T.. MARMARA ÜNİERSİTESİ FEN BİİMERİ ENSTİTÜSÜ EEKTRİK ENERJİ SİSTEMERİNDE OUŞAN HARMONİKERİN FİTREENMESİNİN BİGİSAYAR DESTEKİ MODEENMESİ E SİMÜASYONU Mehmet SUU (Teknk Öğretmen, BS.) YÜKSEK İSANS TEZİ EEKTRİK EĞİTİMİ ANABİİM DA EEKTRİK EĞİTİMİ PROGRAM DANŞMAN Doç.Dr. Kory TUNÇAP İSTANBU 3
BÖÜM HARMONİKERİN FİTREENMESİ.. GİRİŞ Elektrk enerj sstemler üzernde olumsuz etkler görülen hrmonklern yok edlmes vey zrrsız hle getrlmes gerekmektedr. Bunu çn k frklı yöntem vrdır. Bunlrdn rns, hrmonk üreten elemnlrın mltı sırsınd yısının hrmonk üretmeyeek vey çok z üreteek şeklde tsrlnmsı vey şeekeye ğlntılrının uygun şeklde yılmsıdır. Bu yöntem tsrım sırsınd lınleek önlemler olrk smlendrlelr. İkn yöntem se, hrmonklern üretldkten sonr yok edlmesdr. Bu yöntem de, hrmonklern fltrelenmes olrk smlendrelrz. Bu tez çlışmsının sıl konusu hrmonklern fltrelenmes olduğundn, hrmonklern gderlme yöntemlernden rns oln tsrım sırsınd lınleek önlemlerden yüzeysel olrk hsedleektr. Tsrım sırsınd lınleek önlemlern her rs yrı r tez çlışmsı ltınd neleneleek konulrdır. Hrmonklern gderlmesnn kn yolu oln fltreleme konusun se yrıntılı olrk deynleektr.
.. TASARM SRASNDA ANABİEEK ÖNEMER Tsrım sırsınd lınleek önlemler k n şlık ltınd tolnlr. Brns, hz ml edlrken yısının hrmonk üretmeyeek vey z üreteek şeklde tsrlnmsıdır. Dğer se, hzın elektrk enerj sstemne ğlnmsı sırsınd değşk ğlntı şekller kullnılrk ürettğ hrmonğn şeekeye verlmemesn vey z ornd verlmesn sğlmktır. Bölüm de hrmonk üreten kynklr yrı yrı nelenrken her hrmonk kynğı çn hrmonk üretmemes çn lınleek önlemlere değnlmştr. Bu yüzden u ölümde u önlemlerden hsedlmeyeektr..3. HARMONİK FİTREERİ Hrmonklern oluşturduğu zrrlı etkler engelleyelmek çn tsrım sırsınd lınleek tedrler yeterl değldr. Tsrım sırsınd lınleek tedrlere lveten hrmonk kımlrının şeekeye geçmesn engellemekte hrmonkler engellemenn r dğer yöntemdr. Bunun çn ssteme lve edlmes gereken ek devrelere htyç vrdır. Elektrk enerj sstemne yerleştrlen ve stenlen hrmonk kımlrının süzülmesn sğlyn u devrelere Hrmonk Fltres denr. [8,9] Hrmonk fltrelernn mı kım vey gerlmdek hrmonk merteelernn etklern zltmktır. çeşt hrmonk fltres mevuttur. Bunlr; Psf fltre ve Aktf fltredr..4. PASİF FİTREER Psf fltreler, kynk le lıı rsın konuln ve temel frekns dışındk leşenler yok etmek çn tsrlnn, kondnstör ( ), endüktns ( ) durumlrd drenç ( R ) elemnlrındn oluşn devrelerdr. ve zı Psf fltreler, ser sf fltreler ve rlel (şönt) sf fltreler olmk üzere kend çersnde kye yrılır. Ayrı uygulmd çok krşılşıln r dğer sf fltre türü de sstemde ulunn komnzsyon sstemne ser endüktns ğlmktır.
.4.. Ser Psf Fltreler Ser fltreler dındn d nlşılğı g, kynk le hrmonk üreten elemn rsın ser olrk ğlnn endüktns ( ) elemnındn oluşmktdır. Ser ğlnn u emedns, X = π f (.) formülüne göre hrmonk freknslrın yüksek emedns göstererek onlrın geçşlern engeller. Temel freknst se düşük emedns gösterrler. Ser fltre uygulmsın örnek r devre Şekl. de verlmştr. Ser fltreler uygulmd; A motor sürüü devrelernn ve yüksek güçlü A/D nverterlern önlernde kullnılır. Ser fltrelernn uygulnmsındk zorluk; tüm yük kımı fltre üzernden geçmekte, tm ht gerlmler çn ylıtılmsı gerekmekte ve htt gerlm düşümüne see vermesdr. [9] Ser Psf Fltre R NONİNEER YÜK Şekl.. Ser Psf Fltre İçn Br Örnek.4.. Prlel (Şönt) Psf Fltreler Prlel (şönt) sf fltreler, hrmonk kynğı le şeeke rsın kondnstör ( ), endüktns ( ) ve zı durumlrd drenç ( ) R elemnlrının rlel olrk ğlnmsındn oluşn devrelerdr. Prlel sf fltrelerde mç, yok edlmek stenen hrmonk freknsı çn rezonns geleek, değerler heslyrk u devrey güç sstemne ğlmktır. Her r hrmonk freknsı çn yrı rezonns kollrı oluşturulrk u kollrın güç sstemne ğlnmsı gerekmektedr. Ank u şlem en etkn yn
genlk değer yüksek hrmonk freknslrı çn yılmlıdır. Her hrmonk leşen çn yrı r rezonns kolu oluşturmk otmum r çözüm olmyğındn sdee genlk değer yüksek hrmonk freknslrı çn rezonns kolu oluşturulmlı, genlğ yüksek olmyn hrmonk freknslrı çn se unlrın etknlğn zltk tek r rezonns kolu oluşturmk yeterl olktır. [9] Psf fltre çn örnek r devre (Tek yrlı rlel sf fltre) Şekl. de görülmektedr. R R R R 3 5 7 9 NONİNEER YÜK 3 5 7 9 3 5 7 9 3. Hrmonk 5. Hrmonk 7. Hrmonk 9. Hrmonk Prlel (Şönt) Psf Fltre Şekl.. Psf Fltre İçn Br Örnek (Tek Ayrlı Prlel Psf Fltre) Burd; R n : n. hrmonk mertees çn rezonns getrlen kste ve endüktns elemnının ç dren (Ω), X n : n. hrmonk mertees çn kste elemnı le rezonns sokuln endüktns (Ω), X n : n. hrmonk mertees çn endüktns elemnı le rezonns sokuln kstnsdır (Ω). Şönt fltrelern kullnılmsının en üyük skınsı, güç sstemyle rlel rezonns grelmesdr. Bu yüzden güç sstemne rlel sf fltre uygulnmdn öne sstemn yrıntılı r nlznn yılmsı gerekmektedr. 4 frklı rlel sf fltre çeşd vrdır;
