REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU VE HARMONİKLER. Dr. Bora ALBOYACI

Transkript

1 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU VE HARMONİKLER Dr. Bora ALBOYACI

2 REAKTİF GÜÇ NEDİR? Elektrodinamik prensibine göre çalışan generatör, trafo, bobin, motor gibi tüketicilerin çalışmaları için gerekli olan manyetik alanı sağlayan mıknatıslanma akımına Reaktif Akım ve dolayısıyla çekilen güce Reaktif Güç denir. Reaktif Gücün, tüketim merkezlerinde özel bir reaktif güç üreticisi tesis edilerek karşılanmasına kompanzasyon denir. Kompanzasyon için dinamik ve statik faz kaydırıcılardan yararlanılır.

3 REAKTİF GÜÇ NEDİR? Aktif güç bileşeni doğrudan ısıya, ışığa veya harekete dönüşen kısımdır ve görünen gücün, aktif güç eksenindeki bileşenidir. Reaktif güç üretimi, aktif güç gibi santrallerde su kuvveti, akaryakıt, kömür ve benzeri ham enerji maddesinin sarfını gerektirmez; sadece generatör uyarmasının ayarlanması ile generatör, reaktif güç verecek duruma getirilir. Görünür güç S P Q şeklinde hesaplanır. 3

4 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU Q Reaktif Güç S (Görünen Güç) S P Q P (Aktif Güç) Tek-faz Üç-faz GüçFaktörü tan Q P P S cos S U. I P U. I.cos Q U. I.sin S P Q 3. U. I 3. U. I.cos 3. U. I.sin 4

5 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU Kompanzasyon sonunda aynı görünen güçte daha fazla aktif güç çekilebilir. Yani tesis yükü arttırılabilir. S =S P >P 5

6 REAKTİF GÜÇ NEDİR? Kompanzasyon sonunda aynı aktif gücü daha düşük görünen güçle çekmek mümkündür. Yani daha sınırlı yatırımla aynı yük çekilebilir. Daha küçük kesit veya daha küçük üreteç. P =P S <S 6

7 REAKTİF GÜÇ TARİFESİ tarihine kadar, Sistemden çektiğiniz endüktif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranının %33 ü, sisteme verdiğiniz kapasitif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranının %0 yi geçmesi halinde bu tüketimleriniz faturalandırılmaktadır. 0.Kasım.004 tarih, 5639 sayılı Resmi Gazetede yayınlanan Elektrik İletim Sistemi Arz Güvenirliği ve Kalitesi Yönetmeliği gereğince yukarıda belirtilen oranları;.ocak.007 tarihinden itibaren; Aylık tabanlarda çekilen endüktif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı %5, sisteme verilen kapasitif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı %5,.Ocak.009 tarihinden itibaren ise; Aylık Bazda çekilen endüktif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı %4, sisteme verilen kapasitif enerjinin aktif enerjiye oranı %0 olarak değiştirilecektir. Bir sene ertelenmekle birlikte.ocak.00 tarihinden itibaren geçerlidir..ocak.00tarihinden itibaren ise; Aylık Bazda çekilen endüktif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı %4, sisteme verilen kapasitif enerjinin aktif enerjiye oranı %0 olarak değiştirilecektir. 7

8 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU Bir tüketicinin şebekeden çektiği görünür güç; olarak ifade edilir. Çekilen gücün endüktif bir yük olması durumunda gerilim ile akım arasında açısı meydana gelir. Buna göre; Aktif akım Aktif güç Reaktif akım Reaktif güç 8

9 Reaktif Güç Hesabı REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU Tüketicinin reaktif güç ihtiyacının tespit edilebilmesi için tüketicinin şebekeden çektiği zahiri gücün S, buna ait Cos güç katsayısının ve çıkarılması istenen Cos değerinin bilinmesi gereklidir. Bununla beraber bir tesiste kurulacak olan kompanzasyon sisteminin tipi ; Sistemdeki reaktif güç dağılımına Reaktif güç ihtiyacının değişimine Tesisteki harmonik distorsiyon miktarına Tesisin yerleşimine bağlıdır. 9

