2. Yrd. Doç. Dr. Oktay ARIKAN 2. HARMONİKLER Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
3. 2.1 Harmoniklerin Tanımı, Ortaya Çıkışı ve Harmoniklerle İlgili Kavramlar Harmonikler , ak ı m ve gerilimin, temel frekans ı n (50 Hz) tam kat ı frekansl ı (150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, ... ) bile ş enleri olarak tan ı mlanabilir. Nonsinüsoidal ak ı m için temel bile ş en ve harmonik bile ş enleri 650 Hz 13 550 Hz 11 350 Hz 7 250 Hz 5 150 Hz 3 50 Hz 1 Frekans n Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
4. 2.1.1. Harmonikler Nasıl Oluşur? Sinüsoidal fonksiyon Sinüsoidal ak ı m ı n ani değeri, Çeşitli non-sinüsoidal fonksiyon örnekleri Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
5. Nonsinüsoidal ak ı m Fourier serisi ile Yükün ak ı m-gerilim karakteristiği lineer (doğrusal) ise bu tip yüklere lineer yük ad ı verilir. Gerilim sinüsoidal yük lineer ise harmonik olu ş maz . Lineer Yükün V-I karakteristiği Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
6. (a) Faz Fark ı Yok (b) Faz Fark ı Var Lineer Yükün ak ı m-gerilim dalga ş ekilleri Lineer yükün akım ve gerilimi sinüsoidaldir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
7. Yükün akım-gerilim karakteristiği lineer değil ise bu yüke non-lineer yük denir Şebekede harmoniklerin kaynağ ı non-lineer yüklerdir. Non-lineer Yükün V-I karakteristiği (a) Faz Fark ı Yok (b) Faz Fark ı Var Non-lineer Yükün ak ı m-gerilim dalga ş ekilleri Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
8. Sinüsoidal gerilim uygulanan bir Non-lineer yük non-sinüsoidal ak ı m çeker ve harmonik üretir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
9. Harmonik üreten elemanlar nedeniyle şebeke geriliminin bozulmas ı Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
10. 2.1.2. Harmoniklerle İlgili Kavramlar Gerilimin Ani Değeri Gerilimin EFEKTİF DEĞERİ Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
11. 2.1.2. Harmoniklerle İlgili Kavramlar Akımın Ani Değeri Akımın EFEKTİF DEĞERİ Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
12. 2.1.2. Harmoniklerle İlgili Kavramlar Aktif Güç Görünür Güç D : Distorsiyon Gücü Ani Değerler Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
13. Harmoniklerin olmad ı ğ ı durumda distorsiyon gücü D=0 olur. Tam kompanzasyon yapılarak reaktif güç Q=0 değerine indirilebilir S=P olur böylece güç faktörü PF=1 yap ı labilir. Ancak sistemde harmonikler var ise mutlaka distorsiyon gücü de vardır (D≠ 0 ) kompanzasyon yap ı lsa bile S>P olur. Bu nedenle harmonikli sistemlerde güç faktörü 1 yap ı lamaz ( G F≠1), Reaktif güç Temel bileşen (50 Hz) için Görünür güç Güç Faktörü Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
14. Toplam Harmonik Distorsiyonu (THD) ( Toplam Harmonik Bozulması) Gerilim için: Akım için: Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
17. Toplam Talep Distorsiyonu (TTD) I L yük taraf ı ndan, besleme sisteminin ortak bağlant ı noktas ı ndan çekilen, temel frekansl ı en yüksek ak ı md ı r. On iki ay öncesinden ba ş lanarak hesaplaman ı n yap ı laca ğı ana kadar olan süre zarf ı nda yük taraf ı ndan talep edilen maksimum ak ı mlar ı n ortalamas ı olara k hesaplan ı r. TTD kavram ı IEEE ‘Standard 519’ uygulamas ı nda özellikle belirtilmi ş tir. Şekil (Form) Faktörü k f = Efektif De ğe r / Ortalama De ğ e r Bozulmu ş sinüsoidal bir dalgan ı ın bozulma ölçütünü verir. sinüsoidal bir dalga için, k f =1.11 Tepe (Crest) Faktörü Tepe Faktörü = Tepe Değer / Temel Bileşenin Efektif Değeri Sinüsoidal bir dalga için bu değer, ’dir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
18. Transformatör K – Faktörü 500 kVA’nın altındaki transformatörler için tanımlanmıştır. K-faktörü harmonik akımlar mevcut olduğu zaman standart transformatörlerin yüklenme kapasitesindeki azalma miktarlarını hesaplamak için kullanılır. Standart transformatörün anma değerindeki düşümünün hesaplanmasında, IEEE C57.110-1986’da D, transformatör gücündeki azalma. Harmonikli akımla yüklenen transformatörün verebileceği en büyük güç değeri, S H = D.S N Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
19. UL standartları 1561; Kuru Tip Genel Maksat ve Güç Transformatörleri için standart 1562; Kuru Tip 600 Volt üstü dağıtım transformatörleri için, harmonik içeriği %5’ten yüksek olan yüklerde standart transformatör kullanımını sınırlandırmıştır. UL standartlarına göre standart K-faktörü oranları K 1 4 9 13 20 30 40 50 Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
