Enerji Sistemlerinde Harmonikler

Yük Örnekleri

Devre kesicileriniz nedensiz açma mı yapıyor?

Üretimde kesintiler Tutarsız üretim nedeniyle maliyetleriniz mi artıyor ?

Ürününüzün boyutlarında kalite standartlarını tutturmada zorluk mu yaşıyorsunuz ?

Reaktif enerji kompanzasyonu sisteminizdeki kondansatörleriniz patlıyor mu ? değer kaybediyor mu ? Kondansatör bir yatırım malzemesidir ve bir kondansatörün ortalama ömrü 15 yıldır.

Kablolarınız aşırı şekilde ısınıyor mu ?

Elektronik teçhizatınızda arızalar mı oluyor ? Elektronik kartlarınızda bellek kayıpları mı oluyor ? Güç kaynağı kartlarınızda sorunlar mı yaşıyorsunuz ?

Bu sorunlarınızın nedeni elektrik dağıtım sisteminizdeki harmonikler olabilir !

Harmoniklerin kaynağı nedir? AC ve DC Çeviriciler (konvertör) Eviriciler (invertör) (AC motor sürücüleri) Doğrultucular (DC motor sürücüleri, akü şarj cihazları, regülasyonlu DC güç kaynakları) Frekans Konvertörleri Kaynak makinaları Kesintisiz Güç Kaynakları (UPS) Anahtarlamalı Güç Kaynakları (SMPS) Bilgisayarlar (PC), elektronik ofis cihazları, floresan lambalar Ark ocakları

Sektörlere Göre Harmonik Kaynakları Plastik Sanayi (AC ve DC sürücüler, ekstrüzyon hatları) Kağıt Sanayi (AC ve DC sürücüler) Çimento Sanayi (AC ve DC sürücüler) Matbaa Sanayi (AC ve DC sürücüler) Otomotiv Sanayi (AC ve DC sürücüler, kaynak makinaları) Metal Sanayi (Alüminyum, Bakır, Demir, Çelik) (AC ve DC sürücüler) Otomasyon Merkezleri and Bilgi İşlem Merkezleri (Bilgisayarlar, Elektronik ofis cihazları) Tekstil Sanayi (AC ve DC sürücüler)

Enerji Sistemlerinde Harmonikler

Enerji Sistemlerinde Harmonikler

Enerji Sistemlerinde Harmonikler

Neden harmonik üreten yüklere ihtiyaç duyarız ? HIZ KONTROLÜ Sürekli üretim hatlarında, hız kontrolü yapılması gereklidir. Motor hızlarının kontrol edilmesi için AC ve DC sürücüler kullanılır. AC ve DC sürücülerin çalışması için harmonik bileşenlere ihtiyaç vardır.

Harmonikler nedir? Harmonikler, temel şebeke frekansının tam sayı katlarındaki frekanslarda bulunan akım veya gerilimlerdir.

İstenmeyen harmonikler Örnek Harmonikli toplam akım = 1. harmonik akım (50Hz’deki temel bileşen) + 5. harmonik akım (5 x 50Hz) İstenmeyen harmonikler (filtrelenecek) + 7. harmonik akım (7 x 50Hz)

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 1 Düşük Enerji Kalitesi Sinusoidal olmayan Akımlar ve Gerilimler !

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 2 Patlamalar ve Yangın ! Can ve mal güvenliği için risk. Harmoniklerden birinin frekansı, enerji dağıtım sisteminin doğal frekansı ile çakışırsa veya hatta yakınına gelirse Rezonans olayı oluşabilir. Bu durumda, enerji sisteminde dalgalanmalar, hatta sarsıntılar olması mümkündür.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 3 Üretimin Yönetilmesinde Zorluklar Üretim planlaması yapmak aşağıdaki nedenlerden dolayı neredeyse imkansız hale gelir: a) Üretimde beklenmeyen kesintiler (bkz. Sayfa 21 - 22) b) Düşük ürün kalitesi nedeniyle artan üretim maliyetleri (bkz. Sayfa 23 - 26) c) Sürekli yanan teçhizatın sık sık yenilenmesi (bkz. Sayfa 27)

