T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GÜÇ SİSTEMLERNDE HARMONİKLERİN PASİF FİLTRELERLE ELİMİNASYONU Mehmet BİLGE YÜKSEK LİSANS TEZİ KAHRAMANMARAŞ Haziran 2008
T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GÜÇ SİSTEMLERİNDE HARMONİKLERİN PASİF FİLTRELERLE ELİMİNASYONU Mehmet BİLGE YÜKSEK LİSANS TEZİ DANIŞMAN Yrd. Doç. Dr. A.Serdar YILMAZ KAHRAMANMARAŞ Haziran 2008
T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GÜÇ SİSTEMLERİNDE HARMONİKLERİN PASİF FİLTRELERLE ELİMİNASYONU YÜKSEK LİSANS TEZİ Kod No: Bu Tez 17/06/2008 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oy Birliği ile Kabul Edilmiştir. Yrd. Doç. Dr, A.Serdar YILMAZ Prof. Dr, M.Kemal KIYMIK Yrd. Doç. Dr, Remzi GEMCİ DANIŞMAN ÜYE ÜYE Yukarıdaki imzaların adı geçen öğretim üyelerine ait olduğunu onaylarım. Proje No: Prof. Dr, Süleyman TOLUN Enstitü Müdürü Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.
İÇİNDEKİLER SAYFA İÇİNDEKİLER... I ÖZET.... III ABSTRACT.... IV ÖNSÖZ... V ÇİZELGELER DİZİNİ... VI ŞEKİLLER DİZİNİ... VII EK ÇİZELGELER DİZİNİ... VIII SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ.... IX 1.GİRİŞ... 1 1.1.Harmonik Tanımı..... 1 1.2.Toplam Harmonik Distorsiyonu..... 2 1.3.Harmonik Üreten Kaynaklar ve Etkileri.... 3 1.4.Lineer Olmayan Elemanlar... 4 1.4.1.Transformatörler 4 1.4.2.Statik Dönüştürücüler.. 5 1.4.3.Generatörler... 5 1.4.4.Ark Fırınları.. 5 1.4.5.Gaz Deşarjlı Aydınlatma.. 6 1.4.6.Statik VAR Kompanzatörleri... 7 1.4.7.Fotovoltavik Sistemler... 8 1.4.8.Kesintisiz Güç Kaynakları... 8 1.4.9.Doğru Akımla Enerji İletimi... 8 1.5.Harmoniklerin Sisteme Etkileri 8 1.6.Harmonik Standartları.. 8 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR... 10 3. MATERYAL VE METOT.... 11 3.1.Materyal.... 11 3.1.1.Harmoniklerin Azaltılması... 11 3.1.2.Tasarım Aşamasında Alınabilecek Önlemler... 11 3.1.2.1.Generatörlerde Alınabilecek Önlemler..... 11 3.1.2.2.Dönüştürücülerde Alınabilecek Önlemler. 12 3.1.2.3.Transformatörlerde Alınabilecek Önlemler.. 12 3.1.3.Pasif Filtreler... 12 3.1.3.1.Seri Filtreler.. 12 3.1.3.2.Şönt Filtreler. 13 a.bant Geçiren Filtre... 13 b.tasarım Adımları.. 14 I
c.yüksek Geçiren Sönümlü Filtreler.. 15 ç.tasarım Adımları.. 16 d.yüksek Geçiren Sönümlü Filtre Hesabı... 17 3.1.4.Aktif Filtreler... 19 3.1.4.1.Üçüncü Harmoniğin Etkileri... 20 3.2.Metot..... 25 3.2.1.Deney Düzeneği... 25 4. BULGULAR VE TARTIŞMA 31 5. SONUÇ VE ÖNERİLER. 36 KAYNAKLAR.... 38 EKLER..... 39 ÖZGEÇMİŞ.... 42 II
ÖZET T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI YÜKSEK LİSANS TEZİ ÖZET GÜÇ SİSTEMLERİNDE HARMONİKLERİN PASİF FİLTRELERLE ELİMİNASYONU DANIŞMAN: Yrd. Doç. Dr. A.Serdar YILMAZ Yıl: 2008 Sayfa: 54 Jüri : Yrd. Doç. Dr. A.Serdar YILMAZ : Prof. Dr. M.Kemal KIYMIK : Yrd. Doç. Dr. Remzi GEMCİ Endüstriyel gelişmeler ile birlikte elektrik şebekelerindeki kirlenme kaçınılmaz hale gelmiştir. Enerji kalitesini belirleyen en önemli faktörler gerilim değişimleri, frekans değişimleri, kesintiler ve temel frekansın dışındaki frekansları üreten tüketicilerdir. Harmonik oluşumuna sebep olan başlıca yükler; güç elektroniği elemanları, transformatörler, döner makineler, doğru akım ile enerji nakli, ark fırınları, statik VAR kompanzatörleri ve kesintisiz güç kaynaklarıdır. Harmonikler, sistemdeki elemanlarda; ek kayıplara, ısınmalara, yalıtımlarının zorlanmasına, bazı durumlarda zarar görmelerine ve devre dışı kalmalarına yol açarlar. Bu nedenle bazı tedbirlerin alınması gerekir. Harmonik üreten kaynaklar imal edilirken harmonik üretmesinin engellenmesi en önemli giderilme yöntemlerinden birisidir. Diğer bir önemli yöntem ise harmonik filtreler yoluyla harmoniklerin süzülmesidir. Bu çalışmada, elektrik enerjisinin kalitesini belirleyen, frekans ve sinüzoidal dalga biçiminin bozulma nedenleri ortaya konulmuş ve Harmonik Analizörü ile harmonik ölçümü yapılmıştır. Daha sonra pasif filtre devreye alınarak tekrar bir harmonik ölçümü yapılmıştır. Elde edilen akım ve gerilimin Toplam Harmonik Bozunum (THDI ve THDV) değerleri ile mevcut durumun MATLAB ta simülasyonu yapılmıştır. Anahtar Kelimler: Harmonikler, Pasif filtre, Şönt filtre III
ÖZET T.C. UNIVERSITY OF KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING MSc THESIS ABSTRACT ELİMİNATİON OF HARMONİCS WİTH PASSİVE FİLTERS ON POWER SYSTEMS Supervisor: Ass. Prof. A.Serdar YILMAZ Year: 2008 Pages: 54 Jüri : Yrd. Doç. Dr. A.Serdar YILMAZ : Prof. Dr. M.Kemal KIYMIK : Yrd. Doç. Dr. Remzi GEMCİ Dirtiness the Networks of the electricity became inevitable with industrial developments. The most important factors which designate the quality of energy are voltage changing, frequency changing, interruptions and the consumer who preduce frequencies which is except fundamental frequency. Main harmonic loads are power electronic elements, transformers, rotating machines, energy transformers by direct current, arc furnaces, static VAR compansators and continious power sources which in turn cause problems like energy loss, overheating, disturbances and defects in isolation and furthermore disconnection from the circuit. So some precautions must be taken. Owing to these adverse effects of harmonic loads on system performance their occurrance must be eliminated. The most vital mean of elimination is to prevent the harmonics during manifacturing. The important one is said to be the filtration of harmonics by harmonic filters. İn this study had been made harmonic measure and harmonic analyser and the results of spoiling of frequency and sinusoidal wave had been put forward which designate the quality of electricity energy, after that a harmonic measure had been made again getting device the passive filter the current and the voltage which we got. The results of total harmonic distortion of the current and the voltage which we got and this situation had been simulated in MATLAB. Key words: Harmonics, Passive Fitler, Shunt Filter IV