23. Harmonikli Durumda Güç Faktörü Nonsinüsoidal gerilim ve akımın efektif değeri, Harmonik distorsiyonu nedeniyle güç faktörü azalır Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
24. 2.2. Harmonik Kaynakları Konverterler, Yüksek gerilim ile enerji iletim (HVDC) sistemleri, Motor sürücü devreleri Ark fırınları, Kaynak makinaları, Elektrik makinaları (Transformatörler, Generatörler, Motorlar) Statik VAr kompanzatörler, Gaz deşarj prensibi ile çalışan aydınlatma elemanları, Fotovoltaik sistemler, Bilgisayarlar, Elektronik balastlar, Kesintisiz güç kaynakları, Anahtarlamalı güç kaynakları Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
25. 2.2.1. Konverterler Transformatörün yıldız/yıldız bağlı olması halinde Üç fazlı 6-darbeli konverter (Yarı kontrollu doğrultucu) Transformatörün yıldız/üçgen bağlı olması Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
26. Transformatörün yıldız/yıldız bağlı olması halinde Transformatörün yıldız/üçgen bağlı olması 12 darbeli konverterde ikisinin toplanması Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
27. Üç fazlı 12 darbeli konverter (Yarı kontrollu doğrultucu) a) Bağlantı şeması b) Hat akımı dalga şekli (a) (b) 12 darbeli konverter Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
29. 2.2.2. Transformatörler Transformatörler mıknatıslanma eğrisinin lineer olmaması nedeniyle harmonik üretir Transformatörün mıknatıslanma eğrisi Bir dağıtım transformatörünün harmonik spektrumu I n : n.harmonik akımı I : Mıknatıslanma akımı Transformatörün mıknatıslanma akımı ve harmonik spektrumu Harmonik Derecesi (n) 3 50 5 20 7 5 9 2.6 Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
30. 2.2. 3 Ark Fırınları Ark fırınlarının empedansı dengesiz olup, akımı aşırı distorsiyonludur ve ark direnci çok hızlı değişim gösterir. Harmonik spektrumu çok geniştir, çift harmonikler de üretir. Bir ark fırını akımının değişimi Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
31. Bir ark fırını akımının ergitme (a) ve tasfiye (b) aşamalarında frekans dağılımı 2,3,4 ve 5 mertebesindeki akım harmoniklerinin temel bileşen akımının yaklaşık %2’si ile %4’ü arasında ve 6,7,...,10 mertebesindeki akım harmoniklerinin ise temel bileşen akımının yaklaşık %0.4’ü ile %1.3’ü arasında dağılım gösterdiği de tespit edilmiştir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
32. 2 . 2 . 4 Gaz Deşarjı Prensibi ile Çalışan Aydınlatma Elemanları Fluoresant lambaların 3.harmonik akımları nötr hattının aşırı yüklenmesine neden olur.. Bir fluoresant lambanın akımının zamana göre değişimi (a) ve akımına ait harmonik spektrumu (b) Tablo : Magnetik balastlı bir fluoresant lamba akımının harmonik spektrumu Harmonik (n) 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 Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
33. 2 . 2 . 5 . Fotovoltaik Sistemler Doğru akım üretirler, içindeki DC/AC dönüştürücü harmonik kaynağıdır. Fotovoltaik enerji üretimi blok şeması 2 . 2 . 6 . Bilgisayarlar Gerilim distorsiyonuna ve nötr hattının 3.harmonikle yüklenmesine neden olurlar. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
34. 2 . 2 . 7 . Elektronik Balastlar ve Kompakt Fluoresant Lambalar THD i = %144 Kompakt fluoresant lamba akımı Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
35. 2.3. Harmoniklerin Meydana Getirdikleri Etkiler Elektrik güç sistemi elemanlarında ve yüklerde ek kayıpların oluşması, Gerilim düşümünün artması, Reaktif güç kondansatörlerinin aşırı yüklenmeleri ve hasar görmeleri Asenkron motorlarda moment salınımların oluşması nedeniyle aşırı ısınmalar, Koruma rölelerinin hatalı çalışmaları, Ölçü aletlerinin hatalı çalışması İzolasyon malzemesinin zorlanması ve delinmesi, Rezonans olayları nedeniyle aşırı gerilim veya akımların oluşması, Mikroişlemcilerin hatalı çalışması, Harmoniklerden kaynaklanan gürültü nedeniyle kontrol sistemlerinin hatalı işletimi, Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
36. 2.3.1 Harmoniklerin Direnç Üzerindeki Etkisi Deri etkisi (Skin Effect) nedeniyle direnç artar. için için R 0 doğru akım direnci R H : Harmonikler nedeniyle direnç artışı R 1 : 50 Hz’deki direnç R=R 1 +R H Omik direncin frekansla artması (Skin-effect ) a) Sinüsoidal akımlı durum, b) Nonsinüsoidal akımlı durum. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
37.