Tek yrlı (nt geçren) fltreler, Çft yrlı fltreler, Otomtk yrlı fltreler, Yüksek geçren sönümlü fltreler..4.. Tek Ayrlı (Bnt Geçren) Fltreler Tek yrlı (nt geçren) fltreler, tek r freknstk hrmonk kımı çn r kıs devre yol oluşturrk u kımın httn stırılmsını sğlr. [9] Tek yrlı fltreler ser R devresnden meydn gelr. Tek yrlı fltre örneğ Şekl.3 de görülmektedr. Br R Şekl.3. Tek Ayrlı Prlel Psf Fltre Tek yrlı fltrenn, temel freknst ve yrlndığı hrmonk frekns dışındk hrmonk freknslrındk fltre emednsı, Z T = R j ( X ) X = R j πf n πf n (.) şeklndedr. Bu fltrenn çlışm rens, stenen hrmonk freknsınd fltrenn rezonns gelerek X = X şrtının sğlnmsıdır. Bu durumd fltre emednsı (yrlndığı hrmonk freknsındk emednsı), Z T = R (.3)
olur. Yn fltre yrlnn frekns çn mnmum emedns değern gösterr ve yrlnn freknstk hrmonk torğ kr. Tek yrlı fltrenn frekns-emedns lşks Şekl.4 de görülmektedr. Z (ohm) Z=R f f (Hz) Şekl.4. Tek Ayrlı Prlel Psf Fltre İçn Frekns-Emedns İlşks Burd, Z T : Temel freknst ve yrlndığı hrmonk frekns dışındk hrmonk freknslrınd tek yrlı fltrenn emednsı (Ω), R : Tek yrlı fltredek endüktns ve kstnsın ç dren (Ω), X : Tek yrlı fltrenn endüktf rektnsı (Ω), X : Tek yrlı fltrenn kstf rektnsı (Ω), f n : n. hrmonkde k frekns (Hz), : Tek yrlı fltrenn endüktnsı (H), : Tek yrlı fltrenn kstnsı (F), Z T : Tek yrlı fltren stenen hrmonkde rezonns gelmes sonuu oluşn emedns (Ω), f : Tek yrlı fltrenn yrlndığı hrmonk freknsı, yn rezonns freknsıdır (Hz). Tek yrlı fltre ser rezonns lkesne göre çlıştığı çn u fltrelerde X = X şrtı rnmktdır. Bu X ve X değerler ssteme uygun seçlmeldr. Tek yrlı fltreler ssteme uygulndığınd fltredek kste, sstemn temel
freknsı ve yrlnn hrmonk freknsı dışındk freknslrd sstemde komnzsyon etks göstereeğnden fltre heslnırken, fltrede kullnılk kste değer sstemn komnzsyon htyını krşılyk değerde elrlenmel ve dh sonr u değerle rezonns geleek endüktns değer heslnmlıdır. [9] Bu heslmlr şğıdk sır le gerçekleştrlmeldr. Önelkle sstemn rektf güç htyı elrlenmeldr. Bunu çn, ( tnϕ ϕ ) Q = P tn (.4) formülünden yrrlnılır. Burd, Q : Sstemn stenlen güç fktörü değerne ulşlmes çn ssteme ğlnmsı gereken kondnstörün güü (r), P : Sstemn tolm ktf güü (W), tnϕ : Sstemn komnzsyon yılmdn önek güç şısının tnjntı, tnϕ : Sstemde komnzsyon uygulndıktn sonrk elde edlmek stenen güç çısının tnjntıdır. Denklem.4 den heslnn komnzsyon güünden sonr, U = (.5) Q X T formülünden ssteme ğlnmsı gereken kondnstörün kstf rektnsı elrlenmeldr. Burd, X T : Ssteme ğlnmsı gereken kstf rektns değer (Ω), U : Sstemn çlışm gerlmdr (). Ssteme ğlnmsı gereken kstf rektns değer heslndıktn sonr u değer; sstemdek etkn hrmonk merteelerne göre yrı yrı yrlnn tek yrlı fltrelere, üzerlernden kk kımlr göre orntılı olrk dğıtılmlıdır. Dh
sonr her fltre kdemes çn lnen X değerne krşılık gelen X değer fltrenn yrlndığı hrmonk freknsın göre hes edlerek ssteme monte edlmeldr. verlmştr. Tek yrlı fltreye t hes örneğ ve smülsyon çlışmsı son ölümde Tek yrlı fltrelern olumlu özellkler şunlrdır: Eğer stenerek eklenmş r drenç yoks kyılr çok zdır. Ayrlnn hrmonk freknsı çn hrmonk kımın sıfır ykın r emedns gösterr. Fltre edleek rden fzl hrmonk kımı çn rden fzl fltre rlel kullnıllr. Tek yrlı fltrelern olumsuz ynlrı se: Hsss yıln heslmlrındn dolyı fltrey oluşturn elemnlrın değernde zmnl oluşn değşmelere krşı oldukç duyrlı olmsıdır. Bu durum lve kondnstör ve drenç değerler le gderlelr. Tek yrlı fltreler sdee güü st oln nonlneer yüklü sstemlerde kullnıllr. Çünkü, üzerlerndek kste değerler değşken olmdığındn sstemdek endüktf yükler klktığındn kondnstörler devrede klmy devm edeeğnden u durumd şırı komnzsyon oluşlr. ey nonlneer yüklerden r kısmı devreden çıktığınd, örneğn sstemdek 5. hrmonğn üyük r kısmını oluşturn yük devreden çıktığınd 5. hrmonğ süzen tek yrlı fltre kolu sstemde klğındn u kol enerj kyın yol çktır. Bu yüzden u fltreler st nonlneer yüklern ulunduğu sstemlerde kullnılmlıdır. St yük devreden çıktığınd tek yrlı fltrelerde devreden çıkrılmlıdır..4.. Çft Ayrlı Fltreler Çft yrlı fltrenn eşdeğer emednsı k det tek yrlı fltrenn eşdeğer emednsı le ynıdır. Çft yrlı fltre k frklı hrmonğ elmne edelr. Çft yrlı fltre Şekl.5 de gösterlmştr. Tek yrlı fltre le krşılştırıldığınd temel freknstk güç kyının z olmsı u fltrelern en öneml özellğdr.