ÖNSÖZ ÖNSÖZ Harmonikler, günümüz elektrik ve elektronik teknolojilerinin gelişimi ile birlikte önemini daha da artıran bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Elektrikli cihazların hemen hemen hepsi saf sinüs eğrili alternatif akım ve gerilim değerlerine göre tasarlanırlar. Ancak kullanılan şebekelerde saf sinüs eğrisine nadiren rastlanır. Temel frekansın tam katlarında oluşan harmonik frekanslar sinüzoidal form üzerinde distorsiyonlar meydana getirerek elektriksel donanımlar üzerinde girişimlere neden olurlar. 1950 lerden bu yana, harmoniklerin enstrümanlar üzerindeki zararlı etkilerinin minimum hale getirilmesi için üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Günümüzde üretim aşamasında alınan tedbirlerin dışındaki en etkili yöntem filtrelemedir. Bu çalışmada, uygulamada çokça karşılaşılan filtrelerden birisi olan pasif filtre ele alındı. Laboratuar ve simülasyon ortamında çalışmalar sürdürülerek sonuç alınmaya çalışıldı. Tez çalışmalarım süresince, bilgi ve tecrübesiyle yardımlarını esirgemeyen danışman hocam Sayın Yrd. Doç. Dr. Ahmet Serdar YILMAZ A teşekkürlerimi sunarım. HAZİRAN- 2008 KAHRAMANMARAŞ V
ÇİZELGELER DİZİNİ ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1 Flouresant lamba harmonik distorsiyon değerleri(akım için).. 7 Çizelge 1.2 Magnetik balastlı flouresant lamba harmonik spektrumu 7 Çizelge 1.3 Tristör kontrollü reaktörde harmonikler ve genlikleri.. 8 Çizelge 1.4 Harmonik standartları... 9 Çizelge 4.1 İkinci derece yüksek geçiren sönümlü filtre için ölçüm sonuçları. 31 Çizelge 4.2 Band geçiren filtre için ölçüm sonuçları... 32 VI
ŞEKİLLER DİZİNİ ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1 Harmonik bileşenler... 2 Şekil 1.2 Lineer olmayan yüklerden bazıları... 3 Şekil 3.1 Seri filtrenin devreye bağlanması. 13 Şekil 3.2 Şönt filtrenin devreye bağlanması... 13 Şekil 3.3 Band Geçiren Filtre(Tek ayarlı filtre)... 14 Şekil 3.4 Yüksek Geçiren Sönümlü Filtreler... 15 Şekil 3.5 w açısal frekansının fonksiyonu olarak X L, X C reaktanslar ve Z in değişimi 16 Şekil 3.6 Aktif güç filtresine ait blok şeması.. 20 Şekil 3.7 Harmonik bileşenler. 21 Şekil 3. 8 Harmonik akımlarının nötr iletkeninde üretilmesi... 22 Şekil 3.9 Harmonik akımları... 22 Şekil 3.10 Yüke paralel bağlı İkinci Derece Yüksek Geçiren Sönümlü Filtre 25 Şekil 3.11 Değişik Bobin Sembolleri... 27 Şekil 3.12 İçinden akım geçen bobindeki magnetik alan kuvvet çizgileri... 27 Şekil 3.13 Zıt EMK 'nın etkisi. 28 Şekil 4.1 İkinci derece yüksek geçiren sönümlü filtre... 31 Şekil 4.2 Band geçiren filtre... 32 Şekil 4.3 Rezonans anındaki f / Z eğrisi(l:4,32 mh ve 66μF için) 35 Şekil 4.4 Rezonans anındaki f / Z eğrisi(l:91.3 mh ve 12.33μF için)... 35 VII
ŞEKİLLER DİZİNİ GÜLER ELBİSTANLI EK ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Resim 4.1 Deney Düzeneği 1... 39 Resim 4.2 Deney Düzeneği 2... 39 Resim 4.3 Deney Düzeneği 3... 40 Resim 4.4 Deney Düzeneği 4... 40 VIII
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ n :Harmonik mertebesi p :Darbe sayısı k :Herhangi bir pozitif tamsayı I1 :Temel bileşen akımı In :Harmonik bileşen akımı THDı :Toplam harmonik distorsiyon (Akım için) THDv: Toplam harmonik distorsiyon (Gerilim için) Vn :Nominal gerilim Ikd :Kısa devre akımı h :Harmoniğin derecesi Xc :Kapasitif reaktans XL :Endüktif reaktans R :Omik rezistans Qc :Kapasitörün büyüklüğü Q :Kalite faktörü :Açısal frekans f r :Rezonans frekansı L :Endüktans C :Kapasitans Xn :Karakteristik reaktans THF :Üçüncü Harmonik filtresi M :Karşılıklı endüktans P :Aktif güç Q :Reaktif güç S :Görünür güç IX
GİRİŞ 1. GİRİŞ Teknolojinin hızlı seyri ile birlikte gerek artan elektrik talebi, gerekse güç elektroniği elemanlarının daha yaygın bir şekilde günlük hayatın içine girmeye başlaması ile bir takım yeni sorunlar karşımıza çıkmaktadır. 1950 lerden bu yana güç sistemlerinde ilave kayıplar, ek gerilim düşümleri, rezonans olayları, güç faktörünün değişmesi vb. gibi teknik ve ekonomik problemlere yol açtığı tespit edilen harmonikler akım ve gerilimin sinüzoidal yapısını bozan etkilerdir. Buna sebep olan etkenlerin başında ise manyetik ve elektrik devrelerindeki doğrusal olmayan değişimler (lineer olmayan) gelir. Yarı iletken elemanların yapıları gereği ve sanayide kullanılan bazı doğrusal olmayan yüklerin (transformatör, ark fırınları, vb.) etkisiyle, akım ve gerilim dalga biçimleri, periyodik olmakla birlikte temel sinüzoidal dalga ile frekans ve genliği farklı diğer sinüzoidal dalgaların toplamından meydana gelmektedir. Elektrik enerji sistemleri üzerinde olumsuz etkileri görülen harmoniklerin yok edilmesi veya zararsız hale getirilmesi gerekmektedir. Bunun için iki farklı yöntem vardır. Bunlardan birincisi, harmonik üreten elemanların üretimi sırasında yapısının harmonik üretmeyecek veya çok az üretecek şekilde tasarlanması veya şebekeye bağlantılarının uygun şekilde yapılmasıdır. Bu yöntem tasarım sırasında alınabilecek önlemler olarak isimlendirilebilir. İkinci yöntem ise, harmoniklerin üretildikten sonra yok edilmesidir. Bu yöntem de, harmoniklerin filtrelenmesi olarak isimlendirilir.(filiz, 2006) 1.1. Harmonik Tanımı Elektrik sistemlerinde enerjinin üretilmesi, iletilmesi ve dağıtımı sırasında, akım ve gerilimin 50 Hz frekansta salınan ve sinüs eğrisine çok benzer bir biçimde olması istenir. Bu koşul, elektrik enerjisinin kalitesini belirleyen ana faktörlerden biridir. Ancak işletmeden gelen bazı etkilerle (ki bu etkilerin başlıca nedeni, cihazların elektrik ve manyetik devrelerinde bulunan lineer olmayan elemanlardır) akım ve gerilim sinüs formundan uzaklaşır. Bu anlamda harmonik; Güç sistemlerinde akım ve/veya gerilimin dalga şeklinde meydana gelen periyodik sürekli hal bozulmaları olarak tanımlanabilir. Devrede lineer olmayan elemanlar veya sinüzoidal olmayan kaynaklar bulunacak olursa veya bunların her ikisinin de olması durumunda meydana gelirler. Bu şekilde çeşitli elemanlar veya olaylar sonucunda enerji sistemindeki sinüzoidal dalga biçimi bozulur. Bu bozuk dalgalar lineer olmayan dalga olarak adlandırılır. 1
GİRİŞ Sinüzoidal olmayan dalga biçimleri, periyodik olmakla birlikte sinüzoidal dalga ile frekans ve genliği farklı diğer sinüzoidal dalgaların toplamından oluşmaktadır. Temel dalga dışındaki sinüzoidal dalgalara harmonik bileşen adı verilir. Güç sistemindeki sinüzoidal dalganın simetrisinden dolayı 3., 5., 7.,11,... gibi tek harmonik bileşenleri bulunur. Çift harmonikli bileşenler bulunmaz. Şekil 1.1 de yarı periyottaki temel bileşen ve harmonik bileşenler gösterilmiştir.(adak, 2003) Şekil 1.1 Harmonik Bileşenler.(Adak, 2003) 1.2. Toplam Harmonik Distorsiyonu Harmonik bileşenlerin temel bileşene göre seviyesini belirlemede toplam harmonik distorsiyonu göz önüne alınır. Sinüzoidal formdan uzaklaşmayı, bozulmanın derecesini belirtir. Hem gerilim, hem de akım için THD mevcuttur. Gerilimdeki harmonik distorsiyon; 1 THD (1) 2 1/ 2 v ( U n ) U1 n2 Şeklinde ifade edilir. Akımdaki harmonik distorsiyon ise; 2