38. Devre Elemanlar ı n ı n Frekans Bağ ı ml ı E ş de ğ erleri Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
39. 2.3.3. Harmoniklerin Kayıplara Etkisi Bak ı r Kay ı plar ı Akımın efektif değeri Güç kaybı Harmonikler nedeniyle ek kayıplar oluşur. Akıma bağlı kayıplar Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
40. Güç kayıplarının THD I ile değişimi (I 1 , R=sabit) Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
41.
42.
43.
44.
45.
46. 2.3.9. Harmoniklerin Koruma Rölelerine Etkisi İndüksiyon diskli elektromekanik ters zamanlı aşırı akım rölesi Elektronik (Statik) ters zamanlı aşırı akım rölesi Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
47. 2.3.11 Harmoniklerin Elektronik Elemanlar Üzerindeki Etkisi Harmonik distorsiyon, gerilimin sıfır geçişlerini kaydırabilir. Elektronik devre elemanlarının çoğu bu durumdan etkilenir. Sıfır geçiş noktasının kayması elektronik kontrol devrelerinin hatalı çalışmasına yol açar. Triyak, tristör gibi güç elektroniği elemanlarının harmonikler sebebiyle ateşlenme anları değişebilir. 2.3.12 Harmonik ve Üçün Katı Mertebesindeki Harmoniklerin Oluşturduğu Problemler Dengeli sistemde a,b,c fazlarının temel bileşen akımları, Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
49. n=3., 6., 9., 12., 15., .... sıfır bileşen harmonikleri Harmonik dereceleri ve bunların sequence tipleri Dengeli şebeke ve yük koşulları altında üç faz akımının 3. harmonik bileşenleri birbirine eşittir. Bu nedenle,nötr hattından üç faz akımının toplamı geçtiği için dengeli sistemde bir fazdan geçen 3. harmonik akımının 3 katı nötr hattından geçer. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
50. sinüsoidal akım (Dengeli sistem) (Nötr hattından akım akmaz.) sinüsoidal akım (Dengesiz sistem) ( Nötr hattından akım akar .) Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
51. Dengeli nonsinüsoidal akım (Nötr hattından üç fazın 3.harmonik akımlarının toplamı akar.) Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
52. 3. Harmonik nedeniyle nötr hattının aşırı yüklenmesi Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
53. Nötr hattının 3. harmonik bileşenlerle yüklenmesi 3. harmonik bileşenlerin nötrde toplanması ile bu nötr hattı aşırı yüklenir. Nötr akımının efektif değeri, faz akımının efektif değerinin 1,7 katına kadar çıkabilir. Nötr iletkenleri faz iletkenleri ile aynı kesitte olsa bile bu durumda nötr iletkeni aşırı yüklenebilir. Bu sorun en çok, 3-fazlı dağıtım sisteminin tek fazlı büyük yükleri beslediği ticari binalarda rastlanmaktadır. Söz konusu soruna karşı alınan en yaygın önlem, nötr iletkenini faz iletkenlerinin iki katı büyüklüğündeki kesitlerde yapmaktır . Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
54. 3. Harmonik Filtresi Nötr hattına seri bağlanır, L-C elemanlarından oluşan bir paralel rezonans devresidir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
55. 2.4. Harmonikler ve Transformatörler (a) (b) (c) Demir çekirdekli bir bobinin, a) Uygulanan gerilim, b) Mıknatıslanma karakteristiği, c) Akısı Şebeke gerilimi yükselirse veya transformatör yüksüz çalışırsa gerilim yükselir doyma artar transformatör harmonikleri yükselir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
56. 2.4.1 Tranformatörlerin Darbe Akımı Harmonikleri Gerilim kesilince oluşan artık akı sebebiyle transformatör ilk devreye girdiğinde darbe akımı oluşur. I 5-10 pu değerine çıkar. 5 MVA’lık transformatörün inrush akımı Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
57. Darbe akımı harmonik bileşenlerin zamanla değişimi Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
