Şebekedeki Harmonik Bozulmalar
Harmonik akımlar, esas olarak tesisatlardaki doğrusal olmayan yüklere kadar iner. En sık görülen harmonik kaynaklar, elektrik arklarının (#kaynak, #arkfırınları, #deşarjlambaları, vb...) ve manyetik makinelerin kullanımına bağlıdır.
Güç elektroniği (konvertörler, değişken kontrol üniteleri, güç kaynakları, balastlar, indüksiyonlu ısıtma) endüstriyel alanda önemli bir harmonik kaynağıdır. Son zamanlarda, tümü düşük güçlü cihazlar olan ancak yaygın olarak kullanılan bilgisayarlar, yazıcılar, televizyonlar ve küçük aplikatörler, anahtarlama modlu güç kaynakları vs. ürünlerin genel halk arasında ve ticari alanda kullanımının artmasıyla birlikte harmonik kaynaklar ortaya çıktı.
“Düşük tüketimli” ekonomik aydınlatmanın yeni biçimleri de yeni harmonik kaynaklarıdır.
Yeni bir özellik: harmoniklerden kaynaklanan bozulma gücü, ileriye dönük herhangi bir elektrik değerlendirmesinde hesaplanmalıdır.
Harmonikler çok sayıda arızaya yol açabilir: iletkenlerde sıcaklık artışları, koruyucu cihazların tetiklenmesi, kontrol sistemlerinde EMC paraziti, manyetik makinelerde titreşim ve gürültü, vb. ve hatta yıkıcı etkiler: transformatörlerin ve özellikle kapasitörlerin aşırı yüklenmesi, aşırı ısınması ve bozulması...
Bu cihazlar için, frekans artışı nedeniyle histerezis yoluyla ek kayıplar oluşturmanın yanı sıra, şebekeninkinden daha yüksek frekanslı harmoniklerin varlığı rezonans durumunda, kapasitörlerin empedansında azalmaya neden olarak aşırı akımlara ve hatta yıkıma neden olur.
Mevcut “toplam harmoniklere” bağlı olarak, uygun kompanzasyon çözümlerinin uygulanması veya harmoniklerle rezonans riskinden uygun koruyucu cihazları içeren çözümlerin uygulanması gerekecektir.
Ele alınan tesisatın tasarımı ve yerinde ölçümler kullanılarak tamamlanabilecek mevcut elemanların hesaplanması, rezonans riskinden, sebeplerinden ve sonuçlarından kurtulmak için esas olacaktır.
İçindekiler:
1| Harmonik Girişimin Karakterizasyonu
Bu bozulma, temel frekansın çoklu frekanslarında gereksiz güç tüketimine karşılık gelir. Bozulmuş akım, çeşitli harmonik düzenlerin üst üste binmesiyle eşleşir.
Harmonik girişim birkaç yöntemle karakterize edilebilir:
Her harmonik düzen (numara) için (temel frekansın katları) değerine göre (amper veya volt olarak)
Sinüsoidal temel dalga ile ilgili olarak harmonik sinyal kısmını (gerilim veya akım olarak tanımlanır) ölçen % cinsinden toplam harmonik bozulma (#THD) ile.
Karşılık gelen harmonik güç veya çarpıtma gücü (D) ile.
1.1| Her bir harmonik düzenin değerinin frekansına göre hesaplanması
burada:
Y0: Dc bileşeninin değeri genellikle sıfırdır
Yh: n-dereceli harmoniğin etkin değeri,
ω: temel frekansın açısal frekansı,
ϕh: harmonik bileşenin t = 0'a faz kayması.
1.2. Harmonik bozulmanın (#HD) ve toplam harmonik bozulmanın (#THD) hesaplanması
Bu büyüklük, benzersiz bir sayı kullanarak voltaj veya akım bozulmasını değerlendirmek için kullanılır. Pratikte, toplam harmonik distorsiyon genellikle aralığı sınırlayarak yüzde olarak ifade edilir.
1.3. Harmonik kirlilik veya bozucu gücünün hesaplanması
Mevcut harmonikler ile gerçek görünen güç, her bir harmonik düzenin gerilim/akım ürünlerinin geometrik toplamını temsil eder.
.
Akımın efektif değeri l, her harmonik düzendeki akımların katkısı ile belirlenir. 1'den (temel mertebeden) büyük mertebelerden kaynaklanan görünür güç, harmonik gücü veya çarpıtma gücü D'yi oluşturur.
