GÜÇ KALĐTESĐ & HARMONĐK FĐLTRELEME GK&HF_v1.0 Sayfa 1 / 13
ÖNEMLĐ UYARI RPS Mühendislik tarafından yayınlanan dökümanlarda bulunan bilgiler müşterilerimizin çalışma konularımız hakkında bilgi sahibi olmalarını sağlamak içindir. Teknik bir klavuz olarak kullanılamaz. Bilgilerin herhangi bir amaçla kullanılmasından dolayı oluşabilecek her türlü zarardan uygulayıcı sorumlu olup firmamız meshul tutulamaz. RPS Mühendislik firması bu dökümanda bulunan bilgilerin içeriğini değiştirme, düzeltme, eklemeler ve çıkarmalar yapma ile yayından kaldırma hakkını gizli tutar. Dökümanlarda bulunan bilgilerin ticari amaçlarla kullanılmasına ya da izinsiz şekilde çoğaltılıp satılmasına izin vermez. RPS Mühendislik Tarafından Yayınlanan Diğer Dökümanlar Güncel dökümanlar için lütfen web sayfamızda bulunan Teknik Destek bölümünü ziyaret ediniz. Ayrıca küçük ipuçları bulabileceğiniz Sıkça Sorulan Sorular bölümümüzü de lütfen ziyaret ediniz. GK&HF_v1.0 Sayfa 2 / 13
ĐÇERĐK 1 Güç Kalitesi Nedir?... 4 1.1 Harmonikler... 5 1.1.1 Harmonik Nedir?... 5 1.1.2 Harmonik Kaynakları... 5 1.1.3 Harmoniklerin Etkileri... 6 1.1.4 Harmonik Standartları... 6 1.1.5 Harmonik Filtreleme... 7 1.1.6 Đnterharmonikler... 10 1.1.7 Kırpışma... 11 1.1.8 RPS Mühendislik Tarafından Sunulan Çözümler... 12 ŞEKĐLLER Şekil 1.1-1 Saf Sinüs (Temel Bileşen) ve Harmonikli Dalga Şekli... 5 Şekil 1.1-2 Pasif Filtre Topolojileri... 7 Şekil 1.1-3 Üçüncü Harmonik Pasif Filtresinin Empedans-Frekans Eğrisi... 9 Şekil 1.1-4 Aktif Filtre Çalışma Prensibi... 10 GK&HF_v1.0 Sayfa 3 / 13
1 Güç Kalitesi Nedir? Güç kalitesi, genel olarak, şebekede yüklerin bağlı olduğu noktalardaki akım ve gerilimlerin genlik ve frekans değerlerinin standartlarda tanımlanan limit değerlerine uyması ve gerilim dalga şeklinin sinüs biçiminde olması şeklinde tanımlanmaktadır. Özetlemek gerekirse, yüklerin beslendiği şebeke; a. Kesintisiz olmalı b. Gerilim genliği ve frekansı standartlarda belirtilen sınırlar içinde bulunmalı c. Gerilim dalga şekli saf sinüs olmalıdır. Son kullanıcıya ulaştırılan gerilimin genliği ve frekans değerinin kontrolü çoğunlukla üreticiler tarafından sağlanmasına rağmen, gerilim dalga şeklindeki bozukluklar şebekeye bağlanan yüklerin sonucunda oluşmaktadır. Şebekeye bağlı doğrusal yükler olan endüksiyon motorları, aydınlatma lambaları ya da rezistif türdeki ısıtıcılar şebekeden sinüs dalga şeklinde akım çekmektedirler. Ancak günümüzde Değişken Hızlı Motor Sürücüleri, UPS sistemleri, doğrultucular, bilgisayarlar, ark ocakları gibi doğrusal olmayan yüklerin yaygınlaşmasıyla birlikte çekilen akımların dalga şekli saf 50Hz sinüs olmamakta ve harmonikler içermektedir. Bu durum ise gerilim dalga şeklini de bozmakta ve şebekeyi olumsuz yönde etkilemektedir. Genel olarak gözlenen Güç Kalitesi problemlerini; a. Harmonikler b. Reaktif Güç Tüketimi c. Elektrik kesintileri ( Blackout ) d. Gerilim genliğindeki düşmeler ve yükselmeler e. Gerilim dalga şeklindeki anlık tepe ( Swell ) ve çukurlar ( Sag ) f. Geçici rejim olayları ( Transients ) g. Gerilim dengesizliği şeklinde sıralamak mümkündür. GK&HF_v1.0 Sayfa 4 / 13