58. 2.4.2. Transformatör Bağlama Grupları ve Harmonikler Üç ve üçün katı harmonik bileşenlerin dışındaki diğer harmonik bileşen akımlarının (5., 7., 11., 13., ...) aralarındaki 120 0 ’lik faz farkı nedeniyle yıldız noktasında toplamları (a) (b) (a) Yıldız/yıldız bağlı ve (b) yıldız/üçgen bağlı transformatörlerde üç ve üçün katı harmonik akımlarının yönü Transformatörün yıldız-topraklı / yıldız-topraklı bağlı olması halinde üç ve üçün katı harmonikler şebekeye geçer. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
59. Ttransformatörler ; - primeri ve sekonderi nasıl bağlanırsa bağlansın, - primer ve sekonderin yıldız noktası nötre bağlansın veya bağlanmasın, - çekirdek tipi nasıl olursa olsun şşebekelerden 5,7,11,13 harmoniklerini daima çekerler. Ş eb ekelerde 3. ve 3’ün katı harmonikleri önlemek için, nonlineer yükün bulunduğu taraftaki sargı yıldız, şebeke tarafındaki sargı üçgen bağlanır. Nnonlineer yük dengesiz ise transformatör bağlantısı ne olursa olsun üç ve üçün katı harmonik akımları dengesizlik sebebiyle şebekeye geçer. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
61. 2.5. HARMONİKLERİN KOMPANZASYON TESİSLERİ ÜZERİNE ETKİSİ Bir elektrik sisteminde harmonik bileşenlerin varlığını ilk haber veren elemanlar genelde kondansatörlerdir. Nonlineer yüklerle harmonikli gerilimin oluşması Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
62. 2.5.1. Aşırı Gerilim Harmonikli durumda Gerilim yükselir, IEEE-519’a göre gerilim distorsiyonu sınırı %5’dir. TS 804’e göre kondansatörler geçici rejimler dışında nominal anma geriliminin 1,1 katına kadar dayanabilmelidir . 2.5.2. Aşırı Akım n. harmonik bileşenine ait kondansatör akımı, Kondansatör akımının efektif değeri TS 804’e göre I<1,3I N olmalıdır. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
63. 2.5.3. Aşırı Reaktif Yük 2.5.4. Rezonans Oluşumu Şebeke endüktansı ve kondansatörler arasında rezonans devresi oluşur. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
64. A Barasına göre S T : Nominal transformatör gücü Q C :Kondansatör gücü u k : Trf. Bağıl kısa devre gerilimi rezonans frekansına ait harmonik mertebesi, eşitliği ile belirlenebilir . B Barasına göre S K : Kondansatör grubunun bulunduğu noktadaki kısa devre gücü Q C :Kondansatör gücü rezonans frekansına ait harmonik mertebesi, Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
65. Örnek: S K =20 MVA ve Q C =750 kVAr ise Sistemde 5. harmonik frekansında rezonans meydana gelecektir. Kademeli kompanzasyonda her kademede Q C değişeceğinden her kademe için farklı harmonik frekanslarında rezonans oluşabilir, bu durumun incelenmesi gerekir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
66. 2.5.5. Kondansatörlerin Harmonik Distorsiyonuna Etkisi Kompanzasyon devreye girdiği zaman yük akımının dalga şekli daha çok bozulur, baradaki geriliminin harmonik bileşenleri yükselir, kondansatörler aşırı akım ve aşırı gerilime maruz kalır. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
67. Kompanzasyonun THD i ’ye etkisi KOMPANZASYON DEVRE DIŞI KOMPANZASYON DEVREDE I 5 % 2 I 5 % 16 THD i % 2,5 THD i % 18 K-Faktörü 1,05 K-Faktörü 1,6 Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
68. KOMPANZASYON DEVRE DIŞI KOMPANZASYON DEVREDE I 5 % 12 I 5 % 150 THD i % 14 THD i % 152 K-Faktörü 1,53 K-Faktörü 32,4 Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
69. 2.6 . 1 . Elk. Enerji Sistemlerin de Rezonans Oluşumu Seri rezonans devresi Paralel rezonans devresi Seri rezonans devresi Rezonans durumunda X L =X C olduğu için Z=R olur. Empedans minimum iken akım maksimum değer alır . Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
70.
