Faz nedir ve neden cok fazli elektrige ihtiyac duyariz? Neden 3 faz elektrik yayginlasmistir?

[Mikro Step]

Uzunca bir yazi yerine bir birini takip eden yazilarla aciklayacagim.

AC gerilim DC gerilimden farkli olarak an ve an degerini degistirir. Sebekedeki gerilimin dalga sekli aynen yukaridaki gibidir.

Grafikte zaman saga dogru akarken voltaj once pozitif yonde artmaya sonra sifira dogru azalmaya sonra negatif yonde artmaya sonra tekrar sifira dogru azalmaya baslar ve bu surekli devam eder.

Grafikte a,b, c, d olarak bolgelerden a ve b bolgeleri pozitif voltaj bolgeleri iken c ve d bolgeleri negatif voltaj bolgeleridir.

Bu bolgeler ardisil birbirini tekrar eder.

A ve B pozitif alternans da iken C ve D negatif alternansdadir. Pozitif ve negatif alternaslar 1 tam alternanisi olusturur.

1 saniyedeki alternans sayisina frekans diyoruz.

Sebekede a,b,c,d degisimi 1 saniyede 50 kere tekrar ettiginden frekansimiz da 50 Hz (Hertz) dir.

AC gerilimin nasil bir sey kafamizda canlamis olmali.

 

[Mikro Step]

Simdi faz konusuna bakalim.

Buyuk bir bahcede yuzlerce lamba var ve lambalarin toplam gucu 3000 w.. Elinizde de 1000W benzinli jenaratorlerden var.

Lambalari nasil calistiririz?

Lambalari 3 gruba ayirip her birini 1000w jenarator ile besleyebiliriz. Bu durumda 3 jenaratore ihtiyacimiz olur.

Fakat istersek lambalari daha fazla gruba ayirip daha fazla jenaratorle de calistirabiliriz

3 jenaratorle beslemeye karar verelim.

Bu 3 jenaratoru bir kutuya koyalim. Her birinin mars butonunu panoya koyalim.

Isterseniz tek butonla 3'une birden de mars verebiliriz.

 

[Mikro Step]

Hayal etmenizi istedigim bu senaryoda mars butonuna basinca jenartorlerden birisi hemen mars alir ve donmeye baslar. Digeri bakimsizdir biraz gecikmeyle baslar. Digeri de bir baska sebeple biraz fakli gecikme ile baslar.

T=0 aninda mars butonlarina basmis olalim.

Asagidaki grafikte ilk jenarator T1 aninda calismaya baslamis
Digeri T2 kadar gecikme ile, sonuncusu da T3 kadar gecikme ile calismaya baslamis.

Birbiri ile alakasi olmayan 3 jenarator ayni anda start komutunu alsalar bile ayni anda donmeye baslayamazlar en basitinden durmus 3 ayri jenaratorun benzin motorlarinda birinin pistonu en ustte iken, digeri ortada diger en altta olabilir.

Haliyle 3 motor start aldiginda es hareketi yapmazlar. Alternatorlerin milleri de montaj enasinda benzinli motorlara gelisi guzel kuple edilmis olabilir.

Tabiki benzinli motorlarin bakimsizligi, yakitlarinin kirliligi vs jenartorun urettigi gerilimin ayni anda baslayacagini garanti etmez. (Bu ornekte benzinli motorlarin devir sayilari bile fakli olabilir fakat devir sayilarinin ayni oldugunu varsayalim. Sadece gecikmeli calismis olsunlar)

Neticede 3 ayri jenaratorden gelen elektrik farkli zamanlarda yukselip alcalir

Bu durumu grafikten de gorebiliyoruz. Iste burda ortaya faz farki dedigimiz kavram cikiyor.

 

[Mikro Step]

Bu uc grafigi tek grafikte gosterelim.

0 anini referans alirsak

1. jenaratorun voltaji T1 gecikme ile
2. jenaratorun voltaji T2 gecikme ile
3. jenaratorun voltaji T3 gecikme ile

uretilmeye baslanmistir.

T1 anini 0 kabul edersek.

2. jenarator 1. jenatorden T2 - T1 kadar gecikme ile baslamis, 3. jenarator ise 1 jenarotorden T3-T1 kadar gecikme ile baslamis demektir.

Eger 3 jenarator de ayni anda baslamis ve 3 grafikteki egriler tipa trip ayni zamanda yukselip alcalmaya baslamis olsalardi faz farki sifir olacakti.

Sanki sistem 3 ayri jenaratorle degil de tek bir jenaratorden besleniyormus gibi bir durum soz konusu olurdu.

Sanirim faz farki dedigimiz kavram kafamizda sekillenmisitir.

