Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 3, No: 3, 2009 (1-11) Electronic Journal of Textile Technologies Vol: 3, No: 3, 2009 (1-11)

Transkript

1 Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 3, No: 3, 009 (1-11) Electronic Journal of Textile Technologies Vol: 3, No: 3, 009 (1-11) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR ar.com e-issn: (Hakem Onaylı Makale) (Article) Mustafa ŞEKKELĐ Kahramanmaraş Sütçü Đmam Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Kahramanmaraş Özet Enerji kalitesi günümüzde hem üreticiyi hem de son tüketiciyi çok ilgilendirir hale gelmiştir. Kaliteli elektrik enerjisi kısaca, süreklilik ( kesintisiz enerji ), sabit frekans ve sabit genliğe sahip sinüzoidal gerilim ile açıklanabilir. Elektrik enerjisinin sinüzoidal formdan uzaklaşması harmonik olarak tanımlanır. Harmonikler enerji kalitesinde çok önemli bir yer tutarlar. Gerilim ve akımdaki harmonikler tüketici cihazlarına zarar verir hatta devre dışı bırakabilir. Harmonikler lineer olmayan yükler tarafından üretilir. Çok yaygın olarak bilinen harmonik üreticileri, doğrultucular, inverterler ve güç elektroniği ile sürülen devrelerdir. Kendi enerjisini üretemeyip sistemden enerji alan tüketiciler özellikle elektrik kesintisi ve enerji kalitesizliğinden dolayı üretim ve kalite kaybına uğrarlar. Bu çalışmada bir tekstil fabrikasında enerji kalitesi nedeniyle oluşacak zararlara ilişkin bir çalışma özetlenmiştir. Bu amaçla enerji kalitesi ölçümleri yapılmış ve ölçüm değerleri dünya standartları ile karşılaştırılmıştır. Enerji kalitesizliğinden dolayı oluşabilecek arızalar ve problemler ortaya konmuş ve çözüm önerileri kısaca verilmiştir. Anahtar kelimeler: Enerji kalitesi, Harmonikler, Tekstil fabrikası Investigation of Power Quality Impact on the Textile Factories Abstract Both electric utilities and end users of electric power are becoming increasingly concerned about the quality of electric power. Quality of electrical energy in the electrical system that is requested continuous power ( uninterrupted power ), constant frequency and with constant amplitude can be explained by Sinusoidal voltage. Deformation of voltage in the form of sinusoidal waveform is explained as a harmonic. Harmonics are most important factors in decreasing quality of energy in the electrical system. Voltage and current waveform distortion due to harmonics can make the electrical system and electrical consumer either demaged or out of order. Harmonic currents are generated by non-linear loads. The most common loads of this type are those based on rectifier circuits, inverters and derived power elektronic equipment. Some customers which has not local generation unit connected to the power system experience significiant economic losses when power is interrupted or when power quality problem occurs. This paper summarizes results of a comprehensive study of the hazard of power quality in a textile industry. For this purpose power quality has been measured in the industry and this measurements compared with international standarts. Problems and failure due to poor power quality are defined in the study and solutions are given briefly. Keywords : Power quality, Harmonics, Textile factory Bu makaleye atıf yapmak için Sekeli, M., Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi 009, 3(3) 1-11 How to cite this article Sekeli, M., An Investigation of Power Quality Impact on the Textile Factories Electronic Journal of Textile Technologies, 009, 3 (3) 1-11

