No Slide Title

© ABB n.v. - 1 -

Dr. Özgür Gencer
Elektrik Yük. Müh.
[email protected]
Güç Kalitesi ve
Harmonikler
© ABB n.v. - 2 -
İçerik

Reaktif Güç Kompanzasyonu

Harmonikler

Teorik bilgi

Etkileri

Çözüm yöntemleri

Pasif Harmonik Filtre Sistemleri

Aktif Filtreler
Güç kalitesi terimleri

© ABB n.v. - 3 -

Gerilim ve akım sinyallerinin

sinüs formunda

belirlenen genlikte

şebeke frekansında

sürekli olması
Güç kalitesi çoğunlukla
dağıtım sistemlerinin
problemidir.
Güç Kalitesi Neden Önemlidir?
Geleneksel sebepler

Proses çalışma süresine etkileri


Üretim kaybı
Standartlara uyumluluk (local/IEC/company standards)

Cezalandırma

Uyumsuz sistemlerin devredışı bırakılması
Ayrıca
© ABB n.v. - 4 -

Enerji tasarrufu

Güç kalitesizliği kayıpları arttırmakta

Enerji üretim maliyetlerinin artması
Gerilim ve Akım Kalitesi
Şebeke
Kaliteli
Gerilim
Kaliteli
Akım
© ABB n.v. - 5 -
Tüketiciler
Güç
Kalitesi
© ABB n.v. - 6 -
Güç kalitesi problemlerinin dağılımı
Lineer Yükler

3 çeşit lineer yük
R

Direnç
Ohms 
L

Henry H
Endüktans
C
© ABB n.v. - 7 -

Kapasitans
Farad F
Ohmik Yükler

Direnç
400
300
200
IR
-100
-200
-300
© ABB n.v. - 8 -
-400
540
495
450
405
360
315
270
225
180
135
90
VAC
0
45
R
0
VAC
100
IR
Ohmik Yükler

Direnç

IR
VAC
R
IR
© ABB n.v. - 9 -
IR=U/R
P=RI²=U²/R
Watts
VAC
Endüktif Yükler

Endüktif
400
300
200
IL
-100
-200
-300
© ABB n.v. - 10 -
-400
540
495
450
405
360
315
270
225
180
135
90
VAC
0
45
L
0
VAC
100
IL
Endüktif Yükler


Endüktif
VAC
IL
VAC
90°
L
IL
IL=U/L
© ABB n.v. - 11 -
P=U²/L
var or kvar
Kapasitif Yükler

Kapasitif
400
300
200
-100
-200
-300
© ABB n.v. - 12 -
-400
540
495
450
405
360
315
270
225
180
VAC
135
0
90
C
45
VAC
100
0
IC
IC
Kapasitif Yükler

Kapasitif E
IC
IC
VAC
C

90°
VAC
© ABB n.v. - 13 -
Ic=CU
P=CU²
var or kvar
Lineer Yükler

Tüm endüktif yükler iki tür güç kullanır:
- Aktif güç (kW)
 çalışma için gereklidir
- Reaktif güç (kvar)
 manyetik alan için gerekidir
kW kVA
© ABB n.v. - 14 -
kvar
- Görünür güç (kVA)
 tüketilen toplam güç
Güç üçgeni
Aktif güç
kW
Reaktif
güç
Güç faktörü
cos j = kW / kVA
kVA
© ABB n.v. - 15 -
kvar
Düşük güç faktörünün etkileri

Transformatörlerde ısınma
işletme süresinin azalması,trafo odasının ısınması t°

Jeneratör ve trafonun tam yüklenmesi
© ABB n.v. - 16 -
yeni yüklerin eklenemez (e.g. offshore platform)

Gerilim düşmesi

Kablolarda ısınma (ömrünün azalması)

