Harmonik Akımların Akışını Kontrol Etmek ve Harmonik Bozulma Limitlerini Azaltmanın 6 Yolu
Harmonik Tekniklerin Kontrolü
Endüstride harmonikle ilgili sorunları kontrol etmek için kullanılan ilk teknik, harmonik akımlara düşük empedanslı bir yol sunmak adına tek ayarlı filtrelerin önemli ölçüde kullanımını kapsıyordu. İlginçtir ki, harmonik filtre olmadan çalışan bir endüstride megavolt ile amper aralığında harmonik üreten yükler bulmak zor değildir. Bu, elektrik dağıtım şirketleri için kontrol edilmesi zor bir konudur çünkü mevcut standartlar genellikle endüstri için düzenleyici bir bildiriden çok bir referans kılavuz gibidir.
Büyük harmonik üreticileri, genellikle endüstriyel sektörde, yanlış giderse ölçüm noktasının ötesinde ortaya çıkabilecek, hassas ekipman ve süreçleri etkilemeye başlayan çoklu bozulmaları azaltmak için harmonik filtreleme yöntemlerini benimseyen tek üreticiler olabilir. Yüksek maliyet nedeniyle, bu yöntem 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 ve hatta bazen yardımcı trafo merkezine bile gidebilirler.
Yardımcı programları ve harmonik akım üreten müşterileri, artan harmonik bozulma seviyelerini ele almak ve umarız üstesinden gelmek için alternatif yöntemler için sürekli bir arayış içinde görmek yaygındır.
Örneğin, değişken frekanslı sürücülere (VFD'ler) bağlanan ve dolayısıyla harmonik akımın aşırı ısısına yüksek oranda maruz kalan özel uygulama transformatörleri genellikle özel K faktörlü transformatör tasarımları olarak belirtilir. Bu özel tip trafo yapıları, trafonun nominal değerlerin altında çalışmasını 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 akımlarının sargılarda hiçbir şekilde kontrol edilmediğine veya çıkartılmadığına dikkat edin. Harmoniklerin bir miktar iptali, örneğin, iki tane 6 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. Konuyla en çok ilgisi olanlar aşağıdaki altı tanesidir:
- Ağın yeniden yapılandırılması
- Kısa devre akım oranının artması
- Faz kaydırma transformatörlü statik çok darbeli güç dönüştürücüler
- Sıralı reaktörler
- Faz yükü dengeleme
- Faz voltajının dengesizliği
- Dengesiz faz voltajının etkileri
- Yük gruplaması
1. Ağ topolojisinin yeniden yapılandırılması
Filtrelenmemiş harmoniklerin etkisini azaltmak için genellikle faydalı olan bir önlem, ağın yeniden yapılandırılmasıdır. Bu uygulamada, 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 için ekonomik bir çözüm sağlayabilir.
Üç fazlı sistemlerde tek fazlı yüklerin dengelenmesi gibi, en büyük doğrusal olmayan yükleri farklı dağıtıcılar arasında bölmek faydalı olacaktır. Bu önlem, aksi takdirde tek bir yoldan taşınan harmonik akımlardan kaynaklanan aşırı gerilim düşüşlerini azaltacaktır.
Harmonik filtreler göz önüne alınacak bir seçenek değilse, bir 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, THD’nin biraz artmasıyla kesintiye uğrayabilecek hassas elektronik veya endüstriyel işlemler söz konusu olduğunda düşünülmemelidir.
2. Tedarik modu sertliğinin artması
Mevcut kısa devre akımı ile nominal yük akımı arasındaki oranın artması, daha güçlü bir besleme düğümü oluşturur. Bu durum, elektrik şirketleri trafo merkezlerinin boyutunu büyüttüğünde meydana gelir. Ayrıca endüstriyel müşteriler, yoğun talep sırasında çalışmaya yardımcı olmak için tedarik veri yoluna bir miktar kojenerasyon eklediğinde de ortaya çıkar.