GİRİŞ 1 THD (2) 2 1/ 2 ı ( In ) I1 n2 Şeklinde ifade edilir. 1.3. Harmonik Üreten Kaynaklar Ve Etkileri Harmonikler genel olarak lineer olmayan elemanlar ile sinüzoidal olmayan kaynaklardan herhangi birisi veya bunların ikisinin sistemde bulunmasından meydana gelirler. Harmonik içeren akım ve gerilimin güç sistemlerinde dolaşması sinüzoidal dalga formunun bozulması anlamına gelir. Elektrik enerjisinin kalitesi tüketiciler açısından son derece önemlidir. Enerji kalitesinin istenilen standartları sağlaması her açıdan vazgeçilmez olmuştur. Güç kalitesini olumsuz etkileyen nedenlerden biri de harmoniklerdir. Lineer olmayan yükler harmoniklere neden olurlar. Şekil 1.2 de lineer olmayan yüklerden bazıları gösterilmektedir. Şekil 1.2 Lineer Olmayan Yüklerden Bazıları.(Adak, 2003) 3
GİRİŞ 1.4. Lineer Olmayan Elemanlar Harmoniklerin oluşmasının başlıca sebebi, elektrik devrelerinde kullanılan lineer olmayan devre elemanlarıdır. Bu devre elemanlarının, gerilimi ile akımı arasındaki bağlantının lineer olmayışından harmonikler oluşmaktadır. Magnetik devrelerin aşırı doyması, elektrik arklar ve güç elektroniğindeki sinüzoidal gerilimin anahtarlanması ve kıyılması lineer olmayan olaylardır. Harmoniklerin oluşmasına neden olan kaynaklardan başlıcaları bilgisayarlar, kesintisiz güç kaynakları, gaz deşarjlı aydınlatma armatürleri, ark fırınları, generatörler, statik VAR kompanzatörleri, fotovoltavik sistemler, transformatörler, statik dönüştürücüler, doğru akım ile enerji iletimi, elektrikli ulaşım sistemleri 1.4.1. Transformatörler Transformatörler, demir çekirdeği bulunan bobinden oluştuğu için harmoniklere yol açmaktadır (Dommel ve ark., 1986). Demir çekirdeğinin mıknatıslama karakteristiği lineer olmadığından, transformatör doyuma gitmekte ve neticede harmonikler üretmektedir. Transformatörler sinüzoidal gerilimle çalışma altında lineer mıknatıslama karakteristiği bölgesinde sinüzoidal çıkış büyüklüğü verecek şekilde tasarlanırlar. Transformatörlerin nominal değerlerinin dışında çalışması nüvede daha çok doymaya ve harmonik akımların seviyesinde hızla artmaya sebep olabilir (Szabados ve Lee, 1981). Mıknatıslama akımı harmonikleri yüklenmenin az olduğu günün erken saatlerinde en yüksek seviyeye ulaşır. Çünkü sistem yükü az olup, gerilim yükselerek aşırı uyarma meydana gelir, aşırı uyarmayla oluşan akım harmoniklerinde 3. 5. ve 7. harmonikler etkili olur (Arrillaga ve ark., 1985). Bununla birlikte akım şiddeti bakımından en önemli harmonik üçüncü harmoniktir. Üç ve üç ün katı harmonikler arasında 360 derecenin tam katları kadar faz farkı olduğundan hepsi aynı fazdadır. Harmonik akımları transformatör primer reaktansı, hattın reaktansı ve generatör kaçak reaktansı üzerinden geçerek harmonik gerilim düşümü meydana getirir; generatörde sinüs şeklinde emk üretildiği halde çıkış uçlarındaki gerilim şekli bozulabilir. Bununla beraber mıknatıslama akımlarının şebekeye geçmemesi transformatör bağlantı grubu, primerin yıldız bağlı olması halinde yıldız noktasının şebekenin nötrüne bağlı olup olmaması ve transformatördeki manyetik devrenin geometrik yapısına bağlı olarak değişmektedir. 3 fazlı transformatörlerde mıknatıslanma akımı transformatör bağlama şekline ve magnetik devresinin yapısına bağlı olarak değişir. Üç ve üç ün katı harmonikler çeşitli bağlantı grupları ile yok edilebilirler. Üçüncü ve yedinci harmoniklerin etkileri soğukta haddelenmiş ve kristalleri yönlendirilmiş saclar kullanılarak azaltılabilir. 4
GİRİŞ Transformatörlerin harmonik üretme özelliği, demir çekirdeğin mıknatıslanma karakteristiğinin lineer olmayışından ileri gelir (Bayram, 1984). Transformatörler doyuma gitmekte ve harmonikler üretmektedirler. Transformatörlerin nominal değerlerin dışında çalışması nüvede daha çok doymaya sebep olur. Doyma harmonik akımların seviyesinde hızla artmaya sebep olur. Transformatörlerde genelde iki türlü harmonik oluşur. Bu harmonikler akım harmonikleri ve gerilim harmonikleri olarak sınıflandırılır. Akım harmonikleri ilave ısıl (I². R den) kayıpları oluşturur, çekirdek demir kayıplarını artır. Haberleşme devreleri üzerinde magnetik etkiler yapar. Gerilim harmonileri ise Transformatör endüktansı ile transformatöre bağlı tüketicilerin kapasitesi arasında rezonansa girmeye neden olur. Dielektrik zorlanmayı artırır. Haberleşme devrelerine elektrostatik etki meydana gelir. (Adak, 2003) 1.4.2. Statik Dönüştürücüler Genel anlamda doğrultucular, eviriciler, frekans çeviricileri, kıyıcılar birer harmonik kaynağıdırlar. Elektronik anahtarlama prensibiyle çalıştıklarından harmonik üretmektedirler. Bu anlamda güç elektroniği düzenekli donanımlar önemli birer harmonik kaynağıdır. Harmonik kaynaklarından biri de bir fazlı ve üç fazlı hat komutasyonlu konvertörlerdir. DC iletim sistemleri, akü ve fotovoltavik sistemler hat komutasyonlu konvertörler üzerinden beslenir (Kocatepe, 1995). Büyük güçlü konvertörün kullanım alanlarından biride elektrikli ulaşımdır. Üç fazlı konvertörün bir fazlı konvertöre üstünlüğü, üç ve üçün katı harmonikleri üretmemesidir (Doggan ve Morrison, 1993). İdeal bir dönüştürücünün ürettiği harmonik bileşenleri, n=k.p± 1 (3) ile belirlenir. Burada p, darbe sayısı, k,1 den sonsuza herhangi bir sayı ve n,harmonik mertebesini göstermektedir (Sundberg, 1980). Böylece, üç darbeli doğrultucu üç ve üçün katları hariç tüm harmonikleri üretir. 6 darbeli bir doğrultucu, 5., 7., 13., 17., 19., 23., 25., v.s.harmonikleri üretir. 12 darbeli doğrultucu ise 11., 13., 23., 25., 35., 37., v.s.harmonikleri üretir. Genellikle, endüstriyel tesislerde 6 darbeli doğrultucular kullanılmaktadırlar. Temel bileşen akımı (I1) ile harmonik bileşen akımı ( In ) arasında, 5
