Güç Kalitesi ve Harmonikler: Nedenleri, Etkileri ve İyileştirme Yöntemleri
İçindekiler Güç Kalitesi nedir? En önemli güç kalitesi problemleri nelerdir? Harmonikler nedir ve nedenleri nelerdir? Güç sisteminde güç kalitesini düşüren ve harmonikleri arttıran etkiler nelerdir? Güç kalitesini iyileştirme ve harmonikleri azaltma yöntemleri nelerdir? Sorular
Güç Kalitesi nedir? AKIM GERİLİM veya FREKANSTA meydana gelen ve cihazların çalışmamasına veya yanlış çalışmasına neden olan sapmalar olarak tanımlanabilir.
GİRİŞ Günümüzde, kullanıcıların karşılaştığı Güç kalitesi (PQ) problemleri her geçen gün artmaktadır. Bu problemler şebeke yöneticilerine eleştirileri de beraberinde getirmektedir. Güç kalitesini yükseltme yöntemleri genellikle yüksek maliyetli olduğu için problemin çok iyi tespit edilmesi gereklidir.
Güç Kalitesi Probleminin Tarihçesi Güç elektroniği dönüştürücüleri yaygınlaşmadan fabrikalar ve diğer kuruluşlarda yaygın olarak aşağıdaki sistemler kullanılmaktaydı: DA motor Fabrikalarda hareket (pozisyon-hız) kontrol sistemleri Akkor flemanlı lambalar - Aydınlatmada Sincap kafesli asenkron motor- Sabit hız uygulamalarında
Bu sistemler kullanılırken ortaya çıkabilecek güç kalitesi problemi zaten azdı, ortaya çıkanlar ise önemli sorunlara (cihazların bozulmasına veya çalışamamasına) yol açmıyor idi. Ayrıca, evlerde kullanılan elektrikli cihazlar oldukça sınırlı idi ve evlerde herhangi bir güç kalitesi problemi yaşanmıyordu. Elektronik te yaşanan devrim denilebilecek gelişmeler (diyot, transistör ve tristörün keşfi ile küçük gate sinyalleri ile daha büyük güçlerin kontrol edilebilir hale gelmesi) bu durumu değiştirdi.
Günümüzde yaygın olarak kullanılan anahtarlamalı güç kaynakları, ayarlanabilir hızlı sürücüler ve evlerde kullanılan cihazların büyük kısmı güç sisteminde ani gerilim yükselmeleri (spike), harmonikler ve gürültüler oluşturarak sistemi kirletmektedir.
Gerilim Dalgalanması Transients 1 saykıldan daha kısa süre için ortaya çıkan çok hızlı değişimlerdir. Genellikle yıldırım düşmesi veya büyük kapasiteli kondansatör gruplarının devreye girmesi ve çıkması neden olabilir Aydınlatma sisteminde Kıpraşım a neden olmaz Dağıtım merkezlerinde (ve kullanıcıların şebeke bağlantı noktalarında) paratoner kullanılmalıdır. Son kullanıcılar ilave aşırı gerilim koruma sistemi (TVSS) kullanabilirler.
Gerilim Dalgalanması Sags / Swells (Gerilim düşmesi/yükselmesi) 3-20 saykıl süren gerilim dalgalanmalarıdır. Genellikle OG hattının sisteme dahil edilmesi, kısa devre durumu, büyük güçlü motorların devreye girmesi gibi ani güç yükselmeleri veya düşmeleri nedenleri ile oluşur Aydınlatma sistemindeki kıpraşım (flicker) bu durumun göstergesidir
Sags / Swells (Gerilim düşmesi/yükselmesi) Rüzgar nedeniyle hattın sallanması sırasında değişen endüktansı nedeniyle gerilim düşümleri dolayısıyla hat sonu gerilimi de değişir.
