GÜÇ ÖLÇME

Güncelleme 28/01/2021

Doğru ve alternatif akımda elektrik yüklerinin zaman içinde kullandığı güç, elektrik işi olarak ifade edilmekte ve elektrik sayaçları tarafından ölçülmektedir. Birim zamanda yapılan iş ise güç olarak bilinmekte ve wattmetreler tarafından ölçülmektedir.

Alternatif akım elektrik enerjisinden, redresörlerle doğru akım elektrik enerjisi elde edildiğinden; doğru akım elektrik enerjisinin üretimi, iletimi ve dağıtımı yapılmamaktadır. Bundan hareketle doğru akım elektrik enerjisinin oluşturduğu iş ve gücün ölçülmesi de endüstriyel olmaktan çıkmıştır. Bu nedenle bu modülde ele alacağımız iş ve güç konuları ağırlıklı olarak alternatif akım elektrik enerjisi ile ilgili olacaktır.

1.1. Üç Fazlı Sistemler

1.1.1. Faz Farkı ve Üç Faz Oluşumu

Alternatifin kelime anlamı “değişken”dir. Alternatif akımın kısa tanımı ise “Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişen akım” şeklindedir. Evlerimizdeki elektrik alternatif akım sınıfına girer.

Sabit bir manyetik alan içerisinde bir iletken hareket ettirilirse, bu iletkenin manyetik kuvvet çizgi sayısını kesme açısı ile orantılı olarak iletken uçlarında, Faraday kanununa göre bir potansiyel fark elde edilir.

a-İletkenlerin gösterilmesi b-Sinusoidal gösterim c-Vektörel gösterim Şekil 1.3: Üç fazlı alternatif akım eğrisi (sinusoidal)

Faz Tanımı: Alternatif akım ve EMK’leri gösteren vektör veya eğrilerin başlangıç eksenine (x ekseni veya referans ekseni) göre bulundukları duruma faz denir. Üç çeşit faz vardır. Bunlar sıfır faz, ileri faz ve geri fazdır.

Sözlük anlamı olarak;

Faz: Zamana bağlı olarak değişen akım, voltaj gibi fiziksel büyüklüklerin aynı yönde (pozitif veya negatif) aynı dalga şekillerinde, aynı değeri geçmeleri arasındaki zaman farkıdır. Örneğin eğer iki büyüklük aynı frekansa sahip ise ve aynı yönde aynı zamanda sıfırdan geçiyorlarsa, bu iki büyüklük aynı fazda denir. Eğer sıfırdan geçme farklı zamanlarda meydana geliyorsa, bu iki büyüklük arasında faz farkı var denir.

Faz Farkı: Vektörlerin ve eğrilerin aralarında bulunan açı veya zaman farkına faz farkı denir. Kısaca eğriler arasındaki zaman farkıdır. Alternatif akım sinüsoidal bir eğri olduğundan vektörel toplanır ve vektörel olarak da çıkartılması gerekir. Çünkü alternatif akım veya gerilim zamana göre değişmektedir.

Sıfır faz İleri faz

Geri faz Faz farkı Şekil 1. 4: Sıfır, ileri, geri faz ve A, B, C gerilimleri arasındaki faz farkları

1.1.2. Üçgen Bağlantıda Akım, Gerilim Bağıntıları

Alıcı üzerindeki birinci faz sargısının çıkış ucuyla ikinci faz sargısının giriş ucuyla, ikinci faz sargısının çıkış ucu üçüncü faz sargısının giriş ucu ile, üçüncü faz sargısının çıkış ucu da birinci faz sargısının giriş ucuyla bağlanırsa bu şekildeki bağlantıya üçgen bağlantı denir.

Üçgen bağlantı?şeklinde gösterilir. Bu bağlantıda hat akımı faz akımının katıdır.

Bu oran faz akımı hat akımının 1/ katıdır.

Üçgen bağlantıda hat gerilimi, faz gerilimine eşittir.

