GERİLİM DÜŞÜMÜNÜN NORMALE DÖNMESİNİN ALÇAK BASINÇLI SODYUM BUHARLI DEŞARJ LAMBASINA ETKİLERİ. Mehlika Şengül

Transkript

1 GERİLİM DÜŞÜMÜNÜN NORMALE DÖNMESİNİN ALÇAK BASINÇLI SODYUM BUHARLI DEŞARJ LAMBASINA ETKİLERİ Mehlika Şengül Sivil Havacılık Yüksekokulu Elektrik-Elektronik Bakım Bölümü Kocaeli Üniversitesi ÖZET Gerilim düşümü her seviyedeki enerji tüketicileri açısından önemli bir üç kalitesi problemi haline gelmiştir. Bunun nedenleri arasında, kullanımı gittikçe artan güç elektroniği elemanları içeren elektriksel sistemler yer almaktadır. Çünkü bu sistemler çok küçük bozulmalardan dahi etkilenmektedirler. Fakat, son yıllarda tüketici cihazların enerjideki bozulmalara verdikleri tepkiler incelenmeye başlandığında aydınlatma cihazlarının da bu konuda hassas oldukları görülmüştür. Bu çalışmada gaz deşarj lambalarından alçak basınçlı sodyum buharlı lambanın farklı genlik ve sürelerdeki gerilim düşümüne verdiği tepki incelenmiştir Anahtar Kelimeler: Gerilim Düşmesi, Alçak Basınçlı Sodyum Buharlı Deşarj Lambası, Kaçak Akılı Transformatör 1. GİRİŞ Enerji verimliliği ve güç kalitesi gün geçtikçe önemini artıran alanlardan biri haline gelmiştir. Bu alanda aydınlatma sistemlerinin de bazı negatif etkileri bulunmaktadır. Sistemde yer alan aydınlatma cihazlarının bir kısmı reaktif enerji ihtiyacı gösterirken bir kısmı da harmonik bozulmalara neden olmaktadır. Diğer taraftan tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de özelleştirmeler dolayısıyla tüketici daha kaliteli enerji talep etme hakkına sahip olmaktadır. Bu talebin nedenleri, hem üretimde sürekliliğin aksamaması hem de besleme enerjisinde oluşabilecek bozulmaların tüketici cihazlarda yaratacağı olumsuz etkileri önlemek içindir. Fakat bozulmaların etkisi ne yazık ki tek yönlü değildir. Yani, enerjideki bozulma cihazlara zarar verebileceği gibi bazı elektriksel cihazlar da elektriksel karakteristikleri nedeniyle arklı yönde bozulmaları da tetikleyebilirler. Bu çalışmada güç kalitesi problemlerinden gerilim düşmesinin normale dönmesinin ardından gaz deşarj lambalarından alçak basınçlı sodyum buharlı lamba üzerinde oluşacak değişimler ele alınmıştır. topraklanması ve üçgen bağlantının kullanılmasını önermesi ile 1900 lü yılların başlarında başlamıştır. 930 lu yıllarda Schilling, harmonikli akım ve gerilim sinyallerinin iletim hatlarındaki etkileri üzerine durmuştur lerin sonlarında yarı iletken güç devrelerinin kullanılmaya başlanmasıyla güç kalitesi problemleri artmış ve bu yüzden güç kalitesi önem kazanmaya başlamıştır [1]. Elektrik enerji besleme sisteminde, çok değişik biçimlerde enerji kalitesi bozulmaları meydana gelmektedir. Bu bozucu etkilerin kategorilere ayrılması, ölçüm sonuçların sınıflandırmak ve elektromanyetik olayların tanımlanması için gereklidir. Bozucu etkilerin bazıları enerji besleme sisteminden, bazıları ise tüketici tarafından kaynaklanmaktadır. Bu bozucu etkilerin en sık karşılaşılanları aşağıda verilmektedir[2]: Kısa süreli gerilim kesintileri Uzun süreli gerilim kesintileri Geçici olaylar ( Transients ) Gerilim dengesizliği Gerilim Dalga Şeklinin Bozulması Gerilim Salınımları Frekans Değişimleri 2. GÜÇ KALİTESİ ve GERİLİM DÜŞMESİ 2.1. Güç Kalitesi Temel Özellikleri Güç kalitesinden kastedilen, şebekenin tanımlı noktasında, genlik ve frekansının anma değerlerinde olduğu sünisoidal ve sürekli gerilimdir. Güç kalitesi alanındaki gelişmeler ilk olarak Steinmetz tarafından transformatörde oluşan 3. harmonik akımların bozucu etkisini yok etmek amacıyla yıldız noktasının Şekil 1: Güç Kalitesi Problemleri 229