İşletme gereksinimleri karşılanamaz
Güç faktörünün arttırılması
Güç Faktörünü ve Çekilen Gücü
© ABB n.v. - 17 -
Nasıl Arttırabiliriz?
Güç faktörünün arttırılması
Yüke paralel bağlanan kondansatör ters fazlı reaktif güç
üretir.
kW
© ABB n.v. - 18 -
kvar1
kVA
Güç faktörünün arttırılması
kW
j
kvar
© ABB n.v. - 19 -
kVA1
Güç faktörünün arttırılması
kW
j
kvar2
kvar
© ABB n.v. - 20 -
kVA1
Güç faktörünün arttırılması
j
kvar1
j
kW
kVA2
kvar2
kvar
© ABB n.v. - 21 -
kVA1
Temel hesaplamalar
kW
cos j 
kVA
kvar
sin j 
kVA
kVA  kW²  kvar²
kW
kW²  kvar²
kvar
tan j 
kW
kvarc  kW(tan j1 tan j2)
© ABB n.v. - 22 -
cos j 
j
kvar
kW
kVA
Örnek
Aktif Güç : 410kW
Güç faktörü :
cos j = 0.7
kVA1= 410/0.7=586 kVA
Reaktif güç
© ABB n.v. - 23 -
kvar1 = kVA1* sin
j1=586*0.714=419 kvar
j
kvar1=419
Görünür güç
kW=410
Örnek
Aktif güç: 410kW
Güç Faktörü: cos j1 = 0.7
kVA1= 410/0.7 = 586 kVA
kvar2=135
kW=410
Görünür güç
j
j
Reaktif Güç kvar1 =
kVA1* sin j 1=586*0.714 = 419 kvar
Gerekli kvar :
= 410 (1.020-0.329) = 284 kvar
Yeni reaktif kvar2
= kVA2* sin j 2 = 432*0.3122 = 135 kvar
Yeni Görünür güç kVA2
© ABB n.v. - 24 -
= 410/0.95 = 432 kVA
kVA azalma
= 586-432 = 154 kVA
284
= 410 ( tan j 1-tan j 2)
kvar1=419
Hedeflenen güç faktörü: cos j 2 = 0.95
Yüksek güç faktörü
Şebekeden çekilen akım azalacaktır

Transformatör ve güç kabloları daha az yüklenecektir


© ABB n.v. - 25 -

(
I)
Bakır kayıpları azalacaktır (RI²)

Kablolar

Transformatörler

Koruma sistemleri
Gerilim düşmesi azalacaktır

Kablolar

Transformatör

Transformatörden kullanılabilecek güç artacaktır

01.01.2008’den itibaren yürürlüğe giren yönetmeliğe uyulacaktır
Reaktif oranlar ile ilgili yönetmelik
Doğrudan Bağlı Müşteriler
35
33
30
25
(%)
20
20
20
20
15
15
15
10
5
0
© ABB n.v. - 26 -
Ocak 2007
Ocak 2008
Ocak 2009
Endüktif
Kapasitif
Reaktif Güç Kompanzasyonu
U1
250 MVAsc
Bus1
31.5 kV
T2
8 MVA
T3
8 MVA
T1
8 MVA
CAP8
3200 kvar
Bus2
6.3 kV
Bus3
6.3 kV
Load3
2000 kVA
Load4
4 MVA
CAP3
1530 kvar
Load1
2 MVA
Bus4
6.3 kV
Load2
4716 kVA
CAP2
2160 kvar
Load6
2 MVA
Load5
3464 kVA
CAP4
2000 kvar
T5
2 MVA
Farklı gerilim seviyelerinde yapılabilir
Bus6
0.4 kV
© ABB n.v. - 27 -
Load9
500 kVA
Load10
850 kVA
CAP6
690 kvar
Merkezi yada bireysel yapılabilir
Bu cihazın çektiği akım nedir?
© ABB n.v. - 28 -
?
© ABB n.v. - 29 -
Akım Dalga Şekli
Fonksiyon=???
© ABB n.v. - 30 -
Harmonik Nedir?
Toplam Harmonik Bozulma (THBD)



© ABB n.v. - 31 -

Harmonik bileşenlerin genliklerinin
temel bileşene oranıdır
THD 

k 2
2
Ck
(
% olarak ifade edilir)
C1
THD(U): anlamlı
THD(I): ??? Referans nedir ???
Örnek:
THB akık
302 + 202 + 152
=
= %43,4
90
Değişken motor sürücüleri örneği
POMPA İSTASYONUNDAKİ ŞEBEKE GERİLİMİ ve AKIMI
750
500
Volts
250
0
-250
-500
-750
3000
2000
Amps
1000
0
-1000
-2000
© ABB n.v. - 32 -
-3000
10:25:43.72
10:25:43.73
CHA Volts
10:25:43.74
CHB Volts
Gerilim: THDV = 12%
10:25:43.75
CHC Volts
CHA Amps
10:25:43.76
CHB Amps
Waveform event at 22/11/01 10:25:43.533
10:25:43.77
CHC Amps
Akım: THDI = 27%
10:25:43.7
Harmonik üreticiler nelerdir?
© ABB n.v. - 33 -

Güç elektroniği devreleri, sürücüler, dönüştürücüler...