1.1.3. Yıldız Bağlantıda Akım, Gerilim Bağıntıları

Yıldız bağlantı, sargıların R-S-T uçlarına şebeke gerilimi uygulanıp diğer uçlar kısa devre edilerek yapılır. Kısa devre, alıcıda herhangi bir olumsuz etki yapmaz.

Yıldız bağlantıda sargılar arasında 1200 faz farkı olduğundan, hat gerilim faz geriliminin 3 katıdır. Bu durum, faz geriliminin 1/ 3 ’ü şeklinde de belirtilir.

Yıldız bağlantıda hat akımı faz akımına eşittir.

Uh = 3.UU = 1,73.UI = I

1.2. Güç Çeşitleri

Güç, birim zamanda yapılan işe denir.

Alternatif akım devresindeki alıcılarda alıcının akımı ile gerilimi arasında bir faz açısı vardır. Bu faz açısının kosinüs değeri, alıcının şebekeden çektiği güç ile, alıcıda işe dönüşen gücün farklı olmasını doğurur. Aşağıdaki vektörlerde bu durum alıcı özelliğine göre gösterilmiştir. Bu nedenle alternatif akım devresindeki endüktif ve kapasitif özellikli alıcılarda üç ayrı güç faktörü ortaya çıkar. Bunlar görünür, aktif ve reaktif güçlerdir.

(a) Endüktif Alıcı (b) Kapasitif Alıcı (c) Omik Alıcı

Yukarıdaki eğri ve vektör diyagramları;

• Yük üzerindeki akımın gerilimden geride olması durumundaki yük çeşidine endüktif yük denmektedir.
• Yük üzerindeki gerilimin akımdan geride olması durumundaki yük çeşidine kapasitif yük denmektedir.
• Yük üzerindeki akım gerilimin bir çarpanı ve akımla gerilim arasında bir faz farkı yoksa, bu yük çeşidine omik (direnç tipi) yük denmektedir.

1.2.1. Görünür Güç ve Hesaplaması

Görünür güç; alıcının şebekeden çektiği güçtür. S harfi ile gösterilir. Formülü:

S = U.I formülü ile bulunur. Birimi (VA) Volt-Amper’dir. Alıcının çektiği aktif ve reaktif güçlerin vektöriyel toplamına eşittir.

Alternatif akım devresine bağlayacağımız ampermetre alıcının akımını, voltmetre gerilimini ölçer ve gösterir. Bu ölçü aletlerinden alacağımız değerler ile o alıcını görünür gücünü bulabiliriz.

Yukarıdaki devrede ampermetreden okunan değer 1,5 amperi, voltmetreden okunan değer ise 220 Volt’u göstermektedir. Buna göre alıcının görünür gücünü bulunuz.

Çözüm:

U = 220 Volt I = 1,5 Amper S = ?

S = U.I = 220. 1,5 = 330 VA bulunur.

1.2.2. Aktif Güç

Alıcının üzerinde, işe dönüşen faydalı güçtür. P harfi ile gösterilir.

P = U . I. Cos? formülü ile bulunur. Birimi Watt’tır.

1.2.2.1. Aktif Güç Tüketen Tüketiciler

Aktif güç çeşitli elektrikli yükler (motorlar, transformatörler, flüoresan lambalar) tarafından çekilen faydalı güçlerdir.

Elektrik enerjisi bugün artık yalnız alternatif akım enerjisi olarak üretilip dağıtılmaktadır. Tüketiciler ise şebekeden I (amper) gibi bir akım çekmektedir. Fiziksel ve matematiksel açıdan kolaylık sağlamak için tüketicilerin çektiği bu akım, teorik bakımdan biri aktif diğeri ise reaktif akım olmak üzere iki bileşeni olduğu kabul edilir.