2 Teknolojik Araştırmalar : TTED 009 (3) GĐRĐŞ Elektrik güç sistemlerinde enerji kalitesi tanımı, şebekenin gerilim ve frekansındaki değişmeler ile şebekeden çekilen akımdaki dalga sekli bozukluklarının belirtilmesi amacıyla kullanılır. Kaliteli Elektrik Enerjisi, şebekedeki, gerilimin genlik ve frekansının anma değerlerini koruması ve gerilim dalga şeklinin sinüs biçiminde bulunmasıdır. Bu tanımın tersi olarak, gerilimin genliğinin değişmesi, kesintiler, gerilim darbeleri, kırpışma (fliker), gerilimin doğru bileşen içermesi, dalga şeklinin sinüsten uzaklaşması, frekans değişimleri, üç faz dengesizlikleri enerji kalitesizliği olarak tanımlanır[1-]. Enerji kalitesi genellikle tüketici tarafından bozulur. Elektriksel yük olarak çoğunlukla asenkron motorların ve bu motorlara bağlı sürücülerin kullanıldığı düşünülürse, başta harmonikler olmak üzere, dengesizlikler, gerilim düşmeleri ve kırpışmalar başlıca güç kalitesi problemi türleri olarak ortaya çıkmaktadır. Bu güç kalitesi bozulmaları; tüketicinin kullandığı cihazların arızalanması, endüstride kullanılan akım veya gerilim dengesizliğine duyarlı mikroişlemciler gibi bazı cihazların zarar görmesi gibi sonuçlar ortaya çıkarabilmektedir. Güç kalitesini düzeltmek için gerekli önlemler alınmadan önce, bu tür bozulmaların kaynakları ve sebepleri bilinmelidir[3-4]. Son yıllarda yaygın olarak kullanılmaya başlayan elektronik devreler tarafından kontrol edilen cihazlar enerji kalitesine karsı son derece duyarlıdır. Bu kontrol devrelerinden bazıları, alternatif akım ve doğru akım motor sürücüleri ve anahtarlamalı modda çalışan güç kaynakları gibi enerji dönüştürmede kullanılan devreler ile yardımcı kontrol devreleri olarak kullanılan bilgisayarlar ile programlanabilir lojik kontrolörlerdir (PLC). Böyle karmaşık devreler şebekedeki bozucu etkilerden önemli ölçüde etkilenmektedirler. Bu etkilenme sonucu elektronik devreler ile kontrol edilen cihazlar veya endüstriyel tesisler hatalı çalışabilir ve hatta devre dışı kalabilir. Bu nedenle hızlı bir şekilde gelişen sanayi tesisleri ile elektrikli cihazların düzenli olarak çalışabilmesi için gerek tüketiciler gerekse şebeke açısından enerji kalitesi konusunda bazı sınırlandırmaların yapılması gerekmektedir[5-6]. Enerjinin kalitesizliğinden oluşacak arızalar makinelerin verimsiz çalışmasına hatta durmasına neden olacaktır. Makine durması hem üretim kaybı hem de kalite kaybını meydana getirir. Üründe kalite arandığı gibi enerjinin de kaliteli olması belirlenen standart değerleri aşmaması istenir. Müşteri odaklı işletmelerde bu nedenlerden dolayı elektrik enerjisi de dahil olmak üzere kaynakların kaliteli olmasına ve bunların kalitesinin artırılmasına dikkat edilmektedir[3]. Bu çalışmada bir tekstil endüstrisinde enerji kalitesi ölçümleri Circutor AR 5, 0-000A (Üç fazlı) güç izleme ve analiz cihazı ile ölçülmüş, enerji kalitesizliği EN standardına göre belirlenmiş ve bu kalitesizliğin tesiste meydana getirebileceği zararlı etkiler ortaya konmuştur. Enerjiyi daha kaliteli hale getirmek için yapılması gerekenlere kısaca değinilmiştir.. MALZEME VE METOD.1.Harmonikler Güç sistemlerinde ideal koşullarda alternatif akımın dalga biçimi sinüs eğrisi şeklinde olmalıdır, fakat pratikte bu tür eğri şekli ile çalışmak pek mümkün olmamaktadır. (Şekil 1) de görüldüğü gibi gerilim veya akım dalga şeklinde bozulmalar meydana gelir. Yarı iletken elemanların cihazlarda kullanımı bazı lineer olmayan yüklerin ( transformatör,ark fırınları, v.b.) etkisiyle; akım ve gerilim dalga biçimleri, periyodik olmakla birlikte sinüsoidal dalga ile frekans ve genliği farklı diğer sinüsoidal dalgaların toplamından meydana gelmektedir. Temel dalga dışındaki sinüsoidal dalgalara HARMONĐK denir. Aşağıda harmoniksiz saf sinüsoidal olan temel bileşen ve harmonik bileşenleri gösterilmiştir (şekil ). Şekilde mavi ile gösterilen dalga saf sinüzoidal dalgayı yani temel bileşeni, kırmız renk 3. harmoniği, yeşil renk 5. harmoniği ve siyah renkte 7. harmoniği göstermektedir.