10 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU Rezonans gücü hesabı; Q pr n S.%u.Sin k k S : Transformatör gücü (kva) n : Harmonik mertebesi %u k : Transformatörün bağıl kısa devre gerilimi 0

11 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU SİSTEMLERİ Trafo Sabit Kompanzasyonu; Yönetmeliğe göre, sabit kondansatör gücü pratik olarak Qs= < %3 S değerinde alınabilir. Ancak sabit kondansatör gücü, trafonun boşta reaktif kayıpları göz önünde bulundurularak seçilmelidir. Örneğin: 600 kva 34,5/0,4 kv bir dağıtım trafosu için sabit kondansatörün 5 kvar olarak seçilmesi yeterlidir.

12 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU SİSTEMLERİ Bunlara göre AG tesisinde, eğer harmonik sorunu yoksa uygulanabilecek kompanzasyon sistemleri; Münferit Kompanzasyon (Merkezi Otomatik) Lokal Kompanzasyon

13 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU SİSTEMLERİ Lokal ve Münferit Kompanzasyon 3

14 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU SİSTEMLERİ Münferit Kompanzasyon (Merkezi Otomatik) Bir tesiste, reaktif güç ihtiyacı olan yüklerin çok sayıda ve dağınık olarak bulunduğu sistemlerde münferit kompanzasyon uygulanması en ekonomik çözümdür. Münferit kompanzasyon AG trafosunun sekonder tarafına uygulanır. Böyle sistemlerde her tüketicinin sabit ve sürekli reaktif güç tüketmesi söz konusu değildir. Bu nedenle reaktif güç ihtiyacını karşılayabilmek için kurulacak olan kompanzasyon sisteminin, ihtiyaç duyulan reaktif gücü hızlı bir şekilde ve sistemin tan değerini sabit tutacak şekilde karşılaması gereklidir. 4

15 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU SİSTEMLERİ Münferit Kompanzasyon (Merkezi Otomatik Kompanzasyon) Q Q Q Q C C C veya Q S.Sin S S Q S P.tg Q.Sin S.(Sin Sin P tg ) 5

16 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU SİSTEMLERİ Lokal Kompanzasyon Reaktif güç ihtiyacı sabit olan yüklerin veya tesiste trafodan uzakta bir noktada bir arada bulunan yüklerin olması durumunda uygulanabilecek bir yöntemdir. Motorların reaktif güç ihtiyacını karşılayabilmek için uygulanacak kompanzasyon sisteminin hesabının motorun çektiği aktif güce göre yapılması gereklidir. Bir motor etiketinde yazan Aktif Güç ve Cosφ değeri ile tanımlanır. 6

17 7 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU SİSTEMLERİ Lokal Kompanzasyon ).(..... tg tg P Q Cos Sin P Cos Sin P Q P P P Cos P S Cos S P Cos P S Cos S P Sin S Sin S Q Q Q Q Sin S Q Sin S Q C C C C

18 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU Reaktif Güç Kompanzasyonunun Faydaları Generatörlerin,transformatörlerin ve enerji iletim hatlarının yükleri azalır ve yeni yükler için imkan sağlanır. Tesisteki toplam gerilim düşümü küçülür. Tesisteki toplam kayıplar azalır. Böylece tesislerin daha küçük güçlere göre yapılması yani ucuza mal edilmesi sağlanır. Ya da mevcut tesislerden daha büyük güç çekme imkanı doğar. 8

19 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU Reaktif Güç Kompanzasyonunun Sakıncaları Tesiste harmonik kaynağı makineler-cihazlar varsa ve bu harmonik seviyeleri standartların belirttiği seviyelerin üzerinde ise veya kompanzasyon sistemi ile yükler arasında paralel rezonans oluşturma riski teşkil ediyorsa, kurulacak kompanzasyon sistemi, işletme için bir çok harmonik kaynaklı problemin ortaya çıkmasına sebebiyet verecektir. 9

