Çıplak Kompanzasyon ve Güç Kalitesi İlişkisi (Plain capacitors and power quality)

[MmertT]

Merhaba, bir süredir kompanzasyon ve güç kalitesi üzerine çalışmalar yapmaktayım.

Öncelikle çok bilinen fakat yanlış bilinen bir kavramı düzeltmekle yazıma başlamak istiyorum. Piyasada "harmonik filtre reaktörü" olarak bililen filtreler literatür hatasından dolayı bu şekilde dilimize girmiş ve piyasada kendisine yer etmiştir. Piyasada "harmonik filtre reaktörü" olarak bililen filtre tüm dünyada "de-tuned filter" olarak isimlendirilmiş ve tanımı ve açıklaması buna göre yapılmıştır. "de-tuned filter" Türkçe' ye "ayarsız filtre" olarak çevrilebilir. Burada "ayarsız" teriminden kasıt bu filtrenin belirli bir harmonik derecesine akort edilmediği anlamına gelmektedir. "detuned filtre" belirli bir harmonik derecesine akort edilmeyen filtre olduğundan harmonikleri emme eğilimine girmemesi gerekmektedir ve tasarımı buna göre yapılmalıdır. Piyasada bilinen "detuned filtre" değerleri genellikle %5,67; %7 ve %14' tür. Bu değerlerin akort frekansları ise sırasıyla 210Hz, 189Hz ve 134Hz' dir. Unutlmamalıdır ki filtrenin tipi ve cinsi önemli olmaksızın, bu tür filtreler akort frekanslarının altında kalan tüm frekansları emme eğilimi gösterirler. "detuned" olarak kullanılan filtrelerin emme yapması kesinlikle istenmeyen bir durumdur. Çünkü bu tür filtreler emme yapmak için değil tıkama amaçlı kullanılan filtrelerdir. Ülkemizde genellikle kompanzasyon panoları çıplak kondansatörlerden(plain capacitor) oluşmaktadır. Kompanzasyon tesisatlarında kullanılmak üzere tasarlanan filtreler yukarıda bahsi geçen tıkama amaçlı kullanılan "detuned filtre" dir. Bu filtrelerin seçimi son derece önemli ve dikkat edilmesi gereken bir konudur. Filtre seçiminde yapılması gereken son derece kalitesi A sınıfı bir güç kalitesi ölçüm cihazıyla ölçüm yapılması ve kompanzasyon için kullanılacak filtrelerin buna göre belirlenip hesaplanmasıdır. Bu filtreler temel frekansta yani 50Hz de kompanzasyon görevini yaparken diğer yüksek frekanslı sinyallere tıkaç olarak kondansatörlerin bu yüksek frekanslardan etkilenmesini engellemektedir. Böylece işletmede bulunan harmonik frekansların genliklerinin artması engellenir. Fakat bu filtreler harmonik frekansları sönümleyemezler.

Harmonik filtre reaktörleri kabaca "tuned filter" ve "de-tuned filter" olarak sınıflandırılabilir. "tuned filter" yukarıda bahsetmiş olduğum "detuned filter" dan farklı olarak harmonik derecesine akort edilmiş filtrelerdir. Örneğin, sistemde 5. harmonik frekansı yüksekse ve elimine edilmek yani genliği düşürülmek isteniyorsa "tuned filter" dizayn edilip akort frekansı 215-240Hz arasında bir değere ayarlanır ve sistemde dolaşan 5. harmonik frekansında filtre empedansı minimum seviyeye inerek 5. harmonik frekansı üzerine çeker. Sadece bunu yapmakla kalmaz harmonik spektrum içerisinde ne kadar yüksek frekans sinyal var ise hepsini emme eğilimine girer. Bu yüzden "tuned filter" tasarımı yapılırken tüm harmonik spekturum dikkate alınmalı ve filtre buna göre tasarlanmalıdır. Son derece dikkatli ölçüm, hesap ve tasarım gereken bu filtreler temel frekansta kompanzsayon görevinide icra etmektedirler.


Bu konular üzerinde çalışırken işletmelerde karşılaştığım en büyük sorunlar genellikle çıplak kompanzasyonun kullanıldığı yerlerde meydana gelmektedir. Kondansatörlerin önlerinde detuned reaktör olmadan kullanılması işletmelerde bulunan gerilim ve akım harmoniklerinin var olandan daha yüksek değerlerde görülmesine neden olmaktadır. Bilindiği gibi kapasitör empedansı frekans ile ters orantılıdır. Ayrıca yine bilindiği gibi kapasitör, alternatif akımın pozitif saykılında şarj olurken negatif saykılında deşarj olur. Bundan dolayı detuned reaktörsüz olarak kullanılan kapasitörler işletmede lineer olmayan yükler tarafından üretilen harmoniklerin olması gerektiğinden daha yüksek seviyelerde çıkmasına neden olmaktadır. Bunun tipik bir örneğini bir tekstil fabrikasında yapmış olduğum güç kalitesi ölçümü ile sizlerle paylaşmak istiyorum.