3 Sekeli, M., Teknolojik Araştırmalar : TTED 009 (3)

4 Teknolojik Araştırmalar : TTED 009 (3) 1-11 Şekil1. harmonikli ve harmoniksiz dalga şekilleri Harmonikler genel olarak lineer olmayan elemanlar ile sinusoidal olmayan kaynaklardan herhangi birisi veya bunların ikisinin sistemde bulunmasından meydana gelirler. Harmonikli akım ve gerilimin güç sistemlerinde bulunması sinüsoidal dalganın bozulması anlamına gelir. Harmonik üretilmesine neden olan en önemli elemanlar, Transformatörler, Döner makineler, Güç elektroniği elemanları, Doğru akım ile enerji iletimi, Statik VAR sistemleri, Ark fırınları, Kesintisiz güç kaynakları, Gaz deşarjlı aydınlatma, Elektronik balastlar, Fotovoltaik sistemler, Bilgisayarlar,vs. olarak sıralanabilirler[8]. Şekil. saf sinüzoidal dalga ve analiz sonucu elde edilen harmonik bileşenleri Güç sisteminde gerilim, harmonik bileşenler içerdiğinde bundan tüm yükler etkilenir. Harmonik içeren bir akım ise sadece harmonik akımı üreten bir yüke etki edebilir. Harmoniklere ilişkin tanımlamalar aşağıda verilmiştir[1--4]. Gerilimin efektif değeri, V1 m + Vm + V3m + V4m Vnm V = ( V0 + ) (1) Veya ( V0 + V1 + V + V3 + V Vn V + = () V 1, V, V 3,...V N Her bir harmonik bileşeninin efektif değerleri Akımın efektif değeri, I1m + I m + I3m + I 4m I nm I = ( I 0 + ) (3) 4

5 Sekeli, M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 009 (3) n I = ( I + I + I + I + I I ) (4) Gerilimdeki toplam harmonik bozukluğu, % THD V ( V + V 3 + V 4 V + V V n ) *100 = (5) Akımdaki toplam harmonik bozukluğu % THD A ( I + I 3 + I 4 I + I I n ) *100 = (6) Akım ve gerilim dalga şeklindeki bozulmalar yukarıda verilen formüllerle ifade eldir[-4-5]. Harmoniklerin sisteme ve tesise verdiği bozucu etkiler aşağıdaki gibi özetlenebilir. Kompanzasyon için kullanılan Kondansatörlerin aşırı yüklenmesine ve ömürlerinin azalmasına, Röle, kesici ve sigortaların hatalı çalışmasına, gereksiz açma yapmasına, Güç kablolarının aşırı ısınmasına, 3 ve 3 ün katı harmonikler nötr hattının aşırı yüklenmesine, Enerji sisteminde seri ve paralel rezonans olayların meydana gelmesine, Sayaçlarda ölçüm hatalarına, haberleşme hatlarında gürültülere, Sistemlerden temel bileşen akımına ilave olarak harmonikli bileşen akımlarının çekilmesi, elektronik kart arızalarının sıkça görülmesine, Trafolardaki kayıpları artırarak trafonun aşırı ısınmasına, Motor, generator ve iletkenlerde harmonik bileşenden dolayı akımın artmasına, dolayısıyla kayıplara sebep olup, cihazların ve iletkenlerin aşırı ısınmasına neden olurlar[-3-7]. 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 3.1. Güç Kalitesi Ölçütleri Ve Standartları Şebekenin ve sistemdeki diğer yüklerin harmoniklerin olumsuz etkilerinden mümkün olduğu kadar az zarar görmesini sağlamak ve tüketiciye daha kaliteli enerji verebilmek için harmoniklerin belirli bir seviyenin altında tutulması gerekmektedir. Bu amaçla gelişmiş ülkeler, lineer olmayan yüklerin meydana getirdiği harmonik bileşenleri bir yaptırım olarak sınırlandırmışlar ve harmonik standartlarını oluşturmuşlardır. Harmonikler özellikle son yıllarda ülkemizde de sanayide ciddi olarak ele alınan konular arasına girmiştir. 006 yılında yayınlanan ve 010 yılından itibaren yaptırımları ile birlikte uygulanması planlanan Elektrik Piyasasında Dağıtım Sistemine Sunulan Elektrik Enerjisinin Tedarik Sürekliliği ve Teknik Kalitesi Hakkında Yönetmelik (Yönetmelik, 006) ile güç kalitesi ölçümleri ve kalite limitleri belli bir düzene girmiştir. Adı geçen yönetmelik esas itibariyle EN standardına dayanmaktadır. Buna göre dağıtım şebekelerinde gerilim ve akım harmonikleri için olması gerek sınırlar aşağıda gösterilmiştir (Tablo.1 ve ). [9]. Tablo 1. Gerilim Harmonikleri için Sınır Değerler 5