2 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Güç kalitesi problemlerinin en yaygınlarından biri gerilim düşmesidir [3],[4]. olabilir. Gerilimin normale dönmesi ile yeniden ateşlenen lambanın kararlı duruma ulaşması dakikayı bulabilir Gerilim Düşmesi Temel Özellikleri IEEE 1159 Standardı na göre gerilim azalması; nominal gerilimin rms değerinin 0,5 periyot ile 1 dakika süre arasında %10 u ile %90 ı arasında azalmasıdır [2]. Gerilim düşmesi genelde iki parametreyle tanımlanır. Bunlar, genlik ve etki süresidir. Diğer önemli bir parametre ise gerilim düşümünün başladığı andır. Şekil 2 de genliği %50 olan 2,5 periyotluk bir gerilim düşümü görülmektedir. Şekil 3: Alçak Basınçlı Sodyum Buharlı Lamba Yapısı Şekil 2: 50ms Süren Gerilim Düşmesi Örneği Gerilim azalmaları endüstriyel ve ticari faaliyetlerin yürütülmesinde karşılaşılan en ciddi problemlerden biridir [3],[4]. Gelişigüzel oluştuklarından önceden tahmin edilmesi zordur. Dağıtım sistemindeki arızalar, yükün ani olarak artması, yıldırım darbeleri veya asenkron motorlar gibi büyük yüklerin enerjilendirilmeleri gerilim düşmesinin nedenleri arasında sayılabilir. Gerilim düşmesi, hassas elektronik cihazlara, bilgisayarlara, hız denetleyicilerine ve kontrolörlere zarar verebileceği gibi koruma elemanlarının hatalı çalışmasına da neden olabilir. 3. ALÇAK BASINÇLI SODYUM BUHARLI DEŞARJ LAMBASI Deşarj lambaları genellikle çok sayıda insanın bir arada bulunduğu alışveriş merkezleri, araç yolları ve stadyumlar gibi alanlarda çok sayıda ve toplamda yüksek güçte yer almaktadırlar. Kullanılan aydınlatma yükleri genellikle akkor flamanlı lambalar, sodyum ve civa buharlı lambalar, metal halojen lambalar ve balast ve transformatörlerden oluşmaktadır. Bu çalışmada kaçak akılı transformatör ile ateşlenen alçak basınçlı sodyum buharlı lamba ele alınacaktır. Sodyum metalinin yaydığı ışığın doğal dalga, ,6nm boyundadır. Yani yaydığı ışık gözün en hassas olduğu dalga boylarına karşılık gelmektedir. Bu durum bu lambayı ışık açısında en verimli deşarj lambalarından kılmaktadır. Lamba cam tüpünün içindeki gaz sodyum buharıdır ve civadan daha yüksek erime noktasına sahiptir. Bu nedenle çalışması için yüksek sıcaklık gerekmektedir [5]. Çalışması için şebeke geriliminden yüksek değerde ateşleme gerilimi veya elektrotların ön ısıtması için yardımcı devre gerekmektedir. Bu lambaların ateşlemesi için ya kaçak akılı transformatör veya balast-ignitör devresi kullanılmaktadır. Besleme geriliminde oluşacak küçük bir azalma durumunda ark ısısı düşer. Bu düşüş ark direncinde artışa neden olur ve böylece lambanın akımı azalır. Fakat yüksek değerde oluşacak gerilim düşümü lambanın sönmesine neden 4. TEST DÜZENEĞİ VE ANALİZ SONUÇLARI Bu çalışmada gerilim düşümünün süresinin ve genliğinin kaçak akılı transformatör ateşleme düzeneğiyle işletilen Alçak Basınçlı Sodyum Buharlı Lamba üzerindeki etkileri incelenmiştir. Gerilim düşümünün oluşturulması için California Instruments firmasının 4500LX programlanabilir güç kaynağı kullanılmıştır. Aynı zamanda veriler Scopmeter 199-C analizörü kullanılarak kaydedilmiştir. Şekil 4: Test Düzeneği Kaydedilen veriler interpolasyon yöntemi kullanılarak bir periyotta 64 örneğe indirgenmiştir. Gerilim düşümü 0º anında başlatılmıştır. Uygulanan gerilim düşümü süreleri bir periyotluk sürenin tam sayı katlarına d kadar süre eklenerek tekrarlanmştır. Şekil 5 te bir periyotluk sürenin on eşit parçasına karşılık gelen süreler görülmektedir. Gerilim düşümünün başlangıç anı t i simgesiyle gösterilmiştir. Kullanılan ayarlanabilir güç kaynağı ile lambaya % ve 50 oranlarında gerilim azalmaları uygulanmıştır. Her gerilim düşümü oranı için gerilim düşümü süresi değiştirilmiştir. Bu amaçla 2 periyotluk, 6 periyotluk ve 10 periyotluk gerilim düşümlerine d süreleri eklenerek deneyler tekrarlanmıştır. 230