GİRİŞ I I n 1 I (4) n eşitliği vardır (Rashid, 1983). 1.4.3. Generatörler Genel anlamda en doğal harmonik üreticileri generatörlerdir. Dönen makineler, makine ve endüvi oluk sayısına bağlı olarak harmonik üretirler (Arrillaga vd., 1985). Alan şekline ve manyetik devrenin doymaya ulaşmasına veya magnetik direncin değişimine bağlı olarak harmonik üretirler. Bu nedenlerden dolayı generatör sargılarının yıldız bağlanması ve yıldız noktasının yalıtılması tercih edilir. Generatör dört iletkenli bir şebekeye bağlı ise, bu koşulda nötr hattı, zigzag bağlı bir bobinle oluşturulan sanal yıldız noktasına bağlanır. Stator sargı adımlarının uygun seçildikten sonra kirişlenme yolu ile alan eğrisindeki 3. harmonik ile 5. ve 7. harmonikler gerilim eğrisinde tamamen ortadan kaldırılabilirler. (Arrillaga ve ark., 1985). 1.4.4. Ark Fırınları Ark fırınları, kaynak makineleri gibi normal işlemlerini ark ile sürdüren tesisler önemli harmonik kaynakları arasında sayılabilirler. Harmoniğin üretilme nedeni, ark direncinin lineer olmaması yani ateşleyici elektrotlarının akım gerilim karakteristiğinin lineer olmayışıdır. (Arrillaga ve Ark., 1985) Tipik bir ark fırınında 2., 3., 9. mertebeli akım harmonikleri bulunur. En büyük harmonik bileşeni temel bileşenin %30 u kadardır (Sundberg, 1980). 1.4.5. Gaz Deşarjlı Aydınlatma Flouresant, civa ve yüksek basınçlı sodyum lambalar, xenon v.b. gibi gaz deşarjlı aydınlatma elemanları, şebekeden harmonikli akımların çekilmesine neden olurlar. Çizelge 1.1 ve 1.2 de flouresant lambaya ait harmonik değerleri verilmiştir (Doggan, 1996 ). 6
GİRİŞ Çizelge 1.1 Flouresant Lamba Harmonik Distorsiyon Değerleri(Akım İçin).(Adak, 2003) Magnetik Balast(%THDı) Elektronik Balast(%THDı) Harmonik Bileşenler (n) Faz Nötr Faz Nötr 1 12.8 171.2 16.3 44 3 10.6 169.8 3.6 11.9 5 6.7 16.6 11.7 31.6 7 1.6 3.3 5.2 3.7 9 0.8 12.7 3.9 20.1 11 0.2 2.3 3.5 2 13 0.3 2.5 3.4 4.1 15 0.1 3.4 2.1 10.1 17 0.1 0 2.1 3.2 19 0 0.7 2.2 3.1 21 0 0.5 2 9.1 23 0 0 1.7 1.5 25 0 0.4 1.9 3.7 27 0 0 1.7 8.2 29 0 0 1.5 3 31 0 0 1.5 3.5 33 0 0 1.4 6.4 Kompakt flouresant lambalarda kullanılan elektronik balastlar da önemli harmonik kaynaklarıdır. Çizelge 1.2 de magnetik balastlı bir flouresant lamba harmonik akımlarının temel bileşene oranı verilmiştir (Doggan, 1996). Çizelge 1.2 Magnetik Balastlı Flouresant Lamba Harmonik Spektrumu.(Adak, 2003) Harmonikler (n) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 (%)In/I1 100 19.9 7.4 3.2 2.4 1.8 0.8 0.4 0.1 0.2 0.1 1.4.6. Statik VAR Kompanzatörleri Reaktif güç kompanzasyonunda değişken yüklerin olduğu ve bundan dolayı hızlı anahtarlamanın istendiği durumlarda statik anahtarlamalı kompanzasyon sistemleri kullanılır. Statik VAR kompanzatörleri genel itibari ile sinüzoidal dalganın belirli aralıklarla kesilmesine neden olur. Böylece dalga şekli sinüzoidalden uzaklaşır. Çalışma prensibi, kesilen bu dalgalar ile L ve C elemanlar üzerinden reaktif gücün ayarlanma prensibine dayanır. Çizelge 1.3 de 25. mertebeye kadar olan harmoniklerin en büyük genlikleri verilmiştir. Tam iletimde temel bileşen genliğinin yüzdesi olarak verilen değerler, faz ve hat akımlarının her ikisi için de aynıdır (Funabiki ve Himei, 1985). 7
GİRİŞ Çizelge 1.3 Tristör kontrollü reaktörde harmonikler ve genlikleri.(adak,2003) Harmonik Mertebesi 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 25 Harmonik Genliği 13.8 5.05 5.29 1.57 1.05 0.75 0.57 0.44 0.35 0.29 0.24 1.4.7. Fotovoltavik Sistemler Elektrik enerjisini fotovoltavik yoldan üreten sistemler olup, ürettikleri doğru akımı alternatif akıma dönüştürmek için konvertörleri kullanırlar. Dolayısıyla harmoniklere yol açarlar (Kocatepe, 1999). 1.4.8. Kesintisiz Güç Kaynakları Kesintisiz güç kaynakları, güç elektroniği elemanları ile anahtarlama yaparak alternatif gerilimi doğru gerilime çevirip, enerjinin depolanması ve sonra evirici yardımı ile alternatif akıma çevirerek elektrik kesintisi anında tüketiciye iletmesi prensibine göre çalışır. Hem doğrultucu hem de evirici tarafında harmonikler oluştururlar. 1.4.9. Doğru Akımla Enerji İletimi Güç elektroniği elemanları ile AC/DC DC/AC yapıldığı için şebekede birer harmonik kaynağı gibi davranırlar. 1.5. Harmoniklerin Sisteme Etkileri Harmonikler güç sistemlerindeki tüm elemanları etkilerler. Dolayısı ile güç sistemleri bundan olumsuz yönde etkilenir. Harmonikler gerilim ve akımın dalga şeklini bozmaları sonucu enerji sistemlerinde meydana getirdikleri etkileri genel olarak şöyle sıralanabilir. 1. Enerji sistemindeki elemanlarda kayıpların artması 2. Transformatörlerin aşırı ısınması 3. Dönen makinelerde moment salınımlarının ve aşırı ısınmaların oluşumu 4. Gerilim düşümlerinin artması 5. Generatör ve şebeke gerilimi dalga şeklinin bozulması 6. Kompanzasyon tesislerinin aşrı reaktif yüklenmesi 7. Endüksiyon tipi sayaçlarda yanlış ölçmeler 8. Şebekede rezonans olayları, rezonansın neden olduğu aşırı gerilim ve akımlar 9. Kontrol devrelerinde çalışma bozuklukları 10. Korumada hatalı çalışma 11. Dielektrik malzemesinin delinmesi 12. Mikroişlemcilerin hatalı çalışması 13. Sesli ve görüntülü iletişim araçlarında parazit ve anormal çalışma 14. Güç faktörü değişimi 8
GİRİŞ 1.6. Harmonik Standartları Harmonik bileşenlerin olumsuz etkilerinden dolayı sınırlandırma çalışmaları önem arz etmektedir. Harmoniklerin sınırlandırılması için THD kriterine göre çeşitli standartlar mevcuttur. Müsaade edilen maksimum gerilim ve akım bozulması IEEE (standart 519 1992) de belirtilmiştir. Bu konuda ulusal ve uluslar arası standartlar geliştirilmiştir. Bu standartlarda hem akım hem gerilim hem de harmonik bileşenlerin derecesine bağlı olarak sınır değerleri Çizelge 1.4 te verilmektedir. Çizelge1.4 Harmonik Standartları.(Adak, 2003) Vn<69kV Ikd/I1 h<11 11 h<17 17 h<23 23 h<35 h>35 %TDD <20 4.0 2 1.5 0.6 0.3 5.0 20 50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50 100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100 1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 69kV<Vn 161kV <20 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5 20 50 3.5 1.75 1.25 0.5 0.25 4.0 50 100 5.0 2.25 2.0 0.75 0.35 6.0 100 1000 6.0 2.75 2.5 1.0 0.5 7.5 >1000 7.5 3.5 3.0 1.25 0.7 10.0 Vn>161kV <50 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5 50 3.0 1.5 1.15 0.5 0.22 4.0 Bu tabloda, Ikd kısa devre akımını, I1 temel bileşen akımını, h harmonik derecesini göstermektedir 9
ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin DEMİRTAŞ(Yüksek Lisans, 1996),Güç elektroniği devrelerinde harmonikler ve filtreler Özet: Bu çalışmada güç elektroniğinde kullanılan yarı iletken kökenli devre elemanlarının harmonik üretmedeki etkileri incelenmiştir. Süleyman Süha TOK(Yüksek Lisans, 1998),Enerji sistemlerinde meydana gelen harmoniklerin analizi, harmonik standartları ve ölçüm teknikleri Özet: Bu çalışmada harmoniklerin çeşitli tekniklerle analizi ortaya konmuş ve ölçüm teknikleri üzerine çalışmalar yapılmıştır. İsmail Ercan BUZCU(Yüksek Lisans, 2005), Daimi mıknatıslı senkron motorun rotor alan yönlendirmeli kontrolü ve pasif filtre ile harmoniklerin azaltılması Özet: Bu çalışmada daimi mıknatıslı senkron motorun tarihi gelişimi, yapısı, uygulama alanları, matematiksel modeli, kontrol metotları ve bunlardan rotor alan yönelmeli kontrolü konusunda bilgiler verilmeye çalışılmıştır. Ayrıca matlab/simulink ile alan yönelmeli hız kontrolünün simülasyonu yapılmıştır. Caner FİLİZ(Yüksek Lisans, 2006), Güç sistemlerinde harmonikler ve filtrelerin incelenmesi Özet: Yapılan bu çalışmada; fourier analizi kullanılarak harmoniklerin matematiksel analizi, harmonik üreten kaynaklar, harmoniklerin sistem üzerine etkileri ve harmonik standartları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Harmoniklerin giderilmesi konusuna ise ana hatları ile değinilerek filtrelerden bahsedilmiştir. Feridun BAŞMAN(Yüksek Lisans, 2006), Enerji sistemlerinde harmonik ve filtreleme Özet: Bu çalışmada harmonik filtreleme hakkında bilgi verilmiş ve matlabda aktif filtre ile ilgili bir simülasyon yapılmıştır. İlker İLASLANER(Yüksek Lisans, 2006), Güç kalitesinde harmonikler ve filtrelenmesi Özet: Bu çalışmada halen TEİAŞ tarafından kullanılan bir enerji nakil hattının (Akdağmadeni Tokat Enerji Nakil Hattının) simülasyonu yapılmış, enerji kalitesi için gerekli uygulamalar hat üzerinde denenmiş ve özellikle elektriksel bileşenler için kararlılık çalışmaları sağlanmıştır. Tezde enerji kalitesi için karma bir filtre kullanılmıştır. Bu filtre aktif ve pasif filtrelerden oluşmaktadır. Üretimden tüketim noktasına kadar enerji sistemindeki kararlılık için gerekli seri ve paralel kompanzasyonlar yapılmış, sonuç olarak harmonik bileşenlerde azalma sağlanmış ve enerji kalitesindeki artış gözlemlenerek örnek hat için raporlanmıştır. Mehmet SUCU(Yüksek Lisans, 2003), Elektrik enerji istemlerinde oluşan harmoniklerin filtrelenmesinin bilgisayar destekli modellenmesi ve simülasyonu Özet: Bu tez çalışmasının asıl konusu harmoniklerin filtrelenmesi olduğundan, harmoniklerin giderilme yöntemlerinden birincisi olan tasarım sırasında alınabilecek önlemlerden yüzeysel olarak bahsedilmiştir. Tasarım sırasında alınabilecek önlemlerin her birisi ayrı bir tez çalışması altında incelenebilecek konulardır. Harmoniklerin giderilmesinin ikinci yolu olan filtreleme konusuna ise ayrıntılı olarak değinilmiştir. 10
MATERYAL VE METOD 3. MATERYAL ve METOT 3.1 MATERYAL Çalışmada Harmonik Filtre Reaktörü, Güç Kondansatörü, Harmonik Analizörü, 128W Yüksek Basınçlı Civa Buharlı Lamba, PC Bilgisayar, Matlab Programlama Dili, konu ile ilgili makale, kitapçık ve kitaplardan faydalanılmıştır. Harmonik filtre reaktörü, istenilen endüktans değeri elde edilecek şekilde, nüveli veya nüvesiz olarak sardırılabilir. Kullanılacak güç kondansatörünün gerilim değerine özellikle dikkat edilmelidir. Çünkü filtre için kullanılacak bobin, kondansatör üzerine düşecek gerilim değerini yükseltecektir. Harmonik analizörünün ölçtüğü değerlerin doğru olup olmadığını özellikle test etmek gereklidir. Bunun için iki farklı analizörle ölçüm yapıp, değerlerin aynı veya çok yakın olduğunu görmek gerekir. Bu çalışmada Merlin Gerin marka PM 800 Enerji Analizörü ile de ölçümler yapılmış ve sonuçlar çok yakın değerler çıkmıştır. 3.1.1 Harmoniklerin Azaltılması Harmoniklerin olumsuzlukları öncelikle tasarımda daha sonra da devreye bağlanan elemanlarla giderilmeye çalışılır. Lineer olmayan elemanların bulunduğu devreye bağlanan ve istenen harmonik bileşenlerin giderilmesini sağlayan bu devrelere harmonik filtresi adı verilir. Filtreler aktif ve pasif filtreler olarak iki gruba ayrılır. Pasif filtrelerin amacı; ayarlandığı frekans ya da frekanslarda rezonans meydana getirerek veya bir tıkaç vazifesi yaparak, harmonik bileşen akımlarını toprağa iletmek veya yük tarafına geçirmemektir. Aktif filtreler ise sistemde dolaşan harmonikleri sağlayan aktif elemanlardır. 3.1.2 Tasarım Aşamasında Alınabilecek Önlemler Daha başlangıçta harmonik bileşenleri gidermek amacıyla, bazı önlemler alınabilir. Bu önlemler devre elemanlarının imali veya bunların bağlanması esnasında alınır.(adak, 2003) 3.1.2.1.Generatörlerde Alınabilecek Önlemler Senkron generatörlerde hava aralığındaki manyetik alanın şekli indüklenen elektromotor kuvvetini belirler. Eğer manyetik alan sinüzoidal ise indüklenen elektromotor kuvveti de sinüzoidal olacaktır. Yuvarlak rotorlu senkron makinelerde sinüzoidal olmayan 11
MATERYAL VE METOD alan eğrisinin sinüs eğrisine yaklaştırmak için kutup oluklarının 3 2 ü sarılır ya da sarım adımları birbirlerinden farklı olan sarım tipi kullanılır. 3.1.2.2.Dönüştürücülerde Alınabilecek Önlemler Doğrultucularda darbe sayısı p ise, harmonik mertebesi n=k.p±1 formülü ile bulunur. Bu formülde k=1, 2, 3 gibi tam sayılardır. Darbe sayısının artırılması ile küçük dereceli harmoniklerin giderilmesi mümkündür. I1 I1 Dönüştürücülerde n=5, 7, 11, 13 olduğu için, harmonik akımları I5 ve I7 5 7 gibi değerler almaktadır. Bundan dolayı darbe sayısı ne kadar büyük olursa, harmonik mertebeleri de o kadar küçük olur. 3.1.2.3.Transformatörlerde Alınabilecek Önlemler Büyük transformatörlerde magnetik endüksiyon değerinin büyük tutulması ile demir çekirdekten en büyük yarar sağlanır. Ancak büyük endüksiyon değerinde, doyma nedeni ile mıknatıslanma akımında harmonikli bileşenler artar. Mıknatıslanma akımının harmonik bileşenlerini azaltmak için alınabilecek en iyi tedbir, manyetik endüksiyonu düşük tutmaktır. 3.1.3 Pasif Filtreler Pasif filtreler, endüktans, kapasite ve omik direnç gibi pasif elemanlardan meydana gelir. Kaynak ile yük arasına konularak temel frekans dışındaki harmonik bileşenleri elimine eder. Pasif filtrede amaç, elimine edilmek istenen harmonik bileşene ait frekans değerinde L ve C elemanlarının rezonansa gelmesini sağlamaktır. Pasif filtreler devreye seri ve paralel olarak bağlanırlar (Adak, 2003). 3.1.3.1 Seri Filtreler Seri filtreler şebeke ile yük arasına seri olarak bağlanır. Seri filtreler elimine edilecek harmonik frekanstaki akımı yüksek bir empedans değeri gösterir. Bu nedenle seri filtreler ayarlı olduğu frekanslarda yüksek empedansa sahiptir ve belirli bir frekansa ayarlandığı için sadece o ayarlı frekans bileşenine yüksek empedans gösterir. 12