6 Teknolojik Araştırmalar: TTED 009 (3) 1-11 Tek Harmonikler 3 un Katları Olmayanlar 3 un Katları Olanlar Harmonik Sınır Değer Harmonik Sırası Sırası (%) h h % 6 % 5 % 3,5 % 3 % % 1,5 % 1,5 % 1, Sınır Değer (%) % 5 % 1,5 % 0,5 % 0,5 Harmonik Sırası h Çift Harnomikler Sınır Değer (%) % % 1 % 0,5 Tablo. Akım Harmonikleri için Maksimum Yük Akımına (IL) göre Sınır Değerler Tek Harmonikler I SC /I L <11 11 h<17 17 h<3 3 h<35 35 h TTB <0* 0<50 50< <1000 > Çift harmonikler, kendinden sonraki tek harmonik için tanımlanan değerin %5 i ile sınırlandırılmıştır. Uluslar arası IEC ye göre standartlar içinde kabul edilen harmonik bozulma değerleri,gerilim için % 3,Akım için % 5 olarak belirlenmiştir. 3.. Ölçüm Yapılan Tesis Enerji kalitesi ölçümü yapılan tesis bir dokuma fabrikasıdır. Tesis 000 kva gücünde ve 34,5/04 kv gerilim değeri olan bir orta gerilim transformatörü ile beslenmektedir. Fabrikanın ölçüm yapılan kısmının yük dağılımını gösteren elektriksel tek hat şeması aşağıda verilmiştir (Şekil 3). Trafo çıkışına 300 amperlik bir manyetik şalter konmuştur. Tek hat şemasında tesise ait kompanzasyon panosuda gösterilmiştir

7 Sekeli, M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 009 (3) 1-11 Şekil 3. kalite ölçümü yapılan tesise ait elektriksel tek hat diyagramı Tesiste bulunan makineler, bunların elektriksel güçleri ve motorlarda inverter olup olmadığı aşağıdaki tabloda verilmiştir (Tablo 3). Tablo 3 dokuma tesisi makine ve motor güçleri KPS Dokuma Đşletmesi Trafo: 31,5/0,4 kv 000 kva yolverme şekli Ana Şalter: 300 A Beslenen Güçler; Gücü (kw) Kontrol Şekli 1 Nolu Turbo Kompresör 60 Yıldız Üçgen Nolu Turbo Kompresör 60 Yıldız Üçgen 1 Nolu Klima Đnverterli Nolu Klima Đnverterli 3 Nolu Klima Đnverterli 4 Nolu Klima 5-50 Đnverterli 1 Nolu Salon (36 ad. HavaJetli Dok.Mak.x ort.6 kw) 16 Direkt Nolu Salon 48 ad. Rapierli Dok.Mak.x ort.6 kw) 88 Direkt 3 Nolu Salon (36 ad. HavaJetli Dok.Mak.x ort.6 kw) 16 Direkt 4 Nolu Salon ( 3 ad. H.Jetli + 4 adet Rapierli Dok. Mak. X 6 kw) 4 Direkt Aydınlatma ( 518 adet x 58 W Elektronik Balastlı Fluoresan Lamba) 30 Ofis 10 Tahar Makinesi 0 Direkt 3 adet Kalite Kontrol Makinesi ( 3x5 kw) 15 Direkt Toplam Güç

8 Teknolojik Araştırmalar: TTED 009 (3) 1-11 Özellikle klimalardaki motorlar inverterle sürülmektedir ve bunlar büyük ölçüde harmonik üreten kaynak olarak düşünülebilir. Doğrultucu ekipmanlar, bilgisayarlar ve yan ürünleri de yoğun olarak mevcuttur. 4.TARTIŞMA 4.1. Ölçüm Sonuçları Ölçüm yapılan dokuma tesisinde mevcut trafo ve kompanzasyon ayar değerleri aşağıda verilmiştir. 000 kva trafo, toplam kondansatör gücü 1087,5 kvar, gerilim 400 V, kompanzasyon sistemi röle ile yapılmakta ve kondansatörler kontaktörle devreye alınıp çıkarılmaktadır. Toplam kondansatör gücü: 1087,5 kvar Bara Gerilimi : 400 V Kademe : (1 x 37,5 ) + (8 x 75 ) + (3 x 150 ) kvar Panel Koruma Sınıfı : IP 41 Kademelendirme : 1:::::::::4:4:4 Standart : IEC 831, EN (Şeklil 4) te kompanzasyon sistemi devrede iken ve devre dışı olması durumdan trafodan ölçülen akımlar gösterilmiştir. Kompanzasyon sistemi devrede yok iken ölçülen akım 05 amper civarındadır. kompanzasyon sisteminin devreye girmesiyle beraber trafodan çekilen akım 1500 amper civarına düşmüştür. Şekil 4. kompanzasyon sistemi devrede ve devrede değilken trafodan çekilen akımları (Şekil 5) te ise kompanzasyon sistemi devrede iken ve devre dışı olması durumunda güç faktörü değerleri gösterilmiştir. Kompanzasyon sistemi devre de değilken ölçülen güç faktörü değeri yaklaşık 0,6 civarında iken, kompanzasyon sisteminin devreye alınmasıyla beraber bu değer yaklaşık 0,9 civarına yükselmiştir. 8

