T.C. SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
advertisement
T.C. SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ FABRĠKA BESLEMELERĠNDE HARMONĠK ÖLÇÜMÜ VE FĠLTRE TASARIMI Bahadır AKBAL YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Haziran-2011 KONYA Her Hakkı Saklıdır TEZ BĠLDĠRĠMĠ Bu tezdeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edildiğini ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. DECLARATION PAGE I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all materials and results that are not original to this work. İmza Bahadır AKBAL Tarih: ÖZET YÜKSEK LĠSANS TEZĠ FABRĠKA BESLEMELERĠNDE HARMONĠK ÖLÇÜMÜ VE FĠLTRE TASARIMI Bahadır AKBAL Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Doç. Dr. Abdullah ÜRKMEZ 2011, 104 Sayfa Jüri DanıĢman Doç. Dr. Abdullah ÜRKMEZ Doç. Dr. Mehmet ÇUNKAġ Yrd. Doç. Dr. Musa AYDIN Bu çalışmada fabrika beslemelerindeki harmonikler, çeşitli yöntemlerle incelenmiş ve sistem için gerekli pasif filtre tasarlanarak uygunluğu tesiste denenmiştir. Elektrik tesislerinde, çeşitli sebeplerden dolayı sinüs biçimindeki akım ve gerilimin dalga şeklini bozan harmonikler meydana gelir. Fabrikalarda, güç transformatörü ile kompanzasyon kondansatörlerinin paralel rezonans oluşturması harmonik bozunumunu artırır. Harmonikler elektrik makinelerinde, enerji tesisinin çeşitli elemanlarında, elektronik cihazlarda vb. birçok alanda çeşitli kayıplara, arızalara ve hasara neden olurlar. Fabrikalar harmonik filtrelemede genellikle seri reaktörlü pasif filtre kullanmaktadır. Seri reaktörlü pasif filtre, transformatör ile kondansatörler arasındaki paralel rezonans frekansını değiştirerek harmonik bozunum oranını azaltır. Bu çalışmada fabrika beslemelerindeki harmonikler, 3 farklı yöntemle incelenmiştir. Bu yöntemler, harmonik analizörü ile fabrika girişindeki orta gerilim ve alçak gerilim baralarından yapılan ölçümler, MATLAB programı ile yapılan simülasyon ve tesisin tek hat şeması çıkarılarak yapılan matematiksel hesaplamadır. Bu 3 yöntemin sonuçları karşılaştırıldığında gerçek ölçümle aralarında çok küçük farklılıklar olduğu görülmüştür. Bu sonuçlara göre herhangi bir tesisin harmonik analizi, 3 yöntemden biri ile yapılarak uygun filtre tasarlanabileceği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Harmonik, harmonik analiz, pasif filtre, rezonans,. iv ABSTRACT MS THESIS THE MEASUREMENT OF HARMONIC IN FACTORY SUPPLY AND DESIGN OF HARMONIC FILTERS Bahadır AKBAL THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE IN ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING Advisor: Assoc. Prof. Abdullah ÜRKMEZ 2011, 104 Pages Jury Advisor Assoc. Prof. Abdullah ÜRKMEZ Assoc. Prof. Mehmet ÇUNKAġ Assist. Prof. Dr. Musa AYDIN In this study, harmonics in factory supply were analyzed with various methods and a passive filter which is required for system was designed and examined in the factory. In electrical systems, harmonics disrupting sinusoidal current and voltage waveform occur. In the factories, parallel resonance of power transformer with compensation capacitors increase harmonic distortion. Harmonics cause various losses, fault, and damages in many areas such as various components of energy system, and electronic equipments. Factories usually use passive filter with serial reactor to filter harmonics. The passive filter with serial reactor decrease harmonic distortion by changing parallel resonance frequency between transformer and capacitors. In this study, harmonics in factory supply were analyzed with 3 different methods. These methods are measurements from low voltage and medium voltage busbars in factory supply with harmonic analyzer, simulation with Matlab software, and mathematical computations by taking one-line diagram of the factory. It was observed that there was very little difference between results of 3 methods and real measurements. According to these results, it was shown that appropriate filter can be designed by analyzing harmonics of any factory with one of the 3 methods. Keywords: Harmonic, harmonic analysis, passive filter, resonance. v ÖNSÖZ Mühendislik mesleğini edinene kadar emeği geçen ve Elektrik Elektronik Mühendisliğinin inceliklerini öğreterek bu mesleği sevmeme vesile olan hocalarıma, ayrıca yüksek lisans eğitimimde bana desteğini esirgemeyen, kıymetli hocam Doç. Dr. Abdullah ÜRKMEZ‟e saygılarımı ve teşekkürlerimi arz ederim. Öğretim hayatım boyunca her türlü maddi manevi desteğini esirgemeyen çok değerli babam Erol AKBAL, annem Nurgül AKBAL, kardeşim ve eşim‟e, ayrıca yüksek lisans eğitimim için birçok olanak sağlayan Ramazan KOÇAK‟ a teşekkürü bir borç bilirim. Bahadır AKBAL KONYA-2011 vi ĠÇĠNDEKĠLER TEZ BĠLDĠRĠMĠ ………………………………………………………….…………. iii ÖZET ......................................................................................................................... iv ABSTRACT .................................................................................................................v ÖNSÖZ ...................................................................................................................... vi ĠÇĠNDEKĠLER ........................................................................................................ vii SĠMGELER VE KISALTMALAR........................................................................... ix 1. GĠRĠġ .......................................................................................................................1 2. KAYNAK ARAġTIRMASI ....................................................................................3 3. HARMONĠKLER....................................................................................................7 3.1. Reaktif Güç Kompanzasyonu ..............................................................................7 3.2. Harmonikler .......................................................................................................9 3.2.1. Harmonik üreteçleri ................................................................................... 10 3.2.1.1. Güç transformatörleri ..........................................................................10 3.2.1.2. Alternatörler ......................................................................................... 12 3.2.2.3. Statik dönüştürücüler ............................................................................ 12 3.2.1.4. Ark fırını ............................................................................................. 13 3.2.1.5. Gaz boşalma ilkesine göre çalışan aydınlatma elemanları .................... 14 3.2.2. Harmoniklerin etkileri ................................................................................ 15 3.2.2.1. Güç transformatörleri üzerindeki etkileri .............................................. 15 3.2.2.2. Döner elektrik makineleri üzerindeki etkileri ........................................ 16 3.2.2.3. Kesici ve sigortalar üzerindeki etkileri .................................................. 17 3.2.2.4. Kondansatörler üzerindeki etkileri ....................................................... 17 3.2.2.5. İletkenler üzerindeki etkileri ................................................................. 17 3.2.2.6. Rezonans etkisi .................................................................................... 19 3.2.3. Diversite etkisi ........................................................................................... 21 3.2.4. Harmonik bozunum sınırları ve harmoniklerin oluşum durumları ............... 21 3.2.5. Elektrik tesislerinde bulunan harmonik çeşitleri ......................................... 23 3.2.6. Harmoniklerin matematiksel analizi ........................................................... 24 3.2.7 Güç transformatörlerinin bağlantı gruplarına göre harmonik analizi ............ 28 3.2.7.1. Primer sargısının Yy0 bağlantı gurubunda harmonik analizi ................. 29 3.2.7.2. Primer sargısının üçgen bağlantı gurubunda harmonik analizi .............. 32 3.2.8. Harmoniklere karşı alınan önlemler ............................................................ 35 3.2.8.1. Alternatörlerde harmoniklere karşı alınan bazı önlemler ....................... 36 3.2.8.1.1. Sargı kirişleme faktörü ile belli harmoniklerin yok edilmesi ....... 36 3.2.8.1.2. Sargı yayılma faktörü ile belli harmoniklerin yok edilmesi ..........38 3.2.8.2. Statik dönüştürücülerde belli harmoniklerin yok edilmesi ..................... 39 3.2.8.3. Güç transformatörlerinde belli harmoniklerin yok edilmesi .................. 39 3.2.9. Pasif filtreler .............................................................................................. 41 3.2.9.1. Seri pasif filtreler ................................................................................. 41 3.2.9.1. Paralel pasif filtreler ............................................................................. 42 3.2.9.1. Tek ayarlı paralel pasif filtreler ....................................................... 42 vii 3.2.9.2. Çift ayarlı paralel pasif filtreler ....................................................... 43 3.2.9.3. Seri reaktörlü paralel pasif filtreler ................................................. 43 4. MATERYAL VE YÖNTEM ................................................................................ 47 4.1. Harmonik Analizinde Kullanılan Ölçü Cihazları ............................................... 47 4.1.1. Amprobe Genius 5080E harmonik analizörü ............................................... 47 4.1.2. Simeas P660 harmonik analizörü ............................................................... 48 4.1.3. Entes MPR63 harmonik analizörü ............................................................... 49 4.1.4. Circutor AR5 harmonik analizörü .............................................................. 50 4.2. Harmonik Ölçümleri ......................................................................................... 51 4.2.1. Güç transformatörü boşta çalışırken yapılan ölçümler ................................. 51 4.2.2. Harmonik filtre kullanılmayan tesislerde yapılan ölçümler .......................... 53 4.2.2.1. Alçı fabrikasına ait 1250kVA gücündeki güç transformatörün alçak . gerilim barasında yapılan ölçümler ..................................................... 53 4.2.2.2. Metal işleme fabrikasına ait 1000kVA gücündeki güç transformatörün . alçak gerilim barasında yapılan ölçümler ............................................ 56 4.2.3. Seri reaktörlü pasif filtreli sistemlerde yapılan ölçümler .............................. 51 4.2.4. Seri reaktörlü pasif filtre hesaplamaları ....................................................... 65 4.2.5. Kompanzasyon sisteminin ve seri reaktörlü pasif filtrenin harmonikler . üzerindeki etkisi ile ilgili simülasyonlar ...................................................... 69 5. ARAġTIRMA SONUÇLARI VE TARTIġMA ................................................... 76 5.1. Güç Transformatörü Boşta Çalışırken Harmoniklerin Durumu .......................... 76 5.2. Kompanzasyon Kondansatörleri Devrede Değilken Harmoniklerin Durumu ..... 76 5.3. Kompanzasyon Kondansatörleri Devredeyken Harmoniklerin Durumu ............. 77 5.4. Seri Reaktörlü Pasif Filtreli Tesislerde Harmoniklerin Durumu ......................... 78 5.5. Paralel Rezonans Frekansı, Harmonik Akım ve Gerilimin Matematiksel Olarak . Hesaplanması.................................................................................................... 79 6. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER .............................................................................. 93 6.1. Sonuçlar ...........................................................................................................93 6.2. Öneriler ............................................................................................................ 95 KAYNAKLAR ..........................................................................................................98 EKLER .................................................................................................................... 100 ÖZGEÇMĠġ............................................................................................................. 104 viii SĠMGELER VE KISALTMALAR Simgeler α20 : Sıcaklık katsayısı B : Manyetik alan C : Kapasitans cosφ : Güç faktörü D : Transformatörde verim düşüklüğü E : Elektrik alanı f : Şebeke frekansı fr : Rezonans frekansı h : Harmonik Ib : Bacak akımı Ih : Harmonik akımı In : Nominal akım Irms : Akımın etkin değeri Ij : Boyunduruk akımı Iμ : Mıknatıslanma akımı I0 : Ortalama akım I1 : 1.hamonik akımı Iωt : Akımın ani değeri K : K Faktörü L : Endüktans ix n : Harmonik derecesi P : Aktif güç PEC : Kaçak akı kayıpları p : Filtreleme faktörü Q : Reaktif güç Qpr : Transformatörün rezonans gücü R rdc : Omik direnç : Doğru akım direnci s : Kirişleme faktörü S : Görünür güç SN : Nominal güç Ur : Kondansatörün anma gerilimi UC : Kondansatör uç gerilimi uk : Bağıl kısa devre gerilimi Vωt : Gerilimin ani değeri V0 : Gerilimin ortalama değeri V1 : 1.harmoniğin gerilimi Vrms : Gerilimin etkin değeri XL : Endüktif direnç XC : Kapasitif direnç Ys : Deri etkisi ile oluşan direnç Yp : Yaklaşım etkisi ile olan oluşan direnç Ztr : Transformatör empedansı x ZH : Hat empedansı Zk : Kablo empedansı Zy : Yük empedansı Zt : Toplam empedans β : Bobinler arası faz farkı açısı β1 : 1.harmoniğe ait bobinler arası faz farkı βn : n.harmoniğe ait bobinler arası faz farkı Φj : Boyunduruk akısı Φb : Bacak akısı Φ : Manyetik akı ξs : Sargı kirişleme faktörü ξsn : n.harmoniğe ait sargı kirişleme faktörü ξn : n.harmoniğe ait sargı yayılma faktörü γn : Kirişlenmiş bobinde faz farkı açısı φ : Akım ile gerilim arasındaki açı φ1 : Kompanzasyondan önce, akım ve gerilim arasındaki açı φ2 : Kompanzasyondan sonra, akım ve gerilim arasındaki açı τp : Kutup adımı ,Sargılar arası mesafe Kısaltmalar: AG : Alçak Gerilim IEEE : Institute of Elektrical and Elektronics Engineers (U.S.A) (Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü) OG : Orta Gerilim xi THD : Toplam Harmonik Distorsiyon THB : Toplam Harmonik Bozunum THBI : Akımdaki Toplam Harmonik Bozunum TSE : Türk Standartları Enstitüsü THBV: Gerilimdeki Toplam Harmonik Bozunum xii 1 1.GĠRĠġ Elektrik enerjisi günümüzde de çok önemli bir enerji türü olup, çok yaygın bir kullanım alanı vardır. Bu alanlar, endüstriyel tesisler, ev ve ticarethaneler, tarımsal amaçlı kullanım ve benzeri gibi sıralanabilir. Günlük yaşantımızda birçok kolaylığın sağlanmasında kullanılan elektrik enerjisinin, diğer enerji türlerinde olduğu gibi verimli kullanılması gerekmektedir. Elektrik enerjisinin verimi güç kalitesiyle belirlenir. Güç kalitesi elektriğin akım, gerilim ve frekans değerlerinin belirli sınırlar içinde tutulması, ayrıca akım ve gerilimin dalga biçiminin sinüs şeklinde olmasıyla ifade edilen bir kavramdır. Güç kalitesi standartlara ne kadar yaklaştırılırsa, elektrik enerjisinin verimi de o kadar artmış olur. Güç kalitesi düşük seviyelerde tutulursa hem kullanılan enerjideki kayıplar artmış ve hem de kullanılan cihazdan alınan verim düşmüş olur. Elektrik enerjisinin kullanımındaki en büyük ölçüt cihazın anma görünür gücüdür ve S ile sembolize edilmektedir. Güç transformatörleri ve alternatörlerin güçleri görünür güç ile ifade edilir. Görünür gücün bileşenleri ise aktif ve reaktif güçtür. Aktif güç bir elektrik makinesi veya elektrikle çalışan cihaz için iş yapan faydalı güçtür. Reaktif güç ise endüktif ve kapasitif karakterli olup cihazın çalışmasını sağlayan güçtür. Reaktif güç elektrik hattında ve cihazlarda kayıplara ve arızalara neden olmaktadır. Bu yüzden elektrik enerjisinin kullanımında verimi düşüren faktörlerdendir. Reaktif güç kompanzasyonu, güç kalitesini artırma yönündeki en büyük çalışmalardan birisidir. Reaktif güç kompanzasyonu endüktif karakterli yüklerde kondansatörlerle yapılırken, kapasitif karakterli yüklerde endüktif reaktörlerle yapılmaktadır. Reaktif güç kompanzasyonu ile güç faktörü istenilen seviyeye çıkarılarak güç kalitesi yükseltilir. Bu sayede kayıplar ve arızalar en aza indirgenmiş olur. Güç kalitesini yükseltmek için reaktif güç kompanzasyonunun yanında harmonik kompanzasyonu da yapılmalıdır. Böylece hem cosφ 1‟e yaklaştırılarak akım ve gerilim arasındaki faz farkı azaltılır, hem de akım ve gerilim dalga şekli sinüs biçimine yaklaştırılır. Harmoniklerin kompanzasyonu, elektrik cihazlarının teçhizatlarındaki değişiklerle yapılacağı gibi, filtreler ile de yapılmaktadır. Fakat en verimli sonuçlar filtre kullanılmasıyla elde edilmektedir. 2 Elektrik tesislerinde, harmoniklerin filtrelenmesinde aktif veya pasif filtre kullanılmaktadır. Fabrikalarda genellikle pasif filtre kullanılmaktadır. Bunun nedeni maliyetinin aktif filtreye göre düşük ve kullanımının kolay olmasıdır. Bu tezin amacı; - Harmonik kompanzasyonu yapılırken aynı zamanda reaktif güç kompanzasyonunun da yapılması, - Fabrika beslemelerinde baskın harmoniklerin tespit edilerek buna uygun pasif filtrenin tasarlanması, - Tasarlanan pasif filtrenin uygunluğunun denenmesi için, pasif filtrenin tasarlandığı fabrika modellenerek simülasyonunun yapılması, - Fabrika beslemelerinde harmonik analizörü ile yapılan ölçüm sonuçlarının, simülasyon sonuçları ve matematiksel hesap sonuçları ile yakınlığının gösterilmesi, biçiminde sıralanabilir. Bu tezde; - Birinci bölüm, tezin amacının anlatıldığı ,”GİRİŞ” giriş bölümünden, - İkinci bölüm, harmonikler alanında çeşitli çalışmaların yapıldığı, “KAYNAK ARAŞTIRMASI” bölümünden, - Üçüncü bölüm, reaktif güç kompanzasyonunun nasıl yapıldığı, harmoniklerin ne olduğu, elektrik tesislerine etkilerinin ne olduğu, ve harmonik kompanzasyonu için kullanılan pasif filtre çeşitleri ile seri reaktörlü pasif filtrenin nasıl tasarlandığının anlatıldığı, “HARMONİKLER” bölümünden, - Dördüncü bölüm, fabrika beslemelerinde harmonik ölçümlerinin nasıl yapıldığı ve ölçümler yapılırken hangi materyallerin kullanıldığının anlatıldığı, “MATERYAL VE YÖNTEM” bölümünden, - Beşinci bölüm, fabrika beslemelerinde harmonik analizörü ile yapılan ölçüm sonuçları, filtreli ve filtresiz tesisler için yapılan simülasyon sonuçları ve filtresiz bir fabrikanın matematiksel yöntemle yapılan harmonik analiz sonuçlarının değerlendirildiği, ”ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA” bölümünden, - Altıncı bölüm, tüm bu çalmaların sonunda elde edilen sonuçların ve önerilerin değerlendirildiği, “SONUÇLAR VE ÖNERİLER” bölümünden oluşmaktadır. 3 2. KAYNAK ARAġTIRMASI Akım ve gerilim harmonikleri elektrik tesislerinde ve şebekede ciddi sorunlara neden olmaktadır. Harmoniklerin şebekelerde nasıl üretildiği ve dağıldığı, sisteme nasıl zarar verdiği, bunların etkilerinin nasıl azalacağı konularında çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Chowdhury ve ark. (1999) “An Investigation of the Harmonic Characteristics of Transformer Excitation Current Under Nonsinusoidal Supply Voltage” adlı makalede, 25kVA gücündeki tek fazlı bir trafonun giriş akım ve gerilimindeki harmonikler incelemiştir. Rao ve ark.(1998) “Analysis of resonance problems and harmonic fitler design in power factor correction capacitor applications” adlı makalede, harmoniklerin kompanzasyon kondansatörlerine etkisini incelemişlerdir. Harmoniklerin kondansatörleri paralel rezonansa soktuğu görülmüş ve bu konuda simülasyon yapılmıştır. Tsukamoto ve ark. (2000) “Advanced Technology to Identify Harmonics Characteristics And Results of Measuring” adlı bildiride, harmonik kaynakları ve kullanılır güç sistemi arasındaki etkileşimi açıkça gösterebilmek için ileri düzey ölçü aletlerini incelemiştir. Puskarich ve ark. (2001) “Harmonic Experiences with a Large Load- Commutated Inverter Drive” adlı makalede, büyük Petro kimyasal işletmelerdeki , büyük inverterlerin neden olduğu, giderilmesi zor olan harmoniklerin yüksek geçiren filtre ile filtrelenmesi incelemiştir. Chen ve ark. (2003) “Stochastic harmonic analysis of mass rapid transit power systems with uncontrolled rectifiers” adlı makalede, hızlı ulaşım sistemlerinin harmonik analizini yapmıştır. Trafo olmaksızın 12 darbeli kontrolsüz doğrultucu matematiksel olarak da türetilmiştir. Güç talebinde harmoniklerin oranı ve ani kalkış esnasındaki harmoniklerin oranı incelenmiştir. Buna göre harmoniklerin ortalama değeri ve standart sapması bu metot ile hesaplanmış ayrıca simülasyon yapılmıştır. Pamplona ve ark. (2004) “Harmonic Passive Filter Planning In Radial Distribution Systems Using Genetic Algorithms” adlı makalede, radyal dağıtım sistemlerinde pasif filtre kullanılmasına yönelik çalışmalar yapmıştır. Ayrıca 15 yollu radyal bir sistemin simülasyonu yapılmıştır. 4 Sağlam (2005) Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde hazırlamış olduğu “Dağıtım Transformatörlerinin Bağlantı Gruplarına Göre Harmonik Simülasyonu” adlı Yüksek Lisans Tezinde, dağıtım transformatörlerinin Dyn1, Dyn11 ve Yyn bağlantı gruplarının harmonik olayına etkilerinin neler olduğu hedeflenmiş olup, nonlineer yük kompozisyonu ile bir OG/AG sistem içerisinde farklı durumlar için MATLAB Simulink ile modelleyerek bu etkileri gözlemlemiştir. Mau ve ark. (2007) “ Planning Approaches for the Strategic Placement of Passive Harmonic Filters in Radial Distribution Networks” adlı makalede OG fiderlerinin baralarındaki harmoniklerin incelenmesini yapmıştır. 