Aktif güç P ve reaktif güç Q, 1. temel mertebe harmoniğin akımına bağlıdır. Bozucu güç, 1'den büyük harmonik düzenlerle bağlantılıdır.
Bozucu güç D, görünen gücü S arttırır ve güç faktörü λ'ya zarar verir.
Harmoniklerin varlığı, güç faktörünün bozulmasının bir kaynağıdır. Kapasitör bankları tarafından telafi edilmeyen gereksiz güç tüketimi üretir. Harmonikler kapasitör aşırı yükleri oluşturur ve bu nedenle kapasitörler özel düzenler kullanılarak güçlendirilmeli veya korunmalıdır.
Çok yüksek harmonik güç durumunda, uygun filtreler kullanılarak kritik frekanslar ortadan kaldırılmalı veya en aza indirilmelidir.
Birkaç teknolojik olasılık vardır: pasif, aktif ve hibrit
Dikkat edilmesi gereken 3 nokta:
Nokta #1:
THD, sinyalin spektral içeriği hakkında herhangi bir bilgi sağlamaz ve bu nedenle rezonans riskleriyle ilgili filtreleme yöntemlerini hesaplamak için yeterli araçları oluşturmaz. Öte yandan, tesisin kirlilik derecesinin ve maruz kalınan risklerin ilginç bir göstergesidir.
Nokta #2:
Gerilim THDu, gerilim dalgası bozulmasını karakterize eder:
%5'ten düşük bir THDu değeri normal kabul edilir: arıza korkusu yoktur..
%5 ile %8 arasındaki bir THDu değeri EN 50160 standardına uygundur ancak önemli harmonik kirliliği ortaya çıkarır ve bazı arızalar mümkündür.
%8'den yüksek bir THDu değeri, yüksek harmonik kirliliği ortaya çıkarır: arızalar olasıdır, derinlemesine bir analiz ve filtreleme cihazlarının uygulanması gerekir.
Çok yüksek bir kaynak empedansı ile karşılaştırıldığında çok sayıda "kirletici" tüketicinin varlığı, rezonans harmoniklerinin amplifikasyon kaynağı da olabilen kapasitörlerin varlığına rağmen bir voltaj bozulması yaratır.
Nokta #3
Gerilim THDi, mevcut dalga bozulmasını karakterize eder..
%10, hatta %15'ten düşük bir THDi değeri normal kabul edilir: arıza korkusu yoktur.
%15 ila %35 (standart değer %33) arasındaki bir THDi değeri, önemli harmonik kirliliği ortaya çıkarır: kabloların ve güç kaynaklarının aşırı boyutlandırılmasını içeren aşırı ısınma riski vardır.
%35'ten yüksek bir THDi değeri, yüksek harmonik kirliliği ortaya çıkarır: arızalar olasıdır.
Bu nedenle, harmoniklerin tam doğasını (sırasını) ve özellikle genellikle baskın olan 3. derecenin potansiyel kısmını bilmek önemlidir. Harmonik kompanzasyon cihazlarının kullanılması tavsiye edilir. Bu, %50 THDi'nin ötesinde gerekli hale gelir.
2| Harmoniklerin Varlığı ile Kapasitörlerin Davranışı
Harmonikler, kapasitörlerde tercihen risk altında veya aşırı yüklenip onları yok ederek dolaşır. Bir kapasitörün empedansı frekansla ters orantılıdır (Zc = 1/cω). Frekans arttıkça (harmoniklerde) empedans azalır.
Tesisatta mevcut toplam harmonikler, bu nedenle kapasitör tipinin seçiminde ve potansiyel korumasında belirleyicidir. Gerçek harmonik gücü veya bozulma gücü D'yi hesaplamak zor olabilir. Öte yandan, harmonik üreteci ürünlerinin aktif gücü SH'nin ST kaynağının gücü ile karşılaştırıldığında tahmin edilmesi daha kolaydır. Böylece % olarak bir SH/ST oranı belirlenir.
Bununla birlikte, kondansatörlerin tanıtılması, kaynağınkiyle karşılaştırıldığında tesisatın empedansını değiştirme etkisine de sahiptir, bu nedenle ikisi arasında meydana gelen rezonans fenomenini riske atar, bu da frekans artışı gerçeği göz önüne alındığında daha kolay elde edilir; ki harmonik akımların mevcut olduğu durumda.