9 Sekeli, M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 009 (3) 1-11 Şekli 5. kompansayon sistemi devrede ve devre dışı olması durumunda ölçülen güç faktörü değerleri Şekil 6. tesiste ölçülen harmoniklerin grafik olarak gösterimi (Şekil 6) da tesisteki ölçimler sonucu elde edilen gerilim ve akım harmonikleri ayrı ayrı olarak çubuk diyagram şeklinde verilmiştir. Üstteki grafik gerilim harmoniğini alttaki grafik ise akım harmoniğini göstermektedir. Gerilimde 5. harmonik % 5 civarı, 7. harmonik ise + 4 civarı olarak ölçülmüştür. Akımda ise 5. harmonik % 5 civarı,7. harmonik ise % 7 civarı olarak görülmektedir. (Şekil 7) de ise tüm fazlara ait sistemde ölçülen toplam harmonik bozulumu değerleri çubuk diyagram şeklinde verilmiştir. 9

10 Teknolojik Araştırmalar: TTED 009 (3) 1-11 Şekil 7. Tesiste ölçülen 3 faza ait harmonik mertebeleri Sistemde ölçüm sonucu elde edilen toplan harmonik distorsiyonu % 6,1 (% THDV =6,1 ) olarak ölçülmüştür ve standart değerlerin üzerinde olduğu görülmektedir. 5. SONUÇ VE ÖNERĐLER Bu çalışmada bir dokuma fabrikasının enerji kalitesi ölçümü yapılmıştır. Yapılan ölçümler ve analizler sonucu tesiste harmoniklerin var olduğu ve izin verilen değerlerin üzerinde olduğu gözlemlenmiştir. Ölçümler sonucu elde edilen THD(I) değeri dünya standartlarınca izin verilen değerlerin üzerindedir. Bu yüksek harmonikler zamanla kondansatör tahribatına, elektronik kart arızalarına, gereksiz şalter açmalarına, motor arızalarına ve operasyonel sorunlara neden olacaktır. Özellikle kondansatör tahribatı sırasında ortaya çıkabilecek patlamalar yangın gibi çok büyük bir riski de beraberinde getirecektir. Harmonikler sonucu oluşacak problemler nedeniyle tesis duracak ve bu durma sonucu üretim ve kalite sorunu yaşanacaktır. Çözüm olarak trafoya bağlı bulunan kompanzasyon tesisi yerine, özellikle 5. ve 7. harmonikleri elimine edecek şekilde pasif filtre tasarımı yapılmış yeni bir kompanzasyon panelinin takılması yukarda sözü edilen sorunların ortadan kaldırılmasını sağlayacaktır. 6. KAYNAKLAR 1- Dugan,R.C., McGranaghan,M.F., Santosa,S., Beaty,H.W., 004, electrical power system quality second edition, McGraw-Hill - Kocatepe C., Uzunoğlu M.,Yumurtacı M., Karakaş A., Arıkan O., 003, Elektrik Tesislerinde Harmonikler, Birsen yayınevi, Đstanbul, Kasım 3- Kara, A., Ceylan,Y., Ayasun,S., Yalçınöz,T., 005, Bir tekstil fabrikasının harmonik analizi EEB.Müh. 11. ulusal kon.,đstanbul 4- Demirtaş,M., 1995 Elektrik Sistemlerindeki Harmonikler-Filtreler Kocaeli Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi, 10

11 Sekeli, M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 009 (3) S. Adak,S., 00, Elektrik Tesislerinde Kirlilik ve Harmonikler Kaynak Elektrik Dergisi,Sayı Gencer Ö.Ö., Alboyacı B., Öztürk S., Çetinkaya H. B.,003, Harmoniklerin Güç Faktörü Üzerine Etkileri, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 10. Ulusal Kongresi, pp. 9-1, Đstanbul 7- Rastegar S.M.R., Jewell W.T.,001, A New Approach For Supressing Harmonic Disturbances in Distribution System Based on Regressin Analysis, Electric Power Systems Research,Vol.59,pp Sözen, A., Bayrak, M., Yeğin, E.M., 007, Bir Kağıt endüstrisinde Enerji Kalitesizliğinin Maliyeti, Enerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu, Kocaeli 9- Elektrik Piyasasında Dağıtım Sisteminde Sunulan Elektrik Enerjisinin Tedarik Sürekliliği, Ticari Ve Teknik Kalitesi Hakkında Yönetmelik. 11