11kV‟ luk radyal dağıtım fideri üzerine simülasyon yapılmıştır. Şahin (2006) Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde hazırlamış olduğu “Harmoniklerin yer altı güç Kablolarına etkisinin belirlenmesi “ adlı Yüksek Lisans Tezinde, harmoniklerin yeraltı güç kablolarına etkilerinin belirlenmesi ve harmonik etkilerinin azaltılması için öneri sunulması amaçlanmıştır. Bunu gerçekleştirmek için bir OG sistemde harmonik ölçümü yapılmış, alınan harmonik değerleri doğrultusunda bir MATLAB/SIMULINK modeli oluşturulmuş ve bu modelden alınan sonuçlar değerlendirilmiştir. Başman (2006) Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde hazırlamış olduğu ” Elektrik Enerji Sistemlerinde Harmonik ve Filtreleme “ adlı Yüksek Lisans Tezinde, aktif ve Pasif Filtreler anlatılmıştır. Ayrıca MATLAB programında bunlarla alakalı simülasyon yapılmıştır. Gezegin (2006) Ondokuzmayıs Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde hazırlamış olduğu “ Harmoniklerin süzülmesi Ve Tepkin Güç Kompanzasyonu İçin Melez Koşut Etkin Güç Süzgeçleri “ adlı Yüksek Lisans Tezinde, harmonik filtreleme yöntemleri incelenmiştir. Seri ve paralel oluşlarına göre aktif ve pasif filtreler incelenmiştir. Ayrıca aktif ve pasif filtrelerin birlikte kullanılmasıyla oluşturulan melez filtreler incelenmiştir. İlaslaner (2006) Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde hazırlamış olduğu “ Güç Kalitesinde Harmonikler ve Filtrelenmesi “ adlı Yüksek Lisans Tezinde, halen TEİAS 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. 5 Liang ve ark. (2008) “ Investigation of Non-Linear Devices Modeled as a Harmonic Current Source” adlı makalede, gerilim kaynaklı ve akım kaynaklı sürücüler karşılaştırılmıştır. Sürücülerin yükü arttıkça gerilim harmoniklerinde artış, akım harmoniklerinde ise azalış saptanmıştır. Ayrıca empedansı yüksek olan sert sistemde harmoniklerin fazla varlık gösterememesine karşın, düşük empedanslı zayıf sistemlerde harmonikler yükselmiştir. Buna dayanarak empedansla harmoniğin ilişkisi araştırılmıştır. Vlahinic ve ark. (2008) “ Indices for Harmonic Distortion Monitoring of Power Distribution Systems” adlı bildiride, akım ve gerilimdeki bozulmayı toplam bozulma oranı ile karşılaştırma metodu kullanarak harmonik analizi yapılmıştır. Bhattacharyya ve ark. (2009) “Harmonic Current Interaction at a Low Voltage Customer‟s Installation” adlı bildiride, ev kullanıcılarının ürettiği harmonikleri incelemiştir. Bu çalışmaları TU/Eindhoven„da bulunan güç kalitesi laboratuvarında gerçekleştirmişlerdir. Ayrıca bilgisayar ortamında simülasyon yaparak ev kullanıcılarının şebekeyi nasıl etkilediği ve bazı cihazların ürettiği harmoniklerin miktarı ölçülmüş. Diversite olayı incelenmiştir. Browne ve ark. (2009) “Allocated Harmonic Quantities as the Basis for Source Detection” adlı makalede, harmoniklerin şebekede dağılımı üzerine çalışma yapılmıştır. Bilinen en iyi standartların IEEE 519 ve IEC/TR 61000-3 olduğu belirtilmiştir. Bunlardan birincisi dağıtım ve iletim sisteminde, ikincisi ise harmoniklerin yansıtılmasında etkilidir. Thevenin ve Norton yöntemleri kullanılarak harmoniklerin şebekeye dağılımının nasıl olduğu incelenmiştir. Ünsal ve ark. (2009) “Dumlupınar Üniversitesi Merkez Kampüsü Elektrik Kalitesinin Ölçüm Sonuçları” adlı makalede Dumlupınar Üniversitesi Merkez Kampüsün de tüketilen elektrik enerjisinin kalitesini incelemiştir. Çalışma kapsamında, kampüse sağlanan şebeke geriliminin ne zaman ve hangi sıklıkla belirlenen standartların dışına çıktığı ve kesintiye uğradığı incelenmiştir. Bu amaçla elektrik şebekesi gerilimindeki dalgalanmaları kaydeden beş adet voltaj kayıt cihazı kampüsün ana binalarına yerleştirilerek her binanın gerilimlerindeki dalgalanmalar kaydedilmiştir. Cihaz kayıtları, periyodik olarak bilgisayara aktarılarak incelenmiş ve dalgalanmaların en sık olduğu zamanlar ve süreleri tespit edilmeye çalışılmıştır. Keramati ve ark. (2009) “New Control Technique for Compensation of Netural Current Harmonics in Three-Phase Four -Wire Systems” adlı bildiride, MATLAB programı kullanılarak seri aktif filtre ile güç kompanzasyonu yapılmıştır. 6 Ekiz ve ark. (2009) “Fabrikalardaki Harmoniklerin MATLAB/SIMULINK Kullanılarak Modellenmesi “ adlı makalede bir fabrikanın gerçek verileri kullanılarak simülasyonu yapılmıştır. Zile (2009) “ Nominal Parametre Temeline Dayanan Harmonik Çalışmalar İçin Trafo Modelleri” adlı makalede bilgisayar simülasyonları ve ölçümleri karşılaştırmıştır. Modeller 50 Hz temelli seçilmiştir. Sargıların ve nüvenin doğrusal olmayan etkilerine bağlı olan frekans incelenmiştir. Boduroğlu (1988) “ Transformatörler” adlı kitapta, transformatörlerde, mıknatıslanma akımından dolayı meydana gelen harmonikler incelenmiştir. Transformatörlerin bağlantı gruplarına göre harmoniklerin nasıl değiştiği ve transformatörlerde harmonik kompanzasyonunun üzerine çalışmalar yapılmıştır. Arifoğlu (2002) yılında basılan ” Güç Sistemlerinin Bilgisayar Destekli Analizi” adlı kitapta, harmonikler matematiksel olarak analiz edilmiştir. Elektrik tesislerinde harmoniklerin oluşumu ve elektrikli cihazlarda meydana getirdiği etkiler işlenmiştir. Boduroğlu (1988) “Döner Alternatif Akım Makinalarına Giriş” adlı kitapta, senkron alternatörlerde harmoniklerin oluşumu incelenmiştir. Senkron alternatörlerde harmoniklerin kompanzasyonu için sargı kirişleme ve sargı yayılma faktörleri anlatılmıştır. Whittle (2010) “How capacitors affect harmonics, and what is resonance?” adlı yazıda, güç kondansatörlerinin paralel rezonansa etkisi ve paralel rezonans durumunda harmoniklerin davranışı incelenmiştir. Seri reaktörlü pasif filtre ile harmonik filtrelenmesi gösterilmiştir. 7 3. HARMONĠKLER Harmonikler akım ve gerilimin dalga biçimini bozar. Akım ve gerilimin dalga biçimlerinin bozulması elektrikli cihazlarda verim düşüklüğüne, arızalara ve yanlış çalışmalara neden olmaktadır. Bu yüzden harmonik kompanzasyonu güç kalitesinin iyileştirme çalışmalarında büyük rol oynamaktadır. Güç kalitesini iyileştirme çalışmalarında, harmonik kompanzasyonunun yanında reaktif güç kompanzasyonunun da önemi büyüktür. Bu yüzde tez çalışmasında reaktif güç kompanzasyonuna da değinilmiştir. 3.1. Reaktif Güç Kompanzasyonu Tesislerde tüketilen elektrik aktif güç olarak adlandırılır. Makineler cihazlar bu tükettikleri aktif güce göre elektriksel olarak değerlendirilirler. Aktif gücün yanında sistemden cihazlar reaktif güç de çekmektedir. Reaktif güç ise makinelerin ve cihazların aktif çalışmalarına katkıda bulunmazlar. Aksine hatlarda kayıplara, cihazlarda ısınmalara, transformatörlerde aşırı yüklenmelere ve bunun gibi olumsuz durumlara neden olmaktadır. Reaktif güç endüktif ve kapasitif olmak üzere iki çeşittir. Endüktif karakterli reaktif güç genellikle sargılı cihazlar tarafından çekilir. Bu reaktif güce sargılardan geçen ve mağnetik alanı oluşturan mıknatıslanma akımı neden olmaktadır. Kapasitif karakterli reaktif güç ise kapasitif karakterli cihazlar tarafından çekilmektedir. Buna örnek olarak kondansatörler ve yeraltı kabloları verilebilir. Endüktif ve kapasitif güçler arasında 180 ° faz farkı vardır. Eğer şebekede endüktif enerji çoğunluktaysa cihazların ısınmasına, hatlardaki kaybın artmasına, gerilimin düşmesine ve bunun gibi sorunların ortaya çıkmasına neden olur. Kapasitif enerji çoksa bu sefer gerilimin aşırı artmasına neden olur. S görünür güç, P aktif güç, Q ise reaktif güç olarak bilinir. Bunlar Şekil 1.1‟ de gösterilmiştir. IP φ P IQ S Q ġekil 3.1. Aktif güç ile reaktif gücün vektörel toplamı 8 Burada φ akımla gerilim arasındaki açıyı göstermektedir. Reaktif güç kompanzasyonu sayesinde akımla gerilim arasındaki açı küçülür. Güç faktörü denilen cos φ „nin 1 olması demek, reaktif güç kompanzasyonunun yapıldığına ve sistemdeki reaktif güç oranlarının standartlar içinde olduğu anlamına gelmektedir. Günümüz itibariyle elektrik idaresi tarafından kullanılan reaktif oranlar, endüktif için %20 kapasitif içi %15‟ dir. Bu standartların aşımı halinde şebekeden çekilen enerji elektrik faturasına reaktif bedel olarak eklenmektedir. Bir fabrika kurulmadan önce reaktif güç ihtiyacı hesaplanmalı ve standart değerler kompanzasyon sistemiyle yakalanmalıdır. Kompanzasyon için gerekli reaktif güç hesabı aşağıdaki gibi yapılır: Kompanzasyondan önceki reaktif güç denklem (3.1) ile hesaplanır. Kompanzasyondan sonraki reaktif güç ise denklem (3.2) ile hesaplanır. Q1 = P1. tan φ 1 ( 3.1 ) Q2 = P1 . tan φ 2 ( 3.2 ) Reaktif gücün Q1 den Q2 seviyesine gelebilmesi için gerekli reaktör veya kapasitör Denklem (3.3) ile hesaplanır. Qc= Q1 - Q2 = P1 ( tan φ 1 - tan φ 2 ) ( 3.3 ) Denklem (3.4)‟ de cos φ1 ve cos φ2 nin yerine konulmasıyla tanφ1 ve tanφ2 hesaplanır. tanφ = 1 cos 2 / cos φ ( 3.4 ) denklem (3.5) de açıların farkı k ile gösterilmektedir. bu değer denklem (3.3)‟ de yerine konulursa denklem (3.6) elde edilir. tan φ 1 - tan φ 2 = k ( 3.5 ) Qc= k . P1 ( 3.6 ) Güç kalitesini etkileyen diğer faktörler ise; - Gerilim çökmesi - Gerilim yükselmesi - Elektrik kesintileri, - Gerilim dalgalanmaları - Ani gerilim sıçramaları, - Akım ve gerilim harmonikleri, 9 - Güç ve frekans değişimleri - Gürültü ( EMG ), - Faz dengesizlikleri, şeklinde sıralanabilir. Yukarıda sıralanmış güç kalitesi sorunlarının çeşitli çözümleri bulunmaktadır. Bu tezde güç kalitesi sorunlarından Harmonikler üzerine çalışma yapılmıştır. 3.2. Harmonikler Lineer olmayan elemanların akım ve gerilimleri de lineer değildir. Yani tam sinüs şeklinde değildir. Zamana göre değişen ve sinüs şeklinde olmayan bu akım ve gerilimler harmonikli akım ve gerilimler olarak adlandırılır. Akım ve gerilimin dalga şeklini bozan yüksek frekanslı bileşenler harmonik olarak adlandırılır. Harmoniklerin akım ve gerilimleri farklı frekanslarda ve farklı genliklerde olabilirler. Cihazların arızalanmasına, koruma elemanlarının gereksiz açmalarına ve teçhizatlarda kayıplara neden olmaktadırlar. Harmonikler çeşitli elektrik tesislerindeki cihaz ve alıcılarda üretilmekte ve besleme hattı üzerinden elektrik şebekesine yayılmaktadır. Böylece sadece üretildiği yeri değil, diğer tesisleri de etkilemektedir. Harmoniklerin etkilerini azaltmak için Harmonik filtreler kullanılır. Filtreler, tesisin durumuna göre ve harmoniğin derecesine göre aktif veya pasif filtreler olarak seçilebilir. Aktif filtre kullanımında, belirlenen harmoniklerin ters faz açısında ve eşit genlikte akım uygulanarak harmoniğin bastırılmasına çalışılır. Aktif filtre harmoniklerin kompanzasyonunu yaparken reaktif güç kompanzasyonu da yapmaktadır. Aktif filtrenin en önemli avantajlarından birisi değişen yük durumuna kolayca uyum sağlayabilmesidir. Bu sayede harmoniklerin filtrelenmesinde kesin çözümler elde edilir. Fakat maliyetinin yüksek olması kullanımını kısıtlamaktadır. Pasif filtreler ise rezonans ilkesine göre çalışır. Öncelikle baskın olan harmonik ve sistemin paralel rezonans frekansı belirlenir. Belirlenen harmoniğin frekansına göre filtre tasarlanır. Pasif filtre çeşidine göre, harmonik frekansında veya harmonik frekans değerine yakın olmayan bir noktada rezonans oluşturur. Rezonans direncine göre harmoniklerin etkileri bastırılır. 10 Kullanım kolaylığı ve maliyetinin ucuz olması nedeniyle endüstriyel tesislerde genellikle pasif filtreler kullanılmaktadır. Pasif filtrelerin en büyük sakıncası değişen yük durumuna ayak uydurma zorluğudur. Örneğin sistemde 7. harmonik baskınken herhangi bir yük değişiminde 5. harmonik baskın duruma geldiğinde fitrede değişiklik yapmak gerekmektedir. Filtreler tasarlanırken bu türlü değişimlerin de göz önünde bulundurulması gerekir. Bu tezde pasif filtre tasarımı üzerinde durulmuştur. Pasif filtrenin harmonik oranını nasıl değiştirdiği, fabrika beslemelerinde kullanıldığında ne kadar etkili olduğu araştırılmıştır. Pasif filtrenin olduğu ve pasif filtrenin olmadığı tesislerde ölçümler yapılarak, bu tesislerdeki sorunlar belirlenmiştir. Ayrıca tasarlanan ve gerçekleştirilen filtre tesise takılarak ölçümler yapılmıştır. 3.2.1. Harmonik üreteçleri Elektrik tesislerinde harmonikler değişik durumlarda üretilmektedir. Harmonik üreten elemanlar: - Güç transformatörü, alternatör gibi demir manyetik nüveli cihazlar - Ark fırınları - Statik dönüştürücüler; doğrultucu, evirici, çevirici kıyıcı vb. güç elektroniği elemanları - Telsiz ve radyo gibi elemanlar - Gaz boşalmalı lambalar - Fotovoltaik güç sistemlerinde bulunan güç elektroniği devreleri - DC iletim sisteminde bulunan güç elektroniği devreleri şeklinde sıralanabilir. 3.2.1.1. Güç transformatörleri Güç transformatörleri, demir nüvelerinden dolayı harmonik üretirler. Sinüzoidal gerilimle çalışma altında ve lineer mıknatıslanma bölgesinde sinüzoidal çıkış verecek 11 şekilde tasarlanır. Nominal değerler aşılırsa nüve doyar ve harmonikler artar. Bunlar demir nüvenin B= f(H) karakteristiğinin doğrusal olmayışından kaynaklanmaktadır (Bilge, 2008). Şekil 3.2 de histerezis eğrisi ve zamanla sinüs şeklinde değişen Φ, B veya E‟nin ani değerlerinden faydalanarak çizilen mıknatıslanma akımının şekli gösterilmektedir. Histeresis eğrisi ile Φ, B veya E‟nin dalga şekline göre mıknatıslanma akımının şekli de değişmektedir. Bu durum mıknatıslanma akımını oluşturan harmonikleri de etkilemektedir. ġekil 3.2. Tek fazlı transformatörün mıknatıslanma akımı Mıknatıslanma akımı harmonikleri, yüklenmenin az olduğu günün erken saatlerinde en üst seviyeye ulaşır. Çünkü sistemin yükü az olduğundan transformatör uçlarındaki gerilim yükselir ve aşırı uyarmadan dolayı harmonikler artar. Aşırı uyarma ile 3, 5 ve 7. dereceden harmonikler oluşur. Çizelge 3.1‟ de güç transformatörünün harmonik spektrum değerleri gösterilmektedir (Başman,2006). Çizelge 3.1. Transformatörün Harmonik Spektrumu Harmonik Derecesi (n) % In/Iμ 3 0,5 5 0,2 7 0,05 9 0,026 12 3.2.1.2. Alternatörler Alternatörler, uyartım alanının şekline, manyetik devrenin doymaya ulaşmasına veya manyetik direncin değişimine bağlı olarak harmonikler üretirler. Makine hızına ve endüvi oluk sayısına bağlı olarak döner makineler akım harmoniği üretirler. 2л mg Temel dalga BoĢluklar/kutup Meydana gelen dalga ġekil 3.3. Kutup altındaki manyetik indüksiyon şekli Şekil 3.3‟ de kutup altındaki manyetik indüksiyonun şekli gösterilmektedir. Endüvinin oluklu olmasından dolayı meydana gelen alan değişmeleri gerilim eğrisinde bozulmalar meydana getirir. Böylece temel dalga üzerinde yüksek frekanslı titreşimler oluşur. 3.2.1.3. Statik dönüĢtürücüler Doğrultucu, evirici, çevirici 1 ve 3 fazlı komutasyonlu konverterler statik dönüştürücüler olarak adlandırılır. DC iletim sistemleri, akü ve fotovoltaik sistemler komutasyonlu konverterler üzerinden beslenirler. Bunlar 3 ve 3‟ ün katı harmonikler üretirler. Statik dönüştürücülerde, harmonik dereceleri denklem (3.7) ile hesaplanır. n k. p 1 (3.7) Burada p darbe sayısı, n harmonik derecesi, k ise herhangi bir sayıdır. 6 darbeli doğrultucuda 5, 7, 11 ve 13 dereceli harmonikler, 12 darbeli doğrultucuda 11, 13 ve 23 dereceli harmonikler üretilmektedir (Bilge, 2008). 13 Çizelge 3.2‟ de çeşitli doğrultucuların akım dalga şekilleri gösterilmektedir. Burada farklı darbe sayısına sahip doğrultucuların toplam harmonik bozunumları ve dalga şekilleri de farklı olmaktadır. Çizelge 3.2. Çeşitli Doğrultuculardan Akım Dalga Şekilleri Tek fazlı doğrultucu 6 darbeli doğrultucu (filtre kondansatörlü) 6 darbeli doğrultucu (filtre kond. ve bsatırıcılı) 6 darbeli statik evirici (filtreli bastırıcılı) 6 darbeli statik evirici (filtreli bastırıcılı) 3.2.1.4. Ark fırını Ark fırınları, kaynak makineleri gibi normal işlemlerini elektrik arkı ile sürdüren tesisler, önemli harmonik kaynakları arasında sayılırlar. Ark direncinin doğrusal olmaması, yani ateşleyicinin elektrotlarının akım gerilim karakteristiğinin doğrusal olmaması, harmoniklerin ortaya çıkmasına neden olur. Ark olayının başlamasının ardından ark gerilimi azalırken, ark akımı artar. Bu anda ark olayında negatif direnç etkisi görülür. Ark fırınlarının direnç değişimi dengesiz olduğundan şebekedeki harmoniklerde dengesiz olur. Onun için ark fırınlarının modellenmesi zordur. Şekil 3.4‟ de ark fırınının malzemeyi eritme ve inceltme anındaki akım ile frekansın ilişkisi gösterilmektedir. 14 (a) (b) ġekil 3.4. (a) Ark fırınının eritme anındaki Akım-Frekans ilişkisi, (b) Ark fırınının inceltme anındaki Akım-Frekans (Eroğlu, 2009) 3.2.1.5 Gaz boĢalma ilkesine göre çalıĢan aydınlatma elemanları Flüoresan, civa, yüksek basınçlı sodyum buharlı lambalar gibi gaz deşarjlı aydınlatma elemanları, şebekeden harmonikli akımların çekilmesine neden olurlar. Bu ilke ile çalışan aydınlatma elemanları doğrusal olmayan akım ve gerilim karakteristiğine sahip olduğu için harmonik üretirler. Bu tip aydınlatma elemanları negatif direnç etkisi gösterir ve 3 ile 3 ün katı olan harmonikleri üreterek ısınmalara neden olmaktadır. Çizelge 3.3‟ de manyetik balastlı bir floresan lambanın meydana getirdiği harmonikler gösterilmektedir (Bilge, 2008). Çizelge 3.3. Manyetik balastlı floresan lambanın harmonikleri Harmonik (n) I (%) I n/I1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 100 19,9 7,4 3,2 2,4 1,8 0,8 0,4 0,1 0,2 0,1 Şekil 3.5 (a) aydınlatma elemanlarında akımın dalga şeklini göstermektedir. Buradan da görüldüğü gibi akımın dalga şekli son derece bozuktur. Şekil 1.5 (b) ise bu aydınlatma elemanlarına ait harmonik grafiğini göstermektedir. Burada küçük dereceli harmoniklerin daha baskın olduğu görülmektedir. 15 (a) (b) ġekil 3.5. (a) Aydınlatma elemanlarının akım dalga şekli (b) Aydınlatma elemanlarının harmonik grafiği 3.2.2. Harmoniklerin etkileri Harmonikler enerji üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinde gerilim düşümleri yaparak, manyetik alanı bozar. Böylece akım ve gerilimin dalga şekli bozulur. Elektrik enerji sistemlerinde cihazlar saf sinüs dalga şeklinde çalışmak üzere tasarlanmıştır. Akım ve gerilimin dalga şeklinin belli bir değerden daha fazla bozulması cihazların çalışmalarında aksaklıklar meydana getirir. 3.2.2.1. Güç transformatörleri üzerindeki etkileri Akım harmonikleri transformatörlerde kaçak akıları artırarak bakır kayıplarında artışa neden olurlar. Gerilim harmonikleri ise demir kayıplarına ve yalıtım zorlanmalarına neden olur. Ayrıca harmonikler, güç transformatörü ile kompanzasyon kondansatörlerinin paralel rezonansa girmesine neden olurlar. Kaçak akı kayıpları sinüs olmayan dalga şeklinin kaybıdır. Yüklü çalışmada bakır kayıpları i²R dir ve sargılarda ısınma meydana getirmektedir. Ayrıca bağlantı yerlerindeki manyetik akıdan dolayı kaçak kayıplarının artmasına neden olur. Manyetik çekirdekli bir elemanda oluşan demir kayıpları uygulanan gerilimin şekline bağlıdır. Yani gerilim harmoniklerine bağlıdır. Kaçak akı kayıpları denklem (3.8) ile hesaplanmaktadır (Sağlam, 2005). 16 PEC PEC R h max h 1 I h h IR 2 2 (3.8) Bir güç transformatörünün rezonans gücü denklem (3.9) ile hesaplanmaktadır. Qpr S n .%uk .sin k (3.9) 2 S : Transformatör gücü (kVA) , n : Harmonik mertebesi % uk : Transformatörün bağıl kısa devre gerilimi Güç transformatörlerinde, sinüzoidal olmayan akımlarla beslenen yükleri besleyebilme kapasitesinin bir ölçütü olarak kabul edilen ve standart güç transformatörlerinin harmonik akımlara bağlı olarak nominal akım ve gerilimde meydana gelen düşüşlerin tayinine yarayan büyüklük, K faktörü olarak nitelendirilir. Transformatörün etkin akımına göre normlaştırıldığında K faktörü değeri denklem (3.10) ile hesaplanır (Sağlam, 2005). n K n. I h I1 i 1 2 1 THD 2 1 ( 3.10 ) Standart transformatörün anma değerindeki düşümün hesaplanmasında (IEEE C57.110 1986‟da) denklem (3.11) kullanılmaktadır. D = 1,15/(1+ 0,150.K) ( 3.11 ) D, transformatör gücündeki azalma. Yani harmonikli akımla yüklenen transformatörün verebileceği en büyük güç değeri SN; transformatörün nominal gücü, SH = D . S N ( 3.12 ) olarak hesaplanır (İlaslaner, 2006). 3.2.2.2. Döner elektrik makinelerinde etkileri Harmonikler alternatörlerde uyartım alanını bozarak saf sinüs dalgası üretilmesini engeller. Ayrıca ısıl kayıpları artırır ve aşırı ısınmalara neden olur. Alternatörün gürültülü çalışmasına neden olur. Reaktanslar harmonik frekansları nedeniyle artmaktadır. Harmonikler de aynı frekansta gerilim indükler ve bu gerilimler nedeniyle harmonik akımları akar. Böylece faydalı akı bozulur. Alanın bozulmasıyla moment zayıflar. motorlarda aşırı ısınmalara neden olur. Harmonikler ayrıca 17 3.2.2.3. Kesici ve sigortalarda harmonik etkileri Kesiciler, kontakların fazla yüklenmesini engellemek için akım sıfır noktasından geçerken açma yapar. Harmoniklerin frekansları temel frekanstan farklı olduğundan akım sıfır noktasından geçerken, harmonik akımlarından dolayı, toplamda sıfır olmayacaktır. Böylece kısa devre esnasında veya herhangi bir zamanda kesici açmak istediğinde, harmonik akımları tarafından kontakları zorlanacaktır. Bu durum eriyen telli sigortalar için de geçerlidir. Ayrıca harmonik akımlar kontaklarda ısıl kayıplar oluşturarak kesici ve şalterlerde ısınmaya neden olurlar. 