FLORESAN LAMBALARIN HARMONİK GÜÇ HESAPLARI VE ÖLÇÜMÜ

Transkript

1 FLOREA LAMBALAR ARMOİK GÜÇ EAPLAR E ÖLÇÜMÜ Osman KLÇ ( Bora ACARKA ( elim AY (3 iyazi GÜDÜZ (4 ( Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi Bölümü (, (3 Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Fakültesi, Elektrik Müendisliği Bölümü (4 İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü & YZ Müendislikss ( osman.kilic@marmara.edu.tr, ( acarkan@yildiz.edu.tr, (3 selimay@yildiz.edu.tr, (4 ngunduz@nyz.com.tr ÖZET Floresan lambalar ızla gelişen LED teknolojisine rağmen günümüzde ticari ve kamu binalarında en çok kullanılan ve vazgeçilmez ışık kaynaklarıdır. onlineer karakteristiğe saip bu lambaların ve elektronik güç kaynağına saip donanımlarının yaygın kullanımıyla bu donanımlardan kaynaklanan güç kalitesi problemleri de giderek artmaktadır. Bu konuda birçok çalışma da yapılmasına rağmen mevcut analizlerin yetersiz kaldığı ve tedbirlerin alınmadığı durumlar oluşabilmektedir. Özellikle filtrelenmediği takdirde yüksek oranda armonik akım üreten kompakt floresan lambalar, tek başına düşünüldüğünde güç sisteminde büyük bir bozucu etkiye saip değildir. Fakat bu düşük güçlü donanımların ticari binalar, astane, okul ve ofis binaları gibi yapılarda bir arada topluca veya yayılı yük olarak yüksek sayılarda kullanılması, güç sisteminde önemli oranlarda armonik kirlilik potansiyeli oluşturmaktadır. Bu çalışmada düşük kayıplı manyetik balastlı, elektronik balastlı ve kompakt floresan lambaların armonik bileşenleri klasik yaklaşımdan (aktif, reaktif, distorsiyon gücü farklı olarak nonaktif güç kavramını içeren güç esaplamaları floresan sistemlerine uygulanmış ve denysel olarak ispat edilmiştir. Anatar Kelimeler: Floresan lamba, Kompakt floresan, Elektronik Balast, armonik, onaktif, armonik Analiz, armonik Akım ınırları.. GİRİŞ armonik üreten donanımlar, evlerden üretim tesislerine kadar çok geniş alanlara yayılmışlar ve günlük ayatta kullanımları vazgeçilmez ale gelmiştir [],[],[6]. Bina ve çevre aydınlatmasında yaygın olarak kullanılan floresan lamba tesislerinde tek armoniklerin seviyesi önemli oranda sistemi etkiler. Özellikle üç ve üçün katlarındaki triplen armonik akım bileşenleri, üç fazlı dört iletkenli aydınlatma devrelerinde nötr iletkeninden geçerek yüklenen iletkenin ısınmasına neden olur. Ayrıca floresan lambalara bağlanan balastların manyetik devreleri olması nedeniyle bu elemanlar da armonik üretirler [6],[7]. on yıllarda manyetik balastların yerine kullanılmak üzere geliştirilen ve anatarlamalı güç kaynağı prensibi ile çalışan elektronik balastlar ve elektronik balast devreleri içeren kompakt floresan lambalar da armonik üretirler [5],[6]..TEK FAZL İTEMLERDEKİ GÜÇ TAMLAR Efektif gerilim ve akım ifadeleri, gerilim ve akımın DC bileşenini de içerecek şekilde aşağıdaki biçimde ifade edilebilir: 0 0 Temel bileşen büyüklükleri (,, armonik bileşenlerden (, ayrıştırılırsa aşağıdaki ifadeler elde edilir: 74

2 Görünen ( elde edilir: ( ( ( ( ( ( TD ( TD ( TD. TD Görünen gücün iki bileşeni vardır: Yaklaşık olarak 0.0<TD <0.03 arasında değişen TD değeri, enerji kuruluşları tarafından da TD <0.05 sınırında tutulmaya çalışılmaktadır. Buna karşın TD değerleri TD değerlerine göre çok daa büyüktür. Tipik bir orta gerilim veya alçak gerilim tesisinde ( P Q 0.05<TD <0.09 arasında değişmektedir. Bazı alçak (.6 gerilim nonlineer yükleri,5 ten büyük TD ile P cos Q sin Temel Bileşenin Görünen Gücü (, Temel Bileşenin Aktif Gücü (P ve Temel Bileşenin Reaktif Gücü (Q ile ifade edilmiştir []-[3]. Bu terimlerin dışında onaktif (Aktif olmayan ( tanımı yapılabilir: P P (, üç bileşenden oluşmaktadır: ( ( ( Bu ifadedeki ilk terim, Akım Distorsiyon Gücü olarak adlandırılır ve temel bileşen geriliminin efektif değeri ile armonik akımının efektif değerinin çarpımına eşittir. Genellikle bu terim denklemdeki en baskın terimdir. Ayrıca >0 durumunda, gerilimin tam sinüsoidal olması gibi aşırı uç durumlarda da bu terim ağırlıktadır. Gerilim Distorsiyon Gücü olarak adlandırılan ikinci terim, temel bileşen akımının efektif değeri ile armonik geriliminin efektif değerinin çarpımına eşittir ve ele alınan baradaki gerilim distorsiyonunu yansıtır. Üçüncü terim, armonik Görünen (, iki ayrı terimle ifade edilebilir: ( P P cos P, Toplam armonik Aktif, diğer terim ise Toplam armonik onaktif tür. Gerilim ve akımın TD sinin fonksiyonu biçiminde yeniden yazılabilir: çalışabilir ve bazı yük grupları TD değerini 0.9 un üzerine çıkarmak için zorlayabilir [],[]. TD >%0 ve TD <%5 için, TD Daa iyi bir yaklaşım aşağıdaki ifadeyle elde edilebilir: ( TD ( TD denklemindeki normalize edilmiş yaklaşım kullanıldığında %5 ten küçük TD değerleri için ata (.65 %0.5 ten küçüktür. ormalize edilmiş armonik Görünen ( / ifadesi esaplanabilir: TD TD Örneğin, TD =0.4 ve TD <0.05 için / <0.0 olur. P olduğu için P / ifadesi genellikle çok küçük değerlerdedir, pratikte P / değerinin 0.05 i aştığı görülmez. ve armonik Görünen arasındaki ayrımın altının çizilmesi oldukça önemlidir. armonik Görünen (, Temel Bileşen Dışı Görünen ten ( çok daa küçüktür ve bir nonlineer yük akkında çok fazla bilgi vermez. armonik güç akışını değerlendirmek için çok etkili bir yol değildir. Çünkü gözlenen yükte veya yük grubunda bazı armonik derecelerinde güç üretilirken diğerlerinde güç tüketilebilir. Bu durumda P teriminde birbirini karşılıklı götüren terimler bulunacaktır. er bir armoniğin enerji akışına etkisinin açık olarak anlaşılabilmesi sadece armonik akım ve gerilim fazörlerinin (genlik ve faz açısı tam bir dökümünün incelenmesiyle mümkün olabilir. Genellikle ve normalize edilmiş değer / terimleri, armonik kirlenme seviyesini gösterme bakımından P değerinden çok daa iyi sonuç vermektedir. İyi filtrelenmiş bir nonlineer yük, çok düşük bir / oranıyla karakterize edilecektir. Akım distorsiyonundaki bir artış, P değerini er zaman artırmadığı alde normalize edilmiş / değerini daima artıracaktır. 75 (.66

3 Bir sistemden çekilen enerjinin etkinliğini ölçmek için kullanılan en önemli ifade Toplam Faktörü ifadesidir. PF P ( P P P, Q ve güçlerinin armonik güçlerden ayrıştırılması, temel frekanstaki bozulmamış güç akışının izlenmesini ve müendislik açısından önemli ekonomik kriterlerin (örneğin güç faktörünü düzeltmek için kondansatör kullanımı vb. uygulanmasını kolaylaştırmaktadır. Bu nedenle temel bileşen güçleri armonik bileşenlerden ayrı olarak incelendiğinde, Deplasman Faktörü de (dpf oldukça önemlidir []-[3],[6]: P dpf cos 3. T E TADART T E standardı, alçak gerilimde faz başına 6 A den düşük akım çeken donanımın armonik akım sınırlarını belirlemektedir [4],[5],[7]. Bu standart, genel elektrik şebeke sistemi içine enjekte edilen armonik akımların değerlerini kapsamaktadır ve belirlenmiş şartlar altında deneyden geçirilen donanımın giriş akımının armonik bileşenlerinin sınır değerlerini belirlemektedir. Bu standart, alçak gerilim dağıtım sistemlerine bağlanması düşünülen ve faz başına giriş akımı 6 A e (6 A dail kadar olan elektrik ve elektronik donanımlara uygulanabilir. Anma gerilimleri 0 tan (faz-nötr daa düşük olan sistemler için sınırlamalar göz önüne alınmamıştır. Aydınlatma donanımı aşağıda belirtilen donanımları kapsamaktadır [5],[7]. Lambalar ve aydınlatma ciazları, Birincil fonksiyonlarından birinin aydınlatma yaptığı