Br R R R 3 Şekl.5. Çft Ayrlı Prlel Psf Fltre Çft yrlı fltrelern frekns-emedns lşks Şekl.6 d verlmştr. Burdn d görülmektedr k Çft yrlı fltrenn k frklı rezonns noktsı vrdır (k det tek yrlı fltrenn rleşmnden meydn gelmesnden dolyı). [9] Üç ve dört yrlı fltrelerde tsrlmk mümkündür, nk unlr yr zorluklrındn dolyı kullnılmzlr. Z (ohm) f f f (Hz) Şekl.6. Çft Ayrlı Prlel Psf Fltre İçn Frekns-Emedns İlşks
.4..3 Otomtk Ayrlı Fltreler Bu fltrelern yrlnlr olmsı, hem kstenn hem de endüktnsın otomtk olrk yrlnmsı le gerçekleştrlelr. Bu yrın sınırlrı m % 5 g r değerdr. Bu fltreler, rektf güü ölçen ve u güün şretne ve üyüklüğüne göre ve değerlern kontrol eden r kontrol sstemnden oluşmktdır. [9].4..4 Yüksek Geçren Sönümlü Fltreler Yüksek geçren fltreler, elrl r freknsın üzernde düşük emedns gösteren fltrelerdr. Bu fltrelern tek yrlı fltreler le rlkte kullnılmsı uygundur. Tek yrlı fltreler yüksek genlk değerne sh düşük hrmonk freknslrını her hrmonk çn frklı rlel kollrl süzerken, yüksek geçren fltreler genlk değer düşük yüksek hrmonk freknslrını tek r rlel kol yrdımı le süzerler. 4 frklı çeşt yüksek geçren fltre mevuttur, unlrın rrlerne göre çeştl vntjlrı ve dezvntjlrı vrdır. Yüksek geçren fltre çeştler Şekl.7 de verlmştr. Br Br Br Br R ( ) ( ) R R R ( ) ( d ) Şekl.7. Yüksek Geçren Sönümlü Fltreler () Brn Deree, () İkn Deree, () Üçünü Deree, (d) T Brn dereeden yüksek geçren sönümlü fltre; üyük r kondnstör güü gerektrdğnden ve temel freknst şırı r ky see olduğundn terh edlmezler.
İkn dereeden yüksek geçren sönümlü fltre; en y fltreleme erformnsın sh oln fltredr. Fkt, Üçünü dereeden fltre le krşılştırıldığınd dh yüksek temel frekns kyılrın shtr. Üçünü dereeden yüksek geçren sönümlü fltre; kn dereeye göre en üyük vntjı, kondnstöründen dolyı temel freknst emednsının rtmsın krşılık u freknst kyılrı öneml ölçüde zltılmış olmsıdır. t yüksek geçren sönümlü fltre; u fltrenn fltreleme erformnsı, kn ve üçünü dereen fltrelern fltreleme erformnsı rsınddır. Temel vntjı, ve ser olrk ğlndığındn temel freknst kyılrının düşük olmsıdır. Bu t fltreler, temel freknstk değşmelerne krşı oldukç hssstır. smlr ve elemnlrın değerlernn zmnl Yüksek geçren sönümlü fltrelerde elemnlrın seçm tek yrlı fltrelerdek g yılır. Ank, yüksek geçren sönümlü fltrelerdek drenç değern heslylmek çn klte fktörü dınd r eştlğn tnımlnmsı gerekmektedr. Bu eştlk, R R K = = (.6) X X şeklndedr. Burd; (Ω), K : Klte fktörü (,5 le rsınd st r ktsyı), R : Yüksek geçren sönümlü fltrede kullnılk drenç değer (Ω), X : Yüksek geçren sönümlü fltrede kullnıln endüktf rektns değer X : Yüksek geçren sönümlü fltrede kullnıln kstf rektns değerdr (Ω). Yüksek geçren r fltrenn frekns-emedns lşks Şekl.8 de verlmştr. Burdn d görülmektedr k fltre elrl r freknsın üzernde düşük emedns göstererek yüksek merteel hrmonklern sstemden uzklşmsını sğlmktdır. []
Z (ohm) f f (Hz) Şekl.8. Yüksek Geçren Sönümlü Prlel Psf Fltre İçn Frekns-Emedns İlşks.4.3. Komnzsyon Sstemne Ser Endüktns Bğlmk Bu yöntem hrmonkler önlemede en etksz yöntemlerden rdr. Ank en uuz ve en kullnışlı olnıdır. Bu yöntemn rens şemsı Şekl.9 d verlmştr. Trnsformtör Ser Endüktns İNEER YÜKER NONİNEER YÜKER Komnzsyon Sstem Şekl.9. Komnzsyon Sstemne Ser Endüktns Bğlmk Hrmonklern, elektrk enerj sstemlerndek gözle görülen en üyük etks komnzsyon sstemler üzernde meydn gelmektedr. Hrmonkler kondnstörlern kstesnde değşmelere yol çmkt ve ömürlern zltmktdır. Bu etkler zltlmenn en rtk ve en ekonomk yolu komnzsyon sstemne
