Elektrik sistemi nasıl çalışır? Sıralı bisiklet örneği ile açıklama- Nezih Kaya-Hayati Çetin

Ardışık Bisiklet gibi Elektrik Sistemi

Nezih KAYA, Mühendis, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı

Hayati Çetin, Daire Başkanı, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı

Bu çalışma Stefan Fassbinder ve  Bruno De Wachter  tarafından Eylül 2005’te www.leonardo-energy.org web sitesinde yayınlanmıştır. Tercüme için izin veren Stefan Fassbinder  ve Bruno De Wachter ‘a teşekkür ederiz. Yazının İngilizce orijinal metni için;

ElectricityTandem

 

Kaynak: http://www.bravoprojects.co.in/transmission.php

Ülkemizdeki halka ve şirketlere elektrik sağlayan sistem (üretim, iletim, dağıtım) oldukça karmaşıktır. Elektrik, günümüz ekonomisinin her zaman hazır olan önemli bir parçası olmasına rağmen, bu elektrik şebeke sistemini ve sisteme bağlı tüm olayları anlamak bazen eğitimli elektrik mühendisleri için bile kolay değildir. Böyle durumlarda, iyi bir analoji (benzerlik kurma) karmaşık sistemlerin nasıl çalıştığı hakkında fikir oluşturmada kolaylık sağlar. Bu bağlamda, elektrik şebeke sisteminin bir kaç özelliğini anlatmak amacıyla, bir ardışık bisiklet ile elektrik şebeke sisteminin benzerliklerinin karşılaştırılması seçilmiştir.

 

Şüphesiz, hiçbir analoji %100 mükemmel değildir. Elektrik şebeke sisteminin tüm karakteristikleri bisiklet sistemininkine bire bir uymayacağından gerçek elektrik şebeke sistemi ve bizim sanal bisiklet sistemi tam anlamıyla benzeşmez. Bu anlamda, yapılan analojinin bazı yönleri her zaman için tamamen doğru değildir. Ancak ikisi arasındaki benzerlikler yeterince yakın olduğundan daha kolayca anlaşılabilen bisiklet sistemi zor olan soyut elektrik sistemini anlamakta yardımcı etmektedir. Bu da elbette bu yazının amacıdır.

 

1. Sistemin temel gösterimi

 

Sabit hızla hareket eden bir ardışık bisiklet düşünün.

Resimdeki bu bütün sistemin amacı; arka tarafta mavi renkli figürleri, bisikletin hareketini sağlayan enerjiyi hiç üretmemelerine rağmen, hareket halinde tutmaktır. Bunlar yükü (tüketimi) temsil etmektedir.

 

Sistemde, fabrikalar gibi büyük elektrik tüketen yükler olduğu gibi evler gibi daha küçük yükler de bulunmaktadır.

 

Kırmızı ile gösterilen pedal çevirenler sistemin düzenli çalışmasını sağlayan enerjiyi üretirler. Bunlar elektrik enerjisinin üretildiği enerji santrallerdir. Bazı santraller diğerlerinden büyük ve daha güçlüdür, dolayısıyla daha büyük güç sağlarlar.

 

Sistem elemanlarını birbirine bağlayan zincir elektrik iletim hattını temsil eder. Bu elektrik enerjisini tüm ülkeye ileten yüksek gerilim iletim hattıdır.

 

Zincir, sabit hızı sağlamak için tüm tekerlekleri aynı sabit oranda döndürmelidir. Benzer şekilde, elektrik şebekelerinin de belirlenmiş sabit bir frekansı vardır (50 hz). Zincirin üst kısmının sabit bir fiziksel gerilim altında olması gerekmektedir, tıpkı elektrik iletim şebekelerinin sabit gerilimde olduğu gibi. Zincirin alt kısmında ise gerilme yoktur ve iletim şebekesindeki nötr hattına eşdeğerdir.

 

Kırmızı pedalcilerin çevirme hareketi (enerji) bir dişli veya dişli sistemi ile zincire iletilir. Bu dişli; enerji santrallerinde hareket eden türbinin bağlı olduğu jeneratör ile yüksek gerilim şebekesi arasındaki transformatör gibidir.

