Alternatif akımla çalışan güç sistemlerinde gelişen teknolojiye bağlı olarak yarı iletken kontrol ve kumanda sistemlerinin adapte edilmesi sistem verimliliği, kontrolü, izlenmesi ve korunması açısından fevkalade olanaklar sağlamıştır. Buna karşılık yarı iletken ve anahtarlamalı sistemlerin yarattığı güç sistemi harmonikleri yeni sorunların ortaya çıkmasına neden olmuştur.
Elk. Müh. Ahmet KARANCI
ÖZET:
Alternatif akımla çalışan güç sistemlerinde gelişen teknolojiye bağlı olarak yarı iletken kontrol ve kumanda sistemlerinin adapte edilmesi sistem verimliliği, kontrolü, izlenmesi ve korunması açısından fevkalade olanaklar sağlamıştır. Buna karşılık yarı iletken ve anahtarlamalı sistemlerin yarattığı güç sistemi harmonikleri yeni sorunların ortaya çıkmasına neden olmuştur.
Harmonik akım ve gerilim bozulmasının ortaya çıkardığı sorunların çözülmesi için oldukça maliyetli aktif filtreler ve görece düşük maliyetli ancak çözümden uzak pasif sistemler geliştirilmişse de nihai çözümün ortaya koyulması noktasından oldukça uzakta olduğunu söyleyebiliriz.
İşte bu noktadan hareketle yaşanan harmonik etkilerin AC sistemlerde yaratacağı potansiyel sorunlara baktığımızda: Elektromekanik cihazlar ve kablolarda ısınma, titreşimler (vibrasyon), ateşleme devrelerinde anormallikler, CAD/CAM terminalleri hafıza kaydı sorunları, elektronik kart arızaları, güç kondansatörlerinde güç kayıpları, delinme ve patlamalar, sigorta arızaları. YG kesici ve AG şalter açmaları, otomasyon sistem sinyal bozulmaları ve enerji kayıpları sayılabilir.
Bu çalışma ile yaşanan harmonik etkilerin günümüzde bilinen çözüm yöntemlerinin tamamen dışında ve harmoniklerin silinmesi olarak tanımlanabilecek bir çözümün başarı ile uygulanmış örneğinin de paylaşılacağı bir çalışmanın bilimsel bir platformda ilk kez sunumu yapılacaktır.
Anahtar kelimeler: Harmonik etkiler, yarattığı sorunlar ve yeni bir çözüm olarak “Harmonik Silici.”
GİRİŞ
Son yıllarda yarı iletken teknolojisindeki olumlu gelişmeler yarı iletkenlerin anma akım ve gerilim değerlerinin artışı ile sonuçlanmıştır. Bu gelişmeler güç elektroniğinde daha güçlü teknolojilerin önünü açmıştır. Örneğin daha güçlü yol vericiler, daha güçlü yüksek frekansla ısıtma yapan sistemler, yüksek frekansla kaynak yapan kaynak makinalarının imalatını olanaklı kılmıştır.
Bu teknolojiler sundukları avantajlarla sanayii içinde kendilerine hızla yer bulmuşlardır. Örneğin 80 metre/dakikalık bir hızla kaynak yapan kaynak makinası ve buna benzer teknolojiler vazgeçilmez olmuşlardır.
Bu teknolojilerin artan güçleriyle beraber sanayii elektrik tesislerinde harmonik denen istenmeyen akımlar hızla ana akım içindeki oranlarını arttırmışlardır. THDI yüzde 30 olan 100 amperlik bir ölçümde ölçülen akımın yüzde 30’u harmonik akımlardan oluşmaktadır.
HARMONİKLERİN YÜK AKIMI ÜZERİNDE YARATTIĞI DEFORMASYON
GÖRSEL - 1: 3. ve 5. Harmoniklerin yarattığı deformasyon
Yukarıda görülen şekilde 3. ve 5. Harmoniklerin yük akımı üzerinde yarattığı deformasyon görülmektedir
Örneğin akım zamana göre daha hızlı yükselmekte, anma değerleri artmakta ana akımın sinüs formu bozulmaktadır.
GÖRSEL 2 : iki adet osiloskop görüntüsü
Yukarıda görülen iki fotoğraf anahtarlanan güçlerin yoğun olduğu iki işletmede ölçümlenmiştir. Ölçümleme tesisatın herhangi bir noktasında enerjilenen trifaze kondansatörün çektiği akımın üzerindeki değişimlerin osiloskop tarafından tespitidir. Fotoğraflarda görülen agresif değişimler sistemdeki reaktif akım değişimlerine eşdeğerdir; çünkü kondansatör akımı reaktif bir akımdır.
Kaynaktan çekilen akım; akımın watt lı bileşeni ile reaktif bileşeninin vektörel toplamıdır. Dolayısı ile ana akım da bu değişimlerle deforme olur.
