Enerji Analizi, Harmonik Ölçümü
ENERJİ ANALİZİ, HARMONİK ÖLÇÜMÜ VE RAPORLANMASI
İNKA Enerji Test-Ölçüm Merkezi olarak, konusunda tecrübeli mühendislerimizle ve TÜRKAK akrediteli cihazlarımızla tesisinizde gerekli etüt ve ölçümler yapılıp, raporlanmaktadır.
Enerji Dağıtım Sistemlerinde Harmonikler
Kullandığımız enerjinin kalitesinin, gerilim dalgalanmaları, çökme ve salınımlara ek olarak harmonikler ile de yakından orantılı olduğu bilinmektedir. Günümüzde yarı iletken sektöründeki teknolojik gelişmeler nedeni ile oluşan yaygın kullanım olanağı harmonik problemlerini de beraberinde getirmiştir.
DC Motor Sürücüleri, AC Motor Sürücüleri, kaynak makinaları, büyük güçlerdeki UPS cihazları ve endüksiyon ocaklarının kullanıldığı sektörlerde harmonik akımlar çözülmesi gereken önemli bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Hassas yüklerin mevcut olduğu koşullarda bu problem daha da kendini belli etmekte ve prosesin olumsuz olarak etkilenmesine ve tehlike altında kalmasına neden olmaktadır.
Sinüs formundaki bir gerilim kaynağı yarı iletken teknolojiye sahip bir sisteme uygulanırsa (DC, AC Sürücü veya UPS, vb) sistemin vereceği akım cevabı kare dalga şeklinde olacaktır. Sinüs formunda ve sistem empedansı oranında genliğe sahip olması gereken bu akım dalga şeklinin kare olmasının nedeni içerdiği temel şebeke frekansı dışındaki sinüs dalgalarıdır.
Genel olarak, şebeke temel frekansının (50 Hz) katlarındaki frekanslar ile salınan temel frekans bileşenlerine Harmonik diyoruz. Bilindiği üzere bir periyodik fonksiyon FOURIER serisi ile tanımlanabilmektedir. Fourier serisi temel frekansın katlarındaki sinüslerin toplamıdır. Serinin her bileşenine de harmonik denir.
Total Harmonik Distorsiyon ( % Thd ) Hesabı
Sistemde bulunan harmonik değer; harmonik bileşenler toplamının temel bileşene oranı olarak hesaplanır ve THD (Total Harmonic Distortion) olarak % ile ifade edilir.
% ile ifade edilir.
Aynı bara üzerinde olmak üzere hangi noktadan ölçülürse ölçülsün THD(U) değeri her zaman aynı olacaktır. Ancak THD(I) değeri akım bilgisinin alındığı hat için geçerli olacaktır.
REZONANS NEDİR?
A) Paralel Rezonans
Eşdeğer devreye harmonik akım kaynağı (Sürücü) tarafından bakacak olur isek, görüldüğü üzere harmonik akımlar şebeke empedansı üzerinden akar ve ohm yasasına göre harmonik gerilim indüklerler. Bu oluşan gerilim distorsiyonunun değeri üretilen harmonik akımın değerine bağlı olduğu kadar, ilgili şebekenin empedansına da bağlıdır. İlgili şebekede toplam empedansı oluşturan iki temel ve birbirine paralel empedans göz önüne alınmalıdır.
Bunlardan birincisi Trafo empedansı olan;
Ztr= wL
ve ikincisi kompanzasyon sisteminin empedansı olan,
ZC = 1/wC ‘dir.
Bu devrenin eşdeğer empedansı:
ZToplam = wL / ( 1 – w²LC)
formülü ile hesaplanır.
Bu eşitlik ile ifade edilen paralel empedansın paydasındaki 1–W²LC değeri herhangi bir f0 için "0" olur ise sistem ilgili frekans için teorik olarak sonsuz empedans seviyesine ulaşır. Bu duruma "Paralel Rezonans" denir.
Eşdeğer devreye Şebeke tarafından bakacak olur isek Trafo empedansı ile kompanzasyon kondansatörlerinin bir seri rezonans devresi oluşturdukları görülür.
Bu devrenin eşdeğer empedansı:
Eşdeğer devre herhangi bir f0 için bir (wL-1/wC = 0) minimum empedans gösterir ise şebekeden kaynaklanan gerilim kaynakları şekilde gösterilen ok yönünde aşırı akımlar akmasına neden olacaktır. Bu akımlar devredeki kondansatör, trafo vb. cihazların zarar görmesine neden olacaktır.
Bu olaya "Seri Rezonans" denir.
C) Rezonans Frekansı
Sistemin ne zaman ve hangi frekans değeri için paralel rezonansa gireceği aşağıdaki formülasyon ile yaklaşık olarak hesaplanabilir;
n = (Sk /QC )1/2
Burada;
Sk = SN / UK : İlgili trafonun kısa devre gücü ( kVA )
QC : Devreye paralel bağlı olan kondansatör gücü ( kVAr )
Anlaşıldığı üzere sistemin rezonans frekansı trafonun kısa devre gücü ile doğru, hat üzerine paralel olarak bağlı kondansatör gücü ile ters orantılıdır. Devreye giren kondansatör gücü arttıkça rezonans frekansı 5 ve 7 gibi düşük frekanslı harmonik noktalara doğru ilerler. Ancak unutulmaması gereken nokta rezonans frekansı hangi harmonik bileşene gelirse o harmonik, sistem için en tehlikeli harmonik haline gelir. Bu neden ile sistemde üretilen hiçbir harmonik frekansı için rezonansa izin verilmemelidir.