Tüketicinin çektiği akımın meydana getirdiği aktif güç, tüketici tarafından faydalı hale getirilir. Örneğin ısı harcayan cihazlarda aktif güç termik güce, motorlarda mekanik güce, lambalarda ise aydınlatma gücüne dönüşür. Yani aktif akımın meydana getirdiği aktif güç, faydalı güce çevrilebilir. Ancak reaktif akımın meydana getirdiği reaktif güç ise faydalı güce çevrilemez. Reaktif güç, yalnız alternatif akıma bağlı bir özellik olup, elektrik tesislerinde istenmeyen bir şekilde etki yapar. Bu etki; jeneratörlerin, transformatörlerin, hatları lüzumsuz yere işgal edilmesi, gereksiz yükler, ilave ısı kayıpları ve gerilim düşmesi şeklinde görülür.

Aktif ve reaktif güçleri ölçmek için farklı sayaçlar mevcuttur.

1.2.2.2. Aktif Güç Hesaplaması

Aktif güç formülü P = U.I.Cos?’dir. Buna göre devrenin aktif gücünün bulunabilmesi için alıcının çektiği akımın, alıcı üzerine düşen gerilimin ve akım ile gerilim arasındaki güç kat sayısının bilinmesi gerekir. Devreye bağlayacağımız ampermetre, voltmetre ve kosinüsfimetre ile bu değerleri ölçebiliriz. Bağlantışeması yukarıya çizilmiştir.

Araştırma: Kosinüsfimetrenin devreye bağlantısını inceleyiniz.

Örnek:

Yukarıdaki devrede ampermetreden okunan değer 4 Amper’i, voltmetreden okunan değer ise 220 voltu ve kosinüsfimetreden okunan değer 0,6’yı göstermektedir. Buna göre alıcının aktif gücünü bulunuz.

Çözüm:

U = 220 Volt I = 4 Amper Cos? =0,6 P= ?

P = U.I.Cos? = 220 . 4 . 0,6 = 528 Watt bulunur.

Örnek :

Bir fazlı bir asenkron motorun yüklü çalışma esnasında devreden 20 Amper akım çektiği ve şebeke geriliminin 220 Volt olduğu ölçü aletlerinden gözlenmektedir. Motor etiket bilgilerinden ise Cos? değerinin 0,80 olduğu okunmaktadır. Bu motorun görünür ve aktif güçlerini bulunuz.

Çözüm:

U=220Volt S =U .I=220.20=4400VA I=20Amper P =U .I.Cos? = 220 . 20 . 0.80 = 3520 Watt Cos? = 0,80

1.2.3. Reaktif Güç

İşe yaramayan ancak kaynaktan çekilen kör güçtür. Diğer bir ifadeyle, endüktif yüklü devrelerde, manyetik devrenin uyartımı için gereken güçtür. “Q” harfi ile gösterilir. Bu güç endüktif yük üzerinde harcanmaz, sadece depo edilir ve tekrar kaynağa gönderilir. Dolayısıyla, kaynakla endüktif yük arasında sürekli olarak reaktif güç alışverişi yapılır. Bu durum ise, sistemdeki iletkenlerden geçen akımın artmasına sebep olur. Formülü:

Q = U.I.Sin? formülü ile bulunur. Birimi (volt-amper-reaktif) VAR’tir.

1.2.3.1. Reaktif Güç İhtiyacı Olan Yükler

Kondansatör ve/veya bobin bulunan tüm elektrik devreleri reaktif güce ihtiyaç duyar. Kondansatörlü devreler ileri reaktif güç çekerlerken, bobinli devreler geri reaktif güç çeker.

Geri reaktif güç çeken yükler aşağıda verilmiştir.

• Düşük uyarmalı senkron makineler • Endüksiyon fırınları, ark fırınları
• Transformatörler • Kaynak makineleri
• Bobinler • Flüoresan lamba balastları
• Havai hatlar • Sodyum ve civa buharlı lamba balastları
  • Asenkron makineler
  • • Neon lamba transformatörleri
• Redresörler

1.2.3.2. Reaktif Güç Hesaplaması

Reaktif güç formülü Q = U . I. Sin?’dir. Buna göre devrenin reaktif gücünü bulabilmek için alıcının veya alıcıların çektiği akımı, gerilim düşümünü ve akım ile gerilim arasındaki güç kat sayısının bilinmesi gerekir.

