SVC Rölesi Tasarımı

Elektrik enerjisi 19. yy’ dan itibaren insan hayatında büyük ölçüde yer edinmiştir. Aydınlatma ve haberleşme başta olmak üzere neredeyse tüm ihtiyaçlarını giderebilmek için insanlar elektrik enerjisini kullanmaya başlamıştır. Bu durum elektrik enerjisinin yeterli miktarda üretilmesi ve doğru yollarla insanlara iletilip tüketilmesi gerekliliğini beraberinde getirmiştir.

İnsanların tüm elektrik tüketim verileri incelendiğinde elektrik enerjisinin aktif güç ve reaktif güç olarak adlandırılan iki temel bileşenin varlığı kompanzasyon olarak adlandırdığımız sistemlerin varlığını zorunlu hale getirmiştir.

Kompanzasyon Nedir?

Litaratürde reaktif güç kompanzasyonu olarak adlandırılan bu sistemler ile endüktif yükün oluşturduğu reaktif güç ile kapasitif yükün oluşturduğu reaktif gücün birbirlerini dengelemesi (kompanze etmesi) hedeflenmiştir.

Yukarıdaki resimden de anlaşılacağı üzere tüketicilerin tükettiği ve yükün harcadığı enerji aktif güç olarak tanımlanmıştır. Yükün endüktif veya kapasitif karakretistikleri ise reaktif gücü oluşturmaktadır. Endüktif veya kapasitif yüklerin çektikleri akımlardan dolayı oluşan reaktif güç kompanze edilerek sistemin çektiği toplam reaktif akım miktarı teorik 0 değerine indirilir. Bu durum güç faktörünün 1 olması demektir. Kompanzasyonun temel amacı güç faktörünü (cos Q) 1 değerine olabildiğince yaklaştırabilmektir (Q: aktif güç ve görünür güç arasındaki açı). Bu sayede elektrik enerjisini yüke ileten kablonun kesiti azaltılmış olur. Arkaplanda yatan asıl amaç da bu zaten.

Dinamik ve Statik Kompanzasyon Nedir?

Kompanzasyon sistemlerini iki grupta inceleyebiliriz. Bunlar senkron generatörlerle kademesiz olarak uygulanan dinamik kompanzasyon ve sabit kapasitörlerle kademeli olarak uygulanan statik tristörlü ve geleneksel kontaktörlü kompanzasyondur.

Bu yazımda statik tristörlü kompanzasyon (Static VAR Kompanzasyon) rölelerinin nasıl tasarlandığından bahsedeceğim.

Statik VAR Kompanzasyonun Temel Mantığı

Statik VAR Kompanzsayonun temel çalışma mantığını basitçe özetlemek gerekirse SVC, sabit kondansatörleri kademeli veya 1 adet sabit kondansatör olacak şekilde devrede tutarak endüktif karekteristikli reaktif gücü faz kaydırma prensibi ile tristörleri tetikleyerek elde eder. Bu sayede sabit endüktanslar olmadan tek bir endüktans üzerinden sistemde devreye alınan kapasitif yükü dengeleyecek endüktif yük elde edilir.

Sistemin güç talebine göre SVC rölesine bağlantısı yapılacak kondansatör miktarınına, değerine ve şönt reaktörün gücüne ve tüm malzemelerin etiket değerlerine sistemi tasarlayan sorumlu kişi karar verir. Bu kişi tercihen elektrik mühendisi olmalıdır.

SVC Devresinin Tasarımı

Statik VAR Kompanzasyon reaktif gücü dengeleme amacıyla kullanıldığı için reaktif güç birimi olan “VAR” ile ifade edilir.Anahtarlama malzemesi olarak yüksek güçlere dayanabilen ve 50 Hz şebekeye göre oldukça hızlı anahtarlama yapabilen tristörler (aslında tristörler tetiklenir) kullanıldığı için “statik” ismini almıştır. Kontaktörler gibi elektromekanik bir anahtarlama söz konusu değildir.