Amplifikasyon faktörü, kaynak gücü ST (veya kısa devre gücü SSC'nin) ile karşılaştırılan güç kompanzasyonu QC'ye göre rezonans riskini hesaplamak için kullanılır, bu faktör ayrıca aktif güç yüküne P bağlıdır.
SH/ST oranına gelince, kaynak güç ST ile karşılaştırıldığında reaktif güç kurulu QC oranını % olarak tanımlayan QC/ST oranı ile kaynak ve kapasitörler arasındaki rezonans riskine pratik bir yaklaşım yapılabilir.
Bu iki faktör, kullanılan QC/ST güç kompanzasyonuna kıyasla SH/ST tesisatının harmonik kirlilik riskini değerlendirerek seçimi pratik bir şekilde dengelemek için kullanılır.
Dikkat edilmesi gereken önemli not!
Tesisatın toplam harmonik bozulma seviyesi ve kompanzasyon oranı, kapasitör tipi seçiminde iki temel faktördür. Tesisata ne kadar çok bozucu yük dahil edilirse ve/veya güç kaynağı ile karşılaştırıldığında kompanzasyon ne kadar önemliyse, kapasitörlerin harmonik aşırı yüklenmesi riski o kadar yüksek olur.
Bu nedenle, koruyucu cihazları içeren çözümler gereklidir.
Birkaç çarpık yüke sahip düşük güçlü kurulumlarda kompanzasyon kapasitörlerini kurarken dikkatli olunmalıdır.
3| Harmonik Akım Sirkülasyonu
3.1. Kapasitörsüz Kurulum
Harmonik akımlar doğal olarak dolaşır veya kaynaklarından en düşük empedansı gösteren devrelere "geri döner". Teorik olarak, bunların çoğu (Ihs) bu nedenle güç kaynağı transformatörünü geçerek kaynağa ve ağa geri gönderilir.
Uygulamada harmonik akımlar (Ihu) ayrıca tesisin diğer yük devrelerine geri beslenir: bu nedenle harmonik jeneratörler ve hassas reaktörler arasında karşılıklı kirlilik mümkündür.
Bir tesisatın ürettiği harmoniklere duyarlılığı elbette bu harmoniklerin miktarına ve özellikle tesisatın kaynağa göre empedans özelliklerine bağlıdır.
Tesisattaki harmonik akımların yayılmasını sınırlamak için besleme, kirlilik alıcı harmonik jeneratörlerine kıyasla mümkün olduğu kadar güçlü olmalıdır.
Eşdeğer Bağlantı Şeması
Kaynağın empedansı ZS = √(RS2 + XS2)
Harmonik jeneratör alıcısının ve güç kaynağı hattının empedansı Zu = √(RL2 + XL2)
ZS << ZU ise, voltaj Va = e ise, kaynak ve yukarı akış sistemi tek bir ideal voltaj kaynağı olarak hareket eder. Şebeke, tedarik edilecek kurulumla karşılaştırıldığında “son derece güçlü”.
Frekans davranışı doğrusaldır, yani "de Parseval" olarak bilinen süperpozisyon teoreminin matematiksel uygulamasında farklı harmonik düzenlerin katkısı VA ve VB voltajlarını değiştirmez:
Aynı kavram, harmonik kirlilik olasılığını kaynağın gücü ve kirletici element oranı ile ilişkilendirmek için kullanılır. Eşitsizlik, güce şu şekilde aktarılır:
SSC >> SU
burada:
SSC: empedans kaynağı ZS'nin kısa devre gücü
SU: empedans kirlilik alıcısının görünür gücü ZU
Aynı yaklaşım, kaynak ve kurulum arasındaki rezonans riskine de gösterilmiştir.
3.2. Kapasitörlü Kurulum
Kondansatörlerin montajı harmonik sirkülasyonunu değiştirir. Frekans arttığında kapasitörlerin empedansı kaynağın empedansından daha düşüktür.
Harmonikler doğal olarak kapasitörlere doğru dolaşır ve kaynağa geri dönmez (veya çok daha azını yapmaz).
Tüm kaynağın/tesisin davranışı değişir ve harmoniklerin frekansına göre değişir.
Matematiksel bir bakış açısından, süperpozisyon teoremi artık geçerli değildir ve her harmonik sıranın katkısının hesaplanması, empedansın ZU'nun frekansla azaldığını gösterecektir.
Eşdeğer bağlantı şemasında, VA gerilimi e'den farklıdır.