ser endüktns ğlmktır. Böylee, hrmonkl kımlr krşı ser endüktns syesnde yüksek emedns gösterlerek komnzsyon sstemne geçmes önlenmekte ve u ser endüktnsl komnzsyon sstemnn kstnsı r fltre görev görerek hrmonklern etknlğn zltmktdır. Bu sstemler tess edlrken seçleek oln endüktnslr, her frmnın kend endüktnslrı çn hzırldığı tlolr kılrk krr verlmektedr. Bu seçm çn zı krterler vrdır. Bunlrın en önemls fktörüne krr vermektr. Bu fktör; X X = (.7) eştlğnden elrlenmektedr. Burd; X : Komnzsyon ser ğlnk oln endüktnsın temel freknstk endüktf rektnsı (Ω), (Ω). X : Komnzsyon sstemnn temel freknstk kstf rektnsıdır fktörü sstemde etkn oln hrmonk dereesne göre seçlmeldr. Örneğn; sstemde 3. hrmonk skın se u sstem 89 Hz de rezonns getreek (endüktns ve komnzsyon sstem rsındk ser rezonns) değer %7 oln endüktnslr seçlmeldr, sstemde 5. hrmonk skın se u sstem Hz de rezonns getreek değer %5,67 oln endüktnslr seçlmeldr. Bundn mkst, örneğn 3. hrmonğ skın oln sstemde sstem 3. hrmonğn freknsı oln 5 Hz de rezonns getrrsek u durumd 3. hrmonğn ütün genlğ komnzsyon sstemne kktır, ud komnzsyon sstemne zrr vereektr. Bu yüzden sstem, sstemde mevut oln skın hrmonğn freknsın ykın freknslrd rezonns getrlmekte ve öylee sstemde skın oln hrmonğn genlğ öneml ölçüde zltılmktdır. Bu, skın olmyn dğer hrmonk merteeler üzernde de etk göstereeğnden sstemdek THD sevyes öneml ölçüde düşeektr. Yukrıd hsedlen, 3. hrmonk çn 89 Hz, 5. hrmonk çn Hz değerler zmnl uygulmdn kznıln terüelerden elde edlmş verlerdr. Tlo. de Hlkr Elektroteknk td. Şt. den lınn komnzsyon sstem çn endüktns seçm tlosu verlmştr.
Komnzsyon sstemne ser ğlnn endüktnslr, komnzsyon uçlrındk gerlmn r mktr yükselmesne see olmktdır. Bunun see, komnzsyon sstemnden kn kım sınırlndırıldığındn zldığı çn uçlrındk gerlm yükseleektr (güün st klmk stemesnden dolyı). Bu yüzden sstem çn seçlen kstnslr şeeke gerlmnden dh üyük gerlmlere dynıklı olmlıdır. Bu; U U = (.8) le heslnlr. Burd; U : Kstns gerlm (), U : Şeeke gerlm (), : Denklem.7 de tnımlnn st değer. Tlo.. Komnzsyon Sstemne Ser Bğlnk Endüktnslr İçn Seçm Tlosu [3] Kondnstör Güü (kar) 5 Hz. Kondnstör Kstes Bonn Endüktnsı (mh) Nomnl Akım (A) Rektörün Güü (W) (μf) 4 44 55 =%5,67 =%7 5 6 9,6 3x33 6, 7,66 7,65 5 7, 3x66 3,6 3,84 5,3 65 5 8 5,8 3x89,4,56 3 76 4 34,4 3x33,53,9 3,6 5 3, 43 3x66,,53 38 3 3 36,3 5 3x86,,8 46 4 4 48,4 68 3x66,76,96 6 5 5 6,5 86 3x333,6,77 76,5 6 Şeeke gerlm 4 oln r sstemde değer %5,67 oln r endüktnslr seçlmşse, u durumd kstnslrın gerlm 45 seçlmeldr. Ank, 45 d çlışleek şeklde seçlen kstnslr üzerlernde yzılı oln rektf güü u gerlm ltınd verelrler. Eğer kstnslr dh düşük gerlm le çlışırlr se yen güçler, U Q Q U = (.9)
le heslnmlıdır. Burd; Q : Komnzsyon sstemnn nomnl çlışm gerlm ltınd üreteeğ rektf güç (Ar), Q : Gerlmn değşmes sonuund komnzsyon sstemnn üreteeğ rektf güç (Ar), U : Komnzsyon sstemnn nomnl çlışm gerlm (), U : Değşen gerlmn değerdr (). Ayrı, komnzsyon sstem ser ğlı rektörlern tükettğ Q = 3 (.) X rektf güç kdr dh z rektf güç ssteme vereektr. Burd; Q : Ser endüktnslrın tükettğ rektf güç (Qr), : Ser endüktns üzernden kn kım (A), X : Ser endüktnsın temel freknstk endüktf rektnsıdır (Ω). Hrmonklern elmne edlmes çn kullnıln, komnzsyon sstemne ser rektns ğlmy t smülsyon örneğ son ölümde verlmştr..5. AKTİF GÜÇ FİTREERİ Elektrk enerj sstemlerndek hrmonklern gderlelmes çn, düşük mlyetler yüzünden çoğunlukl sf fltreler kullnılmktdır. Ank uygulmd sf fltrelern rçok dezvntjı vrdır. Bunlr; Fltrede kullnıln elemnlrın (kondnstör, on ve drenç), zmnl değernde smlr olğındn ve un ğlı olrk fltrenn yr freknsı d sğındn fltreleme şlevnde zlmlr olur, Zmnl sstemdek nonlneer yükler rttığınd fltre un ğlı olrk şırı yüklenerek zrr görelr, Güç sstemndek elemnlrl fltre elemnlrı rsınd frklı hrmonk freknslrınd ser vey rlel rezonns meydn gelelr,
