Güç Sistemlerinde Harmonikler, Etkileri ve Çözüm Yöntemleri
Bütün teknolojik alanlarda oldugu gibi güç elektronigi alanında yasanan gelismeler; anahtarlamalı güç kaynakları, ark ve pota ocakları, motor sürücüleri, AA/DA dönüstürücüler ve çevirgeçler gibi dogrusal olmayan yüklerin kullanımını artırmıstır. Bu yüklerin kullanımındaki artıs, iletim ve dagıtım sistemlerinde güç kalitesinde büyük ölçüde bozulmalara neden olmustur. Dogrusal olmayan yüklerin kullanımındaki artısa paralel, enerji kalitesine duyarlı hassas yüklerin kullanımı da oldukça artmıstır ve artmaya devam etmektedir. Bu sebeple, akım harmonikleri ve akım harmoniklerinden kaynaklı gerilim harmonikleri bugün birçok ülkede ciddi bir problem haline gelmistir.
Harmoniklerin güç sistemlerinde yarattıkları baslıca olumsuz etkiler sunlardır:
1-Kayıpların artması
2-Motorlarda, jeneratörlerde ve trafolarda asırı ısınma
3-Ölçüm ve koruma sistemlerinin hatalı çalısması
4-Elektrik cihazlarının ömrünün azalması
5-Paralel ve seri rezonans problemlerinin artması
Güç sistemlerinde harmoniklerden kaynaklı olumsuz etkiler çogunlukla tespit edilememekte ve bunun sonucu olarak güç kalitesindeki bozulma da giderek artmaktadır. Güç sistemlerinde akım harmoniklerinin bastırılması amacıyla filtreler kullanılmaktadır. Filtreler yapıları itibariyle pasif ve aktif harmonik filtreler olarak iki ana baslıkta sınıflandırılmaktadır. Pasif harmonik filtreler; kondansatör (C), reaktör (L) ve dirençten (R) olusmaktadırlar (Sekil.1).
Sekil.1. Degisik pasif filtre devreleri
Pasif harmonik filtreler ekonomik bir çözüm olmakla birlikte, çok yer kaplamaları, sabit bir kompanzasyon imkanı sunmaları, performanslarının sebeke parametrelerine baglı olması ve en önemlisi sebeke ve/veya yük ile rezonans devreleri olusturmaları en belirgin dezavantajlarıdır. Özellikle ülkemizde reaktif güç kompanzasyonu amacıyla tesis edilen sönt baglı yalın kondansatörler rezonans olaylarını (akım ve gerilim harmoniklerinin amplifikasyonu) artırmakta, ve güç kalitesini bozucu etki yaratmaktadırlar.
Güç kalitesindeki bozulmanın giderek artması ve pasif filtrelerin bu olumsuz yönleri harmoniklerden kaynaklı problemlerin giderilmesinde aktif çözümlere olan ilgiyi artırmıstır. Aktif harmonik filtrelerinin (diger bir deyisle aktif güç filtrelerinin) akım ve gerilim harmoniklerinin süzülmesi ve reaktif güç kompanzasyonu amacıyla kullanımı giderek artmaktadır.
Aktif güç filtreleri;
Akım ve gerilim harmoniklerinin süzülmesi
Şebeke ile yük arasında harmonik izolasyonun sağlanması
Reaktif güç kompanzasyonu
Nötr akımlarının kompanzasyonu
Gerilim regülasyonu
Fliker kompanzasyonu
Rezonansların bastırılması
gibi güç kalitesini artıracak uygulamalara imkan salamaktadırlar.
Aktif güç filtreleri devre yapılarına göre akım veya gerilim kaynaklı, sisteme balantı şekillerine göre ise seri veya paralel filtreler olarak sınıflandırılmaktadırlar(şekil 2)
Sekil.2. (a) Akım kaynaklı paralel baglı aktif güç filtresi (b) Gerilim kaynaklı seri baglı aktif güç filtresi
Paralel aktif güç filtreleri çogunlukla akım harmoniklerinin süzülmesi ve reaktif güç kompanzasyonu amacıyla; seri aktif güç filtreleri ise çogunlukla gerilim harmoniklerinin süzülmesi, gerilim regülasyonu ve harmonik izolasyon amacıyla kullanılmaktadırlar. Aktif güç filtrelerinin çalısma prensibi, örneklenen yük akım ve/veya gerilim dalga sekillerinden bir takım kontrol teknikleriyle üretilen referans akım ve/veya gerilim dalga sekillerinin kontrollu yarıiletken güç anahtarları yardımıyla üretilmesi ve sebekeye iletilmesine dayanmaktadır. Sekil.3’te 6 darbeli bir dogrultucunun yük akımı, bu akımdan üretilen aktif güç filtresinin referans akımı ve sebekeye basılan toplam akım gösterilmektedir. Sekil.3’ten görüldügü üzere aktif güç filtresi dogrusal olmayan 6 darbeli bir dogrultucu yükünün sebekeye bastıgı akım harmoniklerini neredeyse tamamen süzmektedir. Böylece sebekeye akım harmonigi basılmamakta, gerilim dalga seklinin bozulması engellenmekte ve sonuç olarak ortak baglantı noktasına (PCC) baglanacak diger yüklerin bu harmoniklerden etkilenmesinin önüne geçilmis olmaktadır. Aktif güç filtresinin yukarıda sıralanan yeteneklerinin yanı sıra diger bir önemli özelligi ise performansının sistem parametrelerinden (sebeke empedansı gibi) neredeyse bagımsız olmasıdır.
Aktif güç filtrelerinin ilk yatırım maliyetleri pasif filtrelere göre oldukça fazladır. Bu sebeple aktif ve pasif harmonik filtreler beraber kullanılarak hem bu filtrelerin yetenekleri birlestirilmekte hem de ilk yatırım maliyetleri düsürülebilmektedir. Bu tip sistemler hibrid (melez) harmonik filtreler olarak adlandırılmaktadır (Sekil.4).
Sekil.3. Yük akımı, aktif filtre akımı ve toplam sebeke akımı
Sekil.4. Seri aktif güç filtresi ve paralel pasif filtreden olusan hibrid filtre sistemi
Sonuç olarak, iletim ve dagıtım sistemlerinde akım ve gerilim harmoniklerinden kaynaklı problemler her geçen gün daha bir önem kazanmaktadır. Bu problemlerin çözümünde kullanılan pasif filtreler ekonomik olmaklabirlikte performanslarının sebeke parametrelerine baglı olması ve rezonans olaylarına neden olmaları en belirgin dezavantajlarıdır. Diger bir çözüm yöntemi olan aktif güç filtreleri ise güç kalitesinin iyilestirilmesi konusunda oldukça fazla imkan sunmaktadırlar. Günümüzde güç kalitesine duyarlı yüklerin kullanımının artması ve güç elektroniginde yasanan gelismeler aktif çözüm yöntemlerine olan ilgiyi artırmıs ve aktif güç filtrelerinin son ürün olarak kullanıma hazır ha
le gelmesini saglamıstır. Güç kalitesini iyilestirme uygulamalarından birisi olan reaktif güç kompanzasyonu uygulamalarında mümkün oldukça yalın kondansatör sistemlerinden kaçınılmalı, reaktif güç kompanzasyonu ve harmonik filtre sistemleri bir arada düsünülmeli, ve pasif filtrelerin yetersiz oldugu durumlarda ise aktif güç filtreleri kullanılmalıdır.
Kaynak : EMO Ankara Şubesi Haber Bülteni
Yazar : Alper TERCİYANLI