1.1 Harmonikler 1.1.1 Harmonik Nedir? Harmonikler, akım ve gerilim dalga şeklinde görülen temel frekansın tam sayı çarpanları olarak tanımlanmaktadır. Đdeal olarak şebekeden sağlanan akım dalga şeklinin 50 Hz temel bileşenli saf sinüs olması istenmektedir. Şebekede lineer olmayan yüklerin artmasıyla yükün çeşidine bağlı olarak 50Hz temel bileşenle birlikte 50Hz in tam katları olan 2x50Hz =100 Hz (2. Harmonik bileşen), 3x50Hz=150Hz (3. Harmonik bileşen), 4x50Hz=200Hz (4. harmonik bileşen) gibi nx50hz n = 1,2,3,.. şeklinde harmonikli sinyaller görülmektedir. Sonuçta saf sinüs olan dalganın şekli sinüs özelliğinden uzaklaşmaktadır. Şebekedeki akım ve gerilimlerin ne kadar harmonik içerdiği Toplam Harmonik Bozunum (THB) yüzdesi ile tanımlanmaktadır. Şekil 1.1-1 de 50Hz lik temel akım bileşeni üzerinde bir miktar 3. harmonik bileşen de bulunması durumunda oluşan dalga şekli görülmektedir. Bu özellikle tek faz doğrultucularda çok sık rastlanan bir akım dalga şeklidir. Şekil 1.1-1 Saf Sinüs (Temel Bileşen) ve Harmonikli Dalga Şekli 1.1.2 Harmonik Kaynakları Şebekeden beslenen doğrusal olmayan yükler, akımda görülen harmonik bileşenlerinin kaynağıdır. Bu tür yük akımlarının dalga şekli saf sinüs değildir ve dalga şeklinde yükün tipine göre değişen harmonikli bileşenler görülmektedir. Şebekede harmonik akımlarının kaynağı olarak sıklıkla görülen bu tür doğrusal olmayan yükleri aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür: GK&HF_v1.0 Sayfa 5 / 13
a. Anahtarlamalı Tipte Güç Kaynakları (SMPS) b. Üç Faz ya da Tek Faz Doğrultucular c. AC ve DC Motor Sürücüleri d. Frekans Dönüştürücüler (Cyclo-converters) e. Ofis Yükleri (Bilgisayarlar, Fotokopi Makineleri, Yazıcılar...) f. Floresan Lamba Ballastları g. Ark, Pota ve Endüksiyon Ocakları 1.1.3 Harmoniklerin Etkileri Şebekede harmonikli akımlar genel olarak aşağıda sıralanan olumsuz etkilere sebep olmaktadırlar: a. Kablo, motor ve trafolarda aşırı ısınmalar b. Koruma elemanlarında zamansız ve hatalı açmalar c. Sigorta atmaları d. Đletkenlerin üzerindeki izolasyon maddelerinde erken yaşlanmaya bağlı olan kayıplar e. Kondansatörlerde aşırı yüklenmeler ve patlamalar f. Şebekede paralel ve seri rezonans problemleri g. Nötr iletkeninde aşırı yüklenmelere bağlı olarak ısınmalar 1.1.4 Harmonik Standartları Şebekeye bağlı tüketiciler, şebekede belli sınırlar dahilinde harmonik kirliliğine sebep olabilirler. Bu sınırlar ulusal ve uluslararası standartlarda belirlenmiştir. Ülkemizde bu standartlar; a. Bozucu Etki Yaratan Müşterilerin Uymak Zorunda Olduğu Koşullar, TEK, 1992 b. EPDK nın 2004 Elektrik Sistemi Arz ve Kalitesi Yönetmeliği, EPDK, 2004 tür. GK&HF_v1.0 Sayfa 6 / 13
