Elektrik Enerjisi Güç Kalitesi ve Uygulamaları

Vazgeçilmez bir enerji kaynağı olan elektrik enerjisini üreten, ileten ve dağıtan kuruluşların görevi; kesintisiz, ucuz ve kaliteli bir hizmeti tüketicilerine sunmaktır.Güç kalitesi kavramında maksat, sabit şebeke frekansında; sabit ve sinüsoidal biçimli uç gerilimidir.

Ancak bu tür enerji pratikte bir takım zorluklarla sağlanabilir. Güç sistemine bağlanan bazı elemanlar ve bunların yol açtığı olaylar sebebiyle tam sinüsoidal değişimden sapmalar olabilmektedir.

Tam sinüsoidal’den sapma, genellikle harmonik adı verilen bileşenlerin ortaya çıkması ile ifade edilir ve buna sebep olan etkenlerin başında ise manyetik ve elektrik devrelerindeki lineersizlikler (Nonlineerlik) gelir.

Kaliteli elektrik enerjisi, şebekenin tanımlanan bir noktasında,gerilimin genlik ve frekansının anma değerlerini koruması ve gerilim dalga şeklinin sinüs biçiminde bulunmasıdır.

Bu tanımın tersi olarak,gerilimin genliğinin değişmesi,kesintiler,gerilim darbeleri, fliker, gerilimin doğru bileşen içermesi,dalga şeklinin sinüsten uzaklaşması,frekans değişimleri,üç faz dengesizlikleri enerji kalitesizliğidir.

Enerji kalitesi çoklukla yük tarafından bozulur.V-I karakteristiği lineer olmayan yükler şebekeden sinüs olmayan akımlar çeker ve bu akımlar şebekede sinüs olmayan gerilim düşümleri oluşturarak besleme noktasındaki gerilimin dalga şeklini bozar.

Gerilim ve/veya akım dalga şekli sinüs biçiminde değilse,bu dalgaya Fourier analizi uygulanarak harmonikler bulunur.Endüstriyel cihaz ve proseslerin doğru biçimde çalışmasını engeller nitelikte olan elektromanyetik kesintiler, iletilen kesintiye ve ışınımlı kesintiye bağlı olarak farklı sınıflara

ayrılır: düşük frekans (< 9 kHz), yüksek frekans (≥ 9 kHz).Güç Kalitesi ölçümleri genellikle düşük frekansla sağlanan elektromanyetik kesintilerin karakteristiklerinin belirlenmesiyle ilgilidir: gerilim düşmesi ve kesintisi, harmonikler ve iç harmonikler, geçici güç frekanslı aşırı gerilimler, dalgalanma,geçici aşırı gerilimler, gerilim dalgalanmaları, gerilim dengesizlikleri, güç-frekans dalgalanmaları, ac şebekelerde dc, sinyalleme gerilimleri.

Kesinti(Outage): en az bir yarım dalga boyu süresince gerilimin sıfır değerini almasıdır. Nedeni şebeke arızalarıdır.Gerilim Darbesi (Voltage impulse): 50V ve 5kV genlikli,0.5 ile 2ms sürelidir. Nedeni,yük ve şebeke açma kapamaları,kontaklar arasındaki ark ve yıldırımdır.

Harmonik : gerilim ve akım dalga biçiminin ideal sinüsten uzaklaşmasıdır. Nedeni;güç elektroniği devreleri,elektro-mekanik makinelerde doyma ve ark ilkesiyle çalışan cihazlardır.

Çentik (Notches): şebeke geriliminin bir tam dalgasında doğrultucu darbe sayısı kadar tekrarlanan çökmelerdir.Nedeni doğrultucuları besleyen trafo ve hat endüktansının anahtarlarının aktarımını geciktirmesidir.Frekans Değişimi : frekansın anma değerinden sapmasıdır.Nedeni elektrik şebekesi ve generatörlerin ayar düzeneklerinin yetersizliğidir.

Gerilim Düşmesi (Voltage Sag): gerilimin bir tam dalgadan daha uzun bir süre %80’den daha düşük bir değere düşmesidir.Nedeni şebeke yetersizliği,aşırı yüklenme,büyük motorların yol alması ve kısa devreleridir.

Gerilim Yükselmesi (Voltage swell): gerilimin bir tam dalgadan daha uzun bir süre %110’dan daha büyük bir değere çıkmasıdır.Nedeni yük azalması ve şebekedeki ayar zayıflığıdır.Fliker: gerilimin periyodik olarak 6-7 tam dalga süresince (8-9 Hz) azalması ve yükselmesidir.Nedeni ark fırını gibi dalgalı aşırı yüklerdir.