 

[Mikro Step]

Simdi bu sanaryomuzda 3 ayri jenarator yani 3 ayri benzinli motor 3 ayri da alternator vardi. Bu kez senaryomuzu degistiriyorum.

Tek bir benzinli motorun miline 3 ayri alternatoru baglayalim fakat alternatorlerin millerini once ayni hizaya getirelim sonra her birini tam dairenin (360 derece) 3 de biri kayacak sekilde hizalayalim sonra da milleri bir birine baglayalim. Boylece benzinli motor calistirildiginda alternatorlerin pozisyonlari da artik bir birine gore sabit olacagi icin duzenek ayni anda donmeye baslar.

Bu durumda 3 alternator mekanik anlamda bir birine gore kayik bagli oldugu icin verecekleri voltajlar da farkli zamanlarda yukselip alcalacaktir fakat alternatorler mekanigi olarak 120 derece aciyla kayik baglandigi icin voltajlar arasinda da 120 derece kayiklik sabit ve degismeyecektir. (Bir cift kutpumuz olsun)

(Tabiki 3 ayri alternatorun millerini ayri ayri acisal konumlayip uc uca baglayip millerine birlestirmek yerine 3 alternator yerine daha iri alternator yapip sarilacak sargilarin konumlarini ayarlayip sararsak ayni sistemi yekpare yapabilirdik.)

3 ayri gerilimin grafigi asagidaki gibi olacaktir. 3 farkli zamanda baslayan 3 ayri gerilim ancak bu sekilde 120 derece ile paylastirilirsa simetrik hale gelir.

Su ana kadar ki aciklamalarla, AC gerilim nedir, frekans nedir, alternans nedir, yari alternans nedir faz kayikligi nedir anlamis olduk.

120 derecelik faz kaymasinin 360 derece olan tam dairenin ucte birine denk gelen yerlesim kayikligindan kaynaklandigini da anladik.

Sebeke frekansi 50Hz ise 1 saniyede 50 tane alternans oldugunu yani 100 tane yari alternans oldugunu biliyoruz. Bu durumda 1 alternansin 1/50=20 mili saniye oldugunu da biliyoruz.

O halde yukaridaki grafikte 120 derecelik faz kayikliginin

20/3=6.66 mili saniye oldugunu da biliyoruz.

Simdi aralarinda faz farki olan 3 gerilimimiz var. Bunlarin her birisine faz diyoruz.

Artik 3 fazli elektrik dendiginde kafamizda sekillenmis olmali.

 

[Mikro Step]

Peki neden cok fazli gerilime ihtiyac duyuyoruz.

Esasen ayni fazda gerilimler kullanarak da en bastaki bahcemizdeki lambalari besleyebilirdik.

Tek bir fazdan tum yuku beslemek risklidir. Bu faz gittimi tum elektrik gider. Bu birinci neden.

Tek bir fazdan besleme yaparsak yuklerin hepsi bu fazi yukleyecegi icin akim cok yuksek cikacak ve bu faza ait iletken cok kalin secilmek zorunda. Kalin telin egilmesi bukulmesi ek yapilmasi gibi iscilikleri zor ve pahali olur.

Ama bir sebep var ki bunlar onemsiz kalir.

Aralarinda 120 derece mekanik aci olan bobinler 3 fazli elektrikle beslenirse bobinlerin olusturacagi alanlarin bileskesi doner. Buda motor yapmayi cok kolaylastirir. DC motorlarda kollektor firca vs kullanarak taklalar atmak gerekirken sincap kafesli motor dedigimiz asenkron motorlar cok basittir ve bu basitligin sebebi cok fazli gerilimlerdir.

 

[Mikro Step]

Peki neden 3 faz yaygin?

Bunun sebebi de maliyet.

Bu yaziyi hazirlarken maliyetin iletkenlerin metalleri acisindan 3 fazda dustugunu saniyordum ama degilmis.

Peki nasil oluyor da 3 fazli sistemde maliyet dusuyor?

Bunun icin matematige girmek gerekiyor fakat olabildigince bildigimiz basit formuller ile aciklayayim. Rakamlara takilmayin kafadan salladim.

Amacimiz 30 Bin W gucteki bir isiticiya elektrik iletmek olsun. Faz notur voltajimiz da 300V olsun. Priz ile yuk arasinda 100m mesafe olsun.

1 mm kare telden 10A akitabilecegimizi varsayiyorum. (Size kalmis)

Tum hesaplamalarda V Faz notur gerilimi olsun.

(a) icin hesaplayalim (Tek Faz)

Tek fazli bir prize elektrik tasiyacaksak akacak akim Faz notur voltajini kullanmaktan baska cozum olmayacagi icin 30000/300 = 100A olacaktir.

Bu durumda tek fazli iletimde iletkenin kesiti 10mm kare olacaktir.

