Bu yazımızda son zamanlarda adını sıklıkla duyduğumuz güç kalitesi problemlerini ve bu problelerin neden oluştuklarını sizin için inceledik.
Yazımızın sonunda aklınızda güç kalitesi problemleri ve bunların nedenleri ile ilgili bir soru işareti kalmayacağını umut ederek yazımıza başlıyoruz. Yedi adet güç kalitesi problemini inceleyeceğiz. Bunlar, gerilim çökmesi, gerilim yükselmesi, uzun ve kısa kesintiler, gerilim kırpışması, gerilim çentikleri, geçici haller ve harmoniktir.
1. Gerilim Çökmesi
Gerilimin rms değerinde %10 ile %90 arasında düşüştür. Elektriksel sistemin bir noktasında yarım periyot süresince kalıcı olması gerekir. Gerilim çökmesi yarım periyottan az bir süre olursa geçici hal olarak addedilir.
Süre açısından gerilim çökmeleri üç değer etrafında toplanır: 4 periyot (tipik arızalar için temizleme süresi), 30 periyot (kesiciler için tekrar kapatma süresi) ve 120 periyot (kesicilerin tekrar kapatmaları için gecikme süresi). Gerilim çökmelerinin ekipmanlar üzerindeki etkileri büyüklüklerine ve geçen zamana bağlıdır.
Gerilim çökmesi,kaynaktan geçici olarak bağlantıyı açma operasyonlarıyla,büyük motor yüklerinin devreye girmesiyle akan büyük akımlar nedeniyle veya arıza akımlarından olabilir.Bu olaylar kullanıcıların sistemlerinden veya elektrik şebekesinden ortaya çıkabilir.Anlık gerilim çökmesinin başlıca sebebi yıldırım çarpmasıdır.
2. Gerilim Yükselmesi
Gerilimin rms değerinde 1.1 ile 1.8 pu arasında artış olarak tanımlanır. Yükselmeler,büyüklükleri (rms değeri) ve süreleri ile karakterize edilirler. Arıza koşullarında yükselmenin şiddeti;arıza yeri,sistem empedansı ve topraklamanın bir fonksiyonudur. Yer altı sistemlerinde sonsuz sıfır dizin empedansı ile faz-toprak gerilimi yer altındaki fazlarda faz toprak kısa devresi sırasında 1.73 pu olabilir. Yakındaki topraklanmış indirici trafo merkezi olan yerlerde faz-toprak arızası sırasında arızasız fazda az veya hiç yükselme olmaz çünkü indirici trafolar genellikle DYN bağlanırlar bu da arıza akımı için düşük empedanslı sıfır dizin yolu sağlar.
Çökmelerde olduğu gibi yükselmelerde sistemdeki arızalar ile ilgilidirler ama gerilim çökmeleri kadar yaygın değildirler. Faz toprak kısa devre arızası sırasında arızasız fazda geçici gerilim yükselmesi olabilir. Yükselmeler ayrıca büyük yüklerin anahtarlanmasında veya büyük kapasitör bankalarının enerjilenmesinden dolayı da olabilir.
3. Uzun ve Kısa Kesintiler
Uzun ve kısa kesintilerin tanımı,gerilimin sıfıra düşmesi ve kendiliğinden gelmemesidir. IEC tanımlamasına göre bir kesintinin süresi minimum üç dakikaysa uzun kesintidir. IEEE 1159 standardı üç saniyeden uzun kesintiler için 'uzun süreli kesinti' ifadesini kullanırken yine IEEE'nin 1250 standardı 'uzun süreli kesinti' süresini en az iki dakika olarak belirlemiştir.
Güç sisteminde bir arıza meydana gelirse bildiğiniz üzere güç sistemi koruması buna müdahale eder. Eğer arıza radyal bir şebekede meydana gelirse kullanıcılara veya ekipman parçalarına giden gerilim koruma aygıtları tarafından kesilir. Bu arıza tipik olarak kısa devre arızadır, fakat transformatörlerde aşırı yüklenme veya düşük frekans gibi durumlarda uzun kesintilere sebep olabilir. Koruma aygıtları müdahale etmez ise bu arızalar daha büyük kullanıcı kitlesi için kesintilere sebep olur ve bununla birlikte elektrik ekipmanlarına ciddi zararlar verebilir.