71. Pratikte Elektrik enerji sistemlerinde seri rezonans, A.G ve O.G şebekelerinde bir güç transformatörü ile reaktif güç kompanzasyon tesislerindeki kondansatörler arasında meydana gelir. Bir güç transformatörü ile kondansatör arasındaki seri rezonans devresi Yüksek mertebeden harmoniklerde h.harmonik için kondansatörün kapasitif reaktansı X (h) C = (1/h).X (1) C olduğu için yük direnci ihmal edilebilir ve devre seri L-C devresi haline gelir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
72. - Örnek seri rezonans devresi ve Frekansa göre eşdeğer empedansın değişimi (5 .harmonik civarında (270 Hz) empedans minimum seri rezonans var ) Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
73. 2.6.2. Güç Sisteminde Seri Rezonans Oluşmasına Örnekler Seri rezonansın oluşması Seri rezonansın oluşması Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
74. Enerji sistemlerinde en etkili rezonans problemleri harmoniklerin mevcut olması durumunda ve paralel rezonans devrelerinde meydana gelir. Paralel Rezonans Devresi Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
75. Paralel Rezonans Devresi Elektrik enerji sistemlerinde sistem endüktansı (L s ) ile sistem kapasitesi (C s ) veya yüke ait reaktif güç kompanzasyon tesis kapasitesi (C L ) arasında bir paralel rezonans devresi oluşabilir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
76. Harmonikler genelikle bir akım kaynağı olarak modellenir. D evrede kaynak bir akım kaynağı ise, rezonans durumunda; P aralel rezonansta kondansatör ve bobin in (transformatör) harmonik gerilimleri yükselmektedir. L ve C elemanları izolasyonda zorlanma ve aşırı akım nedeniyle tahrip olur. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
77. Bir devrede L, C elemanlarından oluşan birden fazla kolun olması durumunda farklı frekanslarda devre seri ve paralel rezon an sa girebilir. 190 Hz için Paralel rezonans var. (Empedans Maksimum). 270 Hz için seri rezonans var. (Empedans minimum) Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
78. Reaktif güç kontrol rölesi ile kontrol edilen kademeli kompanzasyon tesislerinde herbir kademedeki kapasite değeri için ayrı ayrı rezonans olup olmayacağı analiz edilmelidir. Güç kondansatörlerinin zamanla kapasiteleri değişmektedir. Tesis ilk kurulduğunda rezonans meydana gelmediği halde, ileride zamanla kapasite değişimi sebebiyle rezonans meydana gelebilir. Şebekeden gelen harmonik akımlarını etkisiz hale getirmek ve rezonansı önlemek için en uygun çare, etkili harmonik frekansları için filtreler kullanmaktır. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
80. 2.6.3. Güç Sisteminde Paralel Rezonansın Oluşumuna Örnekler Nonlineer yükün kompanzasyonu Nonlineer yük ve kompanzasyon sistemi eşdeğeri Paralel rezonansın meydana geldiği harmonik eşdeğer devresi Paralel Rezonans hali (XL=XC) Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
86. Çok baralı sistemlerde rezonans oluşma riski sistemin frekansa bağlı empedans değişimi ile incelenebilir. Empedansın belirli bir frekansta maksimum olması (paralel rezonans) veya minimum olması (seri rezonans) o frekansta bir rezonans meydana geldiğini göstermektedir. İncelediğimiz sistemde 650 Hz’de (13.harmonik) paralel rezonans meydana gelmiştir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
87.
