T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK ELEKTRİK-ELEKTRONİ K MÜHENDİSLİĞİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
GÜÇ SİSTEMLERNDE HARMONİKLERİN PASİF FİLTRELERLE ELİMİNASYONU
Mehmet BİLGE
YÜKSEK LİSANS TEZİ
KAHRAMANMARAŞ Haziran–2008
T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK ELEKTRİK-ELEKTRONİ K MÜHENDİSLİĞİ 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 MEHMET BİLGE YÜKSEK LİSANS TEZİ Kod No: Bu Tez 17/06/2008 Tarihinde Aşağıdaki Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oy Birliği ile Kabul Edilmiştir.
Yrd. Doç. Dr, A.Serdar YILMAZ DANIŞMAN
Prof. Dr, M.Kemal KIYMIK ÜYE
Yrd. Doç. Dr, Remzi GEMCİ ÜYE
Yukarıdaki imzaların adı geçen öğretim üyelerine ait olduğunu onaylarım.
Prof. Dr, Süleyman TOLUN Enstitü Müdürü Proje No: 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............................................................................................……………………………… ÖZET........................................................................................................... ÖZET................................................... ........................................................ ……………………………… ……………………………….. ABSTRACT............................................................................ ABSTRACT................................................................................................ .................... …………………………… ………………………………. …. ÖNSÖZ........................................................................................................ ÖNSÖZ........................................................................................................ ……………………… ……………………………… ……… ÇİZELGELER DİZİNİ.......................................................................... DİZİNİ.............................................................................. .... ………………………… ……………………………… …… ŞEKİLLER DİZİNİ.................................................................................... DİZİNİ.................................................................................... ………………………… ……………………………… …… EK ÇİZELGELER ÇİZELGELER DİZİNİ ...................................................................... ………………………… ……………………………… …… SİMGELER ve KISALTMALAR KISALTMALAR DİZİNİ.............................................. DİZİNİ.............................................. ……………………………… ……………………………….. 1.GİRİŞ........................................................................................................ 1.GİRİŞ........................................................................................................ ………………………… ……………………………… …… 1.1.Harmonik 1.1.Harmonik Tanımı Tanımı ............................................... ……………………… ………………………………… ………………………… ………………….. ….. 1.2.Toplam Harmonik Distorsiyonu........ Distorsiyonu... ..... …………………………………………………… ……………………………………………………………….. ………….. 1.3.Harmonik Üreten Kaynaklar ve Etkileri………………………....... Etkiler i………………………....... ………………………………. 1.4.Lineer Olmayan Elemanlar…………………………………………………………………………... 1.4.1.Transformatörler…………………………………………………………………………………… 1.4.2.Statik Dönüştürücüler…………………………………………………………………………….. 1.4.3.Generatörler…………………………………………………………………………........................ 1.4.4.Ark Fırınları………………………………………… Fırınları… …………………………………………………………………………………….. …………………………………………….. 1.4.5.Gaz Deşarjlı Aydınlatma………………………………………………………………………….. 1.4.6.Statik VAR Kompanzatörleri……………………………………………………………………... 1.4.7.Fotovoltavik Sistemler………………………………………… Sistemler… ………………………………………………………………….......... …………………………............... ..... 1.4.8.Kesintisiz 1.4.8.Kesinti siz Güç Kaynakları………………………………………………………………………... 1.4.9.Doğru Akımla Enerji İletimi…………………………………………………………………….... 1.5.Harmoniklerin 1.5.Harmonikler in Sisteme Etkileri………………………………………………… Etkileri ……………………………………………………………………… …………………… 1.6.Harmonik Standartları……………………………………………………………………………….. 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR... ÇALIŞMALAR...................................................................... ................................................................... ………………………… ……………………………… …… 3. MATERYAL MATERYAL VE METOT.................................................................... METOT.................................................................... ……………………………… ……………………………….. 3.1.Materyal.................................................................................................………………………………. 3.1.1.Harmoniklerin 3.1.1.Harmonikl erin Azaltılması……………………………………………………………….......... Azaltılması………………………………………………………………................ ...... 3.1.2.Tasarım 3.1.2.Tasarım Aşamasında Aşamasında Alınabilecek Alınabilecek Önlemler.......................................... Önlemler................................................................................... ......................................... 3.1.2.1.Generatörlerd 3.1.2.1.Generatörlerdee Alınabilecek Alınabilecek Önlemler............................................................………… Önlemler............................................................………………….. ……….. 3.1.2.2.Dönüştürücülerde 3.1.2.2.Dönüştürüc ülerde Alınabilecek Önlemler………………………………………………………. Önlemler ………………………………………………………. 3.1.2.3.Transformatörlerde 3.1.2.3.Tr ansformatörlerde Alınabilecek Önlemler…………………………………………………….. 3.1.3.Pasif 3.1.3.Pasi f Filtreler………………………………………… Filtreler ………………………………………………………………………………………... ……………………………………………... 3.1.3.1.Seri 3.1.3.1.Ser i Filtreler…………………………………………………… Filtreler ……………………………………………………………………………………….. ………………………………….. 3.1.3.2.Şönt Filtreler………………………………………………………………… Filtreler ………………………………………………………………………………………. ……………………. a.Bant Geçiren Filtre………………………………………………………………………… Filtre……………………………………………………………………………………... …………... b.Tasarım Adımları………………………………………………………………………………………..