Elektromanyetik Girişim (EMI): genliği 100V ile 100V,frekansı 10kHz ile 1GHz olan küçük enerjili bozucu bir dalgadır.Nedenleri;anahtarlamalı güç kaynakları, motor kontrol devreleri,telsiz yayınları ve güç hatları üzerinden yapılan haberleşmedir.

Doğru Gerilim Bileşeni: alternatif gerilimin,pozitif yarım dalga ve negatif yarım dalga alanlarının birbirine eşit olmamasıdır.

Elektriksel Gürültü (Noise) : elektrik dalgası üzerinde geçici olarak yürüyen, hızlı transientlerin sebep olduğu bir bozulma türüdür.Faz iletkeni,nötr iletkeni veya sinyal hatlarında ortaya çıkabilir.

Güç Kalitesi

Güç kalitesi tanımı yapılan incelemenin türüne veya kim tarafından yapıldıgına göre değişebilir. Örneğin elektrik üreticisi için güç kalitesi enerjinin güvenilir biçimde iletilmesi olarak tanımlanabileceği gibi elektrikli aletler üreticisi için güç kalitesi üretilen aletin öngörülen şekilde çalışması için gerekli olan elektrik biçimidir. Ancak elektrik üretimi kullanıcılar için yapıldığından kullanıcının bakış açısı temel alınmalıdır.

Bu sebeple güç kalitesi sorunu “Kullanıcı aletlerinin yanlış veya hiç çalışmamasına neden olacak gerilim, akim ve frekanstaki değişmeler” olarak tanımlanabilir. Enerji üretim sistemleri ancak üretilen enerjinin gerilimine etkide bulunabileceği düşünüldüğünde güç kalitesi kavramı üzerinde yapılan belirlemelerin büyük çoğunlukla sistem gerilimi hakkında olduğu görülür.

Her ne kadar kısa devre olayında olduğu gibi büyük akım değişikleri gerilimde de önemli farklılaşmalara neden olsa da temel ölçüt gerilim olmalıdır.

Güç kalitesini etkileyen bazı etkenler

Darbesel Geçici Olaylar : Darbesel geçici olaylar akımda, gerilimde veya her ikisinde meydana gelen ani ve tek kutuplu (pozitif veya negatif) değişikliklerdir. Darbesel geçici olaylar genelde yükselme veya alçalma zamanları ile karakterize edilirler. Örneğin 1.2 x 50 ΜS 2000V olarak ifade edilen darbesel geçici olayda gerilimin sıfır değerinden 2000V olan tepe değerine 1,2 μs de çıktığı ve 50 μs de sonunda da tepe değerinin yarısına düştüğü ifade edilir.

Kısa Süreli Gerilim Değişimleri : Bu kategoriye giren geçici olaylar sürelerine göre ani, kısa süreli ve geçici olarak sınıflandırılabilir. Güç sistemlerindeki hatalar, yol verme akımları yüksek olan yüklerin devreye alınması ve dağıtım sistemindeki bağlantı kopuklukları kısa süreli gerilim değişimlerinin nedeni olarak gösterilebilir. Sistem durumuna ve hatanın yerine göre bu tür durumlar sadece gerilim düşmesine değil gerilim yükselmesine ve gerilim kesilmesine de neden olabilirler.

Zaman(ms)

Alçak frekanslı salınımsal geçici olay

Gerilim Yükselmesi : Gerilim yükselmesi güç sistemi frekansındaki gerilimin efektif değerinin 0.5 periyod ile bir dakika arasındaki bir sure boyunca 1.1 p.u. ile 1.8 p.u. arası bir değere yükselmesidir. Gerilim yükselmesi gerilim düşmesinde olduğu gibi sistem hatası ile ilişkilidir. Gerilim yükselmesine tek faz – toprak kısa devresi sırasında hatasız olan fazda rastlanır. Gerilim yükselmesi büyük yüklerin anahtarlanmasında veya büyük kapasitörlerin devreye alınmasında oluşabilir.

Asenkron motorlar : Gerilim düşüklüğü meydana geldiğinde, asenkron motorun torku (‘’V2 ‘’ ile orantılı) aniden düşer ve bu da motoru yavaşlatır. Bu yavaşlama, gerilimdeki düşüşün büyüklüğüne ve süresine, döner kütlenin ataletine ve tahrik yükünün tork-devir özelliklerine bağlıdır.