Uluslararası standartlar ise; a. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE Std 519-1992 b. IEC 61000-2-x, 61000-3-x, 61000-4-x dir. 1.1.5 Harmonik Filtreleme Doğrusal olmayan yüklerin şebekede artmasıyla şebeke için problem kaynağı olmaya başlayan akımlardaki harmonikli bileşenler, değişik yöntemlerle süzülmekte ve standartlarda istenilen seviyelere indirilmektedir. Genel olarak üç yöntem kullanılmaktadır: 1.1.5.1 Pasif Filtreler Pasif filtereler kondansatör, reaktör ve direnç gibi pasif elemanlarının kullanımına dayalı en çok kullanılan fitreleme yöntemidir. Endüstride AG ve OG seviyesinde değişik devre topolojilerine sahip pasif filtreleri görmek mümkündür. Bu filtrelere ait şematik gösterim Şekil 1.1-2 de gösterilmektedir. a) 1.dereceden Akortlu Filtre b) 2.dereceden Akortlu Filtre c) 3.dereceden Akortlu Filtre d) C-Tipi Filtre Şekil 1.1-2 Pasif Filtre Topolojileri Endüstride genelde Alçak Gerilim (AG) seviyesinde Şekil 1.1-2 de gösterilen filtre tiplerine çok sık rastlanmamaktadır. Bunun sebebi AG seviyesi için her ne kadar müşterilerin uymak zorunda olduğu limit değerler standartlarda belirtilse de bu limitlerin aşılması durumda cezai müeyyidelerin uygulanmamasıdır. Ancak ülkemizde elektrik dağıtımının özelleştirilmesi ile GK&HF_v1.0 Sayfa 7 / 13
beraber önümüzdeki dönemlerde reaktif güç tüketimi gibi harmonikler için de benzer müeyyidelerin uygulanması kaçınılmaz hale gelecektir. AG seviyesinde reaktif güç kompanzasyonu amaçlı kurulan kondansatörlü sistemler genelde akort edilmemiş ( detuned ) filtre tipi şeklinde tasarlanmaktadır. Akort edilmemiş filtre, aslında 1. dereceden akortlu filtre karakteristiğine sahiptir. Akortlu filtrelerden farkı kondansatörlerin şebeke ile paralel rezonansa girme riskine karşı şebekede baskın bulunan harmonikli bileşenin altında güvenli bir frekans değerinde akort edilmesidir. Akortlu filtreler ise temel olarak şebekede bulunan harmoniği süzme amaçlı olarak kullanılmaktadır. Akordlu veya akord edilmemiş 1. dereceden pasif filtrelerin seri rezonans oluşturduğu frekans değeri, o filtrenin süzeceği harmoniği belirlemekte kullanılır. Bu frekans değeri esas olarak filtre empedansının minimum (akım geçirgenliğinin maksimum) olduğu yerdir. 1. dereceden bir pasif filtrede temel olarak filtre kondansatör ve reaktör değerleri bu frekansı tutturacak şekilde seçilir. Sisteme bağlanan pasif filtreler, şebekenin eşdeğer endüktans değeri ile belli bir frekans değerinde paralel rezonansa girmektedir. Bir başka deyişle, harmonik akım kaynaklı yük tarafından bakıldığında, frekans değeri pasif filtre elemanlarına ve şebeke endüktansına doğrudan bağımlı olmak üzere, pasif filtre ve şebeke endüktansının paraleli çok büyük bir empedansa sahip olmaktadır. Bu durum basit olarak seri rezonansın (minimum empedans durumu) tersi olmaktadır. Eğer paralel rezonansın oluştuğu