I
I III IV V VI VII VIII IX 1 1 2 3 4 4 5 5 5 6 7 8 8 8 8 8 10 11 11 11 11 11 12 12 12 12 13 13 14
c.Yüksek Geçiren Sönümlü Filtreler………………………………………………………… Filtrel er…………………………………………………………………….. ………….. ç.Tasarım ç.Tasarı m Adımları…………………………………………………………………… Adımları……………………………………………………………………………………….. ………………….. d.Yüksek Geçiren Sönümlü Filtre Hesabı…………………………………………………………....... 3.1.4.Aktif Filtreler………………………………………………………………………………………... 3.1.4.1.Üçüncü 3.1.4.1.Üç üncü Harmoniğin Etkileri……………………………………………………………………... 3.2.Metot................................................................................ 3.2.Metot..................................................................................................... ..................... …………………………… ……………………………….. ….. 3.2.1.Deney 3.2.1.Deney Düzeneği.................................................................................................................. Düzeneği................................................................................................................................... ................. 4. BULGULAR VE TARTIŞMA…………………………………………………………………… TARTIŞMA………………………………………………………………………… …… 5. SONUÇ VE ÖNERİLER………………………………………………………… ÖNERİLER………………………………………………………………………………. ……………………. KAYNAKLAR................... KAYNAKLAR............................................................................................ ......................................................................... ……………………………… ……………………………….. EKLER....................................................................................................... …………………………… ……………………………….. ….. ÖZGEÇMİŞ........................................................................ ÖZGEÇMİŞ................................................................................................ ........................ ……………………… ………………………………. ……….
II
15 16 17 19 20 25 25 31 36 38 39 42
ÖZET
MEHMET BİLGE T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI YÜKSEK LİSANS TEZİ ÖZET
GÜÇ SİSTEMLERİNDE HARMONİKLERİN PASİF FİLTRELERLE ELİMİNASYONU MEHMET BİLGE DANIŞMAN:
Yrd. Doç. Dr. A.Serdar YILMAZ
Yıl: 2008 Jüri : : :
Sayfa: 54
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
MEHMET BİLGE 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 MEHMET BİLGE 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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
V
ÇİZELGELER DİZİNİ
MEHMET BİLGE
ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1 Flouresant lamba harmonik distorsiyon değerleri(Akım için)…………………….. Çizelge 1.2 Magnetik balastlı flouresant lamba harmonik spektrumu………………………… Çizelge 1.3 Tristör kontrollü reaktörde harmonikler ve genlikleri…………………………….. Çizelge 1.4 Harmonik standartları………………………………………………………………... Çizelge 4.1 İkinci derece yüksek geçiren sönümlü filtre için ölçüm sonuçları…………………. Çizelge 4.2 Band geçiren filtre için ölçüm sonuçları……………………………………………...