3.2.2.4. Kondansatörler üzerindeki harmonik etkileri Kondansatörlerde frekansın artmasıyla direnç düşmektedir. Direncin düşmesi sonucunda kondansatörün çektiği akım artar. Bu da kondansatörlerin ısınmasına ve ömrünün azalmasına neden olur. Tedbir alınmazsa kondansatörler patlar. 3.2.2.5. Ġletkenlerde harmonik etkileri Harmoniklerin şebeke iletkenleri ve güç kablolarına da olumsuz etkileri olmaktadır. İletkenler endüktif özelliklidir. Harmoniklerin frekansının yüksek olmasından dolayı iletken ve kabloların dirençleri artar. Bu da ısıl kayıpları artırır. Ayrıca deri etkisi ve yaklaşım etkisi nedeniyle iletkenlerin empedansları artmakta ve akım taşıma kapasiteleri de düşmektedir. Deri ve yaklaşım etkileri nedeniyle alternatif akım direnci doğru akım direncine göre büyümektedir. rac = rdc (1+Ys+Yp) (3.13) Ys: Deri etkisiyle ek olan direnç, Yp: Yaklaşım etkisi nedeniyle oluşan direnç Rdc : DC direnç, α20: Sıcaklık katsayısı , rdc=R20[ 1+ α20( θ-20)] (3.14) R20=ρ20/S (3.15) 18 Çizelge 3.4. Malzemeye göre α20 ve ρ20 değerleri α20 [K-1] ρ20 [Ω/m] Bakır 3,93.10-3 1,7241.10-8 Alüminyum 4,03.10-3 2,8264.10-8 Kurşun ve ya Kurşun alaşımı 4,0.10-3 21,04.10-8 Çelik 4,5.10-3 13,8.10-8 Bronz 3,0.10-3 3,5.10-8 Paslanmas çelik ihmal 70.10-8 Alimünyum 4,03.10-3 2,84.10-8 Malzeme a) İletken b) kılıf ve Zırh Çizelge 3.4‟de malzemeye göre α20 ve ρ20 değerleri gösterilmektedir. Bu değerler malzemeye göre farklı değerler almaktadır. Bu ise iletkenin direnç değerini etkilemektedir (Şahin, 2006). Deri etkisi nedeniyle iletken merkezindeki akım yoğunluğu düşmektedir. Homojen bir iletkenin merkezi yakınlarındaki kuvvet çizgilerinin yoğunlaşmasıyla, iletkenin merkezindeki boyuna bileşen, kenardaki boyuna bileşenden büyük olur. Bundan dolayı merkezdeki zıt EMK artar. Böylece merkezdeki akı daha da düşer ve akım merkezden kenarlara doğru kayar. Frekansın artmasıyla akımın merkezden kenarlara doğru kayması daha da artar. Harmoniklerin frekansları yüksek olduğundan dolayı, deri etkisini artırıcı yönde etki yaparlar (Şahin, 2006). Tek damarlı iletkenlerde deri etkisi daha güçlüdür. Onun için iletkenler çok damarlı yapılarak deri etkisi mümkün olduğunca azaltılmaya çalışılmıştır. Şekil 3.6 bir iletkenden geçen akımın, frekansın etkisiyle iletkenin merkezinden kenarlara doğru nasıl dağıldığını göstermektedir. Burada DC akım kullanıldığında deri etkisinin görülmediği, fakat alternatif akım da frekans arttıkça deri etkisinin nasıl arttığı gösterilmekledir. Doğru akım için iletken etrafındaki kullanılabilir alan “DC Direnç” Düşük frekanslı alternatif akım için iletken etrafındaki kullanılabilir alan “AC Direnç” Yüksek frekanslı alternatif akım için iletken etrafındaki kullanılabilir alan “AC Direnç” ġekil 3.6. Frekansın iletkendeki akım dağılımına etkisi 19 Deri etkisi denklem (3.16) ve (3.17) ile hesaplanır. Ys= Xs4 /(192+0,8 Xs4 ) ( 3.16 ) Xs4= (8πf/ rdc)x10-7x ks ( 3.17) Ks: iletkenin tipine göre değişen deri etki sayısı. Çizelge 3.5‟ de gösterilmektedir. Alternatif akım taşıyan iletkenler, içinden geçen akımdan dolayı çevresinde manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan yanından giden diğer iletkenin akısını bozar. Bu nedenle iletkenin direnci artmış olur. Bu etkiye yaklaşım etkisi denir. Harmonikli akım taşıyan kabloların üreteceği manyetik alanın etkisi daha fazladır. Bu nedenle direnç artışı daha fazla olur. Bu durumda yaklaşım etkisi daha güçlenir. IEC`nin 1982 tarihli 60287 numaralı yayınına göre, iki iletkenli kablo veya tek iletkenli iki kablo durumu için, d iletken çapı (mm) ve s iki kablo veya iki iletken arasındaki merkezden merkeze mesafe (mm) olmak üzere aşağıdaki eşitlikteki gibi hesaplanmaktadır. İletkenler arası merkezden merkeze mesafe iletken çapının on katını aşarsa bu ilave kayıplar ihmal edilebilmektedir (Şahin, 2006). X dc 2 dc 2 1,18 Yp 0,312 4 X 192 0,8 X p4 s s p 0, 27 192 0,8 X p4 4 p X p2 8 f 7 10 k p rdc (3.18) (3.19) kp: iletkenin tipine göre değişen yaklaşım etkisi katsayısıdır ve Çizelge 3.5‟ de verilmektedir (Şahin, 2006). Çizelge1.5. ks ve kp değerleri İletken ks kp Yuvarlak telli 1 0,8 Yuvarlak kompakt 1 0,8 Yuvarlak parçalı 0,435 0,37 Dilimli 1 0,8 3.2.2.6. Rezonans etkisi Periyodik bir kuvvetin etkisi altındaki bir sistem, salınımlar sergiler ve eğer etki frekansı sistemin doğal frekansına eşit ise, bu salınımların genliği sınırsız artma 20 eğilimine girer. Sonuç olarak sistem, belli bir genlikten sonra bütünlüğünü veya bulunduğu durumu koruyamayarak ya dağılır ya da bozunur. Buna rezonans denir. Rezonans anında endüktif ve kapasitif dirençler birbirlerine eşittir. Rezonansın çeşidine göre, aşırı akım ve gerilimler ortaya çıkar. Sistem rezonansı, harmonik frekanslarından birine yakın bir değerde oluşursa, aşırı seviyede harmonik akım ve gerilimleri ortaya çıkacaktır. Herhangi bir sistemin rezonans frekansı denklem (3.20)‟ de gösterilmektedir. Burada L sistemde bulunan toplam endüktans, C ise sistemde bulunan toplam kapasitansı niteler. f 1 (3.20) 2 LC Seri rezonansta, rezonans frekansında X L ve XC dirençleri birbirlerine eşitlenir. Bu durumda toplam direnç omik dirence eşit olur. Şekil 1.7, seri rezonans anında toplam empedansı göstermektedir. Bu durumda, kapasitif ve endüktif dirençler birbirlerine eşitlendiği için sistemde sadece omik direnç kalır. Omik direnç toplam empedansa göre düşük olduğu için sistemde aşırı akımlar meydana gelmektedir. Paralel rezonansta ise rezonans frekansında toplam empedans artar. Toplam empedans arttığı için, küçük akımlarda dahi büyük gerilimler oluşabilir. Şekil 1.8 de paralel rezonans anında toplam empedans eğrisi gösterilmektedir. bu eğriden de görüldüğü gibi paralel rezonans frekansına doğru, toplam empedans artmaktadır. ZT(Ω) Kapasitif Bölge Endüktif Bölge ġekil 3.7. Seri rezonans durumunda direnç eğrisi 21 ZT(Ω) Endüktif Bölge Kapasitif Bölge ġekil 3.8. Paralel rezonans durumunda direnç eğrisi 3.2.3. Diversite etkisi Elektrik şebekesinde çeşitli yükler bulunmaktadır. Bu çeşitli yükler çeşitli oranlarda ve derecelerde harmonikler üretir. Bir cihazın akımındaki harmonik bozunumu çok yüksek olmasına rağmen, şebekedeki bozunum o kadar yüksek olmamaktadır. Örneğin bir sürücünün akımdaki bozunum oranı % 85 civarında ölçülmüşken, ana bara akımının bozunum oranı %10-20 civarındadır. Cihazda görünen oranın ana barada görünen orandan yüksek olması diversite etkisi olarak adlandırılır. Bunun sebebi farklı faz açıklarındaki harmoniklerin birbirlerini yok etmesidir (Bhattacharyya, ve ark., 2009). 3.2.4. Harmonik bozunum sınırları ve oluĢum durumları Elektrik tesislerinde harmonik bozunum sınırları aşağıdaki gibi belirlenebilir; THBV < % 2,5 ve THBI < %10 ise tesiste harmoniklerden dolayı bir enerji kirliliği yoktur denilebilir. THBV < % 2,5-3 ve THBI > %10 ise tesiste harmonikler giderilse iyi olur. Fakat giderilmesi zorunlu değildir. Yani çok ciddi sorunlara yol açmazlar. THBV > % 3 ve THBI > %10 ise tesiste rezonans riski yüksektir. Harmoniklerin bir an önce bastırılması gerekmektedir. Çeşitli açılardan zararlar meydana gelebilir. 22 Ayrıca tesiste harmonik üreten yüklerin toplam görünür gücü, güç transformatörünün görünür gücünün %25‟i kadarsa, harmoniklerden dolayı arızalar meydana gelir. Bu durumda tesis için harmonik filtre tasarlanmalıdır. Harmoniklerin oluşumunda, yükün etkili olmasının yanında, besleme gerilimi de etkilidir. Yani; - Sinüs beslemeli doğrusal olmayan devrelerde besleme gerilimi tarafında temiz sinüs dalgalı gerilim bulunurken, doğrusal olmayan devrede doğrusal olmayan elemanlar nedeniyle harmonikler oluşmaktadır. - Nonsinüzoidal beslemeli lineer devrede ise yük lineer olmasına karşın, besleme gerilimi nonsinüzoidal olduğundan, gerilimde harmonikler oluşacaktır. Gerilimde oluşan harmonikler akıma da yansıyacaktır. - Nonsinüsoidal beslemeli nonlineer devrede, hem akımda hem de gerilimde çeşitli derecelerde harmonikler vardır. Akım ve gerilimin harmonik yönünden temiz olmamasından dolayı, çeşitli dereceden harmonikler üretilmektedir (Arifoğlu,2002). IEEE (International Electrical Electronics Engineers) tarafından getirilen sınırlamalar hem akım hem de gerilim harmoniklerini kapsaması nedeniyle daha etkin ve sınırlayıcı olmaktadır. Ayrıca IEEE sınırlamasında yüklere tek tek değil, toplu olarak sınırlama getirilmektedir. IEEE-519 standardında, elektrik dağıtım şirketleri için şebeke bara gerilim bozulumu, müşteriler içinse doğrusal olmayan yükler tarafından üretilen harmonik akımları ile ilgili sınırlamalar getirilmiştir. Üretici firmanın sorumluluğunda olan gerilim harmonik bozulum değeri, IEEE tarafından, Çizelge 3.6‟ daki gibi sınırlandırılmıştır. Burada her bir harmonik için ve toplamda harmonik bozulumu için ayrı ayrı iki sınırlama verilmiştir. Çizelge 3.6. IEEE gerilim için harmonik bozunum sınırları Temel Harmonik Büyüklüğü THB Vn (%) (%) Vn < 69kV 3 5 69 < Vn < 161kV 1,5 2,5 Vn > 161kV 1 1,5 Bara Gerilimi (Vn) 23 Çizelge 3.7‟ de, IEEE‟nin akımdaki bozunum için belirlediği sınır değerler gösterilmektedir (Bilge, 2008). Çizelge 3.7. IEEE akım için harmonik bozunum sınırları Vn<69kV In/I1 n<11 11<n<17 17<n<23 23<n<35 n<35 THB <20 4 2 1,5 0,6 0,3 5 20-50 7 3,5 2,5 1 0,5 8 50-100 10 4,5 4 1,5 0,7 12 100-1000 12 5,5 5 2 1 15 >1000 15 7 6 2,5 1,4 20 69<Vn<161kV <20 2 1 0,75 0,3 0,15 2,5 20-50 3,5 1,75 1,25 0,5 0,25 4 50-100 5 2,25 2 0,75 0,35 6 100-1000 6 2,75 2,5 1 0,5 7,5 >1000 7,5 3,5 3 1,25 0,7 10 Vn>161kV <50 2 1 0,75 0,3 0,15 2,5 >50 3 1,5 1,15 0,5 0,22 4 3.2.6. Elektrik tesislerinde bulunan harmonik çeĢitleri Elektrik tesislerinde çeşitli derecelerde ve miktarlarda harmonikler meydana gelmektedir. Harmoniklerin çeşitli derecelerde ve miktarlarda meydana gelmesinin birçok nedeni bulunmaktadır. Bunları yükün cinsi, çalışma gerilimi, yüklenme akımları, güç transformatörlerinin bağlantı grupları ve benzeri nedenler etkilemektedir. Elektrik tesislerinde genellikle tek dereceli harmonikler görülmektedir. En yaygın harmonikler 3.,5. ve 7. dereceden harmoniklerdir. Forier serisine göre harmonik analizi yapıldığında, harmoniklerin derecesi arttıkça etkileri azalmaktadır. Tek fazlı yüklerin ağırlıkta olduğu tesislerde 3. harmonikler baskındır. Üç fazlı sistemlerde üretilen 3. harmonikler arasında 120 derece faz farkı bulunmaz. Bu yüzden yıldız bağlı güç transformatörlerinde yıldız noktasında 3. harmonik akımları sıfırlanmaz. Aralarında faz farkı bulunmayan 3.harmonik akımları sıfır noktasında sıfırlanmadığı için, bu noktada 3. harmonik akım değeri 3 katına çıkar. Eğer nötr noktası topraklı ise harmonik akımları toprağa akar, topraklı değilse bu akımlar nötr noktasında birikerek, fazlar arasında dengesizliğe yol açar. 24 Üçüncü harmonik akımlarının arasında 120 derece faz farkının bulunmadığı, denklem (3.21), (3.22) ve (3.23) den de görülmektedir. Ih3R= Ih3Rmax . cosωt ( 3.21 ) Ih3S= Ih3Smax . cos( 3ωt+3x2л/3) ( 3.22 ) Ih3T= Ih3Tmax . cos( 3ωt+3x4л/3) ( 3.23 ) Bağıntılarından da anlaşıldığı üzere 3 ve 3 ün katı harmonikler arasında faz farkı bulunmamaktadır. Üç fazlı yüklerin ağırlıkta olduğu tesislerde ise genellikle 5. ve 7. dereceden harmonikler baskındır. Bu harmonikler nötr noktasında sıfırlandıklarından dolayı, nötr iletkenine baskı yapmazlar. Yapılan ölçümlerde ve simülasyonlarda üç fazlı yüklerin ağırlıkta olduğu tesislerde 5. ve 7. dereceden olan harmoniklerin baskın olduğu tespit edilmiştir. Şebekelerde genellikle Üçgen/Yıldız bağlı trafolar kullanıldığından, enerji nakil hatlarında 5.ve 7. dereceden harmonikler baskındır. Çünkü 3. harmonik akımlarına üçgen sargılarda kapalı çevrim oluşturulur. Bu kapalı çevrim sayesinde, 3. harmonik akımları üçgen sargılarda dolaşır ve OG şebekesine geçemez. AG şebekelerinde ise değişik dereceden harmonikleri görmek mümkündür. Bunlar 3, 5, 7, 9 ve 11 gibi sıralanabilir. Bu harmoniklerin baskınlığı kullanılan yükün özelliğine göre ve tesisin rezonans frekansına göre değişmektedir. Bunlara ek olarak, güç transformatörleri mıknatıslanma akımından dolayı harmonik üretmektedir. Güç transformatörlerinde harmoniklerin en yüksek olduğu an, boşta çalışmalarının yüksek olduğu andır. Çünkü boşta çalışma esnasında çekilen akım azalır. Böylece mıknatıslanma akımının oranı artar. Ayrıca transformatörün geriliminin artmasıyla, nüvesi doyuma ulaşır. Nüvenin doyuma ulaşması harmonik oranlarını artırır. 3.2.7. Harmoniklerin matematiksel analizi Tüm periyodik fonksiyonlar Fourier Serisi olarak adlandırılan bir seriye açıldıklarında birinci terimi bir sabit, diğer terimleri ise bir değişkenin katlarının sinüs ve kosinüslerinden oluşan bir seri halinde yazılabilirler. Sinüzoidal olmayan bir gerilim, matematiksel olarak denklem (3.24)‟ de gösterilmiştir. v(t ) V0 V1 sin(t 1 ) V2 sin(2t 2 ) ... Vn sin(nt n ) Burada; (3.24) 25 v(t ) : Ani değer, V0 : v(t ) eğrisinin ortalama değeri, V1 : v(t ) eğrisinin ana harmonik bileşenin maksimum değeri, Vn : v(t ) eğrisinin n. harmonik bileşenin maksimum değeri, : Referansa göre açı farkı, olarak gösterilmiştir. Denklem (3.24) de gösterilen gerilimin ifadesi sinωt ve cosωt şeklinde açılırsa denklem (3.25) elde edilir. v(t ) V0 a1 sin t a2 sin 2t ... an sin nt b1 cos t b2 cos 2t ... bn cos nt (3.25) Denklem (3.25), v(ωt) fonksiyonunun Fourier açılımı olarak bilinir. Bu ifade de ortalama gerilim, denklem (3.26) ile ifade olur ( Arifoğlu, 2002). 2л 1 V0 2л v(t )dt (3.26) 0 2л 1 an v(t )sin(nt )dt (n=0,1,2,…) л0 (3.27) 2л 1 bn v(t ) cos(nt )dt (n=0,1,2,…) л0 (3.28) an sin nt bn cos nt Vn sin(nt n ) (3.29) Vn (an2 bn2 )1/2 (3.30) n arctan bn an (3.31) Katsayılar yukarıdaki denklemler kullanılarak bulunur. v(ωt) fonksiyonun alacağı özel durumlara göre denklem (3.26), (3.27), (3.28) hesaplanabilir. Bu durumlar; 1- Verilen v(ωt) fonksiyonu v(-ωt) = - v(ωt) eşitliğini sağlıyorsa bn=0, 2- Verilen v(ωt) fonksiyonu v(-ωt) = v(ωt) eşitliğini sağlıyorsa an=0, 3- Verilen v(ωt) fonksiyonu v(ωt+л) = - v(ωt) eşitliğini sağlıyorsa a2n= b2n=0 (çift dereceden harmonikler yok olur.) Şekil 1.9‟ da verilen eğri Fourier harmonik analizi ile incelenmiştir. Burada eğri ωt eksenine göre simetrik olduğundan v(-ωt) = v(ωt) eşitliğini sağladığı için a n=0 olur. V0 =0 olur. v( ωt) fonksiyonu, 26 ġekil 3.9. v(ωt) fonksiyonu 1 1 v(t ) cos(nt )dt л 0 л 2л bn л /2 1cos(nt )dt л л /2 л /2 л л /2 л /2 л /2 1cos(nt )dt 1cos(nt )dt 1cos(nt )dt л /2 4 4 nл 1cos(nt )dt sin л 0 2 лn olacaktır. Bu ifadeye göre; 4 4 4 4 b1 , b2 0, b3 , b4 0, b5 , b6 0, b7 ... л 3л 5л 7л elde edilir. an ve bn değerleri denklem (3.25) de yerine konulursa; v(t ) 4 1 1 1 1 cos( t ) cos(3 t ) cos(5 t ) cos(7 t ) cos(9t )... л 3 5 7 9 elde edilir. Burada v(ωt+л) = - v(ωt) eşitliğini sağladığı için a2n= b2n=0 olacağından, bn katsayısının analizinde çift dereceden harmoniklerin ortadan kalktığı görülmüştür. v(ωt) eğrisi sonsuz sayıda sinüzoidal eğrinin toplamı şeklinde yazılabilir. Şekil 3.10‟ da v1(ωt) eğrisi sonsuz sayıda değil de 1,3 ve 5. dereceden harmoniklerin toplamından oluşmaktadır. Şekil 3.10‟ da v1(ωt) eğrisi sonsuz sayıda olmadığı görülmektedir. Şekil 3.11‟ de ise v2(ωt) eğrisi gösterilmektedir. Bu eğri ise 7, 9 ve 11. dereceden harmoniklerin ilave edilmesiyle oluşmuştur. v2(ωt) eğrisi, v1(ωt) eğrisi ile kıyaslandığında, v(ωt) eğrisine daha çok benzediği görülmektedir. Toplam akım ve gerilimin genlik değerleri denklem (3.32) ve (3.33)‟ de verilmiştir. Toplam Harmonik Bozunum (THB) harmoniklerin incelenmesinde ölçüt olarak alınır. Akım için toplam harmonik bozunum denklem (3.35)‟ de, gerilim için toplam harmonik bozunum ise denklem (3.34)‟ de gösterilmektedir (Arifoğlu, 2002). 27 ġekil 3.10. v1(ωt) eğrisinin ve harmoniklerin gösterimi ġekil 3.11. v2(ωt) eğrisi ve harmoniklerin gösterimi n I rms I12 I 32 I 52 ... I n2 I12 I k2 (3.32) k 2 n Vrms V12 V32 V52 ... Vn2 V12 Vk2 (3.33) k 2 12 n U2 THDV n2 n 2 U1 (3.34) 12 n I2 THDI n2 n 2 I1 (3.35) 28 3.2.8. Güç transformatörlerinin bağlantı gruplarına göre harmonik analizi Elektrik dağıtımında OG‟yi AG‟ye dönüştürmek için, üç fazlı güç transformatörleri kullanılmaktadır. Üç fazlı güç transformatörleri kullanım amaçlarına göre değişik biçimde bağlantı gruplarına sahiptir. Bu bağlantı grupları Şekil 3.12‟ de gösterilmektedir. Üç fazlı güç transformatörlerinde harmoniklerin etkisi, bağlantı gruplarına göre ve çekirdek tipine göre değişim göstermektedir. Güç transformatörünün mıknatıslanma akımı ve kullanıcıların yük çeşidi harmoniklerin oranlarını ve derecelerini belirlemektedir. Şekil 3.12‟de üç fazlı güç transformatörlerinin bağlantı grupları gösterilmektedir. Üç fazlı güç transformatörlerinde mıknatıslanma akımının şekli, transformatörün bağlantı gurubuna ve transformatörün nüvesinin yapıldığı manyetik malzemeye bağlıdır. Mıknatıslanma akımına nüvenin etkisi Şekil 3.2‟den anlaşılmaktadır. Nüvenin manyetik özelliği ne kadar iyi ise histerezis eğrisi o derece incelir ve doğrusal şekle yaklaşır. Bu durumda mıknatıslanma akımı harmonikleri azalır. Mıknatıslanma akımının dalga şeklide sinüse yaklaşır. Bağlantı gurubunun etkisini daha iyi anlamak için, bağlantı gruplarına göre mıknatıslanma akımının değişimini ayrı ayrı incelemek gerekir. 29 Tasarım Vektör Diyagramı Devre konfigürasyonu Sekonder yıldız noktası Yok %10 yük kapasitesi Tam yük kapasitesi Tam yük kapasitesi Yok Tam yük kapasitesi Yok %10 yük kapasitesi Tam yük kapasitesi Tam yük kapasitesi Yok Tam yük kapasitesi ġekil 3.12. Güç transformatörlerinin bağlantı grupları 1.2.7.1. Primer sargısının Yy0 bağlantı gurubunda harmonik analizi Bu bağlantı gurubunda primer ve sekonder sargılar yıldız/yıldız olarak bağlanmıştır. Primer ve sekonder sargılarında nötr hattı bulunup bulunmayışına göre mıknatıslanma akımının durumu incelenmiştir (Boduroğlu, 1988). 30 a) Primer yıldız sargısında nötr hattının mevcut olduğu ve sekonder yıldız sargısında nötrün yalıtıldığı durumda mıknatıslanma akımının durumu Bu tip güç transformatörleri çok yaygın kullanılmaz. Kullanılsa bile küçük güçlü yüklerin çalıştırılması için kullanılır. Bu tip transformatörlerin mıknatıslanma akımının incelenmesinde, iki durumu birbirinden ayırt etmek gerekir. Güç transformatörlerinin manyetik devreleri birbirinden bağımsız olacağı gibi birbirlerine bağımlıda olabilirler. Manyetik devresi bağımsız olan güç transformatörleri, Mantel tipi ve 3 adet tek fazlı transformatörden oluşan güç transformatörleridir. Bu güç transformatörlerinde tek fazlı transformatörlerde görünen tek dereceli harmoniklerin hepsi görünür. Faz akımlarının (n) inci mertebeden harmonikleri arasındaki faz farkı denklem (3.35)‟ e eşittir (Boduroğlu, 1988). n n. n.120 n. 1 2 3 (3.35) Denklem 3.19‟dan da görüleceği gibi üç ve üçün katı olan harmonikler aynı fazdadırlar. Bu harmonikler nötr noktasındaki toplamları sıfıra eşit değildir. Üçün katından farklı olan harmonikler ise nötr noktasında sıfıra eşittir. Çünkü bunların arasındaki faz farkı 120 derecedir. Manyetik devresi birbirlerine bağımlı olan güç transformatörleri ise, çekirdek tipi güç transformatörleridir. Bunların orta fazının akı yolu daha kısa olduğundan dolayı akımları simetrik değildir. Yani orta fazın akımı daha düşüktür. Bu durum mıknatıslanma akımına etkir. Orta fazın mıknatıslanma akımı, diğer iki fazın mıknatıslanma akımına göre daha düşüktür. Mıknatıslanma akımlarının Iµ1, Iµ2, Iµ3, olarak nitelenirse, Iµ2 akımının dengeleyicisi olarak Iµ0 akımı gelecektir. Bu durumda sıfır hattından geçen akım Iµ0 akımıdır. Bunlar şekil 3.13‟ de gösterilmektedir. Iµ0 Iµ2 Iµ3 Iµ0 Iµ1 Iµ2 Iµ1 Iµ3 ġekil 3.13 Çekirdek tip güç transformatörüne ait mıknatıslanma akımları. Burada mıknatıslanma akımları için Iµ1+ Iµ2+ Iµ3+ Iµ0=0 yazılabilir. 31 b) Primer yıldız sargısında nötr hattının mevcut olmadığı durum Üç fazlı güç transformatörlerinde, üç ve üçün katı harmoniklerin arasında faz farkı bulunmadığından nötr noktasında sıfırlanmazlar. Üç fazlı güç transformatörlerinde, üç ve üçün katı harmoniklerin arasında faz farkı bulunmadığından nötr noktasında sıfırlanmazlar. Nötr noktası topraklı ise bu akımlar burada toplanırlar ve toprağa akarlar. Eğer güç transformatörünün nötr noktası topraklanmamışsa, bu durumda üç ve üçün katı harmonikler sıfır noktasında yığılırlar ve sargılardan geçemezler. Diğer tek dereceden harmonikler ise nötr noktasında sıfırlandığı için sargılardan geçecektir. Bu durumda Şekil 3.14‟de gösterilen mıknatıslanma akımı eğrisinden 3 ve üçün katı harmonikler çıkarılır. Bu durumda i2 akımı elde edilir. i2 akımı denklem (3.36) ile gösterilmektedir. Bu durum şekil 3.14 ile ifade edilir (Boduroğlu, 1988). i2 = i - i3 (3.36) Φ i Φ Φ=f (i) Φ1 Φ2 i i-i3 i i t i3 ġekil 3.14. Yıldız bağlı transformatörün nötrünün topraksız durumunda mıknatıslanma akımının ve manyetik akının şekli Şekil 3.14 ‟e bakıldığında, i2 mıknatıslanma akımı, i akımına göre daha yatıktır. Buradan terse doğru giderek Φ2 manyetik akı eğrisi elde edildiğinde, Φ1 manyetik akı çizgisine göre daha yatık olduğu görülmektedir. Bunun nedeni üçüncü harmoniğin manyetik alana geçmesidir. Bu durumda her üç bacakta alanın üçüncü harmoniği bulunacaktır. Serbest kuvvet çizgi yolları bulunan transformatörlerde ( örn. Mantel Tip) aynı fazda bulunan bu manyetik akılar devrelerini bu yollardan tamamlarlar. Manyetik devreleri bağımsız olmayan güç transformatörlerinde (örn. Çekirdek tip) alanda bulunan üç ve üçün katı harmonikler devrelerini çekirdek içinde tamamlayamazlar. Bu durumda harmonikler hava veya yağ içinde kendilerine yol seçerler. Eğer imkân olursa 32 transformatör kabına atlarlar. Bu şekilde mıknatıslanmaya cebri mıknatıslanma denilir. Bu yüksek frekanslı harmonikler gövdenin ısınmasına neden olur. Ayrıca aynı fazda bulunan bu manyetik akılar sargılarda aynı fazda gerilim indüklerler. Üç ve üçün katında bulunan gerilimler hatlarda rezonans sonucunda yüksek gerilimlerin meydana gelmesine neden olur. Simetrik olmayan çekirdek tipi transformatörlerde, orta fazın mıknatıslanma akımını dengeleyen mıknatıslanma akımı olan Iµ0, nötr noktası topraklamadığında, diğer sargılara dağılır ve her bir sargıda 1/3 oranında bulunur. Her bir sargıya dağılan bu akım buralarda manyetik akılar meydana getirir. Bu tip güç transformatörlerinde devresini çekirdekten tamamlayamaz. Bu durumda devresini transformatör kabından tamamlar. Aynı fazda olan bu akılar aynı fazda gerilim indükleyerek nötr noktasının kaymasına neden olurlar (Boduroğlu, 1988). 