Aşağıdaki resimde gerilim harmoniklerinin, çıplak kompanzasyon sistemlerinde nasıl bir durum sergilediğini göstermek açısından son derece ibretlik bir örnektir.

Resimde görüldüğü gibi reaktif güç ihtiyacının olmadığı yani çıplak kompanzasyon sisteminin devrede olduğu durumlarda toplam gerilim harmoniği %12 seviyelerinde seyrederken, reaktif ihtiyacın arttığı yani kompanzasyonun devre dışı kaldığı durumda ise %8 seviyelerine inmiştir. Üst tarafta toplam gerilim harmoniği grafiği gösterilmiş ve limit değeri IEC 61000 - 2 - 2 standardına göre %8 olarak belirtilmiştir. Bu sisteme uygun detuned reaktörlü kompanzasyon panosu tesis edildiğinde gerilim harmoniği oranı %8 mertebelerinde olacaktır. Yani işletmede bulunan harmonik frekanslarının genliğinin artışı engellenmiş olacaktır.

Bir örnekte 5. harmoniği için göstermek istiyorum. Aşağıdaki grafik yine aynı işletmede aynı ölçüm içerisinde kaydedilmiştir.

Görüldüğü gibi kompanzasyonun devrede olduğu durumda 5. harmonik akımı 450A seviyelerini görmüşken, kompanzasyon devre dışı bırakıldığında 100A mertebelerine inmiştir.

Buradan çıkarılacak olan sonuç şudur. Detuned reaktörsüz olarak tesis edilen kompanzasyon panoları, işletmeye ne zaman patlaycağı belli olmayan bir bombanın bırakılmasına benzemekte ve son derece kötü sonuçlara neden olmaktadır. Bundan dolayı detuned reaktörsüz kompanzasyon panolarının tasarımının yapılmaması gerekmektedir. Hele ki günümüz sistemlerinde tüm kompanzasyon panolarının detuned reaktörlü olması gerekmektedir. Bu ise son derece detaylı ölçümlere, son derece kalteli filtre reaktörlerine ve son derece tectübeli firmalara bırakılması gereken çok önemli bir konudur.

Şunu da belirtmeyi kendime bir görev addediyorum. Güç kalitesi ile uğraşan arkadaşlar lütfen standartları ve yabancı literatürü takip edin. Göreceksiniz ki güç kalitesi = gerilim kalitesidir. Güç kalitesinde tüm analizler gerilim tabanlı olarak yapılmaldır. Akım tabanlı yapılan tüm analiz ve çözümler sorunlara tam anlamıyla karşılık olacak çözümleri üretmemektedir.

Umarım bu konuda birazda olsun açıklayıcı bilgiler verebilmişimdir.

İyi günler dilerim.

 

[ibrahim_g]

Güzel bir yazı kaleme almışsınız. Teşekkür ederim.

 

[kral kobra]

Harmoniğin kaynağı akım harmoniğidir anahtarlama elemanları tarafından üretilir. Akım harmoniklerinin aşırı yükselmesi gerilimin de sinüsoidal formunu bozmaktadır. Bu nedenle bir tesiste harmoniklerin olumsuz etkilerinden kurtulmanın ilk ve tek yolu harmoniğe neden olan yüklerin münferit filtrelenmesidir. Tuned-Detuned-Aktif filtre adı ne olursa olsun sistem girişinde yapılan filtrasyon tesiste oluşan harmoniklerin şebekeye yansımasını azaltır, tesis içerisinde dolaşmasını asla önlemez !
Pasif filtrasyon adı altındaki sistemlerin hepsi aslında bir rezonans önleyicidir.

 

[MmertT]

Harmoniğin kaynağı akım harmoniğidir anahtarlama elemanları tarafından üretilir. Akım harmoniklerinin aşırı yükselmesi gerilimin de sinüsoidal formunu bozmaktadır. Bu nedenle bir tesiste harmoniklerin olumsuz etkilerinden kurtulmanın ilk ve tek yolu harmoniğe neden olan yüklerin münferit filtrelenmesidir. Tuned-Detuned-Aktif filtre adı ne olursa olsun sistem girişinde yapılan filtrasyon tesiste oluşan harmoniklerin şebekeye yansımasını azaltır, tesis içerisinde dolaşmasını asla önlemez !
Pasif filtrasyon adı altındaki sistemlerin hepsi aslında bir rezonans önleyicidir.