Güç kat sayısı bilindiği takdirde trigonometrik cetvel yardımıyla sin? bulunabilir. Hesap makinelerinin trigonometrik kısımları daha net sonuç vermektedir.

Diğer bir yol ise görünür ve aktif güçlerin bilinmesi reaktif gücü bulmaya yeterlidir. Yani P, S ve Q güçlerinden herhangi ikisinin bulunması diğerinin bulunmasına yardımcı olur.

Şekil 1.9’daki aktif güç hesaplamasına ait öğrenme faaliyetini inceleyiniz. Uygulamayı tekrarlayarak reaktif güç hesaplama yöntemi için uygulayınız. Sonuçları aşağıdaki tabloya kaydediniz.

Gözlem		Deneyde Alınan Değerler				Hesaplanan Değer
Nu	I (A)		U (V)	Cos?	Sin?	Q = U . I. Sin?
1
2
3
4

Aktif güç hesaplanması öğrenme faaliyetini inceleyerek farklı akımlar kullanarak reaktif güç hesaplaması yapınız.

Not: Kosinüsfi değeri bulunduktan sonra hesap makinesi veya trigonometrik cetvelle sinüs değeri bulunur.

Örnek:

Aşağıda değerleri verilen motorun görünür, aktif ve reaktif güçlerini bulunuz.

Çözüm:

U=220Volt S =U .I=220.20=4400VA I=20Amper P =U .I.Cos? = 220 . 20 . 0.80 = 3520 Watt Cos? = 0,80 ise ? = 36,80 Sin36,80=0,6 Q=U .I. Sin? = 220 . 20. 0,6 = 2640 VAR

1.2.4. Güç Vektörleri

Görünür, aktif ve reaktif güçlerin hesaplanmasında güç üçgenlerinden faydalanılmaktadır. Güç vektörü bir alıcıya ait üç ayrı gücü vektörüyel olarak ifade etmektir.

Endüktif ve kapasitif yüklerde içinden geçen akım veya uygulanan gerilimler arasında 90 derecelik faz farkı vardır. Kapasitif akım geriliminden 90 derece ileride, endüktif akım geriliminden 90 derece geridedir. Omik devrelerde akım ve gerilim aynı fazdadır.

1.3. Güç Ölçme

1.3.1. Aktif Güç Ölçme

Tüketicinin çektiği akımın meydana getirdiği aktif güç, tüketici tarafından faydalı hale getirilir. Örneğin ısı harcayan cihazlarda aktif güç termik güce, motorlarda mekanik güce, lambalarda ise aydınlatma gücüne dönüşür. Yani aktif akımın meydana getirdiği aktif güç, faydalı güce çevrilebilir.

1.3.1.1. Wattmetre

Elektrik devrelerinde alıcının aktif gücünü ölçmek için kullanılan ölçü aletleridir. Wattmetreler her şartta alıcıların aktif güçlerini gösterir.

• Yapısı

Wattmetreler ampermetre ve voltmetrenin özelliğini bir arada gösteren ölçü aletleridir. Alıcının gücünü Watt, Kilowatt veya Megawatt olarak ölçerler.

Wattmetreler, biri akım bobini diğeri ise gerilim bobini olmak üzere iki bobinli ölçü aletleridir.

Akım bobini kalın kesitli az sarımlıdır ve ampermetre özelliği göstermektedir. Gücü ölçülecek alıcıya seri bağlanır.

Gerilim bobini ise ince kesitli iletkenden çok sarımlı olarak yapılır ve voltmetre

Wattmetrelerde gerilim bobini hareket edebilecek şekilde yapılmış ve üzerine bir ibre bağlanmıştır. Ağırlıklarının az olması ve sürtünmeyi azaltmak için gerilim bobininin bir kısım sipirleri azaltılarak, sipirden dolayı azalan direnç, sabit elektronik dirençle (öndirenç) telafi edilmiştir. Gerilim bobinleri gücü ölçülecek alıcıya paralel bağlandıklarından üzerlerinden geçen akım ve meydana getirdikleri manyetik alan sabittir.