Bu olumsuz etklerden dolyı, lerleyen yrı letken teknolojs ve kontrol sstemler syesnde Aktf Güç Fltreler gelştrld. Aktf güç fltreler, güç sstemnde nonlneer yüklern ürettğ hrmonklerle ynı genlkte fkt ters fzd r kımı güç sstemne enjekte ederek çlışır. Bunu ylmek çn, güç elektronğ nhtrlm elemnlrını ve sstemdek hrmonkler elrleyerek nhtrlm elemnını sürelmek çn çeştl kontrol düzenler kullnır. Aktf güç fltreler le ssteme enjekte edlen kım, sstemdek hrmonklern etknlğn zltır. Bu, nonlneer yüklern şeekeden çekmek stedğ hrmonklern ktf güç fltres le krşılnmsı nlmın gelr. Aktf güç fltreler sstemdek hrmonkler yok etmek çn kullnılmsının ynınd, rektf güç komnzsyonu, gerlm ve kım dengeszlkler, nötr kımı komnzsyonu ve şeeke gerlmnn regülsyonu çnde kullnılırlr. [3,3].5.. Aktf Fltre İle Psf Fltrenn Krşılştırılmsı Aktf fltre le sf fltrey krşılştırıldığınd, ktf fltrenn sf fltreye nzrn üstünlüklern mddeler hlnde şöyle sırlylrz; Aşırı yüklenme rsknn olmmsı, Her türü yük durumu çn uyumluluk, Sstemdek nonlneer yüklern rtmsı sonuund ktf fltrenn de üyütülmes koly ve rtk, Tüm hrmonkler yd seçlen hrmonkler tümüyle yok edlelr, Sstemle rezonns grmes mümkün değldr. [9,3] Aktf fltre len sf fltrenn çeştl durumlrdk dvrnış çmler krşılştırmlı olrk Tlo. de verlmştr..5.. Aktf Fltre Türler Aktf fltreler, ser ve rlel ktf fltreler olmk üzere kye yrılır..5.. Prlel Aktf Fltre Prlel ktf fltre dındn d nlşılğı g ssteme rlel ğlı olrk çlışır. Yükün çektğ hrmonkl kımlrı tnımldıktn sonr unlrl ynı genlkte
fkt ters fzdk kımlrı ssteme enjekte eder. Prlel ktf fltre, kım kynğı g dvrnn nonlneer yükler çn etkldr. Prlel ktf fltre kım le lgl komnzsyonlrı (rektf güç komnzsyonu, kım dengeszlkler) yr. [9,3] Prlel ktf fltrenn yısı Şekl. d görülmektedr. Tlo.. Aktf Fltre İle Psf Fltrenn Krşılştırılmsı [9,3] KONU PASİF FİTRE AKTİF FİTRE Aynı nd rçok Hrmonk Akımlrının Her hrmonk freknsı hrmonk kımının Kontrolü çn r fltre ster kontrolü mümkündür Hrmonk freknslrının değşmnn etks Fltrenn etknlğ zlır Etklenmez Emedns modfksonu etks Rezonns rsk vrdır Etklenmez Akım Yükselmes Rsk Aşırı yüklenme ve Aşırı yüklenme rsk Ssteme yen yük lve edlmes Sstemdek temel dlgnın frekns değşm Boyutlr ve ğırlık Mlyet ozulm rsk vrdır. Fltrenn değştrlmes gerekelr Ayrlnmsı mümkün değl (değştrlmes gerekr) Hrmonk genlğne ve dereesne göre çok değşken İlk mlyet çok düşük m kım yüksek yoktur Herhng r roleme yol çmz Ayr le uyum mümkün Oldukç küçük İlk mlyet çok yüksek m kım gerektrmez Kynk Nonlneer Yük Prlel Aktf Fltre Şekl.. Prlel Aktf Fltrenn Prens Şemsı
.5.. Ser Aktf Fltre Ser ktf fltreler ssteme r trnsformtör le ğlnır. Ser ktf fltre le gerlm hrmonkler elmne edlr. Hrmonkl gerlm kynğı g dvrnn kynklr çn etkldr. Ser ktf fltre le gerlme ğlı komnzsyonlr (gerlm dengeszlkler, dlglnmlrı ve regülsyonu) gerçekleştrlr. Yısı Şekl. de görülmektedr. [9,3] Kynk Nonlneer Yük Ser Aktf Fltre Şekl.. Ser Aktf Fltrenn Prens Şemsı.5.3. Aktf Güç Fltresnn Yısı Aktf güç fltres, dönüştürüü (PWM Genertörü), kım kontrol devres ve hrmonk elrleme loğu olmk üzere 3 n ölümden oluşmktdır. [3] Kynk k k y Nonlneer Yük f k y f f Hrmonk Belrleme Üntes Akım Kontrol Devres Dönüştürüü (PWM Genertörü) Şekl.. Aktf Güç Fltresnn Blok Şemsı [3]
Şekl. ye göre; k : Kynk gerlm (), k : Kynk kımı (A), y : Yük kımı (A), f : Aktf güç fltres kımı (A), f : kynk uçlrındk gerlm le fltre trfındn üretlen PWM (Dre genşlk modülsyonu) gerlm rsınd tmon görev gören endüktnstır ()..5.3. Dönüştürüü (PWM Genertörü) Bloğu Dönüştürüü loğu, kım eslemel vey gerlm eslemel dönüştürüü kullnılrk gerçekleştrlelr. Her k dönüştürüü çeşdnn rens şemsı Şekl 3 de verlmştr. Dönüştürüülerde htyç duyuln D kynk güü, y A devreden doğrultulrk yd yrı r kü-şrj devresnden lınır. Bu dönüştürüülerde yrı letken nhtrlm elemnı olrk, BJT (Bolr trnsstör), GTO (Gte Turn-off) ve son uygulmlrd GBT ( İzole kılı olr trnsstör) kullnılmktdır. Dengesz oln sstemlerde, mksmum esneklk ve erformns çn her z şın yrı yrı dönüştürüülern kullnılmsı uygundur. Gerlm vey kım eslemel dönüştürüü seçm, fytın, dstorsyon kynğın ve stenlen hrmonk dstorsyonu düzeltme mktrın ğlıdır.