frekans yakınlarında harmonik akım üreten bir yük bulunmakta ise, bu akım bu yüksek empedans üzerinde çok büyük bir gerilime çevrilmektedir. Daha sonra bu gerilim de yine aynı frekansta yüksek akımlara yol açmaktadır. Bu durum, hem akım hem de gerilim değerleri açısından, malzemelerin güvenliğini ve ömrünü büyük risk altına sokmaktadır. Şekil 1.1-3 te 150Hz e akort edilmiş 1. dereceden bir pasif filtrenin empedans-frekans eğrisi mavi renkte, bu filtrenin şebeke ile paralellenmesinden oluşan empedans-frekans eğrisi ise kırmızı renkte verilmiştir. Görüldüğü üzere 150Hz de seri rezonans, yaklaşık 135Hz de ise paralel rezonans bulunmaktadır. Bazı hatalı tasarım durumlarında ya da kullanılan malzemeler yaşlandıkça paralel rezonans noktası belli bir harmoniğe denk gelebilir. Eğer yük bu harmonik akımdan üretiyorsa çok ciddi gerilim yükselmesi problemleri ortaya çıkacaktır. GK&HF_v1.0 Sayfa 8 / 13
Öte yandan, paralel rezonans noktasının bir harmoniğe denk gelmemesi durumunda dahi bazı özel yükler için gerilim yükselmesi ve paralel rezonans problemi gözlemlenebilir. Bu durum interharmonik olarak adlandırılan temel bileşenin tam olmayan katlarında görülen akımların yük tarafından şebekeden çekilmesi durumunda gözlemlenebilir. Bkz. Đnterharmonikler. Şekil 1.1-3 Üçüncü Harmonik Pasif Filtresinin Empedans-Frekans Eğrisi Orta Gerilim (OG) seviyesinde reaktif güç kompanzasyonu amacıyla kurulan Kondansatör+Reaktör bankaları aynı zamanda şebekede harmonikli bileşenler varsa bunların süzüleceği frekanslara akort edilerek kullanılmaktadır. Endüstride genelde 3. derece hariç yukarıda gösterilen diğer filtre topolojilerini gözlemlemek mümkündür. Bu filtrelerin temel avantajları ucuz olmalarıdır ancak kullanılan pasif devre elemanlarının zamanla değişmesinden kaynaklanan karakteristik değişimleri ise bu yapıların en önemli sorunudur. 1.1.5.2 Aktif Filtreler Pasif filtreler R, L ve C tabanlı filtreler olup daha çok şebekedeki bir adet harmonik bileşeni süzmeye yarayan yapılardır. Zamanla bu pasif devre elemanlarının değerlerinin değişmesiyle filtrenin karakteristiği değişebileceğinden istenmeyen sonuçlar oluşabilir. Pasif filtrelerin bu GK&HF_v1.0 Sayfa 9 / 13
dezavantajlarından dolayı günümüzde yarı-iletken anahtarların kullanıldığı evirgeç tabanlı ve birden fazla harmoniğin süzülebildiği aktif filtre yapıları geliştirilmiştir. Aktif filtrenin temel mantığı şebekede temel frekans dışında kalan akım dalga şekline 180 derece ters fazda aynı ya da standartlarda belirtilen limitlerin altında kalacak şekilde uygun genlikteki harmonikli bileşenlere sahip akım dalga şeklini şebekeye basmaktır. Bu şekilde harmonik kaynağı olan yüklerin, bağlandıkları Ortak Bağlı Noktasında (OBN-PCC) standartlarda belirtilen limitlerin altında harmonikli akım basmaları mümkün hale gelmektedir. Şekil 1.1-4 Aktif Filtre Çalışma Prensibi Aktif Filtreler günümüzde AG seviyesinde uygulanmaktadır. Temel dezavantajları pahalı olmalarıdır. 