Doğrultucular

Dönüştürücüler

...
Harmonik üreticiler nelerdir?
© ABB n.v. - 34 -
Kesintisiz güç kaynakları (UPS)
Akü
Yük
Şebeke

Harmonik üreticiler nelerdir?
© ABB n.v. - 35 -

Elektronik Balastlı fluoresan lambalar
Harmonik üreticiler nelerdir?

Bilgisayar

Yazıcı

Fax makinası

...
© ABB n.v. - 36 -
Küçük fakat ...
Eğer çok sayıda
kullanılırsa etkisi
büyük olur
Non-lineer yükler nerede?
Non-lineer yüklerin kullanımı hızla
artmaktadır!

Endüstriyel yükler

AC ve DC sürücüler, UPS-sistemi, …


Fazlar arası harmonik, empedans,
bazen reaktif güç
Yaşam merkezleri

Tüm bilişim ürünleri, tasarruflu ampuller,
fotokopi makinası, fax, …
© ABB n.v. - 37 -

Fazlar ve faz-nötr arası harmonik, empedans,
bazen reaktif güç
Artan harmoniklerin etkileri
© ABB n.v. - 38 -
Toplam Harmonik Bozulma (THD)
0%
33%
39%
Peak
100%
133%
168%
204%
RMS
100%
105%
108%
110%
 Dalga şeklinin tepe değerinin artması
 RMS değerinin artması
44%
Artan harmoniklerin etkileri

© ABB n.v. - 39 -

Kesicilerde anlamsız açmalar

RMS değerinin artması  Termik etki

Tepe değerin artması  Manyetik etki
Sigortaların atması
Artan harmoniklerin etkileri

Cihazların ısınması
Bozulma  RMS değerin artması
Kayıplar # R . I2RMS = R . I12 + R .  Ih2
Harmoniklerden dolayı
© ABB n.v. - 40 -
eklenen kayıp
Artan harmoniklerin etkileri
© ABB n.v. - 41 -

Şebeke elemanlarının
ısınması yada tamamen
yanması
Artan harmoniklerin etkileri
© ABB n.v. - 42 -

Motor problemleri

Sargı demir & bakır
kayıplarının artması
(RMS arması & deri
etkisi )

Rotor’da ters
manyetik alan
(negatif bileşenli
harmonikler)
© ABB n.v. - 43 -
Artan harmoniklerin etkileri

Hasas cihazların
elektronik kartlarının
yanması

Haberleşme
sistemlerinde veri kaybı
© ABB n.v. - 44 -
Artan harmoniklerin etkileri

Yüksek nötr akımları
(sıfır bileşen harmonikleri)

…
Artan harmoniklerin etkileri

Kondansatörler

Frekansa bağlı olarak empedans düşer

Rezonans problemi
ZC # 1/f
© ABB n.v. - 45 -
Frekans
&
=
Kondansatörlerin
patlaması
Artan harmoniklerin etkileri

Kondansatör arızaları
© ABB n.v. - 46 -
Düşük empedansları nedeniyle
yüksek harmonik
bileşenlerinden etkilenirler
Eğer harmoniklerin etkisi
azaltılmazsa tahribata
uğrayabilirler.
Şebekeden gelen harmonikler
U
M
© ABB n.v. - 47 -
REZONANS
Seri rezonans
R
Empedans:
L
C
1

2
Z( )  R   L 


C
2
0 rezonans frekansında : 0L = 1/0C
© ABB n.v. - 48 -
 Z(0) = R
eğer R = 0...
© ABB n.v. - 49 -
Series impedance
Seri rezonans
Capacitive
behaviour
Inductive
behaviour
R
0
Frequency
Sistemde oluşan harmonikler
U
M
© ABB n.v. - 50 -
REZONANS
Paralel rezonans
L
Empedans:
C
L
Z( ) 
1   2LC
0 rezonans frekansında 02 LC = 1
© ABB n.v. - 51 -
 Z(0) = sonsuz
© ABB n.v. - 52 -
Parallel impedance
Parallel resonance
Inductive
behaviour