3.2.7.2. Primer sargısının üçgen bağlantı gurubunda harmonik analizi Primer sargısı üçgen olan güç transformatörlerinde üç ve üçün katı harmonikler oluşur. Aynı fazda olan bu harmonik akımları üçgen olarak bağlanan sargıların içinde akabilirler. Üç ve üçün katı olan bu harmonikler, yalnızca kapalı çevrim oluşturan bu üçgen sargıda akacaklarından dolayı şebekeye geçemezler. Üçgen bağlantıda, bacaklardaki simetrisizlikten kaynaklanan mıknatıslanma akımlarının eşitsizliğinin bir sakıncası kalmaz. Çünkü mıknatıslanma akımları eşit olmasa da şebekeden çekilen akımlar eşittir. Zig zag bağlı güç transformatörleri, sadece sekonder kısmında kullanıldığından mıknatıslanma akımlarının incelenmesi bu kısımda teoride kalacaktır. Şayet bu primer tarafı zig zag bağlanıp nötr hattı topraklanırsa, nötr hattından yüksek değerde üçüncü harmonik akımları akar (Boduroğlu, 1988). Değişik bağlantı grupları, çeşitli durumlar gözetilerek değerlendirilmiştir. Bu durumlar Sağlam‟a (2005) ait yüksek lisans tezinde incelenmiştir. Bağlantı grubu olarak Dyn1, Dyn11 ve Yyn bağlantı grupları için simülasyonlar yapılmıştır. Aynı harmonikli yük komposizyonunda yapılan simülasyonlar sonucunda, harmonikli akımlardan dolayı Dyn11 bağlantılı dağıtım transformatörünün primer ve sekonder tarafında oluşan gerilim düşümleri, Dyn1 ve Yyn bağlantı gruplu transformatörlere göre daha fazla olmuştur. Dyn1 bağlantı grubunun sekonder tarafındaki gerilim 387 V iken, Dyn11 için bu 371 V ve Yyn için 380 V olmuştur. Bu 33 sonuçlardan görüldüğü üzere harmonikli akımların en fazla gerilim düşümüne neden olduğu grup Dyn11 bağlantı grubudur. Dyn11 bu bağlantı grupları içerisinde harmonikli yük akısından gerilim düşümü olarak en fazla etkilenen grup olmuştur. Burada Dyn bağlantı gruplarında faz farkı arttıkça oluşan gerilim düşümünün arttığını söylemek mümkün olmaktadır. Bu bağlantı gruplarını sekonder akımlar açısından değerlendirmek gerekirse ki bu akıma yüklenme akımı demek doğru olur, en az yüklenen bağlantı grubu olarak Yyn görülmektedir. Yüklenme akımlarına bakıldığında Dyn1 için 1855 A, Dyn11 için 2024 A ve Yyn için 1839 A olmaktadır. Buradan görüldüğü üzere Dyn11 bağlantı grubu sistemdeki harmonikli akımdan dolayı en fazla yüklenen transformatör grubu olmaktadır. Böylece fazla yüklenmeden dolayı arızaya ve transformatör ömrünün kısalmasına en yakın bağlantı grubu olarak Dyn11 bağlantı grubu görülmektedir. Ayrıca bu durum primer tarafındaki akımlar için de geçerlidir. Burada Dyn bağlantı gruplarında faz farkı arttıkça oluşan kayıpların arttığını söylemek mümkündür. Transformatörlere asenkron motorlar bağlanmış ve asenkron motorun kaynaktan çektiği akımlar Dyn1 bağlantı grubunda 80 A, Dyn11 bağlantı grubunda 76.69 A ve Yyn bağlantı grubunda 78.37 A olmaktadır. Burada Dyn11 bağlantı grubunda motor yüklerinin harmonikli akıştan en fazla etkilendiklerini ve çalışma akımlarının azaldığını söylemek mümkündür. Transformatör empedansının endüktans bileşeni % 20 arttırılarak Dyn1, Dyn11 ve Yyn bağlantı grupları için simülasyonlar yapılmış ve referans simülasyon ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlara göre yüklenme durumunun en fazla ve gerilim düşümünün de en çok Dyn11 bağlantı grubunda olduğu görülmüştür. Fakat transformatör empedansının arttırılması durumunda yüklenme akımı olarak esas alınan sekonder akım değeri % 1.17 azalarak, örneğin Dyn11 için 2024 A‟den 2001 A‟e gerilemiştir. Sekonder akım distorsiyonu her üç bağlantı grubu için % 28 azalma ile iyileşmeye gitmektedir. Bu durum bağlantı gruplarının primer tarafları için de geçerli bir durumdur. Sonuç olarak transformatör empedansının arttırılmasıyla harmonikli yük akısının sistem üzerindeki etkisi azalmaktadır. Motor yükleri, mevcut yük kompozisyonuna göre % 213 arttırılarak Dyn1, Dyn11 ve Yyn bağlantı grupları için simülasyonlar yapılmış ve referans simülasyon ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlara göre Dyn1, Dyn11 ve Yyn gruplarında primer ve sekonder gerilimleri, referans simülasyondaki primer ve sekonder gerilimlere oranla azalmış ve referans simülasyona göre gerilim düşümü artmıştır. Harmonik akımların, motor 34 yükünün arttırılması durumunda Dyn11 bağlantı grubunu diğer gruplara göre daha fazla yüklediğini söylemek mümkündür. Bu durum için toplam Harmonik akım ve gerilim bozunumları dikkate alındığında her bağlantı Pasif yük, mevcut yük kompozisyonuna göre % 50 arttırılarak Dyn1, Dyn11 ve Yyn bağlantı grupları için simülasyonlar yapılmış ve referans simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlara göre pasif yükün % 50 arttırılmasıyla, Dyn1, Dyn11 ve Yyn bağlantı gruplarında primer ve sekonder gerilimler referans simülasyona göre azalmış, gerilim düşümü artmıştır. Gerilim düşümünün artmasının nedeni sistemdeki yük büyüklüğünün artmış olmasıdır. Yüklenme akımı da artan bu lineer yüke göre düzgün bir artış sağlanmıştır. Pasif yükün bu oranda arttırılması sistemin lineerliğini arttırmış olduğundan toplam harmonik akım ve gerilim bozunumlarında büyük azalmalar oluşmuştur. Örneğin referans simülasyona göre pasif yükün arttırılması durumunda Dyn11 bağlantı grubunda toplam harmonik akım bozunumunda % 64 bir azalma olmuştur. Sistemdeki mevcut 3 fazlı pasif yük 1000 kW değerden 100 kW değere düşürüldükten sonra, A, B, C fazlarına sırasıyla 100 kW, 300 kW ve 500 kW değerlerinde tek fazlı pasif yükler eklenerek dengesiz bir sistem elde edilmiştir. Sonuçlara göre dengesiz yüklenme şartlarının oluşturulmasıyla, Dyn1, Dyn11 ve Yyn bağlantı gruplarında primer gerilimler gelişi güzel değişim gösterirken ve sekonder gerilimler için dengesiz olarak daha az yüklenen A fazında artış oluşmuştur. Sekonder akımlara bakıldığında üç bağlantı grubu için de dengesizliğin en fazla olduğu C fazında yüklenme oldukça artmaktadır. Örneğin bu artış Dyn11 bağlantı grubu için referans simülasyon değerine göre en fazla dengesiz yüklenen C fazı için % 67 oranında oluşmuştur. Bu durum değişikliği toplam harmonik akım ve gerilim bozunumları açısından incelendiğinde, akım bozunumunda dengesiz yüklenmenin en az olduğu A fazında büyük değişimler oluşmuştur. Sekonder akım bozunumu A fazında % 36.19 iken C fazında % 2.88 olmaktadır. Dyn1, Dyn11 ve Yyn bağlantı grupları akım bozunumu, gerilim bozunumu, yüklenme durumu ve gerilim düşümü değerlerine göre incelenerek en kötü durumların neler olduğu belirlenmiştir. Bu durumlar motor yükünün arttırılması ve dengesiz yüklenme olarak ortaya çıkmıştır. Bu durumların tespit edilmesinin ardından 3 fazlı pasif yük 1000 kW değerden 100 kW değere düşürüldükten sonra, A, B, C fazlarına sırasıyla 200 kW, 300 kW ve 400 kW değerlerinde tek fazlı pasif yükler eklenmiş ve 35 sistemdeki motor yük değerleri de % 213 arttırılarak bu şartlar oluşturulmuştur. Sadece dengesizlik durumuna veya sadece motor yüklerinin arttırılması durumuna bakıldığında, her ikisinin birden bulunması dengesizlikle ilişkili olarak yüklenmeyi arttırmıştır. Bu durumu bozunum açısından değerlendirmek gerekirse dengesizliğe motor yükünün artmasının eklenmiş olmasıyla yine dengesiz bir biçimde bozunumların arttığı görülmektedir. En az yüklenen A fazında akım ve gerilim bozunumları en yüksek olmaktadır (Sağlam, 2005). Güç transformatörleri boşta çalışırken aktif akım çekme yüzdeleri çok düşer ve mıknatıslanma akımı oranı en üst seviyelere ulaşır. Ayrıca transformatör boşta çalıştığında, nüve doyuma ulaşır ve gerilimi yükselir. Bu nedenle transformatörler boşta çalışırken titreşimleri fazla olur. Boşta çalışma durumunda, mıknatıslanma akımının artması, manyetik çekirdeğin doyuma gitmesi ve çekilen akımın çok küçük olmasından dolayı harmoniklerin oranları %90 seviyelerine kadar yükselmektedir. 1600kVA gücündeki transformatörün OG barasından güç analizörü ile ölçümler yapılmıştır. Bu ölçüm sonuçları, Çizelge 3.8‟ de gösterilmektedir. Çizelge 3.8 Güç Transformatörünün boşta çalışması durumunda harmonik oranları Harmonik Oranları Akım Harmonikleri Gerilim Harmonikleri L1 L2 L3 L1 L2 L3 I3 45% 43% 45% V3 0.5% 0.4% 0.5% I5 62% 60% 61% V5 0.8% 0.6% 0.8% I7 37% 37% 36% V7 1.1% 1.1% 1.1% THDI 255% 255% 255% THDV 4.3% 4.3% 4.2% 3.2.8. Harmoniklere karĢı alınan önlemler Harmoniklerin üretilmesini engellemek veya etkilerini en aza indirmek için elektrikli cihazların içyapılarında düzenlemeler yapılabilir. Bu düzenlemelerin yetmediği durumlarda harmonik filtreler kullanılır. 36 3.2.8.1. Alternatörlerde harmoniklere karĢı alınan bazı önlemler Senkron alternatörlerde harmonikleri yok etmek veya etkilerini en aza indirmek için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Bunlar sargı kirişleme faktörü, sargı yayılma faktörü ve olukların sarılma oranlarıdır. 3.2.8.1.1. Sargı kiriĢleme faktörü ile belirli harmoniklerin yok edilmesi Çap bobinlerde iki bobin yanı arasında 180° faz farkı bulunmaktadır. Kirişlenmiş iki bobin yanı arasındaki faz farkının 180° farklı olduğu kabul edilsin. Bu durumda bobin yanı gerilimlerinin geometrik toplamları, cebirsel toplamlarından küçük olacaktır. Şekil 3.15‟ de bu tür kirişlenmiş bir bobin incelenmiştir (Boduroğlu, 1988). ġekil 3.15. Kirişlenmiş bobin (Boduroğlu, 1988). Şekil 3.15‟ de iletkenlerin gerilimlerinin toplamından oluşan E 1 ve E2 gerilimleri arasında, bobin yanları arasında kutup adımı τp den farklı uzaklık bulunduğundan, β gibi bir faz farkı vardır. y= τp olsa idi, bu takdirde β sıfıra eşit olacaktı. Yani faz farkı oluşmayacaktı. y≠ τp olması durumunda bobin yanı gerilimlerin geometrik toplamı, cebirsel toplamından küçük olur. Gerilimin geometrik ve cebirsel toplamları sargı kirişleme faktörünü verir. Sargı kirişleme faktörü denklem (3.37)‟ de gösterilmektedir. s E E1 E2 Kirişleme faktörü her bir harmonik için yazılabilir. Denklem (3.38)‟ de (3.37) 37 n. harmonik için kirişleme faktörü gösterilmektedir. sn En (3.38) E1n E2 n Çap bobinde iki bobin arasındaki faz farkı л „ ye eşittir. n. harmonikte faz farkı ise n.л ‟ye eşittir. Kirişlenmiş bir bobinde faz farkı ise denklem (3.39)‟ da gösterilmektedir. n n. y . p (3.39) Kirişlenmiş bir bobinde gerilimlere ait fazörlerdeki faz farkını oluşturan β değeri 1.harmonik için denklem (3.40)‟ da ve n.harmonik için bu değer denklem (3.41)‟ de gösterilmektedir. 1 y p . n n. n. (3.40) y p . (3.41) Kirişleme faktörünü s ile gösterilirse bu durumda β değeri 1.harmonik için denklem (3.42) ve n.harmonik için denklem (1.43)‟ deki gibi olur. 1 s p n n. . s p (3.42) . (3.43) Buradaki gerilim ifadeleri 1.harmonik için denklem (3.44) de gösterilmektedir. n. harmonik için bu değer denklem (3.45)‟ de gösterilmektedir. E 2 E1.cos 1 (3.44) 2 En 2 E1.cos n. 1 2 (3.45) Bu ifadeler denklem (1.38)‟ de yerine konursa n. harmonik için kirişleme faktörü bulunur. n. harmonik için kirişleme faktörü denklem (3.46)‟ da gösterilmektedir. sn cos n.1 2 (3.46) Sargı kirişleme faktörü ile bazı harmonikler yok edilebilir. Denklem (3.41) ve denklem (3.46)‟ daki ifadeler yerlerine konulursa denklem (3.47) elde edilir. Bu 38 denklemin çözülmesiyle sargı kirişleme faktörü bulunur. Bu ifade denklem (3.48) de gösterilmektedir. sn cos( n. n. y . ) 2 2 p (3.47) sn sin n. y . 2 p (3.48) Eğer 5.harmonik yok edilmek istenirse sargıları 1/5 oranında kirişlemek gerekir. Yani 4 y p olmalıdır. Bu ifade denklem (3.48)‟ de yerine yazılırsa; 5 s 5 sin 5. 4 p . sin 2 0 2 5p elde edilir (Boduroğlu, 1988). s 5 0 olması 5.harmoniğin yok edilmesi demektir. 3.2.8.1.2. Sargı yayılma faktörü ile belli harmoniklerin yok edilmesi Senkron alternatörlerde, sargı yayılma faktörü kullanılarak üç ve üçün katı harmonikler yok edilebilir. Bir tabakalı bir fazlı sargıda bir kutupta var olan Q oluktan yalnız q miktarı sarılmış olacağından bu gibi sargı için sargı yayılma faktörü denklem (3.49)‟ da gösterilmektedir (Boduroğlu, 1988). n sin n.q. 1 q.sin n. 1 2 (3.49) 2 Bir fazlı bir sargıda ya da turbo alternatörde, kutup taksimatının 2/3‟ü sarılırsa üç ve üçün katı harmonikler yok olur. q.γ1 = 2 ye eşittir. Bu değerler denklem (3.49)‟ 3 da yerine yazılırsa; n sin n. 3 q.sin n. 1 olarak bulunur. Burada üç ve üçün katı harmonikler için n 0 olur. 2 Bu şekilde üç ve üçün katı harmonikler yok edilebilir (Boduroğlu, 1988). Bunlardan başka, özellikle motorlarda stator sargılarına ait oluklar eğri yapılarak yüksek harmoniklerin meydana gelmesi engellenir. Ayrıca olukların ağızları kapatılarak yine yüksek harmoniklerin oluşumu engellenir. 39 Eğer alternatör 4 iletkenli bir şebekeye bağlı ise nötr hattı, zig zag bağlı bir bobinle oluşturulan sanal yıldız noktasına bağlanır. Statör sargı adımlarının uygun seçilmesiyle ve kirişleme yolu ile alan eğrisindeki 3, 5 ve 7. harmonikler elenir. 3.2.8.2.Statik dönüĢtürücülerde belli harmoniklerin yok edilmesi Dönüştürücülerde harmonik derecesi n=kxp±1 idi. Burada darbe sayısı artırılırsa küçük dereceli harmonikler yok edilir. Harmonik akımları; I5=I1/5 I7=I1/7 şeklindedir. Darbe sayısı artırılıp küçük dereceli harmoniklerin giderilmesi ile akımları da düşecektir (Bilge, 2008). 3.2.8.3. Güç Transformatörlerinde belli harmoniklerin yok edilmesi Güç transformatörlerinde mıknatıslanma akımındaki yüksek harmoniklerin etkilerini artırmamak için manyetik endüksiyon 1,3 T (13000 G) altında tutulur. Manyetik endüksiyonun düşük tutulması transformatör nüvesinden daha az yararlanmaya neden olur. Manyetik endüksiyonun artması sonucu üçüncü ve yedinci harmoniklerde artış görülür. Transformatör çekirdeğinden tam olarak yararlanabilmek için endüksiyonun 1,6T seviyelerinde olması gerekir. Tersiyer sargılar üçgen bağlanarak 3. harmoniğin etkisi giderilir. Bu durumda tersiyer sargı 3. harmonik akımlarına kısa devre yolu oluşturur. Güç transformatörlerinde bağlantı gurubuna göre harmonik kompanzasyonu yapılabilir. Güç transformatörünün primer sargısı üçgen bağlanırsa 3.harmonik akımları her fazın sargısından dolaşabilir. Böylece bir kapalı çevrim oluşur. Üçgen sargı içerisinde dolaşan 3.harmonik OG şebekesine geçemez. 3. ve 7. harmoniğin etkisi, soğuk haddelenmiş ve kristalleri yönlendirilmiş saclar kullanılarak azaltılabilir. Bu durumda güç transformatörünün nüvesinin histerezis eğrisi düzeltilmiş olur. Bunun sonucunda mıknatıslanma akımı sinüs biçimine yaklaşır. Böylece harmoniklerin bir kısmı kompanze edilmiş olur. Güç transformatörünün boyundurukları manyetik olarak üçgen bağlanarak 5. ve 7. harmonikler yok edilebilir. Şekil 3.16‟ da boyundurukları üçgen bağlı bir güç transformatörü gösterilmektedir. Şekilden de görüldüğü üzere bacak akısı olan Φb , boyunduruk akısı olan Φj ve Φj‟‟ ne bölünmektedir. Boyunduruk akıları bacak akılarına nazaran ileride veya geride olmak üzere 30° faz açılarına sahiptirler. Bu akıların 40 uyarılması için 5. ve 7. harmoniklere ihtiyaç vardır. Beşinci harmonikte 150° ve 7. harmonikte ise 210° faz farkı bulunmaktadır (Boduroğlu, 1988). Φj’ Φj 3 2 Φb 1 ġekil 3.16. Boyundurukları üçgen bağlanmış çekirdek tip güç transformatörü (Boduroğlu, 1988). Simetrik halde iki boyunduruk, manyetik olarak bağlı bulundukları bacağın 5. ve 7. harmoniklerine, ters yönde harmoniklerle uyarılırlar. Relüktansların uygun bir şekilde seçilmesiyle, karşılıklı ters etkiden dolayı, yüksek endüksiyonlarda bile 5. ve 7. harmonik kompanze edilir. Bir bacağa yerleştirilen sargı çekirdeği mıknatıslamak, bacak ve boyunduruklar için gerekli manyeto motor kuvvetini sağlamaktadır. Yani bu sargı, bacak ve boyunduruklar için gerekli toplam mıknatıslanma akımını sağlamalıdır. Bu durumda akımın ifadesi denklem (3.50)‟ de gösterilmektedir (Boduroğlu, 1988). ia ib i1 i2 (3.50) Bir bacak için, akımın ifadesi denklem (3.51)‟ de gösterilmiştir. ib ib1 2 sin t ib5 2 sin 5t ib 7 2 sin 7t ... (3.51) Bir boyunduruk için akımın ifadesi denklem (3.52)‟ de gösterilmiştir. i j ' i j1 2 sin(t 30) i j 5 2 sin(t 150) i j 7 2 sin(t 210) ... (3.52) Diğer boyunduruk için akımın ifadesi denklem (3.53)‟ de gösterilmiştir. i j '' i j1 2 sin(t 30) i j 5 2 sin(t 150) i j 7 2 sin(t 210) ... (3.53) Bu akımların toplamı denklem (3.54)‟ de gösterilmektedir. i 2(ib1 3i j1 )sin t 2(ib5 3i j 5 )sin 5t 2(ib7 3i j 7 )sin 7t ... (3.54) Bacak ve boyundurukların manyetik geçirgenlikleri uygun seçilirse, ib5 3i j 5 ve ib 7 3i j 7 sağlanarak mıknatıslanma akımındaki 5.ve 7.harmonikler yok edilir. 41 Bu anlatılanların dışında şebeke ve tesislerin korunmasına yönelik aktif ve pasif filtreler tasarlanmalıdır. Sanayi uygulamalarında pasif filtreler yaygın kullanıldığı için, bu tezde pasif filtre tasarımı üzerinde durulmuştur. 3.2.9. Pasif filtreler Pasif filtreler, yüke paralel olarak veya seri olarak bağlanır. Rezonans ilkesine göre çalışan bu filtreler temel frekans haricindeki frekansları sönümler. Filtreler Genellikle kondansatör ve reaktör gruplarından oluşur. Bazı durumlarda omik dirençler de seri olarak bağlanır. Pasif filtreler ile ilgili Gezgin (2006) yüksek lisans tezinde hesaplamalar yaparak filtrelerin işlevleri üzerinde çalışmalar yapmıştır. Pasif filtrelerde amaç, yok edilmek istenen harmonik bileşen frekansında rezonansa gelecek reaktör ve kondansatörü belirlemektir. Reaktör ve kondansatör seri rezonans veya paralel rezonans oluşturarak harmonik akımlara, yüksek direnç veya alçak direnç göstererek sönümlenmelerini sağlar. Pasif filtreler harmonikleri filtreleme gibi faydaları bulunmasına karşın, kullanım esnasında sakıncalı durumları da vardır. Bu durumlar; - Kaynak empedansı filtre karakteristiğini etkilemesi, - Özel frekanslarda meydana gelen kaynak ve pasif filtre arasındaki paralel rezonans, kaynak üzerindeki harmonik akımlarının artmasına neden olması, - Pasif filtreler güç frekansında tepkin güç ürettiklerinden, üretilen tepkin gücün baralardaki güç katsayısını istenen değerlerin üzerine çıkartması olarak sıralanabilir. 3.2.9.1. Seri pasif filtreler Seri pasif filtreler Harmonik kaynağı ile şebeke arasına seri olarak bağlanır. Şekil 1.17‟ de seri pasif filtrenin bağlantısı görülmektedir. Ayarlandığı frekansta yüksek empedans göstererek harmoniği bastırmaya çalışır. En önemli devre elemanı endüktanstır. Seri filtreler aynı zamanda yük akımı da taşımak zorundadırlar. Bu yüzden enerji nakil hatlarında gerilim düşümlerine ve bozunumlara sebebiyet verirler. Genellikle tek fazlı yüklerin süzülmesinde kullanılırlar. Seri filtrelerin en önemli sakıncalarından biri, devreye seri bağlandıklarından tam yük akımını da taşıma ve hat geriliminden yalıtılmalıdır. Bunun yanında seri filtrelerin şebeke ile rezonans sorunu yoktur (Gezegin,2006). 42 L Doğrusal Olmayan Yük C SES ġekil 3.17. Seri pasif filtrenin şebeke bağlantısı 3.2.9.2.Paralel pasif filtreler Paralel pasif filtrelerde kendi içlerinde bulunan reaktör ve kondansatörün, harmonik frekansında, seri rezonansa gelmesiyle düşük empedanslı bir yol oluşturulur. İstenmeyen harmonik akımları bu düşük empedanslı paralel yol yardımıyla toprağa akıtılarak sistem içinde dolaşımı engellenir. Maliyet ve kullanılabilirlik açısından paralel filtreler ön plana çıkar. Paralel pasif filtreler, reaktif güç kompanzasyonu da sağlar. Fakat en büyük dezavantajı sistem ile rezonansa girebilmesidir (Gezegin,2006). 