SVC Rölesinin tasarımında dijital kontrol edilen elektronik bir devre tasarımı söz konusudur. Aşağıda tasarım örneklerini verdiğim SVC Rölesi 3 fazlı bir SVC rölesidir.

Besleme Devresinin Tasarlanması

Her elektronik devrede olduğu gibi SVC devresinin bir kaynak ile beslenmesi gerekir. Röle de enerjiye ihtiyaç duyan malzemeler aslında kullanacağımız mikrodenetleyicimiz ve ek olarak soğutma için rölenin dışına vereceğimiz fan beslemeleridir.

Mikrodenetleyicimizin stabil çalışabilmesi için ihtiyacı olan gerilim aralığı onun datasheet dosyasında üretici firma tarafından belirtilmiştir. Biz bu değeri 5V kabul ederek basit bir regülatör devresi tasarlayacağız.

3 faz şebekemizin 1 fazından bir hat çekerek besleme devresini tasarlayacağız. Besleme devresi tasarlanırken elektriksel izolasyonu sağlayabilmek için 230 / 12 V transformatör kullanılır. Seçeceğimiz transformatörün gücünün 5 VA olması bu devre için yeterlidir.

---

---

Transformatörün çıkışına bir adet tel sigorta konulması devrenin güvenliği açısından tercih edilebilir. Devrenin koruması için transistörlerle yapılan farklı akım koruma topolojileri de düşünülebilir.

Transformatörün sekonderinden 12 V AC gerilim elde edildikten sonra bu gerilim 4 adet diyot ile doğrultulur. Bu doğrultma işleminde kullanılan diyotların oluşturduğu devreye “tam dalga köprü doğrultucu” da denir. Doğrultma işlemini gerçekleştiren diyotların seçimi oldukça önemlidir. Bir diyodun maruz kalacağı maksimum gerilim ve akım değerlerinin üzerinde bir katolog değerinde seçilmelidir.

---

---

---

Enerji Ölçüm Entegresinin Seçilmesi

Rölenin tam olarak işlevini yerine getirebilmesi için belirli periyotlarda şebekeden gerilim ve akım örnekleri alınmalıdır. Sektörel uygulamaların bazılarında %0.1 oranında hata oranına sahip enerji ölçüm entegreleri kullanılırken bazı uygulamalarda ise analog olarak enerji okuma yöntemi kullanılmaktadır. Yüksek doğruluk gerektiren uygulamalarda entegre kullanılması en sağlıklı yöntemdir.

Enerji ölçüm entegresi seçilirken öncelikle entegrenin kaç faz için tasarlandığı ve mikroişlemci ile hangi haberleşme protokolü üzerinden haberleşeceğine bakılmalıdır. Bazı entegreler sadece UART ile haberleşirken bazıları SPI haberleşme protokolü ile de haberleşmektedir. Elbette diğer haberleşme protokollerini kullanan entegreler de mevcuttur.

Bazı firmalar 3 faz enerji ölçüm entegresi de üretmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken püf noktalardan biri 3 adet tek faz ölçüm entegresinin toplam fiyatı ile 1 adet 3 faz ölçüm entegresinin fiyatlarının karşılaştırılmasıdır. Aynı zamanda entegrenin bozulması durumunda değişimindeki kolaylık ve yaratacağı maliyet de kesinlikle göz önünde bulundurulmalıdır.

---

---

Yukarıdaki resimde ADE7753ARSZ entegresinin nasıl kullanılması gerektiği ile ilgili üretici firmanın paylaşmış olduğu bir devre mevcuttur. Bu şematik devre örneğinde en önemli kısımlar 4 ve 5 numaralı pinlerdeki akım transformatörü bağlantısı, 6 ve 7 numaralı pinlerdeki gerilim bölücü ile gerilim bağlantısı ve 17, 18, 19 ,20 numaralı pinlerdeki SPI haberleşme bağlantılarıdır. Geriye kalan bağlantılar entegrenin çalışması için gerekli olan normalleşmiş bağlantılardır.

Akım transformatöründe belirtilen RB direncinin değeri, kullanılacak olan akım transformatörünün üretici firma tarafından yayınlanan datasheet dosyasında verilmiştir.