Motorun geliştirdiği tork, dirençli torkun altına düşerse motor durur .Herhangi bir kesintinin
ardından gerilim eski değerine dönerken motor, değeri neredeyse başlangıç akımının değeri
kadar olan akımı emme ve yeniden hızlanma eğilimindendir. Bunun süresi kesintinin süresine
göre değişmektedir. Bir tesisatta birden fazla motor varsa eşzamanlı yol verme, tesisat
üzerindeki besleme empedansında bir gerilim düşüklüğüne neden olabilir. Bu da, düşüşün
süresini artıracak ve yol vermeyi zorlaştıracak (aşırı ısınmaya neden olan uzun süreli yol
vermeler) veya imkansız hale (motor torku < dirençli torktan) getirecektir. Aydınlatma : Gerilim düşüklükleri, akkor lambalarda ve flüoresan ampullerde erken eskimeye neden olmaktadır. Yaklaşık 50 ms süren ve %50’e eşit veya daha yüksek gerilim düşüklükleri, gaz deşarjlı ampullerin sönmesine neden olacaktır. Tekrar açmadan önce ampulün soğuması için birkaç dakika beklenmelidir. Tesisat mimarisi, otomatik güç yol verme sistemleri, cihazların güvenilirliği, kontrol-kumanda sisteminin varlığı ve bakım politikası kesintilerin azaltılmasında ve ortadan kaldırılmasında önemli rol oynamaktadır.

Elektronik güçlendirici : Gerilim düşüklüklerini ve kesintilerini belirli bir oranda kısa tepki süresi ile dengelemek için modern elektronik cihazlar mevcuttur; örneğin gerçek zamanlı reaktif dengeleyici, reaktif gücü anında kompanze etmektedir ve özellikle, hızlı, büyük dalgalanmaya sahip yüklere çok uygundur (kaynak makineleri, kaldırma araçları, presler, eziciler, motor yol verme, vb.)

Paralel pasif filtreler : Paralel pasif filtrelerin(PPF) prensibi yükün harmonik akımına karşı düşük empedanslı bir kol sağlamaktır. Paralel bağlı filtre parametreleri Öyle ayarlanmalıdır ki süzülmesi istenilen harmonik frekansında filtre empedansı minimum olsun. Bir filtrenin kalitesi (Q-kalite faktörü) o filtrenin süzme keskinliğim belirlemektedir. Düşük harmonik frekansları için yüksek-Q tipindeki filtreler (Qtipik≈3O 6O) ve yüksek harmonik frekansları için düşük-Q tipi filtreler (Q,tipik=0-5-5) kullanılır.(K.öse, 2001).

Aşağıdaki şekilde PPF’lerin basit konfigürasyonu gösterilmiştir. PPF seri rezonans LC devreleri içeren düşük empedanslı kol görevini yapar. PPF en önemli devresi kapasitördür.
Paralel filtreler,, temel frekansta reaktif güç uygulayabilmektedir.Paralel pasif filtreler, seri
pasif filtrelere göre daha uygun kullanılır (Peng Z., 1999).

Akım Kaynaklı Lineer Olmayan Yükler için Basit Paralel Pasif Filtre

Seri pasif filtreler : Aşağıdaki şekilde seri pasif filtre kombinasyonu gösterilmiştir. Seri pasif filtreler paralel pasif filtrelerin tersine yüksek empedans bloğu sağlarlar. Şeklide 5. paralel rezonans devresi. 7. paralel rezonans devresi ve 11. rezonans devresi birbirlerine sen bağlanmışlardır 5. ve 7. rezonans devreleri harmonik akım akışı için yüksek empedans bloğu
oluşturmuşlardır.

11. rezonans devresi ise 11 ve üzeri harmonik dereceleri için yüksek empedans bloğu oluşturur. Seri pasif filtre için en önemli devre elemanı indüktanstır. Seri filtreler yük akınınım hepsini taşımak zorundadırlar ve dolayısıyla yüksek hat gerilim için gerilim bozulmalarına ve harmonik gerilim düşümüne sebep olurlar (Peng Z., 1999).

Gerilim Kaynaklı Lineer Olamayan Yükler için Seri Pasif Filtre Seması

Fliker – Gerilim İlişkisi : Fliker açısından yük, aydınlatma aygıtı, şebeke vb. modelleri yapılabilir ve bu modeller yapılan İnceleme göre değişebilir. Ancak gerek flikeri ölçmek ve gerekse etkilerim açıklamak için genel olarak fliker sorunu bulunan bir sistemde gerilim şekli aşağıdaki biçimde modellenebilir.

IEEE Fliker Standardı : IEEE fliker sınırlarının önerilen uygulama dokümanları (recommened practice documents) olarak yayınlamıştır . Bunların en önemlileri IEEE 519-1992 ve IEEE I41-1995 dir. Her ne kadar aynı olmalarına çalışılmışsa da aralarında bazı farklar bulunmaktadır. Her iki dokümanda önerilen uygulama Şekil 4.11 de gösterilmiştir.

