Elektrik Frekanslarının Kökeni
Tesisinizdeki herhangi bir motorun, transformatörün veya güç kaynağının etiketine bakın; gerilimin yanında yazılı bir sayı bulacaksınız: 50 Hz, ya da 60 Hz, bazen de 400 Hz. Fizik tarafından belirlenmiş bir teknik özellik gibi görünür. Ama değildir. Avrupa için elli çevrim/saniyeyi, Kuzey Amerika için de altmışı doğru kılan hiçbir doğa yasası yoktur. Her iki sayı da 1890’larda bir avuç mühendis ve üreticinin aldığı ticari kararlardan doğdu ve bunları değiştirmenin ne kadar pahalıya mal olacağını kimse anlamadan çok önce yerlerine kilitlendiler.
Bu tarih hâlâ nakliye sandıklarında karşımıza çıkıyor. Her yıl bir standarda göre üretilmiş makineler diğer standardın kullanıldığı fabrikalara ulaşıyor ve birinin bu sorunu çözmesi gerekiyor.
Frekans Hâlâ Açık Bir Soruyken
İlk alternatif akım sistemleri birer adaydı. Bir üretim istasyonu bir bölgeyi aydınlatırdı ve o bölgenin dışındaki hiçbir şeyin onunla uyumlu olmasına gerek yoktu. 1880’lerde ve 1890’ların başında, çalışan sistemler saniyede 25, 30, 40, 50, 60, 125 ve 133 çevrimde ve aradaki bazı tuhaf değerlerde işliyordu. Mühendisler ellerindeki makineye ne uyuyorsa onu seçiyordu.
Seçim iki yöne doğru çekiliyordu. Daha düşük gitmek lambaların titremesine yol açıyordu; kabaca kırkın altındaki çevrimlerde insan gözü bunu fark etmeye başlıyor ve ark lambaları akkor lambalardan daha kötü tepki veriyordu. Daha düşük gitmek her şeyi daha da ağırlaştırıyordu, çünkü düşük frekansta çalışan bir jeneratör ya da transformatör aynı gücü taşımak için daha fazla demir ve daha fazla bakır gerektiriyordu. Daha yüksek gitmek titremeyi çözüyor ve donanımı küçültüyordu, ama iletim hatları boyunca endüktif gerilim düşümünü artırıyor ve erken dönem alternatif akım motorlarının yapılmasını neredeyse imkânsız hale getiriyordu.
Westinghouse’un ilk ticari aydınlatma sistemleri 133 çevrimde karar kıldı. Bu, 1886’daki hâliyle sorunun akılcı bir cevabıydı: yük yalnızca lambalardı, başka bir şey değildi ve yüksek frekans şirketin küçük, ucuz düşürücü transformatörler kullanmasına izin veriyordu. Bu mantık, motorlar tabloya girer girmez çöktü.
Kuzey Amerika 60 Hz’e Nasıl Ulaştı
1888’de Westinghouse tarafından satın alınan Nikola Tesla‘nın polifaze indüksiyon motoru patentleri, bir güç sisteminin ne işe yaradığını değiştirdi. Aydınlatma hemen hemen her frekansa tolerans gösterebilirdi. Motorlar gösteremezdi. Tesla’nın makineleri orta frekanslarda iyi, yüksek frekanslarda kötü çalışıyordu ve Westinghouse’un mühendisleri o on yılın dönüm noktasını, aynı hatlardan hem lambalara hem motorlara hizmet verecek tek bir sayı bulmaya çalışarak geçirdi.
1891 civarında 60 çevrimde birleştiler. Bu, aydınlatmada gözle görülür bir titreme olmayacak ve transformatörlerin kompakt kalacağı kadar yüksek, indüksiyon motorlarının düzgün çalışacağı ve hat reaktansının yönetilebilir kalacağı kadar da düşüktü. Bunda matematiksel anlamda optimal hiçbir şey yoktu. Bu, kendi uzlaşmasını kalıcı kılacak pazar gücüne sahip bir şirketten gelen işlevsel bir uzlaşmaydı. Doğru akım tartışması sona erdiğinde General Electric de bunu izledi ve 60 Hz, Kuzey Amerika standardı haline geldi.
