Elektrik Motorlarında Dağıtık Reaktif Güç Kompanzasyonu

Elektrik motorlarında dağıtık  reaktif güç kompanzasyonu yani güç faktörü düzeltmesi, reaktif güç ihtiyacı duyan elektrik yükünün bağlantı terminallerine uygun  şekilde boyutlandırılmış bir kondansatörü grubunun  doğrudan bağlanmasıyla gerçekleştirilir.

Kurulum basit ve ucuzdur. Kondansatör ve yük, aşırı akımlara karşı aynı koruyucu cihazları kullanabilir, böylece eş zamanlı olarak devreye  bağlanır ve devreden  çıkarılır.

Elektrik Motorlarında Kondansatör Gruplarının Bağlantı Tipleri 

Yukarıda verilen şekil,  motorların reaktif  güç kompanzasyonu için sıkılıkla tercih edilen bağlantı tiplerini göstermektedir. Bu bağlantı tiplerinin her birini bağlantı şemaları üzerinden açıklayalım.

Doğrudan Bağlantı (1 & 2 Numaralı  Bağlantı Tipleri )

Doğrudan bağlantı durumunda (şema 1 ve 2) şöyle bir risk altında çalışma söz konusu olmaktadır : besleme hattından ayrıldıktan sonra, motor artık yani rotorda hareketten kaynaklanan kinetik enerjinin varlığı nedeniyle dönmeye devam eder  ve kondansatör grubundan çekilen reaktif enerji ile kendini  manyetik olarak uyarır ve asenkron özellikte bir jeneratöre dönüşebilir. Bu durumda, anahtarlama ve kontrol cihazının yük tarafındaki  elektriksel  gerilim , tehlikeli bir aşırı gerilim riski    (nominal gerilim  değerinin iki katına kadar bir büyüklüğe ulaşabilir! ) teşkil edebilir.

Dolaylı Bağlantı (3 Numaralı Bağlantı Tipi )

Bu bağlantı tipi kullanıldığında, kondensatör grubu devreye  motorun çalıştırılmasından sonra ve motor beslemesinin kesilmesinde önce bağlanmaktadır . Bu tip güç faktörü düzeltmesi ile yükün besleme tarafındaki  elektrik şebekesi yüksek bir güç faktörü ile çalışır; Öte yandan, bu çözüm ekonomik açıdan daha maliyetlidir.

Sıfır Karbon Emisyonuyla Uçmak Mümkün mü?

Havada da işler tıpkı yerdeki gibi: CO2 emisyonları düşmek zorunda. Ulaşım, AB'deki toplam CO2 emisyonlarının neredeyse üçte birini oluşturmaktadır. Avrupa Çevre Ajansı tarafından tarafından verilen bilgiye göre , Sivil havacılık 2016 yılı için hesaplanan emisyonun yüzde 13,5 kadarını tek başına karşılamakta. Uçak denilen taşıt bu yönüyle özellikle çok eleştiriliyor çünkü tüm taşıt türleri içinde kişi-kilometre başına en fazla sera gazı salınmasına neden oluyor : Federal Çevre Ajansı'na göre otomobilden yüzde 25 daha fazla. Giderek daha sık uçtuğumuzdan, zararlı emisyon miktarları sürekli artmaktadır. Ancak alternatif motor yapıları ve sentetik yakıtlar emisyonsuz uçuşu mümkün kılabilir.

Gelecekte Sıfır Karbon Salınımlı Uçaklara Binmek Mümkün Olabilecek.