Gerilim Dalgalanması Uzun süreli gerilim dalgalanmaları Yük arttığında gerilim düşmekte, yük azaldığında ise gerilim yükselmektedir. Dağıtım merkezlerinde otomatik tap changer lar ile bu sorun giderilmeye çalışılır. ılır. Sistemin gerilim sınırları standartlar ile belirlenmektedir. (Ör: ANSI C84.1: 108 126V, IEEE 141-1993)
Gerilim Dalga Şeklinin Bozulması Harmonik Bozulum Dağıtım sisteminin bir sorunu değildir, daha çok yükler nedeniyle oluşur. Şebekeler bu duruma karşı korunmamaktadır.
Diğer Problemler Frekans değişimi Glitch Interruption Dengesizlik Çentikler (notches) DA bileşen Gürültü-Noise EMI (Genliği 100µV ile 100V,frekansı 10kHz ile 1GHz olan küçük enerjili bozucu bir dalgadır. Nedenleri; anahtarlamalı güç kaynakları, motor kontrol devreleri,telsiz yayınları ve güç hatları üzerinden yapılan haberleşmedir).
120V luk Bilgisayar Donanımının Duyarlılığını Gösteren CBEMA Computer Business Equipment Manufacturers Association 1980 lerin başlarında CBEMA elektronik donanımın güvenilirliğinin sağlanabilmesi için gerekleri gösteren bu eğriyi tanıtmıştır. Eğrisi
ITIC 120V luk Bilgisayar Donanımının Duyarlık Eğrisi Information Technology Industry Council Bilgisayarlar ve donanımlarının tepkilerini daha doğru biçimde gösterebilmek için geliştirilmiştir.
Bilgisayar Donanımı Etkileyen Bozulmalar (Dranetz-BMI Field handbook for PQ Analysis)
Aydınlatma Sistemi
IEC ye Göre Güç Kalitesi Problemlerinin Sınıflandırılması Düşük frekansın iletilmesi durumu Signal sistemleri (power line carrier) Gerilim dalgalanmaları (flicker) Gerilim çökmeleri ve kesintiler Gerilim dengesizliği Frekans değişimi Düşük frekanslı gerilimlerin indüklenmesi AC gerilimde DC bileşen bulunması Harmonikler Düşük frekansın yayılması durumu Manyetik ve elektrik alanları IEC=Int. Electrotechnical Commission)
IEC ye Göre Güç Sisteminde Karşılaşılan Bozuklukların Kategorileri ve Karakteristikleri
Harmonikler Doğrusal olmayan yüklerin (transformatör, ark fırınları, v.b.) etkisiyle; akım ve gerilim dalga biçimleri, periyodik olmakla birlikte sinüsoidal dalga formundan uzaklaşırlar. Bu bozulmuş dalga şekillerinin ifade edilebilmesi için Fourier serilerinden faydalanılır.
Fourier Serileri
Fourier Serileri
Fourier Serileri Tek Dalga Simetrisi f ( t) = f ( t) Bu durumda cos lu terim bulunmaz (A n ler ve F 0 sıfırdır). Çift Dalga Simetrisi f ( t) = f ( t) Bu durumda sin li terim bulunmaz (B n ler sıfırdır).
