Harmonik akımların akışını kontrol etmek ve harmonik bozulma seviyesini azaltmak için altı yöntem (fotoğrafta: Bir Benshaw SG Serisi VFD'nin mevcut 18 darbeli bir sistemde yeni bir diyot doğrultucu ile uyarlanması; fotoğraf: @SwitchgearSol)

 

Büyük harmonik üreticileri, genellikle endüstriyel sektörde, harmonik filtreleme yöntemlerini benimseyen, aksi takdirde ölçüm noktasının ötesinde ortaya çıkabilecek ve hassas ekipman ve süreçlerini etkilemeye başlayan çoklu bozulmaları azaltmak için tek üreticiler olabilir. Yüksek maliyet nedeniyle, bu ticari ve konut tesislerinde yaygın bir uygulama değildir.

 

Filtrelenmemiş harmonik akımlar, doğal yayılma yasalarını izleyerek PCC'den yukarı ve aşağı akışta serbestçe yayılmaya bırakılır. Bitişik kurulumlara ulaşabilirler; hatta bazen yardımcı trafo merkezine gidebilirler.

 

Yardımcı programların ve harmonik üreten alıcıların, artan harmonik bozulma seviyelerini ele almak ve çözüm bulmak için sürekli olarak alternatif yöntemler aradığını görmek yaygındır.

 

(!) Örneğin, değişken frekanslı sürücülere (VFD'ler) bağlanan ve dolayısıyla harmonik akım aşırı ısınmasına yüksek oranda maruz kalan özel uygulama transformatörleri genellikle özel K faktörlü transformatör tasarımları olarak bilinir. Bu özel tip transformatör yapıları, trasnformatörün atanmış değerlerin altında işletimini önler. Tip-K transformatörler temel olarak geliştirilmiş sargılar ve harmonik akımlar tarafından üretilen ek ısıtma miktarını azaltan düşük kayıplı demir çekirdeklerle tasarlanmıştır.

 

Dönüştürücünün, kaynak tarafındaki harmonik akımların sargılarda hiçbir şekilde kontrol edilmediğini veya elimine edilmediğini bilmek önemlidir. Harmoniklerin bir miktar iptali, örneğin iki altı darbeli dönüştürücü arasında 30° kayma sağlayan faz kaydırmalı transformatörlerde gerçekleşebilir: biri üçgen bağlantılı ve diğeri transformatörün yıldız bağlantılı sekonder sargılarından beslenir.

 

Bu teknik makale, güç sistemlerinde doğrusal olmayan yüklerin ürettiği harmonik akımların akışını kontrol etmek için endüstride kullanılan bazı teknikleri açıklamaktadır. En sık rastlananlar aşağıdaki altı tanesidir:

 

1. Şebekenin yeniden yapılandırılması
2. Kısa devre akım oranının artması
3. Faz kaydırmalı transformatörlü statik çok darbeli güç dönüştürücüler
4. Seri bağlı reaktörler
5. Faz yükü dengesi
   1. Faz gerilimi dengesizliği
   2. Dengesiz faz geriliminin etkileri
6. Yük sınıflandırması

 

1. Şebeke topolojisinin yeniden yapılandırılması

Filtrelenmemiş harmoniklerin etkisini azaltmada genellikle avantajlı olan bir önlem, ağın yeniden yapılandırılmasıdır. Burada sisteme büyük miktarda harmonik akım veren tesisattaki kullanıcıları ve sektörleri belirlemek ve frekans içeriğini karakterize etmek gerekir.

 

Konut kurulumlarında sıklıkla olduğu gibi, aynı kablolama veya ek devreler aracılığıyla yüklerin yeniden dağıtılması, arızaları büyük ölçüde azaltmak adına ekonomik bir çözüm sağlayabilir.

 

(!) Üç fazlı sistemlerde, tek fazlı yükleri dengelemek gibi en büyük doğrusal olmayan yükleri farklı fiderler arasında dağıtmak faydalı olacaktır. Bu önlem, aksi halde tek bir yoldan taşınan harmonik akımlardan kaynaklanan aşırı gerilim düşüşlerini azaltacaktır.

 

Harmonik filtreler bir seçenek değilse besleyicideki doğrusal ve doğrusal olmayan yüklerin karıştırılması, doğrusal yükler paralel rezonans tepelerinin doğal zayıflatıcıları olarak hareket ettiğinden harmonik bozulmanın azaltılmasına izin verebilir. Bu önlem, lineer yükler, bir noktada THD biraz artarsa kesintiye uğrayabilecek hassas elektronik veya endüstriyel işlemler içerdiğinde düşünülmemelidir.