3 Tablo 1: Kullanılan Lambaya Ait Veriler U hat = 220V U lamba = 65V THD-I= %1.9 I hat =1.6A I lamba = 0.76A P hat =102W P lamba = 45W S hat =351VA Cosφ=0.29 Şekil 5: Bir Periyot Aralığı İçin Gerilim Düşümü Açıları ve Süreleri Lamba cihaza bağlanıp kararlı duruma geldiği zaman elde edilen veriler Tablo-1 de görülmektedir. Lambaya uygulanan gerilim düşümü miktarı %30 olarak ayarlanmış ve 6 periyotluk süre boyunca devam etmiştir. Ardından aynı değerdeki gerilim düşümü farklı sürelerde oluşturulup lambaya uygulanmıştır. Bir periyotluk süre o parçaya bölünerek yani Şekil 5 teki d kadarlık süreler altı periyotluk süreye eklenerek testler tekrarlanmıştır. Şekil 6. dan görüleceği gibi lambanın verdiği en büyük orandaki tepki 6.5 periyotluk gerilim düşümü süresine karşılık gelmektedir. Bu durum kaçak aklı transformatör yapısından kaynaklanmaktadır. Benzer özellik enerji iletim ve dağıtım sistemlerinde kullanılan transformatörlerin gerilim düşümün normale dönmesi sonucu doyması durumunda da görülmektedir [6],[7]. Fakat iletim ve dağıtım hatlarındaki transformatörlerde gözlenenden farklı olarak bu sistemde periyodun tam sayı katları kadar süren gerilim düşmelerinin veya bu değerlere çok yakın olan anlarda gerilim düşümün normale gelmesinin de ani akım artışına neden olduğu görülmektedir. Bu ani akım artışı transformatör ani mıknatıslanma akımı (inrush akımı) olarak adlandırılır ve yüksek oranda harmonik içerir. Şekil 6: Gerilim Düşümü Periyot Aralığı Değişiminin Lambaya Etkisi Testler farklı sürelerde aynı şekilde tekrarlandığında sonucun değişmediği, gerilim düşümünün periyodu arttıkça akımdaki ani artış miktarının azaldığı, fakat aynı periyodun tam sayı katına yarım periyot eklenerek oluşturulan gerilim düşümü olaylarında sürekli olarak o periyod aralığı için en yüksek artış elde edildiği görülmüştür (Şekil 7). 231

4 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Şekil 7: Gerilim Düşümü Süresinin Lambaya Etkisi Yapılan tüm deneyler Gerilim düşümü oranları % olmak üzere tekrarlanmıştır. Şekil 8 de lambaya uygulanan gerilim düşümü süresi 6,5 periyotluk süreye karşılık gelmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi gerilim düşümü miktarı arttıkça lambanın çektiği ani akım da artmaktadır. Bu durumun pek çok aydınlatma yükünün bulunduğu bir tesiste gerçekleşebileceği düşünüldüğünde oluşan bozulmanın tesisteki diğer tüketicilere vereceği zarar önem kazanmaktadır. Ayrıca oluşan bu ani akım artışı lambanın kararlı çalışma ömrünün de azalmasına neden olmaktadır. Şekil 8: Gerilim Düşümü Miktarının Lambaya Etkisi 5. SONUÇLAR Bu çalışmada, en önemli güç kalitesi problemlerinden biri olan gerilim düşümü süresinin ve genliğinin kaçak akılı transformatör ile çalıştırılan alçak basınçlı sodyum buharlı lamba üzerindeki etkileri incelenmiştir. Gerilim düşümü sonrası gerilimin normale dönmesinin süreye bağlı olarak ani akım yükselmelerine neden olduğu görülmüştür. Bu akımlar transformatör ani mıknatıslanma akımı özelliklerini taşımakla birlikte gerilim düşümü süresinin etkisi güç ve dağıtım 232

5 transformatörlerinde oluşan etkiden kısmen farklıdır. Güç ve dağıtım transformatörlerinde gerilimin sıfır anında başlayan bir azalmanın tam periyotluk süreye yarım periyot daha eklendiğinde elde edilen toplam sürede temizlenmesi ciddi akım artışlarına neden olmaktadır. Fakat incelenen aydınlatma sisteminde periyodun başlama anlarında, ortasında ve sonuna doğru temizlenen gerilim düşümünün ani akım artışlarına neden olduğu belirlenmiştir. Bu ani akım artışı sistemdeki diğer tüketicileri olumsuz etkileyebileceği gibi lambanın yararlı ömrünü de azaltacaktır. [6] Guash L., Corcoles F., Pedra J., Sainz L., Effects of Symmetrical Voltage Sags on Three-Phase Three-Legged Transformers, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.19, No.2, April [7] Şengül M., Öztürk S., Çetinkaya H.B., Erfidan T., New Phenemenon on Power Transformers and Fault Identification Using Artificial Neural Networks, Lect Notes Computer Science, KAYNAKLAR [1] Eroğlu, H., ``Bir Dağıtım Şebekesinin Güç Kalitesi ve Harmonikler Yönünden İncelenmesi'', Yüksek Lisans Tezi, Konya [2] R.C. Dugan R.C., McGranaghan M.F., Santoso S., Beaty H.W., Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill Companies, Inc., New York [3] Benachaiba C. and Ferdi B., Power Quality İmprovement Using DVR, American Journal of Applied Sciences 6 (3): , [4] McGranaghan M.F., Mueller D.R. and Samatyj M.J., Voltage Sags in Industrial Power Systems, IEEE Trans. On Industry Applications, Vol.29, pp , [5] Karady G.G., Saksena S., Shi B., Senroy N., Effects of Voltage Sags on Loads in a Distribution System,Final Project, October