Ünlü bir proje ise ters yönde ilerledi. 1890’ların ortasındaki Niagara Şelalesi projesi, türbin hızları, iletim mesafesi ve komisyonun hizmet vermeyi beklediği yükler tarafından belirlenen bir kararla 25 Hz’de tasarlandı. O frekans daha sonra ölmeyi reddetti. Endüstriyel müşteriler bunun üzerine kuruldu ve Ontario, 1950’lerin büyük bölümünü tüm bir eyaleti 25 Hz’den 60 Hz’e dönüştürmeye harcadı; milyonlarca müşteri genelinde motorları, saatleri ve cihazları değiştirerek ya da yeniden inşa ederek şimdiye kadar girişilen en büyük mühendislik dönüşümlerinden birini gerçekleştirdi. Amerikan kuzeydoğusundaki demiryolu ağının bazı bölümleri bugün hâlâ 25 Hz’de çekiş gücüyle çalışıyor.
Avrupa 50 Hz’e Nasıl Ulaştı
Avrupa’nın sayısı Almanya’dan geldi. AEG, 1890’ların başında 50 çevrimde standartlaştı ve Orta Avrupa elektrik üretiminde neredeyse tekel konumunda olduğu için bu soruyu fiilen bir kıta için karara bağladı. Yaygın açıklama, ellinin metrik tercih edilen sayı dizisine düzgünce oturması ve şirketin zaten ürettiği makinelere uygun olmasıdır. 50’nin genel anlamda 60’tan üstün olduğuna dair hiçbir teknik gerekçe yoktu ve hâlâ da yok.
Dikkat çekici olan şudur: uzun mesafeli üç fazlı iletimin dönüm noktası niteliğindeki gösterimi, 1891’de Lauffen am Neckar’dan Frankfurt sergisine uzanan 175 kilometrelik hat, yaklaşık 40 Hz’de çalışıyordu. Alternatif akımın bir ülkeyi baştan başa geçebileceğini kanıtlayan teknoloji, Avrupa’nın sonradan benimseyeceği frekans üzerine kurulu değildi. Standart, deneyi değil, üreticiyi izledi.
Özel Güç Elektroniği Üreticisi: Karar Vermeden Önce Nelere Dikkat Etmelisiniz?
Oradan itibaren ekipmanla birlikte yolculuk etti. Avrupa makineleri Asya’ya, Afrika’ya, Orta Doğu’ya ve Güney Amerika’ya gitti ve 50 Hz de onlarla birlikte gitti. Türkiye de standardı aynı şekilde devraldı. Erken dönem Osmanlı güç santralleri Orta Avrupa makineleriyle inşa edildi ve bunların etrafında büyüyen şebeke o zamandan beri 50 Hz sistemi olarak çalışıyor.
Japonya: Hiçbir Zaman Karar Vermeyen Ülke
Japonya, bunların hiçbirinin gerçek anlamda esasa dayalı çözülmediğinin en açık kanıtıdır. Tokyo’nun elektrik şirketi 1895’te Alman jeneratörler satın aldı ve 50 Hz elde etti. Osaka ise ertesi yıl Amerikan jeneratörler satın aldı ve 60 Hz elde etti. İki şebeke de birbirleriyle buluşana kadar dışa doğru genişledi ve aralarındaki sınır bugün hâlâ kabaca Fuji Nehri boyunca uzanıyor.
İki yarı doğrudan birbirine bağlanamıyor. Aralarındaki güç aktarımı yalnızca frekans çevirici istasyonları üzerinden gerçekleşiyor; bunların toplam kapasitesi, her bir yarının yüz gigavattan fazla üretim taşıdığı bir sistemde tarihsel olarak bir gigavatın biraz üzerinde kalmıştır. 2011 depremi doğu Japonya’daki üretimi devre dışı bıraktığında, ülkenin batı yarısının elden çıkaracak fazla gücü vardı ama bunu göndermenin neredeyse hiçbir yolu yoktu. O günden bu yana yapılan genişletme projeleri bu aktarım kapasitesini yukarı çekti ve daha fazlası inşa halinde, ama bir yüzyıllık ayrışmayı geri almak ucuz değil.
Neden Kimse Gezegeni Standartlaştırmadı
Akla gelen soru, dünyanın neden basitçe birini seçip ona dönüşmediğidir. Ontario bunun cevabını veriyor. Bir şebekenin frekansını değiştirmek, her döner makineye, her transformatöre, her zamanlama cihazına ve sabit bir hız üzerine kurulu her sürece dokunmak demektir. Maliyet müşteriye yüklenir, fayda dağınıktır ve mevcut düzenleme kimsenin ödeme yapmak istemeyeceği kadar iyi işler.
Aynı atalet başka frekansları da korudu. Alman, Avusturya, İsviçre, İsveç ve Norveç demiryolları hâlâ kendi 16,7 Hz şebekelerinde çalışıyor; bu seçim, erken dönem seri kolektörlü çekiş motorlarının 50 Hz beslemede yıkıcı biçimde kıvılcım çıkarmasından kaynaklanıyordu. Soruna yol açan motorlar çoktan tarihe karıştı. Ayrı demiryolu şebekesi ise varlığını sürdürüyor.