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 3a Üretimde beklenmeyen kesintilerin sonuçları Üretim kapasitesi azalır. Üretim maliyetleri artar. Makinaların çalışması sırasında oluşacak bir kesinti büyük kayıplara neden olur. Özellikle ısıl işlemlerin kullanıldığı sürekli üretim hatlarında (örn. Plastik sanayindeki ekstrüzyon makinalarında), makinanın çalışmasında yaşanacak bir kesinti, makinanın temizlenmesi ve yeniden ayarlanmasının ardından üretimin yeniden başlamasına kadar 4 - 5 saatlik bir durma anlamına gelir. Birden fazla makinanın uzun bir süre birlikte durması halinde ise maliyetler daha da çok artacaktır. Ayrıca kesintinin yaşandığı anda kullanılan malzeme de israf edilmiş olur.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 3a Üretimde beklenmeyen kesintilerin nedenleri Şalter açmaları. Temel frekanstaki akım normal sevide olmasına rağmen harmonik bileşenler nedeniyle artan RMS akım nedeniyle koruma cihazları, şalterleri (devre kesicileri) açtırabilir. Ölçüm cihazlarının yanlış ölçüm alması. Koruma sisteminde kullanılan ölçüm cihazları yanlış ölçüm alarak koruma sisteminin devre kesicileri açtırmasına neden olabilir. Yanlış ölçüm alma iki yolla mümkün olabilir: Ölçüm bobinleri, yüksek harmonik akım gördüğünde önceden tanımlı olmayan çıkış değerleri verebilir. Akım ve gerilimin sıfır geçiş noktaları başka bir noktaya kaymış olabilir. Bu nedenle bu sıfır geçiş noktalarını kullanan ölçüm cihazları yanlış hesap yapacaktır.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 3b Düşük Ürün Kalitesi Sinusoidal olmayan akımlar ve gerilimler üretim makinalarını etkileyerek hassas tolerans sınırlarının dışında ürünlerin çıkmasına neden olabilir.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 3b Düşük Ürün Kalitesi Örnek 1: Plastik Sanayi Düşük enerji kalitesi, motor hızlarında salınımlara neden olur ve bu nedenle birkaç motorun senkronizasyonunda uyumsuzluk ortaya çıkar. Böylece malzeme dolgusu istenen sınırların dışında kalabilir. Bunun sonucu olarak da, dolgu malzemesinin miktarının doğru olarak kontrol edilememesi nedeniyle iki önemli işlemde sorunlar yaşanabilir:

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 3b Düşük Ürün Kalitesi Örnek 1: Plastik Sanayi 1. Ham madde karışım istasyonunda formüllü hazır karışım hazırlanması: Değişik ham maddelerin kontrol dışı beslenmesi nedeniyle, formülasyonda değişiklikler olabilir. Bu nedenle ürünün fiziksel ve kimyasal özelliklerinde çok ciddi sorunlar oluşabilir. 2. Ekstruderde formüllü hazır karışım beslemesi: Malzeme miktarının doğru olarak kontrolünün yapılamaması, profilin bir metredeki ağırlığının kontrol edilmesinde zorluklar yaratır. Bu nedenle, sabit olmayan besleme yüzünden profil kalınlıkları ve malzemenin plastifikasyon karakteristikleri etkilenebilir. Bunun sonucu olarak da profillerde farklı fiziksel karakteristikler ortaya çıkabilir (kaynayabilirlik, darbe mukavemeti, köşe kaynak mukavemeti, vb.)

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 3b Düşük Ürün Kalitesi Örnek 2: Otomotiv Sanayi Punta kaynağının RMS akımı kaynak kalitesini etkiler. Düşük kaynak kalitesi nedeniyle imalatçı, birçok noktada kaynak atmaya mecbur kalır. Bunun sonucunda ise düşük kaliteli bir ürün ortaya çıkacaktır.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 3c Sürekli yanan teçhizatın sık sık yenilenmesi Temel frekanstaki akıma harmonik akımlar eklendiğinde akımın RMS değeri, elektrik enerjisi dağıtım sistemindeki teçhizatın aşırı akım toleransları üzerinde bir seviyeye ulaşır. Koruma sisteminin çalışmasına fırsat kalmadan bu yüksek akımın teçhizata hasar vermesi mümkündür.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 4 Harmoniklerin bulunduğu yerde kompanzasyon sistemi kullanılmasının zorluğu Kompanzasyon sistemi bulunan bir tesiste kondansatörler sistemdeki en düşük empedans noktasını oluştururlar. Ohm yasasının bir sonucu olarak, tüm harmonik akımlar bu kondansatörler üzerinden akar. Harmonik akımlar daha da yüksek seviyelere çıkarak kondansatörlerin patlamasına neden olurlar. Veya daha iyi bir opsiyon olarak kondansatörler, sigortalar tarafından devre dışı bırakılır veya devrede kalarak kapasite değerlerini yitirirler. Burada bir kısır döngü söz konusudur: Kondansatörler değer yitirdikçe, sistemdeki rezonans riski azalır ancak yeteri kadar kapasitif güç olmadığından reaktif enerji cezasına girme durumu söz konusu olur. Eğer bu cezadan kurtulmak için kondansatörler yenileriyle değiştirilirse bu sefer daha büyük kayıplara neden olacak daha ciddi bir risk olan rezonans riski ile karşılaşılır. Ne kondansatörleri yenilemek ne de hiç kondansatör kullanmamak bu sorunu çözecektir.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 5 Elektrik Sisteminde Artan Maliyetler Enerji kayıpları Akımlardaki ciddi artışlar daha büyük enerji kayıpları anlamına gelir. Teçhizat amotismanında artış Teçhizatın çalışma ömrü kısalır.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 6 Enerji altyapısında daha yüksek ilk yatırım maliyetleri Harmoniklerin olduğu yerde yeni bir tesis kurarken daha büyük kapasiteli bir elektrik dağıtım sistemi öngörülmelidir.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 7 Kablolarda, baralarda ve dağıtım trafolarında aşırı ısınma ve gürültü (ses) sorunları