Harmonik akımların önemli bir Ihc kısmı kapasitöre yönlendirilir. Bu nedenle, ikincisinin aşırı yüklenmesi veya yok edilmesi riski vardır.
4| Harmoniklerin Filtrelenmesi ve Ortadan Kaldırılması
Önemli harmonikler mevcut olduğunda (SH/ST: %25 ila 35), kondansatör ile seri olarak bir endüktans kurulumu (anti-rezonans reaktörlü tip) ikincisinin empedansını harmonik frekanslara yükseltmek ve LC filtresinin rezonans frekansı bu şekilde ana harmonik akımlar nedeniyle frekansların altında oluşturulur.
Bu tekniğin sınırları vardır. Harmonik akımları kısmen ortadan kaldırır, ancak bir kısmı kaynağa dönmeye devam eder.
Tipik ayar frekansı değerleri:
200 Hz'e yakın (50 Hz'e kadar olan ağlar) ve 240 Hz'ye (60 Hz'ye kadar olan ağlar): 5. dereceden harmonik ile olası rezonansı ortadan kaldırır (derece-3 harmoniğinin azaltıldığı veya ortadan kaldırıldığı üç fazlı sistemler için)
3. derece harmoniğinin baskın olduğu üç fazlı sistemler için 135 Hz'e (50 Hz'e kadar olan ağlar) ve 160 Hz'ye (60 Hz'ye kadar olan ağlar) yakındır.
Kapasitör ile seri olarak bir anti-rezonans reaktörünün yerleşimine bir örnek. Rezonans riskini gösteren 5. derece harmonik durdurulur ve kapasitöre ayarlanmaz. Ancak ortadan kaldırılmaz ve diğer alıcıların kirlenmesi riskini alarak kurulumda dolaşmaya devam eder.
Harmonik akımlar çok büyükse (SH/ST: %35 ila %50), özel filtreler kullanılarak giderilmelidir. Pasif harmonik filtre, esas olarak bir kondansatör ile seri halinde bir endüktanstan oluşur.
İki bileşen, istenmeyen frekansta rezonansa girecek ve böylece akımın filtreden geçmesine neden olacak şekilde boyutlandırılmıştır. Bu nedenle, ortadan kaldırılacak frekansa farklı “ayarlı” filtrelerin her biri takılabilir (5. derece için 250 Hz, 7. derece için 350 Hz).
Bu çözümlerin avantajı basitlik ve sınırlı maliyettir.
Filtre harmoniği emer ve kompanzasyon kondansatörü ile başlayan rezonansı engeller.
Filtrenin tesisattaki konumuna bağlı olarak “yakalanan” harmoniğin sirkülasyonunun azaltılmasını sağlar. Filtre, rezonansın meydana geldiği yerlerde yüksek olabilecek akımları emecek şekilde boyutlandırılmalıdır.
5| Kısaca Filtre Çeşitleri
Pasif Filtre
Pasif filtre, bir kondansatör ile seri bağlı bir endüktanstan oluşur. Bu şekilde oluşan LC hücresi, verilen (düzenli) bir harmonik frekansa bağlanır. Çok sayıda konfigürasyona uyarlanabilen çok amaçlı bir çözümdür.
Paralel kurulumu, güç alanını sınırlamaz. Tesisatın harmonik içeriğinin analizinin yapıldığı andan itibaren güç kompanzasyonu ile tamamen uyumlu bir çözümdür.
Aktif Filtre
Aktif filtre, tesisat çevresinde dolaşan harmonikleri (akım harmonikleri) veya hassas bir alıcının terminalinde bulunan (gerilim harmonikleri) gerçek zamanlı olarak analiz eder.
Anti-fazda filtre, onları iptal etmek için mevcut harmoniklere karşılık gelen bir sinyali geri besler. Aktif filtre, geniş bir frekans bandı üzerinde harmonik kompanzasyonu için kullanılır.
Yüke göre uyum sağlar ancak maliyeti daha yüksektir ve gücü sınırlı kalır.
Hibrit Filtre
Bu, güç alanını genişletmek için kullanılan pasif ve aktif olmak üzere iki sistemin birleşimidir.
Harmonik filtreleme, uygun bir sistem seçildiği sürece etkilidir; bu, analiz ve ön ölçümlerin gerekli olduğu anlamına gelir. bunlar tamamlanmazsa arızalar kaçınılmazdır.
Referans: | Electrical Energy Supply by Legrand |
Format: | |
Boyut: | 5.8 MB |
Sayfa: | 155 |
İndirme: |