 

Bazı Kırmızı figürler (enerji santralleri) tam güçte pedal çevirmezler. Bunlar, hızı sabit tutmak için daha fazla güç gerektiği  durumlarda (emre amade) kullanılmak üzere enerjilerinin bir kısmını muhafaza ederler. Örnek olarak, başka bir mavi figür aniden bisiklete binerse (başka bir yük şebekeye bağlanırsa) veya kırmızılardan birisi kramp geçirerek pedal çevirmeyi durdurursa (bir enerji santralı teknik bir problemle karşılaşır ve şebekeden çıkarsa) aynı hızı korumak için yedek güç gerekmektedir.

 

Ardışık bisiklet analojisi, Elektrik Güç Sisteminin bazı özel karakteristiklerine ve Güç Kalitesine de uygulanabilir.

 

2. Endüktif Güç ve Endüktif Güç Kompanzasyonu

 

Endüktif yük bir sinüs dalgası veya kendini sürekli tekrarlayan başka şekillerde, normal frekans ve gerilim değerindedir. Ancak şebekedeki sinüs dalgasıyla karşılaştırıldığında  bir miktar gecikme olmaktadır. Bu elektrik motorlarının endüktif bobininden, floresant lambaların balastlarından ve bazı tip ısıtıcılardan kaynaklanmaktadır.

 

Bu çeşit bir endüktif yük yukarıdaki şekilde gösterilen mavi figürün bisikletin yan tarafına eğilmesiyle temsil edilebilir. Diğerleri ile aynı ağırlıkta (normal yük) olduğundan bisikletin hızına (şebeke frekansı) veya zincirin gerilimine (şebeke gerilimine) etki etmez. Ancak kompanzasyon yapılmazsa bisikletin devrilmesine sebep olabilmektedir.

 

 

 

 

Bu durumda kompanzasyon için bir mavi figürün şekilde görüldüğü gibi ters yönde eğilmesi gerekmektedir. Bir enerji santralı da yük ile aynı gecikmesi olan sinüs dalgası şeklindeki endüktif gücü üretmelidir.

 

Bu aşağıdaki sonuçları doğurmaktadır:

 

• Kompanzasyon anında ve aynen olmalıdır, aksi takdirde tüm bisiklet (elektrik şebekesi) devrilecektir. Bu kırmızı ile gösterilen pedalcı figürlerin (enerji santralları) aralarında ne yapılmasının gerektiği konusunda  anlaşarak çok hızlı tepki verme kabiliyetini gerektirir.
• Kenara eğilen kırmızı pedalcı (enerji santralı) daha önceki gibi rahat çalışamaz. Bunun sonucu, pedala daha az güç sağlayacaktır. Enerji santralları daha az aktif enerji üretecektir. Böylece, pedalcı diğer kırmızılar (enerji santralları) daha fazla güç eklemek zorunda kalacaklardır.
• Arkadaki mavili figürün bir tarafa eğilmesi ve kırmızılının diğer tarafa eğilmesi bisikletin rüzgardan daha fazla etkilenmesini ve dolayısıyla ilave güç kaybına sebep olmaktadır. Bu elektrik şebekesinde akan endüktif akım gibidir. İlave kayba neden olur.

Bu sonuçları gidermek için, büyük endüktif güçler genelde kaynaklarına yakın olarak kompanse edilmektedir. Bu bir dizi kapasitörden oluşan kapasitif bir yük ile yapılmaktadır. Şebeke sinüs dalgası karşılaştırıldığında, bunların belirli ileri zamana sahip sinüs dalgası şeklinde akımı vardır. Böylece endüktif yükün gecikmesini kompanze eder. Kapasitif bir yük mavi yüke yakın oturan, ancak ters yönde eğilen başka bir mavi figür olarak görülebilir.

 

Endüktif ve kapasitif yükler reaktif yükler olarak da adlandırılır. Gecikme veya ileri zamanı olmayan bir yük, aktif yük olarak adlandırılır.