 

2. Katı tedarik modunun artması

Mevcut kısa devre akımı ile nominal yük akımı arasındaki oranın artması, daha güçlü bir besleme düğümü oluşturur. Bu, elektrik şirketleri trafo merkezlerinin boyutunu artırdığında olur. Ayrıca endüstriyel alıcılar, yoğun talep sırasında çalışmaya yardımcı olmak için tedarik veriyoluna bir miktar kojenerasyon eklediğinde de ortaya çıkar.

 

Katı AC kaynakları, kısa devre ve yük akımları arasındaki oranın genellikle kaynak sertliğinin bir ölçüsü olarak kullanıldığı mevcut kısa devre akımını arttırır. Güçlü besleme düğümleri, ağdaki geçici bozulmaları daha iyi emebilir ve büyük trafo ani akımlarının, kablo enerjilenmesinin ve büyük motor yüklerinin başlamasının etkilerini azaltabilir.

 

(!) Aynısı trafo merkezine ulaşan harmonik akımlar için de geçerlidir. Bunun nedeni, katı bir kaynağın daha düşük empedansının yalnızca kararlı durum için değil, aynı zamanda daha yüksek frekans akımları için de daha küçük voltaj düşüşleri üretmesidir.

 

Yüksek kısa devre akımları daha sonra düşük empedans kaynaklarıyla ilişkilendirilir ve bunlar da transformatör boyutunun ters fonksiyonlarıdır. Bu, MVA1 dereceli "eski" bir transformatörün MVA2 dereceli "yeni" bir transformatör ile değiştirildiğinde empedans değişikliğinin hesaplanmasıyla gösterilebilir.

 

Denklem (1)'de açıklanan transformatör empedansı için temel ifadeyi kullanarak:

aşağıdaki sonuca varıyoruz:

 

Diğer tüm parametreleri aynı kabul edersek, Denklem (7.2)'deki empedans oranı şuna düşer:

Yani, yeni bir transformatörün eski bir transformatöre olan empedans oranı, eski ve yeni transformatörlerin megavolt amperleri arasındaki ters oranına göre değişir. Örneğin, 30 MVA'lık bir transformatör, ikisinin aynı kaçak empedansa sahip olduğu varsayıldığında, aynı voltaj sınıfındaki 15 MVA'lık bir transformatörden iki kat daha küçük bir empedans ve kısa devre akımında iki kat artış gösterir.

 

(!) Başka bir deyişle, belirli bir voltaj için bir dağıtım transformatörünün derecesi, kaynak sertliğinin bir göstergesi olarak kullanılabilir.

 

Harmonik frekanslarda, sistemin endüktif ve kapasitif empedansları frekansın bir fonksiyonu olarak değişir:

Daha katı bir kaynak, öncelikle sistemin endüktif bileşenini etkileyecektir. Harmonik akımlar, besleyici ve trafo bileşenlerinden oluşan sistemin endüktif reaktansından etkilenen voltaj düşüşleri üretecektir.

 

Kısa besleyicilerde kaynak empedansı baskın bileşen olacaktır. Bu durumlarda harmonik akımların trafo merkezine ulaşması ve kaynak empedansındaki voltaj düşmesi muhtemeldir ve bu nedenle daha sert sistemlerde harmonik bozulma daha küçük olacaktır.

 

3. Çok darbeli dönüştürücüler kullanarak harmonik iptali

Küçük yük uygulamalarında tek fazlı dönüştürücüler kullanılır. Mevcut gereksinimler küçük olduğunda daha düşük başlangıç maliyetleri için yarım dalga doğrultucular uygulanabilir. Yarım dalga doğrultma, transformatörleri doyuran bir DC bileşeni üretir. İlkini sınırlamak için tam dalga doğrultucu dönüştürücülerin kullanılması önerilir.

 

Temel bir çok evreli dönüştürücü, altı darbeli bir birimdir. Teorik olarak, Şekil 1(a)'da gösterilen 12 darbeli birim, ilk ortaya çıkacak harmoniklerin 11. ve 13. olduğu düşük dereceli harmonikleri (5. ve 7.) ortadan kaldıracaktır. 17. ve 19. harmonikler karakteristik harmonikler olmadığından, aşağıdaki harmonik çifti 23 ve 25'te görünecektir.