Doğrusal olmayan yük durumunda etkin değer ve güç [ n ( ω θn )] v( t) = V + V cos n t + 0 0 n= 1 [ n ( ω φn )] i( t) = I + I cos n t + P = n= 0 P ( ) = V I + V I cos θ φ = V I + V I cosϕ 0 0 = V I + 0 0 0 0 n= 1 n n= 1 V n, rms n, rms n n 0 0 n, rms n, rms n= 1 I n,max n,max 2 n= 1 cosϕ n n
Doğrusal olmayan bir yükün sinusoidal bir gerilim ile beslenmesi ( ω θ) v( t) = V cos t + m ( ω φ ) [ ] n n i( t) = I + I cos n t + 0 0 n= 1 ( θ φ ) P = V I + V I cos pf 0 0 n= 1 0 n, rms n, rms n n V I = 0 + V I rms 1, rms cos 1 = 2 P V = = S rms I V m 1 ( θ φ ) cos ( θ φ ) I ( θ φ ) I cos( θ φ ) 1, rms 1 1, rms 1 rms cos rms = I rms 1 THD:Toplam Harmonik Bozulma Dalga şeklindeki bozulma miktarını gösterir. 2 I n, rms n 1 THD = = I DF = 2 2 n I rms I 1, rms 2 1, rms I1, rms 1+ 1 ( ) THD 2 Distorsiyon Faktörü (DF) Sinüsoidal olmayan akım nedeniyle güç faktörünün düşme miktarını gösterir. DF = I I pf = 1, rms rms [ cos( θ φ1) ] DF
Harmonikler Harmonik bileşenler üç kategoride incelenebilir: Pozitif dizili (sequence) harmonikler Negatif dizili harmonikler Sıfır dizili harmonikler (nötr iletkeninin kesitinin belirlenmesinde önemlidir üçgen bağlantıda bir fazlı çalışma söz konusu olmadığı için bulunmazlar)
Harmoniklerin Nedenleri Manyetik devrelerde doyma, Doğrusal olmayan yükler, Doyma bölgesinde çalışan transformatör mıknatıslanma akımları, İndüksiyon ısıtma, Yarı iletken kontrollü cihazlar, Tristörlü dinamik kompanzasyon, Deşarj lambaları, Kesintisiz güç kaynakları, Bilgisayarlar, Elektronik balastlar
Belli Başlı Doğrusal olmayan Yükler ve Akımları
Doğrusal Olmayan Yükler Akımı, besleme gerilimi ile doğrusal Akımı, besleme gerilimi ile doğrusal olarak değişmeyen yüklere doğrusal olmayan yükler denir.
Doğrusal ve Doğrusal Olmayan Yükler Doğrusal Yük akımı: Saf omik, endüktif ve kapasitif yükler doğrusaldır. Bunun anlamı: Sabit genlikli sinüsoidal bir gerilim uygulanırsa ohm kanuna göre akım değeri hesaplanabilir.(i = E R) Bu nedenle sabit direnç değeri için akım ila gerilim arasındaki ilişki düz bir çizgidir. Akım her zaman gerilim ile aynı frekanslı ve sinüsoidal dir. Doğrusal yükler: Akkor Flamanlı lambalar, rezistanslar (ısıtma) ve motorlar
Doğrusal ve Doğrusal Olmayan Yükler Doğrusal olmayan yükler ve akım dalga şekilleri: Yarı iletken elemanların kullanıldığı elektronik devrelerde akım ile gerilim arasındaki ilişki doğrusal değildir. Bunun anlamı: Doğrusal olmayan yüklerde akım ile gerilim arasındaki ilişkiyi doğrudan tahmin edemezsiniz. Her ikisinin de dalga şekillerine ihtiyacınız vardır. Doğrusal olmayan yükler 1 saykılın belirli bölgelerinde iletimdedir (tristör kontrollü devreler gibi).
Harmonik Bileşenlerin Dalga Şekline Etkisi 180 Out of Phase In Phase Fourier Analizi: Periyodik dalga şekilleri, asıl (bozulmuş) sinyalin katı frekanslardaki sinüsoidal sinyallerin toplamı şeklinde ifade edilebilir. Bozulmuş sinyallerin ifade edilmesi için en yaygın kullanılan yöntemdir.
Harmoniklerin Etkileri Harmonikler kaynaklarından itibaren sisteme yayılırlar ve üç fazlı dört telli sistemlerde nötr akımının yaklaşık iki katına çıkmasına neden olurlar. Yandaki durumda:
Harmoniklerin Etkileri Harmonik akım bileşenleri (veya bozulmuş akım dalga şekli) sistem empedansı üzerindeki gerilim düşümleri nedeniyle gerilim dalga şeklinin de bozulmasına neden olur. Bu aynı noktadan şebekeye bağlanan diğer alıcıları olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Tüm güç sistemi ve güç kalitesi kavramı harmoniklerin tanıtılmasıyla değişmiştir.
