Güç Kalitesi Problemleri ve Çözüm Yöntemleri Cihan ŞENEL Güç Kalitesi Departmanı Ürün Mühendisi Ver.1 Rev.2 Haziran 2015 www.aktif.net KOMPANZASYON & HARMONİKLER 1
Sunum İçeriği Güç Kalitesi Nedir? Güç Kalitesi İle İlgili Standartlar Nelerdir? Türkiye de Güç Kalitesi ve Yaptırımlar? Harmonikler Tanımlar Harmonik Kaynakları Harmoniklerden Kaynaklanan Arızalar Aktif Filtreler Çalışma Mantığı Uygulama Örnekleri www.aktif.net KOMPANZASYON & HARMONİKLER 2
Güç Kalitesi Nedir? Elektrik enerjisinin üretiminden tüketimine kadar olan tüm evrelerde, varlığının ve sürekliliğinin uluslar arası standartlarca belirlenen değerlere uygunluğunun sağlanmasıdır. Gerilim ve Akım tamamen dengeliyse, dalga şekli saf sinüs formunda ise ve frekans anma değerlerini koruyorsa tüketici için elektrik enerjisi kalitesi mükemmeldir. Güç kalitesi genellikle yükün karakteristiğinden, veya doğal ve dış etkenlerden ötürü; gerilim genliğinin değişmesi, darbeler içermesi, dengesizlik içermesi, kesintiye uğraması, dalga şeklinin sinüs formundan uzaklaşması ve frekans değişiklikleri nedeniyle bozulabilir. Güç kalitesi problemleri tüketici odaklı bir sorun olmasına rağmen çözümü üretici, iletici, dağıtıcı ve tüketici kısmında yapılacak çalışmalar ile çözülebilir. www.aktif.net 3
Güç Kalitesi İle İlgili Standartlar Nelerdir? TS EN 50160 Genel Elektrik Şebekeleri Tarafından Sağlanan Elektriğin Gerilim Karakteristikleri IEEE 519-2014 Elektrik Güç Sistemlerinde Harmonik Kontrol Önerileri ve Uygulama Örnekleri IEC 61000-4-30 Deneyler ve ölçme teknikleri - Güç kalitesini ölçme metotları www.aktif.net 4
Türkiye de Güç Kalitesi ve Yaptırımlar EPDK - Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu 03.01.2013 tarihinde Elektrik İletim Sistemi Arz Güvenilirliği ve Kalitesi Yönetmeliğine göre güç kalitesi standartları ile ilgili düzenlemede reaktif güç ve harmonik bozulumla alakalı limitler açıkça belirtilmiştir. 100 80 60 40 20 Aktif Tüketim Endüktif Reaktif Tüketim Kapasitif Reaktif Tüketim 0 Aktif Güç Tüketimi (kwh) / Reaktif Güç Tüketimi (kwh) www.aktif.net 5
Harmonikler 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 tristör ve IGBT gibi yüksek frekanslarda tetikleme yapabilen tüm yükler elektriksel çalışma karakteristiklerinden dolayı çeşitli frekans seviyelerinde harmonik adı verdiğimiz akımların oluşmasına neden olur. www.aktif.net KOMPANZASYON & HARMONİKLER 6
Harmonikler Başlıca harmonik kaynakları; Güç Elektroniği içeren tüm cihazlar Doğrultucular Eviriciler Çeviriciler KGK lar Bilgisayarlar Yazıcılar Kompakt floresan lambalar Doyuma giden transformatörler Ark ocakları, kaynak makinaları www.aktif.net KOMPANZASYON & HARMONİKLER 7
Harmonikler Harmoniklerden Kaynaklanan Arızalar Elektromekanik cihazlarda ve kablolarda ısınmalar, Makinalarda mekanik titreşimler, Ateşleme devrelerinde anormal çalışma, CAD/CAM terminallerinde hafızalarında silinmeler, 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. www.aktif.net KOMPANZASYON & HARMONİKLER 8
Harmonik analizi ve uluslararası kurallar Fourier analizi Bozulmuş dalga şekli Temel bileşen (H1) H1+H5 H1+H5+H7 www.aktif.net 9
