Kaynak : Yrd. Doç. Dr. Vehbi BÖLAT / Tunçmatik A.Ş.
Bu yazıda endüstriyel güç elektroniği uygulamalarında çok sık karşılaşılan önemli kavramlardan biri olan güç faktörü ve KGK uygulaması açısından önemi ele alınmaktadır.
Güç Faktörü (Power Factor) Nedir?
Güç Faktörü, Gerçek Güç (Aktif Güç, P, birimi W) ile Görünür Güç (Sanal Güç, S, birimi VA) arasındaki ilişkiyi açıklar.
Güç Faktörü= Gerçek Güç/Görünür Güç= P/S (1)
Güç Faktörü AC güç kaynağı tarafı ile yük tarafı için ayrı ayrı değerlendirilir. Güç faktörünü belirleyen gerçek güç ile görünür güç arasındaki fark, kaynaktan çekilen akım ile yüke uygulanan gerilim arasındaki farklılığın bir sonucudur. Gerilim ve akım dalga şekillerinin tamamen aynı olmaması (örneğin akım dalga şeklinin harmonik bileşenler içermesi) ve bu iki büyüklük arasında faz farkının olması güç faktörünün ideal değer olan ‘bir’den daha küçük olmasına neden olur.
Temel Bağıntılar
Bir AC güç sistemi için geçerli olan güç faktörü, (1) bağıntısı ile tanımlanır. Bu sisteme ilişkin elektriksel güç fazör diyagramı Şekil 1’de gösterilmiştir.
Güç faktörü bağıntısında yer alan S görünür gücü, en genel çalışma hali için çizilen Şekil 1’deki fazör diyagramı kullanılarak aşağıdaki bağıntıyla verilir:
S=  (2)
Burada P aktif güç, Q reaktif güç, D distorsiyon gücüdür.
Q reaktif gücü motor, transformatör gibi endüktif karakterli lineer yüklerin; D distorsiyon gücü ise bilgisayar, güç elektroniği temelli hız kontrol sistemi gibi lineer olmayan yüklerin beslenmesi durumunda aktif güç ile birlikte kaynaktan çekilen diğer güç bileşenleridir.
Sinüsoidal değişen akım ve gerilim büyüklükleri için tanımlanan yer değiştirme faktörü (displacement factor, cosØ),
cosØ= P/S1= P/ (3)
bağıntısı ile verilir. Yukarıdaki bağıntılar kullanıldığında güç faktörü,
Güç Faktörü= (S1/S) x (P/S1)=Temel Bileşen x cosØ, (4)
şeklinde yazılabilir. Güç faktörünü belirleyen iki temel unsur vardır: 1- akım ve gerilimin temel frekansta (50 Hz) değişen dalga şekilleri arasındaki faz açısı Ø, 2- harmonik akımları nedeniyle kaynaktan çekilen distorsiyon gücünün değerini arttırdığı S görünür gücü.
AC güç sistemi açısından en uygun çalışma şekli güç faktörünün ‘bir’ olduğu durumdur. Bu durum ancak (4) bağıntısında yer alan her iki terimin ‘bir’ olması durumunda, başka bir deyişle ideal bir gerilim kaynağından harmonik akım çekilmemesi ve akım ile gerilimin aynı fazda olması durumunda mümkündür. Pratik uygulamalarda bu ideal çalışma durumu ancak gerilim kaynağına bağlı direnç yükü karakteristiği sergileyen yükler için geçerlidir.
Yük Tipleri
Yaygın kullanılan elektriksel yükler aşağıdaki tabloda belirtilen tipik karakteristiklere sahiptir. Güç ilişkileri Şekil 2’de belirtilmiştir. Şekil 3, farklı yük tipleri için akım gerilim değişimlerini göstermektedir.