Harmoniklerin Etkileri Harmonikli akımların kaynak gerilimi üzerine etkisi
Harmoniklerin Etkileri
Harmonik Kaynakları Elektronik Cihazlar Bilgisayarlar (PC/CPU) Lazer yazıcılar Fotokopi makinaları Kesintisiz Güç Kaynakları** Elektronik balastlar Video display terminalleri **Doğrultucular (AC-DC konverter VFD) Kaynak Makinaları Ark Fırınları Serverlar Akü şarj cihazları
Doğrusal olmayan yükler tarafından üretilen tipik harmonikler
Harmoniklerin Etkileri Gerilim dalga şeklinin bozulmasına neden olurlar Transformatörlerin ve Motorların aşırı ısınmalarına Transformatörler, motorlar ve kesici bobinlerinde histeresiz (mıknatıslanma) kayıplarının artmasına, dolayısı ile verimin düşmesine ve elemanların aşırı ısınmasına neden olur Nötr iletkeninin ısınmasına neden olur Deri etkisi İletkenin dış yüzeyinden akan akım miktarının artmasına dolayısıyla iletkenin ısınmasına neden olur. Gerilimin düşmelerine (özellikle trafoya uzak olan yüklerde) neden olur Yüksek toprak-nötr gerilimine neden olur.
Harmoniklerin Etkileri Koruma Rölelerinin ve kesicilerin çalışmaları ile İlgili problemlere neden olurlar Termik/Manyetik Kesicilerde Sigortalar ve bimetal şeritler ---True RMS etkilenmektedir. Harmonik akım bileşenleri eddy akımlarını (kayıplarını) arttırırlar. Bu durum ekstra ısı ortaya çıkarır ve gereksiz açmalara neden olur. (OVER PROTECTION) Elektronik Kesicilerde Temel bileşen ile ilişkili harmonik bileşenlerin genlikleri ve faz açıları akım dalga şeklini etkilediğinden aşağıdaki durumlar gerçekleşebilir: Overprotection : Akımın algılanan tepe değeri > True RMS Underprotection : Akımın algılanan tepe değeri < True RMS Güç sisteminde yük seviyesi ile birlikte değişen harmonik bileşenlerin genlikleri ve faz açıları yanlış ve tahmin edilemeyen aşırı yük uyarılarının ortaya çıkmasına neden olabilir.
Harmoniklerin Etkileri İletişim Problemleri Harmonik bileşenlerin yaydığı gürültü iletişim sinyallerinin doğru okunamamasına neden olur Akımın ölçülmesi problemi- Bozuk dalga şekli nedeniyle (RMS- True RMS) Elektronik elemanların çalışmalarına güvenilememesi Frekansı ölçen veya sinüs sinyalinin sıfır geçişini kullanan elektronik cihazların yanlış çalışmalarına neden olur. Jeneratörlerin hız ve gerilimlerinin denetlenmesini zorlaştırır anma gücüne ulaşamamalarına neden olur Sistemdeki kondansatörlerin ısınmalarına neden olur Bilgisayarlarda (PC/CPU) veri hatalarına/kayıplarına neden olabilir. Güç kaynaklarını ve hassas elektronik donanımı etkilediği için
Harmonikler Nasıl Azaltılabilir? Harmonik bileşenli akımlar çeken yüklerin ayrılması Harmonik azaltan transformatörler Faz kaydırma (zig-zag) transformatörler Bazı belirlenmiş harmoniklerin yok edilmesi için kullanılır Pasif Filtre sistemleri
Harmonikler Nasıl Azaltılabilir? VFD ve UPS ler için özellikleri: Hat reaktörleri İzolasyon Transformatörleri Harmonik azaltan/faz kaydırma Transformatörleri 12, 18 or 24 pulse doğrultucular Seri/Paralel pasif filtreler (Tuned-Detuned) Aktif Filtreler
Pasif (Tuned) Filtreler
Pasif (Tuned) Filtreler
Pasif (Tuned) Filtreler
Pasif (Detuned) Filtreler
Aktif Filtreler
Hibrit Filtreler
Harmonik Azaltma Yöntemleri
Harmonikler Nasıl Azaltılabilir? Uygun topraklama Nötr ve toprak iletkenlerinin bir noktada (ana panel veya trafonun sekonderi) bağlanması Nötr iletkenin farklı noktalarda toprağa bağlanması hassas elektronik cihazlar ile etkileşimine neden olabilir. Güç ve kontrol iletkenleri ayrı kanallardan döşenmelidir. Hassas yükler nötr ve toprak iletkenlerini paylaşmamalıdır. Toprak iletkeni olarak boru kullanmaktan kaçınılmalı ve toprak iletkenini devrenin diğer güç iletkenleri ile beraber yerleştirilmelidir. IEEE Std 1100-1992 standardına uyulmalıdır.