Kynk k k f y Nonlneer Yük f Dönüştürüü (PWM Genertörü) () Gerlm eslemel dönüştürüü Kynk k k f y Nonlneer Yük Dönüştürüü (PWM Genertörü) () Akım eslemel dönüştürüü Şekl.3. Dönüştürüü Bloğunun Prens Şemsı [3].5.3... Gerlm Beslemel Dönüştürüü Uygulmd en çok kullnıln dönüştürüü çeşddr. Bu dönüştürüüler rlel ğlnrk norm değerler rttırıllr. Bunlrl yüksek freknst nhtrlm ymk mümkündür. Böylee nvertern güünü rttırmdn yüksek dereel hrmonkler elmne etmek mümkün olktır. Ayrı u dönüştürüüler kım eslemellere göre dh uuzdur ve dh z yer klrlr. En öneml dezvntjlrı kontrol sstemlernn krmşık olmsıdır. Özellkle, dönüştürüülern rlel ğlnmsı gerektğnde kontrol devresnn krmşıklığı dh d rtr. [3] Gerlm eslemel dönüştürüüler ütün sstem çn kolylıkl kullnıllr. Üç fzlı PWM dönüştürüünün n kım devres Şekl.4 de görülmektedr.
Q Q 3 Q 5 D A B YÜK Q 4 Q 6 Q Şekl.4. Gerlm Beslemel Üç Fzlı PWM Dönüştürüünün An Akım Devres [3] Q letme sokulduğund A uu, grş gerlmnn oztf uun ğlnır. Q4 uunun letme sokulmsı le de negtf uç A uun ğlnır. PWM de kullnıln GBT ler sürülme sırsın göre numrlndırılmıştır. Uygulmd GBT yerne dğer nhtrlm elemnlrı d kullnıllr (BJT, GTO v.). Fkt PWM dönüştürüülerde yüksek nhtrlm hızlrı gerektğnden, yüksek nhtrlm hızlrın sh olmlrındn dolyı GBT kullnılmsı dh uygundur..5.3... Akım Beslemel Dönüştürüü Akım eslemel dönüştürüülern yısı dh st ve dh güvenlrdr (kontrol devres gerlm eslemel dönüştürüülere göre dh st olduğundn). Kyılrının yüksek olmsı en öneml dezvntjlrıdır. Gerlm eslemel dönüştürüüler ütün sstem çn uygulnlrken, kım eslemel dönüştürüülern reysel yüklere uygulnmsı dh uygundur (kyılrının yüksek olmsındn dolyı). Üç fzlı BJT l kım eslemel nvertern n kım devres Şekl.5 de görülmektedr. İnverter grşndek A kynk ve üyük endüktnslı on ser ğlnrk r kım kynğı oluşturulmuştur. Belrl r nd üst ve lt kollrdn sdee rer BJT letmdedr. Akım eslemel dönüştürüüde grş kımı sınırlı ve kontrollü olduğundn, htlı tetklenmelere vey kıs devrelere neden olmz. Ters kım dyodun htyç klmdn rektf vey krşı gerlm üretme özellğ ulunn yükler esleyelr. Bunlr krşın rtkte kynklr st gerlml olduklrı çn, kım kynğı elde etmek çn nverter grşnde üyük değerl r one htyç vrdır.
A B YÜK D Şekl.5. BJT l Akım Beslemel Dönüştürüünün An Akım Devres [3].5.3. Akım Kontrol Devres Akım kontrol devresnn grşnde, hrmonk elrleme loğund elrlenmş referns fltre kım snyller ve fltrenn çıkış kım snyller (PWM genertörünün çıkış kım snyl), çıkışınd se dönüştürüüyü tetkleme snyller ulunur. Temel olrk çlışm rens, referns kım snyller le çıkış kım snyller rsındk frk şlenerek PWM genertörünün kı snyllernn üretlmesdr. Br kım kontrol devresnden, hızlı kım kontrolü ymsı ve nhtrlm sırsınd oluşn hrmonkler stırlmes özellkler eklenr. Temel olrk k frklı PWM kım kontrol metodu vrdır. Bunlr; hsterezs ve üçgen dlg metodudur. Son yıllrd DSP (Djtl snyl şleme) teknolojsnn gelşmesyle unlr rde Ded-et dı verlen r yöntemde lve edlmştr. [3].5.3... Hsterezs Metodu Bu kontrol metodu r ölü nt vey referns kım etrfınd hsterezs eğrden yrrlnn kontrolden oluşur. Bu metodun rens şemsı Şekl.6 d verlmştr. r t - f Şekl.6. Hsterezs Metodunun Prens Şemsı [3]
Burd; r : Hrmonk elrleme loğunun ürettğ referns kım (A), f : Aktf güç fltres kımı (A), t : PMW genertörünün tetkleme kımıdır (A). Referns kım le gerçek kım rsındk ht kım snyl ne zmn ndın dışrısın kyrs tetkleme kımı nd ger döndürmeye zorlyk şeklde çılır vey knır. Bu özellk kımı hızlı kontrol etmey mümkün kılr. En çok kullnıln metottur. Üçgen dlg metodun göre dh z nhtrlm kyı üretr. Anhtrlm freknsı, kyılr ve düzeltme mktrı nt genşlğnden etklenr. [3].5.3... Üçgen Dlg Metodu Gerçekleştrlmes en koly oln yöntemdr. Prens şemsı Şekl.7 de gösterlmştr. r K - - f t Şekl.7. Üçgen Dlg Metodunun Prens Şemsı [3] Burd; r : Hrmonk elrleme loğunun ürettğ referns kım (A), f : Aktf güç fltres kımı (A), t : PWM genertörünün tetkleme kımıdır (A). Şeklden de görüldüğü g K le yükseltlmş ht snyln tşıyıı r üçgen dlg le krşılştırm yoluyl PWM nhtrlm sırsını elrler. Böylee güç yr letken elemnlrının nhtrlm freknsı tşıyıı r üçgen dlgnın freknsın eşttr. Çıkış snyl PWM genertörüne uygulndığı zmn her r tşıyıı snyl fzı sırlı olrk kydırılır. Uygulnmsı sttr. En üyük dezvntjlrı, yüksek nhtrlm kyılrı ve yüksek freknslı dstorsyonlrdır. [3]
