değişir.
1’lik bir güç faktörü, yüke sağlanan tüm görünür gücün aktif güce dönüştürüldüğü anlamına gelir.
0,8’lik bir güç faktörü, 80 kW aktif güç sağlamak için bir sistemin 100 kVA sağlaması gerektiği anlamına gelir.
Bu durumda, reaktif güç 60 kVAR’dır, çünkü:
100² = 80² + 60²
Sinüzoidal bir sistemde, kalan bileşen 60 kVAR reaktif güçtür. Bu, yük tarafından kalıcı olarak tüketilen enerji yerine, kaynak ile yük arasında ileri geri hareket eden enerjiyi temsil eder. Doğrusal olmayan yükler, daha sonra tartışılacak olan akım dalga biçimi bozulması yoluyla güç faktörünü de azaltabilir.
Aktif Güç: kW
Aktif güç, net bir enerji transferi üreten kısımdır.
Örneğin, şunları yapabilir:
- Bir motor milini döndürmek
- Bir elektrikli ısıtıcıyı ısıtmak
- Işık üretmek
- Elektronik ekipmanı çalıştırmak
Bir elektrik motoru ayrıca bakır kayıpları, demir kayıpları, sürtünme ve havalandırma yoluyla bir miktar aktif güç tüketir. Bu nedenle, tüm aktif güç faydalı mekanik çıktıya dönüşmez, ancak yine de yük tarafından tüketilen gerçek enerjidir.
Reaktif Güç: kVAR
Motorlar, transformatörler, reaktörler ve diğer endüktif cihazlar çalışmak için manyetik alanlara ihtiyaç duyar.
Her AC döngüsünün bir kısmında, beslemeden enerji alınır ve manyetik alanda depolanır. Alan zayıfladığında, bu enerjinin çoğu beslemeye geri döner.
Bu değişim sürekli tekrarlanır.
Reaktif güç bu nedenle hayali veya gereksiz değildir. Bir motorun manyetik alanına ihtiyacı vardır. Sorun, reaktif akım yukarı akış şebekesinden geldiğinde, transformatör, şalt, bara, kablolar ve devre kesicilerden geçmek zorunda kalmasıdır.
Bu bileşenler, akımın bu kısmı net mekanik çıktı oluşturmasa bile akımı taşımalıdır.
Görünür Güç: kVA
Görünür güç, elektrik sistemine uygulanan toplam yükü temsil eder.
Transformatörler, jeneratörler, UPS sistemleri, baralar, kablolar ve şalt cihazları genellikle akım veya kVA’ya göre boyutlandırılır, çünkü hem aktif hem de reaktif akımı taşımaları gerekir.
Güç Faktörü 1’e Ulaşabilir mi?
Yükün doğal güç faktörü
1’lik bir güç faktörü fiziksel olarak mümkündür. İdeal bir dirençli yükün reaktif güç talebi yoktur, bu nedenle aktif gücü ve görünür gücü eşittir.
Ancak, tek başına bir asenkron motor, dönen manyetik alanını oluşturmak için her zaman mıknatıslama akımına ihtiyaç duyduğundan, normalde 1’lik bir güç faktörüne ulaşamaz.
Kondansatör kompanzasyonu eklendikten sonra
Bir kondansatör bankası, motorun endüktif reaktif akımını dengeleyebilir. Belirli bir yük koşulunda, birleşik motor ve kondansatör sistemi, yukarı akış beslemesinden ölçüldüğünde 1’e çok yakın bir güç faktörüne sahip görünebilir.
Uygulamada tam olarak 1,00’ı korumak zordur çünkü endüstriyel yükler sürekli değişir ve kondansatör bankaları sabit adımlarla anahtarlama yapar. Harmonik bozulma, gerilim ve temel akım yakından hizalanmış olsa bile gerçek güç faktörünü 1’in altında tutabilir.
Bu nedenle, bir APFC sistemi, sürekli olarak tam 1,00’ı hedeflemek yerine, genellikle 0,95 ila 0,99 civarında sabit yüksek bir güç faktörünü korumak için tasarlanmıştır. Küçük bir gecikmeli marj, aşırı kompanzasyonu ve önde giden güç faktörünü önlemeye de yardımcı olur.