88. 2.7. HARMONİKLERİN SINIRLANDIRILMASI VE HARMONİK STANDARTLARI 2.7.1. Harmonikle Bozulmanın Ölçütü Standartlarda harmonik bozulmanın ölçütü olarak en çok kullanılanlar: Toplam harmonik distorsiyonu (THD), tekil harmonik distorsiyonu (HD) ve toplam talep distorsiyonu (TTD)’dur. “IEEE Standard 519” uygulamasında “toplam talep distorsiyonu” kavramına önem verilmiştir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
90. Konutlarla ilgili (a) alçak ve (b) orta gerilim şebekeleri için EN 50160 harmonik distorsiyon limitleri Alçak Gerilim Şebekesi ( 1kV) Tek Harmonikler Çift Harmonikler 3 ve 3’ün katı Harmonikler n %V n n %V n n %V n 5 6 2 2 3 5 7 5 4 1 9 1,5 11 3,5 6....24 0,5 15 0,5 13 3 21 0,5 Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
91. Orta gerilim şebekeleri için EN 50160 harmonik distorsiyon limitleri Orta Gerilim Şebekesi (1kV < U < 35kV) Tek Harmonikler Çift Harmonikler 3 ve 3’ün katı Harmonikler n %V n n %V n n %V n 5 6 2 2 3 5 7 5 4 1 9 1,5 11 3,5 6....24 0,5 15 0,5 Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
92.
93. Harmonik üreten elemanlar nedeniyle şebeke geriliminin bozulmas ı Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
94. IEEE 519-1992 ’nin genel dağıtım sistemlerine ait akım için harmonik distorsiyon sınırları U n 69kV I K /I L n 11 11 n 17 17 n 23 23 n 35 n 35 TTD (%) 20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20-50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50-100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100-1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
96. 2.7.3. Türkiye’de Harmonik Bozulmalarla İlgili Sınırlandırmalar EPDK (Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu)’nun19 Şubat 2003 tarihli ve 25025 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanan “ Elektrik Piyasası Dağıtım Yönetmeliği” nin 52d. maddesinde harmoniklerle ilgili olarak aşağıdaki hükümler getirilmiştir: Madde 52 d) Harmonik bozulma: Toplam harmonik bozulmaya ilişkin hizmet kalitesinin sağlanabilmesi için, ölçülen toplam harmonik bozulmanın, ölçüm süresinin % 5’inden daha uzun bir süre içinde % 8’den daha yüksek olmaması gerekir. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
97. 20 - 154 kV arası iletim sisteminde kabul edilebilir harmonik gerilim seviyeleri EPDK tarafından hazırlanan ELEKTRİK PİYASASI ŞEBEKE YÖNETMELİĞİ ’ne göre Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
98. EPDK tarafından hazırlanan ELEKTRİK PİYASASI ŞEBEKE YÖNETMELİĞİ ’ne göre 380 kV iletim sisteminde kabul edilebilir harmonik gerilim seviyeleri Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
99.
100. Yrd. Doç. Dr. Recep YUMURTACI Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
101. GÜÇ KALİTESİ MİLLİ PROJESİ KAPSAMINDA YAPILAN MOBİL HARMONİK ÖLÇÜMLERİNDEN ÖRNEKLER TEİAŞ KONYA-4 TM 380/154 kV OTOTRANSFORMATÖR HARMONİK ÖLÇÜMLERİ Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
103. KONYA-4 TM 380/154 kV Ototransformatör-3, 7 GÜNLÜK, Primer Akımı Gerçek-RMS Değişimi OTOTRANSFORMATÖRÜN 380 kV TARAFINDAKİ ÖLÇÜMLER Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
104. Yrd. Doç. Dr. Recep YUMURTACI Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
105. KONYA-4 TM 380/154 kV Ototransformatör-3 Primeri , 7 günlük, Primer Akımı (3., 5., 7. ve 9). Harmonik Bileşenleri (3 saniyelik ortalamalar şeklinde) OTOTRANSFORMATÖRÜN 380 kV TARAFINDAKİ ÖLÇÜMLER Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
106. Konya-4 TM 380/154 kV Ototransformatör-3 Primeri , 7 günlük, Primer Akımı Toplam Talep Bozulumu (TTD) ( 3 saniyelik ortalamalar şeklinde) OTOTRANSFORMATÖRÜN 380 kV TARAFINDAKİ ÖLÇÜMLER Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
107. EPDK tarafından hazırlanan ELEKTRİK PİYASASI ŞEBEKE YÖNETMELİĞİ ’ne göre 380 kV iletim sisteminde kabul edilebilir harmonik gerilim seviyeleri Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
108. Konya-4 TM 380/154 kV Ototransformatör-3 Primeri, 7 günlük , Fazlar Arası Gerilim 5. Harmonik Bileşeni (3 saniyelik ortalamalar şeklinde) OTOTRANSFORMATÖRÜN 380 kV TARAFINDAKİ ÖLÇÜMLER Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
109. Konya-4 TM 380/154 kV Ototransformatör-3 Primeri, 7 günlük , Fazlar Arası Gerilim Toplam Harmonik Bozulumu ( THDv ) (3 saniyelik ortalamalar şeklinde) OTOTRANSFORMATÖRÜN 380 kV TARAFINDAKİ ÖLÇÜMLER Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
115. 2.8.2. Pasif Filtreler Tek ayarlı filtre Q=30….60 Q=X r / R Q: Kalite faktörü İkinci mertebe sönümlü filtre Q= 0.5….5 Q=R / X r Seri Filtreler 3. harmoniğin baskın olduğu 1 fazlı sistemde kullanılır. 3. harmonik akımlarına yüksek empedans gösterir. Dezavantajı yük akımının üzerinden geçmesidir. Seri Filtre Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
117. Şönt Filtreler Temel frekansta reaktif güç kompanzasyonu harmonik frekanslarında filtreleme yaparlar. Harmonik akımlarına düşük empedans gösterirler. Devrede şönt filtrenin kullanımı Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
118.