Stuttgart Üniversitesi Uçak İnşaa Enstitüsü, e-Genius projesiyle küçük yolcu uçakları ve kısa mesafeler için alternatif motor tahrik sistemleri araştırıyor. İki kişilik bir uçak, 2015 yılında tümüyle akü enerjisiyle beslenerek Stuttgart'tan Milano'ya Alpler boyunca uçtu. "İtalya'da öğle yemeği yedik, bu arada aküleri elektrikle şarj ettik ve aynı gün geri uçtuk," diyor uçağın elektrikli tahrik sisteminden sorumlu olan Ingmar Geiß. Havayolu mesafesi sadece 325 kilometre, uçağın maksimum menzili de 400 kilometredir. Geiß, "Günümüz teknolojisiyle, elektrikli tahrik sistemleri iki koltuklu uçaklarda oldukça iyi çalışıyor" diyor. E-Genius şu anda bir seri hibrid tahrik sistemine dönüştürülüyor: küçük bir pil sadece kalkış ​​için kullanılıyor, uçak bir dizel jeneratör tarafından besleniyor. 

Dizel jeneratöre temiz bir alternatif ise yakıt hücresidir: karbondioksit yok, azot oksit yok, partikül yok  ve kısaca bu teknoloji zararlı emisyonlardan arınmıştır. Hidrojenin yeşil elektrik kullanılarak üretilmesi şartıyla tabii ki.  Yakıt pili kullanan tahrik sistemleri yeni uçak konfigürasyonları gerektirir. Kanatlarda gazyağı yerine gövdede hidrojen depolanır ve iki ya da dört küçük motor yerine kanatların altına birkaç küçük elektrik motoru asılır. Bu tahrik teknolojisi iklime en fazla yardımcı olma potansiyelini içinde taşır çünkü hava taşımacılığındaki tüm mesafeler için uygundur: önce kısa ve orta mesafe ve hatta sonradan, teknolojik ilerlemelerin akabinde, uzun mesafeli uçuşlar için. Münih'teki Alman motor üreticisi MTU Aero Engines İnovasyon Yönetimi Başkanı Jörg Sieber, "Kısa ve orta mesafeli uçuşlar en yaygın olan uçuşlar. Bu uçakların tahrikindeki değişikliklerin çevre üzerinde hızlı ve açıkça olumlu bir etkisi var." Münih merkezli şirket, kısa ve orta mesafeli havayolları için bir yakıt hücresi üzerinde çalışıyor ve “ Bu tip tahrik sistemine sahip ilk uçaklar muhtemelen 2050'de kullanıma girebilir ” diyor Sieber. 

Zararlı Emisyon İçermeyen Kerosen

O zamana kadar, biyoyakıtlar zararlı emisyonları azaltmaya yardımcı olabilir. Bitkisel yağ esaslı olup fosil yakıt ile karıştırılabilirler. Bununla birlikte, CO2 emisyonları yüzde 60 ila 80 daha düşük ve kurum emisyonlarının normal yakıta göre yarı yarıya düşük olmasına rağmen, sadece birkaç havayolu bunları yakıtlarına ekliyor. Sebeplerden birini zikredelim o zaman : "Biyoyakıt, konvansiyonel kerosenden çok daha pahalı olduğu için, yalnızca birkaç havayolu yeşil kerosen tercih ediyor " diyor Sieber. 

Biyo-yakıta bir alternatif, güçten-sıvıya (Power-to-Liquid) adı da verilen sentetik kerosendir. Zararlı emisyonlara neden olmadan yanabilmektedir. Düşük tüketimin olduğu dönemlerde mevcut olan fazlalık enerji kullanılarak üretilir. Temiz enerjiye geçişin önemli bir sorunu rüzgar ve güneşten elektriğin genellikle ihtiyaç az olduğunda üretilmesidir. Ancak, elektrik büyük miktarlarda depolanamaz. Bu elektrikle sentetik ham petrol ve kerosen gibi yakıtlar üretmek daha mantıklıdır. Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü Mikro Yöntem Tekniği Enstitüsü başkanı Profesör Roland Dittmeyer, "Bu sayede hem enerji hem de taşımada dönüşüm sürecine yardımcı olunuyor " diyor. İş arkadaşları ile birlikte bu enstitüde, CO2 kullanılarak CO2'den sentetik kerosen üreten bir sistem geliştirdi. İlk varil kerosen ile sadece birkaç gün önce dolduruldu.