Yük tipi |
Direnç yükü |
Endüktif yük |
Lineer olmayan yük |
Uygulama |
Ampul, ısıtıcı… |
Motor, Transformatör.. |
Bilgisayar, sunucular… |
Akım/gerilim faz farkı |
Yok |
Var |
Var |
Akım distorsiyonu |
Yok |
Yok |
Var |
S, Görünür güç |
S=  |
S=  |
S=  |
Düşük Güç Faktörünün etkileri
- Kişisel bilgisayarlar ile sunucuların güç kaynakları anahtarlama modunda çalışan SMPS (Switch Mode Power Supply)’lerdir. Anahtarlama modunda çalışan güç kaynakları beslendikleri şebekeden ilave akım harmoniklerinin akmasına neden olur. İlave akım harmonikleri güç faktörünü azaltır, gerilim kaynağının gerilim dalga şeklini bozarak aynı sisteme bağlı diğer hassas elektronik cihazların olumsuz yönde etkilenmesine yol açar.
- Düşük güç faktörü görünür gücü, dolayısıyla görünür akımı arttırır; şebekenin yük taşıma kapasitesini azaltır.
- Düşük güç faktörlü çalışmada artan akımı taşıyacak şekilde kablo kesitlerinin ve koruyucu elemanların (sigorta, şalter, devre kesici, kontaktör vd.) anma değerlerinin arttırılması gerekir. Artan akım kapasitesi işletmenin maliyetlerini arttırır.
- EN61000-3-2 standartı, yüklerin şebekeye sunacağı en düşük güç faktörlerini belirlemiştir. Bu değerler yaklaşık olarak 500VA bir yük için 0.72, 1kVA için 0.78, 1.5kVA için 0.9’dur. Modern bir IT cihazının güç faktörü 0.9’dur.
Şekil 4’de modern bir IT cihazının güç faktörünü arttırmak için alınmış olan tedbir gösterilmiştir.
Pratik Yaklaşım: Yük Güç Faktörü ve KGK Çıkış Güç Faktörü
Bu örnekte her biri 10 kVA gücünde olan farklı çıkış güç faktörlü üç adet KGK sistemi (A, B, C) ele alınmıştır. Bu KGK’ların 0.9 güç faktörlü modern bir IT cihazını, farklı aktif güçler (10 kW, 9.5 kW ve 9 kW) çekmesi durumunda besleyip besleyemeyeceği aşağıdaki tabloda incelenmiştir.
KGK tipi |
A |
B |
C |
KGK çıkış güç faktörü |
0.9 |
0.8 |
1.0 |
Nominal KGK çıkış kW / kVA |
9 kW/10 kVA |
8 kW/10 kVA |
10 kW/10 kVA |
Nominal IT yükü: 10 kW /11.1 kVA |
KGK’nın P ve S gücü yetersiz |
KGK’nın P ve S gücü yetersiz |
KGK’nın S gücü yetersiz |
Nominal IT yükü: 9.5 kW /10.6 kVA |
KGK’nın P ve S gücü yetersiz |
KGK’nın P ve S gücü yetersiz |
KGK’nın S gücü yetersiz |
Nominal IT yükü: 9 kW /10 kVA |
KGK’nın P ve S gücü yeterli |
KGK’nın P gücü yetersiz |
KGK’nın S gücü yeterli |
Sonuçlar
- 0.9 çıkış güç faktörlü bir KGK modern IT cihazının aktif ve görünür güç ihtiyacını karşılar.
- Güç faktörü 0.9’dan küçük olan bir KGK yükü besleyebilir, fakat KGK’nın, kablo kesitinin ve seçici koruma elemanlarının (sigorta, şalter vd.) güç kapasitelerinin büyük seçilmesi gerekir.
- Güç faktörü 1.0 olan KGK gerçek anlamda bir fayda sunmaz. Güç faktörü ‘bir’ olan yükler sadece direnç yükleridir ve pratik olarak bu tip yükler için KGK kullanılmaz.
- KGK’nın çıkış güç faktörü, yukarıda bahsedilen sonuçlar itibariyle yük güç faktörüne bağlı olarak optimal şekilde belirlenmelidir.
- Modern IT sunucular için çıkış güç faktörü 0.9 olan KGK sistemleri 0.8 olanlara nazaran daha avantajlı bir güç koruması sunmaktadır
|