HARMONİKLERLE MÜCADELE
Günümüzde bir çok işletme harmoniklerin bu olumsuz tesirleriyle mücadele etmektedir. Özellikle demir çelik işletmeleri ve haddehanelerde bu rahatsızlıklar had safhadadır. İmkanı olan işletmeler bu sıkıntılardan kurtulmak için mevcut sistemden; ayrı izole sistemler oluşturup, harmonikler karşısında atıl hale gelen donanımlarını çalıştırabilmektedir.
Elektrik tesislerinde oluşan harmoniklerin neden olduğu olumsuzlukları önlemek adına bu gün iki çözüm vardır:
1. Pasif filtreler
2. Aktif filtre
Pasif filtreler harmonik akımları yok etmez; tesisattaki daha yoğun harmoniklerin altındaki frekansa set edilerek bu frekanslardaki akımları by pass ederek tesisatta yayılmasına mani olur. Diğer taraftan rezonans riski nedeniyle sanayii tesislerinde efektif olarak kullanılmamaktadır.
Aktif filtre ise kVA/ fiyat tının yüksek olmasından orta ve büyük sanayii tesislerinde kendine yer bulamamıştır. [3]
HARMONİK AKIM SİLİCİNİN TEORİK ANLATIMI
Bilindiği gibi manyetik bir nüve üzerine sarılmış N sipir sayılı bobin üzerinden akım geçirilmek istendiğinde, bu düzenek akımın artmasına, akım düşme eğilimine girdiğinde de akımın düşmesine engel olmaya çalışır. Yukarıdaki ifade LENZ kanunu ifadesidir.
Yukarıda anlatılan düzen indüktif reaktanstır. Bu reaktansın harmonik akımların sebeb olduğu ani akım yükselmeleri engelleyebilmesi için akımın yükselmesine neden olan reaktif enerjileri absorbe edebilmeli ve akımın düşmesine neden olan enerjileri de kendi üzerinde depoladığı enerjiden sağlayarak akımın düşmesini engelleyebilmelidir.
Uygun bir manyetik çekirdek üzerine sarılmış N sipir sayılı bobinin üzerinden i akımı geçerken manyetik devre üzerinde B manyetik akı yoğunluğunda bir manyetik akı dolaşmakta buda bu sistem üzerinde bir enerji biriktirmektedir.
Sinüsün herhangi bir anında akım aniden artıp B manyetik akı yoğunluğu dB gibi bir artış gösterirse formüldeki dW enerji artışı manyetik sistem tarafından emilir ve akımın yükselişi engellenir. Akım düşmeye başlayınca bu enerji sisteme iade edilir. [2]
Sinüsün herhangi bir anında akım azalıp B dB gibi bir azalış gösterirse bu azalışı engelleyecek enerji manyetik devre üzerindeki enerjiden karşılanıp akımın düşmesi engellenir. Böylece akımdaki yükselme ve düşmeler engellenir, harmonik akımlar silinir.
Bu sistemin her oranda bütün 3., 5., 7., ……n’inci harmoniklere etkili olduğu gözlenmiştir. Çünkü sistem akım değişimlerine endekslidir. Her oranda örneğin 0 %10 dan % 70 e kadar bütün harmonik seviyelerinde aktiftir ayar gerektirmez, çünkü yüksek harmonik seviyelerinde akımlar yüksek dolayısı ile depolanan enerjiler de yüksektir, yani sistem her koşulda aktiftir ayar gerektirmez.
Bu sistem değişik sanayi tesislerinde denenmiş yukarıda görülen harmonik seviyelerinin hepsinde orijinal sinüs değişimine ulaşılmıştır.
GÖRSEL-3
Sistem herhangi bir frekansa set edilmediği için REZONANS riski yoktur.
Sistem tesisata kompanzasyon sistemleri üzerinden bağlanır. Fiziki bağlantı aşağıdaki şemada görülmektedir. Bu teknoloji harmonik akımları siler ve elektrik tesislerine adaptasyonu kolaydır, koşulsuz sisteme adapte olur.
GÖRSEL-4
Sistem sanayide denenmiştir ve halen bir fabrikada çalışmaktadır. Bu işletme anahtarlanan güçlerin yoğun olduğu bir işletmedir
İşletmenin teknik koordinatörü tarafından bana yöneltilen şikayet, işletmedeki yol vericilerin günde 7-8 defa kendilerini korumaya alarak işletmenin devre dışı kaldığı şeklindeydi. Söz konusu işletmede yüksek frekansla çalışan yükler ağırlıktadır. Yüksek frekansla kaynak yapan makinalar yüksek seviyede harmonik üretmektedir. Bu makinanın lokal kompanzasyon panosu üzerine tek kademeli olarak yukarıda anlatılan harmonik akım silen sistem konmuş, bu şikayetler son bulmuştur.
FAYDALANILAN ESERLER
1. Prof Hasan Önal Elektro Tekniğe Giriş Elektro Mağnetizma
2. Electrical Engineer Stephen J. Chepman Elektrik Makinalarının Temelleri
3. Prof. James w.Nilson, Prof. Susan A. Ridel Electric Circuits
. . .
İçerik sadece atıfta bulunularak yayınlanabilir: Sivas İş Dünyası. Editöryal görüş, yazarın görüşüne aykırı olabilir.