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 8 Elektronik devre kartlarında arızalar, bellek kayıpları Elektronik kartların yanması Bellek kayıpları (CNC makinalarında, vb.) Özellikle makinaların yardımcı güç kaynaklarındaki elektronik kartlar hasar görür. Bu sorun genellikle güç kaynağı imalatçısının dikkatine sunulur ancak genellikle de sorun elektrik sisteminden kaynaklanır.

Harmoniklerin oluşturduğu sorunlar - 9 Haberleşme kablolarında ve bilgisayar ekranlarında parazit.

Bu nedenle, fabrikanızda harmonik analizi yapmak gereklidir. Ne yapılmalı ? Harmonik Analizi Fabrikanızda sinusoidal olmayan akımlar ve gerilimler ile çalışan yükleriniz varsa fabrikanızın elektrik enerji sisteminde harmonikler vardır. Bu nedenle, fabrikanızda harmonik analizi yapmak gereklidir.

Harmonik Analizi Harmonik Analizi, fabrikanızın elektrik dağıtım sisteminde çeşitli önemli noktalardan harmonik akımların ve harmonik gerilimlerin büyüklüklerinin ve frekanslarının ölçümleri alınarak yapılır. Buna ek olarak, fabrikanın yüz yüze bulunduğu risklerin analizi de yapılmalıdır.

bir çözüm önermek mümkün değildir. Harmonik Analizi Sorunu analiz etmeden bir çözüm önermek mümkün değildir.

Mevcut sistemin ayrıntılı analizinin yapılmasının yanında, Harmonik Analizi Mevcut sistemin ayrıntılı analizinin yapılmasının yanında, enerji sisteminde oluşabilecek tüm olasılıkların ve senaryoların da göz önüne alınması gereklidir. Örneğin, yüklerin diğer bir trafodan beslenmesi, şebeke yerine acil durum jeneratöründen veya kojenerasyon sisteminden beslenmesi olasılığı, sistemin yük dağılımında yapılacak değişiklikler veya eklemeler, vb.

Çözüm Uygulanması Fabrikanıza özel en uygun çözüm, fabrikanızda yapılan harmonik analizinin sonuçlarına göre tasarlanabilir.

Çözüm Uygulanması Belirli bir enerji sistemi için çözüm terzi usulü yapılmalıdır. Burada standart raf ürünleri söz konusu değildir. Burada bir sistem söz konusudur. Sistem seviyesinde bir mühendislik çalışması yapılmalıdır. Bu yapılırken de tesisteki bütün elektrik enerji dağıtım sisteminin tüm parametreleri incelenmelidir.

Örnek Tek Hat Şeması

Örnek Tek Hat Şeması

Filtrelemenin Etkisi

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler Analiz Sonuçları P = 779 kW Q = 412 kVAr PF = 0.884 (endüktif) Irms = 1299 A/faz I1 = 1173 A/faz V1 = 391 V I5 = % 51 (600 A) V5 = % 7.8 (30 V)

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler Analiz Sonuçları Gerilim Akım

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler Analiz Sonuçları

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler Çözüm Sonuçları Filtrelemeden Önce Filtrelemeden Sonra

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler Filtrelemeden Önce Filtrelemeden Sonra Gerilim Akım

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler Harmonik Bileşenler Dalga Şekilleri Gerilim Akım

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler Filtreleme Öncesinde Akımlar I1 = 1173 A/faz Irms = 1299 A/faz Makinaların kullandığı faydalı akım Şebekeden çekilen Toplam Akım % 11 daha fazla akım harmonikler nedeniyle şebekeden çekilmektedir

