Güç Katsayısı Nedir? Nasıl Ölçülür?

Güç katsayısı: Gerilim ile,”I” akımı arasında kalan açının (zaman açısı) kosünüsüne güç faktörü (Cosφ) denir. AC devrelerinde şebeke gerilimi ile devre akımı arasındaki φ açısı, omik, endüktif ve kapasitif dirençlere göre değişir.

Bazı açıların sinüs ve cosinüs değerleri açı büyüdükçe Cosφ değeri küçülür. Açı küçüldükçe Cosφ değeri büyür.

Güç Katsayısının Hesaplanması

Kompanzasyon sistemlerinin kurulması için kondansatörler devreye bağlanır. Kondansatörlerin akımı, devreden çekilen akımın reaktif bileşenini azaltacağından açıyı küçültür. Bundan dolayı da Cos φ değeri büyür.

AKTİF GÜÇ / GÖRÜNÜR GÜÇ = (W) / (VA) = Cos φ

Omik, Kapasitif, Endüktif Devrelerde Akım, Gerilim ve Güç Vektörler

Omik Devre

Şekilde omik devrede alıcı uçlarına uygulanan gerilimin ve direnç üzerinden geçen akımın dalga şekli ve vektör diyagramı görülmektedir.

Direnç uçlarına alternatif bir gerilim uygulandığında, direncin uçlarındaki gerilime bağlı direnç üstünden geçen akım artar. Direnç uçlarındaki gerilim değeri azaldıkça bunun paralelinde akım azalır. Bundan dolayı akımla gerilim aynı fazdadır.

Bu durum şekildeki gibi gerilimin maksimum olduğu yerde akımda maksimum, gerilimin sıfır olduğu yerde akımda sıfır olmaktadır. Bu sebeple akımla gerilim aynı fazdadır. Direnç elemanı akımla gerilim arasında bir faz farkı meydana getirmemektedir. Vektör gösteriminde I akımın etkin değeri, U ise gerilimin etkin değerini göstermektedir.

Kapasitif Devre

Kapasitif devrede akımla gerilim arasında genellikle 90° faz farkı meydana gelir. Akım gerilimden 90° ileri fazdadır. Herhangi bir andaki kondansatörün çektiği güç, o anda akım ile elektromotor kuvvet (EMK)’ in çarpımına eşittir. Vektör dönüş yönü saat ibresinin tersi yönündedir. Şekle bakınız.

Endüktif Devre

Saf bir özindükleme bobininden geçen akım, uygulanan EMK’den 90° geridedir. Herhangi bir andaki güç, o andaki akım ile EMK’nin çarpımına eşittir. Şekilde görüldüğü gibi P = e . i değişik anlardaki akım ve gerilim değerlerini çarparak bulunan ani güçleri işaretlemek sureti ile gücün değişim eğrisi çizilebilir.

Güç Katsayısı Ölçme

İşletmelerde aktif enerji dışında çekilen reaktif enerji sayaçlar yardımı ile ölçülür. Ücreti (TEDAŞ) elektrik dağıtımı ve satışı yapan firma tarafından alınır. Reaktif güç yararlanılmayan güç olup bu gücün azaltılması mümkündür.

Güç kaybının önlenebilmesi için güç faktörü ölçülmelidir. Güç kat sayısı direkt ( kosinüsfimetre ile) veya endirekt ( A- V- W ile ) yöntemlerle ölçülebilir. Direkt ölçen aletlere kosinüsfimetre veya güç faktörü metre denir.

Ampermetre, voltmetre ve wattmetre yöntemi ile güç katsayısı (Cosφ) ölçme

1 fazlı ve 3 fazlı devrelerde ampermetre, voltmetre ve wattmetre ile ölçme yöntemi uygulanır.

Bir Fazlı Devrelerde Güç Katsayısı Ölçme

Aktif güç; alıcının üstünde işe dönüşen yararlı güçtür. Aktif güç P= U. I . cosφ formülüyle hesaplanır.