VI
SAYFA
7 7 8 9 31 32
ŞEKİLLER DİZİNİ
MEHMET BİLGE
ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1 Harmonik bileşenler…………………………………………………............................. Şekil 1.2 Lineer olmayan yüklerden bazıları…………………………………............................. Şekil 3.1 Seri filtrenin devreye bağlanması.……………………………………………………… Şekil 3.2 Şönt filtrenin devreye bağlanması……………………………………………………... Şekil 3.3 Band Geçiren Filtre(Tek ayarlı filtre)………………………………............................. Şekil 3.4 Yüksek Geçiren Sönümlü Filtreler…………….................................... Şekil 3.5 w açısal frekansının fonksiyonu olarak X L, X C reaktanslar ve Z ’ in değişimi…… Şekil 3.6 Aktif güç filtresine ait blok şeması…………………………………………………….. Şekil 3.7 Harmonik bileşenler……………………………………………………………………. Şekil 3. 8 Harmonik akımlarının nötr iletkeninde üretilmesi……………….............................. Şekil 3.9 Harmonik akımları………………………………………………................................... Şekil 3.10 Yüke paralel bağlı İkinci Derece Yüksek Geçiren Sönümlü Filtre………………… Şekil 3.11 Değişik Bobin Sembolleri………………………………………….............................. Şekil 3.12 İçinden akım geçen bobindeki magnetik alan kuvvet çizgileri…............................... Şekil 3.13 Zıt EMK 'nın etkisi…………….……………………………………………………… Şekil 4.1 İkinci derece yüksek geçiren sönümlü filtre…………………………………………... Şekil 4.2 Band geçiren filtre……………………………………………………............................. Şekil 4.3 Rezonans anındaki f /|Z| eğrisi(L:4,32 mh ve 66μF için)……………………………… Şekil 4.4 Rezonans anındaki f /|Z| eğrisi(L:91.3 mh ve 12.33μF için)…………………………...
VII
SAYFA 2 3 13 13 14 15 16 20 21 22 22 25
27 27 28 31 32 35 35
ŞEKİLLER DİZİNİ
GÜLER ELBİSTANLI
EK ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Resim 4.1 Deney Düzeneği–1………………………………………………………........................ Resim 4.2 Deney Düzeneği–2………………………………………………………........................ Resim 4.3 Deney Düzeneği–3………………………………………………………........................ Resim 4.4 Deney Düzeneği–4………………………………………………………........................
VIII
39 39 40 40
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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 2 1/ 2 THD v ( Un ) U1 n 2
(1)
Şeklinde ifade edilir. Akımdaki harmonik distorsiyon ise;
2
GİRİŞ
THD ı
MEHMET BİLGE
1 2 1/ 2 ( In ) I1 n 2
(2)
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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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 ( I n ) arasında,
5
GİRİŞ
MEHMET BİLGE
In I I1 n
(4)
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
MEHMET BİLGE
Çizelge 1.1 Flouresant Lamba Harmonik Distorsiyon Değerleri(Akım İçin).(Adak, 2003) Magnetik Balast(%THDı) Elektronik Balast(%THDı) Harmonik Bileşenler (n) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
Faz
Nötr
12.8 10.6 6.7 1.6 0.8 0.2 0.3 0.1 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0
Faz
171.2 169.8 16.6 3.3 12.7 2.3 2.5 3.4 0 0.7 0.5 0 0.4 0 0 0 0
Nötr 16.3 3.6 11.7 5.2 3.9 3.5 3.4 2.1 2.1 2.2 2 1.7 1.9 1.7 1.5 1.5 1.4
44 11.9 31.6 3.7 20.1 2 4.1 10.1 3.2 3.1 9.1 1.5 3.7 8.2 3 3.5 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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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
<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
23≤h<35
h>35
%TDD
69kV
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, I 1 temel bileşen akımını, h harmonik derecesini göstermektedir
9
ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
alan eğrisinin sinüs eğrisine yaklaştırmak için kutup oluklarının adımları birbirlerinden farklı olan sarım tipi kullanılır.