0
Capacitive
behaviour
Frequency
Rezonans frekansının belirlenmesi
Önemli formül !
Kısa devre gücü
SscT = ST/Usc
SscT
n0 
QC
© ABB n.v. - 53 -
Kompanzasyon gücü
QC
Rezonansın önlenmesi

Kapasitör ve reaktörlerin mutlaka bir/birkaç rezonans
frekansı vardır
Rezonansın oluşumu önlenemez

Rezonans tetiklenmezse oluşmaz
© ABB n.v. - 54 -
Rezonans frekansı değiştirilebilir
Rezonansın önlenmesi

Harmonik olmayan rezonans frekanslarında rezonansın
oluşturulması

Transformatörler: pahalı

Kapasitor: pahalı
© ABB n.v. - 55 -
Kondansatörlere seri reaktör eklenir
Rezonansın önlenmesi
U
© ABB n.v. - 56 -
Rezonans frekansının
kontrol edilmesi
Reaktör bağlı kondansatör

Reaktör değeri (p) %
ZL(50Hz) = p.ZC(50Hz)
L = p/(C) | = 250 rad/sec
p = ZL(50Hz) / ZC(50Hz)
© ABB n.v. - 57 -
or, the resonance 0 = 1/(LC)
thus, 0/ = 1/p
© ABB n.v. - 58 -
Reaktör değerleri

Örnek: 7% reaktör : n0 = 3.78
 3.78*50Hz = 189 Hz

Örnek: 14% reaktör : n0 = 2.67
 2.67*50Hz = 134 Hz

Diğer kullanılan değerler: 5.67%, 6%, 12.5%
Harmonikli sistemde güç bileşenleri
Sinüoidal Sistem
j
kvar
kW
S = P 2 + Q2
kVA1
© ABB n.v. - 59 -
Harmonikli Sistem
S = P2 + Q2 + D2
Uygulama
P=17W Q=3VAr S=30VA
THDI=%123,1
S  P 2  Q2  D2  D  S2  P 2  Q2  24 VAD
cosj=0,9743
1
© ABB n.v. - 60 -
=
1+
THB I
2
100
= 0,63
PF = cosj = 0,9743 × 0,63 = 0,6143
Pasif Harmonik Filtreli Kompanzasyon

© ABB n.v. - 61 -

Kontaktörlü-Yük değişimi çok hızlı olmayan yükler

Düşük maliyet

Kullanım kolaylığı
Tristörlü:Hızlı değişen yükler

Mükemmel kompanzasyon

Sessiz çalışma

Uzun ömür

Çevre şartlarından etkilenmez

Maliyeti kısmen yüksektir
Pasif filtreli kompanzasyon sistemi tasarımı
4.Kontrolörün belirlenmesi
Kontaktörlü
Tristörlü
DynaCOMP
© ABB n.v. - 62 -
Min. anahtarlama süresi:10ms
© ABB n.v. - 63 -
Pasif filtreli kompanzasyon sistemi tasarımı
Yönetmelik
© ABB n.v. - 64 -

EPDK Tarafından düzenlenen yeni uygulama kriterleri:
•
Tesis edilecek AG – OG Kompanzasyon Sistemlerinde
rezonans tehlikesini ortadan kaldırmak ve işletme güvenilirliğini
arttırmak için Kompanzasyon tesislerinin harmonik filtreli olacak
şekilde uygulanmasının sağlanması,
•
Bu kapsamda harmonik filtre özelliğine sahip tip proje
kriterlerinin oluşturulması ve proje onaylarında tip projelere
uygunluk şartlarının aranması,konularında mutabakat
sağlanmıştır.
Yönetmelik