20 Paralel Rezonans REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU 0

21 REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU

22 GÜÇ SİSTEMLERİNDE HARMONİKLER

23 HARMONİK FİLTRASYON Harmonik Nedir? Elektrik sistemlerinde enerjinin üretilmesi ve dağıtılması sırasında akım ve gerilimin 50 Hz temel frekansta Sinüsoidal dalga şeklinde olması idealdir. Ancak gelişen güç elektroniği teknolojisi ile işletmelerdeki tiristör ve IGBT gibi yüksek frekanslarda tetikleme yapabilen tüm yükler elektriksel çalışma karakteristiklerinden dolayı çeşitli frekans seviyelerinde harmonik adı verdiğimiz akımların oluşmasına neden olur. 3

24 Harmonik Nedir? HARMONİK FİLTRASYON Efektif Akım: I rms I I I 3... I n I n h I h Toplam Harmonik Akım Distorsiyonu: THDI rms I I3... I I n 4

25 Harmonik Nedir? HARMONİK FİLTRASYON Efektif Gerilim: V rms V V V 3... V n V n h V h Toplam Harmonik Gerilim Distorsiyonu: THDV rms V V3... V V n 5

26 RMS değeri HARMONİK FİLTRASYON Sinüzoidal olmayan periyodik bir sinyalin rms değeri : RMS değer H H... Hn H = Temel bileşen Hn = Harmonik bileşenler Örnek : Bilgisayar gibi monofaze bir yükün çektiği akımın rms değeri : Itemel = 56.A; Ih3 = 7.A; Ih5 =.7A; Ih7 = 9.A; Ih9 = 7.8A I RMS 56, 7,, 7 9, 7, 8 63, 6 A 6

27 Statik AC/DC güç dönüştürücüleri Doğrultucular (Rectifier), Çeviriciler (İnverterlar) Frekans dönüştürücüler DC motorlar AC Hız kontrol cihazları, Yumuşak yol vericiler Ark ocakları ve Elektroliz üniteleri Kesintisiz güç kaynakları Bilgi işlem ve TV yayın sistemleri, PC, vb... Ofis ekipmanları Elektronik balastlı armatürler HARMONİK KAYNAKLARI Diğer dalga değişimli ve faz ayarlamalı kontrol sistemleridir. Alçak gerilim şebekelerinde temel olarak kompanzasyon amacıyla kullanılan kondansatörlerin harmonikler üzerine olan etkisi de hesaba katılmalıdır. 7

28 HARMONİK KAYNAKLARI Sıralama : Harmonik derecesi bileşenin frekansını belirler ve bu frekans temel frekansın katları şeklindedir. Örneğin ; Temel bileşen = 50 Hz için, 5. Harmonik bileşen değeri; 5 X 50 = 50 Hz olur. Temel bileşenin yüzdesi olarak harmonik spektrum Spektrum : Bir sinyalin değişik harmonik bileşenlerinin büyüklüklerini ilgili frekansların bir fonksiyonu olarak gösteren grafiktir. 8

29 HARMONİK FİLTRASYON Şebeke üretece bağlı bir endüktans olarak düşünülürse, kondansatör bir paralel rezonans devresi oluşturur. Kondansatörlerin devreye alınması ile beraber bir sirkülasyon akımı ve rezonans frekansı oluşur. Harmonik akımlarının bir kısmı şebekeye doğru ve büyük kısmı ise empedanslarının küçük olması nedeni ile Kondansatörlere doğru yönlenirler. 9

30 HARMONİK FİLTRASYON Anahtarlama tiplerine bağlı olarak non- lineer yüklerin oluşturduğu harmonik akımları tabloda görüldüğü gibidir. 30

31 HARMONİK FİLTRASYON Elektriksel uygulamalarda, yarı iletken tekniği kullanılmış sistemler tarafından üretilen harmonik akımları tabloda belirtilmiştir. 3

32 HARMONİKLERİN SEBEP OLDUĞU ARIZALAR Elektromekanik cihazlarda ve kablolarda ısınma Makinalarda mekanik titreşimler (vibrasyon) Ateşleme devrelerinin anormal çalışması CAD/CAM terminallerinde hafızaların silinmesi Elektronik kart arızaları Güç kondansatörlerinde güç kayıpları, delinmeler ve patlamalar, kompanzasyon sigortalarında atmalar; Kesici ve şalterlerde açmalar; Röle sinyallerinin bozulması ve anormal çalışması; Enerji kayıpları dır. 3