1.1.5.3 Hibrid Filtreler Hibrid Filtreler pasif ve aktif filtrelerin seri ya da paralel olacak şekilde beraber kullanılmasından oluşan yapılardır. Temel avantajı aktif filtrelere göre daha ekonomik olmalarıdır. 1.1.6 Đnterharmonikler Đnterharmonikler temel bileşenin tamsayı olmayan katlarında görülen bileşenlerdir. Örneğin 89Hz de bir interharmonikten bahsetmek mümkündür. Đnterharmonik akımlar bazı özel yükler tarafından üretilirler. Bu yükler arasında endüksiyon, ark ve pota ocakları, frekans dönüştürücüler ve dengesiz çalışan doğrultucular yer alır. Bu tür yüklerin bulunduğu bölgelerde ayrıntılı ölçümler yapılıp, bulunan interharmonikler ve miktarları belirlenmeden, kompanzasyon ve pasif filtreleme yöntemlerinin kullanılması felaketle sonuçlanabilir. Detuned filtreler de bu tür yüklerle paralel bağlandıklarında sorun oluşturabilirler çünkü filtre ve GK&HF_v1.0 Sayfa 10 / 13
şebekenin paralel rezonans noktası, yük tarafından üretilen bir interharmonik akımın frekansıyla çakışabilir. Bu konu ile ilgili yeterince bilgi sahibi olmadan yapılan çalışmalara rastlanmaktadır. Sonuçta filtrasyon yapılması beklenirken tam tersi oluşup interharmonikler arttırılabilir ve yapılan ölçümlerin hassasiyeti ve interharmonik değerlendirmeleri doğru olmazsa bu interharmonikler de harmonik olarak algılanıp kullanıcıyı yanlış yönlendirebilirler. 1.1.7 Kırpışma Kırpışma ( Flicker ) temel olarak aydınlatma ışıklarında insan gözüne rahatsızlık veren frekansta ve genlikte titreme oluşması olarak tanımlanmaktadır. Gerilim seviyesinin sürekli olarak inip çıkması lambaların yaymakta olduğu ışığın şiddetini aynı şekilde etkilediği için göze rahatsızlık vermektedir. Literatürde insan gözünü en çok rahatsız eden değişim frekansının 8.8Hz olduğu belirtilmektedir. Bu değer periyot olarak yaklaşık 114 milisaniyeye denk gelmektedir. Basit bir şekilde ifade etmek gerekirse, evlerimizde kullandığımız ampüller ele alındığında, bahsi geçen periyodun yarısı olan 57 milisaniye boyunca şebeke gerilimi 230V, kalan 57 milisaniye boyunca da 220V olarak değişiyorsa, aydınlatma şiddetinde oluşacak değişim insanı en çok rahatsız eden frekansta gerçekleşiyor demektir. Kırpışmanın en çok gözlemlendiği yerler, yakınlarında endüstriyel büyük ve hızlı değişen yüklerin olduğu yerleşim yerleridir. Bu tarz yüklere en güzel örnek demir-çelik fabrikalarıdır. Bu fabrikalarda bulunan hızlı değişen yükler kırpışma oluşturarak yakında bulunan ve aynı enerji hattı üzerinden beslenen yerleşim yerlerinde bulunan insanlara rahatsızlık vermektedir. Đnsanlar üzerinde gözlemlenen rahatsızlıklar baş dönmesi ve sinirlilikten başlayıp sara nöbetlerine kadar varmaktadır, dolayısıyla standartlarda kırpışma değerlerinin her gerilim seviyesi için belli limitler içerisinde tutulması gerektiği belirtilmiştir. Bu konu ile