MATERYAL VE METOD Şekil 3.1 Seri filtrenin devreye bağlanması.(adak, 2003) Seri filtreler tek fazlı sistemde 3. harmoniğin baskın olduğu uygulamada yaygındır. Seri filtreler genellikle temel frekansta düşük empedans gösterir. Seri filtrelerin en büyük dezavantajı yük akımını taşımalarının gerekliliği ile hat gerilimi için yalıtılmalarıdır. Bununla birlikte seri filtrelerin rezonans problemi yoktur. 3.1.3.2 Şönt Filtreler Şönt filtreler harmonik kaynağına(yüke) paralel bağlanırlar. Elimine edilmesi istenen harmonik frekansında düşük bir empedans elde edilerek istenmeyen harmonik akımlarını toprağa aktarılır. Şönt filtreler harmonik akımlarına çok düşük bir empedans göstermek için tasarlanır. Ayrıca şönt filtreler güç faktörü düzeltmede de kullanılabilirler. Şönt filtreler seri filtre gibi sadece ayarlı oldukları frekansta etkilidirler. Şekil 3.2 Şönt Filtrenin Devreye Bağlanması.(Adak, 2003) Şönt filtreler içerisinden uygulamamızda Yüksek Geçiren Sönümlü Filtreler ve Band Geçiren Filtreleri kullandık. 13
MATERYAL VE METOD a. Band Geçiren Filtre Bir akortlu seri filtre seri bağlanmış R,L,C kombinasyonundan oluşur. Akort edilen harmonik değerinde kapasitör ve reaktör reaktansları eşit hale gelir ve filtre saf rezistif empedans gösterir. Filtrenin empedansı düşük harmonikler için kapasitif yüksek harmonikler için endüktif değer alır.(wakileh, 2001). Şekil 3.3 Band Geçiren Filtre(Tek ayarlı filtre).(sucu, 2003) b. Tasarım Adımları Bir band geçiren filtreyi n. harmoniğe akort etmek için Yük için gerekli olan kapasitör büyüklüğünü seçilir. Kapasitörün reaktansı; X c kv 2 (5) Qc den hesaplanır hn harmoniğin derecesini göstermek üzere reaktör reaktansı; X L Xc 2 h n (6) den hesaplanır Reaktör rezistansı; R Xn Q (7) 14
MATERYAL VE METOD dan hesaplanır. Burada X n, Karakteristik Reaktans ve Q, Kalite Faktörüdür. 30<Q<100 X n,karakteristik Reaktans olmak üzere; L X X. X C n L c (8) den bulunur (Wakileh, 2001). c. Yüksek Geçiren Sönümlü Filtreler Şekil 3.16. da; yüksek geçiren sönümlü birinci, ikinci, üçüncü dereceden ve C tipi filtre devreleri verilmiştir. Bu filtrelerin başlıca üstünlükleri şu şekilde ifade edilebilir: Kapasite kayıpları, çalışma ve yüklenme sırasında ısı değişiminden etkilenmediği gibi, frekans sapmaları da üretim toleransları üzerinde fazlaca etkili olmamaktadır. Artan anahtarlama ve bakım sorunları bakımından paralel kolların ek devrelere ayrılmasına gerek duyulmaksızın, geniş bir frekans aralığında düşük bir empedans sağlarlar. Yüksek geçiren filtreler çeşitli mertebeler için tasarlanırlar. Örneğin; ikinci mertebeden yüksek geçiren bir filtre temelde endüktansına paralel bir direnç eklenmiş bant geçiren bir filtredir. Farklı direnç değerleri için farklı filtre cevapları elde edilir. İkinci mertebeden yüksek geçiren bir filtre, yüksek frekanstaki harmonikleri zayıflatmada bant geçiren bir filtreden daha etkilidir. Ayrıca filtre, bant geçiren filtre için ayarlanan frekans değerine duyarlı değildir Şekil 3.4 Yüksek Geçiren Sönümlü Filtreler.(Sucu, 2003) (a) Birinci Derece, (b)ikinci Derece, (c) Üçüncü Derece, (d) C Tipi 15
MATERYAL VE METOD Endüktif ve kapasitif elemanların seçimi, bant geçiren filtredeki gibi yapılır. Bunlara ek olarak anma etkin gücüne dayalı bir direnç değeri tanımlanır. Düşük mertebeli harmonikler için yüksek geçiren filtreleri kullanmak ekonomik değildir. Ayrıca direnç değeri artacağından kayıplar artar(yeşil, 1996). X L, X Cve Z fonksiyonları çizilirse (Şekil 3.5) Z(fonksiyonunun, 1 r= LC (9) değerinde bir minimum noktası olduğu görülür Şekil 3.5 açısal frekansının fonksiyonu olarak X L, X C reaktansları ve Z in değişimi.(yeşil, 1996) Bu r ye tekabül eden f r değeri ise L ve C değerleri değiştirilerek her kol için değişik bir değere ayarlanabilir ve kolun rezonans frekansıdır. Her kol değişik harmonik frekanslarına ayarlanarak bir harmonik filtre oluşturulmuş olur (Yeşil, 1996). ç. Tasarım Adımları Bir yüksek geçiren sönümlü filtreyi n. harmoniğe akort etmek için; Yük için gerekli olan kapasitör büyüklüğü seçilir. 16
MATERYAL VE METOD X c kv 2 (10) Qc den kapasitörün reaktansı hesaplanır. h, harmoniğin derecesini göstermek üzere; n X L Xc 2 h n (11) den reaktör reaktansı hesaplanır. R X. Q (12) n dan Reaktör rezistansı hesaplanır. Burada Faktörüdür. 0.5<Q<5 X n ; Karakteristik Reaktans ve Q, Kalite L X X. X C n L c den bulunur. Böylece filtre tasarımı için gerekli olan Xc, XL ve R değerleri bulunmuş olur (Wakileh, 2001). d. Yüksek Geçiren Sönümlü Filtre Hesabı Deneyde kullanılan yük değerlerinden yola çıkarak MPR 63 Şebeke Analizörü ile yapılan ölçümden kondansatör gücü; Qc 187.5 Var V 220 Volt 2 kv Xc (13) Qc Denklem (13) de değerler yerine yazılırsa Xc 0.220²/187.5 Xc 258.13 Ω bulunur. Xc X L (14) h 2 n 17
MATERYAL VE METOD Denklem (14) de değerler yerine yazılırsa X 258.13/3² L X L 28.68 Ω bulunur. L X X. X C n L c (15) X L ve Xc değerleri denklem (15) te yerine yazılırsa X n 258.13x28.68 X n 86.04 Ω bulunur. R X.Q 0,5<Q<5 (16) n Q 1.743 alınırsa R 86.04 x 1.743 R 150 Ω Rezonans anında X c X X (17) L n olacaktır. 1 2.f 2.f.C r r.l (18) L = C 1 2.f r (19) L 2.f 1 r. C (20) L C X n (21) L C.X n (22) 18
MATERYAL VE METOD C.X n 2.f 1 r. C (23) X n 1 2.f.C r (24) Denklem (24) de X n 86.04 Ω değeri yerine yazılırsa C 12.33μF bulunur.( f 150 Hz için) Denklem (10) un her iki tarafının karesi alınırsa r 2 L C.X n (25) bulunur. Burada C 12.33μF ve X 86.04 Ω yazılırsa n L 91,3mh bulunur 3.1.4 Aktif Filtreler Aktif güç filtresinin çalışması, sisteme yükün ürettiği harmoniklerle aynı genlikte fakat ters fazda bir akım enjekte edilmesi prensibine dayanır. Güç elektroniği elemanları kullanılarak gerçekleştirilir. Temel olarak aktif güç filtresi, şebekeye bir dijital kontrolörle bağlı standart bir düzenekten oluşur. Akım veya gerilimdeki harmonik distorsiyonunu tanımlamak için ilave bir kontrol bloğu mevcuttur. Aktif filtreler pasif filtrelere nazaran kaynak empedansına daha az bağlıdır. Yük değişimlerinde sadece kontrolör yeniden programlanmalıdır. Aktif güç filtresi, dönüştürücü, akım kontrol devresi ve harmonik belirleme bloğu olmak üzere üç kısımdan oluşur. Şekil 3.6 te aktif güç devresinin prensip şeması gösterilmiştir (Gonzales ve Mc Call., 1987). 19