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi $ PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler Tasarruf 25 iş günü / ay x 24 saat / gün = 600 saat / ay 780 kW x 600 saat / ay = 468,000 kWh / ay 0.10 $ / kWh x 468,000 kWh / ay = 46,800 $ / ay 46,800 $ / ay x 12 ay / yıl = 561,600 $ / yıl Bir senelik elektrik enerjisi bedeli: 561,000.- $ Harmonik filtreleme bu fabrikaya yaklaşık %10 tasarruf sağlayacaktır Bir yılda elektrik enerjisi maliyetinden yapılan tasarruf: 56,100.- $

Örnek Çalışma - Plastik Sanayi PVC Profil Fabrikası - Tristör kontrollü Ekstruderler PARAMETRELERİN KARŞILAŞTIRILMASI

Harmonik filtreleme sonucunda elde edilen nedir ? Daha iyi Enerji Kalitesi Günümüzde araştırmaların çoğu, yeni santraller kurmak yerine mevcut olanların daha iyi kullanılmasına yönelik olarak yapılmaktadır. Yüksek enerji kalitesiyle enerji kaynakları daha verimli kullanılmaktadır. Dünyanın her yerinde geleceğe doğru gidiş bu yöndedir. Yüksek enerji kalitesiyle birlikte, makinalar daha iyi ve sürekli çalışır koruma röleleri daha sağlıklı çalışır kablolar aşırı şekilde ısınmaz Yeni tesis yatırımlarında daha küçük bir enerji dağıtım sistemi kurmak yeterli olacaktır.

Harmonik filtreleme sonucunda elde edilen nedir ? Harmonik bulunan tesislerde önlem almak gereklidir. Önlem alma sonucunda makina ve sistem imalatçıları hiç tereddütsüz bir şekilde ürünlerinin garantilerini verebilmektedir.

Enerji Sistemlerinde Harmonikler ile ilgili Uluslararası Standartlar Gerilim ve Akım Bozulması Sınırları için Standartlar IEEE 519 [5] Institution of Electrical Engineers, New Jersey, ABD IEC 61000-2-2, 61000-2-4 and 61000-3-2 International Electrotechnical Commission, Cenevre, İsviçre EN 50160 European Norms, Brüksel, Belçika

Gerilim Harmonikleri için IEEE Standardı IEEE 519 [5] - Gerilim Bozulması Sınırları Bara Gerilimi Tek başına Vh (%) THDV (%) V < 69 kV 3.0 5.0 69  V < 161 kV 1.5 2.5 V  161 kV 1.0 1.5

Akım Harmonikleri için IEEE Standardı Genel Dağıtım Sistemleri (120V - 69 kV) Isc / IL h < 11 11  h < 17 17  h < 23 23  h < 35 h  35 TDD (%) ----------------------------------------------------------------------------------------------------- < 20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5 20 - 50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8 50 - 100 10 4.5 4.0 1.5 0.7 12 100 - 1000 12 5.5 5.0 2.0 1.0 15 > 1000 15 7.0 6.0 2.5 1.4 20 Genel Alt-iletim Sistemleri (69 kV - 161 kV) Genel Dağıtım Sistemleri için için verilen sınırların yarısı değerindedir. Genel İletim Sistemleri ( > 161 kV) Isc / IL h < 11 11  h < 17 17  h < 23 23  h < 35 h  35 TDD (%) ----------------------------------------------------------------------------------------------------- < 50 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5  50 3.0 1.5 1.15 0.45 0.22 3.75 Yukarıdaki akım bozulması sınırları tek harmonikler içindir. Çft harmonikler, tek harmoniklerin limitlerinin %25’I ile sınırlıdır. Tüm enerji üretim teçhizatı için bozulma sınırları Isc / IL < 20 ’ye göredir. Isc = Ortak bağlantı noktasındaki (PCC) maksimum kısa devre akımıdır. IL = Ortak bağlantı noktasında (PCC) temel frekansta 15 veya 30 dakika boyunca maksimum yük akımıdır. TDD = Toplam Talep Distorsiyonu (Bozulması) (= IL’ye göre normalize edilmiş THD)

Siteler Sokak No: 8/6 Süreyya Plajı, Maltepe İstanbul 0216 – 352 06 17 Adres : Siteler Sokak No: 8/6 Süreyya Plajı, Maltepe İstanbul Tel : 0216 – 352 06 17 Faks : 0216 – 352 55 81 E-posta : reelltd@hotmail.com