3.2.9.2.1.Tek ayarlı pasif filtreler Tek ayarlı pasif filtrelerin rezonans frekansı tekdir. Bu rezonans frekansı baskın olan harmoniğin frekansına ayarlanır. Tek ayarlı pasif filtreler, harmoniklere rezonans frekansında düşük empedans veya kısa devre yolu oluşturarak, bu harmoniğin toprağa akmalarını sağlar. Böylece harmonik sistemden uzaklaştırılmış olur. Şekil 3.18 de tek ayarlı pasif filtreye ait devre elemanları ve empedans grafiği gösterilmektedir (Gezegin, 2006). Z C L R R fr f ġekil 3.18. Tek ayarlı pasif filtrenin devre elemanları ve empedans grafiği 43 3.2.9.2.2. Çift ayarlı pasif filtre ile harmoniklerin yok edilmesi Çift ayarlı pasif filtreler, iki ayrı frekansta harmonik filtrelemek için kullanılır. Bu harmonik frekanslarında, filtre içindeki kondansatör ve reaktörler rezonans oluştururlar. Rezonans esnasında düşük empedans veya kısa devre yolu ile harmonikler toprağa akarak sistemden uzaklaşırlar. Şekil 1.19 da çift ayarlı pasif filtreye ait devre elemanları ve empedans grafiği gösterilmektedir. Bu grafikte iki farklı rezonans frekansı görülmektedir (Gezegin,2006). C1 Z L1 R1 C2 L2 R3 R2 R fr1 fr2 f ġekil 3.19. Çift ayarlı pasif filtrenin devre elemanları ve empedans grafiği 3.2.9.2.3. Seri reaktörlü pasif filtreler Seri reaktörlü filtreler, rezonans ilkesine göre çalışarak harmoniklerin filtrelenmesini sağlarlar. Elektrik tesislerinde, güç transformatörü ile kompanzasyon kondansatörleri, belli bir frekans değerinde paralel rezonans oluştururlar. Paralel rezonans esnasında toplam empedans artar. Harmonik kaynakları sabit akım kaynağı gibi davranır. Eğer harmonik frekansı sistemin rezonans frekansında ise harmonik akımları yüksek bir dirençle karşılaşacaktır. Bu durumda akım sabit olduğu için harmoniklerin gerilimi artacak ve ana gerilim dalgasını bozacaktır. Bozulan gerilim dalgası daha büyük harmonik akımlarının oluşmasına neden olur. 44 Paralel pasif filtreler sistemin rezonans frekansını, kendi rezonans frekansına çeker. Yani başka bir değişle sistemin rezonans frekansını, harmonik oluşmayan bir frekans noktasına kaydırırlar. Filtresiz Z [ohm] ġebeke Filtreli ffr fr 250 350 550 f [Hz] ġekil 3.20. Harmonikli durumda, normal şebeke çalışmasında ve filtreli durumda empedans durumu Şekil 3.20 de sistemin çeşitli durumlardaki toplam empedansı gösterilmektedir. Harmonik oranının az olduğu durum yani, kompanzasyon sistemi devrede değilken, şebeke empedansı doğrusaldır. Kompanzasyon sistemi devreye girince paralel rezonansın etkisiyle toplam empedans artarak, 5.harmonik frekansında en üst seviyeye ulaşır. Bu durumda eğer sistemde 5.harmonik varsa, 5.harmonik gerilimi artacak ve 1. harmoniğin gerilimini bozacaktır. Böylece akımdaki bozunum oranı da artacaktır. Seri reaktörlü pasif filtrenin devreye girmesiyle paralel rezonans frekansı 210 Hz seviyesine çekilmiş ve bu frekans değerinden sonra empedans doğrusal artmaya başlamıştır. 210 Hz frekans değerinde harmonik bulunmadığından, harmoniklerin genlikleri de artmayacaktır. Bu yöntem harmonik sorunu olan tesislerde kullanılan en basit yöntemdir. Bilindiği üzere harmonikler kondansatörler üzerinde aşırı akımlar oluşturarak zarar görmesine neden olur. Seri reaktörler harmoniklere karşı yüksek empedans göstererek, kompanzasyon kondansatörlerini harmoniklerin zararlı etkilerinden korur. Seri reaktörlü pasif filtreler seçilirken filtreleme faktörlerine göre seçilir. Filtreleme faktörü p ile ifade edilmektedir ve denklem (1.55)‟ de gösterilmektedir. Seri reaktörlü pasif filtrenin reaktör ve kondansatör değerleri filtreleme faktörü ile belirlenir. p = XL/XC farklı frekanslardaki p değerleri aşağıda sıralanmıştır; 135Hz rezonans frekansında p= %13,7 ( 3.55 ) 45 189Hz rezonans frekansında p=%7 210Hz rezonans frekansında p=%5,6 dır. Reaktör Kondansatör L C ġekil 3.21. Seri reaktörlü filtre devre elemanları ve şebekeye bağlantı şeması Şekil 3.21‟ de seri reaktörlü filtre elemanları ve bağlantı şekli gösterilmektedir. Seri reaktörlü filtrelerde harmoniklerden dolayı kondansatör uç gerilimi artmaktadır. Kondansatörlerdeki bu gerilim artışı denklem (3.55)‟de gösterilmektedir. Kondansatörün uç geriliminin değişmesi kapasitesini de değiştirir. Dolayısıyla bu durum kondansatörün gücünün değişmesine neden olur. Değişen güç denklem (3.56)‟da gösterilmektedir. Uc= U/(1-p) ( 3.55 ) Q0= (Un/Ur)² x Qr ( 3.56 ) Burada; Q0= Şebeke geriliminde işletme reaktif gücü (kVAr), Un= Şebeke gerilimi (V) Qr= Anma reaktif gücü (kVAr), Ur= Kondansatör anma gerilimini (V) dir. Bir elektrik tesisinin toplam kapasitif güç ihtiyacı belirlendikten sonra kondansatör güçleri belirlenir. Bu kondansatörler belirli kademelere göre sıralanırlar. Her bir kademe için kondansatörler tahsis edildikten sonra filtre tasarlama aşamasına geçilir. Seçilen kondansatör güçlerine göre reaktörler seçilir. Reaktör güçleri kondansatör güçleri ile aynı güçte olmalıdır. Kademede bulunan reaktörlerin empedansı kondansatör kapasitansı ile uygun frekansta rezonans oluşturacak şekilde seçilmelidir. Reaktörün empedansı hesaplanırken öncelikle denklem (3.57) ile harmonik derecesi belirlenir. Daha sonda filtreleme faktörü denklem (3.58) ile hesaplanır. Filtreleme faktörü hesaplandıktan sonra, kondansatör gücü daha önce belirlendiği için XC hesaplanır. Ve denklem (3.59) ile XL hesaplanır. Tüm bu veriler denklem 3.60‟ da yerine konularak, reaktörün endüktansı hesaplanır. Buradan yola çıkarak harmonik filtrede kullanılacak reaktörün endüktansı hesaplanıp gereken reaktör tespit edilir: 46 ωn/ω = n ( 3.57 ) 1/n² = p ( 3.58 ) p = XL/XC ( 3.59 ) L=(XC.p)/(2лf) ( 3.60 ) Burada; ωn=Rezonans frekansı ω= Şebeke frekansıdır. 47 4. MATERYAL VE YÖNTEM Bu kısımda çeşitli fabrikalarda Alçak Gerilim (AG) veya orta gerilim (OG) baralarından, harmonikleri analiz etme amaçlı ölçümler yapılmıştır. Bu ölçümler çeşitli harmonik analizörler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ölçümlerde kullanılan analizörlerin özellikleri bölüm 3.1. de açıklanmıştır. Kullanılan harmonik analizörleri akım bilgisini, (AG) ve (OG) baralarında bulunan akım trafolarından almaktadır. Gerilim bilgisini, AG barasından doğrudan temin ederken, orta gerilim barasındaki gerilim trafosundan temin etmektedir. Fabrikalarda ölçümler, tesisteki farklı çalışma koşulları değerlendirilerek yapılmıştır. Öncelikle güç transformatörünün boşta ve yükte çalışma durumlarına göre ölçümler yapılarak sonuçları değerlendirilmiştir. Harmonik bozunum oranının değişimi üzerinde, kompanzasyon sisteminin etkisini incelemek için güç transformatörü yüklü çalışırken, kompanzasyon sistemi devre dışı bırakılmış ve bu durumda ölçümler yapılmıştır. Yine güç transformatörü yüklü çalışırken, kompanzasyon sistemi devreye alınarak ölçümler yapılmıştır. Giriş kısmında da bahsedildiği gibi, kompanzasyon sistemi devreye alınınca, paralel rezonansın etkisiyle harmonik bozunum oranı artmıştır. Seri reaktörlü pasif filtre kullanan farklı fabrikaların AG ve OG baralarında ölçümler yapılmıştır. Bu ölçüm sonuçlarına bakıldığında, harmonik oranlarının standart değerlerde olduğu görülmüştür. 4.1. Harmonik Analizinde Kullanılan Ölçüm Cihazları Harmoniklerin analizinde çeşitli ölçü aletleri kullanılmıştır. Bunların bazıları hem (OG) ve hem de (AG) gerilimde ölçümler yapabilmektedir. 4.1.1. Amprobe Genius 5080E harmonik analizörü Amprobe Genius 5080E harmonik analizörü, tek fazda ölçüm yapabilmektedir. Üç faz için ayrı ayrı ölçümler yaparak bu değerleri hafızasına kayıt edebilir. Enerji analizörü olarak kullanılmasının yanı sıra çevrim empedansı, toprak direnci, toprak özgül direnci gibi ölçümlerde yapabilmektedir. 48 Analizör gerekli ölçümleri yapabilmek için akım bilgisini, AG barasında bulunan akım transformatöründen veya 200 A akım değerine kadar ölçüm yapabilen, akım transformatörlü klemp vasıtasıyla alır. Gerilim bilgisini, eğer ölçüm AG barasından yapılıyorsa doğrudan baradan, ölçüm OG barasından yapılıyorsa, gerilim transformatöründen sağlar. Enerji analizörü olarak akım gerilim dalga biçimlerini, akım gerilim dalga genliklerini, harmonik akım ve gerilim değerlerini, harmonik grafiklerini, aktif reaktif ve tam güç değerlerini göstermektedir. ġekil 4.1. Amprobe Genius 5080E enerji analizörünün bağlantı şeması Şekil 4.1‟de Amprobe Genius 5080E analizörünün bağlantı şeması görülmektedir. Tek fazdan ölçüm yapabildiği için her faz için akım trafosu ve gerilim uçları değişmektedir. Bu yüzden ölçülen gerilim faz-faz arası değil de faz-nötr arasıdır. 4.1.2. Simeas P 660 harmonik analizörü Simeas P 660 analizörü, panoya sabit olarak montaj edilir. Yani taşınabilirliği yoktur. AG ve orta gerilim barasından ölçümler yapılabilmektedir. Bunun için analizörde hem akım transformatörü hem de gerilim transformatörü için girişler bulunmaktadır. Analizör gerekli ölçümleri yapabilmek için, akım bilgisini AG veya OG akım transformatöründen sağlar. Gerilim bilgisini, AG‟ de direkt baradan, orta gerilimde ölçüm yapılıyorsa gerilim transformatöründen sağlar. 49 Siemens firmasının ürettiği bu analizörün akım gerilim dalga biçimleri, harmonik oranları ve bunların grafikleri, akım gerilim değerleri, kayıt yapabilme özelliği sayesinde aşırı ve düşük değerdeki akım ve gerilim değerlerini saptayabilme gibi özellikleri bulunmaktadır. Bağlantı Noktaları k l k lk u x l X U L1 L2 L3 N K u x u x X U X U L K L K L ġekil 4.2. SIMEAS P660 enerji analizörünün bağlantı şeması Şekil 4.2‟ de SIMEAS P660 enerji analizörünün bir OG şebekesinde, akım ve gerilim transformatörü ile yapılan ölçümün bağlantı şeması gösterilmektedir. 4.1.3. Entes MPR 63 Ģebeke analizörü Entes MPR 63 şebeke analizörü, Simeas 660 gibi sabit montajlı analizördür. Bu analizörde farklı olarak osiloskop özelliği yoktur. Yani akım ve gerilim dalga şekillerini gösterememektedir. Fakat istenilen diğer tüm değerleri sayısal olarak verebilmektedir. RS 485 seri haberleşme bağlantısı ile bilgisayar veya herhangi bir ağa bağlanabilir. Analizör gerekli ölçümleri yapabilmek için, akım bilgisini AG veya OG akım transformatöründen sağlar. Gerilim bilgisini, AG de direkt baradan, orta gerilimde ölçüm yapılıyorsa gerilim transformatöründen sağlar. Şekil 4.3‟ de bu analizörün bir AG şebekesinde bağlantı şekli gösterilmiştir. 50 K L1 L2 L3 L K k L K l k L1 L1 L2 L l k L2 l L3 L3 ġekil 4.3. ENTES MPR 63 enerji analizörüne ait bağlantı şeması 4.1.4. Circutor AR5 harmonik analizörü Circutor AR5 harmonik analizörünün taşınabilir özelliği sayesinde çeşitli tesislerde ölçümler yapılmıştır. Osiloskop, aktif ve reaktif güç ölçme, harmonik analiz grafikleri çıkarabilme, her üç fazdan aynı anda ölçüm yapma, güç faktörü ölçme özellikleri sayesinde harmonikler detaylı bir şekilde incelenmiştir. Analizör ölçüm için akım bilgisini, AG barasında ölçüm yapılıyorsa, akım transformatörlü klemplerinden veya direkt AG barasında bulunan akım transformatörlerinden sağlar. OG de akım bilgisi OG akım transformatöründen sağlanmaktadır. Gerilim bilgisi, AG tesislerinde AG barasından doğrudan temin edilirken OG tesislerinde gerilim transformatöründen sağlanır. Şekil 4.4 de üç fazlı bir sitemde ölçüm için bağlantı şekli verilmiştir. Daha değişik bağlantı çeşitleri de bulunmaktadır. 51 L1 L2 L3 Akım giriĢleri Gerilim giriĢleri ġekil 4.4. CICUTOR AR5 enerji analizörüne ait bağlantı şeması 4.2 Harmonik Ölçümleri Ölçüm yapan cihazlar bağlantı şekilleri gösterilerek anlatılmıştır. Bu cihazlar ile çeşitli şartlarda ölçümler yapılmıştır. Bunlar: - Güç transformatörü boşta çalışırken yapılan ölçüm, - Filtresiz tesislerde ölçüm, - Filtreli tesiste yapılan ölçüm, şeklinde sıralanabilir. 4.2.1. Güç transformatörü boĢta çalıĢırken yapılan ölçüm 1600kVA gücünde güç transformatörü boşta çalıştırılırken MPR63 analizörü ile ölçümler yapılmıştır. Bu ölçümler güç transformatörünün OG barasından, akım ve gerilim transformatörlerinden alınan bilgiler ile yapılmıştır. Bu analizörün bağlantısı Şekil 4.5‟ de gösterilmektedir. Bu yapılan ölçümlerin sonucu Çizelge 4.1‟ de gösterilmektedir. 52 ġekil 4.5. MPR 63 Analizörünün 1600kVA trafo postası tek hat şemasındaki bağlantısı Çizelge 4.1. 1600kVA trafonun boşta çalışmasında oluşan akım harmonikleri ve oranları Ih / f L1 L2 L3 I2 1,3% 3,2% 1,8% I3 7,7% 4,5% 48,5% I5 62,4% 69,4% 64,8% I7 37,5% 37,6% 38,6% I9 1,9% 11,3% 11,5% I11 10,4% 10,1% 10,5% I13 5,5% 5,3% 4,6% THD I 75,6% 92,5% 91,8% Σ THDI 259% MPR 63 enerji analizörünün osiloskop özelliği olmadığından akım ve gerilime ait dalga şekilleri elde edilememiştir. Fakat akım ve gerilimdeki harmonik derecelerine göre bozunum oranları ile ilgili ölçümler yapılmıştır. Gerilimdeki harmonik bozunum oranları Çizelge 4.2‟ de gösterilmektedir. Çizelge 4.2. 1600kVA trafonun boşta çalışması durumunda oluşan akım harmonikleri ve oranları Vh / f L1 L2 L3 V3 0,2% 0,5% 0,5% V5 0,5% 0,8% 0,5% V7 1,1% 1,1% 1,3% THD V Σ THD V 4,3% 4,2% 4,3% 4,3% 53 4.2. Harmonik filtre bulunmayan tesislerde yapılan ölçümler Fabrikalarda kompanzasyon sistemleri, reaktif gücün dengede tutulması için kullanılır. Harmonik bozunum oranları kompanzasyon sisteminin devrede olup olmayışına göre değişiklik göstermektedir. İki ayrı tesiste iki farklı enerji analizörü ile ölçüm yapılmıştır. Bu tesislerden birisi 1250kVA gücünde transformatöre sahip bir alçı fabrikası, diğeri ise 1000kVA gücünde transformatöre sahip metal işleyen bir fabrikadır. Alçı fabrikasında alçı işleme sırasına göre taş kırma, mikser, fırın kısımları bulunmaktadır. Metal işleyen fabrikada ise kaynak makineleri, presler, kompresörler gibi cihazlar çalışmaktadır. Yükün çoğunluğunu presler oluşturmaktadır. Pres makinalarında asenkron motorlar bulunmaktadır. Bu asenkron motorlar sürücüler ile kontrol edilmektedir. Dolayısıyla asenkron motor sürücüleri ağırlıktadır. Bu fabrikalarda CIRCUTOR ve AMPROBE marka harmonik analizörleri ile ölçümler yapılmıştır. Alçı fabrikasındaki ölçümler CIRCUTOR marka analizör ile metal işleyen fabrikada ise AMPROBE marka analizör kullanılarak ölçüm yapılmıştır. Ölçümler esnasında kompanzasyon kondansatörleri devreye alınıp çıkarılarak harmoniklerin değişimi gözlenmiştir. 4.2.2.1. Alçı fabrikasına ait 1250kVA gücündeki güç transformatörünün AG barasında yapılan ölçümler Şekil 4.5‟ de Alçı fabrikasına ait tek hat şeması ve enerji analizörünün bağlantı şekli gösterilmektedir. Burada şekilden de anlaşıldığı üzere güç transformatörünün AG barasından ölçüm yapılmaktadır. Bu ölçüm sonuçlarına ait değerler Çizelge 3.3‟ de gösterilmektedir. Çizelge 4.3‟ de kompanzasyon devrede iken ve kompanzasyon devrede değilken yapılan ölçüm sonuçları bulunmaktadır. Saat 13.25 ile 13.28 arasında kompanzasyon kondansatörleri devre dışı bırakılmıştır. Kompanzasyon kondansatörleri devrede olmadığında, harmoniklerin akım ve gerilim değeri oldukça düşük seviyededir. Fakat kompanzasyon kondansatörleri devreye girdiğinde harmoniklerin oranlarında artış görülmektedir. 54 31,5/0,4 kV 1250 kVA Güç transformatörü 2000/5 A Akım transformatörü Güç Analizörü 2000 A Kompakt Ģalter ġekil 4.5. Alçı fabrikasına ait tek hat şeması ve güç analizörünün bağlantısı Çizelge 4.3. Alçı fabrikasına ait harmonik değerleri Kompanzasyon Devrede Gerilim (P-P) Akım Güç faktörü Aktif güç Reaktif güç THD V (Gerilim) THD A (Akım) V A cos φ kW kVAr % % max 395 831 -0,97 549 7 3,6 21,3 min 391 485 0,99 318 0 2,9 13,2 Kompanzasyon Devrede Değil max 385 1165 0,80 497 555 0,9 2,5 min 380 761 0,7 329 289 0,7 2,2 Şekil 4.6‟ da ise toplam harmonik bozunum spektrumu görülmektedir. Şekillere bakıldığında, kompanzasyon kondansatörleri devrede iken akım ve gerilimdeki harmonik bozunumunun standartların üzerinde olduğu görülmektedir. 55 ġekil 4.6. Alçı fabrikasına ait toplam harmonik bozunumu Şekil 4.7‟ de fazlarda bulunan harmoniklerin dereceleri ve yüzde olarak oranları gösterilmektedir. Bu tesiste akım ve gerilimde, 7. harmoniğin baskın olduğu görülmektedir. ġekil 4.7. Alçı fabrikasına ait harmonikler ve oranları Şekil 4.8‟de ise akım ve gerilimin dalga şekilleri görülmektedir. Dalga şekillerine bakıldığında, harmoniklerin etkisiyle akımın dalga şeklinin bozulduğu görülmektedir. Gerilimdeki bozulma ise sınır değerlerdedir. Grafikler ve şekiller incelendiğinde tesiste harmoniklerin var olduğu ve oranların standart değerlerin üzerinde olduğu anlaşılmaktadır. Bu tesiste meydana gelen arızaların çoğu harmoniklerden kaynaklanmaktadır. 56 ġekil 4.8. Alçı fabrikasına ait akım gerilim dalga şekilleri 4.2.2.2.Metal iĢleme fabrikasında bulunan 1000kVA gücündeki güç transformatörünün AG barasında yapılan ölçümler Bu tesiste kompanzasyon sisteminde herhangi bir filtre bulunmamaktadır. Harmonik Filtre bulunmayan bu tesiste harmonik analizine yönelik güç kalitesi ölçümleri yapılmıştır. Yüklerin çoğunluğunu asenkron motor sürücüleri oluşturmaktadır. Şekil 4.9‟ da metal işleme fabrikasına ait tek hat şemasında güç analizörünün bağlantısı gösterilmektedir. Bu bağlantı şeklinde, analizör akım bilgisini güç transformatörünün AG barasında bulunan akım trafosundan, gerilim bilgisini ise AG barasından sağlamaktadır. Ölçümler kompanzasyon devredeyken gerçekleştirilmiştir. Şekil 4.10 da metal işleme fabrikasının 1.fazına ait akım gerilim dalga grafiği, gerilime ait harmonik grafik ve akıma ait grafikler görülmektedir. 57 31,5/0,4 kV 1000 kVA Güç transformatörü 1600/5 A Akım transformatörü Güç Analizör ü 1600 A Kompakt Ģalter ġekil 4.9. Metal işleme fabrikasına ait tek hat şeması ve güç analizörünün bağlantı şekli 5 20 600 15 300 3 0 10 -300 5 -600 0 (a) 0 4 8 12 16 20 24 28 32 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 27 29 (b) (c) ġekil 4.10. Metal işleme fabrikasına ait 1. fazın (a) Akım gerilim dalga grafiği (b) Gerilimine ait harmonik grafiği (c) Akımına ait harmonik grafiği Şekilden akımın dalga şeklinin bozuk, akımda ve gerilimde 7. harmoniğin baskın olduğu görülmektedir. Bu grafiklere ait sayısal veriler Çizelge 3.4‟ de gösterilmektedir. Çizelge 4.4. 1.faza ait ölçüm sonuçları L1 h1 h3 h5 h7 THB I (A) 553,43 16,87 5,47 91,7 16,51% V (V) 328,97 0 0 8,45 2,66% 58 600 5 20 300 15 3 0 10 -300 5 0 -600 0 4 8 12 (a) 16 20 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 27 29 24 28 32 (b) (c) ġekil 4.11. Metal işleme fabrikasına ait 2. fazın (a) Akım gerilim dalga grafiği (b) Gerilimine ait harmonik grafiği (c) Akımına ait harmonik grafiği Şekil 4.11‟ de metal işleme fabrikasının 2. fazına ait akım gerilim dalga grafiği, gerilime ait harmonik grafik ve akıma ait grafik görülmektedir. Şekilden akımın dalga şeklinin bozuk olduğu, akımda ve gerilimde 7. harmoniğin baskın olduğu görülmektedir. Bu grafiklere ait sayısal veriler Çizelge 4.5‟ de gösterilmektedir. Çizelge 4.5. 2.faza ait ölçüm sonuçları L2 h1 h3 h5 h7 THB (A) 1160.93 38,86 6,148 159,8 14,26% V (V) 321.68 0 1,7 9,11 2,95% I 20 5 600 15 300 0 10 3 -300 5 -600 0 0 4 (a) 8 12 24 28 30 32 (b) 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 (c) ġekil 4.12. Metal işleme fabrikasına ait 3. fazın (a) Akım gerilim dalga grafiği (b) Gerilimine ait harmonik grafiği (c) Akımına ait harmonik grafiği Şekil 4.12‟ de metal işleme fabrikasının 3. fazına ait akım gerilim dalga grafiği, gerilime ait harmonik grafik ve akıma ait grafik görülmektedir. Şekilden akımın dalga 59 şeklinin bozuk olduğu, akımda ve gerilimde 7. harmoniğin baskın olduğu görülmektedir. Bu grafiklere ait sayısal veriler Çizelge 4.6‟ da gösterilmektedir. Çizelge 4.6. 3.faza ait ölçüm sonuçları L3 h1 h3 h5 h7 THB (A) 409,15A 13,4 3,19 56,68 14,34% V (V) 321,68V 0 3,2 6 1,97% I Kompanzasyon kondansatörleri devreden çıkarılıp yeniden ölçümler yapılmıştır. Bu durumda sistemdeki endüktif akımın arttığı gözlemlenmiştir. Bu ölçümde de bir önceki gibi AG barasının akım transformatörlerinden akım bilgisi, AG barasından da gerilim bilgisi alınmıştır. Şekil 4.13‟de kompanzasyon kondansatörleri devre dışı iken, metal işleme fabrikasının 1.fazına ait akım gerilim dalga grafiği, gerilime ait harmonik grafik ve akıma ait grafik görülmektedir. Şekillere bakılınca harmoniklerin etkilerinin azaldığı görülmektedir. Bu grafiklere ait sayısal veriler çizelge 4.7 de gösterilmektedir. 600 5 20 15 300 3 0 10 -300 5 -600 0 4 8 12 (a) 16 20 24 28 32 0 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 (b) (c) ġekil 4.13. Metal işleme fabrikasına ait 1. fazın (a) Akım gerilim dalga grafiği (b) Gerilimine ait harmonik grafiği (c) Akımına ait harmonik grafiği Çizelge 4.7. 1.faza ait ölçüm sonuçları L1 h1 h2 h3 h5 h7 THB I (A) 696,4 17,94 5,35 11,36 4,03 3,51% V (V) 223,3 0 0 0 0 0% Şekil 4.14‟ de kompanzasyon kondansatörleri devre dışı iken, metal işleme fabrikasının 2. fazına ait akım gerilim dalga grafiği, akım ve gerilime ait harmonik bozunum grafikleri görülmektedir. 60 600 5 20 300 15 3 0 10 -300 5 -600 0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 (a) 3 5 7 9 11 13 15 17 21 23 25 27 29 (b) (c) ġekil 4.14. Metal işleme fabrikasına ait 1. fazın (a) Akım gerilim dalga grafiği (b) Gerilimine ait harmonik grafiği (c) Akımına ait harmonik grafiği Şekillere bakılınca harmoniklerin etkilerinin azaldığı görülmektedir. Bu grafiklere ait sayısal veriler Çizelge 4.8‟ de gösterilmektedir. Çizelge 4.8. 2.faza ait ölçüm sonuçları L2 h1 h2 h3 h5 h7 THB I (A) 605,61 0 14,09 6,3 0 2,75% V (V) 224,3 0 0 0 0 0% Şekil 4.15‟de kompanzasyon kondansatörleri devre dışıyken, metal işleme fabrikasının 3. fazına ait akım gerilim dalga grafiği, gerilime ait harmonik grafik ve akıma ait grafik görülmektedir. 600 5 20 300 15 0 3 10 -300 5 -600 0 0 4 8 (a) 12 16 20 24 28 32 (b) 3 5 7 9 11 13 15 17 21 23 25 27 29 (c) ġekil 4.15. Metal işleme fabrikasına ait 1. fazın (a) Akım gerilim dalga grafiği (b) Gerilimine ait harmonik grafiği (c) Akımına ait harmonik grafiği Şekillere bakılınca harmoniklerin etkilerinin azaldığı görülmektedir. Bu grafiklere ait sayısal veriler çizelge 4.9‟ da gösterilmektedir. 61 Çizelge 4.9. 