"Yapay kerosen , uçak motorlarında herhangi bir değişiklik yapmadan yüzde 50'ye kadar fosil gazyağı ile karıştırılabilir," diyor Dittmeyer. Motorlar ayrıca tamamen güçten-sıvıya (sentetik-kerosen ) ile çalıştırılabilirler, ancak yeni yakıta dayanacak farklı malzemelerden contalara sahip olmalıdır. Bu yaklaşım teknik olarak uygulanabilir ve en temiz çözüm çünkü bu şekilde uçmak iklim açısından büyük ölçüde zararsızdır" diyor.

Uçak Yakıtı Kerosen Bilinen İsmiyle Gazyağı Geçmişte Aydınlatmamızı Sağlayan Bir Yakıttır. 

 Dittmeyer'e göre, Karlsruhe yöntemi yaklaşık beş yıl içinde piyasaya hazır olabilir ve mevcut tank altyapısı değişmeden kullanılmaya devam edebilir. Bununla birlikte, sentetik yakıt üretimi enerji yoğundur, bu nedenle beklenen maliyetler esas olarak elektrik fiyatına bağlı olduğundan halen fosil gazyağı için mevcut piyasa fiyatlarından litre başına yaklaşık 1 ila 1,50 Euro ile epeyce daha yüksektir. 

En büyük Avrupalı ​​uçak üreticisi Airbus, geçtiğimiz yıldan bu yana bölgesel hatlarda çalışan dört motorlu bir jeti elektro-uçuş araştırmalarında hizmet etmek üzere uçan bir laboratuvara dönüştürdü. Elektrik projesinin adı olan E-Fan X için proje yöneticisi Olivier Maillard, "Dört motordan biri elektrikli bir motor ile değiştirildi. Elektrik motoru piller ve kerosen yakıt jeneratörü ile çalışıyor." dedi. Burada motor üreticisi Rolls Royce ile işbirliği yapılıyor. 

E-Genius'un aksine, Airbus uçağının farklı tahrik motorlarını aynı anda çalıştırabilen bir paralel hibrit olması planlanıyor .Bu projedeki elektrikli tahrik motoru kerosen sistemindekine benzer şekilde iki megawatt üretiyor. Günümüz pil teknolojisi ile, Airbus uçakları için uzun mesafeli uçuşlar mümkün olmayacaksa da kısa ve orta mesafeli uçuşlar mümkün olacabilecektir . Maillard, "Bu mesafeler özelinde tamamen aküden beslenen elektrikli ve hibrit tahrik sistemleri üzerinde çalışıyoruz ve tabii alternatifleri göz ardı etmiyoruz." Bu teknolojiler önümüzdeki 10 ila 15 yıl içinde piyasaya hazır olabilir.

Süperkondansatör Özellikleri ve IEC / EN 62391–1

Doğru şekilde kullanıldığında, süper kondansatörler yüksek güç seviyelerini, yüksek darbe karakteristiğindeki  yükleri ve uzun süreli yedek güç ihtiyaçlarını  sorunsuz şekilde destekleyebilirler. Süper kondansatör özelliklerindeki bir takım nüansları anlayabilmek, bu performans yeteneklerini en üst düzeye çıkarmanın bir anahtarıdır.

 Süperkondansatör boyutları için bir miktar standartlaşmadan bahsedebiliriz,  örneğin, 10x30 mm'lik bir süperkondansatör genellikle endüstri genelinde 10 Farad kapasitesindedir. Bazı tedarikçiler, muhtemelen farklı kapasitans toleranslarına sahip 11F veya 12F cihazı olarak da  sunabilirler ve aynı eğilim diğer kondansatör boyutlarında da geçerlidir, ancak bu durum çok zaman  bir pazarlama stratejisi olarak görülür. Gerçekten farklılığı meydana getiren asıl unsurlar  DCL ( sızıntı akımı) veya ESR (eşdeğer seri direnç) gibi uygulamaya ait  performansı doğrudan etkileyen diğer elektriksel parametrelerdir. Bunlar, sektörde boyut veya kapasitans temelinde standart değildir.