4. Gerilim Kırpışması
Sistem gerilimindeki (rms değerinde) dalgalılıktır. Işık kırpışmalarından değişimin büyüklüğüne ve frekansına bağlı olarak fark edilebilir (düşük frekans).Bu nedenle bu bozukluğa gerilim kırpışması denir.
Kırpışmanın başlıca nedeni yüklerin büyük ve çok değişken akımlar çekmeleridir. Güç sisteminin empedansından dolayı (generatörler,transformatörler ve iletim hatları) gerilimin oransal genliğinde yük baralarında ve hatta çok uzak baralarda bile değişiklikler olur. Bir diğer yaygın kırpışma kaynağı ise elektrik motorlarının devreye girmesidir.Yeterli başlangıç torkunu üretebilmek için belki defalarca tam yükteki akımlarını çekerler.Aynı şekilde onların uygulamalardaki kullanımlarında düzgün olmayan torklara ihtiyaç duymalarıda sorunlu bir olaydır.
5. Gerilim Çentikleri
Çentikler, AC-DC dönüştürücülerde dönüştürme esnasında meydana gelen faz-faz kısa devreleri sonucunda her periyotta meydana gelen geçici durumdur. Bu bozukluk gerilim dalga formunun harmonik spektrumuyla karakterize edilir. Bununla birlikte anahtarlama anında oluşan yüksek frekanslı keskin kenarlı salınımlar içerir ve bu etki tesisi yalıtır ve ışınsal girişime sebebiyet verebilir. Bu etki anahtarlama aygıtlarının karşısında filtre kullanmak şartıyla azaltılır.
6. Geçici Haller
Çökmelerden veya yükselmelerden süre olarak daha kısa gerilim bozuklukları geçici haller olarak sınıflandırılır ve bunların sebebi güç sistemindeki ani değişikliklerdir.Geçici hallerin sürelerine bakılırsa geçici aşırı gerilimler anahtarlama biçiminde yükselmeler (milisaniyeler mertebesinde) ve impuls şeklinde (mikrosaniyeler mertebesinde) olarak ayrılabilir.
Yükselmeler güç sistemi anahtarlama problemlerinden doğan yüksek enerjili palsler,anahtarlama aygıtıyla birlikte rezonans devreleriyle ilgilidir. Onlar ayrıca anlık yük değiştirme süresinde de oluşur. Özel olarak,kapasitör anahtarlaması rezonans salınımları ile gerilimin nominal değerinden üç veya dört kez yükselmesi ne neden olur ve bunun sonuncunda koruma aygıtları devreyi açar ve hatta hasar bile görebilirler. Endüstriyel motorlar için elektronik temelli kontrolörler geçici hallere özel olarak hassastırlar.
7. Harmonikler
Harmonik bozulma güç sistemindeki lineer olmayan aygıtlardan dolayı oluşur. Lineer olmayan aygıt ise uygulanan gerilim ile çektiği akımı arasında bir orantı bulunmayan aygıttır. Lineer olmayan yüklerde uygulanan gerilimin dalga şekli çok iyi bir sinüs şekli olsa da akımı bozuk dalga formlu olur. Gerilim, akımın eğik ve değişik bir dalga şekli almasından dolayı çok yükselebilir. Bu güç sistemindeki çoğu harmonik bozulmanın kaynağıdır.
Harmonik problemlerin analizinde Fourier serisi kullanılır.Bunu kullanarak sistem her bir harmonik için ayrı ayrı analiz edilebilir. Buna ek olarak sistemin her bir sinüs eğrisinin harmoniğine tepkisi ayrı ayrı bulunabilir, daha fazlası kolay bir şekilde bütün bozulmuş dalga formlarıyla karşılaştırılabilinir. Her bir frekansın çıkışları yeni Fourier serisi ile kombine edilir, eğer istenir ise çıkış dalga formundan hesaplanabilir. Genellikle harmoniklerde sadece büyüklükler ile ilgilenilir.