Yapılan filtreleme ne olursa olsun nonlinear yüklerin olduğu her yerde harmonik akımları üretilmeye devam edilir. Dediğiniz gibi önemli olan şey bunun şebekeye yansımasının engellemesidir. Bir önceki mesajımda bahsetmiş olduğum tüm filtreler aslında rezonans filtreleridir. Akort edildikleri frekanslarda rezonanslar yaratarak kendi empedanslarını düşürür ve harmonik akımlarını üzerine çekerek emer. Bundan dolayı da harmoniklerin şebekeye akması önlenir. Bahsedilen filtreler işletme çalışmaya devam ettiği sürece çalışmaya ve görevlerini yerine getirmeye devam edeceklerdir. Çünkü işletmede her zaman için anahtarlama elemanları tarafından üretilen harmonik akımları dolaşacaktır. İster akif ister pasif filitrasyon olsun bu harmoniklerin üretilmesini asla önleyemez. Mesele bunların bastırılıp, elimine edilip şebekeye akmasını önlemektir.

Fakat bu durum ne yazık ki pratik anlamda pek mümkün olamamaktadır. Yapılan bir çok ölçüm göstermiştir ki, ağır sanayi bölgelerinin ve zayıf şebekelerin bulunduğu yerlerde background voltage distortion tabir edilen gerilim bozulmaları gözlenir. Bunun sebebi, hem şebeke zayıflığı hem de işletmelerde üretilen akım harmoniklerinin gerilim formu üzerinden şebekleye yayılmasıdır. Bundan dolayı gerilimin dalga formu, bahsedilen bölgelerde daha girişte bozuktur. Bunun sebebi ise yukarıda belirttiğim background distortion'dur. Bundan dolayı IEC standartlarında güç kalitesi, EMC vs ile ilgili olan tüm standartlar gerilim bazlı analizler, limitler ve hesap tabloları verilmiştir. Gerilim harmoniğinin akım tabanlı olarak üretildiği zaten herkesin kabulüdür. Fakat bahsetmiş olduğum background voltage distortion, işletmelerde bu harmonik akımlarının tam anlamıyla filtrelenmeyip şebekeye gerilim bozulması olarak akmasıyla meydana gelmektedir.

Dikkat çekmek istediğim nokta bu tür filtrelerin detaylı hesaplar yapılarak tasarlanması ve uygulamaya konmasıdır. Karadüzen tertip edilip bugüne kadar sorun çıkmayan işletmelerde bu sorunların ortadan kalktığı söylenemez.

Örnek vermek gerekirse, harmonik spekturumun tanımlandığı son derece 50. derecedir. Yani 2500Hz' dir. Bunun ötesinde bozulmaların yaşandığı yerlerde bazen yukarıda bahsi geçen filtreler bile tamamen çözüm olamayabilmekte daha farklı filtreler tasarlanması gerekebilmektedir. Bu bozulmalar ise bazen gelen OG kablonun kapasitesinden, bazen işletme içerisinde dolaşan OG kabo kapsitifinden, bazen bir VFD içindeki mikro kapasitörden bile kaynaklanabilir. Vurgulamak istediğim şey, durum tespitinin nokta atışı yapılıp, çözümün buna göre uygulanmasıdır.

Tuned-Detuned-Aktif filtre adı ne olursa olsun sistem girişinde yapılan filtrasyon tesiste oluşan harmoniklerin şebekeye yansımasını azaltır, tesis içerisinde dolaşmasını asla önlemez !

Burada kastetmiş olduğunuz olay tamamen empedans yönetimiyle alakalıdır. Bildiğiniz gibi akım, direnci en az olan yolu izlemektedir. Filtre uygulamasının münferit mi yoksa merkezi mi yapılacağı bu empedans hesaplamalarından sonra belirlenmektedir. Zaten kullanılan anahtarlama elemanı, üreticileri tarafından bu bozulmalar göz önüne alınarak tasarlanmaktadır. Bundan ve maddi nedenlerden dolayı işletmeler için en makul çözüm girişte yapılan filtrelemedir. Fakat işletme, ülkemizde böyle bir hukuki yükümlülük olmamasına rağmen, bu bozulmaların şebekeye akmasını önlemek zorunluluğuna sahiptir. Eğer bu hukuki yükümlülük getirilir ise eminim ki ülkedeki tüm ağır sanayi işletmeleri oldukça yüklü miktarda maddi yükün altına gireceklerdir.

Kısaca söylemek istediğim şeyi tekrarlamak istiyorum. Net çözüm için, net sorun tespiti yapılmalıdır. Bundan dolayı sorunun ne olduğu tam anlamıyla ortaya konmalı ve filtre ona göre seçilmelidir.