çok fonksiyonlu donanımın ışıklandırma kısmı, Deşarj lambaları için bağımsız balastlar ve bağımsız akkor lamba transformatörleri, Mor ötesi (U ve kızıl ötesi (R radyasyon donanımı, şıklandırılmış reklam tabelaları, Akkor lambalardan başka lambalarda kullanılan ışık zayıflatıcıları. C sınıfı: Aydınlatma donanımı. C ınıfı Donanımlar için ınır ler a Aktif giriş gücü >5 W 5 W tan daa büyük bir giriş gücüne saip aydınlatma donanımı için armonik akımlar, Çizelge.9 da verilen bağıl sınır değerlerini geçmemelidir. b Aktif giriş gücü 5 W 5 W a eşit veya daa küçük bir aktif giriş gücüne saip (.75 gaz deşarjlı aydınlatma donanımı aşağıdaki iki şarttan birine uymalıdır: armonik akımlar, Çizelge.0 daki. sütunun güçle ilgili sınır değerlerini geçmemelidir, Ana bileşen akımın bir yüzdesi olarak ifade edilen üçüncü armonik akım %86 yı ve beşincisi %6 i geçmemelidir. Deşarjlı aydınlatma donanımı ışık zayıflatıcı bir ciaza saipse, ölçme yalnız tam yüklü durumda yapılmalıdır. Tablo. C sınıfı donanımlar için armonik sınır değerleri Temel frekanstaki giriş akımının yüzdesi olarak armonik derecesi ifade edilen izin verilen en büyük armonik akım ( (% Devrenin güç faktörü AYAL UYGULAMA ve ÖLÇÜMLER Uygulama kısmında farklı tipteki floresan lambaların kalibrasyonlu ciazlarla deneysel ölçümleri yapılmış ve nonaktif güç değerlerini de içeren kapsamlı esap analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında düşük kayıplı manyetik balastlı floresan lamba, filtresiz elektronik balastlı lamba ve kompakt floresan lamba örneklerine yer verilmiştir. Çalışma nominal gerilimin alt sınırı olan 0 değerindeki (özel güç kaynağından sağlanan sinüsoidal gerilim (TD <% altında yapılmıştır [7]-[0]. 4.. Düşük Kayıplı Manyetik Balastlı Floresan Lamba x8 W Floresan Lambalı Armatür Donanımın özellikleri: Lamba: PLP TLD 8 W, Balast: ELAR ( adet, lambalar seri bağlantılı, 0/8 W, 30, 0,37 A, 50 z. 76

4 Şekil. x8 W floresan lambalı armatüre ait gerilim ve aktif güç ekranını gösteren ölçüm ekranı Tablo. x8 W floresan lambalı armatüre ait esaplanan güç değerleri Görünen 43,005 A Temel Bileşenin Görünen Gücü 4,60 A Temel Bileşenin Aktif Gücü P 34,63 W Temel Bileşenin Reaktif Gücü Q 5,4505 AR Deplasman Faktörü dpf 0,809 Toplam armonik Aktif P -0,0039 W Aktif P 34,59 W onaktif 6,4467 AR Faktörü PF 0,7907 7,74 A armonik Görünen 0,0597 A Tablo 3. x8 W floresan lambalı armatüre ait esaplanan güç değerleri Görünen 6,9785 A Temel Bileşenin Görünen Gücü 3,764 A Temel Bileşenin Aktif Gücü P 0,76 W Temel Bileşenin Reaktif Gücü Q 9,07 AR Deplasman Faktörü dpf 0,743 Toplam armonik Aktif P 0,03 W Aktif P 0,499 W onaktif 4,9555 AR Faktörü PF 0,3799 3,048 A armonik Görünen 0,874 A 4.3. Kompakt Floresan Lamba Donanımın özellikleri: ORAM DULUX EL Economy, W, 0-40, 70 ma, z. 4.. Elektronik Balastlı Floresan Lamba Donanımın özellikleri: ECOPLU, x8 W, 0-30, z, cos=0,58, PF=0,33. (armonik filtresiz Şekil. Elektronik balastlı floresan lamba devresine ait gerilim ve aktif güç ekranını gösteren ölçüm ekranı Şekil 3 W kompakt floresan lambaya ait gerilim ve aktif güç ekranını gösteren ölçüm ekranı Tablo 4. Kompakt floresan lambaya ait esaplanan güç değerleri Görünen 30,3750 A Temel Bileşenin Görünen Gücü 0,7873 A Temel Bileşenin Aktif Gücü P 8,76 W Temel Bileşenin Reaktif Gücü Q 9,0548 AR Deplasman Faktörü dpf 0,900 Toplam armonik Aktif P -0,044 W Aktif P 8,697 W onaktif 3,9386 AR Faktörü PF 0,655,479 A armonik Görünen 0,79 A 77