Bir gidis bir de donus olacagina gore 200m iletken kullanmamiz gerekiyor.

(b) icin hesaplayalim (Iki Faz)

Eger faz sayisini 2 yaparsak

Burda 2 fazli elektrik derken aralarinda 180 derece faz farki var demek istiyorum. Faz notor gerilimi 300V ise faz faz gerilimi 600V olacak demektir.

P=2*V*I olacagindan

I=P/2V = 30000/2*300 = 50 A Haliyle 5mm kare tel yeterli olacak.

Gene iki iletken gerekecegi icin 200m ve iletken kesiti 5mm kare.

(c) icin hesaplayalkim (Uc Faz)

P=3*V*I

I=P/3V = 30000/3*300 = 33.3A 3.3mm kare, 300m iletken lazim.

(d) icin hesaplayalim (Dort Faz)

P=4*V*I

I=P/4V = 30000/4*300 = 25A 2.5mm kare, 400m iletken lazim.

Faz sayisi	Tel boyu	Tel capi	Boy x Cap
1	200 m	10	2000
2	200 m	5	1000
3	300m	3.3	1000
4	400m	2.5	1000

Acikcasi bu hesaplamada 3 faz icin bakir fiyatlandirmasinin (Boy*Cap) dusecegini bekliyordum.

Demekki daha baska bilesenler var.

Devam edelim.

Priz, fiz, salter vs deki metallerin sayisi ve yapi karmasikligi faz sayisi ile artiyor.
direklerdeki fincanlarin sayisi, salterlerdeki/ayiricilardaki/kesicilerdeki kontaklasin sayisi ve mekanik boyutlar faz sayisi ile arttiyor.

Faz sayisi arttikca sistemler karmasiklasiyor.

Bu durumda tek fazli sistemde kesit cok fazla oluyor onu direk eleyebiliriz.
2 fazli sistemde halen kalin kesit gerekiyor. Iscilik halen yuksek
2 fazli sistemde doner alan olusturmak halen sikintili.
3 fazli sistemde doner alan uretmek basit.
Faz sayisi arttikca transformatorde karkas sayisi artiyor

Bu durumda 3 fazli sistemlerin secilmesindeki ana sebep

1. Dogrudan doner alan olusturmak icin en az sayida faz sayisi 3 ile gerceklesiyor.
2. Salter vs ara elektrik aparatlarinda mekanik karmasa, kontak sayisi vs faz sayisi azaldikca azaliyor.

Tum nedenler bir arada dusunuldugunde 3 sayisi one cikiyor.


Ancak 2 fazli sistem konusunda bir konuya aciklik getirmek gerekiyor.

2 fazli sistemlerin eski taniminda faz kayikligi 90 derecedir. Bu tanima gore doner alan olusturmak mumkundur. Fakat gunumuzedeki 2 faz tanimi degismis ve faz acisi 180 derecedir.

 

[Mikro Step]

Olaya bir de baska bir acidan bakalim.

Bakir telin kesiti S ve bu telin disinda en azindan 1mm kalinliginda plastik izolasyon malzemesi kullanmak da sart olsun.

S kesitli telin ustundeki 1mm lik plastik malzemenin kesitini bulalim.

telin yaricapi r olsun

[math]r=\sqrt{\frac{S}{\pi}}[/math]
Bu durumda plastik aksamin capi r+1

Plastik aksamin kesiti

[math]S_p=(r+1)^2 * \pi - S[/math]
[math]S_p=(r+1)^2 * \pi - r^2 * \pi=2r\pi + pi[/math]
Faz sayisi arttikca tel kesitini, kabulumuze gore akan akimi 0.1 ile carparak asagidaki sekilde buluyorduk.

[math]S_{tel}=\frac{P}{10*n*V}[/math]
Faz sayisi ile iletken maliyeti arasinda baginti bulamadigimiza gore bir de teli cevreleyen plastik acisindan inceleyelim.

Iletken capini

[math]r=\sqrt{\frac{S}{\pi}}[/math]
[math]r=\sqrt\frac{P}{10*n*V\pi}[/math]
Plastik kesitini ise (faz sayisi kadar artacak)

[math]S_p=2*n\pi\sqrt\frac{P}{10*n*V\pi} + pi=2\sqrt\frac{P*n\pi}{10*V} + pi[/math]
Faz sayisi en az 2 olmak uzere

Plastik maliyeti faz sayisi arttikca artiyor.

Bu durumda 4 fazin 3 faza gore bir avantaji olmuyor tam tersine plastik maliyeti artiyor.

Dolayisi ile faz sayisini en fazla 3 almak optimum cozum olmus oluyor.

2 yaparsak motorlar acisindan sorun oluyor.