Bilgisayar Sisteminin Topraklanması Radyal veya papatya zinciridaisy chain topraklama Her ne kadar NEC e uygun olsa da küçük potansiyel farkları istenmeyen toprak çevrimlerine neden olur Topraklama için en iyi yöntemdir
IEEE Harmonik Standardı (IEEE 519-1992) 1992) Current & Voltage Harmonic Distortion Limits as per IEEE 519 1992 Std Current Harmonic Distortion Limits (120V thru 69,000V) in percentage (%) I(SC)/I(L) h<11 11<=h<17 17<=h<23 23<=h<35 THD <20 4.0 2.0 1.5 0.6 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 8.0 50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 12.0 100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 15.0 >1000 15.0 7.0 6.0 2.5 20.0 Voltage Harmonic Distortion Limits in percentage (%) Bus Voltage Individual Voltage Distortion (%) Total Voltage Distortion-THD(%) <=69kV 3.0 5.0 >69kV to 161kV 1.5 2.5 >= 161kV 1.0 1.5 I(SC)=Maximum Short Circuit Current, I(L)=Maximum Demand Load Current(Fundamental Frequency Component) h=np+/-1, h=individual harmonic order(odd harmonics), n=natural number, p=pulse configuration
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 1 1 1 Faz İletkenleri Deri etkisi nedeniyle ısınmaktadır Topraklama İletkeni Deri etkisi ve eddy akımları nedeniyle ısınmaktadır
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 2 2 Kesiciler Harmoniklerin neden olduğu yüksek ısı nedeniyle yanlış açmalar yapmaktadır. Tepe değeri okuyan kesiciler Crest Factor nedeniyle yanlış açmalar yapmaktadır.
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 3 3 3 Nötr iletkenleri Fazlar dengeli dahi olsa nötrden üç ve üçün katı olan harmonikler (3, 6, 15 vb.- sıfır dizili) geçmektedir. İnce kesitli ve paylaşılan nötr iletkenleri tehlikeli olabilmektedir.
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 4 4 Prizlerdeki nötr-toprak gerilimi Yüksek nötr akımları nötr ve toprak arasında yüksek gerilim düşümlerine neden olur.
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 5 5 5 Nötr baraları sıfır dizili (3., 9. vb.) harmonikler nedeniyle aşırı yüklenir ve ısınır
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 6 6 6 Dağıtım panolarını Dağıtım panolarının metal yüzeyleri eddy (manyetik akılar dolayısıyla indüklenen) akımları nedeniyle ısınır, uğultu ve titreşim oluşur.
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 7 8 7 8 7 8 Transformatörler Eddy akımları nedeniyle ısınırlar, izolasyon ömürleri kısalır ve verimleri düşer.
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 9 9 Asenkron motorlar Eddy akımları ve negatif dizili (5., 11., 17., vb.) harmonikler nedeniyle ısınırlar Not Negatif dizili harmonikler motorun dönmesini zorlaştırırlar!
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 10 10 Kompanzasyon kondansatörleri harmonik bileşenlere karşı reaktansları düşük olduğu için dolaşan yüksek harmonik akımlar kondansatörlerin aşırı ısınmasına ve/veya sigortaların atmasına neden olurlar.
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi 11 11 kw ve kvar sayacı harmonik bileşenler okuma hatalarına neden olabilir.
Basitleştirilmiş Dağıtım Sistemi Acil durum besleme sistemlerinde (jeneratörler) hız ve çıkış geriliminin kontrolü harmonikler nedeniyle zorlaşmaktadır. Ayrıca harmonikler iletişim kablolarını ve hassas elektronik cihazları olumsuz etkilemektedir.