IEEE fliker eğrisindeki ΔV /V ifadesine bağıl gerilim değişimi denir. Burada ΔV sistem
geriliminin ölçüm anındaki efektif değeri ile kalıcı durum geriliminin efektif değeri arasındaki
farkı, V bir süre boyunca yapılan ölçüm sonucunda elde edilen geriliminin efektif değerini
ifade eder.

İçindekiler

Güç kalitesi
Güç kalitesini bozan etkenler
Geçici olaylar
Darbesel geçici olaylar
Salinimsal geçici olaylar
Kisa süreli gerilim değişimleri
Gerilim yükselmesi
Gerilim kesilmesi ve düşmesi
Uzun süreli gerilim değişimleri
Aşiri gerilim
Düşük gerilim
Kalici gerilim kesintileri
Gerilim dengesizliği
Dalga şekli bozukluğu
Doğru akım bileşeni
Harmonikler
Ara harmonikler
Çentik etkisi
Gürültü,Gerilim dalgalanmaları
Güç frekansı değişimleri
Harmonik30
Ieee ve iec standartlarına göre harmonik sinir değerleri
Harmonikler ve rezonans olayları
Seri titreşim devresi ve seri rezonans
Paralel rezonans devresi
Harmonik kaynaklar ve etkileri
Harmonik akım kaynakları
Harmonik gerilim kaynakları
Harmoniklerin etkileri
Motor ve jeneratörlere etkisi
Transformatörlere etkisi
Güç kablolarına etkisi
Kondansatörlere etkisi
Elektronik ekipmanlara etkisi
Harmoniklerin yok edilmesi
Tesisin gereğinden daha yüksek değerlerde tasarlanmasi
Özel bağlantıli transformatörler
Seri reaktörler
Pasif filtreler
Paralel pasif filtreler
Seri pasif filtreler
Aktif filtreler
Fliker,Flikerin tanimi
Gerilim – ışık pariltisi ilişkisi
ışık pariltisi değişimi ve algılama
Görme ve algılama
Kritik titreme (kaynama) frekansı
parilti değişminin etkileri
Fliker – gerilim ilişkisi
Fliker değerlendirme yöntemleri
Ieee fliker standardı
Iec fliker standartları,Tanımlar
Bağil gerilim değişiminin belirlenmesi
Fliker sorununa çözümler
Kaynağin seçimi
Dc ark ocağı
Ac ve dc ark ocaklarınin karşılaştırılması
Kompansatörler
Senkron kompansatör/ senkron kondansatör
Sabit paralel kapasitör
Tristör anahtarlamali kapasitörler (doğrudan sistem)
Tristör kontrollü reaktörler (dolaylı sistem)
Hatta seri kapasitör
Ac doymalı reaktörler
Güç kalitesi uygulamaları
Sisteme bağlı ark ocağinin kompanzasyonu
Var olan durumu
Kabul edilebilir uygunluk seviyeleri
Ölçüm değerleri
Fliker ve gerilim dalgalanmasina çözüm
Hybrid filtreleme
Tesisatin tanımı
Karşilaşilan sorunlar,Çözümler
Gerçek zamanli reaktif dengeleme
Tesisatin tanımı
Yildirim koruması
Tesisatin tanımı

Kaynaklar

[1] Müh. Mustafa Atasal .‘Güç Kalitesi ve Fliker’.İstanbul Teknik Üniversitesi-Fen bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi. Ocak 2000.

[2] Ayşe Ergün .‘Güç Sistemlerindeki Harmoniklerin İncelenmesi’.Kocaeli Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi.Haziran 1997.

[3] Murat Kale .‘Paralel Aktif Güç Filitresi ile Harmonik Akım ve Reaktif Güç Kompanzasyonu’ .Kocaeli Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi.Ocak 2004.

[4] Elk.Müh. Serkan Kuruüzüm.’Güç Sistemlerindeki Harmonik Filtrelerin İncelenmesi’. Kocaeli Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi.Mayıs 2002.

[5] Muğdeşem Tanrıöven- Yrd.Doç.Dr.(Yıldız Teknik Üniversitesi), Rıza İnce- Elektrik Mühendisi(HB Teknik Proje ve Dan.Ltd.Şti.).’Elektrik Güç Sisteminin Kalitesini Bozan Faktörlerin İncelenmesi’.www.etmd.org.tr-Teknik Yazılar.

Hazırlayan: Mustafa Kemal Avşaroğlu Elektrik hakkında çok iyi bir kaynak üzellikle güç elektroniği ile uğraşan kişilerin de işine yarayacak değerli bilgiler var bence bölüm fark etmez elektronik ile uğraşan herkesin incelemesi gerekli Emeği geçen Kişilere Teşekkürler.