3.faza ait ölçüm sonuçları L3 h1 h2 h3 h5 h7 THB I 393,72 0 9,74 2,51 0 2,89% V 223,73 0 0 0 0 0% 4.2.3. Seri reaktörlü pasif filtreli sistemlerde yapılan ölçümler Harmonik filtre tesis edilen sistemlere örnek olarak iki farklı fabrikada ölçümler yapılmıştır. Bunlar Kalsit üretimi yapan bir fabrika ile Mercedes Benz Türk Kamyon Fabrikasıdır. Kalsit fabrikası ile bundan önce ölçümler yapılan alçı fabrikasının yükleri benzerlik göstermektedir. Kalsit fabrikasında 2000kVA gücünde güç transformatörü bulunmaktadır. Bu tesisteki kompanzasyon sisteminde seri reaktörlü pasif filtre mevcuttur. Mercedes-Benz Türk Kamyon Fabrikasının kurulu gücü 9200kVA dır. Bu tesis içinde çalışan çeşitli güçlerde güç transformatörleri bulunmaktadır. Bu transformatörlerin kompanzasyon sistemlerinde seri reaktörlü pasif filtreler mevcuttur. Bu tesiste bulunan transformatörlerin içerisinden 2 tane 1600kVA gücündeki transformatörün AG barasından ölçümler yapılmıştır. Ayrıca fabrikanın ana giriş barasından ölçüm yapılmıştır. Ana giriş barası OG kısmında bulunmaktadır. Ana giriş barasından, bütün transformatörlerin çektiği toplam güç ölçülmektedir. Her iki tesiste de kullanılan seri reaktörlü pasif harmonik filtrelerin, filtreleme faktörü %5,67 oranındadır. Kalsit fabrikasında kullanılan analizör AMPROBE GENIUS 8050E harmonik analizörüdür. Bu ölçümde akım bilgisi, analizörün akım transformatörlü klemplerinden sağlanmıştır. Gerilim bilgisi ise doğrudan AG barasından sağlanmıştır. Şekil 4.16‟ da kalsit fabrikasına ait tek hat şeması ve harmonik analizörün bağlantı şekli gösterilmektedir. Çizelge 4.9‟ da kalsit fabrikasının AG barasına ait parametreler verilmiştir. Burada gerilim harmonikleri standartların altında görülmektedir. Fakat akım harmonikleri standartların biraz üstündedir. Buna rağmen tesiste harmonik sıkıntısı pek görülmemektedir. Ölçüm 10:45 ile 11:00 saatleri arasında yapılmıştır. Ölçüme kompanzasyon sistemi devrede iken başlanmış ve 10:52 ile 10:57 saatleri arasında kompanzasyon sistemi devre dışı bırakılmıştır. 62 31,5/0,4 kV 2000 kVA Güç transformatörü 3000/5 A Akım transformatörü Güç Analizörü 3200 A Kompakt Ģalter ġekil 4.16. Kalsit fabrikasına ait tek hat şeması ve güç analizörünün bağlantısı Çizelge 4.9. Kalsit fabrikasına ait parametreler Kompanzasyon Devrede Gerilim (P-P) Akım Güç faktörü Aktif güç Reaktif güç THB V THB I V A cos φ kW kVArL % % Kompanzasyon Devrede Değil max min max min 403 1705 -0,78 812 740 0,6 13,7 396 616 -0,99 339 0 0,5 6,2 393 1396 0,83 777 510 1,1 3,6 385 1083 0,82 737 501 1,0 3,1 Şekil 4.17‟ de her faza ait akım ve gerilimin toplam harmonik bozulma oranları gösterilmektedir. Kompanzasyon kondansatörleri devre dışı iken harmonik oranları düşmüştür. 63 ġekil 4.17. Kalsit fabrikasına ait toplam harmonik bozunum ġekil 4.18. Kalsit fabrikasına ait akım ve gerilim harmonikleri Şekil 4.18‟ de her faza ait akım ve gerilim harmonikleri ve bunlara ait bozunum oranları verilmiştir. Şekil 4.19‟ da akım ve gerilimin dalga şekilleri ve bunların anlık değerleri ile harmonik bozunum oranları verilmiştir. Ölçüm sonuçlarına bakıldığında kalsit fabrikasındaki harmonik seviyesi standartlara yakın seviyelerdedir. Burada da kompanzasyon sistemi devre dışı bırakıldığında harmonik oranları düşmektedir. 64 ġekil 4.19. Kalsit fabrikasına ait akım ve gerilimin dalga biçimleri Mercedes Benz Türk Kamyon Fabrikasında yapılan ölçümlerde kompanzasyon sistemi, çalışma esnasında aksaklıkların meydana gelmemesi için devre dışı bırakılmamıştır. Bu tesiste 1600kVA gücündeki güç transformatörlerinin AG barasından ölçümler Siemens marka, sabit pano montajlı harmonik analizörü ile yapılmıştır. Analizör akım bilgisini AG barasındaki akım transformatörlerinden, gerilim bilgisini de doğrudan AG barasından almaktadır. Çizelge 4.10 ve çizelge 4.11‟ de bu iki 1600kVA gücündeki transformatörün AG baralarına ait ölçüm sonuçları verilmektedir. Çizelge 4.10. 1. 1600kVA ya ait parametreler Harmonik Oranlar Akım Harmonikleri Gerilim Harmonikleri I5 4% V5 0.5% I7 6% V7 1% I11 1% V11 0.5% Akım: 863A Gerilim= 384V Çizelge 4.11. 2. 1600kVA ya ait parametreler Harmonik Oranları Akım Harmonikleri Gerilim Harmonikleri I5 6% V5 0.5% I7 2% V7 0.% I11 1% V11 0.5% Akım: 785A Gerilim= 384V 65 Bu iki güç transformatörünün kompanzasyon sistemlerinde seri reaktörlü pasif filtre kullanılmıştır. Bu filtrelerin, filtreleme faktörü %5,67 dir. Ölçüm sonuçlarına bakıldığında harmonik bozunum oranlarının standartların altında olduğu görülmektedir. Tesiste, 6 adet güç transformatörü aynı anda çalışmaktadır. Tesiste bulunan transformatörlerin kompanzasyon sistemlerinde seri reaktörlü pasif filtreler bulunmaktadır. Bu tesisisin elektrik sayacı OG barasında bulunmaktadır. Dolayısıyla tesisin harmonik bozunumunu bulmak için OG barasından da ölçümler yapılmıştır. OG barasından yapılan ölçümlerde Simens P660 marka, sabit montajlı, harmonik analizörü kullanılmıştır. Analizör akım bilgisini OG akım transformatöründen, gerilim bilgisini de OG gerilim ölçü transformatöründen almaktadır. OG barasının akım ve gerilim değerleri Çizelge 4.12‟ de gösterilmektedir. Çizelge 4.13 de ise OG barasına ait harmonik bozunum oranları verilmiştir. Çizelge 4.12. OG barasına ait akım ve gerilim değerleri L1 L2 L3 Akım A 46 54 48 Gerilim kV 32 32 32 Çizelge 4.13. OG barasına ait harmonik bozunum oranları Harmonik Bozunum Oranları Akım Harmonikleri Gerilim Harmonikleri L1 L2 L3 L1 L2 L3 I5 5% 3% 4% V5 0.3% 0.4% 0.19% I7 3% 3% 2% V7 0.4% 0.3% 0.33% THB 8% 6% 5% THB 0% 0% 0% Ölçüm sonuçlarına bakıldığında AG şebekesinde yapılan harmonik filtreler, OG şebekesinde olumlu yönde etki yapmaktadır. Filtreler, harmonik bozunum değerlerini hem AG ve hem de OG şebekesinde standartların altında tutmuştur. 4.2.4. Seri reaktörlü pasif filtre hesaplamaları Filtresiz sistemlerde kompanzasyon devreye alındığında harmoniklerin oranları artmaktadır. Oranları artan harmonikler güç kalitesini bozarak çeşitli sorunlara neden olurlar. Harmoniklerin olumsuz etkilerini yok etmek için filtreler tasarlanmalıdır. 66 Tasarlanacak olan filtre, aktif veya pasif olabilir. Aktif filtrelerin şebekeye uyumu pasif filtrelere göre çok daha iyidir. Fakat maliyetleri yüksek olduğundan dolayı pek tercih edilmemektedir. Pasif filtreler yük çeşidinin çok fazla değişmediği işletmelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ölçümlere bakıldığında harmonik filtresi olmayan alçı fabrikasında ve metal işleme fabrikasında kompanzasyon kondansatörleri devreye alındığında harmonik oranları artmış ve standartların üstüne çıkmıştır. Mercedes Benz ve kalsit fabrikalarında pasif harmonik filtre kullanıldığından, kompanzasyon sistemi devreye alındığında harmonik oranları standartların altında kalmıştır. Mercedes Benz ve kalsit fabrikalarında tasarlanmış filtreler ve bunların hesabı incelenmiştir. Mercedes fabrikasında 5. Harmonik etkilidir. Bu harmoniğin etkisini gidermek için 210 Hz rezonans frekansında pasif harmonik filtre kullanılmıştır. 5.harmonik frekansı 250 Hz‟ dir. Bu frekans değerinde paralel rezonans meydana gelirse toplam empedans artacaktır. Harmoniklerin etkilerini bastırmak amacıyla rezonans frekansı, seri reaktörlü pasif filtre ile 210 Hz değerine çekilmiştir. Böylece 250 Hz frekansındaki empedans değeri de düşürülmüştür. Bu fabrikada 210 Hz rezonans frekansında tasarlanan seri reaktörlü pasif filtrenin reaktör endüktansı L=622 mH ve gücü 40 kVAr, kondansatör kapasitansı C= 3x77 µF ve gücü 40 kVAr, filtreleme faktörü %p=5,67 şeklindedir. Kullanılan bu değerler standart değerlerdir. Bu değerler hariç tutularak yeniden pasif harmonik filtre tasarlanmış ve hesaplamalar sonucu tasarlanan filtre değerleri ile kullanılan filtrenin değerleri karşılaştırılmıştır. Tesiste ihtiyaç olan kompanzasyon gücü 920 kVAr dır. Bunu 12 kademe reaktif güç kontrol rölesi ile yapacak olursak kademeler: 40+80+80+80+80+80+80+80+80+80+80+80 şeklinde sıralanacaktır. Sistemde harmoniklerden dolayı kondansatörlerin üzerindeki gerilim artar. Bu gerilim artışı kondansatörlerin kapasitelerini düşürür. Kondansatörler de kapasite düşümünü azaltmak için gerilimi daha yüksek kondansatör seçilmelidir. Bu gerilim artışı denklem (4.1) ile hesaplanmaktadır. Uc= U/(1-p) (4.1) Burada filtreleme faktörü p = %5,67 seçildiğine göre Uc= 424 V değerinde olmalıdır. Fakat standart üretim olarak Uc=440 V gerilimli kondansatörler vardır. bu 67 yüzden 440 V gerilimli kondansatörler seçilmiştir. Kondansatör gücünün değişimi denklem (4.2) ile hesaplanmaktadır. Q0= (Un/Uc)².Qr (4.2) Burada: Q0= İşletme anındaki kondansatör gücü, Un= Şebeke gerilimi, Uc = Kondansatör gerilimi ve Qr = Anma reaktif gücüdür. Buna göre ilk kademe olan 40 kVAr kondansatör 400 V değerinde seçilirse, gerilim artışında bunun değeri 33 kVAr seviyelerine inmektedir. Bunu engellemek için 400 V değerinde kondansatör seçilecekse 40 kVAr lık kondansatör yerine 50 kVAr veya daha uygunu 440 V değerinde 40 kVAr kondansatör seçilmelidir. Pasif harmonik filtrenin rezonans frekansı denklem (4.3) ile hesaplanmaktadır. Bu rezonans frekansında pasif harmonik filtre için gerekli kondansatör ve reaktör seçilmelidir. Sistemde gerekli olan kompanzasyon gücü tespit edildikten sonra kondansatör kademeleri seçilmiştir. Denklem (4.4) ile kapasitif direnç hesaplanmış ve XC = 4,84 Ω olarak bulunmuştur. Filtreleme faktörü %5,67 olarak alınmıştır. Buna göre denklem (4.5) ile endüktif direnç hesaplanmış ve XL= 0,274 Ω olarak bulunmuştur. Pasif harmonik filtrenin endüktansı, denklem (4.6) ile hesaplanmış ve L= 870 mH olarak bulunmuştur. Pasif harmonik filtrenin kapasitans değeri de denklem (4.7) ile hesaplanmış ve C=66 µF olarak bulunmuştur. fr =1/(2л√(L.C)) (4.3) XC= U²/Q (4.4) p=XL/XC (4.5) L= XL/(2л.f) (4.6) C=1/(XC. 2л.f ) (4.7) Tesiste kullanılan filtre değerleri ile hesaplanan değerler birbirlerine yakındır. Bazı farklıkların çıkmasının sebebi, 400 V gerilimindeki kondansatörlerin seçilmiş olmasıdır. Buradaki kondansatör güçleri 440 V değerine göre seçilmiştir. Bu hesaplanan değerler, 40 kVAr gücündeki ilk kademe içindir. Diğer kademeler 80 kVAr gücündedir. Bunlar için standart kondansatör ve reaktör olmadığı için 2 tane 40 kVAr kondansatör paralel bağlanarak filtre yapılmıştır. Kalsit fabrikasındaki kompanzasyon sistemi içinde seri reaktörlü pasif harmonik filtre hesabı yapılmıştır. Kalsit fabrikasındaki kompanzasyon kademeleri: 25+50+100+100+100+100+100+100+100+100+100+100 biçiminde 12 kademelidir. 68 25kVAr filtre kademesi için, rezonans frekansı 210 Hz seçilmiştir. Bu kademede kullanılacak olan kondansatörler 440 V gerilim değerindedir. Kullanılacak olan kondansatör gücü belli olduğu için denklem (4.4) kullanılarak kapasitif direnç olan XC hesaplanmıştır. Denklem (4.7)‟ nin kullanılmasıyla filtre kapasitansı C=413 µF olarak hesaplanır. Filtreleme faktörü olan p, 210 Hz için %5,67 değerindedir. Bu değerden yararlanılarak, denklem (4.5) ile endüktif direnç olan XL hesaplanır. Denklem (4.6) ile filtre endüktansı L= 1,39 mH olarak hesaplanmıştır. Tesiste kullanılan filtrenin endüktansı L= 1,22 mH, kapasitansı C= 411 µF gücü 25 kVAr ve gerilimi 440 V dur. Hesaplanan filtre değerleri ile uygulamada kullanılan filtre değerleri birbirine yakındır. Bu hesaplamalar 50 kVAr ve 100 kVAr filtre kademeleri için yapılmış ve endüktans değerleri ile kapasitans değerleri hesaplanmıştır. 50 kVAr filtre kademesi için L= 0,7 mH, C=821 µF olarak hesaplanmıştır. Tesiste kullanılan filtrenin endüktansı L= 0,61mH, iki adet 25kVAr kondansatör kullanıldığı için, kapasitansı C= 2x(411 µF), gücü 2x25kVAr ve gerilimi 440 V‟ dur. 100kVAr filtre kademesi için, L= 0,35 mH, C=1644 µF olarak hesaplanmıştır. Tesiste kullanılan filtrenin endüktansı L= 0,31 mH, dört adet 25 kVAr kondansatör kullanıldığı için, kapasitansı C= 4x(411 µF), gücü 4x25 kVAr ve gerilimi 440 V‟ dur. Hesaplanan filtre değerleri ile uygulamada kullanılan filtre değerleri birbirine yakındır. Kalsit fabrikasının ölçüm sonuçlarına bakıldığında, kullanılan seri reaktörlü pasif filtrenin, harmonikleri filtrelemede etkili olduğu görülmektedir. Alçı fabrikası ve metal işleme fabrikasının kompanzasyon sistemlerinde filtre bulunmamaktadır. Bunların ölçüm sonuçlarından da anlaşılacağı üzere harmonik bozunum oranları yüksek seviyelerdedir. Her iki fabrikada, harmoniklerin sebep olduğu arızalar görülmektedir. Alçı fabrikasında pasif harmonik filtre tasarlamak için sistemin reaktif güç ihtiyacı 625kVAr olarak hesaplanmıştır. Pasif harmonik filtre kademelerinin sıralanışı, 25+50+50+50+50+50+50+50+50+50+50+100 kVAr şeklindedir. 25kVAr filtre kademesi için, rezonans frekansı 210 Hz seçilmiştir. Bu kademede kullanılacak olan kondansatörler 440 V değerindedir. Kullanılacak olan kondansatör gücü belli olduğu için denklem (4.4) kullanılarak kapasitif direnç olan X C hesaplanmıştır. Denklem (4.7) ile pasif harmonik filtre kapasitesi olan C=413 µF olarak bulunur. Filtreleme faktörü olan p, 210 Hz değerinde %5,67 değerindedir. Bu değerden yararlanılarak, denklem (4.5) ile endüktif direnç olan XL hesaplanmıştır. Denklem (4.6) ile filtre endüktansı olan L= 1,39 mH olarak bulunur. 69 Bu hesaplamalar 50 kVAr ve 100 kVAr filtre kademeleri için yapılmış ve endüktans değerleri ile kapasitans değerleri hesaplanmıştır. 50 kVAr filtre kademesi için, L= 0,7 mH, C=821 µF olarak hesaplanmıştır. 100kVAr filtre kademesi için, L= 0,35 mH, C=1644 µF olarak hesaplanmıştır. Alçı fabrikası için tasarlanan filtrenin simülasyonu yapılmış ve olumlu sonuçlar alınmıştır. Metal işleme fabrikası için tespit edilen reaktif güç ihtiyacı 487,5 kVAr değerindedir. Burasının kompanzasyon kademeleri, 12,5+25+25+25+50+50+50+50+50+50+50+50kVAr şeklindedir. 12,5kVAr filtre kademesi için, rezonans frekansı 189 Hz seçilmiştir. Bu kademede kullanılacak olan kondansatörler 440 V değerindedir. Kullanılacak olan kondansatör gücü belli olduğu için denklem (4.4) kullanılarak kapasitif direnç olan XC hesaplanmıştır. Denklem (4.7) nin kullanılmasıyla filtre kapasitesi olan C=209 µF olarak hesaplanır. Filtreleme faktörü olan p, 189 Hz değerinde %7 değerindedir. Bu değerden yararlanılarak, denklem (4.5) ile endüktif direnç olan X L hesaplanır. Denklem (4.6) ile filtre endüktansı olan L= 3,4mH olarak hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar 25kVAr ve 50kVAr filtre kademeleri için de yapılmıştır. 25kVAr filtre kademesi için, L= 1,72mH, C=412 µF olarak hesaplanmıştır. 50kVAr filtre kademesi için, L= 0,85mH, C=824 µF olarak hesaplanmıştır. 3.2.5. Kompanzasyon sisteminin harmonikler üzerindeki etkisi ve seri reaktörlü pasif filtreleme ile ilgili simülasyonlar Harmoniklerin etkilerini bilgisayar ortamında görebilmek için 1250kVA gücünde transformatöre sahip Alçı fabrikası modellenmiştir. Modelleme yaparken fabrikada bulunan yüklerin özellikleri temel alınmıştır. Alçı fabrikasında kompanzasyon sistemi devrede olduğu ve olmadığı durumlar için yapılan ölçümlerin sonuçlarına göre pasif filtre tasarımı yapılmıştır. Ölçümün yapıldığı analizörden rezonans empedansı ile ilgili bilgi alınamamıştır. Fakat bilgisayarda rezonans empedansı ile ilgili bilgiler alınmıştır. Rezonans empedansı, kompanzasyon sisteminde filtre kullanılma durumuna göre değişim göstermektedir. Bu durumların OG hattının rezonans empedansına etkisi incelenmiştir. OG hattına ait SIMULINK modeli EK-1‟de gösterilmektedir. 70 İlk olarak fabrikada kompanzasyon sistemi devre dışı bırakılmıştır. Bu durumdaki AG ve OG baralarına ait rezonans empedansının değişimi, AG barasının akım ve gerilim dalga şekilleri ve harmonik bozunum oranları gösterilmiştir. Bu duruma ait SIMULINK modeli EK-2‟de gösterilmektedir. Şekil 4.20 (a)‟ da kompanzasyon sistemi devrede değilken, AG barasına ait rezonans grafiği Şekil 4.20 (b) ise OG barasına ait rezonans direncinin grafiği. Bu grafik Şekil 3.20 ile kıyaslandığında normal değerde olduğu görülmektedir. (a) (b) ġekil 4.20. (a) AG barasına ait rezonans empedansı grafiği (b) OG barasına ait rezonans empedansı grafiği (a) (b) ġekil 4.21. (a) AG barasına ait akımın dalga şekli (b) AG barasına ait akımın harmonik grafiği Şekil 4.21 (a)‟da kompanzasyon sistemi devrede değilken, AG barasına ait akımın dalga şekli görülmektedir. Şekil 4.21 (b) ise AG barasına ait akımın harmonik grafiğini göstermektedir. Bu iki sonuca bakıldığında harmonik oranların standartlar altında olduğu görülmektedir. 71 Şekil 4.22 (a)‟da kompanzasyon sistemi devrede değilken, AG barasına ait gerilimin dalga şekli görülmektedir. Şekil 4.22 (b) ise AG barasına ait gerilimin harmonik grafiğini göstermektedir. Bu iki sonuca bakıldığında gerilimin dalga şeklinin düzgün olduğu ve harmonik oranlarının standartların altında olduğu görülmektedir. Bu sonuçlar Çizelge 4.14‟ de gösterilmektedir. (a) (b) ġekil 4.22. (a) AG barasına ait gerilimin dalga şekli (b) AG barasına ait gerilimin harmonik grafiği Çizelge 4.14. Simülasyon sonuçlarına göre harmonik oranları Harmonik Oranlar Akım Harmonikleri Gerilim Harmonikleri I5 5,27% V5 0.5% I7 4,50% V7 1% Akım: 341.2 A Gerilim= 384V İkinci durumda kompanzasyon sistemi devreye alınmıştır. Bu durumdaki AG ve OG barasına ait rezonans direncinin değişimi, AG barasının akım ve gerilimin dalga şekilleri ile harmonik oranlarını gösterilmiştir. Bu duruma ait SIMULINK modeli EK-3‟de gösterilmektedir. 72 (a) (b) ġekil 4.23. (a) AG barasına ait rezonans empedansı grafiği (b) OG barasına ait rezonans empedansı grafiği Şekil 4.23 (a)‟da kompanzasyon sistemi devrede iken, AG barasına ait rezonans grafiği görülmektedir. Bu grafik Şekil 3.20 ile kıyaslandığında, pasif harmonik filtresiz kompanzasyon sisteminin eğrisine uymaktadır. Şekil 4.23 (b) ise OG barasına ait rezonans direncinin grafiğini göstermektedir. Şekil 4.24 (a)‟da kompanzasyon sistemi devrede iken, AG barasına ait akımın dalga şekli görülmektedir. Şekil 4.24 (b) Kompanzasyon sistemi devrede iken, AG barasına ait akımın harmonik grafiğini göstermektedir. . Bu iki sonuca bakıldığında harmonik oranların standartların üzerinde olduğu görülmektedir. (a) (b) ġekil 4.24. (a) AG barasına ait akımın dalga şekli (b) AG barasına ait akımın harmonik grafiği Şekil 4.25 (a)‟da kompanzasyon sistemi devrede iken, AG barasına ait gerilimin dalga şekli görülmektedir. Şekil 4.25 (b) Kompanzasyon sistemi devrede iken, AG barasına ait gerilimin harmonik grafiğini göstermektedir. Bu sonuçlar Çizelge 4.15‟de gösterilmektedir. 73 Çizelge 4.15‟e bakıldığında gerilimde artış meydana gelmektedir. Bu endüktif güç kompanzasyonundan ileri gelmektedir. (a) (b) ġekil 4.25. (a) AG barasına ait gerilimin dalga şekli (b) AG barasına ait gerilimin harmonik grafiği Çizelge 4.15. Simülasyon sonuçlarına göre harmonik oranları Harmonik Bozunum Oranları Akım Harmonikleri Gerilim Harmonikleri I5 7,56% V5 1,17% I7 19,44% V7 4,25% Akım: 451,1 A Gerilim= 397,6V Üçüncü durumda, daha önceden bu fabrika için tasarlanan pasif harmonik filtreler kullanılmıştır. Bu durumdaki AG ve OG barasına ait rezonans empedansının değişimi, AG barasının akım ve gerilimin dalga şekilleri ile harmonik oranlarını gösterilmiştir. Bu duruma ait SIMULINK modeli EK-4‟de gösterilmektedir. Şekil 4.26 (a)‟da kompanzasyon sistemi devrede iken, AG barasına ait rezonans grafiği görülmektedir. Bu grafik Şekil 3.20 ile kıyaslandığında, filtreli kompanzasyon sisteminin eğrisine uymaktadır. Burada frekans 210 Hz yakınlarında tutularak empedans artışı engellenir. Şekil 4.26 (b) OG barasına ait rezonans direncinin grafiğini göstermektedir. 74 (a) (b) ġekil 4.26. (a) AG barasına ait rezonans empedansı grafiği (b) OG barasına ait rezonans empedansı grafiği (a) (b) ġekil 4.27. (a) AG barasına ait akımın dalga şekli (b) AG barasına ait akımın harmonik grafiği Şekil 4.27 (a)‟da pasif harmonik filtreli bir sistemde, AG barasına ait akımın dalga şekli görülmektedir. Şekil 4.27 (b) ise pasif harmonik filtreli bir sistemde, AG barasına ait akımın harmonik grafiğini göstermektedir. Bu iki sonuca bakıldığında harmonik bozunum oranların standartların altında olduğu görülmektedir. Şekil 4.28 (a)‟da pasif harmonik filtreli sistemde, AG barasına ait gerilimin dalga şekli görülmektedir. Şekil 4.28 (b) ise pasif harmonik filtreli sistemde, AG barasına ait gerilimin harmonik grafiğini göstermektedir. Bu grafiklerden, harmonik bozunum oranlarının standartların altında olduğu görülmektedir. Burada paralel rezonans frekansının 210 Hz seviyesine çekilmesiyle, paralel rezonans empedansı da o frekans değerine çekilmiştir. 210 Hz seviyesinde harmonik bulunmadığı için harmoniklerin genlikleri de artmamıştır. Bu sonuçlar Çizelge 4.16‟ da gösterilmektedir. 75 (a) (b) ġekil 4.28. (a) AG barasına ait gerilimin dalga şekli (b) AG barasına ait gerilimin harmonik grafiği Çizelge 4.16. Simülasyon sonuçlarına göre harmonik bozunum oranları Harmonik Bozunum Oranları Akım Harmonikleri Gerilim Harmonikleri I5 0,59% V5 0,12% I7 1,36% V7 0,34% Akım: 507,6 A Gerilim= 399,7V 76 5. ARAġTIRMA SONUÇLARI VE TARTIġMA Farklı çalışma koşullarını değerlendirmek ve bunları birbiri ile karşılaştırmak amacıyla, dört farklı fabrikanın enerji besleme sistemlerinde harmonik ölçümler yapılmıştır. Ayrıca bu sistemlerin bilgisayar ortamında yapılan simülasyonları ile , pasif harmonik filtrenin tesise uygunluğu test edilmiştir. Yapılan bu ölçümler sıralanacak olursa ; - Güç transformatörü boşta çalışırken harmoniklerin oranları, - Kompanzasyon kondansatörleri devre dışı iken, harmonik grafiği ve akım ile gerilimin dalga şekilleri, - Kompanzasyon kondansatörleri devre de iken, harmonik grafiği ve akım ile gerilimin dalga şekilleri, - Pasif filtreli kompanzasyon sistemi devrede iken, harmonik grafiği ve akım ile gerilimin dalga şekilleri, - Aynı özelliklerde tasarlanan tesisin bu durumlardaki rezonans empedansı, harmonik grafiği ve akım ile gerilimin dalga şekilleri, 5.1. Güç Transformatörü BoĢta ÇalıĢtırıldığında Harmoniklerin Durumu Sistemlerdeki güç transformatörleri boşta çalıştırıldığında akım harmoniklerinde aşırı bir artış meydana gelmektedir. Çizelge 4.1 ve Çizelge 4.2 „ye bakıldığında buradaki değerler akım harmoniklerinin %90 seviyelerine ulaştığını göstermektedir. Güç transformatörü boşta çalışırken, transformatör şebekeye bağlanmış demir nüveli bir bobin gibi davranır ve mıknatıslanma akımını çeker. Mıknatıslanma akımının dalga şeklini, güç transformatörünün yapımında kullanılan nüvenin manyetik özelliği etkilemektedir. Bölüm 3.2.1.1.