Buna göre aşağıdaki şekilde P (Aktif güç) – U (Gerilim) – I(Akım) alınan değerler, yerine konulduğunda:

Güç katsayısı formülü:

cosφ = P / U . I  Formülü ile cosφ (güç katsayısı) hesaplanır.

Üç Fazlı Devrelerde Güç Katsayısı Ölçme

Üç fazlı devrelerde iki yöntem ile güç kat sayısı bulunur. Dengeli ve dengesiz yükler ( almaçlar) için şu formüller ile bulunabilir. Wattmetre den okunan değerlere göre güç hesaplama yapılır.

• Dengeli yükler için

P _Toplam = 3 . P1 formülüyle P değerini buluruz. Sonra cosφ = P / U . I formülüyle güç katsayısı bulunur.

• Dengesiz yükler için

3 fazlı dengesiz devrelerde, her faza 1 tane wattmetre bağlanır. 3 wattmetrenin gösterdiği değerler toplanarak devrenin gücü bulunur.

P_Toplam = P1 + P2 + P3 formülü ile P değeri bulunur.

Sonra; cosφ = P / U . I formülüyle güç katsayısı bulunur.

Aktif Sayaç ve Reaktif  Sayaç Okumalarından Güç Katsayısının Hesaplanması

Güç faktörü sayaç okuma ile belirlenir. Normal çalışma şartlarında aktif enerji sayacı (kWh) ve reaktif enerji sayacının (kVARh) gösterdiği değerler iş gününün başında ve sonunda alınır. Bu durumda:

Ea = Le – Li bağıntısı ile çalışma saatlerindeki aktif enerji tüketimi belirlenir.

Buradaki:

• Ea: Çalışma saatlerinde aktif enerji tüketimini
• Le: İş gününün sonunda okunan enerjiyi
• Li: İş gününün başındaki okunan enerjiyi göstermektedir.
• Er =Lf – Li bağıntısı ile de çalışma saatlerinde çekilen reaktif enerji belirlenir.

Burada da:

• Er: Çalışma saatlerinde çekilen reaktif enerjiyi
• Lf: İş gününün sonunda okunan enerjiyi
• Li: İş gününün başında okunan enerjiyi göstermektedir.
• E_a ve E_r değerlerinden güç faktörü

 

Bağıntısı ile hesaplanabilir.

Le ve Li arasındaki zaman aralığı ve cosφ ile reaktif güç hesaplama yapılır.

Kosinüsfimetre ile Güç Katsayısı Ölçme

Yukarıda uygulanan güç kat sayısı değerinin ölçülmesi tercih edilmeyen yöntemlerdir. Güç sayısı değeri doğrudan ölçülmelidir. Doğrudan güç kat sayısını ölçen cihazlara kosinüsfimetre adı verilir.

Diğer yöntemlerin fiyatları pahalı olduğundan güç ölçümü için uygun bir yöntem değildir.

Bir Fazlı Kosinüsfimetre Yapısı

Bir fazlı kosinüsfimetre elektrodinamik wattmetre gibidir. Sabit olan akım bobini içine manyetik eksenleri birbirine göre dik olan iki gerilim bobini çapraz olarak hareket edecek biçimde yerleştirilir.

Gerilim bobinlerinden bir tanesine omik direnç, diğerine de endüktif reaktans seri olarak bağlanır. İki bobinin sipir sayıları ve tel çapları aynıdır. Omik direnç bağlı bobinden geçen akım ile gerilim aynı fazdadır. Endüktif reaktansla seri bağlı bobinden geçen akım gerilimden 90º geridedir.

Direnç ve bobin yardımı ile iki çapraz bobinin akımları ile gerilimleri arasındaki faz farkı 90° yapılmış olur. Aşağıdaki şekilde olduğu gibi.