ilgili IEC 61000-4-15 en yaygın olarak benimsenen standarttır. Bu standarda göre kısa dönem P st (10 dakikalık) ve uzun dönem P lt (2 saatlik) olmak üzere iki değer tanımlanmıştır ve yakın bir zaman içerisinde enerji iletim ve dağıtım şirketlerinin, bu değerlerin limitleri aşmasına sebep olan müşterilere cezai bir yaptırım uygulamaya başlaması beklenmektedir. Kırpışma ile interharmonikler esas olarak birbirleriyle ilintili konulardır. Đnterharmonik akımların bulunması ve yük tarafından çekilen bu interharmonik akımların hem temel bileşenin hem de harmoniklerin +/-8Hz komşuluğunda bulunması durumunda, kırpışmanın da GK&HF_v1.0 Sayfa 11 / 13
oluşması kaçınılmazdır. Kırpışmanın çözülebilmesi için en yaygın olarak kullanılan yöntem Tristör Kontrollü Reaktör (TCR) ile paralel bağlı Pasif Harmonik Filtre Sistemleridir (SVC). Bu sistemler sayesinde yükte oluşan çok hızlı reaktif güç talebine anında cevap verilebilmekte ve bara gerilimi daha kararlı bir şekilde korunabilmektedir. 1.1.8 RPS Mühendislik Tarafından Sunulan Çözümler RPS Mühendislik, Güvenilir Güç Çözümleri üretmeyi ilke edinmiş bir firmadır. Bu doğrultuda AG ve OG konusunda her türlü Güç Kalitesi, Harmonik Filtre Tasarımı ve RGK projelendirme ve danışmanlık hizmetlerini vermektedir. Firma, Ülkemiz için AR-GE yapmanın önemini kavramış, yerli, güvenilir teknolojiler geliştirerek, yeni ürünler sunabilmenin heyecanı ve şevki içerisindedir. RPS Mühendislik, tamamen yerli AR-GE çalışmalarının ürünü olarak geliştirdiği, AG RGK kompanzasyonuna yönelik VarFast TSC modülünü müşterilere sunmaktadır. Bu modül kontaktörlü RGK sistemlerine göre aşağıdaki üstün özelliklere sahiptir: Geçici rejimsiz çalışma Hızlı devreye girip çıkabilme (En fazla 20ms tepki süresi) Anahtarlama sırasında akım veya gerilim harmoniği oluşturmama Sessiz çalışma Kolay monte edilebilme Deşarj dirençlerine ihtiyaç duymama Şebekeden kaynaklanan yüksek gerilimlere karşı koruma özelliği Tamamen yazılım temelli kontrol yöntemi değişiklik yapılabilme kolaylığı Akademik çalışmalar sonucunda geliştirilmiş özgün anahtarlama ve kontrol yöntemi Bu modül AG tüm kondansatör anahtarlamalı sistemlerde güvenilirlikle uygulanabilmektedir. Bunun yanı sıra hızlı kompanzasyon gerektiren uygulamalarda ve kontaktörlü sistemin oluşturduğu geçici rejimden etkilenen hassas yüklerin olduğu uygulamalarda VarFast TSC GK&HF_v1.0 Sayfa 12 / 13
modülü hassas kompansazyon ihtiyaçlarını güvenle karşılayacaktır. Modülün uygulama alanları: Hızlı değişen AG yükler Tekstil Endüstri Ark ve Pota Ocakları Punto Kaynak Sistemleri ve Hassas AG yükler Motor Sürücülerinin kullanıldığı sistemler CNC tezgahları UPS in bulunduğu sistemler ve Diğer yavaş değişen her türlü AG yüklerdir. Ayrıntılı bilgi için lütfen www.rps.com.tr adresini ziyaret ediniz. Her türlü soru, öneri ve bilgi talepleriniz için lütfen temas kurunuz. GK&HF_v1.0 Sayfa 13 / 13