5 5. OUÇLAR E ÖERİLER Enerji verimliliği ve tasarrufuna yönelik çalışmaların son derece ız kazandığı günümüzde aydınlatma alanında en güncel uygulamalardan bir tanesi de akkor veya alojen grubundaki aydınlatma donanımlarının yerine kompakt floresan lambaların uygulanmasıdır. Ticari binalar, astane, okul ve ofis binaları gibi yapılarda ise floresan ışık kaynakları genel aydınlatmada kullanılan birincil ışık kaynaklarıdır. Filtresiz elektronik balastların ve kompakt floresan lambaların çok yüksek armonik akım üretmelerinden dolayı (tipik olarak %50-70 dolaylarında özellikle alçak gerilim şebekelerine getirecekleri ek armonik yükler nedeniyle yeterli tedbirlerin alınabilmesi ve öngörülerin yapılabilmesi amacıyla doğru armonik ölçüm, modelleme ve analizlerinin yapılması son derece önemlidir. Elektronik elemanlardan kaynaklanan armoniklerin analizinde aktif, reaktif güç tanımları yanında distorsiyon gücü tanımı yetersiz kalmaktadır ve fiziksel büyüklükler tam olarak tanımlanamamaktadır. onaktif güç tanımıyla armoniklerden kaynaklanan ve aktif güç dışındaki diğer güçler tanımlanabilmektedir. Çalışmada nonaktif güç yaklaşımı floresan lamba devreleri için uygulanmıştır. Laboratuar ortamında yapılan deneysel ölçümler neticesinde nonaktif güç tabanlı esaplama yöntemiyle armonik analizler yapılmış (Tablo,3,4 ve ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçların (özellikle aktif ve görünen güçlerin ölçülen değerlere oldukça yakın olduğu gözlenmiştir. Bu sayede lambaların armonik modelleri güvenilir bir şekilde geliştirilebilir ve armonik analizine yönelik simülasyon ve kestirim esapları gerçek değerlere uygun yaklaşıkla yapılabilir. Çalışmadaki yöntem diğer elektronik elemanlara ve ışık kaynaklarına da (LED, sodyum, cıva buarlı, vb. kolaylıkla uyarlanabilir. KAYAKLAR [] EEE working group on Power ystem armonic, "Power ystem armonics: An Overview", EEE Trans. on Power Apparatus and ystems, vol. PA-0, pp , 983. [] EEE Working Group on onsinusoidal ituations, Practical Definitions for Powers in ystems wit onsinusoidal Waveforms and Unbalanced Loads: A Discussion, EEE Transactions on Power Delivery, (4: 79 0, 996. [3] Arrillaga, J., mit, B.C., Watson,.R. ve Wood, A.R., Power ystem armonic Analysis, J. Wiley and ons, London, 998 [4] Jewell, W. and Ward, D.J., ingle Pase armonic Limits, PERC EM, Power Quality and afety Worksop, Wicita tate University, Kansas, 8-9 Apr. 00. [5] T E , Elektro-manyetik Uyumluluk (EMU - Bölüm 3-: ınır ler armonik Akım Emisyonlar için ınır ler (Faz Başına Donanımın Giriş Akımı 6A, 003. [6] Kocatepe, C., Yumurtacı, R., Uzunoğlu, M., Karakaş, A. ve Arıkan, O., Elektrik Tesislerinde armonikler, Birsen Yayınevi, İstanbul, 003. [7] Acarkan, B., Kılıç, O. ve İnan, A., (004, Alçak Gerilimde Tek Fazlı Yükler için armonik Akım ınırları, ELECO 004, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Müendisliği empozyumu, Aralık 004. [8] Yong Z., aozong C., A robust support vector algoritm for armonic and interarmonic analysis of electric power system, Electric Power ystems Researc, olume 73, ssue 3, Marc 005, Pages [9] García,., Madrigal, M., yakaranam, B., Rarick, R., illaseca, F.E., Dynamic companion armonic circuit models for analysis of power systems wit embedded power electronics devices, Electric Power ystems Researc, olume 8, ssue, February 0, Pages [0] Claudionor F.., Azauri A.O., Alessandro G., Alvaro B. D., armonic distortion monitoring for nonlinear loads using neuralnetwork-metod, Applied oft Computing, olume 3, ssue, January 03, Pages Gelecekte özellikle evsel kullanımda kompakt floresan lambaların yerini alması düşünülen LED ampullerinin de armonik modelleri bu yöntemle çıkarılabilir; devrelerindeki anatarlamalı güç kaynağı, dc dönüştürücü ve sürücü (driver elemanlarının armonik etkilerinin kestirimi tasarım aşamasında dai yapılabilir. 78