Gerilim ve Akım Klemensleri

Şebekeden ölçüm alabilmemiz için gerilim ve akım olmak üzere iki farklı klemens grubu bağlantısının rölede mevcut olması gerekmektedir. 3 faz röle için 3 faz 1 nötr bağlantıdan dolayı gerilim klemens grubu 4’lü; akım klemens grubu akım transformatörü bağlantısından dolayı 6’lı olmalıdır.

Gerilim klemensleri, örnek olarak aldığımız ADE7753ARSZ entegresinin datasheet dosyasında belirtildiği gibi 110V bir gerilim değeri için 600k değerinde bir gerilim bölücü ile bağlantılı olmalıdır. Gerilim bölücüde kullanılması gereken direnç değerleri entegrenin pininin dayanabileceği maksimum gerilim değeri referans alarak hesaplanmalıdır.

Akım klemens grubu 3 faz sistem için 3 adet 5A akım transformatörüne bağlanılmalıdır. Akım transformatörünün 5A seçilmesinin sebebi ölçümlerdeki hassasiyeti korumak ve doğruluk oranını azaltmamaktır. 10A değerinde bir akım transformatörü seçilirse ölçüm farklılık gösterebilir.

---

---

Yukarıdaki akım transformatörü için üretici firma yayınlamış olduğu datasheet dosyasında RB direncinin 50 ohm olması gerektiğini belirtmiştir.

---

---

Mikroişlemcinin Seçimi

Enerji ölçüm entegresi ile uygun protokolde haberleşme sağlayabilen ve hızlı matematiksel işlemleri yerine getirebilecek bir mikroişlemci seçmek SVC röleleri için önemlidir. Sektörel projelerde genellikle ARM mimarisine sahip işlemciler tercih edilmektedir. Bunun sebebi olarak işlemci hızının yazılımsal olarak artırılabilmesi ve arz talep oranından dolayı işlemcinin ucuz olması gösterilebilir. Bu projede SVC rölesinin ihtiyaçlarını giderebilecek mikroişlemciler PIC18 serisi, dsPıc serisi, ARM mimarisine sahip işlemciler başta olmak üzere seçilebilir. Tabi buradaki en önemli kriterlerden biri de enerji ölçüm entegresi ile mikroişlemci arasındaki haberleşme protokolünün ikisine de uygun olmasıdır. ADE7753ARSZ entegresi SPI haberleşme protokolüne uyumlu olduğu için SPI pinlerine sahip bir mikroişlemci seçmek gerekir.

---

---

Tuş Takımı Tasarımı

Kullanıcı tarafından röleye bir değer girilmesi gerektiği zaman ya da rölenin göstergeleri arasında dolaşılması istendiğinde bu işlevleri yerine getirebilmek için tuş takımına ihtiyaç duyulur. Bazı rölelerde tuş takımı bulunmaz ve dokunmatik ekran mevcuttur. Bu durum tamamen ürünü tasarlayan firma ya da mühendise bağlı durumdur. Mekanik bir tuş takımı dokunmatik ekran teknolojisine göre daha sağlıklı sonuçlar verebilir.

---

---

Ekran ve Gösterge Seçimi

Rölenin ölçtüğü değerleri kullanıcıya doğru bir şekilde aktarabilmesi için rölede amaca uygun bir ekran teknolojisi bulunmalıdır. Bu teknoloji dokunmatik bir ekran ve renkli TFT bir ekran olabildiği gibi 7 segment display de olabilir. Bu durum maliyet ve yazılacak olan koda göre değişiklik göstermektedir.

Eğer 7 segment display kullanılacaksa her faz için 4′ lü displaylerin kullanılması mantıklı bir seçim olur. Böylece 3 faz için toplam 3 adet 4×7 segment display kullanarak veriler kullanıcıya aktarılır.

---

---

Tuş takımı ile gezilen menü başlıkları ve display de gösterilen verinin ne anlama geldiğini belirtmek için rölenin dış kutu tasarımında yer alan menü isimlerinin yanına birer led yerleştirilebilir. Eğer TFT ekran teknolojisi kullanılarak bir röle tasarlanacaksa böyle bir led yerleşimine gerek kalmayacaktır. Lakin 7 segment displaylerle yapılacak olan röle için gösterge ledleri kaçınılmaz olabilir.