IOXUS marka 3000F Süperkondansatör (Elektriksel Çift Katmanlı )

 

 Süper kondansatörler için spesifikasyon belgeleri genellikle cihazların kapasitansını ve voltajını (ve sonuç olarak ortaya çıkan enerji yoğunluğunu) belirtirken, ESR'yi anlamak uzun vadeli sistem tasarımı başarısı ile ilgili kritik faktörlerden biridir. Örneğin, süperkondansatör kapasitansı ve ESR'nin her ikisi de sıcaklığa bağımlı olsa da, ESR'nin sıcaklık bağımlılığı kapasitanstan çok daha büyüktür.

 Süperkondansatör ESR değeri  model, seri ve üretici yönüyle  değişiklik arzeder. Genel olarak, kapasitans arttıkça ESR azalır demek mümkündür. Örneğin, X firması, kendi standart serileri veya endüstride kullanılan diğer ürünlerle karşılaştırıldığında düşük ESR özelliklerine sahip özel düşük ESR tasarımlı süper kondansatörler üretmektedir. Bu ürünlerin tercih edilmesi,  uygulamada ESR katkısı önemli olduğu için seri olarak birden fazla hücre gerektiren  çözümler söz konusu olduğunda kritik olabilir. Bununla birlikte, düşük ESR performansına ulaşmak için feragat edilen  şey tipik olarak ESR ile ters orantılı oldukları için yüksek  sızıntı akımı (DCL:direct current leakage ) dır.

 Kapasitans genellikle 25 ° C ila nominal sıcaklık aralığında oldukça kararlıdır, ancak -40 ° C gibi düşük sıcaklıklarda% 25 veya daha fazla düşebilir. Yüksek performanslı süperkondansatör tasarımları -40 ° C ve üstü tüm çalışma sıcaklığı aralığında küçük kapasitans değişiklikleri gösterirler.

Süperkondansatör  ESR değeri için tipik olarak 1kHz'de yapılan bir AC ölçümüdür.

 Süperkondansatör ESR’si  ise  daha karmaşıktır. Genellikle yüksek sıcaklıkta düşer ve düşük sıcaklıkta yükselir. Bazı tipik cihazlar için 85 ° C'de ESR, 25 ° C'de ESR'nin yarısıdır ve -40 ° C'de ESR, 25 ° C'de ESR'nin yaklaşık 9 katı olabilir. Çalışma sıcaklığı aralığında kapasitansta çok az değişiklik  gösteren veya hiç değişiklik göstermeyen  yüksek performanslı ürünler bile aynı sıcaklık aralığında ESR'de% 250 veya daha fazlası bir değişiklik gösterebilir.

 Sıcaklık, Gerilim ve Süper Kondansatör Ömrü

 Süper kondansatör performansını etkileyen sadece sıcaklık değildir; çalışma sıcaklığı ve uygulanan gerilimin  kombinasyonu, bir süper kondansatörün çalışma ömrünü belirlemede önemli bir husustur. Kombine edilmiş  sıcaklık ve uygulanan gerilim etkilerinin dikkate alınması durumunda, ESR önemli bir faktördür.

 Süper kondansatörlerin nispeten düşük sıcaklıklarda (örn. 25 ° C) çalışması, dahili yıpranma mekanizmalarını ve bunun sonucunda meydana gelen  ESR'deki artışı azaltır. Daha yüksek sıcaklıklarda, uygulanan gerilimin düşürülmesi, yüksek sıcaklığın zararlı etkisini dengelemeye yardımcı olabilir. Uygulanan gerilimin daha düşük sıcaklıklarda yükseltilmesi, artan ESR'nin dengelenmesine yardımcı olabilir.