Sert AC kaynakları, kısa devre ve yük akımları arasındaki oranın genellikle kaynak sertliğinin bir ölçüsü olarak kullanıldığı mevcut kısa devre akımını arttırır. Güçlü besleme düğümleri, ağda daha iyi emilebilir ve ani büyük trafo akımlarının, kabloya enerji verilmesinin ve büyük motor yüklerinin başlamasının etkilerini hafifletebilir.
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 transfo
rmatör boyutunun ters fonksiyonlarıdır. Bu, MVA1 dereceli "eski" bir transformatörün MVA2 dereceli "yeni" bir transformatör ile değiştirildiğinde empedans değişikliğinin hesaplanmasıyla gösterilebilir.
3. Çok darbeli dönüştürücüler kullanılarak harmonik iptali
Küçük yük uygulamalarında tek fazlı dönüştürücüler kullanılır. Daha düşük başlangıç maliyetleri için, mevcut gereksinimler küçük olduğunda 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 fazlı dönüştürücü, altı darbeli bir birimdir. Teorik olarak, aşağıdaki şekilde gösterilen 12 darbeli birim, 11. ve 13. sırada görünecek olan düşük dereceli harmonikleri (5. ve 7.) ortadan kaldıracaktır. 17. ve 19. harmonikler karakteristik olmadığı için, aşağıdaki harmonik çifti 23. ve 25. olacaktır.
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.
Tipik olarak, bir dizi uygulamada güç dönüştürücülerinin kaynak tarafına kurulan %5 empedans reaktörleri görülür.
Akımın hızlı değişimlerine karşı koyan bir enerji depolama cihazı olarak, bir seri reaktör teorik olarak her iki tarafında oluşan 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 müşterilerden gelen harmonik akımların veya dönüştürücüye doğru dağıtım sisteminde üretilen dalgalanmalardan kaynaklanan zayıflama anlamına gelir.
Bu, harmonik akımların zayıflamasına ek olarak, kapasitör sıralarının anahtarlanması veya uzun kablolar veya hat arızaları sırasında oluşan geçici bozulmalar sırasında oluşan güç hattı tarafında meydana gelen geçici veya alt geçici olaylara bir miktar rahatlama sağlamanın bir yolu olarak çekici görünmektedir.
5. Faz dengeleme
Bazı elektrik enerjisi şirketleri, konut tesisatları, belediye sokak aydınlatması, vb. gibi tek fazlı yüklere fazdan toprağa voltaj sağlayan birincil topraklanmış bir wye ve tek fazlı transformatörlere sahip dört telli dağıtım sistemleri kullanır. Tek fazlı yüklerdeki varyasyonlar dengesizlik yaratabilir. üç fazlı iletkenlerdeki akımlar, üç fazda farklı voltaj düşüşleri üretir ve faz-faz voltaj dengesizliğine neden olur.
Maksimum fazdan faza veya fazdan toprağa voltaj dengesizliği, özellikle uygun voltaj profili kompanzasyon önlemlerinin yokluğunda, ağır yük koşulları sırasında voltajın önemli bir düşüş yaşayabileceği bir dağıtım fiderinin uzak ucunda daha kritik olabilir.
“ 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 voltaj dengesizliği
Gerilim dengesizliğini belirlemenin en basit yöntemi, faz-faz geriliminin ortalama gerilimden en büyük sapmasını 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 şu şekildedir:
5.2 Dengesiz faz voltajının 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.
Aşağıdaki şekil, tam yükte çalışma için voltaj dengesizliği %2 ila 3'ü aştığında bir motorun aşırı ısındığını göstermektedir. 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.
6. Yük gruplaması
Kapsamlı elektrik ağları, farklı spektral içeriğe sahip doğrusal olmayan yüklere sahip olabilir. Mümkün olduğunda, yükleri harmonik spektrum tipine göre gr
uplamak (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 yerlerden mümkün olduğunca uzak tutmaya çalışarak telefon parazitini azaltmaya da yardımcı olabilir.