Sanayi tesislerinde Elektrik İdareleri tarafından konan reaktif enerji tüketim sınırları nedeni ile otomatik kompanzasyon yapmak zorunlu olmaktadır ki bu da enerji sisteminde birden fazla rezonans frekansı oluşturacağından her zaman BÜYÜK ORANDA RİSK olacaktır.
Harmonik Kaynakları:
Başlıca harmonik kaynaklarını aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz.
• Statik AC ve DC Güç Dönüştürücüleri
• DC Sürücüler
• AC Sürücüler
• Yumuşak Yol Vericiler (Soft Starter)
• Kesintisiz Güç Kaynakları (UPS)
• Bilgisayar, Yazıcı ve Faks Makineleri
• Elektronik Balastlı Flourasant Lambalar
• Kaynak Makineleri
• Ark Ocakları
• Elektroliz Üniteleri
• Doyma Bölgesinde Çalışan Transformatörler
Kısaca tüm non-lineer yükler harmonik kaynağı olarak çalışmaktadır.
Harmonik Kaynaklı Problemler:
• Hat ve cihazlarda aşırı ısınma
• Şalterlerin açması
• Sigortaların atması
• Motorlarda yaşanan sorunlar
• Yüksek nötr akımları
• Enerji kayıpları
• Röle sinyallerinin bozulması ve anormal çalışması
• Kompanzasyon kondansatörlerindeki tahribat
• AC ve DC sürücülerde tetikleme sorunları
• CAD/CAM terminallerinde hafızaların silinmesi
Harmonik Kaynaklı Reaktif Güç Bedeli:
Enerji dağıtım sistemlerinde temel şebeke frekansındaki akım ile gerilim arasındaki faz farkını işaret eden büyüklüğe “ cos ϕ “ denir ve bu değer bir endüstriyel hattın enerji aldığı üreticiye ödeyeceği reaktif güç bedelini belirler.
Döner telli konvansiyonel elektrik sayaçları ile faturalandırma yapan sistemlerde durum yukarıda bahsedildiği gibidir. Ancak günümüzde kanunla da zorunlu olan dijital sayaçlara geçilmesi ile bu durum farklılık göstermiştir. Zira dijital sayaçlarda güç faktörü ile bilinen yukarıdaki değerin hesaplanması için sadece temel şebeke frekansındaki akım ve gerilim arasındaki açıya bakılmaz, harmonik denilen diğer frekanslardaki akım ve gerilimin etkisi de göz önüne alınır. Buna “Power Factor” denir.
Kısaca power factor, cos ϕ değerinden farklı olarak, harmonikler dahil olan akım ile harmonikler dahil olan gerilim arasındaki faz farkıdır. Bu iki değer arasında harmonikli ortamlarda aşağıdaki formül kadar bir fark oluşur.
PF = µ . cos ϕ
µ = 1 / (1 + THD(I)²) olarak hesaplanmaktadır.
Reaktörlü Kompanzasyon
Kompanzasyon yapmak zorunda olan ve harmonik seviyeleri yüksek olup rezonans problemi yaşayan tesisler için çözüm yolu reaktörlü kompanzasyondur. Sistemde kondansatör bataryalarına seri olarak konacak reaktörler vasıtası ile bir seri rezonans devresi oluşturulur. Fakat rezonans frekansı sistemde mevcut olmayan farklı bir frekans olarak saptanır. Böylece mevcut harmonikler rezonans devresinin çalışma bantı içerisinde kalma oranlarına göre belli oranlarda kontrollü olarak filtre edilebilirler. En önemlisi sistem hiçbir zaman harmonik akımlar frekansında rezonans yaşamaz.
Pasif filtrasyon ile, bu noktada empedans, belirlenen frekansta sıfıra eşitlenerek harmonik gerilimler minimuma indirilir. Harmonik gerilimini minimuma çektiğinden oldukça başarılı, güç kayıpları kVAr başına yaklaşık 5W olan ve ekonomik sayılabilecek bir yöntemdir.
Aktif Filtrasyon
Aktif filtre, pasif filtre yapısından bağımsız olarak bir güç elektroniği sistemidir. Genel yapı olarak sistemdeki akım ve gerilim bilgisi alınarak sistemdeki akım harmonikleri hesap edilir ve bunları yok edecek sinyali üreterek sisteme geri vermesi prensibi ile çalışır. Akım distorsiyonunun yok edilmesi sonucu, gerilim distorsiyonu da yok edilmiş olur.
Aktif filtreler ile sistemdeki harmonikler çok yüksek oranda filtre edilebilir ve aynı zamanda istendiği takdirde reaktif güç kompanzasyonu da yapabilir. Aktif filtre, harmonik kaynağının bulunduğu noktada şebekeye paralel bağlanır. Şebeke akım ve gerilimini ölçer. Harmonik akımların negatiflisini kendi içinde üretir ve sisteme verir. Bu sayede şebekeden harmoniksiz akım çekilmesini sağlamış olur.