Güç Faktörü, Faz Açısı ve Önde veya Geride Kalma Yönü
Güç faktörünün hem bir büyüklüğü hem de bir yönü vardır.
Büyüklük, akımın gerilimden ne kadar kaydığını gösterir. Yön, akımın gerilimin önünde mi yoksa gerisinde mi olduğunu gösterir.
Önemli harmonik bozulma olmayan sinüzoidal bir AC sistemi için:
GF = cos φ
Burada, φ aynı fazın gerilimi ve akımı arasındaki faz açısıdır.
Örneğin:
- Akımın gerilimin 37° gerisinde olması 0,80 gecikmeli anlamına gelir
- Akımın gerilimin 37° önünde olması 0,80 önde anlamına gelir
Her ikisi de aynı güç faktörü büyüklüğüne sahiptir çünkü:
cos 37° ≈ 0,80
Bu, -1 ve +1’e benzer. Her ikisi de sıfırdan bir birim uzaktadır, ancak zıt yönleri gösterirler.
| Gerilime göre akım | Güç faktörü |
|---|---|
| 37° geride | 0,80 gecikmeli |
| Hizalı | 1.00 |
| 37° önde | 0,80 önde |
Gecikmeli Güç Faktörü
Endüktif bir yükte, akım döngüsünün aynı noktasına gerilimden daha sonra ulaşır. Bu nedenle akım gerilimin gerisinde kalır.
Yaygın endüktif yükler şunları içerir:
- Asenkron motorlar
- Transformatörler
- Reaktörler
- Solenoidler
- Manyetik balastlar
Bu yükler enerjiyi geçici olarak manyetik alanlarda depolar, bu da akım dalga biçiminin gerilim dalga biçiminin gerisine kaymasına neden olur.
Önde Giden Güç Faktörü
Kapasitif bir yükte, akım döngüsünün aynı noktasına gerilimden daha erken ulaşır. Bu nedenle akım gerilimin önüne geçer.
Kondansatör bankaları, motorlar ve transformatörler tarafından çekilen gecikmeli reaktif akımın bir kısmını dengeleyebilen önde giden reaktif akım üretir.
Gecikmeli bir güç faktörü normalde sistemin endüktif yükler tarafından domine edildiği anlamına gelir.
Önde giden bir güç faktörü normalde sistemin kapasitif yükler tarafından domine edildiği veya bir kondansatör bankası tarafından aşırı kompanze edildiği anlamına gelir.
Gerilim ve akım mükemmel şekilde hizalandığında:
φ = 0°
Bu nedenle:
GF = 1
Faz açısı büyüklüğü arttıkça, güç faktörü büyüklüğü azalır.
Bu Açıyı Üç Faz Arasındaki 120° ile Karıştırmayın
Dengeli bir üç fazlı sistemde, Faz A, Faz B ve Faz C gerilimleri birbirinden 120° ayrılmıştır.
Bu 120°’lik ayrım, üç fazlı bir beslemenin normal bir özelliğidir. Güç faktörünü azaltmaz.
Güç faktörü, her faz geriliminin karşılık gelen faz akımıyla karşılaştırılmasıyla belirlenir:
- Faz A gerilimi ile Faz A akımı
- Faz B gerilimi ile Faz B akımı
- Faz C gerilimi ile Faz C akımı
Dengeli bir dirençli yük için, üç gerilim hala 120° ayrıdır, ancak her faz akımı kendi gerilimiyle hizalanmıştır. Bu nedenle gerilim-akım açısı 0°’dir ve güç faktörü 1’dir.
Dengeli bir motor için, üç akım da birbirinden 120° ayrı kalabilirken, her akım karşılık gelen geriliminin 37° gerisinde kalır.
Bu durumda:
GF ≈ 0,80 gecikmeli
Önemli nokta şudur:
120°’lik açı, üç faz arasındaki ayrımı tanımlar. Güç faktörü açısı φ, aynı fazdaki gerilim ve akım arasındaki kaymayı tanımlar.