Geri Güç Katsayısı

Alıcının çektiği akım, uçlarındaki akım ile aynı fazda ise bu alıcıya güç katsayısı 1 olan yük denir. Bir alıcının çektiği akım, uçlarındaki gerilimden geri kalırsa, bu alıcıya geri güç katsayılı yük denir. Bir alternatif akım şebekesindeki saf bir selften geçen akım, uçlarındaki gerilimden 90º geri kalır.

Devreye omik yük bağlı iken ( güç kat sayısı 1 )

Akım bobininden geçen akım, gerilim ile aynı fazda olur. 1 nolu gerilim bobininden geçen akım, akım bobininden geçen akımla aynı fazdadır. 2 nolu gerilim bobininden geçen akım bunlardan 90° geridedir. Döndürme kuvveti bu iki akımın oluşturduğu bileşke alanlar tarafından oluşur.

Oluşan bu kuvvet, yalnızca 1 nolu gerilim bobinini etkiler. Bu bobinin eksenini akım eksenine 90° oluncaya kadar çapraz bobini döndürür ve ibre skala üstündeki 1 sayısını gösterir. Omik yük durumunda 2 nolu bobine etki eden kuvvet yoktur. Çünkü omik yükte geçen akımda omiktir. Omik akımın endüktif ve kapasitif bileşeni de yoktur.

Devre tam endüktif iken (güç kat sayısı sıfır)

Akım bobinlerinden geçen akım aynı fazda, 1 nolu gerilim bobininden geçen akım bunlardan 90° ileridedir. Bundan dolayı 2 nolu bobin akım bobini eksenine dik olana kadar döner ve ibre sıfırı gösterir. Yani cos φ= 0’dır.

Devre tam kapasitif iken (Güç kat sayısı sıfır)

Endüktif yükün tersi olup 1 nolu gerilim bobini 180° döner ve gösterge bu kez kapasitif yöndeki sıfırı gösterir.

Güç kat sayısı 0 ile 1 arasında ise

Gerilim bobinleri ve akım bobinleri arasındaki faz farkı güç kat sayısını verecek biçimdedir. Skalanın sağ tarafı endüktif yük, sol tarafı kapasitif yük durumunu gösterir.

Hareketli gerilim bobinleri arasında 120° faz farklı olarak yerleştirilir. Gerilim bobinleri akım bobininin bağlandığı fazın dışındaki diğer iki faza bağlanır. Sabit bobinler hat akımını taşır.

Cihaz 3 fazlı bir yüke bağlanırsa ibre, yükün güç faktörünü skala üstünde gösterir. 3 fazlı kosinüsfimetrenin akım bobinleri yüke seri bağlanır. Gerilim bobinlerinin birer uçları da diğer fazlara bağlanır. (Aşağıdaki şekle bakınız.). Böylece ölçümler doğrudan güç faktörünü verir.

Kosinüsfimetre Çeşitleri

Kosinüsfimetreler, faz biçimine göre bir fazlı ve 3 fazlı olmak üzere iki çeşit üretilir. İmalat biçimine göre analog ve dijital olarak imal edilir.

Kosinüsfimetre Devreye Bağlantıları

Bir fazlı ve 3 fazlı dijital kosinüsfimetre bağlantı şemasında görüldüğü üzere işletmeye uygun bir akım trafosu ile şebekeye bağlanır. Bağlantı yapılırken besleme geriliminin akım trafosunun bağlandığı fazdan alınmasına dikkat edilmelidir. (U_n: Besleme gerilimidir)

Kosinüsfimetre Bağlanırken Dikkat Edilecek Hususlar

• Kosinüsfimetrelerin akım bobinleri seri, gerilim bobinleri paralel bağlanır.
• Gerilim bobinleri çalışma (etiket) değerlerine dikkat edilir.
• Kosinüsfimetre akım trafosu çalışacaksa, buna dikkat edilmelidir. Akım trafosunun sekonder ucunun bir tanesi kesinlikle topraklanmalıdır. Bunun nedeni akım trafosu sekonder tarafı açık devre bırakıldığında oluşabilecek yüksek gerilimi toprağa vermek içindir.