.5.3.3 Hrmonk Belrleme Üntes Hrmonk elrleme üntes ktf güç fltresnn en öneml kısmıdır. Yük kımındk hrmonkler yok eden komnzsyon kımını üretmek çn genel olrk k metot kullnılmktdır. Bunlr; - teors olrk d lnen n rektf güç metodu ve Fourer Ser (FFT) metodudur. [3] An güç metodund yük kımındk her r hrmonğn yrı yrı elrlenmesne htyç duyulmz. Bu metot nlık çlışır ve o nd ölçülen kımı tm snüs dlgsın tmmlyk r komnzsyon kımın üreten heslm devrelernden oluşur. Heslm çn yük kımını ve kynk gerlmn kullnır. Heslm çn z syıd leşene htyç duymsı ve ütün hrmonk leşenlern komnze etmes u metodun vntjlrı olrk syıllr. Ank çoğu durumd ütün hrmonk leşenlernn komnze edlmesne gerek yoktur. Stndrtlrd elrtlen hrmonklern yok edlmes çoğunlukl yeterl olktır. Bu metotl hrmonkler yrı yrı kontrol edlemez. [3] FFT metodu, frekns domenn de düzeltme olrk d lnr ve Fourer Anlz le hrmonkl dlg şeklnn eryodklğ rensne dynır. Bu metot örnek yük kımındk FFT nn erformnsı le yüktek hrmonk leşenlern yrı yrı elrler ve dh sonr ynı hrmonk leşenlerne sh ynı genlkte fkt ters fzd r kım dlgsı üretr. FFT heslmlrınd DSP (Djtl Snyl İşleme) kullnılmzs u metot rtk olmz. DSP kullnıldığı zmn le kontrolün zmn evı nlık güç metodun göre gözle görülür dereede uzun sürer. Bu yüzden FFT metodunu hızl değşen yükler çn kullnmk otmum olmyktır. Bu metot le stenlen hrmonk merteel yok edlelr. [3] FFT metodu, uygulm zorluğu, ev zmnının yüksek olmsı ve erformnsının düşük olmsı see le uygulmd ek kullnılmz. Bu seeten urd n rektf güç metodu yrıntılı olrk nltılk ve MATAB de smülsyonu gerçekleştrleektr. An rektf güç metodu lk olrk 983 yılınd H. Akg trfındn orty tılmıştır. Bu yöntem - teors olrk d lnmektedr. Bu teor, üç fzlı nötr htlı vey htsız güç sstemlernde nlık değerlere şlem yn r teordr. Akım ve gerlm dlg şekller çn hem krrlı hl hem de geç rejmde geçerldr. - teors koordntlrındk 3 fzlı kım ve gerlmlern
koordntlrın ersel dönüşümünden oluşur. Bu leşenler heslnır. [3-37] leşenlerden - n güç - teorsnn ktf fltre kontrolünde kullnılmsının zı öneml seeler şğıd sırlnmıştır; Üç fzlı sstem teorsnn ttın uygun oln r teordr, Herhng r üç fzlı ssteme uygulnlr (dengel vey dengesz, hrmonkl vey hrmonksz kım ve gerlme), Mükemmel dnmk ev sğlyn nlık değerlere dynır, Heslm devreler sttr (sdee ersel tnımlr çerr k unlrın uygulnmsı stndrt şlemlerle kolylıkl sğlnlr), Üç fzlı sstemlerde mtemtksel olrk n kım ve gerlmler le lglenmek çn u üyüklükler vektör olrk tnımlmk uygun olmktdır. Heslmlrı stleştrmek çn üç fz kım ve gerlmler Şekl.8 de k g düşünülmektedr. koordntlrınd,, ve eksenler rlrınd şeklde ynı düzlemde yer lırlr. An uzy vektörler ve o lk çı olk, eksenne yerleştrlrler ve unlrın genlkler ve (, ) yönler zmn ğlı olrk değşr. Aynı şeklde vektörler şğıdk g ve, eksenne, ve, eksenne yerleştrlrler. Bu uzy koordntlrın dönüştürülelrler. [3-37] = 3 3 3 (.) = 3 3 3 (.)
eksen eksen eksen eksen eksen Şekl.8. Dönüşümü [3] Burd ve eksenler rrne dk koordntlrdır., eksen,, eksen üzerndedrler. Bunlrın üyüklükler ve (, ) yönler zmn ğlı olrk değşr. Şekl.9 d Üç fzlı sstemde geleneksel nlık güç, koordntlrı üzernde nlık uzy vektörler gösterlyor. = (.3) olrk tnımlnlr. Burd ldğmz = (.4) geleneksel denkleme eşttr.
mjner eksen x x (W) reel eksen Şekl.9. Anlık Uzy ektörler [3] An rektf güü tnımlmk çn nlık mjner uzy güç vektörü, = (.5) şeklnde tnımlnır. Şekl.9 d görüldüğü g u uzy vektörü mjner uzy vektörüdür ve koordntlrınd sğ el kdesne uyk şeklde gerçek eksene dktr. nın y, nın y rlel ve 'nın 'y, 'nın y dk olduğu göz önüne lındığınd, geleneksel nlık güç ( ) ve genlğ oln nlık mjner güç ( ),
= (.6) g tnımlnlr. Denklem.6 d ve nlık güü fde edyor. Çünkü u termler ynı eksendek n kım ve gerlmlerden oluşmktdır. Bu yüzden üç fzlı devrelerde gerçek güçtür ve rm wtt dır. Ters olrk ve nlık gerçek güç değllerdr. Çünkü r eksendek gerlmle u eksene dk dğer eksendek kımın oluşturduğu güçtür. Bundn dolyı geleneksel r elektrksel r üyüklük olrk düşünülemez. çn yen r üyüklük tnımlmk gerekr. Çünkü rm wtt, A vey Ar değldr. [3-37].5.3.3.. Anlık Rektf Güün Fzksel Anlmı Denklem.6 dk fde, = (.7) şeklne dönüştürülelr. koordntlrındk n kımlr, ve k çeşt n kım leşenne ölünelr. = = (.8) Burd; eksen n ktf kımı, = (.9) eksen rektf ktf kımı, = (.)