119. Tek ayarlı filtreler Düşük empedans veya kısa devre oluşturarak ayarlanan yalnız bir frekanstaki harmonik akımının bastırılmasını sağlarlar. Tek ayarlı filtre devresi Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
120.
121. 2.8.2.2.1. Tek Ayarlı Şönt Filtre ile İlgili Bağıntılar Rezonans frekansı : f=50 Hz temel frekans olmak üzere ile hesaplanan “Filtre Reaktör Faktörü” olarak tanımlanır. p’ye bağlı olarak rezonans frekansı ‘dir. U n üç fazlı filtreye uygulanan fazlar arası gerilimin nominal değeri olmak üzere, 3 fazlı filtre kondansatörünün fazlar arası gerilimi U C , eşitliği ile hesaplanır. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
122. Örnek : Filtre reaktör faktörü %7 olan bir filtrenin rezonans frekansı nedir? Örnek : 210 Hz’lik filtre için p=? p=%5.67’dir. Örnek : Nominal gerilimi 400V olan kondansatör 189 Hz’lik bir filtrede kullanılırsa ve şebekenin nominal gerilimi 380Vise kondansatör uçlarındaki gerilim değeri ne olur? filtreli durumda kondansatör gerilimi TS804’e göre 400V nominal gerilimli kondansatörler 1.1U Cn değerine (440V) dayanabilmelidir. Ancak şebeke gerilimindeki bir artış durumunda kondansatör risk altında olacaktır. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
123. 2.8.2.2.2. Tek Ayarlı Şönt Filtre Çeşitleri Uygulamada tek ayarlı pasif filtreler rezonans frekanslarının herhangi bir harmonik frekansına yakın olup olmamalarına göre iki çeşittir: 1. Düşük Ayarlı Filtreler (Detuned Filtreler) Bu filtreler harmonik distorsiyonunun düşük olduğu endüstri tesislerinde kullanılırlar. Genellikle 189Hz yaygındır. Daha çok kompanzasyon amaçlı olarak kullanılırlar, kondansatörlerle şebeke arasındaki rezonansı önlerler. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
126. 189 Hz Detuned Filtrenin empedans grafiği Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
127. 189 Hz Detuned Filtrenin empedans grafiği Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
128. 2. Ayarlı Filtreler (Tuned Filtreler) Harmonik distorsiyonunun yüksek olduğu yerlerde kullanılırlar. Harmonik frekanslarına yakın frekanslarda seçilirler. (Örneğin 5. harmonik için 245 Hz, 7.harmonik için 345 Hz, 11. harmonik için 545 Hz gibi.). Filtre edilmek istenen her bir harmonik için ayrı ayrı filtrelerin paralel bağlanması gerekir. Üç fazlı filtrelerde kondansatörler yıldız veya üçgen bağlanabilirler Üç fazlı filtre bağlantıları ve tek faz eşdeğeri a) Yıldız bağlı kondansatörlü filtre b) Üçgen bağlı kondansatörlü filtre c) Üçgen bağlı kondansatörlü f iltrenin tek faz e şdeğeri Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
129. 3 kollu (245 Hz, 345 Hz ve 545 Hz) Tuned Filtrenin Empedans-Frekans grafiği Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
130. Bir Tuned filtrede ölçülmüş değerler Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
131. 2.8.2.3. Sönümlü Filtreler Yüksek dereceli harmonik bileşenlerini (örneğin 17 ve üzeri) filtrelemek için kullanıldığında yüksek geçiren filtre olarak anılırlar, bu durumda yüksek frekansa küçük empedans gösterirken düşük frekanslara yüksek empedans gösterirler. Sönümlü filtre Sönümlü filtrenin frekans-empedans değişimi Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