 Aşağıdaki grafik, belirli bir sıcaklıkta sürekli çalışma için kapasitansın 1.8V ve 2.5V gerilimlerinde % 30 ve 2.5V gerilimde % 50 oranında düşmesi için geçen süreyi göstermektedir. Bu grafik, izin verilen minimum kapasitans değerinin bilindiği  belirli uygulamalar için çalışma ömrünü tahmin etmek için kullanılabilir.

Kondansatör ömrü ile Sıcaklık ve Gerilim arasındaki ilişkiye ait Grafik

Şarj ve Deşarj Karakteristikleri

Süper kondansatör şarjı ve deşarjı sırasında ölçülen kayıplar, cihazın dahili DC direnci ile ilgilidir. Bu dahili DC direnci (Ri),  ESR veya dahili AC direnci ile karıştırılmamalıdır. ESR, DC direncinden çok daha küçüktür. ESR, süperkondansatör ömrünü değerlendirirken faydalı olsa da, ani ilk devre akımları (in-rush ) veya diğer tepe akımlarını hesaplamak için uygun değildir.

 Gerilim Dengeleme

Daha yüksek voltaj sağlamak için modüller gibi seri olarak birden çok süper kondansatör kullanıldığında voltaj dengeleme önemli bir husustur. Tek bir süper kondansatör geriliminin önerilen maksimum çalışma gerilimini aşmadığından emin olmak önemlidir. Bu seviyenin aşılması ESR değerinde bozulmaya ve cihazın kullanım ömrünün düşmesine neden olur. Gerilim dengesizlikleri kapasitans farklılıklarından kaynaklanır. Seri bağlı cihazlar bir gerilim bölücü görevi görür, bu nedenle daha yüksek kapasitanslı kondansatörler üzerinde daha yüksek bir gerilim oluşur . Kapasitans değerleri +/-% 20 arasında değişebileceğinden, bu uygulamalarda gerilim dengeleme önemli hale gelir.

 Pasif gerilim dengelemede  gerilim bölme dirençleri her bir süper kondansatör ile paralel bağlanır. Aktif gerilim dengeleme devreleri, seri bağlı kondansatörlere ait devre düğümlerindeki gerilimleri kontrol eder ve sabit bir referans gerilime eşit olmaya zorlar. Aktif gerilim daha karmaşık olmakla birlikte, daha verimli ve daha doğru olma eğilimindedir.

 Standartlaşmaya Yönelik Kategorileştirme - IEC / EN 62391–1

 Farklı üreticilerce üretilen süper kondansatörler genellikle birbirinin yerine kullanılamaz. Ek olarak, süperondansatör  uygulamaları yüksek pik akım / güç kullanımlarından daha düşük akım / daha uzun süreli uygulamalara kadar büyük ölçüde farklılık gösterir. Bu ihtiyaçlar, IEC / EN 62391-1, “Elektronik Ekipmanlarda kullanılan Sabit ve Çift Katmanlı Elektrik kondansatörleri “   tanımlanan test özellikleri ve parametre gereksinimleri ile ele alınmaktadır. Standart, deşarj  (boşalma ) akımı seviyelerine göre dört uygulama sınıfı tanımlar:

 -Özellikle kısa süreli çalışma gerektiren motorları sürmek için kullanılan enerji depolama, ,

- Uzun süreli çalışma için yüksek güç talebi

-Kısa çalışma sürelerinde bile birkaç yüz ampere kadar nispeten yüksek akım darbeleri veya tepe akımları gerektiren uygulamalar için anlık güç

-Bellek yedekleme.

 Başvurulan Kaynaklar:

Murata Supercapacitor Technical Note

Eaton Supercapacitor Application Guidelines

IEC 62391-1:2015, Fixed electric double layer capacitors for use in electronic equipment

Skeleton Technologies, Ultracapacitor Voltage, Temperature and Lifetime

Wikipedia Supercapacitor

 (Tercümedir)