 

Şekil 1a - 12 darbeli dönüştürücüler için faz kaydırmalı transformatör bağlantıları

Ek faz çarpması ile diğer harmonik akımları azaltmak mümkündür. Örneğin, her biri diğer doğrultucu birimlere göre 15°'lik bir faz kaymasına sahip olan dört 6-darbeli doğrultucu köprüden 24 darbeli bir birim oluşturulur. Bu, Şekil 1(b)'de gösterildiği gibi, bir zikzak veya bir çokgen içinde bağlı ayrı ek sargılara sahip faz kaydırmalı transformatörler kullanılarak elde edilir.

 

Altı darbeli bir ünite hizmet dışı olsaydı, altı darbeli üniteden ikisi birbirine 15° faz dışıyken bir miktar iptal hala kurulabilirdi.

 

Bununla birlikte, üçüncü birim, sistemdeki altı darbeli bir dönüştürücünün tipik harmoniklerinin tümünü gösterecektir.

 

Şekil 1b - 24 darbeli dönüştürücüler için faz kaydırmalı transformatör bağlantıları

 

Faz çarpma yaklaşımını kullanarak N bölümden oluşan altı darbeli bir doğrultucu üzerindeki harmonikleri ortadan kaldırmak için koşullar aşağıdaki gibidir:

 

1. İlgili transformatörlerin tümü aynı dönüşüm oranlarına sahiptir ve benzer kaçak empedanslara sahiptir.
2. Yük, dönüştürücüler arasında benzer parçalara bölünür.
3. Ateşleme açısı tüm dönüştürücülerde aynıdır.
4. Transformatörler arasındaki faz farkı 60/N elektrik derecesidir.

 

Bu harmonik indirgeme şemasının karakteristik harmonikleri aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

 

 

• h harmonik sıradır.
• q, 6 × N'ye eşittir.
• N, altı darbeli doğrultucu sayısıdır.
• k bir tam sayıdır (1, 2, 3, …).

 

(!) Doğrultucunun iki bölümü eşit değilse ve önceki gereksinimler karşılanmazsa karakteristik olmayan harmonikler her zaman mevcut olacaktır. Yukarıdaki denklemi kullanarak, 12 darbeli dönüştürücüler 11.'nin altındaki tüm harmoniklerin iptalini sağlar ve 18 darbeli dönüştürücüler, 17'nin altındaki tüm harmonikleri iptal eder.

 

Şekil 2, 18 darbeli dönüştürücünün harmonik spektrumu ile birlikte yük ve kaynak konumlarındaki voltaj ve akım dalga biçimlerini açıklar.

 

4. Harmonik zayıflatıcı elemanlar olarak seri reaktörler

Seri reaktörler, kısa devre akım seviyeleri üzerinde bir miktar kontrol sağlamanın bir yolu olarak uzun süredir endüstride kullanılmaktadır. Bunları demir-çelik veya eritme tesislerinde ve güç trafo merkezlerinde veya jeneratörlerin veya güç transformatörlerinin nötr-toprak bağlantılarında görüyoruz. Seri reaktörler bir dereceye kadar endüstriyel uygulamalarda harmonik zayıflatıcı olarak da kullanılmaktadır.

 

Genellikle, güç dönüştürücülerinin kaynak tarafına kurulan %5 empedans reaktörleri bir dizi uygulamada görülür.

 

(!) Akımın hızlı değişimlerine karşı koyan bir enerji depolama cihazı olarak, bir seri reaktör teorik olarak her iki tarafında üretilen dalgalanma ve harmonik akımlara karşı iki yönlü bir zayıflama sağlar. Bu, dönüştürücüden (veya herhangi bir doğrusal olmayan yükten) AC kaynağına doğru harmonik akımların ve komşu alıcılardan gelen harmonik akımların veya dönüştürücüye doğru dağıtım sisteminde üretilen dalgalanmalardan kaynaklanan zayıflama anlamına gelir.

 

Bu, harmonik akımların zayıflamasına ek olarak, kondansatör sıralarının anahtarlanması veya uzun kablolar veya hat arızaları esnasında meydana gelen geçici bozulmalar sırasında oluşan güç hattı tarafında oluşturulan geçici veya alt geçici olaylar türlerine bir miktar rahatlama sağlamanın çekici bir yolu gibi görünüyor.