Harmonik analizi ve uluslararası kurallar Harmonik gösterimi Zaman domeni 25% Frekans domeni 20% 15% 10% 5% 0% 5 7 11 13 17 19 23 25 Güç şebekesi için, temel frekans 50 Hz olup, 150 Hz, 250 Hz gibi katları ise harmoniklerdir. (3 rd ve 5 th harmonik) Tek harmonikler (5 th, 7 th..) Çift harmonikler (2 nd, 4 th.) 3 ve 3 ün katı harmonikler (3 rd, 9 th, 15 th..) www.aktif.net 10
Toplam Harmonik Distorsiyonu (THD) Temel bileşene göre harmoniklerin bağıl miktarı THD k 2 C C 1 THD(U): anlamlı THD(I):??? Referans nedir??? 2 k ( e% ile ifade edilir) www.aktif.net 11
Harmonikler IEEE 519 2014 Akım Harmoniği Limit Değerleri (120V 69 kv) www.aktif.net KOMPANZASYON & HARMONİKLER 12
Harmonikler IEEE 519 2014 Gerilim Harmoniği Limit Değerleri www.aktif.net KOMPANZASYON & HARMONİKLER 13
Değişken Hız Sürücü örneği ŞEBEKE GERİLİMİ ve HAT AKIMI DALGA ŞEKLİ 750 500 250 Volts 0-250 -500-750 3000 2000 1000 Amps 0-1000 -2000-3000 10:25:43.72 10:25:43.73 10:25:43.74 10:25:43.75 10:25:43.76 10:25:43.77 10:25:43.78 CHA Volts CHB Volts CHC Volts CHA Amps CHB Amps CHC Amps Gerilim: THDV = 12% Waveform event at 22/11/01 10:25:43.533 Akım: THDI = 27% www.aktif.net 14
AG tesislerde güç kalitesi Pik ve RMS bozulma 100% H 1 +33% H 3 +20% H 5...+4% H 25 Peak 100% 133% 168% 204% RMS 100% 105% 108% 110% THD 0% 33% 38.6% 44% www.aktif.net 15
Harmonik kaynaklı problemler Anlamsız/nedensiz kesici açması RMS artması ile Termik Pik artması ile Manyetik Sigorta açması www.aktif.net 16
Harmonik kaynaklı problemler Cihazlarda aşırı ısınma Harmonik bozulma RMS artması Kayıplar # R. I 2 RMS = R. I 1 2 + R. I h 2 Kayıplar nedeniyle ekstra ısınma www.aktif.net 17
Harmonik kaynaklı problemler Harmonik kaynaklı aşırı ısınma bazen elektriksel elemanlarda yanmaya yol açar! www.aktif.net 18
Harmonik kaynaklı problemler Motor problemleri Demir ve bakır kısımlarda ilave kayıplar (RMS artışı & deri etkisi) Motor şaftında zorlanma (negatif sequence harmonikler) www.aktif.net 19
Harmonik kaynaklı problemler Elektronik hassas cihazlarda hasarlar Elektronik haberleşme arayüzlerinde arızalar www.aktif.net 20
Harmonik kaynaklı problemler Nötr hattı akım artışı (zero-sequence harmonikler yüzünden) www.aktif.net 21
Harmonik kaynaklı problemler Kondansatör problemleri Z C # 1/f & = Frekans Kondansatör aşırı yüklenir Frekansın artması ile empedans azalır! Rezonans problemleri ortaya çıkabilir! www.aktif.net 22
Harmonik kaynaklı problemler Kondansatör problemleri Frekansın artmasıyla beraber empedansı azalan kondansatörler, yüksek frekanslara sahip harmonik akımlarının hedefi olurlar. Önlem alınmazsa, kondansatörler ciddi hasar alabilir! www.aktif.net 23
AG tesislerde güç kalitesi Harmoniklerden kaynaklı problemler - özet Aşırı ısınma (RMS akım artışı): Nötr hattını aşırı yükler Motor, trafo ve kabloları aşırı yükler Hassas elektronik ekipmana zarar verir (referans noktası kayması) Dalga şekli bozulması (crest factor, CF): Kesicilerde anlamsız / nedensiz açma Sıfır geçiş arızaları Frekans etkisi (Yüksek frekans): Kondansatör arızası Deri etkisi vs. www.aktif.net 24