Dalga formunun pozitif ve negatif yarım periyotları aynı şekilde olduğu zaman, Fourier serisi sadece tek sayılı harmonikleri içerir. Birçok güç sistemleri araştırmalarında daha basitleştirilmiş analiz sunulur çünkü yaygın harmonik üreten aygıtların çoğu iki polariteyide aynı görür. Bu durumda çift sayılı harmoniklerin bulunması genellikle ya yük ekipmanlarında ya da ölçme için kullanılan güç dönüştürücülerinde bir hata olduğu bilgisini verir.
Genellikle yüksek dereceli harmonikler (25. ile 50. arası,sisteme göre değişir)güç sistemi analizi için önemsizdirler. Bunlar,düşük güçlü elektronik aygıtların girişiminden oluşabilirler ve güç sistemine zarar vermezler. Yaygın bir istisnası ise sistem rezonansları frekansları aralığında oluduğu zaman meydana gelir. Bu rezonanslar istisna olarak çentiklerden veya elektronik güç dönüştürücülerin anahtarlamalarından oluşan geçici hallerden oluşurlar. Bu da gerilim dalga formlarının sıfırdan geçişinin aksamasına neden olur.Bu rezonanslar genellikle yer altı kabloları olan sistemlerde meydana gelirler.
Etkileri:
- Kondansatör gruplarının yalıtkanlıklarının bozulması veya kondansatörün aşırı yükten dolayı kötü çalışması,
- Taşıyıcı güç sistemleri ve dalga kontrolünde parazite,yük kontrolü,ölçme ve uzaktan anahtarlama yapan sistemlerin kötü çalışması,
- Senkron ve asenkron makinelerde aşırı ısınmaya ve bundan dolayı kayıplara,
- Rezonans nedeniyle sistemde aşırı gerilim ve akımlara,
- Sistemde oluşturduğu aşırı gerilimden dolayı,kullanılan iletkenlerin yalıtkanlıklarının bozulmasına,
- İletişim sistemlerinde parazite,
- Endüksiyon prensibiyle çalışan ölçü aletlerinde hata,
- Mikroişlemci temelli sistemlerin kötü çalışması,
- Asenkron ve senkron makinelerde mekaniksel titremeye,
- Transformatörlerde aşırı ısınmaya,
- İletim hatlarında hatların ısınması ve akımın efektif değerinin artması
Harmonik Kaynakları:
- Tek fazlı güç kaynakları:Elektronik güç konverterları güç sisteminde büyük harmonik üretme kapasitesiyle en önemli yeri kapsamaktadırlar.DC motor sürücüleri,batarya şarj cihazları ve elektronik balastlar bu yüklere örnek gösterilebilir.
- Florasan aydınlatma:Balastlarından dolayı harmonik üretirler.
- Hız kontrol sürücüleri
- Üç fazlı güç konverterleri:Üç fazlı güç konverterlerinin tek fazlı güç konverterlerinden tek farkları üçüncü harmonik bileşenini üretmemesidir.Bu büyük bir avantajdır.
- DC sürücüler
- AC sürücüler
- Ark makinaları, ark fırınları, elektrikli kaynak makineleri, manyetik balastlı deşarj lambaları bu grubun içindedir. Elektrik arkının gerilim karakteristiği lineer değildir.Arkın başlamasıyla gerilim düşer ve akım artar. Arkı sınırlandıran güç sisteminin empedansıdır.
- Transformatörler:Transformatörlerin nominal gerilimleri dışında çalışması harmonik akımları seviyesinde hızla artmaya sebep olabilir.Transformatörlerde üç ve üçün katı harmonikler değişik bağlantı gruplarıyla yok edilebilirler,5. ve 7. harmoniklerin etkileri çeşitli saçlar kullanılarak azaltılabilinir.
- Generatörler:Dönen makineler,makine ve endüvi oluk sayısına bağlı olarak harmonik üretirler.
- Statik VAR kompansatörleri
- Fotovoltaik sistemler:Fotovoltaik sistemler genel olarak konverterlardan kaynaklanan harmonik etkinliğine sahiptirler.
- Bilgisayarlar
- Kesintisiz güç kaynakları