Akım bobini gerilim bobinine göre daha ağır yapılı ve hareketsizdir. Üzerlerinden gücü ölçülecek alıcının akımı geçer. Akım yükün durumuna göre sürekli değişeceğinden, akım bobininden meydana gelen itici manyetik alan da sürekli değişecektir. Wattmetre ibresi ve gerilim bobini de değişen alanın şiddetine bağlı olarak, kadran üzerinde hareket edip alıcının gücünü gösterecektir.

Wattmetreler güç ölçmek maksadı ile bağlanırken büyük güçlü alıcıların gücü ölçülecekse, akım bobini önce bağlanmalı, küçük güçlü alıcıların gücü ölçülecekse akım bobini sonra bağlanmalıdır.

a) Akım bobinini sonra bağlama b) Gerilim bobinini önce bağlama Şekil 1.12: Wattmetrelerde akım bobinini sonra ve önce bağlanması

a) Akım Bobinini sonra bağlama b) Gerilim bobinini önce bağlama Şekil 1.13: Wattmetrelerde akım bobinini sonra ve önce bağlanması iç yapısı

• Çeşitleri

Wattmetreler, faz şekline göre bir fazlı ve üç fazlı olmak üzere iki çeşit imal edilmektedir. Aynı zamanda teknolojinin gelişmesiyle birlikte analog üretilen wattmetreler yerlerini dijital wattmetrelere bırakmaktadır. Ancak çalışma prensipleri aynıdır.

• Yapılarına göre wattmetreler şunlardır:

• Elektrodinamik wattmetreler
• Hall etkili wattmetreler
• Endüksiyon wattmetreler
• Elektrostatik wattmetreler

1.3.1.2. Üç Fazlı Dengeli Devrelerde Güç Ölçme

Üç fazlı dengeli devrelerde güç ölçme yöntemi aşağıdaki yöntemlerle yapılır.

• Dengeli üç fazlı sistemde bir fazlı wattmetre ile üç fazlı güç ölçme: Bu sistem dengeli üç fazlı devrelerde kullanılmaktadır. Dengeli olması; yani üç fazdan

Üç fazlı ve dengeli yüklü sistemlerde her fazdan çekilen güç aynı olduğundan, bir fazlı wattmetre üç fazlı alıcının fazlarından herhangi birine bir fazlı devrelerdeki gibi bağlanır. Bu yöntemle sadece bir faz gücü ölçülür. Elde edilen güç 3 ile çarpılarak devrenin toplam gücü bulunur. Örnek bağlantışeması aşağıda verilmiştir.

• Üç fazlı dengeli yüklerde iki wattmetre ile üç fazlı güç ölçme:

Bu sistem dengeli üç fazlı üç hatlı devrelerde kullanılır. Sistem dengeli yüklü durumda üç fazlı sistemden çekilen güç, iki wattmetre ile veya aron bağlı tek bir wattmetre ile ölçüm yapılabilir.

1.3.1.3. Üç Fazlı Dengesiz Devrelerde Güç Ölçme

Üç fazlı dengesiz devrelerde güç ölçme yöntemi aşağıdaki şekillerde yapılabilir.

• Üç fazlı dengesiz devrelerde bir fazlı üç wattmetre ile güç ölçme

Sistemin gücü veya alıcının gücü dengesiz ise her faza bir adet bir fazlı wattmetre bağlanarak toplam güç bulunur. Bu yöntem dengesiz yüklerdede kullanılabilir. Toplam güç wattmetrelerden okunan değerlerin aritmetik toplamıdır. Yani:

PToplam = PR + PS + PT formülü ile bulunur.

Üç wattmetre metodu bağlantı zorluğu ve üç wattmetre ihtiyacı nedeni ile pek kullanışlı bir yöntem değildir. Diğer yöntemlere göre daha maliyetlidir.

• Üç fazlı bir wattmetre ile güç ölçme

Üç fazlı wattmetrenin üç akım bobini, ayrı ayrı birer fazlara bağlanır. Gerilim bobinleri ise birer uçları kendi faz girişlerine diğer uçları da birleştirip nötr hattına bağlanır. Analog ve dijital olarak kullanılan ölçü aletleri ile ölçüm yapılmaz.