eksen n ktf kımı, = (.) eksen n rektf kımı, = (.) olur. eksenlerndek n güçler sırsıyl ve olsun. Bunlr geleneksel olrk, = = (.3) şeklnde tnımlnlr. Denklem.9,.,.,. ve.3 kullnılrk üç fzlı devrede n gerçek güç, = = (.4) şeklnde verlelr. Denklem.4 dek 3. ve 4. termlern rrn götürdüğü görülmektedr. Bu durumd Denklem.4 sdeleştğnde, = = (.5) elde edlr. Burdn; eksen n ktf güç, = (.6)
eksen n rektf güç, = (.7) eksen n ktf güü, = (.8) eksen n rektf güü, = (.9) olur. Denklem.4,.5,.6,.7,.8 ve.9 dn şğıdk sonuçlr çıkrtıllr; An güçlern tolmı çkışır. Bu yüzden ve üç fzlı devrelerde n gerçek güç le ve n ktf güçler olrk dlndırılır. An ve güçler rrlern yok ederler ve kynktn yüke kn güe r ktkılrı d yoktur. Bu yüzden ve n rektf güçler olrk dlndırılır. [3] Üç fzlı devrelerde n mjner güün fzksel nlmı her r fzdk n rektf güç tnımındn oldukç frklıdır..5.3.3.. Prlel Aktf Fltrelere Uygulnn - Teors kımlrın koordntlrındk üç fzlı, nötr htlı r sstemde gerlm ve dk koordntlrın dönüşümü,
= 3 3 3 (.3) = 3 3 3 (.3) şeklnde olmktdır. H. Akg ye göre n gerçek ve mjner güçler mtrs formd Denklem.6 dk g, = (.3) şeklnde yzıllr. An gerçek güç ( ) t ve mjner güç ( ) t st D ve değşken A leşen olmk üzere k kısm yrıllr. ~ = (.33) ~ = (.34) Bu üyüklükler temsl olrk r elektrk sstem (üç fzlı ve nötr htlı) çn koordntlrınd Şekl. de gösterlmştr. [3-37] KAYNAK nötr YÜK Şekl.. Koordntlrınd Teorsnn Güç Bleşenler [33] Bu üyüklüklern fzksel nlmlrı şğıd çıkrılmıştır;
: An gerçek güün D değer. Kynktn yüke trnsfer edlen enerj. Yük kımının ktf temel leşen le lşkl güç. ~ : An gerçek güün A değer. Kynk le yük rsınd değştrlen enerj. Yük kımının hrmonkler le lgl güç. : An mjner güç. Yükün fzlrı rsınd değştrlen güç. Bu leşenler kynk le yük rsınd r enerjnn trnsfer vey değştrlmesn fde etmez. Bu leşen sstem fzlrı rsınd dolşn stenmeyen kımlrı fde eder. Dengel r yük ve snüsodl r kynk olmsı durumund hrmonkl vey hrmonksz durumd geleneksel rektf güe eşttr. ( 3 snϕ ). ( : yük kımının temel leşen le lşkl rektf güç. ~ : yük kımının hrmonkler le lşkl güç.) : Nötr httının n güünün D değer. (ylnız dengesz stemlerde oluşur). Kynktn yüke trnsfer edlen enerjdr. ~ : Nötr httının n güünün A değer. (ylnız dengesz stemlerde oluşur). Kynk le yük rsınd değştrlen enerjdr. Şekl. de koordntlrınd teorsnn güç leşenlernn rlel ktf güç fltres le komnzsyonu görülmektedr. Burd hem hrmonkler hem de yükün çektğ rektf güü komnze etmek stersek, sdee, teorsnn stenen güç leşen olktır. Dğer üyüklükler rlel ktf güç fltres le komnze edlelr. Sdee hrmonkler elmne etmek styorsk fltre le ~ ve ~ güçlern sğlmmız gerekr. rlel ktf güç fltresndek kynktn herhng r güç çekmeden komnze edlelr. Bu üyüklük kynktn yüke rlel ktf güç fltres uçlrındn ulştırılır. Bunun nlmı kım ve gerlmn nötr leşenler kynktn yüke trnsfer edlen önek enerj şmd kynk fzlrındn dengel r yoll ulştırılır. [3,33]
KAYNAK nötr nötr YÜK Prlel Aktf Güç Fltres - Şekl.. Koordntlrınd Teorsnn Güç Bleşenlernn Prlel Aktf Güç Fltres İle Komnzsyonu [3,33] Denklem.3 ters çevrldğnde, = o ~ * * (.35) elde edlr. Nötr kımının komnze edlmes gerektğnde sıfır koordntındk referns kımı kends olktır. * = (.36) koordntlrındk referns kımlrını ulmk çn Denklem.3 dek fdede dönüşüm yılırs, = * * * * * * 3 3 3 (.37)
* n * * * ( ) = (.38) referns fltre kımlrı elde edlr. Bu sstemn üç fzlı, nötr htsız sstem çn kontrol lok şemsı Şekl. de verlmştr. ve güçlernn st ve değşken kısımlrını yırmk çn r lçk geçren fltre kullnılmıştır. d d - ref K Fz Gerlmler Fz Akımlrı - - - Hes Devres Fltre Fltre * * v * * * * n Şekl.. Teors Uygulnmış Br Prlel Aktf Fltre İçn Kontrol Blok Şemsı [3,33].5.3.4 Prlel Aktf Güç Fltresnn Çıkışın Bğlnn Endüktns Dönüştürüü çıkışındk endüktns, kynk uçlrındk gerlm le fltre trfındn üretlen PMW gerlm rsınd r tmon görev görür. Fltre erformnsı çn u endüktnsın değer çok önemldr. Eğer küçük değerl r endüktns kullnılırs üyük nhtrlm hrmonkler kynk kımın lve edlmş olur. Büyük değerl r endüktns kullnıldığınd se fltre kımının hızlı değşmler lgılnmyk ve stenen komnze kımı sğlnmyktır. Bu endüktns, dönüştürüü trfındn üretlen gerlm snyllern, hrmonkler kesmek çn kım snyllerne dönüştüren r elemndır. [3]