Bir motorda, bu faz kayması manyetik alanı oluşturmak için gereken mıknatıslama akımından kaynaklanır.
Faz kayması doğrudan kayıp enerjiyi temsil etmez. Ancak, aynı aktif gücü sağlamak için daha fazla toplam akım gerektiği anlamına gelir. Bu daha yüksek akım, kablolarda, transformatörlerde, baralarda ve şalt cihazlarında ek kayıplar yaratır.
Projeniz için endüstriyel güç dağıtım çözümleri mi arıyorsunuz?
Düşük Güç Faktörü Neden Bir Sorundur?
Daha fazla akım
Düşük güç faktörü, aynı aktif gücü sağlamak için elektrik sisteminin daha fazla akım taşıması gerektiği anlamına gelir.
400 V’ta 100 kW gerektiren üç fazlı bir yükü düşünün:
Akım = kW × 1000 ÷ (√3 × Gerilim × Güç Faktörü)
| Güç Faktörü | Aktif Güç | Görünür Güç | Yaklaşık Akım |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 100 kW | 100 kVA | 144 A |
| 0.80 | 100 kW | 125 kVA | 180 A |
| 0.60 | 100 kW | 167 kVA | 241 A |
Yük her durumda 100 kW alır. Ancak, 0,60’lık bir güç faktöründe, elektrik sistemi 144 A yerine yaklaşık 241 A taşımalıdır.
Bu ek akım, tüm yukarı akış sistemini etkiler.
Daha Yüksek Akım Daha Fazla Kayba Neden Olur
Kablo ve bara kayıpları, akımın karesiyle ilişkilidir:
Kayıp = I²R
Bu, kayıpların akımdan çok daha hızlı arttığı anlamına gelir.
Örneğin, akım %25 arttığında, direncin değişmediği varsayılarak iletken kayıpları yaklaşık %56 artar.
Ek kayıplar esas olarak şunlarda ısı olarak ortaya çıkar:
- Kablolar
- Baralar
- Transformatör sargıları
- Jeneratörler
- Şalt bağlantıları
Daha Yüksek Akım Daha Fazla Sistem Kapasitesi Kullanır
Transformatörler, jeneratörler, UPS sistemleri, kablolar, devre kesiciler, baralar ve şalt cihazları, sadece yüke sağlanan aktif güce göre değil, taşıdıkları akım veya kVA’ya göre seçilmelidir.
Örneğin, 0,80 güç faktöründe yüklere besleme yapan 1.000 kVA’lık bir transformatör, tam kVA değerine ulaşmadan önce teorik olarak sadece yaklaşık 800 kW sağlayabilir.
0,95’lik bir güç faktöründe, aynı transformatör aynı basitleştirilmiş koşullar altında yaklaşık 950 kW’yi destekleyebilir.
Düşük güç faktörü bu nedenle, ek aktif yükleri beslemek için kullanılabilecek sistem kapasitesini işgal eder.
Daha yüksek akım ayrıca şunlara neden olabilir:
- Daha büyük gerilim düşümü
- Daha fazla ısınma
- Daha büyük ekipman gereksinimleri
- Azalan mevcut transformatör ve jeneratör kapasitesi
- Şebekeden reaktif enerji veya kVA talep ücretleri
Projeniz için endüstriyel güç dağıtım çözümleri mi arıyorsunuz?
Güç Faktörünü İyileştirmek Elektrik Tasarrufu Sağlar
Güç faktörünü iyileştirmek, akımı ve dolayısıyla kablolarda, transformatörlerde ve diğer yukarı akış ekipmanlarındaki kayıpları azalttığı için elektrik tasarrufu sağlayabilir.
Ancak, makinenin kendisi tarafından gereken gücü azaltmaz.
Örneğin, 50 kW’a ihtiyaç duyan bir pompa, güç faktörü düzeltmesinden sonra da yaklaşık 50 kW’a ihtiyaç duyacaktır. Tasarruf, daha önce elektrik sisteminde ısı olarak kaybedilen ekstra gücün azaltılmasından gelir.