Harmonikler Harmonik problemlerinin çözümü Marjlı Trafo seçimi Harmonikli yükleri izole etme Pasif filtreler Harmonik akımlarına dayanıklı sargı ve nüveye sahip özel trafolar, K faktörlü trafolar gibi.. Harmonikli yükler için kirli bara uygulaması Tuned LC rezonans devreleri ile belirli harmonikleri süzme Faz kaydırma Yüksek teknolojili cihazlar Aktif filtreler Faz kaydırma trafoları ile bazı harmonikleri elimine etme IGBT teknolojili cihazlar neredeyse sıfır harmonik yayar! Her harmonik akımının ters fazındaki harmoniği üretip şebekeye basarak harmonikleri yok etme www.aktif.net 25
Aktif Filtreler Temel çalışma prensibi www.aktif.net 26
Aktif Filtreler Örnek 1 endüksiyon ısıtma uygulaması 91.2 MVA 20 kv T1 2 MVA 6% 400 V T2 2 MVA 6% 400 V T3 2 MVA 6% 400 V 3200/5 15 VA To T1 700 kvar 7% (1010 A) Drives 945 kva (1364 A) PQFA 296 kva (428 A) 400 kvar 7% (577 A) Drives 315 kva (455 A) 400 kvar 7% (577 A) Drives 315 kva (455 A) Problem: Yüksek frekanslı bileşenler üretim sisteminde sorunlar yaratıyor Harmonikler kompanzasyon sisteminde arızalara yol açıyor www.aktif.net 27
Aktif Filtreler Örnek 1 endüksiyon ısıtma uygulaması Çözüm: ABB aktif filtre Başlangıç hat akımı Filtrelenmiş hat akımı 3000 3000 2000 2000 Line current [A] 1000 0-1000 Line current [A] 1000 0-1000 -2000-2000 -3000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time [ms] Yüksek frekanslı bileşenler -3000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time [ms] Mükemmel sinüs dalgası www.aktif.net 28
Aktif Filtreler Current distortion [%] Örnek 1 endüksiyon ısıtma uygulaması Çözüm: ABB aktif filtre Başlangıç hat akımı Filtrelenmiş hat akımı 14% 14% 12% 12% Current distortion [%] 10% 8% 6% 4% 2% 10% 8% 6% 4% 2% Çok yüksek frekanslarda da etkili! 0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Frequency [Harmonics] 0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Frequency [Harmonics] www.aktif.net 29
Aktif Filtreler Örnek 2 sürücülü pompa uygulaması SÜRÜCÜLÜ POMPA GERİLİM&AKIM DALGA ŞEKİLLERİ 750 500 250 Volts 0-250 -500-750 3000 2000 1000 Amps 0-1000 -2000-3000 10:25:43.72 10:25:43.73 10:25:43.74 10:25:43.75 10:25:43.76 10:25:43.77 10:25:43.78 CHA Volts CHB Volts CHC Volts CHA Amps CHB Amps CHC Amps Gerilim: THDV = 12% Waveform event at 22/11/01 10:25:43.533 Akım: THDI = 27% www.aktif.net 30
Aktif Filtreler Örnek 2 sürücülü pompa uygulaması FİLTRELENMİŞ GERİLİM&AKIM DALGA ŞEKİLLERİ 750 500 250 Volts 0-250 -500-750 3000 2000 1000 Amps 0-1000 -2000-3000 10:41:55.72 10:41:55.73 10:41:55.74 10:41:55.75 10:41:55.76 10:41:55.77 10:41:55.78 CHA Volts CHB Volts CHC Volts CHA Amps CHB Amps CHC Amps Gerilim: THDV = 2% Waveform event at 22/11/01 10:41:55.533 Akım: THDI = 3% www.aktif.net 31
Aktif Filtreler Örnek 3 yük dengeleme fonksiyonu www.aktif.net 32
Aktif Filtreler Uygulama alanları Otel, banka, data center Baskı tesisi Kağıt Petrol Kayak tesisi Santifrüj Denizcilik Vinç - Liman Telekom Su arıtma Petrokimya Sargı Kompresör www.aktif.net 33
Değerli Vaktinizi Ayırdığınız İçin Teşekkürler. Cihan ŞENEL Elektrik Mühendisi cihan.senel@aktif.net www.aktif.net KOMPANZASYON & HARMONİKLER 34