12 Eylül 2006 Tarihli ve 26287 Sayılı Resmî Gazete

Elektrik Piyasasında Dağıtım Sisteminde Sunulan Elektrik
Enerjisinin Tedarik Sürekliliği Ticari ve Teknik Kalitesi
Hakkında yönetmelik
Gerilim Harmonikleri Sınır Değerleri
Tek Harmonikler
© ABB n.v. - 65 -
3’un Katları
Olmayanlar
3’un Katları Olanlar
Harmonik
Sırası
h
Sınır
Değer
(%)
Harmonik
Sırası
h
5
7
11
13
%6
%5
% 3,5
%3
3
9
15
21
Sınır
Değer
(%)
%5
% 1,5
% 0,5
% 0,5
Çift Harnomikler
Harmonik
Sırası
h
2
4
6…..24
Sınır
Değer
(%)
%2
%1
% 0,5
Yönetmelik
Akım Harmonikleri Sınır Değerleri
Tek Harmonikler
ISC/IL
<11
11≤h<17
17≤h<23
23≤h<35
35≤h
TTB
<20*
20<50
50<100
100<1000
>1000
4.0
7.0
10.0
12.0
15.0
2.0
3.5
4.5
5.5
7.0
1.5
2.5
4.0
5.0
6.0
0.6
1.0
1.5
2.0
2.5
0.3
0.5
0.7
1.0
1.4
5.0
8.0
12.0
15.0
20.0
Çift harmonikler, kendinden sonraki tek harmonik için tanımlanan değerin %25’i ile
sınırlandırılmıştır.
© ABB n.v. - 66 -
Fliker Sınır Değerleri
Fliker Şiddet Endeksi
Sınır Değerler
Pst
≤ 1.0
Plt
≤ 0.8
Harmonik probleminin geçmişteki çözümü

Pasif filtreler: Seri bağlı kondansatör ve reaktör
Yöntem: Harmonik bileşenler
için akacak alternatif
bir yol oluşturulması
Fitreleme şebeke parametrelerine bağlıdır
Aşırı yüklenme tehlikesi vardır
Geliştirilmesi çok güçtür
Şebekede rezonans tehlikesi yaratır
Filtrelenecek her bir harmonik için ayrı filtre devresi tasarlanır
Kurulumunda büyük yer gerektirir
Sadece kapasitif güç üretilir
 AC sürücülerin güç ihtiyacı yoktur
 Jeneratörler kapasitif güç faktörleriyle çalışamaz
 Yük dengesizliğine karşı etkisizdir
© ABB n.v. - 67 -







Harmonik probleminin en iyi çözümü

ABB Aktif harmonik filtreleri
filtreleme yöntemi: Aktif filtre cihazı ile aynı
genlikli teres fazlı harmonik üreterek harmoniklerin
yokedilmesi
Dalga şekli
 ABB
1, 3
1, 3
1, 3
0
360
0
0
- 1, 3
TEMİZLENMİŞ
HAT AKIMI
360
360
AKTİF FİLTRE AKIMI
- 1, 3
- 1, 3
YÜK AKIMI
40
40
Harmonik
spektrum
40
=
20
0
+
20
0
- 20
© ABB n.v. - 68 -
1
5
7
11
13
17
19
0
- 20
1
- 20
20
5
7
11
13
17
19
1
5
7
11
13
17
19
Aktif harmonik filtre yöntemi
SADECE TEMEL
BİLEŞEN
Şebeke
PQF
1, 3
SADECE HARMONİK
BİLEŞENLER
1, 3
1, 3
0
0
360
0
360
- 1, 3
© ABB n.v. - 69 -
- 1, 3
- 1, 3
360
Aktif filtre nasıl çalışır ?
HAT REAKTÖRÜ
ÇIKIŞ FİLTRESİ
PWM REAKTÖRLERİ
© ABB n.v. - 70 -
DC ENERJİ
KAYNAĞI
+
-
PWM
INVERTER
(IGBT-teknolojisi)
Aktif filtre boyutlandırılması
© ABB n.v. - 71 -
Parametrelerin belirlenmesi

Harmoniklerden kaynaklanan sorunların belirlenmesi

Sistem için sınır harmonik değerlerin belirlenmesi

Şebeke, yük parametrelerinin belirlenmesi

Mevcut kompanzasyon sisteminin yapısı

Ortam sıcaklığı

Deniz seviyesinden yükseklik
Aktif filtre boyutlandırılması

Mevcut tesis

Harmonik ölçüm yapılması, Ifundamental, Iharmonic(n), THD(v-i)
50
If =
∑I
2
h
h=2

Yeni tesis
© ABB n.v. - 72 -

Yük karakteristikleri belirlenerek harmonikli yüklerin birlikte
çalışması durumundaki harmonik akımları analiz edilir.
© ABB n.v. - 73 -
Akım harmonik bozulma
© ABB n.v. - 74 -
Akım
© ABB n.v. - 75 -
Reaktif güç
Sonuçlar
© ABB n.v. - 76 -

Aktif filtre ile

Harmonikler süzülmüştür

Faz dengelemesi yapılmıştır

Nötr akımı yok edilmiştir

Reaktif güç kompanzasyonuna katkı sağlanmıştır

Nötr-toprak gerilimleri düşürülmüştür