1.3.1.4. Aron Bağlantı ile Güç Ölçme

Aron bağlı wattmetrelerin iki akım, iki gerilim bobini vardır. Akım bobinleri herhangi iki faza bağlanır. Gerilim bobinleri ise; kendi akım bobininin bağlı olduğu faz ile boşta kalan üçüncü faz arasına bağlanır. Şekil 1.21’de üç fazlı aron bağlı bir wattmetrenin iç bağlantı şeması verilmiştir.

Sistemin güç faktörü (Cos?) 0,5’ten küçük ise, wattmetrelerde ölçülen güçlerin farkı alınarak toplam güç bulunur. Eğer 0,5’ten büyük ise wattmetrelerde ölçülen güçlerin toplamı alınarak sistemin toplam gücü bulunur. Bu şekilde yapılan bağlantıya aron bağlantı denir.

1.3.2. Reaktif Güç Ölçme

1.3.2.1. Varmetre

Bir fazlı ve üç fazlı wattmetrelerde devrenin iş gören gücünün (faydalı-aktif güç) ölçümleri yapılmaktadır.

Wattmetreler, alternatif akımın, akımla geriliminin aynı fazda olan kısmının çarpımını gösterir. Alıcıların endüktif ve kapasitif durumlarına devrede reaktif güç (kör güç = iş yapmayan güç) oluşturmaktadır. Bu gücü ölçen aletlere varmetre denir.

• Yapısı

Wattmetrelerde küçük değişiklikler yapılarak varmetreler imal edilmektedir. Bu değişiklik Şekil 1.23’te görüldüğü gibi hareketli bobin olan gerilim bobinine seri bir bobin ilave edilerek yapılmaktadır. Böylece gerilim bobinindeki akım 900lik bir açı ile kaydırılmış olur. Artık bu ölçü aleti sadece reaktif güç ölçer.

Bir ve üç fazlı devrelerde reaktif güç ölçmek amacı ile varmetreler aynen wattmetrelerde olduğu gibi devreye bağlanır. Üç fazlı alternatif akım devrelerinde dengeli sistemlerde; bir hattın reaktif gücü ölçülüp 3 ile çarpımından toplam güç bulunur.

• Çeşitleri

Varmetreler, wattmetrelerde olduğu gibi faz şekline göre bir fazlı ve üç fazlı olmak üzere iki çeşit imal edilir. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte analog üretilen varmetreler yerlerini dijital varmetrelere bırakmaktadır. Ancak çalışma prensipleri aynıdır. Aşağıdaki

1.3.2.2. Varmetrenin BağlantıŞekilleri

Varmetrenin devreye bağlantışekli wattmetrelerde olduğu gibidir.

1.3.3. Güç Ölçmede Dikkat Edilecek Hususlar

Ölçü aletinin akım ve gerilim sınırlarına dikkat edilmelidir. Bazı wattmetreler de akım ve gerilim kademelerine göre bağlantı terminalleri ayrı ayrıdır. Bunlardan devreye uygun olanı tercih edilir ve okuma işlemi bu kademelere uygun yapılır. Hangi gerilimde kullanılacağına dikkat edilmelidir (Alçak gerilim veya yüksek gerilim). Eğer alçak gerilimde kullanılacaksa, gerilim trafoları olmayacağından faz klemensleri sırasıyla doğrudan R,S,T fazlarına bağlanmalıdır.

Fazlara ait gerilimler ve akımların polaritelerinin doğru bağlanması gerekir. Örnek olarak gerilimler doğru bağlanıp akım trafolarından bir tanesinin polaritesinin ters bağlanması durumunda, wattmetre aktif güç yerine reaktif güçle orantılı bir hatalı değer gösterecektir. Wattmetrenin doğru değer gösterebilmesi için bağlantışemasına uygun montaj yapıldığından emin olunmalıdır. Kesinlikle teknik bilgiler içeren kullanma ve montaj talimatını okumadan işlem yapmayınız.