2 ‘ü sarılır ya da sarım 3
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 derece li 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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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; kV 2 Xc Qc
(5)
den hesaplanır hn harmoniğin derecesini göstermek üzere reaktör reaktansı;
XL
Xc h2n
(6)
den hesaplanır Reaktör rezistansı;
R
Xn Q
(7)
14
MATERYAL VE METOD
MEHMET BİLGE
dan hesaplanır. Burada X n , Karakteristik Reaktans ve Q, Kalite Faktörüdür. 30
X n ,Karakteristik Reaktans olmak üzere;
X n X L .X c
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)İkinci Derece, (c) Üçüncü Derece, (d) C Tipi
15
MATERYAL VE METOD
MEHMET BİLGE
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 C ve Z
r=
fonksiyonları çizilirse (Şekil 3.5) Z (fonksiyonunun,
1 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
MEHMET BİLGE
kV 2 Xc Qc
(10)
den kapasitörün reaktansı hesaplanır. h n , harmoniğin derecesini göstermek üzere; XL
Xc h2n
(11)
den reaktör reaktansı hesaplanır. R X n .Q
(12)
dan Reaktör rezistansı hesaplanır. Burada X n ; Karakteristik Reaktans ve Q, Kalite Faktörüdür. 0.5
X n X L .X c
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 kV 2 Xc Qc
(13)
Denklem (13)’de değerler yerine yazılırsa Xc 0.220²/187.5 Xc 258.13 Ω bulunur. XL
Xc hn2
(14)
17
MATERYAL VE METOD
MEHMET BİLGE
Denklem (14)’de değerler yerine yazılırsa X L 258.13/3² X L 28.68 Ω bulunur.
X n X L .X c
L C
(15)
X L ve Xc değerleri denklem (15)’te yerine yazılırsa X n 258.13x 28.68 X n 86.04 Ω bulunur. R X n .Q
0,5
(16)
Q 1.743 alınırsa R 86.04 x 1.743 R 150 Ω Rezonans anında Xc XL Xn
(17)
olacaktır. 1 2.f r .L 2.f r .C
(18)
L 1 = C 2.f r L
(19)
1 2.f r . C
(20)
L Xn C
(21)
L C .X n
(22) 18
MATERYAL VE METOD
C.X n Xn
MEHMET BİLGE
1 2.f r . C
(23)
1 2.f r .C
(24)
Denklem (24)’de X n 86.04 Ω değeri yerine yazılırsa C 12.33μF bulunur.( f r 150 Hz için) Denklem (10)’un her iki tarafının karesi alınırsa L C.X 2n
(25)
bulunur. Burada C 12.33μF ve X n 86.04 Ω yazılırsa 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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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 1200 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
MEHMET BİLGE
Nötr iletkeni 16mm2 bakır ve 25 mm2 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 mm2 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 16mm2 bakır ve 25mm2 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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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
MEHMET BİLGE
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: XL = 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
MEHMET BİLGE
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
MATERYAL VE METOD
MEHMET BİLGE
sayılabilir. Bu kriterler göz önünde bulundurulduktan sonra gereksinime uygun olan kondansatör tercih edilir. Kondansatörlerin fiziksel büyüklükleri, çalışma gerilimleri ve depolayabilecekleri yük miktarına bağlıdır. Tasarım açısından ise çeşitlilik boldur, hemen hemen her boyut ve şekilde kondansatör temin edilebilir. (Anonim–4)
30
BULGULAR VE TARTIŞMA
MEHMET BİLGE
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
İkinci derece yüksek geçiren sönümlü filtre Şekil 4.1 de verilen bağlantı şekliyle yüke paralel bağlanarak enerjilendirilmiş ve Çizelge 4.1 deki bulgular elde edilmiştir.
Şekil 4.1 İkinci Derece Yüksek Geçiren Sönümlü Filtre.(Sucu, 2003) Çizelge 4.1 İkinci Derece Yüksek Geçiren Sönümlü Filtre İçin Ölçüm Sonuçları Yüke ait değerler P=128w Q=192 var S=233va CosQ=0.55 I=1.05 A V=223 V Filtreye ait değerler R=150 ohm L=4.32mh C=66mikroF
Filtre öncesi değerler
THDv=% 5 THDı=%10 I3=% 10.3 I5=% 3.1 I7=% 0.6 I9=% 0.3 I11=% 0 I13=% 0
Filtre sonrası değerler R=150 ohm THDv=% 4 THDı=%29.9 I3=% 3.5 I5=% 28.4 I7=% 5.7 I9=% 9.9 I11=% 3.9 I13=% 0.7
Daha sonra band geçiren filtre Şekil 4.2 deki gibi yüke paralel bağlanarak enerjilendirilmiş ve Çizelge 4.2 deki bulgular elde edilmiştir.