 

Şekil 2 - On sekiz darbeli doğrultucu

 

 

5. Faz dengeleme

Bazı elektrik enerjisi şirketleri, konut kurulumları, belediye sokak aydınlatması vb. gibi tek fazlı yüklere fazdan toprağa voltaj sağlayan, esas olarak topraklanmış bir yıldız ve tek fazlı transformatörlere sahip dört telli dağıtım sistemleri kullanır. Tek fazlı yüklerdeki değişiklikler, üç fazlı iletkenlerde dengesiz akımlar oluşturarak üç fazda farklı voltaj düşüşleri üretir ve fazdan faza voltaj dengesizliğine neden olur.

 

Maksimum fazdan faza veya fazdan toprağa voltaj dengesizliği, ağır yük koşulları sırasında voltajın önemli bir düşüş yaşayabileceği bir dağıtım fiderinin uzak ucunda daha kritik olabilir. Özellikle uygun voltaj profili kompanzasyon önlemlerinin yokluğunda.

 

Mükemmel dengelenmiş bir sistem elde etmek zordur çünkü tek fazlı yükler sürekli değişir, faz voltajlarında sürekli bir dengesizlik oluşturur ve sonunda eşit ve karakteristik olmayan harmoniklerin ortaya çıkmasına neden olur.

 

5.1 Faz gerilimi dengesizliği

Gerilim dengesizliğini belirlemenin en basit yöntemi, faz-faz geriliminin ortalama gerilimden en büyük sapmasını aşağıdaki gibi hesaplamaktır:

Örneğin, 480 V'luk bir uygulama, ortalama voltaj (473 + 478 + 486)/3 = 479 V ile sırasıyla 473, 478 ve 486 V'a eşit VAB, VBC ve VCA voltajları gösteriyorsa, voltaj dengesizliği aşağıdaki gibidir:

Gerilim dengesizliğinin miktarı, negatif bileşen gerilimi cinsinden de ifade edilebilir:

 

5.2 Dengesiz faz geriliminin etkileri

Üç fazlı motorlara dengesiz faz gerilimleri uygulandığında, motor sargılarında dolaşacak ek negatif dizi akımlarına neden olarak ısıtma kayıplarını arttırır. En şiddetli durum, bir açık faz durumu altında meydana gelir.

 

Tüm motorlar faz gerilimindeki dengesizliğe karşı hassastır. Klimalı ünitelerde hermetik olarak oluşturulmuş kompresörlerde kullanılanlar gibi belirli motor türleri bu duruma daha duyarlıdır. Bu motorlar, soğutucu akışkan soğutmasının toplam etkisi nedeniyle sargılarda yüksek akım yoğunlukları ile çalışır.

Bir motor koruma sistemi tarafından aniden kapatıldığında, ilk adım, bağlantının kesilmesinin nedeninin belirlenmesi ve motorun aşırı yüklenmediğinden emin olmak için tekrar devreye alındıktan sonra çalışma akımının kontrol edilmesinden oluşur. Bir sonraki adım, voltaj dengesizliğinin miktarını belirlemek için üç fazdaki voltajı ölçmekten oluşur.

 

(!) Şekil 3, tam yükte çalışma için voltaj dengesizliği %2 ila 3'ü aştığında motorun aşırı ısındığını gösterir. Bilgisayarın çalışması, %2 ila %2,5'lik bir voltaj dengesizliğinden etkilenebilir.

 

Genel olarak, tek fazlı yükler, hassas ekipmana güç sağlayan üç fazlı devrelere bağlanmamalıdır. Bunun için ayrı bir devre kullanılmalıdır.

 

Şekil 3 - Faz-faz geriliminde dengesizlik olan motorlar için değer düşürme faktörü

 

Yük sınıflandırması

Kapsamlı elektrik ağları, farklı spektral içeriğe sahip doğrusal olmayan yüklere sahip olabilir. Mümkün olduğunda, yükleri harmonik spektrum tipine göre gruplamak (örneğin, 6-darbeli dönüştürücüler, 12-darbeli dönüştürücüler, ark tipi cihazlar, floresan aydınlatma, vb.) harmonik filtrelerin kurulumunu, konumunu ve boyutlandırılmasını optimize edebilir.

 

(!) Bu, özellikle karşılaştırılabilir yük türleri aynı yerde olmadığında başarılması zor bir görev olsa da, bu fikir, kurulacak harmonik filtrelerin sayısını azaltmanın bir yolu olarak düşünülmelidir.

Yük gruplandırma, telefon hatlarını yüksek dereceli harmonik akımlar taşıyan sitelerden mümkün olduğunca uzak tutmaya çalışarak telefon girişimini azaltmaya da yardımcı olabilir.