MATERYAL VE METOD Şekil 3.6 Aktif Güç Filtresine Ait Blok Şeması.(Adak, 2003) 3.1.4.1.Üçüncü Harmoniğin Etkileri Bilgisayarlar ve deşarj lambaları gibi lineer olmayan yüklerin şebekede kullanımlarının artması, üçüncü harmoniğin bu yükler tarafından üretilmesi sebebiyle şebekede ve diğer ekipmanlar da problemler meydana getirmektedir. Üçüncü harmonik nötr iletkeni üzerinde faz iletkeni üzerindeki akımdan daha fazla değerde akım üretir. Flouresant, civa buharlı, sodyum buharlı, metal halide lambalar gibi deşarj lambaları üçüncü harmonik üretirler. Bir deşarj lambası şebekede 1A/kW değerinde 150 Hz frekansa haiz üçüncü harmonik akımı üretir. 20
MATERYAL VE METOD Şekil 3.7 Harmonik Bileşenler.(Odabaşı, 2004) Üçüncü harmonikler büyük değerlerde nötr akımları üretirler Üç fazında eşit olarak yüklendiği simetrik şebekelerde nötr iletkeni üzerinde herhangi bir akım yoktur. Ancak eğer şebekede üçüncü harmonik varsa nötr iletkenler üzerinde akımlar görülür. Deşarj lambalı sistemde, faz iletkenindeki harmonik miktarı faz akımlarının değerinin %30 değerine ulaşır. Böylece nötr iletkeninin yüklenmesi faz akımlarının 3x%30= 0.9 u değerine ulaşır. 21
MATERYAL VE METOD TNS L1 L2 L3 N PE Şekil 3. 8. Harmonik Akımlarının Nötr İletkeninde Üretilmesi.(Odabaşı, 2004) İş hanları, bankalar, ticari binalarda flüoresant lambaların bilgisayarların ve bilgisayarlara bağlı kesintisiz güç kaynaklarının artmasıyla nötr iletkenlerde görülen 3. Harmonik akımları her bir faz iletkeninden akan akım değerlerinin %150 ila %210 katına ulaşmıştır. Faz akımlarının 120 0 faz farkından dolayı nötr iletkendeki vektörel toplamı birbirini ifna ederken, faz iletkenlerindeki 3. harmonik akımları aralarında faz farkı olmadığından nötr iletkeni üzerinde birbirlerine ilave olarak yüksek değerlere ulaşırlar. Şekil 3.9 Harmonik Akımları.(Odabaşı, 2004) 22
MATERYAL VE METOD Nötr iletkeni 16mm 2 bakır ve 25 mm 2 alüminyum kesitten sonra faz iletkeninin kesitinin yarı değerinde boyutlandırıldığı tesislerde nötr iletkeninin aşırı yüklenmesi durumu ortaya çıkar. Bu durum ortaya nötr iletkeni sigorta veya herhangi bir aşırı akım açıcısıyla korunmadığından yangın tehlikesi ortaya çıkarır. Amerikan CBEMA ( Computer-Business Equipment Manufacture Association) kuruluşu üçüncü harmonik tarafından ortaya çıkan yangın riskinden dolayı nötr iletkeninin kesitinin faz iletkeninin kesitinin 1.73 katı olması gerektiğini tavsiye etmiştir. Uluslararası EMC direktiflerine uygun olarak yapılan yeni düzenlemelerde nötr iletkenin boyutlandırılmasında mutlaka üçüncü harmoniğin meydana getirdiği akımlar hesaba katılacaktır. Nötr iletkeninin kesiti bir fazlı sistemlerde kesit değerine bakılmaksızın ve üç fazlı sistemlerde faz iletkeni 16 mm 2 bakır, 25mm2 alüminyum kesite kadar faz iletkeni ile aynı kesitte olacaktır. Üç fazlı 16mm2 bakır, 25mm2 alüminyum kesitten daha büyük faz iletkenine haiz sistemlerde aşağıdaki şartların hepsinin gerçekleşmesi durumunda nötr iletkeni faz iletkeninin kesitinden daha düşük değerde olabilir. En yüksek( harmoniği de ihtiva eden) normal kullanım esnasında nötr iletkeninde görülebilecek akım nötr iletkeninin akım taşıma kapasitesinden daha büyük olmayacak (Normal kullanımdan yükün fazlar arasında eşit bölünmesi kast edilmiştir) Nötr iletkeni şartnamelere uygun olarak aşırı akıma karşı korunmuş olacaktır Nötr iletkeninin kesiti en az 16mm 2 bakır ve 25mm 2 alüminyum olacaktır. Tesisin planlama safhasında harmoniklerin üretilmesi ve miktarları önceden tahmin edilmesi mümkün olmadığından Nötr iletkenleri ya yüksek değerlerde boyutlandırılmalı ve nötr iletkeninin kesiti en az faz iletkeni kesitinde olmalıdır veya özellikle eski tesislerde harmonik üreten cihazların üreteceği harmonik miktarı nötr iletkenini zorlamayacak seviyede olmalıdır. THF yani üçüncü harmonik filtresi kullanıldığında nötr iletkende üçüncü harmonik akımları meydana gelmesi engellenir ve üçüncü harmonik akımlarının engellenmesiyle nötr iletkeninin yüksek değerlerde boyutlandırılmasına gerek kalmaz. Üçüncü harmoniğin etkileri şu şekilde sıralanabilir: 1.Şebekede Nötr iletkeninin aşırı ısınması ve yangın riskine sebep olması Güç kayıplarının artması Kuvvetli elektromagnetik alanlar Şebekeye enterferansların verilmesi 2.Elektrik tesislerinde harmoniklerin sebep olduğu enterferanslar Güç kayıplarının artması Rezonans riski Üçüncü harmonik akımının dönmesinden dolayı transformatörlerin delta sargılarında aşırı yüklenme 23
MATERYAL VE METOD Gürültü Sıcaklık yükselmesi 3.Kondansatörlerde Kondansatörler özellikle harmoniklere karşı hassastır. Bu sebeple kondansatör bataryaları harmoniklere karşı mukavim olması için aşırı boyutlandırılır. Güç kayıplarının artması Rezonans riski İşletme ömrünün azalması 4.Kablolarda ve iletkenlerde Güç kayıplarının artması Nötr iletkeni üzerinde aşırı yüklenme (N ve PEN iletkeninde) Yangın riski 5.Bilgisayarlarda Yanlış çalışma riski(harmonikler nedeni bilinmeyen enterferans etkilerine sebep olabilirler) 6.Diğer enterferanslar Elektrik ekipmanlarının hatalı fonksiyonları Elektronik rölelerin hatalı fonksiyonları Toprak hata alarmlarının yanlış çalışması Cihazların uygun çalışmaması Kontrol cihazlarının hatalı fonksiyonları Kuvvetli elektromagnetik alanlar 7. 4 Hatlı sistemler de potansiyel farkları 3. Harmonik tarafından meydana getirilen 150 Hz hata akımlarının PEN iletkende sebep olduğu potansiyel farklarıdır. Potansiyel farkları bilgisayarlarda yanlış çalışmalara sebep olur(odabaşi, 2004) 24
MATERYAL VE METOD 3.2 METOD 3.2.1 Deney Düzeneği Şekil 3.10 Yüke Paralel Bağlı İkinci Derece Yüksek Geçiren Sönümlü Filtre Deneyde 125w gücünde yüksek basınçlı civa buharlı lamba ve Pelsan marka balast, Jüpiter marka Z400 m ignitor, Kondaş marka 10μF ve 16 μf kondansatör, 150 Ω seramik direnç 4,32 mh hava nüveli bobin ve Entes marka MPR 63 şebeke analizörü kullanıldı. Deneyde kullanılan MPR 63 şebeke analizörü bir elektrik şebekesine ait tüm parametreleri ölçmek ve istenildiğinde kaydetmek amacıyla tasarlanmış DSP(Digital Signal Processer) tabanlı üniversal bir cihazdır. Ölçülen parametreler 3,6 inç lik bir LCD ekranda görüntülenmekte ve istenildiği takdirde karanlık ortamlarda aydınlatma aktif yapılarak kolay okunma sağlanabilmektedir. MPR 63 MODBUS seri haberleşme ara yüzüne sahiptir. MPR 63 ile Parametre tablosunda verilen ölçüm değerleri LCD ekrandan izlenilebilir. Akım ve gerilim trafosu çeviri oranlarını değiştirebilir 3 Faz + Nötrlü,3 Faz + Nötrsüz, Aron bağlantılı sistemlerde ölçüm yapılabilir. RS 485 çıkışlarını kullanarak bilgisayarla veri alışverişinde bulunulabilir. İstenilen parametreler MPR-63 ün kalıcı 1MB kalıcı belleğinde tarih ve saatiyle birlikte, istenilen sıklıkta kaydedebilir. 25