31
BULGULAR VE TARTIŞMA
MEHMET BİLGE
Şekil 4.2 Band Geçiren Filtre.(Sucu, 2003) Çizelge 4.2 Band Geçiren Filtre İçin Ölçüm Sonuçları Yüke ait değerler P=128w Q=192 var S=233va CosQ=0.55 I=1.05 A V=223 V Filtreye ait değerler R=150 ohm L=4.32mh C=66mikroF
Filtre öncesi değerler
THDv=% 5 THDı=%10 I3=% 10.3 I5=% 3.1 I7=% 0.6 I9=% 0.3 I11=% 0 I13=% 0
Filtre sonrası değerler R=150 ohm THDv=% 5 THDı=%6 I3=% 5.1 I5=% 3.3 I7=% 0.5 I9=% 1.1 I11=% 0.6 I13=% 0
R,L ve C’nin yüksek geçiren filtre oluşturacak şekilde bağlanması ile oluşturulan filtre ile elde edilen bulgular, R,L ve C’nin band geçiren filtre oluşturacak şekilde bağlanması ile oluşturulan filtre ile elde edilen bulgularla karşılaştırıldığında her iki filtrenin de sistemimizde mevcut olan 3. harmoniği batırdığı görülmektedir. Band geçiren filtre 3. harmoniği %51 oranında bastırmakta, yüksek geçiren filtre ise %66 oranında bastırmaktadır. Buna karşın yüksek geçiren filtrenin şebekeye 5. harmonik bastığı görülmektedir. Bundan dolayı da mevcut THD I ‘nin yükseldiği göze çarpmaktadır. İkinci derece yüksek geçiren sönümlü filtre için Matlab’da yapılan empedans hesapları sonucunda elde edilen grafikler Şekil 4.3 ve 4.4 de gösterilmiştir. |Z|/f grafiklerine bakıldığı zaman, rezonansa girilen frekans değeri olan 150 Hz de |Z| değerinin sıfıra yaklaştığı, minimum değerini aldığı görülecektir ki; bu durum filtremizin akort edilen frekans değerinde harmoniklere karşı düşük bir empedans değeri göstererek, 32
BULGULAR VE TARTIŞMA
MEHMET BİLGE
harmonikleri bastırdığı, diğer bir ifade ile harmoniklerin yük tarafına geçmesini engelleyerek kendi üzerinden toprağa attığı anlamına gelir. İkinci derece yüksek geçiren sönümlü filtre için empedans değeri; h, harmonik derecesi olmak üzere; Z F h
X jRhX L j C R jhX L h
(27)
R 2 hX L R (hX L ) 2 X C j 2 R (hX L ) 2 R 2 hX L 2 h
(28)
Formülünden bulunur.(Wakileh,2001) X L , X C , R , h değerleri formülde yerine bırakılıp Matlab’da simülasyonu yapılırsa Şekil 4.3 ve 4.4 deki eğriler elde edilir. % filtre QC=187.5; kV=0.220; hn=3; XC=kV^2/QC; XL=XC/hn^2; Q=3; Xn=sqrt(XL*XC); R=Xn*Q; % empedans for h=1:0.01:20; ZFREEL=(R*(h*XL)^2)/(R^2+(h*XL)^2); ZFIMAG=((R^2*h*XL)/(R^2+(h*XL)^2))-(XC/h); ZF=ZFREEL+j*ZFIMAG; ZFG=abs(ZF); hold on plot(h,ZFG) end figure LXL=28.68; LXC=258.13; LXn=sqrt(LXC*LXL); LR=LXn*Q; for h=1:0.01:20; 33
BULGULAR VE TARTIŞMA
MEHMET BİLGE
LZFREEL=(LR*(h*LXL)^2)/(LR^2+(h*LXL)^2); LZFIMAG=((LR^2*h*LXL)/(LR^2+(h*LXL)^2))-(LXC/h); LZF=LZFREEL+j*LZFIMAG; LZFG=abs(LZF); hold on plot(h,LZFG) end figure RR=XC*3; for h=1:0.01:20; SZFREEL=R; SZFIMAG=h*XL-XC/h; SZF=SZFREEL+j*SZFIMAG; SZFG=abs(SZF); hold on plot(h,SZFG) end
34
BULGULAR VE TARTIŞMA
MEHMET BİLGE
Şekil 4.3 Rezonans anındaki |Z| /f eğrisi(L:4,32 mh ve 66μF için)
Şekil 4.4 Rezonans anındaki |Z| /f eğrisi(L:91.3 mh ve 12.33μF için)
35
SONUÇ
MEHMET BİLGE
5. SONUÇ VE ÖNERİLER