33 HARMONİK FİLTRASYON Kurulu bir tesiste Harmoniklerin Tespiti Kurulu bir tesiste Harmonikleri analiz edilebilmenin en doğru yolu tesiste Harmonik ölçümü yapılmasıdır. Ölçümden önce mutlaka tesisin elektriksel yapısı ayrıntılı olarak incelenmelidir. Harmoniklerin bulunduğu sistemlerde, belli başlı harmonik kaynakları tespit edilmeli ve gerekirse kaynak başından ölçüm alınmalıdır. Yeni Kurulacak Bir Tesiste Harmoniklerin Tespiti Tesisin yapısı incelenerek harmoniklere karşı baştan önlem alınması mümkündür. Tesisin projelendirilmesinde kompanzasyon gücünün tesisin paralel rezonans gücünden küçük olmasına dikkat edilmelidir. Tesisin trafo gücü, kurulu gücü, fiili gücü, ve tüm harmonik kaynaklarının model ve güçleri tespit edilmelidir 33

34 Uluslararası Harmonik Standartları HARMONİK FİLTRASYON Uluslararası IEC ye göre kabul edilebilen harmonik bozulma sınır değerleri; Gerilim için : %3 Akım için : %5 olarak belirlenmiştir. Bu limit değerlerin üzerinde bulunan harmonik oranlarında, elektrik sistemleri için tehlikeli ve büyük maddi zararlar oluşturabilecek problemler meydana gelmektedir. 34

35 HARMONİK FİLTRASYON SİSTEMLERİ Harmoniklerin iyileştirilmesine veya giderilmesine yönelik çözümler şunlardır. Orta Gerilim Kompanzasyonu Pasif Filtreler Aktif Filtreler 35

36 Pasif Filtreler HARMONİK FİLTRASYON SİSTEMLERİ Pasif Filtrasyon sistemlerini yapılarına göre iki grupta inceleyebiliriz. Düşük Ayarlı Pasif Filtreler Ayarlı Pasif Filtreler 36

37 HARMONİK FİLTRASYON SİSTEMLERİ Pasif Filtre Uygulamasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar Filtrasyon uygulamasında endüktans bobini nedeni ile kondansatör üzerinde bir gerilim artışı meydana gelir. Ancak; aşağıdaki hesaba ve ölçüm sonuçlarına göre bu gerilim artışı sadece 0-30 V mertebesindedir. 37

38 HARMONİK FİLTRASYON SİSTEMLERİ Pasif Filtre Uygulamasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar Şebekede 0 V bir gerilim artışı olduğu düşünülürse kondansatör geriliminin, U C max U Ş U Ue olarak seçilmesi uygundur. = = 440 V 38

39 HARMONİK FİLTRASYON SİSTEMLERİ Pasif Filtre Uygulamasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar Kondansatörler etiketlerindeki gerilim değerinden daha düşük bir gerilimdeki şebekede kullanılırsa kondansatörlerden elde edilecek reaktif güç gerilimlerin karesine oranlı olarak azalır. Bu aşağıdaki formülle ifade edilir. Q Q Bu nedenle Kondansatörün nominal gerilimi arttıkça, 400 V luk şebekedeki etkin kondansatör gücü değiştirilemeyeceğinden, nominal kompanzasyon gücü dolayısıyla da sistemin maliyeti artmaktadır. U U 39

40 HARMONİK FİLTRASYON SİSTEMLERİ Pasif Filtre Uygulamasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar Teknik ve pratik anlamda kondansatör üzerindeki gerilim artışının ve şebekedeki diferansiyel gerilim artışının hesap edilerek kondansatör gücünün seçilmesi en doğru olandır. Endüktans bobinleri, seçilen frekans değerinde tasarlanırken; Her fazda endüktans değerindeki sapma %3 ten büyük olmamalı, Imax değeri ( linearite ) minimum,06 In olmalı, ve bu değerde dahi endüktans değerindeki sapma %3 ü geçmemelidir. 40