 

3. Harmonik Bozulma

 

Sürekli ileri ve geri eğilen hiperaktif bir mavi binici düşünün. Bu hareketleri bisikletin ritmi içerisinde yaparsa bunun hiç bir zararı yoktur. Ancak bisikletin ritminden 3 veya 5 kere hızlı yaparsa bir problem oluşturmaktadır. Bu yükün normal frekansının misli olan bir frekanstaki harmonik yükü temsil eder.Televizyon setleri, tasarruflu ampulleri ve inverter sürücülü elektrik motorları harmonik akımlara sebep olabilecek uygulamaların tipik örnekleridir. Bunlar ideal olarak kaynağa yakın yerlerde harmonik filtrelerle kompanse edilmelidir. Aksi takdirde bisiklet ileri ve geri sarsılarak extra enerji kaybına sebep olur. Böyle bir harmonik filtre tekerlekler üzerine monte edilmiş ve ileri ve geri hareket edebilen bir eyer gibi görülebilir. Böylece hiperaktif mavi binicinin hareketini etkisiz hale getirir.

 

 

 

 

4. Gerilim ve Frekansı sabit tutma

 

 

Kırmızı Pedalcilerden birinin giydiği ayakkabılar çok kaygandır. Bir anda ayağı pedaldan kayar. Aniden onun sistemin gücüne olan katkısı kayboluyor ve zincirdeki gerilme azalır. Aynı hızla devam etmek için, bu eksilen güç diğer pedalciler tarafından telafi edilmelidir. Zincir ve pedal sürekli döndüğünden, pedaldan ayağı kayan pedalcı kendini incitmemesi için dikkatli olmalıdır. Diğerleri gibi ayağını pedala koyup kendi payına düşen işi yapmaya başlaması ustalık isteyen bir iştir.

 

Bu durum gerilimin düşmesi ile benzetilebilir. Bir enerji santralındaki (kaygan ayakkabılar) arızaya bağlı olarak, şebeke aynı frekansı (pedal sürekli dönüyor) koruduğu ve daha güçlü olduğundanSANTRALDAKİ  BAZI CİHAZLARIN ZARAR GÖRME RİSKİYLE BİRLİKTE, KONTROL SİSTEMİ SANTRALI ANİDEN DURDURABİLİR (Ayağın pedaldan kayması). BU DURUŞUN SONUCU ŞEBEKEDEKİ DİĞER ENERJİ SANTRALLARI KENDİ KATKILARINI ARTTIRARAK TEPKİ VERENE KADAR ŞEBEKE ÜZERİNDEKİ GERİLİM ANİDEN DÜŞER. (zincirin gevşemesi) Yeterince hızlı davranılmazsa frekans da (bisiklet hızı) düşmeye başlar. Ayağı pedaldan kayan pedalcının ayağını tekrar dönen pedala koyması ustalık istediği gibi, şebeke ve enerji santralı frekanslarının aynı olması gerekliliğinden, enerji santralı generatörünü tekrar şebekeye bağlaması da ustalık isteyen bir operasyondur.

 

Benzer gerilim düşmesi büyük bir yükün aniden şebekeye bağlanması ile oluşabilmektedir. Bundan dolayı büyük yükler çoğu zaman birden değil, kademe kademe bağlanmaktadır.

 

Büyük yük aniden şebekeden çıkması durumunda ise ani gerilim artışı oluşmaktadır. Bu durumda enerji santralları kendi paylarını aniden azaltmalıdır. Aksi halde frekans yükselecektir. Ardışık bisiklet analojimizde ise şayet mavi binici biri bisikletten atlar ve kırmızı pedalcılar aynı gücü uygulamaya devam eder ise bisiklet aniden hızlanır. Pedalcılar hızlı tepki verip güçlerini azaltmalıdır. Yoksa bisiklet hızlanmaya başlayacaktır.

 

 

5. Enerji Santrallarının Üç Farklı tipi

 

 

Kırmızı Pedalcı figür zincire bir dişli ile bağlı olduğundan sürekli aynı hız ve güçte pedal çevirmek zorundadır. Şebekeye transformatör ile bağlı olan büyük konvansiyonel enerji santralları ve nükleer santrallar için bu durum geçerlidir.