Elektrik enerjisinin kalitesini belirleyen temel faktörlerin başında frekansın 50 Hz ve akım gerilimin dalga şeklinin sinüzoidal olması beklenir. Ancak lineer olmayan yüklerin ürettiği harmoniklerin etkisiyle akım ve gerilimin dalga şekli lineer olmaktan çıkar ve bu da işletme açısından çeşitli Zararlara neden olur. Harmoniklerin zararlı etkilerini genel anlamda teknik ve ekonomik olarak iki temel başlık altında incelemek gerekir. Ekonomik olarak, güç sistemlerinde ortaya çıkan harmonikler, ilave kayıplara yol açmakta ve bu da sonuçta kayıp enerji olarak, işletme maliyetini artırıcı bir etken olmaktadır. Aynı zamanda cihazlar üzerinde istenmeyen arızalara neden olarak, üretimde verimliliğin düşmesi ve maliyetin artması anlamına neden olmaktadır. Teknik olarak ise, enerji kalitesini düşürücü bir faktördür. Harmonik gerilim üreten bir sistem, aynı baradan beslenen diğer alıcılarında harmonikli gerilim kullanmasına neden olmaktadır. Ki bu da harmonik gerilim veya akım üretmeyen sistemlerin de bundan olumsuz etkilenmesi demektir. Aynı zamanda gerilim düşümlerinin artarak sistemin teknik anlamda sağlıksız koşullar altında çalışması demektir. Harmoniklerin güç sistemlerinde bulunmaması büyük yarar sağlar. Bu nedenle harmoniklerin tam anlamıyla bastırılabilmesi için sisteme uygun filtrenin tasarlanması gerekir. Sisteme entegre edilecek filtrenin kendini kaç yılda amorti edeceği gibi bir takım maliyet analizleri de yapılmalıdır. Harmonik süzülmesi için kurulacak filtre düzeni tesis masrafının, o harmoniğin oluşturacağı enerji kayıp bedelini kaç yılda karşılayacağı (amorti edeceği) incelenmelidir. Ayrıca bu amortisman süresi boyunca filtre kayıplarının da göz önüne alınması gerekir. Sonuç olarak işletmenin günlük veya aylık olarak düzenlenmiş yük eğrileri ve yükün akım harmonikleri dikkate alınarak, uzun vadeli ekonomik analiz yapılarak filtre tasarımı yapılmalı ve böylece optimal süzme işleminin gerçekleşmesine çalışılmalıdır.
Tezde uygulanılmaya çalışılan band geçiren pasif filtre kondansatör uçlarındaki gerilimi yükselttiği için, sistem için seçilen kondansatörün dayanabileceği gerilim değerinin şebeke geriliminden yüksek olması istenir. Bu noktada, sisteme ait parametreler iyi bir şekilde tespit edilip, tasarımı yapılan filtre sisteme uygulanmalı, akabinde sistem parametreleri yeniden ölçülerek filtrenin sisteme entegre olup olmadığı tespit edilmelidir. Tasarımı yapılan filtrenin, uygulamaya geçilmeden simülasyonunun yapılması, filtrenin uygunluğunu tespit ve neticeleri görme anlamında daha isabetli bir sonuç elde etmemizi sağlayacaktır. Güç sistemlerinde harmonikler, üretici ve tüketici açısından maddi olarak ciddi kayıplara neden olmaya devam etmektedir. Bu nedenle reaktif güç kompanzasyonunda gelinen noktaya, harmonik kompanzasyonda da ulaşılmaya çalışılmalıdır.
36
SONUÇ
MEHMET BİLGE
Nasıl ki, zaman zaman işletmelerde güç tespiti yapılarak, gücü belirli bir değerin üzerinde olan işletmelerde, reaktif güç kompanzasyon tesisi kurulması zorunluluğu var, buna benzer bir şekilde zaman zaman işletmelerin THD değerleri ölçülerek, sınırları aştıkları tespit edilen işletmelere harmonik kompanzasyon sistemleri yani harmonik filtre tesis etmeleri zaruri hale getirilmelidir.