Bu Sayı Aslında Ne İşe Yarar?
Ekipman belirleyen herkes için frekans bir teferruat değildir. Bir AC motorun senkron hızı besleme tarafından belirlenir: 50 Hz’de iki kutuplu bir makine için 3000 devir/dakikaya karşılık 60 Hz’de 3600 devir/dakika, dört kutuplu bir makine için ise 1500’e karşılık 1800. 60 Hz için üretilmiş bir pompayı 50 Hz beslemeye bağlarsanız altıda bir daha yavaş döner; bu da santrifüj bir yük için kabaca yüzde on yedi daha az debi ve yaklaşık yüzde otuz daha az basma yüksekliği demektir. Üretim hızları, soğutma kapasitesi ve süreç zamanlaması hepsi bununla birlikte değişir.
Manyetik taraf daha az affedicidir. Bir transformatör ya da motor nüvesindeki akı, volt/hertz oranını izler. 60 Hz için tasarlanmış bir transformatörü aynı gerilimde 50 Hz beslemeden çalıştırırsanız akı yoğunluğu yüzde yirmi artar ve nüveyi doyuma doğru iter. Mıknatıslanma akımı yükselir, nüve ısınır ve arıza aniden değil sessizce ortaya çıkar. Bir frekans için değerlendirilmiş ekipmanın diğerine basitçe bağlanamamasının nedeni budur; 50 Hz makinelerin aynı güçteki 60 Hz muadillerinden fiziksel olarak daha büyük ve daha ağır olmasının nedeni de budur.
Havacılık aynı ilişkiyi ters yönde kullandı. 400 Hz’de, transformatörler ve motorlar aynı güç için çarpıcı biçimde küçülür; bu da bir uçakta çok değerlidir. Askeri elektronik, radar sistemleri ve havalimanı yer destek ekipmanları bu standardı devraldı ve nerede çalışırlarsa çalışsınlar bu beslemeye ihtiyaç duyuyorlar.
Canlı Bir Ölçüm Olarak Elli Hertz
Bu sayının önemli olmasının bir nedeni daha var. Birbirine bağlı bir şebekede frekans, o andaki üretim ve talep dengesinin göstergesidir. Tüketim üretimi aşarsa türbinler fiziksel olarak yavaşlar ve frekans düşer. Türkiye’nin şebekesi kıta Avrupası ile senkronize olduğundan, İstanbul’da ölçülen frekans Lizbon’daki frekansla aynıdır ve o bölgedeki her jeneratör birbiriyle uyum içinde döner.
Senkron santraller yerini invertör bağlantılı güneş ve rüzgar enerjisine bıraktıkça, bozulmaları yumuşatan depolanmış dönme enerjisi küçülür ve bir arızadan sonra frekans daha hızlı hareket eder. Şebeke kuralları bu değişim etrafında yeniden yazılıyor. 1891’de AEG’nin satış elemanlarının seçtiği sayı, modern güç sistemi işletmesinde en yakından izlenen değişken haline geldi.
İki Standartla Birlikte Yaşamak
60 Hz bir makine fabrika zemininizde dururken şebeke dışarıda 50 Hz ise, tarihin hiçbir faydası olmuyor. Bu açık, bir frekans çevirici ile kapatılır ve bunu düzgün şekilde kapatmak, yalnızca çevrim sayısını değil, gerilimi, dalga formu kalitesini ve yük davranışını da eşleştirmek anlamına gelir.
EPC, İstanbul’daki tesisinde frekans dönüşüm sistemleri tasarlıyor ve üretiyor: 50’den 60 Hz’e, 60’tan 50 Hz’e ve havacılık ile savunma uygulamaları için 400 Hz sistemleri, bunların yanı sıra endüstriyel UPS, redresör, invertör ve gerilim regülasyon ekipmanları. Sistemler bir katalogdan seçilmek yerine belirli yüke göre mühendislik olarak tasarlanır; bu, arkalarındaki ekipman bir test tezgahı, bir gemi sistemi, bir üretim hattı ya da bir radar tesisi olduğunda önem kazanır.
İthal makinelerle, bir ihracat projesiyle, bir test laboratuvarıyla ya da kıyı besleme gereksinimiyle uğraşıyorsanız, mühendislik ekibimiz sizinle birlikte çözümü boyutlandırabilir. epcas@epcas.com.tr adresine yazın, +90 216 499 54 84 numarasını arayın ya da ürün yelpazesini epcas.com.tr adresinden inceleyin.