 

 

Bazı bisikletçiler yavaş pedal çevirebilir, ancak bunların güçleri bir dişli sistemleri ile uygun hıza çevrilir. Bunun karşılığı olan enerji santralları ise; örneğin türbin hızı nehirin akış hızına bağlı olan bir hidrolik santral gibi yavaş çalışan santrallardır. Bu durumda ardışık bisikletteki dişli sistemiyle hızın değiştirildiği gibi, türbin de generatöre aynı şekilde bağlıdır. Bir diğer durumda ise, generatör türbinin hızı ile aynı hızda dönmekte ve şebeke frekansı ise frekans çevirici ile sağlanılmaktadır.

 

 

Rüzgar türbinleri sadece havalar iyi olduğunda pedal çeviren küçük kırmızı figürler gibidir. Hava ne kadar iyi ise o kadar iyi pedal çevirirler. Bazen çok faydalıdırlar, ancak onlara her zaman güvenilmez. Bu rüzgar türbinleri için de aynıdır: Sadece rüzgar hızı çok düşük veya çok yüksek olmadığında çalışırlar. Bundan dolayı başka tip enerji santralları ile yedeklenmelidirler. Bu iyi hava pedalcıları, aynen rüzgar türbinlerinin hız değişimlerini dengeleyen bir dişli kutusuyla veya frekans çeviriciyle bağlı olduğu gibi, farklı hızlarda pedal çevirmeye izin veren bir kayış ve dişli sistemi ile bağlıdırlar.

6. Yüklerin Üç Farklı Tipi

 

Enerji santralları çok farklı karekteristikler gösterebildikleri gibi, yükler de farklılık gösterir.

 

 

 

Birinci tip elektrik yükü elektrik enerjisinden ısı veya ışık üreten dirençlerdir. Örnekleri lambalar veya elektrikli ısıtma sistemlerinin bir çok tipidir. Pedalı olmayan, ancak sürekli frene basan mavi binici örnek verilebilir. Dirençlerin elektrik enerjisini ısıya çevirdikleri gibi, frenler kinetik enerjiyi ısı enerjisine çevirir.

 

 

 

 

Elektrik motorları generatörlere benzeyen bir temel prensiple çalışır. Dönme enerjisini elektrik enerjisine çevirirmenin yerine, elektrik motoru elektrik enerjisini tekrar dönme enerjisine çevirir.

 

Analojimizde ise; bu tıpkı kırmızı figürler (enerji santralı) gibi pedalı olan bir mavili binicinin, ayağı pedalda iken pedal çevirmek yerine tüm ağırlığını pedalın dönme hareketinin tersine vermesi ile temsil edilebilir.

 

 

Yükün üçüncü bir tipi ise 2. kısımda tartışılmış olan reaktif yüktür.  Bu frensiz ve pedalsız, ancak yan tarafa doğru eğilen mavi binici gibidir. Bu şebekeyle karşılaştırıldığında belirli gecikme oluşturan endüktif bir yük (örneğin bir floresant lamba) veya akımı ileri zamanlı kapasitif bir yük (örneğin bir dizi kapasitör) oluşturur.

 

 

7. Sonuç

 

Bu analoji, güç sistemlerinin kontrolunun ne kadar karmaşık olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. Her daim üretilen gücün yük için kompanzazyonu tam olarak sağlanmalıdır. Bu kırılgan dengeyi sağlamak için çeşitli boyutların kontrol edilmesi demektir. En büyük zorluk, zincir hızı (şebeke frekansı) ve zincir gerilmesini (şebeke gerilim seviyesi) sabit tutulmasıdır. Ve tümü dengeyi bozacak farklı ve beklenmeyen etkiler oluşabilirken bile.

 

Elektrik piyasasının Avrupa’da liberalleştirilmesinden bu yana, her ülke bu görevi yerine getirmeye çalışan bağımsız bir şebeke operatörüne sahiptir