37
KAYNAKLAR
MEHMET BİLGE
KAYNAKLAR
ADAK, S. 2003.,’’Enerji Sistemlerinde Harmoniklerin Azaltılması’’ Y.T.Ü,F.B.E. Elektrik Mühendisliği Anabilim Dalı Doktora Tezi, İstanbul ANONİM-1,07.06.2008. Bobinler, http://www.silisyum.net ANONİM-2,07.06.2008. Bobinler, http://www.silisyum.net ANONİM-3,07.06.2008. Bobinler, http://www.silisyum.net ANONİM-4,07.06.2008. Bobinler, http://www.silisyum.net ARRİLLAGA, J., BRADLEY, D.A. ve BODGER, P.S.1985. Power System Harmonics, JOHN WİLEY&SONS, Norwich, New York ARRİLLAGA, J., SMİTH, B.C., WATSON, N.R. ve WOOD, A.R.1997. Power System Harmonic Analysis, JOHN WİLEY&SONS, New Delhi ARRİLLAGA, J., YONGHE, L., CRİMP, C.S. ve VİLLABLANCA, M.1993. “Harmonic Elimination by DC Ripple Reinjection in Generator- Convertor Units Operating at Variable Speeds” , IEE Proceedings –C, Vol. 140, No. 1, pp. 57–64 104 ARRİLLAGA, J. VE EFTHYMİADİS, A.E.1968. ‘Simulation of Convertor Performance under Unbalanced Conditions’. Proc. IEE, 115, no.12, pp.1809–17. DOGGAN, E. ve MORRİSON E.R.1993. “Prediction of Harmonic Voltage Distortion When a Nonlinear Loads is Connected to an Already Distorted Supply”, IEE Proceedings-C,Vol 140 No.3, pp. 161–166 DOMMEL, H.V., YAN, A. ve WEİ, S. 1986. “Harmonics from Transformer Saturation”, IEEE Trans. on Power Systems, Vol. PWRD–1, No.2: 209–215 FİLİZ, C. 2006. “Güç Sistemlerinde Harmonikler ve Filtrelemelerin İncelenmesi” Kırıkkale Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi, Kırıkkale FUNABİKİ, S. ve HİMEİ, T. 1985. “Desing Procedure of Firing Angles Harmonic Reduction in a Thyristor Controlled Reactor by Asymmetrical Firing Control” IEE Proceedings, Vol.132 Pt. C, No. 5. pp. 257–261 GONZALEZ, D.A. ve MC CALL, J.C. 1987. “Design of Filters to Reduce Harmonic Distribution in Industrial Power Systems”, IEEE Transactions on Power Industry Applications, Vol. IA–23, No 3: pp. 504–511. KOCATEPE, C.1995. “Sinüzoidal Olmayan Yükleri İçeren Enerji sistemlerinde Harmonik Yük Akışı Analizi ve Simülasyonu”, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, İstanbul. KOCATEPE, C. DEMİR, A. 1998. “Güç Sistemlerinde Harmonik Üreten Elemanlara Genel Bakış”, Kaynak Elektrik Dergisi, Sayı:113. ODABAŞI T. 2004. 3.Harmoniğin Getirdiği Problemler, www.etmd.org.tr RASHİD, H.M. 1983. “Design of LC Input Filter for Multiphase DC Choppers”, IEE Proc.,Vol. 130 Pt. B, No. 1 pp.299–305 SZABADOS, B. ve LEE, J. 1981. “Harmonic Impedance Measurements on Transformers”,IEEE Trans. Power Apparatus and Systems, Vol. PAS–100: pp.5020– 5026 SUNDBERG, Y.1980. “The Arc Furnace as a Load on the Network”, ASEA Journal, Vol.49: pp.75–87 WAKİLEH, G.J. 2001.Power Systems Harmonics, ISBN 3–540–42238–2 Springer, Newyork YEŞİL, M. 1996. “Enerji Sistemleri Üzerindeki Lineer olmayan Yüklerin Etkileri ve Alınabilecek Önlemler”, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, İstanbul. 38
EKLER
MEHMET BİLGE
Resim 4.1 Deney Düzeneği–1
Resim 4.2 Şebeke Analizörü
39
EKLER
MEHMET BİLGE
Resim 4.3 Deney Düzeneği–2
Resim 4.4 Deney Düzeneği–3
40
EKLER
MEHMET BİLGE
Resim 4.5 Deney düzeneği
Resim 4.6 Deney düzeneği
41