‟ de de bahsedildiği gibi, kullanılan malzemenin manyetik özelliği ne kadar iyiyse ve nüve doyuma gitmiyorsa mıknatıslanma akımının dalga şekli sinüse o kadar çok yaklaşmaktadır (Şekil 3.2). Bunun sonucunda mıknatıslanma akımının harmonik etkisi azalmaktadır. 77 5.2. Kompanzasyon Kondansatörleri Devrede Değilken Harmoniklerin Durumu Kompanzasyon sistemi devreden çıkarıldığında harmonik bozunum oranları ciddi bir şekilde düşmektedir. Akım ve gerilimin dalga şeklide sinüse yaklaşmaktadır. Kompanzasyon sistemi devreden çıkarıldığında güç transformatörü paralel rezonansa gelemediği için harmonik bozunum oranları düşer. Fakat bu durumda endüktif güç çekimi arttığından güç faktörü düşmektedir. ġekil 5.1. Kompanzasyon sistemi devre dışında iken harmonik akımları Şekil 5.1‟ de kompanzasyon sistemi devre dışı olduğunda harmonik akımlarının durumu görülmektedir. Bu durumda harmonik akımları transformatöre doğru yönlenecektir (Whittle, 2010). 5.3. Kompanzasyon Kondansatörleri Devredeyken Harmoniklerin Durumu İki ayrı fabrikada iki farklı analizörle kompanzasyon sistemi devredeyken ölçümler yapılmıştır. Ölçüm sonuçlarında harmonik oranları standartların üzerinde çıkmıştır. Bunun nedeni kompanzasyon kondansatörleri ile güç transformatörünün paralel rezonansıdır. Şekil 5.2, kompanzasyon kondansatörleri devrede iken harmonik akımlarını göstermektedir. Bu durumda harmonik üreten yük sabit bir akım kaynağı gibi modellenir. Harmonik frekansında kompanzasyon kondansatörleri ile güç transformatörü paralel rezonansa gelirse toplam empedans yükselir. Yüksek empedansın 78 etkisiyle harmoniğin gerilimi artar ve temel gerilim dalgasını bozar. Bozulan gerilim sonucunda yüksek değerde harmonikli akımlar oluşur (Whittle, 2010). ġekil 5.2. Kompanzasyon sistemi devrede iken harmonik akımları ġekil 5.3. Paralel rezonans esnasında harmonik akımının sirkülasyonu Şekil 5.3‟de görüldüğü gibi paralel rezonans esnasında kondansatörlerde depolanan enerji endüktansa gönderilir. Endüktansta depolanan enerji ise kondansatörlere devredilir (Whittle, 2010). 5.4. Seri Reaktörlü Pasif Harmonik Filtreli Tesislerde Harmoniklerin Durumu Pasif harmonik filtrenin kullanıldığı tesislerde yapılan ölçüm sonuçlarında akım ve gerilim harmoniklerinin seviyeleri standartların altında veya standartlara yakın çıkmıştır. Bunun sebebi ise kullanılan pasif filtrenin, kompanzasyon kondansatörleri ile güç transformatörü arasında oluşan paralel rezonans frekansını harmonik frekansından uzaklaştırmasıdır. Rezonans frekansı harmonik frekanslarından farklı bir değere 79 çekilerek, harmonik akımlarının yüksek dirençle karşılaşması engellenir. Böylece gerilim seviyeleri artamadığından temel gerilim dalgasını da bozamaz. Şekil 4.4‟de pasif filtre ile rezonans frekansını kaydıran devre görülmektedir. Tasarlanan harmonik filtrelerde filtreleme faktörü p ya %5,67 ya da %7 seçilmiştir. Burada p=%5,67 210Hz ‟e , p=%7 ise 189 Hz ‟e denk gelmektedir. Yani rezonans frekansı 210 Hz veya 189 Hz değerine çekilmektedir. ġekil 5.4. Paralel rezonans frekansının pasif filtre kaydırılması Şekil 3.20‟ ye bakıldığında şebeke empedansının doğrusal bir şekilde olduğu görülmektedir. Kompanzasyon sisteminin devreye girmesiyle bu doğrusallık bozularak empedans artmaktadır. Pasif filtre kullanılmasıyla paralel rezonans frekansı, fr noktasına çekilir. Böylece sistemin rezonans frekansı harmonik frekanslarından uzaklaştırılmış olur. 5.5. Paralel Rezonans Frekansı, Harmonik Akım ve Gerilimin Matematiksel Olarak Hesaplanması Rezonans olayının etkisini matematiksel olarak göstermek, ölçümlerle teorik hesaplamaların hangi noktalarda en iyi seviyede örtüştüğünü saptamak için Alçı fabrikasında yapılan ölçüm sonuçları, matematiksel olarak hesaplanmıştır. Buna göre hesaplama sonucunda rezonans frekansını etkileyen parametreler tespit edilmiştir. Şekil 5.5 de Alçı fabrikasının indirici merkezden itibaren AG barasına kadar olan tek hat şeması gösterilmektedir. 80 1,1+j3,3 Ω 0,44+j0,71 Ω 477 MCM 266 MCM 3 AWG 11km 2km 500m 154/31.5kV 100MVA 0,321+j0,12 Ω 0,021+j0,0568 Ω 1x50+16mm² XLPE 80m 31.5/0,4kV 1250kVA 0,09+j0,0028 Ω 5x50kVAr ġekil 5.5. Alçı fabrikasına ait indirici merkezden AG devresine kadar olan endüktif ve omik direnç diyagramı Enerji nakil hattında bulunan iletkenler ve bunların 50 Hz frekansındaki empedans değerleri kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Hesaplamalar sonucunda elde edilen veriler ile ölçülen değerler karşılaştırılmıştır. Buna göre en uygun hesaplama noktası tespit edilmiştir. İlk önce hat parametrelerinin paralel rezonans frekansına etkisi incelenmiştir. Bazı literatürlerde rezonans frekansı hesaplanırken, enerji nakil hattının empedansı ile kompanzasyon kondansatörleri hesaba katılmıştır (Currence ve ark., 1995). Bazı literatürlerde ise rezonans frekansı için sadece güç transformatörü ile kompanzasyon kondansatörlerinin hesaba katılması istenmiştir (Zheng ve ark., 2010). Hat parametrelerini hesaba katarak paralel rezonans frekansı denklem (5.1) ile hesaplanmıştır. f 1 2 LC (5.1) Burada L toplam endüktans, C ise fabrikanın çalışması esnasında devrede olan kondansatörlerin toplam kapasitansıdır. Toplam endüktif direnç X L ile ifade edilmektedir. 50 Hz frekans değerindeki toplam endüktif direnç; XL=j(3,3+0,71+0,12+0,0568+0,008+0,00115+0,00124)= j4,1972 Ω Toplam endüktans ise denklem (5.2) ile hesaplanmış ve L=0,0133 H olarak bulunmuştur. L XL 2 f (5.2 ) 50 Hz frekans değerindeki toplam kapasitif direnç X c ile ifade edilmektedir. Burada toplam kapasitif direnç denklem (5.3) ile hesaplanmıştır. Toplam kapasitans ise denklem (5.4) ile hesaplanmış ve C=0,004975 F olarak bulunmuştur. 81 Xc V2 Q Xc 4002 0, 64ohm 250.103 C (5.3) 1 2 fX c (5.4) Toplam hat parametreleri hesaplanırken enerji nakil hattının kapasitif etkisi ihmal edilmiştir. Buradaki kapasite kompanzasyon kondansatörlerinin kapasitesinden çok küçüktür. Bu veriler ile denklem (5.1) kullanılarak paralel rezonans frekansı; f 1 19,56 Hz 2 0, 0133.0, 004975 olarak hesaplanmıştır. OG parametreleri de kullanıldığından toplam endüktans artmış ve paralel rezonans frekansı olarak 19,56 Hz bulunmuştur. Şekil 5.6‟da enerji nakil hattı, güç transformatörü, AG güç kabloları ile kompanzasyon kondansatörlerinin paralel rezonans devresi gösterilmektedir. RH +RK XC XH+XT+XK ġekil 5.6. Havai hat, güç transformatörü ve AG güç kablolarının toplam empedansı ile kompanzasyon kondansatörlerinin paralel rezonans devresi Rezonans frekansındaki endüktif direnç denklem (5.5) ile hesaplanmıştır. Omik direnç frekansın değişimden etkilenmediği için hepsinin toplamı alınmıştır. X L 2 fL X L 2 fL 2 .19,5.0,0133 j1,62 Ω Omik direnç ise ; R= 1,92Ω (5.5) olarak hesaplanır. Kompanzasyon sisteminin toplam kapasitesi denklem (5.4) ile hesaplanarak C=0,004975 F olarak hesaplanmıştı. Rezonans frekansındaki kapasitif direnç ise denklem (5.6) ile hesaplanmıştır. XC 1 2 fC (5.6) 82 1 1 j1, 64 Ω değerindedir. 2 fC j 2 .19,5.0, 004975 XC Eşdeğer empedans denklem (5.7) ile hesaplanmıştır. Rrez ( R jX L ).( jX C ) ( R jX L jX C ) Rrez (1,92 j1, 62).( j1, 64) 2, 65 j3,14 4,1 49,8 2,14 49, 2 Ω (1,92 j1, 62 j1, 64) 1,92 j 0, 02 1,92 0,59 (5.7) Diğer frekans değerleri için de aynı hesaplama yapılarak Şekil 5.7 elde edilmiştir. 2,5 Empedans [ohm] 2 1,5 1 0,5 0 5 10 15 20 50 150 250 350 450 Frekans [Hz] ġekil 5.7. Frekansa göre direnç değişimi Şekil 5.7‟ den de görüldüğü gibi, en yüksek direnç değeri paralel rezonans frekansı olan 19,56Hz değerindedir. İkinci durumda OG hattı hariç tutularak, güç transformatörü ve AG güç kabloları ile kompanzasyon kondansatörlerinin paralel rezonans durumu değerlendirilmiştir. RK XC XT+XK ġekil 5.8. Güç transformatörü ve AG güç kabloları ile kompanzasyon kondansatörlerinin paralel rezonans devresi 83 Şekil 5.8‟ de güç transformatörü ve AG kablolarının toplam empedansları ile kompanzasyon kondansatörünün paralel rezonans devresi görülmektedir. Bu devrenin rezonans frekansı denklem (5.1) ile hesaplamıştır. 50 Hz frekansındaki toplam endüktif direnç XL=j(0,008+0,00115+0,00124)= j0,01Ω olarak bulunmuştur. Toplam endüktans denklem (5.2) ile hesaplanmış ve L = 33µH olarak bulunmuştur. Toplam kapasitans olan C ise denklem (5.4) ile hesaplanmış ve C=0,004975 F olarak bulunmuştur. Rezonans frekansı denklem (5.1) ile hesaplanmıştır. f 1 2 33.106.0, 004975 392 Hz Paralel rezonans frekansındaki eşdeğer direnci hesaplamak için X L ve XC değerlerinin hesaplanması gerekmektedir. Çünkü endüktif ve kapasitif dirençlerin değerleri frekansın değişiminden etkilenmektedir. Endüktif direnç olan X L denklem (5.5) ile hesaplanmış ve XL = j0,0812Ω olarak bulunmuştur. Kapasitif direnç olan X C ise denklem (5.6) ile hesaplanmış ve XC = -j0,0816Ω olarak bulunmuştur. Rezistif direnç olan R = 0,09Ω olarak hesaplanmıştır. Eşdeğer rezonans empedansı ise denklem (5.7) kullanılarak hesaplanmıştır. Direnç değeri farklı frekans değerlerinde hesaplanarak Şekil 5.2 oluşturulmuştur. Rrez (0, 09 j 0, 0812).( j 0, 0816) 0, 0066 j 0, 0073 0, 0098 47,8 0,1 47,5 (0, 09 j 0, 0812 j 0, 0816) 0, 09 j 0, 0004 0, 09 0, 25 Şekil 5.9‟ da frekans değerine göre direnç değişim grafiği görülmektedir. Grafiğe bakıldığında frekans 350 Hz değerindeyken direnç, diğer frekans değerlerine göre daha yüksektir. Şekil 5.9, Şekil 4.23(a) ile karşılaştırıldığında aralarında 42 Hz fark olduğu görülmüştür. Ölçüm sonuçlarına bakıldığında baskın harmonik olarak 7. Harmonik görülmektedir. Rezonans frekansını 350 Hz olarak alabiliriz. Hesaplamalara bakıldığında rezonans frekansına ikinci durumda daha çok yaklaşıldığı görülmektedir. Şekil 5.9‟ a bakıldığında rezonans frekansında yani 392 Hz değerinde direncin en üst seviyeye ulaştığı görülmektedir. Yani rezonans frekansının oluşumunda transformatör, AG güç kablosu ve kompanzasyon kondansatörlerinin etkisi olduğu anlaşılmaktadır. Rezonans frekansının oluşumunda OG kabloları ve enerji nakil hattının ciddi bir etkisi yoktur. Ölçülen ve hesaplanan rezonans frekansları arasında 42 Hz lik bir fark görülmektedir. Bu fark, teoride hesaplanan güç transformatörünün endüktif direnci ile kompanzasyon kondansatörlerinin kapasitif direncinin doğrusal olmayışından 84 kaynaklanmaktadır. Çünkü kondansatörlerin yaşlanması dikkate alındığında kapasitelerinde belli bir düşüş yaşanacaktır. Bu da kondansatörlerin dirençlerini etkileyecektir. Hesaplama kısmında bu durumlar göz önünde bulundurulmadığından dolayı fark oluşmaktadır. 0,14 Empedans [ohm] 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 için kendi Frekans [Hz] ġekil 5.9. Toplam direncin frekansa göre değişimi OG hattının rezonans frekansını değerlendirmek içindeki parametrelerinden yararlanmak gerekmektedir. Yani transformatörün AG tarafı hesaba katılmadan OG hattının kendi endüktansı ve kendi kapasitansı hesaplanmalı ve bu değerler ile rezonans frekansı bulunmalıdır. OG hattının rezonans frekansını hesaplamada hattın empedansı ve kapasitansı önemlidir. OG hattında bulunan iletkenler 477 MCM, 266MCM, 3 AWG, 1x50+16mm2 XLPE (36kV) kablodan oluşmaktadır. İletkenlerin endüktif dirençleri üretici firmanın kataloğundan alınmıştır. Kapasitansı ise denklem (5.8) ile hesaplanmıştır. XLPE kablonun endüktif ve kapasitif direnç değerleri de katalogdan alınmıştır. C 2 D ln e r Burada r, (5.8) iletkenin yarıçapı, De iletkenler arası uzaklıktır. ε değeri ise 8,85.10-12 C²/Nm² dir. Denklem (5.5) kullanılarak iletkenlerin kapasiteleri F/m cinsinden hesaplanmıştır. Bunlar aşağıda sıralanmıştır. 85 C477= 10,12.10-9 F/m, C266= 9,68.10-9 F/m, C3AWG= 8,47.10-9 F/m, CXLPE = 0,125 F/km şeklindedir. Toplam endüktans ise endüktif dirençlerin toplanmasıyla bulunmuştur. 50Hz frekans değerindeki toplam endüktif direnç XL=j(0,0568+0,12+0,71+3,3)=j4,18Ω dur. Denklem (5.2) ile endüktans L= 0,0133 H olarak bulunur. Toplam kapasitans olan CT=0,000134F olarak hesaplanmıştır. Bu hesaplamalara göre rezonans frekansı denklem (5.1) ile hesaplanmış ve f=119Hz olarak bulunmuştur. Rezonans frekansındaki endüktif direnç denklem (5.5) ile hesaplanmıştır. Omik direnç, frekansın değişimden etkilenmediği için hepsinin toplamı alınmıştır. X L 2 .119.0,0133 j9,94 Ω olarak hesaplanır. Omik direnç ise R= 1,88Ω dur. Enerji nakil hattının toplam kapasitesi CT= 0,000134 F olarak hesaplanmıştı. Rezonans frekansındaki kapasitif direnç ise denklem (5.6) ile hesaplanmıştır. XC 1 j9,98 Ω değerindedir. j 2 .119.0, 000134 Eşdeğer direnç denklem (5.7) ile hesaplanmaktadır. Rrez (1,88 j9,94).( j9,98) 99, 2 j18, 7 100,9 10, 6 53, 69 10, 48 Ω (1,88 j9,94 j9,92) 1,88 0, 004 1,88 0,12 Diğer frekans değerlerin de aynı hesaplama yapılarak Çizelge 5.3 elde edilmiştir. Şekil 5.10‟ dan da görüldüğü gibi en yüksek direnç değeri, paralel rezonans frekansı olan 119 Hz değerindedir. Çizelge 5.3 simülasyon sonuçlarından alınan OG hattının rezonans direnci grafiği ile uyuşmaktadır. Bu üç durumdan da görülüyor ki OG ve AG hatlarındaki rezonans olayları birbirini ciddi anlamda etkilememektedir. Fakat OG hattının rezonans direnci AG hattının rezonans direncinden daha büyüktür. Hesap yapılırken sistemler ayrı ayrı ele alınmalıdır. Sistemin rezonans frekansı hesaplandıktan sonra bu frekans değerine göre akım ve gerilim hesaplaması yapılmıştır. Bu hesaplamalar yapılırken ölçüm sonuçları ile en uygun sonuçların yakalandığı noktayı tespit etmek için 3 farklı durum göz önünde bulundurulmuştur. Bunlardan birincisinde; sadece güç transformatörü ve AG güç kablolarının empedans değerleri hesaba katılmış, ikincisinde; güç transformatörü, AG güç kabloları ve enerji nakil hattına bağlantı yapılan OG kablosunun empedans değerleri ile hesap yapılmış ve üçüncüsünde ise enerji nakil hattı dahil tüm empedans değerleri ile kompanzasyon kondansatörleri ve bu transformatörden beslenen yük direnci hesaba katılmıştır. 86 60 Empedans [ohm] 50 40 30 20 10 0 10 20 50 100 119 150 250 350 450 550 Frekans [Hz] ġekil 5.10. Frekansa göre direnç değişimi İlk olarak güç transformatörü ve AG güç kabloları ile kompanzasyon kondansatörlerinin rezonansı esnasında yük ile birlikte meydana gelen 7.harmonik akımının ve geriliminin değerleri hesaplanmıştır. RK XC Zy XT+XK Z2 Z1 ġekil 5.11. Güç transformatörü, AG güç kabloları, kompanzasyon kondansatörleri ve yük direncinin paralel rezonansını gösteren devre Şekil 5.11‟ de güç transformatörü, güç kabloları, kompanzasyon kondansatörleri ve yük direncini gösteren devre görülmektedir. Burada güç transformatörü ve AG kabloları seri empedansı ile kompanzasyon kondansatörleri ve yük direnci paralel rezonans oluşturmaktadır. Bu devreye göre eş değer empedans hesaplanmış ve buradan alınan eş değer empedans değeri ile harmonik akımı hesaplanmıştır. Eş değer empedans hesaplanırken ilk önce Z1 empedansı, daha sonra ise Z2 empedansı hesaplanmıştır. Alçı fabrikasının ölçüm sonuçlarına göre 1. fazındaki akım 451 A, gerilimi ise 224,5 V (F-N) dur. Bu değerlere göre sistemde mevcut güç 321 kW dır. Bu esnadaki kompanzasyon gücü ise 250kVAr dır. Rezonans frekansına en yakın harmonik derecesi 87 7. harmoniktir. Ölçüm sonuçlarına bakıldığında sistemde 7. harmonik oranının en yüksek olduğu görülmektedir. Sistemde baskın olarak 7. harmonik olduğundan 7.harmoniğin akım ve gerilim değerleri hesaplanmıştır. 7. harmoniğin frekansı 350 Hz olduğundan ,bu frekans değerinde endüktif ve kapasitif dirençler hesaplanmıştır. Frekans değeri 50 Hz iken toplam endüktif yük olan X L= j0,0107 Ω, omik direnç olan R= 0,09 Ω olarak hesaplanmıştır. Toplam endüktans ise denklem (5.2) ile hesaplanmış ve L = 33 µH olarak bulunmuştur. Bu değerlere göre toplam endüktans denklem (5.5) ile hesaplanmış ve 350 Hz frekans değerindeki toplam empedans hesaplanmıştır. X L 2 .350.33.106 2,1.103 Ω Zt= 0,09+j0,0021Ω Z1 empedansı denklem (5.6) ile hesaplanmıştır. Z1 X C .ZY X C ZY Z1 0, 476.( j 0,091) 0, 476 j 0,091 0,004 j 0,02 . 0,017 j 0,085 0,087 78,8 Ω 0, 476 j 0,091 0, 476 j 0,091 0, 234 (5.6 ) Z2 empedansı denklem (5.7) ile hesaplanmıştır. Z2 Z2 Z1.Zt Z1 Zt (5.7) (0,017 j 0,085).(0,09 j 0,0021) 0,0017 j 0,0076 0,0078 77, 4 0,057 38, 2 (0,017 j 0,085) (0,09 j 0,0021) 0,107 j 0,0871 0,137 39,14 Hesaplanan bu Z2 empedans değerine göre 7.harmoniğin akım ve gerilim değerleri hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar 3 faz için ayrı ayrı yapılmıştır. Çünkü her fazın harmonik değerleri ayrı ayrı ölçülmüştür. Ayrıca fazlar arasında küçük de olsa akım ve gerilim değerlerinde dengesizlik bulunmaktadır. Yük direnci her 3 fazda aynı değerde kabul edilmiştir. 1.faz için akım değeri 451 A, gerilim değeri 224,5 V dur. Burada 7. harmonik akımı %19,5 , 7. harmonik gerilimi ise %2,9 olarak ölçülmüştür. Gerilimdeki bozunum %2,9 kabul edilirse, 7.harmonik akımının değeri denklem (5.8) ile hesaplanmıştır. V= I.Z2 (5.8) Bu hesap sonucuna göre 7. harmonik akımının değeri 114,2 A dir. Bu değer ise temel akımın %25,3 değerine denk gelmektedir. Ölçüm sonucunda %19,5 bulunan 7. harmonik akım değeri, hesaplama sonucunda %25,3 olarak bulunmuştur. 88 7. harmonik akımının değeri %19,5 kabul edilerek, 7. harmoniğin gerilim değeri, denklem (5.8) ile hesaplanmıştır. Bu hesap sonucuna göre 7. harmonik gerilimi 5,01 V olmakta ve bu değer temel gerilimin %2,2‟ sini oluşturmaktadır. Bu hesaplamalar her faz için ayrı ayrı yapılmıştır. Sonuçlar Çizelge 5.4‟ de gösterilmektedir. Çizelge 5.3. 7. Harmoniğe ait akım ve gerilimin faz başına ölçülen ve hesaplanan değerleri Temel Frekans Dalgası 1.Faz 2.Faz 3.Faz Ölçülen Değer Hesaplanan değer Akım (A) 451 87,9 19,50% 114,2 25,30% Gerilim (V) 224,5 6,51 2,90% 5,01 2,20% Akım (A) 481 72,15 15,00% 88,9 18,40% Gerilim (V) 225,7 5,07 2,25% 4,11 1,80% Akım (A) 493 64,09 13,00% 78,9 16,00% Gerilim (V) 225,5 4,5 2,00% 3,6 1,60% Çizelge 5.3‟ de 7. harmoniğe ait akım ve gerilim değerleri ile bunların temel dalgaya olan oranları görülmektedir. İkinci durumda; güç transformatörü, AG kabloları ve OG kablosunun empedansları toplanarak hesaplamalar yapılmıştır. Güç transformatörü, AG ve OG kablosu ile kompanzasyon kondansatörleri ve yük direncinden oluşan devre Şekil 5.9‟ da gösterilmektedir. Şekil 5.12‟ de gösterilen eşdeğer devrenin eşdeğer empedansının hesaplanmasıyla, 7.harmoniğin akım ve gerilim değerleri hesaplanmıştır. Eşdeğer devrenin hesaplanması için öncelikle transformatör ve kabloların toplam empedans değerleri hesaplanmıştır. 50 Hz frekans değerinde, toplam endüktif direnç değeri olan XL ile toplam direnç değeri olan R aşağıda hesaplanmıştır. RK+RYG XC Zy XT+XK+XYG Z2 Z1 ġekil 5.9. Güç transformatörü, AG ve OG kablosu ile kompanzasyon kondansatörleri ve yük direncinden oluşan devre Şekil 2.6 da gösterilmektedir. XL=j(0,008+0,00115+0,00124+0,0568)= j0,067Ω 89 R= (0,00386+0,086+0,021)=0,11Ω 50 Hz frekans değerindeki toplam endüktans denklem (5.2) ile hesaplanmış ve L = 213µH olarak bulunmuştur. Endüktif direncin değeri frekansa göre değişmektedir. Yaklaşık rezonans frekansı olarak 350Hz kabul edilirse, endüktif direnç denklem (5.5) ile hesaplanmış ve XL=0,47 Ω olarak bulunmuştur. Toplam empedans değeri ise denklem (5.9) da gösterilmektedir. Zt Ztr Z k ZYG (5.9) Zt= 0,11+j0,47Ω olarak bulunur. Yük direncinin değişmediği varsayılmış ve 0,476 Ω olarak alınmıştır. Eşdeğer devreye bakıldığında Z1 ve Z2 empedansları görülmektedir. Bu empedans değerlerinden Z1 empedansı denklem (5.6) ile, Z2 empedansı da denklem (5.7) ile hesaplanmıştır. Z1 0, 476.( j 0,091) 0, 476 j 0,091 0,004 j 0,02 . 0,017 j 0,085 0,087 78,8 0, 476 j 0,091 0, 476 j 0,091 0, 234 Z2 (0,017 j 0,085).(0,11 j 0, 47) 0,042 j 0,0014 0,042 1,9 0,103 72,9 (0,017 j 0,085) (0,11 j 0, 47) 0,127 j 0,385 0, 405 71 Z2 eşdeğer empedansı hesaplandıktan sonra 1. durumda yapılan hesaplamalar sıra ile yapılmış ve 7. harmonik için Çizelge 5.5 oluşturulmuştur. Çizelge 5.4‟ de güç transformatörü ve AG kablolarına ek olarak 1x50+16mm2 XLPE kablo parametreleri de eklenerek 7.harmonik akımı ve gerilimi hesaplanmıştır. Çizelge 5.4. 7. Harmoniğe ait akım ve gerilimin faz başına ölçülen ve hesaplanan değerleri Temel Frekans Dalgası 1.Faz 2.Faz 3.Faz Ölçülen Değer Hesaplanan değer Akım (A) 451 87,9 19,50% 63,2 14,00% Gerilim (V) 224,5 6,51 2,90% 9,05 4,00% Akım (A) 481 72,15 15,00% 49,2 10,20% Gerilim (V) 225,7 5,07 2,25% 7,4 3,20% Akım (A) Gerilim (V) 493 225,5 64,09 4,5 13,00% 2,00% 43,6 6,6 8,80% 2,90% Üçüncü durumda; toplam hat parametreleri OG yeraltı kablosu ve havai hat parametreleri hesaba katılarak 7.harmonik için akım ve gerilim değerleri hesaplanmıştır. 