Güç Faktörü Harmoniklerden de Etkilenebilir
Basit bir sinüzoidal sistemde, güç faktörü esas olarak gerilim ve akım arasındaki faz açısına bağlıdır.
Ancak, VFD’ler, doğrultucular, UPS sistemleri ve LED sürücüler gibi doğrusal olmayan ekipmanlar akım dalga biçimini bozabilir. Bu sistemlerde, güç faktörü sadece önde veya geride faz kaymasıyla değil, aynı zamanda harmonik bozulmayla da azalabilir.
Bu APFC/PFI serisindeki gelecek bir makale, harmonik bozulmayı ve güç faktörü üzerindeki etkisini daha ayrıntılı olarak açıklayacaktır.
Sonuç
Güç faktörü, belirli bir aktif güç miktarını sağlamak için ne kadar görünür güç gerektiğini açıklar.
Düşük güç faktörü, motorun daha az çıktı ürettiği anlamına gelmez. Aynı aktif gücü sağlamak için elektrik sisteminden daha fazla akım akması gerektiği anlamına gelir.
Motorlar ve transformatörler için, manyetik alanları oluşturmak için reaktif akım gereklidir. Ancak bu reaktif akım tamamen yukarı akış şebekesinden geldiğinde, transformatör, kablo, bara ve şalt kapasitesini işgal eder ve ek kayıplar yaratır.
Bu, güç faktörü düzeltmesinin temel amacına yol açar:
Gerekli reaktif akımın bir kısmını yerel olarak sağlamak, böylece yukarı akış elektrik sisteminden daha azının geçmesi gerekir.
Bu serinin bir sonraki bölümü, bir kondansatörün bu işlevi nasıl yerine getirdiğini ve kaynaktan çekilen reaktif akımı neden azaltabileceğini açıklayacaktır.
SSS
0,8’lik bir güç faktörü %80 verimliliğe eşit midir?
Hayır. Güç faktörü ve verimlilik farklı ölçümlerdir. 0,8’lik bir güç faktörü, aktif gücün görünür gücün %80’i olduğu anlamına gelir. Giriş enerjisinin %20’sinin mutlaka kaybolduğu anlamına gelmez.
Düşük güç faktörü akımı artırır mı?
Evet. Aynı gerilim ve aktif güç için, daha düşük bir güç faktörü daha yüksek akım gerektirir.
Motor güç faktörü neden düşük yükte zayıftır?
Hafif yüklü bir motor, tork üretmek için daha az aktif akıma ihtiyaç duyar, ancak manyetik alanını korumak için hala mıknatıslama akımına ihtiyaç duyar. Bu nedenle reaktif akım, toplam akımın daha büyük bir oranını oluşturur.
Reaktif güç işe yaramaz mı?
Hayır. Reaktif güç, motorlar, transformatörler, kondansatörler ve diğer AC ekipmanları için gereken manyetik ve elektrik alanları destekler. Endişe, dağıtım sistemine uyguladığı ek akımdır.
Bir kondansatör motor akımını azaltabilir mi?
Güç faktörü düzeltmesi için bağlanan bir kondansatör, genellikle yukarı akış beslemesinden çekilen akımı azaltır. Motorun mıknatıslama akımı ihtiyacını ortadan kaldırmaz. Bunun yerine, bu akımın bir kısmını yerel olarak sağlar.
Güç faktörü çok yüksek olabilir mi?
Yüksek gecikmeli bir güç faktörü normalde arzu edilir, ancak aşırı kondansatör kompanzasyonu önde giden bir güç faktörü yaratabilir. Bu, gerilim kontrolü, anahtarlama veya rezonans sorunlarına neden olabilir.
Bir APFC paneli kWh tüketimini azaltır mı?
Esas olarak reaktif akım akışını, sistem kayıplarını ve olası şebeke cezalarını azaltır. Bağlı makineler tarafından gereken aktif enerjiyi doğrudan azaltmaz.