132. 2.8.3. Aktif Filtreler Aktif filtreler nonlineer yük tarafından üretilen ve şebekeye enjekte edilen harmonik akımlarını analiz edip genlik ve faz açılarını belirlerler. Bu harmonik akımlarının aynı genlikte ters işaretlisini yük barasına enjekte ederler. Böylece şebekeden sadece temel bileşen akımı yani sinüsoidal akım çekilir. Aktif filtre ile harmoniklerin giderilmesi (şematik gösterim) Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
135. Aktif filtreleri harmonik giderme işlemini devreye iki şekilde bağlanarak sağlarlar. Bu bakımdan aktif filtreler seri ve şönt olarak ikiye ayrılabilir. Günümüzde yaygın kullanılan, şönt tipi aktif filtredir. Şönt aktif filtre, tesiste var olan pasif filtre ile kombine olarak da çalışabilmektedir. Aktif filtrenin devreye bağlanması a) Seri b) Şönt Filtreleme işlemi yapılacak tesisteki yükler, güç katsayısı yüksek dolayısıyla reaktif güç kompanzasyonu gerektirmeyen ancak harmonik distorsiyonu yüksek olan yükler ise bu durumda aktif filtre kullanımı uygundur. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
136. Aktif filtre ile pasif filtrenin karşılaştırılması Konu PASİF FİLTRE AKTİF FİLTRE Filtrenin ayarlandığı frekans Bir veya iki frekansa ayarlıdır Birden fazla frekansa ayarlanabilir Harmonik değerlerinde değişme Yeni filtre gerektirir Problem çıkarmaz Empedansın etkisi Rezonans meydana gelebilir Etkilemez Temel frekans değişmesi Etkinliğini azaltır Etkilemez Akım yükselmesi Problem çıkabilir. Aşırı yüklenme yaşanmaz Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
137.
138. 2.8.4.1. Tek ayarlı filtrenin tasarım eşitlikleri Filtrenin ayarlı olduğu rezonans frekansı, Filtre temel frekansta kompanzasyon yapacağı için kapasite değeri Filtreler için kullanılacak kondansatör kapasitesinin değerinin belirlenmesinde kullanılacak şönt filtre adedinden yararlanılır. Şönt filtre kolu sayısı k olmak üzere her filtre için kondansatör kapasitesi değeri, Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
139. Filtrenin her bir kolundaki C r değeri belirlendiği için n harmonik mertebesi olmak üzere endüktif reaktansın rezonans frekansındaki değeri bulunur: ise Filtrelerin ayar keskinliğinin ölçüsü olarak bilinen kalite faktörü, ve reaktans değerleri, rezonans frekansındaki değerlerdir Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
140.
141.
142.
143. Filtreli kompanzasyon tesisinin vermesi gereken reaktif güç, Rezonans frekansı 210 Hz olduğuna göre filtre reaktör faktörü p, Kondansatör uçlarındaki fazlar arası gerilim, Nominal kondansatör gerilimleri: 400V – 440V – 480V – 525V – 600V – 660V Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
144. Nominal kondansatör gerilimleri: 400V – 440V – 480V – 525V – 600V – 660V 440V yeterli gibi görünse de şebeke gerilimindeki yükselmeleri de göz önüne alarak daha emniyetli olması için kondansatör gerilimi 480V seçilebilir . (Ucn=480 V) Filtrenin bir faz eşdeğer devresi Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
156. Enerji Kalitesi ve Harmonikler Semineri Yrd. Doç. Dr. Recep YUMURTACI Filtre kondansatörü ile ilgili değerlerin IEEE Standard 18-1992’ye göre karşılaştırılması Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
157. Yrd. Doç. Dr. Oktay ARIKAN Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik - Elektronik Fakültesi Elektrik Mühendisliği Bölümü TEŞEKKÜRLER Enerji Kalitesi ve Harmonikler Kursu