---

---

Kapasitörlerin Devreye Alınması

Kademeli kommpanzasyon da 8, 12, 16, 24 gibi kademe sayıları ile belirtilen halihazırda sektörde satılan röleler mevcuttur. Bu rölelerin çoğunluğunda solid state röle dediğimiz bobinlerle elektromekanik açma kapama yapan röleler mevcuttur. Bu röleler her ne kadar ucuzluğundan ve mekanik anahtarlama yaptığından dolayı tercih edilirse edilsin kullanılması çok sağlıklı değildir.

Röle devreye almak istediği kademe için o kademenin solid state rölesini tetiklediğinde ona bağlı bulunan kontaktörler ilgili kapasitör grubunu devreye alır. Eğer oldukça kısa periyotlarda sürekli kapasitörleri devreye alıp çıkaracak bir röle programı söz konusu ise konraktördeki anahtarlamalar gerek yavaş kalacağından gerek ise ark çıkarabileceğinden mühendislik açısından doğru bir tercih değildir. Bu sorunlara ek olarak en büyük mekanik anahtarlama sorunu ise daha önce devrede olan kapasitör grubu devreden çıkarıldıktan sonra içerisindeki yük boşalmadan tekrar aynı kapasitör grubununun devreye alınmasıdır. Bu durumda yapılabilecek en pratik çözüm kontaktörün etiket değerlerine bakılarak en kötü senaryoya dayanıklı seçilmesidir. Açıkcası çok sağlıklı bir yöntem olmamakla beraber maalesef bu yöntem sektörel ve endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. Kapasitör gruplarını devreye alırken sıfır geçişli optokuplör entegreleri kullanmak oluşabilecek sorunların önüne geçebilmektedir.

Sıfır geçişli optoküplörün çalışma mantığına göre optokuplörün ilgili iki ucuna bağlanan sistemlerin sinüsleri üst üste bindiğinde iki sistem birbirine kısa devre edilir. Bu sayede iki sistem arasında bağlantı sağlanır. SVC röle uygulamalarında bu iki bağlantı şebeke ve kapasitör grubudur.

---

---

---

Her fazın her kademesi için 1 adet MOC3063 entegresi kullanılır.

MOC3063 entegresini kullanıldığında hem elektriksel izolasyon sağlanmış olup hem de kapasitör gruplarının şebeke sinüs dalgası ile çakıştığı anda devreye alınması sağlanmış olur. Böylelikle kapasitör grupları teorik olarak ters paralel bağlı olan tristörler grubu olan triyaklar ile devreye alınır.

Endüktif Yük Sürücü Tasarımı

Devreye alınan sabit kapasitörlerin kapasitif etkisini sönümlemek için şönt reaktörün (L) faz kaydırma prensibi ile sürülmesi gerekir. Faz kaydırma prensibi sayesinde X(L) değeri istenilen değerde tutularak reaktif güç değeri yazılan yazılıma paralel olacak şekilde minimum düzeyde tutulabilecek.

Bu devrede sıfır geçiş özelliği bulunmayan bir optokuplör kullanılması gerekir. Enerji ölçüm entegresinin işlemciye şebekenin sıfır anını bildirmesi üzerine 50 Hz frekansa denk olan 20 ms süresindeki periyotun istenilen değere karşılık gelen süresi kadar faz kaydırılmalıdır. Bu işlemin tekrarlanma sıklığı işlemcinin hızına ve seçeceğimiz optotriyakın tetikleme hızına bağlıdır.

---

---

Yukarıdaki tüm başlıklar altında yaklaşık 4 aydır üzerinde çalıştığım Statik VAR Kompanzasyon Rölesi hakkında edindiğim tasarım aşamalarını sizlere aktardım.

Yorum bölümünden tüm sorularınızı bana iletebilirsiniz.

Çalışmalarınızda başarılar dilerim.

Hamit Can Dinç.