90 RK+RH XC Zy XT+XK+XH Z2 Z1 ġekil 5.13. Güç transformatörü, AG kabloları, OG kablosu havai hat iletkenleri, kompanzasyon kondansatörleri ve yük direncinden oluşan paralel rezonans devresi Şekil 5.13‟ de üçüncü duruma ait paralel rezonans devre şeması görülmektedir. Bu durumda, ikinci duruma göre toplam empedans artmıştır. Toplam endüktif direnç 50Hz frekans değerinde hesaplamış ve toplam endüktans, denklem (5.2) ile hesaplanmıştır. XL=j(0,008+0,00115+0,00124+0,0568+0,12+0,71+3,3)=j4,2Ω ve L = 0,013 H olarak bulunur. 350Hz değerindeki endüktif direnç ise denklem (5.5) kullanılarak hesaplanmıştır. Toplam omik direnç de hesaplanarak, toplam empedans denklem (5.9)‟ da gösterilmiştir. X L 2 fL 2 .350.0,013 28,5 Ω R= (0,00386+0,086+0,021+0,321+0,44+1,1)=1,9Ω Zt Ztr Z k Z H (5.9) Zt= 1,9+j28,5Ω Yük direncinin değişmediği varsayılarak Z1 empedansı denklem (5.6) kullanılarak hesaplanmıştır. Z1 0, 476.( j 0,091) 0, 476 j 0,091 0,004 j 0,02 . 0,017 j 0,085 0,087 78,8 Ω 0, 476 j 0,091 0, 476 j 0,091 0, 234 Z2 eşdeğer empedansı ise denklem (5.7) kullanılarak hesaplanmıştır. Z2 (0,017 j 0,085).(1,9 j 28,5) 2, 43 j 0,32 2, 45 7,5 0,086 78,63 Ω (0,017 j 0,085) (1,9 j 28,5) 1,92 j 28, 4 28, 46 86,13 Eşdeğer empedansın hesaplanmasıyla Çizelge 5.5 oluşturulmuştur. Çizelge 5.4, 5.5 ve 5.6 incelendiğinde, 7. harmonik akım ve geriliminin, ölçüm sonuçları ile hesaplama sonuçları arasındaki farkın en az olduğu durum 3. durumdur. Harmonik akım ve gerilimin hesaplanmasında, rezonans frekansı hesabının aksine, OG kablosu ve havai hat empedansı kullanılmalıdır. Çünkü rezonans olayı güç transformatörünün AG empedansı ile kompanzasyon kondansatörlerinin arasında gerçekleşmesine rağmen, rezonans esnasında yükselen empedansın etkisiyle bozulan 91 gerilim, OG barasına da yansımaktadır. Yani harmonik akımları OG kısmına da geçerler. Dolayısıyla akım, OG kısmını da izlediği için buradaki direnç harmonik akımının ve geriliminin genliğine etki etmektedir. Çizelge 5.5. 7. Harmoniğe ait akım ve gerilimin faz başına ölçülen ve hesaplanan değerleri Temel Frekans Dalgası 1.Faz 2.Faz 3.Faz Ölçülen Değer Hesaplanan değer Akım (A) 451 87,9 19,50% 75,69 16,70% Gerilim (V) 224,5 6,51 2,90% 7,5 3,30% Akım (A) 481 72,15 15,00% 59 12,00% Gerilim (V) 225,7 5,07 2,25% 6,2 2,70% Akım (A) 493 64,09 10,60% 52,3 8,00% Gerilim (V) 225,5 4,5 2,00% 5,5 2,40% Ölçüm sonuçları ve simülasyon sonuçları değerlendirilerek, hesaplamalarda en uygun noktalar belirlenmiştir. Bu noktaların belirlenmesinde her üç çalışmanın da çakıştığı ortak noktalar etkili olmuştur. Bu tezde yapılan çalışmalar birçok literatürle karşılaştırılmıştır. Currence ve ark. (1995), yaptıkları çalışmada orta ölçekli endüstriyel tesislerde harmoniklerden dolayı meydana gelen rezonans olayını incelemişlerdir. Bu çalışmada paralel rezonans frekansı bulunurken, toplam empedans hesabında, güç transformatörünün empedansının yanında OG şebekesinin hat empedansı da eklenmiştir. Şebeke frekans değeri 60 Hz olarak kabul edilmiştir. Bu durumda paralel rezonans frekansı 336 Hz olarak hesaplanmıştır. Fakat tesiste 7. harmoniğin baskın olduğu kabul edilmiş ve hesaplamalarda rezonans frekansı olarak 420 Hz seçilmiştir. Aradaki fark yaklaşık olarak 86 Hz dir. Tez çalışmasında ise, toplam empedans olarak güç transformatörü ve güç kablolarının empedansı alınmıştır. Paralel rezonans frekansı 392 Hz olarak hesaplanmış ve paralel rezonans frekansı da 350 Hz olarak kabul edilmiştir. Ölçüm sonuçlarına bakıldığında 7.harmoniğin baskın olduğu görülmüştür. Hesaplama ile ölçüm sonuçları arasındaki fark 42 Hz dir. Görüldüğü üzere bu tezde hesaplanan rezonans frekansı gerçeğe daha yakındır. Harmonik akım ve gerilim hesabında, Currence ve ark. (1995), toplam empedans hesabında, sadece güç transformatörünün empedansını almıştır. Bu durumda hesaplama sonuçları ile ölçüm sonuçları arasında % 5 civarında bir fark oluşmuştur. Bu tezde ise hesaplama sonuçları ile ölçüm sonuçları arasında % 3 civarında bir fark oluşmuştur. 92 Pongsnwat ve ark.(2004) harmonik akım ve gerilim hesabı için toplam empedansı bu tezde kullanılan yöntem ile yapmıştır. Bildiride matematiksel sonuçlar alınmamış fakat empedans hesaplamak için gereken formüller verilmiştir. El-Sadek ve ark.(2006) 11kV luk bir tesisin paralel rezonans empedansını hesaplamak için bazı formüller vermiştir. Bu formülleri elde etmek için kapasitörler, sistem empedansı ve yük direnci paralel olarak alınmıştır. Matematiksel sonuçlara gidilmemiş sadece formüller verilmiştir. Zheng ve ark.(2010) AG tesisinin paralel rezonans frekansının hesabında kullanılan formülde, transformatör empedansı ile kompanzasyon kondansatörlerinin kapasitansını kullanmıştır. Bu çalışmada matematiksel sonuçlara yer verilmemiştir. 93 6.SONUÇLAR ve ÖNERĠLER 6.1 Sonuçlar Harmoniklerin elektrik tesislerindeki olumsuz etkilerini önlemek amacıyla çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Harmoniklerin oluşumunu engellemek için güç transformatörlerinde, alternatörlerde, statik dönüştürücülerde bir dizi önlemler alınmıştır. Fakat bu önlemler elektrik cihazının bazı harmonikleri üretmesini engeller. Sistemde yüksek oranda bulunan çeşitli derecedeki harmoniklerin bastırılmasında pasif filtreler kullanılmıştır. Pasif filtrenin uygulamalarda kullanılmasının sebebi, aktif filtrenin maliyetinin yüksek olmasıdır. Pasif filtrelerin maliyetinin uygunluğu ve kullanımının kolay olması, yük çeşidi değişmeyen fabrikalarda tercih sebebidir. Elektrik tesislerinde harmoniklerin artmasına neden olan asıl etken kompanzasyon kondansatörleridir. Kompanzasyon kondansatörleri, tesiste bulunan güç transformatörü ve güç kablolarının toplam endüktansı ile paralel rezonans oluşturmaktadır. Paralel rezonans durumunda sistemin empedansı artar. Bu empedans değeri paralel rezonans frekansında en yüksek değerine ulaşır. Rezonans frekansı harmonik frekansında veya harmonik frekansına yakın bir değerde ise harmonik bozunum miktarı artmaktadır. Çünkü harmonik üreteçleri sabit akım kaynağı olduğundan , harmonik akımları yüksek empedansla karşılaşınca gerilimleri artar. Harmoniklerin geriliminin artması, birinci harmonikteki gerilim düşümlerinin artmasına neden olur ve gerilimin dalga şekli bozulur. Bozulan gerilim dalgası, sistemde daha büyük harmonik akımlarının oluşmasına neden olur. Pasif filtre kullanılmayan tesislerde yapılan ölçümlerde, kompanzasyon kondansatörleri devreye alınınca harmonik bozunum oranları standart değerlerin üzerine çıkmıştır. Kompanzasyon kondansatörleri devre dışı bırakıldığında ise paralel rezonans olayı meydana gelmediğinden dolayı harmonik bozunum oranları düşmüştür. Harmoniklerin genliklerinin artmasını engellemek için paralel rezonans frekansını, harmoniklerin frekansından uzaklaştırmak gerekir. Bunun için seri reaktörlü pasif filtre kullanılmıştır. Seri reaktörlü pasif filtre, paralel rezonans frekansını kendi 94 frekans noktasına çeker. Böylece harmonikler yüksek empedansla karşılaşamaz ve gerilimlerinin genlikleri de artmaz. Seri reaktörlü pasif filtre bulunan iki fabrikada ölçümler yapılmıştır. Bu fabrikalar, kalsit fabrikası ve Mercedes Benz Türk Kamyon fabrikasıdır. Kalsit fabrikasında, güç transformatörünün AG barasında ölçümler yapılmıştır. Bu tesiste kompanzasyon sisteminde, filtreleme faktörü %5,67 olan seri reaktörlü pasif filtre kullanılmıştır. Kompanzasyon sistemin devre dışı iken yapılan ölçümlerde, harmonik bozunum oranları standart değerlerin altında çıkmıştır. Kompanzasyon sistemi devreye alınınca kondansatörlerin de etkisiyle harmonik bozunum oranlarında artış olmuş, fakat oranlar standartlara yakın değerde kalmıştır. Mercedes Benz Türk Kamyon fabrikasında, hem AG hem de OG barasından ölçümler yapılmıştır. Bu fabrikada çeşitli güçlerde, 6 adet güç transformatörü bulunmaktadır. Bunların hepsinin kompanzasyon sisteminde, filtreleme faktörü %5,67 olan seri reaktörlü pasif filtre kullanılmıştır. Bu tesiste bulunan 1600kVA gücündeki transformatörün AG barasından yapılan ölçümlerde, harmonik bozumun oranlarının standartların altında olduğu görülmüştür. OG barasından yapılan ölçümlerde ise harmonik bozunum oranlarının yine standartların altında olduğu görülmüştür. Kalsit fabrikası ve Mercedes Benz Türk Kamyon fabrikasında yapılan ölçüm sonuçlarında, seri reaktörlü pasif filtrelerin harmonikleri filtrelemede yararlı olduğu görülmektedir. Filtreler AG deki harmonikleri bastırdığı için OG barasına da olumlu etki yapmıştır. Seri reaktörlü harmonik filtre tasarımında kullanılan hesap yönteminin doğruluğunu sınamak için bu fabrikalara yeniden filtre tasarlanmıştır. Seri reaktörlü pasif filtre için hesaplanan kapasitans ve endüktans değerleri ile mevcut filtrenin kapasitans ve endüktans değerleri birbirlerine yakındır. Tüm bu çalışmaları bilgisayar ortamında görmek ve tasarlanan filtrelerin uygunluğunu denemek için MATLAB/SIMULINK programı ile simülasyon yapılmıştır. Simülasyon programında 7.harmonik ve 5.harmonik değerleri alçı fabrikasındaki harmonik değerlerine yakın bir fabrika tasarlanmıştır. Bu fabrikada kompanzasyon sistemi devre dışı iken yapılan ölçümlerde, harmonik bozunum oranları düşük değerdedir. Şebeke empedansı da doğrusaldır. Kompanzasyon sisteminde seri reaktörlü filtre yokken yapılan ölçümlerde, harmonik bozunum oranlarının standartların çok üstünde olduğu görülmektedir. Paralel rezonans frekansı 350Hz civarında ve toplam empedans, paralel rezonans frekansında en üst seviyeye ulaşmıştır. 95 Kompanzasyon sisteminde, alçı fabrikası için tasarlanan seri reaktörlü pasif filtre kullanıldığında, paralel rezonans frekansı 210 Hz değerine çekilmiştir. Toplam empedans, frekansın 210 Hz değerinde en üst seviyeye ulaşmış ve bundan sonra doğrusal olmuştur. 210 Hz seviyesinde harmonik bulunmadığından, harmonik bozunum oranı standartların altında kalmıştır. Simülasyon sonuçları, ölçüm sonuçlarına yakındır. Herhangi bir fabrika kurulmadan önce yük analizi yapılarak pasif filtresi tasarlanabilir. Tasarlanan filtrenin uygunluğu da bilgisayar ortamında denenebilir. Simülasyon sonuçları ve gerçek ölçüm sonuçları birbirlerini desteklemektedir. Bu sonuçları matematiksel olarak elde etmek için, yani simülasyon programları ve harmonik analizörler olmadan, matematiksel harmonik analizi yapılmıştır. Bunun için alçı fabrikası model alınmıştır. Alçı fabrikasındaki ölçüm sonuçlarında 7.harmonik baskın çıkmıştı. Bu fabrikanın OG indirici merkezinden itibaren tek hat şeması çizilmiş ve empedansı hesaplanmıştır. Ölçülen rezonans frekansı yaklaşık olarak 350 Hz dir. Hesaplanan rezonans frekansı ise 392 Hz dir. Bu fark, kullanılan elemanların karakteristiklerinin doğrusal olmayışından kaynaklanmaktadır. 7.harmonik akımının hesaplama sonucunda elde edilen değeri ile ölçüm sonunda elde edilen değeri karşılaştırıldığında hesaplanan değer yaklaşık olarak %3 daha düşük çıkmıştır. 7.harmonik geriliminin hesaplama sonucunda elde edilen değeri ile ölçüm sonunda elde edilen değeri arasında karşılaştırma yapılmıştır. Karşılaştırma sonucunda %0,4 civarında bir fark oluşmuştur. Ölçüm sonuçları ile hesaplama sonuçlarının farklı çıkmasının sebebi, kullanılan elemanların doğrusal olmayışıdır. Buna örnek olarak kondansatörler verilmiştir. Kondansatörün kapasitesinin değişmesi bu sonuçları doğrudan etkiler. Bu çalışmada fabrikaların çeşitli durumlarında harmonik analizi yapılmıştır. Gerçek ölçümler, simülasyon sonuçları ve matematiksel hesaplamaların birbirlerini desteklediği görülmüştür. Bu çalışmalardan herhangi birisi yapılarak fabrikanın harmonik analizi yapılabilir ve bu analize göre uygun filtre tasarlanabilir. 96 6.2 Öneriler Bu çalışmanın sonuçlarına göre harmoniklerin oluşumunu engellemek ve baskın olan harmonikleri filtrelemek için önlemler alınmalıdır. Harmoniklerin oluşumunu engellemek için; - Güç transformatörlerinin nüvesinin yapıldığı malzemenin, manyetik özelliği iyi olmalıdır. Bu mıknatıslanma akımının harmonik etkisini azaltacaktır. - Alternatörlerde baskın bulunan harmonikleri gidermek için sargı kirişleme faktörü ve sargı yayılma faktörleri kullanmalıdır. - Statik dönüştürücülerde darbe sayısı harmonik derecesini belirlediği için baskın olan harmonik derecesi belirlendikten sonra darbe sayısı ayarlanmalıdır. - Elektrik arkı doğrusal olmadığından dolayı en önemli harmonik üreticilerindendir. Bu sebepten dolayı ark ocaklarının bulunduğu tesislerde filtre tesis edilmelidir. Bu önlemler alındığında halen harmoniklerin etkileri giderilemiyorsa filtre tasarlanmalıdır. Filtre tasarımında; - Kullanılacak filtre çeşidi aktif veya pasif filtre olabilir. Ekonomiklik ve kullanılabilirlik göz önüne alınarak seçimin doğru yapılması gerekir. - Pasif filtre tasarlanırken seri veya paralel rezonans frekansı doğru bir şekilde hesaplanmalıdır. Aksi takdirde belirlenen derecedeki harmonik bastırılamaz. - Kompanzasyon sisteminin kademelerinde bulunan pasif filtrelerin filtreleme oranları aynı olmak zorundadır. Aksi takdirde rezonans frekansı bu durumdan etkileneceği için filtre düzgün çalışmaz. Hatta bazı kademelerde aşırı yüklenmeden dolayı arızalar meydana gelmektedir. - Pasif filtre tasarımında kondansatörlerin uç gerilimleri harmoniklerden dolayı arttığı için kapasiteleri düşer. Bu durum göz önünde bulundurularak kondansatörün gerilimi doğru seçilmelidir. Aksi takdirde kapasite kaybından dolayı reaktif güç kompanzasyonu tam olarak yapılamaz. 97 Matematiksel olarak harmonikler analiz edilmiş ve ölçüm sonuçlarına yakın değerler bulunmuştur. Matematiksel olarak harmonik derecesinin belirlenmesinde ve harmonik analizinde bazı durumlar göz önünde bulundurulmalıdır. Bunlar; - Paralel rezonans, güç transformatörü ile kompanzasyon kondansatörleri arasında gerçekleşmektedir. Paralel rezonans frekansını hesaplamak için güç transformatörü ve AG güç kablolarının endüktansı toplanmalıdır. Kapasite ise, devrede olan kondansatörlerin toplam kapasitansıdır. Hesaplardan ve simülasyon sonuçlarından görüldü ki, OG kısmının endüktansı rezonans frekansını etkilememektedir. - OG hattının rezonans frekansı hesaplanırken kendi hat parametreleri hesaba katılmalıdır. - Baskın olan harmoniğin akım ve gerilim değeri hesaplanırken OG hattının empedans ve kapasitansı değerleri hesaba katılmalıdır. Çünkü harmonikler OG‟e de etki ettiği için transformatörün harmonikli akım çekmesine neden olurlar. 98 KAYNAKLAR Arifoğlu, U., 2002, Güç Sistemlerinin Bilgisayar Destekli Analizi, Alfa Yayınları, No:1065, İstanbul, 305-309. Başman, F., 2006, Elektrik Enerji Sistemlerinde Harmonik ve Filtreleme, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 49-77. Bhattacharyya, S., Myrzik, J., Kling, W., Cobben, S. and Van Casteren, J., 2009, Harmonic Current Interaction at a Low Voltage Customer‟s Installation, 10th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, 2009. EPQU 200., Lodz, 1 – 6. Bilge, M., 2008, Güç Sistemlerinde Pasif Filtrelerle Eliminasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş, 17-24. Boduroğlu, T., 1988, Döner Alternatif Akım Makinalarına Giriş, Beta Yayınları, No:167,İstanbul, 140-152. Boduroğlu, T., 1988, Transformatorlar, Beta Yayınları, No:155,İstanbul, 114-132. Browne, T.J., Gosbell, V.J. and Perera, S., 2009, Allocated Harmonic Quantities as the Basis for Source Detection, IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2009, PES '09, Calgary, AB, 1 – 6. Chowdhury, A.H., Grady, W.M. and Fuchs, E.F., 1999, An Investigation of the Harmonic Characteristics of Transformer Excitation Current Under Nonsinusoidal Supply Voltage, IEEE Transactions on Power Delivery, Volume: 14, Issue:2, 450 – 458. Chen, C.S., Chuang, H.J. and Shiau, H.M., 2003, Stochastic harmonic analysis of mass rapid transit power systems with uncontrolled rectifiers, , IEEE ProceedingsGeneration, Transmission and Distribution, Volume: 150, Issue:2, 224 – 232. Ekiz A., Tümay M., 2009, Fabrikalardaki Harmoniklerin MATLAB/SIMULINK Kullanılarak Modellenmesi, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar, Mühendisliği 10. Ulusal Kongresi, 2003,Lütfi Kırdar Kongre ve Sergi Sarayı, İstanbul,1-4. Eroğlu, H., 2009, Bir Dağıtım Şebekesinin Güç Kalitesi ve Harmonikler Yönünden İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya, 75. Gezegin, C., 2006, Harmoniklerin süzülmesi ve Tepkin Güç Kompanzasyonu İçin Melez Koşut Etkin Güç Süzgeçleri, Yüksek Lisans Tezi, Ondokuzmayıs Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Samsun, 28-59. İlaslanser, İ., 2006, Güç Kalitesinde Harmonikler Ve Filtrelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 34-40. 99 Keramati Z.J. and Farjah E., 2009, New Control Technique for Compensation of Netural Current Harmonics in Three-Phase Four -Wire Systems, IEEE Buucharest Power Tech Conferecence, June 28th-July 2nd 2009, Bucharest, Romania,1-6. Liang X., and Jackson W., 2008, Investigation of Non-Linear Devices Modeled as a Harmonic Current Source, Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, 2008, ICPS 2008, IEEE/IAS, Clearwater Beach, FL, 1 – 7. Mau T. A., and Milanovic J. V., 2007, Planning Approaches for the Strategic Placement of Passive Harmonic Filters in Radial Distribution Networks, IEEE Transactions on Power Delivery, Volume: 22 Issue:1, 347 – 353. Pamplona, F.M.P. and Souza, B.A., 2004, Harmonic Passive Filter Planning In Radial Distribution Systems Using Genetic Algorithms, Transmission and Distribution Conference and Exposition: 2004 IEEE/P, Latin America, ES, 126 – 131. Puskarich, K.A., Reid, W.E. and Hamer, P.S.,2001, Harmonic Experiences with a Large Load-Commutated Inverter Drive, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume : 37 , Issue:1, 129-136. Rao, N.D., Sporea, S.I. and Sawma, A., 1998, Analysis of resonance problems and harmonic fitler desıgn in power factor correction capacitor applications, IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 1998., Waterloo, Ont. , Canada, Vol.1, 293 – 296. Sağlam, H., 2005, Dağıtım Transformatörlerinin Bağlantı Gruplarına Göre Harmonik Simülasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul,110-115 . Şahin, Y.G., 2006, Harmoniklerin yer altı güç Kablolarına etkisinin belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 47-57. Tsukamoto, M., Ogawa, S., Natsuda, Y., Minowa, Y. and Nishimura, S., 2000, Advanced Technology to Identify, Harmonics Characteristics and Results of Measuring, Proceedings. Ninth International Conference on Harmonics and Quality of Power, 2000, Orlando, FL, USA, Vol:1, 341 – 346. Ünsal A., Tunaboylu N.S., 2009, Dumlupınar Üniversitesi Merkez Kampüsü Elektrik Kalitesinin Ölçüm Sonuçları, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt:XXII, Sayı:1, 2009,14-29. Vlahinic, S., Brnobic, D., and Stojkovic, N., 2008, Indices for Harmonic Distortion Monitoring of Power Distribution Systems, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Volume: 58 Issue:5, 1771 – 1777. Whittle, G., 2010, How capacitors affect harmonics, and what is resonance?, Transmission and Distribution Journal, Energize- Nov. 2010, 26-28 Zile M., 2009, Nominal Parametre Temeline Dayanan Harmonik Çalışmalar İçin Trafo Modelleri, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye,1-4. 100 EKLER EK-1 Alçı Fabrikasının yüksek ve alçak gerilim baralarına ait SIMULINK modeli N A B aA bB A B C a b c n2 477 MCM 11 km Aa Bb Cc 266 MCM Three -Phase 2 km V-I Measurement 1 3 AWG 500 m 1x50 mm 2 XLPE 80 m C C 154 /31 .5kV Discrete, Ts= 1e-005 s. B c cC Three -Phase V-I Measurement 154 kV 31 ,5 kV b Three -Phase Source Vabc Vabc Iabc Iabc Vabc 1 Vabc1 Iabc 1 Iabc 1 A a A B C a b c n2 Three -Phase Transformer 31 ,5/0,4 kV 1250 kVA A C B AKALCI 101 EK-2 Alçı fabrikasının kompanzasyon sistemi devre dışı durumuna ait SIMULINK modeli C Aa Three -Phase Series RLC Load 2 B 30 kW A A Three -Phase Series RLC Load 1 C 1 Three -Phase Series RLC Load B 90 kW A Bb Conn2 50 kW C B Conn3 70 kW B 2 Conn2 Ih 5 A Cc Conn3 50 kW Conn1 Ih 7 Conn1 50 kW C C Three -Phase V-I Measurement 1 Alcak gerilim B 3 Vabc1 Vabc111b] Iabc 1b Iabc 1 A Three -Phase Series RLC Load 3 102 EK-3 Alçı fabrikasının pasif filtresiz kompanzasyon sisteminin devrede olma durumuna ait SIMULINK modeli Three -Phase Series RLC Load 1 B 90 kW A C Three -Phase Series RLC Load 2 B 30 kW A C Aa C A Three -Phase Series RLC Load 50 kW B 1 Conn2 A Bb Conn3 70 kW C B Conn2 Ih 5 B 2 Conn3 50 kW Conn1 Ih 7 Conn1 50 kW A Cc 250 kVAr 400 V C C Three -Phase V-I Measurement 1 C1 Alcak gerilim B 3 Vabc1 Vabc 111b] Iabc 1 Iabc 1b A Three -Phase Series RLC Load 3 103 EK-4 Alçı fabrikasının pasif filtreli kompanzasyon sisteminin devrede olma durumuna ait SIMULINK modeli Three -Phase Series RLC Load 1 B 90 kW A C Three -Phase Series RLC Load 2 B 30 kW A C Aa C A Three -Phase Series RLC Load 50 kW B 1 Conn2 A Bb Conn3 70 kW C B Conn2 Ih 5 Conn1 Conn3 50 kW Conn1 Ih 7 B 2 Three -Phase Harmonic Filter 50 kW A Cc 250 kVAr 400 V 210 Hz C C Three -Phase V-I Measurement 1 Alcak gerilim B 3 Vabc1 Vabc 111b] Iabc 1 Iabc 1b A Three -Phase Series RLC Load 3 104 ÖZGEÇMĠġ KĠġĠSEL BĠLGĠLER Adı Soyadı Uyruğu Doğum Yeri ve Tarihi Telefon Faks e-mail : : : : : : Bahadır AKBAL T.C. K.Maraş \ Elbistan 24.07.1983 0538 451 6636 [email protected]. EĞĠTĠM Derece Lise Üniversite Adı, Ġlçe, Ġl : Aksaray Lisesi ,Merkez, Aksaray : Ġnönü Üniversitesi, Merkez ,Malatya Bitirme Yılı 2000 2006 Ġġ DENEYĠMLERĠ Yıl 2007 2011 Kurum Koçak Mühendislik Ltd.ġti. Selçuk Üniversitesi UZMANLIK ALANI Elektrik Tesisleri YABANCI DĠLLER Ġngilizce Görevi Mühendis ArĢ. Gör.