MATERYAL VE METOD Kaydedilen bu parametreleri, gerekli yazılımı kullanarak bilgisayar ortamına aktarabilir. İstenilen parametreyi 4-20mA çıkışına atayıp bu çıkıştan değeri okunabilir. 1.Röle ve 2.röle çıkışına ayrı ayrı parametre atayabilir, bu parametrelerin belirlenen sınırların atlında veya üstünde bir değer alması sonucunda ilgili rölenin kontak değiştirmesini sağlayabilir. (Bu çıkışlar uyarı ve alarm amaçlı kullanılabilir.) 3.Pals A çıkışından Aktif Enerjinin(İmport-Export) değeriyle orantılı pals alınabilir. 4.Pals-R çıkışından Reaktif Enerjinin(endüktif)değeriyle orantılı pals alınabilir. Fazların varlığı ekranın sağ üst köşesindeki VL1,VL2,VL3 sembollerinden her an izlenebilir. Akım veya Gerilimin Toplam Harmonikleri(THD) LCD ekranın sol üst köşesindeki barlardan her an gözlemlenebilir. 1 2 3 4 çıkışlarından hangilerinin o an için Aktif olduğunu ekrandan takip edilebilir. Ayarlar, demand ve enerji menülerine 3 haneli bir kullanıcı şifresi belirleyerek cihazın ayarlarının yetkisiz kişilerce değiştirilmesi önlenilebilir. Deneyde hava nüveli bir bobin kullanılmıştır. Bobin bir yalıtkan makara (mandren veya karkas) üzerine belirli sayıdaki sarılmış tel grubudur. Kullanım yerine göre, makara içerisi boş kalırsa havalı bobin, demir bir göbek (nüve) geçirilirse nüveli bobin adı verilir. Bobinin her bir sarımına spir denir. Şekil 3.8 'de bobin sembolleri verilmiştir. Aşağıdaki üst sırada bulunan semboller eski alt sırada bulunan semboller yeni gösterilim şeklidir. 26
MATERYAL VE METOD Şekil 3.11 Değişik Bobin Sembolleri.(Anonim 1) Bilindiği gibi bir iletkenden akım geçirildiğinde, iletken etrafında bir magnetik alan oluşur. Bu alan kâğıt üzerinde daireler şeklindeki kuvvet çizgileri ile sembolize edilir. Bir bobinden AC akım geçirildiğinde, Şekil 3.9 'da görüldüğü gibi bobin sargılarını çevreleyen bir magnetik alan oluşur. Akım büyüyüp küçülüşüne ve yön değiştirmesine bağlı olarak bobinden geçen kuvvet çizgileri çoğalıp azalır ve yön değiştirir. Bobine bir DC gerilim uygulanırsa, magnetik alan meydana gelmeyip bobin devrede bir direnç özelliği gösterir. Şekil 3.12 İçinden Akım Geçen Bobindeki Magnetik Alan Kuvvet Çizgileri.(Anonim 2) Bobin içerisindeki kuvvet çizgilerinin değişimi, bobinde zıt elektromotor kuvvet (zıt EMK Ez) adı verilen bir gerilim indükler. Bu gerilimin yönü Şekil 3.10 'da gösterilmiş olduğu gibi kaynak gerilimine ters yöndedir. Dolayısıyla da zıt EMK, bobinden, kaynak geriliminin oluşturduğu akıma ters yönde bir akım akıtmaya çalışır. Bu nedenledir ki, kaynak geriliminin oluşturduğu "I" devre akımı, ancak T/4 periyot zamanı kadar geç akmaya başlar. Zıt EMK 'nın işlevi, LENZ kanunu ile şöyle tanımlanmıştır. 27
MATERYAL VE METOD LENZ kanununa göre zıt EMK, büyümekte olan devre akımını küçültücü, küçülmekte olan devre akımını ise büyültücü yönde etki yapar. Bobinin, içinden geçen AC akıma karşı gösterdiği dirence endüktif reaktans denir. Endüktif reaktans X L ile gösterilir. Birimi "Ohm" dur. Şöyle ifade edilir: X L = ω.l 'dir. ω = 2.π.f olup yerine konulursa, X L = 2.π.f.L ohm olur. ω : Açısal hız (Omega) f: Uygulana AC gerilimin frekansı birimi, Herzt (Hz) 'dir. L: Bobinin endüktansı olup birimi, Henry (H) 'dir. Şekil 3.13 Zıt EMK 'nın Etkisi.(Anonim 3) Şekil 3.10 da AC kaynak geriliminin pozitif alternansındaki devre akımı ve kaynak gerilimi (v), devre akımı (i) ve zıt EMK (Ez) arasındaki bağıntı görülmektedir. "L" nin değeri bobinin yapısına bağlıdır. Bobinin sarım sayısı ve kesit alanı ne kadar büyük olursa, "L" o kadar büyük olur. Dolayısıyla AC akıma gösterdiği dirençte o oranda büyür. "L" nin birimi yukarıda da belirtildiği gibi Henry (H) 'dir. Ancak genellikle değerler çok küçük olduğundan "Henry" olarak yazımda çok küsürlü sayı çıkar. Bunun için daha çok milihenry (mh) ve mikrohenry (µh) değerleri kullanılır. Aynı nüve üzerine sarılı iki bobinin birinden akım geçirildiğinde, bunun nüvede oluşturduğu kuvvet çizgileri diğer sargıyı da etkileyerek, bu sargının iki ucu arasında bir gerilim oluşturur. Bu gerilime endüksiyon gerilimi denir. 28
MATERYAL VE METOD Bu şekilde iletişim, karşılıklı (ortak) endüktans denen belirli bir değere göre olmaktadır. Karşılıklı endüktans (M) ile gösterilir ve şu şekilde ifade edilir: M= L1.L2 (26) L1 ve L2, iki bobinin self endüktansıdır. M 'in birimi de Henry(H) 'dir. Şöyle tanımlanır: Aynı nüve üzerindeki iki bobinin birincisinden geçen 1 amperlik AC akım 1 saniyede, ikinci bobinde 1V 'luk bir gerilim indüklüyorsa iki bobin arasındaki karşılıklı endüktans M=1 Henry 'dir. Bobinler seri bağlanırsa toplam endüktans: L=L1+L2+L3+... olur. Aynı nüve üzerindeki iki bobin seri bağlanırsa: L=L1+L2±2M olur. Bobinin elektrik ve elektronikte yaygın bir kullanım alanı vardır. Bunlar kullanım alanlarına göre şöyle sıralanabilir. Elektrikte: Doğrultucular da şok bobini Transformatör Isıtıcı v.b. Elektromıknatıs (zil, elektromagnetik vinç) Elektronikte: Osilatör Radyolarda ferrit anten elemanı (Uzun, orta, kısa dalga bobini) Telekomünikasyonda frekans ayarı (ayarlı göbekli bobin) Telekomünikasyonda röle Yüksek frekans devrelerinde (havalı bobin) Özellikle radyo alıcı ve vericilerinde, anten ile bağlantıda, değişik frekansların (U.D,O.D,K.D) alınması ve gönderilmesinde aynı ferrit nüveyi kullanan değişik bobinler ve bunlara paralel bağlı kondansatörlerden yararlanır. Deneyde Plastik Film Kondansatörler kullanılmıştır. Kondansatör, elektronların kutuplanarak elektriksel yükü elektrik alanın içerisinde depolayabilme özelliklerinden faydalanılarak, bir yalıtkan malzemenin iki metal tabaka arasına yerleştirilmesiyle oluşturulan temel elektrik ve elektronik devre elemanıdır. Piyasada kapasite, kapasitör, sığaç gibi isimlerle anılan kondansatörler, 18. yüzyılda icat edilip geliştirilmeye başlanmış ve günümüzde teknolojinin ilerlemesinde büyük önemi olan elektrik- elektronik dallarının en vazgeçilmez unsurlarından biri olmuştur. Elektrik yükü depolama, reaktif güç kontrolü, bilgi kaybı engelleme, AC/DC arasında dönüşüm yapmada kullanılırlar ve tüm entegre elektronik devrelerin vazgeçilmez elemanıdırlar Kondansatörlerin karakteristikleri; plakalar arasında kullanılan yalıtkanın cinsi çalışma ve dayanma gerilimleri depolayabildikleri yük miktarı 29